(57)【要約】【課題】  システムの安定制御に寄与することができるガス検出装置を提供する。【解決手段】  加湿環境下に配置され、少なくとも電流値に基づいて被検出ガスを検出する接触燃焼式ガス検出素子と、前記ガス検出素子に流れる電流を検出する電流検出手段と、を有し、前記電流検出手段の検出値が所定電流値以上のときに前記検出素子に不純物が付着していると判定する不純物付着判定手段と、を備えた。【選択図】    図１
2006308440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加湿環境下に配置され、少なくとも電流値に基づいて被検出ガスを検出する接触燃焼式ガス検出素子と、
前記ガス検出素子に流れる電流を検出する電流検出手段と、を有し、
前記電流検出手段の検出値が所定電流値以上のときに前記検出素子に不純物が付着していると判定する不純物付着判定手段と、を備えたことを特徴とするガス検出装置。
【請求項２】
前記ガス検出素子の出力電圧を検出する電圧検出手段をさらに備え、
前記不純物付着検出手段は、前記電圧検出手段の検出値が所定電圧値以上のときに前記検出素子に不純物が付着していることを判定することを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
【請求項３】
前記所定電流値は、前記検出素子に不純物が付着していないときに出力し得る最大電流値より大きい電流値であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿環境下に配置され、被検出ガスを少なくとも電流値に基づいて検出するガス検出素子を有するガス検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、アノードとカソードとを備える燃料電池を有するシステムにおいて、アノード側のオフガス流路に希釈ボックスを設けてオフガス中の水素を希釈する構成のものがある。
この種の技術として、希釈ボックスの下流側のオフガス流路に水素を検出する水素検出器（ガスセンサ）を設けて、水素の濃度が所定値以下に低下しているかを検知する構成を備えたものが知られている。
【０００３】
この種のガスセンサとして、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検出器が知られている。
【０００４】
この種の水素検出器の異常を検出する技術として、例えば、特許文献１には、雰囲気温度のみに応じて抵抗値が変化する基準素子と雰囲気温度および被検知ガスのガス濃度に応じて抵抗値が変化する検知素子と定電流源に対して直列に接続し、基準素子および検出素子の各電圧降下の変化に基づいて、基準素子または検出素子それぞれの断線や短絡を検出する接触燃焼式ガスセンサの断線・短絡検出回路が開示されている。
また、特許文献２には、被検知ガスのガス濃度を検知する感知部と、感知部を加熱可能なヒータとを備え、被検知ガスを含む雰囲気ガスに対して安定なヒータの抵抗値あるいはヒータ電流の変化に基づいて、ヒータの異常または断線といったガスセンサの故障を判定するガス警報器が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−２７１２５６号公報
【特許文献２】特開２００１−２３５４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような燃料電池においては、電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池に供給される反応ガス（例えば水素や空気）には加湿装置等によって水（加湿水）が供給されている。さらに、燃料電池の作動時には電気化学反応による反応生成水が生成される。このため、燃料電池の排出ガス、特にカソード側の排出ガスは、高湿潤のオフガスとなり、その結果、上述した希釈ボックス等のオフガス流路内に配置された水素検出器に、起動中・停止中に関わらず、結露が発生する場合がある。特に、固体高分子膜型燃料電池においては、通常作動温度が水の蒸気化温度よりも低く、オフガスは多湿度で水分量が多いガスとなって排出されるため、オフガス中の水分が結露しやすい。
【０００６】
しかしながら、上述した従来技術においては、水素検出器に対する結露対策についての考慮はされておらず、センサ素子部に水が付着すると、一時的に上限出力を超えた誤った値を出力してしまうことがある。この誤った値に基づいてシステムの制御が行われると、安定した制御に支障をきたす虞があるため、水素検出器において、水付着の有無を検出することが非常に重要である。また、水以外の不純物が付着した場合でも同様である。
