ガスセンサ
【課題】 １本の出力系統を介して外部電子機器に接続しつつ、被検出ガスに基づく出力と、内蔵されるガス検出素子の異常に基づく出力と、を出力可能なガスセンサを提供する。
【解決手段】 水素を検出する基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂと、これら検出素子が異常であるか否かを判定する異常判定部６６と、各検出素子の出力のいずれかを選択する出力選択部６７と、選択された検出素子の出力を、１本の出力系統を介してＥＣＵ２０に出力する出力回路６８と、を備え、出力選択部６７は、異常判定部６６が正常であると判定した検出素子の正常出力を選択し、出力回路６８は、異常判定部６６が異常判定をした場合、出力選択部６７が選択した検出素子の正常出力と、異常判定された検出素子に対応した異常出力と、を切り替えて出力する水素センサ１である。
【解決手段】 水素を検出する基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂと、これら検出素子が異常であるか否かを判定する異常判定部６６と、各検出素子の出力のいずれかを選択する出力選択部６７と、選択された検出素子の出力を、１本の出力系統を介してＥＣＵ２０に出力する出力回路６８と、を備え、出力選択部６７は、異常判定部６６が正常であると判定した検出素子の正常出力を選択し、出力回路６８は、異常判定部６６が異常判定をした場合、出力選択部６７が選択した検出素子の正常出力と、異常判定された検出素子に対応した異常出力と、を切り替えて出力する水素センサ１である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１本の出力系統を介してＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）などの外部電子機器に接続するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側を燃料極と酸素極で挟み込んで単セルを形成し、この単セルを複数積層して一つの燃料電池スタックを構成している。そして、燃料極には、燃料として水素が供給され、酸素極には酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動し、水素イオンと酸素が電気化学反応を起こして発電する。
【０００３】
このような固体高分子膜型燃料電池においては、従来、燃料電池の酸素極側の排出系にガスセンサを備え、このガスセンサ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する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−６１２４４号公報（段落００２０〜００４２、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のガスセンサは、水素濃度に基づく出力と、内蔵されるガス検出素子の異常に基づく出力とを、ＥＣＵに出力するために、ＥＣＵと２本の出力系統を介して接続していた。
【０００５】
そこで、本発明は、１本の出力系統を介して外部電子機器に接続しつつ、被検出ガスに基づく出力と、内蔵されるガス検出素子の異常に基づく出力と、を出力可能なガスセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、被検出ガスを検出する複数のガス検出素子と、前記複数のガス検出素子が異常であるか否かを判定する異常判定手段と、前記複数のガス検出素子の出力から１つのガス検出素子の出力を選択する出力選択手段と、前記選択された１つのガス検出素子の出力を、１本の出力系統（出力信号線）を介して外部電子機器に出力する出力手段と、を備え、前記出力選択手段は、前記異常判定手段が正常であると判定した前記ガス検出素子の正常出力を選択し、前記出力手段は、前記異常判定手段が異常判定をした場合、前記出力選択手段が選択したガス検出素子の正常出力と、異常判定された前記ガス検出素子に対応した異常出力と、を切り替えて出力することを特徴とするガスセンサである。
【０００７】
このようなガスセンサによれば、出力手段が、正常であるガス検出素子からの被検出ガスの濃度などに基づく正常出力と、異常であるガス検出素子の異常状態に対応した異常出力と、を適宜に切り替えて交互（間欠的）に出力することにより、ガスセンサと１本の出力系統を介して接続する外部電子機器は、正常出力と異常出力とを検知することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記出力手段は、前記正常出力が所定条件を満たす場合、前記異常出力を出力しないことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサである。
【０００９】
このようなガスセンサによれば、正常なガスセンサからの正常出力が所定条件を満たす場合、異常出力を出力しないことにより、正常出力を出力することを優先させることができる。なお、後記する実施形態では、「所定条件を満たす場合」を、「基準検出素子５０Ａで検出された水素濃度が、所定水素濃度以上である場合」として例示する。
【００１０】
請求項３に係る発明は、前記出力手段は、異常判定された前記ガス検出素子の異常状態に対応して、前記異常出力を出力する間隔を変更す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である。
【００１１】
このようなガスセンサによれば、異常出力を出力する間隔を変更することにより、外部電子機器は異常状態を好適に検知することができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記出力手段は、異常判定された前記ガス検出素子の異常状態に対応して、前記異常出力の出力値を変更することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサである。
【００１３】
このようなガスセンサによれば、異常出力の出力値を変更することにより、外部電子機器は異常状態を好適に検知することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、１本の出力系統を介して外部電子機器に接続しつつ、被検出ガスに基づく出力と、内蔵されるガス検出素子の異常に基づく出力と、を出力可能なガスセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
参照する図面において、図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２は、水素センサの平面図である。図３は、図２に示す水素センサのIV−IV断面図である。図４は、ガス検出素子の斜視図である。図５は、本実施形態に係る水素センサの検出部および回路部の構成図である。図６は、本実施形態に係る水素センサの動作を説明するフローチャートである。図７は、本実施形態に係る水素センサの出力を示すグラフである。図８は、本実施形態に係る水素センサの出力を示すグラフである。
【００１６】
≪燃料電池システム≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、燃料電池自動車（車両）に搭載されたシステムであって、燃料電池自動車は燃料電池２の発電電力によって走行モータ（図示しない）を駆動させて走行するようになっている。
燃料電池システムＳは、動力源となる燃料電池２と、燃料極（アノード）側の入口側配管３および出口側配管５と、酸素極（カソード）側の入口側配管４および出口側配管６と、システムを制御するＥＣＵ２０と、出口側配管６に設けられ水素（被検出ガス）を検出する水素センサ１（ガスセンサ）と、を主に備えている。
【００１７】
燃料電池２は、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極で挟持した膜電極接合体を、更に一対のセパレータで挟持してなる単セル（図示しない）を多数組積層して構成されたスタックからなる。
【００１８】
燃料電池２には、例えば高圧の水素タンク等を備える水素供給装置（図示しない）から燃料極側の入口側配管３を介して燃料として水素が燃料極に供給されるとともに、コンプレッサ１１により酸素極側の入口側配管４を介して酸化剤として空気が酸素極に供給される。燃料極の触媒電極上では、触媒反応により水素がイオン化され、生成された水素イオンが適度に加湿された固体高分子電解質膜を拡散・通過して酸素極まで移動する。そして、この水素イオンが移動する間に、電子が走行モータを含む外部回路に取り出され、直流の電気エネルギ（電力）として利用される。また、酸素極には酸素を含む空気が供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子および酸素が、酸素極の触媒の作用により電気化学的に反応して水が生成される。なお、コンプレッサ１１は、ＥＣＵ２０により発電要求に対応して適宜に制御される。
