(57)【要約】【課題】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、ガスセンサの破損、劣化、検出精度の低下を防止する。【解決手段】制御器１０は、ガスセンサ１５への電力供給の開始時刻から、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度（センサ周辺部温度Ｔｓ）が予め設定された目標温度に到達する時刻に亘る期間において、センサ周辺部温度Ｔｓに基づきヒータ３６の動作を制御する第１制御モードと、センサ周辺部温度Ｔｓが目標温度に到達した以後、センサ周辺部温度Ｔｓ、および、温度センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度（上流ガス温度Ｔｇ）に基づき、センサ周辺部温度Ｔｓが上流ガス温度Ｔｇよりも所定温度（例えば、０℃以上かつ５℃以下の所定温度）以上高くなるようにして、ヒータ３６の動作を制御する第２制御モードとを、順次実行する。【選択図】図４
2009092587.tif 000002
【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通可能なガス検出室内を加熱するヒータを有するガスセンサと、
前記ガス検出室内に設けられた第１温度センサと、
前記被検出ガスの流通方向において前記ガスセンサよりも上流側に設けられた第２温度センサと、
前記ガスセンサおよび前記第１温度センサおよび前記第２温度センサと、電源とに接続され、前記電源から前記ガス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ガスセンサの制御装置であって、
前記通電制御器は、
前記ガスセンサへの電力供給の開始時刻から、前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度が予め設定された目標温度に到達する時刻に亘る期間において、前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度に基づき前記ヒータの動作を制御する第１制御モードと、
前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度が前記目標温度に到達した以後、前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度、および、前記第２温度センサにより検出される前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度に基づき、前記ガス検出室内の温度が前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、前記ヒータの動作を制御する第２制御モードとを、順次実行することを特徴とするヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置。
【請求項２】
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通可能なガス検出室内を加熱するヒータを有するガスセンサと、
前記ガス検出室内に設けられた第１温度センサと、
前記被検出ガスの流通方向において前記ガスセンサよりも上流側に設けられた第２温度センサと、
前記ガスセンサおよび前記第１温度センサおよび前記第２温度センサと、電源とに接続され、前記電源から前記ガス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ガスセンサの制御装置であって、
前記通電制御器は、
前記ガスセンサへの電力供給の開始時刻から所定時間が経過するまでの期間に亘って、前記ヒータに対して予め設定された目標温度または目標通電電流に基づき前記ヒータの動作を制御する第１制御モードと、
前記ガスセンサへの電力供給の開始時刻から前記所定時間が経過した以後、前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度、および、前記第２温度センサにより検出される前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度に基づき、前記ガス検出室内の温度が前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、前記ヒータの動作を制御する第２制御モードとを、順次実行することを特徴とするヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池の酸素極側の排出系に水素検出器（ガスセンサ）を備え、この水素検出器によって、燃料極側の水素が固体高分子電解質膜を通じて酸素極側に漏洩しているか否かを検知する制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
上述したような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池においては、固体高分子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）が混合されており、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ため、燃料電池のオフガス、特に酸素極側のオフガスは高湿潤のガスとなっている。
このため、上記従来技術の一例に係る装置においては、燃料電池から排出される高湿潤のオフガスによって、オフガスの流路内に配置されたガスセンサ等に結露が発生する場合があり、この場合には、ガスセンサの劣化や破損等が生じる虞がある。特に、上述した固体高分子膜型燃料電池は、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という問題がある。
