JP2012242303A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1検出素子31Aと第1補償素子32Aとを有し、水素の濃度に対応した第1信号を出力する常用検出素子対P1と、第2検出素子31Bと第2補償素子32Bとを有し、常用検出素子対P1の劣化判断時、第2信号を出力する基準検出素子対P2と、常用検出素子対P1及び基準検出素子対P2を収容する素子ハウジング13と、を備え、第1検出素子31A及び第1補償素子32Aの第1並び方向D1と、第2検出素子31B及び第2補償素子32Bの第2並び方向D2とは、平行であり、常用検出素子対P1と基準検出素子対P2とは、第1並び方向D1及び第2並び方向D2に直交する直交方向D5で並んでおり、第1検出素子31A及び第1補償素子32Aの第1並び順と、第2検出素子31B及び第2補償素子32Bの第2並び順とは逆である。
【選択図】図4
Description
さらに、常用検出素子対の雰囲気温度と、基準検出素子対の雰囲気温度とは、同一となり易いので、常用検出素子対を高精度で劣化判断できる。
そして、このように温度センサの検出する温度が、常用検出素子対及び基準検出素子対の雰囲気温度と等しくなり易いので、補正手段が、温度センサの検出する温度に基づいて、常用検出素子対の第1信号と、基準検出素子対の第2信号とを、それぞれ良好に補正でき、被検出ガスの濃度を高精度で検出したり、常用検出素子対を良好に劣化判断したりできる。
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図8を参照して説明する。
燃料電池スタック110は、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)であり、MEA(Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体)をセパレータ(図示しない)で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。MEAは、電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路111及びカソード流路112が形成されている。
希釈器120は、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス等で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を有している。そして、水素を含む希釈後のガスは、配管120aを通って車外(外部)に排出されるようになっている。
ECU130は、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ECU130は、IG131のON信号を検知した場合、水素センサ1に起動指令を出力するようになっている。なお、IG131は、燃料電池システム100(燃料電池車)の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。
水素センサ1は、図2に示すように、その第1検出素子31Aで水素を燃焼させることによって、配管120aを通流するガス中の水素濃度を検出する接触燃焼式のセンサである。
水素センサ1は、所定の回路が形成された基板11と、基板11を収容する薄箱状のケース12と、ケース12の底壁部から鉛直下向きに延びる有底円筒状の素子ハウジング13と、検出室13aの温度を検出する温度センサ14と、素子ハウジング13の外側に取り付けられた円筒状のヒータ21と、ヒータ21の温度を検出する温度センサ22と、を備えている。
ただし、素子ハウジング13は円筒状に限定されず、多角筒状(六角筒状)としてもよい。また、ヒータ21の形状・位置・数はこれに限定されず、例えば、素子ハウジング13内の検出室13aに、板状のヒータを複数備える構成としてもよい。
素子ハウジング13は、その内部に水素を検出するために水素を含むガスを取り込む検出室13aを有している。そして、この検出室13aに、後記する常用検出素子対P1(第1検出素子31Aと第1補償素子32Aとの対)と、基準検出素子対P2(第2検出素子31Bと第2補償素子32Bとの対)とが配置されている(図4参照)。つまり、素子ハウジング13は、常用検出素子対P1及び基準検出素子対P2の両方を収容している。
このような素子ハウジング13は、ヒータ21の熱が検出室13aに伝達するように、熱伝導度の高い材料(SUS等の金属や、熱伝導度の高い樹脂)から形成されている。
