JP4251970B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃料電池の燃料ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガスセンサ等のガスセンサに関する。

近年、地球規模の環境悪化が問題視されるなかで、高効率でクリーンな動力源として、燃料電池の研究が盛んに行われている。その中で、低温作動、高出力密度等の利点により、自動車用や家庭用として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が期待されている。

この燃料電池の場合、燃料ガスとして、天然ガス、メタノール等を改質して得られる改質ガスの使用が有望であり、より効率等を向上させる為に、改質ガス中の水素ガスを直接検知できるセンサが必要になってくる。

このようなセンサとして、図１７に示す様に、高分子電解質からなるプロトン伝導層１０１０を用いるとともに、プロトン伝導層１０１０の表面に、第１電極１０２０及び第２電極１０３０を設置し、それらを一対の板状の支持体１０５０、１０６０で挟んで支持する構造のセンサが提案されている（特許文献１参照）。

この種のセンサでは、一対の支持体１０５０、１０６０の基端部を、センサの筐体１０７０に固定する構造を有している。
特開２００１−２１５２１４号公報 （第３頁、第１図）

そして、上述したセンサを配管１０８０に固定する場合には、センサの筐体１０７０を配管１０８０に固定し、配管１０８０の軸方向（図９の上下方向）と垂直に板状の支持体１０５０、１０６０を配置する方法が考えられる。

しかしながら、その場合には、板状の支持体１０５０、１０６０が片持ち梁状になってしまい、その基端部における耐振動性や耐衝撃性が十分でない可能性がある。
従って、センサを高い耐振動性や耐衝撃性を備える構成にする必要がある。これに加えて、上述したような水素ガスを検知するセンサにおいては、センサ内部に導入された水素ガスを配管以外に漏出しない構成にする必要がある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、例えば配管等にガスセンサを固定した場合に、十分な強度を有し、配管等以外にガスが漏出することを防止できるガスセンサを提供することを目的とする。

（１）請求項１の発明は、プロトンを伝導するプロトン伝導層と、被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部と、前記拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気に連通する測定室と、前記測定室内にて前記プロトン伝導層の一方の表面に接する第１電極と、前記測定室外にて前記プロトン伝導層の他方の表面に接する第２電極と、を有し、前記被測定ガスが流れる配管に取り付けられて、前記被測定ガス雰囲気側から前記拡散律速部を介して前記測定室に導入された被測定ガス中の測定対象ガスを、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、解離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプロトンを、前記プロトン伝導層を介して前記第１電極から前記第２電極へ汲み出すことにより生じる電流（例えば限界電流）に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を求めるガスセンサに関する発明である。

本発明では、前記第２電極は、前記配管外とは連通していない構成であって、前記第１電極、第２電極、及びプロトン伝導層からなる検出素子を筒状の支持体（例えば第１支持体）内に収容し、且つ、前記第１電極側を前記支持体の先端側に向けるとともに前記第２電極側を前記支持体の基端側に向けて配置する構成を有する。

本発明では、筒状の支持体内に、検出素子を、第１電極側を先端側に且つ第２電極側を（先端側とは反対側の）基端側にして収容する構成であるので、つまり、例えば板状の検出素子を筒状の支持体の軸方向と略垂直に収容することができるので、従来の片持ち式のガスセンサに比べて、高い耐振動性や耐衝撃性等のような十分な強度を有している。

また、本発明では、筒状の支持体内に、検出素子等の各部品を順次コンパクトに収容でき、その組み付けも容易である。
特に、本発明では、前記被測定ガス雰囲気側から前記第１電極側に前記被測定ガスを導入するとともに、前記第２電極側に汲み出された排出ガスを前記被測定ガス雰囲気側に戻す構成を有する。

本発明では、被測定ガス雰囲気側から第１電極側に被測定ガスを導入する構成とすることで、効率良く被測定ガスを導入できるとともに、ガスセンサの先端側の構造を簡易化できる。また、第２電極側に汲み出された排出ガスを被測定ガス雰囲気側に戻す構成とすることで、支持体の基端側から配管以外に排出ガスが漏れることを効果的に防止できる。

（２）請求項２の発明は、前記支持体の先端側から前記被測定ガスを導入する構成を有することを特徴とする。
本発明は、ガスセンサの構成を例示したものであり、これにより、被測定ガスの導入経路を簡易化できる。

（３）請求項３の発明は、前記支持体に、前記拡散律速部を設けたことを特徴とする。
本発明は、ガスセンサの構成を例示したものであり、これにより、ガスセンサの構造を簡易化できる。

（４）請求項４の発明は、前記支持体の先端側に、前記排出ガスを戻す構成を有することを特徴とする。
本発明は、ガスセンサにおいてガスの流路を例示したものである。これにより、例えば支持体の先端側にフィルタを設けるという簡易な構成で、水滴等がセンサ内部に侵入することを防止できる。

（５）請求項５の発明は、プロトンを伝導するプロトン伝導層と、被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部と、前記拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気に連通する測定室と、前記測定室内にて前記プロトン伝導層の一方の表面に接する第１電極と、前記測定室外にて前記プロトン伝導層の他方の表面に接する第２電極と、を有し、前記被測定ガスが流れる配管に取り付けられて、前記被測定ガス雰囲気側から前記拡散律速部を介して前記測定室に導入された被測定ガス中の測定対象ガスを、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、解離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプロトンを、前記プロトン伝導層を介して前記第１電極から前記第２電極へ汲み出すことにより生じる電流（例えば限界電流）に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を求めるガスセンサに関するものである。

