JP4711332B2

JP4711332B2 - 水素検出装置

Info

Publication number: JP4711332B2
Application number: JP2005165893A
Authority: JP
Inventors: 晴一大谷; 雅之内田; 守古里; 智和竹内
Original assignee: Riken Keiki KK
Current assignee: Riken Keiki KK
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-06-06
Also published as: JP2006337339A

Description

本発明は、燃料電池システムにおける水素の漏洩を検出するのに適した水素検出装置に関する。

燃料電池を動力源とする自動車にあってはスタータ起動直後から水素の漏洩の有無を検出する必要がある一方、通常、水素の検出に使用される検出手段は、触媒層を介しての熱反応を利用した接触燃焼式ガスセンサーと、温度補償素子とをブリッジ接続したものが使用されるため、センサーと温度補償素子との昇温速度の相違により数秒間はガス濃度の変化が無いのにもかかわらず出力が時間的に変化する過渡状態にあり、ガス濃度の検出が不可能となる。
このため、特許文献１に見られるように電源投入直後におけるブリッジ出力が時間的に変化するものの、その変化の形態が水素の濃度に依存することを利用して検出することが提案されている。

上記従来技術によれば理論的には検出部を構成する温度補償素子やガスセンサーの温度が安定するのを待つことなく、電源オンと同時に測定が可能になるものの、接触燃焼式ガスセンサーを構成する触媒は、その活性度が安定するまでに加熱熱開始から２乃至３秒程度の時間を要するため、通電直後から３秒程度までは接触燃焼式ガスセンサー自体の不安定要因が含まれており、さらには接触燃焼式ガスセンサーと温度補償素子とは直列接続されたり、基準抵抗と組み合わせて並列接続によりブリッジに組み込まれるため、ガスセンサーと温度補償素子との温度によりそれぞれの抵抗値が変化し、それぞれに流れる電流値も経時的に変化することにより、接触燃焼式ガスセンサーが安定状態にあるにもかかわらずブリッジ信号が経時的に変化してガスの濃度の測定に誤差を生じる可能性がある。
特開2003-294676号公報

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電源投入直後の接触燃焼式ガスセンサーの不安定要因を排除し、かつ通電初期における温度補償素子と接触燃焼式ガスセンサーとの温度変化特性（抵抗変化特性）にかかわりなく、温度変化が定常状態に到達する以前にガスの濃度を可及的に正確に検出できるガス測定装置を提供することにある。

このような課題を達成するために請求項１の発明においては、接触燃焼式ガスセンサーと温度補償素子とをブリッジ接続し、ブリッジ出力に基づいて可燃性ガスの濃度を測定するガス検出装置において、遅くとも電源投入以後に前記接触燃焼式ガスセンサーの触媒の活性度が安定した時点で前記接触燃焼式ガスセンサーの端子電圧と、前記接触燃焼式ガスセンサーの標準ガス中での端子電圧との差分電圧を検出し、前記差分電圧に基づいて前記可燃ガスの濃度を算出し、また所定時間が経過した時点で前記ブリッジ出力に基づいて前記可燃ガスの濃度を算出する測定回路を有する。

請求項２の発明は、接触燃焼式ガスセンサーと温度補償素子とをブリッジ接続し、ブリッジ出力に基づいて可燃性ガスの濃度を測定するガス検出装置において、遅くとも電源投入以後に前記接触燃焼式ガスセンサーの触媒の活性度が安定した時点で前記ブリッジ出力と、前記接触燃焼式ガスセンサーの標準ガス中でのブリッジ出力との差分を検出し、前記差分に基づいて前記可燃ガスの濃度を算出し、また所定時間が経過した時点で前記ブリッジ出力にのみ基づいて前記可燃ガスの濃度を算出する測定回路を有する。

請求項１の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサーの触媒が安定した早期の時点で高い精度で検出することができる。