そして、燃料極側の出口側配管５および酸素極側の出口側配管６から未反応の反応ガス（例えば、水素や空気等）を含むいわゆるオフガスが排出される。
【００１９】
ここで、未反応の水素を含む水素オフガス（アノードオフガス）は、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５から水素循環配管１２に排出され、エゼクタ１３を介して燃料極側の入口側配管３に戻され、再び燃料電池２の燃料極に供給されるようになっている。一方、反応済みの空気中に水分を多量に含んだ空気オフガス（カソードオフガス）は、希釈器１６および出口側配管６を介して大気中へ排出される。
【００２０】
さらに、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５にはパージ弁１４を介して水素排出配管１５が接続され、この水素排出配管１５には希釈器１６が接続されている。そして、水素オフガスは、パージ弁１４を介して水素排出配管１５に排出可能とされ、さらに、水素排出配管１５を通って希釈器１６に導入可能とされている。希釈器１６は、水素排出配管１５から取り込んだ水素オフガスを、酸素極側の出口側配管６から排出された空気オフガスによって適宜の倍率で希釈し、希釈ガスとして排出することができるように構成されている。なお、パージ弁１４は、ＥＣＵ２０によって開閉制御されている。
【００２１】
そして、この希釈器１６の下流側の出口側配管６には、水素を検出するガス接触燃焼式の水素センサ１が配置されており、これによりオフガス（空気オフガス、希釈ガス）中の水素濃度が監視されるようになっている。水素センサ１は、オフガスの流通方向が水平方向となるように配置された出口側配管６の鉛直方向上部に配置されている。また、水素センサ１は、燃料電池システムＳの運転を制御するＥＣＵ２０（Electronic Control Unit、電子制御装置）の制御部２１と１本の出力系統（いわゆる１ピン）で電気的に接続している。
【００２２】
ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、制御部２１と、記憶部２２とを主に備えている。制御部２１は、コンプレッサ１１およびパージ弁１４と電気的に接続しており、これらを適宜に制御するようになっている。
また、制御部２１は１本の出力系統を介して水素センサ１と電気的に接続している。そして、制御部２１は、水素センサ１から送られる水素濃度に対応した正常出力と、記憶部２２に記憶された水素濃度マップとに基づいて水素濃度を算出し、算出した水素濃度を水素濃度表示モニタ（図示しない）に出力するようになっている。なお、水素濃度マップとは、水素センサ１から送られる正常出力と、水素濃度とが関連付けられたデータである。
【００２３】
さらに、制御部２１は、水素センサ１から送られる異常出力と、記憶部２２に記憶された異常出力マップとに基づいて、水素センサ１がどのような異常状態にあるかを判定するようになっている。そして、制御部２１は、水素センサ１が異常である場合、警報装置２３（例えば警告灯）を作動させるようになっている。なお、異常出力マップとは、水素センサ１から送られる異常出力と、水素センサ１の異常状態とが関連付けられたデータである。
【００２４】
＜水素センサの構成＞
水素センサ１は、出口側配管６内を流れるオフガス（空気オフガス、希釈ガス）中の水素を検出し、検出した水素の濃度に対応した出力（出力）をＥＣＵ２０の制御部２１に出力する機能を有している。また、水素センサ１は、内蔵する基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂ（ともに特許請求の範囲における「ガス検出素子」に相当）の自己異常判定機能を有しており、異常判定された場合、異常状態に対応した異常出力を制御部２１に出力する機能を有している。
【００２５】
［水素センサの機械的構成］
水素センサ１の機械的構成について、図２から図４を参照して説明する。
図２および図３に示すように、水素センサ１は、制御基板３９を収容した直方体形状のケース３０を備えている。ケース３０は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、その長手方向両端部にフランジ部３１を備えている。フランジ部３１にはカラー３２が取り付けられており、このカラー３２内にボルト３３が挿入されることで、フランジ部３１は、酸素極側の出口側配管６に設けられた取付座６Ａ（図３参照）に締結されて固定されるようになっている。
【００２６】
図３に示すように、ケース３０の厚さ方向における下面３０ａには筒状部３４が形成されている。筒状部３４の先端は開口しており、水素を含むオフガスを取り込むガス取込部３６となっている。筒状部３４の内部は、ガス検出室３５として機能しており、ガス検出室３５内には、基準検出素子５０Ａ（ガス検出素子）と、常用検出素子５０Ｂ（ガス検出素子）とがベース３８、３８を介して、ケース３０の下面３０ａに配置されている。すなわち、水素センサ１は２つ（複数）のガス検出素子として、基準検出素子５０Ａと、常用検出素子５０Ｂとを備えている。
【００２７】
筒状部３４の外周には、シール部材３７が設けられ、出口側配管６に貫通して形成された貫通孔６Ｂに筒状部３４が挿通されて水素センサ１が出口側配管６に取り付けられる。シール部材３７は、貫通孔６Ｂと筒状部３４とに密着して、これらの間の気密性が確保されている。
【００２８】
続いて、ガス検出素子である基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂについて詳細に説明する。
図４に示すように、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂは、それぞれ検出素子５１と温度補償素子５２との対により構成されている。検出素子５１は、周知の素子であって、電気抵抗に対する温度係数が高い白金等を含む金属線のコイル５１ａが、触媒５１ｂを坦持したアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。触媒５１ｂは、水素などの被検出ガスに対して活性な貴金属などからなる。温度補償素子５２は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子５１と同等のコイル５２ａ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。
【００２９】
そして、被検出ガスが、触媒５１ｂに接触した際に生じる反応熱により検出素子５１が高温になると、検出素子５１と温度補償素子５２の抵抗値に差が生じるので、この差から水素濃度を検出することができるようになっている。なお、雰囲気温度による電気抵抗値の変化は、温度補償素子５２を利用することにより相殺されるようになっている。
【００３０】
検出素子５１と温度補償素子５２は、互いに近接して配置され、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂも互いに近接して配置されている。また、検出素子５１および温度補償素子５２は、ベース３８から所定距離離間して設けられ、ベース３８に対し同じ高さに位置している。なお、ここでいう近接とは、雰囲気が同じ領域内であることをいい、例えば、被検出ガスである水素の濃度や温度が実質的に同一な領域であることをいう。基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂにより検出された水素濃度でいえば、各濃度検出値間の偏差が各濃度検出値に対して所定割合以内、例えば±２０％以内とされ、より好ましくは、例えば±１０％以内とされ、さらに好ましくは、例えば±５％以内なるようにして各素子が配置されている。
【００３１】
［水素センサの電気的構成］
次に、制御基板３９を含む水素センサ１の電気的構成について、図５を参照して説明する。
図５に示すように、水素センサ１は、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂを含む検出部５０と、検出部５０から送られた出力を処理してＥＣＵ２０の制御部２１に出力する回路部６０と、を備えている。
【００３２】
基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂは、それぞれ検出素子５１（抵抗値Ｒ４）及び温度補償素子５２（抵抗値Ｒ３）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗５３（抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗５４（抵抗値Ｒ２）が直列接続されてなる枝辺とが、水素センサ１の外部の電源７１（二次電池など）から供給される電圧に基づいて、所定の基準電圧を印加する回路部６０の基準電圧発生回路６１に対して並列に接続されることで構成されており、いわゆるブリッジ回路が形成されている。
