JP2012163514A - ガス検知システム - Google Patents

Abstract

【課題】検出時間を短縮でき、しかもコストを抑えることができるガス検知システムを提供する。
【解決手段】検知素子Ｓと温度補償素子Ｒとにより構成された接触燃焼式の水素センサ１０において、水素濃度が所定水素濃度未満の場合には、切替スイッチＳＷを固定抵抗Ｒｍ３側に切り替えて、温度補償素子Ｒを熱伝導式で作動させて水素濃度を検出し、水素濃度が所定水素濃度以上の場合には、切替スイッチＳＷを検知素子Ｓ側に切り替えて、温度補償素子Ｒおよび検知素子Ｓを接触燃焼式で動作させて水素濃度を検出する制御装置１９を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱伝導式のガス検出部と接触燃焼式のガス検出部を備えたガス検知システムに関する。

可燃性ガスの検出装置として、接触燃焼式のガス検出部と、熱伝導式のガス検出部とを備えて、熱伝導式のガス検出部による精度の粗い検出にてガス濃度を監視し、熱伝導式のガス検出部の検出ガス濃度が所定の監視ガス濃度範囲内へと増大したときに、接触燃焼式のガス検出部によりガス濃度を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１５６３６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、接触燃焼式のセンサと熱伝導式のセンサを別体で構成しているため、検出方式を移行する際に検出に時間が掛かるという問題があった。また、別体で構成しているため、部品点数も多くなり、コスト高となる問題もある。

本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、検出時間を短縮でき、しかもコストを抑えることができるガス検知システムを提供することを課題とする。

本発明は、検知素子と温度補償素子を備えた接触燃焼式のガスセンサにおいて、前記温度補償素子が熱伝導式によりガス濃度が検出可能な温度となるように前記温度補償素子に通電して当該熱伝導式によりガス濃度を検出し、前記熱伝導式によって所定ガス濃度以上が検出された際に、前記検知素子および前記温度補償素子が接触燃焼式によりガス濃度が検出可能な温度となるように通電して該接触燃焼式によりガス濃度を検出する制御部を備えることを特徴とする。

また、温度補償素子を熱伝導式と接触燃焼式の両方式で作動させるため、熱伝導式のセンサと接触燃焼式のセンサを別個に設ける必要がなく、回路の部品点数を削減することが可能になる。

また、検知素子の使用頻度を少なくすることで、シリコン等の被毒物質による被毒を抑制し、ガスセンサの寿命を向上させることが可能になる。

また、制御部は、熱伝導式によりガス濃度の検出を行っている間は、前記検知素子を低温で作動させる低温作動状態とすることを特徴とする。

これによれば、検知素子の通電をオフ（電圧をゼロ）にするのではなく、検知素子を低温で作動するように通電することにより、接触燃焼式に移行する際の検知素子の起動（検出可能な温度にする暖機）を速めることができ、熱伝導式から接触燃焼式への移行をさらに迅速にすることが可能になる。なお、低温とは、例えば、ガスが検出可能となる温度よりも低く、かつ、素子の結露を防止（抑制）できる温度である。

また、前記所定ガス濃度は、異常信号を出力するガス濃度以下に設定されることを特徴とする。

これによれば、ガス濃度が異常である状態を検知する際は高精度な接触燃焼式でガス濃度を検知するため、高精度に異常を検知することができる。

本発明によれば、検出時間を短縮でき、しかもコストを抑えることができるガス検知システムを提供できる。

本実施形態に係るガス検知システムを燃料電池システムに適用した構成図である。 本実施形態に係るガス検知システムに用いられる水素センサを示す断面図である。 本実施形態に係るガス検知システムを示す回路構成図である。 本実施形態に係るガス検知システムの動作を示し、（ａ）は検出モード切替処理を示すフローチャート、（ｂ）は接触燃焼式での異常判定処理を示すフローチャートである。 本実施形態に係るガス検知システムの動作を示すタイムチャートである。 他の実施形態に係るガス検知システムを示し、（ａ）は熱伝導式モード時の全体回路構成図、（ｂ）は接触燃焼式モード時の要部回路構成図である。 他の実施形態に係るガス検知システムの動作を示すタイムチャートである。 実施形態に係るガス検知システムに用いられる水素センサの変形例を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るガス検知システムを燃料電池システム１に適用した場合について図面を参照して説明する。なお、以下では、ガス検知システムを燃料電池自動車に適用した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されず、船舶用や航空機用、または家庭用や業務用の定置式の燃料電池システムなど電気を必要とする様々なものに適用することができる。また、水素を直接に燃焼して動力を取り出す内燃機関を備えた自動車などにも適用できる。また、検出対象ガス（被検出ガス）としては、水素に限定されるものではなく、メタン、プロパンなどの可燃性ガスにも適用できる。

