JP2005091324A - ガスセンサの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ガスセンサの異常の有無を適切に検知する。
【解決手段】 制御装置は、ガスセンサの作動開始時において、少なくとも複数回に亘って電流センサから出力される素子通電電流の検出値が所定上限電流以上であるか否かを判定すると共に、素子通電電流の検出値が所定上限電流以上であると判定される状態の継続時間が所定上限時間以上である場合に、ガスセンサの各素子が異常状態であると判定する。一方、素子通電電流の検出値が所定上限電流以上であると判定される状態の継続時間が所定上限時間未満である場合には、素子通電電流の検出値が一時的に所定上限電流以上となっただけであって、各素子は正常状態であると判定する。
【選択図】 図5
Description
このような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池において、従来、例えば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たことを検知したときは、燃料の供給を遮断する保護装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、水素検出器としては、例えば白金等の触媒からなるガス検出素子と温度補償素子とを一対備え、水素が白金等の触媒に接触した際の燃焼により発生する熱によってガス検出素子が相対的に高温の状態になったときに、例えば雰囲気温度下等の相対的に低温の状態の温度補償素子との間に生じる電気抵抗の差異に応じて、水素ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式の水素検出器が知られている。
しかしながら、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、燃料電池の排出ガス、特に酸素極側の排出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燃料電池の保護装置においては、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水素検出器等に結露が発生する場合があり、前述のガス接触燃焼式の水素検出器を、特に燃料電池の酸素極側の排出系に備える場合等において、ガス検出素子に加湿水、反応生成水等が付着した状態で通電を行うと、この結露水による短絡によって通電電流の検出値が所定の判定閾値を超えて増大し、たとえ結露が一時的に発生しただけであっても、ガスセンサに回復不能な異常が生じたと判断され、ガスセンサの作動が停止されてしまう場合がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ガスセンサの異常の有無を適切に検知することが可能なガスセンサの制御装置を提供することを目的とする。
さらに、請求項2に記載の本発明のガスセンサの制御装置によれば、例えば一時的に検出素子および補償素子の表面上に結露が発生したことによって通電電流の検出値が所定閾値以上となった場合であっても、検出素子および補償素子への通電を継続することによって、この通電に伴う温度上昇によって、生成された結露水を迅速に蒸発させることができる。
さらに、請求項3に記載の本発明のガスセンサの制御装置によれば、例えば一時的に検出素子および補償素子の表面上に結露が発生したことによって通電電流の検出値が所定閾値以上となった場合であっても、ヒータへの通電を継続あるいは開始することによって、検出素子および補償素子の表面上に生成された結露水を迅速に蒸発させることができる。
さらに、請求項4に記載の本発明のガスセンサの制御装置によれば、通電電流の検出値が所定閾値以上となる短絡状態を検出した際に、この短絡状態が所定上限時間未満にて回復可能な異常状態、つまり検出素子および補償素子の表面上において一時的に結露水が生成された状態に起因するものであるか否かを適切に判定することができる。
制御装置2は、酸素極側の出口側配管9に取り付けられたガスセンサ1に接続され、例えば、ガスセンサ1から出力される検出信号と、記憶装置3に格納されている所定の判定閾値との比較結果に応じて、燃料電池5の異常状態が発生しているか否かを判定し、異常状態であると判定した際には、警報装置4によって警報等を出力する。ここで、記憶装置3は、燃料電池5の作動状態、例えば極間差圧や作動圧力等に応じた、ガスセンサ1の検出値に対する所定の判定閾値のマップ等を記憶している。
燃料極に入口側配管6から供給された水素などの燃料ガスにより、燃料極の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酸素極へと移動する、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。酸素極には、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7を介して供給されているために、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、燃料極側、酸素極側共に出口側配管8、9から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。
また、例えば図3に示すように、ケース21の厚さ方向の端面には筒状部26が形成され、筒状部26の内部はガス検出室27として形成され、ガス検出室27の内部側面には、内側に向かってフランジ部28が形成され、フランジ部28の内周部分がガス導入部29として開口形成されている。
