ガス濃度検出装置及び燃料電池システム
【課題】小型化及び低コスト化が可能なガス濃度検出装置及び燃料電池システムを課題とする。
【解決手段】ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度をそれぞれが検出する触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサは、ガス空間に配置された共通の素子をガス濃度の検出のために兼用するように構成されている。
【解決手段】ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度をそれぞれが検出する触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサは、ガス空間に配置された共通の素子をガス濃度の検出のために兼用するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出装置に関し、特に触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサを備えたガス濃度検出装置及び燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスセンサや、燃料電池システムから漏洩し得る水素ガスをガスセンサにより検出する方法は、広く知られている（特許文献１及び２参照。）。燃料電池システムやこれを備えた燃料電池車両においては、安全性の観点から、水素ガスが比較的低濃度の領域ではガスセンサの精度が要求される。一方で、比較高濃度の領域では高い精度は要求されないものの、高濃度であることを検出できる必要がある。
【０００３】
水素ガスのガス濃度を検出するガスセンサとして、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサが開発されている。
触媒型ガスセンサとしては、白金等の触媒が付着された検出素子と、触媒が付着されていない温度補償素子と、を備える接触燃焼式のものが知られている。この触媒型ガスセンサでは、水素ガスが存在し得るガス空間に検出素子及び温度補償素子が配置される。そして、水素ガスが触媒に接触した際の燃焼により発生する熱によって、検出素子の温度が温度補償素子よりも上がると、両素子の間に電気抵抗の差が生じる。この電気抵抗の差から水素ガス濃度が検出される。
【０００４】
一方、非触媒型ガスセンサとしては、ガスの熱伝導率の際を利用する気体熱伝導式ガスセンサが知られている。気体熱伝導式ガスセンサは、水素ガスが存在し得るガス空間に配置される検出素子と、ガス空間とは隔絶された雰囲気に配置される温度補償素子とを備える。漏洩した水素ガスがガス空間に存在すると、検出素子は放熱する。この放熱により、検出素子の温度が温度補償素子よりも低下して、両素子の間に電気抵抗の差が生じ、この電気抵抗の差から水素ガス濃度が検出される。
【０００５】
上記した接触燃焼式ガスセンサは、検出対象濃度範囲の上限が相対的に低く、高濃度の水素ガスの検出が困難な場合がある。一方、気体熱伝導式ガスセンサは、検出対象濃度範囲の上限が相対的に高いものの、低濃度の水素ガスを精度良く検出できない。したがって、接触燃焼式ガスセンサ及び気体熱伝導式ガスセンサの一方のみを燃料電池システム等に用いたのでは、水素のガス濃度を広いレンジで検出できないおそれがある。
【０００６】
特許文献１では、接触燃焼式ガスセンサ及び気体熱伝導式ガスセンサを燃料電池システムのカソードオフガス通路に配置して、低濃度から高濃度まで水素ガスを高精度に検出できるようにしている。
【特許文献１】特開２００４−２０３３１号公報
【特許文献２】特開２００４−２０３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の特許文献１のように、単純に接触燃焼式ガスセンサ及び気体熱伝導式ガスセンサを併設したのでは、全体的にスペースを広くとってしまう。また、接触燃焼式ガスセンサ及び気体熱伝導式ガスセンサの併設により計４つの素子が用いられるのでは、電力の消費量も多くなり易く、しかも素子が多い分だけ歩留りが悪くなるので、高コストになり易かった。
【０００８】
本発明は、小型化及び低コスト化が可能なガス濃度検出装置及び燃料電池システムを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサの原理及び構造に着目し、上記課題を解決するガス濃度検出装置を着想した。
【００１０】
本発明のガス濃度検出装置は、ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度をそれぞれが検出する触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサは、ガス空間に配置された共通の素子をガス濃度の検出のために兼用するように構成されているものである。
【００１１】
かかる構成によれば、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサが、ガス空間に配置された共通の素子を兼用し得る。これにより、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサを構成する素子の総数を減らすことができ、全体として小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００１２】
好ましくは、触媒型ガスセンサは、ガス空間に配置された触媒付きの第１の検出素子を有し、共通の素子を第１の検出素子に対して参照素子として用いて、第１の検出素子と共通の素子との電気抵抗の差からガス濃度を検出するものである。一方で、非触媒型ガスセンサは、検出対象ガスとは異なるガスが存在する空間に配置される第１の参照素子とを有し、共通の素子を第１の参照素子に対して検出素子として用いて、共通の素子と第１の参照素子との電気抵抗の差からガス濃度を検出するものである。
【００１３】
かかる構成によれば、触媒型ガスセンサの参照素子と非触媒型ガスセンサの検出素子とが、上記した共通の素子になる。これにより、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサで例えば計４つの素子が必要になる構成を、計３つの素子（共通の素子、第１の検出素子、及び第１の参照素子。）の構成にできる。
【００１４】
より好ましくは、ガス濃度が閾値以上の場合には、第１の検出素子のヒータがＯＦＦされる。
【００１５】
かかる構成によれば、ガス濃度が閾値以上の場合に第１の検出素子の高温化を抑制できる。
【００１６】
好ましくは、触媒型ガスセンサは接触燃焼式ガスセンサであり、非触媒型ガスセンサは気体熱伝導式ガスセンサである。
【００１７】
かかる構成によれば、広いレンジでガス濃度を好適に検出できる。
【００１８】
好ましくは、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサの一方のみが作動して、ガス濃度を検出する。
【００１９】
かかる構成によれば、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサの他方が作動しないので、省電力化を図れる。
【００２０】
より好ましくは、ガス濃度が閾値よりも小さい場合には触媒型ガスセンサが作動し、ガス濃度が閾値以上の場合には非触媒型ガスセンサが作動する。
【００２１】
かかる構成によれば、閾値よりも小さい比較的低濃度の場合にガス濃度を精度良く検出できると共に、閾値以上の比較的高濃度の場合もガス濃度を好適に検出できる。
【００２２】
より好ましくは、本発明のガス濃度検出装置は、触媒型ガスセンサ又は非触媒型ガスセンサが検出するガス濃度に基づいて、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサの一方のみが作動するように切り替える切替え手段を備えたものである。
【００２３】
かかる構成によれば、触媒型ガスセンサと非触媒型ガスセンサとを簡易に切り替えることができる。
【００２４】
より好ましくは、ガス濃度検出装置の起動時には、非触媒型ガスセンサが作動し、切替え手段は、非触媒型ガスセンサが検出するガス濃度が閾値よりも小さい場合に、触媒型ガスセンサが作動するように切り替える。
【００２５】
かかる構成によれば、起動時のガス濃度の大きい場合に有用となる。具体的には、起動時に触媒型ガスセンサを作動させたときに、ガス濃度が閾値よりもかなり大きいと、感度低下により、触媒型ガスセンサの出力が低くなるおそれがある。それゆえ、ガス濃度が小さすぎるために出力が低いのか、ガス濃度が高すぎるために出力が低いのかが判別できない。これに対し、上記のように起動時には非触媒型ガスセンサが作動するようにすれば、ガス濃度が閾値よりも大きくとも、それを適切に検出できる。
【００２６】
