(57)【要約】【課題】水素と水蒸気が共存した環境下において水素濃度と湿度を区別して検出することができるガス検出器を提供することを目的とする。【解決手段】自己発熱温度を違えた温度により抵抗値が変化する抵抗体からなる高発熱検出素子１、および低発熱検出素子２と、これら２つの検出素子の近傍に設けた温度検出手段３を有し、前記高発熱検出素子１および低発熱検出素子２が水素濃度および湿度に応じて変化する抵抗値と温度検出手段３で求めた温度を電気的信号に変換し、前記２つの検出素子と温度検出手段３にガス導入口１７を通して導入されたガス中の水素濃度および湿度を電気的に換算して出力するものである。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己発熱温度を違えた温度により抵抗値が変化する抵抗体からなる高発熱検出素子および低発熱検出素子と、これら２つの検出素子の近傍に設けた温度検出手段を有し、前記高発熱検出素子および低発熱検出素子が水素濃度および湿度に応じて変化する抵抗値と前記温度検出手段で求めた温度を電気的信号に変換し、前記２つの検出素子と温度検出手段にガス導入口を通して導入されたガス中の水素濃度および湿度を電気的に換算して出力するガス検出器。
【請求項２】
高発熱検出素子および低発熱検出素子の乾燥空気中での水素濃度０％時の出力と乾燥空気中での水素濃度感度を温度検出手段により補正する請求項１に記載のガス検出器。
【請求項３】
温度検出手段により補正された高発熱検出素子および低発熱検出素子の出力の差により絶対湿度を検出する請求項２に記載のガス検出器。
【請求項４】
高発熱検出素子および低発熱検出素子の形状を同一とした請求項１に記載のガス検出器。
【請求項５】
高発熱検出素子および低発熱検出素子にサーミスタを用いた請求項１に記載のガス検出器。
【請求項６】
高発熱検出素子および低発熱検出素子をガラスで封止した請求項５に記載のガス検出器。
【請求項７】
温度検出手段が高発熱検出素子と低発熱検出素子の間に配置された請求項１に記載のガス検出器。
【請求項８】
温度検出手段として用いる素子の形状を２つの検出素子と同一形状とした請求項７に記載のガス検出器。
【請求項９】
温度検出手段にサーミスタを用いた請求項７に記載のガス検出器。
【請求項１０】
温度検出手段であるサーミスタをガラスで封止した請求項９に記載のガス検出器。
【請求項１１】
温度検出手段は乾燥空気中の無孔ケース内に封止された温度検出素子からなる請求項１に記載のガス検出器。
【請求項１２】
温度検出素子の形状を２つの検出素子と同一形状とした請求項１１に記載のガス検出器。
【請求項１３】
温度検出素子にサーミスタを用いた請求項１１に記載のガス検出器。
【請求項１４】
温度検出素子であるサーミスタをガラスで封止した請求項１３に記載のガス検出器。
【請求項１５】
２つの検出素子の発熱温度差を１０℃以上とした請求項１に記載のガス検出器。
【請求項１６】
低発熱検出素子の発熱温度を１００℃以上とした請求項１に記載のガス検出器。
【請求項１７】
ガス導入口には焼結金属フィルターが設けられた請求項１に記載のガス検出器。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか１つに記載のガス検出器をガス導入口が大地方向になるように配置した燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１から１７のいずれか１つに記載のガス検出器をガス導入口が配管本流より上方に配置された請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１から１７のいずれか１つに記載のガス検出器を燃料電池が収納された筐体の一部または燃料電池スタックの空気極側出口配管の一部に設け、前記燃料電池からの水素ガス漏洩を前記ガス検出器で検知すると、警報を発するとともに前記筐体内の換気を行い、前記燃料電池を停止するように制御する燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１から１７のいずれか１つに記載のガス検出器を乗車空間の上部に配置し、前記ガス検出器の湿度出力および温度出力を基に前記乗車空間が最適な温湿度になるように前記乗車空間の一部に設けたエアコンを制御するとともに、前記ガス検出器の水素濃度出力から前記乗車空間内の水素濃度が既定値以上であれば、警報を発するとともに前記乗車空間内の換気を行い水素供給源を遮断するように制御する自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素漏洩および湿度を検出するためのガス検出器とそれを用いた燃料電池システムおよび自動車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と空気中の酸素から電力を取り出す燃料電池の開発が盛んに行われている。これは発電時の排出物が水のみであるため環境に優れた発電方式であるだけでなく、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため省エネルギーになり、また発電時に発生する熱を回収することにより熱エネルギーをも利用することができるといった特徴を有しており、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。
【０００３】
このような燃料電池システムは分散電源としての家庭用コジェネレーションシステムや自動車への応用が研究開発されてきており、今までの化石燃料を用いた火力発電やガソリンエンジンに置き換わるものとして今後ますます進展していくものと考えられる。
【０００４】
