(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、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検出室内温度検出装置と、ヒータの温度を制御する制御器と、前記ガスセンサの上流側のガス温度を検出する上流ガス温検出装置とを備え、該制御器によって前記ガス検出室内の温度をガスセンサの上流側のガス温度より高く且つ前記ガス検出室内の温度と前記上流側のガス温度の差が予め決められた第１の所定温度より大きく、前記第１の所定温度より大きい予め決められた第２の所定温度より小さく制御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】
前記ガスセンサは、検出素子と温度補償素子を有する接触燃焼式のガスセンサであり、前記ヒータは、前記検出素子と前記温度補償素子との間に、両者を遮るようにして、被検出ガスの流入方向に沿って立てた状態に配置することを特徴とする請求項１に記載のヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置に関し、特に、検出部の検出素子、温度補償素子が結露するのを防止できるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平６−２２３８５０号公報に示されているように、燃料電池のカソード側の出口側配管に水素ガス検知器を設けたものがある。
これは、燃料電池に用いられている固体高分子電解質膜などの電解質膜が部分的に含水量不足となると、電解質膜を通り抜けた水素ガスがカソード側の出口側配管内に混入し、これを検出することでシステムの異常を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば、燃料電池のカソード側のオフガス内にはその性質上多くの水分（例えば生成水、加湿水）が含有しているため、前記水素ガス検知器は水分を含んだガスに晒されることとなる。したがって、水素ガス検知器の劣化を早めたり、検出精度が低下するという問題がある。
そこで、この発明はガスセンサの検出精度の低下を防止することができるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、被検出ガスが流通する配管（例えば、実施形態における出口側配管１４）に、ガス検出室（例えば、実施形態におけるガス検出室２４）内を加熱するヒータ（例えば、実施形態におけるヒータ２７）を有するガスセンサ（例えば、実施形態におけるガスセンサ１５）と、前記ガス検出室内に設けられた検出室内温度検出装置（例えば、実施形態における温度センサ２８）と、ヒータの温度を制御する制御器（例えば、実施形態における制御器３１）と、前記ガスセンサの上流側のガス温度を検出する上流ガス温検出装置（例えば、実施形態における温度センサ３５）とを備え、該制御器によって前記ガス検出室内の温度をガスセンサの上流側のガス温度より高く且つ前記ガス検出室内の温度と前記上流側のガス温度の差（例えば、実施形態におけるΔＴ）が予め決められた第１の所定温度（例えば、実施形態におけるΔＴｍｉｎ）より大きく、前記第１の所定温度より大きい予め決められた第２の所定温度（例えば、実施形態におけるΔＴｍａｘ）より小さく制御することを特徴とする。
このように構成することで、ガス検出室内の温度をガスセンサの上流側のガス温度よりも高くなるようにヒータを制御することで、ガスセンサに導かれたガスの相対湿度を上流側のガスの相対湿度よりも確実に低下させることができる。また、温度の差が小さ過ぎてガスセンサにおいて結露が生じたり、あるいは必要以上に温度の差を持たせて無駄な電力を消費することを防止できる。
【０００５】
請求項２に記載した発明は、前記ガスセンサは、検出素子（例えば、実施形態における検出素子２９）と温度補償素子（例えば、実施形態における温度補償素子３０）を有する接触燃焼式のガスセンサであり、前記ヒータは、前記検出素子と前記温度補償素子との間に、両者を遮るようにして、被検出ガスの流入方向に沿って立てた状態に配置することを特徴とする。
このように構成することで、ヒータは放熱面を検出素子と温度補償素子とに指向した状態で配置され、流入する被検出ガスが検出素子と温度補償素子とに振り分けられるようにして均等に分配される。これにより、被検出ガスの燃焼により高温となった検出素子と雰囲気温度下の温度補償素子との間に電気抵抗の差が生ずることを利用し、被検出ガス濃度を検出することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１は燃料電池システムを概略的に示すものである。
【０００７】
燃料電池１０は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電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。アノード側電極に入口側配管１１から供給された水素などの燃料ガスは、触媒電極上で水素がイオン化され、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソード側電極へと移動する、その間に生じた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。カソード側電極には、例えば、酸素などの酸化剤ガスあるいは空気が入口側配管１２を介して供給されているために、このカソード側電極において、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、アノード側、カソード側共に出口側配管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、カソード側の出口側配管１４には、その重力方向上側にガス接触燃焼式のガスセンサ１５が取り付けられ、このガスセンサ１５によりカソード側の出口側配管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。
