JP4409372B2 - ガス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、接触燃焼式や半導体方式のガス検出素子のゼロ点を補正可能なガス検出装置に関するものである。

従来、例えば固体高分子膜型の燃料電池において、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。

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。

このような観点から、例えば、特許文献１にあるように、カソードの下流側の分岐配管の一方に設けられた水素センサの上流と下流とに遮断弁を設け、その遮断弁を閉じて、水素センサから出力される検出値が安定したと判定したときその検出値を基準値として設定する技術が提案されている。
特開２００４−２０３３２号公報

しかしながら、従来の技術においては、水素センサの基準値の補正を行うために、分岐配管や遮断弁といった特別な構成部材が必要となるため、システムの複雑化や重量の増大を招くという問題がある。

従って、本発明は、システムを簡易化して軽量化しつつ、検出素子のゼロ点補正を容易に行うことができるガス検出装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料極および酸素極を有し、前記燃料極には燃料ガスが供給され、前記酸素極には酸化剤ガスが供給される燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池５）と、前記酸素極の出口側配管（例えば、実施の形態における出口側配管９）から排出されるオフガスに含まれる検査対象ガスとしての水素の濃度を検知するガス検知素子であって、所定温度領域では検査対象ガスを検知し、前記所定温度領域以外では検査対象ガスを実質的に検知しないガス検出素子（例えば、実施の形態におけるガスセンサ１）と、前記ガス検出素子の加熱を行うヒータ（例えば、実施の形態におけるヒータ３６）とを備え、前記ガス検出素子のゼロ点補正を行うときは、前記燃料電池の運転を継続しながら、前記ガス検出素子の温度を前記所定温度領域よりも高くし、当該状態での前記ガス検出素子の出力をゼロ状態の基準値とする制御を行う制御装置（例えば、実施の形態における制御装置２）を有することを特徴とする。

この発明によれば、前記ガス検出素子のゼロ点補正を行うときに、前記制御装置によって前記ガス検出素子の温度を前記所定温度領域以外にするように前記温度制御装置を制御することで、前記ガス検出素子を前記検査対象ガスを実質的に検知しない状態に移行させることができる。このように、前記ガス検出素子自体の状態を変化させることで、前記ガス検出素子の周囲から検査対象ガスを除去した場合と同様の効果を得ることができるので、ゼロ点補正のための分岐配管や遮断弁といった特別な構成部材を不要にできる。従って、システムを簡易化して軽量化やコストを低減しつつ、検出素子のゼロ点補正を容易に行うことができる。更に、前記ガス検出素子の温度状態を制御するという簡便な制御だけで定期的にゼロ点補正を行うことができるので、ガス検出素子の信頼性をより一層高めることができる。

請求項１、請求項２に係る発明によれば、システムを簡易化して軽量化やコストを低減しつつ、検出素子のゼロ点補正を容易に行うことができる。

以下、この発明の実施の形態におけるガス検出装置およびガス検出素子の制御方法を図面と共に説明する。
図１は本発明の実施の形態におけるガス検出装置の構成図である。
本実施形態に係るガスセンサ１は、例えば水素を検出する水素センサをなし、例えば図１に示すように、制御装置２と、記憶装置３と、警報装置４と、車両の動力源とされる燃料電池５と、燃料電池５に接続されて反応ガスを供給する各配管６，７，８，９とを備える燃料電池システム１０において、酸素極側の出口側配管９に設けられ、この出口側配管９から水素が排出されていないことを確認するためのものである。

制御装置２は、酸素極側の出口側配管９に取り付けられたガスセンサ１に接続され、例えば、ガスセンサ１から出力される検出信号と、記憶装置３に格納されている所定の判定閾値との比較結果に応じて、燃料電池５の異常状態が発生しているか否かを判定し、異常状態であると判定した際には、警報装置４によって警報等を出力する。ここで、記憶装置３は、燃料電池５の作動状態、例えば極間差圧や作動圧力等に応じた、ガスセンサ１の検出値に対する所定の判定閾値のマップ等を記憶している。これについては、詳細を後述する。

