专利名称：气体传感器及包括该气体传感器的燃料电池系统和汽车的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测与含有湿气的大气混合的气体的湿度和浓度的气体传感器，且涉及包括此气体传感器的燃料电池系统和汽车。
背景技术：
近来，在燃料电池的研发方面取得了巨大进步，期望其可作为环境问题的最有效的解决办法之一。特别是，由于其操作温度低至如80℃的固态聚合物膜易于处理，所以使用固态聚合物膜作为电解质的燃料电池已成为当前燃料电池研发的主流。此燃料电池使用氢燃料，且因此需要用于检测氢的气体传感器以作为防止氢泄漏的安全措施。
当前提出的气体传感器是利用氢的导热率远大于其它气体的导热率的特性，且根据发热元件(heating element)的温度变化来检测由于氢的存在而引起的导热率的变化。例如，当氢存在于空气中时，与仅存在空气的情况相比，从发热元件获得更大量的热。因此，发热元件的温度根据氢的浓度而变化。此温度变化可作为温度检测元件的电阻值的变化而电子检测出。
也用作温度检测元件的气体传感器的发热元件由铂薄膜电阻形成。具有薄膜结构的铂薄膜电阻使用半导体微加工(micromachine)技术来制造，且因此能够生产微小的发热元件。因此，能量消耗减少，且气体传感器的响应速度增加。例如，JP-A-8-101156中揭示了具有此结构的气体传感器。
当此类型的气体传感器用于检测氢泄漏时，如果作为检测目标气体的氢中含有湿气则会出现问题。如果不含有湿气，那么发热元件的电阻值根据氢的浓度改变。然而，如果含有湿气，那么电阻值还因湿气的存在而变化，且因此不可能区分由氢、湿气和两者共存所导致的变化。
为了克服此问题，上述常规气体传感器改变由铂薄膜电阻形成的发热元件中流动的电流。在此结构中，发热元件的输出电压根据反应的程度而改变，且将当不同电平的电流在其中流动时所得到的发热元件两端处的电压代入预先建立的估算方程式中，并联立计算所述方程式。然后，根据估算方程式的解计算出大气气体的量，即，各气体的浓度。
基本上，可通过此方法得到复数种成分的气体浓度。然而，在接近80℃温度下，当大体上湿气饱和的氢泄漏于大气中时，如燃料电池的泄漏检测的情况中就会出现问题。各气体成分的导热率的变化可用线性方程式，或仅仅在可视为线性方程式范围内检测时，可使用契比雪夫(Chebyshev)正交多项式可计算所述气体浓度。然而，在所述燃料电池的情况下，估计含有此氢气量更大的水蒸气量。在此种条件下，混合系的导热率具有非线性特性，其一定为二次方程式或更高次方程式，且随湿度增加而上升，展现峰值，且然后下降。因此，当仅从联立估算方程式求解时，需要复杂的计算。此外，因为复数个解对应于湿度，不能判定一个值为湿度。结果，也不可能得到一个值作为氢的浓度。
发明内容
根据本发明的气体传感器包括发热元件，其接触混合有含有湿气的大气的检测目标气体；电源装置，其用于向发热元件供应电流；和电压表，其用于测量发热元件两端处的电压。所述气体传感器进一步包括运算单元(arithmetic unit)，以用于基于电压表的输出电压计算检测目标气体的浓度和湿度并输出所述计算的值。运算单元控制电源装置在预定时间期间内以阶梯方式连续向发热元件供应至少三个及以上电平的电流。然后，在所述预定时间期间过后，运算单元接收针对各电流的发热元件两端的电压值。其后，基于当最小电流流过时发热元件两端的电压值以及已知检测目标气体的浓度而预先得到的零点变动修正方程式和灵敏度变动修正方程式，运算单元修正在不同于最小电流的电流流过时的发热元件的两端电压，以得到各标准输出值。随后，运算单元使用相对于湿度相关函数计算湿度，所述湿度相关函数使用当最小电流流过时在发热元件的两端电压和标准输出值的差值作为参数。其后，运算部使用两个湿度修正值相关函数修正所得到的所述湿度的零点变动和灵敏度变动，以得到检测目标气体的浓度，所述湿度修正值相关函数使用最小电流流过时发热元件两端电压和标准输出差值作为参数。通过此方法，根据本发明的气体传感器可以高精度检测出湿度和被测气体的浓度。
图1为根据本发明的实施例中的气体传感器的气体检测部分的分解透视图。
图2A为示意性说明根据本发明的实施例中的气体传感器的发热元件的透视图。
图2B为根据本发明的实施例中的气体传感器的发热元件的放大横截面图。
图3为示意性说明根据本发明的实施例中的气体传感器的横截面图。
图4为根据本发明的实施例中的气体传感器安装到固定式燃料电池系统的示意方框图。
图5为包括本发明的实施例中的气体传感器的燃料电池汽车的结构的示意性横截面图。
图6为示意性展示根据本发明的实施例中的气体传感器的电路图。
图7示意性展示提供到根据本发明的实施例中的气体传感器的发热元件上的电流波形。
图8展示当根据本发明的实施例中的气体传感器的发热元件产生高温度的热时在增湿条件下的氢浓度输出特性。
图9展示当根据本发明的实施例中的气体传感器中发热元件产生低温度的热和高温度的热时的零点温度相关特性。