本発明では、前記第２電極は、前記配管外とは連通していない構成であって、前記第１電極、第２電極、及びプロトン伝導層からなる検出素子に対して、その第１電極側を前記ガスセンサの先端側より支持する第１支持体と前記第２電極側を支持する第２支持体とを備え、且つ、前記検出素子の前記第１電極側を前記第１支持体側に向けるとともに前記第２電極側を前記第２支持体側に向けて配置する構成を有する。

本発明では、検出素子を、第１電極側を先端側に且つ第２電極側を基端側にして、（例えば検出素子を第１支持体内に収容するようにして）第１支持体及び第２支持体で支持する構成であるので、従来の片持ち式のガスセンサに比べて、高い耐振動性や耐衝撃性等のような十分な強度を有している。

特に、本発明では、前記被測定ガス雰囲気側から前記第１電極側に前記被測定ガスを導入するとともに、前記第２電極側に汲み出された排出ガスを前記第２支持体の側方へ排出する排出路を介して前記被測定ガス雰囲気側に戻す構成を有する。

本発明では、第２電極側に汲み出された排出ガスを、第２支持体の排出路により、第２支持体の側方へ排出するので、排出ガスを第２支持体の基端側（例えば後方）から排出する場合と比べて、排出ガスを排出するための構造を簡易化することができる。また、ガスセンサの簡便な組み立て性も実現できる。

更に、第２電極側に汲み出された排出ガスを被測定ガス雰囲気側に戻す構成とすることで、支持体の基端側から配管以外に排出ガスが漏れることを防止できる。
尚、前記排出路としては、プロトン伝導層側に開口する溝や、第２支持体の側方に貫通する貫通孔の構成を採用でき、特に、貫通孔の場合には、第２支持体をプロトン伝導層に重ね合わせた場合に、目詰まりし難いので好適である。

（６）請求項６の発明は、前記第１支持体は、前記検出素子及び前記第２支持体のうち、少なくとも前記検出素子を収容する筒状の容器であることを特徴とする。
本発明は、ガスセンサの構成を例示したものである。これにより、第１支持体内に（検出素子や第２支持体を含む）各部品を順次コンパクトに収容でき、その組み付けも容易である。

尚、容器を導通材料で構成することにより、容器自体を第１電極と外部（電源）との電気的接続に利用することができる。
（７）請求項７の発明は、前記第１支持体は、前記検出素子及び前記第２支持体のうち、少なくとも前記検出素子を収容する筒状の容器内に配置されたセラミック質の部材であることを特徴とする。

本発明では、第１支持体は主としてセラミックから構成されているので、ガスセンサが湿潤な環境に置かれても、第１支持体のセラミックは金属の様に錆びることがない。よって、この第１支持体に被測定ガスを導入するための開口部（例えば拡散律速部）を設ける場合には、その開口部が錆びにより狭くなったり塞がれることがない。

（８）請求項８の発明は、前記セラミック質の第１支持体には、前記第１電極に接続（電気的接続）する導通部を設けたことを特徴とする。
本発明では、第１支持体の表面や内部に導通部を設けることにより、第１電極と外部（電源）との電気的接続を容易に確保することができる。

この導通部は、第１支持体の各表面に形成された例えば先端側電極部及び基端側電極部とそれらを接続する中間電導層やスルーホール等により実現できる。
尚、容器を導通材料で構成することにより、容器自体を外部との電気的接続に利用することができる。

（９）請求項９の発明は、前記第１支持体の先端側（即ちガスセンサの先端側）から前記被測定ガスを導入する構成を有することを特徴とする。
本発明は、ガスセンサの構成を例示したものであり、これにより、被測定ガスの導入経路を簡易化できる。

（１０）請求項１０の発明は、前記第１支持体に、前記拡散律速部（例えば拡散律速孔）を設けたことを特徴とする。
本発明は、ガスセンサの構成を例示したものであり、これにより、ガスセンサの構造を簡易化できる。

（１１）請求項１１の発明は、前記第１支持体の先端側に、前記排出ガスを戻す構成を有することを特徴とする。
本発明は、ガスセンサにおいてガスの流路を例示したものである。これにより、例えば第１支持体の先端側にフィルタを設けるという簡易な構成で、水滴等がセンサ内部に侵入することを防止できる。

（１２）請求項１２の発明は、前記第２支持体は、少なくとも２層以上のセラミックス層を積層したセラミック積層体からなり、前記第２支持体の先端側表面に先端側電極部を設置し、前記第２支持体の基端側表面に基端側電極部を設置し、且つ、各々のセラミック層（例えばシート状の第１層及び第２層）の間に中間導電層を設置する構成を有し、更に、前記先端側電極部と中間導電層と基端側電極部とは、前記各セラミック層においてオフセットされた位置にあるスルーホールにより導通を行うことを特徴とする。

これにより、第２電極から汲み出された排出ガスが第２支持体の板厚方向（基端側）に漏れることを防止できるとともに、第２電極から例えば（電源に接続された）金属端子に至る回路の導通を確保することができる。

（１３）請求項１３の発明は、前記第２支持体を前記検出素子とともに前記第１支持体側に押圧する弾性体（例えばグロメット）を設置したことを特徴とする。
本発明では、弾性体が第２支持体を押圧するので、センサ内（例えば容器である第１支持体内）に収容された各部品の寸法公差を吸収することができ、また、各部品の環境条件（熱、湿度等）下における伸縮や膨張を吸収することができる。

