JP2004191164A - Gas sensor, fuel cell system using the same, and automobile using the same - Google Patents

Gas sensor, fuel cell system using the same, and automobile using the same Download PDF

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理人 東海林
Nobuharu Katsuki
暢晴 香月
Junichi Yukawa
潤一 湯河
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor of quick responsiveness and low electric power consumption capable of detecting discriminatingly a hydrogen concentration and humidity under the environment where hydrogen and steam coexist. <P>SOLUTION: In this gas sensor, respective bridge circuits are formed by two sets of detecting parts 10, 11 as total constituted using, as one set, one of heating elements 2, 4 arranged on a cavity part 8 provided with a gas inlet 14 and one of heating elements 3, 5 arranged on the cavity part 8 provided with no gas inlet 14, voltages are impressed to the heating elements 2, 3, 4, 5 to make heating temperatures in the two sets of detecting parts 10, 11 different each other, outputs from the both bridge circuits are normalized respectively by a hydrogen sensitivity conversion factor found preliminarily based on known hydrogen concentrations, a humidity output is found based on a difference between both normalized outputs, and the each normalized output is corrected by a humidity correction expression found based on a preliminarily known correlation between the humidity outputs and humidity correction levels under a humidity environment, so as to find the hydrogen concentration. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

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センサ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携帯機器用電源または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、その安全対策が非常に重要な問題となる。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ガスセンサが必要になってくる。
【０００５】
このようなガスセンサとして、従来、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の抵抗値の変化として電気的に検出するものである。
【０００６】
このガスセンサに使用される発熱素子および温度検出素子として、半導体微細加工技術（マイクロマシン技術）を応用した薄膜発熱素子（サーミスタや白金測温体）が開発されている。これは従来のバルク形状のサーミスタ素子を宙づりにした構造に比べ発熱部分が微小であるため、高速応答、低消費電力化が図れると言う特長を有している。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。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１１９９１３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このようなガスセンサを水素漏洩検知に用いる場合、被検出ガス中の湿気の存在が問題となる。すなわち、湿気がなければ確かに発熱素子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。
【０００９】
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、湿気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。
【００１０】
以上のことから、本発明は従来のマイクロマシン技術によるガスセンサの高速応答、低消費電力という特長を活かしつつ、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センサを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【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。
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、１枚のシリコンからなる基板上に設けた４個の発熱素子と、この４個の発熱素子の裏面にそれぞれ設けた４個の空洞部と、この４個の空洞部を覆うように前記基板に接合したシリコンからなる底板と、前記４個の空洞部のうち２個に貫通するように前記底板に設けたガス導入口とを有し、このガス導入口を設けた空洞部上に配置した発熱素子の１つと前記ガス導入口がない空洞部上に配置した発熱素子の１つとを１組として構成される計２組の検出部で各々ブリッジ回路を形成し、前記２組の検出部の発熱温度が相互に異なるように前記発熱素子に電圧を印加し、前記両ブリッジ回路の出力をそれぞれ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、両方の前記規格化出力の差から湿度出力を求め、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補正量の相関から求めた湿度補正式で前記規格化出力を補正して水素濃度を求める構成のものである。このように、発熱温度の異なる２組の検出部を用いてまず湿度出力を求めそれから湿度補正量の演算を行って水素濃度を求めることで、湿気があっても水素濃度と湿気をそれぞれ区別して検出することができるという効果が得られる。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明は、湿度補正式を３次方程式で近似したことにより、精度が高くしかも最もシンプルな式で湿度補正量を決定できるので、計算時間が早くなりガスセンサの応答性が向上するという効果が得られる。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明は、３次方程式の計算結果をあらかじめメモリーに記憶した計算結果表から得るようにしたことにより湿度補正式で計算せずに湿度補正量が得られるので、さらなる計算時間の短縮や応答性向上が図れるという効果が得られる。
【００１５】
本発明の請求項４に記載の発明は、基板上に検出回路を設けた構成としたことにより、外部検出回路が大幅に簡略化もしくは省略できるようになるのでガスセンサの小型化が可能になるという効果が得られる。
【００１６】
本発明の請求項５に記載の発明は、発熱素子を白金からなる構成としたことにより、素子配線パターンと発熱素子が一体で形成できるため、製造プロセスが簡略化できるという効果が得られる。
【００１７】
本発明の請求項６に記載の発明は、発熱素子の表面にシリカからなる保護層を設けた構成としたことにより、被検出ガス中に含まれる不純物が発熱素子の表面に直接付着するのを防ぐことができるため、発熱素子の信頼性が向上するという効果が得られる。
【００１８】
本発明の請求項７に記載の発明は、発熱素子の形成部の面積は空洞部の断面積より小さい構成としたことにより発熱は空洞部上面の薄い部分に限られるため、熱量が基板側へ逃げる割合が低減でき素早く必要な温度に発熱させることができるという効果が得られる。
【００１９】
本発明の請求項８に記載の発明は、２組の検出部の間隔をガス導入口を設けた空洞部上に配置した発熱素子と前記ガス導入口がない空洞部上に配置した発熱素子の間隔より広い構成としたことにより、２組の検出部間の発熱温度差による熱の移動が低減されるため、起動時や周囲温度の変動時における２組の検出部間の相互影響を低減でき検出精度が向上するという効果が得られる。
【００２０】
本発明の請求項９に記載の発明は、底板のうち空洞部に対向しない部分に支持台を接合した構成にすることにより、必然的に底板に設けたガス導入口は台座と対向するようになるため、キャップに設けた穴から直接被検出ガスが発熱素子に到達せず被検出ガス流量によるガスセンサ出力への影響を低減できるという効果が得られる。
【００２１】
本発明の請求項１０に記載の発明は、発熱素子の形成部の一部に孔を設けるとともに４個の窪み部を有し、４個の発熱素子の上方にそれぞれ前記４個の窪み部が配置されるようにシリコンのカバーを接合した構成にすることにより、孔が存在する分、さらに発熱素子の近傍の基板への熱引けが低減されるとともに、孔が存在しても参照素子に被検出ガスが到達しないようにすることができるという効果が得られる。
【００２２】
本発明の請求項１１に記載の発明は、カバーの一部に温度検出部を形成する構成としたことにより、ガス検出部の中で最も発熱素子やヒーターから遠方の位置に配置されることになるので、周囲温度をより正確に検出することができるという効果が得られる。
【００２３】
本発明の請求項１２に記載の発明は、温度検出部を白金で構成したことにより、温度検出部の配線パターンと温度検出部が一体で形成できるため製造プロセスが簡略化できるという効果が得られる。
【００２４】
本発明の請求項１３に記載の発明は、温度検出部の表面にシリカからなる保護層を設けた構成としたことにより、被検出ガス中に含まれる不純物が温度検出部の表面に直接付着するのを防ぐことができるため素子信頼性が向上するという効果が得られる。
【００２５】
本発明の請求項１４に記載の発明は、温度検出部の裏面に窪み部を設けた構成としたことにより、温度検出部全体の熱容量が低減されるので周囲温度の変動に対する応答性が向上するという効果が得られる。
【００２６】
本発明の請求項１５に記載の発明は、温度検出部の形成部分の面積を窪み部の断面積より小さい構成としたことにより、温度検出部は窪み部上面の薄い部分に限って形成されるためさらに熱容量を低減することができ、さらなる応答性向上が可能になるという効果が得られる。
【００２７】
本発明の請求項１６に記載の発明は、温度検出部の形成部分の一部に孔を設ける構成としたことにより、カバーからの伝熱を低減することができるので、より正確に周囲温度を検出することができるという効果が得られる。
【００２８】
本発明の請求項１７に記載の発明は、温度検出部はカバーの上面中央に形成した構成としたことにより、ガス検出部のなかで上面の中心に位置することになるので、ガス検出部の近傍における周囲温度をさらに正確に検出することができるという効果が得られる。
【００２９】
本発明の請求項１８に記載の発明は、基板の一部にダイアフラムを有する圧力検出部を設けた構成としたことにより、燃料電池の配管内にガスセンサを配置するような圧力変動の大きい環境下でも圧力値を検出できるので、圧力による影響を低減して出力できるという効果が得られる。
【００３０】
本発明の請求項１９に記載の発明は、ダイアフラムの下部空間を底板により１気圧の圧力下で密閉した構成にすることにより、真空下で密閉することで作製される絶対圧力センサのようにガスセンサが常圧下にある場合に常にダイアフラムに圧力が印加されることがなくなるため、ダイアフラムの信頼性が増すという効果が得られる。従って、必ずしも絶対圧力を必要としない場合には１気圧の圧力下で密閉した構成の方が有利である。
【００３１】
本発明の請求項２０に記載の発明は、圧力検出部を２組の検出部の間に設けた構成としたことにより、ガス検出部を構成するシリコン基板を有効に利用することができるため、小型化が図れるという効果が得られる。
【００３２】
本発明の請求項２１に記載の発明は、圧力検出部を温度検出部の裏面に設けた窪み部の直下に配置した構成としたことにより、温度検出部と圧力検出部が近接するため、両者ほぼ同一の場所における温度と圧力が同時に得られ場所による誤差が低減できるという効果が得られる。
【００３３】
本発明の請求項２２に記載の発明は、温度検出部の裏面に設けた窪み部の断面積をダイアフラムの面積より大きくした構成としたことにより、温度検出部の孔から導入された被検出ガスの圧力はダイアフラム全面にかかることになるため、正確に圧力を検出できるという効果が得られる。
【００３４】
本発明の請求項２３に記載の発明は、支持台と底板との接合面の対向面を電気絶縁性を有する断熱材料からなる台座の一部に接合する構成としたことにより、発熱素子の熱が台座に伝わりにくくなるため、台座の温度変化による発熱素子の発熱温度への影響が低減されるという効果が得られる。
【００３５】
本発明の請求項２４に記載の発明は、断熱材料を黒色としたことにより、ガス検出部の近傍やヒーターの熱を台座が吸収するため、台座での熱の乱反射による発熱素子の発熱温度への影響が低減されるという効果が得られる。
【００３６】
本発明の請求項２５に記載の発明は、台座は支持台を接合していない部分に断熱材料を貫通する複数のピンを有する構造としたことにより、ピン相互が電気的に絶縁されるだけでなくピンとガス検出部が熱的に絶縁されるため、ガス検出部の熱がピンに伝わりにくくなりピンの温度変化による発熱素子の発熱温度への影響が低減されるという効果が得られる。
【００３７】
本発明の請求項２６に記載の発明は、台座にはキャップが被せられ、このキャップには基板と非対向の位置に穴を設けた構成としたことにより、ガス検出部が外界から保護されるとともにガス検出部の基板に直接穴が位置しないため、穴から直接被検出ガスがガス検出部に到達せず、被検出ガスの流量によるガスセンサ出力への影響を低減できるという効果が得られる。
【００３８】
本発明の請求項２７に記載の発明は、キャップの外側にはさらに外キャップが被せられ、この外キャップにはキャップに設けた穴と非対向の位置に外穴を設けた構成としたことにより、穴と外穴が直接対向しないため、外穴から直接被検出ガスが穴に到達せず、被検出ガスの流量によるガスセンサ出力への影響をさらに低減できるという効果が得られる。
【００３９】
本発明の請求項２８に記載の発明は、穴または外穴にはステンレス製の網を溶接接合した構成とすることにより、万一ガスセンサ内で水素が燃焼しても網で熱が吸収され網から外に火炎が伝播しないという効果が得られる。
【００４０】
本発明の請求項２９に記載の発明は、キャップの内面を黒色としたことにより、ガス検出部やヒーターからの輻射熱をキャップが吸収するため、キャップでの熱の乱反射による発熱素子の発熱温度への影響が低減されるという効果が得られる。
【００４１】
本発明の請求項３０に記載の発明は、キャップの内面を黒色クロムメッキで着色した構成とすることにより、着色面が強固に形成されるためヒーターによりキャップ内面が高温にさらされても着色面が剥離変色する程度が低減されるという効果が得られる。
【００４２】
本発明の請求項３１に記載の発明は、４個の発熱素子の発熱温度は水の沸点以上としたことにより、ガスセンサの非使用時に発熱素子が結露しても使用時に水の沸点以上に加熱するので結露水を除去することができ、また、使用中に結露することがなくなるので正確に検出できるという効果が得られる。
【００４３】
本発明の請求項３２に記載の発明は、２組の検出部の発熱温度差を５０℃以上としたことにより、湿度出力の感度を実用的な大きさにすることができるので、湿度を精度よく検出できるという効果が得られる。
【００４４】
本発明の請求項３３に記載の発明は、４個の発熱素子の発熱温度が周囲温度によらず一定になるように各ブリッジ回路の印加電圧を温度検出部の出力により制御するようにしたことにより、発熱素子周辺の温度はほぼ一定に保たれるので、被検出ガスの熱伝導率の温度による変化が低減され濃度を精度よく検出できるという効果が得られる。
【００４５】
本発明の請求項３４に記載の発明は、制御を行う回路を基板上に設けた構成としたことにより、外部に設ける制御回路をガス検出部に内蔵することができるようになるので、ガスセンサの小型化が可能になるという効果が得られる。
【００４６】
本発明の請求項３５に記載の発明は、基板の近傍にヒーターを設けた構成としたことにより、ガス検出部全体の温度を一定にすることができるため、周囲温度の変化による出力への影響を低減できるという効果が得られる。
【００４７】
本発明の請求項３６に記載の発明は、ヒーターを支持台と台座の間に設け、前記台座とヒーターおよび支持台とを接合した構成とすることにより、ヒーターの熱がガス検出部に素早く伝わるので急峻な周囲温度の変化に対しても追従でき、その分、出力が安定するという効果が得られる。
【００４８】
本発明の請求項３７に記載の発明は、ヒーターはアルミナ基板上に白金ペーストの厚膜を形成して構成することにより、ヒーターパターンを印刷技術で形成することができるので、容易に大量に製造できるという効果が得られる。
【００４９】
本発明の請求項３８に記載の発明は、アルミナ基板をアルミナグリーンシートから焼成して得る構成としたことにより、円形のヒーター形状であっても抜き型で形成することができるため、容易にヒーターを製造できるという効果が得られる。
【００５０】
本発明の請求項３９に記載の発明は、ヒーターとして電力供給のためのヒーターランド部を除き２枚のアルミナグリーンシートの間に白金ペーストの厚膜からなるヒーターパターンを有し、これらを一括焼成して得る構成としたことにより、ヒーターパターンを保護するアルミナ板も同時に形成できるので、さらに容易にヒーターを製造できるという効果が得られる。
【００５１】
本発明の請求項４０に記載の発明は、ヒーターランド部の表面を金ペーストで形成したことにより、ヒーターランド部での抵抗値が低減されるため、ヒーターランド部での発熱が低減されヒーターパターンのみで発熱するヒーターを構成できるという効果が得られる。
【００５２】
本発明の請求項４１に記載の発明は、ヒーターランド部に金ペーストで固定した金線が接続され、前記金線の他端は台座のピンと接続した構成とすることにより、金ペーストのヒーターランド部に金線を金ペーストで固定する構成、すなわち、ヒーターランド部は全て金で構成されるため、ヒーター加熱時の熱膨張係数の違いによる金線の剥離が低減されるとともに金線での発熱も低減できるという効果が得られる。
【００５３】
本発明の請求項４２に記載の発明は、ヒーターの発熱温度はカバーに設けた温度検出部の出力に応じて一定温度になるようにヒーターへの供給電力を制御するようにしたことにより、ガス検出部全体の温度を高精度に目標温度に近づけることができるため、周囲温度の変化による出力への影響をさらに低減できるという効果が得られる。
【００５４】
本発明の請求項４３に記載の発明は、温度出力をヒーター制御信号と周囲温度の相関から前記ヒーター制御信号を前記周囲温度に換算することで行うようにした。これは、周囲温度が変わるとヒーターを一定温度にするためにヒーターに供給する電力量が変化するので、電力量を制御する信号は周囲温度と相関を持つということを利用して周囲温度を求めている。これにより、温度検出部の出力からは得られない周囲温度を正確に出力できるという効果が得られる。
【００５５】
本発明の請求項４４に記載の発明は、ヒーターの発熱温度を水の沸点以上としたことにより、ガスセンサの非使用時に検出部の内部が結露しても使用時にヒーターで水の沸点以上に加熱するので、結露水を除去することができ、また、使用中に結露することがなくなるので正確に検出できるという効果が得られる。
【００５６】
本発明の請求項４５に記載の発明は、２組の検出部の発熱温度をヒーターの発熱温度より高くなるようにしたことにより、発熱素子とヒーターの間で温度勾配ができるので、ヒーターを動作させても２組の検出部が出力可能になるという効果が得られる。
【００５７】
本発明の請求項４６に記載の発明は、２組の検出部の発熱温度差を５０℃以上としたことにより、ヒーター動作時であっても湿度出力の感度を実用的な大きさにできるので、湿度を精度よく検出できるという効果が得られる。
【００５８】
本発明の請求項４７に記載の発明は、ガスセンサを燃料電池を収納し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センサ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制御するようにしたことにより、湿気を含む被検出ガス中でも水素濃度のみを精度よく検出できるので、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。
【００５９】
本発明の請求項４８に記載の発明は、燃料電池または水素燃料容器の少なくとも１つと燃料電池制御回路基板を１つの筐体に内蔵し、前記燃料電池制御回路基板の一部にガスセンサを設けた構成としたことにより、燃料電池または水素燃料容器のいずれかから水素が漏洩してもそれらの近傍にガスセンサが設けられているので、水素漏洩を素早く検知できるという効果が得られる。
【００６０】
本発明の請求項４９に記載の発明は、燃料電池と、この燃料電池に水素燃料を供給する燃料容器と、前記燃料電池に空気を供給するファンと、ガスセンサを搭載し、かつ、前記燃料電池およびファンを制御する燃料電池制御回路基板と、前記燃料電池の発電電力の一部を充電する二次電池とを１つの筐体に内蔵し、前記ガスセンサが既定値以上の水素を検知すると前記燃料電池を停止するとともに、既定値以下の水素濃度になるまで前記二次電池の電力で前記ファンを最大回転数で動作させる構成としたことにより、水素漏洩を検知すると既定濃度以下になるまでできるだけ早く筐体内を排気するので、安全性が確保できるという効果が得られる。
【００６１】
本発明の請求項５０に記載の発明は、ファンを筐体の一部に設けた空気取込口の近傍で、前記筐体の外部の空気を前記筐体の内部全体に送風できる位置に配置する構成としたことにより、水素が筐体内にこもらないためさらに安全性が確保できるという効果が得られる。
【００６２】
本発明の請求項５１に記載の発明は、燃料電池の空気導入部分をファンに向かって開口した構成としたことにより、燃料電池の空気極に効率的に空気を導入することができるという効果が得られる。
【００６３】
本発明の請求項５２に記載の発明は、燃料電池の空気排出部分を筐体の一部に設けた空気排出口に向かって開口した構成とすることにより、空気排出部分から排出される空気が空気排出口に流れることにより空気排出口の周辺空気も一緒に筐体外に排気できるので、その分、効率的に筐体内の空気全体を外部に排気できるという効果が得られる。
【００６４】
本発明の請求項５３に記載の発明は、空気排出口の面積を空気取込口の面積より大きい構成としたことにより、空気取込口から筐体内に導入される空気が筐体内で滞留することがないため、筐体内の圧力が上昇することなく、速やかに筐体内の空気を換気できるという効果が得られる。
【００６５】
本発明の請求項５４に記載の発明は、空気取込口と空気排出口を筐体内で最も離れた壁面上にそれぞれ設けた構成としたことにより、筐体内を通る空気のパスが長くなるため筐体内全体を万遍なく換気することができるという効果が得られる。
【００６６】
本発明の請求項５５に記載の発明は、空気取込口と空気排出口にステンレス製の網を設けた構成としたことにより、万一燃料電池システム内で水素が漏洩し燃焼しても網で熱が吸収されて網から外に火炎が伝播しないという効果が得られる。
【００６７】
本発明の請求項５６に記載の発明は、ガスセンサが既定値以上の水素を検知していない時は常に二次電池が満充電になるように燃料電池を動作させるように制御する構成としたことにより、水素漏洩を検知した時に確実にファンを動作させることができるため安全性が確保できるという効果が得られる。
