DE102012207966A1

DE102012207966A1 - Gas Sensor

Info

Publication number: DE102012207966A1
Application number: DE102012207966A
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi Oishi; Kazuhiro Okajima; Shunji TSUKABAYASHI
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2012-11-15
Also published as: JP5297497B2; JP2012237642A; US20120288411A1; US9017612B2

Abstract

Es wird ein Gassensor bereitgestellt, welcher keinen Temperatursensor benötigt, um eine Temperatur eines Heizers zu detektieren, um Tau-Kondensation zu verhindern. Der Gassensor umfasst einen Wasserstoffsensor 1, umfassend: ein Elementgehäuse 13 mit einer Detektionskammer 13a, in welche Wasserstoff eingeleitet wird, ein Detektionselement 31, welches in der Detektionskammer 13a angeordnet ist und Wasserstoff detektiert, einen Heizer 21 zum Heizen der Detektionskammer 13a durch Erzeugung von Wärme indem ein elektrischer Strom durch den Heizer 21 geleitet wird, wobei ein Widerstandswert des Heizers 21 sich entsprechend einer Temperatur der Detektionskammer 13a ändert, und einen Mikrocomputer 51 und einen Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 zum Steuern/Regeln des Heizers 21. Hierbei steuert/regelt der Mikrocomputer 51 eine Temperatur der Detektionskammer 13a, indem der elektrische Strom, welcher durch den Heizer 21 fließt, auf Basis des Widerstandswerts des Heizers 21 eingestellt wird.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung nimmt die Auslandspriorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-106666 in Anspruch, die am 11. Mai 2011 beim japanischen Patentamt eingereicht wurde, und deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine Brennstoffzelle, die als Energiequelle für ein Brennstoffzellenfahrzeug oder dergleichen zu erwarten ist, gibt Wasserstoff (oder zu detektierendes Gas), welches nicht durch Energieerzeugung verbraucht wurde, von einer Anode der Brennstoffzelle ab. Der Wasserstoff wird mit Kathoden-Abgas (oder Verdünnungsgas) verdünnt, welches von einer Kathode der Brennstoffzelle fließt, und wird danach zu der Außenseite des Fahrzeugs (oder nach außen) ausgegeben. Dann wird die Konzentration von Wasserstoff in dem zu der Außenseite des Fahrzeugs ausgegebenen Gas (oder verdünnten Gas) durch einen Wasserstoffsensor (oder Gassensor) detektiert.
Begleitend zu der Energieerzeugung erzeugt die Brennstoffzelle ebenfalls Feuchtigkeit (oder Dampf) in der Kathode, was das Kathoden-Abgas und das verdünnte Gas, welches zu dem Wasserstoffsensor strömt, zu einem Gas mit hoher Feuchtigkeit macht. Hierbei nimmt eine Detektionsempfindlichkeit für Wasserstoff ab, wenn der Dampf, der in dem verdünnten Gas enthalten ist, zu Tau-Kondensation-Wasser kondensiert, und dadurch an einem Detektorelement des Wasserstoffsensors anhaftet.
Um dem oben erwähnten Nachteil zu begegnen, schlägt die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2003-294675 einen Wasserstoffsensor vor, der einen Heizer (oder eine Heizeinheit) umfasst. Hierbei verhindert der Wasserstoffsensor mit einem Heizer die Erzeugung des Tau-Kondensation-Wassers und verhindert auch, dass das Tau-Kondensation-Wasser an dem Detektorelement anhaftet. Es ist festzuhalten, dass die Ausgabe des Heizers durch einen Temperatursensor gesteuert/geregelt wird, der in einer Nähe des Heizers derart angeordnet ist, dass die Erzeugung und das Anhaften des Tau-Kondensation-Wassers verhindert werden können, auf Basis einer Temperatur des Heizers, die durch den Temperatursensor detektiert wird.
Wenn jedoch, wie zuvor erwähnt, der Temperatursensor zur Detektion der Heizer-Temperatur umfasst ist, nimmt die Anzahl von Komponenten des Wasserstoffsensors zu, was zu der Schwierigkeit und Unannehmlichkeiten beim Verkleinern des Wasserstoffsensors führt.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor bereitzustellen, der keinen Temperatursensor zur Detektion einer Temperatur eines Heizers benötigt, um Tau-Kondensation zu verhindern.
Um den zuvor erwähnten Nachteil zu überwinden, umfasst ein Gassensor der vorliegenden Erfindung: ein Elementgehäuse, welches eine Detektionskammer umfasst, in welche zu detektierendes Gas eingeleitet wird, ein Detektionselement, das in der Detektionskammer angeordnet ist und zu detektierendes Gas detektiert, einen Heizer zum Heizen der Detektionskammer durch Erzeugung von Wärme durch den Durchfluss eines elektrischen Stroms, wobei ein Widerstandswert des Heizers entsprechend der Temperatur des Heizers geändert wird, und eine Steuer-/Regeleinheit zum Steuern/Regeln des Heizers. Hierbei steuert/regelt die Steuer-/Regeleinheit die Temperatur der Detektionskammer durch eine Steuerung/Regelung des durch den Heizer fließenden elektrischen Stroms auf Basis des Widerstandswerts des Heizers.
Bei der oben erwähnten Konstruktion wird der Widerstandswert des Heizers entsprechend der Temperatur des Heizers geändert. Dies ermöglicht es, die Temperatur des Heizers und die Temperatur der Detektionskammer auf Basis von dem Widerstandswert des Heizers abzuschätzen. Entsprechend kann die Steuer-/Regeleinheit die Temperatur der Detektionskammer auf Basis des Widerstandswerts des Heizers abschätzen, um dadurch die Temperatur der Detektionskammer so zu steuern/regeln, dass kein Tau-Kondensation-Wasser erzeugt wird, indem der Durchfluss des elektrischen Stroms durch den Heizer gesteuert/geregelt wird.
Wie oben erwähnt, wird ein Temperatursensor zur Detektion einer Temperatur des Heizers unnötig, und hierdurch wird die Anzahl von Komponenten des Gassensors kleiner, was es ermöglicht, den Gassensor in kleineren Abmessungen und mit niedrigeren Kosten herzustellen.
Hierbei umfasst der Gassensor weiter bevorzugt einen Brückenschaltkreis, der zusammengesetzt ist aus dem Heizer, einem Widerstand A, einem Widerstand B und einem Widerstand C. Ebenfalls umfasst die Steuer-/Regeleinheit vorzugsweise einen Heizer-Betrieb-Schaltkreis, um eine von dem Brückenschaltkreis ausgegebene Potenzialdifferenz zurückzuführen und dadurch den elektrischen Strom durch den Heizer zu steuern/regeln.
Gemäß der oben erwähnten Konstruktion leitet der Heizer-Betrieb-Schaltkreis in der Steuer-/Regeleinheit die durch den Brückenschaltkreis ausgegebene Potenzialdifferenz zurück, um den elektrischen Strom durch den Heizer zu steuern/regeln, was ermöglicht, die Temperatur der Detektionskammer zu steuern/regeln. Dies ermöglicht es, dass ein Steuer-/Regelverfahren des Heizers gemäß einem Steuer-/Regelprogramm oder dergleichen in der Steuer-/Regeleinheit unnötig wird, wobei das Steuer-/Regelverfahren ein in 8 gezeigtes Heizer-Steuer-/Regelverfahren ist, das nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel beschrieben wird.
Weiter steuert/regelt bei dem Gassensor vorzugsweise die Steuer-/Regeleinheit die Temperatur der Detektionskammer, so dass sie über einer Temperatur gehalten wird, bei der Tau-Kondensation verhindert wird, so dass die Tau-Kondensation in der Detektionskammer verhindert werden kann.
Die oben erwähnte Konstruktion ermöglicht es, die Tau-Kondensation in der Detektionskammer zu verhindern, da die Steuer-/Regeleinheit die Temperatur der Detektionskammer so steuert/regelt, dass sie oberhalb einer Temperatur zur Verhinderung der Tau-Kondensation gehalten wird.