（１４）請求項１４の発明は、前記拡散律速部と空間（例えば緩衝空間）を開けて、前記拡散律速部より外側（被測定ガス雰囲気側）に、撥水性及び通気性を有するフィルタを配置したことを特徴とする。

本発明では、撥水性と通気性を兼ね備えたフィルタを備えている。従って、結露した水分等の液体が拡散律速部を塞ぐことを防止できる。
また、本発明では、拡散律速部とフィルタとの間に（例えば５．０ｍｍ³以上の所定の容積を有する）空間を設けてあるので、その空間が拡散律速部に導入される被測定ガスの圧力変動の緩衝の機能を果たす。従って、本発明では、フィルタが拡散律速部におけるガスの拡散に影響を与えることを防止できるので、精度良くガス濃度等の測定が可能である。

（１５）請求項１５の発明は、前記ガスセンサは、水素ガス濃度を測定する水素ガスセンサであることを特徴とする。
本発明は、ガスセンサが、水素ガス濃度を測定する水素ガスセンサであることを例示したものである。この種のガスセンサは、固体高分子型燃料電池の燃料ガス中の水素ガス濃度測定に用いることができ、その水素ガス濃度の測定を、精度良く行うことが可能である。

尚、前記ガスセンサにおいては、ヒータ等の加温手段により結露を防止する構成とすることが望ましい。被測定ガスを導入する拡散律速部や排出ガスを排出する排出路などに結露が発生すると、結露によって目詰まりが発生してガスセンサの能力を十分に発揮できないことがあるので、結露を防止するようにヒータで加熱することが望ましい。このヒータ等の加温手段の配置箇所としては、被測定ガス（例えば水素ガス）と接触しないように、例えば配管外を採用できるが、センサの内部、外部を問わず、結露を防止するように加温できれば、特に限定はない。

次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について説明する。

本実施例では、ガスセンサとして、固体高分子型燃料電池の燃料ガス中の水素ガス濃度測定に用いられる水素ガスセンサを例に挙げる。
ａ）まず、本実施例の水素ガスセンサの要部の構成について、図１及び図２に基づいて説明する。尚、図１は水素ガスセンサの素子部を軸方向に沿って破断した断面図、図２はその分解図である。

図１及び図２に示す様に、本実施例の水素ガスセンサは、その要部として、水素ガス濃度を検出するための略円柱状の素子部１を備えている。
前記素子部１は、金属製（例えばステンレス製）の容器である第１支持体３を備えており、その第１支持体３の内部には、第１支持体３の軸方向に沿って、その先端側（同図下方）から、第１Ｏリング５、円盤状の検出素子７、円盤状の第２支持体９、円柱状のスペーサ１１などが、順次配置されている。

・このうち、前記検出素子７は、円盤状のプロトン伝導層１３の一方（先端側）に円形の第１電極１５が設けられ、他方（基端側：同図上方）に円形の第２電極１７が設けられたものである。

前記プロトン伝導層１３は、一方の面側から他方の面側に、例えば第１電極１５側から第２電極１７側に、プロトン（Ｈ⁺）をポンピングして移動させることができるものである。そのプロトン伝導層１３の材料としては、比較的低温（例えば１５０℃以下）で作動するものが良く、例えばフッ素樹脂である「Ｎａｆｉｏｎ」（デュポン社の商標）等を採用できる。

また、前記第１電極１５、第２電極１７は、例えばカーボンを主成分とする多孔質電極であり、各電極１５、１７には、プロトン伝導層１３に接する側にＰｔ等の触媒層（図示せず）が塗布により形成されている。

そして、検出素子７の先端側の表面と第１支持体３の底部１９との間は、検出素子７の外周側にて前記第１Ｏリング５によりガスシールされている。これによって、検出素子７の先端側の表面と第１支持体３の底部１９と第１Ｏリング５とに囲まれた空間により、第１電極１５の周囲を覆う測定室２１が形成されている。尚、第１Ｏリング５は、他のＯリングと同様にフッ素ゴム製である。

・前記第１支持体３は、有底で円筒状の部材であり、この第１支持体３の筒状の側壁２３の基端部には、側壁２３から外側（径方向外側）に向かって垂直に突出する環状の鍔部２４が設けられている。

また、第１支持体３の底部１９は内側に（基端側に向かって）凸となっており、その凸状部２５にて第１電極１５に当接し、凸状部２５の中央（従って第１電極１５の中央に当たる位置）には、被測定ガスの拡散を律速する小孔（即ち拡散律速部２７）が設けられている。

つまり、第１支持体３の底部１９の中央には、拡散律速部２７が設けられ、この拡散律速部２７により、被測定ガス雰囲気側と測定室２１（従って第１電極１５）側とが連通されている。

更に、第１支持体３の側壁２３には、プロトン伝導層１３と同じ位置（高さ）にて、対向するように２箇所に側壁排出孔２９が設けられている。この側壁排出孔２９により、第１支持体３の内部（即ち後述する検出素子７の第２電極１７側の空間）と第１支持体３の外部とが連通している。

・前記第２支持体９は、図３にその斜視図を示す様に、主としてセラミック（例えばアルミナ）からなる円盤状の部材であり、その先端側（同図下方）には円柱状に切り欠かれた凹部３３が設けられている。また、凹部３３から周囲の４方（９０度毎）に、第２電極１７から汲み出された排出ガスの通路となる排出路３５が、切り欠きにより設けられている。つまり、４箇所の排出路３５は、それぞれ第２電極１７の板厚方向と垂直（即ち側方）に、放射状に伸びている。

