JP2005300452A - ガスセンサとそれを用いた燃料電池システムおよび自動車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】特に、規格化出力の差と最小印加電流時の発熱素子の両端電圧とをパラメータとして用いた湿度相関関数と2つの湿度補正値相関関数から湿度および被検出ガスの濃度をそれぞれ求めるものであり、これにより、規格化出力の差が湿度と比例関係を持つため湿度を一義的に決定でき、その結果として被検出ガスの濃度も決定できるうえ、温度による熱伝導率の変化に起因した湿度相関関係と2つの湿度補正値相関関数の温度特性を最小印加電流時の発熱素子の両端電圧で補正しているため、湿度と被検出ガスの濃度を高精度に決定できるという作用効果が得られる。
【選択図】図6
Description
H0=−0.0349×T^2+6.2338×T+1.7232 (2)
これにより、ある任意の湿度および水素環境下での出力L,Hのうち、0点の温度依存による影響分L0,H0は周囲温度Tを(1)式、(2)式に代入することで得られる。従って、任意環境下の出力L,Hを0点補正した値ZL,ZHは次式で求められる。
ZH=H−H0 (4)
なお、(1)式、(2)式で二次近似としたのは、一次近似では補正誤差が大きかったからである。
ZH1=−0.2656×T^2+0.2068×T−0.0745 (6)
ここで、ZL1,ZH1は温度による感度補正係数である。これにより、任意環境下の出力ZL,ZHを感度補正して水素濃度に規格化した値KL,KHは次式で求められる。
KH=ZH/ZH1 (8)
(7)式、(8)式により、KL,KHの単位は水素濃度の%(以下、%H2)に規格化されたことになる。なお、(5)式、(6)式で二次近似としたのは、0点補正時と同様、一次近似では補正誤差が大きかったからである。
従って、パラメータとして規格化出力差Humと周囲温度に相当するT(最小印加電流時の発熱素子の両端電圧)を湿度相関関数(9)式に代入すればAHを求めることができる。なお、3次近似としたのは低次の近似では補正誤差が大きかったからである。
従って、パラメータとして規格化出力差Humと周囲温度に相当するT(最小印加電流時の発熱素子の両端電圧)を0点変動補正用第1湿度補正値相関関数(10)式に代入すれば、Offを求めることができる。なお、3次近似としたのは低次の近似では補正誤差が大きかったからである。
基本的には以上の演算を通して水素のみの濃度出力Outを得ることができるが、実際には周囲温度に相当するTを測定する際に、発熱素子1に1mAの電流を流すことによる極僅かな発熱により、Tが僅かな湿度感度や水素感度を持ってしまう。これが上記(1)式から(11)式の補正演算を行うことにより、最終的な水素濃度出力Outに対してその感度誤差を増大させてしまう。その結果、図15に示したように湿度によってOutの傾き(=水素感度)が変化することになる。
従って、パラメータとして規格化出力差Humと周囲温度に相当するT(最小印加電流時の発熱素子の両端電圧)を感度変動補正用第2湿度補正値相関関数(12)式に代入すれば、HumKを求めることができる。なお、3次近似としたのは、低次の近似では補正誤差が大きかったからである。
以上のような演算を行って水素濃度出力H2を求めた結果を図18に示す。図の横軸は被検出ガスの水素濃度を、縦軸は補正後のセンサ出力(水素濃度)H2をそれぞれ示す。図15と比べ0点や感度の誤差が極めて少なくなり精度±0.1%H2の高精度なガスセンサが得られることがわかった。
2 ベース
3 ピン
4 ワイヤー
5 内孔
6 内キャン
7 外孔
8 外キャン
9 網
10 台座
11 発熱体
12 ランド
13 窪み部
16 検出部
17 検出回路
18 容器
19 取出しケーブル
20 容器フタ
21 耐湿樹脂
22 ガス取込口
23 ネジ部
24 ガスセンサ
25 定電流源
26 電圧計
27 マイクロコンピュータ
51 水素タンク
52 遮断弁
53 水素加湿器
54 燃料電池スタック
55 コンプレッサ
