JP5186188B2 - Control device for gas sensor with built-in heater - Google Patents
Control device for gas sensor with built-in heater Download PDFInfo
- Publication number
- JP5186188B2 JP5186188B2 JP2007304404A JP2007304404A JP5186188B2 JP 5186188 B2 JP5186188 B2 JP 5186188B2 JP 2007304404 A JP2007304404 A JP 2007304404A JP 2007304404 A JP2007304404 A JP 2007304404A JP 5186188 B2 JP5186188 B2 JP 5186188B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- heater
- sensor
- gas sensor
- humidity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 176
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 72
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 47
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 41
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 18
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 18
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 14
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 12
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 12
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 5
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 5
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 4
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 230000002940 repellent Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 206010037660 Pyrexia Diseases 0.000 description 2
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229960001716 benzalkonium Drugs 0.000 description 1
- CYDRXTMLKJDRQH-UHFFFAOYSA-N benzododecinium Chemical compound CCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)CC1=CC=CC=C1 CYDRXTMLKJDRQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
- G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
- G01N33/0059—Avoiding interference of a gas with the gas to be measured
- G01N33/006—Avoiding interference of water vapour with the gas to be measured
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
- G01N27/16—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by burning or catalytic oxidation of surrounding material to be tested, e.g. of gas
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
本発明は、ヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a gas sensor with a built-in heater.
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池等の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ているか否かを検知する制御装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
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、燃料電池のオフガス、特に酸素極側のオフ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ガスセンサ等に結露が発生する場合があり、この場合には、ガスセンサの劣化や破損等が生じる虞がある。特に、上述した固体高分子膜型燃料電池は、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が多いガスとなって排出されるため、オフガス中の水分が結露しやすいという問題がある。
Conventionally, for example, a hydrogen detector (gas sensor) has been provided in the discharge system on the oxygen electrode side of a fuel cell such as a solid polymer membrane fuel cell, and hydrogen on the fuel electrode side passes through the solid polymer electrolyte membrane by this hydrogen detector. A control device that detects whether or not there is leakage to the pole side is known (for example, see Patent Document 1).
In a fuel cell such as a solid polymer membrane fuel cell as described above, in order to maintain the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane, the reaction gas (for example, hydrogen or air) supplied to the fuel cell is humidified. Since water (humidified water) is mixed by the device and the like, and the reaction product water is generated by the electrochemical reaction when the fuel cell is operated, the off-gas of the fuel cell, especially the off-gas on the oxygen electrode side is a highly humid gas. It has become.
For this reason, in the apparatus according to an example of the above-described prior art, condensation may occur in a gas sensor or the like disposed in the off-gas flow path due to the highly humid off-gas discharged from the fuel cell. The gas sensor may be deteriorated or damaged. In particular, since the solid polymer membrane fuel cell described above has a normal operating temperature lower than the vaporization temperature of water, and the offgas is discharged as a gas with a high humidity and a large amount of water, the water in the offgas is discharged. There is a problem of easy condensation.
このような問題に対して、上記従来技術の一例に係る制御装置においては、被検出ガスが流通する配管内の流通方向においてガスセンサよりも上流側の位置での温度と、ガスセンサのガス検出室内の温度との温度差が所定範囲内の値となるようにして、ガス検出室内を加熱するヒータの通電量を制御することで、ガス検出室内に結露が発生することを抑制している。
ところで、上記従来技術に係る制御装置において、単に、ガスセンサよりも上流側での温度とガス検出室内の温度との温度差に応じてヒータの通電量を制御するだけでは、過剰なタイミングでヒータを起動してしまう虞があり、消費電力が嵩むという問題が生じる。
そして、このような制御装置においては、ヒータでの過剰な電力消費を防止すると共に、例えば結露の解消または結露の発生を抑制するために装置構成が複雑化したり、大型化することを防止することが望まれている。
By the way, in the control device according to the above-described prior art, simply controlling the energization amount of the heater according to the temperature difference between the temperature upstream of the gas sensor and the temperature in the gas detection chamber, the heater is turned on at an excessive timing. There is a risk that it may start up, resulting in a problem of increased power consumption.
