JP4602124B2 - ガス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、濃度出力特性の異なる少なくとも２つのガスセンサを備えるガス検出装置に関するものである。

近年、検出対象のガスを検出するガスセンサとして、種々のセンサが提案されている。例えば、特許文献１には、検出対象ガス（この場合は一酸化炭素ガス）の燃焼熱を利用する接触燃焼式ガスセンサについての技術が提案されている。
また、特許文献２には、主として酸化スズよりなる酸化物半導体を備えた低熱容量の熱線型半導体式ガスセンサについての技術が提案されている。
特開平８−７５６９２号公報 特許第３１４６１１１号明細書

しかしながら、従来の技術においては、システムに設けるセンサとして同一方式のものを用いている。従って、用いられるセンサが備える固有の濃度出力特性によって、検出精度が限定されてしまう。そのため、検出対象領域によっては十分な検出精度を得ることができない虞があるという問題がある。

従って、本発明は、検出対象領域に応じて精度良く検出対象ガスの濃度を検出する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、濃度出力特性の異なる接触燃焼式ガスセンサと半導体式ガスセンサとの少なくとも２つのガスセンサを備え、前記半導体式ガスセンサの起動完了判断の前に、前記接触燃焼式ガスセンサの出力が、前記接触燃焼式ガスセンサと前記半導体式ガスセンサとの濃度出力特性の変化率が略同等となる第１濃度よりも大きいか否かの判断を行い、前記接触燃焼式ガスセンサの出力が前記第１濃度よりも大きい場合は、前記接触燃焼式ガスセンサにより検出対象ガスの濃度を検出し、前記接触燃焼式ガスセンサの出力が前記第１濃度以下の場合は、前記半導体式ガスセンサの起動完了判断を行い、前記半導体式ガスセンサが起動完了している場合は、前記半導体式ガスセンサにより前記検出対象ガスの濃度を検出することを特徴とする。

この発明によれば、ガス濃度により出力特性の異なるガスセンサを用いることにより、検出対象領域に応じて精度の良い方のガスセンサを使用することができるため、検出対象領域全体に亘って検出対象ガスの検出精度を高くすることができる。ここで、検出対象領域とは、前記ガス検出装置が用いられるシステムにおいて、検出対象とする検出対象ガスの濃度範囲のことであり、システムの状況によって異なる。すなわち、検出対象ガスの低濃度領域が検出対象領域になる場合もあるし、高濃度領域が検出対象領域になる場合もある。
また、前記少なくとも２つのガスセンサとして、半導体ガスセンサを用いることで、ガス検出装置として長寿命化が可能となり、また、半導体式ガスセンサは他のガスセンサに比べて個々の検出可能なガス濃度領域が狭いため、濃度出力特性の異なる半導体式ガスセンサを用いることで、検出対象領域全体に亘って検出精度をさらに高くすることができる。
さらに、低濃度時にセンサ出力が大きい半導体式ガスセンサを用い、高濃度時にセンサ出力が大きい接触燃焼式ガスセンサを用いることで、ガス検出素子を多数にすることなく全領域で精度よく検出対象ガスの濃度を検出することができる。また、通常ガスセンサを用いる場所において、高濃度を示す場合は異常時であることから、通常は、他のセンサに比して長寿命の半導体式ガスセンサのみで検出できるため、ガス検出装置全体としての長寿命化を図ることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記半導体式ガスセンサの出力が前記第１濃度よりも大きくなったと判断したときに、前記接触燃焼式ガスセンサを起動するとともに、前記接触燃焼式ガスセンサにより前記検出対象ガスの濃度を検出することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記ガスセンサは、車両に搭載される燃料電池から排出される反応ガスが流通するオフガス流路に設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、検出対象領域全体に亘って検出対象ガスの検出精度を高くすることができる。
また、ガス検出装置として長寿命化が可能となり、検出対象領域全体に亘って検出精度をさらに高くすることができる。

また、ガス検出素子を多数にすることなく全領域で精度よく検出対象ガスの濃度を検出することができ、ガス検出装置全体としての長寿命化を図ることができる。
さらに、ガスセンサの起動直後から検出対象ガスの濃度の検出を行うことが可能となり、ガスセンサの信頼性を向上することができる。

