JP2006153596A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス検出素子に水滴が付着し難いガス検出装置を提供する。
【解決手段】 ガス内の特定成分を感知するガス検出素子５３と、ガス検出素子５３の周囲を加温するヒータ５４と、ガス検出素子５３とヒータ５４の間に配設されてヒータ５４を支持し、ヒータ５４をガス検出素子５３に対して臨出させる臨出部５５ｂを有する基板５５と、を備えるガス検出装置５において、基板５５に、当該基板５５の外周部５５ｄと臨出部５５ｂとを連続させる排出経路５５ｃを形成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ガス検出装置に関する。

例えば、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」という場合がある。）を燃料極と酸素極とで両側から挟み込んで形成したセルを複数積層して構成したスタックを備えている。水素を含む燃料ガスが燃料極に供給されると、燃料極の触媒層において反応が生じ、燃料ガス内の水素がプロトン（Ｈ⁺）と電子とに分かれ、プロトンは電解質膜中を透過して酸素極に移動し、電子は外部回路を通って酸素極に移動する。そして、酸素を含む酸化剤ガスが酸素極に供給されると、酸素極の触媒層において反応が生じ、酸化剤ガス中の酸素と燃料極から移動してきたプロトンと電子とが反応して水が生成される。このような燃料電池において、燃料極の水素が電解質膜を透過して酸素極に漏洩してしまうことがある。そのため、例えば特許文献１においては、燃料電池の酸素極側の排出系に水素検出装置を設置して、水素の漏洩を検知したときは燃料の供給を遮断する保護装置が開示されている。

ところで、酸素極側の排出系は、酸素極の触媒反応によって水が生成されること、および、触媒反応が好適に行われるように酸化剤ガスが加湿されることから、湿度が高くなっている。そのため、前記水素検出装置のガス検出素子の表面に液滴（結露）が付着することがある。ガス検出素子表面に液滴が付着するとガス検出素子の感度が落ちるため、これを防止すべく、ガス検出素子とガスの流通路の間にヒータを設置してガス検出素子の周囲を暖めることにより、液滴の付着を防止する水素検出装置が開発されている。

図６（ａ）は、ヒータを備えた水素検出装置の断面図である。水素検出装置１００は、水素を検出するガス検出素子１０１と、このガス検出素子１０１の周囲を加温するヒータ１０２と、ガス検出素子１０１とヒータ１０２の間に配置されてヒータ１０２を支持する基板１０３と、基板１０３に接続された端子１０４、１０４と、を備えて構成されている。基板１０３は、ガス検出素子１０１に対してヒータ１０２を臨出させる開口部である臨出部１０３ａを備えており、ヒータ１０２によってガス検出素子１０１の周囲を暖めて、結露などによる液滴の付着を防止するようになっている。
特開平６−２２３８５０号公報（段落００１３〜００１７、図１）

しかし、かかる水素検出装置１００によってガス検出素子１０１への液滴の付着頻度は減少したが、このような構成の水素検出装置１００においても、時には水素の検出精度が低下してしまうことがあった。

発明者らが鋭意研究を重ねた結果、図６（ｂ）に示すように、ガス検出素子１０１とヒータ１０２とのわずかな隙間、すなわち基板１０３の臨出部１０３ａに水滴Ｗが溜まり、あるいは基板１０３とガス検出素子１０１との間に水膜が形成され、ガス検出素子１０１に水滴Ｗが付着してしまう場合があることが推測された。その結果、ガス検出素子１０１の感度が悪くなり、水素検出精度の低下を招いていた。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、ガス検出素子に水滴が付着し難いガス検出装置を提供することを課題とする。

本発明に係るガス検出装置は、ガス内の特定成分を感知するガス検出素子と、前記ガス検出素子の周囲を加温するヒータと、前記ガス検出素子と前記ヒータの間に配設されて前記ヒータを支持し、前記ヒータを前記ガス検出素子に対して臨出させる臨出部を有する基板と、を備えるガス検出装置であって、前記基板は、当該基板の外周部と前記臨出部とを連続させる排出経路を有することを特徴とする。

かかる構成によれば、前記基板は、当該基板の外周部と前記臨出部とを連続させる排出経路を有することから、前記臨出部に付着した水は、排出経路を通って基板の外（外周部）に排出されることとなる。そのため、臨出部に水が溜まりにくい構造となる。

