JP3839360B2 - ガスセンサの較正方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサの較正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、上述したような燃料電池の保護装置においては、水素センサの検出基準値、いわゆるゼロ点がずれる場合があり、水素センサから出力される検出値に対して適宜のタイミングで較正を行う必要が生じる。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、水素センサの較正を行うことが望まれる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、容易に較正を行うことが可能なガスセンサの較正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センサの較正方法は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池（例えば、後述する実施の形態での燃料電池１０）の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管（例えば、実施の形態での酸素極側の出口側配管１４）に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室（例えば、実施の形態でのガス検出室２４）を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子（例えば、実施の形態での検出素子２９）を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、前記カソードオフガス流通管を２つの分岐配管（例えば、実施の形態での分岐配管１４ａ，１４ｂ）に分岐し、燃料電池の作動時において、前記カソードオフガス流通管の一方の分岐配管に取付けられた上流側遮断弁（例えば、実施の形態での上流側遮断弁１５ａ）および下流側遮断弁（例えば、実施の形態での下流側遮断弁１５ｂ）を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断する（例えば、実施の形態でのステップＳ０１）とともに、前記オフガスが他方の分岐配管内のみを流通するようにし、前記遮断以後に前記検出素子に具備される触媒に前記水素を接触させ、燃焼させることで前記水素を消費させ（例えば、実施の形態ではステップＳ０１が兼ねる）、前記消費以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し（例えば、実施の形態でのステップＳ０３）、前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定する（例えば、実施の形態でのステップＳ０５）ことを特徴としている。
【０００６】
上記のガスセンサの較正方法によれば、遮断以後にガス検出室内の水素を燃焼させることにより、ガスセンサにより検出される水素の濃度に関する出力が低下傾向に変化する。そして、水素の燃焼が終了すると、ガスセンサの出力は適宜の安定値に安定する。ここで、この安定値をガスセンサの検出基準値、いわゆるゼロ点として設定する。
また、一方の分岐配管の各遮断弁が開状態のときは、２つの分岐配管内をオフガスが流通し、各遮断弁が閉状態のときは、他方の分岐配管内のみをオフガスが流通する。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明のガスセンサの較正方法では、前記各分岐配管に前記各遮断弁およびガスセンサを備え、前記一方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記他方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行い、前記他方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記一方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行うことを特徴としている。
【０００８】
上記のガスセンサの較正方法によれば、オフガスに対する測定を中断すること無しに、複数のガスセンサの較正を行うことが可能になる。
【０００９】
また、請求項３に記載の本発明のガスセンサの較正方法は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、前記カソードオフガス流通管内にて前記ガスセンサの開口部を閉塞可能な蓋部材（例えば、実施の形態での蓋部材３１）もしくは開閉弁（例えば、実施の形態での開閉弁３６）を設け、燃料電池の作動時において、前記蓋部材もしくは開閉弁によって前記ガスセンサの開口部を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断するとともに、前記オフガスが前記カソードオフガス流通管内を流通するようにし、前記遮断以後に前記検出素子に具備される触媒に前記水素を接触させ、燃焼させることで前記水素を消費させ、前記消費以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し、前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定することを特徴としている。
【００１０】
請求項４に記載の本発明のガスセンサの較正方法は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、前記カソードオフガス流通管を２つの分岐配管に分岐し、燃料電池の作動時において、前記カソードオフガス流通管の一方の分岐配管に取付けられた上流側遮断弁および下流側遮断弁を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断するとともに、前記オフガスが他方の分岐配管内のみを流通するようにし、前記遮断以後に前記ガス検出室内の被検出ガスを他のガスで置換し、前記置換以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し、前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定することを特徴としている。
【００１１】
