JP2007040757A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 内部の水を積極的に排出可能なガスセンサを提供する。
【解決手段】 オフガス中に含まれる水素を検出するガス検出素子６０と、ガス検出素子６０を収容すると共に水素が取り込まれる第１収容室４０ａ（ガス検出室）を有する第１素子収容部４０と、を備え、オフガスが流通するオフガス流路６ａを構成する出口側配管６の取付座６ｄに設けられる水素センサ１であって、一端部９１ａ、９２ａが第１収容室４０ａ内に、他端部９１ｂ、９２ｂが第１素子収容部４０の外部であるオフガス流路６ａに配置され、第１収容室４０ａ内の水を吸湿して第１素子収容部４０の外部に排出する吸湿部材９１、９２を備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高湿の環境下に置かれるガスセンサに関する。

一般に、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側を燃料極と酸素極で挟み込んで膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体）を形成し、この膜電極接合体を一対のセパレータで挟んでなる単セルを複数積層して一つの燃料電池スタックを構成している。そして、燃料極には、燃料として水素が供給され、酸素極には酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動し、水素イオンと酸素が電気化学反応を起こして発電する。

このような固体高分子膜型燃料電池においては、従来、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たことを検知する技術が知られている（特許文献１参照）。具体的に、この技術では、水素検出器の水素取込口（気体取込部）を鉛直方向における下方に向けた状態とし、その水素検出器を排気管の上壁に設けることで、比重の軽い水素を良好に水素検出器内のガス検出室に取り込むことができる構造となっている。また、このような技術では、水素取込口に撥水フィルタを設けることで、ガス検出室内に高湿のガスが入る前にそのガス中の水滴を撥水フィルタで除去して、ガス検出室内のガス検出素子に水滴が付着するのを防止することも考えられている。
特開平６−２２３８５０号公報（段落番号００１３〜００１４、図１）

しかしながら、前記した技術では、高湿のガス中に含まれている水蒸気が未だ水滴となっていない状態においては、その水蒸気は撥水フィルタを通過するため、このように水蒸気が水素検出器内に入った後に内部の温度が下がると、水蒸気が液化し、この液化した水（以下、結露水という）がガス検出室内に溜まってしまう場合があった。そして、このようにガス検出室内に結露水が溜まってしまうと、結露水がガス検出素子に接触し、センシングに影響を及ぼす可能性があった。また、結露水によって撥水フィルタが目詰まりしてしまい、ガスの取込が阻害される場合もあった。

そこで、本発明では、内部の水を積極的に排出可能なガスセンサを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、気体中に含まれる被検出ガスを検出するガス検出素子と、前記ガス検出素子を収容すると共に前記被検出ガスが取り込まれるガス検出室を有する素子収容部と、を備え、前記気体が流通する気体流路の壁に設けられるガスセンサであって、一端部が前記ガス検出室内に、他端部が前記素子収容部の外部に配置され、前記ガス検出室内の水を吸湿して前記素子収容部の外部に排出する吸湿部材を備えたことを特徴とするガスセンサである。

このようなガスセンサによれば、ガス検出室内の水が一端部で吸湿された後、吸湿された水が吸湿部材内を通流（浸透）し、通流した水が他端部から素子収容部の外部に排出される。このようにして、ガス検出室内の水を素子収容部外に排出することができ、ガス検出素子への水の付着を低減させることができる。その結果として、ガス検出素子の感度低下や出力不安定を防止することができる。

請求項２に係る発明は、前記吸湿部材の他端部は前記気体流路に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサである。

このようなガスセンサによれば、水が通流（浸透）した吸湿部材の他端部に、気体流路を流通する気体が吹き付けられて、他端部に含まれる水が気体に持ち去られ易くなる。これにより、ガス検出室内に配置される一端部から他端部に水が通流し易くなり、ゆえに、ガス検出室内の水を効率的に排出することができる。

本発明によれば、内部の水を積極的に排出可能なガスセンサを提供することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施形態に係る水素センサを備えた燃料電池システムを示す概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態に係る水素センサ１（ガスセンサ）は、燃料電池２から排出されるオフガス（空気オフガス、希釈ガス）中の水素を検出するために、燃料電池システムＳに組み込まれている。以下に、この燃料電池システムＳについて簡単に説明した後、水素センサ１の詳細について説明する。

