JP4910477B2 - 水素センサ - Google Patents
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Description
これは、被検知ガスの水素濃度に応答する検知素子と基準素子(温度補償素子)との電気抵抗の差に基づいて被検知ガスの水素濃度を検知するものであり、被検知ガスが流れる配管の重力方向上側の壁部(天井部)に、ガス導入口を下向きにして取付けられている。
また、固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池においては、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池に供給する反応ガス(水素や空気)を積極的に加湿しており、さらに、燃料電池の発電時には電気化学反応により反応熱と共に水が生成される。したがって、前記反応ガスは高温高湿であり、燃料電池システムに用いる水素センサはこれらの高温高湿のガスに晒されることとなる。
そこで、特許文献1では、水素センサにヒータを内蔵させ、検知素子格納空間の温度を水素センサの上流側のガス温度より高く制御して、検知素子に導かれるガスの相対湿度を上流側のガスの相対湿度よりも確実に低下させている。
本発明は、このような問題点に鑑み、検知素子への水の付着を最小限にしつつ、応答性や消費電力などを改善することを目的とする。
また、ガス導入口を被検知ガスの流れと逆方向に開口させたので、被検知ガスに液滴(飛沫水)が含まれていても検知素子に液滴が当たることがない。このため液滴付着による一時的な検知不良や、熱衝撃などによる検知素子の劣化・損傷も防止できる。
先ず本発明の第1実施形態を図1により説明する。
本発明の水素センサ10は、被検知ガスが流れる配管2に取付けられて、被検知ガスの水素濃度を検知するものである。
水素センサ10は、配管2のセンサ取付孔を囲む外壁に取付けられるボディ11と、ボディ11から配管2のセンサ取付孔を貫通して配管2の中心部へ延びる支持アーム(支持体)12と、支持アーム12の先端部に支持される検知ヘッド(検知部)13とから構成される。
支持アーム12は、検知ヘッド13を支持して、配管2内の被検知ガスの流れの中に配置するもの(支持体)であり、検知ヘッド13の熱がボディ11を介して配管2へ放熱されるのを低減するために工業用プラスチックなどの断熱材で製作されている。また、支持アーム12の内部にはボディ11内の信号調整回路14と検知ヘッド13内の検知素子等とをつなぐ配線18を通す貫通孔を設け、配線組立後にガス漏れの経路とならないように樹脂を充填してある。
そして、基準素子格納空間21に基準素子23を格納し、検知素子格納空間22に検知素子24を格納してある。
検知素子24及び基準素子23としては共に、例えば、気体熱伝導式のガス検知素子を用いる。気体熱伝導式のガス検知素子は、電気的特性が同一の素子を2つ用いて、一方を検知素子として被検知ガスに晒し、他方を基準素子として基準ガスに晒し、双方の素子に通電したときに、被検知ガスと基準ガスとの熱伝導率の差に比例した抵抗変化を生じることから、電気抵抗の差を検知することで、被検知ガスの水素濃度を検知することができるものである。
一方、検知素子格納空間22は、殻体19の後端部が、ガス導入口25として、被検知ガスの流れと逆方向に開口しており、常に被検知ガスに晒されるようになっている。
また、ガス導入口25を被検知ガスの流れと逆方向に開口させたので、被検知ガスに液滴(飛沫水)が含まれていても検知素子24に液滴(飛沫水)が当たることがない。このため液滴付着による一時的な検知不良や、熱衝撃などによる検知素子24の劣化・損傷も防止できる。
また、検知部の後流負圧によりガス流量に応じた検知素子格納空間22の吸出効果が得られるので、ガス置換が促進されると共に、低温起動時や被検知ガスの加圧に伴う露点上昇から検知素子格納空間22に液滴が生じても速やかに排水される。ゆえにガス流量に追従して応答性が向上できると共に、液滴による検知不良を防止できる。
更には、従来、結露が障害となって適用できなかった燃料電池アノード極や、改質による水素製造設備などの高湿度で、飛沫水混じりのガス配管においても、水素濃度検知が可能となる。
