JP2004163204A - ガスセンサの較正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサの実装状態に応じて被検出ガスのガス濃度に対する検出結果が変動することを防止する。
【解決手段】実装時における検出素子と温度補償素子との配列方向が水平方向Ｈとなるガスセンサ１１ａおよび各素子の配列方向が鉛直方向Ｖとなるガスセンサ１１ｂに対する較正用ガスが充填される較正用容器５１内に、各素子が水平方向Ｈに配列されるようにガスセンサ１１ａを装着し、検出素子が鉛直方向Ｖにおいて温度補償素子の真上に配列されるようにガスセンサ１１ｂを装着する（ステップＳ０１）。較正用容器５１内に較正用ガスを充填し、ガス濃度の変化に応じた各ガスセンサ１１ａ，１１ｂの出力の変動を検出する（ステップＳ０２）。検出した出力変動に基づき、各ガスセンサ１１ａ，１１ｂ間の出力変動が同等となるように、各ガスセンサ１１ａ，１１ｂの出力を調整する（ステップＳ０３）。
【選択図】 図１０

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池車両に搭載される接触燃焼式ガスセンサ等のガスセンサの較正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガスセンサとしては、例えば白金等の触媒からなるガス検出素子と温度補償素子とを一対備え、被検出ガスが白金等の触媒に接触した際の燃焼により発生する熱によってガス検出素子が相対的に高温の状態になったときに、例えば雰囲気温度下等の相対的に低温の状態の温度補償素子との間に生じる電気抵抗値の差異に応じて、被検出ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式のガスセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、このようなガス接触燃焼式のガスセンサのうち、特に、水素センサを、例えば燃料電池を動力源とした燃料電池車両等の車両に搭載し、水素ガスが漏洩していないことを確認するために用いることが検討されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１１３７７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようなガスセンサにおいて、被検出ガスの検出時に、例えば検出素子の発熱により加熱された検出素子周辺の雰囲気ガスが補償素子の周辺に移動して補償素子の温度を上昇させることにより、被検出ガスのガス濃度に関わりなく、この雰囲気ガスの移動方向に係る鉛直方向と、検出素子と補償素子との配列方向とのなす角度に応じて検出素子と補償素子との電気抵抗値の差異が変化する場合がある。
このため、例えば実装状態が異なる複数のガスセンサによって、同等のガス濃度の被検出ガスを検出した場合には、各実装状態つまり鉛直方向と、検出素子と補償素子との配列方向とのなす角度の差異に応じて、複数のガスセンサ同士の出力の大きさにばらつきが生じ、被検出ガスのガス濃度を精度良く検出することが困難になるという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ガスセンサの実装状態に応じて被検出ガスのガス濃度に対する検出結果が変動することを防止することが可能なガスセンサの較正方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明のガスセンサの較正方法は、検出素子（例えば、実施の形態での検出素子３１）と補償素子（例えば、実施の形態での温度補償素子３２）との電気抵抗値の差異に基づき被検出ガスのガス濃度を検出するガスセンサの較正方法であって、前記ガスセンサの実装時における前記検出素子と前記補償素子との配列方向と、鉛直方向とのなす角度に応じて較正を行うことを特徴としている。
【０００６】
上記のガスセンサの較正方法によれば、例えば検出素子の発熱により加熱された検出素子周辺の雰囲気ガスが補償素子の周辺に移動して補償素子の温度を上昇させることにより、被検出ガスの濃度に関わりなく、この雰囲気ガスの移動方向に係る鉛直方向と、検出素子と補償素子との配列方向とのなす角度に応じて検出素子と補償素子との電気抵抗値の差異が変化する場合であっても、被検出ガスのガス濃度に対する検出結果が変動してしまうことを防止することができる。