前記第２支持体９は、図４に排出路３５に沿った断面を示す様に、アルミナからなる（排出路３５を有する）円盤状の第１層３７と同様なアルミナからなる円盤状の第２層３９とを積層したものである。この第２支持体９は、第１層３７の先端側に円形の先端側電極部４１を備えるとともに、第２層３９の基端側（後端側）に円形の基端側電極部４３を備え、更に、第１層３７と第２層３９との間に、中間導電層４５を備えている。尚、先端側電極部４１と中間導電層４５と基端側電極部４３とは、白金及びアルミナからなるペーストを塗布後に焼成することにより形成されたものである。

また、先端側電極部４１と中間導電層４５と基端側電極部４３とは、第１層３７及び第２層３９のそれぞれに（軸方向をずらして）オフセットして設けられたスルーホール４７、４９により、電気的に接続されている。このスルーホール４７、４９の内周面は、導電性を有する金属（例えば白金）によりメッキされている。

従って、前記図１及び図２に示す様に、検出素子７の第２電極１７側は第２支持体９で覆われた構成になり、検出素子７の第２電極１７側と第２支持体９の先端側電極部４１側とで挟まれた空間（排出空間）５１は、第２支持体９の側方に伸びる排出路３５と第１支持体３の側壁排出孔２９とを介して、第１支持体３の外部に連通する構成となる。

・前記スペーサ１１は、絶縁性の例えば樹脂やセラミックからなる弾性の低い部材である。
このスペーサ１１の径方向の略中心には、その軸方向に貫通孔５３が設けられ、この貫通孔５３には、弾性を有する長尺の金属板（例えばステンレス板）である−側端子５５が配置されている。−側端子５５は、その先端が略Ｌ字状に曲げられ、自身の弾性力により、第２支持体９の基端側電極部４３に押圧された状態で接触して、電気的に接続されている。尚、貫通孔５３の先端側には、貫通孔５３から径方向に伸びる切り欠き５６が設けられており、−側端子５５の先端は、この切り欠き５６に収容されている。

また、スペーサ１１の上部の外周の１箇所には、略Ｌ字状の切り欠き５７が設けられ、この切り欠き５７には、弾性を有する長尺の金属板（例えばステンレス板）である＋側端子５９が配置されている。＋側端子５９は、クランク状に２箇所で直角に曲げられ、その先端が湾曲しており、自身の弾性によって、第１支持体３の側壁２３の内周面に、押圧状態で接触して、電気的に接続されている。

尚、スペーサ１１と第２支持体９との間と、スペーサ１１の外周と第１支持体３の側壁２３との間は、それぞれ第２Ｏリング６１及び第３Ｏリング６３によりガスシールされている。

ｂ）次に、上述した素子部１を組み込んだ本実施例の水素ガスセンサの全体構成について、図５に基づいて説明する。尚、図５は、水素ガスセンサを軸方向に沿って破断した断面図である。

図５に示す様に、本実施例の水素ガスセンサは、略円柱状の形状を有し、上述した水素ガス濃度を検出するための素子部１と、該素子部１を収容する容器である金属製（例えばステンレス製）の主体金具７１と、素子部１の基端側を押圧するグロメット７３と、主体金具７１の基端側を封止する金属製の外筒７５と、主体金具７１の先端側において主体金具７１と素子部１とで挟持されたフィルタ７７とを備えている。

このうち、前記主体金具７１は、有底の円筒状の部材であり、その先端側の外周には、水素ガスセンサ自身を配管７０等に取り付けるために、ネジ部７９を備えている。また、主体金具７１の軸方向中央の外周には、外側に向けて環状に突出する鍔部７２を備えている。更に、主体金具７１の先端側の底部８１には、被測定ガスを素子部１側に導入するために、開口部８３を備えている。

前記フィルタ７７は、撥水性と通気性とを備えたフッ素樹脂（例えばゴアテックス：商品名）からなるフィルタである。このフィルタ７７は、第１支持体３の底部１９と主体金具７１の底部８１とに挟まれて、主体金具７１の底部８１の内側全面（開口部８３を含む）を覆うように配置されている。また、フィルタ７７と第１支持体３の底部１９の凸状部２５との間には、（容積１０．５ｍｍ³）の空間（緩衝空間）８５が設けられている。

前記グロメット７３は、例えばシリコンゴムからなる弾性体であり、スペーサ１１の基端側を押圧することで、検出素子７及び第２支持体９を第１支持体３に押圧している。グロメット７３の径方向中央には、一対の貫通孔８７、８９が設けられている。各貫通孔８７、８９には、それぞれ前記−側端子５５の基端部（後端部）と＋側端子５９の基端部（後端部）とが挿入され、各接続部６１、６３にて、−側端子５５及び＋側端子５９と各リード部６５、６７とが、加締めや溶接により一体化されている。

前記外筒７５は、円筒状の蓋体であり、主体金具７１内に素子部１やグロメット７３を収容した状態で、主体金具７１の基端側の開口部９１を塞ぐように外嵌している。また、外筒７５は、加締めや溶接により、主体金具７１と一体化している。

この外筒７５の頂部９３には一対の貫通孔９５、９７が設けられ、各貫通孔９５、９７を介して前記一対のリード部６５、６７が取り出される。
尚、第１支持体３の鍔部２４と主体金具７１の内周面とは、第４Ｏリング９９によりガスシールされており、これにより、排出ガスが主体金具７１の基端側に回り込まないようにされている。