各ブリッジ回路において、検出素子５１と温度補償素子５２の接続点ＰＳと、固定抵抗５３と固定抵抗５４の接続点ＰＲとの間に、これらの接続点ＰＳ、ＰＲ間の電圧を検出する回路部６０の基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂが接続されている。
【００３３】
ここで、ガス検出室３５（図３参照）内に導入された検査対象ガス中に水素（被検出ガス）が存在しないときには、前記各ブリッジ回路はバランスしてＲ１×Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ３の状態にあり、基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂの出力がともにゼロとなる。
一方、水素が存在すると、検出素子５１の触媒５１ｂにおいて水素が燃焼することでコイル５１ａの温度が上昇し、抵抗値Ｒ４が増大する。これに対して温度補償素子５２においては水素が燃焼せず、抵抗値Ｒ３は変化しない。これにより、ブリッジ回路の平衡が破れ、基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂに、水素濃度の増大変化に応じた電圧が印加されるようになっている。
【００３４】
基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂは、前記ブリッジ回路から印加された電圧の検出値を、異常判定部６６および出力選択部６７に、それぞれ出力するようになっている。
【００３５】
（異常判定部）
異常判定部６６（異常判定手段）は、基準検出素子５０Ａの検出値（出力）と、常用検出素子５０Ｂの検出値（出力）とを、互いに独立に、その内部に記憶された所定基準値と比較する絶対診断によって（図６、Ｓ１０１、Ｓ１０２参照）、基準検出素子５０Ａ、常用検出素子５０Ｂの異常判定（例えば各検出素子の劣化判定）を行うようになっている。そして、異常判定部６６は、判定結果を出力選択部６７および出力回路６８に出力するようになっている。
なお、基準検出素子５０Ａまたは常用検出素子５０Ｂが異常な状態であるとは、例えば、これらからの検出値と前記所定基準値との差が所定閾値より大きく、基準検出素子５０Ａまたは常用検出素子５０Ｂが劣化や、短絡していると推定される状態である。一方、基準検出素子５０Ａまたは常用検出素子５０Ｂが異常でない、つまり正常な状態であるとは、これらからの検出値と前記所定基準値との差が所定閾値以下であり、基準検出素子５０Ａまたは常用検出素子５０Ｂが正常に作動していると推定される状態である。
【００３６】
（出力選択部）
出力選択部６７（出力選択手段）は、異常判定部６６から入力される判定結果に対応して、基準検出回路６５Ａ（基準検出素子５０Ａ）または常用検出回路６５Ｂ（常用検出素子５０Ｂ）から出力される検出値（１つのガス検出素子の出力）を適宜に選択して出力回路６８へ出力するようになっている。
【００３７】
具体的に説明すると、（１）出力選択部６７は、異常判定部６６から、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂのいずれもが正常であることを示す判定結果が入力された場合、常用検出回路６５Ｂから入力された検出値を選択し、出力回路６８に出力するようになっている。
【００３８】
（２）また、出力選択部６７は、異常判定部６６から、常用検出素子５０Ｂのみが異常（つまり基準検出素子５０Ａは正常）であることを示す判定結果が入力された場合、基準検出回路６５Ａから入力された検出値を選択し、出力回路６８へ出力するようになっている。
これとは逆に、基準検出素子５０Ａのみが異常（つまり常用検出素子５０Ｂは正常）であることを示す判定結果が入力された場合、常用検出回路６５Ｂから入力された検出値を選択し、出力回路６８に出力するようになっている。
【００３９】
（３）さらに、出力選択部６７は、異常判定部６６から、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの両方が異常であることを示す判定結果が入力された場合、基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂから入力された両方の検出値をいずれも選択せず、出力回路６８に出力しないように設定されている。
【００４０】
（出力回路）
出力回路６８（出力手段）は、１本の出力系統を介して、後記する正常出力または異常出力を、ＥＣＵ２０の制御部２１に出力する回路である。
【００４１】
具体的に説明すると、（１）出力回路６８は、異常判定部６６から、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂのいずれもが正常であることを示す判定結果が入力された場合、出力選択部６７から入力された検出値に基づく正常出力を、制御部２１に出力するようになっている。
【００４２】
（２）また、出力回路６８は、異常判定部６６から、基準検出素子５０Ａまたは常用検出素子５０Ｂが異常であることを示す判定結果が入力された場合、出力選択部６７から入力される正常な検出素子の検出値に基づく正常出力と、異常である検出素子の異常状態に対応した異常出力と、を交互に切り替えて出力するようになっている。例えば、図７に示すように、出力回路６８は、検出された水素濃度に対応した正常出力を主に連続的に出力しつつ、正常出力に代えて異常出力を間欠的に出力するようになっている。
なお、出力回路６８から出力される異常出力の出力値は、制御部２１が誤検知しないように、正常出力の予想される出力範囲外の値に設定されている。また、異常出力の出力間隔は、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの異常状態に対応して変更されるように設定されている。さらに、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの異常状態に対応して、異常出力の出力値を変更するようにしてもよい。このように異常出力の間隔や出力値を変更すれば、制御部２１の誤検知をさらに抑えることができる。
【００４３】
（３）さらに、出力回路６８は、異常判定部６６から、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの両方が異常であることを示す判定結果が入力された場合、異常出力を出力するようになっている。なお、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの両方が異常である場合、前記したように出力選択部６７から入力はされない。
【００４４】
（電圧コントローラ、通電指示部）
電圧コントローラ６２Ａは、基準検出素子５０Ａと基準電圧発生回路６１との間に設けられている。そして、電圧コントローラ６２Ａには、通電指示部６３から基準検出素子５０Ａに印加する印加電圧を制御する制御指令が送られるようになっており、電圧コントローラ６２Ａはこの制御指令に従って、基準検出素子５０Ａの印加電圧を制御する。
電圧コントローラ６２Ｂは、常用検出素子５０Ｂと基準電圧発生回路６１との間に設けられている。そして、電圧コントローラ６２Ｂには、通電指示部６３から常用検出素子５０Ｂに印加する印加電圧を制御する制御指令が送られるようになっており、電圧コントローラ６２Ｂはこの制御指令に従って、常用検出素子５０Ｂの印加電圧を制御する。
なお、通電指示部６３は、所定のタイミングや、異常判定部６６から入力される異常判定の結果に基づいて、各電圧コントローラ６２Ａ、６２Ｂの動作を指示するようになっている。
【００４５】
＜水素センサの動作＞
次に、本実施形態に係る水素センサ１の動作について、図６から図８を主に参照して説明する。
【００４６】
燃料電池自動車のイグニッションスイッチのＯＮに連動して、水素センサ１が起動すると、図６のフローチャートに示す動作がスタートし、ステップＳ１０１に進む。
【００４７】
ステップＳ１０１において、異常判定部６６は、常用検出素子５０Ｂが異常であるか否かを判定する。常用検出素子５０Ｂは異常であると判定された場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１０２に進む。
一方、常用検出素子５０Ｂは異常でない、つまり、正常であると判定された場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、異常判定部６６は常用検出素子５０Ｂが正常であることを示す判定結果を、出力選択部６７および出力回路６８に出力する。そうすると、出力選択部６７は常用検出回路６５Ｂ（常用検出素子５０Ｂ）からの検出値を選択して出力回路６８に出力する。そして、出力回路６８は、この出力を通常出力、つまり正常出力として制御部２１に出力する（Ｓ１０５）。その後、処理はリターンに進み、スタートに戻る。したがって、制御部２１は、この正常出力に基づいて水素濃度を検知することができる。