Weiterhin ist bei dem Gassensor das Detektionselement ein katalytisches Verbrennungselement. Bevorzugt korrigiert die Steuer-/Regeleinheit einen Ausgabewert des Detektionselements auf Basis des Widerstandswertes des Heizers.
Hierbei ist das Detektionselement bei einem katalytischen Verbrennungstyp so konstruiert, dass es das detektierte Gas verbrennt, welches in Kontakt mit dem Detektionselement kommt, und dadurch eine Temperatur des Detektionselements durch die resultierende Verbrennungswärme zunimmt. Ferner ist das Detektionselement aus einem Material (Platin oder dergleichen) hergestellt, dessen Widerstandswert sich entsprechend der Temperatur des Materials ändert. Hierdurch ändert sich der Widerstandswert des Detektionselements, wenn die Temperatur des Detektionselements zunimmt. Daher wird die Veränderung des Widerstandswerts von dem Detektionselement verwendet, um eine Konzentration des detektierten Gases zu detektieren.
Allerdings ist festzuhalten, dass eine Temperatur und ein Widerstandswert von dem Detektionselement sich entsprechend der Temperatur der Detektionskammer (oder Umgebungstemperatur) ändern, in welcher das Detektionselement angeordnet ist, auch wenn eine Konzentration des detektierten Gases 0 ist (oder einer Verbrennungswärme 0 ist). Daher muss die Konzentration des detektierten Gases unter Berücksichtigung der oben erwähnten Eigenschaften von dem Detektionselement berechnet werden.
Zu diesem Zweck wurde eine Technik zur Detektion einer Konzentration von zu detektierendem Gas entwickelt und offenbart, welche die Schritte umfasst: Anordnen eines Temperatur-Kompensation-Elements in einer Nähe des Detektionselements, wobei das Temperatur-Kompensation-Element für das zu detektierende Gas inaktiv ist, sich aber eine Temperatur und ein Widerstandswert des Temperatur-Kompensation-Elements entsprechend einer Temperatur der Detektionskammer ändern, Konstruieren eines Brückenschaltkreises, welcher das Detektionselement und das Temperatur-Kompensation-Element umfasst, Verrechnen des Widerstandswerts des Temperatur-Kompensation-Elements mit dem Widerstandswert des Detektionselements durch den Brückenschaltkreis und Ausgeben eines Spannungswerts, der nur durch die Verbrennungswärme des zu detektierenden Gases berechnet wird, wobei das Gas durch das Detektionselement verbrannt wird.
Allerdings muss bei der oben erwähnten Technik das Temperatur-Kompensation-Element in der Nähe des Detektionselements angeordnet sein, und es ist schwierig, den Gassensor zu verkleinern.
Im Gegensatz dazu korrigiert gemäß dem Gassensor der vorliegenden Erfindung die Steuer-/Regeleinheit den Ausgabewert von dem Detektionselement auf Basis von dem Widerstandswert des Heizers. Dies ermöglicht es, das Temperatur-Kompensation-Element wegzulassen, und eine Verkleinerung des Gassensors kann auf einfache Weise erreicht werden.
In anderen Worten schätzt die Steuer-/Regeleinheit eine Temperatur der Detektionskammer auf Basis von einem Widerstandswert des Heizers und schätzt eine Änderung in dem Widerstandswert des Detektionselements, die aus einer Änderung in der Temperatur der Detektionskammer (oder Änderung in einer Umgebungstemperatur) abgeleitet wird. Dann kann die Konzentration des zu detektierenden Gases detektiert werden, indem der Ausgabewert von dem Detektionselement so korrigiert wird, dass die Steuer-/Regeleinheit beispielsweise die Änderung in dem Widerstandswert von dem Detektionselement, die aus der Änderung in der Temperatur der Detektionskammer abgeleitet ist, verrechnet oder reduziert.
Weiterhin ist bei dem Gassensor vorzugsweise das Detektionselement ein katalytisches Verbrennungselement, und die Steuer-/Regeleinheit korrigiert einen Ausgabewert von dem Detektionselement auf Basis einer Energie, welche den Heizer betreibt.
Bei der oben erwähnten Konstruktion korrigiert die Steuer-/Regeleinheit den Ausgabewert von dem Detektionselement auf Basis der Energie, welche den Heizer betreibt. Dies ermöglicht es, das Temperatur-Kompensation-Element wegzulassen, wodurch der Gassensor auf einfache Weise verkleinert wird.
Das heißt, die Steuer-/Regeleinheit schätzt einen Widerstandswert des Heizers auf Basis von Komponenten einer Energie (eines elektrischen Stromwertes, eines Spannungswertes, oder elektrischer Leistung oder dergleichen), die den Heizer betreibt, schätzt dann eine Temperatur der Detektionskammer auf Basis des Widerstandswerts des Heizers und schätzt dadurch eine Änderung in dem Widerstandswert von dem Detektionselement, die aus der Änderung in der Temperatur der Detektionskammer (oder Änderung in einer Umgebungstemperatur) abgeleitet ist. Dann kann die Konzentration des zu detektierenden Gases detektiert werden indem der Ausgabewert von dem Detektionselement derart korrigiert wird, dass die Steuer-/Regeleinheit beispielsweise die Änderung in dem Widerstandswert von dem Detektionselement, die aus der Änderung in der Temperatur der Detektionskammer abgeleitet ist, verrechnet oder reduziert.
Weiterhin detektiert bei dem Gassensor vorzugsweise das Detektionselement Wasserstoff in einem Kathoden-Abgas, welches von der Kathode der Brennstoffzelle abgegeben wird, und vorzugsweise korrigiert die Steuer-/Regeleinheit einen Ausgabewert von dem Detektionselement auf Basis der Temperatur des Kathoden-Abgases.
Bei der oben erwähnten Konstruktion ändert sich der Widerstandswert des Detektionselements in einem katalytischen Verbrennungstyp entsprechend der Temperatur des Kathoden-Abgases. Beispielsweise wird der Widerstandswert von dem Detektionselement umso größer, je höher die Temperatur des Kathoden-Abgases wird.
Entsprechend wird der Gassensor genauer, da die Steuer-/Regeleinheit den Ausgabewert von dem Detektionselement auf Basis der Temperatur von dem Kathoden-Abgas korrigiert.
Wie zuvor erwähnt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gassensor bereitgestellt werden, welcher keinen Temperatursensor benötigt, wobei der Temperatursensor eine Temperatur des Heizers detektiert, um die Tau-Kondensation zu verhindern.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist ein Diagramm, welches eine schematische Konstruktion des Brennstoffzellensystems in dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
2 ist ein Diagramm, welches einen seitlichen Querschnitt von dem Wasserstoffsensor in dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
3 ist eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen einem Widerstandswert des Heizers und einer Temperatur des Heizers in dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
4 ist ein Schaltplan, welcher den Wasserstoffsensor in dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
5 ist eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen einem Widerstandswert des Heizers und einer Temperatur der Detektionskammer in dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
6 ist eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen einer Temperatur der Detektionskammer und einem Korrekturkoeffizienten α zur Korrektur der Ausgabe des Brückenschaltkreises bei dem Wasserstoffsensor des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
7 ist eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen einer Temperatur des Kathoden-Abgases und einem Korrekturkoeffizienten β zur Korrektur der Ausgabe des Brückenschaltkreises bei dem Wasserstoffsensor des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm, welches ein Heizer-Steuer-/Regelverfahren bei dem Wasserstoffsensor des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
9 ist ein Flussdiagramm, welches ein Korrekturverfahren für eine Ausgabe des Brückenschaltkreises in dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
10 ist ein Schaltplan, welcher den Wasserstoffsensor in dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
11 ist ein Schaltplan, welcher den Heizer-Betrieb-Schaltkreis in dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
12 ist eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen einer dem Heizer zugeführten elektrischen Leistung und einer Temperatur der Detektionskammer in dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
13 ist ein Flussdiagramm, welches ein Korrekturverfahren für eine Ausgabe des Brückenschaltkreises in dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Erstes Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 9 beschrieben.
