JP2010002193A

JP2010002193A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2010002193A
Application number: JP2008158806A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Suzuki; 昭博鈴木; Hidetoshi Oishi; 英俊大石; Shunji Tsukabayashi; 俊二塚林; Kazuhiro Okajima; 一博岡島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2028-06-18
Also published as: JP5192919B2

Abstract

【課題】結露水がガス検出素子に付着しにくいガスセンサを提供する。
【解決手段】内部に被検出ガスが取り込まれるガス検出室２５を有し、下部に被検出ガスの導入口２４を有するハウジング２０と、ハウジング２０の鉛直上側の開口を塞ぐベース３０と、ベース３０から鉛直下方に突出するように設けられ、被検出ガスを検出するガス検出素子４１と、を備える水素センサ１であって、ベース３０は、周辺部から中央部に向かうにつれて、鉛直上方に凹んでいる。
【選択図】図３

Description

本発明は、水素等の比重の小さい被検出ガスを検出するガスセンサに関する。

一般に、固体高分子型の燃料電池は、固体高分子膜の両側をアノード（燃料極）とカソード（酸素極）で挟み込んでＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を形成し、このＭＥＡ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、アノードには水素（燃料ガス）が供給され、カソードには空気（酸化剤ガス）が供給され、アノード及びカソードで電極反応が起こり、燃料電池が発電する。

このような燃料電池からは未消費の水素が排出されるので、燃料電池から排出されたオフガスの流路に水素センサを設け、この水素センサにより、オフガス中の水素濃度の監視がされている（特許文献１参照）。

ＷＯ２００３／０４２６７８号公報

ところが、このような水素センサを構成するガス検出素子に、オフガス中の水蒸気が結露し、結露水が付着すると、検出精度が低下してしまう。
そこで、本発明は、結露水がガス検出素子に付着しにくい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、本発明は、内部に被検出ガスが取り込まれるガス検出室を有し、下部に被検出ガスの導入口を有するハウジングと、前記ハウジングの鉛直上側の開口を塞ぐベースと、前記ベースから鉛直下方に突出するように設けられ、被検出ガスを検出するガス検出素子と、を備えるガスセンサであって、前記ベースは、周辺部から中央部に向かうにつれて、鉛直上方に凹んでいる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、ベースは、周辺部から中央部に向かうにつれて、鉛直上方に凹んでいるので、ベースで結露水が生成したとしても、この結露水は、ハウジングに向かって流れる。これにより、結露水が、ガス検出素子に付着しにくくなる。

また、前記ハウジングの周壁部に、前記ガス検出室を加熱するヒータを備える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、ベースの周辺部に向かって、つまり、ハウジングの周壁部に向かって流れた結露水を、ヒータで加熱し、気化できる。これにより、気化した結露水、つまり、水蒸気が、外部に排出されやすくなる。

本発明によれば、結露水がガス検出素子に付着しにくいガスセンサを提供することができる。

≪第１実施形態≫
まず、本発明の第１実施形態について、図１から図５を参照して説明する。

≪水素センサの構成≫
図１から図５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、窒素よりも比重の小さい水素（被検出ガス）を検出するセンサである。ここでは、水素センサ１が、燃料電池システムを構成する燃料電池から排出されたオフガスが流れるオフガス配管１０５（図２参照）中の水素濃度を検出する場合を例示する。

水素センサ１は、ケース１０と、ケース１０の下面に突設されたハウジング２０と、ハウジング２０の上方の開口２６を塞ぐベース３０と、ハウジング２０に収容され、水素を検出するガス検出素子４１、４１と、ハウジング２０の下部の導入口２４に設けられた積層体５０と、ハウジング２０内に配置されたヒータ６０と、を備えている。

＜ケース＞
ケース１０は、その外形が直方体形状であって、例えばポリフェニレンサルファイド製の容器であり、制御基板１１を収容している。ケース１０の長手方向の両端にはフランジ部１２、１２が形成されており、各フランジ部１２にはカラー１３が取り付けられている。そして、図２に示すように、各カラー１３に挿入されたボルト１４が、オフガスの流れるオフガス配管１０５に形成された取付座１０５Ａに締結されることで、水素センサ１がオフガス配管１０５に固定されるようになっている。

制御基板１１は、ガス検出素子４１、４１からの信号に基づいて、水素濃度を算出する機能を備えている。また、制御基板１１は、ヒータ６０を適宜にＯＮ／ＯＦＦする機能を備えている。

＜ハウジング＞
ハウジング２０は、略有底円筒体であって（図３、図５参照）、オフガス配管１０５の周壁部に形成された取付孔に嵌合している（図２参照）。そして、ハウジング２０とオフガス配管１０５との間には、Ｏリング２１が介設され、気密性が高められており、オフガスが漏れないようになっている。