また、本実施形態によれば、検知部(検知ヘッド13)は、検知素子24の格納空間22と基準素子23の格納空間21とを隔壁20を介してそれぞれ備え、基準素子23の格納空間21は、検知部の外壁(殻体19)と隔壁(20)とで密閉し、内部に基準ガスを封入したことにより、次のような効果が得られる。
更に被検知ガスの熱を検知部の外壁(殻体19)で受熱して基準素子23と検知素子24が被検ガス温度に温調されて、検知部を露点(沸点)以上に維持することが容易となることから、加熱用のヒータを不要または簡素化して省電力および低コストにできる。また熱容量が小さいため水素濃度出力の応答性も向上できる。
被検知ガスに液滴(飛沫水)が含まれていても、基準素子格納空間21が衝立となり検知素子24に液滴(飛沫水)が吹付けられることがない。このため液滴付着による一時的な検知不良や、熱衝撃などによる劣化・損傷も防止できる。
また、本実施形態によれば、検知部(検知ヘッド13)の外壁(殻体19)を配管2内の流れ方向の下流側ほど断面積が増大するように形成し、最大断面積となる下流側端部をガス導入口25としたことにより、次のような効果が得られる。
また検知部外壁に沿って流れる被検知ガスの流速が最大になるので、その下流側で発生する渦(剥離)が低流量から発生し、この渦が検知素子格納空間22のガス置換を促進する。これにより広い流量範囲においてガス濃度の検知応答性が向上できる。
次に本発明の第2実施形態を図2により説明する。尚、第2実施形態以降では、既に述べた実施形態と同じ部分については説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
紡錘形状とすることで、被検知ガスの流通抵抗の増加を抑制でき、水素センサの挿入圧損を低減することができる。
また、本実施形態によれば、検知部(検知ヘッド13)内、特に基準素子23の格納空間21内にヒータ28を設け、低温起動時のみ発熱させることにより、ヒータ28を使用するも、低温起動時のみ使用することで、省電力化ができ、またヒータ寿命が延ばせるため水素センサの耐久性も向上できる。
次に本発明の第3実施形態を図3により説明する。
本実施形態では、信号調整回路29を半導体プロセスを用いてシリコン上に集積化して、基準素子23と隔壁20との間に設けている。このとき、信号調整回路29は、信号調整の機能を備えると共に、動作熱によるヒータ機能を兼ね備える。
また、検知素子格納空間22で検知素子24と近接する部位(隔壁20の表面G)にガラスなどの親水性材料を貼り付けることにより、液滴の接触角を下げて、液滴が隔壁20と検知素子24に架橋することを防止している。尚、親水性を持たせるための他の方法として、酸化チタンなどの親水コーティングを施してもよい。
また、本実施形態によれば、メッシュ27を撥水性材料で製作するか、メッシュ基材に撥水コーティングを施して製作することで、メッシュ27に撥水性を持たせたことにより、検知素子格納空間22へ水蒸気を含む被検知ガスを通しつつ、検知の障害となる液滴の進入や水膜の形成を低減させることができる。これにより検知素子格納空間22に導かれる被検知ガスの組成が変化しないため、水素濃度の検知精度を高めることができる。
図4は図1〜図3のボディ11側から見たものである。
本実施形態では、断面が被検知ガスの流れ方向に紡錘形状をなす支持アーム12の先端部を検知ヘッド13’として、その内部を流れ方向に沿う隔壁20’で仕切ることにより、流れ方向に対し、並列に、基準素子格納空間21(基準素子23)と、検知素子格納空間22(検知素子24)とを配置してある。
特に、本実施形態によれば、配管2内の流れ方向に対し、並列に、基準素子23の格納空間21と、検知素子24の格納空間22とを配置したことにより、被検知ガスの温度が基準素子格納空間21と検知素子格納空間22とに均一に伝達され、温度補償性能を向上させることができる。
湿度検知素子としては、静電容量式の相対湿度検知素子などが利用でき、検知素子格納空間22内の検知素子24の近傍に、検知ヘッド13の外壁(殻体19)と熱的に良好に結合させて取付ける。
次に本発明に係る水素センサの利用例について説明する。
燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟持した電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
アノード側電極には、水素供給源から水素供給弁3を介し、入口配管2aにより、水素ガス(燃料ガス)が供給され、電極上で水素がイオン化されて、固体高分子電解質膜を介してカソード側電極へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード側電極には、空気(酸化剤ガス)が入口配管2bにより供給されているために、水が生成される。アノード側の出口配管2cは、水素ガスを再利用するため、循環ポンプ(循環配管)4を介して、入口配管2aと接続されており、適宜、パージ弁(図示せず)を介してオフガスを系外に排出する。カソード側の出口配管2dは、オフガスを系外に排出する。
ここにおいて、運転制御モジュール5は、図6及び図7のフローチャートに従って、運転制御を行い、水素供給弁3、循環ポンプ4などの作動を制御する。尚、図5において、8は各種情報を記憶するメモリ、9は警報装置である。
燃料電池の運転開始スイッチが押されると(S100)、運転制御モジュールは先ずアノード出口配管内のガス温度Tgを読込み、予め記憶しておいたシステム起動時の検知ヘッド結露温度Thと比較して(S110)、結露温度Th以下であった場合には、基準素子格納空間に設けたヒータに通電して発熱させる(S111)。これにより冷えた検知ヘッドの暖機時間を短縮化させるが、暖機が終わるまでは水素センサの出力が安定しないために水素濃度制御のための判定が一定時間待たされる(S112)。
一方、異常でない場合はその他の運転制御ルーチン(S130)が実行され、運転制御が一巡する。引き続き次の運転制御に入るが、このときガス温度Tgが検知ヘッドの結露温度Th以上であるか否かを判定し(S120)、結露温度Th以上の場合はヒータへの通電を切る。もし未だ結露温度Th以下の場合はヒータへの通電を続行させる。
ガス供給の制御、不純物パージの制御を実施することにより、燃料電池システムの運転が最適化され、燃料電池システムの燃費向上、スタック耐久性向上、信頼性向上を達成できる。
図7は、燃料電池のカソード側の出口配管2dに水素センサ10bを設置した場合のガス漏れ監視ルーチンのフローチャートである。
このとき、ガス漏れ判定濃度Ce以上であった場合、故障によりアノード極の水素ガスがカソード極に漏れ出したことになるので、警報を発する指令を警報装置に出力し、運転者へ警告する(S920)と共に、故障が拡大しないように所定の処理を実行し停止させる(S921、S922)。
上記のように、燃料電池システムのカソード側の出口配管2dに水素センサ10bを設置して、所定値以上の水素濃度が検知された場合に、燃料電池システムの運転停止、警報のうち、少なくとも1つを実施することにより、燃料電池スタックの異常を速やかに検知して、故障箇所の拡大を防止することができる。
2 配管
2a アノード側の入口配管
2b カソード側の入口配管
2c アノード側の出口配管
2d カソード側の出口配管
3 水素供給弁
4 循環ポンプ
5 運転制御モジュール
10(10a、10b) 水素センサ
11 ボディ
12 支持アーム(支持体)
13 検知ヘッド(検知部)
14 信号調整回路
15 ボルト
16 シール材
17 外部配線
18 配線
19 外殻
20 隔壁
21 基準素子格納空間
22 検知素子格納空間
23 基準素子
24 検知素子
25 ガス導入口
26 メッシュ
27 メッシュ
28 ヒータ
29 ヒータを兼ねる集積型の信号調整回路
30 排水口
Claims (14)
- 被検知ガスの水素濃度に応答する検知素子と基準素子との電気抵抗の差に基づいて被検知ガスの水素濃度を検知する水素センサであって、
前記検知素子及び基準素子を内蔵させた検知部を、被検知ガスが流れる配管の壁部から管内に突出させた断熱材からなる支持体により支持して、配管内の流れの中に配置し、
前記検知部に前記検知素子に被検知ガスを導くガス導入口を被検知ガスの流れと逆方向に開口させ、
前記検知部は、検知素子の格納空間と基準素子の格納空間とを隔壁を介してそれぞれ備え、基準素子の格納空間は、検知部の外壁と前記隔壁とで密閉し、内部に基準ガスを封入したことを特徴とする水素センサ。 - 配管内の流れ方向で、上流側に、基準素子の格納空間を配置し、下流側に、検知素子の格納空間を配置したことを特徴とする請求項1記載の水素センサ。
