JP4571002B2 - Gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、例えば燃料電池車両に搭載される接触燃焼式水素センサ等のガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor such as a catalytic combustion type hydrogen sensor mounted on a fuel cell vehicle.
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック(以下において燃料電池と呼ぶ)を備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に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て、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
このような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池において、従来、例えば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したときは、燃料の供給を遮断する保護装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、水素検出器としては、例えば白金等の触媒からなるガス検出素子と温度補償素子とを一対備え、水素が白金等の触媒に接触した際の燃焼により発生する熱によってガス検出素子が相対的に高温の状態になったときに、例えば雰囲気温度下等の相対的に低温の状態の温度補償素子との間に生じる電気抵抗の差異に応じて、水素ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式の水素検出器が知られている。
In such a fuel cell such as a solid polymer membrane fuel cell, conventionally, for example, a hydrogen detector (gas sensor) is provided in the discharge system on the oxygen electrode side of the fuel cell, and hydrogen on the fuel electrode side is provided by this hydrogen detector. A protection device that shuts off the supply of fuel when it is detected that leakage has occurred to the oxygen electrode side through the solid polymer electrolyte membrane is known (see, for example, Patent Document 1).
The hydrogen detector includes a pair of a gas detection element made of a catalyst such as platinum and a temperature compensation element, for example, and the gas detection element is relatively moved by heat generated by combustion when hydrogen comes into contact with the catalyst such as platinum. Gas contact combustion type that detects the concentration of hydrogen gas according to the difference in electrical resistance that occurs between the temperature compensation element in a relatively low temperature state, such as under ambient temperature, for example There are known hydrogen detectors.
ところで、上述したような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池においては、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池に供給される反応ガス(例えば、水素や空気)には加湿装置等によって水(加湿水)が混合されており、さらに、燃料電池の作動時には電気化学反応による反応生成水が生成されるため、燃料電池の排出ガス、特に酸素極側の排出ガスは高湿潤のガスとなっている。
このため、上記従来技術の一例に係る燃料電池の保護装置においては、燃料電池から排出される高湿潤のオフガスによって、オフガスの流路内に配置された水素検出器等に結露が発生する場合があり、この場合には、水素検出器の劣化や破損等が生じる虞がある。特に、上述した固体高分子膜型燃料電池では、通常作動温度が水の蒸気化温度よりも低く、オフガスは多湿度で水分量が多いガスとなって排出されるため、オフガス中の水分が結露しやすいという問題がある。そして、前述のガス接触燃焼式の水素検出器を、特に燃料電池の酸素極側の排出系に備える場合等において、ガス検出素子に加湿水、反応生成水等が付着した状態で通電を行うと、素子表面に局所的な温度分布の不均一が発生し、素子破壊や感度低下が生じる虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ガスセンサの破損、劣化、検出精度の低下を防止することが可能なガスセンサを提供することを目的とする。
By the way, in a fuel cell such as the above-described solid polymer membrane fuel cell, in order to maintain the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane, a reaction gas (for example, hydrogen or air) supplied to the fuel cell is used. Since water (humidified water) is mixed by a humidifier or the like, and reaction product water is generated by an electrochemical reaction when the fuel cell is operated, the exhaust gas of the fuel cell, particularly the exhaust gas on the oxygen electrode side is It is a highly humid gas.
For this reason, in the fuel cell protection device according to the above-described prior art, dew condensation may occur in a hydrogen detector or the like disposed in the flow path of the off gas due to the highly humid off gas discharged from the fuel cell. In this case, the hydrogen detector may be deteriorated or damaged. In particular, in the solid polymer membrane fuel cell described above, the normal operating temperature is lower than the vaporization temperature of water, and the offgas is discharged as a gas with a high humidity and a large amount of moisture. There is a problem that it is easy to do. When the above-described gas catalytic combustion type hydrogen detector is provided in the exhaust system on the oxygen electrode side of the fuel cell, etc., when energization is performed with humidified water, reaction product water, etc. attached to the gas detection element, In addition, local non-uniform temperature distribution occurs on the element surface, which may cause element destruction and sensitivity reduction.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a gas sensor capable of preventing the gas sensor from being damaged, deteriorated, and lowered in detection accuracy.
