JP2019113423A - Contact combustion type hydrogen gas sensor and vehicle equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素ガスを検知する接触燃焼式水素ガスセンサ及びそれを備えた車両に関する。 The present invention relates to a catalytic combustion type hydrogen gas sensor for detecting hydrogen gas and a vehicle provided with the same.
従来より、焼結体のガス感応部を有するガスセンサとしては、接触燃焼式ガスセンサ、半導体式ガスセンサ、固体電解質式ガスセンサ等が知られている。 Conventionally, as a gas sensor having a gas sensitive portion of a sintered body, a contact combustion type gas sensor, a semiconductor type gas sensor, a solid electrolyte type gas sensor, and the like are known.
例えば、接触燃焼式ガスセンサは、検知対象となる可燃性ガスに対して燃焼反応する検知素子と燃焼反応しない補償素子の2つの素子を有しているものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 For example, as a catalytic combustion type gas sensor, one having two elements of a detection element that reacts with combustion to a detection target combustible gas and a compensation element that does not react with combustion is known (for example, Patent Document 1) reference).
次に、接触燃焼式ガスセンサにより可燃性ガスの濃度を検知する一般的な原理を説明する。接触燃焼式ガスセンサの検知素子は、白金等の貴金属線と、当該貴金属線を覆う、白金等の貴金属触媒を担持したアルミナ等の金属酸化物焼結体からなるガス感応部(燃焼触媒部)とで構成される。この検知素子を所定温度に加熱しておき、ガス感応部において検知対象となる可燃性ガスを貴金属触媒と接触・燃焼させることで、燃焼の際に生じる温度変化を貴金属線の抵抗値の変化として検出する。一方、補償素子は、検知素子のように貴金属触媒を担持しないが、その他の構成は検知素子と同様に構成される。つまり、補償素子は、白金等の貴金属線と、当該貴金属線を覆う、貴金属触媒を担持していないアルミナ等の金属酸化物焼結体とで構成される。補償素子上では貴金属触媒を担持していないので可燃性ガスの燃焼が起こらず、その貴金属線の抵抗値は変化しない。可燃性ガスの燃焼熱は可燃性ガスの濃度に比例し、貴金属線の抵抗値は燃焼熱に比例するため、可燃性ガスの燃焼による貴金属線の抵抗の変化値を測定することによって可燃性ガスの濃度を測定することができる。このため、検知素子と補償素子とを2辺としたブリッジ回路に電圧の差が生じる。この電圧の差は、可燃性ガスの爆発下限界までは、ガス濃度に比例した出力として検出される。 Next, the general principle of detecting the concentration of combustible gas by the catalytic combustion type gas sensor will be described. The detection element of the catalytic combustion type gas sensor includes: a noble metal wire such as platinum; and a gas sensitive portion (a combustion catalyst portion) made of a sintered metal oxide such as alumina supporting a noble metal catalyst such as platinum covering the noble metal wire. It consists of This sensing element is heated to a predetermined temperature, and the combustible gas to be detected is brought into contact with the noble metal catalyst in the gas sensitive part and burned to change the temperature change occurring during combustion as the change in the resistance value of the noble metal wire. To detect. On the other hand, the compensation element does not support the precious metal catalyst like the detection element, but the other configuration is configured in the same manner as the detection element. That is, the compensation element is configured of a noble metal wire such as platinum, and a sintered body of a metal oxide such as alumina covering the noble metal wire and not carrying a noble metal catalyst. Since the noble metal catalyst is not supported on the compensating element, combustion of the combustible gas does not occur, and the resistance value of the noble metal wire does not change. The heat of combustion of the flammable gas is proportional to the concentration of the flammable gas, and the resistance of the noble metal wire is proportional to the heat of combustion. Therefore, the combustible gas is measured by measuring the change in resistance of the noble metal wire due to the combustion of the flammable gas. It is possible to measure the concentration of Therefore, a voltage difference occurs in the bridge circuit in which the sensing element and the compensation element are on two sides. The voltage difference is detected as an output proportional to the gas concentration up to the lower limit of the explosion of the flammable gas.
このような接触燃焼式ガスセンサは、例えば、燃料電池システムからの水素ガスの漏れを検知する水素ガスセンサ(水素ディテクタ)として、圧縮水素ガスを燃料とする燃料電池自動車(以下、FCVという)に搭載されている。水素ガスを検知する方式(センサ)にはいくつかあるが、FCVの安全基準を満たすために、0〜4vol%の水素ガスを検知することが求められる車載用の水素ガスセンサとしては、接触燃焼式ガスセンサが適している。 Such a contact combustion type gas sensor is mounted on, for example, a fuel cell automobile (hereinafter referred to as FCV) using compressed hydrogen gas as a hydrogen gas sensor (hydrogen detector) for detecting leakage of hydrogen gas from a fuel cell system. ing. There are several methods (sensors) for detecting hydrogen gas, but as a vehicle-mounted hydrogen gas sensor that is required to detect 0 to 4 vol% of hydrogen gas in order to meet FCV safety standards, a catalytic combustion type Gas sensors are suitable.
FCVは、ユーザーが燃料電池システムを起動させようと操作すると、まず水素ガスセンサが起動して水素の濃度を検知し、水素の漏れがないことを確認した後、燃料電池システムが起動する。このため、FCVに接触燃焼式ガスセンサを搭載する場合、水素ガスセンサは、起動してから水素を検知可能になるまでの時間、すなわち起動時間及び応答時間が所定値以下である性能が求められる。また、道路の舗装に用いるアスファルトやシリコーン製品から環境雰囲気に放出される環境物質である環状シロキサンは、水素ガスセンサの感度に影響を与えることが知られている。具体的には、接触燃焼式の水素ガスセンサは高温で動作するため、触媒表面で環状シロキサンが酸化される。この結果、シリコン酸化物が表面に付着して水素に対する触媒の活性サイトを覆ってしまい、水素に対する触媒作用が失われるメカニズムが考えられている。そのため、所望のシリコーン被毒耐性を有する接触燃焼式水素ガスセンサが求められる。具体的には、水素ガス共存下においてシロキサンが暴露された際においてもセンサの感度変化率が低く抑えられる接触燃焼式ガスセンサが求められる。 When the user operates the fuel cell system to start up, the FCV first starts up the hydrogen gas sensor to detect the concentration of hydrogen, and after confirming that there is no leakage of hydrogen, the fuel cell system starts up. For this reason, when the catalytic combustion type gas sensor is mounted on the FCV, the hydrogen gas sensor is required to have performance for which the time from start to detection of hydrogen can be detected, that is, the start time and response time are less than predetermined values. In addition, it is known that cyclic siloxanes, which are environmental substances released from asphalt and silicone products used for road pavement, to environmental atmosphere, affect the sensitivity of the hydrogen gas sensor. Specifically, since the catalytic combustion type hydrogen gas sensor operates at high temperature, cyclic siloxanes are oxidized on the catalyst surface. As a result, silicon oxide adheres to the surface to cover the active site of the catalyst for hydrogen, and a mechanism is considered in which the catalyst action for hydrogen is lost. Therefore, a contact combustion type hydrogen gas sensor having desired silicone poisoning resistance is required. Specifically, there is a need for a catalytic combustion type gas sensor in which the rate of change in sensitivity of the sensor can be kept low even when siloxane is exposed in the presence of hydrogen gas.
