JP2006153598A - ガス検出装置およびガス検出素子の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス検出装置の劣化判定の起動を迅速に行い、耐久性を向上させる。
【解決手段】 常時被検出ガスの濃度を検出する少なくとも一つの常用検出素子５０Ｂと、常用検出素子５０Ｂに近接して設けられ、間歇的に被検出ガスの濃度を検出する少なくとも一つの基準検出素子５０Ａと、常用検出素子５０Ｂの出力値と基準検出素子５０Ａの出力値を比較して常用検出素子５０Ｂの劣化を判定する劣化判定部６６とを備え、基準検出素子５０Ａが被検出ガスの濃度の検出を行わない待機動作中に、被検出ガスの濃度検出時よりも低い電力を供給するよう構成する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、ガス検出装置およびガス検出素子の制御方法に関する。

一般に、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側を燃料極と酸素極で挟み込んで単セルを形成し、この単セルを複数積層して一つの燃料電池スタックを構成している。そして、燃料極には、燃料として水素が供給され、酸素極には酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動し、水素イオンと酸素が電気化学反応を起こして発電する。

このような固体高分子膜型燃料電池においては、従来、燃料電池の酸素極側の排出系に水素検出器（ガス検出装置）を備え、この水素検出器によって燃料極側の水素が固体高分子電解質膜を通じて酸素極側に漏洩したことを検知したときは燃料の供給を遮断する保護装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、水素検出器としては、例えば白金などの触媒からなるガス検出素子と温度補償素子とを一対備えたものが知られている。この水素検出器は、水素が白金などの触媒に接触した際に、ガス検出素子において水素が触媒燃焼することで温度補償素子より相対的に高温になり、この温度差から生じる両者の電気抵抗の差により水素の濃度を検出する。

そして、燃料電池のオフガスには、シール部材などの材料中のシリコンが混入する場合があり、シリコンに触媒が晒された場合には、触媒が被毒して検出精度が低下することがある。そのため、本願出願人は、特許文献２に開示したように、常時通電される常用のガス検出素子と、間歇的に通電され、通常時は通電が遮断される劣化判定用のガス検出素子を用いてガス検出装置の劣化判定をする方法を提案している。
特開平６−２２３８５０号公報 特開２００４−２５１８６２号公報（段落０００５〜０００６、００５３）

ところで、燃料電池の酸化剤としての空気には、固体高分子電解質膜のイオン電導性を保つために加湿がなされており、燃料電池から排出されるオフガスにも、水素と酸素が反応して生成した水分が含まれている。そのため、ガス検出素子が結露することもある。
しかし、前記した特許文献２の劣化判定用のガス検出素子では、通常時に通電を遮断していたため、ガス検出素子に水滴が付着した場合に、素子の起動時間が長くなり、また、性能も劣化するという問題がある。
本発明はこのような背景に鑑みてなされたものであって、ガス検出素子の劣化を判定できるとともに迅速な起動を可能にし、耐久性を向上させたガス検出装置およびガス検出素子の制御方法を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明は、常時被検出ガスの濃度を検出する少なくとも一つの第１検出素子と、前記第１検出素子に近接して設けられ、間歇的に被検出ガスの濃度を検出する少なくとも一つの第２検出素子と、前記第１検出素子の出力値と前記第２検出素子の出力値を比較して前記第１検出素子の劣化を判定する劣化判定手段とを備え、前記第２検出素子が前記被検出ガスの濃度の検出を行わない待機動作中に、前記第２検出素子に対し、被検出ガスの濃度検出時よりも低い電力を供給するよう構成される。

このような構成により、劣化判定用の第２検出素子は、待機動作中にも被検出ガスの濃度検出時よりも低い電力が供給されるため、温度の低下が抑制され、結露がしにくくなり、また結露した場合でも迅速に起動することが可能となる。

そして、前記したガス検出装置においては、前記第１検出素子および前記第２検出素子は、例えば燃料電池から排出されたオフガスの流路に設けられる。燃料電池から排出されたオフガスは、高湿度になっているため、本発明のガス検出装置の効果が顕著に発揮される。

また、本発明は、互いに近接して配置された被検出ガスの濃度を検出する第１検出素子および第２検出素子を有するガス検出素子の制御方法であって、前記第１検出素子には、常時被検出ガスの濃度を検出させ、前記第２検出素子には、被検出ガスの検出動作と、この検出動作より低い電力で動作させる待機動作とを交互に行わせることを特徴とする。

このような方法によりガス検出素子を制御すれば、劣化判定用の第２検出素子は、待機動作中にも被検出ガスの濃度検出時よりも低い電力が供給されるため、温度の低下が抑制され、結露がしにくくなり、また結露した場合でも迅速に起動することが可能となる。

本発明のガス検出装置およびガス検出素子の制御方法によれば、高湿度環境下で被検出ガスの検出を行う場合でも、結露を抑制し、迅速な起動が可能となる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本発明の適用例を示す自動車の図であり、図２は、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
本実施形態に係るガス検出装置１０は、例えば図１に示すように、燃料電池車両等の車両１の車室内においてゼロを含む所定濃度の水素を検出する水素センサ１１ａや、図２に示すように、車両１の動力源とされる燃料電池２および燃料電池２に接続された各配管３，４，５，６を具備する燃料電池システム７の酸素極側の出口側配管６に備えられる水素センサ１１ｂなどのガスセンサが劣化したか否かを判定する機能を有するものであって、例えば、制御装置１２と、記憶装置１３と、警報装置１４とを備えて構成されている。

なお、制御装置１２は、車両１のルーフ１ａに取り付けられた水素センサ１１ａまたは燃料電池２の酸素極側の出口側配管６に取り付けられた水素センサ１１ｂに接続され、例えば、各水素センサ１１ａ，１１ｂから出力される検出信号と、記憶装置１３に格納されている所定の判定閾値との比較結果に応じて、各水素センサ１１ａ，１１ｂが劣化しているか否かを判定し、劣化していると判定した際には、警報装置１４によって警報等を出力する。ここで、記憶装置１３は、各水素センサ１１ａ，１１ｂの検出値（出力）に対する所定の判定閾値のマップ等を記憶している。

図２に示すように、この実施の形態において、燃料電池システム７は、例えば図１に示すように、燃料電池２の発電電力によって駆動する燃料電池車両等の車両１に搭載されている。
燃料電池２は、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と酸素極（カソード）で挟持した電解質膜電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる単セル（図示略）を多数組積層して構成されたスタックからなる。

この燃料電池２では、例えば高圧の水素タンク等を備える水素供給装置（図示略）から燃料極側の入口側配管３を介して燃料として水素が燃料極に供給されるとともに、コンプレッサ２１により酸素極側の入口側配管４を介して酸化剤として空気が酸素極に供給される。燃料極の触媒電極上では、触媒反応により水素がイオン化され、生成された水素イオンが適度に加湿された固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動する。そして、この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。また、酸素極には酸素を含む空気が供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。ここで、コンプレッサ２１は、制御装置１２によって、燃料電池２の出力に応じた流量の空気を燃料電池２に供給するように制御される。
そして、燃料極側の出口側配管５および酸素極側の出口側配管６から未反応の反応ガス（例えば、水素や空気等）を含むいわゆるオフガスが排出される。

ここで、未反応の水素を含む水素オフガス（アノードオフガス）は、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５から水素循環路２２に排出され、エゼクタ２３を介して燃料極側の入口側配管３に戻され、再び燃料電池２の燃料極に供給されるようになっている。
一方、反応済みの空気を含む空気オフガス（カソードオフガス）は、燃料電池２の酸素極側の出口側配管６を介して大気中へ排出される。

酸素極側の出口側配管６にはガス接触燃焼式の水素センサ１１ｂが備えられ、例えば空気オフガスの流通方向が水平方向となるように配置された出口側配管６に対しては、この出口側配管６の鉛直方向上部に水素センサ１１ｂが配置されている。そして、この水素センサ１１ｂにより、酸素極側の出口側配管６内を流通する空気オフガス中に含まれる、ゼロを含む所定濃度の水素を検知できるようになっている。

さらに、図２に示すように、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５にはパージ弁２４を介して水素排出路２５が接続され、この水素排出路２５には希釈器２６が接続されており、水素オフガスは、パージ弁２４を介して水素排出路２５に排出可能とされ、さらに、水素排出路２５を通って希釈器２６に導入可能とされている。
希釈器２６は、水素排出路２５から取り込んだ水素オフガスを、酸素極側の出口側配管６から排出された空気オフガスによって適宜の倍率で希釈し、希釈ガスとして排出することができるように構成されている。
希釈器２６の下流には、水素センサ１１ｂが配置されている。なお、パージ弁２４は、制御装置１２によって開閉制御されている。

図３は、水素センサの平面図であり、図４は、図３におけるIV−IV断面図である。
図３および図４に示すように、ガス接触燃焼式の水素センサ１１ａは、直方体形状のケース３０を備えている。ケース３０は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、長手方向両端部にフランジ部３１を備えている。フランジ部３１にはカラー３２が取り付けられており、このカラー３２内にボルト３３が挿入されることで、フランジ部３１は、ルーフ１ａに設けられた取付座（図示略）や、酸素極側の出口側配管６に設けられた取付座６Ａ（図４参照）に締結されて固定されるようになっている。

図４に示すように、ケース３０の厚さ方向の端面には筒状部３４が形成され、筒状部３４の先端は開口してガス導入部３６となっている。筒状部３４の内部は、ガス検出室３５として機能し、ガス検出室３５内には、第２検出素子としての基準検出素子５０Ａと、第１検出素子としての常用検出素子５０Ｂとが配置されている。

筒状部３４の外周には、シール部材３７が設けられ、出口側配管６に貫通して形成された貫通孔６Ｂに筒状部３４が挿通されて水素センサ１１ｂが出口側配管６に取り付けられる。シール部材３７は、貫通孔６Ｂと筒状部３４とに密着して、これらの間の気密性を確保している。

図５は、ガス検出素子の斜視図である。
図５に示すように、ガス検出素子である基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂは、それぞれ検出素子５１と温度補償素子５２との対により構成されている。検出素子５１は、周知の素子であって、電気抵抗に対する温度係数が高い白金等を含む金属線のコイル５１ａが、触媒５１ｂを坦持したアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。触媒５１ｂは、水素などの被検出ガスに対して活性な貴金属などからなる。温度補償素子５２は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子５１と同等のコイル５２ａの表面が、アルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。

そして、被検出ガスが、触媒５１ｂに接触した際に生じる反応熱により検出素子５１が高温になると、検出素子５１と温度補償素子５２の抵抗値に差が生じるので、この差から水素濃度を検出することができるようになっている。なお、雰囲気温度による電気抵抗値の変化は、温度補償素子５２を利用することにより相殺される。

検出素子５１と温度補償素子５２は、互いに近接して配置され、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂも互いに近接して配置されている。また、検出素子５１および温度補償素子５２は、ベース５４から所定距離離間して設けられ、ベース５４に対し同じ高さに位置している。なお、ここでいう近接とは、雰囲気が同じ領域内であることをいい、例えば、被検出ガスである水素の濃度や温度が実質的に同一な領域であることをいう。基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂにより検出された水素濃度でいえば、各濃度検出値間の偏差が各濃度検出値に対して所定割合以内、例えば±２０％以内とされ、より好ましくは、例えば±１０％以内とされ、さらに好ましくは、例えば±５％以内なるようにして各素子が配置されている。

水素センサ１１ｂは、図６に示すような回路に接続される。図６は、ガス検出装置の検出部および回路部の構成図である。図６に示すように、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂは、それぞれ検出素子５１（抵抗値Ｒ４）及び温度補償素子５２（抵抗値Ｒ３）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗６１（抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗６２（抵抗値Ｒ２）が直列接続されてなる枝辺とが、外部の電源６３から供給される電圧に基づいて所定の基準電圧を印加する基準電圧発生回路６４に対して並列に接続されてブリッジ回路が形成されている。そして、各ブリッジ回路において、検出素子５１と温度補償素子５２の接続点ＰＳと、固定抵抗６１と固定抵抗６２の接続点ＰＲとの間に、これらの接続点ＰＳ，ＰＲ間の電圧を検出する基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂが接続されている。

ここで、ガス検出室３５内に導入された検査対象ガス中に被検出ガスである水素が存在しないときには、ブリッジ回路はバランスしてＲ１×Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ３の状態にあり、基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂの出力がともにゼロとなる。一方、水素が存在すると、検出素子５１の触媒５１ｂにおいて水素が燃焼し、コイル５１ａの温度が上昇し、抵抗値Ｒ４が増大する。これに対して温度補償素子５２においては水素が燃焼せず、抵抗値Ｒ３は変化しない。これにより、ブリッジ回路の平衡が破れて各検出回路６５Ａ，６５Ｂに、水素濃度の増大変化に応じた電圧が印加される。
そして、各検出回路６５Ａ，６５Ｂから出力される電圧の検出値は、劣化判定部６６（劣化判定手段）および出力切替部６７へ出力されている。

ここで、劣化判定部６６は、後述するように、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの各検出値を相対的に比較する相対診断、あるいは、基準検出素子５０Ａの検出値と常用検出素子５０Ｂの検出値とを互いに独立に所定基準値と比較する絶対診断によって、各検出素子５０Ａ，５０Ｂの劣化判定を行う。そして、診断結果を出力切替部６７および通電指示部６９および警報装置１４へ出力する。
出力切替部６７は、劣化判定部６６から入力される診断結果に応じて、例えば基準検出回路６５Ａまたは常用検出回路６５Ｂの何れか一方から出力される検出値を出力回路６８へ出力する。例えば出力切替部６７は、劣化判定部６６から常用検出素子５０Ｂの劣化を示す診断結果が入力されると、基準検出素子５０Ａから出力される検出値を出力回路６８へ出力するように切替を行う。
そして、出力回路６８は入力された検出値を制御装置１２へ出力しており、制御装置１２においては、電圧の検出値の変化に応じて予め設定された水素濃度のマップ等に基づき、水素濃度が算出される。

さらに、各検出素子５０Ａ，５０Ｂと基準電圧発生回路６４との間には、基準電圧発生回路６４から各検出素子５０Ａ，５０Ｂへの印加電圧を通電指示部６９から入力される制御指令に応じて制御可能な電圧コントローラ７０Ａおよび電圧コントローラ７０Ｂが備えられている。

ここで、通電指示部６９は、所定のタイミングや、劣化判定部６６から入力される劣化判定の診断結果に基づき各電圧コントローラ７０Ａ，７０Ｂの動作を指示する。通電指示部６９から電圧コントローラ７０Ａに指示される動作電圧は、ガス濃度の測定動作時と待機動作時とで異なるが、通電指示部６９は、電圧コントローラ７０Ａに対し、待機動作時においても測定動作時より低い所定の電圧を印加するように指示される。

図面を参照してこれを説明すると、図７（ａ）に示すように、常用検出素子５０Ｂは、水素の濃度を検出する測定動作時においては正規動作電圧が付与され、停止時においては、電圧が印加されない。
一方、基準検出素子５０Ａは、停止時においては電圧が印加されないものの、動作時（図７の例においては、常用検出素子５０Ｂの動作時と一致している）には、待機動作時にゼロではない一定の待機電圧が印加されることで一定の電力が付与され、水素の濃度を検出する測定動作（劣化判定時）には、待機電圧より高い正規動作電圧が印加される。そして、測定動作は、待機動作を挟んで間歇的に指示される。
このようにして、本実施形態の基準検出素子５０Ａは、待機動作時においてもゼロではない所定の電圧が印加される（電力が付与される）ので、基準検出素子５０Ａの温度を保ち、測定動作時に迅速な起動が可能になり、また、結露などにより基準検出素子５０Ａが濡れるのを抑制することができる。

なお、検出素子５１に付着されている触媒の被毒などによる劣化は、検出素子５１が通電されている時にのみ進行することが知られていので、通電が抑制されている基準検出素子５０Ａの劣化は常用検出素子５０Ｂより少なく、基準検出素子５０Ａの出力と常用検出素子５０Ｂの出力の比較により常用検出素子５０Ｂの劣化判定が可能である。

以上のようなガス検出装置１０の動作について、図８のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、基準検出素子５０Ａを起動すると、通電指示部６９の指示により基準検出素子５０Ａは待機電圧で動作される（Ｓ１）。そして、劣化判定を実施する指示が通電指示部６９からなされるまで待機する（Ｓ２，Ｎｏ）。劣化判定を実施する指示がなされたとき（Ｓ２，Ｙｅｓ）、基準検出素子５０Ａは、正規動作電圧で動作される（Ｓ３）。
次に、常用検出回路６５Ｂが常用検出素子５０Ｂの出力値Ｂ１を読み込み（Ｓ４）、続いて基準検出回路６５Ａが基準検出素子５０Ａの出力値Ａ１を読み込む（Ｓ５）。そして、劣化判定部６６は、出力値Ａ１と出力値Ｂ１の差を所定の閾値Ｙと比較して、差が大きければ（Ｓ６，Ｙｅｓ）、常用検出素子５０Ｂは感度が異常であると判定し（Ｓ７）、差が小さければ（Ｓ６，Ｎｏ）、常用検出素子５０Ｂは感度が正常であると判定する（Ｓ８）。
そして、基準検出素子５０Ａの停止命令が制御装置１２からなされれば（Ｓ９，Ｙｅｓ）基準検出素子５０Ａを停止し、なされなければ（Ｓ９，Ｎｏ）、ステップＳ１に戻って待機動作に入る。

このようにして、本実施形態に係るガス検出装置１０によれば、基準検出素子５０Ａの待機動作中にもゼロではない電圧が印加されて電力が供給されるので、基準検出素子５０Ａの温度低下を防止できる。そのため、基準検出素子５０Ａが結露したり、水が付着することを抑制し、その結果、劣化判定時にも基準検出素子５０Ａを迅速に起動することができる。また、水分の付着が抑制されることで、基準検出素子５０Ａの耐久性を向上することができる。
例えば、図９は、本実施形態に係るガス検出装置１０の効果を確認した例を示すグラフである。図９の例では、待機動作時の電力として、正規動作時の３０〜６０％の電力で基準検出素子５０Ａを動作させ、燃料電池システム７の酸素極側の出口側配管６に水素センサ１１ｂを配設した場合、長時間使用した場合にも水素センサ１１ｂの感度の低下はほとんど見られなかった。これに対し、基準検出素子５０Ａを待機動作時に停止させる従来の制御方法では、試験時間の経過につれ、水素センサ１１ｂの感度は徐々に低下した。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態には限定されず、適宜変更して実施することができる。
例えば、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂは、各一つに限らず、それぞれ複数設けられていても良い。また、その配置は、例示したものに限らず、互いに近接した関係にあり、必要な機能を満たす限り自由に配置することができる。
また、ガス検出装置１０の適用対象も、燃料電池システム７には限定されないが、本発明は、燃料電池システム７内の配管のように、高湿度な環境でガスの濃度を検出する場合に特に有効である。
さらに、劣化判定方法は、例示した方法には限定されず、基準検出素子５０Ａの検出値と常用検出素子５０Ｂの検出値とを互いに独立に所定基準値と比較する絶対診断によって、各基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの劣化診断を行ってもよい。
また、基準検出素子５０Ａの待機動作時の電力は、必ずしも一定である必要はなく、増加、減少、変動するように変化させることもできる。

また、本実施例では、被検出ガスとして水素の場合を説明したが、被検出ガスは水素に限定されるものではなく、例えば、一酸化炭素、硫化水素など他のガスであってもよい。さらに、本実施例では、ガスセンサとして接触燃焼式ガスセンサを示したが、半導体式ガスセンサなど、他の方式のセンサであってもよい。
また、本実施形態では一つのベース５４に２つの検出素子５０Ａ，５０Ｂを配置したが、図１０（ａ），（ｂ）に示すように各検出素子５０Ａ，５０Ｂを別個のベース５４′に配置し、このベース５４′に固定された検出素子５０Ａ，５０Ｂを一つのガス検出室３５内に配置してもよい。また、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、別個のベース５４′に配置された各検出素子５０Ａ，５０Ｂを重ねて配置して、この重ねた各検出素子５０Ａ，５０Ｂを一つのガス検出室３５内に配置してもよい。

本発明の適用例を示す自動車の図である。 燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 水素センサの平面図である。 図３におけるIV−IV断面図である。 ガス検出素子の斜視図である。 ガス検出装置の検出部および回路部の構成図である。 実施形態に係るガス検出素子の動作例であり、（ａ）が常用検出素子の例、（ｂ）が基準検出素子の例を示す。 実施形態に係るガス検出装置の動作を説明するフローチャートである。 実施形態に係るガス検出装置による効果を示すグラフである。 本発明のガス検出装置におけるガス検出素子の変形例を示し、（ａ）が斜視図、（ｂ）が断面図である。 本発明のガス検出装置におけるガス検出素子の他の変形例を示し、（ａ）が斜視図、（ｂ）が断面図である。

符号の説明

１０ ガス検出装置
１１ａ 水素センサ
１１ｂ 水素センサ
５０Ａ 基準検出素子
５０Ｂ 常用検出素子
５１ 検出素子
５１ｂ 触媒
５２ 温度補償素子
６６ 劣化判定部
７０Ａ 電圧コントローラ
７０Ｂ 電圧コントローラ

Claims (3)

1. 常時被検出ガスの濃度を検出する少なくとも一つの第１検出素子と、
   前記第１検出素子に近接して設けられ、間歇的に被検出ガスの濃度を検出する少なくとも一つの第２検出素子と、
   前記第１検出素子の出力値と前記第２検出素子の出力値を比較して前記第１検出素子の劣化を判定する劣化判定手段とを備え、
   前記第２検出素子が前記被検出ガスの濃度の検出を行わない待機動作中に、前記第２検出素子に対し被検出ガスの濃度検出時よりも低い電力を供給する構成としたことを特徴とするガス検出装置。
2. 前記第１検出素子および前記第２検出素子は、燃料電池から排出されたオフガスの流路に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
3. 互いに近接して配置された被検出ガスの濃度を検出する第１検出素子および第２検出素子を有するガス検出素子の制御方法であって、
   前記第１検出素子には、常時前記被検出ガスの濃度を検出させ、
   前記第２検出素子には、前記被検出ガスの検出動作と、この検出動作より低い電力で動作させる待機動作とを交互に行わせることを特徴とするガス検出素子の制御方法。

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