JP2010019732A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】迅速に劣化判定が可能で、且つ、信頼性に優れたガスセンサを提供する。
【解決手段】互いに近接配置され、電圧を印加されるガス濃度検出用素子９ａと監視用素子１０ａと、ガス濃度検出用素子９ａの出力に基づいてガス濃度を判定する濃度判定部３２と、両素子９ａ，１０ａの出力偏差に基づいてガス濃度検出用素子９ａの異常を判定する異常判定部３３と、検出モードと監視モードに切り換えるモード切換部３１とを備え、検出モードでは、ガス濃度検出用素子９ａに基準電圧を印加し、監視用素子１０ａには基準電圧よりも低い電圧を印加し、監視モードでは、ガス濃度検出用素子９ａと監視用素子１０ａの両方に基準電圧を印加する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば燃料電池車両に搭載される水素センサ等のガスセンサに関するものである。

ガスセンサには、２つのガス検出素子を備え、一方のガス検出素子を測定用素子として常時使用し、他方のガス検出素子を前記測定用素子の劣化を判定する劣化判定用素子として時々使用するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３２１９８５５号公報

しかしながら、前記従来のガスセンサにおいては、劣化判定用素子が劣化判定に供されていないときには劣化判定用素子は無通電状態であるため、劣化判定時に劣化判定用素子に通電を行ったときに、劣化判定可能な状態となるまでに時間が長くかかり、劣化判定を迅速に行うことができないという課題がある。

また、劣化判定用素子が劣化判定に供されていないときには劣化判定用素子は無通電状態であるため、劣化判定用素子の温度が低下してしまい、ガスセンサが高湿な雰囲気下に設置されている場合に、劣化判定用素子に結露水や不純物が付着し易く、劣化判定時の基準素子としての信頼性が低下するという課題がある。
そこで、この発明は、迅速に劣化判定が可能で、且つ、信頼性に優れたガスセンサを提供するものである。

この発明に係るガスセンサでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、互いに近接配置され、電圧を印加される一対のガス検出素子（例えば、後述する実施例におけるガス濃度検出用素子９ａ、監視用素子１０ａ）と、前記ガス検出素子の出力に基づいてガス濃度を判定する濃度判定部（例えば、後述する実施例における濃度判定部３２）と、前記一対のガス検出素子の出力の偏差に基づいて一方のガス検出素子の異常を判定する異常判定部（例えば、後述する実施例における異常判定部３３）と、を備えるガスセンサ（例えば、後述する実施例における水素センサ１００）において、前記一対のガス検出素子のうち一方をガス濃度検出用素子（例えば、後述する実施例におけるガス濃度検出用素子９ａ）、他方を監視用素子（例えば、後述する実施例における監視用素子１０ａ）とし、前記ガス濃度検出用素子に印加する電圧よりも前記監視用素子に印加する電圧を低くする検出モードと、前記ガス濃度検出用素子と前記監視用素子に前記検出モードのときに前記ガス濃度検出用素子に印加した電圧と同じ電圧を印加する監視モードとに、切り替え可能に構成されていることを特徴とするガスセンサである。
このように構成することにより、検出モードにおいては、ガス濃度検出用素子に印加する電圧よりも低い電圧を監視用素子に印加することができるので、検出モードでは監視用素子を昇温しながらも、ガス濃度検出用素子よりも低い温度に保持することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記検出モードにおいて前記監視用素子に印加する電圧は、その電圧を印加して昇温される前記監視用素子の温度では該監視用素子が検出対象であるガスと反応しない値に設定されていることを特徴とする。
このように構成することにより、検出モードでは監視用素子が検出対象であるガスと反応しないので、監視用素子に被毒を発生させないようにすることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記検出モードにおいて前記監視用素子に印加する電圧は、その電圧を印加して昇温される前記監視用素子の温度では該監視用素子が検出対象以外の不純物と反応しない値に設定されていることを特徴とする。
このように構成することにより、検出モードでは監視用素子が検出対象以外の不純物と反応しないので、監視用素子に被毒を発生させないようにすることができる。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記検出モードにおいて前記監視用素子に印加する電圧は、その電圧を印加して昇温される前記監視用素子の温度で結露が発生しない値に設定されていることを特徴とする。
このように構成することにより、検出モードのときに監視用素子において結露が発生しないようにすることができる。

