JP2009128221A - ヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】過剰なエネルギー消費を防止すると共に、装置構成の複雑化および大型化を防止しつつ、ガスセンサの破損、劣化、検出精度の低下を防止する。
【解決手段】制御器１０は、上流側状態センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの湿度（湿度検出値）が所定のヒステリシスを有する閾湿度ＨＹ（Ｌ／Ｈ）以上であるか否かの判定結果に応じてヒータ３６への通電の開始および停止を制御し、ヒータ３６への通電の実行時には、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の検出室内温度が上流側状態センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの上流ガス温度よりも所定温度（例えば、０℃以上かつ５℃以下の所定温度）以上高くなるようにして、ヒータ３６の動作を制御する。
【選択図】図４
【解決手段】制御器１０は、上流側状態センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの湿度（湿度検出値）が所定のヒステリシスを有する閾湿度ＨＹ（Ｌ／Ｈ）以上であるか否かの判定結果に応じてヒータ３６への通電の開始および停止を制御し、ヒータ３６への通電の実行時には、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の検出室内温度が上流側状態センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの上流ガス温度よりも所定温度（例えば、０℃以上かつ５℃以下の所定温度）以上高くなるようにして、ヒータ３６の動作を制御する。
【選択図】図４
Description
本発明は、ヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置に関する。
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池の酸素極側の排出系に水素検出器（ガスセンサ）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ているか否かを検知する制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
上述したような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池においては、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池に供給される反応ガス（例えば、水素や空気）には加湿装置等によって水（加湿水）が混合されており、さらに、燃料電池の作動時には電気化学反応による反応生成水が生成されるため、燃料電池のオフガス、特に酸素極側のオフガスは高湿潤のガスとなっている。
このため、上記従来技術の一例に係る装置においては、燃料電池から排出される高湿潤のオフガスによって、オフガスの流路内に配置されたガスセンサ等に結露が発生する場合があり、この場合には、ガスセンサの劣化や破損等が生じる虞がある。特に、上述した固体高分子膜型燃料電池は、通常作動温度が、水の蒸気化温度よりも低く、オフガスは多湿度で水分量が多いガスとなって排出されるため、オフガス中の水分が結露しやすいという問題がある。
上述したような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池においては、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池に供給される反応ガス（例えば、水素や空気）には加湿装置等によって水（加湿水）が混合されており、さらに、燃料電池の作動時には電気化学反応による反応生成水が生成されるため、燃料電池のオフガス、特に酸素極側のオフガスは高湿潤のガスとなっている。
このため、上記従来技術の一例に係る装置においては、燃料電池から排出される高湿潤のオフガスによって、オフガスの流路内に配置されたガスセンサ等に結露が発生する場合があり、この場合には、ガスセンサの劣化や破損等が生じる虞がある。特に、上述した固体高分子膜型燃料電池は、通常作動温度が、水の蒸気化温度よりも低く、オフガスは多湿度で水分量が多いガスとなって排出されるため、オフガス中の水分が結露しやすいという問題がある。
このような問題に対して、上記従来技術の一例に係る制御装置においては、被検出ガスが流通する配管内の流通方向においてガスセンサよりも上流側の位置での温度と、ガスセンサのガス検出室内の温度との温度差が所定範囲内の値となるようにして、ガス検出室内を加熱するヒータの通電量を制御することで、ガス検出室内に結露が発生することを抑制している。
特許第３８３３５５９号公報
ところで、上記従来技術に係る制御装置において、単に、ガスセンサよりも上流側での温度とガス検出室内の温度との温度差に応じてヒータの通電量を制御するだけでは、過剰なタイミングでヒータを起動してしまう虞があり、消費電力が嵩むという問題が生じる。
そして、このような制御装置においては、ヒータでの過剰な電力消費を防止すると共に、例えば結露の解消または結露の発生を抑制するために装置構成が複雑化したり、大型化することを防止することが望まれている。
