JP2004069436A - ガスセンサの結露防止構造 - Google Patents

Abstract

【課題】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できるガスセンサの結露防止構造を提供する。
【解決手段】被検出ガスが流通する出口側配管１４にガス検出用のガスセンサ１５が取り付けられ、ガスセンサ１５の上流側に隣接して被検出ガスを加熱するヒータ３６が設けられていることを特徴とする。
【選択図】　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、水素センサなどのガスセンサの結露防止構造に係り、特に、検出素子、温度補償素子を凝結水から保護することができるガスセンサの結露防止構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平６−２２３８５０号公報に示されているように、燃料電池のカソード側の出口側配管に水素ガス検知器を設けたものがある。
これは、燃料電池に用いられている固体高分子電解質膜などの電解質膜が部分的に含水量不足となり破損すると、電解質膜を通り抜けた水素ガスがカソード側の出口側配管内に混入し、これを検出することでシステムの異常を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば、燃料電池のカソード側のオフガス内にはその性質上多くの水分（例えば生成水、加湿水）が含有しているため、前記水素ガス検知器は水分を含んだガスに晒されることとなる。したがって、水素ガス検知器の劣化を早めたり、検出精度が低下するという問題がある。
そこで、この発明はガスセンサの破損、劣化、検出精度の低下を防止することができるガスセンサの結露防止構造を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、被検出ガスが流通する流路（例えば、実施形態における出口側配管１４）にガス検出用のガスセンサ（例えば、実施形態におけるガスセンサ１５）が取り付けられ、ガスセンサの上流側に隣接して被検出ガスを加熱するヒータ（例えば、実施形態におけるヒータ３６，４０）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することで、ヒータの上流側を流れる被検出ガスをヒータにより加熱し相対湿度が低下した状態でガスセンサに導くことができ、これにより、被検出ガス中の水分がガスセンサにおいて結露し凝結水がガスセンサに接触するのを防止することができる。
【０００５】
請求項２に記載した発明は、上記被検出ガスが、燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１０）から排出される反応済みガスであることを特徴とする。このように構成することで、燃料電池から排出される反応済みガスの中に含まれる未反応ガスの濃度を測定する際等に、水分を多く含んだ反応済みガスをヒータにより加熱して相対湿度を低くしておき、反応済みガス中の水分がガスセンサにおいて結露し凝結水がガスセンサに接触するのを防止することができる。
ここで、燃料電池としては固体高分型燃料電池を用いることができ、ガスセンサとしては接触式ガスセンサを用いることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の第１実施形態を図面と共に説明する。図１は燃料電池システムを概略的に示すものである。
【０００７】
燃料電池１０は、例えば、固体高分子型燃料電池で、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟持した電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる図示しない燃料電池セルを多数組積層して構成されている。アノード側電極に入口側配管１１から供給された水素などの燃料ガスは、触媒電極上で水素がイオン化され、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソード側電極へと移動する、その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、例えば、酸素などの酸化剤ガスあるいは空気が入口側配管１２を介して供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。このとき、固体高分子電解質膜の加湿を継続させるため、図示しない加湿器などによって燃料電池へ供給される空気などが加湿されている。
そして、アノード側、カソード側共に出口側配管１３、１４から反応済みのいわゆるオフガス（反応済みガス、被検知ガス）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いため、オフガスの湿度が高まると出口側配管の中で結露が発生しやすい。
【０００８】