In such a control device, it is possible to prevent excessive power consumption at the heater and to prevent the device configuration from becoming complicated or enlarged in order to eliminate condensation or suppress the occurrence of condensation, for example. Is desired.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、過剰なエネルギー消費を防止すると共に、装置構成の複雑化および大型化を防止しつつ、ガスセンサの破損、劣化、検出精度の低下を防止することが可能なヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and prevents excessive energy consumption and prevents the gas sensor from being damaged, deteriorated, and reduced in detection accuracy while preventing the apparatus configuration from becoming complicated and large. An object of the present invention is to provide a control device for a gas sensor with a built-in heater.
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第1態様に係るヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置は、燃料ガスと酸化剤ガスが供給されて発電し、出力指令値に基づいて、出力電流が変動する燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガスが流通する配管と、前記オフガスが流通する前記配管(例えば、実施の形態での出口側配管14)に設けられ、前記オフガスが流入可能なガス検出室(例えば、実施の形態でのガス検出室26)内を加熱するヒータ(例えば、実施の形態でのヒータ36)を有するガスセンサ(例えば、実施の形態でのガスセンサ15)と、前記オフガスの流通方向において前記ガスセンサよりも上流側に設けられた湿度センサ(例えば、実施の形態での上流側状態センサ41が兼ねる)と、前記湿度センサと、電源(例えば、実施の形態での蓄電装置4)とに接続され、前記電源から前記ガスセンサへの電力供給を制御する通電制御器(例えば、実施の形態での制御器10)とを備えるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置であって、前記通電制御器は、前記湿度センサにより検出する前記ガスセンサよりも上流側での前記オフガスの湿度がヒステリシスを有する閾値以上であるか否かを検出し、前記ガスセンサよりも上流側での前記オフガスの湿度が前記閾値のロー側閾値未満の場合には、前記ヒータへの通電を停止し、前記ガスセンサよりも上流側での前記オフガスの湿度が前記閾値のハイ側閾値以上の場合には、前記ヒータへの通電を行なう。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, the control device for a heater built-in gas sensor according to the first aspect of the present invention is supplied with fuel gas and oxidant gas to generate power, and based on an output command value. The off-gas provided in the fuel cell in which the output current fluctuates, the pipe through which the off-gas discharged from the fuel cell flows, and the pipe through which the off-gas flows (for example, the
第1態様に係るヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置によれば、ヒータのオンおよびオフを湿度センサの検出値、つまりガスセンサよりも上流側での被検出ガスの湿度に応じて制御することから、ヒータを効率よく起動することができ、消費電力の増大を抑制することができると共に、ガスセンサよりも上流側において被検出ガスが飽和含水状態であっても、ガス検出室内に流入する被検出ガスの温度上昇に伴って飽和水蒸気圧が高くなり、被検出ガスの相対湿度を低下させることができ、ガス検出室内に流入する被検出ガスによって結露が発生してしまうことを防止することができる。 According to the control apparatus of the built-in heater gas sensor according to the first embodiment, the heater on and off the detection value of the humidity sensor, ie a benzalkonium be controlled according to the humidity of the gas to be detected on the upstream side of the gas sensor The heater can be started efficiently, the increase in power consumption can be suppressed, and the gas to be detected that flows into the gas detection chamber even if the gas to be detected is in a saturated water-containing state upstream of the gas sensor As the temperature rises, the saturated water vapor pressure increases, the relative humidity of the gas to be detected can be reduced, and condensation can be prevented from occurring due to the gas to be detected flowing into the gas detection chamber.
以下、本発明のヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施形態によるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置1は、例えば図1に示すように、例えば、燃料電池2と、電流制御器3と、蓄電装置4と、負荷5と、S/C出力制御器6と、過給機(S/C)7と、燃料供給装置8と、出力電流センサ9と、制御器10とを備えて構成される燃料電池システム1aにおいて、燃料電池2に接続された各配管11,12,13,14のうち、酸素極側の出口側配管14に設けられたヒータ内蔵型ガスセンサ(ガスセンサ)15の作動開始および作動停止および作動を制御するものである。
Embodiments of a control device for a heater built-in gas sensor according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIG. 1, for example, the control device 1 for a heater built-in gas sensor according to this embodiment includes, for example, a fuel cell 2, a
燃料電池2は、例えば燃料電池車両や電動車両等の電源として車両に搭載されており、固体高分子電解質膜を水素極と酸素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。
燃料電池2の水素極に接続された入口側配管11には、例えば高圧の水素タンク等を具備する燃料供給装置8から水素ガスを含む燃料ガスが供給され、水素極の触媒電極上で触媒反応によりイオン化された水素は、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し、この移動に伴って発生する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。酸素極に接続された入口側配管12には、例えば、酸素などの酸化剤ガスあるいは空気が過給機(S/C)7から供給され、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、水素極側、酸素極側共に出口側配管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。
The fuel cell 2 is mounted on a vehicle as a power source of a fuel cell vehicle or an electric vehicle, for example, and an electrolyte electrode structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a hydrogen electrode and an oxygen electrode is further sandwiched between a pair of separators. A plurality of unillustrated fuel battery cells are stacked.