【００４８】
ステップＳ１０２において、異常判定部６６は、基準検出素子５０Ａが異常であるか否かを判定する。
基準検出素子５０Ａは異常であると判定された場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６において、異常判定部６６は、出力選択部６７および出力回路６８に、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂが共に異常であることを示す判定結果を出力する。これにより、出力選択部６７は、基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂからの入力値を選択せず、出力回路６８に出力しない。これと共に、出力回路６８は、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂが異常であることを示す異常出力を制御部２１に出力する。その後、処理はリターンに進む。なお、異常出力のみが入力された制御部２１は、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂが異常であることを検知し、警報装置２３を作動させる。
【００４９】
一方、基準検出素子５０Ａは異常でない、つまり、基準検出素子５０Ａは正常であると判定された場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、基準検出素子５０Ａは正常であり、常用検出素子５０Ｂは異常であることを示す判定結果が、出力選択部６７および出力回路６８に、それぞれ出力される。これにより、出力選択部６７は、基準検出回路６５Ａ（基準検出素子５０Ａ）からの検出値を選択し、出力回路６８に出力する。そして、処理はステップＳ１０３に進む。
【００５０】
ステップＳ１０３において、出力回路６８は、出力選択部６７から入力された入力値と、所定水素濃度に対応しその内部に予め設定された所定電圧（閾値）とを比較し、基準検出素子５０Ａで検出された水素濃度が、所定水素濃度以上であるか否かを判定する。
【００５１】
「検出された水素濃度≧所定水素濃度」であると判定された場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進み、出力回路６８は常用検出素子５０Ｂが異常であることを示す異常出力を出力せず、出力選択部６７および基準検出回路６５Ａを介して基準検出素子５０Ａから送られる出力を、制御部２１に出力する（図８参照）。
これにより、出力回路６８は、常用検出素子５０Ｂが異常であるか否かに係る異常出力よりも、所定濃度以上の水素が検出されているか否かに係る正常出力、すなわち、出口側配管６内を所定濃度以上の水素が流れているか否かという、水素センサ１の本来の機能を優先させることができる。
【００５２】
一方、「検出された水素濃度＜所定水素濃度」であると判定された場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ステップＳ１０４に進み、出力回路６８は、図７に示すように、基準検出素子５０Ａからの検出値に基づく正常出力と、常用検出素子５０Ｂの異常状態に対応した異常出力とを、交互に切り替えて制御部２１に出力する。すなわち、出力回路６８は、基準検出素子５０Ａで検出された水素濃度に対応した正常出力を主に連続的に出力しつつ、正常出力に代えて、常用検出素子５０Ｂが異常状態であることを示す異常出力を、間欠的に出力するようになっている。
【００５３】
これにより、制御部２１は、基準検出素子５０Ａからの正常出力に基づいて、出口側配管６内を流れるオフガス中の水素濃度を算出しつつ、異常出力に基づいて、警報装置２３を作動させることができる。すなわち、水素センサ１の出力回路６８と、ＥＣＵ２０の制御部２１とが、１本の出力系統のみで接続されていても、ＥＣＵ２０は、水素センサ１が検出する水素濃度と、水素センサ１の異常状態とを検知することができる。
なお、常用検出素子５０Ｂの異常状態を示す異常出力の出力間隔は、常用検出素子５０Ｂの異常状態に対応して変更してもよいし、さらに、異常状態に対応して、異常出力の出力値を変更するようにしてもよい。
【００５４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態には限定されず、適宜変更して実施することができる。
前記した実施形態では、被検出ガスが水素である場合を説明したが、被検出ガスは水素に限定されるものではなく、例えば、一酸化炭素、硫化水素など他のガスであってもよい。また、前記した実施形態では、ガスセンサとして接触燃焼式ガスセンサを示したが、半導体式ガスセンサなど、他の方式のセンサであってもよい。
【００５５】
前記した実施形態では、水素センサ１は、複数のガス検出素子として、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂとを各一つずつ備える構成としたが、ガス検出素子の数はこれに限定されず、例えば、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂとをそれぞれ複数備えてもよい。
【００５６】
前記した実施形態では、異常判定部６６は、基準検出素子５０Ａの検出値と常用検出素子５０Ｂの検出値とを互いに独立に所定基準値と比較する絶対診断によって、各基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの異常判定（劣化診断）を行うとしたが、異常判定方法はこれに限定されず、基準検出素子５０Ａの検出値と常用検出素子５０Ｂの検出値とを相対的に比較する相対診断によって、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの異常判定を行ってもよい。
【００５７】
前記した実施形態では、水素センサ１が、燃料電池システムＳのオフガスが流通する出口側配管６に設けられた場合を例示したが、水素センサ１の設置位置はこれに限定されない。例えば、燃料電池自動車の場合、その車内に設けられた水素センサであってもよいし、家庭用の据え置き型の燃料電池システムに設けられた水素センサであってもよい。
【００５８】
前記した実施形態では、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂとが、水素センサ１の長手方向に配置された場合を例示したが、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂの配置はこれに限定されず、互いに近接した関係にあり、必要な機能を満たす限り自由に配置してもよい。例えば、各ベース３８に配置された基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂを２段で重ねるよう配置されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】水素センサの平面図である。
【図３】図２に示す水素センサのIV−IV断面図である。
【図４】ガス検出素子の斜視図である。
【図５】本実施形態に係る水素センサの検出部および回路部の構成図である。
【図６】本実施形態に係る水素センサの動作を説明するフローチャートである。
【図７】本実施形態に係る水素センサの出力を示すグラフである。
【図８】本実施形態に係る水素センサの出力を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
１ 水素センサ（ガスセンサ）
２０ ＥＣＵ（外部電子機器）
５０Ａ 基準検出素子（ガス検出素子）
５０Ｂ 常用検出素子（ガス検出素子）
５１ 検出素子
５１ａ コイル
５１ｂ 触媒
５２ 温度補償素子
６６ 異常判定部（異常判定手段）
６７ 出力選択部（出力選択手段）
６８ 出力回路（出力手段）
Ｓ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１本の出力系統を介してＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）などの外部電子機器に接続するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側を燃料極と酸素極で挟み込んで単セルを形成し、この単セルを複数積層して一つの燃料電池スタックを構成している。そして、燃料極には、燃料として水素が供給され、酸素極には酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動し、水素イオンと酸素が電気化学反応を起こして発電する。
【０００３】