好ましくは、検出対象ガスは、水素ガスである。また好ましくは、ガス空間は、燃料電池を収容するケース内の空間、燃料電池車両の空間、燃料電池システムにおけるガス配管内の空間、及びガス配管の近傍の空間の少なくとも一つであるとよい。
【００２７】
上記した本発明に到達した経緯に鑑みて、本発明を別の観点から見ると、以下のとおりである。
【００２８】
すなわち、本発明の別のガス濃度検出装置は、ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出装置であって、ガス空間に配置された共通素子を検出素子として用いることにより触媒型ガスセンサとして機能する第１モードと、共通素子を参照素子として用いることにより非触媒型センサとして機能する第２モードとを実行可能に構成されたものである。
【００２９】
かかる構成によれば、ガス空間に配置された共通素子の用い方を変えることで、触媒型ガスセンサ又は非触媒型ガスセンサとして機能する。このように、共通素子を用いることで、全体として小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００３０】
好ましくは、本発明の別のガス濃度検出装置は、ガス濃度が閾値よりも小さい場合には第１モードを実行し、ガス濃度が閾値以上の場合には第２モードを実行する。
【００３１】
かかる構成によれば、閾値よりも小さい比較的低濃度の場合にガス濃度を精度良く検出できると共に、閾値以上の比較的高濃度の場合もガス濃度を好適に検出できる。
【００３２】
好ましくは、本発明のガス濃度検出装置は、検出されるガス濃度が閾値を越える前に、ガス空間に検出対象ガスが存在する旨を報知する報知手段を備える。こうすることで、点検や交換等の必要性をユーザやオペレータに認識させることができる。ここで、報知手段としては、ランプなどによる表示、又はブザーなどによる音でもって、視聴覚的にユーザやオペレータに報知するものが挙げられる。
【００３３】
また、本発明の燃料電池システムは、上記した本発明に係るガス検出装置を備えたものである。
【００３４】
これにより、例えば、燃料電池や燃料電池システムの配管からの水素ガスの漏れを検出できるようになる。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明した本発明のガス濃度検出装置及び燃料電池システムによれば、小型化及び低コスト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るガス検出装置を燃料電池システムに設けた例について説明する。燃料電池システムは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができ、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源に適用できるものである。ここでは、燃料電池自動車に搭載した燃料電池システムを一例に説明する。
【００３７】
図１は、ガス検出装置を具備する燃料電池自動車１００を模式的に示す図である。
燃料電池自動車１００は、車体に燃料電池システム１を搭載している。燃料電池システム１の燃料電池２が図外のインバータを介して図外の駆動モータに連結されており、駆動モータが車軸を回転させる。燃料電池自動車１００及び燃料電池システム１は、制御装置２００によって制御される。
【００３８】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２は、ケース（いわゆるスタックケース）３に収容されている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。酸化ガスとしての空気（酸素）は、コンプレッサ１４により圧送され、供給配管１１から燃料電池２に供給される。酸化ガスは、セパレータのガス流路２ａを流れて発電に供された後、酸化オフガスとして排出配管１２から排出される。
【００３９】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源２１から供給配管２２へと流れて燃料電池２に供給される。水素供給源２１は、例えば水素ガスを３５ＭＰａ又は７０ＭＰａで貯留する高圧タンクで構成される。水素ガスは、セパレータのガス流路２ｂを流れて発電に供された後、水素オフガスとして循環配管２３に流出し、再び燃料電池２に供給される。循環配管２３にはパージ配管２５が分岐接続されており、パージ弁２６が開くことで、パージ配管２５の下流の水素希釈器２７に水素オフガスが排出される。水素オフガスは、水素希釈器２７で水素濃度を低減された後、排ガスとして排ガス配管２８から外部に放出される。
【００４０】
燃料電池自動車１００には、３つの素子３０，４０，５０を有するガス濃度検出装置６０が複数配置されている。各ガス濃度検出装置６０は、ガス空間に存在し得る水素ガスを検出対象ガスとして、その水素ガスの濃度（以下、「水素濃度」という。）を検出するものであり、その検出結果を制御装置２００に出力する。
【００４１】
複数のガス濃度検出装置６０は、それぞれ、検出対象となるガス空間が異なっている。例えば、第１のガス濃度検出装置６０は、排出配管１２に設けられ、排出配管１２内のガス空間を対象とする。第２のガス濃度検出装置６０は、排ガス配管２８に設けられ、排ガス配管２８内のガス空間を対象とする。第３のガス濃度検出装置６０は、供給配管２２の近傍の外部空間に設けられ、供給配管２２外に漏れ得る水素ガスを検出する。第４のガス濃度検出装置６０は、ケース３の重力方向の上部に設けられ、ケース３内に存在し得る水素ガスを検出する。第５のガス濃度検出装置６０は、燃料電池自動車１００の客室１０１（好ましくは客室１０１の重力方向の上部）に設けられ、客室１０１内に存在し得る水素ガスを検出する。なお、ガス空間の場所やガス濃度検出装置６０の配置は上記に限るものではない。
【００４２】
第１〜第５のガス濃度検出装置６０はいずれも同じ構成であるので、以下では一つのガス濃度検出装置６０について説明する。なお、図１は、簡略化されているため、客室１０１を対象とするガス濃度検出装置６０の入出力信号のみが示されている。
【００４３】
図２は、ガス濃度検出装置６０の構成を模式的に示す図である。
ガス濃度検出装置６０は、原理的には、触媒型ガスセンサ７０及び非触媒型ガスセンサ８０を備えた構成を有している。本実施形態では、触媒型ガスセンサ７０は接触燃焼式ガスセンサからなり、非触媒型ガスセンサ８０は気体熱伝導式ガスセンサからなる。以下、触媒型ガスセンサ７０を「接触燃焼センサ７０」と記載し、非触媒型ガスセンサ８０を「気体熱伝導センサ８０」と記載する。
【００４４】
ここで、上記において「原理的」としたのは、ガス濃度検出装置６０は、接触燃焼センサ７０及び気体熱伝導センサ８０を機能として有するということであって、接触燃焼センサ７０及び気体熱伝導センサ８０を互いに独立した機器として有するということではないからである。換言すれば、ガス濃度検出装置６０は、接触燃焼式及び気体熱伝導式の二つの方式（モード）を実行するための機器を二つ備えるものではなく、全体として一つの機器で接触燃焼式及び気体熱伝導式の二つの方式（モード）を実行でき、一方のモードの実行により水素濃度を検出できるものである。
【００４５】
ガス濃度検出装置６０の３つの素子３０，４０，５０は、後述する回路基板に接続されている。素子４０は、接触燃焼センサ７０及び気体熱伝導センサ８０により兼用される共通の素子である。
【００４６】
接触燃焼センサ７０は、素子３０及び素子４０を有する構成である。
素子３０は、検出対象となるガス空間に配置される検出素子（第１の検出素子）である。素子３０は、白金等のコイル３１の表面に、水素ガスに対して活性な触媒３２を担持するアルミナ等の担体３３を固着（焼結）することで形成されている。触媒３２は、検出対象ガスの種類によって適宜選択されれば良く、例えば貴金属を選択することができる。なお、素子３０を加熱するヒータとしてコイル３１（いわゆるヒータコイル）を用いても良いが、コイル３１とは別個のものを用いても良い。
【００４７】
素子４０は、素子３０と同じガス空間に配置される素子であり、触媒を担持しないものである。素子４０は、白金等のコイル４１の表面に、水素ガスに不活性なアルミナ等の担体４２を固着することで形成されている。素子４０は、接触燃焼センサ７０の一部として用いられる場合には、検出素子３０に対して補償素子（なお、参照素子又は温度補償素子ともいう。）として機能する。
【００４８】
具体的には、接触燃焼センサ７０として機能するモードでは、ガス空間に水素ガスが存在する場合、水素ガスが接触した素子３０の触媒３２で燃焼反応が生じる。その燃焼熱により素子３０の温度が上昇して、コイル３１の電気抵抗値Ｒｓ１が上昇する。一方、素子４０では水素ガスが接触しても燃焼反応が起きないので、素子４０はガス空間の雰囲気温度（つまり一定温度）に保たれ、コイル４１の電気抵抗値Ｒｒ/ｓは変化しない。その結果、素子３０と素子４０との間に電気抵抗値の差が生じる。接触燃焼センサ７０は、この電気抵抗値の差を利用し、ガス空間の雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺することで、ガス空間の水素濃度を検出する。
