(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出ガスが流通する配管に設けられ、前記被検出ガスが流入可能なガス圧検出室に臨むダイアフラム、および、該ダイアフラムの歪みを検出する歪みゲージ、および、少なくとも前記ガス圧検出室内または前記ダイアフラムを加熱するヒータを有する圧力センサと、
前記ガス圧検出室内または前記ヒータに設けられた温度センサと、
前記ガス圧検出室内または前記被検出ガスの流通方向において前記圧力センサよりも上流側に設けられた湿度センサと、
前記圧力センサおよび前記温度センサおよび前記湿度センサと、電源とに接続され、前記電源から前記圧力センサへの電力供給を制御する通電制御器とを備えるヒータ内蔵型圧力センサの制御装置であって、
前記通電制御器は、
前記湿度センサにより検出される前記ガス圧検出室内の湿度または前記圧力センサよりも上流側での前記被検出ガスの湿度に基づき、前記ヒータのオンおよびオフを制御すると共に、前記ヒータのオンの状態において、前記温度センサにより検出される前記ガス圧検出室内の温度または前記ヒータの温度に基づき、前記ガス検出室内の温度が所定の目標温度になるようにして、前記ヒータの通電量を制御することを特徴とするヒータ内蔵型圧力センサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータ内蔵型圧力センサの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば絶縁基板であるガラス基板上の固定電極周辺部にヒータを設け、このヒータに微小電力を常時供給し、固定電極周辺部の温度を室温より高く保持して静電容量型圧力センサ内の大気の結露を防止することにより測定誤差と短絡の発生を防止した静電容量型圧力センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−００６７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記従来技術に係る圧力センサにおいては、ヒータに対する通電が常時行われていることから、電力消費が嵩むという問題が生じる。
そして、このような圧力センサにおいては、ヒータでの過剰な電力消費を防止すると共に、例えば結露の解消または結露の発生を抑制するために装置構成が複雑化したり、大型化することを防止することが望まれている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、過剰なエネルギー消費を防止すると共に、装置構成の複雑化および大型化を防止しつつ、圧力センサの破損、劣化、検出精度の低下を防止することが可能なヒータ内蔵型圧力センサの制御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】
【０００４】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係るヒータ内蔵型圧力センサの制御装置は、被検出ガスが流通する配管（例えば、実施の形態での出口側配管１４）に設けられ、前記被検出ガスが流入可能なガス圧検出室（例えば、実施の形態でのガス圧検出室２５）に臨むダイアフラム（例えば、実施の形態でのダイアフラム３１）、および、該ダイアフラムの歪みを検出する歪みゲージ（例えば、実施の形態でのゲージ抵抗３２）、および、少なくとも前記ガス圧検出室内または前記ダイアフラムを加熱するヒータ（例えば、実施の形態でのヒータ３３）を有する圧力センサ（例えば、実施の形態での圧力センサ１５）と、前記ガス圧検出室内または前記ヒータに設けられた温度センサ（例えば、実施の形態での温度センサ３４）と、前記ガス圧検出室内または前記被検出ガスの流通方向において前記圧力センサよりも上流側に設けられた湿度センサ（例えば、実施の形態での湿度センサ３５または上流側状態センサ４１）と、前記圧力センサおよび前記温度センサおよび前記湿度センサと、電源（例えば、実施の形態での蓄電装置４）とに接続され、前記電源から前記圧力センサへの電力供給を制御する通電制御器（例えば、実施の形態での制御器１０）とを備えるヒータ内蔵型圧力センサの制御装置であって、前記通電制御器は、前記湿度センサにより検出される前記ガス圧検出室内の湿度または前記圧力センサよりも上流側での前記被検出ガスの湿度に基づき、前記ヒータのオンおよびオフを制御すると共に、前記ヒータのオンの状態において、前記温度センサにより検出される前記ガス圧検出室内の温度または前記ヒータの温度に基づき、前記ガス圧検出室内の温度が所定の目標温度になるようにして、前記ヒータの通電量を制御する。
【発明の効果】
【０００５】
