JP5042150B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
そこで、この発明は、起動完了判定を素早く行うことができるガスセンサを提供するものである。
請求項1に係る発明は、互いに近接配置され、電圧を印加される一対のガス検出素子(例えば、後述する実施例におけるガス濃度検出用素子9a、監視用素子10a)と、前記ガス検出素子の出力に基づいてガス濃度を検出(判定)する濃度判定部(例えば、後述する実施例における濃度判定部32)と、前記一対のガス検出素子の出力の偏差に基づいて一方のガス検出素子の異常を判定する異常判定部(例えば、後述する実施例における異常判定部33)と、を備えるガスセンサ(例えば、後述する実施例における水素センサ100)において、前記一対のガス検出素子のうち一方をガス濃度検出用素子(例えば、後述する実施例におけるガス濃度検出用素子9a)、他方を監視用素子(例えば、後述する実施例における監視用素子10a)とし、前記ガス濃度検出用素子に印加する電圧よりも前記監視用素子に印加する電圧を低くまたはゼロにする検出モードと、前記ガス濃度検出用素子と前記監視用素子に前記検出モードのときに前記ガス濃度検出用素子に印加した電圧と同じ電圧を印加する監視モードとに、切り替え可能に構成されており、電源投入された起動時には、前記ガス濃度検出用素子と前記監視用素子に前記検出モードのときに前記ガス濃度検出用素子に印加する電圧と同じ電圧を印加し、前記監視用素子の出力特性に基づいて予め設定された起動判定時間が経過した後、一定時間が経過するまで前記濃度判定部は前記監視用素子の出力に基づいてガス濃度の判定を行うことを特徴とするガスセンサである。
図2に示すように、検出部1は、例えばポリフェニレンサルファイド製のケース2を備え、ケース2内には樹脂で封止された回路基板3が設けられている。ケース2の下面からは、一対の筒状部4,5が突出形成されており、各筒状部4,5の下端にはそれぞれガス導入口6が開口形成されていて、各筒状部4,5の内部に形成されたガス検出室7に連なっている。ガス導入口6には通気性を有する例えばセラミックからなるフィルタ8が設けられている。
筒状部4の検出要素9について説明すると、検出要素9は、ケース2の下面から等距離だけ離間して並んで設置された検出素子9aと温度補償素子9bとを備え、各素子9a,9bは通電用のリード線11、ステー12を介して回路基板3に接続されている。
温度補償素子9bは、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子9aと同等のコイル15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、被検出ガスである水素が検出素子9aの触媒14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9aと、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず検出素子9aよりも低温の温度補償素子9b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。
制御部30は、モード切換部31と、濃度判定部32と、異常判定部33とを備え、濃度判定部32は出力切換部34を備えている。
モード切換部31は、図7のタイムチャートに示すように、検出モードと監視モードを一定の周期で自動的に切り換える切換手段である。検出モードは、監視用素子10aに印加する電圧をガス濃度検出用素子9aに印加する電圧よりも低くし、ガス濃度検出用素子9aの出力に基づいて被検出ガスのガス濃度を検出するモードであり、監視モードは、検出モードのときにガス濃度検出用素子9aに印加した電圧と同じ大きさの電圧をガス濃度検出用素子9aと監視用素子10aに印加してガス濃度検出用素子9aの異常判定を行うモードである。
一方、検出モードにおいては、ガス濃度検出用素子9aには基準電圧V1を印加するが、監視用素子10aには基準電圧V1よりも低い監視電圧V2(V1>V2)を印加する。監視電圧V2は、監視用素子10aの触媒14を活性温度より低く、且つ、触媒14が水素以外の不純物とも反応せず、且つ、結露を発生させない温度T2(例えば60〜90゜C)に昇温するために必要な電圧である。
そして、監視モードになると、監視用素子10aにもガス濃度検出用素子9aに印加されているのと同じ基準電圧V1が印加されるので、監視用素子10aの触媒14も活性温度に昇温されて活性化され、水素が存在するときには監視用素子10aの抵抗が変化し、この抵抗変化に基づいて検出される検出値に応じた出力S2が出力回路22Bから、制御部30の濃度判定部32および異常判定部33に出力される。
しかしながら、異常判定部33によりガス濃度検出用素子9aが異常であると判定され、異常判定部33から異常判定信号を入力した場合には、濃度判定部32は、監視モードにおいて監視用素子10aの出力回路22Bから入力した出力値S2に基づいて、前記水素濃度マップ等を参照して水素濃度を算出する。そして、出力切換部34は、異常と判定されたガス濃度検出用素子9a側の出力値S1に基づいて算出した水素濃度に代えて、監視用素子10a側の出力値S2に基づいて算出した水素濃度を採用し、該水素濃度に応じた水素濃度信号をセンサ出力として前記燃料電池制御装置等へ出力する。
前述したように、ガス濃度検出用素子9aには常時、基準電圧V1が印加されていて駆動温度T1に保持されるので、被毒が発生するのは避けられない。そして、被毒された反応部は活性が失われるため、ガス濃度検出用素子9aが徐々に劣化していくのは避けることはできない。
ここで、検出モードの継続時間は極めて長く(例えば数十秒〜数分)、監視モードの継続時間は極めて短い(例えば数秒)ので、監視用素子10aでは被毒現象の発生が極めて少なく、ガス濃度検出用素子9aに比較すると劣化の進行が極めて遅い。