56 空気加湿器
57 燃料電池制御回路
58 筐体
59 警報器
60 換気扇
101 本体
102 乗車空間
103 水素タンク収納空間
104 駆動手段収納空間
105 床下空間
106 タンク
107 外側タンク
108 内側タンク
109 モーター
110 燃料電池スタック
111 タイヤ
112 ハンドル
113 ガスセンサ
Claims (14)
- 湿気を含む大気と混合した被検出ガスに接触する発熱素子と、この発熱素子に電流を流す電源装置と、この発熱素子の両端電圧を測定する電圧計と、この電圧計の出力電圧から湿度および被検出ガスの濃度を演算出力する演算部を有し、前記発熱素子に少なくとも3段階以上の電流をステップ状に規定時間連続して流し、それぞれの電流値に対する前記発熱素子の規定時間経過後の両端電圧を前記演算部へ取り込み、最小印加電流時の前記発熱素子の両端電圧と濃度既知の被検出ガスであらかじめ求めた0点変動および感度変動の補正式とからその他の電流を流した時の前記発熱素子の両端電圧の値を補正することで規格化出力をそれぞれ求め、この規格化出力の差と最小印加電流時の前記発熱素子の両端電圧とをパラメータとして用いた湿度相関関数から湿度を求めるとともに、前記規格化出力の差と最小印加電流時の前記発熱素子の両端電圧とをパラメータとして用いた2つの湿度補正値相関関数から前記規格化出力の湿度による0点変動および感度変動を補正することで被検出ガスの濃度を求める行程を1サイクルとして繰り返すことで湿度および被検出ガス濃度を出力するように構成したガスセンサ。
- 被検出ガスが濃度4%までの水素である請求項1に記載のガスセンサ。
- 発熱素子に流す最小印加電流時の電流値は発熱素子がほとんど発熱しない範囲内で与えられるようにした請求項1に記載のガスセンサ。
- 湿度相関関数に与えるパラメータは、規格化出力の差と最小印加電流時の発熱素子の両端電圧の逆数を累乗した値とを乗じて求めるようにした請求項1に記載のガスセンサ。
- 累乗は3乗である請求項4に記載のガスセンサ。
- 湿度相関関数は3次方程式で表わす請求項1に記載のガスセンサ。
- 2つの湿度補正値相関関数に与えるパラメータは、規格化出力の差と最小印加電流時の発熱素子の両端電圧を累乗した値とを乗じて求めるようにした請求項1に記載のガスセンサ。
- 累乗は3乗である請求項7に記載のガスセンサ。
- 2つの湿度補正値相関関数を、いずれも3次方程式で表わす請求項1に記載のガスセンサ。
- 発熱素子は一部を窪ませたシリコン台座の窪み部の表面に形成した絶縁層と、この絶縁層の上に形成した発熱体で構成した請求項1に記載のガスセンサ。
- 発熱素子は白金薄膜からなる請求項1に記載のガスセンサ。
- 請求項1から11のいずれか1つに記載のガスセンサが塔載された燃料電池であって、前記ガスセンサの水素に対する出力が既定値を超えた時換気するとともに前記燃料電池を停止するように制御する構成とした燃料電池システム。
- 請求項1から11のいずれか1つに記載のガスセンサを、燃料電池のスタックに接続された空気排出配管の内部雰囲気を検出できるように配置し、このガスセンサによって検出された前記空気排出配管内の水素濃度が既定値を超えると規定水素濃度以下になるように前記スタックに接続された空気コンプレッサを吐出空気流量を増やすように運転するとともに、空気流量の増大に伴う空気中の湿度低下を前記ガスセンサの湿度出力から求めて既定湿度になるように前記空気コンプレッサに接続された空気加湿器を制御する構成とした燃料電池システム。
- 請求項1から11のいずれか1つに記載のガスセンサを、乗車空間の上部に配置し、このガスセンサの湿度出力をもとに前記乗車空間が最適な湿度になるように前記乗車空間の一部に設けたエアコンを制御するとともに、前記ガスセンサの水素濃度出力から前記乗車空間内の水素濃度が既定値以上であれば警報を発し前記乗車空間内の換気を行うとともに水素供給源を遮断するように制御する構成とした自動車。
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