例えば、特許文献1に記載の接触燃焼式ガスセンサの場合、白金線(ヒーターコイル)による発熱が触媒層全体に伝導するとともに触媒層が外気と触れているところでは放熱が起こる。このような接触燃焼式ガスセンサの発熱と放熱のバランスが平衡になった時点でガスを検知可能な安定状態となる。そのため、上述した起動時間、応答時間及びシリコーン被毒耐性等の要求性能を満たすためには、例えば、検知ガスが水素である場合は、水素の燃焼による燃焼熱、接触燃焼式ガスセンサが有する発熱及び放熱に寄与する様々なパラメータを検討する必要がある。すなわち、当該パラメータとセンサの性能との関係を調べて、所望の起動時間、応答時間及びシリコーン被毒耐性などの要求性能を満足するように構成された接触燃焼式水素ガスセンサが求められている。 For example, in the case of the contact combustion type gas sensor described in Patent Document 1, heat generation by the platinum wire (heater coil) is conducted to the entire catalyst layer and heat is released where the catalyst layer is in contact with the outside air. When the balance between the heat generation and the heat release of such a contact combustion type gas sensor is balanced, the gas can be detected in a stable state. Therefore, in order to satisfy the required performances such as start-up time, response time and silicone poisoning resistance, for example, when the detection gas is hydrogen, heat of combustion due to combustion of hydrogen, heat generation of the catalytic combustion type gas sensor and It is necessary to consider various parameters that contribute to heat dissipation. That is, there is a need for a catalytic combustion type hydrogen gas sensor configured to satisfy required performances such as desired start-up time, response time and silicone poisoning resistance by examining the relationship between the parameters and the performance of the sensor.
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、所望の起動時間、応答時間及びシリコーン被毒耐性を有する接触燃焼式水素ガスセンサを提供することを目的とする。 Then, this invention is made in view of the said subject, and it aims at providing the contact combustion type hydrogen gas sensor which has desired start-up time, response time, and silicone poisoning resistance.
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。 The problem to be solved by the present invention is as described above, and next, means for solving the problem will be described.
即ち、本発明の接触燃焼式水素ガスセンサは、水素ガスを検知する接触燃焼式水素ガスセンサにおいて、コイル状で所定のコイル径、コイル長及び線径の貴金属線と前記貴金属線を覆う略球状で所定の球径の担体部とを有する検知素子を備え、前記担体部は、触媒担体に貴金属触媒を担持して構成され、前記担体部の所定の球径が0.2〜0.6mmであり、前記担体部の所定の球径/前記貴金属線のコイル径が1.4〜2.0であるものである。 That is, the catalytic combustion type hydrogen gas sensor according to the present invention is a catalytic combustion type hydrogen gas sensor for detecting hydrogen gas, which has a coil shape and a substantially spherical shape covering a noble metal wire of a predetermined coil diameter, coil length and wire diameter and the noble metal wire. A carrier having a spherical diameter, and the carrier comprises a noble metal catalyst supported on the catalyst carrier, and the predetermined spherical diameter of the carrier is 0.2 to 0.6 mm, The predetermined sphere diameter of the carrier portion / the coil diameter of the noble metal wire is 1.4 to 2.0.
また、本発明の接触燃焼式水素ガスセンサは、前記貴金属線のコイル径/前記貴金属線のコイル長が0.8〜1.1であるものである。 In the catalytic combustion type hydrogen gas sensor of the present invention, the coil diameter of the noble metal wire / the coil length of the noble metal wire is 0.8 to 1.1.
また、本発明の接触燃焼式水素ガスセンサは、前記貴金属線のコイル径/前記貴金属線の線径が12〜30であるものである。 Further, in the catalytic combustion type hydrogen gas sensor of the present invention, the coil diameter of the noble metal wire / the wire diameter of the noble metal wire is 12 to 30.
また、本発明の接触燃焼式水素ガスセンサは、動作時の素子温度が280〜350℃に設定されるものである。 In the catalytic combustion type hydrogen gas sensor of the present invention, the element temperature at the time of operation is set to 280 to 350 ° C.
また、本発明の接触燃焼式水素ガスセンサは、前記担体部は、アルミナを焼結して形成され、平均粒子径が300〜800nmであるものである。 Further, in the catalytic combustion type hydrogen gas sensor of the present invention, the carrier portion is formed by sintering alumina and has an average particle diameter of 300 to 800 nm.
また、本発明の接触燃焼式水素ガスセンサは、前記担体部における前記貴金属触媒の担持量が10〜30wt%であるものである。 Further, in the catalytic combustion type hydrogen gas sensor of the present invention, the carried amount of the noble metal catalyst in the carrier portion is 10 to 30 wt%.
また、本発明の車両は、燃料電池を搭載した車両であって、上記接触燃焼式水素ガスセンサを備えるものである。 A vehicle according to the present invention is a vehicle equipped with a fuel cell, and includes the above-described contact combustion type hydrogen gas sensor.
本発明によれば、所望の起動時間、応答時間及びシリコーン被毒耐性を有する接触燃焼式水素ガスセンサを実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a catalytic combustion type hydrogen gas sensor having desired start-up time, response time and resistance to silicone poisoning.
次に、本発明の一実施形態である接触燃焼式水素ガスセンサ100について図を参照しながら説明する。 Next, a catalytic combustion type hydrogen gas sensor 100 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
接触燃焼式水素ガスセンサ100は、図1に示すように、被検知ガスである水素ガスを燃焼させて検知する検知素子1と、環境の変化等、水素ガスの燃焼以外の温度変化に基づく、検知素子1の抵抗値の変化を補正する補償素子2と、固定抵抗R1、R2とを有し、これらによりブリッジ回路を構成している。検知素子1は、水素ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する。検知素子1と補償素子2とは、2つの抵抗である固定抵抗R1、R2を介して電源Eに並列に接続される。ブリッジ回路は、電源Eによって常時約90〜120mAの電流を供給し、水素ガスが接触燃焼し易い所定の温度に検知素子1を保持している。 As shown in FIG. 1, the catalytic combustion type hydrogen gas sensor 100 detects a detection element 1 which burns and detects hydrogen gas as a detection gas, and changes based on temperature changes other than combustion of hydrogen gas, such as environmental changes. A compensation element 2 that compensates for the change in the resistance value of the element 1 and fixed resistors R1 and R2 are included to constitute a bridge circuit. The resistance value of the detection element 1 changes in accordance with the heat of combustion of the hydrogen gas. The sensing element 1 and the compensating element 2 are connected in parallel to the power supply E via fixed resistors R1 and R2 which are two resistors. The bridge circuit always supplies a current of about 90 to 120 mA by the power supply E, and holds the detection element 1 at a predetermined temperature at which hydrogen gas is easily combusted by contact.