請求項１に係る発明によれば、検出モードでは監視用素子を昇温しながらも、ガス濃度検出用素子よりも低い温度に保持することができるので、検出モードから監視モードに移行するときに、監視用素子をガス濃度検出用素子と同一温度まで迅速に昇温することができる。したがって、監視モードにおいて行う、ガス濃度検出用素子と監視用素子の出力の偏差に基づいてガス濃度検出用素子が異常か否かを判定する異常判定処理を迅速に行うことができる。

請求項２および請求項３に係る発明によれば、検出モードのときに監視用素子に被毒を発生させないようにすることができるので、監視用素子の信頼性が向上し、ガス濃度検出用素子に対する異常判定の信頼性が向上する。

請求項４に係る発明によれば、検出モードのときに監視用素子において結露が発生しないようにすることができるので、監視用素子の信頼性が向上し、ガス濃度検出用素子に対する異常判定の信頼性が向上する。

以下、この発明に係るガスセンサの実施例を図１から図６の図面を参照して説明する。なお、この実施例におけるガスセンサは、燃料電池車両に搭載されて、例えば燃料電池のカソード極側から排出される酸化剤排ガス中に水素が漏洩していないことを確認するために使用される水素センサとしての態様である。

この実施例における水素センサ１００は接触燃焼式ガスセンサであり、初めに、図２および図３を参照して水素センサ１００の検出部１の構成を説明する。
図２に示すように、検出部１は、例えばポリフェニレンサルファイド製のケース２を備え、ケース２内には樹脂で封止された回路基板３が設けられている。ケース２の下面からは、一対の筒状部４，５が突出形成されており、各筒状部４，５の下端にはそれぞれガス導入口６が開口形成されていて、各筒状部４，５の内部に形成されたガス検出室７に連なっている。ガス導入口６には通気性を有する例えばセラミックからなるフィルタ８が設けられている。

各筒状部４，５の内部にはそれぞれ検出要素９，１０が設けられており、検出要素９，１０は回路基板３に接続されている。
筒状部４の検出要素９について説明すると、検出要素９は、ケース２の下面から等距離だけ離間して並んで設置された検出素子９ａと温度補償素子９ｂとを備え、各素子９ａ，９ｂは通電用のリード線１１、ステー１２を介して回路基板３に接続されている。

図３に示すように、検出素子９ａは、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１３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１４を坦持するアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。
温度補償素子９ｂは、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子９ａと同等のコイル１５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、被検出ガスである水素が検出素子９ａの触媒１４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９ａと、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず検出素子９ａよりも低温の温度補償素子９ｂ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。

例えば、検出素子９ａ（抵抗値Ｒ４）及び温度補償素子９ｂ（抵抗値Ｒ３）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗１６（抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗１７（抵抗値Ｒ２）が直列接続されてなる枝辺とが、外部の電源１８から供給される電圧に基づいて所定の電圧を印加する電圧発生回路２０Ａに対して並列に接続されてなるブリッジ回路において、検出素子９ａと温度補償素子９ｂ同志の接続点ＰＳと、固定抵抗１６，１７同志の接続点ＰＲとの間に、これらの接続点ＰＳ，ＰＲ間の電圧を検出する検出回路２１Ａが接続されており、さらに、検出回路２１Ａは出力回路２２Ａが接続されている。

ここで、ガス検出室７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、検出回路２１Ａの出力がゼロとなる。一方、水素が存在すると、検出素子９ａの触媒１４において水素が燃焼し、コイル１３の温度が上昇し、検出素子９ａの抵抗値Ｒ４が増大する。これに対して温度補償素子９ｂにおいては水素は燃焼せず、温度補償素子９ｂの抵抗値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検出回路２１Ａに、水素濃度の増大変化に応じて増大傾向に変化する適宜の電圧が印加される。この検出回路２１Ａから出力される電圧の検出値は出力回路２２Ａへ出力され、出力回路２２Ａは入力された検出値を制御部３０（図１参照）へ出力する。