本発明は、システムの安定制御に寄与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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、加湿環境（例えば、実施の形態における排出管１４）下に配置され、少なくとも電流値に基づいて被検出ガス（例えば、実施の形態における水素）を検出する接触燃焼式ガス検出素子（例えば、実施の形態における検出素子３１）と、前記ガス検出素子に流れる電流を検出する電流検出手段（例えば、実施の形態における検出信号が兼ねる）と、を有し、前記電流検出手段の検出値が所定電流値（例えば、実施の形態における規定電流値Ｉｔｈ）以上のときに前記検出素子に不純物（例えば、実施の形態における水）が付着していると判定する不純物付着判定手段（例えば、実施の形態における制御装置２）と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、不純物の付着が原因となり電流値が高くなっている状態を、前記被検出ガスの濃度が低い状態と誤認識することを、接触燃焼式ガス検出素子の特性に基づいて、防止することができる。すなわち、接触燃焼式ガス検出素子は、被検出ガスとの発熱反応による抵抗値の増大に伴い電流値が減少する一方、出力電圧値が増大するという特性を有する。このため、前記接触燃焼式ガス検出素子が、正常に被検出ガスを検出できる状態であれば、被検出ガスの濃度が低い（ゼロも含む）場合には、被検出ガスとの反応による抵抗値は殆ど増大せず、電流値は所定の値に留まる。一方、被検出ガスの濃度が高くなると、被検出ガスとの反応による抵抗値の増大により、電流値は低い値になる。これに対し、前記接触燃焼式ガス検出素子に不純物が付着した場合には、被検出ガスの濃度が高くても電流値が高い値を示すことが、本発明者により確認された。従って、前記被検出ガスの濃度が高いときに不純物の付着により電流値が高くなった状態を、前記被検出ガスの濃度が低い状態と誤認識してシステム（例えば、実施の形態における燃料電池車両１０）を制御することを防止できるので、システムの安定制御に寄与することができる。言い換えれば、通常作動時では、接触燃焼式ガス検出素子の出力電圧が高くなっている状態のとき、前記被検出ガスの濃度が高いと検知されるが、このとき電流値が高ければ、誤検知であるということが確認でき、システムの安定制御に寄与することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記ガス検出素子の出力電圧を検出する電圧検出手段（例えば、実施の形態における検出信号が兼ねる）をさらに備え、前記不純物付着検出手段は、前記電圧検出手段の検出値が所定電圧値（例えば、実施の形態における規定電圧値Ｖｔｈ）以上のときに前記検出素子に不純物が付着していることを判定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特性ずれにより電流値が高くなっている状態を、不純物の付着した状態と判定することを防止できる。すなわち、接触燃焼式ガス検出素子は、正常な状態であれば、電流と被検出ガスの濃度とは略比例関係となる一方で、出力電圧と被検出ガスの濃度とは略反比例の関係となる。接触燃焼式ガス検出素子に特性ずれが発生した場合であっても、上述の被検出ガスの濃度との関係は変わらないため、電流値が高くなった場合であっても出力電圧は所定電圧値未満の値に留まる。これに対し、前記接触燃焼式ガス検出素子に不純物が付着した場合には、電流値のみならず電圧値も高い値を示すことが、本発明者により確認された。従って、前記ガス検出素子への不純物の付着の判定を、前記ガス検出素子の特性ずれに依らずに行うことができるので、不純物の付着の判定を精度良く行うことが可能となり、システムのさらなる安定制御に寄与することができる。
【００１０】
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、前記所定電流値は、前記検出素子に不純物が付着していないときに出力し得る最大電流値（例えば、実施の形態における最大電流値Ｉｍａｘ）より大きい電流値であることを特徴とするものである。
この発明によれば、前記被検出ガスの濃度が低い状態を、不純物の付着した状態と判定することを防止できる。ゆえに、前記ガス検出素子への不純物の付着の判定を、前記被検出ガスの濃度に依らずに行うことができるので、不純物の付着の判定を精度良く行うことが可能となり、システムのさらなる安定制御に寄与することができる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、不純物の付着が原因となり電流値が高くなっている状態を、前記被検出ガスの濃度が低い状態と誤認識することを、接触燃焼式ガス検出素子の特性に基づいて、防止することができるので、システムの安定制御に寄与することができる。言い換えれば、通常作動時では、接触燃焼式ガス検出素子の出力電圧が高くなっている状態のとき、前記被検出ガスの濃度が高いと検知されるが、このとき電流値が高ければ、誤検知であるということが確認でき、システムの安定制御に寄与することができる。
請求項２に係る発明によれば、前記ガス検出素子への不純物の付着の判定を、前記ガス検出素子の特性ずれに依らずに行うことができるので、不純物の付着の判定を精度良く行うことが可能となり、システムのさらなる安定制御に寄与することができる。