第１態様に係るヒータ内蔵型圧力センサの制御装置によれば、ヒータのオンおよびオフを湿度センサの検出値、ガス圧検出室内の湿度または圧力センサよりも上流側での被検出ガスの湿度に応じて制御すると共に、ヒータのオンの状態ではガス圧検出室内の温度が所定の目標温度になるようにして、ヒータの通電量を制御することから、ヒータを効率よく起動することができ、消費電力の増大を抑制することができると共に、圧力センサよりも上流側において被検出ガスが飽和含水状態であっても、ガス圧検出室内に流入する被検出ガスの温度上昇に伴って飽和水蒸気圧が高くなり、被検出ガスの相対湿度を低下させることができ、ガス圧検出室内に流入する被検出ガスによって結露が発生してしまうことを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明のヒータ内蔵型圧力センサの制御装置の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施形態によるヒータ内蔵型圧力センサの制御装置１は、例えば図１に示すように、例えば、燃料電池２と、電流制御器３と、蓄電装置４と、負荷５と、Ｓ／Ｃ出力制御器６と、過給機（Ｓ／Ｃ）７と、燃料供給装置８と、出力電流センサ９と、制御器１０とを備えて構成される燃料電池システム１ａにおいて、燃料電池２に接続された各配管１１，１２，１３，１４のうち、酸素極側の出口側配管１４に設けられたヒータ内蔵型圧力センサ（圧力センサ）１５の作動開始および作動停止および作動を制御するものである。
【０００７】
燃料電池２は、例えば燃料電池車両や電動車両等の電源として車両に搭載されており、固体高分子電解質膜を水素極と酸素極で挟持した電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる図示しない燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
燃料電池２の水素極に接続された入口側配管１１には、例えば高圧の水素タンク等を具備する燃料供給装置８から水素ガスを含む燃料ガスが供給され、水素極の触媒電極上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介して酸素極へと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。酸素極に接続された入口側配管１２には、例えば、酸素などの酸化剤ガスあるいは空気が過給機（Ｓ／Ｃ）７から供給され、この酸素極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、水素極側、酸素極側共に出口側配管１３、１４から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。特に、固体高分子電解質型の燃料電池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の多いガスとなって排出される。
【０００８】
ここで、酸素極側の出口側配管１４には、ヒータ内蔵型圧力センサ（圧力センサ）１５が取り付けられ、この圧力センサ１５により酸素極側の出口側配管１４内のオフガスの圧力を確認できるようになっている。
【０００９】
また、過給機７は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池２の酸素極に供給する。
この過給機７を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御器１０から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを具備するＳ／Ｃ出力制御器６によって制御されている。
【００１０】
燃料電池２から取り出される発電電流（出力電流）は電流制御器３に入力されており、この電流制御器３には、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる複数のキャパシタセルが互いに直列に接続されて構成されたキャパシタ等からなる蓄電装置４が接続されている。
そして、燃料電池２および電流制御器３と蓄電装置４は、例えば走行用モータ（図示略）と、例えば燃料電池２や蓄電装置４の冷却装置（図示略）や空調装置（図示略）等の各種補機類からなる負荷５と、Ｓ／Ｃ出力制御器６とに対して並列に接続されている。
【００１１】
この燃料電池システム１ａにおいて制御器１０は、例えば、車両の運転状態や、燃料電池２の水素極に供給される燃料ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池２の水素極から排出されるオフガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池２の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの端子間電圧や、燃料電池２から取り出される出力電流等に基づき、過給機７から燃料電池２へ供給される空気の流量に対する指令値および燃料供給装置８から燃料電池２へ供給される燃料ガスの流量に対する指令値を出力し、燃料電池２の発電状態を制御する。
このため、制御器１０には、燃料電池２から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ９から出力される検出信号が入力されている。