ｃ）次に、本実施例の水素ガスセンサの機能及び動作について説明する。
前記図５に示す様に、上述した素子部１を主体金具７１に組み付けた場合には、直流電源（電池）９６は、電流計９８を介して、ー側端子５５及び＋側端子５９と接続される。そして、＋側端子５９は第１支持体３と接触し、第１支持体３の底部１９の凸状部２５は第１電極１５と接触し、第２電極１７は第２支持体９の先端側電極部４１と接触し、基端側電極部４３は−側端子５５と接触して、それぞれ電気的に接続される。

この回路構成により、直流電源９６によって、ー側端子５５及び＋側端子５９に（例えば２５０ｍＶ）の直流電圧を印加し、それによって流れる電流（例えば限界電流）を、電流計９８によって測定できるようになっている。従って、この電流により被測定ガス中の水素ガス濃度を求めることができる。

また、本実施例では、上述したように電圧を印加して回路に流れる電流を測定する場合には、図６に示す様に、被測定ガス中の水素ガスは、主体金具７１の底部８１の開口部８３から、フィルタ７７、緩衝空間８５、拡散律速部２７を介して、測定室２１側（従って第１電極１５側）に導入され、プロトン伝導層１３によりプロトンがポンピングされて、第２電極１７側（従って排出空間５１側）に排出ガスとして排出される。

更に、この排出ガスは、排出空間５１から第２支持体９の側方に伸びる排出路３５を通り、第１支持体３の側壁排出孔２９を介して、第１支持体３の側壁２３外に排出される。更に、この排出ガスは、第１支持体３と主体金具７１との隙間９６を介して、水素ガスセンサの先端側に導かれ、フィルタ７７を同図の横方向に通過し、主体金具７１の開口部８３を介して被測定ガス雰囲気中に排出される。

ｄ）次に、本実施例の水素ガスセンサの組み付け方法を、図７及び図８に基づいて説明する。
まず、図７に示す様に、第１支持体３の内部に、第１Ｏリング５、検出素子７、第２支持体９、第２Ｏリング６１、（第３Ｏリング６３を嵌めた）スペーサ１１、＋側端子５９を、順次配置する。このとき、略く字状の（やや伸びた状態の）−側端子５５は、予めのスペーサ１１の先端側から貫通孔５３に挿入しておく。

従って、後に全体を組み付ける際に、スペーサ１１等を先端側に押圧して第１支持体３の内部に完全に収容する際に、−側端子５５の先端側が第２支持体９に当たって、略Ｌ字状に曲がる。

これにより、−側端子５５が第２支持体９の基端側電極部４３に確実に接触するとともに、＋側端子５９が第１支持体３の側壁２３に確実に接触する。
次に、図８に示す様に、主体金具７１の内部に、フィルタ７７、第４Ｏリング９９、素子部１、接続部６１、６３及びリード部６５、６７、グロメット７３を収容し、それらを外筒９３により封止する。

尚、−側端子５５及び＋側端子５９とリード部６５、６７とは、予め接続部６１、６３にて接続しておき、その状態で、グロメット７３の貫通孔８７、８９に挿通する。
次に、外筒９３の周囲を加締め又は溶接により、主体金具７１の周囲に固定することにより、本実施例の水素ガスセンサを得る。

ｅ）次に、本実施例の水素ガスセンサの効果について説明する。
本実施例の水素ガスセンサでは、筒状の第１支持体３内に、検出素子７を、第１電極１３側を先端側に且つ第２電極１７側を基端側にして、即ち板状の検出素子７を第１支持体３の軸方向と垂直にして、第１支持体３の底部１９に載置するように収容する構成であるので、従来の片持ち式のガスセンサに比べて、高い耐振動性や耐衝撃性を発揮でき、十分な強度を有している。

また、本実施例では、筒状の第１支持体３内に、検出素子７やスペーサ１１等の各部品を順次コンパクトに収容でき、その組み付けも容易である。
更に、本実施例では、第２電極１７側に汲み出された排出ガスを被測定ガス雰囲気側に戻す構成とすることで、第１支持体３の基端側から配管７０以外に排出ガスが漏れることを防止できる。

しかも、本実施例では、第２電極１７側に汲み出された排出ガスを、第２支持体９の排出路３５により、第２支持体９の側方へ排出するので、排出ガスを第２支持体９の基端側から排出する場合と比べて、排出ガスを被測定ガス雰囲気側に戻すための構造を簡易化することができる。さらに、水素ガスセンサの簡便な組み立て性も実現できる。

その上、本実施例では、第１支持体３の先端側から拡散律速部２７を介して被測定ガスを導入する構成であるので、被測定ガスの導入経路、従ってガスセンサの構造を簡易化できる。

また、本実施例では、第１支持体３の先端側に、排出ガスを戻す構成を有するので、第１支持体３の先端側にフィルタ７７を設けるという簡易な構成で、水滴等が（拡散律速部２７側や間隙９６側を介して）センサ内部に侵入することを防止することができる。

更に、本実施例では、第２支持体９を、セラミックからなる第１層３７及び第２層３９の積層体で構成するとともに、先端側電極部４１と中間導電層４５と基端側電極部４３とをオフセットしたスルーホール４７、４９で電気的に接続しているので、第２電極１７から汲み出された排出ガスが第２支持体９の板厚方向（基端側、ひいては配管７０外）に漏れることを防止できる。

しかも、本実施例では、弾性体であるグロメット７３により、スペーサ１１、第２支持体９、検出素子７等を、水素ガスセンサの先端側に押圧する構成であるので、センサ内に収容された各部品の寸法公差を吸収することができ、また、各部品の環境条件（熱、湿度等）下における伸縮や膨張を吸収することができる。