【００６８】
本発明の請求項５７に記載の発明は、燃料電池が発電中であるか否かにかかわらずガスセンサを動作し続けるように制御する構成としたことにより、燃料電池システムの非使用時に水素が漏れても確実に検知できるため、さらに安全性が確保できるという効果が得られる。
【００６９】
本発明の請求項５８に記載の発明は、二次電池を燃料容器に満充填した水素の体積の少なくとも５０倍以上の体積の空気を供給するのに必要なファン動作電力を充電できる容量とする構成としたことにより、満充填の水素が全量漏洩したとしてもその５０倍以上の空気をファンで供給できるため、水素濃度を２％以下に希釈でき極めて高い安全性が確保できるという効果が得られる。
【００７０】
本発明の請求項５９に記載の発明は、二次電池をリチウムイオン電池である構成としたことにより、燃料電池システムが低温下に置かれていてもガスセンサを動作させ続けられるので、低温下でも水素漏洩が検知でき、また、検知した際にファンを動作させられるという効果が得られる。
【００７１】
本発明の請求項６０に記載の発明は、ガスセンサを乗車空間の上部に配置し、前記ガスセンサ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、前記ガスセンサ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としたことにより、乗車空間内の１つのガスセンサ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ので、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、快適性を向上できるという効果が得られる。
【００７２】
以上の構成、動作により、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センサが得られた。
【００７３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００７４】
図１（ａ）は本発明の実施の形態におけるガスセンサのガス検出部の分解斜視図であり、図１（ｂ）は同センサのガス検出部の完成斜視図をそれぞれ示す。図２（ａ）は本発明の実施の形態におけるガスセンサに用いるヒーターの分解斜視図であり、図２（ｂ）は同センサに用いるヒーターの完成斜視図をそれぞれ示す。図３は本発明の実施の形態におけるガスセンサの検出部の実装状態を示す分解斜視図である。図４は本発明の実施の形態におけるガスセンサの概略断面図である。
【００７５】
図１（ａ）において、１はシリコンからなる基板であり、基板１上には白金薄膜からなる高温発熱素子２、高温発熱素子３、低温発熱素子４、低温発熱素子５と圧力検知用の４個の歪検出素子６および各素子のランド７がマイクロマシン技術により形成されている。これらの素子が形成される面上には、ランド７を除く表面にシリカからなる薄膜を素子の保護膜として形成してある。また、それぞれの素子の裏面の真下には素子に対して非貫通の空洞部８が基板１の素子形成面の対面からエッチングで掘り進むことにより形成されている。ここで、歪検出素子６の裏面の空洞部８は０．２ｍｍ角であるため、一辺が０．２ｍｍのダイアフラムが形成されていることになる。それ以外の空洞部８は０．３ｍｍ角である。なお、発熱素子２，３，４，５は一辺が０．１５ｍｍ角の大きさの中に、つづら折れパターンで形成されている。このため、発熱素子２，３，４，５は空洞部８の断面積より小さい範囲内に収まっている。発熱素子２，３，４，５の外側で、空洞部８の断面積の内側の範囲には、発熱素子２，３，４，５の各辺に沿って空洞部８に到る４ヶ所の貫通孔９が設けてある。これにより、発熱素子２，３，４，５の熱が基板１に伝達するのを低減させている。
【００７６】
なお、図１（ａ）に示すように基板１において、高温発熱素子２，３からなる高温検出部１０と低温発熱素子４，５からなる低温検出部１１の間隔は検出用の発熱素子２，４と参照用の発熱素子３，５の間隔より広くすることで高温検出部１０と低温検出部１１の相互熱影響を低減するとともに、両者間の空いた部分に４個の歪検出素子６からなる圧力検出部１２を設け、基板１を有効に活用する構成とした。
【００７７】
基板１の空洞部８側には、基板１と同面積のシリコンからなる底板１３が、温度、湿度が管理された空気中で、１気圧の圧力下で接合されている。なお、底板１３には、発熱素子２，４の裏面に形成した空洞部８に面する範囲の一部にはガス導入口１４が設けられている。
【００７８】
基板１の素子形成面側には、シリコンからなるカバー１５が温度、湿度が管理された空気中で接合されている。カバー１５には基板１に配置した素子２，３，４，５，６の上面に空洞部８と同形状の０．３ｍｍ角の窪み部１６が形成されており、このうち圧力検出部１２の上面に配置される窪み部１６の上面すなわちカバー１５の上面の中央には発熱素子２，３，４，５と同形状の白金薄膜よりなる温度検出部１７と貫通孔９が設けられている。これにより、圧力検出部１２は温度検出部１７の裏面に設けた窪み部１６の直下に配置されることになり、また、窪み部１６の断面は０．３ｍｍ角であるので圧力検出部１２のダイアフラム（０．２ｍｍ角）より大きいことになる。温度検出部１７の表面には発熱素子２，３，４，５と同様のシリカからなる薄膜が形成してある。また、温度検出部１７の形成部分の面積は窪み部１６の断面積より小さくしてある。
【００７９】
底板１３の基板１と接合しない面の一部には支持台１８が接合されている。
【００８０】
このようにして図１（ｂ）に示すようなガス検出部１９が形成される。
【００８１】
次にガス検出部１９の近傍に配置されるヒーター２５について説明する。図２（ａ）において、ヒーターパターン２０はアルミナグリーンシート２１の片面上に白金ペーストを厚膜印刷することにより形成する。このヒーターパターン２０の一部であるヒーターランド部２２には、さらに金ペーストを上塗り印刷して形成される。
【００８２】
この上からヒーターランド部２２だけをくりぬいた形状のもう一枚のアルミナグリーンシートを重ね合わせ、両者を一括焼成する。その後、ヒーターランド部２２に電力供給用の金線２３を金ペースト２４で固定して焼成することにより電気的接続を行う。
【００８３】
このようにして図２（ｂ）に示すようなヒーター２５が形成される。
【００８４】
なお、図２（ｂ）では金線２３を２本ずつヒーターランド部２２に接続しているが、これはヒーター２５への電力供給時に金線２３の直径によって十分電流が流せない可能性があるためで、使用する金線２３の直径に応じて必要な本数を接続すればよい。
【００８５】
次に検出部の実装について説明する。図３において、ガス検出部１９の支持台１８はヒーター２５と接合されている。ヒーター２５はさらに台座２６と接合されている。台座２６は黒色に着色した断熱材料２７（例えば耐熱樹脂）を金属円筒２８にはめ込んで形成される。また、ガス検出部１９やヒーター２５を配線するための複数のピン２９が、ガス検出部１９やヒーター２５と干渉しない部分に断熱材料２７を貫通するように配置されている。
【００８６】
台座２６にはキャップ３０が被せられる。キャップ３０には台座２６に被せた時にガス検出部１９と対向しない位置にステンレス製の網３１を溶接接合した穴３２が設けられている。また、キャップ３０の内面は黒色クロムメッキで着色してある。
【００８７】
キャップ３０の外側には、さらに外キャップ３３が被せられる。外キャップ３３にはキャップ３０に設けた穴３２と対向しない位置にステンレス製の網３１を溶接接合した外穴３４が設けられている。
【００８８】
これらのキャップ３０および外キャップ３３は順に台座２６に被せ、一括して抵抗溶接することにより機械的に固定される。
【００８９】
このようにして検出部３５が完成する。
【００９０】
次に、検出部３５を内蔵したガスセンサの構造を説明する。図４において、検出部３５は検出回路３６を構成するプリント基板の一部にピン２９を挿入し半田付けすることで機械的、電気的に接続される。容器３７には検出回路３６が挿入されるとともに、検出回路３６に接続された取出しケーブル３８をあらかじめ通した容器フタ３９がはめ込まれ、耐湿樹脂４０を容器フタ３９に設けた注入口（図示せず）から検出回路３６と容器フタ３９の間の空間全体に注入し硬化させた後、容器３７と容器フタ３９をかしめて固定する。
【００９１】
容器３７の底面にはガス取込口４１が開けられており、また、側面にはセンサ取付用のネジ部４２が加工されている。
【００９２】
このようにして、ガスセンサ４３が完成する。
【００９３】
次に、ガスセンサの取り付け例について図５、図６、図７を用いて説明する。
【００９４】
図５は本発明の実施の形態におけるガスセンサを定置型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におけるガスセンサを携帯型または可搬型の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７は本発明の実施の形態におけるガスセンサを用いた燃料電池自動車の概略構造を示す断面図である。
【００９５】
まず、定置型燃料電池システムについて固体高分子膜型を例に説明する。図５において、５１は水素タンクである。水素タンク５１は、改質型の燃料電池システムの場合には改質器と置き換えられる。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。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。
【００９６】
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の空気極側の出口配管の一部などに水素漏洩を検知するためのガスセンサが配置される。これにより、もしいずれかのガスセンサ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。
【００９７】
次に、携帯型または可搬型の燃料電池システムについて説明する。図６において、６１は水素吸蔵合金を内蔵した水素燃料容器である。水素燃料容器６１内の水素は減圧弁６２で所定の圧力に減圧されて燃料電池スタック６３の水素極側に供給される。一方、燃料電池スタック６３には発電に必要な空気もファン６４により空気極側に供給される。なお、ファン６４は燃料電池システム全体を収納した筐体６５の一部に設けたステンレス製の網６６付きの空気取込口６７の近傍に配置されている。また、ファン６４で導入される空気は、その全量が燃料電池スタック６３に取り込まれるのではなく、ファン６４と燃料電池の空気導入部分６８の間に隙間があり、導入された空気の一部が筐体６５内全体に送風できるようにしてある。このような構造としているため、燃料電池スタック６３の空気極側に効率よく空気を取り込めるように、空気導入部分６８は図６に示したようにラッパ形状部分がファン６４に向かって開口するようにしてある。
【００９８】
このように水素と空気を燃料電池スタック６３に供給することで、燃料電池スタック６３は発電を行い太線で示したように燃料電池制御回路基板６９を経てリチウムイオン電池からなる二次電池７０を充電しつつ携帯機器等に電力を供給する。また、燃料電池スタック６３からは発電の結果生成した水が空気と一緒に空気排出部分７１を通って網６６付きの空気排出口７２から外部へ排出される。ここで、空気排出部分７１は空気排出口７２に向かって開口した状態で取りつけられているが、空気排出口７２の面積は空気排出部分７１の断面積よりも大きいため、ファン６４により筐体６５内に取り込まれた空気も空気排出口７２から外部へ排出される。なお、空気排出口７２は空気取込口６７から筐体６５内の最も離れた壁面上に、前者の面積が後者の面積より大きくなるように配置してあるので、筐体６５内をくまなく空気が流れるとともにファン６４で取り込んだ空気が速やかに外部へ排出され、筐体６５内の圧力が上昇しないようにしてある。
【００９９】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池制御回路基板６９の一部に水素漏洩を検知するためのガスセンサ７３が搭載される。ここで、ガスセンサ７３は燃料電池制御回路基板６９に直接実装されるため、図４で示した容器３７を用いずに図３で示した検出部３５の状態で取り付けられている。
【０１００】
この構成により、もしガスセンサ７３が筐体６５内で既定値以上の水素漏洩を検知すれば、燃料電池制御回路基板６９はファン６４を最大回転数で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。
【０１０１】
次に、燃料電池自動車について説明する。図７において、１０１は自動車の本体で、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、特に衝突時における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。
【０１０２】
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。なお、タイヤ１１１の操舵方向は乗車空間１０２内からハンドル１１２で行うようになっている。
【０１０３】
このような自動車において、それぞれの空間にはガスセンサ１１３が設けられている。具体的には、乗車空間１０２に設けたガスセンサ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に設けたガスセンサ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に設けたガスセンサ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に設けたガスセンサ１１３は床下空間１０５の最上部にそれぞれ配置してある。さらに、図示していないが図５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センサを配置している。
【０１０４】
これらのガスセンサ１１３のうち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内に設けたガスセンサ１１３は湿度や温度も検知できるので、通常は乗車空間１０２内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。
【０１０５】
次に、ガスセンサの動作について説明する。
【０１０６】
図８は本発明の実施の形態におけるガスセンサの回路構成を説明するための概略回路図である。図９は本発明の実施の形態におけるガスセンサの高温検出部の加湿下での水素濃度出力特性図である。図１０は本発明の実施の形態におけるガスセンサの高温検出部の湿度とオフセットの相関図である。図１１は本発明の実施の形態におけるガスセンサの高温検出部と低温検出部の湿度とオフセットの相関図および湿度に対する高温出力と低温出力の差（＝湿度出力）の相関図である。図１２は本発明の実施の形態におけるガスセンサの湿度出力とオフセット（湿度補正量）の相関図である。図１３は本発明の実施の形態におけるガスセンサの湿度補正後の加湿下での水素濃度出力特性図である。図１４は本発明の実施の形態におけるガスセンサの水素濃度、湿度を計算する手順を示すフローチャートである。
【０１０７】
図８において、高温発熱素子２および高温発熱素子３にはそれぞれ直列に固定抵抗Ａ４４が接続され、さらにそれらを並列に接続することによりブリッジ回路を形成している。同様に、低温発熱素子４および低温発熱素子５にもそれぞれ直列に固定抵抗Ｂ４５が接続され、さらにそれらを並列に接続することによりブリッジ回路を形成している。
【０１０８】
両ブリッジ回路には高温検出部用直流電源４６および低温検出部用直流電源４７がそれぞれ接続されている。両者の出力電圧は温度検出部１７の出力に応じて高温検出部１０および低温検出部１１の素子発熱温度が既定値になるようにマイクロコンピュータ４８により制御されている。なお、周囲温度が変わっても高温検出部１０の素子温度は約１９０℃、低温検出部１１の素子温度は約１４０℃になるように制御している。これによりいずれも水の沸点以上の温度で、かつ、両者の温度差は約５０℃となるように制御される。
【０１０９】
高温検出部１０および低温検出部１１のブリッジ回路の出力電圧はマイクロコンピュータ４８に入力される。さらに、マイクロコンピュータ４８には圧力検出部１２に形成された４個の歪検出素子６からなるブリッジ回路の出力電圧が入力されるとともに、ヒーター２５に電力を供給するヒーター電源４９を制御する信号線が接続されている。マイクロコンピュータ４８は高温検出部１０および低温検出部１１のブリッジ回路の出力電圧と、温度検出部１７および圧力検出部１２の出力電圧と、マイクロコンピュータ４８に接続されたメモリー５０に記憶されたデータをもとに、後述する演算を行い水素濃度、湿度、温度、必要に応じて圧力をそれぞれ出力する。
【０１１０】
さらに、マイクロコンピュータ４８は温度検出部１７の出力に応じて高温検出部１０と低温検出部１１とヒーター２５の発熱温度を一定にする電力を供給するように、高温検出部用直流電源４６と低温検出部用直流電源４７およびヒーター電源４９を制御する機能をも有する。なお、ヒーター温度は水の沸点以上である約１１０℃とした。これによりガス検出部１９全体が約１１０℃に加熱される。
【０１１１】
なお、温度出力についてであるが、ヒーター２５を動作させているので温度検出部１７の出力はほぼヒーター目標温度（約１１０℃）となり、ガス検出部１９の周囲温度を反映しなくなる。そこで、温度出力信号はヒーター電源４９の出力電力を制御する信号が周囲温度と相関を持つことに着目し、この信号からマイクロコンピュータ４８内で周囲温度に換算して出力するようにしている。
【０１１２】
ガスセンサの近傍または配管内の被検出ガスはガス取込口４１、外穴３４、穴３２を通ってキャップ３０内に配置したガス検出部１９に到る。ガス検出部１９近傍の被検出ガスはガス導入口１４を通って高温発熱素子２および低温発熱素子４に到達する。これらの発熱素子２，４には電流が流れているので一定温度に加熱されているが、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発熱素子２，４の温度が変化する。この変化は発熱素子２，４の両端電圧の変化としてマイクロコンピュータ４８に入力される。
【０１１３】
一方、高温発熱素子３および低温発熱素子５にはガス導入口がないので被検出ガスがこれらの発熱素子３，５には到らない。従って、発熱素子３，５の両端電圧は被検出ガスにより変化することはなく、ガスセンサの内部の温度に応じた電圧を出力し続けている。これにより各ブリッジ回路の差動出力は周囲温度を補正した値に相当することになる。なお、前記のように高温検出部１０、低温検出部１１およびヒーター２５の温度は既定値になるように制御されているので本来周囲温度の補正は不要であるが、ガスセンサの起動時や周囲温度の急峻な変化に対しては既定値を外れることが想定されるので発熱素子３，５による周囲温度の補正も行っている。
【０１１４】
マイクロコンピュータ４８は上記の各ブリッジ回路の電圧値をもとに温度検出部１７や圧力検出部１２の出力で温度と圧力の補正を行いながら、水素濃度、湿度、温度、必要に応じて圧力を演算してそれぞれ出力している。なお、水素濃度および湿度の圧力補正については、ガスセンサが常に大気圧の近傍にある場合はそれほど圧力の影響を受けないが、例えば図５や図７で説明した燃料電池スタックの空気極側の出口配管内のように大きく圧力変動（〜数気圧）を受ける場所に取り付ける場合は圧力補正が必要となる。
【０１１５】
なお、図８で説明した回路の一部または全部は基板１、カバー１５を構成するシリコン基板上に設けてもよい。
【０１１６】
次に、マイクロコンピュータ４８で行われる水素濃度、湿度を求める演算手法について説明する。
【０１１７】
最初に、ガスセンサの作製時にメモリー５０に記憶される補正パラメータの作成を以下のように行う。まず、ある環境（温度、圧力）における乾燥空気下における既知の水素濃度に対する両ブリッジ回路の出力電圧から差動出力を求める。例えば、８０℃１気圧の環境で水素濃度１％が混合した乾燥空気をガスセンサに流しそのときの差動出力電圧を得る。この値を水素濃度換算係数と呼び高温検出部でａ、低温検出部でｂとする。
【０１１８】
次に、様々な既知の湿度下での両ブリッジ回路の差動出力を求める。例えば、８０℃で相対湿度を０，１７，４２，５５％とし、その際の差動出力を求める。ここで得られた各湿度における差動出力を上記の水素濃度換算係数ａ，ｂで割り出力を水素感度で規格化する。これにより差動出力は水素濃度１％のときの出力が１になるので、単位は水素濃度（％）となる（以下、％Ｈ２と示す）。
【０１１９】
次に、各湿度における高温検出部と低温検出部の規格化した出力の差を求める。
【０１２０】
次に、各湿度における上記出力差と高温検出部の規格化出力との相関から最小二乗法で３次近似式を求める。この３次近似式のパラメータをｋ，ｌ，ｍ，ｎとする。
【０１２１】
以上で求めた定数ａ，ｂ，ｋ，ｌ，ｍ，ｎを環境条件（温度、圧力）を変えて同様にして求める。得られた定数は温度、圧力に対するテーブルにしてメモリー５０に記憶する。
【０１２２】
次に、ガスセンサを動作させた時の計算手法を述べる。
【０１２３】
ガスセンサ動作時には高温検出部と低温検出部のそれぞれの素子の両端電圧が得られるので、検出用の発熱素子と参照用の発熱素子の差動出力電圧を求める。これはアナログ回路で得てもよいしマイクロコンピュータ４８の内部で演算して求めてもよい。得られた差動出力電圧を高温検出部に対してＶｈ、低温検出部に対してＶｌとする。
【０１２４】
次に、次式に示すようにＶｈ，Ｖｌを水素濃度換算係数ａ，ｂでそれぞれ割り規格化出力Ｖｈｓ，Ｖｌｓを得る。
【０１２５】
Ｖｈｓ＝Ｖｈ／ａ （１）
Ｖｌｓ＝Ｖｌ／ｂ （２）
実際に８０℃における様々な水素濃度、湿度下で得られた差動出力から規格化出力を求めた結果を図９に示す。ここではＶｈｓ（高温検出部）の出力を代表として示しており、Ｖｈｓを縦軸に水素濃度（既知）を横軸にとった。なお、水素濃度の範囲は水素の爆発限界である４％の約半分の２．２％までとし、相対湿度は補正パラメータを求める際と同じとした。
【０１２６】
図９より、湿度０％ＲＨの時は水素濃度に応じてＶｈｓが比例して増えていき水素感度が得られるのがわかるが、加湿すると相対湿度に応じて０点が大きくドリフトし図中に示したように加湿下での出力はドリフト分のオフセットが乗った状態で出力される。従って、従来例にあるようなブリッジ回路１つだけのセンサ構成の出力では湿度と水素濃度が全く区別できないことがわかる。なお、Ｖｌｓにおいても同様の傾向を示す。
【０１２７】
ここで、相対湿度とオフセットの相関を求めたのが図１０である。縦軸にはオフセットすなわち水素濃度０％の時のＶｈｓを横軸には相対湿度をとった。図１０よりオフセットは湿度に対しピークを持つ２次曲線の特性を示す。従って、何らかの方法で湿度を求め図１０の相関からオフセットを差し引けば水素濃度のみが得られる。
【０１２８】
そこで、次に湿度の求め方を説明する。
【０１２９】
図１１は図１０で示したオフセットを高温検出部、低温検出部それぞれに対してプロットしたものである。縦軸の単位は水素濃度で規格化した％Ｈ２であるので、水素濃度に対する感度（傾き）は両者等しくなるが、図１１より明らかなようにオフセットすなわち湿度感度については両者で異なったカーブを取ることがわかる。この両者の出力差に着目し高温検出部と低温検出部の出力差Ｈｕｍを次式に従って計算した。
【０１３０】
Ｈｕｍ＝Ｖｈｓ−Ｖｌｓ （３）
Ｈｕｍを図１１の右縦軸に示す。Ｈｕｍは相対湿度に対して比例関係にあるのでＨｕｍで湿度出力を表せられることがわかった。
【０１３１】
従って、Ｈｕｍを求めて図１１の相対湿度との相関から相対湿度を得ることができる。
【０１３２】
この相対湿度より図１０の相対湿度とオフセットの相関からオフセットを求めて高温検出部の規格化出力Ｖｈｓから差し引けば水素濃度のみの出力が得られるが、ここではもっと簡単にＨｕｍとオフセットの相関を直接求めた。結果を図１２に示す。図１０と同時に２次曲線の特性となったが、発明者らの詳細な検討によりこの相関関係は最小二乗法による３次近似式が最も精度よく表せられることがわかった。よって、ＨｕｍとオフセットＯｆｆすなわち湿度補正量の関係（湿度補正式）は（４）式で表される。
【０１３３】
Ｏｆｆ＝ｋ＊Ｈｕｍ＾３＋１＊Ｈｕｍ＾２＋ｍ＊Ｈｕｍ＋ｎ （４）
ここで、定数ｋ，ｌ，ｍ，ｎはセンサの作製時に求めた値である。
【０１３４】
（４）式によってＯｆｆが得られたなら高温検出部の規格化出力ＶｈｓからＯｆｆを差し引くことで水素濃度Ｈが得られる。
【０１３５】
Ｈ＝Ｖｈｓ−Ｏｆｆ （５）
このようにして湿度補正を行った後のＶｈｓを図１３に示す。図の見方は図９と同じである。図９と比べ湿度によるオフセットが大幅に低減できることがわかる。
【０１３６】
以上の計算により、湿度と水素濃度を区別して求めることができる。
【０１３７】
なお、（４）式の計算はＨｕｍに対するＯｆｆの値をあらかじめ求めて計算結果表としてメモリー５０に記憶しておき、得られたＨｕｍから表を参照して直ちにＯｆｆを求めるようにしてもよい。
