JP3875163B2 - ガスセンサの状態判定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば接触燃焼式ガスセンサ等のガスセンサの状態判定装置に関する。
【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システムのように、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システムが知られている。
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、所定の検出対象濃度範囲が設定されており、例えば、この検出対象濃度範囲以外の濃度の水素ガスに対しては、検出誤差が過剰に増大したり、検出が困難な場合がある。また、ガス接触燃焼式の水素センサが、検出対象濃度範囲の上限を超える過剰に高濃度の水素ガスに曝されると、単に検出信号が飽和状態に到達するばかりでなく、感度低下や感度上昇等の感度異常状態となる場合がある。
ここで、例えば上述した燃料電池の保護システム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、水素ガスの濃度検出を継続しつつ、感度低下等の劣化が生じたか否かを判定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、過剰に高濃度の被検出ガスに曝されることでガスセンサの異常状態が生じたか否かを確実に判定することが可能なガスセンサの状態判定装置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状態判定装置は、ガスセンサ（例えば、実施の形態での水素センサ４）により検出される被検出ガス（例えば、実施の形態での水素）の濃度または濃度に係る状態量が検出対象濃度範囲の上限を超える過剰に高濃度であることを示す所定値を超えたか否かを判定する検出判定手段（例えば、実施の形態でのセンサ出力監視部８）と、前記検出判定手段にて前記被検出ガスの濃度または濃度に係る状態量が検出対象濃度範囲の上限を超える過剰に高濃度であることを示す所定値を超えたと判定される回数が、所定回数を超えたか否かを判定する回数判定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ１２）と、前記回数判定手段による判定結果が前記所定回数より多いと判定した時、前記ガスセンサが過剰に高濃度の前記被検出ガスに曝された異常状態であると判定する異常判定手段（例えば、実施の形態でのシステム制御部９）と、前記異常判定手段による判定結果に応じて、前記ガスセンサが異常状態であることを報知する報知手段（例えば、実施の形態での報知装置７）とを備えることを特徴としている。
【０００６】
上記構成のガスセンサの状態判定装置によれば、ガスセンサにより検出される被検出ガスの濃度または濃度に係る状態量が検出対象濃度範囲の上限を超える過剰に高濃度であることを示す所定値を超えた回数が所定回数よりも多い場合に、異常判定手段によりガスセンサが過剰に高濃度の前記被検出ガスに曝された異常状態であると判定され、報知手段は、例えば点灯するランプや適宜のメッセージを出力する表示装置や音声出力装置等によって、ガスセンサが異常状態であることを通知したり、ガスセンサの交換や点検等を指示する。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明のガスセンサの状態判定装置は、ガスセンサ（例えば、実施の形態での水素センサ４）により検出される被検出ガス（例えば、実施の形態での水素）の濃度または濃度に係る状態量が検出対象濃度範囲の上限を超える過剰に高濃度であることを示す所定値を超えたか否かを判定する検出判定手段（例えば、実施の形態でのセンサ出力監視部８）と、前記検出判定手段にて前記被検出ガスの濃度または濃度に係る状態量が検出対象濃度範囲の上限を超える過剰に高濃度であることを示す所定値を超えたと判定される時間の累積時間が、所定時間を超えたか否かを判定する累積時間判定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ１３）と、前記累積時間判定手段による判定結果が前記所定時間より長いと判定した時、前記ガスセンサが過剰に高濃度の前記被検出ガスに曝された異常状態であると判定する異常判定手段（例えば、実施の形態でのシステム制御部９）と、前記異常判定手段による判定結果に応じて、前記ガスセンサが異常状態であることを報知する報知手段（例えば、実施の形態での報知装置７）とを備えることを特徴としている。
【０００８】
上記構成のガスセンサの状態判定装置によれば、ガスセンサにより検出される被検出ガスの濃度または濃度に係る状態量が検出対象濃度範囲の上限を超える過剰に高濃度であることを示す所定値を超えた状態の継続時間の累積時間が所定時間よりも長い場合に、異常判定手段によりガスセンサが過剰に高濃度の前記被検出ガスに曝された異常状態であると判定され、報知手段は、例えば点灯するランプや適宜のメッセージを出力する表示装置や音声出力装置等によって、ガスセンサが異常状態であることを通知したり、ガスセンサの交換や点検等を指示する。
【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状態判定装置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状態判定装置（以下、単に、状態判定装置と呼ぶ）１は、例えば図１に示すように、燃料電池２を備える燃料電池システム３等に配置されたガス接触燃焼式の水素センサ４の状態を判定するものであって、例えば制御装置５と、記憶装置６と、報知装置７とを備えて構成され、さらに、制御装置５は、例えばセンサ出力監視部８と、システム制御部９とを備えて構成されている。
【００１４】
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。
例えば図１に示すように、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、燃料極の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。
ここで、酸素極側の出口側配管１４の鉛直方向上部には水素センサ４が取り付けられ、この出口側配管１４内を流通するオフガス中に水素が排出されていないことを確認することができるようになっている。
【００１５】