燃料電池は水素を燃料に用いるため、その安全対策が重要な問題となる。すなわち、安全対策のためには水素が漏洩したことを検出する水素濃度検出器が必要になってくる。
【０００５】
従来はこのような水素濃度検出器として、水素の熱伝導率が他のガスに比べ極めて大きいことを利用し、発熱素子の温度変化で水素濃度を検出する原理のものが提案されていた。例えば、空気中で熱平衡に達した発熱素子に水素が到達すると、素子から奪われる熱量が変化し熱平衡が崩れるため、素子の温度が水素濃度に応じて変化する。この温度変化を温度検出素子で電気的に検出するものである。
【０００６】
この水素濃度検出器に使用される発熱素子および温度検出素子として、従来は白金測温体が用いられてきた。白金は金属の中では比抵抗が高い方なので電流を流すと自己発熱し、さらに抵抗温度係数も金属の中では大きい方なので、水素濃度に応じた温度変化を抵抗値変化として検出することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで問題となるのは被検出ガス中に湿度が存在した場合である。すなわち、湿気がなければ確かに白金の抵抗値は水素濃度に応じて変化するのであるが、湿気があるとそれによっても抵抗値が変化してしまい、水素による変化なのか湿気によるのかあるいは両者が共存して変化したのかを区別することができない。
【０００８】
これは、水蒸気のみであれば熱伝導率は水素のそれより極めて小さいが、極性を持つ水蒸気と無極性の空気や水素等が混合した系での熱伝導率は、絶対湿度とともに一旦上昇しピークを持って下降する特性を示すため、水素漏洩検知のように水素に比べ水蒸気が多量にある場合が想定される系での検出においては湿度の影響を無視できなくなる。
【０００９】
以上のことから、本発明は水素と水蒸気が共存した環境下において水素濃度と湿度を区別して検出することができるガス検出器を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものであり、その特徴部分について列挙する。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明は、抵抗値が変化する抵抗体からなる高発熱検出素子および低発熱検出素子の自己発熱温度を違える構成としたことであり、これにより湿気があった場合、発熱温度が違うそれぞれの検出素子の近傍での水蒸気の熱伝導率に差が発生し、簡単な構成で絶対湿度を得ることができるという作用効果が得られる。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、高発熱検出素子および低発熱検出素子の乾燥空気中での水素濃度０％時の出力と乾燥空気中での水素濃度感度を温度検出手段により補正する構成であり、これにより周囲の温度が変化した場合でも正確な水素濃度を検出できるという効果が得られる。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の発明は、温度検出手段により補正された高発熱検出素子および低発熱検出素子の出力の差により絶対湿度を検出する構成であり、これにより湿気が存在する場合に、発熱温度が違うそれぞれの検出素子の近傍での水蒸気の熱伝導率に差が発生し、簡単な構成で絶対湿度を得ることができるという効果が得られる。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の発明は、高発熱検出素子および低発熱検出素子の形状を同一としたものを用いることにより、外的な熱の変動に対しても両検出素子の応答が等しいため、結果として高応答の湿度検出ができるという効果が得られる。
【００１５】
本発明の請求項５に記載の発明は、高発熱検出素子および低発熱検出素子にサーミスタを用いた構成であり、これによりわずかな温度変化に対しても大きな抵抗値変化が得られ、結果として大きな感度が得られるという効果が得られる。
【００１６】
本発明の請求項６に記載の発明は、高発熱検出素子および低発熱検出素子をガラスで封止したことにより、還元ガスである水素に対してもサーミスタの抵抗値変化が起こらず耐久性や再現性に優れた特性を得ることができるという効果が得られる。
【００１７】
本発明の請求項７に記載の発明は、温度検出手段を高発熱検出素子と低発熱検出素子の間に配置しているため、検出器の起動時における両検出素子の周囲のガス温度上昇を温度検出手段により検知することができるため正確な温度補正ができ、結果として検知器の高速起動が可能となるという効果が得られる。
【００１８】
本発明の請求項８に記載の発明は、温度検出手段として用いる素子の形状を２つの検出素子と同一形状とした構成であり、これにより外的な熱の変動に対しても温度検出手段と両検出素子の応答が等しくなり、結果として高応答の水素および湿度検出ができるという効果が得られる。
【００１９】
本発明の請求項９に記載の発明は、温度検出手段にサーミスタを用いた構成であり、わずかな温度変化に対しても大きな抵抗値変化が得られ、結果として補正の精度を向上できるという効果が得られる。
【００２０】
本発明の請求項１０に記載の発明は、温度検出手段であるサーミスタをガラスで封止した構成であり、これにより還元ガスである水素に対してもサーミスタの抵抗値変化が起こらず耐久性や再現性に優れた特性を得ることができるという効果が得られる。
【００２１】
本発明の請求項１１に記載の発明は、温度検出手段が乾燥空気中の無孔ケース内に封止された温度検出素子からなる構成であり、これにより温度検出手段の両端電圧は被検出ガスにより変化することはなく、ガス検出器内部の温度に応じた電圧を出力し、かつ温度検出手段は検出器の起動時における両検出素子の温度上昇と同様の温度上昇をするため正確な温度補正ができ、結果として検知器の高速起動が可能となるという効果が得られる。