また請求項２の発明によれば、請求項１の発明に加えて構造の簡素化を図ることができる。

図１は、本発明の一実施例を示すものであって温度補償素子１と接触燃焼式ガスセンサー２と基準抵抗３、４とをブリッジ接続し、温度補償素子１と接触燃焼式ガスセンサー２との接続点Ａ、及び基準抵抗３、４との接続点Ｂとを給電端子としてスイッチング手段５を介して電力供給手段６を接続し、また温度補償素子１と基準抵抗３との接続点Ｃと、接触燃焼式ガスセンサー２と基準抵抗４との接続点Ｄとをブリッジ出力端子とし、ブリッジ出力端子、および接続点Ａとを切換手段７を介して測定回路８に接続されている。

これら切換手段７、及び測定回路８にはスイッチング手段５からの信号が入力していて、電源投入当初には接触燃焼式ガスセンサー２の端子電圧を測定回路８に、またブリッジが安定した時点でブリッジ出力を測定回路８に出力し、測定回路８がそれぞれの信号に基づいてガス濃度を検出するように構成されたいる。

また測定回路８は、読出書込手段９を介して記憶手段１０が接続されており、接触燃焼式ガスセンサー２の端子電圧、またはブリッジ出力によりガス濃度信号を出力し、また必要に応じて零点信号を記憶手段１０に格納して零点校正用のデータを格納するように構成されている。

なお、温度補償素子１は、通電によりジュール熱を発生する白金などのコイル状ヒータの表面に被検出ガスに不感応な耐熱性材料、例えばセラミックスの層を形成して構成され、また接触燃焼式ガスセンサー２は、温度補償素子との温度バランスをとりやすくするため、通常は、温度補償素子の表面に被検ガスの酸化を促進する触媒層を形成して構成されている。

もとより、接触燃焼式ガスセンサー２は、温度補償素子とは独立、つまり温度補償素子を利用することなくコイル状ヒータに電気絶縁層を形成し、その表面に触媒層を形成するなり、電気絶縁物と触媒組成物との混練体をヒータに形成して構成することもできる。

この実施例において、スイッチング手段５により電源が投入されると、温度補償素子１及び接触燃焼式ガスセンサー２を構成しているコイル状ヒータ１ａ、２ａがジュール熱を発生し、コイル状ヒータ１ａ、２ａの温度上昇とともにそれぞれの素子の抵抗値が変化する。同時に切換手段７により接触燃焼式ガスセンサー２の端子電圧が測定回路８に出力する。

電源投入によるヒータ２ａの昇温に伴って触媒層の昇温とともに活性度が徐々に上昇する。このときの５００ｐｐｍ、１００００ｐｐｍ、及び１５０００ｐｐｍにおける接触燃焼式ガスセンサー２単独の端子電圧は、図２(イ)に示したようになり、おおむね５秒程度で各濃度に対応する出力が安定する。なお、図２乃至図６、及び図８において線図の符号Ａ乃至Ｄは、被検ガスの濃度が０ｐｐｍ、５０００ｐｐｍ、１００００ｐｐｍ、及び１５０００ｐｐｍの場合の特性を示す。

一方、電源投入直後からのガス濃度５００ｐｐｍ、１００００ｐｐｍ、１５０００ｐｐｍでの端子電圧と零ガス時の端子電圧との差分の、各ガス濃度間の差分ΔＶだけに注目すると、図２(ロ)に示したように電源投入直後から略２．５秒では一定、つまり接触燃焼式ガスセンサー２を構成する触媒の活性度が安定していることが確認できる。

一方、零ガス状態での電源投入直後からの接触燃焼式２単独の端子電圧との差分は、図２(ロ)に示したようになり、電源投入から略２．５秒乃至３秒程度で安定となる。つまり接触燃焼式ガスセンサー２自体の電源投入直後からのガスには左右されない不安定要因が相殺できるため、電源投入後の略２．５秒乃至３秒以後にはガスの濃度を検出することが可能となる。

一方、温度補償素子１は、ガスには不感応であるものの、通電以後所定の温度で安定するまでに一定の時間が必要となるため、その端子電圧は図３(イ)に示したような挙動となる。すなわち、接触燃焼式ガスセンサー２のような触媒の活性度が安定するまでの挙動にかかわる変動成分はない。