その上、本実施例では、拡散律速部２７とフィルタ７７との間に緩衝空間８５を設けてあるので、その緩衝空間８５が拡散律速部２７に導入される被測定ガスの圧力変動の緩衝の機能を果たす。これにより、フィルタ７７が拡散律速部２７におけるガスの拡散に影響を与えることを防止できるので、精度良く水素ガス濃度を測定することができる。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な部分の説明は省略する。
ａ）まず、本実施例の水素ガスセンサの要部の構成について、図９及び図１０に基づいて説明する。尚、図９は水素ガスセンサの素子部を軸方向に沿って破断した断面図、図１０はその分解図である。

図９及び図１０に示す様に、本実施例の水素ガスセンサは、その要部として、水素ガス濃度を検出するための素子部１０１を備えている。
前記素子部１０１は、金属製の容器１０２を備えており、その容器１０２の内部には、容器１０２の軸方向に沿って、その先端側（同図下方）から、第１支持体１０３、第１Ｏリング１０５、検出素子１０７、第２支持体１０９、スペーサ１１１などが、順次配置されている。尚、容器１０２の側壁１２１には、対向するように２箇所に側壁排出孔１２３が設けられている。

・このうち、前記検出素子１０７は、プロトン伝導層１１３の一方（先端側）に第１電極１１５が設けられ、他方（基端側）に第２電極１１７が設けられたものである。
また、前記検出素子１０７の下面と第１支持体１０３の上面との間は、第１Ｏリング１０５によりガスシールされている。これによって、検出素子１０７の下面と第１支持体１０３の上面と第１Ｏリング１０５とに囲まれた空間により、測定室１２５が形成されている。

・前記第１支持体１０３は、主としてセラミック（例えばアルミナ等の絶縁体）からなる円盤状の部材であり（図１１参照）、開口部１２７を有する容器１０２の底部１２９に載置されている。第１支持体１０３の中央部は内側に（基端側に向かって）凸となっており、この凸状部１３１にて第１電極１１５に当接し、凸状部１３１の中央には、小孔（拡散律速部）１３３が設けられている。

前記第１支持体１０３は、図１２に拡散律速部１３３に沿った端面を示す様に、アルミナからなる円盤状の第１層〜第３層１３７、１３８、１３９を積層したものである。この第１支持体１０３は、第１層１３７の先端側にリング状の先端側電極部１４１を備えるとともに、第３層１３９の基端側に円形の基端側電極部１４３を備え、更に、各層１３７〜１３９の間に、第１及び第２中間導電層１４５、１４６を備えている。

尚、先端側電極部１４１と第１及び第２中間導電層１４５、１４６と基端側電極部１４３とは、オフセットして設けられたスルーホール１４７、１４８、１４９により、電気的に接続されている。

・一方、前記第２支持体１０９は、図１３にその斜視図を示す様に、主としてセラミック（例えばアルミナ等の絶縁体）からなる円盤状の部材であり、その先端側には円柱状に切り欠かれた凹部１５３が設けられている。また、凹部１５３から周囲の４方（９０度毎）に、第２電極１１７から汲み出された排出ガスの通路となる貫通孔の排出路１５５が設けられている。つまり、４箇所の排出路１５５は、それぞれ第２電極１１７の板厚方向と垂直（即ち側方）に、放射状に伸びている。

前記第２支持体１０９は、図１４に排出路１５５に沿った断面を示す様に、アルミナからなるリング状の第１層１５７及び第２層１５８と、同様なアルミナからなる円盤状の第３層１５９及び第４層１６０とを積層したものである。この第２支持体１０９は、第３層１５９の先端側に円形の先端側電極部１６１を備えるとともに、第４層１６０の基端側に円形の基端側電極部１６３を備え、更に、第３層１５９と第４層１６０との間に、中間導電層１６５を備えている。

また、先端側電極部１６１と中間導電層１６５と基端側電極部１６３とは、オフセットして設けられたスルーホール１６７、１６９により、電気的に接続されている。
尚、第２支持体１０９の他の例としては、例えば図１５に示す様に、第１層１７１、第２層１７３、第３層１７５、第４層１７７を積層する様にしてもよい。この場合、第２層１７３の四方に溝１７９を設け、（積層した場合には）溝１７９の中心側と第１層１７１の内側の空間１８１とを連通する。

尚、この場合には、第２層１７３の（例えば手前側の）表面に、先端側電極部（図示せず）が設けられることになる。また、これ以外に、本実施例においても、前記実施例１の第２支持体と同様な構成を採用できる。

従って、前記図９に示す様に、検出素子１０７の第２電極１１７側は第２支持体１０９で覆われた構成になり、検出素子１０７の第２電極１１７側と第２支持体１０９の先端側電極部１６１側とで挟まれた空間（排出空間）１８３は、第２支持体１０９の側方に伸びる排出路１５５と検出素子１０７の外周側の間隙（図示せず）と容器１０２の側壁排出孔１２３とを介して、容器１０２の外部に連通する構成となる。

尚、前記スペーサ１１１には、前記実施例１と同様な−側端子１８５及び＋側端子１８７が配置され、スペーサ１１１と第２支持体１０９との間と、スペーサ１１１と容器１０２との間は、それぞれ第２Ｏリング１８９及び第３Ｏリング１９１によりガスシールされている。

ｂ）次に、上述した素子部１０１を組み込んだ本実施例の水素ガスセンサの全体構成について、図１６に基づいて説明する。尚、図１６は、水素ガスセンサを軸方向に沿って破断した断面図である。

