JP2001027626A - 水素センサ、電池の過充電・過放電検出装置および燃料電池の水素漏れ検出装置 - Google Patents
水素センサ、電池の過充電・過放電検出装置および燃料電池の水素漏れ検出装置Info
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Abstract
度よく検出することのできる水素センサおよびこれを用
いた電池の過充電・過放電検出装置を提供する。 【解決手段】 水素センサSは、ジルコニアよりなる試
験管状の基体2aの内外表面に一対の電極2b、2cを
設けたセンサ素子2を有し、電極2bに拡散抵抗層5を
介して導入される被測定ガス中の水素と酸素の反応によ
る酸素濃度の減少量から水素濃度を検出する。被測定ガ
ス中の水素は酸素より拡散速度が速いために、反応生成
物である水蒸気による酸素分圧の低下から予測される以
上に酸素濃度が減少し、高い感度で水素濃度を検出でき
る。
Description
素濃度を検出するための水素センサ、これを用いた電池
の過充電・過放電検出装置および燃料電池の水素漏れ検
出装置に関する。
る電池の過充電・過放電を防止するために、温度センサ
を用いた充放電制御システムが知られている。電池の過
充電、過放電時には、電池室内で可燃性の水素が発生す
ることから、安全のために充放電を停止する必要があ
り、このシステムでは、過充電時の電池温度の上昇に着
目して、これを各電池に取り付けた温度センサによって
検知するようになしてある。過放電時には、電池電圧が
低下するので、これを検知することで過放電状態を検出
している。
極へ水素を供給する水素供給系において水素の漏れが生
じた時には安全のため水素供給系の作動を停止する等の
処置が必要となる。
来のシステムでは、電池室内の電池一個毎に温度センサ
を取り付ける必要があり、多数の電池を使用する場合、
それと同数の多数の温度センサが必要になる。また、過
放電時は電池温度が上昇しないため、これら多数の温度
センサは過充電の検出にしか利用できない。このため、
上述したような過放電を検出するための手段を別途設け
る必要があって、システムが複雑になる。
ハイブリッド車に使用される場合等には簡易な構成で高
感度に水素漏れを検出することが望まれる。
を制御するために、過充電・過放電時に発生する水素を
直接検出することを検討し、本発明に到達した。すなわ
ち、本発明の目的は、電池の過充電、過放電時に発生す
る水素を感度よく検出することのできる水素センサを実
現すること、およびこれを用いた電池の過充電・過放電
検出装置を提供することにある。また、簡易な構成で水
素漏れを感度よく検出することのできる燃料電池の水素
漏れ検出装置を提供することにある。
センサは、被測定ガス中の水素と酸素の反応による酸素
濃度の減少を検出して、この酸素濃度の減少量から水素
濃度を検出する検出部を有する。上記検出部には、拡散
抵抗手段を介して被測定ガスを導入するようになし、該
拡散抵抗手段を通過する際の水素と酸素の拡散速度に差
を設けている。
素と反応(燃焼)させた時の、被測定ガス中の酸素濃度
の減少量を測定することによって、間接的に水素濃度を
検出する。ただし、電池の過充電・過放電時には、電池
電解液の電気分解によって水素と酸素が2:1の割合で
発生するため、水素と酸素が過不足なく反応した場合、
上記検出部は、反応生成物である水蒸気による酸素分圧
(酸素濃度)の低下のみを検出することになる。この酸
素分圧の低下だけでは小さな出力変化しか期待できない
ため、本発明では、上記検出部に上記拡散抵抗手段を介
して被測定ガスを導入することにより、検出感度を向上
させる。すなわち、水素と酸素では拡散係数が異なり、
水素の方が上記拡散抵抗手段を通過する際の拡散速度が
速いために、上記検出部に到達する量が酸素よりも多く
なる。従って、電池の過充電・過放電時に水素と酸素が
2:1の割合で発生しても、検出部では、水素濃度が増
加しているために、反応生成物である水蒸気による酸素
分圧の低下から予測される以上に酸素濃度の減少量が大
きくなり、水素濃度を高い感度で検出することができ
る。
イオン導電性固体電解質よりなる基体の表面に形成した
一対の電極を有し、該一対の電極の一方に上記拡散抵抗
手段を介して被測定ガスを導入する限界電流式の酸素セ
ンサ素子構造を有している。
を介して被測定ガスを導入し、上記一対の電極間に所定
の電圧を印加すると、上記一方の電極上で被測定ガス中
の酸素が分解し酸素イオンとなって上記基体内を移動す
る。この時、上記一対の電極間には、上記一方の電極に
到達した被測定ガス中の水素が酸素と反応した後の酸素
