JP3836403B2 - ガス検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成された燃料電池スタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に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て、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
このような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池において、従来、例えば特開平６−２２３８５０号公報に開示された燃料電池の保護装置のように、燃料電池の酸素極側の排出系に水素センサを備え、この水素センサによって、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。
また、水素センサとしては、例えば白金等の触媒からなるガス検出素子と温度補償素子とを一対備え、水素が白金等の触媒に接触した際の燃焼により発生する熱によってガス検出素子が相対的に高温の状態になったときに、例えば雰囲気温度下等の相対的に低温の状態の温度補償素子との間に生じる電気抵抗の差異に応じて、水素ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式の水素センサが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようなガス接触燃焼式の水素センサにおいては、検出素子の触媒に生じるシリコン被毒や硫黄被毒等が増大すると、感度低下等の劣化が生じ、被検知ガスに対する検出精度が低下したり、被検出ガスの検出自体が困難となる場合がある。
ここで、例えば上述した燃料電池の保護装置を燃料電池車両等の車両に搭載した場合には、この車載状態において、さらには車両の走行時等における燃料電池の運転状態において、水素に対する所望の検出精度を低下させること無しに、水素センサの感度低下等の劣化が生じることを防止することが望まれる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、被検出ガスに対する所望の検出精度を維持しつつ、ガスセンサの感度低下等の劣化が生じることを抑制することが可能なガス検出方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明のガス検出方法は、触媒反応により被検出ガスを検出する触媒型ガスセンサ（例えば、実施の形態での触媒型水素センサ１５ｂ）と、前記触媒型ガスセンサの近傍に配置された非触媒型ガスセンサ（例えば、実施の形態での非触媒型水素センサ１５ａ）とにより前記被検出ガスを検出するガス検出方法であって、前記非触媒型ガスセンサにより検出される前記被検出ガスの濃度値が所定の閾作動開始濃度値を超える場合に前記触媒型ガスセンサを作動させて、前記被検出ガスを検出する（例えば、実施の形態でのステップＳ０７）とともに、前記非触媒型ガスセンサにより検出される前記被検出ガスの濃度値が、前記閾作動開始濃度値よりも小さな所定の閾準備濃度値を超える場合に前記触媒型ガスセンサへの通電を開始して、前記触媒型ガスセンサの作動の準備を行う（例えば、実施の形態でのステップＳ０４）ことを特徴としている。
【０００６】
上記のガス検出方法によれば、被検出ガスの濃度値が所定の閾作動開始濃度値を超える場合のように、被検出ガスに対する所望の検出精度が必要とされる場合にのみ触媒型ガスセンサを作動させる。一方、被検出ガスの濃度値が所定の閾作動開始濃度値以下の場合のように、必要とされる検出精度が相対的に低い場合には、触媒の被毒による劣化が生じない非触媒型ガスセンサを作動させる。すなわち、触媒型ガスセンサは通電時にのみ、例えばシリコンや硫黄等の被毒物質が触媒に付着することがわかっており、これにより、所望の検出精度での被検出ガスの検出を継続しつつ、触媒型ガスセンサの作動時間を短縮し、被毒物質に長時間に亘って曝されることで、触媒型ガスセンサに生じる劣化が増大してしまうことを抑制することができる。
また、非触媒型ガスセンサのみを作動させている状態にて、先ず、被検出ガスの濃度値が所定の閾準備濃度値を超えると、触媒型ガスセンサへの通電を開始して触媒型ガスセンサの作動の準備を行い、触媒型ガスセンサを作動待機状態に設定する。そして、被検出ガスの濃度値が所定の閾作動開始濃度値を超えると、触媒型ガスセンサを作動させる。これにより、被検出ガスの濃度値が所定の閾作動開始濃度値を超えた場合のように、触媒型ガスセンサの作動開始が要求されるタイミングにおいて、例えば作動に要する時間損失等が生じること無しに、迅速に触媒型ガスセンサの作動を開始させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係るガス検出方法について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係るガス検出方法を実現するガス検出システム１は、例えば図１に示すように、燃料電池１０と、燃料電池１０に接続された各配管１１，…，１４のうち、酸素極側の入口側配管１２に設けられ、燃料電池１０の酸素極に酸素を含む空気を供給するエアーコンプレッサー１２ａとを備える燃料電池システム１０ａに具備されており、制御装置２と、記憶装置３と、酸素極側の出口側配管１４に設けられた非触媒型水素センサ１５ａおよび触媒型水素センサ１５ｂとを備えて構成されている。
【００１０】
燃料電池１０は、例えば電気自動車等の車両の動力源として搭載されており、例えば固体ポリマー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燃料電池セル（図示略）を多数組積層して構成されている。
燃料極に入口側配管１１から供給された水素などの燃料ガスは、触媒電極上で水素がイオン化され、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する、そ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。酸素極には、例えば、酸素などの酸化剤ガスを含む空気がエアーコンプレッサー１２ａから入口側配管１２を介して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。そして、燃料極側、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。