筒状部５の検出要素１０は検出要素９と同様の構成であるので、詳細説明を省略するが、検出要素１０は検出素子１０ａと温度補償素子１０ｂとを備え、各素子１０ａ，１０ｂは通電用のリード線１１、ステー１２を介して回路基板３に接続され、ブリッジ回路に接続されている。該ブリッジ回路は電圧発生回路２０Ｂと検出回路２１Ｂに接続されていて、検出回路２１Ｂで検出された検出値は出力回路２２Ｂを介して制御部３０へ出力される。

そして、水素センサ１００の検出部１は、筒状部４，５を例えば酸化剤排ガス配管内に挿入して該配管に設置され、該配管中を流通する酸化剤排ガス中の水素の検出に供される。
ただし、この実施例では、検出要素９の検出素子９ａはガス濃度検出用の素子（以下、ガス濃度検出用素子９ａという）とされ、検出要素１０の検出素子１０ａは監視用の素子（以下、監視用素子１０ａという）とされており、ガス濃度検出用素子９ａによって酸化剤排ガス中の水素の検出を常時行い、監視用素子１０ａは定期的にガス濃度検出用素子９ａに異常がないか否かを検出するのに使用する。

次に、図１のブロック図を参照して、水素センサ１００の制御部３０について説明する。
制御部３０は、モード切換部３１と、濃度判定部３２と、異常判定部３３とを備え、濃度判定部３２は出力切換部３４を備えている。
モード切換部３１は、検出モードと監視モードを切り換える切換手段である。検出モードは、監視用素子１０ａに印加する電圧をガス濃度検出用素子９ａに印加する電圧よりも低くし、ガス濃度検出用素子９ａの出力に基づいて被検出ガスのガス濃度を検出するモードであり、監視モードは、検出モードのときにガス濃度検出用素子９ａに印加した電圧と同じ大きさの電圧をガス濃度検出用素子９ａと監視用素子１０ａに印加してガス濃度検出用素子９ａの異常判定を行うモードである。

モード切換部３１は、図４のタイムチャートに示すように、燃料電池（図示略）を運転開始するときにＯＮ操作される始動スイッチ４０がＯＮされると、そのＯＮ信号をトリガーとして初めに検出モードに入り、一定時間毎に自動的に監視モードに入るように制御する。なお、実際には、始動スイッチ４０がＯＮされると、ガス濃度検出用素子９ａに所定の基準電圧Ｖ１が常時印加されるように検出要素９の電圧発生回路２１Ａが制御され、モード切換部３１から出力されるモード信号に応じて監視用素子１０ａに印加する電圧が、基準電圧Ｖ１、または、ゼロより大で基準電圧Ｖ１よりも低い監視電圧Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２＞０）となるように検出要素１０の電圧発生回路２１Ｂが制御される。

ここで、基準電圧Ｖ１は、ガス濃度検出用素子９ａおよび監視用素子１０ａの触媒１４を駆動温度Ｔ１（例えば１００〜４００゜Ｃ）に昇温するために必要な電圧であり、駆動温度Ｔ１は被検出ガスである水素と反応するための活性温度に設定されている。
一方、監視電圧Ｖ２は、監視用素子１０ａの触媒１４を活性温度より低く、且つ、触媒１４が水素以外の不純物とも反応せず、且つ、結露を発生させない温度Ｔ２（例えば６０〜９０゜Ｃ）に昇温するために必要な電圧である。

そして、検出モードおよび監視モードを問わず、ガス濃度検出用素子９ａには常時、基準電圧Ｖ１が印加されるので、ガス濃度検出用素子９ａの触媒１４は常に活性温度に維持されており、したがって、酸化剤排ガス中に水素が存在するときにはガス濃度検出用素子９ａの抵抗が変化し、この抵抗変化に基づいて検出される検出値に応じた出力が出力回路２２Ａから、制御部３０の濃度判定部３２および異常判定部３３に出力される。

一方、監視用素子１０ａには、検出モードでは基準電圧Ｖ１よりも低い監視電圧Ｖ２が印加されているため、監視用素子１０ａの触媒１４は温度Ｔ２までは昇温するが、活性温度には至らない。
そして、監視モードになると、監視用素子１０ａにもガス濃度検出用素子９ａに印加されているのと同じ基準電圧Ｖ１が印加されるので、監視用素子１０ａの触媒１４も活性温度に昇温されて活性化され、酸化剤排ガス中に水素が存在するときには監視用素子１０ａの抵抗が変化し、この抵抗変化に基づいて検出される検出値に応じた出力Ｓ２が出力回路２２Ｂから、制御部３０の濃度判定部３２および異常判定部３３に出力される。