【００２２】
本発明の請求項１２に記載の発明は、温度検出素子の形状を２つの検出素子と同一形状とした構成であり、これにより外的な熱の変動に対しても温度検出素子と両検出素子の応答が等しくなり、結果として高応答の水素および湿度検出ができるという効果が得られる。
【００２３】
本発明の請求項１３に記載の発明は、温度検出素子にサーミスタを用いた構成であり、これによりわずかな温度変化に対しても大きな抵抗値変化が得られ、結果として補正の精度を向上できるという効果が得られる。
【００２４】
本発明の請求項１４に記載の発明は、温度検出素子であるサーミスタをガラスで封止した構成であり、これにより周囲雰囲気に対する安定性が高く耐久性や再現性に優れた特性を得ることができるという効果が得られる。
【００２５】
本発明の請求項１５に記載の発明は、２つの検出素子の発熱温度差を１０℃以上とした構成であり、これにより湿気が存在する場合、発熱温度が違うそれぞれの検出素子の近傍での水蒸気の熱伝導率に差が発生し簡単な構成で絶対湿度を検知できるという効果が得られる。
【００２６】
本発明の請求項１６に記載の発明は、低発熱検出素子の発熱温度を１００℃以上とした構成であり、これによりガス検出器が動作していないときに、低発熱検出素子および高発熱検出素子の表面に結露しても、ガス検出器の起動後に水分を蒸発させることができ高精度な検出ができるという効果が得られる。
【００２７】
本発明の請求項１７に記載の発明は、ガス導入口に焼結金属フィルターを設けた構成であり、これにより導入された被検出ガスの流量が変化しても焼結金属フィルター内で整流されるため、被検出ガス流量によるガス検出器の出力への影響を低減できるという効果が得られる。
【００２８】
本発明の請求項１８に記載の発明は、ガス検出器をガス導入口が大地方向になるように配置した構成であり、これにより結露した水分を重力によりガス検出器内部から排出できるという効果が得られる。
【００２９】
本発明の請求項１９に記載の発明は、ガス検出器を配管に設置する場合、ガス導入口が配管本流より上方になるように配置した構成であり、これにより配管本流の流量が変動しても直接ガス検出器に導入されないため、流量の影響を低減でき精度が向上するという効果が得られる。
【００３０】
本発明の請求項２０に記載の発明は、ガス検出器を燃料電池が収納された筐体の一部または燃料電池スタックの空気極側出口配管の一部に設け、前記燃料電池からの水素ガス漏洩を前記ガス検出器で検知すると、警報を発するとともに前記筐体内の換気を行い、前記燃料電池を停止するように制御する構成であり、これにより湿気を含む被検出ガス中でも水素濃度のみを高精度に検出できるため、水素漏洩に対する安全性が高い燃料電池システムを構成することができるという効果が得られる。
【００３１】
本発明の請求項２１に記載の発明は、ガス検出器を乗車空間の上部に配置し、前記ガス検出器の湿度出力および温度出力を基に前記乗車空間が最適な温湿度になるように前記乗車空間の一部に設けたエアコンを制御するとともに、前記ガス検出器の水素濃度出力から前記乗車空間内の水素濃度が既定値以上であれば、警報を発するとともに前記乗車空間内の換気を行い、水素供給源を遮断するように制御する構成であり、これにより乗車空間内の１つのガス検出器だけで水素漏洩検知だけでなく湿度や温度のデータが得られるため、通常はエアコン制御を行い水素漏洩時には燃料電池システムを停止するという制御を行うことで、自動車の安全性や快適性を向上できるという効果が得られる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１〜１０および請求項１５〜２１に記載の発明について説明する。
【００３３】
図１（ａ）は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の概略断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の点線部（Ａ−Ａ）での断面図をそれぞれ示す。図２は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の検出素子および温度検出手段であるサーミスタの概略断面図である。図３は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の検出部組立図である。図４は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の配管への取り付けを示す概略断面図である。
【００３４】
図１において、１は高発熱検出素子であり、２は低発熱検出素子、また３は温度検出手段である。これらの素子にはサーミスタを用いており、その構造を図２に示す。
【００３５】
図２において、４はサーミスタ素体であり、Ｂ定数が２３００Ｋのマンガン、コバルト、銅、バナジウムからなる複合酸化物焼結体を直径１．２ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの円板状に切削加工したものを用いている。サーミスタ素体４の両面には銀−パラジウム−白金系の導電ペーストを印刷、焼成することにより形成した電極５が設けられている。両方の電極５には前記導電ペーストで電気的、機械的に接続された直径０．１５ｍｍの白金線からなるリード線６が接続されている。
【００３６】
サーミスタ素体４の外表面全体には、電極５やリード線６の一部を含むように低融点のガラス層７が形成されている。これは焼成温度が５５０℃のガラス粉を有機溶剤とともにペースト化したものを塗布することによって形成した。これにより、サーミスタ素体４は全体がガラス層７に内包される。