図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば、燃料電池２と、燃料極（アノード）側の入口側配管３および出口側配管５と、酸素極（カソード）側の入口側配管４および出口側配管（カソードオフガス流路）６と、水素センサ１０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）２０とを含んで構成されている。

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と酸素極で挟持した膜電極接合体を、更に一対のセパレータで挟持してなる単セル（図示しない）を多数組積層して構成されたスタックからなる。

燃料電池２には、例えば高圧の水素タンク等を備える水素供給装置（図示しない）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１１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拡散・通過して酸素極まで移動する。そして、この水素イオンが移動する間に、電子が走行モータなどを含む外部回路に取り出され、直流の電気エネルギ（電力）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、電子および酸素が、酸素極の触媒の作用により化学反応して水が生成される。

なお、コンプレッサ１１は、ＥＣＵ２０により発電要求（アクセルの踏込み量など）に対応してモータの回転速度が適宜制御される。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。また、出口側配管６からは、反応ガスに同伴して凝縮水が排出され、出口側配管５からも、固体高分子電解質膜を透過した水分（凝縮水、水蒸気）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から水素循環配管１２に排出され、エゼクタ１３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、反応済みの空気中に水分を多量に含んだ空気オフガス（カソードオフガス）は、希釈器１６および出口側配管６を介して大気中へ排出される。したがって、燃料電池システム１において、燃料電池２の酸素極の出口に接続される出口側配管６は水分を多く含んだ加湿環境下であり、この加湿環境下に水素センサ１０が設置されている。

さらに、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５にはパージ弁１４を介して水素排出配管１５が接続され、この水素排出配管１５には希釈器１６が接続されている。そして、水素オフガスは、パージ弁１４を介して水素排出配管１５に排出可能とされ、さらに、水素排出配管１５を通って希釈器１６に導入可能とされている。

希釈器１６は、水素排出配管１５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規定の水素濃度を超えないように希釈し、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。なお、パージ弁１４は、ＥＣＵ２０によって開閉制御される。

そして、この希釈器１６の下流側の出口側配管６には、水素を検出する接触燃焼式の水素センサ１０が配置されており、これによりオフガス（希釈ガス）中の水素濃度が監視されるようになっている。水素センサ１０は、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の鉛直方向上部に配置されている。また、水素センサ１０は、燃料電池システム１の運転を制御するＥＣＵ２０と電気的に接続されている。

なお、図示していないが、入口側配管４には、コンプレッサ１１によって導入された乾燥空気（低湿度なガス）を加湿する加湿器が設けられている。この加湿器は、例えば、複数本の水透過性を有する中空糸膜を束ねた中空糸膜束を備えて構成され、燃料電池２の酸素極側の出口から排出される水分を利用して前記乾燥ガスを加湿するように構成されている。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、水素センサ１０と、車室内に設けられた警報装置２２と、イグニッション（ＩＧ）２３と電気的に接続されている。警報装置２２は、水素センサ１０の異常を運転者に対して警告するものであり、光や音などの警告手段を有して構成されている。ＩＧ２３は、燃料電池自動車（燃料電池システム１）の起動スイッチであり、ＥＣＵ２０がオン信号を取得することにより燃料電池システム１の運転（燃料電池２の発電）が開始され、オフ信号を取得することにより燃料電池システム１の運転（燃料電池２の発電）が停止される。

図２に示すように、水素センサ１０は、出口側配管６（カソードオフガス流路）内を流れるオフガス（カソードオフガス、希釈ガス）中の水素を検出する機能を有している。

また、水素センサ１０は、制御基板４１を収容した直方体形状のケース３０と、このケース３０の下面３０ａに設けられた筒状部３４とを備え、酸素極側の出口側配管６に図示しないボルト等によって締結されて構成されている。

筒状部３４の先端（下面）は開口しており、水素を含むオフガスを取り込むガス取込部３６となっている。筒状部３４の内部は、ガス検出室３５として機能しており、検知素子Ｓと温度補償素子Ｒとが設けられている。すなわち、検知素子Ｓと温度補償素子Ｒは、同じガス検出室３５内に配置されている。

検知素子Ｓおよび温度補償素子Ｒは、それぞれ金属などで形成された導電性のステー（電極ピン）３３ａ，３３ａを介して、ガス検出室３５の天井部を構成するベース３７に固定されている。また、ステー３３ａは、ベース３７を貫通して、制御基板４１と接続されている。