そして、このような制御装置においては、ヒータでの過剰な電力消費を防止すると共に、例えば結露の解消または結露の発生を抑制するために装置構成が複雑化したり、大型化することを防止することが望まれている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、過剰なエネルギー消費を防止すると共に、装置構成の複雑化および大型化を防止しつつ、ガスセンサの破損、劣化、検出精度の低下を防止することが可能なヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係るヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置は、被検出ガスが流通する配管（例えば、実施の形態での出口側配管１４）に設けられ、前記被検出ガスが流入可能なガス検出室（例えば、実施の形態でのガス検出室２６）内を加熱するヒータ（例えば、実施の形態でのヒータ３６）を有するガスセンサ（例えば、実施の形態でのガスセンサ１５）と、前記ガス検出室内に設けられた第１温度センサ（例えば、実施の形態での状態センサ３７）と、前記被検出ガスの流通方向において前記ガスセンサよりも上流側に設けられた第２温度センサ（例えば、実施の形態での上流側状態センサ４１）と、前記被検出ガスの流通方向において前記ガスセンサよりも上流側に設けられた湿度センサ（例えば、実施の形態での上流側状態センサ４１が兼ねる）と、前記ガスセンサおよび前記第１温度センサおよび前記第２温度センサおよび前記湿度センサと、電源（例えば、実施の形態での蓄電装置４）とに接続され、前記電源から前記ガスセンサへの電力供給を制御する通電制御器（例えば、実施の形態での制御器１０）とを備えるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置であって、前記通電制御器は、前記湿度センサにより検出される前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの湿度に基づき、前記ヒータのオンおよびオフを制御すると共に、前記ヒータのオンの状態において、前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度、および、前記第２温度センサにより検出される前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度に基づき、前記ガス検出室内の温度が前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、前記ヒータの通電量を制御する。
第１態様に係るヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置によれば、ヒータのオンおよびオフを湿度センサの検出値、つまりガスセンサよりも上流側での被検出ガスの湿度に応じて制御すると共に、ヒータのオンの状態ではガス検出室内の温度がガスセンサよりも上流側での被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、ヒータの通電量を制御することから、ヒータを効率よく起動することができ、消費電力の増大を抑制することができると共に、ガスセンサよりも上流側において被検出ガスが飽和含水状態であっても、ガス検出室内に流入する被検出ガスの温度上昇に伴って飽和水蒸気圧が高くなり、被検出ガスの相対湿度を低下させることができ、ガス検出室内に流入する被検出ガスによって結露が発生してしまうことを防止することができる。
以下、本発明のヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施形態によるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置１は、例えば図１に示すように、例えば、燃料電池２と、電流制御器３と、蓄電装置４と、負荷５と、Ｓ／Ｃ出力制御器６と、過給機（Ｓ／Ｃ）７と、燃料供給装置８と、出力電流センサ９と、制御器１０とを備えて構成される燃料電池システム１ａにおいて、燃料電池２に接続された各配管１１，１２，１３，１４のうち、酸素極側の出口側配管１４に設けられたヒータ内蔵型ガスセンサ（ガスセンサ）１５の作動開始および作動停止および作動を制御するものである。
この実施形態によるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置１は、例えば図１に示すように、例えば、燃料電池２と、電流制御器３と、蓄電装置４と、負荷５と、Ｓ／Ｃ出力制御器６と、過給機（Ｓ／Ｃ）７と、燃料供給装置８と、出力電流センサ９と、制御器１０とを備えて構成される燃料電池システム１ａにおいて、燃料電池２に接続された各配管１１，１２，１３，１４のうち、酸素極側の出口側配管１４に設けられたヒータ内蔵型ガスセンサ（ガスセンサ）１５の作動開始および作動停止および作動を制御するものである。
燃料電池２は、例えば燃料電池車両や電動車両等の電源として車両に搭載されており、固体高分子電解質膜を水素極と酸素極で挟持した電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる図示しない燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