【００４９】
気体熱伝導センサ８０は、素子４０及び素子５０を有する構成である。
素子５０は、水素ガスとは異なるガス、例えば空気が存在する空間に配置される補償素子（なお、参照素子又は温度補償素子ともいう。）である。すなわち、素子５０は、検出対象である水素ガスが存在しないガス空間に配置されるように、このガス空間と隔絶するケース５１の内部に設けられている。素子５０は、上記素子４０と同様に、白金等のコイル５２の表面にアルミナ等の担体５３を固着することで形成されている。素子４０は、気体熱伝導センサ８０の一部として用いられる場合には、素子５０に対して検出素子として機能する。
【００５０】
具体的には、気体熱伝導センサ８０として機能するモードでは、ガス空間に水素ガスが存在しても、素子５０は隔離されているので放熱量は変化しない。このため、コイル５２の電気抵抗値Ｒｒ２は変化しない。一方、素子４０では、水素ガスの熱伝導率がガス空間内の他のガス（例えば空気や酸化ガス）よりも高いので、放熱量が多くなる。この放熱量の増加により素子４０の温度が低下して、コイル４１の電気抵抗値Ｒｒ/ｓが下降する。その結果、素子４０と素子５０との間に電気抵抗値の差が生じる。気体熱伝導センサ８０は、この電気抵抗値の差を利用し、ガス空間の水素濃度を検出する。
【００５１】
ここで、燃料電池自動車１００におけるガス濃度検出装置６０は、水素濃度が数百ｐｐｍ〜数％までの低濃度域では精度が要求され、それ以上の高濃度域では精度は要求されないものの高濃度であることを検知できる必要がある。本実施形態の接触燃焼センサ７０は、低濃度域で要求される精度を満たす検出能力を有するものであり、また気体熱伝導センサ８０は、高濃度域で要求される検出能力を有するものである。したがって、本実施形態のガス濃度検出装置６０は、低濃度から高濃度までの広いレンジの水素濃度を検知できる。
【００５２】
接触燃焼センサ７０が検出可能な濃度範囲は、気体熱伝導センサ８０が検出可能な濃度範囲と、少なくとも一部の範囲が重なり合う。もっとも、上記の背景技術で指摘したように、接触燃焼センサ７０は高濃度域で使用されると誤検出するおそれがあるものであり、気体熱伝導センサ８０は低濃度域での水素ガスを精度良く検出できないものである。そこで、本実施形態のガス濃度検出装置６０は、水素濃度の大きさに応じて、検出に用いるセンサを切り替えるようにしている。この切り替えができるようにした構成について図３を一例に説明する。
【００５３】
図３は、ガス濃度検出装置６０のブリッジ回路を示す図である。
このブリッジ回路では、素子３０と素子５０とが並列接続された部分に対して素子４０が接続点ＰＲを介して直列接続された枝辺と、固定抵抗９１（電気抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗９２（電気抵抗値Ｒ２）が接続点ＰＳを介して直列接続された枝片と、が電源９３（印加電圧Ｖｉｎ）に対して並列に接続されている。接続点ＰＲと接続点ＰＳとの間には、検出部である電圧計９４（出力電圧Ｖｏｕｔ）が接続されている。また、ブリッジ回路には、素子３０と素子５０との間で切り替えるスイッチ９５が設けられている。
【００５４】
固定抵抗９１，９２は、一方又は両方を可変抵抗としてもよい。こうすることで、ゼロ点調整が容易となる。電源９３は、一定の電圧Ｖｉｎを印加する。水素ガスが存在しない状態では、素子３０の電気抵抗値Ｒｓ１と素子５０の電気抵抗値Ｒｒ２とを同じに設定するとよい。もっとも、電気抵抗値Ｒｓ１と電気抵抗値Ｒｒ２とで抵抗差があるものを用いてもよい。その場合には、図３にて符号９６で示すように、抵抗９６（電気抵抗値Ｒ３）を素子３０側又は素子５０側に挿入することで、ゼロ点を合わすことができる。
【００５５】
スイッチ９５は、ガス濃度検出装置６０を接触燃焼センサ７０として機能させるモードと、気体熱伝導センサ８０として機能させるモードとを切り替える。具体的には、図３（Ａ）に示すように、スイッチ９５によって回路を素子３０側に接続すると、接触燃焼センサ７０として機能するモードとなり、このセンサ７０のみが作動できるようになる。一方、図３（Ｂ）に示すように、スイッチ９５によって回路を素子５０側に接続すると、気体熱伝導センサ８０として機能するモードとなり、このセンサのみが作動できるようになる。
【００５６】
ここで、水素ガスが存在した状況下では、フリッジ回路は平衡が保たれ、下記式（１）又は式（２）の状態にあり、電圧計９４の出力電圧Ｖｏｕｔはゼロとなる。
Ｒ１×Ｒｓ１＝Ｒ２×Ｒｒ/ｓ ・・・（１）
Ｒ１×Ｒｒ２＝Ｒ２×Ｒｒ/ｓ ・・・（２）
【００５７】
一方、水素ガスが存在する状況下では、素子４０と素子３０との間、又は、素子４０と素子５０と間で電気抵抗値に差が生じ、ブリッジ回路の平衡がくずれる。これにより、電圧計９４には、水素濃度に比例した不平衡電流が流れ、所定の出力電圧Ｖｏｕｔが取り出される。出力電圧Ｖｏｕｔの検出値は、制御装置２００へ入力され、例えば制御装置２００内のマップ等に基づいて、出力電圧Ｖｏｕｔの値に対応する水素濃度が算出される。
【００５８】
スイッチ９５は、例えば、出力電圧Ｖｏｕｔの値から算出された水素濃度に応じて、制御装置２００により素子３０と素子５０との間で切り替え制御される。例えば、水素濃度が上記した低濃度域であると制御装置２００により判断される場合には、制御装置２００は、素子３０が通電するようにスイッチ９５を制御し、接触燃焼式モードを実行する。逆に、水素濃度が上記した高濃度域であると制御装置２００により判断される場合には、制御装置２００は、素子５０が通電するようにスイッチ９５を制御し、気体熱伝導式モードを実行する。
【００５９】
ここで、スイッチ９５は、水素濃度が所定の閾値Ｃ１以上か否かで切り替えられるようにすればよい。この所定の閾値Ｃ１は、接触燃焼センサ７０及び気体熱伝導センサ８０の重なり合う濃度範囲内に設定すればよく、できれば水素ガスの安全基準を満たすことが好ましく、例えば４％に設定されればよい。したがって、水素濃度が閾値Ｃ１よりも小さい場合には接触燃焼センサ７０が作動し、水素濃度が閾値Ｃ１以上の場合には気体熱伝導センサ８０が作動するように、スイッチ９５が動作する。
【００６０】
なお、水素濃度に応じてスイッチ９５を切り替える構成に変えて、最終的に水素濃度の値に変換される出力電圧Ｖｏｕｔの値に応じて、制御装置２００とは別個のマイコン等でスイッチ９５を切り替えてもよい。いずれの場合であっても、水素濃度に基づいて、接触燃焼センサ７０及び気体熱伝導センサ８０の一方が作動するように、スイッチ９５が切り替えられることに変わりはない。
【００６１】
再び、図１に戻って、制御装置２００について説明する。
制御装置２００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、水素濃度の算出及びこれに基づく水素ガス漏れ判断など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００６２】
制御装置２００は、ガス濃度検出装置６０の電圧計９４のほか、燃料電池システム１の図示省略した温度センサや燃料電池車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ等からの検出信号を入力する。また、制御装置２００は、これらの検出信号等に基づいて、ＲＡＭ内の各種データ等を処理して、燃料電池システム１及び燃料電池車両１００の各構成要素を制御する。
【００６３】
例えば、制御装置２００は、電圧計９４からの出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて水素濃度を算出し、スイッチ９５を切り替え制御したり、水素ガスが検出対象のガス空間に漏洩しているか否かを判断したりする。そして、制御装置２００は、水素ガスが漏洩していると判断する場合には、報知装置３００の作動を開始する。
【００６４】
報知装置３００は、水素ガス漏洩の旨を、車両の乗員、ユーザ又はオペレータに報知可能に構成されている。報知装置３００は、ランプなどの表示装置で構成されてもよいし、ブザーなどの音声装置で構成されてもよい。あるいは、報知装置３００は、微振動などにより乗員等に判断結果を伝達するものであってもよい。報知装置３００は、水素ガスの炉上入れるに応じた報知をしてもよい。例えば、水素濃度が比較的高い場合と、比較的低い場合とで、点灯又は点滅させるランプの色を変えても良い。
【００６５】
図４は、ガス濃度検出装置６０の起動時の処理フローを示すフローチャートである。
例えば車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＮ操作等によって、燃料電池システム１及びガス濃度検出装置６０が起動すると、気体熱伝導式モードにより水素濃度の検出が実行される（ステップＳ１）。そして、気体熱伝導センサ８０の作動により検出される水素濃度（検出濃度）が、上記した第１の閾値Ｃ１以上であるか否かが判定される（ステップＳ２）。