請求項５に記載の本発明のガスセンサの較正方法は、前記各分岐配管に前記各遮断弁およびガスセンサを備え、前記一方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記他方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行い、前記他方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記一方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行うことを特徴としている。
【００１２】
請求項６に記載の本発明のガスセンサの較正方法は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、前記カソードオフガス流通管内にて前記ガスセンサの開口部を閉塞可能な蓋部材もしくは開閉弁を設け、燃料電池の作動時において、前記蓋部材もしくは開閉弁によって前記ガスセンサの開口部を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断するとともに、前記オフガスが前記カソードオフガス流通管内を流通するようにし、前記遮断以後に前記ガス検出室内の被検出ガスを他のガスで置換し、前記置換以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し、前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定することを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係るガスセンサの較正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センサの較正装置（以下、単に、較正装置と呼ぶ）１は、例えば燃料電池システムに具備されており、制御装置２と、記憶装置３と、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、酸素極側の出口側配管１４の一方の分岐配管１４ａに設けられた水素センサ１５と、一方の分岐配管１４ａにて水素センサ１５近傍に設けられた上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂとを備えて構成されている。
【００１４】
燃料電池１０は、例えば電気自動車等の動力源として車両に搭載されており、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あるいは空気が入口側配管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。
【００１５】
ここで、酸素極側の出口側配管１４には２つの分岐配管１４ａ，１４ｂに分岐される分岐部が設けられ、一方の分岐配管１４ａには、その鉛直方向上側にガス接触燃焼式の水素センサ１５が取り付けられ、この水素センサ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。
さらに、一方の分岐配管１４ａにおいて、水素センサ１５の上流側および下流側には、制御装置２の制御によりオフガスの流入を遮断可能な上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂが設けられており、各遮断弁１５ａ，１５ｂが開状態のときは、２つの分岐配管１４ａ，１４ｂ内をオフガスが流通し、各遮断弁１５ａ，１５ｂが閉状態のときは、他方の分岐配管１４ｂ内のみをオフガスが流通するようになっている。
【００１６】
例えば図２に示すように、水素センサ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、前記出口側配管１４の取付座１６に締め付け固定されるようになっている。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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被検出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。
【００２１】
制御装置２は、酸素極側の出口側配管１４の一方の分岐配管１４ａに取り付けられた水素センサ１５と、上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂとに接続され、後述するように、燃料電池１０の作動時等に上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂを閉状態に設定した後に、水素センサ１５から出力される検出値が適宜の安定値に安定したか否かを判定し、安定したと判定した際には、この安定値を水素センサ１５の検出基準値、いわゆるゼロ点として設定する。また、この検出基準値の誤差等に基づき、例えばこれ以後において水素センサ１５の出力値から誤差分を差し引くことで、水素センサ１５の出力値を補正し、較正する。
【００２２】
本実施の形態によるガスセンサの較正装置１は上記構成を備えており、次に、このガスセンサの較正装置１の動作について添付図面を参照しながら説明する。
先ず、図５に示すステップＳ０１においては、燃料電池１０の作動時において、酸素極側の出口側配管１４の一方の分岐配管１４ａに取り付けられた上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂを閉状態に設定し、燃料電池１０の酸素極側から排出されるオフガスの水素センサ１５への流入を遮断し、オフガスが他方の分岐配管１４ｂ内のみを流通するように設定する。これにより、各遮断弁１５ａ，１５ｂにより密閉された一方の分岐配管１４ａ内の水素センサ１５に対しては、この密閉空間内に含まれる被検出ガス（例えば、水素等）のみが検出可能となり、検出素子２９での接触燃焼反応によって被検出ガスが徐々に消費される。
次に、ステップＳ０２においては、タイマの計数を開始する。
そして、ステップＳ０３においては、例えば密閉空間内に含まれる被検出ガスが所定量以下に低減し、検出素子２９での接触燃焼反応が停止する等によって、水素センサ１５の検出値が安定し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Ｓ０５に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０４に進む。
【００２３】
そして、ステップＳ０４においては、タイマの計数値であるタイマ値が所定時間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、上述したステップＳ０３に戻る。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０５に進む。
