JP4849544B2

JP4849544B2 - 車載用水素検出装置

Info

Publication number: JP4849544B2
Application number: JP2006323864A
Authority: JP
Inventors: 一哉新西; 亜希子西川; 健江田
Original assignee: Figaro Engineering Inc
Current assignee: Figaro Engineering Inc
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: JP2008139092A

Description

この発明は燃料電池を搭載した車両のための水素検出装置に関する。

燃料電池自動車では、水素タンクからの水素リーク、燃料電池の空気極側への水素のリーク、車室への水素のリークなどを検出する必要がある。そして水素リークの有無の検出が完了するまで、燃料電池を起動しないことが好ましい。このため水素センサを極めて短時間で、例えば２秒程度で起動する必要がある。用いる水素センサは接触燃焼式ガスセンサで、ヒータコイルを酸化触媒中に埋設した検知片と、酸化活性を低下させた他は検知片と同様の補償片とからなり、定量的な水素の検出が可能になるまでの時間は例えば４秒程度である。

ガスセンサの起動時間を短縮するために、ガスセンサを通常時よりも高い温度でヒートクリーニングすることが知られている（例えば特許文献１）。しかしながら常用温度（通常時の加熱温度）よりも高い温度で接触燃焼式ガスセンサをヒートクリーニングすると、ヒートクリーニング後常用温度に戻るまで、検知片と補償片との温度バランスが崩れ、起動時間を短縮することは難しい。
実用新案登録２５２６，４８３号

この発明の課題は、車載用水素検出装置の起動時間を短縮し、自動車の燃料電池を動作させるまでの待ち時間を短縮することにある。

この発明は、熱容量が相対的に小さな検知片と熱容量が相対的に大きな補償片を備えた接触燃焼式ガスセンサにより、燃料電池で走行する自動車の水素漏れを検出するための水素検出装置において、
水素検出装置の起動時に、接触燃焼式ガスセンサを通常よりも高い電力で、常用の加熱温度付近まで加熱した後に、常用加熱温度付近よりも昇温しないようにしながら、ガスセンサの電力を通常の電力に戻して、常用加熱温度へ移行させるようにしたことを特徴とする。
常用加熱温度付近よりも昇温しないとは、例えば検知片と補償片の平均温度が高電力での加熱終了時に、常用温度に対し±２０℃以内、好ましくは±１０℃以内であることを言う。
好ましくは、通常よりも高い電力で加熱した後、検知片と補償片が共に常用温度へ移行する間に、補償片の温度が検知片の温度よりも２℃以上上回らないようにする。

この発明では、接触燃焼式ガスセンサをほぼ常用温度まで起動時に昇温を加速して加熱し、速やかに常用温度に到達させて、水素の検出を開始する。ガスセンサはほぼ常用温度まで加熱され、常用温度よりも高い温度でヒートクリーニングした後に冷却するのでないので、冷却時に補償片と検知片との温度バランスが崩れることがほとんど無く、従って速やかに水素の検出が可能になる。
検知片と補償片の常用温度を等しくすると、有色の触媒で覆われた検知片を小さくし、放熱係数が相対的に小さな補償片を大きくすることになり、一般に検知片の熱容量は補償片に比べて小さくなる。そこで検知片と補償片の平均温度が常用温度よりも高くなるように高電力で加熱すると、常用温度への冷却過程で検知片温度が補償片温度よりも低下して、温度バランスが崩れ、水素濃度が負に対応する負の出力が接触燃焼式ガスセンサから生じる。これに対して温度バランスを崩さないように、高電力での加熱終了後常用温度に達する過程での、補償片温度が検知片温度を上回る最高値を２℃以下とすると、起動から２秒程度で水素の検出が可能になる。

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図６に、実施例とその変形とを示す。図において２は接触燃焼式のガスセンサで、４は検知片、６は補償片で、８は検知片４と補償片６との間に設けた遮熱板で、設けなくても良い。検知片４はヒータコイルを埋設した酸化触媒から成り、補償片６は酸化活性の低い材料中にヒータコイルを埋設したものから成る。