图10展示当根据本发明的实施例中的气体传感器的发热元件产生低温度的热和高温度的热时，根据温度变化的灵敏度修正特性。
图11展示在根据本发明的实施例中的气体传感器中的湿度与零点和灵敏度修正之后的标准输出之间的相关性。
图12展示当发热元件在根据本发明的实施例中的气体传感器中产生低温度的热和高温度的热时标准输出差值与绝对湿度之间的相关性。
图13展示在本发明的实施例中的气体传感器中，当最小电流流过时，通过将标准输出差值乘以发热元件的两端电压的倒数的三次方而获得的值与绝对湿度之间的相关性。
图14展示根据本发明的实施例中的气体传感器中的标准输出差值与偏移量之间的相关性。
图15展示根据本发明的实施例中的气体传感器中，图14中的湿度修正后的增湿条件下的氢浓度输出特性。
图16展示在根据本发明的实施例中的气体传感器中，当最小电流流过时，通过将标准输出差值乘以发热元件的两端电压的倒数的三次方而获得的值与偏移量之间的相关性。
图17展示在根据本发明的实施例中的气体传感器中，当最小电流流过时，通过将标准输出差值乘以发热元件的两端电压的倒数的三次方而获得的值与氢灵敏度修正值之间的相关性。
图18展示在根据本发明的实施例中的气体传感器中，图16和17中湿度修正之后的增湿条件下的氢浓度输出特性。
图19为展示本发明的实施例中的气体传感器中用于计算氢浓度和湿度的程序的流程图。
附图标记说明1 发热元件2 基座3 插脚4 导线5 内孔6 内罐7 外孔8 外罐9 网10 底座11 发热体12 连接区13 凹陷部16 检测部分17 检测电路18 容器19 拾取电缆20 容器盖
21 抗湿树脂22 气体引入口23 螺栓部24，113 气体传感器25 恒流源26 电压表27 运算单元51 氢箱52 切断阀53 氢增湿器54，110 燃料电池55 空气压缩机56 空气增湿器57 燃料电池控制电路58 外壳59 警报器60 送风扇101 主体102 车厢103 氢箱容纳部分104 驱动构件容纳部分105 底盘部分106 箱体107 外箱108 内箱109 发动机111 轮胎112 方向盘具体实施方式
以下参看
本发明的实施例。在以下描述中，假定检测目标气体为氢。
图1为说明根据本发明的实施例中的气体传感器的气体检测部分的分解透视图。图2A为示意性说明根据本发明的实施例中的气体传感器的发热元件的透视图。图2B为根据本发明的实施例中的气体传感器的发热元件的放大横截面图。图3为示意性说明根据本发明的实施例中的气体传感器的横截面图。
如图1所示，发热元件1固定于基座2上。一对插脚3穿透基座2。两组2根为一组的由金属制成的导线4连接插脚3顶面和发热元件1。因为导线4是2根为一组，所以当一根断开时所述导线4的至少一根仍可保持与插脚3和发热元件1的连接。因此此结构允许使气体传感器连续使用，这增加了其可靠性。基座2被具有四个内孔5的内罐6覆盖，且内罐6进一步由具有一外孔7的外罐8覆盖，由此构成双罐结构。当内孔5和外孔7安装到基座2时，其彼此偏移安置以使得彼此不相对。在此结构中，气体不直接到达发热元件1，使得目标气体的流量对气体传感器的输出不产生过大影响。基座2、内罐6和外罐8通过电阻焊接而彼此固定。由诸如不锈钢的金属制成的网9紧固到内孔5和外孔7。
如图2A和2B所示，发热元件1具有由硅(silicon)制成的底座10和由铂薄膜制成的发热体11。发热体11设置于通过微加工方法形成的、厚度约10微米的极薄的凹陷部13表面上，形成Z字形。由于此结构，发热体11的热容量极小。为了与导线4连接的连接区12形成于发热体11的两端上。未图示的由石英(silica)制成的绝缘层设置于发热体11和连接区12的下表面上。同样，未图示的由石英制成的保护层设置于发热体11的上表面上。
检测部分16通过将发热元件1安装于由图1所示的基座2、内罐6和外罐8构成的壳体上而形成。如图3所示，检测部分16通过将插脚3插入检测电路17中并将插脚3焊接于其上而电连接及机械连接。检测电路17插入容器18中，与检测电路17连接的拾取电缆19预先插入容器盖20，容器盖20附接到容器18。抗湿树脂21通过形成于容器盖20上的注入口(未图示)而注入检测电路17与容器盖20之间的整个空间中，且在其中硬化。在抗湿树脂21注入所述空间中且硬化之后，填塞固定容器18与容器盖20之间的空间。
气体引入口22设置于容器18的底部表面上。用于附接传感器的螺栓部23形成于容器18的侧面上。这样使用上述部件完成了气体传感器24的组装。
下面，参看图4和5说明气体传感器的安装示例。
图4为本发明的实施例中的气体传感器安装到固定式燃料电池系统的示意方框图。图5为包括本发明的实施例中的气体传感器的燃料电池汽车的结构的示意性横截面图。