なお、排出経路は、ガス検出素子に対して最も近接するように基板に形成されているのが好ましい（請求項２）。かかる構成によれば、ガス検出素子に最も近接する部位に水が溜まり難くなるため、ガス検出素子に水が付着し難くなり、ガス検出装置の検出精度を一層向上させることができる。

本発明によれば、非常に簡易な構成で、ガス検出素子に水滴が付着し難いガス検出装置を提供することができる。その結果、ガス検出装置の精度を向上させることが可能となる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。また、実施形態としては、本発明に係るガス検出装置を燃料電池システムのガス流通路に適用した場合について説明する。

（燃料電池システム１）
図１は、本実施形態に係るガス検出装置を備える燃料電池システムの概略構成を示したブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池２と、この燃料電池２の燃料極２Ａに接続された燃料ガス流通路３と、燃料電池２の酸素極２Ｂに接続された酸化剤ガス流通路４と、この酸化剤ガス流通路４の排出路４Ｂに設置されたガス検出装置５と、ガス検出装置５からの信号に基づいて警報装置８を制御する制御装置６と、記憶装置７と、警報装置８とから構成されている。

燃料電池システム１は、燃料電池２の燃料極２Ａに供給された燃料ガスの中の水素（Ｈ₂）が電解質膜２Ｃを透過して酸素極２Ｂに漏洩し、当該水素が酸化剤ガスの排出路４Ｂを流通すると、当該排出路４Ｂにセットされたガス検出装置５がこれを検知し、検知信号を制御装置６に送信するようになっている。制御装置６は、例えば検知信号から把握されるガスの濃度と記憶装置７に記憶された閾値とを比較し、ガスの濃度が閾値以上である場合には警報装置８を作動させるようになっている。

（燃料電池２）
燃料電池２は、電解質膜２Ｃを挟んで燃料極２Ａと酸素極２Ｂとを有している。燃料極２Ａには、燃料ガス流通路３が接続されている。燃料極２Ａは、供給路３Ａから燃料ガスの供給を受け、燃料ガスを触媒反応に使用したのち排出路３Ｂに排出するようになっている。また、酸素極２Ｂには、酸化剤ガス流通路４が接続されている。酸素極２Ｂは、供給路４Ａから酸化剤ガス（例えば空気）の供給を受け、酸化剤ガスを触媒反応に使用したのち排出路４Ｂに排出するようになっている。ここで、酸化剤ガスは、触媒反応によって生じた生成水を含むことになり、高湿度となっている。

（ガス検出装置５）
図２は、酸化剤ガスの排出路とガス検出装置の断面図である。
ガス検出装置５は、図２に示すように、酸化剤ガスの排出路４Ｂに設置されている。酸化剤ガスの排出路４Ｂを構成する配管には、ガス検出装置５を取り付けることができるように、取付穴４Ｂａが形成されている。

図３は、図２のＡ部を拡大して示した断面図である。
ガス検出装置５は、図３に示すように、ケース５１と、ケース５１内に格納された回路基板５２と、ケース５１の下方に配置されたガス検出素子５３と、ガス検出素子５３の下方に配置されたヒータ５４と、ガス検出素子５３とヒータ５４の間に配置され、ヒータ５４を支持する基板５５と、ケース５１の下方に突出してガス検出素子５３およびヒータ５４の周囲を囲む断熱樹脂ケース５６と、断熱樹脂ケース５６の開口部５６ａを覆う撥水フィルタ５７と、から構成されている。
ガス検出装置５は、取付穴４Ｂａの中にガス検出素子５３を配置することにより、排出路４Ｂ内を流れる酸化剤ガスに含まれる水素を検知することができるようになっている。

（ケース５１）
ケース５１は、回路基板５２を格納して保護するケースであり、図２に示すように、酸化剤ガスの排出路４Ｂを構成する配管にボルトを介して固定されている。

（回路基板５２）
回路基板５２は、ガス検出素子５３の反応を検知信号に変えるための回路と、ヒータ５４の温度を調節するための回路とを備えている。回路基板５２は、端子５３ａを介してガス検出素子５３と接続されている。また、回路基板５２は、端子５５ａ及び基板５５を介してヒータ５４と接続されている。