水素センサ４は、例えばガス接触燃焼式の水素センサとされ、例えば図２および図３に示すように、直方形状のケース２１を備えている。ケース２１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２２を備えている。フランジ部２２にはカラー２３を取り付けてあり、このカラー２３内にボルト２４を挿入して、酸素極側の出口側配管１４に設けられた各取付座２５に締め付け固定されるようになっている。
また、例えば図３に示すように、ケース２１の下面には筒状部２６が形成され、筒状部２６の内部はガス検出室２７として形成され、ガス検出室２７の内部側面には、内側に向かってフランジ部２８が形成され、フランジ部２８の内周部分がガス導入部２９として開口形成されている。
【００１６】
ケース２１内には樹脂で封止された回路基板３０が設けられ、筒状部２６の内部に配置された検出素子３１および温度補償素子３２は、回路基板３０に接続されている。そして、各素子３１，３２は回路基板３０に接続された複数、例えば４個のピン３３により、ガス検出室２７の底面２７Ａ上に配置されたベース３４から、水素センサ本体の厚さ方向に一定距離の高さで所定間隔を隔てて対をなすようにして配置されている。
また、筒状部２６の外周面にシール材３５が取り付けられ、出口側配管１４の貫通孔１４ａの内周壁に密接して気密性を確保している。
【００１７】
検出素子３１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３１ａ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３１ｂ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３２は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子３１と同等のコイル３２ａの表面を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３１の触媒３１ｂ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３１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３２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。
【００１８】
例えば図４に示すように、検出素子３１（抵抗値Ｒ４）及び温度補償素子３２（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３１と温度補償素子３２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、これらの接続点ＰＳ，ＰＲ間の電圧を検出する電圧計４４が接続されている。
【００１９】
ここで、ガス検出室２７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、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３１の触媒３１ｂにおいて水素が燃焼し、コイル３１ａ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３２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制御装置５へ出力される。そして、制御装置５においては、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が記憶装置６から検索され、水素濃度が算出される。
【００２０】
制御装置５において、センサ出力監視部８は、水素センサ４から出力される検出値が、予め記憶装置６に格納された所定判定閾値を超えているか否かを判定すると共に、検出値が所定判定閾値を超えたと判定される継続時間が所定時間を超えたか否か、検出値が所定判定閾値を超えたと判定される累積回数が所定回数を超えたか否か、検出値が所定判定閾値を超えたと判定される時間の累積時間が所定時間を超えたか否か等を判定し、これらの判定結果をシステム制御部９へ出力する。
システム制御部９は、センサ出力監視部８での判定結果に応じて、水素センサ４が異常状態であるか否かを判定し、異常状態であると判定した場合には、例えば点灯するランプや適宜のメッセージを出力する表示装置や音声出力装置等からなる報知装置７によって、水素センサ４が異常状態であることを通知させたり、水素センサ４の交換や点検等を促す通知を出力させる。
【００２１】
本実施の形態によるガスセンサの状態判定装置１は上記構成を備えており、次に、このガスセンサの状態判定装置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、水素センサ４の交換時にのみ、検出値が所定判定閾値を超えたと判定される累積時間および累積回数を初期化する。
次に、ステップＳ０２においては、タイマのタイマ計数値を初期化する。
次に、ステップＳ０３においては、水素センサ４の検出値を取得する。
次に、ステップＳ０４においては、取得した検出値が所定判定閾値を超えているか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ０９に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０５に進む。
【００２２】
ステップＳ０５においては、取得した検出値が、所定警報閾値を超えているか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０６に進み、所定の通常時システム制御の処理を実行し、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０７に進み、検出された水素濃度が所定濃度を超えた異常状態であることを報知する警報を出力し、ステップＳ０８に進む。
そして、ステップＳ０８においては、所定の警報出力時システム制御の処理を実行し、一連の処理を終了する。
【００２３】
また、ステップＳ０９においては、タイマの計数を開始する。
そして、ステップＳ１０においては、累積時間にタイマ計数値を累積して得た値を、新たに累積時間として設定する。
そして、ステップＳ１１においては、前回の検出値が所定判定閾値以下の場合にだけ、累積回数に「１」を加算して得た値を、新たに累積回数として設定する。
そして、ステップＳ１２においては、累積回数が所定回数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Ｓ１５に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１３に進む。