The inlet side pipe 11 connected to the hydrogen electrode of the fuel cell 2 is supplied with a fuel gas containing hydrogen gas from a
ここで、酸素極側の出口側配管14には、その鉛直方向上側にガス接触燃焼式のヒータ内蔵型ガスセンサ(ガスセンサ)15が取り付けられ、このガスセンサ15により酸素極側の出口側配管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。
Here, a gas contact combustion type heater built-in gas sensor (gas sensor) 15 is attached to the oxygen electrode side
また、過給機7は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池2の酸素極に供給する。
この過給機7を駆動するモータ(図示略)の回転数は、制御器10から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調(PWM)によるPWMインバータを具備するS/C出力制御器6によって制御されている。
The supercharger 7 takes in air from the outside of the vehicle, for example, compresses it, and supplies this air as a reaction gas to the oxygen electrode of the fuel cell 2.
The rotational speed of a motor (not shown) for driving the supercharger 7 is based on a control command input from the
燃料電池2から取り出される発電電流(出力電流)は電流制御器3に入力されており、この電流制御器3には、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる複数のキャパシタセルが互いに直列に接続されて構成されたキャパシタ等からなる蓄電装置4が接続されている。
そして、燃料電池2および電流制御器3と蓄電装置4は、例えば走行用モータ(図示略)と、例えば燃料電池2や蓄電装置4の冷却装置(図示略)や空調装置(図示略)等の各種補機類からなる負荷5と、S/C出力制御器6とに対して並列に接続されている。
The generated current (output current) taken out from the fuel cell 2 is input to the
The fuel cell 2, the
この燃料電池システム1aにおいて制御器10は、例えば、車両の運転状態や、燃料電池2の水素極に供給される燃料ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池2の水素極から排出されるオフガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池2の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの端子間電圧や、燃料電池2から取り出される出力電流等に基づき、過給機7から燃料電池2へ供給される空気の流量に対する指令値および燃料供給装置8から燃料電池2へ供給される燃料ガスの流量に対する指令値を出力し、燃料電池2の発電状態を制御する。
このため、制御器10には、燃料電池2から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ9から出力される検出信号が入力されている。
さらに、制御器10は、燃料電池2に対する発電指令(FC出力指令値)に基づき、電流制御器3により燃料電池2から取り出される出力電流の電流値を制御する。
In this
Therefore, a detection signal output from the output
Further, the
例えば図2および図3に示すように、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21を備えている。ケース21は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、長手方向両端部にフランジ部22を備えている。フランジ部22にはカラー23が設けられ、このカラー23内にボルト24が挿入されて、出口側配管14の取付座14aに締め付け固定されるようになっている。
For example, as shown in FIGS. 2 and 3, the
ケース21の厚さ方向の端面(例えば、下面)には、後述するベース部35を介して、セラミックスにより形成された筒状部25が設けられ、この筒状部25は出口側配管14の貫通孔14bに外側から挿入されている。
筒状部25の内部はガス検出室26として形成され、ガス検出室26の内部側面26Aには、内周側に向かってセラミックスからなるフランジ部27が一体に形成され、フランジ部27の内周部分がガス導入部28として開口形成されている。
また、筒状部25の外周面25Aにはシール材29が装着され、出口側配管14の貫通孔14bの内周壁に密接して気密性を確保している。
A
The inside of the
Further, a sealing
ケース21内には樹脂で封止された回路基板30が設けられ、ガス検出室26内に配置された、例えば1対の検出素子31および温度補償素子32は、回路基板30に接続された通電用の複数のステー33(支持部材)およびリード線34により回路基板30に接続されている。
通電用のステー33は、例えば銅合金、鉄合金、ニッケル合金等の複合合金材から形成され、ケース21と筒状部25との間に配置された略円環板状のベース部35を貫通し、基端部がケース21内の回路基板30に接続されると共に、先端部がガス検出室26内に突出した状態で、例えばアルミナあるいはガラスエポキシ等の絶縁性材料から平板状に形成されたベース部35により固定されている。