また、筒状部３４のガス取込部３６には、例えば、防爆フィルタ３８と撥水フィルタ３９とを積層したフィルタが設けられている。防爆フィルタ３８は、防爆性を確保するためのフィルタであり、液体状の水を通すことが可能な程度の金属製のメッシュや多孔質体などから構成されている。撥水フィルタ３９は、例えば、テトラフルオロエチレン膜から構成され、気体状のオフガス（水素など）をガス検出室３５に取り込みつつ、液体の水分をはじいてガス検出室３５内に侵入しないようになっている。

なお、筒状部３４のガス取込部３６には、素子の感度劣化の原因となるＳｉ、Ｓｉ化合物、有機物といった劣化物質をセンサ素子付近から除去するために、またこれらの劣化物質を吸着したり、ガス検出室３５内に混入するのを防御する目的で、吸着フィルタや防御フィルタを設けるようにしてもよい。また、吸着フィルタや防御フィルタに撥水機能を持たせてもよく、また撥水フィルタを吸着フィルタや防御フィルタと同時に使用してもよい。また、ガス検出室３５内に劣化物質を吸着する吸着剤が充填（設置）されていてもよい。

ちなみに、劣化物質による劣化とは、例えば、タイヤ等に含まれるシロキサンであり、このシロキサンが燃料電池自動車のボンネット内に配置されたコンプレッサ１１の吸気口から燃料電池システム１内に吸い込まれ、通電による過熱によってシリコンが素子に付着することによって発生するものである。

また、水素センサ１０にはヒータ４０Ａ，４０Ｂが設けられている。ヒータ４０Ａは、筒状部３４の天井部を構成するベース３７の上部に設けられている。ヒータ４０Ａは、検知素子Ｓ、温度補償素子Ｒ、防爆フィルタ３８、撥水フィルタ３９を加熱する電気ヒータであり、例えば、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータ、焼結体ヒータ、薄いステンレス板（ＳＵＳ板）で構成されたヒータ、ニクロム線によって構成される。なお、ヒータ４０Ａの位置は、筒状部３４の外周面側などに設けられていてもよい。一方、ヒータ４０Ｂは、制御基板４１に設けられ、該制御基板４１が結露するのを防止するようになっている。

図３に示すように、本実施形態のガス検知システムに用いられる水素センサ１０は、検知素子Ｓ、温度補償素子Ｒ、固定抵抗Ｒｍ１，Ｒｍ２，Ｒｍ３、切替スイッチＳＷ、電圧発生回路１７、検出回路１８、制御装置１９を有している。

検知素子Ｓは、接触燃焼式のセンサとして動作するものであり、例えば、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が、触媒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。触媒は、被検出ガス（水素ガス）に対して活性な貴金属などからなる。

温度補償素子Ｒは、熱伝導式のセンサおよび接触燃焼式のセンサとして動作するものであり、被検出ガス（水素ガス）に対して不活性とされ、例えば検知素子Ｓと同等のコイルの表面が、アルミナ等の坦体やＳｉＯ_２、または水素と反応しない金属（例えば、Ａｕ）などで被覆されて形成されている。

また、水素センサ１０は、検知素子Ｓ、温度補償素子Ｒおよび固定抵抗Ｒｍ１，Ｒｍ２により第１ブリッジ回路が構成され、温度補償素子Ｒ、固定抵抗Ｒｍ１，Ｒｍ２，Ｒｍ３により第２ブリッジ回路が構成されている。

第１ブリッジ回路は、固定抵抗Ｒｍ１と固定抵抗Ｒｍ２とが直列接続された直列辺の両端と、検知素子Ｓと温度補償素子Ｒとが直列接続された直列辺の両端とが接続されて構成されている。第２ブリッジ回路は、固定抵抗Ｒｍ１と固定抵抗Ｒｍ２とが直列接続された直列辺の両端と、温度補償素子Ｒと固定抵抗Ｒｍ３とが直列接続された直列辺の両端とが接続されて構成されている。すなわち、温度補償素子Ｒおよび固定抵抗Ｒｍ１，Ｒｍ２は、第１ブリッジ回路と第２ブリッジ回路に共通の回路である。また、固定抵抗Ｒｍ３は、検知素子Ｓと並列に配置され、後記する切替スイッチＳＷの切り替え制御によって、温度補償素子Ｒと直列に接続されるように構成されている。なお、固定抵抗Ｒｍ１，Ｒｍ２，Ｒｍ３は、いずれも温度に対する特性は同様に形成され、それぞれ制御基板４１上に設けられている。