このような固体高分子膜型燃料電池においては、従来、燃料電池の酸素極側の排出系にガスセンサを備え、このガスセンサ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する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−６１２４４号公報（段落００２０〜００４２、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のガスセンサは、水素濃度に基づく出力と、内蔵されるガス検出素子の異常に基づく出力とを、ＥＣＵに出力するために、ＥＣＵと２本の出力系統を介して接続していた。
【０００５】
そこで、本発明は、１本の出力系統を介して外部電子機器に接続しつつ、被検出ガスに基づく出力と、内蔵されるガス検出素子の異常に基づく出力と、を出力可能なガスセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、被検出ガスを検出する複数のガス検出素子と、前記複数のガス検出素子が異常であるか否かを判定する異常判定手段と、前記複数のガス検出素子の出力から１つのガス検出素子の出力を選択する出力選択手段と、前記選択された１つのガス検出素子の出力を、１本の出力系統（出力信号線）を介して外部電子機器に出力する出力手段と、を備え、前記出力選択手段は、前記異常判定手段が正常であると判定した前記ガス検出素子の正常出力を選択し、前記出力手段は、前記異常判定手段が異常判定をした場合、前記出力選択手段が選択したガス検出素子の正常出力と、異常判定された前記ガス検出素子に対応した異常出力と、を切り替えて出力することを特徴とするガスセンサである。
【０００７】
このようなガスセンサによれば、出力手段が、正常であるガス検出素子からの被検出ガスの濃度などに基づく正常出力と、異常であるガス検出素子の異常状態に対応した異常出力と、を適宜に切り替えて交互（間欠的）に出力することにより、ガスセンサと１本の出力系統を介して接続する外部電子機器は、正常出力と異常出力とを検知することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記出力手段は、前記正常出力が所定条件を満たす場合、前記異常出力を出力しないことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサである。
【０００９】
このようなガスセンサによれば、正常なガスセンサからの正常出力が所定条件を満たす場合、異常出力を出力しないことにより、正常出力を出力することを優先させることができる。なお、後記する実施形態では、「所定条件を満たす場合」を、「基準検出素子５０Ａで検出された水素濃度が、所定水素濃度以上である場合」として例示する。
【００１０】
請求項３に係る発明は、前記出力手段は、異常判定された前記ガス検出素子の異常状態に対応して、前記異常出力を出力する間隔を変更す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である。
【００１１】
このようなガスセンサによれば、異常出力を出力する間隔を変更することにより、外部電子機器は異常状態を好適に検知することができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記出力手段は、異常判定された前記ガス検出素子の異常状態に対応して、前記異常出力の出力値を変更することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサである。
【００１３】
このようなガスセンサによれば、異常出力の出力値を変更することにより、外部電子機器は異常状態を好適に検知することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、１本の出力系統を介して外部電子機器に接続しつつ、被検出ガスに基づく出力と、内蔵されるガス検出素子の異常に基づく出力と、を出力可能なガスセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
参照する図面において、図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２は、水素センサの平面図である。図３は、図２に示す水素センサのIV−IV断面図である。図４は、ガス検出素子の斜視図である。図５は、本実施形態に係る水素センサの検出部および回路部の構成図である。図６は、本実施形態に係る水素センサの動作を説明するフローチャートである。図７は、本実施形態に係る水素センサの出力を示すグラフである。図８は、本実施形態に係る水素センサの出力を示すグラフである。
【００１６】
≪燃料電池システム≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、燃料電池自動車（車両）に搭載されたシステムであって、燃料電池自動車は燃料電池２の発電電力によって走行モータ（図示しない）を駆動させて走行するようになっている。
燃料電池システムＳは、動力源となる燃料電池２と、燃料極（アノード）側の入口側配管３および出口側配管５と、酸素極（カソード）側の入口側配管４および出口側配管６と、システムを制御するＥＣＵ２０と、出口側配管６に設けられ水素（被検出ガス）を検出する水素センサ１（ガスセンサ）と、を主に備えている。
【００１７】
燃料電池２は、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極で挟持した膜電極接合体を、更に一対のセパレータで挟持してなる単セル（図示しない）を多数組積層して構成されたスタックからなる。
【００１８】
燃料電池２には、例えば高圧の水素タンク等を備える水素供給装置（図示しない）から燃料極側の入口側配管３を介して燃料として水素が燃料極に供給されるとともに、コンプレッサ１１により酸素極側の入口側配管４を介して酸化剤として空気が酸素極に供給される。燃料極の触媒電極上では、触媒反応により水素がイオン化され、生成された水素イオンが適度に加湿された固体高分子電解質膜を拡散・通過して酸素極まで移動する。そして、この水素イオンが移動する間に、電子が走行モータを含む外部回路に取り出され、直流の電気エネルギ（電力）として利用される。また、酸素極には酸素を含む空気が供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子および酸素が、酸素極の触媒の作用により電気化学的に反応して水が生成される。なお、コンプレッサ１１は、ＥＣＵ２０により発電要求に対応して適宜に制御される。
そして、燃料極側の出口側配管５および酸素極側の出口側配管６から未反応の反応ガス（例えば、水素や空気等）を含むいわゆるオフガスが排出される。
【００１９】
ここで、未反応の水素を含む水素オフガス（アノードオフガス）は、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５から水素循環配管１２に排出され、エゼクタ１３を介して燃料極側の入口側配管３に戻され、再び燃料電池２の燃料極に供給されるようになっている。一方、反応済みの空気中に水分を多量に含んだ空気オフガス（カソードオフガス）は、希釈器１６および出口側配管６を介して大気中へ排出される。
【００２０】
さらに、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５にはパージ弁１４を介して水素排出配管１５が接続され、この水素排出配管１５には希釈器１６が接続されている。そして、水素オフガスは、パージ弁１４を介して水素排出配管１５に排出可能とされ、さらに、水素排出配管１５を通って希釈器１６に導入可能とされている。希釈器１６は、水素排出配管１５から取り込んだ水素オフガスを、酸素極側の出口側配管６から排出された空気オフガスによって適宜の倍率で希釈し、希釈ガスとして排出することができるように構成されている。なお、パージ弁１４は、ＥＣＵ２０によって開閉制御されている。
【００２１】
そして、この希釈器１６の下流側の出口側配管６には、水素を検出するガス接触燃焼式の水素センサ１が配置されており、これによりオフガス（空気オフガス、希釈ガス）中の水素濃度が監視されるようになっている。水素センサ１は、オフガスの流通方向が水平方向となるように配置された出口側配管６の鉛直方向上部に配置されている。また、水素センサ１は、燃料電池システムＳの運転を制御するＥＣＵ２０（Electronic Control Unit、電子制御装置）の制御部２１と１本の出力系統（いわゆる１ピン）で電気的に接続している。
【００２２】
ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、制御部２１と、記憶部２２とを主に備えている。制御部２１は、コンプレッサ１１およびパージ弁１４と電気的に接続しており、これらを適宜に制御するようになっている。