A
The
ガス検出室26の内部側面26A上には、例えばチタン酸バリウム等からなるPTC(positive temperature coefficient)サーミスタ等の平板状のヒータ36が設けられている。
なお、ヒータ36は、例えば外形が円形板状とされ、径方向の両端部に通電用の電気端子が設けられている。
また、ヒータ36を、例えばPTCサーミスタとすることにより、このPTCサーミスタを構成するチタン酸バリウムを主成分とする半導体セラミックの材料組成により、任意にキュリー温度を設定することができ、このキュリー温度から電気抵抗が急激に増大するという性質を利用して、ヒータ36を定温発熱体とすることができる。
つまりPTCサーミスタは、PTC素子に電圧が印加されるとジュール熱により自己発熱し、PTC素子の温度がキュリー温度を超えると、PTC素子の抵抗値は対数的に増大する。これにより、PTC素子に通電される電流が減少し、電力の増大が抑制されることから、発熱温度が低下する。そして、PTC素子の抵抗値が低下すると、PTC素子に通電される電流が増大し、再度、電力が増大することから、発熱温度が増大する。この一連の動作が繰り返されることで、PTCサーミスタは、自己制御機能を有する定温発熱体として機能する。
A
Note that the
Moreover, by setting the
That is, the PTC thermistor self-heats due to Joule heat when a voltage is applied to the PTC element, and when the temperature of the PTC element exceeds the Curie temperature, the resistance value of the PTC element increases logarithmically. As a result, the current supplied to the PTC element is reduced and the increase in power is suppressed, so that the heat generation temperature is lowered. And if the resistance value of a PTC element falls, since the electric current supplied to a PTC element will increase and electric power will increase again, heat_generation | fever temperature will increase. By repeating this series of operations, the PTC thermistor functions as a constant temperature heating element having a self-control function.
また、ガス検出室26内での各素子31,32周辺の温度および湿度を検出する状態センサ37がベース部35により固定され、状態センサ37はケース21内の回路基板30に接続されている。
A
ガス導入部28には、ガスセンサ15の厚さ方向に沿って基端部から先端部に向かい順次、例えば金属またはセラミックからなる網状または多孔質状の防爆構造体38(例えば、焼結フィルタ)と、例えば樹脂からなる撥水フィルタ39とが配置されている。そして、防爆構造体38はヒータ36に接触しており、ヒータ36によって直接的に加熱される。
これにより、検査対象ガスは、外部から順次、撥水フィルタ39と、ヒータ36によって直接的に加熱された防爆構造体38とを通過してガス検出室26内に導入され、検査対象ガスの温度は露点よりも高い温度に保持される。また、検査対象ガスが接触する防爆構造体38で結露が発生することが防止されると共に、防爆構造体38に水分が付着した場合であっても、この水分が蒸発するようになっている。
The
As a result, the inspection target gas is sequentially introduced from the outside through the water-
なお、検出素子31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の表面が、被検出ガスとされる水素に対して活性な貴金属等からなる触媒を坦持するアルミナ等の坦体で略球形に被覆されて形成されている。
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と同等のコイルの表面がアルミナ等の坦体で略球形に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ガスが検出素子31の触媒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。
The
The
And the
検出素子31と温度補償素子32は回路基板30に接続され、例えばガス検出室26内で鉛直方向に同一高さで所定間隔を隔てて一対設けられている。
そして、例えば図2に示すように、ガス検出室26内には検出素子31と温度補償素子32との間に、両素子31,32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板状の熱遮断部材40が配置されている。この熱遮断部材40により、検出素子31と温度補償素子32との間で互いの発熱に起因する放射による熱伝達が生じることを防止すると共に、ガス検出室26内に流入する被検出ガスが検出素子31と温度補償素子32とに振り分けられるようにして均等に分配される。
The
For example, as shown in FIG. 2, the
例えば図4に示すように、ガスセンサ15が取り付けられた酸素極側の出口側配管14において、検査対象ガスの流通方向でガスセンサ15の取付部位に隣接した上流側の位置で被検出ガスの温度および湿度、つまりガスセンサ15の上流側のガス温度およびガス湿度を検出する上流側状態センサ41が取り付けられている。