【００６６】
水素濃度が閾値Ｃ１以上である場合には（ステップＳ２；ＹＥＳ）、高濃度の水素ガスが漏洩していると判断し、報知装置３００によりその旨が報知される（ステップＳ６）。これにより、運転手は、車両１００の運転を中止するべき旨を促されたり、点検や交換等を促されたりする。
【００６７】
一方、水素濃度が閾値Ｃ１よりも小さい場合には（ステップＳ２；ＮＯ）、高濃度の水素ガスが漏洩していないと判断される。そして、今度は低濃度の水素ガスの漏洩の有無を判断するべく、気体熱伝導式モードから接触燃焼式モードへとガス濃度検出装置６０のスイッチ９５を切り替え制御する（ステップＳ３）。そして、接触燃焼センサ７０の作動により、水素濃度がどの程度低濃度であるのかが検出される（ステップＳ４）。
【００６８】
なお、上記フローに代えて、起動時に、接触燃焼式モードを気体熱伝導式モードよりも先に実行することもできる。ただし、起動時に水素濃度が高濃度である場合には、上記フローのほうが有用となる。なぜなら、起動時に接触燃焼式モードを実行した際に、ガス濃度が接触燃焼式モードで検出可能な濃度範囲を大きく超えていると、接触燃焼センサ７０の感度低下により、出力電圧Ｖｏｕｔが実際の値よりも小さくなるおそれがある。そうなると、水素濃度が低いと誤って判断されてしまうからである。
【００６９】
ステップＳ４の後、接触燃焼センサ７０により検出される水素濃度（検出濃度）が、第２の閾値Ｃ２以下であるか否かが判定される（ステップＳ５）。この閾値Ｃ２は、上記の閾値Ｃ１よりも低く設定されている。閾値Ｃ２は、ガス空間に存在しても安全上問題がない水素濃度の値に設定され、例えばゼロに設定される。もっとも、閾値Ｃ２はゼロよりも大きくてもよい。
【００７０】
水素濃度が閾値Ｃ２を越える場合には（ステップＳ５；ＮＯ）、低濃度の水素ガスが漏洩していると判断し、報知装置３００によりその旨が報知される（ステップＳ６）。一方で、水素濃度が閾値Ｃ２以下である場合には（ステップＳ５；ＹＥＳ）、水素ガスが漏洩していないと判断される。なお、この場合にのみ車両１００の運転を許可するようにしてもよい。その後は、ガス濃度検出装置６０は、図示省略した通常時の制御に移行する。
【００７１】
通常時には、ガス濃度検出装置６０では接触燃焼式モードが実行される。そして、接触燃焼式モードの実行中に水素ガス漏洩が発生した場合、例えば接触燃焼センサ７０により検出された水素濃度が閾値Ｃ２又は閾値Ｃ１を超える場合には、報知装置３００によりその旨が報知される。また、この場合に、制御装置２００は車両１００を退避走行（リンプホーム制御）させるようにするとよい。なお、報知装置３００は、接触燃焼センサ７０による検出濃度が閾値Ｃ１を越えるまでに報知するのが適当である。
【００７２】
そして、接触燃焼センサ７０による検出濃度が閾値Ｃ１を越えた場合には、ガス濃度検出装置６０では気体熱伝導式モードの実行に切り替えられるとよい。こうすることで、漏洩した水素ガスが高濃度であるかどうかを判断できる。また、素子３０への通電が遮断されるので、素子３０の異常高温が抑制される。これにより、断線や触媒３２の劣化など、素子３０の劣化を抑制できる。なお、素子３０を加熱するヒータとしてコイル３１を用いている場合には、素子３０への通電の遮断により、素子３０のヒータもＯＦＦされる。一方で、コイル３１とは別個のヒータを用いている場合には、そのヒータをＯＦＦするとよい。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態のガス濃度検出装置６０によれば、ガス空間に配置された共通素子４０を兼用する構成としているので、最小数の素子で、接触燃焼センサ７０又は気体熱伝導センサ８０として機能させることができる。これにより、広いレンジで水素濃度を検出できると共に、全体として小型化、低コスト化及び省電力化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
上記では、本発明のガス濃度検出装置は、燃料電池システム１のみならず、特に可燃性の燃料ガスを用いるシステムにも有用である。可能性の燃料ガスとしては、水素ガス以外に例えば圧縮天然ガスが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施形態に係るガス濃度検出装置を具備する燃料電池自動車を模式的に示す図である。
【図２】実施形態に係るガス濃度検出装置の構成を模式的に示す図である。
【図３】実施形態に係るガス濃度検出装置のブリッジ回路を示す図である。
【図４】実施形態に係るガス濃度検出装置の起動時の処理フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７６】
１：燃料電池システム、２：燃料電池、３：ケース、１２：排出配管（ガス配管）、２２：供給配管（ガス配管）、２３：循環配管（ガス配管）、２５：パージ配管（ガス配管）、２８：排ガス配管（ガス配管）、３０：素子（第１の検出素子）、４０：素子（共通素子）、５０：参照素子（第１の参照素子）、６０：ガス濃度検出装置、７０：接触燃焼式ガスセンサ、８０：気体熱伝導式ガスセンサ、１００：燃料電池自動車、２００：制御装置、３００：報知装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出装置に関し、特に触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサを備えたガス濃度検出装置及び燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスセンサや、燃料電池システムから漏洩し得る水素ガスをガスセンサにより検出する方法は、広く知られている（特許文献１及び２参照。）。燃料電池システムやこれを備えた燃料電池車両においては、安全性の観点から、水素ガスが比較的低濃度の領域ではガスセンサの精度が要求される。一方で、比較高濃度の領域では高い精度は要求されないものの、高濃度であることを検出できる必要がある。
【０００３】
水素ガスのガス濃度を検出するガスセンサとして、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサが開発されている。
触媒型ガスセンサとしては、白金等の触媒が付着された検出素子と、触媒が付着されていない温度補償素子と、を備える接触燃焼式のものが知られている。この触媒型ガスセンサでは、水素ガスが存在し得るガス空間に検出素子及び温度補償素子が配置される。そして、水素ガスが触媒に接触した際の燃焼により発生する熱によって、検出素子の温度が温度補償素子よりも上がると、両素子の間に電気抵抗の差が生じる。この電気抵抗の差から水素ガス濃度が検出される。
【０００４】
一方、非触媒型ガスセンサとしては、ガスの熱伝導率の際を利用する気体熱伝導式ガスセンサが知られている。気体熱伝導式ガスセンサは、水素ガスが存在し得るガス空間に配置される検出素子と、ガス空間とは隔絶された雰囲気に配置される温度補償素子とを備える。漏洩した水素ガスがガス空間に存在すると、検出素子は放熱する。この放熱により、検出素子の温度が温度補償素子よりも低下して、両素子の間に電気抵抗の差が生じ、この電気抵抗の差から水素ガス濃度が検出される。
【０００５】
上記した接触燃焼式ガスセンサは、検出対象濃度範囲の上限が相対的に低く、高濃度の水素ガスの検出が困難な場合がある。一方、気体熱伝導式ガスセンサは、検出対象濃度範囲の上限が相対的に高いものの、低濃度の水素ガスを精度良く検出できない。したがって、接触燃焼式ガスセンサ及び気体熱伝導式ガスセンサの一方のみを燃料電池システム等に用いたのでは、水素のガス濃度を広いレンジで検出できないおそれがある。
【０００６】
特許文献１では、接触燃焼式ガスセンサ及び気体熱伝導式ガスセンサを燃料電池システムのカソードオフガス通路に配置して、低濃度から高濃度まで水素ガスを高精度に検出できるようにしている。
【特許文献１】特開２００４−２０３３１号公報
【特許文献２】特開２００４−２０３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の特許文献１のように、単純に接触燃焼式ガスセンサ及び気体熱伝導式ガスセンサを併設したのでは、全体的にスペースを広くとってしまう。また、接触燃焼式ガスセンサ及び気体熱伝導式ガスセンサの併設により計４つの素子が用いられるのでは、電力の消費量も多くなり易く、しかも素子が多い分だけ歩留りが悪くなるので、高コストになり易かった。
【０００８】
本発明は、小型化及び低コスト化が可能なガス濃度検出装置及び燃料電池システムを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサの原理及び構造に着目し、上記課題を解決するガス濃度検出装置を着想した。