【００３７】
このようにしてサーミスタ８を３個作製する。これらのサーミスタ８は、それぞれ図３に示すように、台座９に固定されたピン１０にリード線６を抵抗溶接（図中×印で示した）することにより電気的、機械的に接続され、それぞれ高発熱検出素子１、低発熱検出素子２および温度検出手段３として使用する。
【００３８】
なお、高発熱検出素子１、低発熱検出素子２および温度検出手段３は回路基板１５上にそれぞれのピン１０の一端が挿入され半田付けにより電気的、機械的に接続され、外周が六角形状の容器１６に収納される。また、温度検出手段３は高発熱検出素子１と低発熱検出素子２の間に配置する構成であり、ガス検出器の起動時における高発熱検出素子１および低発熱検出素子２の周囲のガス温度上昇を温度検出手段３により正確に検知することができるため、ガス検出器の高速起動が可能となる。
【００３９】
ガス導入口１７には焼結金属製のフィルター１８がはめ込まれている。これは外周が円形の形状であり、容器外部に突出するように配置してある。
【００４０】
なお、被検出ガスに湿気が存在する場合、温度環境によっては容器１６の内部で結露する可能性がある。そこで、ガス検出器のガス導入口１７が大地方向になるように配置することで、結露水が重力によりフィルター１８の外部へ誘導され排水されやすくなる。
【００４１】
容器１６の回路基板１５の上部には、あらかじめ取出しケーブル２３を通した容器フタ２４がはめ込まれ、容器１６をかしめて固定される。さらに、耐湿樹脂２５を容器フタ２４に設けた注入口（図示せず）から回路基板１５と容器フタ２４の間の空間全体に注入し、硬化させた構成となっている。
【００４２】
このようにして完成したガス検出器は、容器１６の外周の一部に設けたネジ部２６でガス濃度を検出したい部位に固定される。なお、配管中のガス濃度を検出する場合は、図４に示すように配管の一部にガス検出器の取付部２８を設け、ここにネジ部２６をねじ込むことによってガス検出器を固定する。このようにすることで配管２７の本流から離れた上方にガス導入口１７を配することができ、本流のガス流速の影響を低減することができる。
【００４３】
次に、ガス検出器の取り付け例について図５および図６を用いて説明する。
【００４４】
図５は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を燃料電池システムに取り付けた際の概略ブロック図である。図６は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を用いた燃料電池自動車の概略構造図である。
【００４５】
まず、燃料電池システムについて固体高分子型を例に説明する。図５において、５１は水素タンクである。水素タンク５１内の水素は遮断弁５２を通って水素加湿器５３に導入される。ここで燃料電池内の固体高分子膜が乾燥するのを防ぐための湿気が与えられる。加湿された水素は燃料電池スタック５４の水素極側に導入される。
【００４６】
一方、燃料電池スタック５４には発電に必要な空気もコンプレッサ５５により空気加湿器５６で加湿されて空気極側に導入される。これにより燃料電池スタック５４は発電を行い、太線で示したように燃料電池制御回路５７を経て外部に電力を供給する。また、燃料電池スタック５４からは発電の結果、生成した水が空気と一緒に外部へ排出される。
【００４７】
このような燃料電池システムは全体が筐体５８に収納されている。筐体５８内には、図５の中に黒丸で示したように、水素タンク５１の近傍、燃料電池スタック５４の近傍、燃料電池スタック５４の空気極側出口配管の一部などに水素漏洩を検知するためのガス検出器が配置される。これによりいずれかのガス検出器が水素漏洩を検知すれば、燃料電池制御回路５７は遮断弁５２を閉じ警報器５９と換気扇６０を動作させ燃料電池を停止するように制御する。なお、具体的な制御動作についてはフローチャートを用いて後述する。
【００４８】
次に、燃料電池自動車について説明する。図６において、自動車の本体１０１は乗車空間１０２と、水素タンク収納空間１０３と、駆動手段収納空間１０４と、床下空間１０５がそれぞれ空間として分離された状態で形成されている。水素タンク収納空間１０３には水素を貯蔵するタンク１０６が設けられている。タンク１０６は、特に衝突時における水素漏洩に対する安全性を確保するために、外側タンク１０７と内側タンク１０８からなる二重構造となっており、内側タンク１０８内に水素が貯蔵されている。また、駆動手段収納空間１０４には本体１０１を駆動するためのモーター１０９が設けられている。床下空間１０５には燃料電池スタック１１０が設けられている。
【００４９】
タンク１０６から供給された水素は床下空間１０５に設けられた燃料電池スタック１１０で電気エネルギーに変換され、その電気エネルギーがモーター１０９に伝達されてタイヤ１１１を駆動するようになっている。１１２はハンドルを示している。
【００５０】
このような自動車において、それぞれの空間にはガス検出器１１３が設けられている。具体的には、乗車空間１０２に設けたガス検出器１１３は乗車空間１０２の中で最も上部にあたる天井前部に、水素タンク収納空間１０３に設けたガス検出器１１３はタンク１０６が二重構造であるため外側タンク１０７の最上部に、駆動手段格納空間１０４に設けたガス検出器１１３は駆動手段格納空間１０４の中で最も上部にあたるボンネット後端部に、床下空間１０５に設けたガス検出器１１３は床下空間１０５の最上部にそれぞれ取付けられている。さらに図示していないが、図６と同様に燃料電池スタック１１０の空気極側出口配管の一部にもガス検出器を取付けている。
【００５１】