そして、ステップＳ０５においては、安定した検出値を水素センサ１５の検出基準値、いわゆるゼロ点として設定し、一連の処理を終了する。
ここで、ステップＳ０３においては、例えば図６に示すように、上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂを閉状態に設定した時刻ｔ１以降において、水素センサ１５の検出値（例えば、電圧の検出値）が検出値Ｐ１から徐々に低下し、適宜の安定値Ｐ２に到達した時刻ｔ２（ｔ２＞ｔ１）から、この安定値Ｐ２の出力が継続され、所定の時刻ｔ３（ｔ３＞ｔ２）に到達した時点で、水素センサ１５の検出値が安定したと判定する。
また、ステップＳ０４においては、例えば図６に示すように、上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂを閉状態に設定した時刻ｔ１から所定時間＃ｔだけ経過した時刻ｔ３において、水素センサ１５の検出値が安定したと判定する。
【００２４】
上述したように、本実施の形態によるガスセンサの較正方法によれば、例えば車両走行時等の燃料電池１０の作動時における適宜のタイミングで、燃料電池１０の作動を停止すること無しに、容易に水素センサ１５の較正を行うことができる。しかも、例えば各遮断弁１５ａ，１５ｂにより密閉された密閉空間内に含まれる被検出ガスが検出素子２９での接触燃焼反応により消費され尽くすことで水素センサ１５の検出値が安定した場合には、例えばオフガスの組成等にかかわらず、水素センサ１５の絶対的な検出基準値を検知することができる。
また、この検出基準値の誤差等に基づき、例えばこれ以後において水素センサ１５の出力値から誤差分を差し引く等によって、水素センサ１５の出力値を補正する。
【００２５】
なお、上述した本実施の形態においては、単一の水素センサ１５に対して較正を行うとしたが、これに限定されず、複数の水素センサ１５，…，１５を備え、これらの適宜の組み合わせに対して較正を行うように設定してもよい。例えば、本実施の形態においては、一方の分岐配管１４ａに各遮断弁１５ａ，１５ｂ及び水素センサ１５を備えるとしたが、例えば図７に示す本実施形態の第１変形例のように、各分岐配管１４ａ，１４ｂに各遮断弁１５ａ，１５ｂ及び水素センサ１５を備え、例えば一方の分岐配管１４ａの水素センサ１５に対して較正を行う際には、他方の分岐配管１４ｂの水素センサ１５によってオフガスの測定を行い、逆に、他方の分岐配管１４ｂの水素センサ１５に対して較正を行う際には、一方の分岐配管１４ａの水素センサ１５によってオフガスの測定を行う。これにより、オフガスに対する測定を中断すること無しに、複数の水素センサ１５，…，１５の較正を行うことができる。
【００２６】
なお、上述した本実施の形態においては、酸素極側の出口側配管１４を２つの分岐配管１４ａ，１４ｂに分岐するとしたが、これに限定されず、例えば図８に示す本実施形態の第２変形例のように、出口側配管１４内にて、水素センサ１５の筒状部２２の開口部を閉塞し、ガス検出室２４内を密閉可能な蓋部材３１を備えてもよい。例えば、蓋部材３１は出口側配管１４の内壁面に接続された一方の端部３１ａを支点として、制御装置２の制御により他方の端部３１ｂを回転可能であり、筒状部２２の開口端部２２ａに装着された環状のシール材３２に蓋部材３１の内面３１Ａが密接することによって、ガス検出室２４内を密閉可能とされている。
すなわち、水素センサ１５の較正時には、先ず、蓋部材３１によってガス検出室２４内を密閉し、検出素子２９での接触燃焼反応によってガス検出室２４内の被検出ガスを徐々に消費し、水素センサ１５の検出値が安定したときに安定した検出値を水素センサ１５の検出基準値、いわゆるゼロ点として設定する。
また、回転によってガス検出室２４内を密閉可能な蓋部材３１に限らず、例えば例えば図９に示す本実施形態の第３変形例のように、制御装置２の制御により筒状部２２の開口部を閉塞可能な開閉弁３６を設けてもよい。
【００２７】
なお、ここで、蓋部材３１の内面３１Ａ上や開閉弁３６の内面３６Ａ上に検出素子２９と同等の触媒を坦持することによって、蓋部材３１によるガス検出室２４内の密閉時に、ガス検出室２４内の被検出ガスの消費速度を高めることができ、水素センサ１５の検出値が安定するまでに要する時間を短縮することができる。しかも、この場合、出口側配管１４の内壁面に接続される蓋部材３１の一方の端部３１ａを水素センサ１５の下流側に配置し、オフガスの測定時には、蓋部材３１の一方の端部３１ａを支点として他方の端部３１ｂを回転させ、一方の端部３１ａよりも下流側に他方の端部３１ｂを配置する、或いは、開閉弁３６を水素センサ１５の下流側に向かいスライド可能に設定し、オフガスの測定時には、開閉弁３６を水素センサ１５よりも下流側に配置することによって、水素センサ１５のガス検出室２４内に流入するオフガスが、この流入以前において蓋部材３１の内面３１Ａ上や開閉弁３６の内面３６Ａ上に坦持された各触媒に接触することを防止することができる。
【００２８】
また、上述した本実施形態及び本実施形態の第１から第３変形例において、水素センサ１５の較正を行う際には、単に、ガス検出室２４内にオフガスが流入することを遮断するとしたが、これに加えて、ガス検出室２４内を例えば不活性ガス等の適宜のガスによって置換する置換装置（図示略）を設けてもよい。この場合には、例えば置換装置による置換が終了した時点で水素センサ１５の検出値が適宜の安定値に安定する。これにより、水素センサ１５の検出値が安定するまでに要する時間を、より一層、短縮することができる。
また、ここで、置換するガスを、例えばオフガスから水素ガスのみを排除して得たガスと同等のガスに設定し、置換装置の作動を継続すると、たとえオフガス中に一酸化炭素等のように水素センサ１５から検知信号を誤出力させるガスが含まれている場合であっても、この置換するガスに新たに混入する水素ガスの寄与のみを検知するための検出基準値を設定することができ、オフガス中に含まれる水素ガスの絶対量の検出が容易となる。
また、本実施形態においては、接触燃焼式の水素センサ１５の触媒において、接触燃焼反応によって被検出ガスを消費するとしたが、ガスセンサの形態は接触燃焼式に限定されず、例えば固体高分子膜型のガスセンサ等のように、被検出ガスと酸化剤との電気化学反応等により被検出ガスを消費させてもよい。
【００２９】