【００１１】
ここで、酸素極側の出口側配管１４には、例えばオフガス中に含まれる各ガスの熱伝導率の差異を利用して水素を検知する気体熱伝導式水素センサや、超音波式水素センサ等の非触媒型水素センサ１５ａと、この非触媒型水素センサ１５ａの下流側近傍に配置された触媒型水素センサ１５ｂとが備えられている。そして、各水素センサ１５ａ，１５ｂ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。
【００１２】
例えば図２に示すように、触媒型水素センサ１５ｂ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１９を備えている。ケース１９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２０を備えている。フランジ部２０にはカラー１７を取り付けてあり、例えば図３に示すように、このカラー１７内にボルト２１を挿入して、出口側配管１４の取付座１６に締め付け固定されるようになっている。
【００１３】
例えば図３に示すように、ケース１９の下面には、出口側配管１４の貫通孔に外側から挿通される筒状部２２が形成されている。ケース１９内には図示しない回路基板が設けられ、この回路基板に後述する検出素子２９と温度補償素子３０が接続されている。筒状部２２の内部はガス検出室２４として形成され、筒状部２２の端部がガス導入部２５として開口形成されている。
【００１４】
また、筒状部２２の外周面にはシール材２６が取り付けられ、出口側配管１４の貫通孔の内周壁に密接して気密性を確保している。そして、この筒状部２２の内部に検出素子２９と温度補償素子３０とが装着されている。
検出素子２９と温度補償素子３０は回路基板に接続されガス検出室２４内で同一高さで所定間隔を隔てて一対設けられたものである。
検出素子２９は周知の素子であって、例えば図４に示すように、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２９ａの表面を、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２９ｂ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３０は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子２９と同等のコイル３０ａを備えて構成されている。
そして、被検出ガスである水素が検出素子２９の触媒２９ｂ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２９と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず雰囲気温度下の温度補償素子３０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。
【００１５】
例えば図４に示すように、検出素子２９（抵抗値Ｒ４）及び温度補償素子３０（抵抗値Ｒ３）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗４１（抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗４２（抵抗値Ｒ２）が直列接続されてなる枝辺とが、電源４３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２９と温度補償素子３０同志の接続点ＰＳと、固定抵抗４１，４２同志の接続点ＰＲとの間に電圧計４４が接続されている。
ここで、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、電圧計４４の出力がゼロとなる。一方、水素が存在すると、検出素子２９の触媒２９ｂにおいて水素が燃焼し、コイル２９ａ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３０においては水素は燃焼せず、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電圧計４４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。この電圧計４４から出力される電圧の検出値は、例えば後述する制御装置２へ入力され、この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いて、水素濃度が算出される。
【００１６】
また、例えば図２に示すように、上記ガス検出室２４内には検出素子２９と温度補償素子３０との間に、両者を遮るようにしてオフガスの流入方向に沿って立てられた状態で矩形板状のヒータ２７が配置されている。このヒータ２７はガス検出室２４内を加熱するもので、放熱面２７Ｃを検出素子２９と温度補償素子３０とに指向した状態で配置されている。つまりヒータ２７は各面が放熱面２７Ｃとして構成されている。このヒータ２７により流入する被検出ガスが検出素子２９と温度補償素子３０とに振り分けられるようにして均等に分配される。
また、ガス検出室２４にはガス検出室２４内の温度を検出する温度センサ２８が取り付けられている。
【００１７】
制御装置２は、酸素極側の出口側配管１４に取り付けられた非触媒型水素センサ１５ａと、触媒型水素センサ１５ｂとに接続され、各水素センサ１５ａ，１５ｂから出力される検出信号に基づいて、オフガス中に含まれる水素の濃度を検出すると共に、後述するように、燃料電池１０の作動時等に非触媒型水素センサ１５ａにより検出されるオフガス中の水素の濃度が、予め記憶装置３に格納された所定の閾準備濃度値を超える場合に、触媒型水素センサ１５ｂへの通電を開始し、さらに、非触媒型水素センサ１５ａにより検出されるオフガス中の水素の濃度が、予め記憶装置３に格納された所定の閾作動開始濃度値を超える場合に、触媒型水素センサ１５ｂの作動を開始する。また、制御装置２は、触媒型水素センサ１５ｂにより検出されるオフガス中の水素の濃度が、予め記憶装置３に格納された所定の閾警報濃度値を超える場合に、警報装置（図示略）の作動を開始する。