これらのガス検出器１１３のうちのいずれかが水素漏洩を検知すると、図６で説明したように水素供給源を遮断し、警報および換気を行う。それに加えて、乗車空間１０２内に設けたガス検出器１１３は湿度や温度も検知できるため、通常は乗車空間１０２の内部が最適な温湿度になるように乗車空間１０２の一部に設けたエアコンを制御している。なお、具体的な制御動作についてはフローチャートを用いて後述する。
【００５２】
なお、以上に述べたガス検出器は、燃料電池システムと自動車のいずれに取付けられる場合でもガス導入口１７が大地方向になるように配置してある。これにより軽い水素が漏れた場合、素早くガス検出器に導入されるだけでなく、周囲温度によりガス検出器内に結露水が発生した場合でも、前述のようにガス導入口１７に設けたフィルター１８を通して大地方向に排出されガス検出器内部に残存しないようにすることができる。
【００５３】
次に、ガス検出器の動作について説明する。
【００５４】
図７は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の概略回路図である。図８は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の乾燥空気下での水素濃度出力特性図であり、図８（ａ）は高発熱検出素子１の両端電圧値を、図８（ｂ）は低発熱検出素子２の両端電圧値をそれぞれ示す。図９は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の湿度出力特性であり、図中の（ａ）は高発熱検出素子１の補正後の出力を、（ｂ）は低発熱検出素子２の出力を、（ｃ）はこれらから得られたそれぞれの出力の差（絶対湿度出力）を示している。図１０は本発明の実施の形態１におけるガス検出器の補正計算後の出力特性図であり、図１０（ａ）は水素濃度出力特性を、図１０（ｂ）は絶対湿度出力特性をそれぞれ示す。
【００５５】
図７において、高発熱検出素子１、低発熱検出素子２および温度検出手段３には、それぞれ直列に固定抵抗２９ａ，２９ｂおよび２９ｃが接続されている。ここで、固定抵抗２９ａには高発熱検出素子１の発熱温度が約１６０℃となるように１２０Ωを、固定抵抗２９ｂには低発熱検出素子２の発熱温度が約１２０℃となるように２５０Ωを、また固定抵抗２９ｃには温度検出手段３が自己発熱しないように１２ｋΩを用いた。回路には直流電源３１が接続され印加電圧は８Ｖとした。
【００５６】
高発熱検出素子１、低発熱検出素子２および温度検出手段３の両端電圧はマイクロコンピュータ３２に入力される。マイクロコンピュータ３２は後述する演算を行い、水素濃度、湿度、温度をそれぞれ出力する。
【００５７】
ガス検出器の近傍または配管内の被検出ガスは、ガス導入口１７に設けたフィルター１８を通って高発熱検出素子１、低発熱検出素子２および温度検出手段３に到る。高発熱検出素子１、低発熱検出素子２は自己発熱しており被検出ガス中に水素や湿気があると、その濃度に応じて被検出ガスの熱伝導度が変わり熱が奪われるため、高発熱検出素子１、低発熱検出素子２の温度が変化する。この変化は高発熱検出素子１、低発熱検出素子２の両端電圧の変化としてマイクロコンピュータ３２に入力される。
【００５８】
一方、温度検出手段３は自己発熱しておらず、温度検出手段３の両端電圧は被検出ガスにより変化することはなく、ガス検出器の内部の温度に応じた電圧を出力し、ガス検出器の内部の温度データとしてマイクロコンピュータ３２に入力される。マイクロコンピュータ３２は上記の電圧値を基に、水素濃度、湿度、温度を演算してそれぞれ出力する。
【００５９】
次に、マイクロコンピュータ３２内で行われる演算手法について説明する。
【００６０】
最初に、ガス検出器の製造時に補正データの作成を以下のように行う。
【００６１】
まず、乾燥空気下における水素濃度変化に対する高発熱検出素子１、低発熱検出素子２および温度検出手段３の両端電圧を計測する。この計測を各種温度条件下で実施する。図８に８０℃の周囲温度条件下における結果を示す。図８（ａ）は横軸に水素濃度を、縦軸に高発熱検出素子１の両端電圧を示す。図より、高発熱検出素子１の両端電圧は水素濃度に比例して大きくなることがわかる。同様に、図８（ｂ）は低発熱検出素子２の両端電圧を計測したもので、低発熱検出素子２の両端電圧も水素濃度に比例して大きくなる。また、温度検出手段３の両端電圧は被検出ガスの状態によらないので周囲温度を表すことになるため、この温度検出手段３の両端電圧値と高発熱検出素子１の両端電圧および低発熱検出素子２の両端電圧の関係を求め水素濃度０％時の周囲温度による変動および水素濃度に対する感度の温度補正のデータをそれぞれ作成する。
【００６２】
次に、空気中で湿度を変化させた時の高発熱検出素子１の両端電圧および低発熱検出素子２の両端電圧を計測する。図９に８０℃の周囲温度条件下における結果を示す。横軸に絶対湿度を示しており、図中の（ａ）は高発熱検出素子１の両端電圧を上記図８で説明した水素に関する温度補正の考えに基づいて補正した出力、つまり水素検出精度に対する誤差（以下、湿度オフセットと呼ぶ）を示す。同様に、図９中の（ｂ）に低発熱検出素子２の両端電圧を補正して得られた湿度オフセットを示す。また、図９中の（ｃ）にこれらの得られた高発熱検出素子１の湿度オフセットから低発熱検出素子２の湿度オフセットを差し引いた値（絶対湿度）を示している。図９より同一の絶対湿度条件下にかかわらず、高発熱検出素子１の湿度オフセットおよび低発熱検出素子２の湿度オフセットに違いが生じる。これは湿気が存在する場合、発熱温度が違うそれぞれの検出素子の近傍での水蒸気の熱伝導率に差が発生し、結果として検出素子の熱伝導特性に違いが現れるためと考えられる。