（ガス検出素子５３）
図４は、ガス検出素子とヒータと基板とを示した斜視図である。
ガス検出素子５３は、例えば白金やアルミナなどの触媒からなる検出素子５３ｂと、熱電対などの温度補償素子５３ｃとから構成されている。ガス検出素子５３は、ケース５１の下方から突出した位置に配置されており、取付穴４Ｂａの内部に配置できるようになっている。

検出素子５３ｂは、ガス中に含まれる水素と触媒とが反応して熱を発することにより電気抵抗が変化する。温度補償素子５３ｃは、ガス検出素子５３の周囲のガスの温度変化により電気抵抗が変化する。ガス検出装置５は、これらを比較することによりガスの温度変化の影響を除去して、水素と触媒の反応のみによる電気抵抗の変化を把握し、水素の濃度を検出するようになっている。

（ヒータ５４）
ヒータ５４は、図３、４に示すように、ガス検出素子５３の下方に配置されており、ガス検出素子５３の周囲のガスを加温することができるようになっている。ヒータ５４は、図４に示すように、例えば四角板状に形成された金属発熱体から構成されており、抵抗加熱によって熱を発するようになっている。この熱によりガス検出素子５３の周囲のガスが温められ、飽和水蒸気量が大きくなり、結露を防止することができる。なお、ヒータ５４とガス検出素子５３との間隔は、適宜設定可能であるが、１．５ｍｍ以上とするのが好適である。

（基板５５）
基板５５は、ガス検出素子５３とヒータ５４との間に配置されており、ヒータ５４を支持するとともにヒータ５４に電気を供給できるようになっている。基板５５は、図４に示すように、その外形が略円形状に形成された板状の部材であり、その略中央部に臨出部５５ｂが形成されている。臨出部５５ｂは、平面視ほぼ円形状をした開口部であり、図４に示すように、ガス検出素子５３に対してヒータ５４を露出（臨出）させている。そのため、ヒータ５４でガス検出素子５３の周囲を暖めることができる。

そして、基板５５には、図４に示すように、臨出部５５ｂと外周部５５ｄとを連続させる排出経路５５ｃが形成されている。排出経路５５ｃは、臨出部５５ｂに溜まってしまった結露水を排出する役割を果たすものであり、基板５５の一部を切り欠いて形成されている。

断熱樹脂ケース５６で囲われた空間内（以下、「センサ室」という場合がある。）は、ヒータ５４によって暖められているため、結露が生じ難くなっているが、何らかの原因により結露が生じた場合には、臨出部５５ｂによって囲われたヒータ５４の上面（ガス検出素子５３側の面）に結露水が溜まりやすい。したがって、基板５５の一部を切り欠いて結露水の排出経路５５ｃを形成することにより、臨出部５５ｂに結露水が溜まりにくくなる。その結果、ガス検出素子５３に水滴が付着しにくくなり、ガス検出装置５の検出精度が向上する。

また、排出路４Ｂを流れる酸化剤ガスは、図４の下方から流れてくることから、排出経路５５ｃを形成することにより酸化剤ガスが検出素子５３ｂと接触しやすくなり、やはりガス検出装置５の検出精度が向上する。

なお、排出経路５５ｃは、ガス検出素子５３に対して最も近接する位置に形成するのが好適である。このようにすると、ガス検出素子５３と最も近接していた基板５５付近に水が溜まりにくくなり、ひいてはガス検出素子５３に水が付着し難くなる。
図３に戻ってガス検出装置５の説明をつづける。

（断熱樹脂ケース５６）
断熱樹脂ケース５６は、図３に示すように、ガス検出素子５３、ヒータ５４および基板５５を囲うケースであり、酸化剤ガスの排出路４Ｂを構成する配管に形成された取付穴４Ｂａに嵌合するようになっている。断熱樹脂ケース５６は、例えば円筒形状に形成されており、排出路４Ｂ側に開口部５６ａを有している。かかる開口部５６ａを通って排出路４Ｂ内を流れる酸化剤ガスが断熱樹脂ケース５６内に流入するようになっている。また、断熱樹脂ケース５６の外周面には溝が形成されており、当該溝には酸化剤ガスの漏洩を防止するためのＯリング５６ｂがはめ込まれている。