【０００９】
図２はガスセンサの平面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う概略断面図、図４は図１の部分拡大断面説明図である。
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１９を備えている。ケース１９は、長手方向両端部にフランジ部２０を備えている。フランジ部２０にはカラー１７を取り付けてあり、このカラー１７内にボルト２１を挿入して、前記出口側配管１４の取付座１６に締め付け固定されるようになっている。
【００１０】
ケース１９の下面には、出口側配管１４の貫通孔１８に外側から挿通される筒状部２２が形成されている。ケース１９内には図示しない回路基板が設けられ、この回路基板に後述する検出素子２９と温度補償素子３０が接続されている。筒状部２２の内部はガス検出室２４として形成され、筒状部２２の内側部分がガス導入部２５として開口形成されている。
【００１１】
また、筒状部２２の外周面にはシール材２６が取り付けられ、貫通孔１８の内周壁に密接して気密性を確保している。そして、この筒状部２２の内部に検出素子２９と温度補償素子３０とが装着されている。
検出素子２９と温度補償素子３０は前記回路基板に接続されガス検出室２４内で同一高さで所定間隔を隔てて一対設けられたものである。
検出素子２９は周知の素子であって、被検出ガスである水素が白金等の触媒に接触した際に燃焼する熱を利用し、水素の燃焼により高温となった検出素子２９と雰囲気温度下の温度補償素子３０との間に電気抵抗の差が生ずることを利用し、水素ガス濃度を検出するガス接触燃焼式のガスセンサである。
【００１２】
ここで、上記ガス検出室２４内には検出素子２９と温度補償素子３０との間に、両者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四角形で板状のヒータ２７が配置されている。このヒータ２７はガス検出室２４内を加熱するもので、放熱面２７Ｃを検出素子２９と温度補償素子３０とに指向した状態で配置されている。つまりヒータ２７は各面が放熱面２７Ｃとして構成されている。このヒータ２７により流入する被検出ガスが検出素子２９と温度補償素子３０とに振り分けられるようにして均等に分配される。
また、ガス検出室２４にはガス検出室２４内の温度を検出する温度センサ２８が取り付けられている。
【００１３】
図４に示すように、このようにガスセンサ１５が取り付けられたカソード側の出口側配管１４であって、ガスセンサ１５の取付部位に隣接した上流側に被検出ガスの温度、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３５が取り付けられている。
温度センサ３５は出口側配管１４に形成された貫通孔３６に基部３７が挿通固定され、先端の検出部３８が出口側配管１４内に挿入されるものである。尚、温度センサ３５の基部３７周壁にはシール材３９が取り付けられ温度センサ３５と貫通孔３６との間のシール性を確保している。
【００１４】
３１は制御器を示し、前記出口側配管１４に取り付けられた温度センサ３５と、ガスセンサ１５内部に設けられた温度センサ２８とに接続されると共に、前記ガスセンサ１５のヒータ２７に接続されている。
この制御器３１によって温度センサ２８，３５の検出温度に基づいてヒータ２７を制御してガス検出室２４内のガス温度とガスセンサ１５の上流側のガス温度との差が所定範囲になるようにしている。
【００１５】
次に、図５のフローチャートに基づいて制御器３１によるヒータ２７の制御について説明する。
燃料電池１０の運転が始まると、ステップＳ０１においてヒータ２７に初期設定ヒータ電流を通電してステップＳ０２に進む。ここで、この初期設定値は一回目の電流通電指令の際に設定されるものであり、後述するステップＳ０４、ステップＳ０５においてヒータ電流が変化した場合は、変化した値が設定される。初期設定値の通電量としては、例えば、燃料電池１０から排出されるガスの温度の想定される最大値（例えば、固体高分子型燃料電池においては８０℃）よりもセンサ内温度が高くなるように設定しておく。つまりガス検出室２４内に備えたヒータ２７によってガス検出室２４内（検知ガス）を加熱しているため、ガス検知室内温度＞センサ上流ガス温度、の関係になっている。
ステップＳ０２においては、温度センサ２８により検出されたガスセンサ１５の周辺部温度（ガス検出室２４のガス温度）Ｔｓとガスセンサ１５上流の温度センサ３５により検出された上流ガス温度Ｔｇとの温度差ΔＴが最小値ΔＴｍｉｎ（例えば、５度）より大きいか否かを判定する。
【００１６】
ステップＳ０２における判定結果が「ＮＯ」である場合はステップＳ０４に進み、判定結果が「ＹＥＳ」である場合はステップＳ０３に進む。