【０００３】
このような問題に対して、上記従来技術の一例に係る制御装置においては、被検出ガスが流通する配管内の流通方向においてガスセンサよりも上流側の位置での温度と、ガスセンサのガス検出室内の温度との温度差が所定範囲内の値となるようにして、ガス検出室内を加熱するヒータの通電量を制御することで、ガス検出室内に結露が発生することを抑制している。
【特許文献１】特許第３８３３５５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術に係る制御装置において、単に、ガスセンサよりも上流側での温度とガス検出室内の温度との温度差に応じてヒータの通電量を制御するだけでは、燃料電池およびガスセンサの起動以後においてガス検出室内に新たに結露が発生することは抑制可能であるが、例えば燃料電池およびガスセンサの起動時以前にガス検出室内に既に結露が発生していた場合等において、既に発生している結露を適切に解消することができない虞がある。
そして、このような制御装置においては、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しつつ、新たに結露が発生することを抑制することに加えて、既に発生している結露を適切に解消することで、ガスセンサの劣化や破損等が生じることを防止することが望まれている。
【０００５】
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、ガスセンサの破損、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ガス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】
【０００６】
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ガス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通可能なガス検出室（例えば、実施の形態でのガス検出室２６）内を加熱するヒータ（例えば、実施の形態でのヒータ３６）を有するガスセンサ（例えば、実施の形態でのガスセンサ１５）と、前記ガス検出室内に設けられた第１温度センサ（例えば、実施の形態での状態センサ３７）と、前記被検出ガスの流通方向において前記ガスセンサよりも上流側に設けられた第２温度センサ（例えば、実施の形態での温度センサ４１）と、前記ガスセンサおよび前記第１温度センサおよび前記第２温度センサと、電源（例えば、実施の形態での蓄電装置４）とに接続され、前記電源から前記ガス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ガスセンサの制御装置であって、前記通電制御器は、前記ガスセンサへの電力供給の開始時刻から、前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度が予め設定された目標温度に到達する時刻に亘る期間において、前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度（例えば、実施の形態でのセンサ周辺部温度Ｔｓ）に基づき前記ヒータの動作を制御する第１制御モードと、前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度が前記目標温度に到達した以後、前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度、および、前記第２温度センサにより検出される前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度（例えば、実施の形態での上流ガス温度Ｔｇ）に基づき、前記ガス検出室内の温度が前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、前記ヒータの動作を制御する第２制御モードとを、順次実行する。
【０００７】
また、本発明の第２態様に係るヒータ内蔵型ガス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通可能なガス検出室（例えば、実施の形態でのガス検出室２６）内を加熱するヒータ（例えば、実施の形態でのヒータ３６）を有するガスセンサ（例えば、実施の形態でのガスセンサ１５）と、前記ガス検出室内に設けられた第１温度センサ（例えば、実施の形態での状態センサ３７）と、前記被検出ガスの流通方向において前記ガスセンサよりも上流側に設けられた第２温度センサ（例えば、実施の形態での温度センサ４１）と、前記ガスセンサおよび前記第１温度センサおよび前記第２温度センサと、電源（例えば、実施の形態での蓄電装置４）とに接続され、前記電源から前記ガス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ガスセンサの制御装置であって、前記通電制御器は、前記ガスセンサへの電力供給の開始時刻から所定時間が経過するまでの期間に亘って、前記ヒータに対して予め設定された目標温度または目標通電電流に基づき前記ヒータの動作を制御する第１制御モードと、前記前記ガスセンサへの電力供給の開始時刻から前記所定時間が経過した以後、前記第１温度センサにより検出される前記ガス検出室内の温度（例えば、実施の形態でのセンサ周辺部温度Ｔｓ）、および、前記第２温度センサにより検出される前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度（例えば、実施の形態での上流ガス温度Ｔｇ）に基づき、前記ガス検出室内の温度が前記ガスセンサよりも上流側での前記被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、前記ヒータの動作を制御する第２制御モードとを、順次実行する。
【発明の効果】