切替スイッチＳＷは、検知素子Ｓと固定抵抗Ｒｍ３のいずれかを選択的に接続するスイッチである。すなわち、切替スイッチＳＷは、固定抵抗Ｒｍ３に接続されることにより、温度補償素子Ｒを熱伝導式のセンサとして動作させ、また検知素子Ｓに接続されることにより、温度補償素子Ｒと検知素子Ｓを接触燃焼式のセンサとして動作させるように構成されている。

なお、検知素子Ｓと温度補償素子Ｒは、互いに近接して配置されている。また、検知素子Ｓおよび温度補償素子Ｒは、ステー３３ａ（図２参照）を介してベース３７（図２参照）から所定距離離間して設置され、ベース３７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。

電圧発生回路１７は、検知素子Ｓと温度補償素子Ｒ（または固定抵抗Ｒｍ３と温度補償素子Ｒ）が直列接続されてなる直列辺と、固定抵抗Ｒｍ１と固定抵抗Ｒｍ２が直列接続されてなる直列辺とに対して、図示しない外部電源から供給される電圧に基づいて所定の電圧（作動電圧）を印加する。なお、作動電圧とは、水素センサ１０が水素濃度を検知できるようになる電圧である。

検出回路１８は、検知素子Ｓと温度補償素子Ｒ（または固定抵抗Ｒｍ３と温度補償素子Ｒ）との接続点ＰＳと、固定抵抗Ｒｍ１と固定抵抗Ｒｍ２との接続点ＰＲとの間における電圧を検出するものであり、この検出回路１８で検出された電圧（出力値）が制御装置１９に送られる。

制御装置１９は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどで構成され、出力判定部１９ａ、モード切替部１９ｂを有している。

出力判定部１９ａは、検出回路１８から送られた電圧（出力値）に応じて、熱伝導式モードから接触燃焼式モードに切り替える必要があるか否かを判定する機能を有する。例えば、熱伝導式モードにおいて出力された出力値が、所定出力値以上であるか否かによって判定する。所定出力値は、熱伝導式モードから接触燃焼式モードに切り替える際の水素濃度に対応した値に設定される。

モード切替部１９ｂは、出力判定部１９ａによって算出された出力に基づいて切替スイッチＳＷを検知素子Ｓおよび固定抵抗Ｒｍ３のいずれかに切り替えるものである。

すなわち、モード切替部１９ｂは、出力判定部１９ａによって、出力が所定出力値（所定ガス濃度）未満であると判定した場合には、切替スイッチＳＷを固定抵抗Ｒｍ３側に切り替えて、温度補償素子Ｒと固定抵抗Ｒｍ３とを直列接続して、温度補償素子Ｒを熱伝導式のセンサとして機能させる。

すなわち、温度補償素子Ｒの周囲に水素が多くなると放熱し易くなるので（水素が温度補償素子Ｒの熱を吸収し易くなるので）、その結果、温度補償素子Ｒの温度が下がって抵抗値が下がることにより通電量が増える。よって、検出回路１８から制御装置１９に出力される通電量（電圧）が変化する。このように、温度補償素子Ｒの通電量（電圧）が変化し、検出回路１８によって検出される出力値（電位差）が変化する。

また、モード切替部１９ｂは、出力判定部１９ａによって、出力が所定出力値（所定ガス濃度）以上であると判定した場合、切替スイッチＳＷを検知素子Ｓ側に切り替えて、検知素子Ｓと温度補償素子Ｒとを直列接続して、温度補償素子Ｒを接触燃焼式のセンサとして機能させる。

すなわち、固定抵抗Ｒｍ１の抵抗値をｒ１、固定抵抗Ｒｍ２の抵抗値をｒ２、温度補償素子Ｒの抵抗値をｒ３、検知素子Ｓの抵抗値をｒ４とした場合、ガス検出室３５（図２参照）内に導入された検査対象ガス中に水素（被検出ガス）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の平衡状態にあり、検出回路１８への出力がゼロとなる。一方、水素が存在すると、検知素子Ｓの担体の触媒において水素が燃焼することでコイルの温度が上昇し、抵抗値ｒ４が増大する。これに対して温度補償素子Ｒにおいては水素燃焼による抵抗値変化はない。これにより、ブリッジ回路の平衡が破れ、検出回路１８に対して水素濃度の増大変化に応じた電圧値が出力される。この出力値（電圧値）と水素濃度とが関連付けられたマップ等を参照することで、水素濃度を検出することができる。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Ｒを利用することにより相殺されるようになっている。