検知素子1と補償素子2とは、抵抗値が等しくなるように設定してある。このため、水素ガスが存在しない場合には、ブリッジ回路は平衡状態となり、センサ出力Vは生じない。一方、水素ガスが存在すると、その燃焼によって検知素子1の温度が上昇して抵抗値が大きくなるため、ブリッジ回路の平衡がくずれ、センサ出力Vが生じる。このセンサ出力Vは水素ガスの濃度に比例するため、この接触燃焼式水素ガスセンサ100により空気中の水素ガスの濃度を測定することができる。 The sensing element 1 and the compensating element 2 are set to have the same resistance value. Therefore, when hydrogen gas is not present, the bridge circuit is in equilibrium and no sensor output V is generated. On the other hand, if hydrogen gas is present, the combustion causes the temperature of the sensing element 1 to rise and the resistance value to increase, so that the balance of the bridge circuit is lost and the sensor output V is generated. Since the sensor output V is proportional to the concentration of hydrogen gas, the concentration of hydrogen gas in air can be measured by the catalytic combustion type hydrogen gas sensor 100.
検知素子1は、図2に示すように、コイル状の貴金属線11と、当該貴金属線11を覆い、水素ガスと接触して燃焼させるガス感応部である略球状の担体部12とを有する。また、貴金属線11は、当該担体部12を加熱するための加熱手段になる。
貴金属線11の材質としては、例えば白金等を適用できる。担体部12は、触媒担体に貴金属触媒を担持して構成される。貴金属触媒としては、水素ガスに触媒活性を有する貴金属であればよく、例えば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、白金とパラジウム等が使用でき、特に限定されない。触媒担体は、貴金属触媒を担持するものであれば特に限定されず、例えば、アルミナ、シリカアルミナ等の金属酸化物の焼結体を適用することができる。
As shown in FIG. 2, the detection element 1 has a coil-shaped noble metal wire 11 and a substantially spherical carrier portion 12 which is a gas sensitive portion covering the noble metal wire 11 and being burned in contact with hydrogen gas. In addition, the noble metal wire 11 serves as a heating means for heating the carrier portion 12.
As a material of the noble metal wire 11, platinum etc. are applicable, for example. The carrier unit 12 is configured by supporting a noble metal catalyst on a catalyst carrier. The noble metal catalyst may be any noble metal having hydrogen gas catalytic activity, for example, platinum (Pt), palladium (Pd), platinum and palladium can be used without particular limitation. The catalyst carrier is not particularly limited as long as it supports a noble metal catalyst. For example, sintered bodies of metal oxides such as alumina and silica alumina can be applied.
このような検知素子1は、例えば、触媒担体を構成するアルミナ等の金属酸化物と、白金等の貴金属触媒と、エチレングリコール等の有機溶媒(バインダー)とを混合してペースト状にして、このペースト状にしたものを貴金属線11のコイル状の部分であるコイル部11aに、所定の球径になるように付着させた後、貴金属線11の自己加熱によって焼成して担体部12を焼結体として形成させることにより作製することができる。 Such a detection element 1 is formed, for example, by mixing a metal oxide such as alumina constituting a catalyst carrier, a noble metal catalyst such as platinum, and an organic solvent (binder) such as ethylene glycol to form a paste. The paste is attached to the coil portion 11a which is a coiled portion of the noble metal wire 11 so as to have a predetermined spherical diameter, and then the noble metal wire 11 is sintered by self-heating to sinter the carrier portion 12 It can be produced by forming as a body.
検知素子1は、水素ガス中に置かれたとき、通電により発熱することで自身が備える貴金属触媒が加熱されて水素ガスと反応し、その反応熱に応じて(水素ガスの濃度に応じて)出力値が変化する。 When the detection element 1 is placed in hydrogen gas, the noble metal catalyst provided in itself is heated by generating heat by energization to heat it and react with the hydrogen gas, depending on the heat of reaction (according to the concentration of the hydrogen gas) The output value changes.
補償素子2は、図3に示すように、基本的な構成は図2に示す検知素子1と同様であり、異なる構成は貴金属触媒を含まないことである。具体的には、補償素子2は、検知素子1と同一のコイル状の貴金属線11と、当該貴金属線11を覆うとともに、貴金属触媒を含まない検知素子1と同一の触媒担体で構成される略球状の担体部13とを有する。また、貴金属線11は、当該担体部13を加熱するための加熱手段になる。
貴金属線11の材質としては、例えば白金等を適用できる。触媒担体は、例えば、アルミナ、シリカアルミナ等の金属酸化物の焼結体を適用することができる。
As shown in FIG. 3, the compensation element 2 is basically the same as the sensing element 1 shown in FIG. 2 except that the different constitution does not include a precious metal catalyst. More specifically, the compensation element 2 is a substantially identical catalyst carrier as the sensing element 1 that does not include the precious metal catalyst, and covers the precious metal wire 11 in the same coil shape as the sensing element 1 and the precious metal wire 11. And a spherical carrier portion 13. The noble metal wire 11 also serves as a heating means for heating the carrier portion 13.
As a material of the noble metal wire 11, platinum etc. are applicable, for example. As the catalyst support, for example, a sintered body of a metal oxide such as alumina or silica alumina can be applied.
補償素子2は、検知素子1と同様に水素ガスが存在する空気中に置かれて通電されることで、検知素子1の温度補償を行うための素子であり、検知素子1が有する貴金属触媒による燃焼熱に応じた出力値の変化分のみ取り出すために用いられる。補償素子2の担体部13中には、貴金属触媒が担持されておらず、検知素子1のように貴金属触媒の触媒反応による水素ガスの燃焼は生じない。当該補償素子2は、通電されることにより発熱してその周囲を覆う担体部13を加熱するものであり、熱により自らの抵抗値が変化する。 The compensation element 2 is an element for performing temperature compensation of the detection element 1 by being placed in air containing hydrogen gas as in the case of the detection element 1, and is made of a noble metal catalyst of the detection element 1. It is used to take out only the change of the output value according to the heat of combustion. The noble metal catalyst is not supported in the carrier portion 13 of the compensation element 2, and combustion of hydrogen gas does not occur due to the catalytic reaction of the noble metal catalyst as in the detection element 1. The compensation element 2 generates heat when it is energized, and heats the carrier portion 13 covering the periphery thereof, and its resistance value changes due to the heat.
このような補償素子2は、例えば、触媒担体を構成するアルミナ等の金属酸化物と、エチレングリコール等の有機溶媒(バインダー)とを混合してペースト状にして、このペースト状にしたものを貴金属線11のコイル状の部分であるコイル部11aに、所定の球径になるように付着させた後、貴金属線11の自己加熱によって焼成して担体部13を焼結体として形成させることにより作製することができる。 Such a compensation element 2 is prepared, for example, by mixing a metal oxide such as alumina constituting a catalyst support and an organic solvent (binder) such as ethylene glycol to form a paste, and making this paste into a noble metal The coil portion 11a, which is a coiled portion of the wire 11, is attached so as to have a predetermined spherical diameter, and then sintered by self-heating of the noble metal wire 11 to form the carrier portion 13 as a sintered body can do.
ここで、起動時間とは、接触燃焼式水素ガスセンサ100の電源EをONした時から検知素子1が安定するまでの時間であり、貴金属線11のコイル部11aのジュール発熱が触媒担体であるアルミナ等に伝導・放熱し、温度が安定するまでの時間である。
また、応答時間とは、検知素子1上での水素燃焼時の発熱が貴金属線11のコイル部11aに伝達し、検知素子1の発熱と放熱が平衡に達するまでの時間である。
また、図4に示すように、検知素子1の素子径をDs、貴金属線11のコイル部11aのコイル径をDc、コイル部11aのコイル長をLc、貴金属線11の線径をDwとする。
Here, the start-up time is the time from when the power E of the catalytic combustion type hydrogen gas sensor 100 is turned on to when the detection element 1 stabilizes, and the Joule heat of the coil portion 11a of the noble metal wire 11 is the catalyst carrier It is the time until the temperature is stabilized by conducting and radiating heat to etc.