首先，就固定式燃料电池系统，以固定聚合膜电解质式燃料电池系统为例进行说明。如图4所示，包含于氢箱51中的氢通过切断阀52引入氢增湿器53，其中提供防止设于燃料电池内的固态聚合物膜干燥的湿气。接着将增湿的氢导向燃料电池54的氢极。另一方面，产生电所需要的空气通过使用空气压缩机55由空气增湿器56增湿，接着将其引向燃料电池54的空气极。这种结构可使燃料电池54产生电，并如粗线所示通过燃料电池控制电路57向外部供电。作为产生电的副产物所产生的水与空气一起从燃料电池54排放到外部。在改进式燃料电池系统的情况下，可由改进的设备替代氢箱51。
具有此结构的燃料电池系统整体容纳于外壳58内。用于检测氢泄漏的气体传感器安置于氢箱51和燃料电池54附近，燃料电池54的空气排放管内等其它位置，如图4的黑色圆点所示。当除定位于空气排放管内的气体传感器之外的气体传感器检测到氢泄漏时，燃料电池控制电路57关闭切断阀52以停止向燃料电池54的氢供应，且接着启动警报器59和送风扇60。当由安置于空气排放管内的气体传感器检测到的氢浓度超过规定值时(例如，2％，其为保证安全的氢爆炸极限4％的一半)，燃料电池控制电路57操作空气压缩机55并增加排放空气流量，使得氢的浓度变得此规定值低。此外，燃料电池控制电路57基于来自气体传感器的湿度输出检测由于空气流量的增加而造成的空气中的湿度降低，并控制空气增湿器56使得湿度保持在预定值。
接着，解释燃料电池汽车。如图5所示，汽车的主体101包括车厢(vehiclecompartment)102、氢箱容纳部分103、驱动构件容纳部分104和底盘部分105，上述部分都组合起来。氢箱容纳部分103具有用于容纳氢的箱体106。箱体106具有由外箱107和内箱108构成的双重结构以便确保安全，尤其防止碰撞时的氢泄漏。内箱108内存储氢。驱动构件容纳部分104具有用于驱动主体101的发动机109。底盘部分105具有燃料电池110。
从箱体106供应的氢由安置于底盘部分105中的燃料电池110转换成电能。因此得到的电能传输到发动机109以驱动轮胎111。轮胎111的操纵方向由安置于车厢102内的方向盘112控制。
在具有此结构的汽车中，气体传感器113可设置于各自的位置中。更具体地说，配备在车厢102中的气体传感器113位于车厢102中的最高位置的顶棚的前方区域中。配备于氢箱容纳部分103中的气体传感器113位于外箱107的最高位置处，因为箱体106具有双重结构。配备于驱动构件容纳部分104中的气体传感器113位于驱动构件容纳部分104中的最高位置的引擎盖(bonnet)的后端处。配备于底盘部分105中的气体传感器113位于底盘部分105的最高位置处。另外，类似于图4所示的情况，未示出的气体传感器设置于燃料电池110的空气排放管内。
当所述气体传感器中的任一者检测到氢泄漏时，燃料电池控制电路57以图4情况相同的方式切断氢的供应源并停止对燃料电池的氢供应。同样，警报器59发出警报且送风扇60使主体101的内部通风。此外，配备于车厢102中的气体传感器113检测湿度，并控制设置于车厢102的某区域的空气调节器，使得车厢102的内部具有最适宜的湿度。
接着，说明气体传感器的操作过程。
图6为示意性说明根据本发明的实施例中的气体传感器的电路结构的电路图。如图6所示，作为电源装置的恒流源25连接到发热元件1。用于测量发热元件1两端电压的电压表26与恒流源25并联连接。恒流源25和电压表26进一步连接到具有微型计算机的运算单元27。运算单元27控制恒流源25并基于来自电压表26的输出执行预定计算，以输出氢的浓度和湿度。
图7示意性展示供应到根据本发明的实施例中的气体传感器的发热元件的电流波形。如图7所示，恒流源25基于从运算单元27发出的指令在预定时段内分三个电平连续向发热元件1提供呈阶梯形的电流。也可提供多于三个电平的电流。在此实施例中，初始电流值(第一值)为1mA，第二电流值(第二值)为7mA，且第三电流值(第三值)为7.5mA，其中以每一电平电流流动0.1秒。在第三电平的电流流动结束之后，运算单元27停止对发热元件1的电流供应并等待1.7秒。在此时段期间，发热元件1冷却到周围环境温度。以一个循环2秒的间隔重复此电流控制。这里所设定的电流和时间值仅为从此该实施例中的发热元件1所得到的实例，且本发明不限于所述规定值。
当如上所述控制电流时，切换电流值之前，即，在预定时段过去后，运算单元27立即接收由电压表26测量的电压。因此，运算单元27在每一循环接收三个电压值。本实施例中的这些电压值是指以从低到高的顺序排列的，电流值的T值(第一输出值)、L值(第二输出值)和H值(第三个输出值)。
因为提供到发热元件1上的电流值为1mA或更小，所以T值对应于基本上不发热状态的发热元件1的电压。在此条件下，因为发热元件1对应于铂温度传感元件，表示发热元件1的两端电压的T值仅大致为发热元件1的周围环境温度。因此，实质上几平检测不到导热率相对于气体类型的变化。
L和H值为当发热元件1产生热时的发热元件1的电压值。在此情况下，根据气体的类型和浓度及周围环境温度，从发热元件1获得的热量与发热元件1自身的热量达到热平衡状态的温度对应的电压值。因此，L和H值是作为周围环境温度和气体的类型及浓度的参数综合得到的电压值。显然，由发热元件1发热的温度在较小电流流动时所得到的L值处比在H值处低。