上流側状態センサ41は出口側配管14に形成された貫通孔14cに基部42が挿通固定され、先端の検出部43が出口側配管14内に挿入されるものである。なお、上流側状態センサ41の基部42の外周壁にはシール材44が取り付けられ、上流側状態センサ41と貫通孔14cとの間のシール性を確保している。
For example, as shown in FIG. 4, in the
The upstream
制御器10は、出口側配管14に取り付けられた上流側状態センサ41と、ガスセンサ15内部に設けられた状態センサ37とに接続されると共に、ガスセンサ15のヒータ36に接続されている。
そして、制御器10は、例えば燃料電池2の運転状態等に応じて、ガスセンサ15およびヒータ36の作動状態、例えば作動開始(つまり、ヒータ36への通電の開始)および作動停止(つまり、ヒータ36への通電の停止)の各タイミングや、例えば蓄電装置4から検出素子31および温度補償素子32とヒータ36とに対する通電状態等を制御する。
The
The
例えば制御器10は、上流側状態センサ41から出力されるガスセンサ15の上流側のガス湿度に応じてヒータ36への通電の開始および停止を制御すると共に、ヒータ36への通電の実行時においては、状態センサ37および上流側状態センサ41の検出温度に基づいてヒータ36への通電量を制御する。
例えば制御器10は、上流側状態センサ41により検出されるガスセンサ15よりも上流側での被検出ガスの湿度(湿度検出値)が所定のヒステリシスを有する閾湿度HY(L/H)以上であるか否かの判定結果に応じてヒータ36への通電の開始および停止を制御する。また、例えば燃料電池2の運転時等におけるヒータ36への通電の実行時には、状態センサ37により検出されるガス検出室26内の温度(検出室内温度)および上流側状態センサ41により検出されるガスセンサ15よりも上流側での被検出ガスの温度(上流ガス温度)に基づき、検出室内温度が上流ガス温度よりも所定温度(例えば、0℃以上かつ5℃以下の所定温度)以上高くなるようにして、ヒータ36の通電量を制御する。このとき、制御器10は、例えばヒータ36へ通電される電流値に対するフィードバック制御や、例えばスイッチング素子のオン/オフ動作等に基づくチョッパ制御(つまり、通電のオン/オフの切替制御)等によってヒータ36の通電量を制御する。
For example, the
For example, in the
この実施の形態によるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置1は上記構成を備えており、次に、このヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置1の動作、特に、ヒータ36への通電の開始および停止と、ヒータ36への通電の実行時における通電量とを制御する動作について説明する。
The heater built-in gas sensor control device 1 according to this embodiment has the above-described configuration. Next, the operation of the heater built-in gas sensor control device 1, in particular, the start and stop of energization of the
先ず、例えば図5に示すステップS01においては、上流側状態センサ41により検出されるガスセンサ15よりも上流側での被検出ガスの湿度(湿度検出値)が所定のヒステリシスを有する閾湿度HY(L/H)以上であるか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合、つまり湿度検出値が所定のロー側閾湿度HY(L)未満である場合には、後述するステップS10に進む。
一方、この判定結果が「YES」の場合、つまり湿度検出値が所定のハイ側閾湿度HY(H)以上である場合には、ステップS02に進む。
First, for example, in step S01 shown in FIG. 5, the humidity (detected humidity value) of the gas to be detected upstream of the
If the determination result is “NO”, that is, if the humidity detection value is less than the predetermined low-side threshold humidity HY (L), the process proceeds to step S10 described later.
On the other hand, if this determination is “YES”, that is, if the humidity detection value is greater than or equal to the predetermined high-side threshold humidity HY (H), the process proceeds to step S02.
そして、ステップS02においては、ヒータ36への通電の停止状態であるか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、後述するステップS04に進む。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS03に進む。
In step S02, it is determined whether the energization of the
If this determination is “NO”, the flow proceeds to step S 04 described later.
On the other hand, if the determination is “YES”, the flow proceeds to step S03.