異常判定部３３において、ガス濃度検出用素子９ａの出力回路２２Ａから入力した出力値Ｓ１と、監視用素子１０ａの出力回路２２Ｂから入力した出力値Ｓ２とを比較し、その偏差ΔＳ（＝Ｓ２−Ｓ１）が予め設定した閾値以内の場合にはガス濃度検出用素子９ａは正常であると判定し、前記閾値を越えた場合にはガス濃度検出用素子９ａは異常であると判定し、異常と判定した場合には異常判定信号を濃度判定部３２および前記燃料電池制御装置等へ出力する。

異常判定部によりガス濃度検出用素子９ａが正常であると判定されているときには、濃度判定部３２は、ガス濃度検出用素子９ａの出力回路２２Ａから入力した出力値Ｓ１に応じて、水素濃度マップ等を参照して水素濃度を算出し、該水素濃度に応じた水素濃度信号を例えば図示しない燃料電池制御装置等へ出力する。
しかしながら、異常判定部によりガス濃度検出用素子９ａが異常であると判定され、異常判定部３３から異常判定信号を入力した場合には、監視モードにおいて監視用素子１０ａの出力回路２２Ｂから入力した出力値Ｓ２に基づいて、前記水素濃度マップ等を参照して水素濃度を算出する。そして、出力切換部３４は、異常と判定されたガス濃度検出用素子９ａ側の出力値Ｓ１に基づいて算出した水素濃度に代えて、監視用素子１０ａ側の出力値Ｓ２に基づいて算出した水素濃度を採用し、該水素濃度に応じた水素濃度信号をセンサ出力として前記燃料電池制御装置等へ出力する。

また、制御部３０は、このように監視用素子１０ａ側の出力値Ｓ２に基づいて算出した水素濃度をセンサ出力として出力しているときには、ガス濃度検出用素子９ａが待機状態であることを示す信号を定期的に前記燃料電池制御装置等に出力する。

次に、この実施例におけるモード切換制御について、図５のフローチャートに従って説明する。
図５のフローチャートに示すモード切換制御ルーチンは、電子制御装置によって繰り返し実行される。
まず、ステップＳ１０１において始動スイッチ４０がＯＮか否かを判定する。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（始動スイッチ：ＯＦＦ）である場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（始動スイッチ：ＯＮ）である場合には、ステップＳ１０２に進み、検出モードか否かを判定する。

ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（検出モード）である場合には、ステップＳ１０３に進み、ガス濃度検出用素子９ａには基準電圧Ｖ１を印加し、監視用素子１０ａには監視電圧Ｖ２を印加し、さらにステップＳ１０４に進み、水素濃度の検出処理を実行して、本ルーチンの実行を一旦終了する。

一方、ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」である場合には、監視モードであるので、ステップＳ１０５に進み、ガス濃度検出用素子９ａおよび監視用素子１０ａに基準電圧Ｖ１を印加し、さらにステップＳ１０６に進み、水素濃度の検出処理を実行するとともに、ガス濃度検出用素子９ａに対する異常判定処理を実行して、本ルーチンの実行を一旦終了する。

このように構成された水素センサ１００によれば次のような作用効果がある。
ガス濃度検出用素子９ａの触媒１４は活性温度の雰囲気において被検出ガスと燃焼反応が起こるが、その際に触媒１４において燃焼反応を起こしている反応部に、被検出ガス以外の媒質（ガス、溶液、ミストなど）あるいは該媒質と反応して生成された物質が付着する、所謂被毒という現象が発生する。

ここで、ガス濃度検出用素子９ａには常時、基準電圧Ｖ１が印加されていて駆動温度Ｔ１に保持されるので、被毒が発生するのは避けられない。そして、被毒された反応部は活性が失われるため、ガス濃度検出用素子９ａが徐々に劣化していくのは避けることはできない。