また、制御部２１は１本の出力系統を介して水素センサ１と電気的に接続している。そして、制御部２１は、水素センサ１から送られる水素濃度に対応した正常出力と、記憶部２２に記憶された水素濃度マップとに基づいて水素濃度を算出し、算出した水素濃度を水素濃度表示モニタ（図示しない）に出力するようになっている。なお、水素濃度マップとは、水素センサ１から送られる正常出力と、水素濃度とが関連付けられたデータである。
【００２３】
さらに、制御部２１は、水素センサ１から送られる異常出力と、記憶部２２に記憶された異常出力マップとに基づいて、水素センサ１がどのような異常状態にあるかを判定するようになっている。そして、制御部２１は、水素センサ１が異常である場合、警報装置２３（例えば警告灯）を作動させるようになっている。なお、異常出力マップとは、水素センサ１から送られる異常出力と、水素センサ１の異常状態とが関連付けられたデータである。
【００２４】
＜水素センサの構成＞
水素センサ１は、出口側配管６内を流れるオフガス（空気オフガス、希釈ガス）中の水素を検出し、検出した水素の濃度に対応した出力（出力）をＥＣＵ２０の制御部２１に出力する機能を有している。また、水素センサ１は、内蔵する基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂ（ともに特許請求の範囲における「ガス検出素子」に相当）の自己異常判定機能を有しており、異常判定された場合、異常状態に対応した異常出力を制御部２１に出力する機能を有している。
【００２５】
［水素センサの機械的構成］
水素センサ１の機械的構成について、図２から図４を参照して説明する。
図２および図３に示すように、水素センサ１は、制御基板３９を収容した直方体形状のケース３０を備えている。ケース３０は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、その長手方向両端部にフランジ部３１を備えている。フランジ部３１にはカラー３２が取り付けられており、このカラー３２内にボルト３３が挿入されることで、フランジ部３１は、酸素極側の出口側配管６に設けられた取付座６Ａ（図３参照）に締結されて固定されるようになっている。
【００２６】
図３に示すように、ケース３０の厚さ方向における下面３０ａには筒状部３４が形成されている。筒状部３４の先端は開口しており、水素を含むオフガスを取り込むガス取込部３６となっている。筒状部３４の内部は、ガス検出室３５として機能しており、ガス検出室３５内には、基準検出素子５０Ａ（ガス検出素子）と、常用検出素子５０Ｂ（ガス検出素子）とがベース３８、３８を介して、ケース３０の下面３０ａに配置されている。すなわち、水素センサ１は２つ（複数）のガス検出素子として、基準検出素子５０Ａと、常用検出素子５０Ｂとを備えている。
【００２７】
筒状部３４の外周には、シール部材３７が設けられ、出口側配管６に貫通して形成された貫通孔６Ｂに筒状部３４が挿通されて水素センサ１が出口側配管６に取り付けられる。シール部材３７は、貫通孔６Ｂと筒状部３４とに密着して、これらの間の気密性が確保されている。
【００２８】
続いて、ガス検出素子である基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂについて詳細に説明する。
図４に示すように、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂは、それぞれ検出素子５１と温度補償素子５２との対により構成されている。検出素子５１は、周知の素子であって、電気抵抗に対する温度係数が高い白金等を含む金属線のコイル５１ａが、触媒５１ｂを坦持したアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。触媒５１ｂは、水素などの被検出ガスに対して活性な貴金属などからなる。温度補償素子５２は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子５１と同等のコイル５２ａ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。
【００２９】
そして、被検出ガスが、触媒５１ｂに接触した際に生じる反応熱により検出素子５１が高温になると、検出素子５１と温度補償素子５２の抵抗値に差が生じるので、この差から水素濃度を検出することができるようになっている。なお、雰囲気温度による電気抵抗値の変化は、温度補償素子５２を利用することにより相殺されるようになっている。
【００３０】
検出素子５１と温度補償素子５２は、互いに近接して配置され、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂも互いに近接して配置されている。また、検出素子５１および温度補償素子５２は、ベース３８から所定距離離間して設けられ、ベース３８に対し同じ高さに位置している。なお、ここでいう近接とは、雰囲気が同じ領域内であることをいい、例えば、被検出ガスである水素の濃度や温度が実質的に同一な領域であることをいう。基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂにより検出された水素濃度でいえば、各濃度検出値間の偏差が各濃度検出値に対して所定割合以内、例えば±２０％以内とされ、より好ましくは、例えば±１０％以内とされ、さらに好ましくは、例えば±５％以内なるようにして各素子が配置されている。
【００３１】
［水素センサの電気的構成］
次に、制御基板３９を含む水素センサ１の電気的構成について、図５を参照して説明する。
図５に示すように、水素センサ１は、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂを含む検出部５０と、検出部５０から送られた出力を処理してＥＣＵ２０の制御部２１に出力する回路部６０と、を備えている。
【００３２】
基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂは、それぞれ検出素子５１（抵抗値Ｒ４）及び温度補償素子５２（抵抗値Ｒ３）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗５３（抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗５４（抵抗値Ｒ２）が直列接続されてなる枝辺とが、水素センサ１の外部の電源７１（二次電池など）から供給される電圧に基づいて、所定の基準電圧を印加する回路部６０の基準電圧発生回路６１に対して並列に接続されることで構成されており、いわゆるブリッジ回路が形成されている。
各ブリッジ回路において、検出素子５１と温度補償素子５２の接続点ＰＳと、固定抵抗５３と固定抵抗５４の接続点ＰＲとの間に、これらの接続点ＰＳ、ＰＲ間の電圧を検出する回路部６０の基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂが接続されている。
【００３３】
ここで、ガス検出室３５（図３参照）内に導入された検査対象ガス中に水素（被検出ガス）が存在しないときには、前記各ブリッジ回路はバランスしてＲ１×Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ３の状態にあり、基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂの出力がともにゼロとなる。
一方、水素が存在すると、検出素子５１の触媒５１ｂにおいて水素が燃焼することでコイル５１ａの温度が上昇し、抵抗値Ｒ４が増大する。これに対して温度補償素子５２においては水素が燃焼せず、抵抗値Ｒ３は変化しない。これにより、ブリッジ回路の平衡が破れ、基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂに、水素濃度の増大変化に応じた電圧が印加されるようになっている。
【００３４】
基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂは、前記ブリッジ回路から印加された電圧の検出値を、異常判定部６６および出力選択部６７に、それぞれ出力するようになっている。
【００３５】
（異常判定部）
異常判定部６６（異常判定手段）は、基準検出素子５０Ａの検出値（出力）と、常用検出素子５０Ｂの検出値（出力）とを、互いに独立に、その内部に記憶された所定基準値と比較する絶対診断によって（図６、Ｓ１０１、Ｓ１０２参照）、基準検出素子５０Ａ、常用検出素子５０Ｂの異常判定（例えば各検出素子の劣化判定）を行うようになっている。そして、異常判定部６６は、判定結果を出力選択部６７および出力回路６８に出力するようになっている。
なお、基準検出素子５０Ａまたは常用検出素子５０Ｂが異常な状態であるとは、例えば、これらからの検出値と前記所定基準値との差が所定閾値より大きく、基準検出素子５０Ａまたは常用検出素子５０Ｂが劣化や、短絡していると推定される状態である。一方、基準検出素子５０Ａまたは常用検出素子５０Ｂが異常でない、つまり正常な状態であるとは、これらからの検出値と前記所定基準値との差が所定閾値以下であり、基準検出素子５０Ａまたは常用検出素子５０Ｂが正常に作動していると推定される状態である。