図１６に示す様に、本実施例の水素ガスセンサは、上述した水素ガス濃度を検出するための素子部１０１と、該素子部１０１を収容する容器である主体金具２０１と、素子部１０１の基端側を押圧するグロメット２０３と、主体金具２０１の基端側を封止する外筒２０５と、主体金具２０１の先端側において主体金具２０１と素子部１０１とで挟持されたフィルタ２０７とを備えている。

前記グロメット２０３の外周側には、環状に凹部２０９が形成されており、この凹部２０９には、ヒータ２１１が巻き付けられている。また、グロメット２０３の中央からは、−側端子１８５、＋側端子１８７、ヒータ２１１に接続された各リード部２１３、２１５、２１７、２１９が伸びている。

尚、前記グロメット２０３に代えて、巻き線ヒータを巻き付けた樹脂製等のボビンを用いてもよく、ヒータ２１１等の加温手段は、センサの内部、外部を問わず、結露を防止するように加温できれば、特に限定はない。

また、容器１０２の鍔部２２１と主体金具２０１の内周面とは、第４Ｏリング２２３によりガスシールされており、これにより、排出ガスが主体金具２０１の基端側に回り込まないようにされている。

ｃ）次に、本実施例の水素ガスセンサの機能及び動作について説明する。
本実施例の水素ガスセンサでは、直流電源（電池）２３１は、電流計２３３を介して、ー側端子１８５及び＋側端子１８７と接続される。そして、＋側端子１８７は容器１０２と接触し、容器１０２は第１支持体１０３の先端側電極部１４１に接触し、第１支持体１０３の基端側電極部１４３は第１電極１１５と接触し、第２電極１１７は第２支持体１０９の先端側電極部１６１と接触し、第２支持体１０９の基端側電極部１６３は−側端子１８５と接触して、それぞれ電気的に接続される。

また、本実施例では、上述したように電圧を印加して回路に流れる電流を測定する場合には、被測定ガス中の水素ガスは、主体金具２０１の底部２３５の開口部２３７から、フィルタ２０７、緩衝空間２３９、拡散律速部１３３を介して、測定室１２５側（従って第１電極１１５側）に導入され、プロトン伝導層１１３によりプロトンがポンピングされて、第２電極１１７側（従って排出空間１８３側）に排出ガスとして排出される。

更に、この排出ガスは、排出空間１８３から第２支持体１０９の側方に伸びる排出路１５５を通り、容器１０２の側壁排出孔１２３を介して、容器１０２外に排出される。更に、この排出ガスは、容器１０２と主体金具２０１との隙間２４１を介して、水素ガスセンサの先端側に導かれ、フィルタ２０７を同図の横方向に通過し、主体金具２０１の開口部２３７を介して被測定ガス雰囲気中に排出される。

ｄ）次に、本実施例の水素ガスセンサの効果について説明する。
本実施例の水素ガスセンサでは、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、容器１０２の底部１２９と検出素子１０７との間に、拡散律速部１３３が形成されたセラミック質の第１支持体１０３を備えているので、金属製の容器１０２が錆びた場合でも、拡散律速部１３３の内径が変化したり目詰まりすることがない。よって、被測定ガスの湿度が高い場合でも、長期間にわたり精度良くガス濃度を検出することができる。

また、本実施例では、第１支持体１０３の排出路１５５は貫通孔であるので、第１支持体１０３と検出素子１０７等とが重ね合わされて、グロメット２０３等によって押圧された場合でも、排出路１５５が目詰まりし難いという利点がある。

更に、本実施例では、ヒータ２１１を備えているので、このヒータ２１１によって素子部１０１等が加熱されることによって、被測定ガスの湿度が高い場合でも、拡散律速部１３３や排出路１５５等のガスの流路に、結露が生じ難いという効果がある。

尚、ヒータ２１１は、配管の外部に位置するとともに、素子部１０１の先端側より第４Ｏリング２２３によってシールされて隔離されているので、被測定ガス中に多くの水素ガスが含まれている場合でも、一層安全性が高いという利点がある。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば前記実施例では、水素ガスセンサにより、燃料ガス中の水素ガス濃度を測定する場合を例に挙げたが、本発明のガスセンサは、例えば燃料ガス中のＣＯのガス濃度などを検出するような他のガスセンサにも適用できる。

実施例１の水素ガスセンサの素子部を破断して示す説明図である。 実施例１の水素ガスセンサの素子部を破断し分解して示す説明図である。 実施例１の第２支持体を示す斜視図である。 実施例１の第２支持体を破断し分解して示す説明図である。 実施例１の水素ガスセンサを破断して示す説明図である。 実施例１の水素ガスセンサの先端側におけるガスの流れを示す説明図である。 実施例１の素子部を組み付ける方法を示す説明図である。 実施例１の水素ガスセンサを組み付ける方法を示す説明図である。 実施例２の水素ガスセンサの素子部を破断して示す説明図である。 実施例２の水素ガスセンサの素子部を破断し分解して示す説明図である。 実施例２の第１支持体を示す斜視図である。 実施例２の第１支持体を破断し分解して示す説明図である。 実施例２の第２支持体を示す斜視図である。 実施例２の第２支持体を破断し分解して示す説明図である。 実施例２の別形態の第２支持体を構成する各部材を分解してその平面を示す説明図である。 実施例２の水素ガスセンサを破断して示す説明図である。 従来の水素ガスセンサを破断して示す説明図である。