さらに、制御器１０は、燃料電池２に対する発電指令（ＦＣ出力指令値）に基づき、電流制御器３により燃料電池２から取り出される出力電流の電流値を制御する。
【００１２】
例えば図２に示すように、圧力センサ１５は、フランジ部２２を有するケース２１を備え、フランジ部２２にはボルト２３が挿入されて、出口側配管１４の取付座１４ａに締め付け固定されるようになっている。
【００１３】
ケース２１の厚さ方向の端面（例えば、下面）には、筒状部２４が設けられ、この筒状部２４は出口側配管１４の貫通孔１４ｂに外側から挿入されている。
筒状部２４の内部はガス圧検出室２５として形成され、ガス圧検出室２５は出口側配管１４内に連通している。
また、筒状部２４の外周面２５Ａにはシール材２６が装着され、出口側配管１４の貫通孔１４ｂの内周壁に密接して気密性を確保している。
【００１４】
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、例えば図３に示すように、ガス圧検出室２５内に臨むダイアフラム３１の表面上に配置されたゲージ抵抗３２および平板状のヒータ３３が回路基板３０に接続されている。
【００１５】
ヒータ３３は、例えばチタン酸バリウム等からなるＰＴＣ（positive temperature coefficient）サーミスタであって、このＰＴＣサーミスタを構成するチタン酸バリウムを主成分とする半導体セラミックの材料組成により、任意にキュリー温度を設定することができ、このキュリー温度から電気抵抗が急激に増大するという性質を利用して、ヒータ３３を定温発熱体とすることができる。
つまりＰＴＣサーミスタは、ＰＴＣ素子に電圧が印加されるとジュール熱により自己発熱し、ＰＴＣ素子の温度がキュリー温度を超えると、ＰＴＣ素子の抵抗値は対数的に増大する。これにより、ＰＴＣ素子に通電される電流が減少し、電力の増大が抑制されることから、発熱温度が低下する。そして、ＰＴＣ素子の抵抗値が低下すると、ＰＴＣ素子に通電される電流が増大し、再度、電力が増大することから、発熱温度が増大する。この一連の動作が繰り返されることで、ＰＴＣサーミスタは、自己制御機能を有する定温発熱体として機能する。
【００１６】
また、ガス圧検出室２５の内部側面２５Ａ上には、ガス圧検出室２５内の温度を検出する温度センサ３４と、ガス圧検出室２５内の湿度を検出する湿度センサ３５とが配置され、各センサ３４，３５はケース２１内の回路基板３０に接続されている。
【００１７】
例えば図２に示すように、圧力センサ１５が取り付けられた酸素極側の出口側配管１４において、検査対象ガスの流通方向で圧力センサ１５の取付部位に隣接した上流側の位置で被検出ガスの温度および湿度、つまり圧力センサ１５の上流側のガス温度およびガス湿度を検出する上流側状態センサ４１が取り付けられている。
上流側状態センサ４１は出口側配管１４に形成された貫通孔１４ｃに基部４２が挿通固定され、先端の検出部４３が出口側配管１４内に挿入されるものである。なお、上流側状態センサ４１の基部４２の外周壁にはシール材４４が取り付けられ、上流側状態センサ４１と貫通孔１４ｃとの間のシール性を確保している。
【００１８】
制御器１０は、出口側配管１４に取り付けられた上流側状態センサ４１と、圧力センサ１５内部に設けられたゲージ抵抗３２および温度センサ３４および湿度センサ３５とに接続されると共に、圧力センサ１５のヒータ３３に接続されている。
そして、制御器１０は、例えば燃料電池２の運転状態等に応じて、圧力センサ１５およびヒータ３３の作動状態、例えば作動開始（つまり、ヒータ３３への通電の開始）および作動停止（つまり、ヒータ３３への通電の停止）の各タイミングや、例えば蓄電装置４からヒータ３３に対する通電状態等を制御する。
【００１９】
例えば制御器１０は、湿度センサ３５から出力されるガス圧検出室２５内の湿度または上流側状態センサ４１から出力される圧力センサ１５の上流側のガス湿度に応じてヒータ３３への通電の開始および停止を制御すると共に、ヒータ３３への通電の実行時においては、温度センサ３４の検出温度に基づいてヒータ３３への通電量を制御する。
例えば制御器１０は、湿度センサ３５または上流側状態センサ４１から出力される湿度検出値が所定のヒステリシスを有する閾湿度ＨＹ（Ｌ／Ｈ）以上であるか否かの判定結果に応じてヒータ３３への通電の開始および停止を制御する。また、例えば燃料電池２の運転時等におけるヒータ３３への通電の実行時には、温度センサ３４から出力される温度検出値が所定のヒステリシスを有する閾温度ＴＥ（Ｌ／Ｈ）に応じた所定温度範囲内の値となるようにして、ヒータ３３の通電量を制御する。このとき、制御器１０は、例えばヒータ３３へ通電される電流値に対するフィードバック制御や、例えばスイッチング素子のオン／オフ動作等に基づくチョッパ制御（つまり、通電のオン／オフの切替制御）等によってヒータ３３の通電量を制御する。
【００２０】