Zunächst wird ein Brennstoffzellensystem 100 beschrieben, welches einen Wasserstoffsensor 1 (oder Gassensor) umfasst. Das Brennstoffzellensystem 100 ist an einem Brennstoffzellenfahrzeug (oder Fahrzeug) angebracht, umfassend einen Brennstoffzellenstapel 110 (oder Brennstoffzelle) einen Verdünner 120, einen Temperatursensor 113, einen Wasserstoffsensor 1 und eine ECU 130 (oder elektrische Steuer-/Regeleinheit).
Brennstoffzellenstapel
Der Brennstoffzellenstapel 110 ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel (oder PEFC) und durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen konstruiert, wobei die Einheitszelle hergestellt wird, indem eine Membran-Elektroden-Anordnung (oder MEA) zwischen (nicht gezeigten) Separatoren angeordnet wird. Die MEA umfasst eine elektrolytische Membran (oder Polymer-Elektrolyt-Membran), eine Anode und eine Kathode, wobei die Anode und die Kathode die MEA zwischen sich aufnehmen. Ein Anodenströmungsdurchgang 111 und ein Kathodenströmungsdurchgang 112, die aus Vertiefungen oder Durchgangslöchern bestehen, sind in jedem Separator ausgebildet.
Weiter tritt, wenn Wasserstoff von einem (nicht gezeigten) Wasserstofftank zu der Anode durch den Anodenströmungsdurchgang 111 geliefert wird, und Sauerstoff enthaltende Luft von einem (nicht gezeigten) Kompressor geliefert wird, der freie Luft zu der Kathode durch den Kathodenströmungsdurchgang 112 bringt, eine Elektroden-Reaktion auf einem Katalysator (d. h. Platin oder dergleichen) auf, der in der Anode und der Kathode enthalten ist, was ermöglicht, dass der Brennstoffzellenstapel 110 elektrische Energie erzeugt. Wenn solch ein Brennstoffzellenstapel 110 in einem Zustand, in dem er dazu in der Lage ist elektrische Energie zu erzeugen, elektrisch mit einer äußeren Last (zum Beispiel einen Fahrt-Motor) elektrisch verbunden wird und dadurch einen elektrischen Strom ausgibt, beginnt der Brennstoffzellenstapel 110, elektrische Energie zu erzeugen.
Weiterhin strömt ein Anoden-Abgas, welches nicht verbrauchten Wasserstoff enthält, und das von dem Anodenströmungsdurchgang 111 ausgegeben wird, durch ein Rohr 111a zu dem Verdünner 120. Im Gegensatz strömt ein Kathoden-Abgas (oder Gas zur Verdünnung), welches von dem Kathodenströmungsdurchgang 112 abgegeben wird, durch ein Rohr 112a zu dem Verdünner 120.
Temperatursensor
Der Temperatursensor 113 ist an dem Rohr 112a angebracht und erfasst eine Temperatur des von dem Kathodenströmungsdurchgang 112 abgegebenen und zu dem Wasserstoffsensor 1 strömenden Kathoden-Abgases. Hierdurch gibt der Temperatursensor 113 die Temperaturdaten zu einem Korrekturschaltkreis 53 (vergleiche 4) von dem Wasserstoffsensor 1 hin aus, wie nachfolgend erklärt wird.
Verdünner
Der Verdünner 120 ist ein Behälter, um in dem Anoden-Abgas enthaltenen Wasserstoff mit dem Kathoden-Abgas oder dergleichen zu verdünnen, und umfasst einen Raum zur Verdünnung innerhalb des Behälters. Dann wird das Wasserstoff enthaltende verdünnte Gas ausgegeben, welches durch das Rohr 120a zu der Außenseite eines Fahrzeugs strömt.
ECU
Die ECU 130 ist so aufgebaut, dass sie eine CPU, einen ROM, einen RAM, verschiedene Typen von Schnittstellen und einen elektronischen Schaltkreis umfasst. Weiterhin gibt, wenn die ECU 130 ein Anschaltsignal von einem IG 131 erfasst, die ECU 130 einen Hochfahrbefehl an einen Mikrocomputer 51, einen Korrektur-Schaltkreis 53 und einen Standard-Spannung-Erzeugungsschaltkreis 54 des Wasserstoffsensors 1 aus, wie nachfolgend beschrieben wird (vergleiche 4). Es wird darauf hingewiesen, dass der IG 131 ein Startschalter des Brennstoffzellensystems 100 (oder Brennstoffzellenfahrzeugs) ist und um einen Fahrersitz herum angeordnet ist.
Konstruktion des Wasserstoffsensors
Wie in 2 gezeigt, ist der Wasserstoffsensor 1 ein katalytischer Verbrennungssensor zur Erfassung einer Wasserstoffkonzentration, die in der Gasströmung durch das Rohr 120a enthalten ist, indem Wasserstoff unter Verwendung des Detektionssensors 31 verbrannt wird.
Der Wasserstoffsensor umfasst: ein Substrat 11, auf welchem ein vorbestimmter Schaltkreis ausgebildet ist, ein Gehäuse 12 in Form einer dünnen Schachtel zum Aufnehmen des Substrats 11, ein Elementgehäuse 13 in einer zylindrischen Form, das einen Bodenteil aufweist und sich vertikal in einer Richtung nach unten von einem Bodenwand-Teil des Gehäuses 12 erstreckt, und einen Heizer 21 in einer zylindrischen Form, der an der Außenseiten-Fläche das Elementgehäuse 13 umgibt.
Allerdings sind die Form, die Position und die Anzahl von dem Heizer nicht auf die oben erwähnte Konstruktion beschränkt. Beispielsweise kann die Detektionskammer 13a in dem Elementgehäuse 13 mit einer Mehrzahl von plattenförmigen Heizern ausgestattet sein.
Das Gehäuse 12 ist aus einem Kunstharz wie Polyphenylensulfid hergestellt. Das Gehäuse 12 ist an einem Deckenwandteil 120b von dem Rohr 120a unter Verwendung von Bolzen angebracht.
Elementgehäuse
Das Elementgehäuse 13 umfasst eine Detektionskammer 13a darin, um Gas aufzunehmen, welches Wasserstoff enthält, um Wasserstoff zu detektieren. In der Detektionskammer 13a ist das Detektionselement 31 wie nachfolgend beschrieben angeordnet. Das heißt, das Elementgehäuse 13 beherbergt das Detektionselement 31.
Das oben erwähnte Elementgehäuse 13 ist aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ausgebildet (d. h. einem Metall wie rostfreiem Stahl (SUS) oder dergleichen, und einem Kunstharz mit hoher Wärmeleitfähigkeit) so dass der Heizer 21 Wärme zu der Detektionskammer 13a überträgt.
Weiterhin ist das Elementgehäuse 13 bevorzugt in einer Struktur mit wenigen Verbindungen konstruiert, beispielsweise aus einem einstückig geformten Teil ausgebildet, das durch Extrusionsformen erzeugt wird, um dadurch den thermischen Widerstand des Elementgehäuses 13 kleiner zu machen. Weiterhin ist der Wasserstoffsensor 1 so konstruiert, dass die Wärmeleitung von dem Unterteil des Gehäuses 12, auf welchem das Elementgehäuse 13 fixiert ist, kleiner gemacht wird, um dadurch den thermischen Widerstand von dem Unterteil des Gehäuses 12 größer zu machen. Diese Konstruktion ermöglicht, dass eine Differenz in der Temperatur zwischen dem Heizer 21 und der Detektionskammer 13a (oder einer Umgebung des Detektionselements) klein wird, wenn die Temperatur durch den Heizer 21 ansteigt, beispielsweise zur Startzeit des Wasserstoff Sensors 1. Dies ermöglicht es, dass ein Fehler der Ausgabe durch den Wasserstoffsensor 1 klein wird.