【００１０】
本発明のガス濃度検出装置は、ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度をそれぞれが検出する触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサは、ガス空間に配置された共通の素子をガス濃度の検出のために兼用するように構成されているものである。
【００１１】
かかる構成によれば、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサが、ガス空間に配置された共通の素子を兼用し得る。これにより、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサを構成する素子の総数を減らすことができ、全体として小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００１２】
好ましくは、触媒型ガスセンサは、ガス空間に配置された触媒付きの第１の検出素子を有し、共通の素子を第１の検出素子に対して参照素子として用いて、第１の検出素子と共通の素子との電気抵抗の差からガス濃度を検出するものである。一方で、非触媒型ガスセンサは、検出対象ガスとは異なるガスが存在する空間に配置される第１の参照素子とを有し、共通の素子を第１の参照素子に対して検出素子として用いて、共通の素子と第１の参照素子との電気抵抗の差からガス濃度を検出するものである。
【００１３】
かかる構成によれば、触媒型ガスセンサの参照素子と非触媒型ガスセンサの検出素子とが、上記した共通の素子になる。これにより、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサで例えば計４つの素子が必要になる構成を、計３つの素子（共通の素子、第１の検出素子、及び第１の参照素子。）の構成にできる。
【００１４】
より好ましくは、ガス濃度が閾値以上の場合には、第１の検出素子のヒータがＯＦＦされる。
【００１５】
かかる構成によれば、ガス濃度が閾値以上の場合に第１の検出素子の高温化を抑制できる。
【００１６】
好ましくは、触媒型ガスセンサは接触燃焼式ガスセンサであり、非触媒型ガスセンサは気体熱伝導式ガスセンサである。
【００１７】
かかる構成によれば、広いレンジでガス濃度を好適に検出できる。
【００１８】
好ましくは、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサの一方のみが作動して、ガス濃度を検出する。
【００１９】
かかる構成によれば、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサの他方が作動しないので、省電力化を図れる。
【００２０】
より好ましくは、ガス濃度が閾値よりも小さい場合には触媒型ガスセンサが作動し、ガス濃度が閾値以上の場合には非触媒型ガスセンサが作動する。
【００２１】
かかる構成によれば、閾値よりも小さい比較的低濃度の場合にガス濃度を精度良く検出できると共に、閾値以上の比較的高濃度の場合もガス濃度を好適に検出できる。
【００２２】
より好ましくは、本発明のガス濃度検出装置は、触媒型ガスセンサ又は非触媒型ガスセンサが検出するガス濃度に基づいて、触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサの一方のみが作動するように切り替える切替え手段を備えたものである。
【００２３】
かかる構成によれば、触媒型ガスセンサと非触媒型ガスセンサとを簡易に切り替えることができる。
【００２４】
より好ましくは、ガス濃度検出装置の起動時には、非触媒型ガスセンサが作動し、切替え手段は、非触媒型ガスセンサが検出するガス濃度が閾値よりも小さい場合に、触媒型ガスセンサが作動するように切り替える。
【００２５】
かかる構成によれば、起動時のガス濃度の大きい場合に有用となる。具体的には、起動時に触媒型ガスセンサを作動させたときに、ガス濃度が閾値よりもかなり大きいと、感度低下により、触媒型ガスセンサの出力が低くなるおそれがある。それゆえ、ガス濃度が小さすぎるために出力が低いのか、ガス濃度が高すぎるために出力が低いのかが判別できない。これに対し、上記のように起動時には非触媒型ガスセンサが作動するようにすれば、ガス濃度が閾値よりも大きくとも、それを適切に検出できる。
【００２６】
好ましくは、検出対象ガスは、水素ガスである。また好ましくは、ガス空間は、燃料電池を収容するケース内の空間、燃料電池車両の空間、燃料電池システムにおけるガス配管内の空間、及びガス配管の近傍の空間の少なくとも一つであるとよい。
【００２７】
上記した本発明に到達した経緯に鑑みて、本発明を別の観点から見ると、以下のとおりである。
【００２８】
すなわち、本発明の別のガス濃度検出装置は、ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出装置であって、ガス空間に配置された共通素子を検出素子として用いることにより触媒型ガスセンサとして機能する第１モードと、共通素子を参照素子として用いることにより非触媒型センサとして機能する第２モードとを実行可能に構成されたものである。
【００２９】
かかる構成によれば、ガス空間に配置された共通素子の用い方を変えることで、触媒型ガスセンサ又は非触媒型ガスセンサとして機能する。このように、共通素子を用いることで、全体として小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００３０】
好ましくは、本発明の別のガス濃度検出装置は、ガス濃度が閾値よりも小さい場合には第１モードを実行し、ガス濃度が閾値以上の場合には第２モードを実行する。
【００３１】
かかる構成によれば、閾値よりも小さい比較的低濃度の場合にガス濃度を精度良く検出できると共に、閾値以上の比較的高濃度の場合もガス濃度を好適に検出できる。
【００３２】
好ましくは、本発明のガス濃度検出装置は、検出されるガス濃度が閾値を越える前に、ガス空間に検出対象ガスが存在する旨を報知する報知手段を備える。こうすることで、点検や交換等の必要性をユーザやオペレータに認識させることができる。ここで、報知手段としては、ランプなどによる表示、又はブザーなどによる音でもって、視聴覚的にユーザやオペレータに報知するものが挙げられる。
【００３３】
また、本発明の燃料電池システムは、上記した本発明に係るガス検出装置を備えたものである。
【００３４】
これにより、例えば、燃料電池や燃料電池システムの配管からの水素ガスの漏れを検出できるようになる。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明した本発明のガス濃度検出装置及び燃料電池システムによれば、小型化及び低コスト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るガス検出装置を燃料電池システムに設けた例について説明する。燃料電池システムは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができ、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源に適用できるものである。ここでは、燃料電池自動車に搭載した燃料電池システムを一例に説明する。
【００３７】
図１は、ガス検出装置を具備する燃料電池自動車１００を模式的に示す図である。
燃料電池自動車１００は、車体に燃料電池システム１を搭載している。燃料電池システム１の燃料電池２が図外のインバータを介して図外の駆動モータに連結されており、駆動モータが車軸を回転させる。燃料電池自動車１００及び燃料電池システム１は、制御装置２００によって制御される。
【００３８】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２は、ケース（いわゆるスタックケース）３に収容されている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。酸化ガスとしての空気（酸素）は、コンプレッサ１４により圧送され、供給配管１１から燃料電池２に供給される。酸化ガスは、セパレータのガス流路２ａを流れて発電に供された後、酸化オフガスとして排出配管１２から排出される。
【００３９】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源２１から供給配管２２へと流れて燃料電池２に供給される。水素供給源２１は、例えば水素ガスを３５ＭＰａ又は７０ＭＰａで貯留する高圧タンクで構成される。水素ガスは、セパレータのガス流路２ｂを流れて発電に供された後、水素オフガスとして循環配管２３に流出し、再び燃料電池２に供給される。循環配管２３にはパージ配管２５が分岐接続されており、パージ弁２６が開くことで、パージ配管２５の下流の水素希釈器２７に水素オフガスが排出される。水素オフガスは、水素希釈器２７で水素濃度を低減された後、排ガスとして排ガス配管２８から外部に放出される。