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燃料電池車両の概略構成図である。
燃料電池５は、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アノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノード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カソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。

空気はコンプレッサ１２により所定圧力に加圧され、空気供給流路７を通って燃料電池５のカソードに供給される。燃料電池５に供給された空気は発電に供された後、燃料電池５からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、パージ水素希釈装置１３に導入される。

一方、水素タンク１１から供給される水素は、水素供給流路６を通って燃料電池５のアノードに供給される。そして、燃料電池５から排出された水素は、水素排出流路８に排出される。水素排出流路８はパージ水素希釈装置１３に接続されている。
燃料電池１から排出された水素は、水素排出流路８を介してパージ水素希釈装置１３に導入される。そして、空気排出流路９を介してパージ水素希釈装置１３に導入された空気によって水素は希釈され、希釈された水素が排出管１４から排出ガスとして排出される。

図２は実施の形態におけるガス検出装置の要部断面図である。同図に示すように、排出管１４にはガスセンサ１が設けられている。ガスセンサ１は、排出管１４を流通する排出ガスの水素濃度を検出するためのものであり、このガスセンサ１の出力信号が制御装置２に入力される。
制御装置２は、例えば、ガスセンサ１から出力される検出信号と、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（図示せず）によって警報等を出力する。

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排出管１４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。
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の内部はガス検出部２７として形成され、ガス検出部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、ガス検出部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が排出管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。

検出素子３１は接触燃焼式の素子であって、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。

そして、検出対象ガスである水素が検出素子３１の触媒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、検出素子３９は半導体式の素子であって、一対の白金系金属の合金線コイルの間にプレス成型した酸化スズ等からなる金属酸化物半導体の焼結体を挟み、コイルの周囲と同じ半導体材料で覆った構造となっている。そして、半導体表面に検出対象ガスである水素が接触したときに生ずる半導体本体の電気抵抗の変化を利用して、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、ガス検出部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部２７内および各素子３１，３２，３９を加熱するものである。
加えて、ガス検出部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。

本実施の形態におけるガスセンサ１は、接触燃焼式ガスセンサ１ａと半導体式ガスセンサ１ｂとを備えて構成されている。図５は接触燃焼式ガスセンサ１ａと半導体式ガスセンサ１ｂのそれぞれの、検出対象ガスの濃度と出力との関係を示すグラフ図である。
同図に示すように、前記接触燃焼式ガスセンサ１ａは、検出対象ガスである水素の濃度に対する出力がリニア（直線状）になっているため（ラインＡ参照）、比較的低濃度域から高濃度域までのセンシングを行うことが可能である。
これに対し、半導体式ガスセンサ１ｂは、低濃度領域における水素の濃度に対する出力が高いという特性を有するため（ラインＢ参照）、該低濃度領域におけるセンシングに適している。

このような特性を有するガスセンサ１ａ、１ｂを用いた検出処理について図４を用いて説明する。図４は図１に示すガスセンサ１ａ、１ｂを用いた検出処理を示すフローチャート図である。同図に示すように、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチをＯＮにして、燃料電池車両１０の始動を開始する。そして、接触燃焼式ガスセンサ１ａと、半導体式ガスセンサ１ｂのそれぞれが通電される。ここで、ガスセンサの特性より、接触燃焼式ガスセンサ１ａの方が半導体式ガスセンサ１ｂよりも早く起動され、検出対象ガスである水素の濃度を検出可能な状態となる。
ステップＳ１４では、接触燃焼式ガスセンサ１ａでの出力（検出濃度）が所定濃度Ｎ２以上（図５参照）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に進んで燃料電池車両１０の停止（システム停止）を行って、車両１０の信頼性を確保する。