Weiterhin ist ein Gaseinlass und -auslass 13b in einer Kreisform bei Betrachtung in einer Draufsicht an dem Unterteil von dem Elementgehäuse 13 ausgebildet. Dadurch tritt das Wasserstoff enthaltende Gas durch den Gaseinlass und -auslass 13b zwischen der Detektionskammer 13a und dem Rohr 120a ein und aus.
Es ist festzuhalten, dass ein explosionssicherer Filter und ein wasserabweisender Filter (beide nicht gezeigt) so angeordnet sind, dass die Filter den Gaseinlass und -auslass 13b abdecken. Der explosionssichere Filter stellt einen explosionssicheren Betrieb sicher und ist beispielsweise aus einem metallischen Gitter oder einem porösen Material ausgebildet. Der wasserabweisende Filter ermöglicht es, dass Gas (oder Wasserstoff) den Filter passiert, während der wasserabweisende Filter es einer Flüssigkeit (oder einem Wassertropfen) nicht erlaubt, den Filter zu passieren. Beispielsweise ist der wasserabweisende Filter aus einer Polytetrafluorethylen-Membran hergestellt.
Heizer
Der Heizer 21 ist ein elektrischer Widerstandsheizer, d. h. ein Wärmeerzeuger, der Wärme erzeugt, indem ein elektrischer Strom hindurch fließt. Der Heizer 21 hat einen hohen Temperatur-Widerstand-Koeffizienten und ist aus einem Material ausgebildet, dessen Widerstandswert und Temperatur eine mehr oder weniger lineare Beziehung aufweisen (vergleiche 3). Der Temperatur-Widerstand-Koeffizient wird auch als ein Temperatur-Koeffizient des Widerstands bezeichnet, der ein Verhältnis einer Änderung in einem Widerstandswert zu einer Änderung in einer Heizer-Temperatur darstellt. Hierbei ist die Einheit des Temperaturwiderstandskoeffizienten in vielen Fällen dargestellt durch „ppm/°C”.
Ein Material mit dem oben erwähnten Profil umfasst wenigstens eine Art von einem Metall wie Platin (Pt), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Kupfer (Cu) und ein Element, das aus Legierungen wie Nichrom und SUS ausgewählt ist. Die Heizer-Temperatur wird auf Basis von einem Widerstandswert des Heizers 21 und einer in 3 gezeigten Abbildung abgeschätzt (oder berechnet). Es wird festgehalten, dass ein Widerstandswert des Heizers 21 basierend auf beispielsweise einem elektrischen Stromwert des elektrischen Stroms, welcher durch den Heizer 21 fließt, und auf einem Spannungswert der Spannung, die an den Heizer 21 angelegt ist, berechnet wird.
Elektrischer Strom- und Spannungsdetektor
Der Wasserstoffsensor 1 umfasst einen elektrischen Strom- und Spannungsdetektor 22, wie in 4 gezeigt ist. Der elektrische Strom- und Spannungsdetektor 22 ist eine Einrichtung zur Detektion eines elektrischen Stromwertes des elektrischen Stroms, welcher durch den Heizer 21 fließt, und eines Spannungswerts der an den Heizer 21 angelegten Spannung, weiter umfassend einen elektrischen Stromsensor und einen Spannungssensor. Dann gibt der elektrische Strom- und Spannungsdetektor 22 den detektierten elektrischen Stromwert und Spannungswert an einen Mikrocomputer 51 aus, wie nachfolgend beschrieben wird.
Brückenschaltkreis
Der Wasserstoffsensor 1 umfasst einen Brückenschaltkreis B1 zur Erfassung einer Konzentration von Wasserstoff, wie in 4 gezeigt ist. Der Brückenschaltkreis B1 umfasst eine Seite 30 einer ersten Reihenschaltung und eine Seite 40 einer zweiten Reihenschaltung.
Brückenschaltkreis – erste Reihenschaltung
Die Seite 30 der ersten Reihenschaltung umfasst ein Detektionselement 31 (oder Widerstandswert R₃₁) und einen ersten Widerstand 32 (oder Widerstandswert R₃₂), wobei das Detektionselement 31 in Reihe zu dem ersten Widerstand 32 geschaltet ist.
Das Detektionselement 31 ist an metallischen Stützen 31d befestigt, welche sich von dem Substrat 11 virtuell in einer Richtung nach unten erstrecken und einen Teil von der ersten Reihenschaltung 30 bilden, und ist in der Detektionskammer 13a angeordnet (vergleiche 2).
Im Gegensatz ist der erste Widerstand 32 an dem Substrat 11 befestigt, und der Widerstandswert R₃₂ davon ist ein fester Wert.
Das Detektionselement 31 ist eine bekannte Einrichtung, die für Wasserstoff aktiv ist und auch als ein katalytischer Widerstand bezeichnet wird, umfassend eine Spule 31a und eine Halterung 31b, welche die Spule 31a abdeckt, wobei ein Oxidationskatalysator 31c an der Halterung 31b gehalten wird.
Die Spule 31a ist aus einem Material mit einem hohen Temperatur-Widerstand-Koeffizienten hergestellt, wie beispielsweise Platin (Pt), ähnlich wie der Heizer 21. Die Halterung 31 ist ein poröses Material, hergestellt aus Aluminiumoxid oder dergleichen. Der Oxidationskatalysator 31c ist aus einem Edelmetall (Platin oder dergleichen) hergestellt, welches für Wasserstoff hoch aktiv ist, um dadurch Wasserstoff zu oxidieren (oder zu verbrennen).
Daher ändert sich der Widerstandswert R₃₁ von dem Detektionselement 31 gemäß (1) der Temperatur von der Detektionskammer 13a (oder einer Umgebungstemperatur, Atmosphärentemperatur) und (2) der Verbrennungswärme, die dadurch erzeugt wird, das Wasserstoff in Kontakt mit dem Oxidationskatalysator 31c tritt und dadurch brennt (oder oxidiert).
Brückenschaltkreis- zweite -Reihenschaltung
Die zweite Reihenschaltung 40 besteht aus einem zweiten Widerstand 41 (oder Widerstandswert R₄₁) und einem dritten Widerstand 42 (oder Widerstandswert R₄₂), und ist dadurch aufgebaut, dass der zweite Widerstand 41 mit dem dritten Widerstand 42 in Reihe geschaltet wird. Der zweite Widerstand 41 und der dritte Widerstand 42 sind auf dem Substrat 11 angebracht. Der Widerstandswert R₄₁ von dem zweiten Widerstand 41 und der Widerstandswert R₄₂ von dem dritten Widerstand 42 sind feste Werte.
Verbindungszustand der ersten Reihenschaltung und der zweiten Reihenschaltung
Beide Enden von der ersten Reihenschaltung 30 und beide Enden von der zweiten Reihenschaltung 40 sind jeweils verbunden, um Eingabeanschlüsse T1 und T2 zu bilden. Die Eingabeanschlüsse T1 und T2 werden mit einem Standard-Spannung-Erzeugungsschaltkreis 54 verbunden. Eine durch den Standard-Spannung-Erzeugungsschaltkreis 54 erzeugte Spannung V_IN wird an die Eingabeanschlüsse T1 und T2 angelegt, so dass der elektrische Strom durch den Brückenschaltkreis B1 fließt.
In der ersten Reihenschaltung 30 ist ein Ausgabeanschluss T3 an einem Zwischenpunkt zwischen dem Erfassungselement 31 und dem ersten Widerstand 32 konstruiert. Weiter ist in der zweiten Reihenschaltung 40 ein Ausgabeanschluss T4 an einem Zwischenpunkt zwischen dem zweiten Widerstand 41 und dem dritten Widerstand 42 konstruiert. Weiterhin sind die Ausgabeanschlüsse T3 und T4 mit einem Korrekturschaltkreis 53 verbunden, um eine Spannung V_OUT (oder Ausgabe) von dem Brückenschaltkreis B1 an den Korrekturschaltkreis 53 auszugeben.