そして、ステップS03においては、ヒータ36への通電を開始する。
そして、ステップS04においては、状態センサ37により検出されるガス検出室26内の温度(検出室内温度)から上流側状態センサ41により検出されるガスセンサ15よりも上流側での被検出ガスの温度(上流ガス温度)を減算して得た値を温度差検出値として設定する。
そして、ステップS05においては、温度差検出値が所定のヒステリシスを有する閾温度差TE(L/H)のハイ側閾温度差TE(H)(例えば、0℃以上かつ5℃以下の適宜の値であって、5℃等)よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、後述するステップS07に進む。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS06に進む。
そして、ステップS06においては、ヒータ36への通電電流を減少させ、一連の処理を終了する。これにより、検出室内温度を低下させることで温度差検出値を減少させて所望の温度差を確保し、過剰な電力の消費を防止している。
In step S03, energization of the
In step S04, the temperature of the gas to be detected upstream from the
In step S05, the temperature difference detection value is a high threshold temperature difference TE (H) (for example, an appropriate value of 0 ° C. or more and 5 ° C. or less) of the threshold temperature difference TE (L / H) having a predetermined hysteresis. Whether it is greater than 5 ° C. or the like.
If this determination is “NO”, the flow proceeds to step S 07 described later.
On the other hand, if this determination is “YES”, the flow proceeds to step S 06.
In step S06, the energization current to the
また、ステップS07においては、温度差検出値が所定のヒステリシスを有する閾温度差TE(L/H)のロー側閾温度差TE(L)(例えば、0℃以上かつ5℃以下の適宜の値であって、0℃等)よりも小さいか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、後述するステップS09に進む。
この判定結果が「YES」の場合には、ステップS08に進む。
そして、ステップS08においては、ヒータ36への通電電流を増大させ、一連の処理を終了する。これにより、検出室内温度を上昇させることで温度差検出値を増大させて所望の温度差を確保し、ガスセンサ15における結露発生の防止をより確実なものとしている。
また、ステップS09においては、この時点でのヒータ36への通電電流を維持し、一連の処理を終了する。
In step S07, the threshold temperature difference TE (L / H) having a predetermined hysteresis as the temperature difference detection value is a low-side threshold temperature difference TE (L) (for example, an appropriate value between 0 ° C. and 5 ° C.). And whether it is smaller than 0 ° C. or the like.
If this determination is “NO”, the flow proceeds to step S 09 described later.
If this determination is “YES”, the flow proceeds to step S08.
In step S08, the energization current to the
In step S09, the energization current to the
また、ステップS10においては、ヒータ36への通電の停止状態であるか否かを判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS11に進む。
そして、ステップS11においては、ヒータ36への通電を停止し、一連の処理を終了する。
In step S10, it is determined whether or not the energization of the
If the determination result is “YES”, the series of processes is terminated.
On the other hand, if this determination is “NO”, the flow proceeds to step S11.
In step S11, the energization to the
上述したように、本実施の形態によるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置1によれば、ヒータ36での過剰なエネルギー消費を防止すると共に、例えばガス検出室26内を乾燥させるための専用のガスを供給する装置を備えることで装置構成が複雑化かつ大型化してしまうことを防止しつつ、結露に起因するガスセンサ15の破損、劣化、検出精度の低下を防止することができる。
つまり、ガス検出室26内のヒータ36のオンおよびオフを、ガスセンサ15よりも上流側での被検出ガスの湿度に応じて制御することから、ヒータ36が過剰な頻度で不必要に起動されてしまうことを防止し、ガス検出室26内を適切に乾燥させることができる。
そして、ヒータ36のオンの状態ではガス検出室26内の温度がガスセンサ15よりも上流側での被検出ガスの温度よりも所定温度以上高くなるようにして、ヒータ36の通電量を制御することから、ガス検出室26内に流入する被検出ガスによって新たに結露が発生してしまうことを防止することができる。
As described above, according to the heater built-in gas sensor control apparatus 1 according to the present embodiment, excessive energy consumption in the
That is, since the
When the
さらに、燃料電池2から排出され出口側配管14内を流通する酸素極側のオフガスのうちガスセンサ15のガス検出室26内に至ったオフガスは、上流側のオフガスよりも所定範囲の温度差を有するようにヒータ36により加熱されるため、上流側のオフガスに比較して相対湿度が低下した状態となる。
この結果、ガス検出室26内は露点に対して余裕の有る温度差を有する状態となり、オフガス中の水分がガス検出室26内で凝結するのを防止することができるため、ガス検出室26内において凝結水が検出素子31に接触して、検出素子31が破損したり劣化するのを防止し、検出素子31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。
Further, of the oxygen gas side off gas discharged from the fuel cell 2 and flowing in the
As a result, the inside of the