【０１３８】
ここで、上記計算方法の特長について説明する。（１）式から（５）式を見て明らかなようにいずれも簡単な四則演算で求めることができるため、計算速度が極めて速く応答性のよいガスセンサが実現できる。これは、従来の例えば実用新案登録第１８６７３２６号に示されたように高温検出部と低温検出部で得られる出力と２種類のガス成分濃度Ｘ，Ｙの相関関係から得られる２元連立方程式を解く方法であれば、本実施の形態で述べたように湿度出力が１次直線で表せない場合においては容易に厳密な解が得られず、特に３次近似式が連立方程式に入るとそれを解く計算は、上記（１）式から（５）式での計算で求める方法と較べ大幅に複雑になる。従って、湿度が混合する系のような場合には本実施の形態の計算方法が極めて有利であることがわかる。
【０１３９】
以上の計算手法はマイクロコンピュータ４８にプログラムされており、ガスセンサ動作時に得られる差動出力Ｖｈ，Ｖｌが入力されると、上記（１）式から（５）式の計算を行い水素濃度、湿度を出力するようになっている。この計算手順を図１４のフローチャートに示す。
【０１４０】
まず、高温検出部、低温検出部の各ブリッジの差動出力電圧Ｖｈ，Ｖｌを読み込む（Ｓ１）。それと同時に、そのときの温度、圧力をそれぞれヒーター制御信号、圧力検出部の出力から演算して求める（Ｓ２）。
【０１４１】
次にＶｈ，Ｖｌに対し、あらかじめ求めた温度、圧力に応じた水素濃度換算係数ａ，ｂで（１）、（２）式により規格化出力Ｖｈｓ，Ｖｌｓを求める（Ｓ３）。得られたＶｈｓ，Ｖｌｓから（３）式により出力差Ｈｕｍを求める（Ｓ４）。
【０１４２】
出力差Ｈｕｍは湿度と相関があるので、あらかじめ得られた相関関係（例えば図１１）より温度、圧力に応じた湿度を得る（Ｓ５）。
【０１４３】
また、Ｈｕｍから湿度補正量Ｏｆｆを（４）式の関係から求め（Ｓ６）、（５）式より高温検出部の規格化出力Ｖｈｓから湿度補正量Ｏｆｆを差し引く（Ｓ７）ことで水素濃度を得る。
【０１４４】
以上の手順により求めた水素濃度、湿度、温度、また燃料電池システムの制御上の必要に応じて圧力を出力する（Ｓ８）。
【０１４５】
このような動作で水素濃度と湿度とを分離して出力することのできるガスセンサを実現できる。
【０１４６】
次に、本実施の形態のガスセンサを用いた定置型燃料電池システム、携帯型または可搬型の燃料電池システムおよび自動車のガスセンサ出力による制御動作について図１５、図１６、図１７を用いて説明する。
【０１４７】
図１５は本発明の実施の形態におけるガスセンサを用いた定置型燃料電池システムにおけるガスセンサ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１６は本発明の実施の形態におけるガスセンサを用いた携帯型または可搬型燃料電池システムにおけるガスセンサ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１７は本発明の実施の形態におけるガスセンサを用いた自動車におけるガスセンサ出力による動作制御サブルーチンを表すフォローチャートである。
【０１４８】
まず、定置型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の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。図１５はその際のサブルーチンを示す。なお、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。
【０１４９】
メインルーチンの割り込み発生により図１５のサブルーチンにジャンプしてくると、まず、ガスセンサの水素濃度の出力値を読み込む（Ｓ１１）。この際、図５に示したように燃料電池システムには複数個のガスセンサを設けて水素漏洩を監視しているので、全てのガスセンサの出力を順次読み込んでいる。次に、どれかのガスセンサ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（Ｓ１２）。もし、どの出力も既定値を超えていなければ、そのままメインルーチンに復帰する（Ｓ１２のｎｏ）。既定値以上の出力が１つでもあれば（Ｓ１２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５２を閉じ（Ｓ１３）、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（Ｓ１４）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（Ｓ１５）。その後、水素漏れフラグをＯＮにして（Ｓ１６）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。
【０１５０】
次に、携帯型または可搬型燃料電池システムについて説明する。これも定置型燃料電池システムと同様に、燃料電池制御回路基板内に搭載された燃料電池システム全体の動作を司るメインルーチンの実行中に、一定時間毎の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。図１６はその際のサブルーチンを示す。なお、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。
【０１５１】
メインルーチンの割り込み発生により図１６のサブルーチンにジャンプしてくると、まず、ガスセンサの水素濃度の出力値を読み込む（Ｓ２１）。水素濃度出力が既定値（例えば２％）を超えていれば（Ｓ２２のｙｅｓ）直ちに燃料電池の発電を停止させる（Ｓ２３）とともに、筐体内に内蔵した二次電池の電力でファンを最大回転数で動作させ漏れた水素を筐体外へ排出する（Ｓ２４）。その後、Ｓ２１に戻りガスセンサの出力が既定値を下回るまでファンを回し続ける。
【０１５２】
なお、この場合、二次電池は燃料容器に満充填した水素の体積の少なくとも５０倍以上の体積の空気を供給するのに必要なファン駆動電力を充電できる容量を有しているので、仮に燃料容器に満充填した水素がすべて漏洩したとしても、それ全体を水素濃度監視レベル（既定値）である２％以下に希釈できるだけの空気をファンにより送り続けることができ水素の爆発燃焼の可能性を極めて低減できる。
【０１５３】
ガスセンサの水素濃度出力が既定値を超えていなければ（Ｓ２２のｎｏ）二次電池の充電状態を調べる（Ｓ２５）。もし、満充電であればそのままメインルーチンに復帰する（Ｓ２５のｙｅｓ）。満充電でなければ（Ｓ２５のｎｏ）燃料電池の発電が停止している場合は起動し（Ｓ２６）、燃料電池で発電している電力の一部を二次電池に充電する動作を行い（Ｓ２７）メインルーチンに復帰する。
【０１５４】
このように動作させることにより二次電池は常に満充電状態となるので、いつ水素が漏れてもその全量を既定値以下に希釈することができ極めて高い安全性が常に確保できる。
【０１５５】
また、フローチャートには明記していないが図１６のフローチャートは、燃料電池が発電中であるなしにかかわらずガスセンサを動作し続け常に実行するようにしているので、非使用時であっても水素漏洩が起これば自動的にファンを回して排気するとともに、二次電池の充電量が不充分になれば自動的に燃料電池を起動して満充電状態になるまで動作し続けるように制御している。これにより、燃料電池システムの非使用状態が長期間に渡っても常に安全確保が可能なように動作する。なお、この場合ガスセンサは常に動作状態となるが、本実施の形態のガスセンサはマイクロマシン技術によるため低消費電力でありこのような用途にも十分適用できる。
【０１５６】
次に、自動車について説明する。この場合も定置型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の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１７はその際のサブルーチンを示す。
【０１５７】
メインルーチンの割り込み発生により図１７のサブルーチンにジャンプしてくると、まず、各ガスセンサの水素濃度の出力値を読み込む（Ｓ３１）。さらに、乗車空間１０２内に設けたガスセンサについては同時に湿度、温度出力を読み込み（Ｓ３２）、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（Ｓ３３）。
【０１５８】
次に、どれかのガスセンサ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（Ｓ３４）。もし、どの出力も既定値を超えていなければ、そのままメインルーチンに復帰する（Ｓ３４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、温度データをもとに、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。
【０１５９】
一方、既定値以上の水素濃度出力が１つでもあれば（Ｓ３４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（Ｓ３５）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（Ｓ３６）、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（Ｓ３７）。その後、水素漏れフラグをＯＮにして（Ｓ３８）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。
【０１６０】
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でき、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。
【０１６１】
なお、図１７のフローチャート内には示していないが、空気極側出口の配管内に設置した本実施の形態のガスセンサから出力される圧力値を用いて、燃料電池の空気極に供給する空気圧力をコンプレッサにより最適値に制御することも可能である。
【０１６２】
【発明の効果】
以上のように本発明は１枚のシリコンからなる基板上に設けた４個の発熱素子と、この４個の発熱素子の裏面にそれぞれ設けた４個の空洞部と、この４個の空洞部を覆うように前記基板に接合したシリコンからなる底板と、前記４個の空洞部のうち２個に貫通するように前記底板に設けたガス導入口とを有し、このガス導入口を設けた空洞部上に配置した発熱素子の１つと前記ガス導入口がない空洞部上に配置した発熱素子の１つとを１組として構成される計２組の検出部で各々ブリッジ回路を形成し、前記２組の検出部の発熱温度が相互に異なるように前記発熱素子に電圧を印加し、前記両ブリッジ回路の出力をそれぞれ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、両方の前記規格化出力の差から湿度出力を求め、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補正量の相関から求めた湿度補正式で前記規格化出力を補正して水素濃度を求めるものであるので、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することができる高速応答で低消費電力のガスセンサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態におけるガスセンサのガス検出部の分解斜視図
（ｂ）同センサのガス検出部の完成斜視図
【図２】（ａ）同センサに用いるヒーターの分解斜視図
（ｂ）同センサに用いるヒーターの完成斜視図
【図３】同センサの検出部の実装状態を示す分解斜視図
【図４】同センサの概略断面図
【図５】同センサを定置型燃料電池システムに取り付けた際の概略ブロック図
【図６】同センサを携帯型または可搬型の燃料電池システムに取り付けた際の概略ブロック図
【図７】同センサを用いた燃料電池自動車の概略構造を示す断面図
【図８】同センサの回路構成を説明するための概略回路図
【図９】同センサの高温検出部の加湿下での水素濃度出力特性図
【図１０】同センサの高温検出部の湿度とオフセットの相関図
【図１１】同センサの高温検出部と低温検出部の湿度とオフセットの相関図および湿度に対する高温出力と低温出力の差（＝湿度出力）の相関図
【図１２】同センサの湿度出力とオフセット（湿度補正量）の相関図
【図１３】同センサの湿度補正後の加湿下での水素濃度出力特性図
【図１４】同センサの水素濃度、湿度を計算する手順を示すフローチャート
【図１５】同センサを用いた定置型燃料電池システムにおける同センサ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１６】同センサを用いた携帯型または可搬型燃料電池システムにおける同センサ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１７】同センサを用いた自動車における同センサ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
【符号の説明】
１ 基板
２ 高温発熱素子
３ 高温発熱素子
４ 低温発熱素子
５ 低温発熱素子
６ 歪検出素子
７ ランド
８ 空洞部
９ 貫通孔
１０ 高温検出部
１１ 低温検出部
１２ 圧力検出部
１３ 底板
１４ ガス導入口
１５ カバー
１６ 窪み部
１７ 温度検出部
１８ 支持台
１９ ガス検出部
２０ ヒーターパターン
２１ アルミナグリーンシート
２２ ヒーターランド部
２３ 金線
２４ 金ペースト
２５ ヒーター
２６ 台座
２７ 断熱材料
２８ 金属円筒
２９ ピン
３０ キャップ
３１ 網
３２ 穴
３３ 外キャップ
３４ 外穴
３５ 検出部
３６ 検出回路
３７ 容器
３８ 取出しケーブル
３９ 容器フタ
４０ 耐湿樹脂
４１ ガス取込口
４２ ネジ部
４３ ガスセンサ
４４ 固定抵抗Ａ
４５ 固定抵抗Ｂ
４６ 高温検出部用直流電源
４７ 低温検出部用直流電源
４８ マイクロコンピュータ
４９ ヒーター電源
５０ メモリー
５１ 水素タンク
５２ 遮断弁
５３ 水素加湿器
５４ 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
６１ 水素燃料容器
６２ 減圧弁
６３ 燃料電池スタック
６４ ファン
６５ 筐体
６６ 網
６７ 空気取込口
６８ 空気導入部分
６９ 燃料電池制御回路基板
７０ 二次電池
７１ 空気排出部分
７２ 空気排出口
７３ ガスセンサ
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
１１０ 燃料電池スタック
１１１ タイヤ
１１２ ハンドル
１１３ ガスセンサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sensor for detecting hydrogen leakage and humidity, a fuel cell system using the same, and an automobile.
[0002]
[Prior art]
In recent years, fuel cells for extracting electric power from hydrogen and oxygen in the air have been actively developed. This is not only an environmentally-friendly power generation method because only water is emitted at the time of power generation, it also saves energy because the efficiency of power energy that can be extracted in principle is high, and also recovers heat generated during power generation. It has the feature that it can also use heat energy, and is expected as a trump card for solving energy and environmental problems on a global scale.
[0003]
Such fuel cell systems have been researched and developed for application to household cogeneration systems as distributed power sources, power sources for portable devices or automobiles, and will replace thermal power generation and gasoline engines using conventional fossil fuels. It is thought that it will be more and more developed in the future.
[0004]
Since fuel cells use hydrogen as fuel, safety measures are a very important issue. That is, a gas sensor for detecting leakage of hydrogen is required for safety measures.
[0005]
Conventionally, as such a gas sensor, a sensor based on the principle of detecting the hydrogen concentration by changing the temperature of a heating element by utilizing the fact that the thermal conductivity of hydrogen is extremely large as compared with other gases has been proposed. For example, when hydrogen reaches a heat-generating element that has reached thermal equilibrium in air, the amount of heat taken from the heat-generating element changes and thermal equilibrium collapses, so that the temperature of the heat-generating element changes according to the hydrogen concentration. This temperature change is electrically detected as a change in the resistance value of the temperature detecting element.
[0006]
As a heating element and a temperature detecting element used in the gas sensor, a thin-film heating element (thermistor or platinum temperature sensor) to which a semiconductor fine processing technology (micromachine technology) is applied has been developed. This has a feature that high-speed response and low power consumption can be achieved because the heat generation portion is minute compared to a conventional structure in which a bulk-shaped thermistor element is suspended. As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-9-119913
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
When such a gas sensor is used for hydrogen leak detection, the presence of moisture in the gas to be detected becomes a problem. In other words, if there is no moisture, the resistance of the heating element will change in accordance with the hydrogen concentration, but if there is moisture, the resistance will also change, and whether the change is due to hydrogen or moisture. Or, it cannot be distinguished whether both have coexisted and changed.
[0009]
This is because the thermal conductivity of water vapor alone is much smaller than that of hydrogen, but the thermal conductivity of a system in which a mixture of polar water vapor and non-polar air or hydrogen rises once with moisture and peaks Since it exhibits a characteristic of dropping with water, the influence of humidity cannot be ignored in detection in a system in which a large amount of water vapor is supposed to be present in comparison with hydrogen, such as hydrogen leak detection.
[0010]
From the above, the present invention provides a gas sensor capable of distinguishing and detecting hydrogen concentration and humidity in an environment where hydrogen and water vapor coexist, while taking advantage of the characteristics of the conventional micromachine technology such as high-speed response and low power consumption. It is intended to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present invention has the following constitutions, and features thereof are listed.
[0012]