したがって、ブリッジ出力には接触燃焼式ガスセンサー２と温度補償素子１との温度が安定するまでの挙動と接触燃焼式ガスセンサーの触媒の活性度が安定するまでの挙動との差分が含まれることになり、図３（ロ）に示したように各ガス濃度に対する電源投入後からブリッジ出力が安定するまでには略５秒程度の時間を要する。

以上のことから、電源投入直後から短時間のうちにガス濃度を高い精度で検出するためには、電源投入直後から若干の期間は接触燃焼式ガスセンサー２の端子電圧を検出信号とし、予め採取した零ガス時の経時変化との差分に基づいてガス濃度を判定することが有効である。

さらに、温度補償素子１も個性があるため、第２の温度補償素子を用いた場合には電源投入直後の第２の温度補償素子の端子電圧が図４(イ)に示したような挙動を示すため、この温度補償素子を使用して電源投入直後のブリッジ出力を調査したところ図４(ロ)に示したように電源投入後、略７秒が経過した時点でガス濃度に対する出力が安定した。

同様に第３の温度補償素子を用いた場合には電源投入直後の第３の温度補償素子の端子電圧が図５(イ)に示したような挙動を示すため、この温度補償素子を使用して電源投入直後のブリッジ出力を調査したところ図５(ロ)に示したように電源投入後、略５秒が経過した時点でガス濃度に対する出力が安定した。

以上のことから、電源投入直後から所定の時間までは接触燃焼式ガスセンサー２自体の端子電圧と、その零ガス状態での電源投入直後からの接触燃焼式２単独の端子電圧との差分を検出信号とすると、温度補償素子１による不安定要因を確実に相殺できて、電源投入直後のガス濃度を正確に検出するために有効であることが判る。

すなわち、測定回路８は、記憶手段１０に格納されている零ガス状態での電源投入時点からの接触燃焼式ガスセンサー２の端子電圧の経時変化データを読み出して接触燃焼式ガスセンサー２の端子電圧との差分に基づいて被検ガスの濃度を算出する。これにより、図６に示したようにブリッジ出力の安定を待つことなく、電源投入後の２乃至３秒後におけるガス濃度を検出することができる。

このようにして温度補償素子１の温度が安定してブリッジ出力がガス濃度にのみ依存するようになった時点で、切換手段は、ブリッジ出力を測定回路８に出力し、通常の測定状態となる。

なお、長期間の使用により接触燃焼式ガスセンサーの触媒能に変化が生じたと思われ、電源投入直後の測定データの零点を校正する必要が生じた場合には、接触燃焼式ガスセンサー２を零ガス状態に維持して電源を投入し、このときの接触燃焼式ガスセンサー２の端子電圧の経時変化を記憶手段１０に格納する。
これにより、以後の電源投入直後の測定は、更新された零ガスにおける接触燃焼式ガスセンサー２の端子電圧との差分に基づいて被検ガスの濃度が演算されることになる。

なお、上述の実施例においては電源投入直後における温度補償素子１の温度変化による不安定要因を、接触燃焼式ガスセンサー２の端子電圧だけを検出信号として使用することにより排除しているが、電源投入直後の温度補償素子１の抵抗の時間的変化特性が再現性を有する場合には図７に示したようにブリッジ出力を利用することができる。

すなわち、スイッチング手段５により電源が投入されると、温度補償素子１及び接触燃焼式ガスセンサー２を構成しているコイル状ヒータ１ａ、２ａがジュール熱を発生し、コイル状ヒータ１ａ、２ａの温度上昇とともにそれぞれの素子の抵抗値が変化する。同時に切換手段７により接触燃焼式ガスセンサー２の端子電圧が測定回路８に出力する。