【００３６】
（出力選択部）
出力選択部６７（出力選択手段）は、異常判定部６６から入力される判定結果に対応して、基準検出回路６５Ａ（基準検出素子５０Ａ）または常用検出回路６５Ｂ（常用検出素子５０Ｂ）から出力される検出値（１つのガス検出素子の出力）を適宜に選択して出力回路６８へ出力するようになっている。
【００３７】
具体的に説明すると、（１）出力選択部６７は、異常判定部６６から、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂのいずれもが正常であることを示す判定結果が入力された場合、常用検出回路６５Ｂから入力された検出値を選択し、出力回路６８に出力するようになっている。
【００３８】
（２）また、出力選択部６７は、異常判定部６６から、常用検出素子５０Ｂのみが異常（つまり基準検出素子５０Ａは正常）であることを示す判定結果が入力された場合、基準検出回路６５Ａから入力された検出値を選択し、出力回路６８へ出力するようになっている。
これとは逆に、基準検出素子５０Ａのみが異常（つまり常用検出素子５０Ｂは正常）であることを示す判定結果が入力された場合、常用検出回路６５Ｂから入力された検出値を選択し、出力回路６８に出力するようになっている。
【００３９】
（３）さらに、出力選択部６７は、異常判定部６６から、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの両方が異常であることを示す判定結果が入力された場合、基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂから入力された両方の検出値をいずれも選択せず、出力回路６８に出力しないように設定されている。
【００４０】
（出力回路）
出力回路６８（出力手段）は、１本の出力系統を介して、後記する正常出力または異常出力を、ＥＣＵ２０の制御部２１に出力する回路である。
【００４１】
具体的に説明すると、（１）出力回路６８は、異常判定部６６から、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂのいずれもが正常であることを示す判定結果が入力された場合、出力選択部６７から入力された検出値に基づく正常出力を、制御部２１に出力するようになっている。
【００４２】
（２）また、出力回路６８は、異常判定部６６から、基準検出素子５０Ａまたは常用検出素子５０Ｂが異常であることを示す判定結果が入力された場合、出力選択部６７から入力される正常な検出素子の検出値に基づく正常出力と、異常である検出素子の異常状態に対応した異常出力と、を交互に切り替えて出力するようになっている。例えば、図７に示すように、出力回路６８は、検出された水素濃度に対応した正常出力を主に連続的に出力しつつ、正常出力に代えて異常出力を間欠的に出力するようになっている。
なお、出力回路６８から出力される異常出力の出力値は、制御部２１が誤検知しないように、正常出力の予想される出力範囲外の値に設定されている。また、異常出力の出力間隔は、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの異常状態に対応して変更されるように設定されている。さらに、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの異常状態に対応して、異常出力の出力値を変更するようにしてもよい。このように異常出力の間隔や出力値を変更すれば、制御部２１の誤検知をさらに抑えることができる。
【００４３】
（３）さらに、出力回路６８は、異常判定部６６から、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの両方が異常であることを示す判定結果が入力された場合、異常出力を出力するようになっている。なお、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの両方が異常である場合、前記したように出力選択部６７から入力はされない。
【００４４】
（電圧コントローラ、通電指示部）
電圧コントローラ６２Ａは、基準検出素子５０Ａと基準電圧発生回路６１との間に設けられている。そして、電圧コントローラ６２Ａには、通電指示部６３から基準検出素子５０Ａに印加する印加電圧を制御する制御指令が送られるようになっており、電圧コントローラ６２Ａはこの制御指令に従って、基準検出素子５０Ａの印加電圧を制御する。
電圧コントローラ６２Ｂは、常用検出素子５０Ｂと基準電圧発生回路６１との間に設けられている。そして、電圧コントローラ６２Ｂには、通電指示部６３から常用検出素子５０Ｂに印加する印加電圧を制御する制御指令が送られるようになっており、電圧コントローラ６２Ｂはこの制御指令に従って、常用検出素子５０Ｂの印加電圧を制御する。
なお、通電指示部６３は、所定のタイミングや、異常判定部６６から入力される異常判定の結果に基づいて、各電圧コントローラ６２Ａ、６２Ｂの動作を指示するようになっている。
【００４５】
＜水素センサの動作＞
次に、本実施形態に係る水素センサ１の動作について、図６から図８を主に参照して説明する。
【００４６】
燃料電池自動車のイグニッションスイッチのＯＮに連動して、水素センサ１が起動すると、図６のフローチャートに示す動作がスタートし、ステップＳ１０１に進む。
【００４７】
ステップＳ１０１において、異常判定部６６は、常用検出素子５０Ｂが異常であるか否かを判定する。常用検出素子５０Ｂは異常であると判定された場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１０２に進む。
一方、常用検出素子５０Ｂは異常でない、つまり、正常であると判定された場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、異常判定部６６は常用検出素子５０Ｂが正常であることを示す判定結果を、出力選択部６７および出力回路６８に出力する。そうすると、出力選択部６７は常用検出回路６５Ｂ（常用検出素子５０Ｂ）からの検出値を選択して出力回路６８に出力する。そして、出力回路６８は、この出力を通常出力、つまり正常出力として制御部２１に出力する（Ｓ１０５）。その後、処理はリターンに進み、スタートに戻る。したがって、制御部２１は、この正常出力に基づいて水素濃度を検知することができる。
【００４８】
ステップＳ１０２において、異常判定部６６は、基準検出素子５０Ａが異常であるか否かを判定する。
基準検出素子５０Ａは異常であると判定された場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６において、異常判定部６６は、出力選択部６７および出力回路６８に、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂが共に異常であることを示す判定結果を出力する。これにより、出力選択部６７は、基準検出回路６５Ａおよび常用検出回路６５Ｂからの入力値を選択せず、出力回路６８に出力しない。これと共に、出力回路６８は、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂが異常であることを示す異常出力を制御部２１に出力する。その後、処理はリターンに進む。なお、異常出力のみが入力された制御部２１は、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂが異常であることを検知し、警報装置２３を作動させる。
【００４９】
一方、基準検出素子５０Ａは異常でない、つまり、基準検出素子５０Ａは正常であると判定された場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、基準検出素子５０Ａは正常であり、常用検出素子５０Ｂは異常であることを示す判定結果が、出力選択部６７および出力回路６８に、それぞれ出力される。これにより、出力選択部６７は、基準検出回路６５Ａ（基準検出素子５０Ａ）からの検出値を選択し、出力回路６８に出力する。そして、処理はステップＳ１０３に進む。
【００５０】
ステップＳ１０３において、出力回路６８は、出力選択部６７から入力された入力値と、所定水素濃度に対応しその内部に予め設定された所定電圧（閾値）とを比較し、基準検出素子５０Ａで検出された水素濃度が、所定水素濃度以上であるか否かを判定する。
【００５１】
「検出された水素濃度≧所定水素濃度」であると判定された場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進み、出力回路６８は常用検出素子５０Ｂが異常であることを示す異常出力を出力せず、出力選択部６７および基準検出回路６５Ａを介して基準検出素子５０Ａから送られる出力を、制御部２１に出力する（図８参照）。