The response time is the time until heat generation during hydrogen combustion on the sensing element 1 is transmitted to the coil portion 11 a of the noble metal wire 11 and heat generation and heat dissipation of the sensing element 1 reach equilibrium.
Further, as shown in FIG. 4, the element diameter of the sensing element 1 is Ds, the coil diameter of the coil portion 11a of the noble metal wire 11 is Dc, the coil length of the coil portion 11a is Lc, and the wire diameter of the noble metal wire 11 is Dw. .
例えば、貴金属線11のコイル部11aの発熱量が同じであれば、素子サイズ(例えば、素子径Ds)が小さいほど検知素子1の担体部12全体に熱が伝導する時間が短くなる。すなわち、熱平衡にいたる時間が短く素子温度は速やかに安定する。 For example, if the calorific value of the coil portion 11a of the noble metal wire 11 is the same, the smaller the element size (for example, the element diameter Ds), the shorter the heat conduction time to the entire carrier portion 12 of the sensing element 1 becomes. That is, the time to reach thermal equilibrium is short, and the element temperature is quickly stabilized.
検知素子1の放熱率は触媒担体である担体部12の熱伝導率に依存する。例えば、担体部12をアルミナで構成する場合、熱伝導率はアルミナの気孔率とアルミナの粒子径で決まる。気孔率が低ければ、担体部12はアルミナが密な状態となり、担体部12は熱を伝えやすくなる。逆に、気孔率が高ければ、担体部12はアルミナが疎な状態となり、担体部12は熱を伝え難くなる。一方、気孔率が低いと水素ガスが素子内部にまで拡散し難く、主に素子表面で水素ガスの触媒燃焼が起こることになり、気孔率が高ければ素子内部にまで水素ガスが速やかに拡散し素子全体で水素を燃焼できる。 The heat release rate of the sensing element 1 depends on the thermal conductivity of the support 12 which is a catalyst support. For example, when the support 12 is made of alumina, the thermal conductivity is determined by the porosity of alumina and the particle size of alumina. If the porosity is low, the support portion 12 is in a dense alumina state, and the support portion 12 easily conducts heat. On the other hand, if the porosity is high, the carrier portion 12 will be in a sparse alumina state, and the carrier portion 12 will be difficult to conduct heat. On the other hand, when the porosity is low, hydrogen gas is difficult to diffuse to the inside of the element, and catalytic combustion of hydrogen gas mainly occurs on the element surface, and when the porosity is high, hydrogen gas diffuses to the inside of the element quickly. The entire element can burn hydrogen.
接触燃焼式水素ガスセンサ100の検知素子1は、素子全体で水素燃焼が起こる方が高感度となる。すなわち、所定の要求性能を満たすには、貴金属線11のコイル部11aの発熱量と素子サイズ、触媒の気孔率がバランスの取れた構成条件である必要がある。
詳細は後述するが、以上の知見から導かれる要求性能を満たす構成要件を表1に整理する。
The detection element 1 of the catalytic combustion type hydrogen gas sensor 100 has high sensitivity when hydrogen combustion occurs in the entire element. That is, in order to satisfy the predetermined required performance, the calorific value of the coil portion 11a of the noble metal wire 11, the element size, and the porosity of the catalyst need to be balanced.
Although the details will be described later, the constituent requirements satisfying the required performance derived from the above findings are summarized in Table 1.
以下において、表1中のそれぞれの項目について図を用いて詳細に説明する。 Each item in Table 1 will be described in detail below with reference to the drawings.
以上のように構成される接触燃焼式水素ガスセンサ100において、検知素子1の担体部12の球径である素子径Dsは、0.2〜0.6mmであること、すなわち0.2mm以上、0.6mm以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは0.3mm以上、0.6mm以下の範囲内であることである。すなわち、素子径Dsが0.2mm以上であることで検知素子1の耐久性の一例である後述するシリコーン被毒耐性を維持できる。また、素子径Dsを0.6mm以下とすることで、十分なシリコーン被毒耐性を保持することができるとともに、小型の接触燃焼式水素ガスセンサを構成してセンサ出力を抑えて、消費電力をより抑えることができる。 In the contact combustion type hydrogen gas sensor 100 configured as described above, the element diameter Ds which is the ball diameter of the carrier portion 12 of the detection element 1 is 0.2 to 0.6 mm, that is, 0.2 mm or more, 0 The thickness is preferably in the range of not more than 6 mm, and more preferably in the range of not less than 0.3 mm and not more than 0.6 mm. That is, when the element diameter Ds is 0.2 mm or more, it is possible to maintain silicone poisoning resistance described later which is an example of the durability of the detection element 1. Further, by setting the element diameter Ds to 0.6 mm or less, sufficient silicone poisoning resistance can be maintained, and a small contact combustion type hydrogen gas sensor is configured to suppress the sensor output to further reduce power consumption. It can be suppressed.
また、素子径Dsとコイル部11aのコイル径Dcの比である素子径Ds/コイル径Dcは、1.4〜2.0であること、すなわち1.4以上、2.0以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは1.5以上、1.9以下の範囲内であることである。詳細については後述する実施例で説明する。 The element diameter Ds / coil diameter Dc, which is the ratio of the element diameter Ds to the coil diameter Dc of the coil portion 11a, is 1.4 to 2.0, that is, in the range of 1.4 to 2.0. Is preferably, and more preferably in the range of 1.5 or more and 1.9 or less. The details will be described in the examples described later.
また、コイル部11aのコイル径Dcとコイル長Lcの比であるコイル径Dc/コイル長Lcは、0.8〜1.1であること、すなわち0.8以上、1.1以下の範囲内であることが好ましい。 The coil diameter Dc / coil length Lc, which is the ratio of the coil diameter Dc of the coil portion 11a to the coil length Lc, is 0.8 to 1.1, that is, in the range of 0.8 to 1.1. Is preferred.
また、コイル部11aのコイル径Dcと貴金属線11の線径Dwの比であるコイル径Dc/Dwは、12〜30であること、すなわち、12以上、30以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは13以上、29以下の範囲内であることである。 The coil diameter Dc / Dw, which is the ratio of the coil diameter Dc of the coil portion 11a to the wire diameter Dw of the noble metal wire 11, is preferably 12 to 30, that is, 12 or more and 30 or less. And more preferably in the range of 13 or more and 29 or less.
また、担体部12における触媒の担持量は、10〜30w%であること、すなわち、10wt%以上、30wt%以下であることが好ましい。このような触媒の担持量の範囲内にすることで、担体部12における発熱と放熱の熱バランスを保持することができる。 The amount of the catalyst supported on the carrier portion 12 is preferably 10 to 30 w%, that is, 10 to 30 wt%. By setting the amount of the catalyst carried within such a range, it is possible to maintain a heat balance between heat generation and heat release in the carrier portion 12.