燃料電池２の水素極に接続された入口側配管１１には、例えば高圧の水素タンク等を具備する燃料供給装置８から水素ガスを含む燃料ガスが供給され、水素極の触媒電極上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介して酸素極へと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。酸素極に接続された入口側配管１２には、例えば、酸素などの酸化剤ガスあるいは空気が過給機（Ｓ／Ｃ）７から供給され、この酸素極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、水素極側、酸素極側共に出口側配管１３、１４から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。特に、固体高分子電解質型の燃料電池は通常作動温度が水の蒸気化温度よりも低く、オフガスは多湿度で水分量の多いガスとなって排出される。
燃料電池２の水素極に接続された入口側配管１１には、例えば高圧の水素タンク等を具備する燃料供給装置８から水素ガスを含む燃料ガスが供給され、水素極の触媒電極上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介して酸素極へと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。酸素極に接続された入口側配管１２には、例えば、酸素などの酸化剤ガスあるいは空気が過給機（Ｓ／Ｃ）７から供給され、この酸素極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、水素極側、酸素極側共に出口側配管１３、１４から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。特に、固体高分子電解質型の燃料電池は通常作動温度が水の蒸気化温度よりも低く、オフガスは多湿度で水分量の多いガスとなって排出される。
ここで、酸素極側の出口側配管１４には、その鉛直方向上側にガス接触燃焼式のヒータ内蔵型ガスセンサ（ガスセンサ）１５が取り付けられ、このガスセンサ１５により酸素極側の出口側配管１４から水素ガスが排出されていないことを確認できるようになっている。
また、過給機７は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池２の酸素極に供給する。
この過給機７を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御器１０から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを具備するＳ／Ｃ出力制御器６によって制御されている。
この過給機７を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御器１０から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを具備するＳ／Ｃ出力制御器６によって制御されている。
燃料電池２から取り出される発電電流（出力電流）は電流制御器３に入力されており、この電流制御器３には、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる複数のキャパシタセルが互いに直列に接続されて構成されたキャパシタ等からなる蓄電装置４が接続されている。
そして、燃料電池２および電流制御器３と蓄電装置４は、例えば走行用モータ（図示略）と、例えば燃料電池２や蓄電装置４の冷却装置（図示略）や空調装置（図示略）等の各種補機類からなる負荷５と、Ｓ／Ｃ出力制御器６とに対して並列に接続されている。
そして、燃料電池２および電流制御器３と蓄電装置４は、例えば走行用モータ（図示略）と、例えば燃料電池２や蓄電装置４の冷却装置（図示略）や空調装置（図示略）等の各種補機類からなる負荷５と、Ｓ／Ｃ出力制御器６とに対して並列に接続されている。
この燃料電池システム１ａにおいて制御器１０は、例えば、車両の運転状態や、燃料電池２の水素極に供給される燃料ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池２の水素極から排出されるオフガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池２の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの端子間電圧や、燃料電池２から取り出される出力電流等に基づき、過給機７から燃料電池２へ供給される空気の流量に対する指令値および燃料供給装置８から燃料電池２へ供給される燃料ガスの流量に対する指令値を出力し、燃料電池２の発電状態を制御する。
このため、制御器１０には、燃料電池２から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ９から出力される検出信号が入力されている。
さらに、制御器１０は、燃料電池２に対する発電指令（ＦＣ出力指令値）に基づき、電流制御器３により燃料電池２から取り出される出力電流の電流値を制御する。
このため、制御器１０には、燃料電池２から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ９から出力される検出信号が入力されている。
さらに、制御器１０は、燃料電池２に対する発電指令（ＦＣ出力指令値）に基づき、電流制御器３により燃料電池２から取り出される出力電流の電流値を制御する。
例えば図２および図３に示すように、ガスセンサ１５は、出口側配管１４の長手方向に沿って長い直方形状のケース２１を備えている。ケース２１は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、長手方向両端部にフランジ部２２を備えている。フランジ部２２にはカラー２３が設けられ、このカラー２３内にボルト２４が挿入されて、出口側配管１４の取付座１４ａに締め付け固定されるようになっている。