Der Widerstandswert R₃₂ von dem ersten Widerstand 32, der Widerstandswert R₄₁ von dem zweiten Widerstand 41 und der Widerstandswert R₄₂ von dem dritten Widerstand 42 sind nämlich feste Werte. Im Gegensatz dazu ändert sich der Widerstandswert R31 von dem Detektionselement 31 auf Basis von (1) der Temperatur der Detektionskammer 13a und (2) der Verbrennungswärme von Wasserstoff, wodurch eine Potenzialdifferenz (V_OUT) zwischen den Ausgabeanschlüssen T3 und T4 zu dem Korrekturschaltkreis 53 als die Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1 ausgegeben wird.
Daher wird die Ausgabe (V_OUT) von dem Brückenschaltkreis B1, die sich entsprechend der Temperatur der Detektionskammer 13a und der Verbrennungswärme von Wasserstoff ändert, in den Korrekturschaltkreis 53 eingegeben. Hierbei multipliziert, wie nachfolgend erwähnt, der Korrekturschaltkreis 53 den Korrekturkoeffizienten α, der kleiner wird, wenn die Temperatur der Detektionskammer 13a höher wird, mit der Ausgabe (V_OUT) von den Brückenschaltkreis B1. Dieses Verfahren verrechnet oder reduziert einen Teil der Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1, erhalten auf Basis von (1) der Temperaturänderung in der Detektionskammer 13a, wodurch die resultierende Ausgabe des Brückenschaltkreises B1 korrigiert (oder umgewandelt) wird zu einer Ausgabe des Brückenschaltkreises B1, die nur von der Verbrennungswärme von Wasserstoff (oder Wasserstoffkonzentration) abhängt oder auf dieser basiert.
Es ist festzuhalten, dass beispielsweise der Widerstandswert R₃₁ von dem Detektionselement 31, der Widerstandswert R₃₂ von dem ersten Widerstand 32, der Widerstandswert R₄₁ von dem zweiten Widerstand 41 und der Widerstandswert R₄₂ von dem dritten Widerstand 42 so bestimmt werden, dass die Ausgabe von dem Brückenschaltkreis Null ist, wenn die Temperatur der Detektionskammer 13a eine Umgebungstemperatur (oder 25°C) ist, und die Wasserstoffkonzentration 0 ist. Weiter ist der Korrekturkoeffizient α gleich 1, wenn die Temperatur der Detektionskammer 13a eine Umgebungstemperatur (oder 25°C) ist. Hierbei besteht eine Beziehung, dass der Korrekturkoeffizient α kleiner wird, wenn die Temperatur der Detektionskammer 13a höher wird (vergleiche 6).
Mikrocomputer und Heizer-Betrieb-Schaltkreis
Der Wasserstoffsensor 1 umfasst einen Mikrocomputer 51 (oder arithmetische Verarbeitungseinrichtung, Steuer-/Regeleinheit) und einen Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 (oder Steuer-/Regeleinheit).
Der Mikrocomputer 51 umfasst eine CPU, einen ROM, einen RAM, verschiedene Typen von Schnittstellen und einen elektronischen Schaltkreis oder dergleichen. In dem Mikrocomputer 51 gespeicherten Programmen folgend, führt der Mikrocomputer 51 verschiedene Funktionen aus.
Weiterhin weist der Mikrocomputer 51 eine Funktion auf, um einen Widerstandswert des Heizers 21 basierend auf dem elektrischen Stromwert und dem Spannungswert von dem Heizer 21 zu berechnen, wobei die Werte von dem elektrischen Strom- und Spannungsdetektor 22 eingegeben werden. Weiterhin weist der Mikrocomputer 51 eine Funktion auf, um die aktuelle Temperatur des Heizers 21 basierend auf dem Widerstandswert von den Heizer 21 und der Abbildung von 3 abzuschätzen (oder zu berechnen). Weiterhin weist der Mikrocomputer 51 eine Funktion auf, um den Widerstandswert des Heizers 21, wie nachfolgend beschrieben, zu dem Korrekturschaltkreis 53 auszugeben.
Weiterhin weist der Mikrocomputer 51 eine Funktion auf, um den Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 zu steuern/regeln (d. h. PWM-Steuerung/Regelung, AN/AUS-Steuerung/Regelung oder dergleichen), basierend auf der aktuellen Temperatur von dem Heizer 21 und einer Zieltemperatur des Heizers 21. Die Zieltemperatur des Heizers 21 ist höher eingestellt als die Tau-Kondensation-Temperatur, bei welcher die Feuchtigkeit in dem Abgas nicht in der Detektionskammer 13a kondensiert.
Der Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 umfasst einen DC-DC-Wandler oder dergleichen und ist mit einer externen Energiequelle 61 (oder 12 V-Batterie oder dergleichen) verbunden. Weiterhin weist der Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 eine Funktion auf, um elektrische Energie von der externen Energiequelle 61 zu dem Heizer 21 zu führen, als eine Änderung des elektrischen Stromwerts gemäß der Anweisung von dem Mikrocomputer 21.
Korrekturschaltkreis und Standard-Spannung-Erzeugungsschaltkreis
Der Wasserstoffsensor 1 umfasst den Korrekturschaltkreis 53 (oder Steuer-/Regeleinheit) und den Standard-Spannung-Erzeugungsschaltkreis 54. Der Korrekturschaltkreis 53 und der Standard-Spannung-Erzeugungsschaltkreis 54 umfassen verschiedene Typen von elektronischen Bauteilen.
Der Korrekturschaltkreis 53 weist eine Funktion auf, um eine Temperatur von der Detektionskammer 13a auf Basis von dem Widerstandswert des Heizers 21, der von dem Mikrocomputer 51 eingegeben wird, und der Abbildung in 5 abzuschätzen (oder zu berechnen). Die Abbildung in 5 wird in einem Vortest oder dergleichen erhalten und zuvor in dem Korrekturschaltkreis 53 gespeichert. Wie in 5 gezeigt ist, besteht eine Beziehung, dass die Temperatur von der Detektionskammer 13a umso höher wird, je höher der Widerstand des Heizers 21 wird.
Weiterhin weist der Korrekturschaltkreis 53 eine Funktion auf, um den Korrekturkoeffizienten α zur Korrektur der Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1 (oder der Ausgabe von dem Wasserstoffsensor 1) entsprechend der Temperatur in der Detektionskammer 13a und der Abbildung in 6 zu berechnen. Die Abbildung in 6 wird in einem Vortest oder dergleichen erhalten, und wird in dem Korrekturschaltkreis 53 im Vorfeld gespeichert.
Wie in 6 gezeigt wird, besteht eine Beziehung, dass der Korrekturkoeffizient α umso kleiner wird, je höher die Temperatur der Detektionskammer 13a wird.
Weiterhin weist der Korrekturschaltkreis 53 eine Funktion auf, um den Korrekturkoeffizienten β zum Korrigieren der Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1 (oder einer Ausgabe von dem Wasserstoffsensor 1) auf Basis der Temperatur von dem Kathoden-Abgas, welche durch einen Temperatursensor (113) detektiert wird (vergleiche 1) und auf Basis der Abbildung in 7 zu berechnen.
Die Abbildung in 7 wird in einem Vortest oder dergleichen im Vorfeld erhalten und zuvor in dem Korrekturschaltkreis 53 gespeichert. Wie in 7 gezeigt ist, besteht eine Beziehung, dass der Korrekturkoeffizient β umso kleiner wird, je höher die Temperatur von dem Kathoden-Abgas wird.
Dann weist der Korrekturschaltkreis 53 eine Funktion auf, um die korrigierte Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1 zu einer ECU 130 auszugeben, durch Multiplizieren der Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1 (V_OUT) mit dem Korrekturkoeffizienten α und dem Korrekturkoeffizienten β, um dadurch die Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1 zu korrigieren.