また、コイル部11aの巻き数は、コイル径Dcや線径Dwに応じて適宜設定すればよく、例えば、表1に示す構成要件においては、巻き数が5回〜20回であることが好ましい。巻き数が5回未満であると検知素子の機械的強度が不足する。一方、巻き数が20回より大きくなるとコイル部11aにおいて隣合う貴金属線11の隙間が狭くなり、過度の温度上昇が生じるおそれがある。 Further, the number of turns of the coil portion 11a may be appropriately set according to the coil diameter Dc and the wire diameter Dw. For example, in the configuration requirements shown in Table 1, the number of turns is preferably 5 to 20. . If the number of turns is less than 5, the mechanical strength of the detection element is insufficient. On the other hand, when the number of turns is greater than 20, the gap between the adjacent noble metal wires 11 in the coil portion 11a is narrowed, which may cause an excessive temperature rise.
なお、検知素子1及び補償素子2を備えた接触燃焼式水素ガスセンサ100のその他の構成、機能については、従来公知の接触燃焼式水素ガスセンサと同様である。 The other configurations and functions of the catalytic combustion type hydrogen gas sensor 100 including the detection element 1 and the compensation element 2 are the same as those of the conventionally known catalytic combustion type hydrogen gas sensor.
以下に、検知素子1、補償素子2を用いた接触燃焼式水素ガスセンサ100の実施例を示し、本発明をより詳細に説明する。但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Below, the Example of the contact combustion type hydrogen gas sensor 100 using the sensing element 1 and the compensation element 2 is shown, and this invention is demonstrated in more detail. However, the present invention is not limited to these examples.
表1に示す検知素子の構成要件を満たす実施例として、図5に示すように、検知素子1A、1B、1Cを作製した。具体的には、上述した検知素子の作製方法により、貴金属線11としてコイル状に加工したコイル部11aを有する白金線(線径Dw=0.02mm)に、触媒担体であるアルミナに対して白金または白金・パラジウムを所定濃度(本実施形態では、触媒担持量10〜30wt%)担持した担体部12を、略球状になるように形成し、1300℃で10時間焼成して素子径Dsが0.5mm程度かつ平均粒子径が300〜800nmとなるように検知素子1A、1B、1Cを作製した。検知素子1A、1B、1Cのそれぞれの主な作製条件は以下のとおりである。
(作製条件)
検知素子1A:Ds/Lc=2.0、Ds/Dc=2.0(素子径Ds=0.5mm、コイル径Dc=0.25mm、コイル長Lc=0.25mm)
検知素子1B:Ds/Lc=1.6、Ds/Dc=1.6(素子径Ds=0.5mm、コイル径Dc=0.31mm、コイル長Lc=0.31mm)
検知素子1C:Ds/Lc=1.4、Ds/Dc=1.4(素子径Ds=0.5mm、コイル径Dc=0.36mm、コイル長Lc=0.36mm)
As an example satisfying the constituent requirements of the sensing element shown in Table 1, sensing elements 1A, 1B and 1C were produced as shown in FIG. Specifically, a platinum wire (wire diameter Dw = 0.02 mm) having a coil portion 11a processed into a coil shape as the noble metal wire 11 by the above-described method of manufacturing a detection element, platinum relative to alumina which is a catalyst carrier Alternatively, the carrier portion 12 carrying platinum and palladium at a predetermined concentration (10 to 30 wt% in the present embodiment) is formed to be substantially spherical, and fired at 1300 ° C. for 10 hours for an element diameter Ds of 0. The sensing elements 1A, 1B, and 1C were manufactured so as to have an average particle size of about 5 mm and an average particle diameter of 300 to 800 nm. The main preparation conditions of each of the detection elements 1A, 1B, and 1C are as follows.
(Preparation conditions)
Detection element 1A: Ds / Lc = 2.0, Ds / Dc = 2.0 (element diameter Ds = 0.5 mm, coil diameter Dc = 0.25 mm, coil length Lc = 0.25 mm)
Detection element 1B: Ds / Lc = 1.6, Ds / Dc = 1.6 (element diameter Ds = 0.5 mm, coil diameter Dc = 0.31 mm, coil length Lc = 0.31 mm)
Detection element 1C: Ds / Lc = 1.4, Ds / Dc = 1.4 (element diameter Ds = 0.5 mm, coil diameter Dc = 0.36 mm, coil length Lc = 0.36 mm)
また、上述した補償素子の作製方法により、貴金属線11としてコイル状に加工したコイル部11aを有する白金線に、アルミナを用いて作製した担体部13を、略球状に設けた補償素子2を作製した。なお、補償素子2は、対応する検知素子の各部と同じ大きさ(寸法)で形成される。
このように作製した検知素子1と補償素子2とを、図1に示すブリッジ回路に組み込んで接触燃焼式水素ガスセンサ100を作製した。
In addition, according to the method of manufacturing a compensation element described above, a platinum element having a coil portion 11a processed into a coil shape as the noble metal wire 11 is provided with a substantially spherically shaped carrier element 13 manufactured using alumina. did. The compensation element 2 is formed to have the same size (dimension) as each part of the corresponding detection element.
The sensing element 1 and the compensating element 2 produced in this manner were incorporated into the bridge circuit shown in FIG. 1 to produce a contact combustion type hydrogen gas sensor 100.
図5に示すように、Ds/Dc、及びDs/Lcが2.0より徐々に小さくなる場合(図5(a)(b)において右側に向かっていく場合)、貴金属線11のコイル部11aの曲率が大きくなり貴金属線11内部の応力が高くなるのでコイル部11aの電気抵抗値が徐々に不安定になりやすい。一方、Ds/Dc、及びDs/Lcが2.0より大きい場合、発熱部である貴金属線11のコイル部11aが担体部12(素子球)の中心に集中するので、素子内の中心部が高温になるとともに外側に向かうに従って低温となる温度分布ができる。担体部12の表面での水素ガス燃焼による発熱がコイル部11aの径方向外側にある嵩高いアルミナによる熱伝導ロスによって効率よくコイル部11aに熱を伝達できない。
また、図6に示すように、比較例としてDs/Dc、及びDs/Lcが1.4より小さい検知素子20(Ds/Dc=1.2、及びDs/Lc=1.2)では、図6(a)に示すようにコイル部11aの長さ方向の両端部11bが担体部12からはみ出して外部に突出してしまう。それに対して、図5(a)に示す検知素子1Cのように、Ds/Dcが1.4以上であることで貴金属線11のコイル部11aを外部にはみ出すことなく担体部12の内部に収めることできる。また、上記比較例の作製条件ではシロキサン曝露による担体部12の表面の活性低下の影響が、水素ガスの感度の低下として現れやすくなる。よって、Ds/Dcは、1.4〜2.0であることが好ましいのである。
As shown in FIG. 5, when Ds / Dc and Ds / Lc gradually become smaller than 2.0 (when going to the right in FIGS. 5A and 5B), the coil portion 11a of the noble metal wire 11 Since the curvature of the surface becomes large and the stress in the noble metal wire 11 becomes high, the electric resistance value of the coil portion 11a tends to be gradually unstable. On the other hand, when Ds / Dc and Ds / Lc are larger than 2.0, the coil portion 11a of the noble metal wire 11 which is a heat generating portion is concentrated at the center of the carrier portion 12 (element sphere). There is a temperature distribution in which the temperature is high and the temperature is low toward the outside. Heat generated by hydrogen gas combustion on the surface of the carrier portion 12 can not be efficiently transferred to the coil portion 11a due to the heat conduction loss due to the bulky alumina outside the coil portion 11a in the radial direction.
