[发明专利]氢浓度测定装置及燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及对作为测定对象的气体中含有的氢的浓度进行测定的氢浓度测定装置。

背景技术

在通过含氢的燃料气体与氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池系统中，周知有为了将阳极废气中含有的氢高效地利用于发电而使该阳极废气循环到燃料电池的阳极电极侧来实现氢的再利用的技术。在此种氢循环方式的燃料电池系统中，已知有因从阴极电极侧透过燃料电池的电解质膜的氮或燃料气体中含有的杂质等蓄积在燃料电池的阳极电极侧而使氢分压下降，从而导致燃料电池的发电效率降低的情况。

因此，公开有下述技术：在为了维持发电效率而如上所述用于使阳极废气循环的循环路径中，设置通过选择性地使阳极废气中含有的氢透过而使杂质浓缩的电化学单元，且将因该氢透过结果浓缩了的阳极废气中的杂质向系统外排出(例如，参照专利文献1)。如此将阳极废气向系统外排出时，从氢的高效利用的观点出发，尽可能减少阳极废气中含有的氢量很重要，为此也需要更正确地测定气体中的氢浓度。

在此，作为对测定对象气体中含有的氢浓度进行测定的技术，公开有专利文献2记载的技术。在该技术中，在利用了质子导电型电解质膜的氢温度传感器中，通过入口电极与出口电极之间的质子传导能力较低地抑制入口电极处的测定对象气体的扩散速度，从而排除测定对象气体中含有的水分的影响，实现氢浓度测定。

专利文献1：日本特开2006-19120号公报

专利文献2：日本特开2001-215214号公报

专利文献3：日本特开2008-47329号公报

专利文献4：日本特开2003-207483号公报

专利文献5：日本特开2005-127969号公报

专利文献6：日本特开平4-34356号公报

发明内容

利用质子导电型的电解质膜对测定对象气体中含有的氢浓度进行测定时，在导入测定对象气体的入口电极侧，该测定对象气体中含有的氢以外的物质(以下称为“杂质”)所占的比例增加时，有效利用的电极面积减少，电极间的施加电压产生变动。因此在现有技术中，基于电极间的施加电压的变动其本身而进行测定对象气体中的氢浓度的测定。

然而，另一方面，质子导电型的电解质膜受导入的测定对象气体的湿润状态影响，其质子移动阻力有变动的倾向。例如，在测定对象气体为高温且干燥的情况和该测定对象气体为低温且湿润的情况下，将其导入入口电极时，电解质膜内的含水状态差异较大，因此即使假设测定对象气体中的氢浓度分别相同，也有可能出现不同的测定结果。也就是说，基于施加电压的变动本身测定氢浓度时，难以判别该电压变动是由测定对象气体中的杂质浓度引起还是由电解质膜的含水状态引起，因而可能难以进行正确的氢浓度的测定。

尤其是在测定对象气体的温度或其湿润状态可能比较大地变动的系统中的、利用了质子导电型的电解质膜的氢浓度测定装置的使用中，上述的课题是大问题，不能忽视利用了该氢浓度测定结果的系统中的各种装置对控制精度的影响。

本发明鉴于上述问题而作出，其目的在于，使得在利用了质子导电型的电解质膜的氢浓度测定装置中，难以受到测定对象气体的温度及湿度的状态的影响，能够进行较稳定的氢浓度的测定。

在本发明中，为了解决上述课题，在利用了质子导电型的电解质膜的氢浓度测定装置中，不利用隔着电解质膜设置的电极间的施加电压的变动本身，而利用该施加电压的时间变化率到达规定的时间变化率所需的时间来测定氢浓度。本申请人发现，施加电压的时间变化率的推移难以被测定对象气体的温度及湿度的状态影响而为比较稳定的参数。

因此，详细来说，本发明涉及氢浓度测定装置，对测定对象气体中含有的氢的浓度进行测定，具备：氢透过部，具有隔着质子导电型的电解质膜设置的入口电极及出口电极，通过将所述测定对象气体导入该入口电极且使电流在该入口电极与该出口电极之间流动，而选择性地使该测定对象气体中含有的氢透过到该出口电极；电流控制部，对所述氢透过部中在所述入口电极与所述出口电极之间流动的电流进行控制；以及氢浓度计算部，在将所述对象气体导入到所述入口电极内并通过所述电流控制部使电流在所述入口电极与所述出口电极之间流动的状态下，基于从使该电流开始流动的规定的开始时期直到该入口电极与该出口电极之间的施加电压的时间变化率到达规定的时间变化率为止的到达时间，算出所述测定对象气体中含有的氢浓度。