ケース２１の厚さ方向の端面（例えば、下面）には、後述するベース部３５を介して、セラミックスにより形成された筒状部２５が設けられ、この筒状部２５は出口側配管１４の貫通孔１４ｂに外側から挿入されている。
筒状部２５の内部はガス検出室２６として形成され、ガス検出室２６の内部側面２６Ａには、内周側に向かってセラミックスからなるフランジ部２７が一体に形成され、フランジ部２７の内周部分がガス導入部２８として開口形成されている。
また、筒状部２５の外周面２５Ａにはシール材２９が装着され、出口側配管１４の貫通孔１４ｂの内周壁に密接して気密性を確保している。
筒状部２５の内部はガス検出室２６として形成され、ガス検出室２６の内部側面２６Ａには、内周側に向かってセラミックスからなるフランジ部２７が一体に形成され、フランジ部２７の内周部分がガス導入部２８として開口形成されている。
また、筒状部２５の外周面２５Ａにはシール材２９が装着され、出口側配管１４の貫通孔１４ｂの内周壁に密接して気密性を確保している。
ケース２１内には樹脂で封止された回路基板３０が設けられ、ガス検出室２６内に配置された、例えば１対の検出素子３１および温度補償素子３２は、回路基板３０に接続された通電用の複数のステー３３（支持部材）およびリード線３４により回路基板３０に接続されている。
通電用のステー３３は、例えば銅合金、鉄合金、ニッケル合金等の複合合金材から形成され、ケース２１と筒状部２５との間に配置された略円環板状のベース部３５を貫通し、基端部がケース２１内の回路基板３０に接続されると共に、先端部がガス検出室２６内に突出した状態で、例えばアルミナあるいはガラスエポキシ等の絶縁性材料から平板状に形成されたベース部３５により固定されている。
通電用のステー３３は、例えば銅合金、鉄合金、ニッケル合金等の複合合金材から形成され、ケース２１と筒状部２５との間に配置された略円環板状のベース部３５を貫通し、基端部がケース２１内の回路基板３０に接続されると共に、先端部がガス検出室２６内に突出した状態で、例えばアルミナあるいはガラスエポキシ等の絶縁性材料から平板状に形成されたベース部３５により固定されている。
ガス検出室２６の内部側面２６Ａ上には、例えばチタン酸バリウム等からなるＰＴＣ（positive temperature coefficient）サーミスタ等の平板状のヒータ３６が設けられている。
なお、ヒータ３６は、例えば外形が円形板状とされ、径方向の両端部に通電用の電気端子が設けられている。
また、ヒータ３６を、例えばＰＴＣサーミスタとすることにより、このＰＴＣサーミスタを構成するチタン酸バリウムを主成分とする半導体セラミックの材料組成により、任意にキュリー温度を設定することができ、このキュリー温度から電気抵抗が急激に増大するという性質を利用して、ヒータ３６を定温発熱体とすることができる。
つまりＰＴＣサーミスタは、ＰＴＣ素子に電圧が印加されるとジュール熱により自己発熱し、ＰＴＣ素子の温度がキュリー温度を超えると、ＰＴＣ素子の抵抗値は対数的に増大する。これにより、ＰＴＣ素子に通電される電流が減少し、電力の増大が抑制されることから、発熱温度が低下する。そして、ＰＴＣ素子の抵抗値が低下すると、ＰＴＣ素子に通電される電流が増大し、再度、電力が増大することから、発熱温度が増大する。この一連の動作が繰り返されることで、ＰＴＣサーミスタは、自己制御機能を有する定温発熱体として機能する。
なお、ヒータ３６は、例えば外形が円形板状とされ、径方向の両端部に通電用の電気端子が設けられている。
また、ヒータ３６を、例えばＰＴＣサーミスタとすることにより、このＰＴＣサーミスタを構成するチタン酸バリウムを主成分とする半導体セラミックの材料組成により、任意にキュリー温度を設定することができ、このキュリー温度から電気抵抗が急激に増大するという性質を利用して、ヒータ３６を定温発熱体とすることができる。
つまりＰＴＣサーミスタは、ＰＴＣ素子に電圧が印加されるとジュール熱により自己発熱し、ＰＴＣ素子の温度がキュリー温度を超えると、ＰＴＣ素子の抵抗値は対数的に増大する。これにより、ＰＴＣ素子に通電される電流が減少し、電力の増大が抑制されることから、発熱温度が低下する。そして、ＰＴＣ素子の抵抗値が低下すると、ＰＴＣ素子に通電される電流が増大し、再度、電力が増大することから、発熱温度が増大する。この一連の動作が繰り返されることで、ＰＴＣサーミスタは、自己制御機能を有する定温発熱体として機能する。
また、ガス検出室２６内での各素子３１，３２周辺の温度および湿度を検出する状態センサ３７がベース部３５により固定され、状態センサ３７はケース２１内の回路基板３０に接続されている。
ガス導入部２８には、ガスセンサ１５の厚さ方向に沿って基端部から先端部に向かい順次、例えば金属またはセラミックからなる網状または多孔質状の防爆構造体３８（例えば、焼結フィルタ）と、例えば樹脂からなる撥水フィルタ３９とが配置されている。そして、防爆構造体３８はヒータ３６に接触しており、ヒータ３６によって直接的に加熱される。
これにより、検査対象ガスは、外部から順次、撥水フィルタ３９と、ヒータ３６によって直接的に加熱された防爆構造体３８とを通過してガス検出室２６内に導入され、検査対象ガスの温度は露点よりも高い温度に保持される。また、検査対象ガスが接触する防爆構造体３８で結露が発生することが防止されると共に、防爆構造体３８に水分が付着した場合であっても、この水分が蒸発するようになっている。