Der Standard-Spannung-Erzeugungsschaltkreis 54 umfasst einen DC-DC Wandler oder dergleichen, und ist mit der externen elektrischen Energiequelle 62 (zum Beispiel einer 12 V-Batterie) verbunden. Weiterhin weist der Standard-Spannung-Erzeugungsschaltkreis 54 eine vorbestimmte Spannung auf, die an den Brückenschaltkreis B1 angelegt wird.
Betrieb des Wasserstoffsensors
Nachfolgend wird ein Betrieb des Wasserstoffsensors unter Bezugnahme auf 8 und 9 beschrieben.
Heizer-Steuer-/Regelverfahren
Unter Bezugnahme auf 8 wird das Steuer-/Regelverfahren des Heizers 21 erklärt. Es ist festzuhalten, dass dann, wenn der IG 131 (oder Startschalter) des Brennstoffzellensystems 100 (oder des Brennstoffzellenfahrzeugs) eingeschaltet wird, eine Reihe von Schritten in 8 gestartet werden. Weiter legt der Standard-Spannung-Erzeugungsschaltkreis 54 zusammen mit dem Einschalten von dem IG 131 eine Standard-Spannung an den Brückenschaltkreis B1 an.
Im Schritt S101 gibt der Mikrocomputer 51 einen Befehl an den Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 aus, einen Anfangsstrom durch den Heizer zu schicken. Hierdurch liefert der Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 elektrische Energie von der außenseitigen Energiequelle 61 zu dem Heizer 21, indem der elektrische Strom der elektrischen Energie in einen elektrischen Anfangsstrom umgewandelt wird, und beginnt damit, den elektrischen Strom durch den Heizer 21 zu schicken.
Im Schritt S102 berechnet der Mikrocomputer 51 einen Widerstandswert des Heizers 21 basierend auf dem elektrischen Stromwert und dem Spannungswert von dem Heizer 21, die durch den elektrischen Strom- und Spannungsdetektor 22 detektiert werden.
Im Schritt S103 berechnet der Mikrocomputer 51 eine Temperatur des Heizers 21 basierend auf dem Widerstandswert von dem Heizer 21, der im Schritt S102 berechnet wurde, und auf der Abbildung in 3.
Im Schritt S104 beurteilt der Mikrocomputer 51, ob die im Schritt S103 berechnete Heizer-Temperatur höher als die Zieltemperatur ist, oder nicht.
Wenn der Mikrocomputer 51 beurteilt, dass die Heizer-Temperatur höher ist als die Zieltemperatur (d. h. S104 = Ja), dann geht die Verarbeitung von dem Mikrocomputer 51 weiter zum Schritt S106. Andererseits geht die Verarbeitung von dem Mikrocomputer 51 zu dem Schritt S105, wenn der Mikrocomputer 51 beurteilt, dass die Heizer-Temperatur nicht höher ist als die Zieltemperatur (d. h. S104 = Nein).
Im Schritt S105 beurteilt der Mikrocomputer 51, ob die im Schritt S103 berechnete Heizer-Temperatur niedriger ist als die Zieltemperatur oder nicht.
Wenn der Mikrocomputer 51 beurteilt, dass die Heizer-Temperatur niedriger ist als die Zieltemperatur (d. h. S105 = Ja), dann geht die Verarbeitung von den Mikrocomputer 51 weiter zum Schritt S107. Andererseits geht die Verarbeitung von dem Mikrocomputer 51 zu dem Schritt S102, wenn der Mikrocomputer 51 beurteilt, dass die Heizer-Temperatur nicht niedriger ist als die Zieltemperatur (d. h. S105 = Nein). Es ist festzuhalten, dass falls die Verarbeitung von dem Mikrocomputer 51 zu dem Schritt S102 geht, die Heizer-Temperatur gleich der Zieltemperatur ist, und der elektrische Stromwert, der durch den Heizer 21 fließt, aufrechterhalten werden soll.
Im Schritt S106, gibt der Mikrocomputer 51 einen Befehl an den Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 aus, einen Heizer-Stromwert innerhalb des vorbestimmten Bereichs zu verkleinern. Es ist festzuhalten, dass der Mikrocomputer 51 einen Befehl ausgeben kann, der den Heizer-Strom 0 werden lässt, nämlich den elektrischen Strom durch den Heizer 21 abschaltet.
Weiterhin wird der vorbestimmte Bereich auf geeignete Weise eingestellt, indem Vortests oder dergleichen durchgeführt werden.
Dann verkleinert der Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 den elektrischen Stromwert durch den Heizer 21, wobei er dem Befehl des Mikrocomputers 51 folgt. Entsprechend nimmt der Heiz-Wert von dem Heizer 21 ab, und die Temperatur von dem Heizer 21 beginnt ebenfalls abzunehmen. Die oben erwähnte Steuer-/Regelverarbeitung ermöglicht es, zu verhindern, dass die Temperatur von dem Heizer 21 zu stark höher als die Zieltemperatur ansteigt, und ermöglicht dadurch, dass sie auf die Zieltemperatur gesteuert/geregelt wird.
Danach geht die Verarbeitung von dem Mikrocomputer 51 zum Schritt S102.
Im Schritt S107 gibt der Mikrocomputer 51 einen Befehl an den Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 aus, einen Heizer-Stromwert innerhalb des vorbestimmten Bereichs zu vergrößern. Es ist festzuhalten, dass, falls der Heizer-Stromwert Null ist, der Mikrocomputer 51 einen Befehl zu dem Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 ausgeben kann, den elektrischen Anfangsstrom durch den Heizer 21 zu schicken, und den Durchgang des elektrischen Stroms durch den Heizer 21 neu zu starten.
Dann vergrößert der Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52 den elektrischen Stromwert durch den Heizer 21, wobei er dem Befehl des Mikrocomputers 51 folgt. Entsprechend nimmt der Heiz-Wert des Heizers 21 zu, und die Temperatur von dem Heizer beginnt ebenfalls, anzusteigen. Die oben erwähnte Steuer-/Regelverarbeitung ermöglicht es, zu verhindern, dass die Temperatur von dem Heizer 21 zu stark tiefer abfällt als die Zieltemperatur, so dass sie auf die Zieltemperatur gesteuert/geregelt wird.
Danach geht die Verarbeitung von dem Mikrocomputer 51 zum Schritt S102.
Ausgabe-Korrektur-Verarbeitung
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 9 eine Ausgabe-Korrektur-Verarbeitung von dem Brückenschaltkreis B1 erklärt.
Im Schritt S201 berechnet (oder schätzt) der Korrekturschaltkreis 53 eine Temperatur von der Detektionskammer 13a auf Basis von dem Widerstandswert des Heizers 21, der von dem Mikrocomputer 51 eingegeben wird, und auf Basis von der Abbildung in 5.
Im Schritt S202 berechnet der Korrekturschaltkreis 53 einen Korrekturkoeffizienten α auf Basis der Temperatur von der Detektionskammer 13a, die im Schritt S201 berechnet wurde, und auf Basis der Abbildung in 6.
Im Schritt S203 berechnet der Korrekturschaltkreis 53 einen Korrekturkoeffizienten β auf Basis der Temperatur von dem Kathoden-Abgas, welche durch den Temperatursensor 113 detektiert wird, und auf Basis von der Abbildung in 7.
Im Schritt S204 multipliziert der Korrekturschaltkreis 53 die Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1 (oder von dem Detektionselement) mit dem im Schritt S202 berechneten Korrekturkoeffizienten α und dem im Schritt S203 berechneten Korrekturkoeffizienten β, um die Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1 zu korrigieren, und gibt den korrigierten Wert als die Ausgabe von dem Wasserstoffsensor 1 nach außen (oder zu der ECU oder dergleichen von einem Brennstoffzellenfahrzeug) aus.
Danach geht die Verarbeitung von dem Korrekturschaltkreis 53 weiter zu „Start” über „Zurück”
Wirkungen des Wasserstoffsensors
Gemäß dem zuvor beschriebenen Wasserstoffsensor 1 werden die folgenden Wirkungen erreicht.