さらに、ヒータ36により加熱することで、上流ガス温度よりも高くなったガス検出室26内のオフガスは、制御器10により、上流ガス温度との温度差(温度差検出値)が所定のヒステリシスを有する閾温度差TE(L/H)に応じた所定範囲内に設定されているため、例えば、温度差検出値が小さ過ぎて(温度差検出値<ロー側閾温度差TE(L))、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検出値が大きくなり(温度差検出値≧ハイ側閾温度差TE(H))、無駄な電力を消費することが防止され、最小限のエネルギーでガスセンサ15における結露発生を防止することができる。
Further, the off-gas in the
なお、上述した実施の形態においては、平板状のヒータ36をPTCサーミスタとしたが、これに限定されず、例えば焼結体ヒータや、例えば薄い板状のステンレスからなるヒータや、例えばニクロム線等の電気抵抗が大きい線状材からなるヒータ等の他のヒータであってもよいし、例えばベース部35の表面上での導電性の抵抗体の印刷および焼成により形成され、電気回路の一部の導体パターンをなすヒータであってもよい。
In the above-described embodiment, the
なお、上述した実施の形態においては、ガスセンサ15を接触燃焼式のセンサとしたが、これに限定されず、例えば被検出ガスが検出素子表面の酸素と接触離脱した際に生じる素子抵抗値に応じてガス濃度を検出する半導体式等の他の方式によるガスセンサであってもよいし、接触燃焼式および半導体式の両センサからなるガスセンサであってもよい。
In the above-described embodiment, the
また、制御器10で実行される制御機能を、回路基板30に実装されるマイクロコンピュータやIC(図示略)等で実行するようにしてもよい。
また、状態センサ37により検出されるガス検出室26内の温度および相対湿度に基づき、ガスセンサ15の検知感度の変動を補正してもよい。
The control function executed by the
Further, the variation in detection sensitivity of the
なお、上述した実施の形態において、ガス導入部28には、ガスセンサ15の厚さ方向に沿って基端部から先端部に向かい順次、防爆構造体38と、撥水フィルタ39とが配置されているとしたが、これに限定されず、例えば基端部から先端部に向かい順次、撥水フィルタ39と、防爆構造体38とが配置されてもよい。
In the embodiment described above, the explosion-
1 ヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置
1a 燃料電池システム
4 蓄電装置(電源)
10 制御器(通電制御器)
14 出口側配管(配管)
15 ガスセンサ
26 ガス検出室
36 ヒータ
37 状態センサ(第1温度センサ)
41 上流側状態センサ(第2温度センサ、湿度センサ)
1 Heater built-in gas
10 Controller (energization controller)
14 Outlet piping (piping)
15
41 Upstream state sensor (second temperature sensor, humidity sensor)
Claims (1)
前記燃料電池から排出されるオフガスが流通する配管と、
前記オフガスが流通する前記配管に設けられ、前記オフガスが流入可能なガス検出室内を加熱するヒータを有するガスセンサと、
前記オフガスの流通方向において前記ガスセンサよりも上流側に設けられた湿度センサと、
前記湿度センサと、電源とに接続され、前記電源から前記ガスセンサへの電力供給を制御する通電制御器とを備えるヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置であって、
前記通電制御器は、
前記湿度センサにより検出する前記ガスセンサよりも上流側での前記オフガスの湿度がヒステリシスを有する閾値以上であるか否かを検出し、
前記ガスセンサよりも上流側での前記オフガスの湿度が前記閾値のロー側閾値未満の場合には、前記ヒータへの通電を停止し、
前記ガスセンサよりも上流側での前記オフガスの湿度が前記閾値のハイ側閾値以上の場合には、前記ヒータへの通電を行なうことを特徴とするヒータ内蔵型ガスセンサの制御装置。 A fuel cell in which fuel gas and oxidant gas are supplied to generate power, and an output current varies based on an output command value; and
Piping through which off-gas discharged from the fuel cell circulates;
A gas sensor provided in the pipe through which the off gas flows, and having a heater for heating the gas detection chamber into which the off gas can flow;
A humidity sensor provided upstream of the gas sensor in the flow direction of the off gas;
A heater built-in type gas sensor control device comprising: the humidity sensor; and a power supply controller connected to a power source and controlling power supply from the power source to the gas sensor,
The energization controller is
Detecting whether the humidity of the off-gas upstream of the gas sensor detected by the humidity sensor is equal to or higher than a threshold having hysteresis ;
When the humidity of the off gas on the upstream side of the gas sensor is less than the low threshold value of the threshold value , the energization to the heater is stopped,
The heater-incorporated gas sensor control apparatus, wherein the heater is energized when the humidity of the off-gas upstream of the gas sensor is equal to or higher than the high threshold value .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007304404A JP5186188B2 (en) | 2007-11-26 | 2007-11-26 | Control device for gas sensor with built-in heater |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007304404A JP5186188B2 (en) | 2007-11-26 | 2007-11-26 | Control device for gas sensor with built-in heater |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009128221A JP2009128221A (en) | 2009-06-11 |