Further, as shown in FIG. 6, in the case of the sensing element 20 (Ds / Dc = 1.2, and Ds / Lc = 1.2) in which Ds / Dc and Ds / Lc are smaller than 1.4 as a comparative example, As shown in 6 (a), both end portions 11b in the longitudinal direction of the coil portion 11a protrude from the carrier portion 12 and protrude to the outside. On the other hand, as shown in FIG. 5A, as Ds / Dc is 1.4 or more, the coil portion 11a of the noble metal wire 11 is accommodated in the inside of the carrier portion 12 without sticking out, as in the sensing element 1C. It can be done. Further, under the preparation conditions of the above-mentioned comparative example, the influence of the decrease in the activity of the surface of the carrier portion 12 due to the siloxane exposure tends to appear as a decrease in the sensitivity of the hydrogen gas. Therefore, Ds / Dc is preferably 1.4 to 2.0.
次に、実施例1と同様にして所定の作製条件で作製した接触燃焼式水素ガスセンサを用いて、水素ガスの濃度(ppm)に対する検知素子の起動時間及び応答時間を調べた(図7から図12参照)。
(図7、図8に係る検知素子の作製条件)
Ds=0.25mm、Dw=0.01mmは共通で、Ds/Dcが以下の各条件である。
条件1)Ds/Dc=1.4
条件2)Ds/Dc=2.0
条件3)Ds/Dc=2.5
(図9、図10に係る検知素子の作製条件)
Ds=0.5mm、Dw=0.02mmは共通で、Ds/Dcが以下の各条件である。
条件1)Ds/Dc=1.4
条件2)Ds/Dc=2.0
条件3)Ds/Dc=2.5
(図11、図12に係る検知素子の作製条件)
Ds=0.75mm、Dw=0.03mmは共通で、Ds/Dcが以下の各条件である。
条件1)Ds/Dc=1.4
条件2)Ds/Dc=2.0
条件3)Ds/Dc=2.5
Next, using the catalytic combustion type hydrogen gas sensor manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 1, the start-up time and response time of the detection element with respect to the concentration (ppm) of hydrogen gas were examined (FIG. 7 to FIG. 12).
(Conditions of producing sensing element according to FIGS. 7 and 8)
Ds = 0.25 mm, Dw = 0.01 mm are common, and Ds / Dc is the following conditions.
Condition 1) Ds / Dc = 1.4
Condition 2) Ds / Dc = 2.0
Condition 3) Ds / Dc = 2.5
(Fabrication conditions of sensing element according to FIGS. 9 and 10)
Ds = 0.5 mm and Dw = 0.02 mm are common, and Ds / Dc is the following conditions.
Condition 1) Ds / Dc = 1.4
Condition 2) Ds / Dc = 2.0
Condition 3) Ds / Dc = 2.5
(Conditions of producing sensing element according to FIGS. 11 and 12)
Ds = 0.75 mm and Dw = 0.03 mm are common, and Ds / Dc is the following conditions.
Condition 1) Ds / Dc = 1.4
Condition 2) Ds / Dc = 2.0
Condition 3) Ds / Dc = 2.5
図7、図9、図11は、上記各Ds/Dcの条件で作製された検知素子の起動時間を比較したグラフである。図7、図9、図11の各グラフは、縦軸が接触燃焼型ガスセンサのセンサ出力・水素濃度換算値(ppm)であり、横軸が起動時間(秒)である。 FIG. 7, FIG. 9, and FIG. 11 are graphs comparing the activation time of the sensing element fabricated under the conditions of each of the above Ds / Dc. In each graph of FIG. 7, FIG. 9 and FIG. 11, the vertical axis is the sensor output / hydrogen concentration converted value (ppm) of the contact combustion type gas sensor, and the horizontal axis is the activation time (seconds).
図8、図10、図12は、上記各Ds/Dcの条件で作製された検知素子の応答時間を比較したグラフである。図8、図10、図12の各グラフは、縦軸が接触燃焼型ガスセンサのセンサ出力・水素濃度換算値(ppm)であり、横軸が応答時間(秒)である。
ここで、起動時間の目標達成値を2秒以内、応答時間の目標達成値を3秒以内とする。これらの目標達成値を満足することで、FCVで搭載される接触燃焼式水素ガスセンサとしての要求性能を満足することができる。
なお、上記「起動時間の目標達成値が2秒以内」とは、図7、図9、図11において、センサ出力・水素濃度換算値(ppm)が2秒以内に1000ppm以下になることである。また、上記「応答時間の目標達成値を3秒以内」とは、図8、図10、図12において、センサ出力・水素濃度換算値(ppm)が3秒以内に、18000ppm以上になることである。
FIG. 8, FIG. 10, and FIG. 12 are graphs comparing the response times of the sensing elements fabricated under the conditions of each of the above Ds / Dc. In each graph of FIG. 8, FIG. 10, and FIG. 12, the vertical axis is the sensor output / hydrogen concentration converted value (ppm) of the contact combustion type gas sensor, and the horizontal axis is the response time (seconds).
Here, the target achievement value of the startup time is within 2 seconds, and the target achievement value of the response time is within 3 seconds. By satisfying these target achievement values, the required performance as a catalytic combustion type hydrogen gas sensor mounted on FCV can be satisfied.
Note that "the target achieved value of the startup time is within 2 seconds" means that the sensor output and hydrogen concentration converted value (ppm) becomes 1000 ppm or less within 2 seconds in FIGS. 7, 9, and 11. . In addition, “the target achieved value of response time is within 3 seconds” means that the sensor output and hydrogen concentration conversion value (ppm) becomes 18000 ppm or more within 3 seconds in FIGS. 8, 10, and 12 is there.
図7〜図12に示すように、Ds/Dc=1.4、2.0は起動時間及び応答時間の要求性能を満足しているがDs/Dc=2.5は満足していない。すなわち、Ds/Dcが1.4〜2.0の範囲内にあれば、起動時間及び応答時間の要求性能を何れも満たすことができる。 As shown in FIGS. 7 to 12, Ds / Dc = 1.4 and 2.0 satisfy the required performance of the startup time and response time, but Ds / Dc = 2.5 does not. That is, when Ds / Dc is in the range of 1.4 to 2.0, both the required performance of the startup time and the response time can be satisfied.
[シリコーン被毒耐性について]
シリコーン被毒耐性については、接触燃焼式水素ガスセンサの車両搭載時の実環境の最悪条件を想定した以下の環境下で接触燃焼式水素ガスセンサを100時間動作させてもセンサの感度の変化率が規定値以内であることが要求される。
環境条件(濃度):環状シロキサン1000ppm+水素2000ppm
感度変化率:±15%以内
[On silicone poisoning resistance]
Regarding silicone poisoning resistance, the rate of change of sensor sensitivity is specified even if the catalytic combustion type hydrogen gas sensor is operated for 100 hours under the following environment assuming the worst condition of the actual environment when the catalytic combustion type hydrogen gas sensor is mounted on a vehicle It is required to be within the value.