【０００８】
第１態様に係るヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置によれば、ガスセンサへの電力供給の開始から、ガス検出室内の温度が予め設定された目標温度（例えば、ガス検出室内にて既に発生している結露を解消するために要する温度等）に到達するまでは、第１温度センサの検出値に応じてヒータの動作を制御することから、ガスセンサの起動時にガス検出室内を適切に乾燥させることができる。そして、ガス検出室内の温度が目標温度に到達した以後には、ガス検出室内の温度がガスセンサよりも上流側での被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、ヒータの動作を制御することから、ガス検出室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。
【０００９】
また、第２態様に係るヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置によれば、ガスセンサへの電力供給の開始から、所定時間（つまり、ガス検出室内にて既に発生している結露を、目標温度または目標通電電流に応じてヒータの動作を制御した状態で解消するために要する時間等）が経過するまでは、予め設定された目標温度（例えば、ガス検出室内にて既に発生している結露を所定時間で解消するために要する温度等）または目標通電電流（例えば、ガス検出室内にて既に発生している結露を所定時間で解消するために要する通電電流等）に応じてヒータの動作を制御することから、ガスセンサの起動時にガス検出室内を適切に乾燥させることができる。そして、ガスセンサへの電力供給の開始から所定時間が経過した以後には、ガス検出室内の温度がガスセンサよりも上流側での被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、ヒータの動作を制御することから、ガス検出室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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明のヒータ内蔵型ガス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ガスセンサの制御装置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ガスセンサ（ガスセンサ）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。
【００１１】
燃料電池２は、例えば燃料電池車両や電動車両等の動力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。
【００１２】
ここで、酸素極側の出口側配管１４には、その鉛直方向上側にガス接触燃焼式のヒータ内蔵型ガスセンサ（ガスセンサ）１５が取り付けられ、このガスセンサ１５により酸素極側の出口側配管１４から水素ガスが排出されていないことを確認できるようになっている。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
例えば図２および図３に示すように、ガスセンサ１５は、出口側配管１４の長手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。フランジ部２２にはカラー２３が設けられ、このカラー２３内にボルト２４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。
【００１７】
ケース２１の厚さ方向の端面（例えば、下面）には、後述するベース部３５を介して、セラミックスにより形成された筒状部２５が設けられ、この筒状部２５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２５の内部はガス検出室２６として形成され、ガス検出室２６の内部側面２６Ａには、内周側に向かってセラミックスからなるフランジ部２７が一体に形成され、フランジ部２７の内周部分がガス導入部２８として開口形成されている。
また、筒状部２５の外周面２５Ａにはシール材２９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。
【００１８】
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、ガス検出室２６内に配置された、例えば１対の検出素子３１および温度補償素子３２は、回路基板３０に接続された通電用の複数のステー３３（支持部材）およびリード線３４により回路基板３０に接続されている。
通電用のステー３３は、例えば銅合金、鉄合金、ニッケル合金等の複合合金材から形成され、ケース２１と筒状部２５との間に配置された略円環板状のベース部３５を貫通し、基端部がケース２１内の回路基板３０に接続されると共に、先端部がガス検出室２６内に突出した状態で、例えばアルミナあるいはガラスエポキシ等の絶縁性材料から平板状に形成されたベース部３５により固定されている。
【００１９】
ガス検出室２６の内部側面２６Ａ上には、例えばチタン酸バリウム等からなるＰＴＣ（positive temperature coefficient）サーミスタ等の平板状のヒータ３６が設けられている。
なお、ヒータ３６は、例えば外形が円形板状とされ、径方向の両端部に通電用の電気端子が設けられている。
また、ヒータ３６を、例えばＰＴＣサーミスタとすることにより、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３６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。
【００２０】