Der Heizer 21 ist aus einem Material mit einem großen Temperatur-Widerstand-Koeffizienten gebildet, und es besteht eine Beziehung zwischen dem Widerstandswert und der Temperatur davon (vergleiche 3.) Dieser Beziehung ermöglicht, dass die Temperatur von dem Heizer 21 auf Basis von dem Widerstandswert des Heizers 21 berechnet wird. Entsprechend kann einen Temperatursensor nur zum Detektieren der Temperatur des Heizers 21 weggelassen werden, wodurch die Anzahl von Bauteilen verkleinert wird, was zu den niedrigen Herstellungskosten von dem Wasserstoffsensor 1 führt.
Die Zieltemperatur von dem Heizer 21 ist auf die Tau-Kondensation-Temperatur, bei welcher der Dampf in dem Abgas nicht kondensiert, oder auf mehr eingestellt, was Tau-Kondensation-Wasser daran hindert, auf dem Detektionselement 31 anzuhaften.
Eine Temperatur von der Detektionskammer 13a und ein Korrekturkoeffizient α werden auf Grundlage von dem Widerstandswert von dem Heizer 21 berechnet, und die Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1 wird auf Basis von dem Korrekturkoeffizienten α korrigiert. Das heißt, die Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1 wird auf Basis der Temperatur von der Detektionskammer 13a reduziert, was es ermöglicht, auf ein Temperatur-Kompensation-Element zu verzichten, welches nicht auf Wasserstoff reagiert, und dessen Widerstandswert sich entsprechend der Temperatur der Detektionskammer 13a ändert. Dies ermöglicht es, zu erreichen, dass das Elementgehäuse 13 verkleinert werden kann.
Weiterhin wird ein Korrekturkoeffizient β auf Basis der Temperatur von dem Kathoden-Abgas berechnet, und die Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B1 wird auf Basis von dem Korrekturkoeffizienten β korrigiert. Dies ermöglicht es, dass die detektierte Wasserstoffkonzentration genauer ist.
Geändertes Beispiel
Zuvor wurde ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erklärt. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Daher kann das Ausführungsbeispiel in geeigneter Weise mit einer Konstruktion in einem anderen Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend beschrieben ist, kombiniert werden, oder kann wie unten erwähnt verändert werden.
In dem zuvor erwähnten Ausführungsbeispiel, wurde die Konstruktion, in welcher das zu detektierende Gas Wasserstoff ist, als Beispiel erwähnt. Allerdings können auch andere Gase detektiert werden.
Weiter ist in dem zuvor erwähnten Ausführungsbeispiel die Konstruktion, bei welcher ein Wasserstoffsensor 1 vom katalytischen Verbrennungstyp ist, als Beispiel erwähnt. Allerdings können andere Typen, beispielsweise ein Gassensor mit einem Halbleiter-Typ verwendet werden.
Weiterhin wurde bei dem zuvor erwähnten Ausführungsbeispiel, die Konstruktion, bei welcher ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem 100 ausgestattet ist, als Beispiel erwähnt. Allerdings können andere Fahrzeuge, beispielsweise ein Kraftrad, ein Zug, ein Schiff mit einem Brennstoffzellensystem 100 ausgestattet werden. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung auf einen unabhängigen (stand-alone) Typ eines Brennstoffzellensystems zum Heimgebrauch angewendet werden, und auf ein Brennstoffzellensystem, das in ein Heißwassersystem eingebaut ist.
Zweites Ausführungsbeispiel
Als nächstes wird das zweite Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 10–13 erklärt. Es ist festzuhalten, dass nur die Teile erklärt werden, die sich von dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheiden, wobei die gleichen Teile weggelassen werden.
Konstruktion des Wasserstoffsensors
Wie in 10 gezeigt, ist anstelle des Heizer-Betrieb-Schaltkreises 52 (vergleiche 4) ein Heizer-Betrieb-Schaltkreis 70 umfasst. Weiter steuert/regelt der Mikrocomputer 51 den Heizer-Betrieb-Schaltkreis 70 nicht. Hierdurch wird die Steuerverarbeitung davon weggelassen.
Heizer-Betrieb-Schaltkreis
Wie in 11 gezeigt, umfasst ein Heizer-Betrieb-Schaltkreis 70 einen Brückenschaltkreis B2, einen Verstärker 91 und einen Transistor 92 (IGBT oder dergleichen).
Der Brückenschaltkreis B2 umfasst einen ersten Zweig 81 und einen zweiten Zweig 82, und ist dadurch aufgebaut, dass der erste Zweig 81 und der zweite Zweig 82 parallel mit der äußeren Energiequelle verbunden sind. Der erste Zweig 81 ist dadurch aufgebaut, dass der Heizer 21 und der Widerstand A 83 in Serie geschaltet werden. Der zweite Zweig 82 ist dadurch aufgebaut, dass der Widerstand B 84 und der Widerstand C 85 in Serie geschaltet werden.
Ein Verhältnis zwischen einem Widerstandswert R₈₄ von dem Widerstand B 84 und einem Widerstandswert R85 von dem Widerstand C 85 ist so ausgelegt, dass das Verhältnis gleich einem Verhältnis zwischen einem Widerstandswert R₂₁ des Heizers 21 und einem Widerstandswert R₈₃ von dem Widerstand A 83 ist.
Es ist festzuhalten, dass die Summe von dem Widerstandswert R₈₄ von dem Widerstand B 84 und dem Widerstandswert R₈₅ von dem Widerstand C 85 bevorzugt größer ist als die Summe von dem Widerstandswert R₂₁ von dem Heizer 21 bei der Zieltemperatur und dem Widerstandswert R₈₃ von dem Widerstand A 83. Hierdurch wird bewirkt, dass der elektrische Strom vorzugsweise kaum durch den zweiten Zweig 82 fließt.
Dann wird, wenn sich der Heizer nicht bei einer Zieltemperatur befindet und nicht einen Ziel-Widerstandswert aufweist, ein Differenzial-Signal (oder Spannungsdifferenz) zwischen einer Spannung von einem Ausgabeanschluss T5, der zwischen dem Heizer 21 und dem Widerstand A 83 platziert ist, und einer Spannung von einem Ausgabeanschluss T6, der zwischen dem Widerstand B 84 und dem Widerstand C 85 angeordnet ist, in den Verstärker 91 eingegeben. Danach, nachdem das Signal durch den Verstärker 91 verstärkt wurde, wird das resultierende Signal in den Transistor 92 eingegeben.
Dann, wenn das Signal wie zuvor erwähnt eingegeben wird, wird der Transistor 92 eingeschaltet, wodurch ein elektrischer Strom, der von der externen Energiequelle geliefert wird, durch den Brückenschaltkreis B2 einschließlich des Heizers 21 fließt.
In anderen Worten wird die Differenz der Spannungen zwischen den Ausgabeanschlüssen T5 und T6 zurückgeführt, um dadurch die Verstärkungsrate von dem Transistor 92 zu verändern. Dieses Verfahren ändert hierdurch den elektrischen Strom, der durch den Brückenschaltkreis B2 fließt, bis das Verhältnis zwischen dem Widerstandswert R₂₁ von dem Heizer 21 und dem Widerstandswert R₈₃ von Widerstand A 83 (oder das Spannungsverhältnis zwischen dem Heizer 21 und dem Widerstand A 83) gleich dem Verhältnis zwischen dem Widerstandswert R₈₄ von dem Widerstand B 84 und dem Widerstandswert R₈₅ von dem Widerstand C 85 (oder Spannungsverhältnis zwischen dem Widerstand B 84 und dem Widerstand C 85) wird. Entsprechend ermöglicht die oben erwähnte Konstruktion, dass die Temperatur von dem Heizer 21 gleich der Zieltemperatur wird.