Environmental conditions (concentration): cyclic siloxane 1000 ppm + hydrogen 2000 ppm
Sensitivity change rate: within ± 15%
環状シロキサンは貴金属触媒上に吸着・開環し、いくつかの素反応を経て最終的にSiO2まで酸化される。これまでのTOF−SIMS等を用いた触媒表面状態の観察結果から以下のような知見を得ている。
1)水素とシロキサンが共存するとき、水素が貴金属触媒上に解離吸着している酸素を消費するので、触媒上の酸素吸着サイトに空きができ、そこにシロキサンが直接吸着しやすくなる。
2)シロキサンはSiO2までの酸化に時間を要するので、吸着量が増加すると未分解生成物が蓄積し、一時的に貴金属の活性が低下する(水素ガスの燃焼が阻害される)。
3)シロキサンがSiO2にまで酸化されると凝集反応でSiO2の結晶が成長し、それまでシロキサンの未分解生成物で被覆されていた触媒上の活性サイトが大気に接するようになり、活性が回復する。すなわち、シロキサンの酸化反応を促進するには素子温度が高い方が有利となる。
4)シロキサンは分子サイズが大きいので、素子内部への拡散は制限され、未分解生成物は素子表面により析出しやすい。素子サイズが極端に小さい場合、素子全体の体積に対する表面の比率が高くなるので、素子表面の活性の劣化が水素ガスの感度に現れやすい。
The cyclic siloxane is adsorbed and ring-opened on a noble metal catalyst, and is finally oxidized to SiO 2 through several elementary reactions. The following findings have been obtained from the observation results of the catalyst surface state using TOF-SIMS etc. up to now.
1) When hydrogen and siloxane coexist, hydrogen consumes the dissociatively adsorbed oxygen on the noble metal catalyst, so that an oxygen adsorption site on the catalyst is vacated, and the siloxane is easily adsorbed there.
2) Since siloxane takes time to oxidize to SiO 2 , as the adsorption amount increases, undecomposed products accumulate and the activity of the noble metal temporarily decreases (the combustion of hydrogen gas is inhibited).
3) siloxane crystals SiO 2 in the aggregation reaction is oxidized grown to SiO 2, the active sites on the catalyst which had been coated with undecomposed product of the siloxane is in contact with the atmosphere before, the active Will recover. That is, in order to accelerate the oxidation reaction of siloxane, it is advantageous that the device temperature is high.
4) Since siloxane has a large molecular size, diffusion into the inside of the device is limited, and undecomposed products are more likely to be deposited on the device surface. When the element size is extremely small, the ratio of the surface to the volume of the entire element is high, and thus the deterioration of the activity on the element surface tends to appear in the sensitivity of hydrogen gas.
[シリコーン被毒耐性試験]
次に、同一の作製条件(Ds=0.5mm、Dw=0.02mm、Ds/Dc=2.0)で作製した3つの接触燃焼式水素ガスセンサを用いて、各温度(Ts=250、280、310℃)でセンサを動作させた状態で水素ガス共存下における環状シロキサン(1000ppm)を暴露した際のシリコーン被毒耐性を比較した(図13参照)。図13に示すグラフは、縦軸が接触燃焼型水素ガスセンサのセンサ出力・水素濃度換算値(ppm)であり、横軸が環状シロキサンの暴露時間(時間:hr)である。図13で示すシリコーン被毒耐性試験の結果は、シロキサン1000ppm+水素2000ppmの混合ガス中に接触燃焼式水素ガスセンサを100時間曝露して、その直前と途中および100時間後の水素20000ppmの感度の変化率を評価したものである。
ここで、シリコーン被毒耐性の要求性能としては、上述したようにシリコーン被毒耐性において100時間時におけるセンサの感度変化率が15%以内とする。この目標達成値を満足することで、FCVで搭載される接触燃焼式水素ガスセンサの要求性能を満足することができる。
[Silicone Poisoning Resistance Test]
Next, using three catalytic combustion type hydrogen gas sensors manufactured under the same manufacturing conditions (Ds = 0.5 mm, Dw = 0.02 mm, Ds / Dc = 2.0), each temperature (Ts = 250, 280) The silicone poisoning resistances when exposed to cyclic siloxane (1000 ppm) in the presence of hydrogen gas in a state where the sensor was operated at 310 ° C. were compared (see FIG. 13). In the graph shown in FIG. 13, the vertical axis represents the sensor output / hydrogen concentration conversion value (ppm) of the catalytic combustion type hydrogen gas sensor, and the horizontal axis represents the exposure time of the cyclic siloxane (time: hr). The results of the silicone poisoning resistance test shown in FIG. 13 show that the rate of change in sensitivity of 20000 ppm of hydrogen immediately before, during, and after 100 hours of exposure to a catalytic combustion type hydrogen gas sensor in a mixed gas of 1000 ppm of siloxane and 2000 ppm of hydrogen for 100 hours. Was evaluated.
Here, as the required performance of the silicone poisoning resistance, as described above, in the silicone poisoning resistance, the sensitivity change rate of the sensor at 100 hours is within 15%. By satisfying this target achievement value, the required performance of the catalytic combustion type hydrogen gas sensor mounted on FCV can be satisfied.
図13に示す結果によると、例えば20000ppm程度の水素ガス濃度中で測定を行っている場合、動作温度が250℃の接触燃焼式水素ガスセンサは、65時間程度で検出される水素ガス濃度が低下して、感度変化率が−15%(図中に点線で示す17000ppm)を超えてしまう。これは、環状シロキサンの暴露のために接触燃焼式水素ガスセンサの水素ガスに対する活性が悪化したことによるものと考えられる。一方、動作温度が280℃及び310℃の接触燃焼式水素ガスセンサは、暴露時間が100時間においても感度変化率が15%以内を保っており、シリコーン被毒耐性の要求性能を満足することができる。これにより、当該作製条件による接触燃焼式水素ガスセンサにおいては、シリコーン被毒耐性を満たすためにセンサ動作時の素子温度は280℃以上であることが好ましいのである。一方、センサ動作時の素子温度は350℃以下であることが好ましい。なぜなら、センサの動作温度が高いと触媒粒子のシンタリング(凝集)による活性点の減少や白金(Pt)線のコイル部への熱負荷によって抵抗値が時間経過と共に増加し易くなるなどの別の弊害を生じやすくなるからである。よって、センサ動作時の素子温度は280〜350℃に設定されること、すなわち280℃以上、350℃以下の範囲内で設定されることが好ましい。 According to the results shown in FIG. 13, when measurement is performed in a hydrogen gas concentration of, for example, about 20000 ppm, the catalytic combustion type hydrogen gas sensor whose operating temperature is 250 ° C. decreases the detected hydrogen gas concentration in about 65 hours Therefore, the rate of change in sensitivity exceeds -15% (17000 ppm indicated by a dotted line in the figure). This is considered to be due to the deterioration of the activity of the catalytic combustion type hydrogen gas sensor for hydrogen gas due to the exposure of the cyclic siloxane. On the other hand, catalytic combustion type hydrogen gas sensors with operating temperatures of 280 ° C and 310 ° C keep the sensitivity change rate within 15% even at 100 hours exposure time, and can meet the required performance of silicone poisoning resistance . Thus, in the catalytic combustion type hydrogen gas sensor based on the preparation conditions, it is preferable that the element temperature at the time of sensor operation be 280 ° C. or higher in order to satisfy the silicone poisoning resistance. On the other hand, the element temperature during sensor operation is preferably 350 ° C. or less. This is because, if the operating temperature of the sensor is high, the resistance value tends to increase with time due to a decrease in active points due to sintering (aggregation) of catalyst particles and heat load on the coil portion of platinum (Pt) wire. It is because it becomes easy to produce a bad effect. Therefore, it is preferable that the element temperature at the time of sensor operation is set to 280 to 350 ° C., that is, set in the range of 280 ° C. or more and 350 ° C. or less.