ステップＳ０４においては、ヒータ電流をアップしてリターンする。これによりガス検出室２４内のガス温度Ｔｓが上がりガスセンサ１５の上流の上流ガス温度Ｔｇとの温度差ΔＴに開きを持たせ、一定の温度差を確保してガスセンサ１５における結露防止を確実なものとしている。
【００１７】
ステップＳ０３においては、温度センサ２８により検出されたガスセンサ１５の周辺部温度（ガス検出室２４の温度）Ｔｓと上流ガス温度Ｔｇとの温度差ΔＴが最大値ΔＴｍａｘ（例えば、１０度）より小さいか否かを判定する。
ステップＳ０３における判定結果が「ＮＯ」である場合はステップＳ０５に進み、判定結果が「ＹＥＳ」である場合はステップＳ０６に進む。
ステップＳ０５においては、ヒータ電流をダウンしてリターンする。これによりガスセンサ１５のガス検出室２４内のガス温度Ｔｓが下がり上流ガス温度Ｔｇとの温度差を縮め、無駄な電力を消費しないようにしている。ステップＳ０６においては上記温度差ΔＴが所定範囲内に収まっているのでヒータ電流を維持して上記処理を繰り返す。
【００１８】
つまり、ステップＳ０２とステップＳ０３によりガスセンサ１５のガス検出室２４内のガス温度Ｔｓと上流ガス温度Ｔｇとの温度差ΔＴが、最大値ΔＴｍａｘと最小値ΔＴｍｉｎとの間の所定範囲内に維持される。したがって、図６に横軸を時間、縦軸を温度として示すように、ガスセンサ１５の周辺部温度Ｔｓを上流ガス温度Ｔｇよりも高くすると共に、両者に所定範囲内（最大値ΔＴｍａｘ＞ΔＴ＞最小値ΔＴｍｉｎ）の温度差ΔＴが生ずるようにしている。
【００１９】
上記実施形態によれば、燃料電池１０から排出され出口側配管１４内を流通するカソード側のオフガスのうちガスセンサ１５のガス検出室２４内に至ったガスは、上流側のガスよりも所定範囲の温度差を持ってヒータ２７により加熱されるため、上流側のガスに比較して相対湿度が低下した状態となる。
【００２０】
その結果、ガスセンサ１５内は露点に対して余裕の有る温度差を持った状態となり、オフガス中の水分がガスセンサ１５内で凝結するのを確実に防止することができるため、ガスセンサ１５内において凝結水が検出素子２９に接触して、検出素子２９が破損したり劣化するのを防止し、検出素子２９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。
【００２１】
ここで、ヒータ２７によって加熱することで、上流ガス温度Ｔｇよりも高くなったガス検出室２４内のガスは、制御器３１により、上流ガス温度Ｔｇとの温度差ΔＴが前記最大値ΔＴｍａｘと最小値ΔＴｍｉｎとの間の所定範囲内に設定されているため、温度差ΔＴが小さ過ぎて（ΔＴ≦ΔＴｍｉｎ）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を持たせて（ΔＴ≧ΔＴｍａｘ）無駄な電力を消費することがなくなり、最小限のエネルギで確実にガスセンサ１５における結露防止を行うことができる。
【００２２】
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、ガスセンサ１５のガス検出室２４に設けられるヒータ２７の位置、形状は実施例のものに限られない。つまり、上流ガス温度よりもガスセンサ１５のガス検出室２４内の温度が高くなれば良いのである。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、ガス検出室内の温度をガスセンサの上流側のガス温度よりも高くなるように制御することで、ガスセンサに導かれたガスの相対湿度を上流側のガスの相対湿度よりも確実に低下させることができるため、ガスセンサで結露が発生してガスセンサの検出精度の低下を確実に防止することができる効果がある。また、温度の差が小さ過ぎてガスセンサにおいて結露が生じたり、あるいは必要以上に温度の差を持たせて無駄な電力を消費することを防止できるため、最小限のエネルギで確実にガスセンサにおける結露防止を行うことができる効果がある。
【００２４】
請求項２に記載した発明によれば、ヒータは放熱面を検出素子と温度補償素子とに指向した状態で配置され、流入する被検出ガスが検出素子と温度補償素子とに振り分けられるようにして均等に分配される。これにより、被検出ガスの燃焼により高温となった検出素子と雰囲気温度下の温度補償素子との間に電気抵抗の差が生ずることを利用し、被検出ガス濃度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施形態の燃料電池システムの概略説明図である。
【図２】  この発明の実施形態のガスセンサの平面図である。
【図３】  図２のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図４】  図１の部分拡大断面説明図である。
【図５】  この発明の実施形態のフローチャート図である。
【図６】  この発明の実施形態の温度状況を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１４  出口側配管
１５  ガスセンサ
２４  ガス検出室
２７  ヒータ
３１  制御器
【図１】
0003833559.tif 000002
【図２】
0003833559.tif 000003
【図３】
0003833559.tif 000004
【図４】
0003833559.tif 000005
【図５】
0003833559.tif 000006
【図６】
0003833559.tif 000007