温度センサ14は、平面視で円形を呈する検出室13aの中心(円筒状の素子ハウジング13の中心軸線上)に配置されている(図4参照)。そして、温度センサ14は、検出室13aの温度を検出し、後記するマイコン51に出力するようになっている(図5参照)。
ヒータ21は、抵抗器であって電気ヒータであり、後記するヒータ駆動回路52から通電にされることで発熱する発熱体である。ヒータ21は、温度抵抗係数(抵抗温度係数)が大きく、その抵抗値とその温度とが線形関係となる材料で形成されている。このような特性を有する材料としては、白金(Pt)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、銅(Cu)等の金属や、ニクロム、SUS等の合金から選択された少なくとも一種を使用できる。
温度センサ22は、ヒータ21の温度を検出し、後記するマイコン51に出力するようになっている(図5参照)。
水素センサ1は、図5に示すように、常用検出素子対P1(図4参照)を含む第1ブリッジ回路B1と、基準検出素子対P2を含む第2ブリッジ回路B2と、を備えている。
すなわち、通常時、マイコン51からの指令に従って後記する電圧発生回路53から第1ブリッジ回路B1に電圧が印加(通電)され、一方、常用検出素子対P1(第1ブリッジ回路B1)の劣化判断時、マイコン51からの指令に従って電圧発生回路53から第1ブリッジ回路B1及び第2ブリッジ回路B2に電圧が印加(通電)されるようになっている。
第1ブリッジ回路B1は、第1直列辺30と、第2直列辺40と、を備えている。
第1直列辺30は、第1検出素子31A(抵抗値R31)と第1補償素子32A(抵抗値R32)とを備え、第1検出素子31Aと第1補償素子32Aとが直列に接続されることで構成されている。そして、常用検出素子対P1は、第1検出素子31Aと第1補償素子32Aとの対(組)で構成されている(図3、図4参照)。
コイル31aは、前記したヒータ21と同様に、白金(Pt)等の温度抵抗係数の大きい材料で形成されている。担体31bは、アルミナ等から形成された多孔質体である。酸化触媒31cは、水素に対して活性が高く、水素を酸化(燃焼)させる貴金属(白金等)から形成されている。
ただし、第1検出素子31Aは、コイル型に限定されず、その他に例えば、薄膜型でもよい。
不活性層は、アルミナ(Al2O3)やシリカ(SiO2)等の非金属や、金(Au)等の水素と反応しない金属から形成される。そして、第1補償素子32Aに水素が接触しても、水素は触媒燃焼反応せず、燃焼熱は生成しないようになっている。
第2直列辺40は、第1抵抗41(抵抗値R41)と、第2抵抗42(抵抗値R42)とを備え、第1抵抗41と第2抵抗42とが直列に接続されることで構成されている。第1抵抗41及び第2抵抗42は、基板11上に取り付けられている(図2参照)。第1抵抗41の抵抗値R41、第2抵抗42の抵抗値R42は、固定値である。
第1直列辺30の両端と、第2直列辺40の両端とは、それぞれ接続されて入力端子T1、入力端子T2を構成している。入力端子T1、入力端子T2は、電圧発生回路53に接続されており、電圧発生回路53で発生した電圧VINが入力端子T1、T2に印加し、第1ブリッジ回路B1に通電するようになっている。
そして、第1検出素子31Aの抵抗値R31と、第1補償素子32Aの抵抗値R32とは、検出室13aの温度に対応して同様に変化するので、第1ブリッジ回路B1の電位差V1OUTは、水素濃度に対応して変化するようになっている。
第2ブリッジ回路B2は、第1ブリッジ回路B1と同様の構成であり、第1ブリッジ回路B1の常用検出素子対P1(第1検出素子31A、第1補償素子32A)の劣化判断時に、通電されることで駆動し、劣化判断基準となる電位差V2OUT(第2信号)を、マイコン51に出力する回路である。
ここで、第1検出素子31A、第1補償素子32A、第2検出素子31B及び第2補償素子32Bの配置状況について、図4を参照して説明する。なお、第1検出素子31A及び第2検出素子31Bは、これに水素が接触すると燃焼熱を生成し発熱する。
また、平面視において、常用検出素子対P1における第1検出素子31A及び第1補償素子32Aの第1並び順と、基準検出素子対P2における第2検出素子31B及び第2補償素子32Bの第2並び順とは、逆となっている(図4参照)。
水素センサ1は、マイコン51(制御手段、補正手段)を備えている。マイコン51は、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮する。