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32aの表面がアルミナ等の坦体で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が検出素子31の触媒31b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。
また、ガス検出室27にはガス検出室27内の温度および湿度等を検出するセンサ37が取り付けられている。
例えば、制御装置2は、センサ37の検出温度に基づいてヒータ36への通電を制御し、センサ37から検出されるガス検出室27内の温度が、少なくとも露点温度よりも高い所定温度範囲の温度となるように、また、センサ37から検出されるガス検出室27内の相対湿度が、例えば所定湿度範囲の相対湿度や、例えば予め作成されたガス検出室27内の温度状態に応じた相対湿度のマップ等から得られる相対湿度の検索値等となるように、ヒータ36への通電開始および通電停止のタイミングや通電量を制御する。
例えば、制御装置2は、燃料電池5の負荷状態が高負荷状態に変化する場合等において、酸素極側の出口側配管9内を流通するオフガスの流量が増大してオフガスに曝されるガスセンサ1のガス検出室27内の温度が低下したり、例えば燃料電池5にて生成されオフガスに含まれる生成水の量が増大してガス検出室27内の相対湿度が増大する虞がある場合には、ヒータ36への通電量を増大させてガス検出室27内の温度を上昇させることでガス検出室27内に結露が発生することを防止する。一方、燃料電池5の負荷状態が低負荷状態に変化する場合等においては、制御装置2は、ヒータ36への通電量を低下させて過剰なエネルギ消費を抑制する。
また、制御装置2は、燃料電池5の作動開始時において、酸素極側の出口側配管9内におけるオフガスの流通開始に先立って、ガスセンサ1の各素子31,32と、ヒータ36とに対する通電を開始し、燃料電池5の作動停止時において、酸素極側の出口側配管9内におけるオフガスの流通を停止した後に、ガスセンサ1の各素子31,32と、ヒータ36とに対する通電を停止する。
例えば、制御装置2は、ガスセンサ1の作動開始時等において、後述するように、少なくとも複数回に亘って電流センサから出力される素子通電電流の検出値が所定上限電流以上であるか否かを判定し、素子通電電流の検出値が所定上限電流以上であると判定される状態の継続時間が所定上限時間以上である場合に、各素子31,32が異常状態であると判定する。一方、この判定状態の継続時間が所定上限時間未満である場合には、例えば素子通電電流の検出値が一時的に所定上限電流以上になっただけであって、各素子31,32は正常状態であると判定する。
すなわち、制御装置2は、電流センサから出力される素子通電電流の検出値が所定閾値以上となる短絡の発生を検出した場合であっても、この短絡状態が所定上限時間未満にて回復可能な異常状態に起因して発生した場合には、各素子31,32は正常状態であると判定することによって、短絡が解消された時点でガスセンサ1の検出動作を継続させることができる。ここで、所定上限時間未満にて回復可能な異常状態とは、例えばガスセンサ1の作動開始時等において各素子31,32の表面上に結露水が存在する状態等であって、この場合には、各素子31,32への通電開始に伴い一時的に短絡が検出されても、各素子31,32への通電を継続することによって、さらには、ヒータ36の作動を開始することによって、各素子31,32の表面上から結露水を蒸発させ、短絡を解消することができる。一方、所定上限時間未満にて回復不能な異常状態とは、例えば各素子31、32に破損や劣化等が生じた状態である。
先ず、例えば、図6に示す時刻t0のように、運転者の操作によって車両のイグニッションスイッチ(IG)がONとされると、図5に示すステップS01以下の処理を実行する。
例えば図5に示すステップS01においては、ヒータ36へのヒータ通電量(例えば、通電電流)として、所定の暖機ヒータ通電量(例えば図6に示す通電電流A2)を設定する。
そして、ステップS02においては、各素子31,32への素子通電量(例えば、通電電圧)として、所定の暖機素子通電量(例えば図6に示す通電電圧V1)を設定する。この暖機素子通電量は、例えばヒータ36への通電量が所定の暖機ヒータ通電量とされている状態において、各素子31,32に対してステップ状に通電した場合であっても各素子31,32に生じる熱応力が所定値以下となる通電量であって、各素子31,32に生じる熱応力に起因する破損や劣化等が生じることがない通電量とされ、例えば予め所定の実験等により得られる。
次に、ステップS03においては、暖機継続タイマーの計時を開始する。
次に、ステップS04においては、暖機継続タイマーのタイマー値が所定暖機時間以上であるか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS04の処理を繰り返す。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、暖機継続タイマーのタイマー値をリセットして、ステップS05に進む。
次に、ステップS06においては、取得した素子通電電流の検出値が所定の上限電流以上であるか否かを判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、ガスセンサ1の検出系において短絡が発生していると判断して、例えば図6に示す時刻t1のように、短絡判定フラグのフラグ値に1を設定し、後述するステップS09に進む。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ガスセンサ1の検出系において短絡は発生しておらず、ガスセンサ1は正常状態であると判断して、ステップS07に進む。
そして、ステップS07においては、ヒータ通電量を暖機ヒータ通電量(例えば図6に示す通電電流A2)から通常ヒータ通電量(例えば図6に示す通電電流A1<A2)へと低下させる。