なお、検出素子と補償素子との配列方向とは、例えば各素子の中心位置を結ぶ直線が伸びる方向とされる。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明のガスセンサの較正方法は、前記検出素子と前記補償素子との配列方向を、前記ガスセンサの実装時における前記検出素子と前記補償素子との配列方向と同等に設定した状態で較正を行うことを特徴としている。
【０００８】
上記のガスセンサの較正方法によれば、検出素子の発熱により加熱された検出素子周辺の雰囲気ガスの移動方向に係る鉛直方向と、検出素子と補償素子との配列方向とのなす角度を、ガスセンサの実装時と同等に設定して較正を行うことにより、検出素子と補償素子との配列方向と、鉛直方向とのなす角度に応じて被検出ガスのガス濃度に対する検出結果が変動してしまうことを確実に防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係るガスセンサの較正方法について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係るガスセンサは、例えば水素を検出する水素センサをなし、例えば図１に示すように、燃料電池車両等の車両１の車室内や、例えば図２に示すように、制御装置２と、記憶装置３と、警報装置４と、車両の動力源とされる燃料電池５と、燃料電池５に接続された各配管６，７，８，９とを備える燃料電池システム１０において、燃料電池５に接続された各配管６，７，８，９のうち、酸素極側の出口側配管９等に設けられ、車室内や出口側配管９に水素が排出されていないことを確認するためのものである。
なお、制御装置２は、車両１のルーフ１ａに取り付けられたガスセンサ１１ａおよび燃料電池５の酸素極側の出口側配管９に取り付けられたガスセンサ１１ｂに接続され、例えば、各ガスセンサ１１ａ，１１ｂから出力される検出信号と、記憶装置３に格納されている所定の判定閾値との比較結果に応じて、燃料電池５の異常状態が発生しているか否かを判定し、異常状態であると判定した際には、警報装置４によって警報等を出力する。ここで、記憶装置３は、各ガスセンサ１１ａ，１１ｂの検出値（出力）に対する所定の判定閾値のマップ等を記憶している。
【００１０】
燃料電池５は、例えば電気自動車等の動力源として車両１に搭載されており、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極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（図示略）を多数組積層して構成されている。
燃料極に入口側配管６から供給された水素などの燃料ガスにより、燃料極の触媒電極上で水素がイオン化され、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介して酸素極へと移動する、その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。酸素極には、例えば、酸素などの酸化剤ガスあるいは空気が入口側配管７を介して供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、燃料極側、酸素極側共に出口側配管８、９から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。
【００１１】
各ガスセンサ１１ａ，１１ｂは、車両１のルーフ１ａの前後方向つまり水平方向（例えば、図１における水平方向Ｈ）や、鉛直方向（例えば、図２における鉛直方向Ｖ）に伸びる出口側配管９の長手方向、つまり鉛直方向に沿って長い直方形状のケース２１を備えている。
例えば図３に示すように、ケース２１は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、長手方向両端部にフランジ部２２を備えている。フランジ部２２にはカラー２３が取り付けられており、このカラー２３内にボルト２４が挿入されることで、フランジ部２２は、ルーフ１ａに設けられた取付座（図示略）や、例えば図４に示すように、酸素極側の出口側配管９に設けられた取付座２５に締め付け固定されるようになっている。
また、例えば図４に示すように、ケース２１の厚さ方向の端面には筒状部２６が形成され、筒状部２６の内部はガス検出室２７として形成され、ガス検出室２７の内部側面には、内側に向かってフランジ部２８が形成され、フランジ部２８の内周部分がガス導入部２９として開口形成されている。