（撥水フィルタ５７）
撥水フィルタ５７は、排出路４Ｂ内を流れる酸化剤ガス中に含まれる液滴が断熱樹脂ケース５６内に流入するのを防止する役割を果たすものであり、図３に示すように、断熱樹脂ケース５６の開口部５６ａを塞ぐように配置されている。

（制御装置６）
制御装置６（図１参照）は、例えば中央演算処理装置およびメモリ装置などから構成されている。制御装置６は、ガス検出装置５の回路基板５２と接続されており、ガス検出装置５が検知した検知信号を受信できるようになっている。制御装置６は、例えばガス濃度判定手段を備えており、検知信号に基づいてガスの濃度を判定できるようになっている。また、制御装置６は、例えば警報装置制御手段を備えており、ガス濃度判定手段の判定結果に基づいて警報装置８を作動できるようになっている。

（記憶装置７）
記憶装置７は、例えば磁気記録装置などから構成されている。記憶装置７は、制御装置６に接続されており、制御装置６によってデータの読み出し／書き込みができるようになっている。記憶装置７には、例えばガス濃度判定手段の判定基準となる閾値が記憶されている。

（警報装置８）
警報装置８は、警戒を呼びかける知らせを発する装置であり、例えば本実施形態に係る燃料電池システム１が自動車に搭載されている場合には、音や光や振動などを発して運転者に水素の漏洩を知らせるようになっている。

以上説明したように、本実施形態に係るガス検出装置５は、ガス検出素子５３の下方に設けられたヒータ５４を支持する基板５５に、臨出部５５ｂと外周部５５ｄとを連続させる排出経路５５ｃを有することから、臨出部５５ｂに結露水が溜まり難い。そのため、ガス検出素子５３に水が付着し難くなり、ガスの検出精度が向上する。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態においては、基板５５に排出経路５５ｃを一つだけ形成したが、排出経路５５ｃの位置や数はこれに限られるものではなく、図５（ａ）に示すように、ガス検出素子５３と基板５５とが最も近接する２箇所に排出経路５５ｃを設けてもよい。
さらに、図５（ｂ）に示すように、ガス検出素子５３に対して最も近接する位置ではなく、その他の２箇所に排出経路５５ｃを設けてもよい。かかる構成によっても、臨出部５５ｂに水を溜まり難くすることができる。

また、本実施形態においては、制御装置６は警報装置８を作動させることとしたが、これに限られるものではなく、例えば燃料ガスの供給を停止するようにしてもよい。

また、本実施形態においては、燃料電池システムに本発明に係るガス検出装置を適用したが、これに限られるものではなく、ガス検出時に素子に水滴が付着するおそれがあるシステムであれば、どのようなものに適用してもよいことは言うまでもない。

また、本実施形態では、ガス検出装置によって水素を検出することとしたが、これに限られるものではなく、その他のガス、例えば一酸化炭素や硫化水素などを検出するようにしてもよい。

本実施形態に係るガス検出装置を備える燃料電池システムの概略構成を示したブロック図である。 酸化剤ガスの排出路とガス検出装置の断面図である。 図２のＡ部を拡大して示した断面図である。 ガス検出素子とヒータと基板とを示した斜視図である。 ガス検出装置の他の実施形態を示した平面図である。 従来のガス検出装置を示した断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 燃料ガス流通路
４ 酸化剤ガス流通路
５ ガス検出装置
５１ ケース
５２ 回路基板
５３ ガス検出素子
５３ａ 端子
５３ｂ 検出素子
５３ｃ 温度補償素子
５４ ヒータ
５５ 基板
５５ａ 端子
５５ｂ 臨出部
５５ｃ 排出経路
５５ｄ 外周部
６ 制御装置
７ 記憶装置
８ 警報装置

Claims (2)

1. ガス内の特定成分を感知するガス検出素子と、
   前記ガス検出素子の周囲を加温するヒータと、
   前記ガス検出素子と前記ヒータの間に配設されて前記ヒータを支持し、前記ヒータを前記ガス検出素子に対して臨出させる臨出部を有する基板と、を備えるガス検出装置であって、
   前記基板は、当該基板の外周部と前記臨出部とを連続させる排出経路を有することを特徴とするガス検出装置。
2. 前記排出経路は、前記ガス検出素子に対して最も近接するように前記基板に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。

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