また、上述した本実施形態及び本実施形態の第１から第３変形例においては、設定した検出基準値の履歴に基づき、水素センサ１５の感度低下等の劣化状態を判定することができる。例えば、前回の処理にて設定した検出基準値に対して、今回の処理における検出基準値が所定範囲を超えて低下した場合には、水素センサ１５は劣化していると判定し、警報装置（図示略）等によって水素センサ１５の交換を促す警報等を出力してもよい。
【００３０】
また、上述した本実施の形態においては、水素センサ１５から出力される電圧の検出値が安定した場合に、安定した検出値を水素センサ１５の検出基準値、いわゆるゼロ点として設定するとしたが、これに限定されず、例えば水素センサ１５から出力される電圧の検出値に基づいて算出した水素濃度値が安定したか否かを判定し、安定した水素濃度値を水素センサ１５により検出される水素濃度に対する検出基準値、いわゆるゼロ点として設定してもよい。
【００３１】
また、上述した本実施の形態において、各水素センサ１５ａ，１５ｂは、各素子２９，３０及び固定抵抗４１，４２からなるブリッジ回路における所定接点間の電圧の検出値を出力するとしたが、これに限定されず、少なくとも検出素子２９を備えるその他の回路にて検出した電圧や電流の検出値を出力してもよい。すなわち、検出素子２９の抵抗値Ｒ４に関連した状態量を検出し、出力することにより、ガス検出室２４内での水素濃度の低下に応じて抵抗値Ｒ４が減少し、適宜の値に安定することを検出できるものであればよい。
例えば、検出素子２９と、水素濃度の変化によって抵抗値が変化することのない適宜の素子とが並列に接続されてなる並列回路に定電流バイアス回路等によって所定の電流を供給する状態で、検出素子２９に通電される電流を検出する場合には、ガス検出室２４内での水素濃度が低下すると、この並列回路において検出素子２９に通電される電流が相対的に増大するため、この電流の検出値は適宜の上限値にて安定する。この場合には、この上限値を水素濃度に対する検出基準値として設定すればよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜３に記載の本発明のガスセンサの較正方法によれば、燃料電池のカソードオフガス流通管において、遮断ステップの実行以後に被検出ガス消費ステップを実行することにより、オフガス中の水素を検出するガスセンサの較正を、燃料電池の作動を停止すること無しに容易に行うことができる。
また、請求項４〜６に記載の本発明のガスセンサの較正方法によれば、燃料電池のカソードオフガス流通管において、遮断ステップの実行以後に被検出ガス置換ステップを実行することにより、オフガス中の水素を検出するガスセンサの較正を、燃料電池の作動を停止すること無しに容易に行うことができる。しかも、置換する他のガスを適宜に設定することにより、ガスセンサの使用状態やガスセンサが備えられるシステムの状態等に応じた適切な検出基準値を設定することができる。
さら、請求項２，５に記載の本発明のガスセンサの較正方法によれば、オフガスに対する測定を中断すること無しに、複数の水素センサの較正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るガスセンサの較正装置の構成図である。
【図２】 図１に示す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に示すガスセンサの較正装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】 水素センサから出力される検出値の時間変化の一例を示すグラフ図である。
【図７】 本実施形態の第１変形例に係るガスセンサの較正装置の構成図である。
【図８】 本実施形態の第２変形例に係るガスセンサの較正装置の構成図である。
【図９】 本実施形態の第３変形例に係るガスセンサの較正装置の構成図である。
【符号の説明】
１ ガスセンサの較正装置
１０ 燃料電池
１４ 酸素極側の出口側配管（検査対象ガス流路）
１４ａ，１４ｂ 分岐配管
１５ 水素センサ（ガスセンサ）
１５ａ 上流側遮断弁
１５ｂ 下流側遮断弁
２４ ガス検出室
２９ 検出素子
３０ 温度補償素子（補償素子）
３１ 蓋部材
３６ 開閉弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサの較正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、上述したような燃料電池の保護装置においては、水素センサの検出基準値、いわゆるゼロ点がずれる場合があり、水素センサから出力される検出値に対して適宜のタイミングで較正を行う必要が生じる。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、水素センサの較正を行うことが望まれる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、容易に較正を行うことが可能なガスセンサの較正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センサの較正方法は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池（例えば、後述する実施の形態での燃料電池１０）の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管（例えば、実施の形態での酸素極側の出口側配管１４）に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室（例えば、実施の形態でのガス検出室２４）を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子（例えば、実施の形態での検出素子２９）を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、前記カソードオフガス流通管を２つの分岐配管（例えば、実施の形態での分岐配管１４ａ，１４ｂ）に分岐し、燃料電池の作動時において、前記カソードオフガス流通管の一方の分岐配管に取付けられた上流側遮断弁（例えば、実施の形態での上流側遮断弁１５ａ）および下流側遮断弁（例えば、実施の形態での下流側遮断弁１５ｂ）を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断する（例えば、実施の形態でのステップＳ０１）とともに、前記オフガスが他方の分岐配管内のみを流通するようにし、前記遮断以後に前記検出素子に具備される触媒に前記水素を接触させ、燃焼させることで前記水素を消費させ（例えば、実施の形態ではステップＳ０１が兼ねる）、前記消費以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し（例えば、実施の形態でのステップＳ０３）、前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定する（例えば、実施の形態でのステップＳ０５）ことを特徴としている。