濃度に応じた限界電流が流れるので、この減少量を測定
することで水素濃度を精度よく検出することができる。
して、多孔質体またはピンホールを用いる。上記拡散抵
抗手段を通過する際の水素と酸素の拡散速度は、上記拡
散抵抗手段に依存し、例えば、多孔質体の多孔度やピン
ホールの大きさを適切に設定することで、水素と酸素の
拡散速度の差を充分大きくし、検出感度を向上させるこ
とができる。
記酸素イオン導電性固体電解質が試験管状に成形してな
り、上記一対の電極が上記基体の先端部近傍に内外周面
の対向位置に設けられた構造とすることもでき、請求項
5の発明のように、上記酸素イオン導電性固体電解質が
シート状に成形してなり、上記一対の電極が上記基体の
上下表面の対向位置に設けられた構造とすることもでき
る。かかる構成をとることにより、内燃機関において空
燃比のフォードバック制御に用いられる酸素濃度センサ
の製造技術の流用により容易に製造可能である。
ずれか記載の水素センサを備える電池の過充電・過放電
検出装置であり、電池の充放電時に、上記水素センサを
用いて電池室内における水素の発生を検出することによ
り、過充電または過放電を検出するものである。
素が発生するので、上記水素センサを用いて、電池室内
の水素濃度を測定することにより、過充電と過放電の両
方を検出することができる。よって、所定値以上の水素
が検出された時に過充電・過放電状態であると判断し
て、充放電を停止するようにすれば、充放電の制御が容
易にできる。
ずれか記載の水素センサを備える燃料電池の水素漏れ検
出装置であり、上記水素センサを燃料電池本体へ水素を
供給する水素供給系の近傍に配置して該水素供給系にお
ける水素の漏れを検出するものである。
水素濃度が高い感度で検出されるので、高感度で燃料電
池の水素漏れを検出することができ、速やかに水素の供
給停止等の処置をとることができる。
実施の形態について説明する。図1は本発明の水素セン
サSの全体構成図で、外周に取付け用のフランジを有す
る筒状ハウジング1とその下端部に固定される筒状のカ
バー体3を有し、これら筒内に検出部となるセンサ素子
2を収容保持している。ハウジング1およびカバー体3
は、いずれも検出しようとする水素ガスに対して耐性を
有する材料、例えば、ステンレス鋼等で構成される。
に絶縁部材11を介して保持固定され、下半部はハウジ
ング1より突出してカバー体3内に収容されている。カ
バー体3は、下端開口を被測定ガスの導入口31として
おり、該導入口31には、火炎伝播を防止するための半
球状の防爆金網32が配設してある。水素のような可燃
性ガスを検出する場合、被測定ガス中の水素濃度が爆発
範囲となり発火するおそれがあるが、防爆金網32によ
って火炎の熱を奪い、外部へ広がるのを防止する。ま
た、防爆金網32の破損を防止するため、その周囲を保
護するように、複数の貫通穴33aを有する容器状の保
護部材33を設けている。防爆金網32は、通常、二重
金網構造で内外の金網間に空間を有し、また、金網の孔
の大きさを適切に設定して、火炎の拡散を効果的に防止
している。
上端開口を閉鎖するように、セラミックス製の蓋状体4
が配設されている。蓋状体4の下端はハウジング1の上
端開口内に固定され、蓋状体4の上部外周を覆って筒状
の金属製のカバー体41が設けてある。カバー体41の
上端開口は絶縁部材12で封止してあり、絶縁部材12
の下方に配したセラミックス製の筒状体42と蓋状体4
の間には、コイルスプリング43が設けられて、蓋状体
4を下方に押圧している。
解質であるジルコニアよりなる試験管状の基体2aと、
その先端部近傍において内外周面の対向位置に設けた白
金等の電極2b、2cとからなる。基体2aの外表面に
は、外周側の電極2bを覆うように、多孔質アルミナ等
からなる拡散抵抗手段としての拡散抵抗層5が形成して
あり、該拡散抵抗層5内を通過した被測定ガスが電極2
bに到達するようになしてある。
れており、ヒータ6の発熱部61は、基体2aの電極2
b、2cに対向している。電極2b、2cは、基体2a
の表面に形成したリード部(図略)を介してリード線1
6、17に接続し、これらリード線16、17の他端は
絶縁部材12に保持されるターミナル13、14に接続
される。上記ヒータ6は、絶縁部材12に保持されるタ
ーミナル15に接続される。なお、基体2aの中空部
は、カバー体41に設けた通気孔(図略)および各部材
間に形成される微小間隙を介して大気に連通している。
ブリッド車または電気自動車に使用される電池の充放電
制御システムに適用した例を示す。図中、電池室Aは、
電池ケースB内に収容される複数のニッケル水素電池C
を備えており、該ニッケル水素電池Cの出力電流はイン