【００２４】
ステップＳ１３においては、累積時間が所定累積時間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Ｓ１５に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４においては、タイマ計数値が所定計数値を超えたか否かを判定する。
ステップＳ１４での判定結果が「ＮＯ」の場合には、上述したステップＳ０２に戻る。
一方、ステップＳ１４での判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５においては、水素センサ４の交換や点検等を促す通知を出力する。
そして、ステップＳ１６においては、所定のセンサ異常時システム制御の処理を実行し、一連の処理を終了する。
【００２５】
上述したように、本実施の形態によるガスセンサの状態判定装置１によれば、例えば水素センサ４が通電状態において過剰に高濃度の水素に曝され、感度低下等の劣化状態が生じた場合であっても、このような異常状態の発生を確実に検知することができ、点検や交換等を促す適切な指示を出力することができる。
しかも、本実施の形態によるガスセンサの状態判定装置１を、適宜のシステム、例えば燃料電池システム３等に備えた場合には、燃料電池システム３の作動を停止させることなく、水素センサ４に対する判定処理を実行することができる。
【００２６】
なお、上述した本実施の形態においては、検出値が所定判定閾値を超えたと判定される継続時間や累積回数や累積時間に応じて水素センサ４が異常状態であるか否かを判定したが、これに限定されず、例えば、単に、検出値が所定判定閾値を超えたと判定されたときに、水素センサ４が異常状態であると判定してもよい。
【００２７】
なお、上述した本実施の形態において、ガスセンサを水素センサ４としたが、これに限定されず、その他のガス、例えば一酸化炭素やメタン等の可燃性ガスを検出するガスセンサであってもよい。
また、上述した本実施の形態においては、各素子３１，３２を接続してなる回路をブリッジ回路としたが、これに限定されず、例えば直列回路等のその他の回路であってもよく、被検出ガスの濃度に係る状態量つまり検出素子３１の抵抗値Ｒ４に関連した状態量として、所定接点間の電圧や電流の検出値が制御装置５へ出力されてもよい。
例えば、検出素子３１と、水素濃度の増大に応じて抵抗値が増大する適宜の素子とを具備する直列回路に所定電圧を印加した状態で、検出素子３１の端子間電圧を検出する場合には、水素濃度が増大すると、この直列回路において検出素子３１での電圧降下が相対的に増大するため、この端子間電圧の検出値が所定判定閾値よりも大きいときに、検出値が所定判定閾値を超えたと判定する。
また、例えば、検出素子３１と、水素濃度の増大に応じて抵抗値が増大する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３１に通電される電流を検出する場合には、水素濃度が増大すると、この並列回路において検出素子３１に通電される電流が相対的に低下するため、この電流の検出値が所定判定閾値よりも小さいときに、検出値が所定判定閾値を超えたと判定する。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガスセンサの状態判定装置によれば、通電状態のガスセンサが過剰に高濃度の被検出ガスに曝されることで、感度低下等の劣化状態となる場合があっても、このような異常状態の発生を確実に検知することができ、点検や交換等を促す適切な指示を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るガスセンサの状態判定装置を備える燃料電池システムの要部構成図である。
【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】 図１に示す水素センサの回路図である。
【図５】 図１に示すガスセンサの状態判定装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ガスセンサの状態判定装置
４ 水素センサ（ガスセンサ）
７ 報知装置（報知手段）
８ センサ出力監視部（検出判定手段）
９ システム制御部（異常判定手段）
ステップＳ１２ 回数判定手段
ステップＳ１３ 累積時間判定手段
ステップＳ１４ 継続時間判定手段

Claims (3)

1. ガスセンサにより検出される被検出ガスの濃度または濃度に係る状態量が検出対象濃度範囲の上限を超える過剰に高濃度であることを示す所定値を超えたか否かを判定する検出判定手段と、
   前記検出判定手段にて前記被検出ガスの濃度または濃度に係る状態量が検出対象濃度範囲の上限を超える過剰に高濃度であることを示す所定値を超えたと判定される回数が、所定回数を超えたか否かを判定する回数判定手段と、
   前記回数判定手段による判定結果が前記所定回数より多いと判定した時、前記ガスセンサが過剰に高濃度の前記被検出ガスに曝された異常状態であると判定する異常判定手段と、
   前記異常判定手段による判定結果に応じて、前記ガスセンサが異常状態であることを報知する報知手段とを備えることを特徴とするガスセンサの状態判定装置。
2. ガスセンサにより検出される被検出ガスの濃度または濃度に係る状態量が検出対象濃度範囲の上限を超える過剰に高濃度であることを示す所定値を超えたか否かを判定する検出判定手段と、
   前記検出判定手段にて前記被検出ガスの濃度または濃度に係る状態量が検出対象濃度範囲の上限を超える過剰に高濃度であることを示す所定値を超えたと判定される時間の累積時間が、所定時間を超えたか否かを判定する累積時間判定手段と、
   前記累積時間判定手段による判定結果が前記所定時間より長いと判定した時、前記ガスセンサが過剰に高濃度の前記被検出ガスに曝された異常状態であると判定する異常判定手段と、
   前記異常判定手段による判定結果に応じて、前記ガスセンサが異常状態であることを報知する報知手段とを備えることを特徴とするガスセンサの状態判定装置。
3. 前記ガスセンサは、前記被検出ガスが触媒において燃焼した熱による抵抗値の変化に基づいて前記被検出ガスの濃度を検出する接触燃焼式ガスセンサであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサの状態判定装置。

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