次に、本実施形態に係るガス検知システムでの動作について図４および図５を参照（適宜、図１ないし図３を参照）して説明する。図４本実施形態に係るガス検知システムの動作を示し、（ａ）は検出モード切替処理を示すフローチャート、（ｂ）は接触燃焼式での異常判定処理を示すフローチャート、図５は本実施形態に係るガス検知システムの動作を示すタイムチャートである。

図４（ａ）に示すように、制御装置１９は、ステップＳ１０１において、ＩＧ２３のＯＮ操作による燃料電池自動車（燃料電池システム１）のＥＣＵ２０から起動信号を取得したか否かを判断し、起動信号を取得していないと判断した場合には（Ｎｏ）、エンドに進み（処理を終了）、また起動信号を取得したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進む。なお、ＥＣＵ２０は、ＩＧ２３の起動信号を取得すると、燃料電池２の発電を開始して、走行モータやコンプレッサ１１などの外部負荷に発電電力を供給するように制御する。また、必要に応じて、燃料電池２の発電電力が高圧バッテリや低圧バッテリ（例えば、１２Ｖバッテリ）に充電される。

ステップＳ１０２において、制御装置１９は、水素センサ１０を熱伝導式のモードで動作させる。すなわち、制御装置１９（モード切替部１９ｂ）は、切替スイッチＳＷを固定抵抗Ｒｍ３と接続されるように切り替えて、温度補償素子Ｒを熱伝導式として水素濃度を検出する。この場合、制御装置１９は、電圧発生回路１７によって作動電圧Ｖ１をブリッジ回路の両電源端子間に印加し、温度補償素子Ｒ（Ｒ素子）および固定抵抗Ｒｍ１〜Ｒｍ３に通電する。

したがって、水素センサ１０では、温度補償素子Ｒの温度（温度補償素子Ｒの抵抗値）が、水素ガスによる熱の吸収量に応じて変化し、第２ブリッジ回路では、温度補償素子Ｒの温度（温度補償素子Ｒの抵抗値）の変化に対応する電位差を検出回路１８によって検出する。

そして、ステップＳ１０３に進み、制御装置１９は、温度補償素子Ｒを熱伝導式で作動させたときの出力（出力電位差）が、所定出力値以上か否かを判断する。なお、所定出力値は、特許請求の範囲に記載の「所定ガス濃度」に対応し、システムとして精度のよい検出を望む閾値であり、例えば水素濃度１．５％に対応する出力に設定される。ステップＳ１０３において、制御装置１９は、所定出力値以上ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０１に戻り、また所定出力値以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０４に進む。

そして、ステップＳ１０４に進み、制御装置１９（モード切替部１９ｂ）は、温度補償素子Ｒを熱伝導式のモードから接触燃焼式のモードに切り替える。すなわち、共通の温度補償素子Ｒを用いて、熱伝導式と接触燃焼式の切り替えを実現できるように構成されている。制御装置１９は、切替スイッチＳＷを検知素子Ｓと接続されるように切り替えて、接触燃焼式にて水素濃度を検出する。このとき、制御装置１９は、電圧発生回路１７によって作動電圧Ｖ１をブリッジ回路の両電源端子間に印加し、検知素子Ｓ（Ｓ素子）、温度補償素子Ｒ（Ｒ素子）、固定抵抗Ｒｍ１，Ｒｍ２に通電する。検知素子Ｓは、水素濃度の増加に応じて抵抗値（ｒ４）が増加し、一方、温度補償素子Ｒは、水素濃度の増加に拘らず抵抗値（ｒ３）が変化しないことから、水素濃度の増加に応じて出力（出力電位差）が変化する。

そして、ステップＳ１０５に進み、制御装置１９は、検知素子Ｓを作動させたときの出力（出力電位差）が、所定出力値未満か否かを判断し、所定出力値未満ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０４に戻り、所定出力値未満であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０１に戻る。

なお、ステップＳ１０１において、制御装置１９は、ＩＧ２３による起動信号がオフにされたと判断した場合には（Ｎｏ）、水素センサ１０への電力の供給を停止して、水素濃度の検出を停止する（エンド）。また、ＥＣＵ２０は、反応ガス（水素および空気）の供給を停止して、発電を停止する。

また、制御装置１９において図４（ａ）に示す処理が実行されている最中、これに並行してＥＣＵ２０では図４（ｂ）に示す処理が実行されている。すなわち、ステップＳ１０４において接触燃焼式モードで水素センサ１０が動作中、検出回路１８によって検出された出力値がＥＣＵ２０に定期的に送られている。