【０００６】
上記のガスセンサの較正方法によれば、遮断以後にガス検出室内の水素を燃焼させることにより、ガスセンサにより検出される水素の濃度に関する出力が低下傾向に変化する。そして、水素の燃焼が終了すると、ガスセンサの出力は適宜の安定値に安定する。ここで、この安定値をガスセンサの検出基準値、いわゆるゼロ点として設定する。
また、一方の分岐配管の各遮断弁が開状態のときは、２つの分岐配管内をオフガスが流通し、各遮断弁が閉状態のときは、他方の分岐配管内のみをオフガスが流通する。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明のガスセンサの較正方法では、前記各分岐配管に前記各遮断弁およびガスセンサを備え、前記一方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記他方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行い、前記他方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記一方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行うことを特徴としている。
【０００８】
上記のガスセンサの較正方法によれば、オフガスに対する測定を中断すること無しに、複数のガスセンサの較正を行うことが可能になる。
【０００９】
また、請求項３に記載の本発明のガスセンサの較正方法は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、前記カソードオフガス流通管内にて前記ガスセンサの開口部を閉塞可能な蓋部材（例えば、実施の形態での蓋部材３１）もしくは開閉弁（例えば、実施の形態での開閉弁３６）を設け、燃料電池の作動時において、前記蓋部材もしくは開閉弁によって前記ガスセンサの開口部を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断するとともに、前記オフガスが前記カソードオフガス流通管内を流通するようにし、前記遮断以後に前記検出素子に具備される触媒に前記水素を接触させ、燃焼させることで前記水素を消費させ、前記消費以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し、前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定することを特徴としている。
【００１０】
請求項４に記載の本発明のガスセンサの較正方法は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、前記カソードオフガス流通管を２つの分岐配管に分岐し、燃料電池の作動時において、前記カソードオフガス流通管の一方の分岐配管に取付けられた上流側遮断弁および下流側遮断弁を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断するとともに、前記オフガスが他方の分岐配管内のみを流通するようにし、前記遮断以後に前記ガス検出室内の被検出ガスを他のガスで置換し、前記置換以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し、前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定することを特徴としている。
【００１１】
請求項５に記載の本発明のガスセンサの較正方法は、前記各分岐配管に前記各遮断弁およびガスセンサを備え、前記一方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記他方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行い、前記他方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記一方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行うことを特徴としている。
【００１２】
請求項６に記載の本発明のガスセンサの較正方法は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、前記カソードオフガス流通管内にて前記ガスセンサの開口部を閉塞可能な蓋部材もしくは開閉弁を設け、燃料電池の作動時において、前記蓋部材もしくは開閉弁によって前記ガスセンサの開口部を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断するとともに、前記オフガスが前記カソードオフガス流通管内を流通するようにし、前記遮断以後に前記ガス検出室内の被検出ガスを他のガスで置換し、前記置換以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し、前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定することを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係るガスセンサの較正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センサの較正装置（以下、単に、較正装置と呼ぶ）１は、例えば燃料電池システムに具備されており、制御装置２と、記憶装置３と、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、酸素極側の出口側配管１４の一方の分岐配管１４ａに設けられた水素センサ１５と、一方の分岐配管１４ａにて水素センサ１５近傍に設けられた上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂとを備えて構成されている。
【００１４】
燃料電池１０は、例えば電気自動車等の動力源として車両に搭載されており、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あるいは空気が入口側配管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。