図２にガス検出装置の構成を示す。検知片４と補償片６とを直列に接続し、抵抗１０，１１を用いてブリッジを構成し、電源１２からスイッチ１４を介してヒータ電圧を供給する。そして電源１４のオンオフの比率をヒートアクセラレーション（常用温度への加速加熱）中とそれ以降とで変化させることにより、検知片４と補償片６との直列片に加わるヒータ電圧の実効値、言い換えるとヒータ電力を制御する。１６はマイクロコンピュータで、１８はタイマであり、起動時に例えば０.２５秒程度の信号をヒータ駆動部２０に加えて、この間、ヒータ電力を増すことによりヒートアクセラレーションを行う。その後、ヒータ電力を通常の値に戻し、タイマ１８は所定の間隔でヒータ駆動部２０によりスイッチ１４をオンさせ、これに同期してＡＤコンバータ２２を動作させ、ガスセンサの出力を読み込む。ガス検出部２４はガスセンサの出力から水素を検出し、例えば５０００〜２００００ppm程度の水素の存在時に、自動車の燃料電池の起動を禁止する。そして燃料電池の起動前に水素タンクの周辺、車室の内部、燃料電池の空気極側の３箇所に対して、水素漏れの有無を検査することにより、爆発事故などを防止する。

図３はガスセンサ２に加えるヒータの実効電圧を示し、この電圧は検知片４と補償片６との直列片に加える電圧の実効値である。実施例では、ガスセンサ２の起動から０.２５秒の間ヒータ電圧の実効値を３Ｖに変化させ、その後１.３Ｖの実効値に戻し、水素の検出を行う。なお以下実効電圧を単に電圧と呼び、ヒータ電圧１.３Ｖでのセンサ温度は約３６０℃で、３Ｖ×０.２５秒のヒートアクセラレーションにより、センサ温度は３６０℃程度に達して、そのまま定常温度の３６０℃に保たれる。検知片４と補償片６はヒータコイルが共通で、その抵抗値は室温で各約３Ω、３６０℃で各約６Ωである。

この結果、図５に示すように、起動から２秒以内で水素の検出が可能になる。図５の波形では、センサ出力の安定化は極めて速く、かつアンダーシュートが殆ど無い。図４はヒートアクセラレーションを行わず、１.３Ｖの常用電圧で起動時からセンサを駆動した際の出力波形である。図の●印は、センサ電圧が定常値±１０％となるまでの時間を示し、空気中では定常出力はほぼ０なので、出力が１.５ｍＶとなる時点を示す。４秒弱でガスセンサが水素を検出可能になる。これに対してヒートアクセラレーションを行うと、２秒以内に水素を検出可能になる。

図６は、ヒートアクセラレーション時のヒータ電圧を２Ｖとし、ヒートアクセラレーション時間を０.４９秒〜０.６４秒に変化させた際の空気中の波形である。ヒートアクセラレーション時間が０.５７秒や０.６１秒では、センサ出力は速やかに安定化するが、ヒートアクセラレーション時間がこれよりも短いと安定化に長時間を要する。アクセラレーション時間を０.６４秒とすると、アンダーシュートが著しくなり、センサの起動時間が長くなる。アンダーシュートは検知片の温度が補償片の温度よりも低いことを意味し、検知片が酸化触媒で覆われているため一般に有色で、輻射係数が高いため速やかに冷却されるが、補償片は一般に白色で輻射係数が低いため、放熱が遅れるためと考えられる。そして０.６４秒のヒートアクセラレーション時間はヒートクリーニングに相当し、この間にセンサ温度は常用温度の３６０℃よりも高くなり、常用温度へ冷却する過程で検知片と補償片の熱バランスが崩れるため、起動時間が長くなる。０.６４秒よりもヒートアクセラレーション時間を長くすると、アンダーシュートはさらに著しくなり、起動までの時間はさらに長くなる。

ヒートアクセラレーションでは、常用温度付近まで、例えば常用温度±２０℃、より好ましくは常用温度±１０℃まで、ガスセンサを速やかに加熱し、それ以上の温度に加熱しない。ヒートアクセラレーションで、補償片温度が検知片温度を上回る温度は、ヒータコイルの抵抗温度係数から計算して、図５の空気中で１℃程度、図６の０.６１秒で０.８℃程度、０.６４秒で２.５℃程度であり、一般に２℃以下が好ましく、より好ましくは１℃以下とする。

なお単にセンサ温度という時は検知片と補償片の平均温度を言い、常用温度では検知片と補償片は温度が等しい。ヒートアクセラレーションやその後常用温度への復帰時の温度は空気中での温度で、水素中では燃焼熱のため明細書の記載と異なることがある。検知片４は有色の触媒で覆われるため放熱係数が高く熱容量を小さくし、補償片６は白色で熱容量が大きい。これらは共に常用温度が３６０℃であるが、ヒートアクセラレーションの間は検知片４の方が補償片６よりも温度が高い。