燃料電池システムＳは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、燃料電池自動車は燃料電池２の発電電力によって走行用の電動モータ（走行モータ）を回転させて走行するようになっている。燃料電池システムＳは、燃料電池２と、燃料極（アノード）側の入口側配管３および出口側配管５と、酸素極（カソード）側の入口側配管４および出口側配管６を主に備えている。

燃料電池２は、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極で挟持した電解質膜電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる単セル（図示略）を多数組積層して構成されたスタックからなる。

この燃料電池２では、例えば高圧の水素タンク等を備える水素供給装置（図示略）から燃料極側の入口側配管３を介して燃料として水素が燃料極に供給されるとともに、コンプレッサ２１により酸素極側の入口側配管４を介して酸化剤として空気が酸素極に供給される。燃料極の触媒電極上では、触媒反応により水素がイオン化され、生成された水素イオンが適度に加湿された固体高分子電解質膜を拡散・通過して酸素極まで移動する。そして、こ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。また、酸素極には酸素を含む空気が供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子および酸素が、酸素極の触媒の作用により電気化学的に反応して水が生成される。
そして、燃料極側の出口側配管５および酸素極側の出口側配管（流路）６から未反応の反応ガス（例えば、水素や空気等）を含むいわゆるオフガスが排出される。

ここで、未反応の水素を含む水素オフガス（アノードオフガス）は、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５から水素循環配管２２に排出され、エゼクタ２３を介して燃料極側の入口側配管３に戻され、再び燃料電池２の燃料極に供給されるようになっている。
一方、反応済みの空気中に水分を多量に含んだ空気オフガス（カソードオフガス）は、希釈器２６および出口側配管６を介して大気中へ排出される。

さらに、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５にはパージ弁２４を介して水素排出配管２５が接続され、この水素排出配管２５には希釈器２６が接続されている。そして、水素オフガスは、パージ弁２４を介して水素排出配管２５に排出可能とされ、さらに、水素排出配管２５を通って希釈器２６に導入可能とされている。

希釈器２６は、水素排出配管２５から取り込んだ水素オフガスを、燃料電池２から排出された空気オフガスによって適宜の倍率で希釈し、希釈ガスとして排出することができるように構成されている。すなわち、希釈器２６の下流側の出口側配管６内は、水素オフガスが希釈器２６に導入されない場合は空気オフガスが流れ、一方、水素オフガスが導入される場合は希釈ガスが流れることになる。つまり、希釈器２６の下流側の出口側配管６内は、空気オフガスが流れる空気オフガス流路（気体流路）、または、希釈ガスが流れる希釈ガス流路（気体流路）として機能しており、ここでオフガス流路６ａと総称する（図２参照）。

そして、この希釈器２６の下流には、ガス接触燃焼式の水素センサ１が配置されており、これによりオフガス中の水素濃度が監視されるようになっている。ここで、この水素センサ１は、オフガスの流通方向が水平方向となるように配置された出口側配管６の鉛直方向上部に配置されている。

≪水素センサの構成≫
続いて、図２を参照して水素センサ１について説明する。図２は、本実施形態に係る水素センサの側断面図である。
図２に示すように、水素センサ１は、ケース３０と、ガス検出素子６０と、ヒータ７０と、素子収容部Ｂと、気体取込部８０と、吸湿部材９１、９２とを主に備えている。

＜ケース＞
ケース３０は、その外形が直方体形状を呈し、内蔵する制御基板（図示しない）を保護するためのものである。ケース３０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３１を備えている。フランジ部３１にはカラー３２が取り付けられており、このカラー３２内にボルト３３が挿入されることで、フランジ部３１は、オフガス流路６ａを構成する出口側配管６に設けられた取付座６ｄ（壁）に締結されて固定されるようになっている。
そして、ケース３０の下端面には、前記制御基板に接続されるガス検出素子６０とヒータ７０とが設けられるとともに、これらを収容するための素子収容部Ｂが下方へ突出するように設けられている。

＜ガス検出素子＞
ガス検出素子６０は、希釈ガスまたは空気オフガスであるオフガス（気体）中に含まれる水素（被検出ガス）を検出するものであり、具体的には、検出素子と温度補償素子との対により構成されている。検出素子は、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が、触媒を坦持したアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。触媒は、水素に対して活性な貴金属などからなる。温度補償素子は、水素に対して不活性とされ、例えば検出素子と同等のコイルの表面が、アルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。