これにより、検査対象ガスは、外部から順次、撥水フィルタ３９と、ヒータ３６によって直接的に加熱された防爆構造体３８とを通過してガス検出室２６内に導入され、検査対象ガスの温度は露点よりも高い温度に保持される。また、検査対象ガスが接触する防爆構造体３８で結露が発生することが防止されると共に、防爆構造体３８に水分が付着した場合であっても、この水分が蒸発するようになっている。
なお、検出素子３１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の表面が、被検出ガスとされる水素に対して活性な貴金属等からなる触媒を坦持するアルミナ等の坦体で略球形に被覆されて形成されている。
温度補償素子３２は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子３１と同等のコイルの表面がアルミナ等の坦体で略球形に被覆されて形成されている。
そして、被検出ガスである水素ガスが検出素子３１の触媒に接触した際に生じる燃焼反応の発熱により高温となった検出素子３１と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず検出素子３１よりも低温の温度補償素子３２との間に電気抵抗値の差が生ずることを利用し、雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺して水素濃度を検出することができるようになっている。
温度補償素子３２は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子３１と同等のコイルの表面がアルミナ等の坦体で略球形に被覆されて形成されている。
そして、被検出ガスである水素ガスが検出素子３１の触媒に接触した際に生じる燃焼反応の発熱により高温となった検出素子３１と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず検出素子３１よりも低温の温度補償素子３２との間に電気抵抗値の差が生ずることを利用し、雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺して水素濃度を検出することができるようになっている。
検出素子３１と温度補償素子３２は回路基板３０に接続され、例えばガス検出室２６内で鉛直方向に同一高さで所定間隔を隔てて一対設けられている。
そして、例えば図２に示すように、ガス検出室２６内には検出素子３１と温度補償素子３２との間に、両素子３１，３２を遮るようにして被検出ガスの流入方向に沿って立てられた状態で板状の熱遮断部材４０が配置されている。この熱遮断部材４０により、検出素子３１と温度補償素子３２との間で互いの発熱に起因する放射による熱伝達が生じることを防止すると共に、ガス検出室２６内に流入する被検出ガスが検出素子３１と温度補償素子３２とに振り分けられるようにして均等に分配される。
そして、例えば図２に示すように、ガス検出室２６内には検出素子３１と温度補償素子３２との間に、両素子３１，３２を遮るようにして被検出ガスの流入方向に沿って立てられた状態で板状の熱遮断部材４０が配置されている。この熱遮断部材４０により、検出素子３１と温度補償素子３２との間で互いの発熱に起因する放射による熱伝達が生じることを防止すると共に、ガス検出室２６内に流入する被検出ガスが検出素子３１と温度補償素子３２とに振り分けられるようにして均等に分配される。
例えば図４に示すように、ガスセンサ１５が取り付けられた酸素極側の出口側配管１４において、検査対象ガスの流通方向でガスセンサ１５の取付部位に隣接した上流側の位置で被検出ガスの温度および湿度、つまりガスセンサ１５の上流側のガス温度およびガス湿度を検出する上流側状態センサ４１が取り付けられている。
上流側状態センサ４１は出口側配管１４に形成された貫通孔１４ｃに基部４２が挿通固定され、先端の検出部４３が出口側配管１４内に挿入されるものである。なお、上流側状態センサ４１の基部４２の外周壁にはシール材４４が取り付けられ、上流側状態センサ４１と貫通孔１４ｃとの間のシール性を確保している。
上流側状態センサ４１は出口側配管１４に形成された貫通孔１４ｃに基部４２が挿通固定され、先端の検出部４３が出口側配管１４内に挿入されるものである。なお、上流側状態センサ４１の基部４２の外周壁にはシール材４４が取り付けられ、上流側状態センサ４１と貫通孔１４ｃとの間のシール性を確保している。
制御器１０は、出口側配管１４に取り付けられた上流側状態センサ４１と、ガスセンサ１５内部に設けられた状態センサ３７とに接続されると共に、ガスセンサ１５のヒータ３６に接続されている。
そして、制御器１０は、例えば燃料電池２の運転状態等に応じて、ガスセンサ１５およびヒータ３６の作動状態、例えば作動開始（つまり、ヒータ３６への通電の開始）および作動停止（つまり、ヒータ３６への通電の停止）の各タイミングや、例えば蓄電装置４から検出素子３１および温度補償素子３２とヒータ３６とに対する通電状態等を制御する。
そして、制御器１０は、例えば燃料電池２の運転状態等に応じて、ガスセンサ１５およびヒータ３６の作動状態、例えば作動開始（つまり、ヒータ３６への通電の開始）および作動停止（つまり、ヒータ３６への通電の停止）の各タイミングや、例えば蓄電装置４から検出素子３１および温度補償素子３２とヒータ３６とに対する通電状態等を制御する。
例えば制御器１０は、上流側状態センサ４１から出力されるガスセンサ１５の上流側のガス湿度に応じてヒータ３６への通電の開始および停止を制御すると共に、ヒータ３６への通電の実行時においては、状態センサ３７および上流側状態センサ４１の検出温度に基づいてヒータ３６への通電量を制御する。