このようなハウジング２０は、筒状の周壁部２２と底壁部２３とを有している。そして、底壁部２３の中央には円形の貫通孔が形成されており、この貫通孔が水素（被検出ガス）を含むオフガスの出入口として機能する導入口２４となっている。また、ハウジング２０内がオフガスの取り込まれるガス検出室２５となっている。

さらに、ハウジング２０は、熱伝導性を有する材料、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の樹脂や、金属から形成されている。これにより、ヒータ６０の熱が、ハウジング２０を介して、ガス検出素子４１、撥水フィルタ５１、防爆フィルタ５２に伝導するようになっている。

＜ベース＞
ベース３０は、ハウジング２０を構成する周壁部２２の鉛直上側の開口２６を閉塞し、ガス検出室２５の天壁部を構成している。そして、ベース３０は、周辺部から中央部に向かうにつれて、鉛直上方に凹むように形成されている。すなわち、ベース３０の下面、つまり、ガス検出室２５の上方の天壁面３１は、鉛直上方に凹んだ略半球状の凹曲面であり、その周縁が最も低く、中心に向かうにつれて徐々に高くなり、中心で最も高くなるように形成されている。

ベース３０の天壁面３１のうち、後記するステー４２が貫通する貫通孔の周りは、鉛直上方に凹んでおり、凹部３２が形成されている（図４参照）。
なお、ベース３０は、ハウジング２０と同様に、熱伝導性を有する材料から形成されている。また、結露水の流れを促進するべく、天壁面３１及び凹部３２の内面に撥水層が形成されていることが好ましい。

＜ガス検出素子＞
ガス検出素子４１は、ガス検出室２５に取り込まれたオフガス中の水素濃度を検出する素子であり、ベース３０から鉛直下方に突出するように設けられると共に、ガス検出室２５内に配置されている。
さらに説明すると、制御基板１１の下面に、２本のステー４２、４２の上端が接続されており、各ステー４２はケース１０及びベース３０を貫通し、各ステー４２の下端はガス検出室２５内に延びている。なお、各ステー４２の中間部分は、エポキシ樹脂等によってベース３０に固定されている。
そして、ガス検出素子４１が、ステー４２、４２の下端に接続されており、制御基板１１が、水素濃度に対応したガス検出素子４１の抵抗値等を、ステー４２、４２を介して検出するようになっている。

なお、ガス検出素子４１の種類及び数並びに配置は、水素濃度の検出方式に応じて、適宜に変更される。
例えば、水素の検出方式がガス接触燃焼式である場合は、ガス検出素子４１は検出素子と温度補償素子との対により構成される。そして、水素が各素子に接触し、燃焼した際に発生する熱を利用し、検出素子と温度補償素子と間の電気抵抗差に基づいて水素濃度が検出される。
また、水素の検出方式が半導体方式である場合、ガス検出素子４１は、検出素子と検知素子との対により構成され、水素が各素子表面の酸素と接触・離脱した際に発生する抵抗値に基づいて、水素濃度が検出される。

＜積層体＞
積層体５０は、撥水フィルタ５１と防爆フィルタ５２とを備え、ガス検出素子４１から遠ざかるオフガス配管１０５に向かって、防爆フィルタ５２、撥水フィルタ５１の順で積層されることで一体に構成された、２層構造を有する薄型の円盤体である。そして、積層体５０は、導入口２４に蓋をするようにハウジング２０に取り付けられている。

撥水フィルタ５１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り、例えば、テトラフルオロエチレン膜から構成される。これにより、気体状のオフガスをガス検出室２５に取り込みつつ、オフガス中に含まれる液体の水分が撥水フィルタ５１ではじかれ、ガス検出室２５に侵入しないようになっている。
防爆フィルタ５２は、防爆性を確保するためのフィルタであり、例えば、液体状の水を通すことが可能な程度の金属製のメッシュや多孔質体から構成される。
この他に例えば、撥水フィルタ５１と防爆フィルタ５２との間に、撥水フィルタ５１及び防爆フィルタ５２を加熱する円盤状のヒータを備える構成としてもよい。

＜ヒータ＞
ヒータ６０は、ハウジング２０の内壁面に沿って配置された略有底円筒状（おわん型）の電気ヒータであり、筒状の周壁部６１と、周壁部６１の下端部から径方向内側に延設すると共に、導入口２４と略重なる貫通孔６３が形成された底壁部６２と、を備えている。このようなヒータ６０は、例えばＰＴＣヒータやセラミックスヒータから構成され、周壁部６１と底壁部６２とは一体に構成され、一体で発熱するようになっている。

また、ヒータ６０は、図示しない配線を介して、制御基板１１に接続されている。そして、制御基板１１は、ガス検出室２５の温度・湿度に基づいて、結露水が生成しないように、ヒータ６０をＯＮ／ＯＦＦ制御するようになっている。なお、ガス検出室２５の温度・湿度は、ガス検出室２５に設けられた温度・湿度センサ（図示しない）によって検出される。