【００６３】
この高発熱検出素子１の湿度オフセットから低発熱検出素子２の湿度オフセットを差し引いた値（以後、絶対湿度出力と呼ぶ）は、図９より絶対湿度に比例することがわかる。
【００６４】
したがって、この絶対湿度出力を得ることによって、湿度オフセットを補正できるとともに、絶対湿度さらには温度検出手段３から得られる周囲温度の状態から相対湿度の算出も可能となる。
【００６５】
これらの現象を基に、高発熱検出素子１の湿度オフセットおよび低発熱検出素子２の湿度オフセットの差より得られる絶対湿度出力と湿度オフセットの関係を求め水素濃度検出に対する湿度補正のデータおよび絶対湿度出力データを作成する。
【００６６】
以上の水素濃度検出に関する温度補正、絶対湿度出力および水素濃度検出に関する湿度補正の計算手法はマイクロコンピュータ３２にプログラムされており、ガス検出器の動作時に得られる高発熱検出素子１、低発熱検出素子２および温度検出手段３の両端電圧が入力されると、上記計算を行い水素濃度、湿度を出力するようになっている。
【００６７】
上記ガス検出器を実際に動作させた時の出力例について図１０を用いて説明する。
【００６８】
実験方法として８０℃の周囲温度環境下において、絶対湿度が約４０ｇ／ｍ３の空気に水素ガスを０％→０．４％→０．８％→１．６％→０．８％→０．４％→０％の順に切り替えて流したときのガス検出器のマイクロコンピュータ３２で演算後の出力を計測した。
【００６９】
まず、水素濃度出力結果を図１０（ａ）に示す。横軸は測定の経過時間（秒）で６００秒毎に水素濃度を切り替えている。縦軸は高発熱検出素子１、低発熱検出素子２および温度検出手段３の両端電圧から上記の計算手法に基づいて計算した水素濃度計算値（％）である。図よりガス切り替えにより極めて応答性よく水素濃度が変化しており、精度も良好であることが確認された。
【００７０】
次に、湿度出力結果を図１０（ｂ）に示す。横軸は図１０（ａ）と同様に測定の経過時間（秒）であり、前述の水素濃度計測と同様のタイミングで水素ガス濃度を切り替えている。また、縦軸は水素濃度相当の絶対湿度出力である。図１０（ａ）に示したように測定中に水素濃度が大きく変わっているにもかかわらず、絶対湿度出力は変動がなく、水素濃度に影響されずに精度よく絶対湿度のみを出力することが確認された。また、ガス検出器の近傍に設けた湿度計測器で測定した被検出ガスの絶対湿度と同様の結果も得られ、後述するように自動車の乗車空間内のエアコン制御等に用いる場合は十分な精度が得られることも確認された。
【００７１】
以上の結果より、本実施の形態１のガス検出器は水素濃度と湿度を独立して高精度に検出できることが明確化された。
【００７２】
なお、高発熱検出素子１および低発熱検出素子２に直列に接続された固定抵抗２９ａおよび２９ｂの抵抗値をそれぞれ１２０Ωおよび１５０Ωとして高発熱検出素子１の発熱温度を約１６０℃、低発熱検出素子２の発熱温度を約１５０℃となるようにして、前述と同様の水素および湿度検出の評価を実施したが、絶対湿度出力値の精度は低下するものの各種補正は可能であった。
【００７３】
次に、本実施の形態１のガス検出器を用いた燃料電池システムおよび自動車のガス検出器出力による制御動作について図１１および図１２を用いて説明する。
【００７４】
図１１は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を用いた燃料電池システムにおけるガス検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャートである。図１２は本発明の実施の形態１におけるガス検出器を用いた自動車におけるガス検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャートである。
【００７５】
まず、燃料電池システムについては燃料電池システム全体の動作を司るソフトウエア（以下、メインルーチンという）の実行中に、一定時間毎割り込みにより水素濃度検出を行う場合を想定して説明する。
【００７６】
図１１は、その際のサブルーチンを示し、このサブルーチンは燃料電池システム動作ソフトウエアの一部に書き込まれている。
【００７７】
メインルーチンへの割り込み発生により図１１のサブルーチンにジャンプしてくると、まずガス検出器の水素濃度出力値を読み込む（Ｓ１）。この際、図５に示すように燃料電池システムには複数個のガス検出器を設けて水素漏洩を監視しているため、全てのガス検出器の出力を順次読み込む。
【００７８】
次に、いずれかのガス検出器の水素濃度出力が既定値（例えば２％）を超えたか否かを順次判定する（Ｓ２）。例えば、いずれのガス検出器の出力も既定値を超えていない場合、そのままメインルーチンに復帰する（Ｓ２のｎｏ）。逆に、既定値以上の出力が１つでもある場合（Ｓ２のｙｅｓ）には直ちに燃料電池を停止するように制御する。
【００７９】
具体的には、まず燃料供給側の遮断弁５２を閉じ（Ｓ３）、筐体５８内に漏れた水素を大気に開放するために換気扇６０を駆動する（Ｓ４）とともに、水素漏洩の事実を知らせるために警報器５９を起動する（Ｓ５）。その後、水素漏れフラグをＯＮにして（Ｓ６）メインルーチンに復帰する。メインルーチンでは水素漏れフラグにより燃料電池を安全に停止するようシステムを制御する。
【００８０】
次に、自動車について説明する。この場合も燃料電池システムと同様に、メインルーチン実行中に一定時間毎割り込みにより水素濃度、湿度、温度検出を行う場合を想定して説明する。図１２はその際のサブルーチンを示す。
【００８１】