下文展示在H值的代表值80℃下，增湿的大气中的氢浓度相关性。将在各个氢浓度和湿度条件下所输出的H值标准化。更具体地说，当在非增湿条件下(0％RH:RH为相对湿度)仅把空气供应到气体传感器时所输出的H值为零。当混合有1％的氢的空气被供应到气体传感器时所输出的H值为1。图8显示结果，其表示当发热元件在高温加热加湿条件下的氢浓度输出特性。水平轴表示供应到气体传感器的氢浓度(％)，而垂直轴表示标准化的传感器输出(％H2)。
如从图8可见，当大气中含有湿气时，传感器输出相对于湿度改变相当大的程度，使得不能忽视所述变化。因此，对于氢检测和对于湿度检测而言，所述传感器具有相同水平的灵敏度。可根据L值的情况得出类似的结论。因此不能仅仅以L值或H值将氢检测和湿度检测区别检测出来。因此，执行下列计算以输出两个值的浓度。
通常，气体的导热率与温度相关，并因此针对L和H值执行对应于周围环境温度的T值的修正。具体地说，首先执行零点(当仅存在干燥空气时的输出值)的修正。在此修正中，在干燥空气供应到气体传感器的同时，所述温度改变。然后，基于在各自温度下输出的T、L和H值利用修正方程式执行修正。图9展示实际输出的示例。
图9展示在根据本发明的实施例中的气体传感器中，当发热元件产生低温度的热和高温度的热时的零点温度相关特性。在图9中，曲线图上描绘了所述结果，该图将当周围环境温度为-40℃、20℃、50℃、80℃和95℃时输出的T值(相当于周围环境温度)表示在水平轴上，将L值和H值表示在垂直轴上。L值和H值两者根据相当于周围环境温度的T值而改变，且因此所述零点明显具有温度相关性。当基于所述结果，使用最小二乘法通过二次近似得到L值和H值的在零点的修正方程式时，得到下列关系L0＝-0.1708×T2+6.2123×T+1.3174 (1)H0＝-0.0349×T2+6.2338×T+1.7232 (2)在任意湿度和氢环境下输出的L值和H值中，由于零点温度相关的影响成分L0和H0是通过将周围环境温度的T值代入相应方程式(1)和(2)中而得到的。因此，在任意环境下的L值和H值经零点修正后的值ZL和ZH可通过下列方程式得到ZL＝L-L0(3)ZH＝H-H0(4)因为在方程式(1)和(2)中使用二次近似，所以此使用线性近似的情况产生更小的修正误差。
接下来，说明相对于周围环境温度的灵敏度修正。通常，即使存在具有相同浓度的气体，气体的导热率也相对于周围环境温度而改变。即，导热率的气体灵敏度具有温度相关特性。因此，在干燥空气中混入具有特定浓度(此处1％)的氢得到的气体被供应到气体传感器时，温度改变，且使用基于在每一温度下输出的T、L和H值所得到的修正方程式来执行修正。如上所述，因为零点是根据温度的变化而可变的，所以使用方程式(3)和(4)预先计算用于L值和H值的零点修正值(ZL、ZH)，然后对值ZL和ZH进行灵敏度修正。
图10展示当供应含有1％氢的干燥空气时(＝1％氢灵敏度)，输出值ZL和ZH的实际温度相关特性。周围环境温度以类似于零点修正情况的方式变化。水平轴表示T值(对应于周围环境温度)，且垂直轴表示ZL和ZH值。如图10中可知，1％氢对应的灵敏度具有温度相关特性。当使用最小二乘法通过二次近似得到针对ZL和ZH值的灵敏度修正方程式时，得到下列关系ZL1＝-0.2053×T2+0.1544×T-0.0565 (5)ZH1＝-0.2656×T2+0.2068×T-0.0745 (6)其中ZL1和ZH1为相对于温度的灵敏度修正系数。通过使用这些方程式，对在任意环境下的输出值ZL和ZH进行灵敏度修正且相对于氢浓度对其进行标准化以得到值KL和KH，通过下列的方程式计算所述值
KL＝ZL/ZL1(7)KH＝ZH/ZH1(8)通过使用方程式(7)和(8)，使KL(第一标准输出值)和KH(第二标准输出值)的单位标准化到氢浓度百分比(以下称为％H2)。因为类似于零点修正情况的二次近似也用于方程式(5)和(6)中，所以此使用线性近似的情况出现更小的修正误差。
现在解释得到湿度输出的方法。如由图8所示的偏移量(当氢浓度为零时的传感器输出)所表示的那样，湿度输出具有相对于湿度的非线性特性。
图11展示根据本发明的实施例中的气体传感器中的零点修正和灵敏度修正之后的标准输出与湿度之间的相关性。即，该图显示在不含有氢的80℃下的潮湿空气的相对湿度RH与值KL和KH之间的相关性。水平轴表示RH，而左侧的垂直轴分别表示KL和KH。在图11中，相对于相对湿度RH的标准输出值KL和KH两者都展示具有峰值的非线性特性。所述特性直接表示潮湿空气的导热率特性。因此，用于相对于相对湿度RH的值KL和KH的近似方程式需要由二次方程式或具有更高次数的方程式来表达。结果，当使用所述近似方程式(估计方程式)计算联立方程式时，得到复数个解。因此不可能确定作为湿度的值，也就不可能确定作为氢浓度的值。