≪水素センサの作用・効果≫
次に、水素センサ１の作用効果を説明する。

＜水素センサの作動時（ヒータ６０のＯＮ時）＞
まず、燃料電池（図示しない）が発電し、これから排出されたオフガス中の水素濃度を水素センサ１で検出する、水素センサ１の作動時を説明する。
水素を含むオフガスは、撥水フィルタ５１及び防爆フィルタ５２を通って、ガス検出室２５に侵入する。そして、オフガス中の水素が、ガス検出素子４１に接触し、水素濃度が検出される。ここで、オフガスは、撥水フィルタ５１及び防爆フィルタ５２を通った後、ガス検出室２５内を鉛直上方に進み、ベース３０の天壁面３１に吹き付けられる。これにより、オフガスに含まれる水蒸気は、天壁面３１で結露し、天壁面３１に結露水が付着する。

この結露水は、径方向外側に向かって低くなっている天壁面３１に沿って、径方向外側に、つまり、ヒータ６０の周壁部６１に向かって誘導される（図５、矢印Ａ１参照）。このとき、ステー４２の周りには凹部３２が形成されているので、結露水がステー４２を迂回し（図５、矢印Ａ２参照）、結露水がステー４２に付着することはない。これにより、結露水がステー４２に沿って鉛直下方に流れることはなく、結露水がガス検出素子４１に付着することは防止される。
また、ヒータ６０の周壁部６１に到達した結露水は、発熱するヒータ６０によって加熱され、気化して水蒸気となり、撥水フィルタ５１及び防爆フィルタ５２を通って、外部に排出可能となる。

＜水素センサの停止時（ヒータ６０のＯＦＦ時）＞
次に、燃料電池の発電が停止し、ヒータ６０がＯＦＦされ、水素濃度を検出しない水素センサ１の停止時について説明する。
ヒータ６０がＯＦＦされると、ハウジング２０及びベース３０の温度が、徐々に低下する。このとき、ヒータ６０から遠いベース３０の中央部の温度が下がりやすくなる。このようにベース３０の温度が下がると、ガス検出室２５に残留する水蒸気が、ベース３０の天壁面３１で結露し、結露水が天壁面３１に付着する。

この結露水は、水素センサ１の作動時と同様に、径方向外側に向かって、ステー４２を迂回しつつ誘導される（図５、矢印Ａ１参照）。これにより、結露水がステー４２に沿って下方に流れることはなく、結露水がガス検出素子４１に付着することは防止される。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図６から図８を参照して説明する。
第２実施形態に係るベース７０の天壁面７１は、第１実施形態に係るベース３０の天壁面３１と同様に、周辺部から中央部に向かうにつれて、鉛直上方に凹んでおり、各ステー４２の周りには、凹部７２が形成されている。天壁面７１は、周方向において、凸凹しており（図７、図８参照）、天壁面７１に付着した結露水は、周方向において、天壁面７１の低い部分に流れつつ（図７、矢印Ａ３参照）、径方向外側に向かって流れるようになっている（図７、矢印Ａ４参照）。なお、天壁面７１のステー４２が貫通する部分は、周方向において他の部分よりも高くなっており、結露水がステーに付着しにくくなっている。

以上、本発明の好適な一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、例えば次のように変更することができる。

前記した実施形態では、被検出ガスが水素である場合を例示したが、その他のガスでもよい。
前記した実施形態では、水素センサ１が燃料電池の下流に設けられ、燃料電池から排出されるオフガス中の水素濃度を検出する場合を例示したが、水素センサ１の取付位置はこれに限定されず、例えば、車室や、水素タンクが配置されるタンク室等でもよい。

第１実施形態に係る水素センサの平面図である。第１実施形態に係る水素センサの縦断面図である。第１実施形態に係る水素センサの要部の縦断面図であり、図５のＸ２−Ｘ２線断面に対応している。水素センサのベース部の拡大図である。図３に示す水素センサのＸ１−Ｘ１線断面図である。第２実施形態に係る水素センサの要部の縦断面図であり、図３に対応するものである。第２実施形態に係る水素センサの平断面図である。図６に示す水素センサのＸ２−Ｘ２線断面図である。

符号の説明

１水素センサ（ガスセンサ）
２０ハウジング
２４導入口
２５ガス検出室
２６開口
３０ベース
３１天壁面
４１ガス検出素子
６０ヒータ

Claims

内部に被検出ガスが取り込まれるガス検出室を有し、下部に被検出ガスの導入口を有するハウジングと、
前記ハウジングの鉛直上側の開口を塞ぐベースと、
前記ベースから鉛直下方に突出するように設けられ、被検出ガスを検出するガス検出素子と、
を備えるガスセンサであって、
前記ベースは、周辺部から中央部に向かうにつれて、鉛直上方に凹んでいる
ことを特徴とするガスセンサ。
前記ハウジングの周壁部に、前記ガス検出室を加熱するヒータを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。