例えば制御器１０は、上流側状態センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの湿度（湿度検出値）が所定のヒステリシスを有する閾湿度ＨＹ（Ｌ／Ｈ）以上であるか否かの判定結果に応じてヒータ３６への通電の開始および停止を制御する。また、例えば燃料電池２の運転時等におけるヒータ３６への通電の実行時には、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度（検出室内温度）および上流側状態センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度（上流ガス温度）に基づき、検出室内温度が上流ガス温度よりも所定温度（例えば、０℃以上かつ５℃以下の所定温度）以上高くなるようにして、ヒータ３６の通電量を制御する。このとき、制御器１０は、例えばヒータ３６へ通電される電流値に対するフィードバック制御や、例えばスイッチング素子のオン／オフ動作等に基づくチョッパ制御（つまり、通電のオン／オフの切替制御）等によってヒータ３６の通電量を制御する。
例えば制御器１０は、上流側状態センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの湿度（湿度検出値）が所定のヒステリシスを有する閾湿度ＨＹ（Ｌ／Ｈ）以上であるか否かの判定結果に応じてヒータ３６への通電の開始および停止を制御する。また、例えば燃料電池２の運転時等におけるヒータ３６への通電の実行時には、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度（検出室内温度）および上流側状態センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度（上流ガス温度）に基づき、検出室内温度が上流ガス温度よりも所定温度（例えば、０℃以上かつ５℃以下の所定温度）以上高くなるようにして、ヒータ３６の通電量を制御する。このとき、制御器１０は、例えばヒータ３６へ通電される電流値に対するフィードバック制御や、例えばスイッチング素子のオン／オフ動作等に基づくチョッパ制御（つまり、通電のオン／オフの切替制御）等によってヒータ３６の通電量を制御する。
この実施の形態によるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置１は上記構成を備えており、次に、このヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置１の動作、特に、ヒータ３６への通電の開始および停止と、ヒータ３６への通電の実行時における通電量とを制御する動作について説明する。
先ず、例えば図５に示すステップＳ０１においては、上流側状態センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの湿度（湿度検出値）が所定のヒステリシスを有する閾湿度ＨＹ（Ｌ／Ｈ）以上であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合、つまり湿度検出値が所定のロー側閾湿度ＨＹ（Ｌ）未満である場合には、後述するステップＳ１０に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、つまり湿度検出値が所定のハイ側閾湿度ＨＹ（Ｈ）以上である場合には、ステップＳ０２に進む。
この判定結果が「ＮＯ」の場合、つまり湿度検出値が所定のロー側閾湿度ＨＹ（Ｌ）未満である場合には、後述するステップＳ１０に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、つまり湿度検出値が所定のハイ側閾湿度ＨＹ（Ｈ）以上である場合には、ステップＳ０２に進む。
そして、ステップＳ０２においては、ヒータ３６への通電の停止状態であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０４に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０３に進む。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０４に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０３に進む。
そして、ステップＳ０３においては、ヒータ３６への通電を開始する。
そして、ステップＳ０４においては、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度（検出室内温度）から上流側状態センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度（上流ガス温度）を減算して得た値を温度差検出値として設定する。
そして、ステップＳ０５においては、温度差検出値が所定のヒステリシスを有する閾温度差ＴＥ（Ｌ／Ｈ）のハイ側閾温度差ＴＥ（Ｈ）（例えば、０℃以上かつ５℃以下の適宜の値であって、５℃等）よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０７に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０６に進む。
そして、ステップＳ０６においては、ヒータ３６への通電電流を減少させ、一連の処理を終了する。これにより、検出室内温度を低下させることで温度差検出値を減少させて所望の温度差を確保し、過剰な電力の消費を防止している。