ＥＣＵ２０は、ステップＳ２０１において、検出回路１８によって検出された出力値を取得し、そしてステップＳ２０２に進み、水素濃度を算出する。なお、水素濃度は、出力値と水素濃度とが関係付けられたマップ（不図示）などに基づいて算出される。なお、マップは、テーブル形式であっても関数形式であってもよい。また、マップ等は、事前の実験やシミュレーションなどによって求められ、ＥＣＵ２０に記憶されている。

そして、ステップＳ２０３に進み、ＥＣＵ２０は、ステップＳ２０２で算出された水素濃度が所定水素濃度以上であるか否かを判断する。なお、所定水素濃度は、水素濃度が異常であり、異常信号を出力するか否かを判断するための閾値であり、例えば、水素濃度１．５％に設定される。

ステップＳ２０３において、ＥＣＵ２０は、水素濃度が所定水素濃度以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０４に進み、警報装置２２（図１参照）を作動させる（異常出力）。これにより、運転者に対して水素濃度が異常であること（高めであること）を警告する。また、ステップＳ２０３において、ＥＣＵ２０は、異常状態（警報作動状態）であることを示すフラグ（Ｆ＝１）を設定する。

一方、ステップＳ２０３において、ＥＣＵ２０は、水素濃度が所定水素濃度以上ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２０５に進み、設定されているフラグが「１」であるか否かを判断する。すなわち、フラグが「１」である場合には、異常状態（警報作動状態）であることを示し、フラグが「０」である場合には、異常状態（警報作動状態）ではないことを示している。

ステップＳ２０５において、ＥＣＵ２０は、フラグに「１」が設定されている場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０６に進み、水素濃度が正常であると判断して、警報装置２２の作動を停止する（異常出力停止）。また、ステップＳ２０５において、ＥＣＵ２０は、フラグに「０」が設定されている場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２０１に戻る。

このように、本実施形態では、熱伝導式モードで動作している場合には（Ｓ１０２）、図４（ｂ）に示す異常判定処理は実行されず、接触燃焼式モードで動作している場合（Ｓ１０４）に異常判定処理が実行される。なお、熱伝導式モード（ステップＳ１０２）においても、ＥＣＵ２０は、制御装置１９から出力値を取得して、その出力値に基づいて水素濃度を算出している。

さらに、図５を参照して説明すると、時刻ｔ０において、起動信号（ＩＧ−ＯＮ）を検出した場合には（Ｓ１０１、Ｙｅｓ）、水素センサ１０を熱伝導式モードで動作させる。すなわち、ＩＧ−ＯＮ（起動信号オン）と同時に、温度補償素子Ｒに作動電圧Ｖ１を印加する。なお、作動電圧Ｖ１とは、温度補償素子Ｒが水素濃度を検知可能となる電圧である。作動電圧Ｖ１が印加されることにより、温度補償素子Ｒの温度が上昇して、水素濃度を検出可能な温度Ｔｍとなるまで暖機され、暖機後に熱伝導式モードによる水素濃度の検出が開始される（Ｓ１０２）。

時刻ｔ１において、熱伝導式モードで作動させたときの出力が所定水素濃度以上（所定出力値以上）になった場合には（Ｓ１０３、Ｙｅｓ）、切替スイッチＳＷを切り替えて、検知素子Ｓに対して作動電圧Ｖ１を印加する。これにより、検知素子Ｓが検出可能な温度Ｔｍまで上昇して、接触燃焼式モードにて水素濃度の検出が開始される。

時刻ｔ２において、接触燃焼式モードで作動させたときの出力が所定水素濃度未満になった場合には（Ｓ１０５、Ｙｅｓ）、切替スイッチＳＷを切り替えて、検知素子ＳをＯＦＦ（通電を遮断）して、再び熱伝導式モードにて水素濃度を検出する（Ｓ１０２）。

同様にして、時刻ｔ３において、熱伝導式モードによる出力が所定水素濃度以上（所定出力値以上）になった場合には（Ｓ１０３、Ｙｅｓ）、切替スイッチＳＷを切り替えて、検知素子Ｓを起動して、接触燃焼式モードで水素濃度を検出する。また、時刻ｔ４において、接触燃焼式モードによる出力が所定水素濃度未満になった場合には（Ｓ１０６、Ｙｅｓ）、切替スイッチＳＷを切り替えて、検知素子ＳをＯＦＦ（通電を遮断）して、熱伝導式モードにて水素濃度を検出する。