電源投入によるヒータ２ａの昇温に伴って触媒層の昇温とともに活性度が徐々に上昇し、所定時間、例えば２乃至３秒後に活性度が安定状態となる。この時点では温度補償素子１と接触燃焼式ガスセンサー２との昇温特性が相違するものの、その変化状態は一定であるため、測定回路８は、記憶手段１０に格納されている零ガス状態での電源投入時点からのブリッジ出力の経時変化データを読み出してブリッジ出力との差分に基づいて被検ガスの濃度を算出する。これにより、ブリッジ出力の安定を待つことなく、図８に示したように電源投入後の２乃至３秒後にはガス濃度を検出することができる。

この実施例によれば、第１実施例における切換手段７が不要となり構造の簡素化を図ることができる。

なお、上述の実施例においては、基準抵抗と温度補償素子との接続点、及び基準抵抗と接触燃焼式ガスセンサーとの接続点を出力端子とするようにブリッジを構成しているが、図９に示したように温度補償素子と接触燃焼式ガスセンサーとの接続点、及び２つ基準抵抗の接続点を出力端子とするようにブリッジを構成しても同様の作用を奏することは明らかである。

また上述の実施例においては、電力供給手段を定電圧源として構成しているが、定電流源として構成しても同様の作用を奏する。

すなわち、出力端子からの過渡状態における出力信号の経時変化特性は、ブリッジの形式、または電力供給手段の種類に依存して変化するものの、接触燃焼式ガスセンサーの活性度が定常状態に到達した以後（電源投入から２乃至３秒後）は、接触燃焼式ガスセンサーの負荷電圧、またはブリッジ出力が、その時点での被検出ガスの濃度に支配されていることに変わりは無い。

本発明のガス測定装置の一実施例を示すブロック図である。図(イ)、(ロ)は、それぞれ接触燃焼式ガスセンサーの端子電圧、及び零ガス時の端子電圧との差分を示す線図である。図(イ)、(ロ)は、それぞれ温度補償素子の端子電圧の経時変化、及び接触燃焼式ガスセンサーと温度補償素子とをブリッジ接続したときのブリッジ出力の経時変化を示す線図である。図(イ)、(ロ)は、それぞれ温度補償素子の端子電圧の経時変化、及び接触燃焼式ガスセンサーと温度補償素子とをブリッジ接続したときのブリッジ出力の経時変化を示す線図である。図(イ)、(ロ)は、それぞれ温度補償素子の端子電圧の経時変化、及び接触燃焼式ガスセンサーと温度補償素子とをブリッジ接続したときのブリッジ出力の経時変化を示す線図である。同上ガス測定装置による検出特性を示す線図である。本発明のガス測定装置の他の実施例を示すブロック図である。第２の実施例における検出特性を示す線図である。本発明に適用可能なブリッジ回路の他の例を示す構成図である。

符号の説明

１温度補償素子２接触燃焼式ガスセンサー３、４基準抵抗

Claims

接触燃焼式ガスセンサーと温度補償素子とをブリッジ接続し、ブリッジ出力に基づいて可燃性ガスの濃度を測定するガス検出装置において、
遅くとも電源投入以後に前記接触燃焼式ガスセンサーの触媒の活性度が安定した時点で前記接触燃焼式ガスセンサーの端子電圧と、前記接触燃焼式ガスセンサーの標準ガス中での端子電圧との差分電圧を検出し、前記差分電圧に基づいて前記可燃ガスの濃度を算出し、また所定時間が経過した時点で前記ブリッジ出力に基づいて前記可燃ガスの濃度を算出する測定回路を有するガス検出装置。
接触燃焼式ガスセンサーと温度補償素子とをブリッジ接続し、ブリッジ出力に基づいて可燃性ガスの濃度を測定するガス検出装置において、
遅くとも電源投入以後に前記接触燃焼式ガスセンサーの触媒の活性度が安定した時点で前記ブリッジ出力と、前記接触燃焼式ガスセンサーの標準ガス中でのブリッジ出力との差分を検出し、前記差分に基づいて前記可燃ガスの濃度を算出し、また所定時間が経過した時点で前記ブリッジ出力にのみ基づいて前記可燃ガスの濃度を算出する測定回路を有するガス検出装置。