燃料電池５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。
燃料極に入口側配管６から供給された水素などの燃料ガスにより、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７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８、９から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。

例えば図２に示すように、ガスセンサ１は水平方向に伸びる出口側配管９の長手方向、つまり水平方向に沿って長い直方形状のケース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が取り付けられており、例えば図３に示すように、このカラー２３内にボルト２４が挿入されることで、フランジ部２２は酸素極側の出口側配管９に設けられた取付座２５に締め付け固定されるようになっている。
また、ケース２１の厚さ方向の端面には筒状部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。

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個の通電用のステー３３およびリード線である白金ワイヤ３３ａにより、ガス検出室２７の底面側に配置されたベース３４や金属母材３８から、ガスセンサ１の厚さ方向に所定距離だけ離間した位置において、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、このシール材３５が出口側配管９の貫通孔９ａの内周壁に密接して気密性を確保している。

検出素子３１は接触燃焼式の素子であって、例えば図３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の表面が、検出対象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、検出対象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の表面がアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。

ここで、例えば図３に示すように、ステンレスやニッケル、若しくはニッケル合金で構成される金属母材３８を白金でコーティングして白金層３９を形成しておく。そして、金属母材３８の白金層３９に、白金ワイヤ３３ａを電気溶接もしくは電着、溶着、ボンディングを行って、電気接合をなす構成とする。このようにすると、金属母材３８と白金ワイヤ３３ａとを接合したときの結合力を高めることができ、接合部分の信頼性を向上することができる。
なお、前記金属母材３８をニッケル若しくはニッケル合金とした場合には、前記金属母材３８のコーティングは金で行ってもよい。

そして、検出対象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、検出対象ガスによる燃焼反応が発生せず検出素子３１よりも低温の温度補償素子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。

また、ガス検出室２７内には略矩形板状のヒータ３６が配置されている。このヒータ３６は抵抗体等から構成され、回路基板３０によって通電されることでガス検出室２７内および各素子３１，３２を加熱するものである。
加えて、ガス検出室２７内には、環境影響、例えば湿気や検出対象ガスの影響度を少なくする為に、撥水フィルタ４０やフィルタ４１が配設されている。

制御装置２は、ガス検出室２７内のヒータ３６に接続され、例えば、ガス検出室２７内の温度状態や、燃料電池５の負荷状態や運転状態等に応じて、各素子３１，３２およびヒータ３６の作動状態、例えば通電開始および通電停止の各タイミングや通電量等を制御する。このとき、制御装置２は、例えばヒータ３６へ通電する電流値に対するフィードバック制御や、例えばスイッチング素子のオン／オフ動作等に基づくチョッパ制御（つまり、通電のオン／オフの切替制御）等によってヒータ３６への通電量を制御する。

図４は図１に示す水素センサのゼロ点補正処理の内容を示すフローチャートである。同図に示すように、まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮにされてシステムの運転が開始される（ＩＧ−ＯＮ）と、ステップＳ１２で、制御装置２はヒータ３６を作動させて、ガスセンサ１が検査対象ガス（この場合は水素）を検知しうる検知可能温度にまで加熱させる。

これについて図５を用いて説明する。図５は、水素について、ガスセンサ１の温度と素子抵抗値との関係を示すグラフ図である。同図のラインＡに示すように、ガスセンサ１は、温度Ｔ１付近で素子抵抗値が小さくなっており、水素が存在していた場合には敏感に反応する（この素子抵抗値が小さい領域の温度を検知可能温度と称す）。従って、ガスセンサ１の温度を検知可能温度に維持した状態で、ステップＳ１４で、水素の検知を行う。

そして、ステップＳ１６で、記憶装置３に格納されている所定値と、検知した水素の濃度とを比較して、該水素の濃度が前記所定値以上であるか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合（濃度が所定値以上の場合）には、ステップＳ２８に進んで燃料電池システム１０を停止する。このような場合にまで燃料電池システム１０の作動を継続させるのは好ましくないからである。このときに、警報装置４を作動させてもよい。