以上説明したように、本実施形態に係るガス検知システムでは、温度補償素子Ｒが熱伝導式により水素濃度が検出可能な温度Ｔｍとなるように温度補償素子Ｒに通電して当該熱伝導式により水素濃度を検出し、当該熱伝導式によって所定出力値（所定ガス濃度）以上の水素が検出された際に、検知素子Ｓおよび温度補償素子Ｒが接触燃焼式により水素濃度が検出可能な温度となるように通電して該接触燃焼式により水素濃度を検出する制御装置１９を備えている。これにより、まず温度補償素子Ｒが熱伝導式で作動するため、熱伝導式の水素検出から接触燃焼式の水素検出に移行する際に温度補償素子Ｒが既に暖機されており、素子の物としてのバラツキや設計時点で温度補償素子Ｒの熱容量が検知素子よりも大きい場合においても、接触燃焼式の水素検出に早期（スムーズ）に移行できる。

また、本実施形態によれば、温度補償素子Ｒを熱伝導式と接触燃焼式の両方式で作動させることで、熱伝導式の水素センサと接触燃焼式の水素センサを別個に設ける必要がなく、水素センサ１０の回路の部品点数を削減することが可能になる。

また、本実施形態によれば、検知素子Ｓの使用頻度を少なくできるので、シリコン等の被毒物質による被毒を抑制し、水素センサ１０の寿命を向上させることが可能になる。

また、本実施形態によれば、熱伝導式モードから接触燃焼式モードに検出モードを切り替える際の所定出力値（所定ガス濃度）の設定を、異常信号を出力する水素濃度以下（ガス濃度以下）に設定することで、水素濃度が異常である状態を検知したときには高精度な水素検知が可能な接触燃焼式で作動するため、その後は水素濃度を高精度に検知することで、高精度に異常を検知することができる。

（他の実施形態）
図６は他の実施形態に係るガス検知システムを示し、（ａ）は熱伝導式モード時の全体回路構成図、（ｂ）は接触燃焼式モード時の要部回路構成図であり、図７は他の実施形態に係るガス検知システムの動作を示すタイムチャートである。なお、他の実施形態に係るガス検知システムは、熱伝導式モードでの水素濃度検出時に検知素子Ｓに対する通電を遮断（Ｖ２：電圧をゼロ）する構成に替えて、熱伝導式モードでの水素濃度検出時に検知素子Ｓを低温作動状態となるように電圧（待機電圧Ｖ２）を印加する構成である。また、この実施形態に係る水素センサ１０Ａについて、前記した水素センサ１０と同様の構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図６に示すように、他の実施形態に係るガス検知システムに用いられる水素センサ１０Ａは、前記した水素センサ１０に、さらに電圧源５０、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を追加した構成である。

電圧源５０は、熱伝導式モード時に検知素子Ｓを低温作動状態とするための電圧を印加する機能を有する。スイッチＳＷ１は、電圧源５０の一端を検知素子Ｓの一端に接続する位置と、電圧源５０の一端を検知素子Ｓの一端から遮断して電圧源５０の一端を開放する位置とを切り替えるものである。スイッチＳＷ２は、検知素子Ｓの他端を電圧源５０の他端に接続する位置と、検知素子Ｓの他端を温度補償素子Ｒに接続して電圧源５０の他端を解放する位置とに切り替えるものである。

このように構成されたガス検知システムでは、熱伝導式モード時、図６（ａ）に示すように、温度補償素子Ｒと固定抵抗Ｒｍ３とが接続されるように切替スイッチＳＷが切替えられ、検知素子Ｓの一端と電圧源５０の一端とが接続されるように切替スイッチＳＷ１が切替えられるとともに、検知素子Ｓの他端と電圧源５０の他端とが接続されるように切替スイッチＳＷ２が切り替えられる。これにより、検知素子Ｓに対して電圧源５０から低温作動状態となる電圧Ｖ２が印加される。

また、このガス検知システムでは、接触燃焼式モード時、図６（ｂ）に示すように、検知素子Ｓの一端と接続されるように切替スイッチＳＷが切替えられ、検知素子Ｓの一端と電圧源５０の一端との接続が解除されるように切替スイッチＳＷ１が切替えられるとともに、検知素子Ｓの他端と温度補償素子Ｒとが接続されるように切替スイッチＳＷ２が切替えられる。これにより、電圧源５０の両端が開放状態となる。

なお、図６に示す回路構成図は一例であり、適宜変更することができる。例えば、接触燃焼式モード時に電圧源５０の両端を開放状態にする構成に限定されるものではなく、電圧源５０の両端に高抵抗を有する抵抗体を設けて、接触燃焼式モード時に電圧源５０の両端を前記抵抗体に接続するようにしてもよい。また、検知素子Ｓを低温作動状態にするための電圧源５０を別個に設けるのではなく、電圧発生回路１７（入力電圧）から分圧したものを検知素子Ｓに印加するようにしてもよい。