【００１８】
本実施の形態によるガス検出システム１は上記構成を備えており、次に、このガス検出システム１の動作について添付図面を参照しながら説明する。
以下の処理は、例えば停止状態の車両の作動開始が指示されるイグニッションスイッチのオン操作等によって開始され、先ず、図５に示すステップＳ０１においては、非触媒型水素センサ１５ａによりオフガス中の水素濃度の検出が実行される。
次に、ステップＳ０２においては、非触媒型水素センサ１５ａによる水素の検出濃度値が所定の閾準備濃度値を超えたか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」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「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０３に進み、触媒型水素センサ１５ｂへの通電が実行されている場合には、この通電を停止して、ステップＳ０１に戻る。
ステップＳ０４においては、触媒型水素センサ１５ｂへの通電を開始する。
【００１９】
次に、ステップＳ０５においては、非触媒型水素センサ１５ａによる水素の検出濃度値が、閾準備濃度値よりも大きい所定の閾作動開始濃度値を超えたか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」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「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０６に進み、触媒型水素センサ１５ｂによる水素濃度の検出が実行されている場合には、この動作を停止して、ステップＳ０２に戻る。
ステップＳ０７においては、触媒型水素センサ１５ｂによる水素濃度の検出を実行する。
【００２０】
次に、ステップＳ０８においては、触媒型水素センサ１５ｂによる水素の検出濃度値が、閾作動開始濃度値よりも大きい所定の閾警報濃度値を超えたか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０５に戻る。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０９に進み、警報を出力して、一連の処理を終了する。
【００２１】
上述したように、本実施の形態によるガス検出方法によれば、オフガス中の水素濃度が相対的に低い状態では、触媒型水素センサ１５ｂへの通電を停止し、相対的に低い検出精度の非触媒型水素センサ１５ａにより水素濃度の検出を実行し、オフガス中の水素濃度が相対的に高い状態において、より検出精度の高い触媒型水素センサ１５ｂを作動させることから、例えば、常時、触媒型水素センサ１５ｂを作動させる場合に比べて、水素の濃度変化の検出を継続しつつ、触媒型水素センサ１５ｂの作動時間を短縮することができる。これにより、触媒型水素センサ１５ｂが、例えばシリコンや硫黄等の被毒物質に長時間に亘って曝されることで、被毒による劣化が増大してしまうことを抑制することができる。
しかも、触媒型水素センサ１５ｂの作動開始が指示されるタイミングよりも前の時点において、触媒型水素センサ１５ｂへの通電が開始されていることから、例えば作動に要する時間損失等が生じること無しに、迅速に触媒型水素センサ１５ｂの作動を開始させることができる。
【００２２】
なお、上述した本実施の形態においては、各水素センサ１５ａ，１５ｂを燃料電池１０の酸素極側の出口側配管１４に配置するとしたが、これに限定されず、その他の適宜の位置に配置してもよい。
また、本実施の形態においては、非触媒型水素センサ１５ａの近傍に触媒型水素センサ１５ｂを備えるとしたが、これに限定されず、非触媒型水素センサ１５ａと触媒型水素センサ１５ｂとが一体となるように形成されてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガス検出方法によれば、所望の検出精度での被検出ガスの検出を継続しつつ、触媒型ガスセンサの作動時間を短縮し、例えばシリコンや硫黄等の被毒物質に長時間に亘って曝されることで、触媒型ガスセンサに生じる劣化が増大してしまうことを抑制することができる。
さらに、被検出ガスの濃度値が所定の閾作動開始濃度値を超えた場合のように、触媒型ガスセンサの作動開始が要求されるタイミングにおいて、例えば作動に要する時間損失等が生じること無しに、迅速に触媒型ガスセンサの作動を開始させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るガス検出システムの要部構成図である。
【図２】 図１に示す触媒型水素センサの平面図である。
【図３】 図２に示すＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図４】 検出素子および温度補償素子が接続されてなるブリッジ回路を示す図である。
【図５】 図１に示すガス検出システムの動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ガス検出システム
３ 記憶装置
１５ａ 非触媒型水素センサ（非触媒型ガスセンサ）
１５ｂ 触媒型水素センサ（触媒型ガスセンサ）

Claims (1)

1. 触媒反応により被検出ガスを検出する触媒型ガスセンサと、前記触媒型ガスセンサの近傍に配置された非触媒型ガスセンサとにより前記被検出ガスを検出するガス検出方法であって、
   前記非触媒型ガスセンサにより検出される前記被検出ガスの濃度値が所定の閾作動開始濃度値を超える場合に前記触媒型ガスセンサを作動させて、前記被検出ガスを検出するとともに、
   前記非触媒型ガスセンサにより検出される前記被検出ガスの濃度値が、前記閾作動開始濃度値よりも小さな所定の閾準備濃度値を超える場合に前記触媒型ガスセンサへの通電を開始して、前記触媒型ガスセンサの作動の準備を行うことを特徴とするガス検出方法。

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