然而，当使用Sutherland-Wassiljewa式理论方程式计算诸如潮湿空气的气体混合物的导热率时，即使在具有相同浓度的气体混合物中，导热率也随温度变化而变化。这是因为方程式中的组合系数和包括于所组成的气体中的净成分的导热率具有温度相关特性。因此，甚至在相同湿度下，发热元件1所产生的热的温度不同，湿度灵敏度也就不同。这由图11中KL曲线不同于KH曲线的事实可以证明。考虑到此点，当使用上述理论方程式计算时，在不同热温度下来自发热元件1的输出(此处对应于KL和KH)之间的差值在使用气体传感器的湿度范围内大体上呈现线性特性。图11显示实际的KL与KH之间的差值的计算结果(＝Hum见右侧垂直轴)。如从图11中可见，值Hum相对于相对湿度RH大体上展现线性特性，这也支持了理论计算。从所述事实中，可能通过计算Hum确定一个值作为湿度。因为Hum表示氢灵敏度进行标准化的KL与KH之间的差值，所以Hum对应于湿度。同样，从数学的观点来看，Hum对应于从任意环境下的输出去除氢浓度的影响所得到的值。
图12展示在根据本发明的实施例中的气体传感器中，当发热元件产生低温度的热和高温度的热时，标准输出之间的差值与绝对湿度之间的相关性。得到实际的Hum值，且描绘其与绝对湿度的相关性。在图12中，水平轴表示KL与KH之间的差值Hum(＝KH-KL)，而垂直轴表示绝对湿度AH。此处使用绝对湿度AH是为了在同一张图上表示随温度变化所表现的湿度特性。如从图12中显而易见的，Hum与绝对湿度AH之间的相关性并不显示为具有一峰值的非线性特性，但显示出大体上线性的特性，从中可确定一个值为湿度。
然而，与使用最小二乘法从各曲线图中得到的近似曲线相此较，从图12的Hum得到的绝对湿度值AH尤其在高湿度时具有较大误差，因为Hum与AH之间的相关性根据温度变化而变化。图12中各温度下的曲线特性的详细分析显示在一定温度下所述曲线大体上位于相同曲线上。因此不可能基于单根修正曲线修正绝对湿度值AH。
Hum与AH之间的相关性根据温度变化而变化，因为在恒定电流驱动下从发热元件1产生的热的温度根据周围环境温度变化而变化。在将类似条件赋予上述导热率理论方程式而且计算出随温度的变化而获得的Hum与导热率(对应于AH)之间的相关性时，得到类似结果。这意味着温度影响仍然存在。
在其中允许绝对湿度AH具有此程度的误差的应用中，可从图12所示的特性中计算出AH。例如，当诸如在车厢内的用于空气调节器控制的湿度测量的情况下不需要湿度的精确值时，可采用此方法。然而，在诸如燃料电池系统的气流量控制的情况下需要高精确度的应用中，需要进一步修正由于温度变化而引起的AH的变化。
为了增加绝对湿度AH的精确度，现在考虑将温度函数引入图12的Hum中，以得到允许所述曲线明显定位于单个修正曲线上的函数。作为简单方法之一，制备一个展示用于每一温度的修正值的换算表，且将所述表存储于存储器中并基于温度数据进行查阅。然而，在此方法中，需要得到对应于每一温度的修正曲线。在大量生产气体传感器期间，此过程极端复杂且需要大容量存储器，这增加了成本。
在根据本发明的实施例中的气体传感器中，分析各种温度函数的导入方法，并发现当绘出绝对湿度AH与通过将Hum与表示温度的T的倒数的三次方相乘所得到的值之间的相关性时，可得到最高修正精确度。还证实通过此方法的计算将AH的精确度从上述导热率理论方程式提高到最高。因为使用上述理论导热率方程式，可减少气体传感器所需的存储器容量且因此可降低成本。
图13展示通过此修正得到的结果。图13展示根据本发明的实施例中的气体传感器中，最小电流流过时，标准输出差值乘以发热元件的两端电压的倒数的三次方获得的值与绝对湿度之间的相关性。在图中，水平轴表示Hum×(1/T)3，而垂直轴表示绝对湿度AH。如从图13可见，甚至当温度改变时，在每一温度处的曲线大体上仍位于单根修正曲线上。此意味着绝对湿度AH中的较高精确度。下列方程式为利用最小二乘法对绝对湿度AH与上述乘值之间的相关性进行三次近似的计算式(湿度相关函数)AH＝-0.0027×(Hum/T3)3+0.1935×(Hum/T3)2+3.1025×Hum/T3+0.7809 (9)因此，通过将参数标准输出差值Hum与对应于周围环境温度的T(当最低的电流流动时发热元件的两端电压)作为参数代入湿度相关函数(9)中，可得到绝对湿度AH。因为采用三次近似，所以与使用低次近似相比可减少修正误差。
虽然在此实施例中得到绝对湿度单位的AH，但是可使用已知公式或类似公式根据AH和T计算相对湿度。
接着，说明计算氢浓度的方法。
从图8明显可知，可通过从传感器输出中减去偏移量而修正湿度。因为偏移量根据湿度变化而变化，所以在进行湿度修正之前，需要获得表示湿度的Hum与偏移量之间的相关性。所得到的相关性如图14所示。
图14表示在根据本发明的实施例中的气体传感器中，偏移量与标准输出差值之间的相关性。在图中，水平轴表示Hum，而垂直轴表示从图8得到的偏移量Off。基于图14，可确定一个值为偏移量Off，所述偏移量Off将从根据Hum的传感器输出中减去。实际上，偏移量Off可通过将Hum代入近似曲线的相关方程式中来计算，所述近似曲线是使用最小二乘法从图14中的各曲线得到的Hum和偏移量Off的近似曲线。接着，通过从标准输出值KH中减去偏移量Off得到氢输出Out。