また、図７に示すように、ガス検知システムが起動されると（ＩＧ−ＯＮ、時刻ｔ０）、温度補償素子Ｒに対して作動電圧Ｖ１が印加されるとともに、検知素子Ｓが電圧源５０と接続されることで検知素子Ｓに対して低温作動状態となるように電圧（待機電圧）Ｖ２が印加される。これにより、熱伝導式モード時における検知素子Ｓの素子温度は、電圧Ｖ２がゼロのときの素子温度（図５参照）よりも高い温度に設定される。

そして、ガス検知システムでは、出力値が所定出力値（所定ガス濃度）以上となって熱伝導式モードから接触燃焼式モードに切り替えられ、検知素子Ｓの印加電圧が待機電圧Ｖ２から作動電圧Ｖ１に切り替えられると（時刻ｔ１）、検知素子Ｓの素子温度が作動温度Ｔｍとなるまで上昇する。このように、熱伝導式モード時における検知素子Ｓの待機電圧が電圧Ｖ２（低温作動状態）に設定されているので、熱伝導式モードから接触燃焼式モードに切り替えられたときに、検知素子Ｓの温度が作動温度Ｔｍとなるまでの時間を、待機電圧がゼロの場合（図７の破線部分参照）と比べて短縮することが可能になる。

なお、検知素子Ｓを低温作動状態とする電圧（待機電圧Ｖ２）は、例えば、出口側配管６（カソードオフガス流路）に流れるカソードオフガス（希釈ガス）の温度以上、かつ、水素濃度を検知可能な温度未満となるように設定されることが好ましい。これにより、検知素子Ｓや温度補償素子Ｒが結露するのを抑制することができ、結露による劣化や水蒸気応力による劣化を抑制できる。

以上説明したように、他の実施形態に係るガス検知システムによれば、熱伝導式モードにより水素の濃度の検出を行っている場合に検知素子Ｓを低温作動状態（待機電圧Ｖ２）とすることにより、熱伝導式モードから接触燃焼式モードに移行する際の検知素子Ｓの起動（素子温度が水素検知可能となる温度まで上昇させること）を早めることができ、接触燃焼式による水素濃度の検出を早期に開始することができる。

なお、本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、ガス検出室３５内に検知素子Ｓと温度補償素子Ｒを備えた水素センサ１０，１０Ａに替えて、図８に示すように、検知素子Ｓ１と温度補償素子Ｒ１を備えた筒状部３４と、検知素子Ｓ２と温度補償素子Ｒ２を備えた筒状部３４を有する水素センサ１００としてもよい。この場合、検知素子Ｓ１および温度補償素子Ｒ１によって水素濃度を検知し、検知素子Ｓ２および温度補償素子Ｒ２によって検知素子Ｓ１および温度補償素子Ｒ１の劣化度合いなどを検出できるようになる。

また、本実施形態に係るガス検知システムに用いられる水素センサ１０，１０Ａの素子は、白金やＰｄ等の触媒機能を持たせたワイヤをコイル状にした形態でもよく、薄膜状にした形態でもよい。また、水素センサ１０，１０Ａは、カソードオフガス流路以外にも適用可能である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
１０，１０Ａ，１００ 水素センサ（ガスセンサ）
１７ 電圧発生回路
１８ 検出回路
１９ 制御装置（制御手段）
１９ａ 出力判定部
１９ｂ モード切替部
５０ 電圧源
Ｓ 検知素子
Ｒ 温度補償素子
Ｒｍ１，Ｒｍ２，Ｒｍ３ 固定抵抗
ＳＷ，ＳＷ１，ＳＷ２ 切替スイッチ

Claims (3)

1. 検知素子と温度補償素子を備えた接触燃焼式のガスセンサにおいて、
   前記温度補償素子が熱伝導式によりガス濃度が検出可能な温度となるように前記温度補償素子に通電して当該熱伝導式によりガス濃度を検出し、前記熱伝導式によって所定ガス濃度以上が検出された際に、前記検知素子および前記温度補償素子が接触燃焼式によりガス濃度が検出可能な温度となるように通電して該接触燃焼式によりガス濃度を検出する制御手段を備えることを特徴とするガス検知システム。
2. 前記制御手段は、熱伝導式によりガス濃度の検出を行っている間は、前記検知素子を低温で作動させる低温作動状態とすることを特徴とする請求項１に記載のガス検知システム。
3. 前記所定ガス濃度は、異常信号を出力するガス濃度以下に設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス検知システム。

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