また、ステップＳ１６の判定結果がＮＯの場合（濃度が所定値未満の場合）には、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、制御装置２によりヒータ３６を作動させてガスセンサ１を加熱することで、その温度を検知不能温度Ｔ２までさらに上昇させる。ここで、検知不能温度とは、図５に示すように、素子抵抗値が大きくなっており、検査対象ガスである水素を実質的に検知しないとみなせる温度の事である。

そして、ガスセンサ１の温度を検知不能温度に維持した状態で、ステップＳ２０で、ガスセンサ１のゼロ点補正を行う。このゼロ点補正処理は、検知不能温度でのガスセンサ１の素子抵抗値を検出し、このときの検出値を基準値に一致させることでおこなう。この基準値は、初期設定時における検知不能温度での素子抵抗値であり、記憶装置３に記憶されている。このように、ガスセンサ１自体の温度状態を変化させることで、前記ガスセンサ１の周囲から検査対象ガスである水素を除去した場合と同様の効果を得ることができる。

ついで、ステップＳ２２で、ガスセンサ１の温度を検知可能温度に戻す。ステップＳ２４で、前回のゼロ点補正から所定時間経過したか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ１８に戻って上述のゼロ点補正処理を行う。また、この判定結果がＮＯであればステップＳ２６に進み、検知可能温度で検知した水素の濃度が所定値以上か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ２８に進んで燃料電池システム１０の停止を行う。また、この判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ２４の処理に戻って再度時間経過についての判定処理を行う。

このように、本実施の形態におけるガス検出装置によれば、ガスセンサ１のゼロ点補正のための分岐配管や遮断弁といった特別な構成部材を不要にできる。従って、燃料電池システム１０を簡易化して軽量化やコストを低減しつつ、ガスセンサ１のゼロ点補正を容易に行うことができる。更に、前記ガスセンサ１の温度状態を制御するという簡便な制御だけで定期的にゼロ点補正を行うことができるので、ガスセンサ１の信頼性をより一層高めることができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態においては、ガス検出装置を燃料電池システムに適用した場合について説明したが、他のシステムに適用することもできる。また、実施の形態においては、ガス検出素子として、ガス接触燃焼式ガスセンサ、すなわち、検出対象ガスが触媒に接触した際に燃焼する熱を利用して検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から前記検出対象ガスのガス濃度を検出するガスセンサについて説明したが、これに限られない。例えば、検出対象ガスが検出素子表面の酸素と接触離脱した時に生じる素子抵抗値が変化する事により、前記検出対象ガスのガス濃度を検出する半導体方式ガスセンサを用いてもよい。

本発明の実施の形態におけるガス検出装置の構成図である。 図１に示すガスセンサの概略断面図である。 図２に示すガスセンサの検出素子近傍領域を示す拡大説明図である。 図１に示すガスセンサのゼロ点補正処理の内容を示すフローチャートである。 水素、メタノール、大気のそれぞれについて、図１に示すガスセンサの温度と素子抵抗値との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１…ガスセンサ（ガス検出素子）
２…制御装置
３６…ヒータ（温度制御装置）

Claims (1)

1. 燃料極および酸素極を有し、前記燃料極には燃料ガスが供給され、前記酸素極には酸化剤ガスが供給される燃料電池と、
   前記酸素極の出口側配管から排出されるオフガスに含まれる検査対象ガスとしての水素の濃度を検知するガス検知素子であって、所定温度領域では検査対象ガスを検知し、前記所定温度領域以外では検査対象ガスを実質的に検知しないガス検出素子と、
   前記ガス検出素子の加熱を行うヒータとを備え、
   前記ガス検出素子のゼロ点補正を行うときは、前記燃料電池の運転を継続しながら、前記ガス検出素子の温度を前記所定温度領域よりも高くし、当該状態での前記ガス検出素子の出力をゼロ状態の基準値とする制御を行う制御装置を有することを特徴とするガス検出装置。

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