そして、水素が触媒に接触した際に生じる反応熱により、検出素子が高温になると、検出素子と温度補償素子の抵抗値に差が生じるので、この差から水素濃度を検出することができるようになっている。なお、雰囲気温度による電気抵抗値の変化は、温度補償素子を利用することにより相殺される。

＜ヒータ＞
ヒータ７０は、後記する第２素子収容部５０内（以下、この内部空間を「第２収容室５０ａ」ともいう。）を加熱するものであり、これによりガス検出素子６０において結露が生じるのが抑制されている。

＜素子収容部＞
素子収容部Ｂは、ガス検出素子６０およびヒータ７０を二重に取り囲んで収容するケースであって、外側の第１素子収容部４０（特許請求の範囲における素子収容部に相当）と、その内側の第２素子収容部５０とを備えて構成されている。

［第１素子収容部］
第１素子収容部４０は、ケース３０の下面に突設された略有底円筒体であり、出口側配管６に形成された貫通孔６ｃに嵌合すると共に、出口側配管６の内面６ｂから突出して出口側配管６内に露出している。第１素子収容部４０は、その内部であって第２素子収容部５０との間に、第１収容室４０ａを有している。なお、第１収容室４０ａが特許請求の範囲における「水素（被検出ガス）が取り込まれるガス検出室」に相当する。

さらに説明すると、第１素子収容部４０は、円筒状の周壁体４１と、周壁体４１の下方開口に蓋をする底蓋体４２とが、ボルトなどによって組み付けられることで構成されている。周壁体４１の外周面には周方向に溝４１ａが形成されており、溝４１ａにはリング状のシール部材３５が装着され、シール部材３５によって周壁体４１と貫通孔６ｃとの気密性が維持されている。底蓋体４２は、リング状であって、その中心に開口４２ａを有している。そして、この開口４２ａに後記する気体取込部８０が設けられており、気体取込部８０は出口側配管６内のオフガス流路６ａ（気体流路）に臨んだ状態となっている。

［第２素子収容部］
第２素子収容部５０は、ガス検出素子６０およびヒータ７０を収容する第２収容室５０ａを有する有底円筒体であって、第１素子収容部４０の内側に配置されている。第２素子収容部５０の底壁には、開口５０ｂが形成されている。そして、防爆フィルタ５２が、開口５０ｂを塞ぐように設けられており、防爆性が確保されている。なお、防爆フィルタ５２は、液体状の水を通すことが可能な程度のメッシュで形成されているため、第２収容室５０ａ内に結露水が溜まることはない。

＜気体取込部＞
気体取込部８０は、底蓋体４２に形成された開口４２ａと、開口４２ａを塞ぐように設けられた撥水フィルタ８１および防爆フィルタ８２とを備えて構成されている。撥水フィルタ８１と防爆フィルタ８２とは重ねられており、防爆フィルタ８２は、撥水フィルタ８１よりも内側（ガス検出素子６０側）に配置されている。
撥水フィルタ８１は、ガスを透過しつつ、ガスに含まれる液体を透過しないフィルタである。これにより、気体状のオフガスを第１収容室４０ａに取り込みつつ、湿潤のオフガス中に含まれる液体状の水が、撥水フィルタ８１ではじかれて、第１収容室４０ａ内に浸入しないようになっている。
防爆フィルタ８２は、防爆フィルタ５２と同様に、防爆性を確保するためのフィルタであり、液体状の水を通すことが可能な程度のメッシュなどから構成される。

＜吸湿部材＞
吸湿部材９１、９２は、例えば吸湿繊維からなり、第１収容室４０ａ（ガス検出室）内の水を吸湿して、出口側配管６内のオフガス流路６ａに排出するための部材である。このような吸湿部材９１、９２の形状は特に限定はないが、例えば、紐状、細長の板状を呈する。

吸湿部材９１は、周壁体４１と底蓋体４２との間に挟まれており、その一端部９１ａは第１収容室４０ａ内に引き出され第１収容室４０ａ内に配置されており、他端部９１ｂは第１素子収容部４０の外部である出口側配管６内のオフガス流路６ａ（気体流路）に配置されている。
吸湿部材９２は、底蓋体４２と気体取込部８０を構成する撥水フィルタ８１および防爆フィルタ８２とで挟まれており、その一端部９２ａは第１収容室４０ａ内に配置されており、他端部９２ｂはオフガス流路６ａ（気体流路）に配置されている。