詳細には、マイコン51は、温度センサ22から入力されるヒータ21の温度(及び/又は温度センサ14から入力される検出室13aの温度)に基づいて、検出室13aの温度が目標温度以上となるように、ヒータ駆動回路52を制御(PWM制御、ON/OFF制御、等)する機能を備えている。前記目標温度は、例えば、検出室13aでオフガスの水蒸気が結露しない結露防止温度以上に設定される。
また、マイコン51は、電圧発生回路53を制御して、(1)通常時、第1ブリッジ回路B1に所定電圧を印加し、(2)第1ブリッジ回路B1(常用検出素子対P1)の劣化判断時、第1ブリッジ回路B1及び第2ブリッジ回路B2(基準検出素子対P2)に所定電圧を印加させる機能を備えている。なお、第1ブリッジ回路B1の劣化判断は、例えば、(1)水素センサ1の積算使用時間が所定時間経過した場合、(2)積算水素濃度が所定濃度以上となった場合、等に実行される。
また、マイコン51(補正手段)は、第1ブリッジ回路B1(常用検出素子対P1)の電位差V1OUT(第1信号)と、補正係数αとを乗算し、電位差V1OUTを補正する機能を備えている。これにより、第1検出素子31Aと第1補償素子32Aとの個体差(雰囲気温度が同一とした場合において、温度変化に起因する抵抗値R31、R32の差)に基づく電位差V1OUTが補正、つまり、水素濃度のみに対応した電位差V1OUTに補正されるようになっている。
また、マイコン51(劣化判断手段)は、第1ブリッジ回路B1の常用検出素子対P1(特に第1検出素子31A)が劣化したか否か判断する機能を備えている。
具体的に例えば、マイコン51は、補正後の電位差V1OUT(第1信号)と、補正後の電位差V2OUT(第2信号)との差が、所定値以上である場合、常用検出素子対P1は劣化したと判断するようになっている。所定値は、常用検出素子対P1が劣化したと判断される値であり、事前試験等によって求められ、マイコン51に記憶されている。なお、常用検出素子対P1の第1検出素子31Aの劣化が進むと、酸化触媒31cの触媒機能が低下し、抵抗値R31が小さくなる。
水素センサ1は、ヒータ駆動回路52と、電圧発生回路53と、を備えている。
ヒータ駆動回路52は、DC−DCコンバータ等を備えて構成され、外部電源61(12Vバッテリ等)と接続されている。そして、ヒータ駆動回路52は、マイコン51の指令に従って、外部電源61からの電力を、その電流値を可変しつつ、ヒータ21に供給する機能を備えている。
次に、水素センサ1の動作について、図8を参照して説明する。なお、IG131のON信号を検知したECU130からの指令に従って、マイコン51は、図8の一連の処理を繰り返している。
劣化判断時であると判定した場合(S101・Yes)、マイコン51の処理はステップS105に進む。一方、劣化判断時でないと判定した場合(S101・No)、マイコン51の処理はステップS102に進む。なお、このようにステップS102に進む場合、通常時である。
具体的には、マイコン51は、検出室13aの温度と図6のマップとに基づいて、補正係数αを算出し、電位差V1OUTと補正係数αとを乗算して、補正後の電位差V1OUTを算出する。
その後、マイコン51の処理は、リターンを通ってスタートに戻る。
この場合において、ECU130は、常用検出素子対P1が劣化していることを運転者に報知するべく、報知装置(図示しない)を作動、例えば、警告ランプを点灯させる構成とすることが好ましい。
その後、マイコン51の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。
このような水素センサ1によれば次の効果を得る。
1つの素子ハウジング13を備える構成であるので、水素センサ1を小型化し、低コストで構成できる。
第1検出素子31Aと第2検出素子31Bとが離れているので、第1検出素子31Aと第2検出素子31Bとの間で熱干渉し難く、水素濃度を高精度で検出し、常用検出素子対P1を正確に劣化判断できる。
そして、温度センサ14の検出する温度に基づいて、電位差V1OUT、V2OUTを補正するので、水素濃度を高精度で検出したり、常用検出素子対P1の劣化判断を正確に実行したりできる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、後記する形態の構成と適宜に組み合わせてもよいし、また、次のように変更してもよい。
前記した実施形態では、水素センサ1が接触燃焼式である構成を例示したが、その他の熱を発生する方式、例えば、熱伝導式、プロトン式、半導体式でもよい。
次に、本発明の第2実施形態について、図9を参照して説明する。なお、第1実施形態と異なる部分を説明する。