The invention according to claim 1 of the present invention is characterized in that four heating elements provided on a substrate made of one piece of silicon, four cavities respectively provided on the back surfaces of the four heating elements, A bottom plate made of silicon bonded to the substrate so as to cover the four cavities, and a gas inlet provided in the bottom plate so as to penetrate two of the four cavities; A bridge circuit is formed by a total of two sets of detectors each including one of the heating elements arranged on the cavity provided with the inlet and one of the heating elements arranged on the cavity without the gas inlet. And applying a voltage to the heating elements so that the heating temperatures of the two sets of detecting parts are different from each other, and the outputs of the two bridge circuits are each standardized by a hydrogen sensitivity conversion coefficient obtained from a known hydrogen concentration in advance. From the difference between the two normalized outputs Seeking force is of configuration to determine the hydrogen concentration by correcting the normalized output pre humidity correction formula determined from the correlation of the under known humidity Humidity output and humidity correction amount. As described above, first, the humidity output is obtained by using the two sets of detectors having different heating temperatures, and then the humidity correction amount is calculated to obtain the hydrogen concentration. Thus, even if there is moisture, the hydrogen concentration and the humidity are distinguished from each other. The effect of being able to detect is obtained.
[0013]
According to the second aspect of the present invention, since the humidity correction equation is approximated by a cubic equation, the humidity correction amount can be determined with the highest accuracy and the simplest equation. The effect that the property is improved is obtained.
[0014]
According to the invention described in claim 3 of the present invention, since the calculation result of the cubic equation is obtained from the calculation result table stored in the memory in advance, the humidity correction amount can be obtained without calculating by the humidity correction formula. The effect of further shortening the calculation time and improving the response can be obtained.
[0015]
According to the invention described in claim 4 of the present invention, since the detection circuit is provided on the substrate, the external detection circuit can be greatly simplified or omitted, so that the gas sensor can be downsized. The effect is obtained.
[0016]
According to the invention described in claim 5 of the present invention, since the heating element is made of platinum, the element wiring pattern and the heating element can be integrally formed, so that the effect of simplifying the manufacturing process can be obtained.
[0017]
The invention according to claim 6 of the present invention is configured such that a protective layer made of silica is provided on the surface of the heating element, so that impurities contained in the gas to be detected directly adhere to the surface of the heating element. Therefore, the effect of improving the reliability of the heating element can be obtained.
[0018]
In the invention according to claim 7 of the present invention, since the area of the formation portion of the heating element is smaller than the cross-sectional area of the cavity, heat generation is limited to a thin portion on the upper surface of the cavity, so that the amount of heat is directed to the substrate side. The effect is obtained that the escape rate can be reduced and the heat can be quickly generated to the required temperature.
[0019]
The invention according to claim 8 of the present invention is directed to a heating element in which a space between two sets of detecting units is arranged on a cavity provided with a gas inlet and a heating element arranged on a cavity without the gas inlet. By adopting a configuration wider than the interval, heat transfer due to a difference in heat generation temperature between the two sets of detecting units is reduced, so that mutual influence between the two sets of detecting units at the time of startup or when the ambient temperature fluctuates can be reduced. The effect of improving detection accuracy is obtained.
[0020]
According to the ninth aspect of the present invention, by adopting a configuration in which the support plate is joined to a portion of the bottom plate that does not face the hollow portion, the gas inlet port provided in the bottom plate necessarily faces the pedestal. Therefore, the gas to be detected does not directly reach the heating element from the hole provided in the cap, and the effect of the flow rate of the gas to be detected on the gas sensor output can be reduced.
[0021]
The invention according to claim 10 of the present invention provides a hole in a part of a formation portion of a heating element and has four depressions, and the four depressions are provided above the four heating elements, respectively. By adopting a configuration in which the silicon cover is bonded so that the holes are arranged, the heat dissipation to the substrate near the heating element is reduced by the presence of the holes, and even if the holes exist, the reference element is covered. The effect that the detection gas can be prevented from reaching can be obtained.
[0022]
The invention according to claim 11 of the present invention is configured such that the temperature detecting portion is formed in a part of the cover, so that the gas detecting portion is disposed at a position farthest from the heating element or the heater in the gas detecting portion. Therefore, an effect is obtained that the ambient temperature can be detected more accurately.
[0023]
According to the twelfth aspect of the present invention, since the temperature detecting section is made of platinum, the wiring pattern of the temperature detecting section and the temperature detecting section can be integrally formed, so that the effect that the manufacturing process can be simplified can be obtained. .
[0024]
According to a thirteenth aspect of the present invention, since the protective layer made of silica is provided on the surface of the temperature detecting section, impurities contained in the gas to be detected directly adhere to the surface of the temperature detecting section. Therefore, the effect that the element reliability is improved can be obtained.
[0025]
According to the fourteenth aspect of the present invention, since the concave portion is provided on the back surface of the temperature detecting portion, the heat capacity of the entire temperature detecting portion is reduced, so that the responsiveness to the fluctuation of the ambient temperature is improved. The effect is obtained.
[0026]
In the invention according to claim 15 of the present invention, the area of the formation portion of the temperature detection portion is smaller than the cross-sectional area of the depression portion, so that the temperature detection portion is formed only in the thin portion on the upper surface of the depression portion. Therefore, the heat capacity can be further reduced, and the effect of further improving the response can be obtained.
[0027]
According to the invention of claim 16 of the present invention, since the hole is provided in a part of the formation portion of the temperature detecting portion, the heat transfer from the cover can be reduced, so that the ambient temperature can be more accurately determined. The effect of being able to detect is obtained.
[0028]
In the invention according to claim 17 of the present invention, since the temperature detecting portion is formed at the center of the upper surface of the cover, the temperature detecting portion is located at the center of the upper surface in the gas detecting portion. The effect is obtained that the ambient temperature in the vicinity can be detected more accurately.
[0029]
The invention according to claim 18 of the present invention has a structure in which a pressure detecting portion having a diaphragm is provided on a part of a substrate, so that the pressure sensor can be disposed in a fuel cell pipe under a large pressure fluctuation environment. However, since the pressure value can be detected, the effect of reducing the influence of the pressure and outputting can be obtained.
[0030]
The invention according to claim 19 of the present invention provides a gas sensor such as an absolute pressure sensor manufactured by sealing under a vacuum by forming the lower space of the diaphragm closed by a bottom plate under a pressure of 1 atm. When pressure is under normal pressure, pressure is not always applied to the diaphragm, so that the effect of increasing the reliability of the diaphragm is obtained. Therefore, in the case where absolute pressure is not always required, it is more advantageous to adopt a structure that is sealed under a pressure of 1 atm.
[0031]
According to the invention described in claim 20 of the present invention, since the pressure detecting section is provided between the two sets of detecting sections, the silicon substrate constituting the gas detecting section can be effectively used. The effect of miniaturization can be obtained.
[0032]
The invention according to claim 21 of the present invention has a configuration in which the pressure detection unit is disposed immediately below the depression provided on the back surface of the temperature detection unit, so that the temperature detection unit and the pressure detection unit are close to each other. The temperature and pressure at substantially the same location can be obtained at the same time, and the effect of reducing errors depending on the location can be obtained.
[0033]
The invention according to claim 22 of the present invention is configured such that the cross-sectional area of the depression provided on the back surface of the temperature detection unit is made larger than the area of the diaphragm, so that the gas to be detected introduced from the hole of the temperature detection unit Is applied to the entire surface of the diaphragm, so that the pressure can be accurately detected.
[0034]
The invention according to claim 23 of the present invention is characterized in that the opposing surface of the joining surface between the support base and the bottom plate is joined to a part of the pedestal made of a heat insulating material having an electrical insulating property. Is hardly transmitted to the pedestal, so that the effect of the temperature change of the pedestal on the heating temperature of the heating element is reduced.
[0035]
In the invention according to claim 24 of the present invention, since the heat insulating material is black, the heat of the heater near the gas detecting unit and the heater absorbs the heat of the heater. The effect of reducing the influence of is obtained.
[0036]
According to the invention described in claim 25 of the present invention, the pedestal has a structure having a plurality of pins that penetrate the heat insulating material at a portion where the support is not joined, so that the pins are only electrically insulated from each other. Since the pin and the gas detector are thermally insulated, the heat of the gas detector is less likely to be transmitted to the pin, and the effect of the temperature change of the pin on the heating temperature of the heating element is reduced.