バータ73にて交流に変換される。上記電池室Aの上部
壁に、電池の過充電・過放電検出装置の一部をなす上記
水素センサSが取付けられている。水素センサSは、セ
ンサ測定回路71を介してECU72に接続され、EC
U72は水素センサSにて測定される被測定ガス中の水
素濃度に基づいて、電池の過充電および過放電を検知
し、充放電を制御するようになしてある。
水素センサSの保護部材33の貫通穴33a、防爆金網
32を経て、カバー体3内に導入され、拡散抵抗層5を
通過してセンサ素子2の電極2bに到達する。ここで、
センサ素子2の、基体2aを挟んで対向する電極2b、
2cに、電極2cが+極となるように所定の直流電圧が
印加すると、電極2bに達した被測定ガス中の酸素が酸
素イオンとなって基体2a内を電極2c側へ移動するこ
とにより、電極2b、2c間に被測定ガス中の酸素濃度
に応じた限界電流が流れる。電池の過充電または過放電
により電池室A内に水素が発生し、被測定ガス中に水素
が存在する場合には、水素と酸素が反応するために出力
が減少するので、水素ガスの濃度変化に伴う酸素濃度の
変化を、限界電流値の変化として計測することができ
る。
気分解によって水素と酸素が2:1の割合で発生するた
め、発生した水素と酸素が完全に燃焼すれば、酸素濃度
は、図6に点線で示すように、燃焼により生じた水蒸気
による酸素分圧の低下分しか変化しない。ところが、本
発明では、拡散抵抗層5を設けており、水素が酸素より
速く拡散抵抗層5を通過するため、電極2b上では水蒸
気の影響分以上に酸素濃度が減少する(図6に多孔質層
(図1)として示す)。従って、この酸素濃度の減少量
を検出することにより、水素濃度を高感度で測定するこ
とができ、これに基づいて電池の過充電・過放電を検知
することができる。なお、図6は、電池の過充電・過放
電時を想定して、水素:酸素=2:1で発生させた時
の、水素濃度に対するセンサ出力の変化を示すものであ
る。また、拡散抵抗層5を通過する際の水素と酸素の拡
散速度は、拡散抵抗層5の多孔度に依存し、これを適切
に設定することで、水素と酸素の拡散速度の差を充分大
きくすることができる。なお、拡散抵抗層5の多孔度
は、通常2〜10%、膜厚は、通常200〜1000μ
m程度の範囲で設定される。
ローチャートであり、ステップ101で充放電を実施し
たら、ステップ102で水素センサSの出力を読み込
み、ステップ103で水素センサSの出力変動が所定の
設定値を超えているかどうかを判定する。出力変動が設
定値を超えている場合には、電池室A内で水素が発生し
ている、すなわち電池が過充電または過放電状態にある
と判断し、ステップ104でインバータ73にて充放電
を停止して、後処理行程へ進む。ステップ103で出力
変動が設定値を超えていない場合には、これら一連の動
作を繰り返す。
て水素濃度を測定し、測定結果が所定の設定値を超えた
時に充放電を停止することで、過充電・過放電を防止
し、安全性を確保することができる。
ので、本実施の形態の水素センサSは、ジルコニアシー
トを用いた積層型のセンサ素子構造を有している。図4
(a)において、筒状ハウジング1内には、絶縁部材4
5およびガスシール材44を介してセンサ素子2が収容
保持され、ハウジング1の下端開口には、上記第1の実
施の形態と同様の防爆金網32および保護部材33が設
けてある。センサ素子2は、図4(b)、(c)のよう
に、基体となるジルコニア基板21と、その上下表面の
対向位置に設けた電極22、23を有している。上部電
極22は、ハウジング1内空間に露出し、下部電極23
は、ジルコニア基板21下方に配したスペーサ8内に形
成される内部空間81に露出している。スペーサ8の下
方には、アルミナ等の基板61、62間に白金等のヒー
タ電極63を埋設してなるヒータ6が積層してある。
ジルコニア基板21および電極22、23の中央を貫通
するピンホール51を設けている。内部空間81は、こ
のピンホール51を介して、被測定ガスが存在するハウ
ジング1内空間に連通しており、ピンホール51の大き
さは、これを通過して内部空間81に導入される被測定
ガスが所定の拡散速度となるように適宜設定される。
上記第1の実施の形態と同様であり、電極22、23
に、電極22が+極となるように所定の電圧を印加する
と、電極22、23間に、ピンホール51を介して内部
空間81に導入される被測定ガス中の酸素濃度に応じた
限界電流が流れ、その減少量を検出することで、水素濃
度を測定することができる。この時のセンサ出力の変化
を図6に併記する。
本実施の形態では、図4の水素センサS構造に加えて、
ピンホール51表面を覆う多孔質の保護層52を設けて