また、ステップＳ１４の判定結果がＮＯの場合は、ステップＳ１５に進み、接触燃焼式ガスセンサ１ａでの出力（検出濃度）が、所定濃度（第１濃度）Ｎ１より大きいか否かを判定する。ここで、所定濃度Ｎ１は、接触燃焼式ガスセンサ１ａの出力変化率と半導体式ガスセンサ１ｂの出力変化率とが略同一となる濃度である。この所定濃度Ｎ１よりも大きい濃度では、接触燃焼式ガスセンサ１ａの出力変化率の方が半導体式ガスセンサ１ｂよりも大きくなる。一方、所定濃度Ｎ１よりも小さい濃度では、接触燃焼式ガスセンサ１ａの出力変化率の方が半導体式ガスセンサ１ｂよりも小さくなる。

この判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ１５の処理を繰り返し、この判定結果がＮＯの場合にはステップＳ１６の処理に進む。このように、接触燃焼式ガスセンサ１ａでの出力が、所定濃度Ｎ１よりも大きい場合には、出力特性上有利な接触燃焼式ガスセンサ１ａによる検出処理が継続して行われる。
一方、ステップＳ１６では、半導体式ガスセンサ１ｂが起動されたか否か、すなわち半導体式ガスセンサ１ｂにより水素の濃度を検出可能であるか否か、を判定する。この判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ１８に進み、接触燃焼式ガスセンサ１ａを停止する。また、この判定結果がＮＯであれば、再度ステップＳ１６の処理を繰り返す。

ステップＳ１８の処理を行った後、ステップＳ２０の処理に進む。ステップＳ２０では、半導体式ガスセンサ１ｂの出力（検出濃度）が、上述した所定濃度Ｎ１より大きいか否かを判定する。

このステップＳ２０の判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ２２に進んで接触燃焼式センサ１ａを起動して、接触燃焼式ガスセンサ１ａによる検出を開始する。また、ステップＳ２０の判定結果がＮＯの場合は、半導体式ガスセンサ１ｂによる検出を継続して、ステップＳ２０の処理を再度行う。
ステップＳ２２の処理の後には、ステップＳ２４に進んで、半導体式ガスセンサ１ｂを停止して、接触燃焼式ガスセンサ１ａによる検出に移行する。そして、ステップＳ２６では、接触燃焼式ガスセンサ１ａの出力（検出濃度）が所定濃度Ｎ２より大きいかどうかを判定し、判定結果がＹＥＳであればステップＳ２８に進んでシステム（燃料電池車両１０）を停止する。また、この判定結果がＮＯであれば、接触燃焼式ガスセンサ１ａによる検出を継続しつつ、ステップＳ２７に進む。ステップＳ２７では、半導体式ガスセンサ１ｂの起動を行い、その後に、上述したステップＳ１６の処理を再度行う。

本実施の形態では、前記接触燃焼式ガスセンサ１ａの濃度出力特性の変化率が前記半導体式ガスセンサ１ｂの濃度出力特性の変化率より小さい濃度のとき（濃度０〜Ｎ１）には、半導体式ガスセンサ１ｂにより検出対象ガスの濃度を検出する。また、前記接触燃焼式ガスセンサ１ａの濃度出力特性の変化率が前記半導体式ガスセンサ１ｂの濃度出力特性の変化率より大きい濃度のときには、前記接触燃焼式ガスセンサ１ａにより検出対象ガスの濃度を検出する。

このように、本実施の形態においては、低濃度時にセンサ出力が大きい半導体式ガスセンサ１ｂを用い、高濃度時にセンサ出力が大きい接触燃焼式ガスセンサ１ａを用いることで、ガス検出素子３１、３２、３９を多数にすることなく全領域で精度よく検出対象ガス（この場合は水素）の濃度を検出することができる。また、通常ガスセンサ１を用いる場所において、高濃度を示す場合は異常時であることから、通常は、他のセンサに比して長寿命の半導体式ガスセンサ１ｂのみで検出できるため、ガス検出装置全体としての長寿命化を図ることができる。

なお、図２には接触燃焼式の検出素子３１と半導体式の検出素子３９とを同一のガス検出部２７内に具備した場合を示したが、この構成に限らず、検出素子３１、３９を個別のガス検出部２７内に設けるようにしてもよい（図６参照）。