图15中展示通过使用此方法计算的图8的修正后实际上获得的结果。图15表示根据本发明的实施例中的气体传感器中，通过图14中的方法的湿度修正后，在增湿条件下的氢浓度输出特性。在图15中，水平轴表示包含于检测目标气体中的氢浓度，而垂直轴表示氢输出Out。可大大降低在图8中极大的偏移量。然而，零点的精确度明显不足。进一步详细分析显示氢浓度灵敏度(斜率inclination)根据湿度变化而变化的事实。
在此条件下，从Hum计算偏移量Off且执行湿度修正时，氢浓度误差增加。这是因为如参照图12所述的，在图15中各曲线与近似曲线之间的误差也很大。
同样，在图14中，研究每一温度处的曲线的特性时，一定温度下各曲线大致位于相同曲线上。Hum与偏移量之间的相关性随温度变化而变化，因此不能基于单根修正曲线执行修正。当使用上述导热率理论方程式计算Hum和导热率(对应于偏移量Off)的温度变化时，可得到类似结果。这意味着温度影响仍然存在。
因此，在燃料电池系统中，在确保诸如氢泄漏检测之类的安全的用途中，需要进一步修正根据温度变化的变化。
如先前参看图12提及的，为执行高精确度的温度修正，需要将温度函数引入图14的Hum中且找到允许各曲线明显位于单根修正曲线上的函数。
基于上述的观点，本发明的发明者研究引入温度函数的各种方法，并发现当绘出偏移量Off与通过将Hum与表示温度的T的三次方相乘得到的值之间的相关性时，所述修正精确度上升到最高。还可确认，当根据导热率理论方程式采用此计算时，可得到偏移量Off的最高精确度。
图16中展示通过此修正所得到的结果。图16表示在根据本发明的实施例中的气体传感器中，当最低电流流过发热元件时，其两端电压的倒数的三次方乘以标准输出差值所得到的乘值与偏移量Off之间的相关性。在图中，水平轴表示Hum×T3，而垂直轴表示偏移量Off。如从图16可见，甚至当温度改变时，在每一温度处的曲线大体上位于单根修正曲线上。这意味着偏移量Off的精确度更高。偏移量Off与乘值之间的相关性使用最小二乘法三次近似的计算式为下列方程式(用于零点变动修正的第一湿度修正值相关函数)Off＝0.0244×(Hum×T3)3-0.38×(Hum×T3)2+1.9029×Hum×T3+0.0389 (10)因此，可通过将标准输出差值Hum和对应于周围环境温度的T(当最小电流流过时发热元件的两端电压值)作为参数代入用于零点变动修正的第一湿度修正值相关函数(10)中，得到偏移量Off。因为采用三次近似，与使用低次近似的情况相比，可降低修正误差。
因此，可从下列方程式得到湿度修正后的氢输出OutOut＝KH-Off (11)基本上，可从上述计算中得到表示仅含有氢的浓度输出的氢输出Out。然而，实际测量对应于周围环境温度的T的情况下，当1mA的电流流过发热元件1时，发热元件1产生极少量的热。结果，T具有轻微的湿度灵敏度和氢灵敏度。因此，氢输出Out的斜率(＝氢灵敏度)根据如图15所示的湿度变化而变化。当在此条件下执行根据方程式(1)到(11)的修正计算时，导致在氢输出Out中的误差。
为降低所述灵敏度误差，针对每一湿度得到氢灵敏度修正值HumK。此处HumK表示图15中每一湿度的斜率。图17展示HumK如何与对应于湿度的Hum×T3相关。图17展示在根据本发明的实施例中的气体传感器中，当最低电流流过发热元件时，将标准输出差值乘以发热元件的两端电压的三次方得到的值与氢灵敏度修正值之间的相关性。在图17中，水平轴表示Hum×T3，而垂直轴表示氢灵敏度修正值HumK。
如从图17可见，HumK随Hum×T3(对应于湿度)增加降低到小于1。即，图15的曲线的斜率(氢浓度灵敏度)降低。因此，通过基于湿度的相关性修正斜率，使氢灵敏度在任何湿度下均相等，且因此可增加气体传感器的精确度。
根据使用最小二乘法三次近似的计算(灵敏度变动修正的第二湿度修正值相关函数)得到各图对应的相关性。由下列方程式表达所得相关性HumK＝0.0054×(Hum×T3)3-0.0517×(Hum×T3)2+0.0581×Hum×T3+1.0088 (12)因此，可通过将标准输出差值Hum与对应于周围环境温度T(当最小电流流过时发热元件的两端电压)作为参数代入灵敏度变动修正的第二湿度修正值相关函数(12)中，得到HumK。因为采用三次近似，与使用低次近似的情况相比，可降低修正误差。
因此，可使用下列方程式计算出灵敏度修正后的最终氢浓度输出H2H2＝Out/HumK(13)图18中展示通过上述计算得到的氢浓度输出H2的所得值。图18表示在图16和17中所示的湿度修正后在增湿条件下的氢浓度输出特性。在图18中，水平轴表示检测目标气体的氢浓度，而垂直轴表示修正后作为传感器输出的氢浓度输出H2。在此图中，与图15的情况相此极大降低了零点误差和灵敏度误差，且得到具有精度±0.1％H2的高精确度的气体传感器。