【００４０】
燃料電池自動車１００には、３つの素子３０，４０，５０を有するガス濃度検出装置６０が複数配置されている。各ガス濃度検出装置６０は、ガス空間に存在し得る水素ガスを検出対象ガスとして、その水素ガスの濃度（以下、「水素濃度」という。）を検出するものであり、その検出結果を制御装置２００に出力する。
【００４１】
複数のガス濃度検出装置６０は、それぞれ、検出対象となるガス空間が異なっている。例えば、第１のガス濃度検出装置６０は、排出配管１２に設けられ、排出配管１２内のガス空間を対象とする。第２のガス濃度検出装置６０は、排ガス配管２８に設けられ、排ガス配管２８内のガス空間を対象とする。第３のガス濃度検出装置６０は、供給配管２２の近傍の外部空間に設けられ、供給配管２２外に漏れ得る水素ガスを検出する。第４のガス濃度検出装置６０は、ケース３の重力方向の上部に設けられ、ケース３内に存在し得る水素ガスを検出する。第５のガス濃度検出装置６０は、燃料電池自動車１００の客室１０１（好ましくは客室１０１の重力方向の上部）に設けられ、客室１０１内に存在し得る水素ガスを検出する。なお、ガス空間の場所やガス濃度検出装置６０の配置は上記に限るものではない。
【００４２】
第１〜第５のガス濃度検出装置６０はいずれも同じ構成であるので、以下では一つのガス濃度検出装置６０について説明する。なお、図１は、簡略化されているため、客室１０１を対象とするガス濃度検出装置６０の入出力信号のみが示されている。
【００４３】
図２は、ガス濃度検出装置６０の構成を模式的に示す図である。
ガス濃度検出装置６０は、原理的には、触媒型ガスセンサ７０及び非触媒型ガスセンサ８０を備えた構成を有している。本実施形態では、触媒型ガスセンサ７０は接触燃焼式ガスセンサからなり、非触媒型ガスセンサ８０は気体熱伝導式ガスセンサからなる。以下、触媒型ガスセンサ７０を「接触燃焼センサ７０」と記載し、非触媒型ガスセンサ８０を「気体熱伝導センサ８０」と記載する。
【００４４】
ここで、上記において「原理的」としたのは、ガス濃度検出装置６０は、接触燃焼センサ７０及び気体熱伝導センサ８０を機能として有するということであって、接触燃焼センサ７０及び気体熱伝導センサ８０を互いに独立した機器として有するということではないからである。換言すれば、ガス濃度検出装置６０は、接触燃焼式及び気体熱伝導式の二つの方式（モード）を実行するための機器を二つ備えるものではなく、全体として一つの機器で接触燃焼式及び気体熱伝導式の二つの方式（モード）を実行でき、一方のモードの実行により水素濃度を検出できるものである。
【００４５】
ガス濃度検出装置６０の３つの素子３０，４０，５０は、後述する回路基板に接続されている。素子４０は、接触燃焼センサ７０及び気体熱伝導センサ８０により兼用される共通の素子である。
【００４６】
接触燃焼センサ７０は、素子３０及び素子４０を有する構成である。
素子３０は、検出対象となるガス空間に配置される検出素子（第１の検出素子）である。素子３０は、白金等のコイル３１の表面に、水素ガスに対して活性な触媒３２を担持するアルミナ等の担体３３を固着（焼結）することで形成されている。触媒３２は、検出対象ガスの種類によって適宜選択されれば良く、例えば貴金属を選択することができる。なお、素子３０を加熱するヒータとしてコイル３１（いわゆるヒータコイル）を用いても良いが、コイル３１とは別個のものを用いても良い。
【００４７】
素子４０は、素子３０と同じガス空間に配置される素子であり、触媒を担持しないものである。素子４０は、白金等のコイル４１の表面に、水素ガスに不活性なアルミナ等の担体４２を固着することで形成されている。素子４０は、接触燃焼センサ７０の一部として用いられる場合には、検出素子３０に対して補償素子（なお、参照素子又は温度補償素子ともいう。）として機能する。
【００４８】
具体的には、接触燃焼センサ７０として機能するモードでは、ガス空間に水素ガスが存在する場合、水素ガスが接触した素子３０の触媒３２で燃焼反応が生じる。その燃焼熱により素子３０の温度が上昇して、コイル３１の電気抵抗値Ｒｓ１が上昇する。一方、素子４０では水素ガスが接触しても燃焼反応が起きないので、素子４０はガス空間の雰囲気温度（つまり一定温度）に保たれ、コイル４１の電気抵抗値Ｒｒ/ｓは変化しない。その結果、素子３０と素子４０との間に電気抵抗値の差が生じる。接触燃焼センサ７０は、この電気抵抗値の差を利用し、ガス空間の雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺することで、ガス空間の水素濃度を検出する。
【００４９】
気体熱伝導センサ８０は、素子４０及び素子５０を有する構成である。
素子５０は、水素ガスとは異なるガス、例えば空気が存在する空間に配置される補償素子（なお、参照素子又は温度補償素子ともいう。）である。すなわち、素子５０は、検出対象である水素ガスが存在しないガス空間に配置されるように、このガス空間と隔絶するケース５１の内部に設けられている。素子５０は、上記素子４０と同様に、白金等のコイル５２の表面にアルミナ等の担体５３を固着することで形成されている。素子４０は、気体熱伝導センサ８０の一部として用いられる場合には、素子５０に対して検出素子として機能する。
【００５０】
具体的には、気体熱伝導センサ８０として機能するモードでは、ガス空間に水素ガスが存在しても、素子５０は隔離されているので放熱量は変化しない。このため、コイル５２の電気抵抗値Ｒｒ２は変化しない。一方、素子４０では、水素ガスの熱伝導率がガス空間内の他のガス（例えば空気や酸化ガス）よりも高いので、放熱量が多くなる。この放熱量の増加により素子４０の温度が低下して、コイル４１の電気抵抗値Ｒｒ/ｓが下降する。その結果、素子４０と素子５０との間に電気抵抗値の差が生じる。気体熱伝導センサ８０は、この電気抵抗値の差を利用し、ガス空間の水素濃度を検出する。
【００５１】
ここで、燃料電池自動車１００におけるガス濃度検出装置６０は、水素濃度が数百ｐｐｍ〜数％までの低濃度域では精度が要求され、それ以上の高濃度域では精度は要求されないものの高濃度であることを検知できる必要がある。本実施形態の接触燃焼センサ７０は、低濃度域で要求される精度を満たす検出能力を有するものであり、また気体熱伝導センサ８０は、高濃度域で要求される検出能力を有するものである。したがって、本実施形態のガス濃度検出装置６０は、低濃度から高濃度までの広いレンジの水素濃度を検知できる。
【００５２】
接触燃焼センサ７０が検出可能な濃度範囲は、気体熱伝導センサ８０が検出可能な濃度範囲と、少なくとも一部の範囲が重なり合う。もっとも、上記の背景技術で指摘したように、接触燃焼センサ７０は高濃度域で使用されると誤検出するおそれがあるものであり、気体熱伝導センサ８０は低濃度域での水素ガスを精度良く検出できないものである。そこで、本実施形態のガス濃度検出装置６０は、水素濃度の大きさに応じて、検出に用いるセンサを切り替えるようにしている。この切り替えができるようにした構成について図３を一例に説明する。
【００５３】
図３は、ガス濃度検出装置６０のブリッジ回路を示す図である。
このブリッジ回路では、素子３０と素子５０とが並列接続された部分に対して素子４０が接続点ＰＲを介して直列接続された枝辺と、固定抵抗９１（電気抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗９２（電気抵抗値Ｒ２）が接続点ＰＳを介して直列接続された枝片と、が電源９３（印加電圧Ｖｉｎ）に対して並列に接続されている。接続点ＰＲと接続点ＰＳとの間には、検出部である電圧計９４（出力電圧Ｖｏｕｔ）が接続されている。また、ブリッジ回路には、素子３０と素子５０との間で切り替えるスイッチ９５が設けられている。
【００５４】
固定抵抗９１，９２は、一方又は両方を可変抵抗としてもよい。こうすることで、ゼロ点調整が容易となる。電源９３は、一定の電圧Ｖｉｎを印加する。水素ガスが存在しない状態では、素子３０の電気抵抗値Ｒｓ１と素子５０の電気抵抗値Ｒｒ２とを同じに設定するとよい。もっとも、電気抵抗値Ｒｓ１と電気抵抗値Ｒｒ２とで抵抗差があるものを用いてもよい。その場合には、図３にて符号９６で示すように、抵抗９６（電気抵抗値Ｒ３）を素子３０側又は素子５０側に挿入することで、ゼロ点を合わすことができる。
【００５５】
スイッチ９５は、ガス濃度検出装置６０を接触燃焼センサ７０として機能させるモードと、気体熱伝導センサ８０として機能させるモードとを切り替える。具体的には、図３（Ａ）に示すように、スイッチ９５によって回路を素子３０側に接続すると、接触燃焼センサ７０として機能するモードとなり、このセンサ７０のみが作動できるようになる。一方、図３（Ｂ）に示すように、スイッチ９５によって回路を素子５０側に接続すると、気体熱伝導センサ８０として機能するモードとなり、このセンサのみが作動できるようになる。