また、ガス検出室２６内での各素子３１，３２周辺の温度および湿度を検出する状態センサ３７がベース部３５により固定され、状態センサ３７はケース２１内の回路基板３０に接続されている。
【００２１】
ガス導入部２８には、ガスセンサ１５の厚さ方向に沿って基端部から先端部に向かい順次、例えば金属またはセラミックからなる網状または多孔質状の防爆構造体３８（例えば、焼結フィルタ）と、例えば樹脂からなる撥水フィルタ３９とが配置されている。そして、防爆構造体３８はヒータ３６に接触しており、ヒータ３６によって直接的に加熱される。
これにより、検査対象ガスは、外部から順次、撥水フィルタ３９と、ヒータ３６によって直接的に加熱された防爆構造体３８とを通過してガス検出室２６内に導入され、検査対象ガスの温度は露点よりも高い温度に保持される。また、検査対象ガスが接触する防爆構造体３８で結露が発生することが防止されると共に、防爆構造体３８に水分が付着した場合であっても、この水分が蒸発するようになっている。
【００２２】
なお、検出素子３１は周知の素子であって、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略球形に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略球形に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ガスが検出素子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。
【００２３】
検出素子３１と温度補償素子３２は回路基板３０に接続され、例えばガス検出室２６内で鉛直方向に同一高さで所定間隔を隔てて一対設けられている。
そして、例えば図２に示すように、ガス検出室２６内には検出素子３１と温度補償素子３２との間に、両素子３１，３２を遮るようにして被検出ガスの流入方向に沿って立てられた状態で板状の熱遮断部材４０が配置されている。この熱遮断部材４０により、検出素子３１と温度補償素子３２との間で互いの発熱に起因する放射による熱伝達が生じることを防止すると共に、ガス検出室２６内に流入する被検出ガスが検出素子３１と温度補償素子３２とに振り分けられるようにして均等に分配される。
【００２４】
例えば図４に示すように、ガスセンサ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ガスセンサ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、つまりガスセンサ１５の上流側のガス温度を検出する温度センサ４１が取り付けられている。
温度センサ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、温度センサ４１の基部４２の外周壁にはシール材４４が取り付けられ、温度センサ４１と貫通孔１４ｃとの間のシール性を確保している。
【００２５】
制御器１０は、出口側配管１４に取り付けられた温度センサ４１と、ガスセンサ１５内部に設けられた状態センサ３７とに接続されると共に、ガスセンサ１５のヒータ３６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、ガスセンサ１５およびヒータ３６の作動状態、例えば作動開始および作動停止の各タイミングや、例えば蓄電装置４から検出素子３１および温度補償素子３２とヒータ３６とに対する通電状態等を制御する。
【００２６】
例えば制御器１０は、状態センサ３７および温度センサ４１の検出温度に基づいてヒータ３６への通電を制御し、例えば燃料電池２の運転時等においては、ガスセンサ１５への電力供給の開始時刻から、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度（例えば、センサ周辺部温度Ｔｓ）が予め設定された目標温度に到達する時刻に亘る期間において、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度に基づきヒータ３６の動作を制御する第１制御モードと、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度が目標温度に到達した以後、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度、および、温度センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度（例えば、上流ガス温度Ｔｇ）に基づき、ガス検出室２６内の温度がガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度よりも所定温度（例えば、０℃以上かつ５℃以下の所定温度）以上高くなるようにして、ヒータ３６の動作を制御する第２制御モードとを、順次実行する。
【００２７】
このとき、制御器１０は、例えばヒータ３６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３６の通電量を制御する。
【００２８】
この実施の形態によるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置１は上記構成を備えており、次に、このヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置１の動作、特に、ガスセンサ１５への電力供給の開始時の動作について説明する。
【００２９】
先ず、例えば図５に示すステップＳ０１においては、ヒータ３６に初期設定ヒータ電流を通電する。
この初期設定ヒータ電流は、例えばイグニッションＯＮ後の燃料電池２の運転開始時等の初期起動時においては所定の初期電流指令とされ、例えば後述するステップＳ０４、ステップＳ０５等においてヒータ３６の通電電流（ヒータ電流）が変化した場合には、この変化に応じて適宜に更新された電流指令とされている。