ここで、カソード側の出口側配管１４には、その重力方向上側にガス接触燃焼式のガスセンサ１５が取り付けられ、このガスセンサ１５によりカソード側の出口側配管１４からアノード側電極に供給された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。重力方向上側にガスセンサをとりつけることで、カソードオフガス中に含まれる水分が冷却され、結露した場合でも重力方向下側に排出される。
【０００９】
図２はガスセンサの平面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う概略断面図、図４は図２の側面図、図５は図１の部分拡大断面図である。
ガスセンサ１５は接触式ガスセンサで、出口側配管１４の長手方向に沿って長い直方形状のケース１９を備えている。ケース１９は、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２０を備えている。フランジ部２０にはカラー１７を取り付けてあり、このカラー１７内にボルト２１を挿入して、前記出口側配管１４の取付座１６に締め付け固定されるようになっている。
【００１０】
ケース１９の下面には、出口側配管１４の貫通孔１８に外側から挿通される筒状部２２が形成されている。ケース１９内には図３に示すように樹脂で封止された回路基板３２が設けられ、この回路基板３２に後述する検出素子２９と温度補償素子３０が接続されている。筒状部２２の内部はガス検知室２４として形成され、筒状部２２の先端部分がガス導入部２５として開口形成されている。
【００１１】
そして、このガス導入部２５は、前記出口側配管１４の内壁に面一に設定されている。したがって、ガス導入部２５は出口側配管１４を流通するオフガスに対して直角方向に指向することとなる。これによって、出口側配管１４を流通する生成水や加湿水などによって相対的に湿度の高いオフガスは直接的にガス導入部２５に当たらなくなるため、検出精度の低下を防止できる。
また、筒状部２２の外周面にはシール材２６が取り付けられ、貫通孔１８の内周壁に密接して気密性を確保している。そして、この筒状部２２の内部に検出素子２９と温度補償素子３０とが装着されている。
【００１２】
検出素子２９と温度補償素子３０は前記回路基板３２に接続されガス検知室２４内で同一高さで所定間隔を隔てて一対設けられたものである。
検出素子２９は周知の素子であって、被検出ガスである水素が白金等の触媒に接触した際に燃焼する熱を利用し、水素の燃焼により高温となった検出素子２９と雰囲気温度下の温度補償素子３０との間に電気抵抗の差が生ずることを利用し、水素ガス濃度を検出するガス接触燃焼式のガスセンサである。
【００１３】
そして、図５に示すように、このようにガスセンサ１５が取り付けられたカソード側の出口側配管１４であって、ガスセンサ１５の取付部位に隣接した上流側にヒータ３６が取り付けられている。
ヒータ３６は出口側配管１４に形成された貫通孔３５に基部３７が挿通固定（図示しないフランジ部やネジ部により）され、先端の加熱部３８が出口側配管１４内に挿入されるものである。つまり、この加熱部３８がガスセンサ１５のガス導入部２５の上流側の隣接した位置に配置されているのである。尚、ヒータ３６の基部３７周壁にはシール材３９が取り付けられ、このシール材３９によりヒータ３６と貫通孔３５との間のシール性を確保している。
【００１４】
上記実施形態によれば、燃料電池１０から排出され出口側配管１４内を流通する水分を多く含むカソード側のオフガスは、ガスセンサ１５の上流側のヒータ３６により出口側配管１４内で加熱され、この状態で下流側のガスセンサ１５に至る。
したがって、燃料電池１０から排出されるカソード側のオフガスはヒータ３６によって加熱されることで燃料電池１０から排出された直後における温度よりも高い温度となるため、ヒータ３６を通過した時点で燃料電池１０から排出された直後に比較して相対湿度が低下した状態となる。また、ガスセンサ１５は、出口側配管１４の外周面上の上部に固定されているので、結露した反応生成水が直接付着しないように構成されているが、、更にカソード側のオフガスの相対湿度を下げることによって、例えば燃料電池システムが停止したときなどにオフガスの湿度が低下したとしても、オフガスに含まれる水分が検出素子２９に付着することを防止できる。
とりわけ、この実施形態では、ヒータ３６により直接的にオフガスを加熱することができるため、加熱に用いる消費電力が少なくて済む。また、ガスセンサ１５と同様に重力方向上側に設けることによって、出口側配管の上側を集中的に加熱することができ、より確実に相対湿度が下がったオフガスをガスセンサ１５に供給することができる。
【００１５】
その結果、ガスセンサ１５には露点に対して余裕の有る温度差を持ったオフガスを導くことができ、オフガス中の水分がガスセンサ１５内で結露するのを防止することができる。
よって、ガスセンサ１５内において結露した凝結水が検出素子２９に接触して、検出素子２９が破損したり、劣化するのを防止して、検出素子２９の耐久性を向上することができると共に検出精度を高めることができる。