また、図７に示すように、ガスセンサ１’を、２つの半導体式ガスセンサ１ｂ、１ｂ’とから構成するようにしてもよい。半導体式ガスセンサ１ｂ、１ｂ’は、それぞれ半導体式の検出素子３９、３９’を有している。
図８はガスセンサ１ｂ、１ｂ’それぞれの、検出対象ガスの濃度と出力との関係を示すグラフ図である。同図に示すように、ガスセンサ１ｂは低濃度（所定値Ｎ１’以下）において高い出力特性を有する低濃度域半導体式ガスセンサ１ｂであり（ラインＢ）、ガスセンサ１ｂ’は高濃度（所定値Ｎ１’以上）において高い出力特性を有する高濃度域半導体式ガスセンサ１ｂ’であり（ラインＢ’）である。

そして、検出対象領域が低濃度のときには低濃度域半導体式ガスセンサ１ｂを用いて検出を行い、検出対象領域が高濃度のときには高濃度域半導体式ガスセンサ１ｂ’を用いて検出を行う。このように、半導体式ガスセンサ１ｂ、１ｂ’を用いることで、ガス検出装置として長寿命化が可能となる。また、半導体式ガスセンサ１ｂ、１ｂ’は他のガスセンサ（例えば接触燃焼式ガスセンサ１ａ）に比べて個々の検出可能なガス濃度領域が狭いため、濃度出力特性の異なる半導体式ガスセンサ１ｂ、１ｂ’を用いることで、検出対象領域全体に亘って検出精度をさらに高くすることができる。

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、検出対象ガスが水素である場合について説明したが、これに限らず他のガス（メタノール、大気等）であってもよい。また、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。

本発明の実施の形態における燃料電池車両の全体構成図である。 図１に示すガスセンサの断面図である。 図２に示すガスセンサのＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。 図１に示すガスセンサを用いた検出対象ガスの検出処理を示すフローチャート図である。 接触燃焼式ガスセンサと半導体式ガスセンサのそれぞれの、検出対象ガスと出力との関係を示すグラフ図である。 図１に示すガスセンサの変形例を示す断面図である。 図１に示すガスセンサの変形例を示す断面図である。 低濃度域半導体式ガスセンサと高濃度域半導体式ガスセンサのそれぞれの、検出対象ガスの濃度と出力との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１、１’…ガスセンサ
１ａ…接触燃焼式ガスセンサ（ガスセンサ）
１ｂ…半導体式ガスセンサ（ガスセンサ、低濃度域半導体式ガスセンサ）
１ｂ’…半導体式ガスセンサ（ガスセンサ、高濃度域半導体式ガスセンサ）
２…制御装置
１０…燃料電池車両（ガス検出装置）

Claims (3)

1. 濃度出力特性の異なる接触燃焼式ガスセンサと半導体式ガスセンサとの少なくとも２つのガスセンサを備え、
   前記半導体式ガスセンサの起動完了判断の前に、前記接触燃焼式ガスセンサの出力が、前記接触燃焼式ガスセンサと前記半導体式ガスセンサとの濃度出力特性の変化率が略同等となる第１濃度よりも大きいか否かの判断を行い、
   前記接触燃焼式ガスセンサの出力が前記第１濃度よりも大きい場合は、前記接触燃焼式ガスセンサにより検出対象ガスの濃度を検出し、
   前記接触燃焼式ガスセンサの出力が前記第１濃度以下の場合は、前記半導体式ガスセンサの起動完了判断を行い、前記半導体式ガスセンサが起動完了している場合は、前記半導体式ガスセンサにより前記検出対象ガスの濃度を検出することを特徴とするガス検出装置。
2. 前記半導体式ガスセンサの出力が前記第１濃度よりも大きくなったと判断したときに、前記接触燃焼式ガスセンサを起動するとともに、前記接触燃焼式ガスセンサにより前記検出対象ガスの濃度を検出することを特徴とする請求項１記載のガス検出装置。
3. 前記ガスセンサは、車両に搭載される燃料電池から排出される反応ガスが流通するオフガス流路に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のガス検出装置。

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