【００１２】
ケース２１内には樹脂で封止された回路基板３０が設けられ、筒状部２６の内部に配置された検出素子３１および温度補償素子３２は、回路基板３０に接続されている。そして、各素子３１，３２は回路基板３０に接続された複数、例えば４個のピン３３により、ガス検出室２７の底面２７Ａ上に配置されたベース３４から、各ガスセンサ１１ａ，１１ｂの厚さ方向に所定距離だけ離間した位置において、所定間隔を隔てて対をなすようにして配置されている。
なお、例えば図１に示すように、車両１のルーフ１ａに取り付けられたガスセンサ１１ａの厚さ方向は鉛直方向Ｖであり、例えば図４に示すように、燃料電池５の酸素極側の出口側配管９に取り付けられたガスセンサ１１ｂの厚さ方向は水平方向Ｈである。
また、例えば図４に示すように、酸素極側の出口側配管９に取り付けられるガスセンサ１１ｂにおいては、筒状部２６の外周面にシール材３５が取り付けられ、このシール材３５が出口側配管９の貫通孔９ａの内周壁に密接して気密性を確保している。
【００１３】
なお、例えば図４に示すように、酸素極側の出口側配管９に取り付けられるガスセンサ１１ｂにおいては、出口側配管９内におけるオフガスの流通方向Ｐが鉛直方向Ｖの下方側から上方側に向かうように設定された状態で、検出素子３１は、温度補償素子３２よりも鉛直方向Ｖの上方の位置、より好ましくは、例えば図５に示すように、温度補償素子３２の中心位置からこの位置を含む鉛直線Ｌに対する傾斜角度θが５°以内の円錐状領域ＡＬ内に、その中心位置が配置されており、例えば本実施形態では傾斜角度がゼロに（つまり、検出素子３１が鉛直方向Ｖにおける温度補償素子３２の真上に配置されるように）設定されている。
【００１４】
検出素子３１は周知の素子であって、例えば図６に示すように、電気抵抗に対する温度係数が高い白金等を含む金属線のコイル３１ａの表面が、被検出ガスとされる水素に対して活性な貴金属等からなる触媒３１ｂを坦持するアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。
温度補償素子３２は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子３１と同等のコイル３２ａの表面がアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。
そして、被検出ガスである水素が検出素子３１の触媒３１ｂに接触した際に生じる燃焼反応の発熱により高温となった検出素子３１と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず検出素子３１よりも低温の温度補償素子３２との間に電気抵抗値の差が生ずることを利用し、雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺して水素濃度を検出することができるようになっている。
【００１５】
例えば図６に示すように、検出素子３１（抵抗値Ｒ４）及び温度補償素子３２（抵抗値Ｒ３）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗４１（抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗４２（抵抗値Ｒ２）が直列接続されてなる枝辺とが、外部の電源４３から供給される電圧に基づいて所定の基準電圧を印加する基準電圧発生回路４４に対して並列に接続されてなるブリッジ回路において、検出素子３１と温度補償素子３２同志の接続点ＰＳと、固定抵抗４１，４２同志の接続点ＰＲとの間に、これらの接続点ＰＳ，ＰＲ間の電圧を検出する検出回路４５が接続されており、さらに、検出回路４５には出力回路４６が接続されている。
【００１６】
ここで、ガス検出室２７内に導入された検査対象ガス中に被検出ガスである水素が存在しないときには、ブリッジ回路はバランスしてＲ１×Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ３の状態にあり、検出回路４５の出力がゼロとなる。一方、水素が存在すると、検出素子３１の触媒３１ｂにおいて水素が燃焼し、コイル３１ａの温度が上昇し、抵抗値Ｒ４が増大する。これに対して温度補償素子３２においては水素は燃焼せず、抵抗値Ｒ３は変化しない。これにより、ブリッジ回路の平衡が破れて検出回路４５に、水素濃度の増大変化に応じて増大傾向に変化する適宜の電圧が印加される。この検出回路４５から出力される電圧の検出値は出力回路４６へ出力され、出力回路４６は入力された検出値を制御装置２へ出力する。そして、制御装置２においては、この電圧の検出値の変化に応じて予め設定された水素濃度のマップ等に基づいて、水素濃度が算出される。