そして、例えばイグニッションＯＮ後に設定される初期電流指令としては、例えば燃料電池２から排出されるオフガスの温度の推定上限値（例えば、固体高分子膜型燃料電池においては８０℃等）よりもガス検出室２６内の温度が高くなるような値、例えば（センサ周辺部温度Ｔｓ＞上流ガス温度Ｔｇ）となるような値であって、かつ、ガス検出室２６内にて既に発生している結露を解消することが可能な値である。具体的には、例えばセンサ周辺部温度Ｔｓが略１００℃となる値、または、ヒータ３６周辺の温度が略１００℃となる値、あるいは、ヒータ３６の最大許容通電量等である。
【００３０】
そして、ステップＳ０２においては、イグニッションＯＮ後の初期起動か否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０５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。
【００３１】
ステップＳ０３においては、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度、例えばセンサ周辺部温度Ｔｓが所定の目標温度以上か否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ０５に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０４に進む。
なお、この目標温度は、ガス検出室２６内にて既に発生している結露を解消するために要する温度であって、例えば１００℃等である。
そして、ステップＳ０４においては、この時点でのヒータ電流を維持し、上述したステップＳ０３に戻る。
【００３２】
そして、ステップＳ０５においては、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度、例えばセンサ周辺部温度Ｔｓから、温度センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度、例えば上流ガス温度Ｔｇを減算して得た温度差ΔＴ（＝Ｔｓ−Ｔｇ）が所定の下限値ΔＴＬ（例えば、０℃以上かつ５℃以下の適宜の値等）より高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」である場合は、ステップＳ０６に進み、このステップＳ０６においては、ヒータ３６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、ガス検出室２６内のセンサ周辺部温度Ｔｓを上昇させることで温度差ΔＴを増大させて所望の温度差を確保し、ガスセンサ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。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」である場合は、ステップＳ０７に進む。
【００３３】
そして、ステップＳ０７においては、センサ周辺部温度Ｔｓから上流ガス温度Ｔｇを減算して得た温度差ΔＴ（＝Ｔｓ−Ｔｇ）が所定の上限値ΔＴＨ（例えば、１０℃等）よりも小さいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」である場合は、ステップＳ０８に進み、このステップＳ０８においてはヒータ３６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、ガス検出室２６内のセンサ周辺部温度Ｔｓを低下させることで温度差ΔＴを減少させて所望の温度差を確保し、過剰な電力の消費を防止している。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」である場合は、ステップＳ０９に進む。
【００３４】
つまり、上述したステップＳ０５〜ステップＳ０８により、ガスセンサ１５のガス検出室２６内のセンサ周辺部温度Ｔｓと上流ガス温度Ｔｇとの温度差ΔＴが、上限値ΔＴＨと下限値ΔＴＬとの間の所定範囲内に維持される。これにより、例えば図６に示すように、センサ周辺部温度Ｔｓを上流ガス温度Ｔｇよりも高くすると共に、両温度Ｔｓ，Ｔｇ間に所定範囲内（上限値ΔＴＨ＞ΔＴ＞下限値ΔＴＬ）の温度差ΔＴが生ずるようになっている。
そして、ステップＳ０９においては、この時点でのヒータ電流を維持し、一連の処理を終了する。
【００３５】
例えば図７に示すように、燃料電池システム１ａでの発電量（システム発電電流）が増大し、出口側配管１４を流れる検査対象ガスの温度が上昇した場合、例えばヒータ３６の温度を略一定に維持するヒータ温度一定制御を実行する比較例では、ヒータ３６での消費電流が徐々に低下する。一方、本実施形態によるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置１では、検査対象ガスの温度が上昇することに伴い、ヒータ３６での消費電流を増加させ、ガス検出室２６内の温度を適切に上昇させることができる。
しかも、比較例においては、例えば燃料電池システム１ａの低負荷時等のように、ヒータ３６による加熱が不要である場合であっても、過剰な電力が消費されていることに対して、本実施形態によるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置１では、ヒータ３６の作動効率を向上させることができる。
【００３６】
上述したように、本実施の形態によるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置１によれば、ヒータ３６での過剰なエネルギー消費を防止すると共に、例えばガス検出室２６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、結露に起因するガスセンサ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、ガスセンサ１５への電力供給の開始から、ガス検出室２６内の温度（例えば、センサ周辺部温度Ｔｓ）が予め設定された目標温度に到達するまでは、状態センサ３７の検出値に応じてヒータ３６の動作を制御することから、ガスセンサ１５の起動時にガス検出室２６内を適切に乾燥させることができる。