これにより、出力回路６８は、常用検出素子５０Ｂが異常であるか否かに係る異常出力よりも、所定濃度以上の水素が検出されているか否かに係る正常出力、すなわち、出口側配管６内を所定濃度以上の水素が流れているか否かという、水素センサ１の本来の機能を優先させることができる。
【００５２】
一方、「検出された水素濃度＜所定水素濃度」であると判定された場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ステップＳ１０４に進み、出力回路６８は、図７に示すように、基準検出素子５０Ａからの検出値に基づく正常出力と、常用検出素子５０Ｂの異常状態に対応した異常出力とを、交互に切り替えて制御部２１に出力する。すなわち、出力回路６８は、基準検出素子５０Ａで検出された水素濃度に対応した正常出力を主に連続的に出力しつつ、正常出力に代えて、常用検出素子５０Ｂが異常状態であることを示す異常出力を、間欠的に出力するようになっている。
【００５３】
これにより、制御部２１は、基準検出素子５０Ａからの正常出力に基づいて、出口側配管６内を流れるオフガス中の水素濃度を算出しつつ、異常出力に基づいて、警報装置２３を作動させることができる。すなわち、水素センサ１の出力回路６８と、ＥＣＵ２０の制御部２１とが、１本の出力系統のみで接続されていても、ＥＣＵ２０は、水素センサ１が検出する水素濃度と、水素センサ１の異常状態とを検知することができる。
なお、常用検出素子５０Ｂの異常状態を示す異常出力の出力間隔は、常用検出素子５０Ｂの異常状態に対応して変更してもよいし、さらに、異常状態に対応して、異常出力の出力値を変更するようにしてもよい。
【００５４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態には限定されず、適宜変更して実施することができる。
前記した実施形態では、被検出ガスが水素である場合を説明したが、被検出ガスは水素に限定されるものではなく、例えば、一酸化炭素、硫化水素など他のガスであってもよい。また、前記した実施形態では、ガスセンサとして接触燃焼式ガスセンサを示したが、半導体式ガスセンサなど、他の方式のセンサであってもよい。
【００５５】
前記した実施形態では、水素センサ１は、複数のガス検出素子として、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂとを各一つずつ備える構成としたが、ガス検出素子の数はこれに限定されず、例えば、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂとをそれぞれ複数備えてもよい。
【００５６】
前記した実施形態では、異常判定部６６は、基準検出素子５０Ａの検出値と常用検出素子５０Ｂの検出値とを互いに独立に所定基準値と比較する絶対診断によって、各基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの異常判定（劣化診断）を行うとしたが、異常判定方法はこれに限定されず、基準検出素子５０Ａの検出値と常用検出素子５０Ｂの検出値とを相対的に比較する相対診断によって、基準検出素子５０Ａおよび常用検出素子５０Ｂの異常判定を行ってもよい。
【００５７】
前記した実施形態では、水素センサ１が、燃料電池システムＳのオフガスが流通する出口側配管６に設けられた場合を例示したが、水素センサ１の設置位置はこれに限定されない。例えば、燃料電池自動車の場合、その車内に設けられた水素センサであってもよいし、家庭用の据え置き型の燃料電池システムに設けられた水素センサであってもよい。
【００５８】
前記した実施形態では、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂとが、水素センサ１の長手方向に配置された場合を例示したが、基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂの配置はこれに限定されず、互いに近接した関係にあり、必要な機能を満たす限り自由に配置してもよい。例えば、各ベース３８に配置された基準検出素子５０Ａと常用検出素子５０Ｂを２段で重ねるよう配置されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】水素センサの平面図である。
【図３】図２に示す水素センサのIV−IV断面図である。
【図４】ガス検出素子の斜視図である。
【図５】本実施形態に係る水素センサの検出部および回路部の構成図である。
【図６】本実施形態に係る水素センサの動作を説明するフローチャートである。
【図７】本実施形態に係る水素センサの出力を示すグラフである。
【図８】本実施形態に係る水素センサの出力を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
１ 水素センサ（ガスセンサ）
２０ ＥＣＵ（外部電子機器）
５０Ａ 基準検出素子（ガス検出素子）
５０Ｂ 常用検出素子（ガス検出素子）
５１ 検出素子
５１ａ コイル
５１ｂ 触媒
５２ 温度補償素子
６６ 異常判定部（異常判定手段）
６７ 出力選択部（出力選択手段）
６８ 出力回路（出力手段）
Ｓ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出ガスを検出する複数のガス検出素子と、
前記複数のガス検出素子が異常であるか否かを判定する異常判定手段と、
前記複数のガス検出素子の出力から１つのガス検出素子の出力を選択する出力選択手段と、
前記選択された１つのガス検出素子の出力を、１本の出力系統を介して外部電子機器に出力する出力手段と、
を備え、
前記出力選択手段は、前記異常判定手段が正常であると判定した前記ガス検出素子の正常出力を選択し、
前記出力手段は、前記異常判定手段が異常判定をした場合、前記出力選択手段が選択したガス検出素子の正常出力と、異常判定された前記ガス検出素子に対応した異常出力と、を切り替えて出力することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記出力手段は、前記正常出力が所定条件を満たす場合、前記異常出力を出力しないことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記出力手段は、異常判定された前記ガス検出素子の異常状態に対応して、前記異常出力を出力する間隔を変更す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。
【請求項４】
前記出力手段は、異常判定された前記ガス検出素子の異常状態に対応して、前記異常出力の出力値を変更することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項１】
被検出ガスを検出する複数のガス検出素子と、
前記複数のガス検出素子が異常であるか否かを判定する異常判定手段と、
前記複数のガス検出素子の出力から１つのガス検出素子の出力を選択する出力選択手段と、
前記選択された１つのガス検出素子の出力を、１本の出力系統を介して外部電子機器に出力する出力手段と、
を備え、
前記出力選択手段は、前記異常判定手段が正常であると判定した前記ガス検出素子の正常出力を選択し、
前記出力手段は、前記異常判定手段が異常判定をした場合、前記出力選択手段が選択したガス検出素子の正常出力と、異常判定された前記ガス検出素子に対応した異常出力と、を切り替えて出力することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記出力手段は、前記正常出力が所定条件を満たす場合、前記異常出力を出力しないことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記出力手段は、異常判定された前記ガス検出素子の異常状態に対応して、前記異常出力を出力する間隔を変更す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。
【請求項４】
前記出力手段は、異常判定された前記ガス検出素子の異常状態に対応して、前記異常出力の出力値を変更することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−４０７５５（Ｐ２００７−４０７５５Ａ）
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２２３２８４（Ｐ２００５−２２３２８４）
【出願日】平成１７年８月１日（２００５．８．１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１日（２００５．８．１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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