【００１７】
次に、上述した本実施の形態のガスセンサ１１ａ，１１ｂを較正する方法について説明する。
なお、以下において、検出素子３１と温度補償素子３２の配列方向とは、例えば図７に示すように、各素子３１，３２の中心位置Ｑ１，Ｑ２を結ぶ直線ＬＱが伸びる方向Ｑである。また、例えば図７において、検出素子３１と温度補償素子３２の配列方向Ｑと、鉛直方向Ｖとのなす角度は、例えば直線ＬＱと鉛直線Ｌとのなす角度φとされている。
【００１８】
例えば図８に示すように、被検出ガスのガス濃度に応じた各素子３１，３２の素子温度の変化において、各素子３１，３２の配列方向がルーフ１ａの前後方向つまり水平方向Ｈとされるガスセンサ１１ａにおける温度補償素子３２の温度変化（例えば、図８に示す破線Ｔ１）に比べて、各素子３１，３２の配列方向が出口側配管９の長手方向つまり鉛直方向Ｖとされ、検出素子３１が鉛直方向Ｖでの温度補償素子３２の真上に配置されるガスセンサ１１ｂにおける温度補償素子３２の温度変化（例えば、図８に示す実線Ｔ２）では、ガス濃度に対する素子温度の変化率が小さくなる。
【００１９】
すなわち、ガス濃度の増大に伴い検出素子３１の素子温度（例えば、図８に示す一点破線Ｔ０）が増大すると、検出素子３１周辺の雰囲気ガスは加熱され、鉛直方向Ｖの上方に向かい上昇するようにして移動する。このため、検出素子３１よりも鉛直方向Ｖの上方に温度補償素子３２が配置されていると、検出素子３１によって加熱された雰囲気ガスが温度補償素子３２の周辺に到達し、温度補償素子３２が加熱される。
これにより、上述した本実施形態のガスセンサ１１ｂのように、検出素子３１よりも鉛直方向Ｖの下方に温度補償素子３２が配置されていると、検出素子３１によって加熱された雰囲気ガスのうち、温度補償素子３２の周辺に到達する雰囲気ガスの量は相対的に少なくなり、検出素子３１の発熱に起因する温度補償素子３２の温度上昇は相対的に小さくなる。
また、上述した本実施形態のガスセンサ１１ａのように、検出素子３１と温度補償素子３２とが水平方向Ｈに配列されていると、検出素子３１の発熱に起因する温度補償素子３２の温度上昇は、検出素子３１よりも鉛直方向Ｖの下方に温度補償素子３２が配置されている場合よりも大きく、かつ、検出素子３１よりも鉛直方向Ｖの上方に温度補償素子３２が配置されている場合よりも小さくなる。
【００２０】
これにより、検出素子３１と温度補償素子３２とが水平方向Ｈに配列されている場合に比べて、検出素子３１よりも鉛直方向Ｖの下方に温度補償素子３２が配置されている場合の方が、検出素子３１と温度補償素子３２との素子温度の差が大きくなる。これに伴い、例えば図９に示すように、ガス濃度の変化に応じたガスセンサ１の出力の大きさに対して、検出素子３１と温度補償素子３２とが水平方向Ｈに配列されている場合の出力（例えば、図９に示す破線Ｃ１）に比べて、検出素子３１よりも鉛直方向Ｖの下方に温度補償素子３２が配置されている場合の出力（例えば、図９に示す実線Ｃ２）の方が、ガス濃度に対する出力の値が大きくなる。
【００２１】
従って、ガスセンサ１１ａ，１１ｂの感度調整等の較正処理を行う際には、検出素子３１と温度補償素子３２との配列方向が、ガスセンサ１１ａ，１１ｂの実装時における検出素子３１と温度補償素子３２との配列方向と同等となるように設定する。
すなわち、例えば図１０に示すように、先ず、ガスセンサ１１ａ，１１ｂに対する較正用ガス（例えば、所定濃度の水素ガス等）が充填される較正用容器５１内に、検出素子３１と温度補償素子３２とが水平方向Ｈに配列されるようにしてガスセンサ１１ａを装着し、検出素子３１が鉛直方向Ｖにおいて温度補償素子３２の真上に配列されるようにしてガスセンサ１１ｂを装着する（例えば図１１に示すステップＳ０１）。
次に、較正用容器５１内に所定濃度の較正用ガスを充填し、例えば図７に示すような、ガス濃度の変化に応じた各ガスセンサ１１ａ，１１ｂの出力の変動を検出する（ステップＳ０２）。
