JP3833559B2 - ヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置 - Google Patents
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Description
【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
Claims (2)
- 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。
- 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。
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