しかしながら、監視用素子１０ａには、監視モードのときにはガス濃度検出用素子９ａに印加されているのと同じ基準電圧Ｖ１が印加されるので、監視用素子１０ａの触媒１４も活性温度まで昇温されて活性化されるが、検出モードのときには監視用素子１０ａには基準電圧Ｖ１よりも低い監視電圧Ｖ２が印加されるため、監視用素子１０ａの触媒１４は温度Ｔ２までは昇温するが、活性温度（Ｔ１）には至らない。
ここで、検出モードの継続時間は極めて長く（例えば数十秒〜数分）、監視モードの継続時間は極めて短い（例えば数秒）ので、監視用素子１０ａでは被毒現象の発生が極めて少ない。したがって、監視用素子１０ａの信頼性が向上し、ガス濃度検出用素子９ａに対する異常判定の信頼性が向上する。

しかも、検出モードにおいて監視用素子１０ａに監視電圧Ｖ２が印加されていて、監視用素子１０ａの触媒１４が温度Ｔ２に保持されているので、水蒸気が滞留するような場所に水素センサ１００が設置されている場合にも、その水蒸気が監視用素子１０ａにおいて結露することがなく、監視用素子１０ａを常に安定な状態に保持することができる。したがって、監視用素子１０ａの信頼性が向上し、ガス濃度検出用素子９ａに対する異常判定の信頼性が向上する。
また、検出モードのときに監視用素子１０ａが温度Ｔ２に保持されているので、検出モードから監視モードに移行したときに、監視用素子１０ａを迅速に温度Ｔ１まで上昇させることができ、ガス濃度検出用素子９ａに対する異常判定処理を迅速に行うことができる。すなわち、モード切換時の応答性が高く、異常判定に要する時間を短縮することができる。

なお、前述した実施例では温度補償素子９ｂ，１０ｂを備えた水素センサの態様で説明したが、温度補償素子９ｂ，１０ｂを備えない水素センサにもこの発明は適用可能である。図６に、温度補償素子９ｂ，１０ｂを備えない水素センサの検出部１の一例を示す。この場合には、単一の筒状部１９内にガス濃度検出用素子９ａと監視用素子１０ａを設ける。その他の構成は前述した筒状部４および検出要素９と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、ガスセンサは水素センサに限るものではなく、水素以外の被検出ガスを検出するガスセンサであってもよい。また、実施例では検出素子を接触燃焼式としたが、素子を大気温度よりも高温に熱する方式であれば、半導体式、熱伝導式、プロトン導電体式、ＦＥＴ式などのガスセンサにも、この発明は適用可能である。

この発明に係るガスセンサの実施例におけるブロック図である。 前記実施例におけるガスセンサの検出部の断面図である。 前記実施例のガスセンサの回路図である。 前記実施例におけるタイムチャートの一例を示す図である。 前記実施例におけるモード切換制御を示すフローチャートである。 他の実施例におけるガスセンサの検出部の断面図である。

符号の説明

９ａ ガス濃度検出用素子（ガス検出素子）
１０ａ 監視用素子（ガス検出素子）
３１ モード切換部
３２ 濃度判定部
３３ 異常判定部
１００ 水素センサ（ガスセンサ）

Claims (4)

1. 互いに近接配置され、電圧を印加される一対のガス検出素子と、
   前記ガス検出素子の出力に基づいてガス濃度を判定する濃度判定部と、
   前記一対のガス検出素子の出力の偏差に基づいて一方のガス検出素子の異常を判定する異常判定部と、
   を備えるガスセンサにおいて、
   前記一対のガス検出素子のうち一方をガス濃度検出用素子、他方を監視用素子とし、
   前記ガス濃度検出用素子に印加する電圧よりも前記監視用素子に印加する電圧を低くする検出モードと、前記ガス濃度検出用素子と前記監視用素子に前記検出モードのときに前記ガス濃度検出用素子に印加した電圧と同じ電圧を印加する監視モードとに、切り替え可能に構成されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記検出モードにおいて前記監視用素子に印加する電圧は、その電圧を印加して昇温される前記監視用素子の温度では該監視用素子が検出対象であるガスと反応しない値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記検出モードにおいて前記監視用素子に印加する電圧は、その電圧を印加して昇温される前記監視用素子の温度では該監視用素子が検出対象以外の不純物と反応しない値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
4. 前記検出モードにおいて前記監視用素子に印加する電圧は、その電圧を印加して昇温される前記監視用素子の温度で結露が発生しない値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

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