Daher besteht eine Beziehung, dass der vorliegende Widerstandswert und die Temperatur von dem Heizer 21 kleiner und niedriger werden, wenn der elektrische Stromwert und der Spannungswert von dem Heizer 21 größer werden, d. h. wenn die elektrische Leistung (oder Energie), die dem Heizer zugeführt wird, größer wird. Hierdurch besteht eine Beziehung, dass die Temperatur von der Detektionskammer 13a kleiner wird, wenn die elektrische Energie, die dem Heizer 21 zugeführt wird, größer wird (vergleiche 12). Entsprechend wird es möglich, die Temperatur der Detektionskammer 13a auf Basis von der elektrischen Energie, die dem Heizer 21 zugeführt wird, und auf Grundlage von der Abbildung in 12 abzuschätzen (oder zu berechnen).
Es ist festzuhalten, dass in 11 der Schaltkreis, welcher Widerstände 93a, 93b, 93c und 93d umfasst, ein Schaltkreis ist, um einen elektrischen Basis-Strom zuzuführen, der verwendet wird, um den Transistor 92 zu betreiben.
Betrieb des Wasserstoffsensors
Als nächstes wird der Betrieb von dem Wasserstoffsensor 1 in dem zweiten Ausführungsbeispiel erklärt.
Es ist festzuhalten, dass gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Mikrocomputer 51 nicht einen Heizer-Betrieb-Schaltkreis 70 steuert/regelt, während der Transistor 92 von dem Heizer-Betrieb-Schaltkreis 70 ein Schalten so steuert/regelt, dass die Temperatur von dem Heizer 21 gleich der Zieltemperatur wird, auf Basis von der Ausgabe von dem Brückenschaltkreis B2.
Ausgabe-Korrektur-Verarbeitung
Dann wird die Ausgabe-Korrektur-Verarbeitung durch den Wasserstoffsensor 1 unter Bezugnahme auf 13 erklärt. Hierin werden nur die Schritte von der Ausgabe-Korrektur-Verarbeitung erklärt, die sich von den Schritten in 9 unterscheiden.
Im Schritt S301 berechnet der Mikrocomputer 51 die elektrische Leistung, die aktuell zu dem Heizer 21 geliefert (oder verteilt) wird, auf Grundlage von dem elektrischen Stromwert und dem Spannungswert von dem Heizer, welche durch den elektrischen Strom- und Spannungsdetektor 22, detektiert werden. Dann berechnet (oder schätzt) der Mikrocomputer 51 die Temperatur von der Detektionskammer 13a auf Grundlage von der berechneten elektrischen Leistung und der Abbildung in 12.
Alternativ kann eine andere Konstruktion von dem Mikrocomputer 51 angewendet werden, bei welcher die elektrische Leistung nicht berechnet wird und die Temperatur der Detektionskammer 13b auf Basis von dem elektrischen Stromwert und dem Spannungswert berechnet (oder abgeschätzt) wird.
Danach geht die Verarbeitung von dem Mikrocomputer 51 zum Schritt S202.
Wirkung des Wasserstoffsensors
Der oben erwähnte Wasserstoffsensor kann die folgenden Effekte erzielen.
Das heißt, der Heizer-Betrieb-Schaltkreis 70 in sich selbst ist so konstruiert, dass er die Heizer-Temperatur so steuert/regelt, dass diese gleich der Zieltemperatur wird. Diese Konstruktion ermöglicht es dem Mikrocomputer 51, auf die Steuer-/Regelverarbeitung von dem Heizer 21 zu verzichten.
Weiter wird der Widerstandswert von dem Heizer 21 auf Basis von der elektrischen Leistung berechnet, die dem Heizer 21 zugeführt wird. Die Temperatur von der Detektionskammer 13a und der Korrekturkoeffizient α werden auf Basis von dem berechneten Widerstandswert des Heizers 21 berechnet. Weiterhin wird die Ausgabe des Brückenschaltkreises B2 auf Basis von dem berechneten Korrekturkoeffizienten α korrigiert. Die oben erwähnten Verfahren ermöglichen es, auf das Temperatur-Kompensation-Element zu verzichten, welches inaktiv für Wasserstoff ist, und dessen Widerstandswert sich entsprechend der Temperatur der Detektionskammer 13a ändert. Entsprechend kann das Elementgehäuse 13 verkleinert werden.
Es wird ein Gassensor bereitgestellt, welcher keinen Temperatursensor benötigt, um eine Temperatur eines Heizers zu detektieren, um Tau-Kondensation zu verhindern. Der Gassensor umfasst einen Wasserstoffsensor 1, umfassend: ein Elementgehäuse 13, welches eine Detektionskammer 13a aufweist, in welche Wasserstoff eingeleitet wird, ein Detektionselement 31, welches in der Detektionskammer 13a angeordnet ist und Wasserstoff detektiert, einen Heizer 21, um die Detektionskammer 13a durch eine Wärmeerzeugung zu erhitzen, vermittels eines elektrischen Stroms, der durch den Heizer 21 geschickt wird, wobei sich ein Widerstandswert von dem Heizer 21 entsprechend einer Temperatur der Detektionskammer 13a ändert, und einen Mikrocomputer 51 und einen Heizer-Betrieb-Schaltkreis 52, um den Heizer 21 zu steuern/regeln. Hierbei steuert/regelt der Mikrocomputer 51 eine Temperatur von der Detektionskammer 13a, indem der elektrische Strom, welcher durch den Heizer 21 fließt, auf Basis von dem Widerstandswert des Heizers 21 eingestellt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011-106666 [0001]
JP 2003-294675 [0005]

Claims

Ein Gassensor, umfassend: ein Elementgehäuse mit einer Detektionskammer, in welche zu detektierendes Gas eingeleitet wird, ein Detektionselement, das in der Detektionskammer angeordnet ist und das zu detektierende Gas detektiert, einen Heizer zum Heizen der Detektionskammer durch Erzeugung von Wärme dadurch, dass ein elektrischer Strom durch den Heizer geleitet wird, wodurch ein Widerstandswert des Heizers gemäß einer Temperatur der Detektionskammer geändert wird, und eine Steuer-/Regeleinheit zum Steuern/Regeln des Heizers, wobei die Steuer-/Regeleinheit die Temperatur der Detektionskammer steuert/regelt, indem der elektrische Strom, welcher durch den Heizer fließt, auf Basis des Widerstandswertes des Heizers eingestellt wird.
Der Gassensor wie in Anspruch 1 beschrieben, ferner umfassend einen Brückenschaltkreis, der aufgebaut ist, indem er den Heizer, einen Widerstand A, einen Widerstand B und einen Widerstand C umfasst, wobei die Steuer-/Regeleinheit einen Heizer-Betrieb-Schaltkreis umfasst, um eine von dem Brückenschaltkreis ausgegebene Spannungsdifferenz rückzukoppeln, um dadurch den elektrischen Strom durch den Heizer zu steuern/regeln.
Der Gassensor wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beschrieben, wobei die Steuer-/Regeleinheit die Temperatur der Detektionskammer, die bei einer Temperatur, bei der eine Tau-Kondensation verhindert wird, oder mehr gehalten werden soll, so steuert/regelt, dass die Tau-Kondensation in der Detektionskammer verhindert wird.
Der Gassensor, wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beschrieben, wobei das Detektionselement ein katalytisches Verbrennungselement ist und einen Ausgabewert davon entsprechend dem zu detektierenden Gas ausgibt, und die Steuer-/Regeleinheit den Ausgabewert des Detektionselements auf Basis des Widerstandswertes des Heizers korrigiert.
Der Gassensor, wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beschrieben, wobei das Detektionselement ein katalytisches Verbrennungselement ist, und die Steuer-/Regeleinheit den Ausgabewert des Detektionselements auf Basis einer Energie, welche den Heizer betreibt, korrigiert.
Der Gassensor, wie in Ansprüchen 4 oder 5 beschrieben, wobei das Detektionselement Wasserstoff in einem von der Kathode einer Brennstoffzelle abgegebenen Kathoden-Abgas detektiert, und die Steuer-/Regeleinheit den Ausgabewert des Detektionselements auf Basis einer Temperatur des Kathoden-Abgases korrigiert.