メインルーチンの割り込み発生により図１２のサブルーチンにジャンプしてくると、まず各ガス検出器の水素濃度出力値を読み込む（Ｓ７）。さらに、乗車空間１０２内に設けたガス検出器については、同時に湿度、温度出力を読み込み（Ｓ８）、湿度、温度をメインルーチンが参照する記憶領域に保存する（Ｓ９）。
【００８２】
次に、いずれかのガス検出器の水素濃度出力が既定値（例えば２％）を超えたか否かを順次判定する（Ｓ１０）。例えば、いずれのガス検出器の出力も既定値を超えていない場合、そのままメインルーチンに復帰する（Ｓ１０のｎｏ）。メインルーチンでは記憶領域に保存された乗車空間１０２内の現在の湿度、温度データをエアコン制御ソフトウエアに渡す。エアコン制御ソフトウエアは受け取った湿度、温度データを基に、乗車空間１０２内がユーザーの設定値を基準とした最適な温湿度になるようにエアコンを制御する。
【００８３】
また、既定値以上の水素濃度出力が１つでも確認された場合（Ｓ１０のｙｅｓ）、直ちに燃料電池を停止するように制御する。具体的には、まず燃料供給側の遮断弁を閉じ（Ｓ１１）、乗車空間１０２内に漏れた水素を大気に放出するためにエアコンを外気導入にするとともに最大風量で駆動し（Ｓ１２）、水素漏洩の事実を運転手に知らせるために警報器を起動する（Ｓ１３）。その後、水素漏れフラグをＯＮにして（Ｓ１４）メインルーチンに復帰する。メインルーチンでは水素漏れフラグにより燃料電池を安全に停止するようシステムを制御する。
【００８４】
以上の制御動作を行うことにより、燃料電池システムや自動車から水素が漏洩しても安全に停止することが可能となり、さらには自動車の乗車空間のエアコン制御も同時に実現できる。
【００８５】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項１１〜１４に記載の発明について説明する。
【００８６】
図１３（ａ）は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の概略断面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の点線部（Ａ−Ａ）での断面図をそれぞれ示す。
【００８７】
なお、実施の形態１と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しその説明を省略する。
【００８８】
図１３において、実施の形態１と相違する点は、温度検出手段の構成として温度検出素子を乾燥空気中の無孔ケース内に封止した点である。以下詳細を述べる。
【００８９】
図１３において１２は温度検出素子であり、この素子には実施の形態１と同様にサーミスタを用いており、その構造は図２に示している。
【００９０】
温度検出手段の構成は、図１３に示すように、高発熱検出素子１や低発熱検出素子２と同様の構成の温度検出素子１２を乾燥空気中においてケース１１で被い、ケース１１と台座９とをプロジェクション溶接により接合し封止した構成であり、これにより温度検出素子１２の両端電圧は被検出ガスにより変化することはなく、ガス検出器内部の温度に応じた電圧を出力し、かつ温度検出素子１２は検出器の起動時における両検出素子の温度上昇と同様の温度上昇をするため正確な温度補正ができ、結果としてガス検出器の高速起動が可能となる。
【００９１】
次に、本実施の形態２のガス検出器の動作について説明する。
【００９２】
図１４は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の概略回路図である。図１５は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の湿度出力特性であり、（ａ）は高発熱検出素子１の両端電圧値を、（ｂ）は低発熱検出素子２の両端電圧値を、（ｃ）はこれらから得られたそれぞれの両端電圧値を、温度補正の考え方に基づき補正した場合の絶対湿度による水素検出精度への誤差（絶対湿度出力）を示す。図１６は本発明の実施の形態２におけるガス検出器の補正計算後の出力特性図であり、図１６（ａ）は水素濃度特性を、図１６（ｂ）は絶対湿度出力特性をそれぞれ示す。
【００９３】
図１４において、温度検出素子１２には直列に固定抵抗２９ｄが接続されている。ここで、固定抵抗２９ｄには、温度検出素子１２の発熱温度が約１４０℃となるように１８０Ωのものを用いた。また、直流電源３１の印加電圧は８Ｖとした。
【００９４】
高発熱検出素子１、低発熱検出素子２は自己発熱しており、被検出ガス中に水素や湿気があると、その濃度に応じてそれらの両端電圧が変化する。また、温度検出素子１２はケース１１で乾燥空気中に封止されているために、その両端電圧は被検出ガスにより変化することはなく、ガス検出器内部の温度に応じた電圧を出力する。この温度検出素子１２の両端電圧値と高発熱検出素子１の両端電圧および低発熱検出素子２の両端電圧の関係から、水素濃度０％時の周囲温度による変動および水素濃度に対する感度の温度補正をすることが可能となる。マイクロコンピュータ３２はこれらの電圧値を基に、水素濃度、湿度、温度を演算してそれぞれ出力する。
【００９５】
マイクロコンピュータ３２内で行われる演算手法については実施の形態１と同様であるため省略する。
【００９６】
図１５に周囲温度８０℃における空気中で湿度を変化させた場合の計測結果を示す。横軸は絶対湿度を示しており、（ａ）は高発熱検出素子１の温度検出素子１２による補正後の出力、（ｂ）に低発熱検出素子２の温度検出素子１２による補正後の出力および（ｃ）は絶対湿度出力を示している。図１５より同一の絶対湿度条件下にかかわらず、補正後の高発熱検出素子１の出力および低発熱検出素子２の出力に違いが生じ、この高発熱検出素子１の補正後出力から低発熱検出素子２の補正後出力を差し引いた値は、実施の形態１と同様に絶対湿度に比例し絶対湿度出力として使用できる。