因此，根据本发明的气体传感器可通过执行修正计算(1)到(13)同时以极高精度检测出湿度和氢浓度。
因为(1)到(13)表示的计算仅仅是由简单的四则运算组成，所以，与常规气体传感器相比，可实现更准确，响应快，运算速度极快的气体传感器，所述常规气体传感器计算二次或具有更高次的联立方程式并得到复数个解。因此，此实施例中的计算方法高度适合易于受湿度影响的此类系统。
此计算方法是在运算单元27中编程实现的。在气体传感器的运行期间从发热元件1获得的输出值T、L和H输入到运算单元27，运算单元27执行(1)到(13)的计算并输出湿度和氢浓度。在图19的流程图中展示计算程序的子例行程序。因此，图19为本发明的实施例中的气体传感器中的氢浓度和湿度的计算程序的流程图。
首先，向发热元件1供应初始电流(此处为1mA)(S1)。接下来，等待预定时间(0.1秒)之后(S2)，读取发热元件1的两端电压值T(S3)。接着，向发热元件1供应第二电流(此处为7mA)(S4)。在等待预定时间(0.1秒)后(S5)，读取发热元件1的两端电压值L(S6)。类似地，向发热元件1供应第三电流(此处为7.5mA)(S7)。在等待预定时间(0.1秒)后(S8)，读取发热元件1的两端电压值H(S9)。接着，停止对发热元件1的电流供应。下一步，使用方程式(1)到(4)执行相对于温度的零点修正计算(S10)，且接着基于在S10中得到的结果使用方程式(5)到(8)执行相对于温度的灵敏度修正计算(S11)。随后，使用方程式(9)计算湿度(S12)。其后，使用方程式(10)到(13)执行湿度修正以计算氢浓度(S13)。最后，输出氢浓度和湿度(S14)。重复组成一个循环的所述程序，使得可连续输出氢浓度和湿度。因此，通过重复此检测可随时监控氢浓度和湿度。
虽然在此实施例中仅输出氢浓度和湿度，但是需要时可输出基于T值的周围环境温度。
通过采用上述结构和操作，可得到能够在氢和水蒸气共同存在的环境下以高精确度分别检测出氢浓度和湿度的气体传感器。虽然在此实施例中已论述水蒸汽和氢共存的情况，但是在除氢之外的各种气体组合的情况下可通过类似方法输出气体浓度。
工业适用性如上所述，根据本发明的气体传感器包括接触混合有含有湿气的大气的检测目标气体的发热元件、向发热元件供应电流的电源装置和测量发热元件两端电压的电压表。所述气体传感器进一步包括用于基于电压表输出电压计算湿度和检测目标气体的浓度并输出所述计算值的运算单元。所述运算单元控制电源装置在预定时段内以阶梯方式连续向发热元件供应至少三个电平的电流。接着，在所述预定时段的之后，运算单元接收各电流对应的发热元件的两端电压。其后，运算单元基于当最低电流流过时发热元件的两端电压和已知的检测目标气体的浓度，使用预先得到的零点变动修正方程式和灵敏度变动修正方程式修正当不同于最小电流的电流流过时所得到的发热元件的两端电压，以得到各个标准输出值。随后，运算单元使用湿度相关函数计算湿度，所述湿度相关函数使用最小电流流过时发热元件的两端电压与标准输出差值作为参数。其后，运算单元使用两个湿度修正值相关函数修正相对于因此所得到的所述湿度的零点变动和灵敏度变动，以得到检测目标气体的浓度，所述湿度修正值相关函数使用最小电流流过时发热元件的两端电压与标准输出差值作为参数。通过此方法，根据本发明的气体传感器可以高精度检测湿度和检测目标气体的浓度。
因此，根据本发明的气体传感器尤其适用于诸如处于高温高湿环境下的燃料电池系统中的检测湿度和氢泄漏的应用中。
权利要求
1.气体传感器，其包含发热元件，其接触混合有含有湿气的大气的检测目标气体；电源装置，其用于向所述发热元件供应电流；电压表，其用于测定所述发热元件两端电压；和运算单元，其用于基于所述电压表的输出电压计算湿度和所述检测目标气体的浓度并输出计算值，其中所述运算单元通过以下步骤计算所述检测目标气体的所述浓度A)控制所述电源装置在预定时段内按顺序以阶梯形式连续向所述发热元件供应至少第一电流、第二电流和第三电流，其中所述第二和第三电流大于所述第一电流；B)所述预定时段过去后，从所述电压表分别接收第一输出值、第二输出值和第三输出值作为对应所述第一电流、所述第二电流和所述第三电流的所述发热元件的两端电压；C)从所述第一输出值得到周围环境温度；D)基于所述得到的周围环境温度和仅存在干燥空气时由所述电压表输出的零点输出，得到用于修正所述第二输出值和所述第三输出值的修正方程式，以及基于浓度已知的被测试气体而预先求得的用于修正所述发热元件的灵敏度的修正方程式，由此修正所述第二输出值和第三输出值，以得到所述第二电流对应的第一标准输出值和所述第三电流对应的第二标准输出值；E)使用湿度相关函数计算湿度，所述湿度相关函数使用所述第一输出值和所述第一标准输出值与所述第二标准输出值差值作为参数；以及F)使用第一湿度修正值相关函数修正相对于在步骤E)中所得到的湿度的零点变动，所述第一湿度修正值相关函数使用所述第一输出值和在所述第一标准输出值与所述第二标准输出值之间的所述差值的参数，并使用第二湿度修正值相关函数修正相对于在步骤E)中所得到的湿度的灵敏点变动，所述第二湿度修正值相关函数使用所述第一输出值和在所述第一标准输出值与所述第二标准输出值之间的所述差值作为参数，由此求得所述被测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述运算单元重复所述步骤A)到F)。