検知片４と補償片６の直列片に１Ωの固定抵抗を接続し、図６に近い条件で空気中でヒートアクセラレーションするため、電源から１.４１Ｖ（検知片と補償片で１.３Ｖ，固定抵抗で０.１１Ｖ）の常用電圧を加え、ヒートアクセラレーション時に２.１３Ｖ（検知片と補償片で２Ｖ，固定抵抗で０.１３Ｖ）の電圧を加えた。固定抵抗の電圧と検知片補償片６のヒータコイル（Ｐｔ）の抵抗温度係数とから、ヒートアクセラレーション時の温度を測定した。ヒートアクセラレーション時間は０.５１秒、０.５４秒、０.５７秒、０.６１秒、０.６４秒で、いずれもヒートアクセラレーション終了時が最高温度であった。最高温度は、ヒートアクセラレーション時間が０.５１秒で３２０℃、０.５４秒で３４０℃、０.５７秒で３５０℃、０.６１秒で３７０℃、０.６４秒で３９０℃であった。

検知片４の熱時定数が補償片６よりも短く、ヒータコイルの抵抗温度係数が正であるため、図２の直列回路よりも図７のように補償片６と検知片４を並列にブリッジに組み込んだ回路の方が、ヒートアクセラレーション時の検知片４／補償片６間の温度差を小さくできる。即ち、先に検知片４が先に昇温してヒータコイルの抵抗値が増し、このため検知片４の消費電力が補償片６よりも大きくなる傾向を、図７では抑制できる。

図８，図９の第２の変形例では、補償片６と検知片４を並列に接続し、マイクロコンピュータ１６でスイッチ１４，１５を駆動して、別々のヒートアクセラレーションパターンを用いる。例えば図９のように、ヒートアクセラレーション時間を共通にし、その間の加熱電力が補償片６で検知片４よりも大きくなるようにし、共にヒートアクセラレーションの終了時に常用加熱温度に達するようにする。するとヒートアクセラレーションの終了とほぼ同時に正確な水素ガス濃度の検出を開始できる。またヒートアクセラレーション中でも空気中では補償片６と検知片４の温度がほぼ等しいので、ヒートアクセラレーションの後半から水素を検出できる。なおヒートアクセラレーション時の電力を補償片６と検知片４で共通にし、ヒートアクセラレーション時間を補償片６で検知片４よりも長くしても良い。

実施例では、接触燃焼式ガスセンサを起動時に常用電圧よりも高い電圧で加熱して、常用温度に速やかに到達させ、常用温度を超えないようにしながら常用のヒータ電圧に変更する。この結果、水素漏れの検出をすみやかに行うことができ、自動車の燃料電池の動作開始までの待ち時間を短縮できる。接触燃焼式ガスセンサの構造や材料は任意である。

実施例のガスセンサの平面図実施例のガス検出装置のブロック図実施例のガスセンサの起動時の電圧波形を示す図起動時にヒートアクセラレーションをせず、実効１.３Ｖのヒータ電圧を起動時から加える従来例での起動時の波形図起動時に実効３Ｖ×０.２５ｓのヒータ電圧を加えて、ヒートアクセラレーションする実施例での起動時の波形図起動時に実効２Ｖ×０.４９〜０.６４ｓのヒータ電圧を加えて、ヒートアクセラレーションする実施例での起動時の波形図変形例のガス検出装置のブロック図第２の変形例のガス検出装置のブロック図第２の変形例での、1)ヒートアクセラレーション時の検知片と補償片の電力、及び2)検知片と補償片の温度を示す図

符号の説明

２ガスセンサ
４検知片
６補償片
８遮熱板
１０，１１抵抗
１２電源
１４，１５スイッチ
１６マイクロコンピュータ
１８タイマ
２０ヒータ駆動部
２２ＡＤコンバータ
２４ガス検出部

Claims

熱容量が相対的に小さな検知片と熱容量が相対的に大きな補償片を備えた接触燃焼式ガスセンサにより、燃料電池で走行する自動車の水素漏れを検出するための水素検出装置において、
水素検出装置の起動時に、接触燃焼式ガスセンサを通常よりも高い電力で、常用の加熱温度付近まで加熱した後に、常用加熱温度付近よりも昇温しないようにしながら、ガスセンサの電力を通常の電力に戻して、常用加熱温度へ移行させるようにしたことを特徴とする、車載用水素検出装置。
通常よりも高い電力で加熱した後、検知片と補償片が共に常用温度へ移行する間に、補償片の温度が検知片の温度よりも２℃以上上回らないようにすることを特徴とする、請求項１の車載用水素検出装置。