【００１５】
ここで、酸素極側の出口側配管１４には２つの分岐配管１４ａ，１４ｂに分岐される分岐部が設けられ、一方の分岐配管１４ａには、その鉛直方向上側にガス接触燃焼式の水素センサ１５が取り付けられ、この水素センサ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。
さらに、一方の分岐配管１４ａにおいて、水素センサ１５の上流側および下流側には、制御装置２の制御によりオフガスの流入を遮断可能な上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂが設けられており、各遮断弁１５ａ，１５ｂが開状態のときは、２つの分岐配管１４ａ，１４ｂ内をオフガスが流通し、各遮断弁１５ａ，１５ｂが閉状態のときは、他方の分岐配管１４ｂ内のみをオフガスが流通するようになっている。
【００１６】
例えば図２に示すように、水素センサ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、前記出口側配管１４の取付座１６に締め付け固定されるようになっている。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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被検出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。
【００２１】
制御装置２は、酸素極側の出口側配管１４の一方の分岐配管１４ａに取り付けられた水素センサ１５と、上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂとに接続され、後述するように、燃料電池１０の作動時等に上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂを閉状態に設定した後に、水素センサ１５から出力される検出値が適宜の安定値に安定したか否かを判定し、安定したと判定した際には、この安定値を水素センサ１５の検出基準値、いわゆるゼロ点として設定する。また、この検出基準値の誤差等に基づき、例えばこれ以後において水素センサ１５の出力値から誤差分を差し引くことで、水素センサ１５の出力値を補正し、較正する。
【００２２】
本実施の形態によるガスセンサの較正装置１は上記構成を備えており、次に、このガスセンサの較正装置１の動作について添付図面を参照しながら説明する。
先ず、図５に示すステップＳ０１においては、燃料電池１０の作動時において、酸素極側の出口側配管１４の一方の分岐配管１４ａに取り付けられた上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂを閉状態に設定し、燃料電池１０の酸素極側から排出されるオフガスの水素センサ１５への流入を遮断し、オフガスが他方の分岐配管１４ｂ内のみを流通するように設定する。これにより、各遮断弁１５ａ，１５ｂにより密閉された一方の分岐配管１４ａ内の水素センサ１５に対しては、この密閉空間内に含まれる被検出ガス（例えば、水素等）のみが検出可能となり、検出素子２９での接触燃焼反応によって被検出ガスが徐々に消費される。
次に、ステップＳ０２においては、タイマの計数を開始する。
そして、ステップＳ０３においては、例えば密閉空間内に含まれる被検出ガスが所定量以下に低減し、検出素子２９での接触燃焼反応が停止する等によって、水素センサ１５の検出値が安定し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Ｓ０５に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０４に進む。
【００２３】
そして、ステップＳ０４においては、タイマの計数値であるタイマ値が所定時間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、上述したステップＳ０３に戻る。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０５に進む。
そして、ステップＳ０５においては、安定した検出値を水素センサ１５の検出基準値、いわゆるゼロ点として設定し、一連の処理を終了する。
ここで、ステップＳ０３においては、例えば図６に示すように、上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂを閉状態に設定した時刻ｔ１以降において、水素センサ１５の検出値（例えば、電圧の検出値）が検出値Ｐ１から徐々に低下し、適宜の安定値Ｐ２に到達した時刻ｔ２（ｔ２＞ｔ１）から、この安定値Ｐ２の出力が継続され、所定の時刻ｔ３（ｔ３＞ｔ２）に到達した時点で、水素センサ１５の検出値が安定したと判定する。
また、ステップＳ０４においては、例えば図６に示すように、上流側遮断弁１５ａおよび下流側遮断弁１５ｂを閉状態に設定した時刻ｔ１から所定時間＃ｔだけ経過した時刻ｔ３において、水素センサ１５の検出値が安定したと判定する。
【００２４】
上述したように、本実施の形態によるガスセンサの較正方法によれば、例えば車両走行時等の燃料電池１０の作動時における適宜のタイミングで、燃料電池１０の作動を停止すること無しに、容易に水素センサ１５の較正を行うことができる。しかも、例えば各遮断弁１５ａ，１５ｂにより密閉された密閉空間内に含まれる被検出ガスが検出素子２９での接触燃焼反応により消費され尽くすことで水素センサ１５の検出値が安定した場合には、例えばオフガスの組成等にかかわらず、水素センサ１５の絶対的な検出基準値を検知することができる。
また、この検出基準値の誤差等に基づき、例えばこれ以後において水素センサ１５の出力値から誤差分を差し引く等によって、水素センサ１５の出力値を補正する。
【００２５】
なお、上述した本実施の形態においては、単一の水素センサ１５に対して較正を行うとしたが、これに限定されず、複数の水素センサ１５，…，１５を備え、これらの適宜の組み合わせに対して較正を行うように設定してもよい。例えば、本実施の形態においては、一方の分岐配管１４ａに各遮断弁１５ａ，１５ｂ及び水素センサ１５を備えるとしたが、例えば図７に示す本実施形態の第１変形例のように、各分岐配管１４ａ，１４ｂに各遮断弁１５ａ，１５ｂ及び水素センサ１５を備え、例えば一方の分岐配管１４ａの水素センサ１５に対して較正を行う際には、他方の分岐配管１４ｂの水素センサ１５によってオフガスの測定を行い、逆に、他方の分岐配管１４ｂの水素センサ１５に対して較正を行う際には、一方の分岐配管１４ａの水素センサ１５によってオフガスの測定を行う。これにより、オフガスに対する測定を中断すること無しに、複数の水素センサ１５，…，１５の較正を行うことができる。