請求項３に係る発明によれば、前記ガス検出素子への不純物の付着の判定を、前記被検出ガスの濃度に依らずに行うことができるので、不純物の付着の判定を精度良く行うことが可能となり、システムのさらなる安定制御に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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ガス検出装置を搭載した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。
【００１３】
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。
【００１４】
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５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。
【００１５】
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。ここで、検出信号には、ガスセンサ１に流れる電流値と出力電圧値の情報とが含まれる。
【００１６】
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。また、図３は図２に示すガスセンサのＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。これらの図に示すように、ガスセンサ１は水平方向に伸びる排出管１４（図３参照）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。
【００１７】
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樹脂母材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。
【００１８】
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、被検出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、被検出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。
【００１９】
そして、被検出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、被検出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。
【００２０】
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、例えば湿気や被検出ガスの影響度を少なくする為に、撥水フィルタ１９やフィルタ２０が配設されている。
【００２１】
上述のように構成されたガス検出装置による不純物（この場合は水）の付着判定処理について図４を用いて説明する。図４は図１に示すガスセンサの水付着判定処理の内容を示すフローチャート図である。
まず、ステップＳ１２で、検出素子３１を流れる電流値が規定電流値Ｉｔｈ（図５参照）以上であるか否かが判定される。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ１４に進む。一方、この判定結果がＮＯであれば、検出素子３１に水は付着していないと判定され、ステップＳ１８に進む。
【００２２】
この判定処理について、図５を用いて説明する。図５はセンサ電流値とセンサ出力電圧値との、水素濃度に対する関係を示すグラフ図である。同図に示すように、ガス検出素子３１は、被検出ガス（この場合は水素）との発熱反応による抵抗値の増大に伴い電流値Ｉｓが減少する一方、出力電圧値Ｖｓが増大するという特性を有する。このため、ガス検出素子３１が、正常に水素を検出できる状態であれば、水素の濃度が低い（ゼロも含む）場合には、水素との反応による抵抗値は殆ど増大せず、電流値Ｉｓは所定の値（Ｉｍａｘ近傍）に留まる。一方、水素の濃度が高くなると、水素との反応による抵抗値の増大により、電流値Ｉｓは低い値になる。
【００２３】
これに対し、ガス検出素子３１に水が付着した場合の電流値Ｉｍは、水素の濃度に依らず高い値を示すことがわかった。従って、水素の濃度が高いときに水の付着により電流値が高くなった状態を、水素の濃度が低い状態と誤認識してシステムを制御することを防止できるので、システムの安定制御に寄与することができる。ここで、本実施の形態では、この規定電流値Ｉｔｈを、検出素子３１に水が付着していないときに出力し得る最大電流値Ｉｍａｘ以上に設定している。このため、水素の濃度が低い状態を、水の付着した状態と判定することを防止できる。
【００２４】
次に、ステップＳ１４では、検出素子３１での出力電圧値Ｖｓが規定電圧値Ｖｔｈ以上か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ１６に進み、この判定結果がＮＯであればステップＳ１８に進む。