図5において実線は、未使用の正常なガス濃度検出用素子9aおよび監視用素子10aの出力特性(初期出力特性)を示しており、いずれの素子9a,10aとも始動スイッチ40をONしてからτ1時間後に正常出力下限閾値α3に達し、始動スイッチをONしてからτ3時間後に出力α1に達する。
その場合、水素センサ100による水素濃度の検出は、例えば前記標準ガスを検出する場合であれば、水素センサ100の出力が正常出力下限閾値α3以上になってからでないと、水素濃度の検出を正しく行うことができない。換言すると、水素センサ100の出力が正常出力下限閾値α3以上になったときに、水素センサ100は起動完了したと言うことができる。そこで、始動スイッチ40がONされ水素センサ100に電源が投入されてから水素センサ100の出力が正常出力下限閾値α3以上になるまでの時間(すなわち、水素センサ100が起動完了するまでの時間、以下、起動判定時間という)を待ってから、水素センサ100による水素濃度の検出を行うようにしている。
このように、起動判定時間は標準ガスに対する出力特性に基づいて設定している。但し、標準ガスの被検出ガスのガス濃度は1000ppmに限るものではなく、水素センサ100の濃度検出範囲等によって適宜設定することができ、また、正常出力下限閾値α3の値も900ppmに限るものではなく、水素センサ100の検出範囲や検出精度によって適宜設定することができる。
ここで、ガス濃度検出用素子9aの出力特性に基づいて起動判定時間を設定した場合には、起動判定時間はτ3となり、水素濃度を検出することができるまでに長い時間が必要となってしまう。その結果、水素の漏洩がないことを確認してから行う燃料電池システムの起動も遅くなってしまう。
これに対して、劣化の程度が低い監視用素子10aの出力特性に基づいて起動判定時間を設定した場合には、起動判定時間はτ2となり、起動判定時間を短縮することができる。
図6のフローチャートに示すガス濃度検出処理ルーチンは、電子制御装置により実行される。
まず、ステップS101において始動スイッチ40がONか否かを判定する。
ステップS101における判定結果が「NO」(始動スイッチ:OFF)である場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。
次に、ステップS103に進み、始動スイッチ40がONされてからの経過時間が起動判定時間t1を経過したか否かを判定する。この起動判定時間t1は、市場保障年数経過後の監視用素子10aの標準ガスに対する出力特性に基づいて予め設定されたものであり、図5におけるτ2に相当する時間に設定する。
ステップS103における判定結果が「NO」(起動判定時間t1経過前)である場合には、ステップS102に戻る。
次に、ステップS105に進み、始動スイッチ40がONされてからの経過時間が時間t2を経過したか否かを判定する。この時間t2は、市場保障年数経過後のガス濃度検出用素子9aの標準ガスに対する出力特性に基づいて予め設定されたものであり、図5におけるτ3に相当する時間に設定する。
ステップS105における判定結果が「YES」(時間t2経過)である場合には、ステップS106に進み、検出モードか否かを判定する。なお、時間t2経過後の初回は検出モードに設定される。
次に、ステップS109に進み、始動スイッチ40がOFFか否かを判定する。
ステップS109における判定結果が「NO」(始動スイッチ:ON)である場合には、ステップS106に戻り、ステップS109における判定結果が「YES」(始動スイッチ:OFF)である場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。
劣化の程度が低い監視用素子10aの出力特性に基づいて起動判定時間t1を設定し、電源投入後、起動判定時間t1が経過した後は、監視用素子10aの出力S2に基づいて水素濃度の検出を開始し、その検出結果に基づいて燃料電池システムの起動許可判定を行い、監視用素子10aの出力S2に基づく水素濃度の検出は時間t2(=τ3)まで継続し、時間t2経過後は、通常の検出モードに移行して、監視用素子10aの出力S2に基づく水素濃度の検出を終了し、ガス濃度検出用素子9aの出力S1に基づく水素濃度の検出を開始するので、水素センサ100の起動判定時間を大幅に短縮することができ、その結果、水素の漏洩がないことを確認してから行う燃料電池システムの起動を早めることができる。
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、監視電圧V2を、監視用素子10aの触媒14を活性温度より低く、且つ、触媒14が水素以外の不純物とも反応せず、且つ、結露を発生させない温度T2に昇温するために必要な電圧としたが、監視電圧V2はゼロとすることも可能である。
10a 監視用素子(ガス検出素子)
31 モード切換部
32 濃度判定部
33 異常判定部
100 水素センサ(ガスセンサ)
Claims (1)
- 互いに近接配置され、電圧を印加される一対のガス検出素子と、
前記ガス検出素子の出力に基づいてガス濃度を判定する濃度判定部と、
前記一対のガス検出素子の出力の偏差に基づいて一方のガス検出素子の異常を判定する異常判定部と、
を備えるガスセンサにおいて、
前記一対のガス検出素子のうち一方をガス濃度検出用素子、他方を監視用素子とし、
前記ガス濃度検出用素子に印加する電圧よりも前記監視用素子に印加する電圧を低くまたはゼロにする検出モードと、前記ガス濃度検出用素子と前記監視用素子に前記検出モードのときに前記ガス濃度検出用素子に印加した電圧と同じ電圧を印加する監視モードとに、切り替え可能に構成されており、
電源投入された起動時には、前記ガス濃度検出用素子と前記監視用素子に前記検出モードのときに前記ガス濃度検出用素子に印加する電圧と同じ電圧を印加し、前記監視用素子の出力特性に基づいて予め設定された起動判定時間が経過した後、一定時間が経過するまで前記濃度判定部は前記監視用素子の出力に基づいてガス濃度の判定を行うことを特徴とするガスセンサ。
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