【００２６】
なお、上述した本実施の形態においては、酸素極側の出口側配管１４を２つの分岐配管１４ａ，１４ｂに分岐するとしたが、これに限定されず、例えば図８に示す本実施形態の第２変形例のように、出口側配管１４内にて、水素センサ１５の筒状部２２の開口部を閉塞し、ガス検出室２４内を密閉可能な蓋部材３１を備えてもよい。例えば、蓋部材３１は出口側配管１４の内壁面に接続された一方の端部３１ａを支点として、制御装置２の制御により他方の端部３１ｂを回転可能であり、筒状部２２の開口端部２２ａに装着された環状のシール材３２に蓋部材３１の内面３１Ａが密接することによって、ガス検出室２４内を密閉可能とされている。
すなわち、水素センサ１５の較正時には、先ず、蓋部材３１によってガス検出室２４内を密閉し、検出素子２９での接触燃焼反応によってガス検出室２４内の被検出ガスを徐々に消費し、水素センサ１５の検出値が安定したときに安定した検出値を水素センサ１５の検出基準値、いわゆるゼロ点として設定する。
また、回転によってガス検出室２４内を密閉可能な蓋部材３１に限らず、例えば例えば図９に示す本実施形態の第３変形例のように、制御装置２の制御により筒状部２２の開口部を閉塞可能な開閉弁３６を設けてもよい。
【００２７】
なお、ここで、蓋部材３１の内面３１Ａ上や開閉弁３６の内面３６Ａ上に検出素子２９と同等の触媒を坦持することによって、蓋部材３１によるガス検出室２４内の密閉時に、ガス検出室２４内の被検出ガスの消費速度を高めることができ、水素センサ１５の検出値が安定するまでに要する時間を短縮することができる。しかも、この場合、出口側配管１４の内壁面に接続される蓋部材３１の一方の端部３１ａを水素センサ１５の下流側に配置し、オフガスの測定時には、蓋部材３１の一方の端部３１ａを支点として他方の端部３１ｂを回転させ、一方の端部３１ａよりも下流側に他方の端部３１ｂを配置する、或いは、開閉弁３６を水素センサ１５の下流側に向かいスライド可能に設定し、オフガスの測定時には、開閉弁３６を水素センサ１５よりも下流側に配置することによって、水素センサ１５のガス検出室２４内に流入するオフガスが、この流入以前において蓋部材３１の内面３１Ａ上や開閉弁３６の内面３６Ａ上に坦持された各触媒に接触することを防止することができる。
【００２８】
また、上述した本実施形態及び本実施形態の第１から第３変形例において、水素センサ１５の較正を行う際には、単に、ガス検出室２４内にオフガスが流入することを遮断するとしたが、これに加えて、ガス検出室２４内を例えば不活性ガス等の適宜のガスによって置換する置換装置（図示略）を設けてもよい。この場合には、例えば置換装置による置換が終了した時点で水素センサ１５の検出値が適宜の安定値に安定する。これにより、水素センサ１５の検出値が安定するまでに要する時間を、より一層、短縮することができる。
また、ここで、置換するガスを、例えばオフガスから水素ガスのみを排除して得たガスと同等のガスに設定し、置換装置の作動を継続すると、たとえオフガス中に一酸化炭素等のように水素センサ１５から検知信号を誤出力させるガスが含まれている場合であっても、この置換するガスに新たに混入する水素ガスの寄与のみを検知するための検出基準値を設定することができ、オフガス中に含まれる水素ガスの絶対量の検出が容易となる。
また、本実施形態においては、接触燃焼式の水素センサ１５の触媒において、接触燃焼反応によって被検出ガスを消費するとしたが、ガスセンサの形態は接触燃焼式に限定されず、例えば固体高分子膜型のガスセンサ等のように、被検出ガスと酸化剤との電気化学反応等により被検出ガスを消費させてもよい。
【００２９】
また、上述した本実施形態及び本実施形態の第１から第３変形例においては、設定した検出基準値の履歴に基づき、水素センサ１５の感度低下等の劣化状態を判定することができる。例えば、前回の処理にて設定した検出基準値に対して、今回の処理における検出基準値が所定範囲を超えて低下した場合には、水素センサ１５は劣化していると判定し、警報装置（図示略）等によって水素センサ１５の交換を促す警報等を出力してもよい。
【００３０】
また、上述した本実施の形態においては、水素センサ１５から出力される電圧の検出値が安定した場合に、安定した検出値を水素センサ１５の検出基準値、いわゆるゼロ点として設定するとしたが、これに限定されず、例えば水素センサ１５から出力される電圧の検出値に基づいて算出した水素濃度値が安定したか否かを判定し、安定した水素濃度値を水素センサ１５により検出される水素濃度に対する検出基準値、いわゆるゼロ点として設定してもよい。
【００３１】
また、上述した本実施の形態において、各水素センサ１５ａ，１５ｂは、各素子２９，３０及び固定抵抗４１，４２からなるブリッジ回路における所定接点間の電圧の検出値を出力するとしたが、これに限定されず、少なくとも検出素子２９を備えるその他の回路にて検出した電圧や電流の検出値を出力してもよい。すなわち、検出素子２９の抵抗値Ｒ４に関連した状態量を検出し、出力することにより、ガス検出室２４内での水素濃度の低下に応じて抵抗値Ｒ４が減少し、適宜の値に安定することを検出できるものであればよい。
例えば、検出素子２９と、水素濃度の変化によって抵抗値が変化することのない適宜の素子とが並列に接続されてなる並列回路に定電流バイアス回路等によって所定の電流を供給する状態で、検出素子２９に通電される電流を検出する場合には、ガス検出室２４内での水素濃度が低下すると、この並列回路において検出素子２９に通電される電流が相対的に増大するため、この電流の検出値は適宜の上限値にて安定する。この場合には、この上限値を水素濃度に対する検出基準値として設定すればよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜３に記載の本発明のガスセンサの較正方法によれば、燃料電池のカソードオフガス流通管において、遮断ステップの実行以後に被検出ガス消費ステップを実行することにより、オフガス中の水素を検出するガスセンサの較正を、燃料電池の作動を停止すること無しに容易に行うことができる。
また、請求項４〜６に記載の本発明のガスセンサの較正方法によれば、燃料電池のカソードオフガス流通管において、遮断ステップの実行以後に被検出ガス置換ステップを実行することにより、オフガス中の水素を検出するガスセンサの較正を、燃料電池の作動を停止すること無しに容易に行うことができる。しかも、置換する他のガスを適宜に設定することにより、ガスセンサの使用状態やガスセンサが備えられるシステムの状態等に応じた適切な検出基準値を設定することができる。