≪水素センサの作用・効果≫
次に、このような水素センサ１の作用・効果について説明する。
図２に示すように、出口側配管６内のオフガス流路６ａを流れるオフガス（希釈ガスまたは空気オフガス）は、気体取込部８０の撥水フィルタ８１、防爆フィルタ８２を通過して、第１収容室４０ａ内に取り込まれる。このように取り込まれたオフガスの一部は、防爆フィルタ５２を通過して、第２収容室５０ａ内に入り、ガス検出素子６０によって、その水素濃度が検出される。

このように気体取込部８０から第１収容室４０ａ内にオフガスを取り込んだ後に、例えば燃料電池自動車を停止させるため、燃料電池システムＳがＯＦＦ、つまり、燃料電池２の発電が停止され、第１収容室４０ａの温度が低下した場合、第１収容室４０ａに取り込まれたオフガスの一部の水蒸気が液化して、結露水が生成し、第１素子収容部４０内に溜まる。

このように溜まった結露水は、吸湿部材９１の一端部９１ａ、吸湿部材９２の一端部９２ａに吸湿される。そして、吸湿された結露水は、吸湿部材９１、９２内を、他端部９１ｂ、９２ｂ側に向かって浸透し通流する。

その後、再び燃料電池システムＳが起動、つまり燃料電池２が発電すると、出口側配管６内のオフガス流路６ａをオフガス（希釈ガスまたは空気オフガス）が流れ、このオフガスが吸湿部材９１、９２の他端部９１ｂ、９２ｂに吹き付けられる。そうすると、他端部９１ｂ、９２ｂに含まれる結露水が、オフガスによって持ち去られ、出口側配管６内のオフガス流路６ａに排出される（図２参照）。

このように、本実施形態に係る水素センサ１によれば、第１素子収容部４０内に溜まった結露水を排出することができる。そのため、ガス検出素子６０への水の付着を低減させることができる。その結果として、ガス検出素子６０のよって水素の検出精度を向上させることができると共に、水素センサ１の寿命の向上を安価に達成することができる。よって、より良好なセンシングを行うことが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。

前記した実施形態では、被検出ガスを水素としたが、本発明はこれに限定されず、例えば、一酸化炭素、硫化水素など他のガスであってもよい。さらに、前記実施形態では、ガスセンサとして接触燃焼式のガスセンサを採用したが、本発明はガス検出室を備えるガスセンサであればどのようなものでもよく、例えば、半導体式のガスセンサなど、他の方式のガスセンサであってもよい。

前記した実施形態では、吸湿部材９１の他端部９１ｂと、吸湿部材９２の他端部９２ｂとが、出口側配管６内のオフガス流路６ａに配置されている場合としたが、他端部９１ｂ、９２ｂを出口側配管６の外部に引き出し、他端部９１ｂ、９２ｂを大気中に配置し、燃料電池自動車が走行することで発生する走行風が吹き付けられる構成としてもよい。

本実施形態に係る水素センサを備えた燃料電池システムを示す概略構成図である。 本実施形態に係る水素センサの側断面図である。

符号の説明

１ 水素センサ（ガスセンサ）
２ 燃料電池
６ａ オフガス流路（気体流路）
６ｄ 取付座（壁）
４０ 第１素子収容部
４０ａ 第１収容室（ガス検出室）
５０ 第２素子収容部
６０ ガス検出素子
８２ 防爆フィルタ
９１、９２ 吸湿部材
９１ａ、９２ａ 一端部
９１ｂ、９２ｂ 他端部
Ｂ 素子収容部
Ｓ 燃料電池システム

Claims (2)

1. 気体中に含まれる被検出ガスを検出するガス検出素子と、前記ガス検出素子を収容すると共に前記被検出ガスが取り込まれるガス検出室を有する素子収容部と、を備え、前記気体が流通する気体流路の壁に設けられるガスセンサであって、
   一端部が前記ガス検出室内に、他端部が前記素子収容部の外部に配置され、前記ガス検出室内の水を吸湿して前記素子収容部の外部に排出する吸湿部材を備えたことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記吸湿部材の他端部は前記気体流路に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
   
   
   
   

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