JP2006234415A

JP2006234415A - ガス検出装置

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Publication number: JP2006234415A
Application number: JP2005045702A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sasaki; 孝佐々木; Tsutomu Eguchi; 強江口; Hidetoshi Oishi; 英俊大石; Takushi Saito; 卓志斉藤; Akihiro Suzuki; 昭博鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: JP4568140B2

Abstract

【課題】被検出ガスの検出感度が劣化した検出素子を早期に復帰させることを可能にするとともに、被検出ガスの検出動作を間欠なく連続的に行う技術を提供する。
【解決手段】被検出ガスを検出する検出素子５１と、この検出素子５１をその表面に付着した物質が熱分解する温度にまで昇温する昇温電流発生回路６７と、所定条件に基づき検出素子５１を、前記被検出ガスの検出を実行する検出過程から、前記昇温手段による昇温過程に切り替えるリレー切替回路７０と、を有することを特徴とするガス検出装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガス検出装置に関する。

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（例えば、特許文献２参照）。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、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。
特開平６−２２３８５０号公報特開２００４−２５１８６２号公報（段落００４８、図５）

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、検出素子が結露することもある。
このため、検出素子は、長時間にわたり高温・高湿潤状態にさらされることとなり、その表面には水酸基等の皮膜が形成され、水素（被検出ガス）の検出感度の劣化を招くことになる。
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、被検出ガスの検出感度が劣化した検出素子を早期に復帰させることを可能にするとともに、被検出ガスの検出動作を間欠なく連続的に行うことができるガス検出装置および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、ガス検出装置において、被検出ガスを検出する検出素子と、この検出素子をその表面に付着した物質が熱分解する温度にする昇温手段と、所定条件に基づき前記検出素子を、前記被検出ガスの検出を実行する検出過程から、前記昇温手段による昇温過程に切り替える切替手段と、を有することを特徴とする。

このような構成により、検出素子は、検出過程においてその表面に物質が付着して被検出ガスの検出感度が低下しても、昇温過程に切り替えることにより付着した物質を熱分解して除去できる。これにより、検出素子と被検出ガスとの接触を阻害していた物質が取り除かれることになり、低下していた検出感度が回復することになる。

また、本発明は、複数の前記検出素子を有し、これら前記検出素子のそれぞれは前記検出過程及び前記昇温過程を交互に繰り返すとともに、少なくともいずれか１つの前記検出素子が検出過程を示していることを特徴とする。

これにより、被検出ガスの検出動作が間欠することなく連続的に行なわれることになる。

さらに本発明において、前記所定条件として、規定時間の経過を基準にしたり、検出素子の劣化度を基準にしたりすることができる。

これにより、検出素子の検出動作を高いレベルで維持しつつ、昇温動作の繰り返しを低減し、エネルギ消費の節減に寄与する。

また本発明において、前記昇温手段は、前記検出素子に通電することによりそれ自身を抵抗加熱するものであったり、前記検出素子の雰囲気を加熱するものであったりする。

これにより、検出素子の表面に付着した皮膜状の物質を効果的に除去することができる。

本発明のガス検出装置および検出素子の制御方法によれば、高温・高湿度環境下での使用により検出素子の感度が劣化してもすぐに回復させることができ、その回復作業をしている間においても被検出ガスの検出動作が中断されることがない。

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、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、図１に例示されるように、車両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１１により、水素（被検出ガス）濃度を測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、表示装置１４とを備えて構成されている。

なお、制御装置１２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１１に接続され、例えば、水素センサ１１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、水素濃度を測定し、その結果を表示装置１４に出力する。ここで、記憶装置１３は、水素センサ１１の検出値（出力）に対する所定の水素濃度判定閾値のマップ等を記憶している。

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１１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１１が配置されている。そして、この水素センサ１１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１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１１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２（ａ）は、水素センサのガス検出部の斜視図であり、（ｂ）は同断面図である。
図２に示すように、第１ガス検出部５０Ａ（以下、Ａセンサという場合がある）と第２ガス検出部５０Ｂ（以下、Ｂセンサという場合がある）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ているが、第１ガス検出部５０Ａと第２ガス検出部５０Ｂとは、後記する昇温過程に一方が入っている時に熱的な影響が他方に及ばない程度の距離を保ちつつなるべく互いに近接して配置されることが好ましい。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。第１ガス検出部５０Ａと第２ガス検出部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１１は、図３のような回路として示される。
第１ガス検出部５０Ａと第２ガス検出部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ブリッジ回路として結線されている。

そして、各ブリッジ回路において、検出素子５１及び固定抵抗６２の接続点ＰＵと、温度補償素子５２及び固定抵抗６１の接続点ＰＴとの間に、電圧を印加する駆動電圧発生回路６４及び昇温電流発生回路６７が接続されている。
また、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との間の電圧を検出するブリッジ電圧検出回路６５Ａ，６５Ｂが接続されている。