また、常用検出素子対P3は、直交方向D5において、基準検出素子対P2を対称中心として、常用検出素子対P1の反対側に、基準検出素子対P2に対して所定間隔をあけて並んでいる。
さらに、常用検出素子対P3における第3検出素子31C及び第3補償素子32Cの第3並び順と、基準検出素子対P2における第2検出素子31B及び第2補償素子32Bの第2並び順とは逆となっている。
また、2つの常用検出素子対と、2つの基準検出素子対とを備える構成としてもよい。この場合、直交方向D5において、基準検出素子対と、常用検出素子対とを交互に並べる構成とすればよい。
次に、本発明の第3実施形態について、図10〜図11を参照して説明する。なお、第1実施形態と異なる部分を説明する。
次に、本発明の第4実施形態について、図12〜図13を参照して説明する。なお、第1実施形態と異なる部分を説明する。
ただし、少なくとも第1検出素子31A、第2検出素子31Bのみをそれぞれ囲む構成としてもよい。
これにより、第1並び方向D1(第2並び方向D2)又は直交方向D5において、隣り合う素子間(例えば、第1検出素子31Aと第1補償素子32Aとの間)における熱干渉が低減されている。
13 素子ハウジング
13a 検出室
14 温度センサ
15、16 断熱部材
21 ヒータ
22 温度センサ
31A 第1検出素子
31B 第2検出素子
31C 第3検出素子
32A 第1補償素子
32B 第2補償素子
32C 第3補償素子
51 マイコン(制御手段、補正手段)
B1 第1ブリッジ回路
B2 第2ブリッジ回路
D1、D2、D3 並び方向
D5 直交方向
P1、P3 常用検出素子対
P2 基準検出素子対
V1OUT 電位差(第1信号)
V2OUT 電位差(第2信号)
Claims (7)
- 被検出ガスが接触することで温度上昇し抵抗値が変化する第1検出素子と、被検出ガスに対して不活性である第1補償素子とを有し、前記第1検出素子の抵抗値と前記第1補償素子の抵抗値との差に基づいて被検出ガスの濃度に対応した第1信号を出力する常用検出素子対と、
被検出ガスが接触することで温度上昇し抵抗値が変化する第2検出素子と、被検出ガスに対して不活性である第2補償素子とを有し、前記常用検出素子対の劣化判断時、前記第2検出素子の抵抗値と前記第2補償素子の抵抗値との差に基づいて被検出ガスの濃度に対応し劣化判断基準となる第2信号を出力する基準検出素子対と、
前記常用検出素子対及び前記基準検出素子対の両方を収容する検出室を有する素子ハウジングと、
を備え、
前記第1検出素子及び前記第1補償素子の第1並び方向と、前記第2検出素子及び前記第2補償素子の第2並び方向とは、平行であり、
前記常用検出素子対と前記基準検出素子対とは、前記第1並び方向及び前記第2並び方向に直交する直交方向で並んでおり、
前記第1検出素子及び前記第1補償素子の第1並び順と、前記第2検出素子及び前記第2補償素子の第2並び順とは、逆である
ことを特徴とするガスセンサ。 - 前記検出室を加熱するヒータを備える
ことを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。 - 前記検出室に配置され、当該検出室の温度を検出する温度センサと、
前記常用検出素子対の第1信号と、前記基準検出素子対の第2信号とを、前記温度センサの検出する前記検出室の温度に基づいてそれぞれ補正する補正手段と、
を備え、
前記温度センサは、前記第1検出素子、前記第1補償素子、前記第2検出素子及び前記第2補償素子に囲まれるように配置されている
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のガスセンサ。 - 前記第1検出素子、前記第1補償素子、前記第2検出素子及び前記第2補償素子のうちの少なくとも2つの素子間における熱干渉を低減する断熱部材を備える
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記断熱部材は、前記第1検出素子、前記第1補償素子、前記第2検出素子及び前記第2補償素子間における熱干渉を低減するように十字形である
ことを特徴とする請求項4に記載のガスセンサ。 - 前記断熱部材は筒状であり、
当該筒状の断熱部材は、前記第1検出素子及び前記第2検出素子をそれぞれ囲むように設けられている
ことを特徴とする請求項4に記載のガスセンサ。 - 前記筒状の断熱部材の周壁部には、被検出ガスの出入する貫通孔が形成されている
ことを特徴とする請求項6に記載のガスセンサ。
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