符号の説明

１、１０１…素子部
３、１０３…第１支持体
７、１０７…検出素子
９、１０９…第２支持体
１１、１１１…スペーサ
１３、１１３…プロトン伝導層
１５、１１５…第１電極
１７、１１７…第２電極
２１、１２５…測定室
２７、１３３…拡散律速部
３５、１５５…排出路
５１、１８３…排出空間
７１、２０１…主体金具
７７、２０７…フィルタ
８５、２３９…緩衝空間
１０２…容器
２１１…ヒータ

Claims (15)

1. プロトンを伝導するプロトン伝導層と、
   被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部と、
   前記拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気に連通する測定室と、
   前記測定室内にて前記プロトン伝導層の一方の表面に接する第１電極と、
   前記測定室外にて前記プロトン伝導層の他方の表面に接する第２電極と、
   を有し、
   前記被測定ガスが流れる配管に取り付けられて、前記被測定ガス雰囲気側から前記拡散律速部を介して前記測定室に導入された被測定ガス中の測定対象ガスを、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、解離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプロトンを、前記プロトン伝導層を介して前記第１電極から前記第２電極へ汲み出すことにより生じる電流に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を求めるガスセンサにおいて、
   前記第２電極は、前記配管外とは連通していない構成であって、
   前記第１電極、第２電極、及びプロトン伝導層からなる検出素子を筒状の支持体内に収容し、
   且つ、前記第１電極側を前記支持体の先端側に向けるとともに前記第２電極側を前記支持体の基端側に向けて配置する構成を有し、
   更に、前記被測定ガス雰囲気側から前記第１電極側に前記被測定ガスを導入するとともに、前記第２電極側に汲み出された排出ガスを前記被測定ガス雰囲気側に戻す構成を有することを特徴とするガスセンサ。
2. 前記支持体の先端側から前記被測定ガスを導入する構成を有することを特徴とする前記請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記支持体に、前記拡散律速部を設けたことを特徴とする前記請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記支持体の先端側に、前記排出ガスを戻す構成を有することを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
5. プロトンを伝導するプロトン伝導層と、
   被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部と、
   前記拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気に連通する測定室と、
   前記測定室内にて前記プロトン伝導層の一方の表面に接する第１電極と、
   前記測定室外にて前記プロトン伝導層の他方の表面に接する第２電極と、
   を有し、
   前記被測定ガスが流れる配管に取り付けられて、前記被測定ガス雰囲気側から前記拡散律速部を介して前記測定室に導入された被測定ガス中の測定対象ガスを、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、解離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプロトンを、前記プロトン伝導層を介して前記第１電極から前記第２電極へ汲み出すことにより生じる電流に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を求めるガスセンサにおいて、
   前記第２電極は、前記配管外とは連通していない構成であって、
   前記第１電極、第２電極、及びプロトン伝導層からなる検出素子に対して、その第１電極側を前記ガスセンサの先端側にて支持する第１支持体と前記第２電極側を支持する第２支持体とを備え、
   且つ、前記検出素子の前記第１電極側を前記第１支持体側に向けるとともに前記第２電極側を前記第２支持体側に向けて配置する構成を有し、
   更に、前記被測定ガス雰囲気側から前記第１電極側に前記被測定ガスを導入するとともに、前記第２電極側に汲み出された排出ガスを前記第２支持体の側方へ排出する排出路を介して前記被測定ガス雰囲気側に戻す構成を有することを特徴とするガスセンサ。
6. 前記第１支持体は、前記検出素子及び前記第２支持体のうち、少なくとも前記検出素子を収容する筒状の容器であることを特徴とする前記請求項５に記載のガスセンサ。
7. 前記第１支持体は、前記検出素子及び前記第２支持体のうち、少なくとも前記検出素子を収容する筒状の容器内に配置されたセラミック質の部材であることを特徴とする前記請求項５又は６に記載のガスセンサ。
8. 前記セラミック質の第１支持体には、前記第１電極に接続する導通部を有することを特徴とする前記請求項７に記載のガスセンサ。
9. 前記第１支持体の先端側から前記被測定ガスを導入する構成を有することを特徴とする前記請求項５〜８のいずれかに記載のガスセンサ。
10. 前記第１支持体に、前記拡散律速部を設けたことを特徴とする前記請求項５〜９のいずれかに記載のガスセンサ。
11. 前記第１支持体の先端側に、前記排出ガスを戻す構成を有することを特徴とする前記請求項５〜１０のいずれかに記載のガスセンサ。
12. 前記第２支持体は、少なくとも２層以上のセラミック層が積層されたセラミック積層体からなり、前記第２支持体の先端側表面に先端側電極部を設置し、前記第２支持体の基端側表面に基端側電極部を設置し、且つ、各々のセラミック層の間に中間導電層を設置する構成を有し、
    更に、前記先端側電極部と中間導電層と基端側電極部とは、前記各セラミック層においてオフセットされた位置にあるスルーホールにより導通を行うことを特徴とする前記請求項５〜１１のいずれかに記載のガスセンサ。
13. 前記第２支持体を前記検出素子とともに前記第１支持体側に押圧する弾性体を設置したことを特徴とする前記請求項５〜１２のいずれかに記載のガスセンサ。
14. 前記拡散律速部と空間を開けて、前記拡散律速部より外側に、撥水性及び通気性を有するフィルタを配置したことを特徴とする前記請求項１〜１３のいずれかに記載のガスセンサ。
15. 前記ガスセンサは、水素ガス濃度を測定する水素ガスセンサであることを特徴とする前記請求項１〜１４のいずれかに記載のガスセンサ。

Images