そして、ガス検出室２６内の温度（例えば、センサ周辺部温度Ｔｓ）が目標温度に到達した以後には、ガス検出室２６内の温度がガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度（例えば、上流ガス温度Ｔｇ）よりも所定温度以上高くなるようにして、ヒータ３６の動作を制御することから、ガス検出室２６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。
【００３７】
さらに、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ガスセンサ１５のガス検出室２６内に至ったオフガスは、上流側のオフガスよりも所定範囲の温度差を有するようにヒータ３６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、ガス検出室２６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検出室２６内で凝結するのを防止することができるため、ガス検出室２６内において凝結水が検出素子３１に接触して、検出素子３１が破損したり劣化するのを防止し、検出素子３１の耐久性を高めることができると共に検出精度を高めることができる。
【００３８】
さらに、ヒータ３６により加熱することで、上流ガス温度Ｔｇよりも高くなったガス検出室２６内のオフガスは、制御器１０により、上流ガス温度Ｔｇとの温度差ΔＴが上限値ΔＴＨと下限値ΔＴＬとの間の所定範囲内に設定されているため、例えば、温度差ΔＴが小さ過ぎて（ΔＴ≦ΔＴＬ）、ガスセンサ１５において結露が生じたり、あるいは必要以上に温度差ΔＴが大きくなり（ΔＴ≧ΔＴＨ）、無駄な電力を消費することが防止され、最小限のエネルギーでガスセンサ１５における結露発生を防止することができる。
【００３９】
しかも、ガスセンサ１５の起動時にヒータ３６を作動させ、結露の発生を防止あるいは既に発生している結露を解消した状態でガスセンサ１５を起動させることができ、特に、相対的に湿度が高い燃料電池２のオフガスによるガスセンサ１５の結露を防止しつつ、オフガスに対する検知漏れ等が発生することを防止することができる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、ガスセンサ１５への通電開始時刻から、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度、例えばセンサ周辺部温度Ｔｓが、予め設定された目標温度に到達する時刻に亘る期間において、このセンサ周辺部温度Ｔｓに基づきヒータ３６の動作を制御するとしたが、これに限定されず、例えばガスセンサ１５への通電開始時刻から所定時間（つまり、ガス検出室２６内にて既に発生している結露を、目標温度または目標通電電流に応じてヒータ３６の動作を制御した状態で解消するために要する時間等）が経過するまでは、予め設定された目標温度または目標通電電流に応じてヒータ３６の動作を制御してもよい。
以下に、この変形例に係るヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置１の動作について説明する。
【００４１】
先ず、例えば図８に示すステップＳ１１においては、ヒータ３６に初期設定ヒータ電流を通電する。
この初期設定ヒータ電流は、例えばイグニッションＯＮ後の燃料電池２の運転開始時等の初期起動時においては、所定の目標温度に応じた値、または、所定の目標通電電流とされ、例えば後述するステップＳ０４、ステップＳ０５等においてヒータ３６の通電電流（ヒータ電流）が変化した場合には、この変化に応じて適宜に更新された電流指令とされている。
そして、例えばイグニッションＯＮ後に設定される初期電流指令として、所定の目標温度に応じた値とは、例えばガス検出室２６内の温度を、ガス検出室２６内にて既に発生している結露を解消するための目標温度（例えば、略１００℃等）に到達させるための通電量であって、所定の目標通電電流とは、例えばガス検出室２６内にて既に発生している結露を解消するために要する通電量である。
【００４２】
そして、ステップＳ１２においては、タイマーの計時を開始する。
そして、ステップＳ１３においては、イグニッションＯＮ後の初期起動か否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ１７に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１４に進む。
【００４３】
ステップＳ１４においては、タイマーの計時（タイマー計時）が所定時間以上か否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１５に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１６に進む。
なお、この所定時間は、例えばガス検出室２６内にて既に発生している結露を、目標温度または目標通電電流に応じてヒータ３６の動作を制御した状態で解消するために要する時間等である。
そして、ステップＳ１５においては、この時点でのヒータ電流を維持し、上述したステップＳ１４に戻る。
そして、ステップＳ１６においては、タイマーの計時を停止し、タイマー計時をゼロに初期化する。
【００４４】