さら、請求項２，５に記載の本発明のガスセンサの較正方法によれば、オフガスに対する測定を中断すること無しに、複数の水素センサの較正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るガスセンサの較正装置の構成図である。
【図２】 図１に示す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に示すガスセンサの較正装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】 水素センサから出力される検出値の時間変化の一例を示すグラフ図である。
【図７】 本実施形態の第１変形例に係るガスセンサの較正装置の構成図である。
【図８】 本実施形態の第２変形例に係るガスセンサの較正装置の構成図である。
【図９】 本実施形態の第３変形例に係るガスセンサの較正装置の構成図である。
【符号の説明】
１ ガスセンサの較正装置
１０ 燃料電池
１４ 酸素極側の出口側配管（検査対象ガス流路）
１４ａ，１４ｂ 分岐配管
１５ 水素センサ（ガスセンサ）
１５ａ 上流側遮断弁
１５ｂ 下流側遮断弁
２４ ガス検出室
２９ 検出素子
３０ 温度補償素子（補償素子）
３１ 蓋部材
３６ 開閉弁
Claims (6)
- 反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、
前記カソードオフガス流通管を２つの分岐配管に分岐し、
燃料電池の作動時において、前記カソードオフガス流通管の一方の分岐配管に取付けられた上流側遮断弁および下流側遮断弁を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断するとともに、前記オフガスが他方の分岐配管内のみを流通するようにし、
前記遮断以後に前記検出素子に具備される触媒に前記水素を接触させ、燃焼させることで前記水素を消費させ、
前記消費以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し、
前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定することを特徴とするガスセンサの較正方法。 - 前記各分岐配管に前記各遮断弁およびガスセンサを備え、
前記一方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記他方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行い、
前記他方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記一方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行うことを特徴とする請求項１記載のガスセンサの較正方法。 - 反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、
前記カソードオフガス流通管内にて前記ガスセンサの開口部を閉塞可能な蓋部材もしくは開閉弁を設け、
燃料電池の作動時において、前記蓋部材もしくは開閉弁によって前記ガスセンサの開口部を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断するとともに、前記オフガスが前記カソードオフガス流通管内を流通するようにし、
前記遮断以後に前記検出素子に具備される触媒に前記水素を接触させ、燃焼させることで前記水素を消費させ、
前記消費以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し、
前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定することを特徴とするガスセンサの較正方法。 - 反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、
前記カソードオフガス流通管を２つの分岐配管に分岐し、
燃料電池の作動時において、前記カソードオフガス流通管の一方の分岐配管に取付けられた上流側遮断弁および下流側遮断弁を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断するとともに、前記オフガスが他方の分岐配管内のみを流通するようにし、
前記遮断以後に前記ガス検出室内の被検出ガスを他のガスで置換し、
前記置換以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し、
前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定することを特徴とするガスセンサの較正方法。 - 前記各分岐配管に前記各遮断弁およびガスセンサを備え、
前記一方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記他方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行い、
前記他方の分岐配管のガスセンサに対して較正を行う際には、前記一方の分岐配管のガスセンサによってオフガスの測定を行うことを特徴とする請求項４記載のガスセンサの較正方法。 - 反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池の前記酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガスが導入されるガス検出室を具備し、前記オフガスに含まれる水素を検出する検出素子を前記ガス検出室内に備える接触燃焼式のガスセンサの較正方法であって、
前記カソードオフガス流通管内にて前記ガスセンサの開口部を閉塞可能な蓋部材もしくは開閉弁を設け、
燃料電池の作動時において、前記蓋部材もしくは開閉弁によって前記ガスセンサの開口部を閉状態にして、前記ガス検出室への前記オフガスの導入を遮断するとともに、前記オフガスが前記カソードオフガス流通管内を流通するようにし、
前記遮断以後に前記ガス検出室内の被検出ガスを他のガスで置換し、
前記置換以後に前記ガスセンサの出力が安定したか否かを判定し、
前記ガスセンサの出力が適宜の安定値に安定したと判定されたときに前記安定値を前記ガスセンサの検出基準値として設定することを特徴とするガスセンサの較正方法。
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