【００５６】
ここで、水素ガスが存在した状況下では、フリッジ回路は平衡が保たれ、下記式（１）又は式（２）の状態にあり、電圧計９４の出力電圧Ｖｏｕｔはゼロとなる。
Ｒ１×Ｒｓ１＝Ｒ２×Ｒｒ/ｓ ・・・（１）
Ｒ１×Ｒｒ２＝Ｒ２×Ｒｒ/ｓ ・・・（２）
【００５７】
一方、水素ガスが存在する状況下では、素子４０と素子３０との間、又は、素子４０と素子５０と間で電気抵抗値に差が生じ、ブリッジ回路の平衡がくずれる。これにより、電圧計９４には、水素濃度に比例した不平衡電流が流れ、所定の出力電圧Ｖｏｕｔが取り出される。出力電圧Ｖｏｕｔの検出値は、制御装置２００へ入力され、例えば制御装置２００内のマップ等に基づいて、出力電圧Ｖｏｕｔの値に対応する水素濃度が算出される。
【００５８】
スイッチ９５は、例えば、出力電圧Ｖｏｕｔの値から算出された水素濃度に応じて、制御装置２００により素子３０と素子５０との間で切り替え制御される。例えば、水素濃度が上記した低濃度域であると制御装置２００により判断される場合には、制御装置２００は、素子３０が通電するようにスイッチ９５を制御し、接触燃焼式モードを実行する。逆に、水素濃度が上記した高濃度域であると制御装置２００により判断される場合には、制御装置２００は、素子５０が通電するようにスイッチ９５を制御し、気体熱伝導式モードを実行する。
【００５９】
ここで、スイッチ９５は、水素濃度が所定の閾値Ｃ１以上か否かで切り替えられるようにすればよい。この所定の閾値Ｃ１は、接触燃焼センサ７０及び気体熱伝導センサ８０の重なり合う濃度範囲内に設定すればよく、できれば水素ガスの安全基準を満たすことが好ましく、例えば４％に設定されればよい。したがって、水素濃度が閾値Ｃ１よりも小さい場合には接触燃焼センサ７０が作動し、水素濃度が閾値Ｃ１以上の場合には気体熱伝導センサ８０が作動するように、スイッチ９５が動作する。
【００６０】
なお、水素濃度に応じてスイッチ９５を切り替える構成に変えて、最終的に水素濃度の値に変換される出力電圧Ｖｏｕｔの値に応じて、制御装置２００とは別個のマイコン等でスイッチ９５を切り替えてもよい。いずれの場合であっても、水素濃度に基づいて、接触燃焼センサ７０及び気体熱伝導センサ８０の一方が作動するように、スイッチ９５が切り替えられることに変わりはない。
【００６１】
再び、図１に戻って、制御装置２００について説明する。
制御装置２００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、水素濃度の算出及びこれに基づく水素ガス漏れ判断など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００６２】
制御装置２００は、ガス濃度検出装置６０の電圧計９４のほか、燃料電池システム１の図示省略した温度センサや燃料電池車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ等からの検出信号を入力する。また、制御装置２００は、これらの検出信号等に基づいて、ＲＡＭ内の各種データ等を処理して、燃料電池システム１及び燃料電池車両１００の各構成要素を制御する。
【００６３】
例えば、制御装置２００は、電圧計９４からの出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて水素濃度を算出し、スイッチ９５を切り替え制御したり、水素ガスが検出対象のガス空間に漏洩しているか否かを判断したりする。そして、制御装置２００は、水素ガスが漏洩していると判断する場合には、報知装置３００の作動を開始する。
【００６４】
報知装置３００は、水素ガス漏洩の旨を、車両の乗員、ユーザ又はオペレータに報知可能に構成されている。報知装置３００は、ランプなどの表示装置で構成されてもよいし、ブザーなどの音声装置で構成されてもよい。あるいは、報知装置３００は、微振動などにより乗員等に判断結果を伝達するものであってもよい。報知装置３００は、水素ガスの炉上入れるに応じた報知をしてもよい。例えば、水素濃度が比較的高い場合と、比較的低い場合とで、点灯又は点滅させるランプの色を変えても良い。
【００６５】
図４は、ガス濃度検出装置６０の起動時の処理フローを示すフローチャートである。
例えば車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＮ操作等によって、燃料電池システム１及びガス濃度検出装置６０が起動すると、気体熱伝導式モードにより水素濃度の検出が実行される（ステップＳ１）。そして、気体熱伝導センサ８０の作動により検出される水素濃度（検出濃度）が、上記した第１の閾値Ｃ１以上であるか否かが判定される（ステップＳ２）。
【００６６】
水素濃度が閾値Ｃ１以上である場合には（ステップＳ２；ＹＥＳ）、高濃度の水素ガスが漏洩していると判断し、報知装置３００によりその旨が報知される（ステップＳ６）。これにより、運転手は、車両１００の運転を中止するべき旨を促されたり、点検や交換等を促されたりする。
【００６７】
一方、水素濃度が閾値Ｃ１よりも小さい場合には（ステップＳ２；ＮＯ）、高濃度の水素ガスが漏洩していないと判断される。そして、今度は低濃度の水素ガスの漏洩の有無を判断するべく、気体熱伝導式モードから接触燃焼式モードへとガス濃度検出装置６０のスイッチ９５を切り替え制御する（ステップＳ３）。そして、接触燃焼センサ７０の作動により、水素濃度がどの程度低濃度であるのかが検出される（ステップＳ４）。
【００６８】
なお、上記フローに代えて、起動時に、接触燃焼式モードを気体熱伝導式モードよりも先に実行することもできる。ただし、起動時に水素濃度が高濃度である場合には、上記フローのほうが有用となる。なぜなら、起動時に接触燃焼式モードを実行した際に、ガス濃度が接触燃焼式モードで検出可能な濃度範囲を大きく超えていると、接触燃焼センサ７０の感度低下により、出力電圧Ｖｏｕｔが実際の値よりも小さくなるおそれがある。そうなると、水素濃度が低いと誤って判断されてしまうからである。
【００６９】
ステップＳ４の後、接触燃焼センサ７０により検出される水素濃度（検出濃度）が、第２の閾値Ｃ２以下であるか否かが判定される（ステップＳ５）。この閾値Ｃ２は、上記の閾値Ｃ１よりも低く設定されている。閾値Ｃ２は、ガス空間に存在しても安全上問題がない水素濃度の値に設定され、例えばゼロに設定される。もっとも、閾値Ｃ２はゼロよりも大きくてもよい。
【００７０】
水素濃度が閾値Ｃ２を越える場合には（ステップＳ５；ＮＯ）、低濃度の水素ガスが漏洩していると判断し、報知装置３００によりその旨が報知される（ステップＳ６）。一方で、水素濃度が閾値Ｃ２以下である場合には（ステップＳ５；ＹＥＳ）、水素ガスが漏洩していないと判断される。なお、この場合にのみ車両１００の運転を許可するようにしてもよい。その後は、ガス濃度検出装置６０は、図示省略した通常時の制御に移行する。
【００７１】
通常時には、ガス濃度検出装置６０では接触燃焼式モードが実行される。そして、接触燃焼式モードの実行中に水素ガス漏洩が発生した場合、例えば接触燃焼センサ７０により検出された水素濃度が閾値Ｃ２又は閾値Ｃ１を超える場合には、報知装置３００によりその旨が報知される。また、この場合に、制御装置２００は車両１００を退避走行（リンプホーム制御）させるようにするとよい。なお、報知装置３００は、接触燃焼センサ７０による検出濃度が閾値Ｃ１を越えるまでに報知するのが適当である。
【００７２】
そして、接触燃焼センサ７０による検出濃度が閾値Ｃ１を越えた場合には、ガス濃度検出装置６０では気体熱伝導式モードの実行に切り替えられるとよい。こうすることで、漏洩した水素ガスが高濃度であるかどうかを判断できる。また、素子３０への通電が遮断されるので、素子３０の異常高温が抑制される。これにより、断線や触媒３２の劣化など、素子３０の劣化を抑制できる。なお、素子３０を加熱するヒータとしてコイル３１を用いている場合には、素子３０への通電の遮断により、素子３０のヒータもＯＦＦされる。一方で、コイル３１とは別個のヒータを用いている場合には、そのヒータをＯＦＦするとよい。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態のガス濃度検出装置６０によれば、ガス空間に配置された共通素子４０を兼用する構成としているので、最小数の素子で、接触燃焼センサ７０又は気体熱伝導センサ８０として機能させることができる。これにより、広いレンジで水素濃度を検出できると共に、全体として小型化、低コスト化及び省電力化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
上記では、本発明のガス濃度検出装置は、燃料電池システム１のみならず、特に可燃性の燃料ガスを用いるシステムにも有用である。可能性の燃料ガスとしては、水素ガス以外に例えば圧縮天然ガスが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施形態に係るガス濃度検出装置を具備する燃料電池自動車を模式的に示す図である。