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述第一电流为1mA或更低。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其中对所述湿度相关函数给出的参数是通过将所述第一标准输出值与所述第二标准输出值之间的所述差值与所述第一输出值的倒数的更高幂相乘而计算得到的。
5.根据权利要求4所述的气体传感器，其中所述第一输出值的所述倒数的幂是三次方。
6.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述湿度相关函数由三次方程式表达。
7.根据权利要求1所述的气体传感器，其中通过将所述第一标准输出值与所述第二标准输出值之间的所述差值与所述第一输出值的更高幂相乘所得到的值用作用于所述第一湿度修正值相关函数和所述第二湿度修正值相关函数的参数。
8.根据权利要求7所述的气体传感器，其中所述第一输出值的幂是三次方。
9.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述第一湿度修正值相关函数和所述第二湿度修正值相关函数均由三次方程式表达。
10.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述发热元件包括由硅制成的底座；设置于所述底座上的绝缘层；设置于所述绝缘层上的发热体；和形成在有所述发热体的所述绝缘层下的所述底座的凹陷部。
11.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述发热元件具有铂薄膜。
12.燃料电池系统，其包含用于输出氢浓度的根据权利要求1所述的气体传感器；使用氢作燃料发电的燃料电池；和控制电路，其用于在所述气体传感器的氢的输出超过预定值时停止对所述燃料电池的氢供应。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其进一步包含流动通路，通过所述流动通路将氢供应到所述燃料电池；和换气部，其用于给包括所述流动通路的空间通风，其中当来自气体传感器的氢的输出超过预定值时，所述控制电路控制所述换气部以使所述换气部给所述空间通风。
14.根据权利要求12或13所述的燃料电池系统，其进一步包含与所述燃料电池连接的空气压缩机；与所述空气压缩机连接的空气增湿器；和排放通道，通过所述排放通道将空气从所述燃料电池中排放出来，其中当所述气体传感器检测到所述排放通道内的氢浓度超过预定值时，所述空气压缩机被控制以使通过所述排放通道被排放的空气量增加；和所述空气增湿器被控制以使基于通过所述气体传感器的检测得到的湿度输出维持在预定湿度。
15.汽车，其包含形成车厢的主体；支撑所述主体的轮胎；驱动所述轮胎的发动机；燃料电池，其使用氢作燃料发电并向所述发动机供应电力；根据权利要求1所述的气体传感器，其安置于所述车厢的上部区域以输出氢浓度；和当所述气体传感器的氢的输出超过预定值时，控制电路停止对所述燃料电池的氢供应。
16.根据权利要求15所述的汽车，其进一步包含换气部，所述换气部被控制成在气体传感器的氢的输出超过预定值时，通过所述控制电路给形成于所述主体内的空间通风。
17.根据权利要求15所述的汽车，其进一步包含警报器，所述警报被控制成当气体传感器的氢的输出超过预定值时通过所述控制电路发出警报。
18.根据权利要求15所述的汽车，其进一步包含用于调节所述车厢中的湿度的空气调节器，其中所述控制电路控制所述空气调节器使得可基于来自所述气体传感器的湿度输出优化所述车厢中的湿度。
全文摘要
在气体传感器中，在预定时间期间内以阶梯方式连续向发热元件供应至少三个电平的电流。在预定时间期间过去后，运算单元(arithmetic unit)接收针对各电流的发热元件的两端电压且计算当最小电流流过时所得到的发热元件的两端电压的温度。接着，运算单元使用此计算的温度、零点修正方程式和灵敏度修正方程式来修正发热元件的两端电压值以得到各自的标准输出值。随后，运算单元基于此标准输出值差值计算湿度，并基于所计算的湿度和湿度修正方程式来修正标准输出。通过此方法，运算单元计算出检测目标气体的浓度。
文档编号H01M8/04GK1820196SQ200580000640
公开日2006年8月16日 申请日期2005年4月12日 优先权日2004年4月15日
发明者东海林理人 申请人:松下电器产业株式会社