ここで、駆動電圧発生回路６４は、常用電源６３から供給される電圧に基づいて所定の駆動電圧Ｖ_Dを第１ガス検出部５０Ａ及び第２ガス検出部５０Ｂの接続点ＰＴ，ＰＵ間に印加するものである。このような駆動電圧Ｖ_Dが印加された検出素子５１及び温度補償素子５２の温度は、図４（ａ）に示されるような検出動作温度帯Ｑに収れんしていく。また、駆動電圧発生回路６４及び第１ガス検出部５０Ａは、リレー７３Ａにより駆動電圧Ｖ_DがＯＮ／ＯＦＦ可能に電気的に接続されている。同様に、駆動電圧発生回路６４及び第２ガス検出部５０Ｂは、リレー７３Ｂにより駆動電圧Ｖ_DがＯＮ／ＯＦＦ可能に電気的に接続されている。

昇温電流発生回路６７は、高圧電源６６から供給される電圧に基づいて昇温電流Ｉ_hを第１ガス検出部５０Ａ及び第２ガス検出部５０Ｂの接続点ＰＴ，ＰＵ間に通電するものである。このような昇温電流Ｉ_hが通電された検出素子５１及び温度補償素子５２の温度は抵抗加熱により上昇し、図４（ａ）に示されるような熱分解温度帯Ｗに到達する。
また、昇温電流発生回路６７及び第１ガス検出部５０Ａは、リレー７２Ａにより昇温電流Ｉ_hがＯＮ／ＯＦＦ可能に電気的に接続されている。同様に、昇温電流発生回路６７及び第２ガス検出部５０Ｂは、リレー７２Ｂにより昇温電流Ｉ_hがＯＮ／ＯＦＦ可能に電気的に接続されている。

ブリッジ電圧検出回路６５Ａ，６５Ｂは、水素（被検出ガス）が存在しないで濃度が０であるときには、ブリッジ回路はバランスしてＲ１×Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ３の状態となり、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ブリッジ電圧検出回路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、出力回路６８に出力される。

出力回路６８は、ブリッジ電圧検出回路６５Ａ，６５Ｂから出力された検出値を制御装置１２へ出力するものであり、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。
また、ブリッジ電圧検出回路６５Ａ及び第１ガス検出部５０Ａは、リレー７１Ａにより電圧の検出値がＯＮ／ＯＦＦ可能に電気的に接続されている。同様に、ブリッジ電圧検出回路６５Ａ及び第２ガス検出部５０Ｂは、リレー７１Ｂにより電圧の検出値がＯＮ／ＯＦＦ可能に電気的に接続されている。なお以上の説明では制御装置１２で水素濃度を算出しているが出力回路６８で水素濃度を算出してもよい。

リレー切替回路７０は、前記したリレー７１Ａ，７２Ａ，７３Ａ，７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂをそれぞれ別個独立にＯＮ／ＯＦＦ制御するものであり、その制御ロジックについて図３、図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
まず、第１ガス検出部５０Ａ及び第２ガス検出部５０Ｂは、図４（ａ）に示す水素濃度を検出する検出過程においては、駆動電圧発生回路６４から駆動電圧Ｖ_Dが付与され、昇温過程においては、昇温電流発生回路６７から昇温電流Ｉ_hが印加される。そして、第１ガス検出部５０Ａ及び第２ガス検出部５０Ｂにおいて、互いに検出過程が重複しないように検出過程と昇温過程が交互に入れ替わり連続的に水素（被検出ガス）の濃度が検出されることとなる。これは、具体的には、リレー７１Ａとリレー７１ＢのＯＮ状態を切り替えて行うこととなる。

ところで、昇温過程において、検出素子５１は、その表面に付着した物質が熱分解するのに充分な程度の高温状態（熱分解温度帯：３００℃〜４００℃以上）になることが望まれるが、このような熱分解の処理が終了した後は安定的に検出動作温度帯Ｑに収れんしていくことが望まれる。

このように、検出素子５１を温度的に変化させるためには、昇温過程の初期段階にリレー７２Ａ，７２ＢをＯＮにして昇温電流Ｉ_hを通電させ、昇温過程の残時間は駆動電圧Ｖ_Dを印加させることとする。このようにすれば、検出素子５１にはＲ₄×Ｉ_h ²で示されるエネルギがこの初期段階の期間（ｔ_c）にのみ瞬間的に与えられ、このエネルギにより検出素子５１の温度が上昇して、熱分解温度帯Ｗに到達した後下降して最終的に再び検出動作温度帯Ｑで安定化することとなる。
このようにして、検出素子５１は、次の検出過程に入る時には、すでに駆動電圧Ｖ_Dが印加されて安定している（電力が付与される）ので、安定的な水素（被検出ガス）濃度計測が継続されることとなる。

以上のようなガス検出装置１０の動作について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。ここでは、前記したＡセンサ（第１ガス検出部５０Ａ）、Ｂセンサ（第２ガス検出部５０Ｂ）の二つの検出部に加え、第３のＣセンサを有する場合について示されている。
まず、Ａセンサに駆動電圧Ｖ_Dを印加している状態でリレー７１ＡをＯＮ状態にするとＡセンサからの水素濃度の検出値が出力され、Ａセンサの検出過程となる（Ｓ１１）。このまま、規定時間ｔ_dが経過するまでＡセンサから検出値を出力し続ける（Ｓ１２）。そして、規定時間ｔ_dが経過した後は、リレー７１ＡをＯｆｆ状態とし、替わってリレー７１ＢをＯＮ状態としてＢセンサの検出過程となる（Ｓ１３）。そして同様に規定時間ｔ_dが経過するまでＢセンサから検出値を出力し続ける（Ｓ１４）。

続いて、Ｃセンサにおいても、同様の過程が繰り返される（Ｓ１５，Ｓ１６）。そして、Ｓ１１〜Ｓ１６までのサイクルがイグニッション・オフ状態（IG-OFF）になるまで繰り返される（S１７）。

ところで、ここでＡセンサに着目して、最初の検出過程が終了して次のサイクルの検出過程がまわって来るまでに、Ａセンサは、リレー７２ＡがＯＮ状態となり昇温電流Ｉ_hが通電開始され（Ｓ１８）、規定時間ｔ_dだけ検出素子の発熱に必要なエネルギを与え（Ｓ１９）、その後駆動電圧Ｄが印加されることとなる（Ｓ２０）。これにより、Ａセンサは放物線上の温度カーブを描いて昇温して熱分解温度帯Ｗまで到達した後、次のサイクルの検出過程がまわって来るまでに検出動作温度帯Ｑに戻って安定状態となる。
なお、記載は省略するが、Ｂセンサ昇温動作Ｓ２１や、Ｃセンサ昇温動作Ｓ２２においても、前記したＳ１８〜Ｓ２０で記載したのと同様の動作が繰り返されることとする。
なお、Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６において、規定時間ｔ_dの経過を検出過程が終了する条件としたが、これに限定されることなく、現実の検出素子５１の劣化度を判定する装置を別個に設け、この判断装置により判断してもよい。

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、複数のガス検出部（Ａセンサ、Ｂセンサ…）を交互に順番に検出過程におくとともに、検出過程でない時期においては昇温させて機能をリフレッシュさせることになる。これにより、連続的に水素（被検出ガス）の濃度検出が可能であるとともに、長期間連続的に検出を行なったとしても劣化が生じない。

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、第１ガス検出部５０Ａと第２ガス検出部５０Ｂのように、ガス検出装置は、ガス検出部が２つに限定されることなく３つ以上存在してもよい。図５の動作説明においては３つの場合を例示したが、ガス検出部がさらに追加される場合は、動作フローにおいて直列的に付加されることとなる。
また、検出ガスの検出動作が連続的でなく間欠することを許される場合は、ガス検出装置は、少なくとも１つのガス検出素子を有していれば良い。この場合、必要な機能を満たす限りガス検出装置の省スペース化とレイアウトの自由度を向上させることができる。
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。

また、本実施形態では、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、本実施形態では、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、本実施形態では図２に示すように、互いに並べて配置されたそれぞれの検出室３５，３５に個別のベース５４とガス検出部５０Ａ，５０Ｂとを配置したが、図６（ａ），（ｂ）に示すように、別個のベース５４′に配置された各ガス検出部５０Ａ，５０Ｂを重ねて配置して、この重ねた各ガス検出部５０Ａ，５０Ｂを一つのガス検出室３５内に配置してもよい。

また、本実施形態において、検出素子５１の表面に付着した物質が熱分解する温度にまで昇温する昇温手段として、その検出素子５１に昇温電流Ｉ_hを流す昇温電流発生回路６７を例示したが、これに限定されることなく、別個に設けられた発熱体によって検出素子５１を取り囲む雰囲気を熱分解温度まで上昇させる場合であってもよいし、可燃性ガスを導入して燃焼させてもよい。

燃料電池システムの構成を示すブロック図である。（ａ）はガス検出部の斜視図であり、（ｂ）は同断面図である。ガス検出装置のガス検出部の回路構成図である。（ａ）は実施形態に係るガス検出装置の動作例であり、（ｂ）はリレー回路の動作例を示す。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。本発明のガス検出装置におけるガス検出部の変形例を示し、（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
１１水素センサ
５０Ａ第１ガス検出部（Ａセンサ）
５０Ｂ第２ガス検出部（Ｂセンサ）
５１検出素子
５１ｂ触媒
５２温度補償素子
６７昇温電流発生回路（昇温手段）
７０リレー切替回路（切替手段）

Claims

被検出ガスを検出する検出素子と、
この検出素子を、その表面に付着した物質が熱分解する温度にする昇温手段と、
所定条件に基づき前記検出素子を、前記被検出ガスの検出を実行する検出過程から、前記昇温手段による昇温過程に切り替える切替手段と、を有することを特徴とするガス検出装置。
複数の前記検出素子を有し、これら前記検出素子のそれぞれは前記検出過程及び前記昇温過程を交互に繰り返すとともに、少なくともいずれか１つの前記検出素子が検出過程を示していることを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
前記所定条件は、規定時間の経過を基準にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス検出装置。
前記所定条件は、前記検出素子の劣化度を基準にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス検出装置。
前記昇温手段は、前記検出素子に通電することによりそれ自身を抵抗加熱するものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガス検出装置。
前記昇温手段は、前記検出素子の雰囲気を加熱するものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガス検出装置。