そして、ステップＳ０４においては、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度（検出室内温度）から上流側状態センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度（上流ガス温度）を減算して得た値を温度差検出値として設定する。
そして、ステップＳ０５においては、温度差検出値が所定のヒステリシスを有する閾温度差ＴＥ（Ｌ／Ｈ）のハイ側閾温度差ＴＥ（Ｈ）（例えば、０℃以上かつ５℃以下の適宜の値であって、５℃等）よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０７に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０６に進む。
そして、ステップＳ０６においては、ヒータ３６への通電電流を減少させ、一連の処理を終了する。これにより、検出室内温度を低下させることで温度差検出値を減少させて所望の温度差を確保し、過剰な電力の消費を防止している。
また、ステップＳ０７においては、温度差検出値が所定のヒステリシスを有する閾温度差ＴＥ（Ｌ／Ｈ）のロー側閾温度差ＴＥ（Ｌ）（例えば、０℃以上かつ５℃以下の適宜の値であって、０℃等）よりも小さいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０９に進む。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０８に進む。
そして、ステップＳ０８においては、ヒータ３６への通電電流を増大させ、一連の処理を終了する。これにより、検出室内温度を上昇させることで温度差検出値を増大させて所望の温度差を確保し、ガスセンサ１５における結露発生の防止をより確実なものとしている。
また、ステップＳ０９においては、この時点でのヒータ３６への通電電流を維持し、一連の処理を終了する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０９に進む。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０８に進む。
そして、ステップＳ０８においては、ヒータ３６への通電電流を増大させ、一連の処理を終了する。これにより、検出室内温度を上昇させることで温度差検出値を増大させて所望の温度差を確保し、ガスセンサ１５における結露発生の防止をより確実なものとしている。
また、ステップＳ０９においては、この時点でのヒータ３６への通電電流を維持し、一連の処理を終了する。
また、ステップＳ１０においては、ヒータ３６への通電の停止状態であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１１に進む。
そして、ステップＳ１１においては、ヒータ３６への通電を停止し、一連の処理を終了する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１１に進む。
そして、ステップＳ１１においては、ヒータ３６への通電を停止し、一連の処理を終了する。
上述したように、本実施の形態によるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置１によれば、ヒータ３６での過剰なエネルギー消費を防止すると共に、例えばガス検出室２６内を乾燥させるための専用のガスを供給する装置を備えることで装置構成が複雑化かつ大型化してしまうことを防止しつつ、結露に起因するガスセンサ１５の破損、劣化、検出精度の低下を防止することができる。
つまり、ガス検出室２６内のヒータ３６のオンおよびオフを、ガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの湿度に応じて制御することから、ヒータ３６が過剰な頻度で不必要に起動されてしまうことを防止し、ガス検出室２６内を適切に乾燥させることができる。
そして、ヒータ３６のオンの状態ではガス検出室２６内の温度がガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、ヒータ３６の通電量を制御することから、ガス検出室２６内に流入する被検出ガスによって新たに結露が発生してしまうことを防止することができる。
つまり、ガス検出室２６内のヒータ３６のオンおよびオフを、ガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの湿度に応じて制御することから、ヒータ３６が過剰な頻度で不必要に起動されてしまうことを防止し、ガス検出室２６内を適切に乾燥させることができる。
そして、ヒータ３６のオンの状態ではガス検出室２６内の温度がガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、ヒータ３６の通電量を制御することから、ガス検出室２６内に流入する被検出ガスによって新たに結露が発生してしまうことを防止することができる。
さらに、燃料電池２から排出され出口側配管１４内を流通する酸素極側のオフガスのうちガスセンサ１５のガス検出室２６内に至ったオフガスは、上流側のオフガスよりも所定範囲の温度差を有するようにヒータ３６により加熱されるため、上流側のオフガスに比較して相対湿度が低下した状態となる。