[0037]
In the invention according to claim 26 of the present invention, the cap is covered on the pedestal, and the cap is provided with a hole at a position not facing the substrate, so that the gas detection unit is protected from the outside world. In addition, since the hole is not directly located on the substrate of the gas detection unit, the gas to be detected does not directly reach the gas detection unit from the hole, and the effect of reducing the influence of the flow rate of the gas to be detected on the gas sensor output can be obtained.
[0038]
The invention according to claim 27 of the present invention is characterized in that an outer cap is further covered on the outside of the cap, and the outer cap is provided with an outer hole at a position not opposed to a hole provided in the cap. Since the hole and the outer hole do not directly oppose each other, the gas to be detected does not directly reach the hole from the outer hole, so that the effect of the flow rate of the detected gas on the output of the gas sensor can be further reduced.
[0039]
According to a twenty-eighth aspect of the present invention, a stainless steel mesh is welded to the hole or the outer hole, so that even if hydrogen is burned in the gas sensor, heat is absorbed by the mesh. This has the effect that the flame does not propagate outside.
[0040]
According to the invention described in claim 29 of the present invention, since the inner surface of the cap is black, the cap absorbs the radiant heat from the gas detection unit and the heater, so that the heat generation temperature of the heating element due to the irregular reflection of heat at the cap. The effect of reducing the influence of is obtained.
[0041]
The invention according to claim 30 of the present invention is characterized in that the inner surface of the cap is colored with black chrome plating, so that the colored surface is formed firmly. Has an effect of reducing the degree of peeling and discoloration.
[0042]
According to the invention described in claim 31 of the present invention, the heating temperature of the four heating elements is set to be equal to or higher than the boiling point of water. As a result, dew condensation water can be removed, and since the dew condensation does not occur during use, the effect of being able to detect accurately is obtained.
[0043]
According to the invention described in claim 32 of the present invention, the sensitivity of the humidity output can be made a practical size by setting the heat generation temperature difference between the two detection units to 50 ° C. or more. The effect of being able to detect well is obtained.
[0044]
According to a thirty-third aspect of the present invention, the voltage applied to each bridge circuit is controlled by the output of the temperature detection unit such that the heat generation temperatures of the four heat elements are constant regardless of the ambient temperature. Accordingly, the temperature around the heating element is kept substantially constant, so that the change in the thermal conductivity of the gas to be detected due to the temperature is reduced and the concentration can be accurately detected.
[0045]
According to the invention described in claim 34 of the present invention, since the control circuit is provided on the substrate, the control circuit provided outside can be built in the gas detection unit, so that the gas sensor The effect that miniaturization becomes possible is obtained.
[0046]
According to the invention described in claim 35 of the present invention, since the heater is provided in the vicinity of the substrate, the temperature of the entire gas detection unit can be kept constant, so that the change in the ambient temperature affects the output. Is obtained.
[0047]
According to the invention described in claim 36 of the present invention, the heater is provided between the support and the pedestal, and the pedestal, the heater, and the support are joined to each other, so that the heat of the heater is quickly transmitted to the gas detection unit. Therefore, it is possible to follow a steep change in ambient temperature, and the effect of stabilizing the output is obtained.
[0048]
According to the invention described in claim 37 of the present invention, since the heater is formed by forming a thick film of platinum paste on an alumina substrate, the heater pattern can be formed by a printing technique, so that it can be easily manufactured in large quantities. The effect that it can be obtained is obtained.
[0049]
In the invention according to claim 38 of the present invention, since the alumina substrate is obtained by firing from an alumina green sheet, even if it is a circular heater shape, it can be formed with a punching die, so that the heater can be easily formed. Can be produced.
[0050]
The invention according to claim 39 of the present invention has a heater pattern consisting of a thick film of platinum paste between two alumina green sheets except for a heater land portion for supplying power as a heater, and firing these at once. With this configuration, an alumina plate for protecting the heater pattern can be formed at the same time, so that an effect that the heater can be manufactured more easily is obtained.
[0051]
In the invention according to claim 40 of the present invention, since the surface of the heater land portion is formed of gold paste, the resistance value at the heater land portion is reduced, so that the heat generation at the heater land portion is reduced and the heater pattern is reduced. An effect that a heater that generates heat can be constituted only by the above is obtained.
[0052]
The invention according to claim 41 of the present invention is characterized in that a gold wire fixed with gold paste is connected to a heater land portion, and the other end of the gold wire is connected to a pin of a pedestal. The structure in which the gold wire is fixed to the portion with gold paste, that is, since the heater lands are all made of gold, the peeling of the gold wire due to the difference in the coefficient of thermal expansion when heating the heater is reduced and the heat generated by the gold wire Is also obtained.
[0053]
According to the invention described in claim 42 of the present invention, by controlling the power supply to the heater so that the heat generation temperature of the heater becomes a constant temperature in accordance with the output of the temperature detection unit provided on the cover, Since the temperature of the entire detection unit can be brought close to the target temperature with high accuracy, the effect that the influence on the output due to the change in the ambient temperature can be further reduced can be obtained.
[0054]
In the invention according to claim 43 of the present invention, the temperature output is performed by converting the heater control signal into the ambient temperature from the correlation between the heater control signal and the ambient temperature. This is because when the ambient temperature changes, the amount of power supplied to the heater changes to keep the heater at a constant temperature, so the ambient temperature is determined using the fact that the signal controlling the amount of power has a correlation with the ambient temperature. ing. Thus, an effect is obtained that an ambient temperature that cannot be obtained from the output of the temperature detection unit can be accurately output.
[0055]
The invention according to claim 44 of the present invention is characterized in that the heating temperature of the heater is set to be equal to or higher than the boiling point of water. As a result, it is possible to remove the dew condensation water, and it is possible to obtain the effect that the dew condensation does not occur during use, so that accurate detection can be performed.
[0056]
According to the invention described in claim 45 of the present invention, the heating temperature of the two detectors is set higher than the heating temperature of the heater, so that a temperature gradient can be generated between the heating element and the heater. Even if it does, the effect that two sets of detection parts can output is obtained.
[0057]
According to the invention described in claim 46 of the present invention, the sensitivity of the humidity output can be made practically large even when the heater is in operation by setting the difference between the heat generation temperatures of the two sets of detection units to 50 ° C. or more. And the humidity can be detected with high accuracy.
[0058]
The invention according to claim 47 of the present invention provides a gas sensor at a part of a housing containing a fuel cell or at a part of an air electrode side outlet pipe of a fuel cell stack to prevent hydrogen gas leakage from the fuel cell. By detecting the gas sensor and issuing an alarm and controlling the fuel cell to be stopped by ventilating the inside of the housing, only the hydrogen concentration can be accurately detected even in the gas to be detected including moisture, so that hydrogen leakage is prevented. The effect that a fuel cell system with high safety can be constituted can be obtained.
[0059]
In the invention according to claim 48 of the present invention, at least one of a fuel cell or a hydrogen fuel container and a fuel cell control circuit board are incorporated in one housing, and a gas sensor is provided on a part of the fuel cell control circuit board. With this configuration, even if hydrogen leaks from either the fuel cell or the hydrogen fuel container, the gas sensor is provided in the vicinity of the leak, so that it is possible to quickly detect the hydrogen leak.
[0060]
The invention according to claim 49 of the present invention provides a fuel cell, comprising: a fuel cell; a fuel container for supplying hydrogen fuel to the fuel cell; a fan for supplying air to the fuel cell; and a gas sensor; And a fuel cell control circuit board for controlling a fan and a secondary battery for charging a part of the power generated by the fuel cell are incorporated in one housing, and when the gas sensor detects hydrogen of a predetermined value or more, the fuel With the battery stopped, the fan is operated at the maximum rotation speed with the power of the secondary battery until the hydrogen concentration becomes equal to or lower than a predetermined value. Since the inside of the housing is exhausted, an effect that safety can be ensured can be obtained.
[0061]
The invention according to claim 50 of the present invention is arranged such that a fan is provided in a position near the air intake provided in a part of the housing so that air outside the housing can be blown to the entire inside of the housing. With this configuration, the effect is obtained that the safety can be further ensured because hydrogen does not stay in the housing.
[0062]
The invention described in claim 51 of the present invention has an effect that air can be efficiently introduced into the air electrode of the fuel cell by employing a configuration in which the air introduction portion of the fuel cell is opened toward the fan. can get.
[0063]
The invention according to claim 52 of the present invention is configured such that the air discharged from the air discharge portion is formed by opening the air discharge portion of the fuel cell toward the air discharge port provided in a part of the housing. By flowing to the air outlet, the air around the air outlet can also be exhausted to the outside of the housing, so that the entire air in the housing can be efficiently exhausted to the outside.
[0064]
The invention according to claim 53 of the present invention is configured such that the area of the air outlet is larger than the area of the air inlet, so that air introduced into the housing from the air inlet stays in the housing. As a result, the air inside the housing can be quickly ventilated without increasing the pressure inside the housing.
[0065]
The invention according to claim 54 of the present invention has a configuration in which the air intake port and the air exhaust port are respectively provided on the farthest wall surfaces in the housing, so that the path of the air passing through the housing becomes longer. The effect is obtained that the entire inside of the housing can be ventilated uniformly.
[0066]
According to a fifty-fifth aspect of the present invention, since the stainless steel net is provided at the air intake and the air exhaust, even if hydrogen is leaked and burned in the fuel cell system, the net is formed. This has the effect of absorbing heat and preventing the flame from propagating out of the net.
[0067]
The invention according to claim 56 of the present invention is configured so that the fuel cell is controlled to operate so that the secondary battery is fully charged whenever the gas sensor does not detect hydrogen equal to or more than a predetermined value. Accordingly, it is possible to ensure that the fan can be operated when the hydrogen leak is detected, thereby ensuring the safety.
[0068]
The invention according to claim 57 of the present invention is configured such that the gas sensor is controlled to continue operating regardless of whether or not the fuel cell is generating power, so that hydrogen leaks when the fuel cell system is not used. However, since the detection can be reliably performed, the effect that the safety can be further secured can be obtained.
[0069]
The invention according to claim 58 of the present invention has a capacity capable of charging the fan operating power required to supply the secondary battery with air at least 50 times the volume of hydrogen fully charged in the fuel container. With this configuration, even if the fully-filled hydrogen leaks, the fan can supply 50 times or more the air, so that the hydrogen concentration can be diluted to 2% or less and an extremely high safety can be secured. .
[0070]
The invention according to claim 59 of the present invention is configured such that the secondary battery is a lithium ion battery, so that the gas sensor can be continuously operated even when the fuel cell system is placed at a low temperature. It is possible to obtain an effect that hydrogen leakage can be detected and a fan can be operated upon detection.
[0071]
The invention according to claim 60 of the present invention is arranged such that a gas sensor is disposed in an upper part of a boarding space, and the boarding space has an optimum temperature and humidity based on a humidity output and a temperature output of the gas sensor. While controlling the air conditioner provided in part, if the hydrogen concentration in the boarding space is equal to or more than a predetermined value from the hydrogen concentration output of the gas sensor, an alarm is issued and ventilation in the boarding space is performed to shut off the hydrogen supply source. With such a configuration, not only hydrogen leak detection but also humidity and temperature data can be obtained with only one gas sensor in the boarding space, so that air conditioner control is normally performed and the fuel cell system is stopped when hydrogen leaks. By performing such control, the effect of improving the safety and comfort of the vehicle can be obtained.
[0072]
With the above configuration and operation, a gas sensor capable of detecting the hydrogen concentration and the humidity separately in an environment where hydrogen and water vapor coexist is obtained.
[0073]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0074]
FIG. 1A is an exploded perspective view of a gas detection unit of the gas sensor according to the embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a completed perspective view of the gas detection unit of the same sensor. FIG. 2A is an exploded perspective view of a heater used in the gas sensor according to the embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a completed perspective view of the heater used in the sensor. FIG. 3 is an exploded perspective view showing a mounting state of the detection unit of the gas sensor according to the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic sectional view of the gas sensor according to the embodiment of the present invention.
[0075]
In FIG. 1A, reference numeral 1 denotes a substrate made of silicon. On a substrate 1, a high-temperature heating element 2, a high-temperature heating element 3, a low-temperature heating element 4, a low-temperature heating element 5, and a pressure detecting element 4 made of a platinum thin film. The strain detecting elements 6 and the lands 7 of each element are formed by a micromachine technique. On the surface on which these elements are formed, a thin film made of silica is formed on the surface excluding the lands 7 as a protective film of the elements. Immediately below the back surface of each element, a hollow portion 8 that is not penetrated with respect to the element is formed by etching and digging from the surface of the substrate 1 opposite to the element forming surface. Here, since the cavity 8 on the back surface of the strain detecting element 6 is 0.2 mm square, a diaphragm having a side of 0.2 mm is formed. Other cavities 8 are 0.3 mm square. The heating elements 2, 3, 4, and 5 are formed in a size of 0.15 mm square on one side in a broken pattern. For this reason, the heating elements 2, 3, 4, and 5 fall within a range smaller than the cross-sectional area of the cavity 8. Outside the heating elements 2, 3, 4, 5, and within the cross-sectional area of the cavity 8, there are four locations reaching the cavity 8 along each side of the heating elements 2, 3, 4, 5. A through hole 9 is provided. As a result, transmission of heat from the heating elements 2, 3, 4, and 5 to the substrate 1 is reduced.
[0076]
As shown in FIG. 1 (a), on the substrate 1, the interval between the high-temperature detecting section 10 composed of the high-temperature heating elements 2 and 3 and the low-temperature detecting section 11 composed of the low-temperature heating elements 4 and 5 is different from that of the heating element 2 for detection. By making the distance between the heating element 4 and the reference heating elements 3 and 5 wider, the mutual heat effect of the high-temperature detecting section 10 and the low-temperature detecting section 11 is reduced, and the four strain detecting elements 6 The pressure detecting unit 12 is provided to effectively use the substrate 1.
[0077]
A bottom plate 13 made of silicon having the same area as the substrate 1 is joined to the cavity 8 side of the substrate 1 in air whose temperature and humidity are controlled under a pressure of 1 atm. The bottom plate 13 is provided with a gas inlet 14 in a part of the area facing the cavity 8 formed on the back surface of the heating elements 2 and 4.
[0078]
A cover 15 made of silicon is joined to the element forming surface side of the substrate 1 in air in which temperature and humidity are controlled. The cover 15 has a 0.3 mm square recess 16 of the same shape as the cavity 8 formed on the upper surface of the elements 2, 3, 4, 5, 6 disposed on the substrate 1. At the center of the upper surface of the depression 16 arranged on the upper surface, that is, the center of the upper surface of the cover 15, a temperature detecting unit 17 and a through hole 9 made of a platinum thin film having the same shape as the heating elements 2, 3, 4, 5 are provided. As a result, the pressure detecting section 12 is disposed immediately below the concave section 16 provided on the back surface of the temperature detecting section 17, and the cross section of the concave section 16 is 0.3 mm square. It will be larger than the diaphragm (0.2 mm square). On the surface of the temperature detecting section 17, a thin film made of silica similar to the heating elements 2, 3, 4, and 5 is formed. In addition, the area of the portion where the temperature detecting section 17 is formed is smaller than the cross-sectional area of the hollow section 16.
[0079]
A support 18 is joined to a part of the bottom plate 13 not joined to the substrate 1.
[0080]
Thus, the gas detection unit 19 as shown in FIG. 1B is formed.
[0081]
Next, the heater 25 arranged in the vicinity of the gas detector 19 will be described. In FIG. 2A, the heater pattern 20 is formed by printing a platinum paste on one side of an alumina green sheet 21 in a thick film. The heater land portion 22, which is a part of the heater pattern 20, is further formed by overcoating and printing a gold paste.
[0082]
Another alumina green sheet in which only the heater land portion 22 is hollowed out from above is overlaid, and both are fired at once. Thereafter, the electrical connection is made by fixing the gold wire 23 for power supply to the heater land portion 22 with the gold paste 24 and firing it.
[0083]
Thus, a heater 25 as shown in FIG. 2B is formed.
[0084]
In FIG. 2B, two gold wires 23 are connected to the heater land portion 22 two by two. However, when power is supplied to the heater 25, there is a possibility that sufficient current cannot flow due to the diameter of the gold wire 23. For this reason, the required number of wires may be connected according to the diameter of the gold wire 23 to be used.
[0085]
Next, mounting of the detection unit will be described. In FIG. 3, the support 18 of the gas detector 19 is joined to the heater 25. The heater 25 is further joined to the base 26. The pedestal 26 is formed by fitting a heat insulating material 27 (for example, heat resistant resin) colored black into a metal cylinder 28. In addition, a plurality of pins 29 for wiring the gas detection unit 19 and the heater 25 are arranged so as to penetrate the heat insulating material 27 in a portion that does not interfere with the gas detection unit 19 and the heater 25.
[0086]
The pedestal 26 is covered with a cap 30. The cap 30 is provided with a hole 32 in which a stainless steel net 31 is welded and joined at a position not facing the gas detector 19 when the cap 30 is put on the pedestal 26. The inner surface of the cap 30 is colored with black chrome plating.
[0087]
An outer cap 33 is further placed outside the cap 30. The outer cap 33 is provided with an outer hole 34 formed by welding and joining a stainless steel net 31 at a position not opposed to the hole 32 provided in the cap 30.
[0088]
The cap 30 and the outer cap 33 are sequentially put on the pedestal 26, and are mechanically fixed by resistance welding collectively.
[0089]
Thus, the detection unit 35 is completed.
[0090]
Next, the structure of the gas sensor including the detection unit 35 will be described. In FIG. 4, the detection unit 35 is mechanically and electrically connected by inserting the pins 29 into a part of a printed circuit board constituting the detection circuit 36 and soldering them. A detection circuit 36 is inserted into the container 37, and a container lid 39 previously passed through an extraction cable 38 connected to the detection circuit 36 is fitted therein, and an inlet (not shown) provided with the moisture-proof resin 40 in the container lid 39. ), The resin is injected into the entire space between the detection circuit 36 and the container lid 39 and cured, and then the container 37 and the container lid 39 are caulked and fixed.
[0091]
A gas inlet 41 is opened on the bottom surface of the container 37, and a screw portion 42 for attaching a sensor is machined on the side surface.
[0092]
Thus, the gas sensor 43 is completed.
[0093]
Next, an example of mounting the gas sensor will be described with reference to FIGS. 5, 6, and 7. FIG.
[0094]
FIG. 5 is a schematic block diagram when the gas sensor according to the embodiment of the present invention is attached to a stationary fuel cell system. FIG. 6 is a schematic block diagram when the gas sensor according to the embodiment of the present invention is attached to a portable or portable fuel cell system. FIG. 7 is a sectional view showing a schematic structure of a fuel cell vehicle using the gas sensor according to the embodiment of the present invention.
[0095]
First, the stationary fuel cell system will be described by taking a solid polymer membrane type as an example. In FIG. 5, reference numeral 51 denotes a hydrogen tank. The hydrogen tank 51 is replaced with a reformer in the case of a reforming type fuel cell system. Hydrogen in the hydrogen tank 51 is introduced into a hydrogen humidifier 53 through a shutoff valve 52. Here, moisture is applied to prevent the solid polymer membrane in the fuel cell from drying. The humidified hydrogen is introduced to the hydrogen electrode side of the fuel cell stack 54. On the other hand, air required for power generation is also humidified by the compressor 55 in the fuel cell stack 54 by the air humidifier 56 and introduced to the air electrode side. As a result, the fuel cell stack 54 generates electric power and supplies electric power to the outside through the fuel cell control circuit 57 as shown by the thick line. Water generated as a result of power generation is discharged from the fuel cell stack 54 to the outside together with air.
[0096]
Such a fuel cell system is entirely housed in a housing 58. In the housing 58, as shown by the black circles in FIG. 5, hydrogen leaks to the vicinity of the hydrogen tank 51, the vicinity of the fuel cell stack 54, a part of the outlet pipe on the air electrode side of the fuel cell stack 54, and the like. A gas sensor for detection is arranged. As a result, if any of the gas sensors detects a hydrogen leak, the fuel cell control circuit 57 controls to close the shut-off valve 52, operate the alarm 59 and the ventilation fan 60, and stop the fuel cell. A specific control operation will be described later using a flowchart.
[0097]
Next, a portable or portable fuel cell system will be described. In FIG. 6, reference numeral 61 denotes a hydrogen fuel container containing a hydrogen storage alloy. The hydrogen in the hydrogen fuel container 61 is reduced to a predetermined pressure by the pressure reducing valve 62 and supplied to the hydrogen electrode side of the fuel cell stack 63. On the other hand, the air required for power generation is also supplied to the fuel cell stack 63 by the fan 64 to the air electrode side. Note that the fan 64 is disposed near an air intake 67 with a stainless steel net 66 provided in a part of a housing 65 that houses the entire fuel cell system. In addition, the entire amount of air introduced by the fan 64 is not taken into the fuel cell stack 63, but a gap is provided between the fan 64 and the air introduction portion 68 of the fuel cell, and a part of the introduced air is Air can be sent to the entire inside of the housing 65. With such a structure, the air introducing portion 68 has a trumpet-shaped portion opened toward the fan 64 as shown in FIG. 6 so that air can be efficiently taken into the air electrode side of the fuel cell stack 63. It is.
[0098]
By supplying hydrogen and air to the fuel cell stack 63 in this manner, the fuel cell stack 63 generates power and charges the secondary battery 70 composed of a lithium ion battery via the fuel cell control circuit board 69 as shown by the thick line. While supplying power to mobile devices. Further, water generated as a result of power generation is discharged from the fuel cell stack 63 to the outside through an air discharge portion 71 with a net 66 together with air through the air discharge portion 71. Here, the air discharge portion 71 is mounted in a state of opening toward the air discharge port 72. However, since the area of the air discharge port 72 is larger than the cross-sectional area of the air discharge portion 71, the fan 65 The air taken in is also discharged to the outside from the air discharge port 72. The air outlet 72 is arranged on the wall farthest from the air inlet 67 in the housing 65 so that the former area is larger than the latter area. As the air flows, the air taken in by the fan 64 is quickly discharged to the outside, so that the pressure in the housing 65 does not increase.
[0099]
In such a fuel cell system, a gas sensor 73 for detecting hydrogen leakage is mounted on a part of the fuel cell control circuit board 69. Here, since the gas sensor 73 is directly mounted on the fuel cell control circuit board 69, the gas sensor 73 is attached in the state of the detection unit 35 shown in FIG. 3 without using the container 37 shown in FIG.
[0100]
With this configuration, if the gas sensor 73 detects a hydrogen leak of a predetermined value or more in the housing 65, the fuel cell control circuit board 69 controls the fan 64 to operate at the maximum rotation speed and stop the fuel cell. A specific control operation will be described later using a flowchart.
[0101]
Next, a fuel cell vehicle will be described. In FIG. 7, reference numeral 101 denotes a main body of an automobile. The main body 101 is formed in a state where a riding space 102, a hydrogen tank storage space 103, a driving means storage space 104, and an underfloor space 105 are separated as spaces. The hydrogen tank storage space 103 is provided with a tank 106 for storing hydrogen. The tank 106 has a double structure including an outer tank 107 and an inner tank 108 in order to secure safety against hydrogen leakage particularly at the time of collision, and hydrogen is stored in the inner tank 108. Further, a motor 109 for driving the main body 101 is provided in the driving means storage space 104. A fuel cell stack 110 is provided in the underfloor space 105.
[0102]
The hydrogen supplied from the tank 106 is converted into electric energy by a fuel cell stack 110 provided in the underfloor space 105, and the electric energy is transmitted to the motor 109 to drive the tire 111. The steering direction of the tire 111 is controlled by the handle 112 from within the riding space 102.
[0103]
In such an automobile, a gas sensor 113 is provided in each space. Specifically, the gas sensor 113 provided in the boarding space 102 has a gas sensor 113 provided in the front part of the ceiling 115, which is the uppermost part of the boarding space 102, and the gas sensor 113 provided in the hydrogen tank storage space 103 has an outer shape because the tank 106 has a double structure. The gas sensor 113 provided in the driving means storage space 104 at the top of the tank 107 is located at the rear end of the bonnet, which is the uppermost part of the driving means storage space 104. The gas sensor 113 provided in the underfloor space 105 is located at the top of the underfloor space 105. Respectively. Further, although not shown, a gas sensor is also arranged at a part of the air electrode side outlet pipe of the fuel cell stack 110 as in FIG.
[0104]
When any of these gas sensors 113 detects a hydrogen leak, as described with reference to FIG. 5, the hydrogen supply source is shut off, and an alarm and ventilation are performed. In addition, since the gas sensor 113 provided in the boarding space 102 can also detect humidity and temperature, an air conditioner provided in a part of the boarding space 102 is usually controlled so that the inside of the boarding space 102 has an optimum temperature and humidity. ing. A specific control operation will be described later using a flowchart.
[0105]
Next, the operation of the gas sensor will be described.
[0106]
FIG. 8 is a schematic circuit diagram for explaining a circuit configuration of the gas sensor according to the embodiment of the present invention. FIG. 9 is a graph showing a hydrogen concentration output characteristic of the high-temperature detecting section of the gas sensor according to the embodiment of the present invention under humidification. FIG. 10 is a correlation diagram between the humidity and the offset of the high-temperature detecting section of the gas sensor according to the embodiment of the present invention. FIG. 11 is a correlation diagram of the humidity and the offset of the high temperature detection unit and the low temperature detection unit of the gas sensor according to the embodiment of the present invention, and a correlation diagram of the difference between the high temperature output and the low temperature output (= humidity output) with respect to humidity. FIG. 12 is a correlation diagram between the humidity output of the gas sensor and the offset (humidity correction amount) according to the embodiment of the present invention. FIG. 13 is a graph showing a hydrogen concentration output characteristic under humidification after humidity correction of the gas sensor according to the embodiment of the present invention. FIG. 14 is a flowchart showing a procedure for calculating the hydrogen concentration and the humidity of the gas sensor according to the embodiment of the present invention.
[0107]
In FIG. 8, a fixed resistor A44 is connected in series to each of the high-temperature heating element 2 and the high-temperature heating element 3, and a bridge circuit is formed by connecting them in parallel. Similarly, fixed resistors B45 are connected in series to the low-temperature heating elements 4 and 5, respectively, and a bridge circuit is formed by connecting them in parallel.
[0108]
A DC power supply 46 for the high temperature detection unit and a DC power supply 47 for the low temperature detection unit are connected to both bridge circuits. The microcomputer 48 controls the output voltages of both so that the element heating temperatures of the high-temperature detecting section 10 and the low-temperature detecting section 11 become predetermined values according to the output of the temperature detecting section 17. The element temperature of the high-temperature detecting section 10 is controlled to be about 190 ° C. and the element temperature of the low-temperature detecting section 11 is controlled to be about 140 ° C. even if the ambient temperature changes. Thus, the temperature is controlled so as to be equal to or higher than the boiling point of water and the temperature difference between the two is about 50 ° C.
[0109]
The output voltages of the bridge circuits of the high temperature detection unit 10 and the low temperature detection unit 11 are input to the microcomputer 48. Further, the microcomputer 48 receives an output voltage of a bridge circuit including four strain detecting elements 6 formed in the pressure detecting section 12 and a signal line for controlling a heater power supply 49 for supplying power to the heater 25. Is connected. The microcomputer 48 outputs the output voltages of the bridge circuits of the high temperature detection unit 10 and the low temperature detection unit 11, the output voltages of the temperature detection unit 17 and the pressure detection unit 12, and the data stored in the memory 50 connected to the microcomputer 48. Based on the calculation, a hydrogen concentration, a humidity, a temperature, and, if necessary, a pressure are output by performing calculations described later.
[0110]
Further, the microcomputer 48 controls the DC power supply 46 for the high-temperature detection unit and the low-temperature It also has a function of controlling the DC power supply 47 for the detection unit and the heater power supply 49. The heater temperature was about 110 ° C., which is higher than the boiling point of water. As a result, the entire gas detector 19 is heated to about 110 ° C.
[0111]
Regarding the temperature output, since the heater 25 is operated, the output of the temperature detection unit 17 becomes almost the heater target temperature (about 110 ° C.) and does not reflect the ambient temperature of the gas detection unit 19. Therefore, the temperature output signal is focused on the fact that the signal for controlling the output power of the heater power supply 49 has a correlation with the ambient temperature, and the microcomputer 48 converts this signal into the ambient temperature and outputs the signal.
[0112]
The gas to be detected in the vicinity of the gas sensor or in the pipe passes through the gas inlet 41, the outer hole 34, and the hole 32 to reach the gas detector 19 disposed in the cap 30. The gas to be detected in the vicinity of the gas detector 19 reaches the high-temperature heating element 2 and the low-temperature heating element 4 through the gas inlet 14. Since a current flows through these heating elements 2 and 4, the elements are heated to a constant temperature. However, if there is hydrogen or moisture in the gas to be detected, the thermal conductivity of the gas to be detected changes according to the concentration thereof, and heat is generated. , The temperature of the heating elements 2 and 4 changes. This change is input to the microcomputer 48 as a change in the voltage across the heating elements 2 and 4.
[0113]
On the other hand, since the high-temperature heating element 3 and the low-temperature heating element 5 have no gas inlet, the gas to be detected does not reach these heating elements 3 and 5. Therefore, the voltage between both ends of the heating elements 3 and 5 does not change depending on the gas to be detected, and continues to output a voltage corresponding to the temperature inside the gas sensor. As a result, the differential output of each bridge circuit corresponds to a value obtained by correcting the ambient temperature. As described above, since the temperatures of the high temperature detection unit 10, the low temperature detection unit 11, and the heater 25 are controlled to predetermined values, it is not necessary to correct the ambient temperature. Since it is assumed that a steep change of the value is out of a predetermined value, the ambient temperature is corrected by the heating elements 3 and 5.
[0114]
The microcomputer 48 corrects the temperature and pressure with the output of the temperature detecting unit 17 and the pressure detecting unit 12 based on the voltage value of each bridge circuit described above, and adjusts the hydrogen concentration, humidity, temperature, and pressure as necessary. It calculates and outputs each. Note that the pressure correction of the hydrogen concentration and the humidity is not so much affected by the pressure when the gas sensor is always near the atmospheric pressure. For example, the outlet on the air electrode side of the fuel cell stack described with reference to FIGS. Pressure correction is required when the sensor is installed in a place that receives large pressure fluctuations (up to several atmospheres), such as in a pipe.
[0115]
Note that part or all of the circuit described in FIG. 8 may be provided on a silicon substrate that forms the substrate 1 and the cover 15.
[0116]
Next, a calculation method for obtaining the hydrogen concentration and the humidity performed by the microcomputer 48 will be described.
[0117]
First, a correction parameter stored in the memory 50 at the time of manufacturing the gas sensor is created as follows. First, a differential output is obtained from output voltages of both bridge circuits with respect to a known hydrogen concentration under dry air in a certain environment (temperature and pressure). For example, in an environment of 80 ° C. and 1 atm, dry air mixed with a hydrogen concentration of 1% is passed through a gas sensor to obtain a differential output voltage at that time. This value is called a hydrogen concentration conversion coefficient, and is set to a in the high temperature detection unit and b in the low temperature detection unit.
[0118]
Next, the differential outputs of both bridge circuits under various known humidity are determined. For example, the relative humidity is set to 0, 17, 42, and 55% at 80 ° C., and the differential output at that time is obtained. The obtained differential output at each humidity is divided by the above-mentioned hydrogen concentration conversion coefficients a and b, and the output is normalized by the hydrogen sensitivity. As a result, the output of the differential output becomes 1 when the hydrogen concentration is 1%, so that the unit is the hydrogen concentration (%) (hereinafter,% H). 2 Shown).
[0119]
Next, the difference between the standardized output of the high-temperature detection unit and the normalized output of the low-temperature detection unit at each humidity is obtained.
[0120]
Next, a third-order approximation formula is obtained by the least squares method from the correlation between the output difference at each humidity and the normalized output of the high-temperature detection unit. The parameters of this cubic approximation are k, l, m, and n.
[0121]
The constants a, b, k, l, m, and n obtained above are similarly obtained by changing environmental conditions (temperature and pressure). The obtained constants are stored in the memory 50 as a table for the temperature and the pressure.
[0122]
Next, a calculation method when the gas sensor is operated will be described.
[0123]
During operation of the gas sensor, voltages at both ends of each element of the high-temperature detection unit and the low-temperature detection unit are obtained. Therefore, the differential output voltage of the heating element for detection and the heating element for reference is obtained. This may be obtained by an analog circuit or may be obtained by calculation inside the microcomputer 48. The obtained differential output voltage is set to Vh for the high temperature detection unit and to Vl for the low temperature detection unit.
[0124]
Next, as shown in the following equation, Vh and Vl are respectively divided by hydrogen concentration conversion coefficients a and b to obtain normalized outputs Vhs and Vls.
[0125]
Vhs = Vh / a (1)
Vls = Vl / b (2)
FIG. 9 shows the results of obtaining the normalized output from the differential output actually obtained at 80 ° C. under various hydrogen concentrations and humidity. Here, the output of Vhs (high temperature detection unit) is shown as a representative, and Vhs is plotted on the vertical axis and hydrogen concentration (known) is plotted on the horizontal axis. The range of the hydrogen concentration was set to 2.2% which is about half of 4% which is the explosion limit of hydrogen, and the relative humidity was set to be the same as when the correction parameter was obtained.