【００９７】
したがって、この絶対湿度出力を得ることによって湿度オフセットを補正できるとともに、絶対湿度の算出が可能となる。
【００９８】
本実施の形態２によるガス検出器の出力例を図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示す。実験方法は実施の形態１と同様である。
【００９９】
図１６（ａ）に水素濃度出力結果を示す。横軸は測定の経過時間（秒）で、縦軸は高発熱検出素子１、低発熱検出素子２および温度検出素子１２の両端電圧から補正手法に基づいて計算した水素濃度計算値（％）である。図より、ガス切り替えにより極めて応答性よく水素濃度が変化しており、精度も良好であることがわかった。
【０１００】
図１６（ｂ）に湿度出力結果を示す。横軸は図１６（ａ）と同じく測定の経過時間（秒）であり前述の水素濃度計測と同様のタイミングで水素ガス濃度を切り替えている。また、縦軸は絶対湿度出力であり、測定中に水素濃度が大きく変わっているにもかかわらず、湿度出力計算値は変動がなく水素濃度に影響されずに精度よく湿度を出力し続けられることが確認された。
【０１０１】
以上の結果から、本実施の形態２のガス検出器も実施の形態１と同様に水素濃度と湿度を独立して精度よく検出できることが明確化された。
【０１０２】
【発明の効果】
以上のように本発明は自己発熱温度を違えた温度により抵抗値が変化する抵抗体からなる高発熱検出素子および低発熱検出素子と、これら２つの検出素子の近傍に設けた温度検出手段を有し、前記高発熱検出素子および低発熱検出素子が水素濃度および湿度に応じて変化する抵抗値と温度検出手段で求めた温度を電気的信号に変換し、前記２つの検出素子と温度検出手段にガス導入口を通して導入されたガス中の水素濃度および湿度を電気的に換算して出力するものであるので、湿気があった場合、発熱温度が違うそれぞれの検出素子の近傍の水蒸気の熱伝導率に差が発生し、これにより補正計算をすることで、水素濃度と湿度をそれぞれ区別して検出することができるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるガス検出器の概略構造を説明するための断面図
（ｂ）本発明の実施の形態１におけるガス検出器の点線部（Ａ−Ａ）での断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の検出素子および温度検出手段であるサーミスタの概略断面図
【図３】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の検出部の組立方法を説明するための概略斜視図
【図４】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の配管への取り付け方法を説明するための概略断面図
【図５】本発明のガス検出器を燃料電池システムに取り付けた際の形態を説明するための概略ブロック図
【図６】本発明のガス検出器を用いた燃料電池自動車の概略構造を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の回路構成を説明するための概略回路図
【図８】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の乾燥空気下での水素濃度出力特性図
【図９】本発明の実施の形態１におけるガス検出器の湿度出力特性図
【図１０】（ａ），（ｂ）本発明の実施の形態１におけるガス検出器の補正計算後の出力特性図
【図１１】本発明におけるガス検出器を用いた燃料電池システムにおける同検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャート
【図１２】本発明のガス検出器を用いた自動車における同検出器出力による動作制御サブルーチンを表すフローチャート
【図１３】（ａ）本発明の実施の形態２におけるガス検出器の概略構造を説明するための断面図
（ｂ）本発明の実施の形態２におけるガス検出器の点線部（Ａ−Ａ）での断面図
【図１４】本発明の実施の形態２におけるガス検出器の回路構成を説明するための概略回路図
【図１５】本発明の実施の形態２におけるガス検出器の湿度出力特性図
【図１６】（ａ），（ｂ）本発明の実施の形態２におけるガス検出器の補正計算後の出力特性図
【符号の説明】
１　高発熱検出素子
２　低発熱検出素子
３　温度検出手段
４　サーミスタ素体
５　電極
６　リード線
７　ガラス層
８　サーミスタ
９　台座
１０　ピン
１１　ケース
１２　温度検出素子
１５　回路基板
１６　容器
１７　ガス導入口
１８　フィルター
２３　取出しケーブル
２４　容器フタ
２５　耐湿樹脂
２６　ネジ部
２７　配管
２８　取付部
２９ａ　固定抵抗
２９ｂ　固定抵抗
２９ｃ　固定抵抗
２９ｄ　固定抵抗
３１　直流電源
３２　マイクロコンピュータ
５１　水素タンク
５２　遮断弁
５３　水素加湿器
５４，１１０　燃料電池スタック
５５　コンプレッサ
５６　空気加湿器
５７　燃料電池制御回路
５８　筐体
５９　警報器
６０　換気扇
１０１　本体
１０２　乗車空間
１０３　水素タンク収納空間
１０４　駆動手段収納空間
１０５　床下空間
１０６　タンク
１０７　外側タンク
１０８　内側タンク
１０９　モーター
１１１　タイヤ
１１２　ハンドル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2004028716.tif 000016
【図１５】
2004028716.tif 000017
【図１６】
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