ステップＳ１６では、検出素子３１に水が付着していると判定し、本フローチャートの処理を一旦終了して、再度最初から処理を繰り返す。また、ステップＳ１８では、検出素子３１に水が付着していないと判定して、水素の検知処理を開始する。ステップＳ２０では、水素の検知処理を所定時間継続し、本フローチャートの処理を一旦終了して、再度最初から処理を繰り返す。
【００２５】
このように、出力電圧値Ｖｓについても判定を行うことで、ガス検出素子３１への水の付着の判定を、ガス検出素子３１の特性ずれに依らずに行うことができる。すなわち、ガス検出素子３１は、正常な状態であれば、図５に示したように、水素濃度と電流Ｉｓとは略比例関係となる一方で、水素濃度と出力電圧Ｖｓとは略反比例の関係となる。この関係は、ガス検出素子３１に特性ずれが発生した場合であっても変わらないため、電流値Ｉｓが高くなって規定電流値Ｉｔｈを超えた場合であっても出力電圧Ｖｓは規定電圧値Ｖｔｈ未満の値に留まる。
【００２６】
これに対し、ガス検出素子３１に水が付着した場合には、電圧値は規定電圧値Ｖｔｈを超えた高い値を示すことがわかった。従って、出力電圧値についても判定を行うことで、ガス検出素子３１への水付着の判定を、前記ガス検出素子３１の特性ずれに依らずに行うことができるので、水付着の判定を精度良く行うことが可能となる。
【００２７】
図６はガスセンサの水付着判定を行った場合と、水付着判定をしていない場合のそれぞれにおける、センサ出力電圧値の時間変化の例を示すグラフ図である。同図には、検出素子３１に水が時刻ｔ１〜ｔ２の間付着した場合を示している。上述したように、検出素子３１に水が付着すると出力電圧の値Ｖｍが大幅に上昇してしまう（同図の上側部分のグラフ）。この出力電圧値Ｖｍに基づいて水素濃度を判定すると、水素濃度が非常に高いと判定されることになるため、これに基づいて制御をするとシステムの安定制御が困難となる。
【００２８】
これに対し、時刻ｔ１〜ｔ２のときに、検出素子３１への水付着の判定を行い、水が付着していると判定された場合には、出力電圧値Ｖｍに換えて、ダミーの電圧値Ｖｓ’を表示する（同図の下側部分のグラフ）。このような制御をすることで、水の付着による高い出力電圧値Ｖｍに基づいてシステム（この場合は燃料電池車両１０）が制御されることを防止でき、システムの安定制御に寄与することができる。
【００２９】
このように、実施の形態では、ガスセンサの電流値を用いた判定を行った後、さらに出力電圧値を用いて判定を行っているので、判定精度を向上する点で好ましいが、ガスセンサの電流値のみを用いて判定を行ってもよい。すなわち、図７に示すように、ステップＳ１２で検出素子３１を流れる電流値が規定電流値Ｉｔｈ以上であると判定される場合には、ステップＳ１６に進んで検出素子３１に水が付着していると判定する処理を行ってもよい。この場合において、規定電流値Ｉｔｈの値を図４に示した場合よりも大きい値に設定すると、判定精度が向上する点で好ましい。
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、検出素子への水付着の判定を行うことで、システムの安定制御に寄与することができる。なお、本発明の内容は実施の形態のみに限定されるものでないことはもちろんであり、例えば、実施の形態では、燃料電池を駆動源とする燃料電池車両にガス検出装置を搭載した場合について説明したが、車両以外のシステムにも適用することができる。また、実施の形態では、ガスセンサに水が付着した場合について説明したが、水以外の油膜や塵埃等の不純物が付着した場合であっても、実施の形態で示した手法と同様にして判定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態におけるガス検出装置を搭載した燃料電池車両のブロック図である。
【図２】図１に示すガスセンサの断面図である。
【図３】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４】図１に示すガスセンサの水付着判定処理の内容を示すフローチャート図である。
【図５】センサ電流値とセンサ出力電圧値との、水素濃度に対する関係を示すグラフ図である。
【図６】ガスセンサの水付着判定を行った場合と、水付着判定をしていない場合のそれぞれにおける、センサ出力電圧値の時間変化の例を示すグラフ図である。
【図７】図１に示すガスセンサの水付着判定処理の内容の変形例を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…ガスセンサ
２…制御装置
１０…燃料電池車両
１４…排出管
３１…検出素子
【図１】
2006308440.tif 000003
【図２】
2006308440.tif 000004
【図３】
2006308440.tif 000005
【図４】
2006308440.tif 000006
【図５】
2006308440.tif 000007
【図６】
2006308440.tif 000008
【図７】
2006308440.tif 000009