この実施の形態によるヒータ内蔵型圧力センサの制御装置１は上記構成を備えており、次に、このヒータ内蔵型圧力センサの制御装置１の動作、特に、ヒータ３３への通電の開始および停止と、ヒータ３３への通電の実行時における通電量とを制御する動作について説明する。
【００２１】
先ず、例えば図４に示すステップＳ０１においては、湿度センサ３５から出力される湿度検出値、つまりガス圧検出室２５内の湿度が所定のヒステリシスを有する閾湿度ＨＹ（Ｌ／Ｈ）以上であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合、つまり湿度検出値が所定のロー側閾湿度ＨＹ（Ｌ）未満である場合には、後述するステップＳ０９に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、つまり湿度検出値が所定のハイ側閾湿度ＨＹ（Ｈ）以上である場合には、ステップＳ０２に進む。
【００２２】
そして、ステップＳ０２においては、ヒータ３３への通電の停止状態であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０４に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０３に進む。
【００２３】
そして、ステップＳ０３においては、ヒータ３３への通電を開始する。
そして、ステップＳ０４においては、温度センサ３４から出力される温度検出値、つまりガス圧検出室２５内の温度が所定のヒステリシスを有する閾温度ＴＥ（Ｌ／Ｈ）のハイ側閾温度ＴＥ（Ｈ）（例えば、０℃以上かつ５℃以下の適宜の値であって、５℃等）よりも高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０６に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０５に進む。
そして、ステップＳ０５においては、ヒータ３３への通電電流を減少させ、一連の処理を終了する。これにより、ガス圧検出室２５内の温度を低下させることで所望の温度範囲内の目標温度を確保し、過剰な電力の消費を防止している。
【００２４】
また、ステップＳ０６においては、温度検出値が所定のヒステリシスを有する閾温度ＴＥ（Ｌ／Ｈ）のロー側閾温度ＴＥ（Ｌ）（例えば、０℃以上かつ５℃以下の適宜の値であって、０℃等）よりも小さいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０８に進む。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０７に進む。
そして、ステップＳ０７においては、ヒータ３３への通電電流を増大させ、一連の処理を終了する。これにより、ガス圧検出室２５内の温度を上昇させることで所望の温度範囲内の目標温度を確保し、圧力センサ１５における結露発生の防止をより確実なものとしている。
また、ステップＳ０８においては、この時点でのヒータ３３への通電電流を維持し、一連の処理を終了する。
【００２５】
また、ステップＳ０９においては、ヒータ３３への通電の停止状態であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１０に進む。
そして、ステップＳ１０においては、ヒータ３３への通電を停止し、一連の処理を終了する。
【００２６】
上述したように、本実施の形態によるヒータ内蔵型圧力センサの制御装置１によれば、ヒータ３３での過剰なエネルギー消費を防止すると共に、例えばガス圧検出室２５内を乾燥させるための専用のガスを供給する装置を備えることで装置構成が複雑化かつ大型化してしまうことを防止しつつ、ダイアフラム３１での結露の発生、さらには、燃料電池システム１ａの停止後におけるダイアフラム３１での凝結水の凍結に起因する圧力センサ１５の破損、劣化、検出精度の低下を防止することができる。
つまり、ガス圧検出室２５内に臨むダイアフラム３１に設けられたヒータ３３のオンおよびオフを、ガス圧検出室２５内の湿度に応じて制御することから、ヒータ３３が過剰な頻度で不必要に起動されてしまうことを防止し、ダイアフラム３１およびガス圧検出室２５内を適切に乾燥させることができる。
そして、ヒータ３３のオンの状態ではガス圧検出室２５内の温度が所定のヒステリシスを有する閾温度ＴＥ（Ｌ／Ｈ）に応じた所定範囲内の値となるようにして、ヒータ３３の通電量を制御することから、ガス圧検出室２５内に流入する被検出ガスによって新たに結露が発生してしまうことを防止することができる。
【００２７】
なお、上述した実施の形態においては、ステップＳ０１において、湿度センサ３５から出力される湿度検出値、つまりガス圧検出室２５内の湿度が所定のヒステリシスを有する閾湿度ＨＹ（Ｌ／Ｈ）以上であるか否かを判定するとしたが、これに限定されず、上流側状態センサ４１から出力される湿度検出値、つまり圧力センサ１５よりも上流側での被検出ガスの湿度が所定のヒステリシスを有する閾湿度ＨＹ（Ｌ／Ｈ）以上であるか否かを判定してもよい。