- 配管内の流れ方向に対し、並列に、基準素子の格納空間と、検知素子の格納空間とを配置したことを特徴とする請求項1記載の水素センサ。
- 前記基準ガスに不活性ガスを用いたことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の水素センサ。
- 被検知ガスの水素濃度に応答する検知素子と基準素子との電気抵抗の差に基づいて被検知ガスの水素濃度を検知する水素センサであって、
前記検知素子及び基準素子を内蔵させた検知部を、被検知ガスが流れる配管の壁部から管内に突出させた断熱材からなる支持体により支持して、配管内の流れの中に配置し、
前記検知部に前記検知素子に被検知ガスを導くガス導入口を被検知ガスの流れと逆方向に開口させ、
前記検知部の外壁を配管内の流れ方向の下流側ほど断面積が増大するように形成し、最大断面積となる下流側端部を前記ガス導入口としたことを特徴とする水素センサ。 - 前記ガス導入口にメッシュを設けたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の水素センサ。
- 被検知ガスの水素濃度に応答する検知素子と基準素子との電気抵抗の差に基づいて被検知ガスの水素濃度を検知する水素センサであって、
前記検知素子及び基準素子を内蔵させた検知部を、被検知ガスが流れる配管の壁部から管内に突出させた断熱材からなる支持体により支持して、配管内の流れの中に配置し、
前記検知部に前記検知素子に被検知ガスを導くガス導入口を被検知ガスの流れと逆方向に開口させ、
前記検知部の外壁を配管内の流れ方向に沿って紡錘形状に形成し、最大断面積部より下流側の少なくとも一部をメッシュにより構成して、前記ガス導入口としたことを特徴とする水素センサ。 - 被検知ガスの水素濃度に応答する検知素子と基準素子との電気抵抗の差に基づいて被検知ガスの水素濃度を検知する水素センサであって、
前記検知素子及び基準素子を内蔵させた検知部を、被検知ガスが流れる配管の壁部から管内に突出させた断熱材からなる支持体により支持して、配管内の流れの中に配置し、
前記検知部に前記検知素子に被検知ガスを導くガス導入口を被検知ガスの流れと逆方向に開口させ、
前記ガス導入口にメッシュを設け、
前記メッシュの重力方向の下部を粗いメッシュ又は開口として、排水口を形成したことを特徴とする水素センサ。 - 前記メッシュに撥水性を持たせたことを特徴とする請求項6〜請求項8のいずれか1つに記載の水素センサ。
- 前記検知素子の格納空間内で検知素子と近接する部位に親水性を持たせたことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか1つに記載の水素センサ。
- 前記検知部内にヒータを設け、低温起動時のみ発熱させることを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか1つに記載の水素センサ。
- 前記検知素子の格納空間に湿度検知素子を設け、湿度検知素子により検知される湿度に基づいて湿度補償することを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか1つに記載の水素センサ。
- 燃料電池システムのアノード側の配管に設置して、検知した水素濃度に応じて、燃料電池スタックへのガス供給の制御、不純物パージの制御、燃料電池システムの運転停止、警報のうち、少なくとも1つを実施することを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか1つに記載の水素センサ。
- 燃料電池システムのカソード側の出口配管に設置して、所定値以上の水素濃度が検知された場合に、燃料電池システムの運転停止、警報のうち、少なくとも1つを実施するようにしたことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか1つに記載の水素センサ。
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