JP5186188B2 true JP5186188B2 (en) | 2013-04-17 |
Family
ID=40819295
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007304404A Expired - Fee Related JP5186188B2 (en) | 2007-11-26 | 2007-11-26 | Control device for gas sensor with built-in heater |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5186188B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5927647B2 (en) * | 2012-02-01 | 2016-06-01 | 新コスモス電機株式会社 | Gas detector |
JP6183641B2 (en) * | 2013-05-30 | 2017-08-23 | 三浦工業株式会社 | Exhaust gas measuring device |
JP6441626B2 (en) * | 2014-09-22 | 2018-12-19 | ホシデン株式会社 | Gas measuring device and gas detecting device |
GB201521199D0 (en) | 2015-12-01 | 2016-01-13 | Norwegian Inst For Air Res | Air monitoring |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01211635A (en) * | 1988-02-19 | 1989-08-24 | Mazda Motor Corp | Control device for engine |
JPH0455751A (en) * | 1990-06-25 | 1992-02-24 | Matsushita Seiko Co Ltd | Carbon-dioxide-gas ditecting apparatus |
JPH07113775A (en) * | 1993-10-18 | 1995-05-02 | Toyota Motor Corp | Alcohol concentration detecting device |
US7820949B2 (en) * | 2002-05-14 | 2010-10-26 | Honda Motor Co., Ltd. | Method of starting, stopping and operating gas sensor with built-in heater |
JP4216146B2 (en) * | 2003-08-01 | 2009-01-28 | 株式会社堀場製作所 | Gas sampling device and boiler exhaust gas sampling device |
JP2007024627A (en) * | 2005-07-14 | 2007-02-01 | Nissan Motor Co Ltd | Hydrogen detection device and fuel cell system |
-
2007
- 2007-11-26 JP JP2007304404A patent/JP5186188B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009128221A (en) | 2009-06-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4739166B2 (en) | Gas sensor | |
JP4917111B2 (en) | Operation start method, operation stop method and operation method of heater built-in gas sensor | |
JP2009092587A (en) | Device for controlling gas sensor having built-in heater | |
JP5232451B2 (en) | Control device for fuel cell system | |
JP4421178B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP5186188B2 (en) | Control device for gas sensor with built-in heater | |
JP2006153598A (en) | Gas detector and control method of gas detecting element | |
JP3746778B2 (en) | Gas sensor control device | |
JP3833559B2 (en) | Control device for gas sensor with built-in heater | |
JP4083652B2 (en) | Gas sensor control device | |
US8689609B2 (en) | Hydrogen sensor with dew condensation prevention | |
JP2004061433A (en) | Gas sensor controller and fuel cell system with gas sensor and fuel cell vehicle equipped with gas sensor | |
JP4903116B2 (en) | Control device for pressure sensor with built-in heater | |
JP4021827B2 (en) | Gas sensor | |
JP2006010622A (en) | Gas detection system and fuel cell vehicle | |
JP3987016B2 (en) | Gas sensor control device | |
JP4112466B2 (en) | In-vehicle gas sensor control system | |
JP2012149894A (en) | Control apparatus of gas sensor | |
JP2005141972A (en) | Fuel cell system | |
JP2004022299A (en) | Method for detecting degradation of hydrogen sensor used in fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20091127 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20111102 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120306 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120413 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121009 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121121 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20121221 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130121 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160125 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |