JP2004170294A - ガス検出器とそれを用いた燃料電池システムおよび自動車 - Google Patents
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Abstract
【課題】水素と水蒸気が共存した環境下において水素濃度と湿度を区別して検出することができるガス検出器を提供することを目的とする。
【解決手段】自己発熱温度を違えた温度により抵抗値が変化する抵抗体から構成される高発熱検出部３５ａと低発熱検出部３５ｂを有し、前記高発熱検出部３５ａおよび低発熱検出部３５ｂが水素濃度および湿度に応じて出力するそれぞれのガス出力を電気的信号に変換し、前記２つの検出部にガス導入口を通して導入されたガス中の水素濃度および湿度を電気的に換算して出力するものである。
【選択図】 図７
【解決手段】自己発熱温度を違えた温度により抵抗値が変化する抵抗体から構成される高発熱検出部３５ａと低発熱検出部３５ｂを有し、前記高発熱検出部３５ａおよび低発熱検出部３５ｂが水素濃度および湿度に応じて出力するそれぞれのガス出力を電気的信号に変換し、前記２つの検出部にガス導入口を通して導入されたガス中の水素濃度および湿度を電気的に換算して出力するものである。
【選択図】 図７
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素漏洩および湿度を検出するためのガス検出器とそれを用いた燃料電池システムおよび自動車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と空気中の酸素から電力を取り出す燃料電池の開発が盛んに行われている。これは発電時の排出物が水のみであるため環境に優れた発電方式であるだけでなく、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため省エネルギーになり、また発電時に発生する熱を回収することにより熱エネルギーをも利用することができるといった特徴を有しており、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。
【０００３】
このような燃料電池システムは分散電源としての家庭用コジェネレーションシステムや自動車への応用が研究開発されてきており、今までの化石燃料を用いた火力発電やガソリンエンジンに置き換わるものとして今後ますます進展していくものと考えられる。
【０００４】
燃料電池は水素を燃料に用いるため、その安全対策が重要な問題となる。すなわち、安全対策のためには水素が漏洩したことを検出する水素濃度検出器が必要になってくる。
【０００５】
従来はこのような水素濃度検出器として、水素の熱伝導率が他のガスに比べ極めて大きいことを利用し、発熱素子の温度変化で水素濃度を検出する原理のものが提案されていた。例えば、空気中で熱平衡に達した発熱素子に水素が到達すると、発熱素子から奪われる熱量が変化し熱平衡が崩れるため、発熱素子の温度が水素濃度に応じて変化する。この温度変化を温度検出素子で電気的に検出するものである。
【０００６】
この水素濃度検出器に使用される発熱素子および温度検出素子として、従来は白金測温体が用いられてきた。白金は金属の中では比抵抗が高い方なので電流を流すと自己発熱し、さらに抵抗温度係数も金属の中では大きい方なので、水素濃度に応じた温度変化を抵抗値変化として検出することができる。
【０００７】
この方式のガス検出器として、例えば発熱温度を違えた２つの検知器を用いた技術が公開されている。これは発熱温度を違えた２つの検知器を用い、両者の出力をそれぞれの係数掛算器および演算器により連立方程式を解くことで妨害ガスの影響を排除した被検出ガスの濃度検出を可能とするものである。
【０００８】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【０００９】
【特許文献１】
実開昭６２−１２８６１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この方式のガス検出器に関して問題となるのは被検出ガス中に湿気が存在した場合である。すなわち、湿気がなければ確かに白金の抵抗値は水素濃度に応じて変化するのであるが、湿気があるとそれによっても抵抗値が変化してしまい、水素による変化なのか湿気による変化なのかあるいは両者が共存して変化したのかを区別することができない。
【００１１】
これは、水蒸気のみであれば熱伝導率は水素のそれより極めて小さいが、極性を持つ水蒸気と無極性の空気や水素等が混合した系での熱伝導率は、絶対湿度とともに一旦上昇しピークを持って下降する特性を示すため、水素漏洩検知のように水素に比べ水蒸気が多量にある場合が想定される系での検出においては湿度の影響を無視できなくなる。
【００１２】
また、前述の特許文献１に開示されているような発熱温度を違えた２つの検知器を用い、両者の出力をそれぞれの係数掛算器および演算器により連立方程式を解くことで妨害ガスの影響を排除した被検出ガスの濃度検出を行う技術の開示があるが、水蒸気の熱伝導率は前述のように絶対湿度の増加とともに一旦上昇しピークを持って下降する２次曲線的に変化する特性を示すため、２次の連立方程式の演算によって水素のみを算出することはセンサの信号処理としては非常に煩雑であり、検出精度や汎用性に関しても課題となる。
【００１３】
以上のことから、本発明は水素と水蒸気が共存した環境下において水素濃度と湿度を簡素な手法にて区別して検出することができるガス検出器を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものであり、その特徴部分について列挙する。
【００１５】
本発明の請求項１に記載の発明は、温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり被検出ガスにさらされる高発熱ガス検出素子および乾燥空気中の無孔ケース内に封止され前記高発熱ガス検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした高発熱温度検出素子からなる高発熱検出部と、温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり被検出ガスにさらされる低発熱ガス検出素子および乾燥空気中の無孔ケース内に封止され前記低発熱ガス検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした低発熱温度検出素子からなる低発熱検出部を有し、前記高発熱検出部の高発熱ガス検出素子および高発熱温度検出素子の自己発熱温度と前記低発熱検出部の低発熱ガス検出素子および低発熱温度検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度を異なる温度とした構成であり、それぞれの前記ガス検出素子が水素濃度、湿度および周囲温度に応じて変化する抵抗値と、それぞれの前記温度検出素子が周囲温度に応じて変化する抵抗値をそれぞれ水素濃度、湿度に応じて変化する電気的なガス出力に変換し、それぞれの前記検出部から得られる前記ガス出力をあらかじめ既知の水素濃度から求めた水素感度換算係数で規格化し、それぞれの前記規格化出力の差から得られる湿度出力を求め、あらかじめ既知の湿度環境下における前記湿度出力と湿度に応じて変化するそれぞれの前記規格化出力から得られる湿度補正量の相関から得られる湿度補正式で前記規格化出力を補正して水素濃度および湿度を出力する構成であり、自己発熱温度の異なる２組の検出部を用いることで、自己発熱温度が違うそれぞれの検出素子の近傍における水蒸気の熱伝導率に差が発生することで、それぞれの検出素子の出力に差が発生し絶対湿度と一次の相関のある湿度出力が得られる。さらにその湿度出力を用い湿度補正量の演算を行い水素濃度を求めることで、湿気があっても水素濃度と湿度をそれぞれ区別して検出できるという効果が得られる。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の発明は、低発熱検出部の２つの素子と高発熱検出部の２つの素子の乾燥空気中での発熱温度を周囲温度によらずほぼ一定になるように制御する構成であり、それぞれの素子の周辺温度はおよそ一定に保たれるため、被検出ガスの熱伝導率の温度による変化が低減され、ガス濃度を高精度に検出できるという効果が得られる。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の発明は、それぞれの検出部の２つの素子の発熱温度を一定化させるための制御は抵抗が２つ以上直列に接続され発熱温度を一定化させるための制御電圧を出力する低発熱検出部および高発熱検出部のそれぞれの素子抵抗一定化回路部のそれぞれの制御電圧に対し、それぞれの温度検出素子に直列に抵抗が接続されたそれぞれの検出部の周囲温度検出回路部のそれぞれの被制御電圧が同様になるようにそれぞれの素子抵抗一定化回路部および周囲温度検出回路部へのそれぞれの印加電圧を制御する構成であり、検出器の起動直後からそれぞれの素子の自己発熱温度を一定に制御できるため、起動時間が短縮できるという効果が得られる。
【００１８】
本発明の請求項４に記載の発明は、それぞれの検出部のガス出力はそれぞれの検出部に２つ以上の抵抗および可変抵抗が直列に接続され基準電圧を出力する基準電圧回路部の基準電圧とそれぞれのガス検出素子に直列に抵抗が接続されたガス検出回路部のガス検出出力電圧との電位差により求める構成であり、水素、湿度が存在しない空気中において、周囲温度の変化に対し基準電圧とガス検出出力電圧の電位差の変化は小さく抑えられ、高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００１９】
本発明の請求項５に記載の発明は、周囲温度により変化するそれぞれの水素感度換算係数はそれぞれの温度検出素子の出力と各種周囲温度環境下における水素感度換算係数の相関から得られる感度補正式で補正する構成であり、周囲温度が変化すると水素感度が変化するサーミスタ素子を用いても高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００２０】
本発明の請求項６に記載の発明は、高発熱検出部に温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり乾燥空気中の無孔ケース内に封止され乾燥空気中での高発熱ガス検出素子の自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした第２の高発熱温度検出素子と、低発熱検出部に温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり乾燥空気中の無孔ケース内に封止され乾燥空気中での低発熱ガス検出素子の自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした第２の低発熱温度検出素子を有し、前記高発熱検出部の高発熱ガス検出素子、高発熱温度検出素子および第２の高発熱温度検出素子の自己発熱温度と前記低発熱検出部の低発熱ガス検出素子、低発熱温度検出素子および第２の低発熱温度検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度を異なる温度とした構成であり、それぞれの前記ガス検出素子が水素濃度、湿度および周囲温度に応じて変化する抵抗値と、それぞれの前記温度検出素子およびそれぞれの前記第２の温度検出素子が周囲温度に応じて変化する抵抗値をそれぞれ水素濃度、湿度に応じて変化する電気的なガス出力に変換し、それぞれの前記検出部から得られる前記ガス出力をあらかじめ既知の水素濃度から求めた水素感度換算係数で規格化し、それぞれの前記規格化出力の差から得られる湿度出力を求め、あらかじめ既知の湿度環境下における前記湿度出力と湿度に応じて変化するそれぞれの前記規格化出力から得られる湿度補正量の相関から得られる湿度補正式で前記規格化出力を補正して水素濃度および湿度を出力する構成であり、自己発熱温度の異なる２組の検出部を用いることで、自己発熱温度が違うそれぞれの検出素子の近傍における水蒸気の熱伝導率に差が発生することで、それぞれの検出素子の出力に差が発生し絶対湿度と一次の相関のある湿度出力が得られる。またその湿度出力を用い湿度補正量の演算を行い水素濃度を求めることで、湿気があっても水素濃度と湿度をそれぞれ区別して検出でき、さらには第２の高発熱温度検出素子および第２の低発熱温度検出素子を用いることで広い温度範囲において高精度にガス濃度を検出できるという効果が得られる。
【００２１】
本発明の請求項７に記載の発明は、低発熱検出部の３つの素子と高発熱検出部の３つの素子の乾燥空気中での発熱温度は周囲温度によらずほぼ一定になるように制御した構成であり、それぞれの素子の周辺温度はほぼ一定に保たれるため、被検出ガスの熱伝導率の温度による変化が低減され、ガス濃度を高精度に検出できるという効果が得られる。
【００２２】
本発明の請求項８に記載の発明は、それぞれの検出部の３つの素子の発熱温度を一定化させるための制御は抵抗が２つ以上直列に接続され発熱温度を一定化させるための制御電圧を出力する低発熱検出部および高発熱検出部のそれぞれの素子抵抗一定化回路部のそれぞれの制御電圧に対し、それぞれの温度検出素子に直列に抵抗が接続されたそれぞれの検出部の周囲温度検出回路部のそれぞれの被制御電圧が同様になるようにそれぞれの素子抵抗一定化回路部および周囲温度検出回路部へのそれぞれの印加電圧を制御する構成であり、検出器の起動直後からそれぞれの素子の自己発熱温度を一定になるよう制御するため、起動時間が短縮できるという効果が得られる。
【００２３】
本発明の請求項９に記載の発明は、それぞれの検出部のガス出力はそれぞれの検出部に２つ以上の抵抗および可変抵抗が直列に接続され基準電圧を出力する基準電圧回路部の基準電圧とそれぞれのガス検出素子に直列にそれぞれの第２の温度検出素子が接続されたガス検出回路部のガス検出出力電圧の電位差により求める構成であり、水素、湿度が存在しない空気中において、周囲温度の変化に対し基準電圧とガス検出出力電圧の電位差の変化は小さく抑えられ、高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００２４】
本発明の請求項１０に記載の発明は、周囲温度により変化するそれぞれの水素感度換算係数はそれぞれの温度検出素子、もしくはそれぞれの第２の温度検出素子の出力と各種周囲温度環境下における水素感度換算係数の相関から得られる感度補正式で補正する構成であり、周囲温度が変化すると水素感度が変化するサーミスタ素子を用いても高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００２５】
本発明の請求項１１に記載の発明は、高発熱検出部のそれぞれの検出素子と低発熱検出部のそれぞれの検出素子の形状を同一とした構成であり、これにより外的な熱の変動に対してもそれぞれの素子の応答が等しくなり、高応答の水素および湿度検出ができるという効果が得られる。
【００２６】
本発明の請求項１２に記載の発明は、高発熱ガス検出素子および低発熱ガス検出素子を有孔ケース内に設置した構成であり、それぞれの検出部の無孔ケース内に設置されたそれぞれの温度検出素子および第２の温度検出素子に対しそれぞれのガス検出素子の周囲の構成がほぼ同様となりケースへの熱の伝導、伝達およびケースから周囲への熱の伝導、伝達の状態がそれぞれの素子でほぼ同様となり、検出器の高速な起動化および周囲温度の過渡的な変動に対しても高精度な検出が可能になるという効果が得られる。
【００２７】
本発明の請求項１３に記載の発明は、それぞれの検出部のそれぞれの検出素子の周囲に配置されたそれぞれのケースの一部を直接もしくは熱結合体を介して接合させた構成であり、それぞれの検出素子周囲に設置したケースから周囲への熱の伝導、伝達の状態がそれぞれの素子でほぼ同様となり、検出器の高速な起動化および周囲温度の過渡的な変動に対しても高精度な検出が可能になるという効果が得られる。
【００２８】
本発明の請求項１４に記載の発明は、それぞれの検出部のそれぞれの検出素子にサーミスタを用いた構成であり、わずかな温度変化に対しても大きな抵抗値変化が得られ、補正の精度を向上できるという効果が得られる。
【００２９】
本発明の請求項１５に記載の発明は、それぞれの検出部のそれぞれのサーミスタをガラスで封止した構成であり、これにより還元ガスである水素に対してもサーミスタの抵抗値変化が起こらず耐久性や再現性に優れた特性を得ることができるという効果が得られる。
【００３０】
本発明の請求項１６に記載の発明は、低発熱検出部のそれぞれの検出素子と高発熱検出部のそれぞれの検出素子の発熱温度の差を１０℃以上とした構成であり、これにより湿気が存在する場合、発熱温度が違うそれぞれのガス検出素子の近傍での水蒸気の熱伝導率に差が発生し簡単な構成で絶対湿度を検知できるという効果が得られる。
【００３１】
本発明の請求項１７に記載の発明は、低発熱検出部のそれぞれの検出素子の発熱温度を１００℃以上とした構成であり、これによりガス検出器が動作していないときに、低発熱ガス検出素子および高発熱ガス検出素子の表面に結露しても、ガス検出器の起動後に水分を蒸発させることができる高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００３２】
本発明の請求項１８に記載の発明は、それぞれの検出部のそれぞれの検出素子の近傍にヒータを設置した構成であり、低温起動時にあらかじめそれぞれの検出素子を暖め抵抗値を低くすることでサーミスタ素子の自己発熱を可能とし、低温からの検出を可能にできるという効果が得られる。
【００３３】
本発明の請求項１９に記載の発明は、ガス検出器のガス導入口には焼結金属フィルターが設けられた構成であり、これにより導入された被検出ガスの流量が変化しても焼結金属フィルター内で整流されるため、被検出ガス流量によるガス検出器の出力への影響を低減できるという効果が得られる。
【００３４】
本発明の請求項２０に記載の発明は、ガス検出器をガス導入口が大地方向になるように配置した構成であり、これにより結露した水分を重力によりガス検出器の内部から排出できるという効果が得られる。
【００３５】
本発明の請求項２１に記載の発明は、ガス検出器を配管に設置する場合、ガス導入口が配管本流より上方になるように配置した構成であり、これにより配管本流の流量が変動しても直接ガス検出器に導入されないため、流量の影響を低減でき精度が向上するという効果が得られる。
【００３６】
本発明の請求項２２に記載の発明は、ガス検出器を燃料電池が収納された筐体の一部または燃料電池スタックの空気極側出口配管の一部に設け、前記燃料電池からの水素ガス漏洩を前記ガス検出器で検知すると警報を発するとともに前記筐体内の換気を行い、前記燃料電池を停止するように制御する構成であり、これにより湿気を含む被検出ガス中でも水素濃度のみを高精度に検出できるため、水素漏洩に対する安全性が高い燃料電池システムを構成することができるという効果が得られる。
【００３７】
本発明の請求項２３に記載の発明は、ガス検出器を乗車空間の上部に配置し、前記ガス検出器の湿度出力および温度出力をもとに前記乗車空間が最適な温湿度になるように前記乗車空間の一部に設けたエアコンを制御するとともに、前記ガス検出器の水素濃度出力から前記乗車空間内の水素濃度が既定値以上であれば警報を発するとともに前記乗車空間内の換気を行い、水素供給源を遮断するように制御する構成であり、これにより乗車空間内の１つのガス検出器だけで水素漏洩検知だけでなく湿度や温度のデータが得られるため、通常はエアコン制御を行い水素漏洩時には燃料電池システムを停止するという制御を行うことで、自動車の安全性や快適性を向上できるという効果が得られる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１〜５および請求項１１〜２３に記載の発明について説明する。
【００３９】
図１（ａ）は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の概略断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａでの断面図をそれぞれ示す。図２は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の高発熱検出部および低発熱検出部に設置されたそれぞれのガス検出素子、およびそれぞれの温度検出素子であるサーミスタの概略断面図である。図３は本発明の実施の形態１におけるガス検出器のそれぞれの検出部に設置された検出素子の組立図である。図４は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の配管への取り付けを示す概略断面図である。
【００４０】
図１（ａ）、（ｂ）において、１ａは高発熱ガス検出素子であり、１ｂは高発熱温度検出素子、２ａは低発熱ガス検出素子、また２ｂは低発熱温度検出素子である。これらの素子にはサーミスタを用いており、その構造を図２に示す。
【００４１】
図２において、４はサーミスタ素体であり、Ｂ定数が２３００Ｋのマンガン、コバルト、銅、バナジウムからなる複合酸化物焼結体を直径１．２ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの円板状に切削加工したものを用いている。サーミスタ素体４の両面には銀−パラジウム−白金系の導電ペーストを印刷、焼成することにより形成した電極５が設けられている。両方の電極５には前記導電ペーストで電気的、機械的に接続された直径０．１５ｍｍの白金線からなるリード線６が接続されている。
【００４２】
サーミスタ素体４の外表面全体には、電極５やリード線６の一部を含むように低融点のガラス層７が形成されている。これは焼成温度が５５０℃のガラス粉を有機溶剤とともにペースト化したものを塗布することによって形成した。これにより、サーミスタ素体４は全体がガラス層７に内包される。
【００４３】
このようにしてサーミスタ８を４個作製する。これらのサーミスタ８は、それぞれ図３に示すように、台座９に固定されたピン１０にリード線６を抵抗溶接（図中×印で示した）することにより電気的、機械的に接続され、それぞれ高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂ、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂとして使用する。
【００４４】
それぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの構成は、図１に示すようにそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂを乾燥空気中において無孔ケース１１ｂで被い、無孔ケース１１ｂと台座９とをプロジェクション溶接により接合し封止した構成である。これによりそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧は被検出ガスにより変化することはなく、ガス検出器内部の温度に応じた電圧を出力することとなる。
【００４５】
また、それぞれのガス検出素子１ａ、２ａの構成は、同様に図１に示すように、それぞれのガス検出素子１ａ、２ａを４箇所にφ１．２ｍｍの貫通穴を有する有孔ケース１１ａで被い、有孔ケース１１ａと台座９とをプロジェクション溶接により接合し封止した構成とし、有孔ケース１１ａ、無孔ケース１１ｂを含めた構成に関しては、温度検出素子１ｂ、２ｂとガス検出素子１ａ、２ａの熱容量を同等として両検出素子の発熱特性をおよそ同等としている。
【００４６】
以上のような構成とすることで、高発熱温度検出素子１ｂの発熱特性は高発熱ガス検出素子１ａの発熱特性と、低発熱温度検出素子２ｂの発熱特性は低発熱ガス検出素子２ａの発熱特性とおよそ同等の特性となり正確な周囲温度に対する温度補正が可能となる。
【００４７】
更に、ガス検出器の起動時に関しても、高発熱温度検出素子１ｂは高発熱ガス検出素子１ａの温度上昇特性と、低発熱温度検出素子２ｂは低発熱ガス検出素子２ａの温度上昇特性と同様の温度上昇プロファイルを呈するためガス検出器の高速起動が可能となる。
【００４８】
有孔ケース１１ａ、無孔ケース１１ｂを装着した低発熱温度検出素子２ｂと低発熱ガス検出素子２ａ、および有孔ケース１１ａ、無孔ケース１１ｂを装着した高発熱温度検出素子１ｂと高発熱ガス検出素子１ａは銅やアルミニウム材などの熱伝導率の良い材料からなる熱結合体３３を介してそれぞれ接合させた構成としている。これによりそれぞれの検出素子１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂの周囲に設置した有孔ケース１１ａ、無孔ケース１１ｂから周囲への熱の伝導、伝達の授受の状態が熱結合体３３を介していることによりそれぞれの検出素子でほぼ同様となり、周囲温度の過渡的な変動に対しても高精度な検出が可能となり、加えてガス検出器の高速起動化に関しても効果が得られる。
【００４９】
なお、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂ、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂは回路基板１５上にそれぞれのピン１０の一端が挿入され半田付けにより電気的、機械的に接続され、外周が六角形状の容器１６に収納される。
【００５０】
また、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂ、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂの近傍には面状のヒータ３４を設置した。このヒータ３４は検出器の起動後約５秒間、２００℃で駆動させている。このヒータ３４の動作により周囲温度が低くサーミスタ素体４の抵抗値が大きい場合でも自己発熱可能な抵抗値までサーミスタ８の抵抗を下げ低温における動作も可能とした。なお、本実施の形態１では起動時には常にヒータ３４を駆動させるようにしたが、後述で記載しているマイクロコンピュータ３２にてサーミスタ８の抵抗値もしくは電圧値を検出して、低温のときのみ、つまり抵抗値の高いときのみヒータ３４を動作させて消費電力を抑えることも可能である。
【００５１】
ガス導入口１７には焼結金属製のフィルター１８がはめ込まれている。これは外周が円形の形状であり、容器１６の外部に突出するように配置してある。
【００５２】
なお、被検出ガスに湿気が存在する場合、温度環境によっては容器１６の内部で結露する可能性がある。そこで、ガス検出器のガス導入口１７が大地方向になるように配置することで、結露水が重力によりフィルター１８の外部へ誘導され排水されやすくなる。
【００５３】
容器１６の回路基板１５の上部には、あらかじめ取出しケーブル２３を通した容器フタ２４がはめ込まれ、容器１６にかしめて固定される。さらに、耐湿樹脂２５を容器フタ２４に設けた注入口（図示せず）から回路基板１５と容器フタ２４の間の空間全体に注入し、硬化させた構成となっている。
【００５４】
このようにして完成したガス検出器は、容器１６の外周の一部に設けたネジ部２６でガス濃度を検出したい部位に固定される。なお、配管中のガス濃度を検出する場合は、図４に示すように配管２７の一部にガス検出器の取付部２８を設け、ここにネジ部２６をねじ込むことによってガス検出器を固定する。このようにすることで配管２７の本流から離れた上方にガス導入口１７を配置することができ、本流のガス流速の影響を低減することができる。
【００５５】
次に、ガス検出器の取り付け例について図５および図６を用いて説明する。
【００５６】
図５は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を燃料電池システムに取り付けた際の概略ブロック図である。図６は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を用いた燃料電池自動車の概略構造図である。
【００５７】
まず、燃料電池システムについて固体高分子型を例に説明する。図５において、５１は水素タンクである。水素タンク５１内の水素は遮断弁５２を通って水素加湿器５３に導入される。ここで燃料電池内の固体高分子膜が乾燥するのを防ぐための湿気が与えられる。加湿された水素は燃料電池スタック５４の水素極側に導入される。
【００５８】
一方、燃料電池スタック５４には発電に必要な空気もコンプレッサ５５により空気加湿器５６で加湿されて空気極側に導入される。これにより燃料電池スタック５４は発電を行い、太線で示したように燃料電池制御回路５７を経て外部に電力を供給する。また、燃料電池スタック５４からは発電の結果、生成した水が空気と一緒に外部へ排出される。
【００５９】
このような燃料電池システムは全体が筐体５８内に収納されている。筐体５８内には、図５の中に黒丸で示したように、水素タンク５１の近傍、燃料電池スタック５４の近傍、燃料電池スタック５４の空気極側出口配管の一部などに水素漏洩を検知するためのガス検出器が配置される。これによりいずれかのガス検出器が水素漏洩を検知すれば、燃料電池制御回路５７は遮断弁５２を閉じ警報器５９と換気扇６０を動作させ燃料電池を停止するように制御する。なお、具体的な制御動作についてはフローチャートを用いて後述する。
【００６０】
次に、燃料電池自動車について説明する。図６において、自動車の本体１０１は乗車空間１０２と、水素タンク収納空間１０３と、駆動手段収納空間１０４と、床下空間１０５がそれぞれ空間として分離された状態で形成されている。水素タンク収納空間１０３には水素を貯蔵するタンク１０６が設けられている。タンク１０６は、特に衝突時に水素漏洩に対する安全性を確保するために、外側タンク１０７と内側タンク１０８からなる二重構造となっており、内側タンク１０８内に水素が貯蔵されている。また、駆動手段収納空間１０４には本体１０１を駆動するためのモーター１０９が設けられている。床下空間１０５には燃料電池スタック１１０が設けられている。
【００６１】
タンク１０６から供給された水素は床下空間１０５に設けられた燃料電池スタック１１０で電気エネルギーに変換され、その電気エネルギーがモーター１０９に伝達されてタイヤ１１１を駆動するようになっている。１１２はハンドルを示している。
【００６２】
このような自動車において、それぞれの空間にはガス検出器１１３が設けられている。具体的には、乗車空間１０２に設けたガス検出器１１３は乗車空間１０２の中で最も上部にあたる天井１１５前部に、水素タンク収納空間１０３に設けたガス検出器１１３はタンク１０６が二重構造であるため外側タンク１０７の最上部に、駆動手段格納空間１０４に設けたガス検出器１１３は駆動手段格納空間１０４の中で最も上部にあたるボンネット後端部に、床下空間１０５に設けたガス検出器１１３は床下空間１０５の最上部にそれぞれ取り付けられている。さらに図示していないが、図６と同様に燃料電池スタック１１０の空気極側出口配管の一部にもガス検出器を取り付けている。
【００６３】
これらのガス検出器１１３のうちのいずれかが水素漏洩を検知すると、図５で説明したように水素供給源を遮断し、警報および換気を行う。それに加えて、乗車空間１０２内に設けたガス検出器１１３は湿度や温度も検知できるため、通常は乗車空間１０２の内部が最適な温湿度になるように乗車空間１０２の一部に設けたエアコンを制御している。なお、具体的な制御動作についてはフローチャートを用いて後述する。
【００６４】
なお、以上に述べたガス検出器は、燃料電池システムと自動車のいずれに取り付けられる場合でもガス導入口１７が大地方向になるように配置してある。これにより軽い水素が漏れた場合、素早くガス検出器に導入されるだけでなく、周囲温度によりガス検出器内に結露水が発生した場合でも、前述のようにガス導入口１７に設けたフィルター１８を通して大地方向に排出されガス検出器内部に残存しないようにすることができる。
【００６５】
次に、ガス検出器の動作について説明する。
【００６６】
図７は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の概略回路図である。図８は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の乾燥空気下での水素濃度出力特性図であり、図８（ａ）は高発熱検出部３５ａのガス出力を、図８（ｂ）は低発熱検出部３５ｂのガス出力をそれぞれ示す。図９は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の湿度出力特性であり、図中の（ａ）は高発熱検出部３５ａの水素濃度感度補正後の出力を、（ｂ）は低発熱検出部３５ｂの水素濃度感度補正後の出力を、（ｃ）はこれらから得られたそれぞれの出力の差である絶対湿度出力を示している。図１０は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の湿度補正計算後の出力特性図であり、図１０（ａ）は水素濃度出力特性を、図１０（ｂ）は絶対湿度出力特性をそれぞれ示す。
【００６７】
図７において、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂ、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂには、それぞれ直列に固定抵抗２９ａ、２９ｂ、２９ｃおよび２９ｄが接続されている。ここで、固定抵抗２９ａ、２９ｂには２２０Ωを、固定抵抗２９ｃ、２９ｄには５００Ωを用い、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂの発熱温度が約１９０℃、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂの発熱温度が約１４０℃となるように制御を行っている。
【００６８】
また、回路には直流電源３１が接続され電源電圧として１５Ｖを供給した。
【００６９】
ここで、発熱温度を一定化させるための制御について説明する。本実施の形態１では高発熱検出部３５ａの２つの検出素子１ａ、１ｂと低発熱検出部３５ｂの２つの検出素子２ａ、２ｂの乾燥空気中での発熱温度を周囲温度によらずほぼ一定になるように制御している。
【００７０】
高発熱検出部３５ａの２つの検出素子１ａ、１ｂの発熱温度を一定化させるための制御は１１ｋΩと３３ｋΩの固定抵抗２９ｅ、２９ｆを直列に接続した高発熱検出部３５ａの素子抵抗一定化回路部３６ａの３３ｋΩの固定抵抗２９ｆの両端電圧からなる制御電圧に対し、高発熱温度検出素子１ｂに直列に接続された２２０Ωの固定抵抗２９ｂからなる周囲温度検出回路部３７ａの２２０Ωの固定抵抗２９ｂの両端電圧からなる被制御電圧が同様になるようにオペアンプおよびトランジスタ等を介し素子抵抗一定化回路部３６ａ、高発熱ガス検出素子１ａに直列に２２０Ωの固定抵抗２９ａが接続されたガス検出回路部３８ａ、基準電圧回路部３９ａおよび周囲温度検出回路部３７ａへの印加電圧を周囲温度の変動に対し制御し、高発熱温度検出素子１ｂおよび高発熱ガス検出素子１ａの抵抗値を常に一定とする回路構成とした。
【００７１】
また同様に、低発熱検出部３５ｂ側の発熱温度を一定化させるための制御としては、４３ｋΩと１００ｋΩの固定抵抗２９ｇ、２９ｈを直列に接続した低発熱検出部３５ｂの素子抵抗一定化回路部３６ｂの１００ｋΩの固定抵抗２９ｈの両端電圧からなる制御電圧に対し、低発熱温度検出素子２ｂに直列に接続された５００Ωの固定抵抗２９ｄからなる周囲温度検出回路部３７ｂの被制御電圧が同様になるようにオペアンプおよびトランジスタ等を介し素子抵抗一定化回路部３６ｂ、低発熱ガス検出素子２ａに直列に５００Ωの固定抵抗２９ｃが接続されたガス検出回路部３８ｂ、基準電圧回路部３９ｂおよび周囲温度検出回路部３７ｂへの印加電圧を周囲温度の変動に対し制御し、低発熱温度検出素子２ｂおよび低発熱ガス検出素子２ａの抵抗値を常に一定とする回路構成とした。
【００７２】
これにより、それぞれの検出素子の周辺温度はおよそ一定に保たれるため、被検出ガスの熱伝導率の温度による変化が低減され、ガス濃度を高精度に検出でき、かつ検出器の起動直後からそれぞれの検出素子の自己発熱温度を一定に制御するため、起動時間が短縮できるという効果が得られる。
【００７３】
次に、それぞれの検出部のガス出力を得るための信号処理について述べる。
【００７４】
高発熱検出部３５ａにおけるガス出力を得るための信号処理は１１ｋΩより小さな値の固定抵抗２９ｉと３３ｋΩの固定抵抗２９ｊおよび可変抵抗器２９ｋを直列に接続した基準電圧を出力する基準電圧回路部３９ａの３３ｋΩの固定抵抗２９ｊの両端電圧からなる基準電圧に対し、高発熱ガス検出素子１ａに直列に２２０Ωの固定抵抗２９ａが接続されたガス検出回路部３８ａの２２０Ωの固定抵抗２９ａの両端電圧からなるガス検出出力電圧との電位差を求める信号処理を行っている。水素、湿度が存在しない空気中で基準電圧とガス検出出力電圧に差が発生した場合には、可変抵抗器２９ｋの抵抗値調節により、差をゼロとするように調節する。
【００７５】
また同様に、低発熱検出部３５ｂでのガス出力を得るための信号処理は４３ｋΩより小さな値の固定抵抗２９ｌと１００ｋΩの固定抵抗２９ｍおよび可変抵抗器２９ｎを直列に接続した基準電圧を出力する基準電圧回路部３９ｂの１００ｋΩの固定抵抗２９ｍの両端電圧からなる基準電圧に対し、低発熱ガス検出素子２ａに直列に５００Ωの固定抵抗２９ｃが接続されたガス検出回路部３８ｂの５００Ωの固定抵抗２９ｃの両端電圧からなるガス検出出力電圧との電位差を求める信号処理を行っている。上記と同様に基準電圧とガス検出出力電圧に差が発生した場合には、可変抵抗器２９ｎの抵抗値調節により差をゼロとするように調節する。
【００７６】
これにより、水素、湿度が存在しない空気中において、周囲温度の変化に対し基準電圧とガス検出出力電圧の電位差の変化は小さく抑えられ、高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００７７】
以上の信号処理で得られた高発熱検出部３５ａおよび低発熱検出部３５ｂのそれぞれのガス出力およびそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧値はマイクロコンピュータ３２に入力される。マイクロコンピュータ３２は後述する演算を行い、水素濃度、湿度、温度をそれぞれ出力する。
【００７８】
ガス検出器の近傍または配管内の被検出ガスは、ガス導入口１７に設けたフィルター１８を通って高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂ、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂに到る。高発熱ガス検出素子１ａおよび低発熱ガス検出素子２ａは自己発熱しており被検出ガス中に水素や湿気があると、その濃度に応じて被検出ガスの熱伝導度が変わり熱が奪われるため、高発熱ガス検出素子１ａおよび低発熱ガス検出素子２ａの温度が変化する。
【００７９】
一方、高発熱温度検出素子１ｂおよび低発熱温度検出素子２ｂは無孔ケース１１ｂで乾燥空気を封止した構成であり、高発熱温度検出素子１ｂおよび低発熱温度検出素子２ｂの両端電圧は被検出ガスにより変化することはなく、ガス検出器の内部の温度に応じた電圧を出力する。
【００８０】
これらの変化は前述の信号処理方法によりそれぞれガス出力として変換されマイクロコンピュータ３２に入力される。
【００８１】
また、本実施の形態１では水素に対する検出感度を大きく得られるサーミスタ８を検出素子１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂとして用いている。しかしながら、サーミスタ８を用いた場合、その感度が大きいため、水素の熱伝導率の周囲温度に対する変化の影響が大きく現われる。従って、周囲温度に応じた水素濃度感度の補正が必要となるわけである。
【００８２】
周囲温度の変化に対し変化するそれぞれのガス出力に対する水素感度換算係数はそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの出力である両端電圧と各種周囲温度環境下における水素感度換算係数の相関から得られる感度補正式で補正する構成としている。これは、例えば、乾燥空気中に水素が濃度１％で存在する基準ガスを準備し、この基準ガス中での−４０℃、２５℃および８０℃でのガス出力および温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧を計測する。一般的に温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧に対する基準ガスの出力は温度が高くなるにつれ小さくなる傾向であり、相関的にはおよそ１次の相関とみなせる。
【００８３】
従って、上記温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧もマイクロコンピュータ３２に入力される。
【００８４】
マイクロコンピュータ３２は上記のそれぞれのガス出力および温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧をもとに水素濃度、湿度および温度を演算してそれぞれ出力する。
【００８５】
次に、マイクロコンピュータ３２内で行われる演算手法について説明する。
【００８６】
最初に、ガス検出器の製造時に補正データの作成を以下のように行う。
【００８７】
まず、乾燥空気下における水素濃度変化に対する高発熱検出部３５ａおよび低発熱検出部３５ｂのそれぞれのガス出力を計測する。この計測を各種温度条件下で実施する。図８に８０℃の周囲温度条件下における結果を示す。図８（ａ）は横軸に水素濃度を、縦軸に高発熱検出部３５ａのガス出力を示す。図８（ａ）より高発熱検出部３５ａのガス出力は水素濃度に比例して大きくなることがわかる。同様に、図８（ｂ）は低発熱検出部３５ｂのガス出力を計測したもので、低発熱検出部３５ｂのガス出力も水素濃度に比例して大きくなる。また、高発熱検出部３５ａおよび低発熱検出部３５ｂのそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧は被検出ガスの状態によらないので周囲温度を表すことになるため、このそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧値と高発熱検出部３５ａのガス出力および低発熱検出部３５ｂのガス出力の関係を求め水素濃度に対する感度の温度補正のデータをそれぞれ作成する。
【００８８】
次に、空気中で湿度を変化させた時の高発熱検出部３５ａのガス出力および低発熱検出部３５ｂのガス出力を計測する。図９に８０℃の周囲温度条件下における結果を示す。横軸に絶対湿度を示しており、図中の（ａ）は高発熱検出部３５ａのガス出力を上記図８で説明した水素に関する感度の温度補正の考えに基づいて補正した出力、つまり水素検出精度に対する誤差（以下、湿度オフセットと呼ぶ）を示す。同様に、図９中の（ｂ）に低発熱検出部３５ｂのガス出力を補正して得られた湿度オフセットを示す。また、図９中の（ｃ）にこれらの得られた高発熱検出部３５ａの湿度オフセットから低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットを差し引いた値である湿度出力を示している。図９より同一の絶対湿度条件下にかかわらず、高発熱検出部３５ａの湿度オフセットおよび低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットに違いが生じる。これは湿気が存在する場合、発熱温度が違うそれぞれのガス検出素子１ａ、２ａの近傍での水蒸気の熱伝導率に差が発生し、結果としてガス検出素子１ａ、２ａの熱伝導特性に違いが現れるためである。
【００８９】
この高発熱検出部３５ａの湿度オフセットから低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットを差し引いた値である湿度出力は、図９より絶対湿度に比例することがわかる。
【００９０】
従って、この湿度出力を得ることによって、湿度オフセットを補正できるとともに、絶対湿度さらには温度検出素子１ｂ、２ｂから得られる周囲温度の状態から相対湿度の算出も可能となる。
【００９１】
これらの現象をもとに、高発熱検出部３５ａの湿度オフセットおよび低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットの差より得られる湿度出力と湿度オフセットの関係を求め水素濃度検出に対する湿度補正のデータおよび湿度出力データを作成する。
【００９２】
以上の水素濃度検出に関する感度の温度補正、湿度出力および水素濃度検出に関する湿度補正の計算手法はマイクロコンピュータ３２にプログラムされており、ガス検出器の動作時に得られる高発熱検出部３５ａのガス出力、低発熱検出部３５ｂのガス出力およびそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧が入力されると、上記計算を行い水素濃度、湿度を出力するようになっている。
【００９３】
上記ガス検出器を実際に動作させた時の出力例について図１０（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
【００９４】
実験方法として、８０℃の周囲温度環境下において、絶対湿度が約１２０ｇ／ｍ３の空気に水素ガスを０％→０．４％→０．８％→１．６％→０．８％→０．４％→０％の順に切り替えて流したときのガス検出器のマイクロコンピュータ３２で演算後の出力を計測した。
【００９５】
まず、水素濃度出力結果を図１０（ａ）に示す。横軸は測定の経過時間（秒）で９００、３００、３００、４８０、４８０、４８０、４８０秒経過後に水素濃度を切り替えている。縦軸は高発熱検出部３５ａのガス出力、低発熱検出部３５ｂのガス出力およびそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧から上記の計算手法に基づいて計算した水素濃度計算値（％）である。図よりガス切り替えにより極めて応答性よく水素濃度が変化しており、精度も良好であることが確認された。
【００９６】
次に、湿度出力結果を図１０（ｂ）に示す。横軸は図１０（ａ）と同様に測定の経過時間（秒）であり、前述の水素濃度計測と同様のタイミングで水素ガス濃度を切り替えている。また、縦軸は水素濃度相当の絶対湿度出力である。図１０（ａ）に示したように測定中に水素濃度が大きく変わっているにもかかわらず湿度出力は変動がなく、水素濃度に影響されずに精度よく絶対湿度のみを出力することが確認された。また、ガス検出器の近傍に設けた湿度計測器で測定した被検出ガスの絶対湿度と同等の結果も得られ、後述するように自動車の乗車空間内のエアコン制御等に用いる場合は十分な精度が得られることも確認された。
【００９７】
以上の結果より、本実施の形態１のガス検出器は水素濃度と湿度を独立して高精度に検出できることが明確化された。
【００９８】
なお、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂの発熱温度が約１９０℃、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂの発熱温度が約１８０℃となるように制御を行って、前述と同様の水素および湿度検出の評価を実施したが、絶対湿度出力値の精度は低下するものの各種補正は可能であった。
【００９９】
次に、本実施の形態１のガス検出器を用いた燃料電池システムおよび自動車のガス検出器出力による制御動作について図１１および図１２を用いて説明する。
【０１００】
図１１は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を用いた燃料電池システムにおけるガス検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャートである。図１２は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を用いた自動車におけるガス検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャートである。
【０１０１】
まず、燃料電池システムについては燃料電池システム全体の動作を司るソフトウエア（以下、メインルーチンという）の実行中に、一定時間毎割り込みにより水素濃度検出を行う場合を想定して説明する。
【０１０２】
図１１はその際のサブルーチンを示し、このサブルーチンは燃料電池システム動作ソフトウエアの一部に書き込まれている。
【０１０３】
メインルーチンへの割り込み発生により図１１のサブルーチンにジャンプしてくると、まずガス検出器の水素濃度出力値を読み込む（Ｓ１）。この際、図５に示すように燃料電池システムには複数個のガス検出器を設けて水素漏洩を監視しているため、全てのガス検出器の出力を順次読み込む。
【０１０４】
次に、いずれかのガス検出器の水素濃度出力が既定値（例えば２％）を超えたか否かを順次判定する（Ｓ２）。例えば、いずれのガス検出器の出力も既定値を超えていない場合、そのままメインルーチンに復帰する（Ｓ２のｎｏ）。逆に、既定値以上の出力が１つでもある場合（Ｓ２のｙｅｓ）には直ちに燃料電池を停止するように制御する。
【０１０５】
具体的には、まず燃料供給側の遮断弁５２を閉じ（Ｓ３）、筐体５８内に漏れた水素を大気に開放するために換気扇６０を駆動する（Ｓ４）とともに、水素漏洩の事実を知らせるために警報器５９を起動する（Ｓ５）。その後、水素漏れフラグをＯＮにして（Ｓ６）メインルーチンに復帰する。メインルーチンでは水素漏れフラグにより燃料電池を安全に停止するようシステムを制御する。
【０１０６】
次に、自動車について説明する。この場合も燃料電池システムと同様に、メインルーチン実行中に一定時間毎割り込みにより水素濃度、湿度、温度検出を行う場合を想定して説明する。図１２はその際のサブルーチンを示す。
【０１０７】
メインルーチンの割り込み発生により図１２のサブルーチンにジャンプしてくると、まず各ガス検出器の水素濃度出力値を読み込む（Ｓ７）。さらに、乗車空間１０２内に設けたガス検出器については、同時に湿度、温度出力を読み込み（Ｓ８）、湿度、温度をメインルーチンが参照する記憶領域に保存する（Ｓ９）。
【０１０８】
次に、いずれかのガス検出器の水素濃度出力が既定値（例えば２％）を超えたか否かを順次判定する（Ｓ１０）。例えば、いずれのガス検出器の出力も既定値を超えていない場合、そのままメインルーチンに復帰する（Ｓ１０のｎｏ）。メインルーチンでは記憶領域に保存された乗車空間１０２内の現在の湿度、温度データをエアコン制御ソフトウエアに渡す。エアコン制御ソフトウエアは受け取った湿度、温度データを基に、乗車空間１０２内がユーザーの設定値を基準とした最適な温湿度になるようにエアコンを制御する。
【０１０９】
また、既定値以上の水素濃度出力が１つでも確認された場合（Ｓ１０のｙｅｓ）、直ちに燃料電池を停止するように制御する。具体的には、まず燃料供給側の遮断弁を閉じ（Ｓ１１）、乗車空間１０２内に漏れた水素を大気に放出するためにエアコンを外気導入にするとともに最大風量で駆動し（Ｓ１２）、水素漏洩の事実を運転手に知らせるために警報器を起動する（Ｓ１３）。その後、水素漏れフラグをＯＮにして（Ｓ１４）メインルーチンに復帰する。メインルーチンでは水素漏れフラグにより燃料電池を完全に停止するようシステムを制御する。
【０１１０】
以上の制御動作を行うことにより、燃料電池システムや自動車から水素が漏洩しても安全に停止することが可能となり、さらには自動車の乗車空間のエアコン制御も同時に実現できる。
【０１１１】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項６〜１０に記載の発明について説明する。
【０１１２】
図１３（ａ）は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の概略断面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａでの断面図をそれぞれ示す。
【０１１３】
なお、実施の形態１と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しその説明を省略する。
【０１１４】
図１３において、実施の形態１と相違する点は、実施の形態１の構成に加え、高発熱検出部３５ａに第２の高発熱温度検出素子１ｃ、低発熱検出部３５ｂに第２の低発熱温度検出素子２ｃを設置した点である。以下詳細を述べる。
【０１１５】
図１３において１ｃは第２の高発熱温度検出素子、２ｃは第２の低発熱温度検出素子であり、この素子には実施の形態１と同様にサーミスタを用いており、その構造は図２に示している。
【０１１６】
第２の高発熱温度検出素子１ｃ、第２の低発熱温度検出素子２ｃの構成は実施の形態１の場合と同様であり、図１３に示すようにそれぞれの検出素子を乾燥空気中において無孔ケース１１ｂで被い、無孔ケース１１ｂと台座９とをプロジェクション溶接により接合し封止した構成であり、これにより第２の高発熱温度検出素子１ｃ、第２の低発熱温度検出素子２ｃの両端電圧は被検出ガスにより変化することはなく、ガス検出器内部の温度に応じた電圧を出力する。詳細は後述するが、このようにそれぞれの検出部３５ａ、３５ｂに２つの温度検出素子１ｂ、２ｂ、１ｃ、２ｃを設置することで広い温度範囲において高精度にガス濃度を検出できるという効果が得られる。
【０１１７】
次に、本実施の形態２のガス検出器の動作について説明する。
【０１１８】
図１４は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の概略回路図である。図１５は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の湿度特性であり、（ａ）は高発熱検出部３５ａの水素濃度感度補正後の出力を、（ｂ）は低発熱検出部３５ｂの水素濃度感度補正後の出力を、（ｃ）はこれらから得られたそれぞれの出力の差である湿度出力を示している。図１６は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の補正計算後の出力特性図であり、図１６（ａ）は水素濃度特性を、図１６（ｂ）は絶対湿度出力特性をそれぞれ示す。
【０１１９】
図１４において、高発熱ガス検出素子１ａと第２の高発熱温度検出素子１ｃと２２０Ωの固定抵抗４０ａは直列に接続されガス検出回路部３８ａを形成しており、高発熱温度検出素子１ｂの両端には７５Ωと２２０Ωの固定抵抗４０ｂ、４０ｃが直列に接続された周囲温度検出回路部３７ａを形成している。同様に低発熱ガス検出素子２ａと第２の低発熱温度検出素子２ｃと５００Ωの固定抵抗４０ｄは直列に接続されガス検出回路部３８ｂを形成しており、低発熱温度検出素子２ｂの両端には３２０Ωと５００Ωの固定抵抗４０ｅ、４０ｆが直列に接続された周囲温度検出回路部３７ｂを形成している。ここで、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂおよび第２の高発熱温度検出素子１ｃの発熱温度が約１９０℃、低発熱ガス検出素子２ａ、低発熱温度検出素子２ｂおよび第２の低発熱温度検出素子２ｃの発熱温度が約１４０℃となるように制御を行っている。
【０１２０】
また、回路には直流電源３１が接続され電源電圧として１５Ｖを供給した。
【０１２１】
ここで、発熱温度一定化の制御について説明する。本実施の形態２では高発熱検出部３５ａの３つの検出素子１ａ、１ｂ、１ｃと低発熱検出部３５ｂの３つの検出素子２ａ、２ｂ、２ｃの乾燥空気中での発熱温度を周囲温度によらずほぼ一定になるように制御している。
【０１２２】
高発熱検出部３５ａの３つの検出素子１ａ、１ｂ、１ｃの発熱温度を一定化させるための制御は２９３ｋΩと１００ｋΩと１００ｋΩの固定接点４０ｇ、４０ｈ、４０ｉを直列に接続した高発熱検出部３５ａの素子抵抗一定化回路部３６ａの１００ｋΩの固定抵抗４０ｉの両端電圧からなる制御電圧に対し、高発熱温度検出素子１ｂの両端に直列に接続された７５Ωと２２０Ωの固定抵抗４０ｂ、４０ｃからなる周囲温度検出回路部３７ａの７５Ωの固定抵抗４０ｂの両端電圧からなる被制御電圧が同様になるようにオペアンプおよびトランジスタ等を介し素子抵抗一定化回路部３６ａ、高発熱ガス検出素子１ａと第２の高発熱温度検出素子１ｃに直列に２２０Ωの固定抵抗４０ａが接続されたガス検出回路部３８ａ、基準電圧回路部３９ａおよび周囲温度検出回路部３７ａへの印加電圧を周囲温度の変動に対し制御し、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂおよび第２の高発熱温度検出素子１ｃの抵抗値を常に一定とする回路構成とした。
【０１２３】
また同様に、低発熱検出部３５ｂ側の３つの検出素子２ａ、２ｂ、２ｃの発熱温度を一定化させるための制御は１５６ｋΩと１００ｋΩと１００ｋΩの固定抵抗４０ｊ、４０ｋ、４０ｌを直列に接続した低発熱検出部３５ｂの素子抵抗一定化回路部３６ｂの１００ｋΩの固定抵抗４０ｌの両端電圧からなる制御電圧に対し、低発熱温度検出素子２ｂの両端に直列に接続された３２０Ωと５００Ωの固定抵抗４０ｅ、４０ｆからなる周囲温度検出回路部３７ｂの３２０Ωの固定抵抗４０ｅの両端電圧からなる被制御電圧が同様になるようにオペアンプおよびトランジスタ等を介し素子抵抗一定化回路部３６ｂ、低発熱ガス検出素子２ａと第２の低発熱温度検出素子２ｃに直列に５００Ωの固定抵抗４０ｄが接続されたガス検出回路部３８ｂ、基準電圧回路部３９ｂおよび周囲温度検出回路部３７ｂへの印加電圧を周囲温度の変動に対し制御し、低発熱ガス検出素子２ａ、低発熱温度検出素子２ｂおよび第２の低発熱温度検出素子２ｃの抵抗値を常に一定とする回路構成とした。
【０１２４】
これにより、それぞれの検出素子の周辺温度はおよそ一定に保たれるため、被検出ガスの熱伝導率の温度による変化が低減され、ガス濃度を高精度に検出でき、かつ検出器の起動直後からそれぞれの検出素子の自己発熱温度を一定に制御するため起動時間が短縮できるという効果が得られる。
【０１２５】
次に、それぞれの検出部３５ａ、３５ｂのガス出力を得るための信号処理について述べる。
【０１２６】
高発熱検出部３５ａにおけるガス出力を得るための信号処理は２９３ｋΩと１００ｋΩより小さな値の固定抵抗４０ｍ、４０ｎと１００ｋΩの固定抵抗４０ｏおよび可変抵抗器４０ｐを直列に接続した基準電圧を出力する基準電圧回路部３９ａの１００ｋΩの固定抵抗４０ｏの両端電圧からなる基準電圧に対し、高発熱ガス検出素子１ａと第２の高発熱温度検出素子１ｃと２２０Ωの固定抵抗４０ａを直列に接続したガス検出回路部３８ａの第２の高発熱温度検出素子１ｃの両端電圧からなるガス検出出力電圧との電位差を求める信号処理を行っている。水素、湿度が存在しない空気中で基準電圧とガス検出出力電圧に差が発生した場合には、可変抵抗器４０ｐの抵抗値調節により差をゼロとするように調節する。
【０１２７】
また同様に、低発熱検出部３５ｂでのガス出力を得るための信号処理は１５６ｋΩと１００ｋΩより小さな値の固定抵抗４０ｑ、４０ｒと１００ｋΩの固定抵抗４０ｓおよび可変抵抗器４０ｔを直列に接続した基準電圧を出力する基準電圧回路部３９ｂの１００ｋΩの固定抵抗４０ｓの両端電圧からなる基準電圧に対し、低発熱ガス検出素子２ａと第２の低発熱温度検出素子２ｃと５００Ωの固定抵抗４０ｄを直列に接続したガス検出回路部３８ｂの第２の低発熱温度検出素子２ｃの両端電圧からなるガス検出出力電圧との電位差を求める信号処理を行っている。水素、湿度が存在しない空気中で基準電圧とガス検出出力電圧に差が発生した場合には、可変抵抗器４０ｔの抵抗値調節により差をゼロとするように調節する。
【０１２８】
以上のような信号処理により、それぞれのガス検出素子１ａ、２ａおよびそれぞれの第２の温度検出素子１ｃ、２ｃのそれぞれの発熱特性の各温度における比はほとんど同様であるため、ガス検出出力電圧の周囲温度変化による変動は非常に小さく抑えられる。従って、水素、湿度が存在しない空気中において、周囲温度の変化に対し基準電圧とガス検出出力電圧の電位差の変化も小さく抑えられ高精度な検出ができるという効果が得られる。
【０１２９】
以上の信号処理で得られた高発熱検出部３５ａおよび低発熱検出部３５ｂのそれぞれのガス出力およびそれぞれの温度検出素子１ｂ、１ｃ、２ｂ、２ｃの両端電圧値はマイクロコンピュータ３２に入力される。マイクロコンピュータ３２は本実施の形態１と同様の演算を行い、水素濃度、湿度、温度をそれぞれ出力する。
【０１３０】
図１５に８０℃の周囲温度条件下における湿度特性の評価結果を示す。横軸に絶対湿度を示しており、図中の（ａ）は高発熱検出部３５ａのガス出力を水素に関する感度の温度補正の考えに基づいて補正した出力、つまり水素検出精度に対する誤差（以下、湿度オフセットと呼ぶ）を示す。同様に、図１５中の（ｂ）に低発熱検出部３５ｂのガス出力を補正して得られた湿度オフセットを示す。
【０１３１】
また、図１５中の（ｃ）にこれらの得られた高発熱検出部３５ａの湿度オフセットから低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットを差し引いた値である湿度出力を示している。図１５より同一の絶対湿度条件下にかかわらず、高発熱検出部３５ａの湿度オフセットおよび低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットに違いが生じる。これは湿気が存在する場合、発熱温度が違うそれぞれのガス検出素子の近傍での水蒸気の熱伝導率に差が発生し、結果としてガス検出素子の熱伝導特性に違いが現れるためである。
【０１３２】
この高発熱検出部３５ａの湿度オフセットから低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットを差し引いた値である湿度出力は、図１５より絶対湿度に比例することがわかる。従って、実施の形態１と同様に絶対湿度に比例し湿度出力として使用できる。この湿度出力を得ることによって湿度オフセットを補正できるとともに、絶対湿度の算出が可能となる。
【０１３３】
本実施の形態２によるガス検出器の出力例を図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示す。実験方法は実施の形態１と同様である。
【０１３４】
水素濃度出力結果を図１６（ａ）に示す。横軸は測定の経過時間（秒）で９００、３００、３００、４８０、４８０、４８０、４８０秒経過後に水素濃度を切り替えている。縦軸は高発熱検出部３５ａのガス出力、低発熱検出部３５ｂのガス出力およびそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂもしくはそれぞれの第２の温度検出素子１ｃ、２ｃの両端電圧から上記の計算手法に基づいて計算した水素濃度計算値（％）である。図よりガス切り替えにより極めて応答性よく水素濃度が変化しており、精度も良好であることが確認された。
【０１３５】
次に、湿度出力結果を図１６（ｂ）に示す。横軸は図１６（ａ）と同様に測定の経過時間（秒）であり、前述の水素濃度計測と同様のタイミングで水素ガス濃度を切り替えている。また、縦軸は水素濃度相当の絶対湿度出力である。図１６（ａ）に示したように測定中に水素濃度が大きく変わっているにもかかわらず、湿度出力は変動がなく、水素濃度に影響されずに精度よく絶対湿度のみを出力することが確認された。また、ガス検出器の近傍に設けた湿度計測器で測定した被検出ガスの絶対湿度と同等の結果も得られ、後述するように自動車の乗車空間内のエアコン制御等に用いる場合は十分な精度が得られることも確認された。
【０１３６】
以上の結果から、本実施の形態２のガス検出器も実施の形態１と同様に水素濃度と湿度を独立して精度よく検出できることが明確化された。
【０１３７】
【発明の効果】
以上のように本発明は温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり、被検出ガスにさらされる高発熱ガス検出素子および乾燥空気中の無孔ケース内に封止され、前記高発熱ガス検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした高発熱温度検出素子からなる高発熱検出部と、温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり、被検出ガスにさらされる低発熱ガス検出素子および乾燥空気中の無孔ケース内に封止され、前記低発熱ガス検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした低発熱温度検出素子からなる低発熱検出部を有し、前記高発熱検出部の高発熱ガス検出素子および高発熱温度検出素子の自己発熱温度と前記低発熱検出部の低発熱ガス検出素子および低発熱温度検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度を異なる温度とした構成であり、それぞれの前記ガス検出素子が水素濃度、湿度および周囲温度に応じて変化する抵抗値と、それぞれの前記温度検出素子が周囲温度に応じて変化する抵抗値をそれぞれ水素濃度、湿度に応じて変化する電気的なガス出力に変換し、それぞれの前記検出部から得られる前記ガス出力をあらかじめ既知の水素濃度から求めた水素感度換算係数で規格化し、それぞれの前記規格化出力の差から得られる湿度出力を求め、あらかじめ既知の湿度環境下における前記湿度出力と湿度に応じて変化するそれぞれの前記規格化出力から得られる湿度補正量の相関から得られる湿度補正式で前記規格化出力を補正して水素濃度および湿度を出力する構成であり、自己発熱温度の異なる２組の検出部を用いることで、自己発熱温度が違うそれぞれの検出素子の近傍における水蒸気の熱伝導率に差が発生することで、それぞれの検出素子の出力に差が発生し絶対湿度と一次の相関のある湿度出力が得られる。さらにその湿度出力を用い湿度補正量の演算を行い水素濃度を求めることで、簡単な手法で湿気があっても水素濃度と湿度をそれぞれ区別して検出できるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるガス検出器の概略構造を説明するための断面図
（ｂ）本発明の実施の形態１におけるガス検出器のＡ−Ａでの断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の検出素子および温度検出手段であるサーミスタの概略断面図
【図３】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の検出部の組立方法を説明するための概略斜視図
【図４】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の配管への取り付け方法を説明するための概略断面図
【図５】本発明のガス検出器を燃料電池システムに取り付けた際の形態を説明するための概略ブロック図
【図６】本発明のガス検出器を用いた燃料電池自動車の概略構造を示す図
【図７】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の回路構成を説明するための概略回路図
【図８】（ａ）、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるガス検出器の乾燥空気下での水素濃度出力特性図
【図９】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の湿度出力特性図
【図１０】（ａ）、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるガス検出器の補正計算後の出力特性図
【図１１】本発明におけるガス検出器を用いた燃料電池システムにおける同検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャート
【図１２】本発明のガス検出器を用いた自動車における同検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャート
【図１３】（ａ）本発明の実施の形態２におけるガス検出器の概略構造を説明するための断面図
（ｂ）本発明の実施の形態２におけるガス検出器のＡ−Ａでの断面図
【図１４】本発明の実施の形態２におけるガス検出器の回路構成を説明するための概略回路図
【図１５】本発明の実施の形態２におけるガス検出器の湿度出力特性図
【図１６】（ａ）、（ｂ）本発明の実施の形態２におけるガス検出器の補正計算後の出力特性図
【符号の説明】
１ａ 高発熱ガス検出素子
１ｂ 高発熱温度検出素子
１ｃ 第２の高発熱温度検出素子
２ａ 低発熱ガス検出素子
２ｂ 低発熱温度検出素子
２ｃ 第２の低発熱温度検出素子
４ サーミスタ素体
５ 電極
６ リード線
７ ガラス層
８ サーミスタ
９ 台座
１０ ピン
１１ａ 有孔ケース
１１ｂ 無孔ケース
１５ 回路基板
１６ 容器
１７ ガス導入口
１８ フィルター
２３ 取出しケーブル
２４ 容器フタ
２５ 耐湿樹脂
２６ ネジ部
２７ 配管
２８ 取付部
２９ａ〜２９ｊ、２９ｌ、２９ｍ 固定抵抗
２９ｋ、２９ｎ 可変抵抗器
３１ 直流電源
３２ マイクロコンピュータ
３３ 熱結合体
３４ ヒータ
３５ａ 高発熱検出部
３５ｂ 低発熱検出部
３６ａ、３６ｂ 素子抵抗一定化回路部
３７ａ、３７ｂ 周囲温度検出回路部
３８ａ、３８ｂ ガス検出回路部
３９ａ、３９ｂ 基準電圧回路部
４０ａ〜４０ｏ、４０ｑ〜４０ｓ 固定抵抗
４０ｐ、４０ｔ 可変抵抗器
５１ 水素タンク
５２ 遮断弁
５３ 水素加湿器
５４、１１０ 燃料電池スタック
５５ コンプレッサ
５６ 空気加湿器
５７ 燃料電池制御回路
５８ 筐体
５９ 警報器
６０ 換気扇
１０１ 本体
１０２ 乗車空間
１０３ 水素タンク収納空間
１０４ 駆動手段収納空間
１０５ 床下空間
１０６ タンク
１０７ 外側タンク
１０８ 内側タンク
１０９ モーター
１１１ タイヤ
１１２ ハンドル
１１３ ガス検出器
【発明の属する技術分野】
本発明は水素漏洩および湿度を検出するためのガス検出器とそれを用いた燃料電池システムおよび自動車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と空気中の酸素から電力を取り出す燃料電池の開発が盛んに行われている。これは発電時の排出物が水のみであるため環境に優れた発電方式であるだけでなく、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため省エネルギーになり、また発電時に発生する熱を回収することにより熱エネルギーをも利用することができるといった特徴を有しており、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。
【０００３】
このような燃料電池システムは分散電源としての家庭用コジェネレーションシステムや自動車への応用が研究開発されてきており、今までの化石燃料を用いた火力発電やガソリンエンジンに置き換わるものとして今後ますます進展していくものと考えられる。
【０００４】
燃料電池は水素を燃料に用いるため、その安全対策が重要な問題となる。すなわち、安全対策のためには水素が漏洩したことを検出する水素濃度検出器が必要になってくる。
【０００５】
従来はこのような水素濃度検出器として、水素の熱伝導率が他のガスに比べ極めて大きいことを利用し、発熱素子の温度変化で水素濃度を検出する原理のものが提案されていた。例えば、空気中で熱平衡に達した発熱素子に水素が到達すると、発熱素子から奪われる熱量が変化し熱平衡が崩れるため、発熱素子の温度が水素濃度に応じて変化する。この温度変化を温度検出素子で電気的に検出するものである。
【０００６】
この水素濃度検出器に使用される発熱素子および温度検出素子として、従来は白金測温体が用いられてきた。白金は金属の中では比抵抗が高い方なので電流を流すと自己発熱し、さらに抵抗温度係数も金属の中では大きい方なので、水素濃度に応じた温度変化を抵抗値変化として検出することができる。
【０００７】
この方式のガス検出器として、例えば発熱温度を違えた２つの検知器を用いた技術が公開されている。これは発熱温度を違えた２つの検知器を用い、両者の出力をそれぞれの係数掛算器および演算器により連立方程式を解くことで妨害ガスの影響を排除した被検出ガスの濃度検出を可能とするものである。
【０００８】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【０００９】
【特許文献１】
実開昭６２−１２８６１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この方式のガス検出器に関して問題となるのは被検出ガス中に湿気が存在した場合である。すなわち、湿気がなければ確かに白金の抵抗値は水素濃度に応じて変化するのであるが、湿気があるとそれによっても抵抗値が変化してしまい、水素による変化なのか湿気による変化なのかあるいは両者が共存して変化したのかを区別することができない。
【００１１】
これは、水蒸気のみであれば熱伝導率は水素のそれより極めて小さいが、極性を持つ水蒸気と無極性の空気や水素等が混合した系での熱伝導率は、絶対湿度とともに一旦上昇しピークを持って下降する特性を示すため、水素漏洩検知のように水素に比べ水蒸気が多量にある場合が想定される系での検出においては湿度の影響を無視できなくなる。
【００１２】
また、前述の特許文献１に開示されているような発熱温度を違えた２つの検知器を用い、両者の出力をそれぞれの係数掛算器および演算器により連立方程式を解くことで妨害ガスの影響を排除した被検出ガスの濃度検出を行う技術の開示があるが、水蒸気の熱伝導率は前述のように絶対湿度の増加とともに一旦上昇しピークを持って下降する２次曲線的に変化する特性を示すため、２次の連立方程式の演算によって水素のみを算出することはセンサの信号処理としては非常に煩雑であり、検出精度や汎用性に関しても課題となる。
【００１３】
以上のことから、本発明は水素と水蒸気が共存した環境下において水素濃度と湿度を簡素な手法にて区別して検出することができるガス検出器を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものであり、その特徴部分について列挙する。
【００１５】
本発明の請求項１に記載の発明は、温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり被検出ガスにさらされる高発熱ガス検出素子および乾燥空気中の無孔ケース内に封止され前記高発熱ガス検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした高発熱温度検出素子からなる高発熱検出部と、温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり被検出ガスにさらされる低発熱ガス検出素子および乾燥空気中の無孔ケース内に封止され前記低発熱ガス検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした低発熱温度検出素子からなる低発熱検出部を有し、前記高発熱検出部の高発熱ガス検出素子および高発熱温度検出素子の自己発熱温度と前記低発熱検出部の低発熱ガス検出素子および低発熱温度検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度を異なる温度とした構成であり、それぞれの前記ガス検出素子が水素濃度、湿度および周囲温度に応じて変化する抵抗値と、それぞれの前記温度検出素子が周囲温度に応じて変化する抵抗値をそれぞれ水素濃度、湿度に応じて変化する電気的なガス出力に変換し、それぞれの前記検出部から得られる前記ガス出力をあらかじめ既知の水素濃度から求めた水素感度換算係数で規格化し、それぞれの前記規格化出力の差から得られる湿度出力を求め、あらかじめ既知の湿度環境下における前記湿度出力と湿度に応じて変化するそれぞれの前記規格化出力から得られる湿度補正量の相関から得られる湿度補正式で前記規格化出力を補正して水素濃度および湿度を出力する構成であり、自己発熱温度の異なる２組の検出部を用いることで、自己発熱温度が違うそれぞれの検出素子の近傍における水蒸気の熱伝導率に差が発生することで、それぞれの検出素子の出力に差が発生し絶対湿度と一次の相関のある湿度出力が得られる。さらにその湿度出力を用い湿度補正量の演算を行い水素濃度を求めることで、湿気があっても水素濃度と湿度をそれぞれ区別して検出できるという効果が得られる。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の発明は、低発熱検出部の２つの素子と高発熱検出部の２つの素子の乾燥空気中での発熱温度を周囲温度によらずほぼ一定になるように制御する構成であり、それぞれの素子の周辺温度はおよそ一定に保たれるため、被検出ガスの熱伝導率の温度による変化が低減され、ガス濃度を高精度に検出できるという効果が得られる。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の発明は、それぞれの検出部の２つの素子の発熱温度を一定化させるための制御は抵抗が２つ以上直列に接続され発熱温度を一定化させるための制御電圧を出力する低発熱検出部および高発熱検出部のそれぞれの素子抵抗一定化回路部のそれぞれの制御電圧に対し、それぞれの温度検出素子に直列に抵抗が接続されたそれぞれの検出部の周囲温度検出回路部のそれぞれの被制御電圧が同様になるようにそれぞれの素子抵抗一定化回路部および周囲温度検出回路部へのそれぞれの印加電圧を制御する構成であり、検出器の起動直後からそれぞれの素子の自己発熱温度を一定に制御できるため、起動時間が短縮できるという効果が得られる。
【００１８】
本発明の請求項４に記載の発明は、それぞれの検出部のガス出力はそれぞれの検出部に２つ以上の抵抗および可変抵抗が直列に接続され基準電圧を出力する基準電圧回路部の基準電圧とそれぞれのガス検出素子に直列に抵抗が接続されたガス検出回路部のガス検出出力電圧との電位差により求める構成であり、水素、湿度が存在しない空気中において、周囲温度の変化に対し基準電圧とガス検出出力電圧の電位差の変化は小さく抑えられ、高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００１９】
本発明の請求項５に記載の発明は、周囲温度により変化するそれぞれの水素感度換算係数はそれぞれの温度検出素子の出力と各種周囲温度環境下における水素感度換算係数の相関から得られる感度補正式で補正する構成であり、周囲温度が変化すると水素感度が変化するサーミスタ素子を用いても高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００２０】
本発明の請求項６に記載の発明は、高発熱検出部に温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり乾燥空気中の無孔ケース内に封止され乾燥空気中での高発熱ガス検出素子の自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした第２の高発熱温度検出素子と、低発熱検出部に温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり乾燥空気中の無孔ケース内に封止され乾燥空気中での低発熱ガス検出素子の自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした第２の低発熱温度検出素子を有し、前記高発熱検出部の高発熱ガス検出素子、高発熱温度検出素子および第２の高発熱温度検出素子の自己発熱温度と前記低発熱検出部の低発熱ガス検出素子、低発熱温度検出素子および第２の低発熱温度検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度を異なる温度とした構成であり、それぞれの前記ガス検出素子が水素濃度、湿度および周囲温度に応じて変化する抵抗値と、それぞれの前記温度検出素子およびそれぞれの前記第２の温度検出素子が周囲温度に応じて変化する抵抗値をそれぞれ水素濃度、湿度に応じて変化する電気的なガス出力に変換し、それぞれの前記検出部から得られる前記ガス出力をあらかじめ既知の水素濃度から求めた水素感度換算係数で規格化し、それぞれの前記規格化出力の差から得られる湿度出力を求め、あらかじめ既知の湿度環境下における前記湿度出力と湿度に応じて変化するそれぞれの前記規格化出力から得られる湿度補正量の相関から得られる湿度補正式で前記規格化出力を補正して水素濃度および湿度を出力する構成であり、自己発熱温度の異なる２組の検出部を用いることで、自己発熱温度が違うそれぞれの検出素子の近傍における水蒸気の熱伝導率に差が発生することで、それぞれの検出素子の出力に差が発生し絶対湿度と一次の相関のある湿度出力が得られる。またその湿度出力を用い湿度補正量の演算を行い水素濃度を求めることで、湿気があっても水素濃度と湿度をそれぞれ区別して検出でき、さらには第２の高発熱温度検出素子および第２の低発熱温度検出素子を用いることで広い温度範囲において高精度にガス濃度を検出できるという効果が得られる。
【００２１】
本発明の請求項７に記載の発明は、低発熱検出部の３つの素子と高発熱検出部の３つの素子の乾燥空気中での発熱温度は周囲温度によらずほぼ一定になるように制御した構成であり、それぞれの素子の周辺温度はほぼ一定に保たれるため、被検出ガスの熱伝導率の温度による変化が低減され、ガス濃度を高精度に検出できるという効果が得られる。
【００２２】
本発明の請求項８に記載の発明は、それぞれの検出部の３つの素子の発熱温度を一定化させるための制御は抵抗が２つ以上直列に接続され発熱温度を一定化させるための制御電圧を出力する低発熱検出部および高発熱検出部のそれぞれの素子抵抗一定化回路部のそれぞれの制御電圧に対し、それぞれの温度検出素子に直列に抵抗が接続されたそれぞれの検出部の周囲温度検出回路部のそれぞれの被制御電圧が同様になるようにそれぞれの素子抵抗一定化回路部および周囲温度検出回路部へのそれぞれの印加電圧を制御する構成であり、検出器の起動直後からそれぞれの素子の自己発熱温度を一定になるよう制御するため、起動時間が短縮できるという効果が得られる。
【００２３】
本発明の請求項９に記載の発明は、それぞれの検出部のガス出力はそれぞれの検出部に２つ以上の抵抗および可変抵抗が直列に接続され基準電圧を出力する基準電圧回路部の基準電圧とそれぞれのガス検出素子に直列にそれぞれの第２の温度検出素子が接続されたガス検出回路部のガス検出出力電圧の電位差により求める構成であり、水素、湿度が存在しない空気中において、周囲温度の変化に対し基準電圧とガス検出出力電圧の電位差の変化は小さく抑えられ、高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００２４】
本発明の請求項１０に記載の発明は、周囲温度により変化するそれぞれの水素感度換算係数はそれぞれの温度検出素子、もしくはそれぞれの第２の温度検出素子の出力と各種周囲温度環境下における水素感度換算係数の相関から得られる感度補正式で補正する構成であり、周囲温度が変化すると水素感度が変化するサーミスタ素子を用いても高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００２５】
本発明の請求項１１に記載の発明は、高発熱検出部のそれぞれの検出素子と低発熱検出部のそれぞれの検出素子の形状を同一とした構成であり、これにより外的な熱の変動に対してもそれぞれの素子の応答が等しくなり、高応答の水素および湿度検出ができるという効果が得られる。
【００２６】
本発明の請求項１２に記載の発明は、高発熱ガス検出素子および低発熱ガス検出素子を有孔ケース内に設置した構成であり、それぞれの検出部の無孔ケース内に設置されたそれぞれの温度検出素子および第２の温度検出素子に対しそれぞれのガス検出素子の周囲の構成がほぼ同様となりケースへの熱の伝導、伝達およびケースから周囲への熱の伝導、伝達の状態がそれぞれの素子でほぼ同様となり、検出器の高速な起動化および周囲温度の過渡的な変動に対しても高精度な検出が可能になるという効果が得られる。
【００２７】
本発明の請求項１３に記載の発明は、それぞれの検出部のそれぞれの検出素子の周囲に配置されたそれぞれのケースの一部を直接もしくは熱結合体を介して接合させた構成であり、それぞれの検出素子周囲に設置したケースから周囲への熱の伝導、伝達の状態がそれぞれの素子でほぼ同様となり、検出器の高速な起動化および周囲温度の過渡的な変動に対しても高精度な検出が可能になるという効果が得られる。
【００２８】
本発明の請求項１４に記載の発明は、それぞれの検出部のそれぞれの検出素子にサーミスタを用いた構成であり、わずかな温度変化に対しても大きな抵抗値変化が得られ、補正の精度を向上できるという効果が得られる。
【００２９】
本発明の請求項１５に記載の発明は、それぞれの検出部のそれぞれのサーミスタをガラスで封止した構成であり、これにより還元ガスである水素に対してもサーミスタの抵抗値変化が起こらず耐久性や再現性に優れた特性を得ることができるという効果が得られる。
【００３０】
本発明の請求項１６に記載の発明は、低発熱検出部のそれぞれの検出素子と高発熱検出部のそれぞれの検出素子の発熱温度の差を１０℃以上とした構成であり、これにより湿気が存在する場合、発熱温度が違うそれぞれのガス検出素子の近傍での水蒸気の熱伝導率に差が発生し簡単な構成で絶対湿度を検知できるという効果が得られる。
【００３１】
本発明の請求項１７に記載の発明は、低発熱検出部のそれぞれの検出素子の発熱温度を１００℃以上とした構成であり、これによりガス検出器が動作していないときに、低発熱ガス検出素子および高発熱ガス検出素子の表面に結露しても、ガス検出器の起動後に水分を蒸発させることができる高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００３２】
本発明の請求項１８に記載の発明は、それぞれの検出部のそれぞれの検出素子の近傍にヒータを設置した構成であり、低温起動時にあらかじめそれぞれの検出素子を暖め抵抗値を低くすることでサーミスタ素子の自己発熱を可能とし、低温からの検出を可能にできるという効果が得られる。
【００３３】
本発明の請求項１９に記載の発明は、ガス検出器のガス導入口には焼結金属フィルターが設けられた構成であり、これにより導入された被検出ガスの流量が変化しても焼結金属フィルター内で整流されるため、被検出ガス流量によるガス検出器の出力への影響を低減できるという効果が得られる。
【００３４】
本発明の請求項２０に記載の発明は、ガス検出器をガス導入口が大地方向になるように配置した構成であり、これにより結露した水分を重力によりガス検出器の内部から排出できるという効果が得られる。
【００３５】
本発明の請求項２１に記載の発明は、ガス検出器を配管に設置する場合、ガス導入口が配管本流より上方になるように配置した構成であり、これにより配管本流の流量が変動しても直接ガス検出器に導入されないため、流量の影響を低減でき精度が向上するという効果が得られる。
【００３６】
本発明の請求項２２に記載の発明は、ガス検出器を燃料電池が収納された筐体の一部または燃料電池スタックの空気極側出口配管の一部に設け、前記燃料電池からの水素ガス漏洩を前記ガス検出器で検知すると警報を発するとともに前記筐体内の換気を行い、前記燃料電池を停止するように制御する構成であり、これにより湿気を含む被検出ガス中でも水素濃度のみを高精度に検出できるため、水素漏洩に対する安全性が高い燃料電池システムを構成することができるという効果が得られる。
【００３７】
本発明の請求項２３に記載の発明は、ガス検出器を乗車空間の上部に配置し、前記ガス検出器の湿度出力および温度出力をもとに前記乗車空間が最適な温湿度になるように前記乗車空間の一部に設けたエアコンを制御するとともに、前記ガス検出器の水素濃度出力から前記乗車空間内の水素濃度が既定値以上であれば警報を発するとともに前記乗車空間内の換気を行い、水素供給源を遮断するように制御する構成であり、これにより乗車空間内の１つのガス検出器だけで水素漏洩検知だけでなく湿度や温度のデータが得られるため、通常はエアコン制御を行い水素漏洩時には燃料電池システムを停止するという制御を行うことで、自動車の安全性や快適性を向上できるという効果が得られる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１〜５および請求項１１〜２３に記載の発明について説明する。
【００３９】
図１（ａ）は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の概略断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａでの断面図をそれぞれ示す。図２は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の高発熱検出部および低発熱検出部に設置されたそれぞれのガス検出素子、およびそれぞれの温度検出素子であるサーミスタの概略断面図である。図３は本発明の実施の形態１におけるガス検出器のそれぞれの検出部に設置された検出素子の組立図である。図４は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の配管への取り付けを示す概略断面図である。
【００４０】
図１（ａ）、（ｂ）において、１ａは高発熱ガス検出素子であり、１ｂは高発熱温度検出素子、２ａは低発熱ガス検出素子、また２ｂは低発熱温度検出素子である。これらの素子にはサーミスタを用いており、その構造を図２に示す。
【００４１】
図２において、４はサーミスタ素体であり、Ｂ定数が２３００Ｋのマンガン、コバルト、銅、バナジウムからなる複合酸化物焼結体を直径１．２ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの円板状に切削加工したものを用いている。サーミスタ素体４の両面には銀−パラジウム−白金系の導電ペーストを印刷、焼成することにより形成した電極５が設けられている。両方の電極５には前記導電ペーストで電気的、機械的に接続された直径０．１５ｍｍの白金線からなるリード線６が接続されている。
【００４２】
サーミスタ素体４の外表面全体には、電極５やリード線６の一部を含むように低融点のガラス層７が形成されている。これは焼成温度が５５０℃のガラス粉を有機溶剤とともにペースト化したものを塗布することによって形成した。これにより、サーミスタ素体４は全体がガラス層７に内包される。
【００４３】
このようにしてサーミスタ８を４個作製する。これらのサーミスタ８は、それぞれ図３に示すように、台座９に固定されたピン１０にリード線６を抵抗溶接（図中×印で示した）することにより電気的、機械的に接続され、それぞれ高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂ、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂとして使用する。
【００４４】
それぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの構成は、図１に示すようにそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂを乾燥空気中において無孔ケース１１ｂで被い、無孔ケース１１ｂと台座９とをプロジェクション溶接により接合し封止した構成である。これによりそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧は被検出ガスにより変化することはなく、ガス検出器内部の温度に応じた電圧を出力することとなる。
【００４５】
また、それぞれのガス検出素子１ａ、２ａの構成は、同様に図１に示すように、それぞれのガス検出素子１ａ、２ａを４箇所にφ１．２ｍｍの貫通穴を有する有孔ケース１１ａで被い、有孔ケース１１ａと台座９とをプロジェクション溶接により接合し封止した構成とし、有孔ケース１１ａ、無孔ケース１１ｂを含めた構成に関しては、温度検出素子１ｂ、２ｂとガス検出素子１ａ、２ａの熱容量を同等として両検出素子の発熱特性をおよそ同等としている。
【００４６】
以上のような構成とすることで、高発熱温度検出素子１ｂの発熱特性は高発熱ガス検出素子１ａの発熱特性と、低発熱温度検出素子２ｂの発熱特性は低発熱ガス検出素子２ａの発熱特性とおよそ同等の特性となり正確な周囲温度に対する温度補正が可能となる。
【００４７】
更に、ガス検出器の起動時に関しても、高発熱温度検出素子１ｂは高発熱ガス検出素子１ａの温度上昇特性と、低発熱温度検出素子２ｂは低発熱ガス検出素子２ａの温度上昇特性と同様の温度上昇プロファイルを呈するためガス検出器の高速起動が可能となる。
【００４８】
有孔ケース１１ａ、無孔ケース１１ｂを装着した低発熱温度検出素子２ｂと低発熱ガス検出素子２ａ、および有孔ケース１１ａ、無孔ケース１１ｂを装着した高発熱温度検出素子１ｂと高発熱ガス検出素子１ａは銅やアルミニウム材などの熱伝導率の良い材料からなる熱結合体３３を介してそれぞれ接合させた構成としている。これによりそれぞれの検出素子１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂの周囲に設置した有孔ケース１１ａ、無孔ケース１１ｂから周囲への熱の伝導、伝達の授受の状態が熱結合体３３を介していることによりそれぞれの検出素子でほぼ同様となり、周囲温度の過渡的な変動に対しても高精度な検出が可能となり、加えてガス検出器の高速起動化に関しても効果が得られる。
【００４９】
なお、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂ、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂは回路基板１５上にそれぞれのピン１０の一端が挿入され半田付けにより電気的、機械的に接続され、外周が六角形状の容器１６に収納される。
【００５０】
また、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂ、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂの近傍には面状のヒータ３４を設置した。このヒータ３４は検出器の起動後約５秒間、２００℃で駆動させている。このヒータ３４の動作により周囲温度が低くサーミスタ素体４の抵抗値が大きい場合でも自己発熱可能な抵抗値までサーミスタ８の抵抗を下げ低温における動作も可能とした。なお、本実施の形態１では起動時には常にヒータ３４を駆動させるようにしたが、後述で記載しているマイクロコンピュータ３２にてサーミスタ８の抵抗値もしくは電圧値を検出して、低温のときのみ、つまり抵抗値の高いときのみヒータ３４を動作させて消費電力を抑えることも可能である。
【００５１】
ガス導入口１７には焼結金属製のフィルター１８がはめ込まれている。これは外周が円形の形状であり、容器１６の外部に突出するように配置してある。
【００５２】
なお、被検出ガスに湿気が存在する場合、温度環境によっては容器１６の内部で結露する可能性がある。そこで、ガス検出器のガス導入口１７が大地方向になるように配置することで、結露水が重力によりフィルター１８の外部へ誘導され排水されやすくなる。
【００５３】
容器１６の回路基板１５の上部には、あらかじめ取出しケーブル２３を通した容器フタ２４がはめ込まれ、容器１６にかしめて固定される。さらに、耐湿樹脂２５を容器フタ２４に設けた注入口（図示せず）から回路基板１５と容器フタ２４の間の空間全体に注入し、硬化させた構成となっている。
【００５４】
このようにして完成したガス検出器は、容器１６の外周の一部に設けたネジ部２６でガス濃度を検出したい部位に固定される。なお、配管中のガス濃度を検出する場合は、図４に示すように配管２７の一部にガス検出器の取付部２８を設け、ここにネジ部２６をねじ込むことによってガス検出器を固定する。このようにすることで配管２７の本流から離れた上方にガス導入口１７を配置することができ、本流のガス流速の影響を低減することができる。
【００５５】
次に、ガス検出器の取り付け例について図５および図６を用いて説明する。
【００５６】
図５は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を燃料電池システムに取り付けた際の概略ブロック図である。図６は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を用いた燃料電池自動車の概略構造図である。
【００５７】
まず、燃料電池システムについて固体高分子型を例に説明する。図５において、５１は水素タンクである。水素タンク５１内の水素は遮断弁５２を通って水素加湿器５３に導入される。ここで燃料電池内の固体高分子膜が乾燥するのを防ぐための湿気が与えられる。加湿された水素は燃料電池スタック５４の水素極側に導入される。
【００５８】
一方、燃料電池スタック５４には発電に必要な空気もコンプレッサ５５により空気加湿器５６で加湿されて空気極側に導入される。これにより燃料電池スタック５４は発電を行い、太線で示したように燃料電池制御回路５７を経て外部に電力を供給する。また、燃料電池スタック５４からは発電の結果、生成した水が空気と一緒に外部へ排出される。
【００５９】
このような燃料電池システムは全体が筐体５８内に収納されている。筐体５８内には、図５の中に黒丸で示したように、水素タンク５１の近傍、燃料電池スタック５４の近傍、燃料電池スタック５４の空気極側出口配管の一部などに水素漏洩を検知するためのガス検出器が配置される。これによりいずれかのガス検出器が水素漏洩を検知すれば、燃料電池制御回路５７は遮断弁５２を閉じ警報器５９と換気扇６０を動作させ燃料電池を停止するように制御する。なお、具体的な制御動作についてはフローチャートを用いて後述する。
【００６０】
次に、燃料電池自動車について説明する。図６において、自動車の本体１０１は乗車空間１０２と、水素タンク収納空間１０３と、駆動手段収納空間１０４と、床下空間１０５がそれぞれ空間として分離された状態で形成されている。水素タンク収納空間１０３には水素を貯蔵するタンク１０６が設けられている。タンク１０６は、特に衝突時に水素漏洩に対する安全性を確保するために、外側タンク１０７と内側タンク１０８からなる二重構造となっており、内側タンク１０８内に水素が貯蔵されている。また、駆動手段収納空間１０４には本体１０１を駆動するためのモーター１０９が設けられている。床下空間１０５には燃料電池スタック１１０が設けられている。
【００６１】
タンク１０６から供給された水素は床下空間１０５に設けられた燃料電池スタック１１０で電気エネルギーに変換され、その電気エネルギーがモーター１０９に伝達されてタイヤ１１１を駆動するようになっている。１１２はハンドルを示している。
【００６２】
このような自動車において、それぞれの空間にはガス検出器１１３が設けられている。具体的には、乗車空間１０２に設けたガス検出器１１３は乗車空間１０２の中で最も上部にあたる天井１１５前部に、水素タンク収納空間１０３に設けたガス検出器１１３はタンク１０６が二重構造であるため外側タンク１０７の最上部に、駆動手段格納空間１０４に設けたガス検出器１１３は駆動手段格納空間１０４の中で最も上部にあたるボンネット後端部に、床下空間１０５に設けたガス検出器１１３は床下空間１０５の最上部にそれぞれ取り付けられている。さらに図示していないが、図６と同様に燃料電池スタック１１０の空気極側出口配管の一部にもガス検出器を取り付けている。
【００６３】
これらのガス検出器１１３のうちのいずれかが水素漏洩を検知すると、図５で説明したように水素供給源を遮断し、警報および換気を行う。それに加えて、乗車空間１０２内に設けたガス検出器１１３は湿度や温度も検知できるため、通常は乗車空間１０２の内部が最適な温湿度になるように乗車空間１０２の一部に設けたエアコンを制御している。なお、具体的な制御動作についてはフローチャートを用いて後述する。
【００６４】
なお、以上に述べたガス検出器は、燃料電池システムと自動車のいずれに取り付けられる場合でもガス導入口１７が大地方向になるように配置してある。これにより軽い水素が漏れた場合、素早くガス検出器に導入されるだけでなく、周囲温度によりガス検出器内に結露水が発生した場合でも、前述のようにガス導入口１７に設けたフィルター１８を通して大地方向に排出されガス検出器内部に残存しないようにすることができる。
【００６５】
次に、ガス検出器の動作について説明する。
【００６６】
図７は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の概略回路図である。図８は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の乾燥空気下での水素濃度出力特性図であり、図８（ａ）は高発熱検出部３５ａのガス出力を、図８（ｂ）は低発熱検出部３５ｂのガス出力をそれぞれ示す。図９は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の湿度出力特性であり、図中の（ａ）は高発熱検出部３５ａの水素濃度感度補正後の出力を、（ｂ）は低発熱検出部３５ｂの水素濃度感度補正後の出力を、（ｃ）はこれらから得られたそれぞれの出力の差である絶対湿度出力を示している。図１０は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の湿度補正計算後の出力特性図であり、図１０（ａ）は水素濃度出力特性を、図１０（ｂ）は絶対湿度出力特性をそれぞれ示す。
【００６７】
図７において、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂ、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂには、それぞれ直列に固定抵抗２９ａ、２９ｂ、２９ｃおよび２９ｄが接続されている。ここで、固定抵抗２９ａ、２９ｂには２２０Ωを、固定抵抗２９ｃ、２９ｄには５００Ωを用い、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂの発熱温度が約１９０℃、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂの発熱温度が約１４０℃となるように制御を行っている。
【００６８】
また、回路には直流電源３１が接続され電源電圧として１５Ｖを供給した。
【００６９】
ここで、発熱温度を一定化させるための制御について説明する。本実施の形態１では高発熱検出部３５ａの２つの検出素子１ａ、１ｂと低発熱検出部３５ｂの２つの検出素子２ａ、２ｂの乾燥空気中での発熱温度を周囲温度によらずほぼ一定になるように制御している。
【００７０】
高発熱検出部３５ａの２つの検出素子１ａ、１ｂの発熱温度を一定化させるための制御は１１ｋΩと３３ｋΩの固定抵抗２９ｅ、２９ｆを直列に接続した高発熱検出部３５ａの素子抵抗一定化回路部３６ａの３３ｋΩの固定抵抗２９ｆの両端電圧からなる制御電圧に対し、高発熱温度検出素子１ｂに直列に接続された２２０Ωの固定抵抗２９ｂからなる周囲温度検出回路部３７ａの２２０Ωの固定抵抗２９ｂの両端電圧からなる被制御電圧が同様になるようにオペアンプおよびトランジスタ等を介し素子抵抗一定化回路部３６ａ、高発熱ガス検出素子１ａに直列に２２０Ωの固定抵抗２９ａが接続されたガス検出回路部３８ａ、基準電圧回路部３９ａおよび周囲温度検出回路部３７ａへの印加電圧を周囲温度の変動に対し制御し、高発熱温度検出素子１ｂおよび高発熱ガス検出素子１ａの抵抗値を常に一定とする回路構成とした。
【００７１】
また同様に、低発熱検出部３５ｂ側の発熱温度を一定化させるための制御としては、４３ｋΩと１００ｋΩの固定抵抗２９ｇ、２９ｈを直列に接続した低発熱検出部３５ｂの素子抵抗一定化回路部３６ｂの１００ｋΩの固定抵抗２９ｈの両端電圧からなる制御電圧に対し、低発熱温度検出素子２ｂに直列に接続された５００Ωの固定抵抗２９ｄからなる周囲温度検出回路部３７ｂの被制御電圧が同様になるようにオペアンプおよびトランジスタ等を介し素子抵抗一定化回路部３６ｂ、低発熱ガス検出素子２ａに直列に５００Ωの固定抵抗２９ｃが接続されたガス検出回路部３８ｂ、基準電圧回路部３９ｂおよび周囲温度検出回路部３７ｂへの印加電圧を周囲温度の変動に対し制御し、低発熱温度検出素子２ｂおよび低発熱ガス検出素子２ａの抵抗値を常に一定とする回路構成とした。
【００７２】
これにより、それぞれの検出素子の周辺温度はおよそ一定に保たれるため、被検出ガスの熱伝導率の温度による変化が低減され、ガス濃度を高精度に検出でき、かつ検出器の起動直後からそれぞれの検出素子の自己発熱温度を一定に制御するため、起動時間が短縮できるという効果が得られる。
【００７３】
次に、それぞれの検出部のガス出力を得るための信号処理について述べる。
【００７４】
高発熱検出部３５ａにおけるガス出力を得るための信号処理は１１ｋΩより小さな値の固定抵抗２９ｉと３３ｋΩの固定抵抗２９ｊおよび可変抵抗器２９ｋを直列に接続した基準電圧を出力する基準電圧回路部３９ａの３３ｋΩの固定抵抗２９ｊの両端電圧からなる基準電圧に対し、高発熱ガス検出素子１ａに直列に２２０Ωの固定抵抗２９ａが接続されたガス検出回路部３８ａの２２０Ωの固定抵抗２９ａの両端電圧からなるガス検出出力電圧との電位差を求める信号処理を行っている。水素、湿度が存在しない空気中で基準電圧とガス検出出力電圧に差が発生した場合には、可変抵抗器２９ｋの抵抗値調節により、差をゼロとするように調節する。
【００７５】
また同様に、低発熱検出部３５ｂでのガス出力を得るための信号処理は４３ｋΩより小さな値の固定抵抗２９ｌと１００ｋΩの固定抵抗２９ｍおよび可変抵抗器２９ｎを直列に接続した基準電圧を出力する基準電圧回路部３９ｂの１００ｋΩの固定抵抗２９ｍの両端電圧からなる基準電圧に対し、低発熱ガス検出素子２ａに直列に５００Ωの固定抵抗２９ｃが接続されたガス検出回路部３８ｂの５００Ωの固定抵抗２９ｃの両端電圧からなるガス検出出力電圧との電位差を求める信号処理を行っている。上記と同様に基準電圧とガス検出出力電圧に差が発生した場合には、可変抵抗器２９ｎの抵抗値調節により差をゼロとするように調節する。
【００７６】
これにより、水素、湿度が存在しない空気中において、周囲温度の変化に対し基準電圧とガス検出出力電圧の電位差の変化は小さく抑えられ、高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００７７】
以上の信号処理で得られた高発熱検出部３５ａおよび低発熱検出部３５ｂのそれぞれのガス出力およびそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧値はマイクロコンピュータ３２に入力される。マイクロコンピュータ３２は後述する演算を行い、水素濃度、湿度、温度をそれぞれ出力する。
【００７８】
ガス検出器の近傍または配管内の被検出ガスは、ガス導入口１７に設けたフィルター１８を通って高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂ、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂに到る。高発熱ガス検出素子１ａおよび低発熱ガス検出素子２ａは自己発熱しており被検出ガス中に水素や湿気があると、その濃度に応じて被検出ガスの熱伝導度が変わり熱が奪われるため、高発熱ガス検出素子１ａおよび低発熱ガス検出素子２ａの温度が変化する。
【００７９】
一方、高発熱温度検出素子１ｂおよび低発熱温度検出素子２ｂは無孔ケース１１ｂで乾燥空気を封止した構成であり、高発熱温度検出素子１ｂおよび低発熱温度検出素子２ｂの両端電圧は被検出ガスにより変化することはなく、ガス検出器の内部の温度に応じた電圧を出力する。
【００８０】
これらの変化は前述の信号処理方法によりそれぞれガス出力として変換されマイクロコンピュータ３２に入力される。
【００８１】
また、本実施の形態１では水素に対する検出感度を大きく得られるサーミスタ８を検出素子１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂとして用いている。しかしながら、サーミスタ８を用いた場合、その感度が大きいため、水素の熱伝導率の周囲温度に対する変化の影響が大きく現われる。従って、周囲温度に応じた水素濃度感度の補正が必要となるわけである。
【００８２】
周囲温度の変化に対し変化するそれぞれのガス出力に対する水素感度換算係数はそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの出力である両端電圧と各種周囲温度環境下における水素感度換算係数の相関から得られる感度補正式で補正する構成としている。これは、例えば、乾燥空気中に水素が濃度１％で存在する基準ガスを準備し、この基準ガス中での−４０℃、２５℃および８０℃でのガス出力および温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧を計測する。一般的に温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧に対する基準ガスの出力は温度が高くなるにつれ小さくなる傾向であり、相関的にはおよそ１次の相関とみなせる。
【００８３】
従って、上記温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧もマイクロコンピュータ３２に入力される。
【００８４】
マイクロコンピュータ３２は上記のそれぞれのガス出力および温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧をもとに水素濃度、湿度および温度を演算してそれぞれ出力する。
【００８５】
次に、マイクロコンピュータ３２内で行われる演算手法について説明する。
【００８６】
最初に、ガス検出器の製造時に補正データの作成を以下のように行う。
【００８７】
まず、乾燥空気下における水素濃度変化に対する高発熱検出部３５ａおよび低発熱検出部３５ｂのそれぞれのガス出力を計測する。この計測を各種温度条件下で実施する。図８に８０℃の周囲温度条件下における結果を示す。図８（ａ）は横軸に水素濃度を、縦軸に高発熱検出部３５ａのガス出力を示す。図８（ａ）より高発熱検出部３５ａのガス出力は水素濃度に比例して大きくなることがわかる。同様に、図８（ｂ）は低発熱検出部３５ｂのガス出力を計測したもので、低発熱検出部３５ｂのガス出力も水素濃度に比例して大きくなる。また、高発熱検出部３５ａおよび低発熱検出部３５ｂのそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧は被検出ガスの状態によらないので周囲温度を表すことになるため、このそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧値と高発熱検出部３５ａのガス出力および低発熱検出部３５ｂのガス出力の関係を求め水素濃度に対する感度の温度補正のデータをそれぞれ作成する。
【００８８】
次に、空気中で湿度を変化させた時の高発熱検出部３５ａのガス出力および低発熱検出部３５ｂのガス出力を計測する。図９に８０℃の周囲温度条件下における結果を示す。横軸に絶対湿度を示しており、図中の（ａ）は高発熱検出部３５ａのガス出力を上記図８で説明した水素に関する感度の温度補正の考えに基づいて補正した出力、つまり水素検出精度に対する誤差（以下、湿度オフセットと呼ぶ）を示す。同様に、図９中の（ｂ）に低発熱検出部３５ｂのガス出力を補正して得られた湿度オフセットを示す。また、図９中の（ｃ）にこれらの得られた高発熱検出部３５ａの湿度オフセットから低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットを差し引いた値である湿度出力を示している。図９より同一の絶対湿度条件下にかかわらず、高発熱検出部３５ａの湿度オフセットおよび低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットに違いが生じる。これは湿気が存在する場合、発熱温度が違うそれぞれのガス検出素子１ａ、２ａの近傍での水蒸気の熱伝導率に差が発生し、結果としてガス検出素子１ａ、２ａの熱伝導特性に違いが現れるためである。
【００８９】
この高発熱検出部３５ａの湿度オフセットから低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットを差し引いた値である湿度出力は、図９より絶対湿度に比例することがわかる。
【００９０】
従って、この湿度出力を得ることによって、湿度オフセットを補正できるとともに、絶対湿度さらには温度検出素子１ｂ、２ｂから得られる周囲温度の状態から相対湿度の算出も可能となる。
【００９１】
これらの現象をもとに、高発熱検出部３５ａの湿度オフセットおよび低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットの差より得られる湿度出力と湿度オフセットの関係を求め水素濃度検出に対する湿度補正のデータおよび湿度出力データを作成する。
【００９２】
以上の水素濃度検出に関する感度の温度補正、湿度出力および水素濃度検出に関する湿度補正の計算手法はマイクロコンピュータ３２にプログラムされており、ガス検出器の動作時に得られる高発熱検出部３５ａのガス出力、低発熱検出部３５ｂのガス出力およびそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧が入力されると、上記計算を行い水素濃度、湿度を出力するようになっている。
【００９３】
上記ガス検出器を実際に動作させた時の出力例について図１０（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
【００９４】
実験方法として、８０℃の周囲温度環境下において、絶対湿度が約１２０ｇ／ｍ３の空気に水素ガスを０％→０．４％→０．８％→１．６％→０．８％→０．４％→０％の順に切り替えて流したときのガス検出器のマイクロコンピュータ３２で演算後の出力を計測した。
【００９５】
まず、水素濃度出力結果を図１０（ａ）に示す。横軸は測定の経過時間（秒）で９００、３００、３００、４８０、４８０、４８０、４８０秒経過後に水素濃度を切り替えている。縦軸は高発熱検出部３５ａのガス出力、低発熱検出部３５ｂのガス出力およびそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂの両端電圧から上記の計算手法に基づいて計算した水素濃度計算値（％）である。図よりガス切り替えにより極めて応答性よく水素濃度が変化しており、精度も良好であることが確認された。
【００９６】
次に、湿度出力結果を図１０（ｂ）に示す。横軸は図１０（ａ）と同様に測定の経過時間（秒）であり、前述の水素濃度計測と同様のタイミングで水素ガス濃度を切り替えている。また、縦軸は水素濃度相当の絶対湿度出力である。図１０（ａ）に示したように測定中に水素濃度が大きく変わっているにもかかわらず湿度出力は変動がなく、水素濃度に影響されずに精度よく絶対湿度のみを出力することが確認された。また、ガス検出器の近傍に設けた湿度計測器で測定した被検出ガスの絶対湿度と同等の結果も得られ、後述するように自動車の乗車空間内のエアコン制御等に用いる場合は十分な精度が得られることも確認された。
【００９７】
以上の結果より、本実施の形態１のガス検出器は水素濃度と湿度を独立して高精度に検出できることが明確化された。
【００９８】
なお、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂの発熱温度が約１９０℃、低発熱ガス検出素子２ａおよび低発熱温度検出素子２ｂの発熱温度が約１８０℃となるように制御を行って、前述と同様の水素および湿度検出の評価を実施したが、絶対湿度出力値の精度は低下するものの各種補正は可能であった。
【００９９】
次に、本実施の形態１のガス検出器を用いた燃料電池システムおよび自動車のガス検出器出力による制御動作について図１１および図１２を用いて説明する。
【０１００】
図１１は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を用いた燃料電池システムにおけるガス検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャートである。図１２は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を用いた自動車におけるガス検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャートである。
【０１０１】
まず、燃料電池システムについては燃料電池システム全体の動作を司るソフトウエア（以下、メインルーチンという）の実行中に、一定時間毎割り込みにより水素濃度検出を行う場合を想定して説明する。
【０１０２】
図１１はその際のサブルーチンを示し、このサブルーチンは燃料電池システム動作ソフトウエアの一部に書き込まれている。
【０１０３】
メインルーチンへの割り込み発生により図１１のサブルーチンにジャンプしてくると、まずガス検出器の水素濃度出力値を読み込む（Ｓ１）。この際、図５に示すように燃料電池システムには複数個のガス検出器を設けて水素漏洩を監視しているため、全てのガス検出器の出力を順次読み込む。
【０１０４】
次に、いずれかのガス検出器の水素濃度出力が既定値（例えば２％）を超えたか否かを順次判定する（Ｓ２）。例えば、いずれのガス検出器の出力も既定値を超えていない場合、そのままメインルーチンに復帰する（Ｓ２のｎｏ）。逆に、既定値以上の出力が１つでもある場合（Ｓ２のｙｅｓ）には直ちに燃料電池を停止するように制御する。
【０１０５】
具体的には、まず燃料供給側の遮断弁５２を閉じ（Ｓ３）、筐体５８内に漏れた水素を大気に開放するために換気扇６０を駆動する（Ｓ４）とともに、水素漏洩の事実を知らせるために警報器５９を起動する（Ｓ５）。その後、水素漏れフラグをＯＮにして（Ｓ６）メインルーチンに復帰する。メインルーチンでは水素漏れフラグにより燃料電池を安全に停止するようシステムを制御する。
【０１０６】
次に、自動車について説明する。この場合も燃料電池システムと同様に、メインルーチン実行中に一定時間毎割り込みにより水素濃度、湿度、温度検出を行う場合を想定して説明する。図１２はその際のサブルーチンを示す。
【０１０７】
メインルーチンの割り込み発生により図１２のサブルーチンにジャンプしてくると、まず各ガス検出器の水素濃度出力値を読み込む（Ｓ７）。さらに、乗車空間１０２内に設けたガス検出器については、同時に湿度、温度出力を読み込み（Ｓ８）、湿度、温度をメインルーチンが参照する記憶領域に保存する（Ｓ９）。
【０１０８】
次に、いずれかのガス検出器の水素濃度出力が既定値（例えば２％）を超えたか否かを順次判定する（Ｓ１０）。例えば、いずれのガス検出器の出力も既定値を超えていない場合、そのままメインルーチンに復帰する（Ｓ１０のｎｏ）。メインルーチンでは記憶領域に保存された乗車空間１０２内の現在の湿度、温度データをエアコン制御ソフトウエアに渡す。エアコン制御ソフトウエアは受け取った湿度、温度データを基に、乗車空間１０２内がユーザーの設定値を基準とした最適な温湿度になるようにエアコンを制御する。
【０１０９】
また、既定値以上の水素濃度出力が１つでも確認された場合（Ｓ１０のｙｅｓ）、直ちに燃料電池を停止するように制御する。具体的には、まず燃料供給側の遮断弁を閉じ（Ｓ１１）、乗車空間１０２内に漏れた水素を大気に放出するためにエアコンを外気導入にするとともに最大風量で駆動し（Ｓ１２）、水素漏洩の事実を運転手に知らせるために警報器を起動する（Ｓ１３）。その後、水素漏れフラグをＯＮにして（Ｓ１４）メインルーチンに復帰する。メインルーチンでは水素漏れフラグにより燃料電池を完全に停止するようシステムを制御する。
【０１１０】
以上の制御動作を行うことにより、燃料電池システムや自動車から水素が漏洩しても安全に停止することが可能となり、さらには自動車の乗車空間のエアコン制御も同時に実現できる。
【０１１１】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項６〜１０に記載の発明について説明する。
【０１１２】
図１３（ａ）は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の概略断面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａでの断面図をそれぞれ示す。
【０１１３】
なお、実施の形態１と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しその説明を省略する。
【０１１４】
図１３において、実施の形態１と相違する点は、実施の形態１の構成に加え、高発熱検出部３５ａに第２の高発熱温度検出素子１ｃ、低発熱検出部３５ｂに第２の低発熱温度検出素子２ｃを設置した点である。以下詳細を述べる。
【０１１５】
図１３において１ｃは第２の高発熱温度検出素子、２ｃは第２の低発熱温度検出素子であり、この素子には実施の形態１と同様にサーミスタを用いており、その構造は図２に示している。
【０１１６】
第２の高発熱温度検出素子１ｃ、第２の低発熱温度検出素子２ｃの構成は実施の形態１の場合と同様であり、図１３に示すようにそれぞれの検出素子を乾燥空気中において無孔ケース１１ｂで被い、無孔ケース１１ｂと台座９とをプロジェクション溶接により接合し封止した構成であり、これにより第２の高発熱温度検出素子１ｃ、第２の低発熱温度検出素子２ｃの両端電圧は被検出ガスにより変化することはなく、ガス検出器内部の温度に応じた電圧を出力する。詳細は後述するが、このようにそれぞれの検出部３５ａ、３５ｂに２つの温度検出素子１ｂ、２ｂ、１ｃ、２ｃを設置することで広い温度範囲において高精度にガス濃度を検出できるという効果が得られる。
【０１１７】
次に、本実施の形態２のガス検出器の動作について説明する。
【０１１８】
図１４は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の概略回路図である。図１５は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の湿度特性であり、（ａ）は高発熱検出部３５ａの水素濃度感度補正後の出力を、（ｂ）は低発熱検出部３５ｂの水素濃度感度補正後の出力を、（ｃ）はこれらから得られたそれぞれの出力の差である湿度出力を示している。図１６は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の補正計算後の出力特性図であり、図１６（ａ）は水素濃度特性を、図１６（ｂ）は絶対湿度出力特性をそれぞれ示す。
【０１１９】
図１４において、高発熱ガス検出素子１ａと第２の高発熱温度検出素子１ｃと２２０Ωの固定抵抗４０ａは直列に接続されガス検出回路部３８ａを形成しており、高発熱温度検出素子１ｂの両端には７５Ωと２２０Ωの固定抵抗４０ｂ、４０ｃが直列に接続された周囲温度検出回路部３７ａを形成している。同様に低発熱ガス検出素子２ａと第２の低発熱温度検出素子２ｃと５００Ωの固定抵抗４０ｄは直列に接続されガス検出回路部３８ｂを形成しており、低発熱温度検出素子２ｂの両端には３２０Ωと５００Ωの固定抵抗４０ｅ、４０ｆが直列に接続された周囲温度検出回路部３７ｂを形成している。ここで、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂおよび第２の高発熱温度検出素子１ｃの発熱温度が約１９０℃、低発熱ガス検出素子２ａ、低発熱温度検出素子２ｂおよび第２の低発熱温度検出素子２ｃの発熱温度が約１４０℃となるように制御を行っている。
【０１２０】
また、回路には直流電源３１が接続され電源電圧として１５Ｖを供給した。
【０１２１】
ここで、発熱温度一定化の制御について説明する。本実施の形態２では高発熱検出部３５ａの３つの検出素子１ａ、１ｂ、１ｃと低発熱検出部３５ｂの３つの検出素子２ａ、２ｂ、２ｃの乾燥空気中での発熱温度を周囲温度によらずほぼ一定になるように制御している。
【０１２２】
高発熱検出部３５ａの３つの検出素子１ａ、１ｂ、１ｃの発熱温度を一定化させるための制御は２９３ｋΩと１００ｋΩと１００ｋΩの固定接点４０ｇ、４０ｈ、４０ｉを直列に接続した高発熱検出部３５ａの素子抵抗一定化回路部３６ａの１００ｋΩの固定抵抗４０ｉの両端電圧からなる制御電圧に対し、高発熱温度検出素子１ｂの両端に直列に接続された７５Ωと２２０Ωの固定抵抗４０ｂ、４０ｃからなる周囲温度検出回路部３７ａの７５Ωの固定抵抗４０ｂの両端電圧からなる被制御電圧が同様になるようにオペアンプおよびトランジスタ等を介し素子抵抗一定化回路部３６ａ、高発熱ガス検出素子１ａと第２の高発熱温度検出素子１ｃに直列に２２０Ωの固定抵抗４０ａが接続されたガス検出回路部３８ａ、基準電圧回路部３９ａおよび周囲温度検出回路部３７ａへの印加電圧を周囲温度の変動に対し制御し、高発熱ガス検出素子１ａ、高発熱温度検出素子１ｂおよび第２の高発熱温度検出素子１ｃの抵抗値を常に一定とする回路構成とした。
【０１２３】
また同様に、低発熱検出部３５ｂ側の３つの検出素子２ａ、２ｂ、２ｃの発熱温度を一定化させるための制御は１５６ｋΩと１００ｋΩと１００ｋΩの固定抵抗４０ｊ、４０ｋ、４０ｌを直列に接続した低発熱検出部３５ｂの素子抵抗一定化回路部３６ｂの１００ｋΩの固定抵抗４０ｌの両端電圧からなる制御電圧に対し、低発熱温度検出素子２ｂの両端に直列に接続された３２０Ωと５００Ωの固定抵抗４０ｅ、４０ｆからなる周囲温度検出回路部３７ｂの３２０Ωの固定抵抗４０ｅの両端電圧からなる被制御電圧が同様になるようにオペアンプおよびトランジスタ等を介し素子抵抗一定化回路部３６ｂ、低発熱ガス検出素子２ａと第２の低発熱温度検出素子２ｃに直列に５００Ωの固定抵抗４０ｄが接続されたガス検出回路部３８ｂ、基準電圧回路部３９ｂおよび周囲温度検出回路部３７ｂへの印加電圧を周囲温度の変動に対し制御し、低発熱ガス検出素子２ａ、低発熱温度検出素子２ｂおよび第２の低発熱温度検出素子２ｃの抵抗値を常に一定とする回路構成とした。
【０１２４】
これにより、それぞれの検出素子の周辺温度はおよそ一定に保たれるため、被検出ガスの熱伝導率の温度による変化が低減され、ガス濃度を高精度に検出でき、かつ検出器の起動直後からそれぞれの検出素子の自己発熱温度を一定に制御するため起動時間が短縮できるという効果が得られる。
【０１２５】
次に、それぞれの検出部３５ａ、３５ｂのガス出力を得るための信号処理について述べる。
【０１２６】
高発熱検出部３５ａにおけるガス出力を得るための信号処理は２９３ｋΩと１００ｋΩより小さな値の固定抵抗４０ｍ、４０ｎと１００ｋΩの固定抵抗４０ｏおよび可変抵抗器４０ｐを直列に接続した基準電圧を出力する基準電圧回路部３９ａの１００ｋΩの固定抵抗４０ｏの両端電圧からなる基準電圧に対し、高発熱ガス検出素子１ａと第２の高発熱温度検出素子１ｃと２２０Ωの固定抵抗４０ａを直列に接続したガス検出回路部３８ａの第２の高発熱温度検出素子１ｃの両端電圧からなるガス検出出力電圧との電位差を求める信号処理を行っている。水素、湿度が存在しない空気中で基準電圧とガス検出出力電圧に差が発生した場合には、可変抵抗器４０ｐの抵抗値調節により差をゼロとするように調節する。
【０１２７】
また同様に、低発熱検出部３５ｂでのガス出力を得るための信号処理は１５６ｋΩと１００ｋΩより小さな値の固定抵抗４０ｑ、４０ｒと１００ｋΩの固定抵抗４０ｓおよび可変抵抗器４０ｔを直列に接続した基準電圧を出力する基準電圧回路部３９ｂの１００ｋΩの固定抵抗４０ｓの両端電圧からなる基準電圧に対し、低発熱ガス検出素子２ａと第２の低発熱温度検出素子２ｃと５００Ωの固定抵抗４０ｄを直列に接続したガス検出回路部３８ｂの第２の低発熱温度検出素子２ｃの両端電圧からなるガス検出出力電圧との電位差を求める信号処理を行っている。水素、湿度が存在しない空気中で基準電圧とガス検出出力電圧に差が発生した場合には、可変抵抗器４０ｔの抵抗値調節により差をゼロとするように調節する。
【０１２８】
以上のような信号処理により、それぞれのガス検出素子１ａ、２ａおよびそれぞれの第２の温度検出素子１ｃ、２ｃのそれぞれの発熱特性の各温度における比はほとんど同様であるため、ガス検出出力電圧の周囲温度変化による変動は非常に小さく抑えられる。従って、水素、湿度が存在しない空気中において、周囲温度の変化に対し基準電圧とガス検出出力電圧の電位差の変化も小さく抑えられ高精度な検出ができるという効果が得られる。
【０１２９】
以上の信号処理で得られた高発熱検出部３５ａおよび低発熱検出部３５ｂのそれぞれのガス出力およびそれぞれの温度検出素子１ｂ、１ｃ、２ｂ、２ｃの両端電圧値はマイクロコンピュータ３２に入力される。マイクロコンピュータ３２は本実施の形態１と同様の演算を行い、水素濃度、湿度、温度をそれぞれ出力する。
【０１３０】
図１５に８０℃の周囲温度条件下における湿度特性の評価結果を示す。横軸に絶対湿度を示しており、図中の（ａ）は高発熱検出部３５ａのガス出力を水素に関する感度の温度補正の考えに基づいて補正した出力、つまり水素検出精度に対する誤差（以下、湿度オフセットと呼ぶ）を示す。同様に、図１５中の（ｂ）に低発熱検出部３５ｂのガス出力を補正して得られた湿度オフセットを示す。
【０１３１】
また、図１５中の（ｃ）にこれらの得られた高発熱検出部３５ａの湿度オフセットから低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットを差し引いた値である湿度出力を示している。図１５より同一の絶対湿度条件下にかかわらず、高発熱検出部３５ａの湿度オフセットおよび低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットに違いが生じる。これは湿気が存在する場合、発熱温度が違うそれぞれのガス検出素子の近傍での水蒸気の熱伝導率に差が発生し、結果としてガス検出素子の熱伝導特性に違いが現れるためである。
【０１３２】
この高発熱検出部３５ａの湿度オフセットから低発熱検出部３５ｂの湿度オフセットを差し引いた値である湿度出力は、図１５より絶対湿度に比例することがわかる。従って、実施の形態１と同様に絶対湿度に比例し湿度出力として使用できる。この湿度出力を得ることによって湿度オフセットを補正できるとともに、絶対湿度の算出が可能となる。
【０１３３】
本実施の形態２によるガス検出器の出力例を図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示す。実験方法は実施の形態１と同様である。
【０１３４】
水素濃度出力結果を図１６（ａ）に示す。横軸は測定の経過時間（秒）で９００、３００、３００、４８０、４８０、４８０、４８０秒経過後に水素濃度を切り替えている。縦軸は高発熱検出部３５ａのガス出力、低発熱検出部３５ｂのガス出力およびそれぞれの温度検出素子１ｂ、２ｂもしくはそれぞれの第２の温度検出素子１ｃ、２ｃの両端電圧から上記の計算手法に基づいて計算した水素濃度計算値（％）である。図よりガス切り替えにより極めて応答性よく水素濃度が変化しており、精度も良好であることが確認された。
【０１３５】
次に、湿度出力結果を図１６（ｂ）に示す。横軸は図１６（ａ）と同様に測定の経過時間（秒）であり、前述の水素濃度計測と同様のタイミングで水素ガス濃度を切り替えている。また、縦軸は水素濃度相当の絶対湿度出力である。図１６（ａ）に示したように測定中に水素濃度が大きく変わっているにもかかわらず、湿度出力は変動がなく、水素濃度に影響されずに精度よく絶対湿度のみを出力することが確認された。また、ガス検出器の近傍に設けた湿度計測器で測定した被検出ガスの絶対湿度と同等の結果も得られ、後述するように自動車の乗車空間内のエアコン制御等に用いる場合は十分な精度が得られることも確認された。
【０１３６】
以上の結果から、本実施の形態２のガス検出器も実施の形態１と同様に水素濃度と湿度を独立して精度よく検出できることが明確化された。
【０１３７】
【発明の効果】
以上のように本発明は温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり、被検出ガスにさらされる高発熱ガス検出素子および乾燥空気中の無孔ケース内に封止され、前記高発熱ガス検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした高発熱温度検出素子からなる高発熱検出部と、温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり、被検出ガスにさらされる低発熱ガス検出素子および乾燥空気中の無孔ケース内に封止され、前記低発熱ガス検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした低発熱温度検出素子からなる低発熱検出部を有し、前記高発熱検出部の高発熱ガス検出素子および高発熱温度検出素子の自己発熱温度と前記低発熱検出部の低発熱ガス検出素子および低発熱温度検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度を異なる温度とした構成であり、それぞれの前記ガス検出素子が水素濃度、湿度および周囲温度に応じて変化する抵抗値と、それぞれの前記温度検出素子が周囲温度に応じて変化する抵抗値をそれぞれ水素濃度、湿度に応じて変化する電気的なガス出力に変換し、それぞれの前記検出部から得られる前記ガス出力をあらかじめ既知の水素濃度から求めた水素感度換算係数で規格化し、それぞれの前記規格化出力の差から得られる湿度出力を求め、あらかじめ既知の湿度環境下における前記湿度出力と湿度に応じて変化するそれぞれの前記規格化出力から得られる湿度補正量の相関から得られる湿度補正式で前記規格化出力を補正して水素濃度および湿度を出力する構成であり、自己発熱温度の異なる２組の検出部を用いることで、自己発熱温度が違うそれぞれの検出素子の近傍における水蒸気の熱伝導率に差が発生することで、それぞれの検出素子の出力に差が発生し絶対湿度と一次の相関のある湿度出力が得られる。さらにその湿度出力を用い湿度補正量の演算を行い水素濃度を求めることで、簡単な手法で湿気があっても水素濃度と湿度をそれぞれ区別して検出できるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるガス検出器の概略構造を説明するための断面図
（ｂ）本発明の実施の形態１におけるガス検出器のＡ−Ａでの断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の検出素子および温度検出手段であるサーミスタの概略断面図
【図３】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の検出部の組立方法を説明するための概略斜視図
【図４】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の配管への取り付け方法を説明するための概略断面図
【図５】本発明のガス検出器を燃料電池システムに取り付けた際の形態を説明するための概略ブロック図
【図６】本発明のガス検出器を用いた燃料電池自動車の概略構造を示す図
【図７】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の回路構成を説明するための概略回路図
【図８】（ａ）、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるガス検出器の乾燥空気下での水素濃度出力特性図
【図９】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の湿度出力特性図
【図１０】（ａ）、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるガス検出器の補正計算後の出力特性図
【図１１】本発明におけるガス検出器を用いた燃料電池システムにおける同検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャート
【図１２】本発明のガス検出器を用いた自動車における同検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャート
【図１３】（ａ）本発明の実施の形態２におけるガス検出器の概略構造を説明するための断面図
（ｂ）本発明の実施の形態２におけるガス検出器のＡ−Ａでの断面図
【図１４】本発明の実施の形態２におけるガス検出器の回路構成を説明するための概略回路図
【図１５】本発明の実施の形態２におけるガス検出器の湿度出力特性図
【図１６】（ａ）、（ｂ）本発明の実施の形態２におけるガス検出器の補正計算後の出力特性図
【符号の説明】
１ａ 高発熱ガス検出素子
１ｂ 高発熱温度検出素子
１ｃ 第２の高発熱温度検出素子
２ａ 低発熱ガス検出素子
２ｂ 低発熱温度検出素子
２ｃ 第２の低発熱温度検出素子
４ サーミスタ素体
５ 電極
６ リード線
７ ガラス層
８ サーミスタ
９ 台座
１０ ピン
１１ａ 有孔ケース
１１ｂ 無孔ケース
１５ 回路基板
１６ 容器
１７ ガス導入口
１８ フィルター
２３ 取出しケーブル
２４ 容器フタ
２５ 耐湿樹脂
２６ ネジ部
２７ 配管
２８ 取付部
２９ａ〜２９ｊ、２９ｌ、２９ｍ 固定抵抗
２９ｋ、２９ｎ 可変抵抗器
３１ 直流電源
３２ マイクロコンピュータ
３３ 熱結合体
３４ ヒータ
３５ａ 高発熱検出部
３５ｂ 低発熱検出部
３６ａ、３６ｂ 素子抵抗一定化回路部
３７ａ、３７ｂ 周囲温度検出回路部
３８ａ、３８ｂ ガス検出回路部
３９ａ、３９ｂ 基準電圧回路部
４０ａ〜４０ｏ、４０ｑ〜４０ｓ 固定抵抗
４０ｐ、４０ｔ 可変抵抗器
５１ 水素タンク
５２ 遮断弁
５３ 水素加湿器
５４、１１０ 燃料電池スタック
５５ コンプレッサ
５６ 空気加湿器
５７ 燃料電池制御回路
５８ 筐体
５９ 警報器
６０ 換気扇
１０１ 本体
１０２ 乗車空間
１０３ 水素タンク収納空間
１０４ 駆動手段収納空間
１０５ 床下空間
１０６ タンク
１０７ 外側タンク
１０８ 内側タンク
１０９ モーター
１１１ タイヤ
１１２ ハンドル
１１３ ガス検出器
Claims (23)
- 温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり被検出ガスにさらされる高発熱ガス検出素子および乾燥空気中の無孔ケース内に封止され前記高発熱ガス検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした高発熱温度検出素子からなる高発熱検出部と、温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり被検出ガスにさらされる低発熱ガス検出素子および乾燥空気中の無孔ケース内に封止され前記低発熱ガス検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした低発熱温度検出素子からなる低発熱検出部を有し、前記高発熱検出部の高発熱ガス検出素子および高発熱温度検出素子の自己発熱温度と前記低発熱検出部の低発熱ガス検出素子および低発熱温度検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度を異なる温度とした構成であり、それぞれの前記ガス検出素子が水素濃度、湿度および周囲温度に応じて変化する抵抗値と、それぞれの前記温度検出素子が周囲温度に応じて変化する抵抗値をそれぞれ水素濃度、湿度に応じて変化する電気的なガス出力に変換し、それぞれの前記検出部から得られる前記ガス出力をあらかじめ既知の水素濃度から求めた水素感度換算係数で規格化し、それぞれの前記規格化出力の差から得られる湿度出力を求め、あらかじめ既知の湿度環境下における前記湿度出力と湿度に応じて変化するそれぞれの前記規格化出力から得られる湿度補正量の相関から得られる湿度補正式で前記規格化出力を補正して水素濃度および湿度を出力するガス検出器。
- 低発熱検出部の２つの素子と高発熱検出部の２つの素子の乾燥空気中での発熱温度を周囲温度によらずほぼ一定になるように制御した請求項１に記載のガス検出器。
- それぞれの検出部の２つの素子の発熱温度を一定化させるための制御は抵抗が２つ以上直列に接続され発熱温度を一定化させるための制御電圧を出力する低発熱検出部および高発熱検出部のそれぞれの素子抵抗一定化回路部のそれぞれの制御電圧に対し、それぞれの温度検出素子に直列に抵抗が接続されたそれぞれの検出部の周囲温度検出回路部のそれぞれの被制御電圧が同様になるようにそれぞれの素子抵抗一定化回路部および周囲温度検出回路部へのそれぞれの印加電圧を制御する請求項２に記載のガス検出器。
- それぞれの検出部のガス出力はそれぞれの検出部に２つ以上の抵抗および可変抵抗が直列に接続され基準電圧を出力する基準電圧回路部の基準電圧とそれぞれのガス検出素子に直列に抵抗が接続されたガス検出回路部のガス検出出力電圧との電位差により求める請求項３に記載のガス検出器。
- 周囲温度により変化するそれぞれの水素感度換算係数はそれぞれの温度検出素子の出力と各種周囲温度環境下における水素感度換算係数の相関から得られる感度補正式で補正する請求項１に記載のガス検出器。
- 高発熱検出部に温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり乾燥空気中の無孔ケース内に封止され乾燥空気中での高発熱ガス検出素子の自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした第２の高発熱温度検出素子と、低発熱検出部に温度により抵抗値が変化する抵抗体からなり乾燥空気中の無孔ケース内に封止され乾燥空気中での低発熱ガス検出素子の自己発熱温度とほぼ同等の発熱温度とした第２の低発熱温度検出素子を有し、前記高発熱検出部の高発熱ガス検出素子、高発熱温度検出素子および第２の高発熱温度検出素子の自己発熱温度と前記低発熱検出部の低発熱ガス検出素子、低発熱温度検出素子および第２の低発熱温度検出素子の乾燥空気中での自己発熱温度を異なる温度とした構成であり、それぞれの前記ガス検出素子が水素濃度、湿度および周囲温度に応じて変化する抵抗値と、それぞれの前記温度検出素子およびそれぞれの前記第２の温度検出素子が周囲温度に応じて変化する抵抗値をそれぞれ水素濃度、湿度に応じて変化する電気的なガス出力に変換し、それぞれの前記検出部から得られる前記ガス出力をあらかじめ既知の水素濃度から求めた水素感度換算係数で規格化し、それぞれの前記規格化出力の差から得られる湿度出力を求め、あらかじめ既知の湿度環境下における前記湿度出力と湿度に応じて変化するそれぞれの前記規格化出力から得られる湿度補正量の相関から得られる湿度補正式で前記規格化出力を補正して水素濃度および湿度を出力する請求項１に記載のガス検出器。
- 低発熱検出部の３つの素子と高発熱検出部の３つの素子の乾燥空気中での発熱温度は周囲温度によらずほぼ一定になるように制御した請求項６に記載のガス検出器。
- それぞれの検出部の３つの素子の発熱温度を一定化させるための制御は抵抗が２つ以上直列に接続され発熱温度を一定化させるための制御電圧を出力する低発熱検出部および高発熱検出部のそれぞれの素子抵抗一定化回路部のそれぞれの制御電圧に対し、それぞれの温度検出素子に直列に抵抗が接続されたそれぞれの検出部の周囲温度検出回路部のそれぞれの被制御電圧が同様になるようにそれぞれの素子抵抗一定化回路部および周囲温度検出回路部へのそれぞれの印加電圧を制御する請求項７に記載のガス検出器。
- それぞれの検出部のガス出力はそれぞれの検出部に２つ以上の抵抗および可変抵抗が直列に接続され基準電圧を出力する基準電圧回路部の基準電圧とそれぞれのガス検出素子に直列にそれぞれの第２の温度検出素子が接続されたガス検出回路部のガス検出出力電圧の電位差により求める請求項８に記載のガス検出器。
- 周囲温度により変化するそれぞれの水素感度換算係数はそれぞれの温度検出素子、もしくはそれぞれの第２の温度検出素子の出力と各種周囲温度環境下における水素感度換算係数の相関から得られる感度補正式で補正する請求項６に記載のガス検出器。
- 高発熱検出部のそれぞれの検出素子と低発熱検出部のそれぞれの検出素子の形状を同一とした請求項１または６に記載のガス検出器。
- 高発熱ガス検出素子および低発熱ガス検出素子を有孔ケース内に設置した請求項１または６に記載のガス検出器。
- それぞれの検出部のそれぞれの検出素子の周囲に配置されたそれぞれのケースの一部を直接、もしくは熱結合体を介して接合させた請求項１２に記載のガス検出器。
- それぞれの検出部のそれぞれの検出素子にサーミスタを用いた請求項１または６に記載のガス検出器。
- それぞれの検出部のそれぞれのサーミスタをガラスで封止した請求項１４に記載のガス検出器。
- 低発熱検出部のそれぞれの検出素子と高発熱検出部のそれぞれの検出素子の発熱温度の差を１０℃以上とした請求項１または６に記載のガス検出器。
- 低発熱検出部のそれぞれの検出素子の発熱温度を１００℃以上とした請求項１または６に記載のガス検出器。
- それぞれの検出部のそれぞれの検出素子の近傍にヒータを設置した請求項１または６に記載のガス検出器。
- ガス導入口には焼結金属フィルターが設けられた請求項１または６に記載のガス検出器。
- 請求項１から１９のいずれか１つに記載のガス検出器をガス導入口が大地方向になるように配置した燃料電池システム。
- 請求項１から１９のいずれか１つに記載のガス検出器をガス導入口が配管本流より上方に配置された請求項２０に記載の燃料電池システム。
- 請求項１から１９のいずれか１つに記載のガス検出器を燃料電池が収納された筐体の一部または燃料電池スタックの空気極側出口配管の一部に設け、前記燃料電池からの水素ガス漏洩を前記ガス検出器で検知すると警報を発するとともに前記筐体内の換気を行い、前記燃料電池を停止するように制御する燃料電池システム。
- 請求項１から１９のいずれか１つに記載のガス検出器を乗車空間の上部に配置し、前記ガス検出器の湿度出力および温度出力をもとに前記乗車空間が最適な温湿度になるように前記乗車空間の一部に設けたエアコンを制御するとともに、前記ガス検出器の水素濃度出力から前記乗車空間内の水素濃度が既定値以上であれば警報を発するとともに前記乗車空間内の換気を行い水素供給源を遮断するように制御する自動車。
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