いる。保護層52は、例えば、多孔質アルミナ等よりな
り、多孔度は通常3〜30%、膜厚は通常10〜200
μm程度の範囲で設定する。このようにすると、保護層
52およびピンホール51を介して内部空間81に導入
される被測定ガス中の水素と酸素の拡散速度の差が大き
くなる。よって、図6に示すように、ピンホール51の
みの場合より、センサ出力の変化が大きくなり、検出感
度が向上する。
イブリッド車または電気自動車に使用される燃料電池の
水素漏れ検出装置に適用した例を示す。燃料電池は燃料
電池本体91に水素を供給する水素供給系92を備えて
おり、水素供給系92は、改質器921において、燃料
タンク941に貯留したメタン等の燃料と、水タンク9
42に貯留した水とから水素を生成する。燃料電池本体
91には、燃料極に供給配管922を通り上記水素が供
給されるとともに、空気極にエアポンプ931から加湿
器932を介して空気が供給されて発電しバッテリ97
1を充電する。発電時の燃料電池本体91は水ポンプ9
6の作動で供給される冷却水により冷却される。
上記燃料極で消費されなかった余剰水素は回収配管92
3に排出される。回収配管923は上記供給配管922
に合流するとともに、回収配管923の途中に設けられ
た循環ポンプ924の作動により水素を燃料電池本体9
1へと戻すようになっており、上記水素供給系92を構
成している。
リ971は、車両の動力用のモータ973に駆動電流
を、例えばPWM制御を行うコントローラ972を介し
て供給する。
の近傍に上記水素センサSが配置され、水素センサS
は、センサ測定回路74を介してECU75に接続され
る。
号を出力してモータ973に所定のトルクを発生せしめ
るとともに、水素センサSにて測定される被測定ガス中
の水素濃度すなわち供給配管922の近傍雰囲気中の水
素濃度に基づいて、燃料タンク941からの水素の供給
と停止とを切り換えるバルブ951と、水タンク942
からの水の供給と停止とを切り換えるバルブ952とを
制御する。すなわち、ECU75は、検出水素濃度が所
定濃度を越えるとバルブ951,952を閉じて燃料と
水の供給を停止して改質器921のおける水素の生成を
停止するようになっており、水素漏れの拡大を防止す
る。
発限界濃度に到達するのを回避し、より安全性を高める
ことができる。
配管の近傍に配置するのもよい。
全体断面図である。
制御システムの概略構成を示す図である。
チャートを示す図である。
の全体断面図、(b)はセンサ素子の正面図、(c)は
(b)のA−A線断面図である。
の全体断面図、(b)はセンサ素子の正面図、(c)は
(b)のB−B線断面図である。
化を示す図である。
漏れ検出装置の概略構成を示す図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 被測定ガス中の水素と酸素の反応による
酸素濃度の減少を検出して、この酸素濃度の減少量から
水素濃度を検出する検出部を設けるとともに、上記検出
部に、拡散抵抗手段を介して被測定ガスを導入するよう
になし、該拡散抵抗手段を通過する際の水素と酸素の拡
散速度に差を設けたことを特徴とする水素センサ。 - 【請求項2】 上記検出部が、酸素イオン導電性固体電
解質よりなる基体の表面に形成した一対の電極を有し、
該一対の電極の一方に上記拡散抵抗手段を介して被測定
ガスを導入する限界電流式の酸素センサ素子構造を有し
ている請求項1記載の水素センサ。 - 【請求項3】 上記拡散抵抗手段が、多孔質体またはピ
ンホールである請求項1または2記載の水素センサ。 - 【請求項4】 上記基体は上記酸素イオン導電性固体電
解質が試験管状に成形してなり、上記一対の電極は上記
基体の先端部近傍に内外周面の対向位置に設けた請求項
2または3のいずれか記載の水素センサ。 - 【請求項5】 上記基体は上記酸素イオン導電性固体電
解質をシート状に成形してなり、上記一対の電極は上記
基体の上下表面の対向位置に設けた請求項2または3の
いずれか記載の水素センサ。 - 【請求項6】 請求項1ないし5のいずれか記載の水素
センサを備え、電池の充放電時に、上記水素センサを用
いて電池室内における水素の発生を検出することによ
り、過充電または過放電を検出することを特徴とする電
池の過充電・過放電検出装置。 - 【請求項7】 請求項1ないし5のいずれか記載の水素
センサを備え、該水素センサを燃料電池本体へ水素を供
給する水素供給系の近傍に配置して該水素供給系におけ
る水素の漏れを検出することを特徴とする燃料電池の水
素漏れ検出装置。
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