そして、検出した各ガスセンサ１１ａ，１１ｂ毎の出力変動に基づき、これらの各ガスセンサ１１ａ，１１ｂ間の出力変動が同等となるように、各ガスセンサ１１ａ，１１ｂの出力を調整する（ステップＳ０３）。
これにより、各ガスセンサ１１ａ，１１ｂが、ルーフ１ａや酸素極側の出口側配管９に実装されたときであっても、同等の濃度の被検出ガスが検出された際には、同等の大きさの出力が得られるようになる。
【００２２】
上述したように、本実施の形態によるガスセンサの較正方法によれば、各ガスセンサ１１ａ，１１ｂの実装状態に関わらず、同等の濃度の被検出ガスが検出された際には、同等の大きさの出力が得られるようになる。これにより、被検出ガスの濃度に関わりなく、検出素子３１の発熱により加熱された検出素子３１周辺の雰囲気ガスの移動方向に係る鉛直方向Ｖと、検出素子３１と温度補償素子３２との配列方向とのなす角度に応じて検出素子３１と温度補償素子３２との電気抵抗値の差異が変化する場合であっても、被検出ガスのガス濃度に対する検出結果が変動してしまうことを確実に防止することができる。
【００２３】
なお、上述した本実施の形態においては、較正処理時に各ガスセンサ１１ａ，１１ｂの感度調整を行うとしたが、これに加えて、例えば較正用ガスのガス濃度に応じた出力変動の検出値が、予め検出値に対して設定された所定の許容範囲を逸脱するか否かを判定することにより、各ガスセンサ１１ａ，１１ｂの良否判定を行うようにしてもよい。
【００２４】
なお、上述した本実施の形態において、ガスセンサ１を水素センサとしたが、これに限定されず、その他のガス、例えば一酸化炭素やメタン等の可燃性ガスを検出するガスセンサであってもよい。
また、上述した本実施の形態においては、各素子３１，３２を接続してなる回路をブリッジ回路としたが、これに限定されず、例えば直列回路等のその他の回路であってもよく、検出素子３１の抵抗値Ｒ４に関連した状態量として、所定接点間の電圧や電流の検出値が制御装置２へ出力されてもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガスセンサの較正方法によれば、被検出ガスの濃度に関わりなく、検出素子の発熱により加熱された検出素子周辺の雰囲気ガスの移動方向に係る鉛直方向と、検出素子と補償素子との配列方向とのなす角度に応じて検出素子と補償素子との電気抵抗値の差異が変化する場合であっても、被検出ガスのガス濃度に対する検出結果が変動してしまうことを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスセンサを備える車両の要部構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るガスセンサを備える燃料電池システムの要部構成図である。
【図３】図１または図２に示すガスセンサの断面図である。
【図４】図３に示すＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図５】図４に示す検出素子と温度補償素子との位置関係を示す拡大図である。
【図６】図１に示すガスセンサの回路図である。
【図７】検出素子と温度補償素子との位置関係の一例を示す図である。
【図８】ガス濃度に応じた素子温度の変化を示すグラフ図である。
【図９】ガス濃度に応じたガスセンサの出力の変化を示すグラフ図である。
【図１０】較正処理時における各ガスセンサの配置方向を示す模式図である。
【図１１】ガスセンサを較正する方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１ａ，１１ｂ ガスセンサ
３１ 検出素子
３２ 温度補償素子（補償素子）

Claims (2)

1. 検出素子と補償素子との電気抵抗値の差異に基づき被検出ガスのガス濃度を検出するガスセンサの較正方法であって、
   前記ガスセンサの実装時における前記検出素子と前記補償素子との配列方向と、鉛直方向とのなす角度に応じて較正を行うことを特徴とするガスセンサの較正方法。
2. 前記検出素子と前記補償素子との配列方向を、前記ガスセンサの実装時における前記検出素子と前記補償素子との配列方向と同等に設定した状態で較正を行うことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサの較正方法。

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