そして、ステップS08においては、素子通電量を暖機素子通電量(例えば図6に示す通電電圧V1)から通常素子通電量(例えば図6に示す通電電圧V2>V1)へと増大させ、一連の処理をする。
次に、ステップS10においては短絡判定タイマーの計時を開始する。
次に、ステップS11においては、短絡判定タイマーのタイマー値が所定時間以上であるか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS11の処理を繰り返す。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、短絡判定タイマーのタイマー値をリセットして、ステップS12に進む。
次に、ステップS12においては、電流センサにより検出される素子通電電流の検出値を取得する。
次に、ステップS13においては、取得した素子通電電流の検出値が所定の上限電流以上であるか否かを判定する。
ステップS13の判定結果が「NO」の場合には、発生していた短絡が解消したことによりガスセンサ1は正常状態であると判断して、例えば図6に示す時刻t4以降の点線のように、短絡判定フラグのフラグ値にゼロを設定し、上述したステップS07に進む。
一方、ステップS13の判定結果が「YES」の場合には、短絡状態が継続していると判断してステップS14に進む。
次に、ステップS14においては、短絡確定タイマーのタイマー値が所定上限時間以上であるか否かを判定する。この所定上限時間は、少なくとも各素子31、32の表面上に一時的に生成された結露水を蒸発させるのに要する時間であって、例えば予め所定の実験等により得られる。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS10に戻る。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、短絡確定タイマーのタイマー値をリセットして、ステップS15に進む。
ステップS15においては、所定上限時間未満にて回復不能な異常状態が発生したと判断し、例えば図6に示す時刻t6のように、各素子31,32およびヒータ36への通電を停止することによってガスセンサ1の検出動作を停止し、一連の処理を終了する。
しかも、例えばガスセンサ1の作動開始時において、素子通電量に所定の暖機素子通電量を設定し、ヒータ通電量に通常ヒータ通電量よりも大きい所定の暖機ヒータ通電量を設定する状態の継続時間が所定暖機時間以上となったときであっても、短絡状態を検出した場合には、ヒータ通電量に通常ヒータ通電量よりも大きい所定の暖機ヒータ通電量を設定する状態を継続することによって、例えば継続時間が所定暖機時間以上となった時点でヒータ通電量を暖機ヒータ通電量から通常ヒータ通電量へと低下させる場合に比べて、各素子31,32の表面上に一時的に生成された結露水を蒸発させるのに要する時間、つまりヒータ通電量に通常ヒータ通電量を設定し、素子通電量に通常素子通電量を設定するガスセンサ1の起動に要する時間を短縮することができる。
また、制御装置2は、ガスセンサ1の短絡状態を検出した場合に、ガスセンサ1から出力される信号として、通常の作動状態において出力される検出信号とは異なる所定の故障信号を外部へ出力するように設定してもよい。
また、上述した実施の形態においては、各素子31,32を接続してなる回路をブリッジ回路としたが、これに限定されず、例えば直列回路等のその他の回路であってもよく、検出素子31の抵抗値R4に関連した状態量として、所定接点間の電圧や電流の検出値が制御装置2へ出力されてもよい。
また、上述した実施の形態においては、ヒータ36は検出素子31と温度補償素子32との間に配置されるとしたが、これに限定されず、例えばガス検出室27内の各素子31,32とガス導入部29との間に配置されてもよい。
2 制御装置(通電制御手段、ヒータ通電制御手段)
27 ガス検出室
29 ガス導入部
31 検出素子
32 温度補償素子(補償素子)
36 ヒータ
37 センサ(状態検出手段)
ステップS13 短絡判定手段
ステップS15 異常判定手段
Claims (4)
- 検出素子と補償素子との電気抵抗値の差異に基づき検査対象ガスに含まれる被検出ガスのガス濃度を検出するガスセンサの制御装置であって、
前記検出素子および前記補償素子への通電電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器にて検出される前記通電電流の検出値が所定閾値以上であるか否かを複数回に亘って判定する短絡判定手段と、
前記短絡判定手段にて前記通電電流の検出値が所定閾値以上であると判定される状態の継続時間が所定時間以上である場合に前記検出素子および前記補償素子が異常状態であると判定する異常判定手段と
を備えることを特徴とするガスセンサの制御装置。 - 前記短絡判定手段にて前記通電電流の検出値が所定閾値以上であると判定された場合に、前記検出素子および前記補償素子への通電を継続する通電制御手段を備えることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサの制御装置。
- 前記検出素子および前記補償素子は前記検査対象ガスが導入されるガス検出室内に配置され、前記ガス検出室内に設けられたヒータと、
前記短絡判定手段にて前記通電電流の検出値が所定閾値以上であると判定された場合に、前記ヒータへの通電を継続あるいは開始するヒータ通電制御手段と
を備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のガスセンサの制御装置。 - 前記所定時間は、少なくとも前記検出素子および前記補償素子の表面上に存在する水を蒸発させるのに要する上限時間以上であることを特徴とする請求項1から請求項3の何れかひとつに記載のガスセンサの制御装置。
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