【図２】実施形態に係るガス濃度検出装置の構成を模式的に示す図である。
【図３】実施形態に係るガス濃度検出装置のブリッジ回路を示す図である。
【図４】実施形態に係るガス濃度検出装置の起動時の処理フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７６】
１：燃料電池システム、２：燃料電池、３：ケース、１２：排出配管（ガス配管）、２２：供給配管（ガス配管）、２３：循環配管（ガス配管）、２５：パージ配管（ガス配管）、２８：排ガス配管（ガス配管）、３０：素子（第１の検出素子）、４０：素子（共通素子）、５０：参照素子（第１の参照素子）、６０：ガス濃度検出装置、７０：接触燃焼式ガスセンサ、８０：気体熱伝導式ガスセンサ、１００：燃料電池自動車、２００：制御装置、３００：報知装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度をそれぞれが検出する触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、
前記触媒型ガスセンサ及び前記非触媒型ガスセンサは、前記ガス空間に配置された共通の素子を前記ガス濃度の検出のために兼用するように構成されている、ガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記触媒型ガスセンサは、前記ガス空間に配置された触媒付きの第１の検出素子を有し、前記共通の素子を前記第１の検出素子に対して参照素子として用いて、前記第１の検出素子と前記共通の素子との電気抵抗の差から前記ガス濃度を検出するものであり、
前記非触媒型ガスセンサは、前記検出対象ガスとは異なるガスが存在する空間に配置された第１の参照素子とを有し、前記共通の素子を前記第１の参照素子に対して検出素子として用いて、前記共通の素子と前記第１の参照素子との電気抵抗の差から前記ガス濃度を検出するものである、請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記ガス濃度が閾値以上の場合には、前記第１の検出素子のヒータがＯＦＦされる、請求項２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記触媒型ガスセンサは、接触燃焼式ガスセンサであり、
前記非触媒型ガスセンサは、気体熱伝導式ガスセンサである、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
前記触媒型ガスセンサ及び前記非触媒型ガスセンサの一方のみが作動して、前記ガス濃度を検出する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
前記ガス濃度が閾値よりも小さい場合には、前記触媒型ガスセンサが作動し、
前記ガス濃度が前記閾値以上の場合には、前記非触媒型ガスセンサが作動する、請求項５に記載のガス濃度検出装置。
【請求項７】
前記触媒型ガスセンサ又は前記非触媒型ガスセンサが検出するガス濃度に基づいて、前記触媒型ガスセンサ及び前記非触媒型ガスセンサの一方のみが作動するように切り替える切替え手段を備えた、請求項６に記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
当該ガス濃度検出装置の起動時には、前記非触媒型ガスセンサが作動し、
前記切替え手段は、前記非触媒型ガスセンサが検出するガス濃度が前記閾値よりも小さい場合に、前記触媒型ガスセンサが作動するように切り替える、請求項７に記載のガス濃度検出装置。
【請求項９】
前記検出対象ガスは、水素ガスである、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
【請求項１０】
ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出装置であって、
前記ガス空間に配置された共通素子を検出素子として用いることにより触媒型ガスセンサとして機能する第１モードと、前記共通素子を参照素子として用いることにより非触媒型センサとして機能する第２モードとを実行可能に構成されたガス濃度検出装置。
【請求項１１】
前記ガス濃度が閾値よりも小さい場合には、前記第１モードを実行し、
前記ガス濃度が前記閾値以上の場合には、前記第２モードを実行する、請求項１０に記載のガス濃度検出装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置を備えた燃料電池システム。
【請求項１】
ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度をそれぞれが検出する触媒型ガスセンサ及び非触媒型ガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、
前記触媒型ガスセンサ及び前記非触媒型ガスセンサは、前記ガス空間に配置された共通の素子を前記ガス濃度の検出のために兼用するように構成されている、ガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記触媒型ガスセンサは、前記ガス空間に配置された触媒付きの第１の検出素子を有し、前記共通の素子を前記第１の検出素子に対して参照素子として用いて、前記第１の検出素子と前記共通の素子との電気抵抗の差から前記ガス濃度を検出するものであり、
前記非触媒型ガスセンサは、前記検出対象ガスとは異なるガスが存在する空間に配置された第１の参照素子とを有し、前記共通の素子を前記第１の参照素子に対して検出素子として用いて、前記共通の素子と前記第１の参照素子との電気抵抗の差から前記ガス濃度を検出するものである、請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記ガス濃度が閾値以上の場合には、前記第１の検出素子のヒータがＯＦＦされる、請求項２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記触媒型ガスセンサは、接触燃焼式ガスセンサであり、
前記非触媒型ガスセンサは、気体熱伝導式ガスセンサである、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
前記触媒型ガスセンサ及び前記非触媒型ガスセンサの一方のみが作動して、前記ガス濃度を検出する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
前記ガス濃度が閾値よりも小さい場合には、前記触媒型ガスセンサが作動し、
前記ガス濃度が前記閾値以上の場合には、前記非触媒型ガスセンサが作動する、請求項５に記載のガス濃度検出装置。
【請求項７】
前記触媒型ガスセンサ又は前記非触媒型ガスセンサが検出するガス濃度に基づいて、前記触媒型ガスセンサ及び前記非触媒型ガスセンサの一方のみが作動するように切り替える切替え手段を備えた、請求項６に記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
当該ガス濃度検出装置の起動時には、前記非触媒型ガスセンサが作動し、
前記切替え手段は、前記非触媒型ガスセンサが検出するガス濃度が前記閾値よりも小さい場合に、前記触媒型ガスセンサが作動するように切り替える、請求項７に記載のガス濃度検出装置。
【請求項９】
前記検出対象ガスは、水素ガスである、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
【請求項１０】
ガス空間に存在し得る検出対象ガスのガス濃度を検出するガス濃度検出装置であって、
前記ガス空間に配置された共通素子を検出素子として用いることにより触媒型ガスセンサとして機能する第１モードと、前記共通素子を参照素子として用いることにより非触媒型センサとして機能する第２モードとを実行可能に構成されたガス濃度検出装置。
【請求項１１】
前記ガス濃度が閾値よりも小さい場合には、前記第１モードを実行し、
前記ガス濃度が前記閾値以上の場合には、前記第２モードを実行する、請求項１０に記載のガス濃度検出装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置を備えた燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−３３３５９４（Ｐ２００７−３３３５９４Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１６６４６６（Ｐ２００６−１６６４６６）
【出願日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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