【００１６】
そして、ガスセンサ１５が水素ガスを検出した場合には、例えば、固体高分子電解質膜が劣化、あるいは破損した等の原因が考えられるので燃料電池１０の運転を停止するなどの対策を速やかに講ずることができる。
【００１７】
次に、この発明の第２実施形態を図１を援用し図６に基づいて説明する。この実施形態は第１実施形態における棒状のヒータ３６に替えて、環状のヒータ４０を用いたものである。
ヒータ４０はガスセンサ１５が取り付けられたカソード側の出口側配管１４の外周であって、ガスセンサ１５の取付部位に隣接した上流側に取り付けられている。ヒータ４０は出口側配管１４の外周に巻き付けられるようにして取り付けられ、出口側配管１４を加熱することにより間接的にオフガスを加熱する。
とりわけ、この実施形態では、ヒータ４０が出口側配管１４の周囲全体から加熱することができるため、オフガスを確実に加熱することができる。また、出口側配管１４の外側から巻くようにして設置できるので、ヒータ４０の取付が容易であると共にガス気密性が高い。更に、配管内に突起部がないので、反応ガスの圧損を低減することができるとともに、ガスの流れが乱れることがないので、ガスセンサの検出精度の安定性が高い。
尚、他の構成については第１実施形態と同様であるので同一部分に同一符号を付して説明は省略する。
【００１８】
したがって、この実施形態においても、燃料電池１０から排出され出口側配管１４内を流通するカソード側のオフガスは、ガスセンサ１５の上流側のヒータ４０により加熱された出口側配管１４により加熱され、この状態で下流側のガスセンサ１５に至る。
よって、燃料電池１０から排出されるカソード側のオフガスはヒータ４０によって加熱されることで燃料電池１０から排出された直後における温度よりも高い温度となるため、ヒータ４０を通過した時点で燃料電池１０から排出された直後に比較して相対湿度が低下した状態となる。
【００１９】
その結果、ガスセンサ１５には露点に対して余裕の有る温度差を持ったオフガスを導くことができ、オフガス中の水分がガスセンサ１５内で凝結するのを防止することができるため、ガスセンサ１５内において凝結水が検出素子２９に接触して、検出素子２９が破損したり、劣化するのを防止して、検出素子２９の耐久性を高めることができると共に、検出精度を高めることができる。
尚、上記実施形態では、燃料電池のカソード出口配管にガスセンサを設けたが、それに限定されるものではなく、例えばアノードの出口配管にガスセンサを設け、水素濃度を検出するのにも適している。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、ヒータの上流側を流れる被検出ガスをヒータにより加熱し相対湿度が低下した状態でガスセンサに導くことができるため、ガスセンサにおける結露を防止して、凝縮水がガスセンサに付着しこれが原因となるガスセンサの破損や劣化を防ぎガスセンサの耐久性、信頼性を高めることができる。
【００２１】
請求項２に記載した発明によれば、燃料電池から排出される反応済みガスの中の未反応ガスの濃度を測定する際等に、水分を多く含んだ反応済みガスをヒータにより加熱して相対湿度を低くしておき、反応済みガス中の水分がガスセンサにおいて結露し凝結水がガスセンサに接触するのを防止することができるため、反応済みガス中の水分の結露が原因となるガスセンサの破損や劣化を防止してガスセンサの耐久性、信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態の燃料電池システムの概略的説明図である。
【図２】この発明の第１実施形態のガスセンサの平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図２の側面図である。
【図５】図１の部分拡大断面図である。
【図６】この発明の第２実施形態の図５に相当する拡大図である。
【符号の説明】
１０　燃料電池
１４　出口側配管（流路）
１５　ガスセンサ
３６，４０　ヒータ

Claims (4)

1. 被検出ガスが流通する流路にガス検出用のガスセンサが取り付けられ、ガスセンサの上流側に隣接して被検出ガスを加熱するヒータが設けられていることを特徴とするガスセンサの結露防止構造。
2. 上記被検出ガスが、燃料電池から排出される反応済みガスであることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサの結露防止構造。
3. 上記燃料電池は固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサの結露防止構造。
4. 上記ガスセンサは接触燃焼式ガスセンサであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスセンサの結露防止構造。

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