この結果、ガス検出室２６内は露点に対して余裕の有る温度差を有する状態となり、オフガス中の水分がガス検出室２６内で凝結するのを防止することができるため、ガス検出室２６内において凝結水が検出素子３１に接触して、検出素子３１が破損したり劣化するのを防止し、検出素子３１の耐久性を高めることができると共に検出精度を高めることができる。
この結果、ガス検出室２６内は露点に対して余裕の有る温度差を有する状態となり、オフガス中の水分がガス検出室２６内で凝結するのを防止することができるため、ガス検出室２６内において凝結水が検出素子３１に接触して、検出素子３１が破損したり劣化するのを防止し、検出素子３１の耐久性を高めることができると共に検出精度を高めることができる。
さらに、ヒータ３６により加熱することで、上流ガス温度よりも高くなったガス検出室２６内のオフガスは、制御器１０により、上流ガス温度との温度差（温度差検出値）が所定のヒステリシスを有する閾温度差ＴＥ（Ｌ／Ｈ）に応じた所定範囲内に設定されているため、例えば、温度差検出値が小さ過ぎて（温度差検出値＜ロー側閾温度差ＴＥ（Ｌ））、ガスセンサ１５において結露が生じたり、あるいは必要以上に温度差検出値が大きくなり（温度差検出値≧ハイ側閾温度差ＴＥ（Ｈ））、無駄な電力を消費することが防止され、最小限のエネルギーでガスセンサ１５における結露発生を防止することができる。
なお、上述した実施の形態においては、平板状のヒータ３６をＰＴＣサーミスタとしたが、これに限定されず、例えば焼結体ヒータや、例えば薄い板状のステンレスからなるヒータや、例えばニクロム線等の電気抵抗が大きい線状材からなるヒータ等の他のヒータであってもよいし、例えばベース部３５の表面上での導電性の抵抗体の印刷および焼成により形成され、電気回路の一部の導体パターンをなすヒータであってもよい。
なお、上述した実施の形態においては、ガスセンサ１５を接触燃焼式のセンサとしたが、これに限定されず、例えば被検出ガスが検出素子表面の酸素と接触離脱した際に生じる素子抵抗値に応じてガス濃度を検出する半導体式等の他の方式によるガスセンサであってもよいし、接触燃焼式および半導体式の両センサからなるガスセンサであってもよい。
また、制御器１０で実行される制御機能を、回路基板３０に実装されるマイクロコンピュータやＩＣ（図示略）等で実行するようにしてもよい。
また、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度および相対湿度に基づき、ガスセンサ１５の検知感度の変動を補正してもよい。
また、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度および相対湿度に基づき、ガスセンサ１５の検知感度の変動を補正してもよい。
なお、上述した実施の形態において、ガス導入部２８には、ガスセンサ１５の厚さ方向に沿って基端部から先端部に向かい順次、防爆構造体３８と、撥水フィルタ３９とが配置されているとしたが、これに限定されず、例えば基端部から先端部に向かい順次、撥水フィルタ３９と、防爆構造体３８とが配置されてもよい。
１ ヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置
１ａ 燃料電池システム
４ 蓄電装置（電源）
１０ 制御器（通電制御器）
１４ 出口側配管（配管）
１５ ガスセンサ
２６ ガス検出室
３６ ヒータ
３７ 状態センサ（第１温度センサ）
４１ 上流側状態センサ（第２温度センサ、湿度センサ）
１ａ 燃料電池システム
４ 蓄電装置（電源）
１０ 制御器（通電制御器）
１４ 出口側配管（配管）
１５ ガスセンサ
２６ ガス検出室
３６ ヒータ
３７ 状態センサ（第１温度センサ）
４１ 上流側状態センサ（第２温度センサ、湿度センサ）
Claims (1)
- 被検出ガスが流通する配管に設けられ、前記被検出ガスが流入可能なガス検出室内を加熱するヒータを有するガスセンサと、
前記ガス検出室内に設けられた第１温度センサと、
前記被検出ガスの流通方向において前記ガスセンサよりも上流側に設けられた第２温度センサと、
前記被検出ガスの流通方向において前記ガスセンサよりも上流側に設けられた湿度センサと、
前記ガスセンサおよび前記第１温度センサおよび前記第２温度センサおよび前記湿度センサと、電源とに接続され、前記電源から前記ガスセンサへの電力供給を制御する通電制御器とを備えるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置であって、
前記通電制御器は、
前記湿度センサにより検出される前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの湿度に基づき、前記ヒータのオンおよびオフを制御すると共に、前記ヒータのオンの状態において、前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度、および、前記第２温度センサにより検出される前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度に基づき、前記ガス検出室内の温度が前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、前記ヒータの通電量を制御することを特徴とするヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置。
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2007
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