この場合には、燃料電池２から排出され出口側配管１４内を流通する酸素極側のオフガスのうち圧力センサ１５のガス圧検出室２５内に至ってダイアフラム３１に接触するオフガスは、上流側において検出された湿度に応じてヒータ３３により加熱されるため、上流側のオフガスに比較して相対湿度が低下した状態となる。
この結果、ガス圧検出室２５内は露点に対して余裕の有る温度差を有する状態となり、オフガス中の水分がガス圧検出室２５内で凝結するのを防止することができるため、ガス圧検出室２５内において凝結水がダイアフラム３１に接触すること、および、この凝結水が凍結してしまうことを防止することができ、ダイアフラム３１の耐久性を高めることができると共にゲージ抵抗３２による検出精度を高めることができる。
【００２８】
また、上述した実施の形態においては、ステップＳ０４およびステップＳ０６において、温度センサ３４から出力される温度検出値、つまりガス圧検出室２５内の温度と、所定のヒステリシスを有する閾温度ＴＥ（Ｈ／Ｌ）とを比較したが、これに限定されず、例えばヒータ３３に温度センサを備え、この温度センサから出力される温度検出値、つまりヒータ３３の温度あるいはダイアフラム３１の温度と、所定のヒステリシスを有する閾温度ＴＥ（Ｈ／Ｌ）とを比較してもよい。
【００２９】
なお、上述した実施の形態においては、ダイアフラム３１の表面上に平板状のヒータ３３を配置するとしたが、これに限定されず、例えば図５に示す第１変形例のように、ダイアフラム３１の表面上において、ゲージ抵抗３２の周囲を覆うようにして、環状のヒータ３３を配置してもよい。また、例えば図６に示す第２変形例のように、ダイアフラム３１の周面を覆うようにして、円筒状のヒータ３３を配置してもよい。また、例えば図７に示す第３変形例のように、ダイアフラム３１から離間するようにして、回路基板３０上に平板状のヒータ３３を配置してもよい。
【００３０】
なお、上述した実施の形態においては、ヒータ３３をＰＴＣサーミスタとしたが、これに限定されず、例えば焼結体ヒータや、例えば薄い板状のステンレスからなるヒータや、例えばニクロム線等の電気抵抗が大きい線状材からなるヒータ等の他のヒータであってもよいし、例えばダイアフラム３１の表面上での導電性の抵抗体の印刷および焼成により形成され、電気回路の一部の導体パターンをなすヒータであってもよい。
【００３１】
また、制御器１０で実行される制御機能を、回路基板３０に実装されるマイクロコンピュータやＩＣ（図示略）等で実行するようにしてもよい。
また、温度センサ３４により検出されるガス圧検出室２５内の温度および湿度センサ３５により検出されるガス圧検出室２５内の相対湿度に基づき、圧力センサ１５の検知感度の変動を補正してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係るヒータ内蔵型圧力センサの制御装置を具備する燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るヒータ内蔵型圧力センサの制御装置の構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るヒータ内蔵型圧力センサのダイアフラムおよびゲージ抵抗およびヒータの斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るヒータ内蔵型圧力センサの制御装置の動作、特に、ヒータへの通電の開始および停止と、ヒータへの通電の実行時における通電量とを制御する動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態の第１変形例に係るヒータ内蔵型圧力センサのダイアフラムおよびゲージ抵抗およびヒータの斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態の第２変形例に係るヒータ内蔵型圧力センサのダイアフラムおよびゲージ抵抗およびヒータの斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態の第３変形例に係るヒータ内蔵型圧力センサのダイアフラムおよびゲージ抵抗およびヒータの斜視図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  ヒータ内蔵型圧力センサの制御装置
１ａ  燃料電池システム
４  蓄電装置（電源）
１０  制御器（通電制御器）
１４  出口側配管（配管）
１５  圧力センサ
２５  ガス圧検出室
３１  ダイアフラム
３２  ゲージ抵抗（歪みゲージ）
３３  ヒータ
３４  温度センサ
３５  湿度センサ
４１  上流側状態センサ（湿度センサ）
【図１】
0004903116.tif 000002
【図２】
0004903116.tif 000003
【図３】
0004903116.tif 000004
【図４】
0004903116.tif 000005
【図５】
0004903116.tif 000006
【図６】
0004903116.tif 000007
【図７】
0004903116.tif 000008