[0126]
From FIG. 9, it can be seen that when the humidity is 0% RH, Vhs increases in proportion to the hydrogen concentration and the hydrogen sensitivity is obtained, but when humidified, the zero point drifts greatly according to the relative humidity, and in the figure, As shown, the output under humidification is output with an offset corresponding to the drift. Therefore, it can be seen that humidity and hydrogen concentration cannot be distinguished at all from the output of a sensor configuration having only one bridge circuit as in the conventional example. Note that Vls shows the same tendency.
[0127]
FIG. 10 shows the correlation between the relative humidity and the offset. The vertical axis represents the offset, that is, Vhs when the hydrogen concentration is 0%, and the horizontal axis represents the relative humidity. From FIG. 10, the offset indicates the characteristic of a quadratic curve having a peak with respect to humidity. Therefore, if the humidity is obtained by any method and the offset is subtracted from the correlation shown in FIG. 10, only the hydrogen concentration can be obtained.
[0128]
Therefore, a method of obtaining the humidity will be described next.
[0129]
FIG. 11 is a plot of the offset shown in FIG. 10 for each of the high-temperature detection unit and the low-temperature detection unit. The unit of the vertical axis is% H standardized by hydrogen concentration. 2 Therefore, the sensitivity (slope) with respect to the hydrogen concentration becomes equal to each other, but as is clear from FIG. 11, the offset, that is, the humidity sensitivity has different curves for both. Paying attention to the output difference between the two, the output difference Hum between the high temperature detection unit and the low temperature detection unit was calculated according to the following equation.
[0130]
Hum = Vhs-Vls (3)
Hum is shown on the right vertical axis of FIG. Since Hum is proportional to relative humidity, it was found that Hum can represent the humidity output.
[0131]
Therefore, the relative humidity can be obtained from the correlation with the relative humidity shown in FIG. 11 by calculating Hum.
[0132]
From this relative humidity, an offset can be obtained from the correlation between the relative humidity and the offset shown in FIG. 10 and subtracted from the normalized output Vhs of the high-temperature detection unit, but an output of only the hydrogen concentration can be obtained. Directly sought. FIG. 12 shows the results. The characteristics of the quadratic curve were obtained at the same time as FIG. 10, but it was found from the detailed examination by the inventors that this correlation can be represented most accurately by a cubic approximation formula using the least squares method. Therefore, the relationship between Hum and the offset Off, that is, the humidity correction amount (humidity correction formula) is expressed by formula (4).
[0133]
Off = k * Hum ＾ 3 + 1 * Hum ＾ 2 + m * Hum + n (4)
Here, the constants k, l, m, and n are values obtained at the time of manufacturing the sensor.
[0134]
If Off is obtained by the equation (4), the hydrogen concentration H can be obtained by subtracting Off from the normalized output Vhs of the high temperature detection unit.
[0135]
H = Vhs-Off (5)
FIG. 13 shows Vhs after the humidity correction is performed in this manner. The way to read the figure is the same as that in FIG. It can be seen that the offset due to humidity can be significantly reduced as compared with FIG.
[0136]
With the above calculations, the humidity and the hydrogen concentration can be determined separately.
[0137]
In the calculation of the expression (4), the value of Off for Hum may be obtained in advance and stored in the memory 50 as a calculation result table, and Off may be immediately obtained by referring to the table from the obtained Hum.
[0138]
Here, the features of the above calculation method will be described. As is apparent from the expressions (1) to (5), all of them can be obtained by simple four arithmetic operations, so that a gas sensor having a very fast calculation speed and good responsiveness can be realized. This is based on the conventional binary equation obtained from the correlation between the outputs obtained by the high-temperature detection unit and the low-temperature detection unit and the two types of gas component concentrations X and Y as shown in, for example, Japanese Utility Model Registration No. 1867326. In the case of a solving method, an exact solution cannot be easily obtained when the humidity output cannot be represented by a linear line as described in the present embodiment. The calculation to be solved is much more complicated than the method obtained by the calculation using the equations (1) to (5). Therefore, it can be seen that the calculation method of the present embodiment is extremely advantageous in a system where the humidity is mixed.
[0139]
The above calculation method is programmed in the microcomputer 48. When the differential outputs Vh and Vl obtained during the operation of the gas sensor are input, the above equations (1) to (5) are calculated and the hydrogen concentration and humidity are calculated. Output. This calculation procedure is shown in the flowchart of FIG.
[0140]
First, the differential output voltages Vh and Vl of the bridges of the high temperature detection unit and the low temperature detection unit are read (S1). At the same time, the temperature and pressure at that time are calculated and obtained from the heater control signal and the output of the pressure detector, respectively (S2).
[0141]
Next, standardized outputs Vhs and Vls are obtained from Vh and Vl by the hydrogen concentration conversion coefficients a and b corresponding to the temperature and the pressure obtained in advance according to the equations (1) and (2) (S3). From the obtained Vhs and Vls, the output difference Hum is obtained by the equation (3) (S4).
[0142]
Since the output difference Hum has a correlation with the humidity, the humidity corresponding to the temperature and the pressure is obtained from the correlation (for example, FIG. 11) obtained in advance (S5).
[0143]
Further, the humidity correction amount Off is obtained from Hum from the relationship of Expression (4) (S6), and the hydrogen concentration is obtained by subtracting the humidity correction amount Off from the normalized output Vhs of the high temperature detection unit from Expression (5) (S7). .
[0144]
The hydrogen concentration, humidity, and temperature obtained by the above procedure, and pressure are output as needed for control of the fuel cell system (S8).
[0145]
By such an operation, a gas sensor capable of separating and outputting the hydrogen concentration and the humidity can be realized.
[0146]
Next, a stationary fuel cell system using a gas sensor according to the present embodiment, a portable or portable fuel cell system, and a control operation based on a gas sensor output of an automobile will be described with reference to FIGS. 15, 16, and 17. FIG.
[0147]
FIG. 15 is a flowchart showing an operation control subroutine based on a gas sensor output in the stationary fuel cell system using the gas sensor according to the embodiment of the present invention. FIG. 16 is a flowchart showing an operation control subroutine based on a gas sensor output in a portable or portable fuel cell system using a gas sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 17 is a follow chart showing an operation control subroutine based on a gas sensor output in an automobile using a gas sensor according to the embodiment of the present invention.
[0148]
First, the stationary fuel cell system will be described on the assumption that hydrogen concentration detection is performed by interruption every predetermined time while software (hereinafter, referred to as a main routine) for controlling the operation of the entire fuel cell system is executed. FIG. 15 shows a subroutine in that case. This subroutine is written in a part of the fuel cell system operation software.
[0149]
When jumping to the subroutine of FIG. 15 due to the occurrence of an interrupt in the main routine, first, the output value of the hydrogen concentration of the gas sensor is read (S11). At this time, as shown in FIG. 5, since the fuel cell system is provided with a plurality of gas sensors to monitor hydrogen leakage, the outputs of all the gas sensors are sequentially read. Next, it is sequentially determined whether or not the hydrogen concentration output of any of the gas sensors has exceeded a predetermined value (for example, 2%) (S12). If none of the outputs exceed the predetermined value, the process returns to the main routine as it is (no in S12). If there is at least one output equal to or more than the predetermined value (yes in S12), control is performed so as to immediately stop the fuel cell. Specifically, first, the shutoff valve 52 on the fuel supply side is closed (S13), and the ventilator 60 is driven to release the hydrogen leaking into the housing 58 to the atmosphere (S14), and the fact of hydrogen leakage is notified. For this purpose, the alarm 59 is activated (S15). Thereafter, the hydrogen leak flag is turned on (S16), and the process returns to the main routine. In the main routine, the system is controlled so that the fuel cell is safely stopped by the hydrogen leak flag.
[0150]
Next, a portable or portable fuel cell system will be described. Similarly to the stationary fuel cell system, it is assumed that during the execution of the main routine that controls the operation of the entire fuel cell system mounted on the fuel cell control circuit board, the hydrogen concentration is detected by interruption every predetermined time. Will be explained. FIG. 16 shows a subroutine at that time. This subroutine is written in a part of the fuel cell system operation software.
[0151]
When jumping to the subroutine of FIG. 16 due to occurrence of an interrupt in the main routine, first, the output value of the hydrogen concentration of the gas sensor is read (S21). If the hydrogen concentration output exceeds a predetermined value (for example, 2%) (Yes in S22), the power generation of the fuel cell is immediately stopped (S23), and the fan is rotated at the maximum rotational speed by the power of the secondary battery built in the housing. Then, the leaked hydrogen is discharged out of the housing (S24). Thereafter, the flow returns to S21, and the fan continues to run until the output of the gas sensor falls below a predetermined value.
[0152]
In this case, since the secondary battery has a capacity capable of charging the fan driving power required to supply air having a volume at least 50 times or more the volume of hydrogen completely filled in the fuel container, the Even if all the hydrogen in the container leaks, the fan can continue to supply enough air to dilute the entire hydrogen to the hydrogen concentration monitoring level (default value) of 2% or less, which reduces the possibility of explosive combustion of hydrogen. It can be extremely reduced.
[0153]
If the hydrogen concentration output of the gas sensor does not exceed the predetermined value (No in S22), the state of charge of the secondary battery is checked (S25). If the battery is fully charged, the process returns to the main routine (Yes in S25). If the battery is not fully charged (No in S25), the power generation of the fuel cell is stopped if it is stopped (S26), and an operation of charging a part of the power generated by the fuel cell to the secondary battery is performed (S27). ) Return to the main routine.
[0154]
By operating as described above, the secondary battery is always in a fully charged state. Therefore, even when hydrogen leaks, the total amount thereof can be diluted to a predetermined value or less, and extremely high safety can always be ensured.
[0155]
Although not explicitly shown in the flow chart, the flow chart of FIG. 16 is designed to keep the gas sensor operating regardless of whether the fuel cell is generating power or not, so that even if the fuel cell is not in use, the hydrogen When the occurrence occurs, the fan is automatically turned to exhaust, and when the charge amount of the secondary battery becomes insufficient, the fuel cell is automatically started and controlled to continue to operate until it is fully charged. I have. Accordingly, the fuel cell system operates so that safety can always be ensured even when the fuel cell system is not used for a long period of time. Note that, in this case, the gas sensor is always in an operating state. However, the gas sensor according to the present embodiment has low power consumption because it is based on micromachine technology, and can be sufficiently applied to such uses.
[0156]
Next, an automobile will be described. Also in this case, as in the stationary fuel cell system, the description will be made on the assumption that the hydrogen concentration, humidity, and temperature are detected by interruption every predetermined time during the execution of the main routine. FIG. 17 shows a subroutine at that time.
[0157]
When jumping to the subroutine of FIG. 17 due to occurrence of an interrupt in the main routine, first, the output value of the hydrogen concentration of each gas sensor is read (S31). Further, the humidity and temperature outputs of the gas sensors provided in the boarding space 102 are read at the same time (S32), and the humidity and temperature are stored in a storage area referred to by the main routine (S33).
[0158]
Next, it is sequentially determined whether or not the hydrogen concentration output of any of the gas sensors has exceeded a predetermined value (for example, 2%) (S34). If none of the outputs exceed the predetermined value, the process returns to the main routine as it is (No in S34). In the main routine, the current humidity and temperature data in the boarding space 102 stored in the storage area are passed to the air conditioner control software. The air conditioner control software controls the air conditioner based on the received humidity and temperature data so that the inside of the boarding space 102 has an optimum temperature and humidity based on a user set value.
[0159]
On the other hand, if there is at least one hydrogen concentration output equal to or more than the predetermined value (yes in S34), control is performed so as to immediately stop the fuel cell. Specifically, first, the shutoff valve on the fuel supply side is closed (S35) and the air conditioner is driven to the outside air and the maximum air flow is driven to release the hydrogen leaking into the boarding space 102 to the atmosphere (S36). An alarm is activated to inform the driver of the fact of the leakage (S37). Thereafter, the hydrogen leak flag is turned on (S38), and the process returns to the main routine. In the main routine, the system is controlled so that the fuel cell is safely stopped by the hydrogen leak flag.
[0160]
By performing the above control operations, it is possible to safely stop even if hydrogen leaks from the fuel cell system or the vehicle, and furthermore, it is also possible to simultaneously control the air conditioner in the vehicle riding space.
[0161]
Although not shown in the flow chart of FIG. 17, the air pressure supplied to the air electrode of the fuel cell is determined by using the pressure value output from the gas sensor of the present embodiment installed in the pipe at the air electrode side outlet. Can be controlled to an optimum value by a compressor.
[0162]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides four heating elements provided on a single silicon substrate, four cavities respectively provided on the back surfaces of the four heating elements, and four cavities. A bottom plate made of silicon bonded to the substrate so as to cover the substrate, and a gas inlet provided in the bottom plate so as to penetrate two of the four cavities, and the gas inlet is provided. A bridge circuit is formed by a total of two sets of detection units each including one of the heating elements arranged on the cavity and one of the heating elements arranged on the cavity without the gas introduction port, A voltage is applied to the heating elements so that the heating temperatures of the two sets of detection units are different from each other, and the outputs of the two bridge circuits are respectively normalized by a hydrogen sensitivity conversion coefficient obtained in advance from a known hydrogen concentration. Obtain the humidity output from the difference of the standardized output, Since the standardized output is corrected by the humidity correction formula obtained from the correlation between the humidity output and the humidity correction amount under a previously known humidity environment, the hydrogen concentration is obtained, so that even if there is moisture, the hydrogen concentration is determined. A high-speed response and low power consumption gas sensor capable of separately detecting humidity can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is an exploded perspective view of a gas detector of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
(B) Completed perspective view of the gas detection unit of the sensor
FIG. 2 (a) is an exploded perspective view of a heater used for the sensor.
(B) Completed perspective view of the heater used for the sensor
FIG. 3 is an exploded perspective view showing a mounting state of a detection unit of the sensor.
FIG. 4 is a schematic sectional view of the sensor.
FIG. 5 is a schematic block diagram when the sensor is mounted on a stationary fuel cell system.
FIG. 6 is a schematic block diagram when the sensor is attached to a portable or portable fuel cell system.
FIG. 7 is a sectional view showing a schematic structure of a fuel cell vehicle using the sensor.
FIG. 8 is a schematic circuit diagram for explaining a circuit configuration of the sensor.
FIG. 9 is a graph showing a hydrogen concentration output characteristic of the high-temperature detecting section of the sensor under humidification.
FIG. 10 is a correlation diagram between humidity and offset of a high-temperature detection unit of the sensor.
FIG. 11 is a correlation diagram of a humidity and an offset of a high temperature detection unit and a low temperature detection unit of the sensor, and a correlation diagram of a difference between a high temperature output and a low temperature output with respect to humidity (= humidity output).
FIG. 12 is a correlation diagram between the humidity output of the sensor and an offset (humidity correction amount).
FIG. 13 is a graph showing a hydrogen concentration output characteristic under humidification after humidity correction of the sensor.
FIG. 14 is a flowchart showing a procedure for calculating hydrogen concentration and humidity of the sensor.
FIG. 15 is a flowchart showing an operation control subroutine based on the sensor output in the stationary fuel cell system using the sensor.
FIG. 16 is a flowchart showing an operation control subroutine based on the sensor output in a portable or portable fuel cell system using the sensor.
FIG. 17 is a flowchart showing an operation control subroutine based on an output from the sensor in an automobile using the sensor.
[Explanation of symbols]
1 substrate
2 High-temperature heating element
3 High-temperature heating element
4 Low-temperature heating element
5 Low-temperature heating element
6. Strain detection element
7 Land
8 cavity
9 Through hole
10 High temperature detector
11 Low temperature detector
12 Pressure detector
13 Bottom plate
14 Gas inlet
15 Cover
16 hollow
17 Temperature detector
18 Support
19 Gas detector
20 heater pattern
21 Alumina green sheet
22 Heater land
23 Gold Wire
24 Gold paste
25 heater
26 pedestal
27 Insulation material
28 Metal cylinder
29 pins
30 caps
31 net
32 holes
33 outer cap
34 Outer hole
35 Detector
36 Detection circuit
37 containers
38 Takeout cable
39 Container lid
40 Moisture resistant resin
41 Gas inlet
42 Screw
43 Gas sensor
44 Fixed resistance A
45 Fixed resistance B
46 DC power supply for high temperature detector
47 DC power supply for low temperature detector
48 Microcomputer
49 heater power supply
50 memories
51 Hydrogen tank
52 Shut-off valve
53 hydrogen humidifier
54 Fuel Cell Stack
55 compressor
56 air humidifier
57 Fuel cell control circuit
58 Case
59 alarm
60 ventilation fan
61 Hydrogen fuel container
62 Pressure reducing valve
63 Fuel cell stack
64 fans
65 case
66 net
67 Air intake
68 Air introduction part
69 Fuel cell control circuit board
70 Secondary battery
71 Air exhaust part
72 Air outlet
73 gas sensor
101 body
102 Ride space
103 Hydrogen tank storage space
104 drive means storage space
105 Underfloor space
106 tank
107 Outer tank
108 Inside tank
109 motor
110 Fuel cell stack
111 tires
112 handle
113 gas sensor

Claims (60)

１枚のシリコンからなる基板上に設けた４個の発熱素子と、この４個の発熱素子の裏面にそれぞれ設けた４個の空洞部と、この４個の空洞部を覆うように前記基板に接合したシリコンからなる底板と、前記４個の空洞部のうち２個に貫通するように前記底板に設けたガス導入口とを有し、このガス導入口を設けた空洞部上に配置した発熱素子の１つとガス導入口がない空洞部上に配置した発熱素子の１つとを１組として構成される計２組の検出部で各々ブリッジ回路を形成し、前記２組の検出部の発熱温度が相互に異なるように前記発熱素子に電圧を印加し、前記両ブリッジ回路の出力をそれぞれ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、両方の前記規格化出力の差から湿度出力を求め、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補正量の相関から求めた湿度補正式で前記規格化出力を補正して水素濃度を求めるように構成したガスセンサ。Four heating elements provided on a single silicon substrate, four cavities provided on the back surface of the four heating elements, and the substrate being covered with the four cavities so as to cover the four cavities. A bottom plate made of bonded silicon, and a gas inlet provided in the bottom plate so as to penetrate two of the four cavities, and a heat generator disposed on the cavity provided with the gas inlet. A bridge circuit is formed by a total of two sets of detectors each including one of the elements and one of the heat generating elements arranged on the cavity having no gas inlet, and a bridge circuit is formed. Apply a voltage to the heating element so that they are different from each other, normalize the outputs of the two bridge circuits with a hydrogen sensitivity conversion coefficient determined from a known hydrogen concentration in advance, and calculate the humidity output from the difference between the two normalized outputs. Calculate the humidity environment known in advance The humidity output and configured gas sensor to determine the hydrogen concentration by correcting the normalized output humidity correction formula determined from the correlation of the humidity correction amount in. 湿度補正式を３次方程式で近似した請求項１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 1, wherein the humidity correction formula is approximated by a cubic equation. ３次方程式の計算結果をあらかじめメモリーに記憶した計算結果表から得るようにした請求項２に記載のガスセンサ。3. The gas sensor according to claim 2, wherein the calculation result of the cubic equation is obtained from a calculation result table stored in a memory in advance. 基板上に検出回路を設けた請求項１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 1, wherein a detection circuit is provided on the substrate. 発熱素子は白金からなる請求項１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 1, wherein the heating element is made of platinum. 発熱素子の表面にはシリカからなる保護層を設けた請求項１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 1, wherein a protective layer made of silica is provided on a surface of the heating element. 発熱素子の形成部の面積は空洞部の断面積より小さくした請求項１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 1, wherein an area of the formation portion of the heating element is smaller than a cross-sectional area of the hollow portion. ２組の検出部の間隔はガス導入口を設けた空洞部上に配置した発熱素子と前記ガス導入口がない空洞部上に配置した発熱素子の間隔より広くした請求項１に記載のガスセンサ。2. The gas sensor according to claim 1, wherein an interval between the two sets of detection units is wider than an interval between a heating element arranged on a cavity provided with a gas inlet and a heating element arranged on a cavity without the gas introduction. 3. 底板のうち空洞部に対向しない部分に支持台を接合した請求項１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 1, wherein the support is joined to a portion of the bottom plate that does not face the cavity. 発熱素子の形成部の一部に孔を設けるとともに、４個の窪み部を有し、４個の発熱素子の上方にそれぞれ前記４個の窪み部が配置されるようにシリコンのカバーを接合した請求項１に記載のガスセンサ。A hole was provided in a part of the formation portion of the heating element, and a silicon cover was joined so that the four depressions were provided and the four depressions were respectively arranged above the four heating elements. The gas sensor according to claim 1. カバーの一部に温度検出部を形成した請求項１０に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 10, wherein a temperature detector is formed in a part of the cover. 温度検出部を白金で構成した請求項１１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 11, wherein the temperature detection unit is made of platinum. 温度検出部の表面にはシリカからなる保護層を設けた請求項１１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 11, wherein a protective layer made of silica is provided on a surface of the temperature detecting unit. 温度検出部の裏面に窪み部を設けた請求項１１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 11, wherein a depression is provided on a back surface of the temperature detection unit. 温度検出部の形成部分の面積は窪み部の断面積より小さくした請求項１１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 11, wherein an area of a portion where the temperature detecting portion is formed is smaller than a cross-sectional area of the concave portion. 温度検出部の形成部分の一部に孔を設けた請求項１１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 11, wherein a hole is provided in a part of a portion where the temperature detecting portion is formed. 温度検出部はカバーの上面中央に形成した請求項１１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 11, wherein the temperature detector is formed at the center of the upper surface of the cover. 基板の一部にダイアフラムを有する圧力検出部を設けた請求項１１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 11, wherein a pressure detection unit having a diaphragm is provided on a part of the substrate. ダイアフラムの下部空間は底板により１気圧の圧力下で密閉した請求項１８に記載のガスセンサ。19. The gas sensor according to claim 18, wherein the lower space of the diaphragm is sealed under a pressure of 1 atm by a bottom plate. 圧力検出部は２組の検出部の間に設けた請求項１８に記載のガスセンサ。19. The gas sensor according to claim 18, wherein the pressure detecting section is provided between the two sets of detecting sections. 圧力検出部は温度検出部の裏面に設けた窪み部の直下に配置した請求項２０に記載のガスセンサ。21. The gas sensor according to claim 20, wherein the pressure detection unit is disposed immediately below a depression provided on a back surface of the temperature detection unit. 温度検出部の裏面に設けた窪み部の断面積はダイアフラムの面積より大きくした請求項２１に記載のガスセンサ。22. The gas sensor according to claim 21, wherein the cross-sectional area of the depression provided on the back surface of the temperature detection unit is larger than the area of the diaphragm. 支持台と底板との接合面の対向面は、電気絶縁性を有する断熱材料からなる台座の一部と接合した請求項９に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 9, wherein an opposing surface of the joining surface between the support base and the bottom plate is joined to a part of a pedestal made of a heat insulating material having electrical insulation. 断熱材料は黒色である請求項２３に記載のガスセンサ。24. The gas sensor according to claim 23, wherein the heat insulating material is black. 台座は支持台を接合していない部分に断熱材料を貫通する複数のピンを有する請求項２３に記載のガスセンサ。24. The gas sensor according to claim 23, wherein the pedestal has a plurality of pins that penetrate the heat insulating material at a portion where the support is not joined. 台座にはキャップが被せられ、このキャップには基板と非対向の位置に穴を設けた請求項２３に記載のガスセンサ。24. The gas sensor according to claim 23, wherein the pedestal is covered with a cap, and the cap is provided with a hole at a position not facing the substrate. キャップの外側にはさらに外キャップが被せられ、この外キャップにはキャップに設けた穴と非対向の位置に外穴を設けた請求項２６に記載のガスセンサ。27. The gas sensor according to claim 26, wherein an outer cap is further covered on an outer side of the cap, and the outer cap is provided with an outer hole at a position not opposed to a hole provided in the cap. 穴または外穴にはステンレス製の網を溶接接合した請求項２６または２７に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 26 or 27, wherein a stainless steel mesh is welded to the hole or the outer hole. キャップの内面は黒色である請求項２６に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 26, wherein the inner surface of the cap is black. キャップの内面は黒色クロムメッキで着色した請求項２９に記載のガスセンサ。30. The gas sensor according to claim 29, wherein the inner surface of the cap is colored with black chrome plating. ４個の発熱素子の発熱温度は水の沸点以上である請求項１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 1, wherein the heating temperatures of the four heating elements are equal to or higher than the boiling point of water. ２組の検出部の発熱温度差は５０℃以上である請求項１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 1, wherein a difference in heat generation temperature between the two sets of detection units is 50 ° C. or more. ４個の発熱素子の発熱温度が周囲温度によらず一定になるように、各ブリッジ回路の印加電圧を温度検出部の出力により制御するようにした請求項１１に記載のガスセンサ。12. The gas sensor according to claim 11, wherein an applied voltage of each bridge circuit is controlled by an output of a temperature detection unit such that heat generation temperatures of the four heating elements are constant regardless of an ambient temperature. 制御を行う回路を基板上に設けた請求項３３に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 33, wherein a circuit for performing control is provided on the substrate. 基板の近傍にヒーターを設けた請求項１に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 1, wherein a heater is provided near the substrate. ヒーターを支持台と台座の間に設け、前記台座とヒーターおよび支持台とを接合した請求項３５に記載のガスセンサ。36. The gas sensor according to claim 35, wherein a heater is provided between the support and the pedestal, and the pedestal is connected to the heater and the support. ヒーターはアルミナ基板上に白金ペーストの厚膜を形成して構成した請求項３５に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 35, wherein the heater is formed by forming a thick film of a platinum paste on an alumina substrate. アルミナ基板はアルミナグリーンシートを焼成して得た請求項３７に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 37, wherein the alumina substrate is obtained by firing an alumina green sheet. ヒーターは電力供給のためのヒーターランド部を除き２枚のアルミナグリーンシートの間に白金ペーストの厚膜からなるヒーターパターンを有する構成であり、これらを一括焼成して得た請求項３８に記載のガスセンサ。39. The heater according to claim 38, wherein the heater has a heater pattern made of a thick film of platinum paste between two alumina green sheets except for a heater land portion for power supply, and is obtained by firing them all at once. Gas sensor. ヒーターランド部の表面は金ペーストで形成した請求項３９に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 39, wherein a surface of the heater land portion is formed of a gold paste. ヒーターランド部には金ペーストで固定した金線が接続され、前記金線の他端を台座のピンと接続した請求項４０に記載のガスセンサ。41. The gas sensor according to claim 40, wherein a gold wire fixed with gold paste is connected to the heater land portion, and the other end of the gold wire is connected to a pin of a pedestal. ヒーターの発熱温度はカバーに設けた温度検出部の出力に応じて一定温度になるようにヒーターへの供給電力を制御するようにした請求項３５に記載のガスセンサ。36. The gas sensor according to claim 35, wherein the power supplied to the heater is controlled such that the heat generation temperature of the heater becomes a constant temperature in accordance with the output of the temperature detection unit provided on the cover. 温度出力はヒーター制御信号と周囲温度の相関から前記ヒーターへの制御信号を前記周囲温度に換算することで行う請求項４２に記載のガスセンサ。43. The gas sensor according to claim 42, wherein the temperature output is performed by converting a control signal to the heater into the ambient temperature from a correlation between the heater control signal and the ambient temperature. ヒーターの発熱温度は水の沸点以上である請求項３５に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 35, wherein the heat generation temperature of the heater is equal to or higher than the boiling point of water. ２組の検出部の発熱温度はヒーターの発熱温度より高くした請求項３５に記載のガスセンサ。36. The gas sensor according to claim 35, wherein the heat generation temperatures of the two sets of detection units are higher than the heat generation temperatures of the heaters. ２組の検出部の発熱温度差は５０℃以上である請求項４５に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 45, wherein a difference in heat generation temperature between the two sets of detection units is 50 ° C or more. 請求項１から４６のいずれか１つに記載のガスセンサが燃料電池を収納し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られ、前記燃料電池からの水素ガスの漏洩を前記ガスセンサ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制御するように構成した燃料電池システム。The gas sensor according to any one of claims 1 to 46, which is provided in a part of a housing containing a fuel cell or a part of an air electrode side outlet pipe of a fuel cell stack, and supplies hydrogen gas from the fuel cell. A fuel cell system configured to issue a warning when the leak is detected by the gas sensor, and to perform ventilation in the housing to stop the fuel cell. 燃料電池または水素燃料容器の少なくとも１つと燃料電池制御回路基板が１つの筐体に内蔵され、前記燃料電池制御回路基板の一部に請求項１から４６のいずれか１つに記載のガスセンサを設けた燃料電池システム。47. At least one of a fuel cell or a hydrogen fuel container and a fuel cell control circuit board are incorporated in one housing, and the gas sensor according to any one of claims 1 to 46 is provided in a part of the fuel cell control circuit board. Fuel cell system. 燃料電池と、この燃料電池に水素燃料を供給する燃料容器と、前記燃料電池に空気を供給するファンと、請求項１から４６のいずれか１つに記載のガスセンサを搭載し、かつ、前記燃料電池およびファンを制御する燃料電池制御回路基板と、前記燃料電池の発電電力の一部を充電する二次電池とが１つの筐体に内蔵され、前記ガスセンサが既定値以上の水素を検知すると前記燃料電池を停止するとともに、既定値以下の水素濃度になるまで前記二次電池の電力で前記ファンを最大回転数で動作させるように構成した請求項４８に記載の燃料電池システム。47. A fuel cell, a fuel container for supplying hydrogen fuel to the fuel cell, a fan for supplying air to the fuel cell, and the gas sensor according to any one of claims 1 to 46, and A fuel cell control circuit board that controls a battery and a fan, and a secondary battery that charges a part of the power generated by the fuel cell are incorporated in one housing, and the gas sensor detects hydrogen that is equal to or more than a predetermined value. 49. The fuel cell system according to claim 48, wherein the fuel cell is stopped, and the fan is operated at the maximum rotation speed with the power of the secondary battery until the hydrogen concentration becomes equal to or lower than a predetermined value. ファンは筐体の一部に設けた空気取込口の近傍で、前記筐体の外部の空気を前記筐体の内部全体に送風できる位置に配置した請求項４９に記載の燃料電池システム。50. The fuel cell system according to claim 49, wherein the fan is arranged near an air intake port provided in a part of the housing, at a position where air outside the housing can be blown to the entire inside of the housing. 燃料電池の空気導入部分はファンに向かって開口した構成とする請求項５０に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 50, wherein the air introduction portion of the fuel cell is configured to open toward the fan. 燃料電池の空気排出部分は筐体の一部に設けた空気排出口に向かって開口した構成とする請求項４９に記載の燃料電池システム。50. The fuel cell system according to claim 49, wherein an air discharge portion of the fuel cell is configured to open toward an air discharge port provided in a part of the housing. 空気排出口の面積は空気取込口の面積より大きくした請求項５２に記載の燃料電池システム。53. The fuel cell system according to claim 52, wherein the area of the air outlet is larger than the area of the air intake. 空気取込口と空気排出口は筐体内で最も離れた壁面上にそれぞれ設けた請求項５２に記載の燃料電池システム。53. The fuel cell system according to claim 52, wherein the air intake and the air exhaust are provided on the farthest wall surfaces in the housing. 空気取込口と空気排出口にはステンレス製の網を設けた請求項５２に記載の燃料電池システム。53. The fuel cell system according to claim 52, wherein a stainless steel net is provided at the air intake and the air exhaust. ガスセンサが既定値以上の水素を検知していない時は、常に二次電池が満充電になるように燃料電池を動作させるように構成した請求項４９に記載の燃料電池システム。50. The fuel cell system according to claim 49, wherein the fuel cell is operated such that the secondary battery is always fully charged when the gas sensor does not detect hydrogen equal to or more than a predetermined value. 燃料電池が発電中であるか否かにかかわらずガスセンサを動作し続けるように構成した請求項４９または５６に記載の燃料電池システム。57. The fuel cell system according to claim 49, wherein the gas sensor is configured to continue operating regardless of whether the fuel cell is generating power. 二次電池は燃料容器に満充填した水素の体積の少なくとも５０倍以上の体積の空気を供給するのに必要なファン動作電力を充電できる容量を有する請求項４９に記載の燃料電池システム。50. The fuel cell system according to claim 49, wherein the secondary battery has a capacity capable of charging fan operating power required to supply air having a volume at least 50 times or more the volume of hydrogen fully charged in the fuel container. 二次電池はリチウムイオン電池である請求項４９に記載の燃料電池システム。50. The fuel cell system according to claim 49, wherein the secondary battery is a lithium ion battery. 請求項１から４６のいずれか１つに記載のガスセンサを乗車空間の上部に配置し、前記ガスセンサ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、前記ガスセンサ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とした自動車。The gas sensor according to any one of claims 1 to 46, which is arranged at an upper part of a boarding space, and wherein the boarding space has an optimum temperature and humidity based on a humidity output and a temperature output of the gas sensor. Controls the air conditioner provided in a part of the vehicle, and issues a warning if the hydrogen concentration in the boarding space is equal to or higher than a predetermined value from the hydrogen concentration output of the gas sensor and ventilates the boarding space to shut off the hydrogen supply source An automobile that is configured to control
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