[触媒担体の比表面積と水素ガス感度との関係評価試験]
図14は、触媒担体の一例であるアルミナの比表面積、水素ガス感度との関係を評価した結果である。図14のグラフは、左側の縦軸が接触燃焼型ガスセンサの水素20000ppmに対するセンサ出力(mV)、右側の縦軸がアルミナの平均粒子径(nm)であり、横軸がアルミナ比表面積(m2/g)である。アルミナの平均粒子径は焼成条件で制御でき、焼成温度が高いほど粒子径が大きく、比表面積は小さくなる。一般的には、触媒担体(アルミナ)の比表面積が高いほど高活性な触媒を得ることができるが、接触燃焼式水素ガスセンサでは、触媒活性に加えて素子球全体での水素の燃焼効率が感度に影響する。たとえば比表面積が108m2/gのアルミナ(焼成温度−焼成時間:1100℃−10hで焼成、図15(a)参照)を用いた検知素子は、緻密な焼結体が形成されるので、水素ガスは素子内部にまで拡散せずに主に素子表面で水素ガスの接触燃焼が起こり白金線等の貴金属線11のコイル部11aへの熱伝導ロスの分、感度(センサ出力)は低くなる。一方、比表面積が1.2m2/gのアルミナ(焼成温度−焼成時間:1500℃−10hで焼成、図15(d)参照)を用いた検知素子では、気孔率の高い(粒子間の隙間が大きい)焼結体が形成され、水素ガスは素子内部にまで容易に拡散するものの、触媒としての活性は低いために、感度は低くなる。よって、担体部12においては、アルミナの平均粒子径が300〜800nm(比表面積:4.2〜6.3m2/g)のアルミナを適用することで、高活性でかつ水素ガスの素子内部への拡散性が優位なポーラス構造を有した焼結体を形成することができる。
[Evaluation test of specific surface area of catalyst support and hydrogen gas sensitivity]
FIG. 14 shows the results of evaluation of the relationship between the specific surface area of alumina, which is an example of the catalyst support, and the hydrogen gas sensitivity. In the graph of FIG. 14, the vertical axis on the left is the sensor output (mV) for hydrogen of 20000 ppm in the catalytic combustion type gas sensor, the vertical axis on the right is the average particle size (nm) of alumina, and the horizontal axis is the alumina specific surface area (m 2) / G). The average particle size of alumina can be controlled by the firing conditions, and the higher the firing temperature, the larger the particle size and the smaller the specific surface area. Generally, the higher the specific surface area of the catalyst support (alumina), the higher the activity of the catalyst can be obtained. However, in the catalytic combustion type hydrogen gas sensor, in addition to the catalytic activity, the combustion efficiency of hydrogen in the entire element sphere is sensitive Affect For example, a sensing element using alumina having a specific surface area of 108 m 2 / g (firing temperature-baking time: 1100 ° C.-10 h, see FIG. 15A) forms a dense sintered body, so hydrogen Gas does not diffuse to the inside of the element, and contact combustion of hydrogen gas mainly occurs on the element surface, and the sensitivity (sensor output) is lowered by the heat conduction loss to the coil portion 11a of the noble metal wire 11 such as platinum wire. On the other hand, in the sensing element using alumina having a specific surface area of 1.2 m 2 / g (firing temperature-baking time: 1500 ° C.-10 h, see FIG. 15D), the porosity is high (gap between particles) Although the sintered body is formed and hydrogen gas diffuses easily to the inside of the device, the sensitivity is low because the activity as a catalyst is low. Therefore, by applying alumina having an average particle diameter of 300 to 800 nm (specific surface area: 4.2 to 6.3 m 2 / g) in the carrier portion 12, the element having high activity and hydrogen gas can be obtained. It is possible to form a sintered body having a porous structure in which the diffusivity of the above is superior.
以上のように、本実施形態に係る接触燃焼式水素ガスセンサ100によれば、所望の起動時間、応答時間及びシリコーン被毒耐性を有する接触燃焼式水素ガスセンサを実現することができる。 As described above, according to the catalytic combustion type hydrogen gas sensor 100 according to the present embodiment, a catalytic combustion type hydrogen gas sensor having desired start-up time, response time and silicone poisoning resistance can be realized.
また、本実施形態に係る接触燃焼式水素ガスセンサ100は、例えば、FCV等の燃料電池を搭載した車両(乗用車、トラック、作業車両等)に搭載可能であり、燃料電池から漏れる水素ガスを検知することができる。 In addition, the catalytic combustion type hydrogen gas sensor 100 according to the present embodiment can be mounted, for example, on a vehicle (car, truck, work vehicle, etc.) equipped with a fuel cell such as FCV, and detects hydrogen gas leaking from the fuel cell. be able to.
本発明は、水素ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する検知素子を備えた接触燃焼式水素ガスセンサに利用できる。 The present invention can be used for a catalytic combustion type hydrogen gas sensor provided with a detection element whose resistance value changes according to the heat of combustion of hydrogen gas.
1 検知素子
2 補償素子
11 貴金属線
11a コイル部
12 担体部
100 接触燃焼式水素ガスセンサ
Ds 素子径
Dc コイル径
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 detection element 2 compensation element 11 noble metal wire 11a coil part 12 carrier part 100 contact combustion type hydrogen gas sensor Ds element diameter Dc coil diameter
Claims (7)
コイル状で所定のコイル径、コイル長及び線径の貴金属線と前記貴金属線を覆う略球状で所定の球径の担体部とを有する検知素子を備え、
前記担体部は、触媒担体に貴金属触媒を担持して構成され、
前記担体部の所定の球径が0.2〜0.6mmであり、
前記担体部の所定の球径/前記貴金属線のコイル径が1.4〜2.0である接触燃焼式水素ガスセンサ。 In a catalytic combustion type hydrogen gas sensor for detecting hydrogen gas,
A detection element having a coil shape and a noble metal wire of a predetermined coil diameter, coil length and wire diameter, and a substantially spherical carrier portion of a predetermined spherical diameter covering the noble metal wire;
The carrier portion is configured by supporting a noble metal catalyst on a catalyst carrier,
The predetermined sphere diameter of the carrier portion is 0.2 to 0.6 mm,
The contact combustion type hydrogen gas sensor whose predetermined ball diameter of the said support | carrier part / coil diameter of the said noble metal wire is 1.4-2.0.
請求項1〜6の何れか一項に記載の接触燃焼式水素ガスセンサを備える車両。 A vehicle equipped with a fuel cell,
A vehicle comprising the catalytic combustion type hydrogen gas sensor according to any one of claims 1 to 6.
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