そして、ステップＳ１７においては、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度、例えばセンサ周辺部温度Ｔｓから、温度センサ４１により検出されるガスセンサ１５よりも上流側での被検出ガスの温度、例えば上流ガス温度Ｔｇを減算して得た温度差ΔＴ（＝Ｔｓ−Ｔｇ）が所定の下限値ΔＴＬ（例えば、０℃以上かつ５℃以下の適宜の値等）より高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」である場合は、ステップＳ１８に進み、このステップＳ１８においては、ヒータ３６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、ガス検出室２６内のセンサ周辺部温度Ｔｓを上昇させることで温度差ΔＴを増大させて所望の温度差を確保し、ガスセンサ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。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」である場合は、ステップＳ１９に進む。
【００４５】
そして、ステップＳ１９においては、センサ周辺部温度Ｔｓから上流ガス温度Ｔｇを減算して得た温度差ΔＴ（＝Ｔｓ−Ｔｇ）が所定の上限値ΔＴＨ（例えば、１０℃等）よりも小さいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」である場合は、ステップＳ２０に進み、このステップＳ２０においてはヒータ３６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、ガス検出室２６内のセンサ周辺部温度Ｔｓを低下させることで温度差ΔＴを減少させて所望の温度差を確保し、過剰な電力の消費を防止している。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」である場合は、ステップＳ２１に進む。
ステップＳ２１においては、この時点でのヒータ電流を維持し、一連の処理を終了する。
【００４６】
なお、上述した実施の形態においては、平板状のヒータ３６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、例えばベース部３５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。
【００４７】
なお、上述した実施の形態においては、ガスセンサ１５を接触燃焼式のセンサとしたが、これに限定されず、例えば被検出ガスが検出素子表面の酸素と接触離脱した際に生じる素子抵抗値に応じてガス濃度を検出する半導体式等の他の方式によるガスセンサであってもよいし、接触燃焼式および半導体式の両センサからなるガスセンサであってもよい。
【００４８】
なお、上述した実施の形態において、制御器１０は、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度に加えて、例えば状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の相対湿度に基づき、ヒータ３６への通電制御を実行してもよい。
また、制御器１０で実行される制御機能を、回路基板３０に含めるようにしてもよい。即ち、制御器１０で実行される第１および第２制御モードの通電制御を、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、状態センサ３７により検出されるガス検出室２６内の温度および相対湿度に基づき、ガスセンサ１５の検知感度の変動を補正してもよい。
【００４９】
なお、上述した実施の形態において、ガス導入部２８には、ガスセンサ１５の厚さ方向に沿って基端部から先端部に向かい順次、防爆構造体３８と、撥水フィルタ３９とが配置されているとしたが、これに限定されず、例えば基端部から先端部に向かい順次、撥水フィルタ３９と、防爆構造体３８とが配置されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係るヒータ内蔵型ガス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ガスセンサの平面図である。
【図３】図２に示すＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置の構成図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置の動作、特に、ガスセンサへの電力供給の開始時の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態に係るセンサ周辺部温度Ｔｓと上流ガス温度Ｔｇとの温度差ΔＴの変化の一例を示すグラフ図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る実施例と比較例とにおけるシステム発電電流とヒータでの消費電流との対応関係を示すグラフ図である。
【図８】本発明の一実施形態の変形例に係るヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置の動作、特に、ガスセンサへの電力供給の開始時の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
１  ヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置
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  ガスセンサ
２６  ガス検出室
３６  ヒータ
３７  状態センサ（第１温度センサ）
４１  温度センサ（第２温度センサ）
【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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