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項1に記載の本発明のガスセンサは、検査対象ガスが導入されるガス検出室(例えば、後述する実施の形態でのガス検出室27)内に配置された検出素子(例えば、後述する実施の形態での検出素子31)の電気抵抗値に基づき前記検査対象ガスに含まれる被検出ガスのガス濃度を検出するガスセンサであって、前記ガス検出室の内面の少なくとも1面を覆うヒータ(例えば、後述する実施の形態での第2ヒータ36b)と、前記ガス検出室内の前記検出素子に対して、前記被検出ガスが導入される導入部(例えば、後述する実施の形態でのガス導入部29)の位置と反対側の位置に配置され、可逆的に水を吸着および脱着可能な除湿材(例えば、後述する実施の形態での第1除湿材38a)とを備えることを特徴としている。
In order to solve the above problems and achieve the object, the gas sensor of the present invention according to claim 1 is a gas detection chamber into which a gas to be inspected is introduced (for example, a
上記構成のガスセンサによれば、例えば相対湿度が高い検査対象ガス等によってガス検出室内に水分が侵入した場合であっても、ガス検出室の内面、特に内壁面の少なくとも1面を覆うヒータによりガス検出室内の相対湿度を低下させることができる。
しかも、相対的に結露が発生し易く、発生した結露が相対的に停滞し易い、検出素子の裏側の位置、つまり検出素子に対して、被検出ガスが導入される導入部の位置と反対側の位置に除湿材を配置することにより、生成された結露水を吸着することができ、被検出ガスのガス濃度の検出精度が低下してしまったり、例えば検出素子の表面に水が付着した状態で通電されることによって、素子破損や劣化が生じてしまうことを防止することができる。
According to the gas sensor having the above-described configuration, even when moisture enters the gas detection chamber due to, for example, an inspection target gas having a high relative humidity, the gas is detected by the heater that covers the inner surface of the gas detection chamber, particularly at least one of the inner wall surfaces. The relative humidity in the detection chamber can be reduced.
Moreover, the position on the back side of the detection element where condensation is relatively likely to occur, and the generated condensation is relatively likely to stagnate, that is, the position opposite to the position of the introduction part where the gas to be detected is introduced with respect to the detection element By placing a dehumidifying material at the position, the generated condensed water can be adsorbed, and the detection accuracy of the gas concentration of the gas to be detected will be reduced, for example, the state where water has adhered to the surface of the detection element It is possible to prevent the element from being damaged or deteriorated by being energized.
さらに、前記ヒータとして、前記ガス検出室の内壁面を覆う筒状ヒータ(例えば、後述する実施の形態での第2ヒータ36b)と、環状ヒータ(例えば、後述する実施の形態での第1ヒータ36a)とを備え、前記筒状ヒータおよび前記環状ヒータを、前記筒状ヒータと前記環状ヒータとにより、前記除湿材を両側から挟み込むように配置することを特徴としている。
Furthermore , as the heater, a cylindrical heater (for example, a
上記構成のガスセンサによれば、相対的に結露が発生し易く、発生した結露が相対的に停滞し易い位置に配置された除湿材に対して、所望の吸着可能な水の量を確保することができる。 According to the gas sensor having the above configuration, it is possible to ensure a desired amount of water that can be adsorbed with respect to the dehumidifying material disposed at a position where condensation is relatively likely to occur and the generated condensation is relatively likely to stagnate. Can do.
さらに、請求項2に記載の本発明のガスセンサは、前記ガス検出室内の前記検出素子と前記導入部との間に、可逆的に水を吸着および脱着可能な第2除湿材(例えば、後述する実施の形態での第2除湿材38b)を備えることを特徴としている。
Furthermore, the gas sensor of the present invention according to
上記構成のガスセンサによれば、検出素子の表面が曝される雰囲気ガスの相対湿度を低下させることができ、検出素子の表面上にて結露が生じることを防止することができる。 According to the gas sensor having the above configuration, the relative humidity of the atmospheric gas to which the surface of the detection element is exposed can be reduced, and condensation can be prevented from occurring on the surface of the detection element.
さらに、請求項3に記載の本発明のガスセンサは、前記除湿材および前記第2除湿材を、前記除湿材と前記第2除湿材とにより、前記ヒータを両側から挟み込むように配置することを特徴としている。 Furthermore, the gas sensor of the present invention according to claim 3 is characterized in that the dehumidifying material and the second dehumidifying material are arranged so as to sandwich the heater from both sides by the dehumidifying material and the second dehumidifying material. It is said.
上記構成のガスセンサによれば、ヒータにより除湿材および第2除湿材を加熱し、乾燥(つまり放湿)させることができ、除湿材および第2除湿材に対して所望の吸着可能な水の量を確保することができる。 According to the gas sensor having the above configuration, the dehumidifying material and the second dehumidifying material can be heated and dried (that is, dehumidified) by the heater, and the amount of water that can be adsorbed to the dehumidifying material and the second dehumidifying material. Can be secured.
請求項1に記載の本発明のガスセンサによれば、ガス検出室内に水分が侵入した場合であっても、ガス検出室の内面、特に内壁面の少なくとも1面を覆うヒータによりガス検出室内の相対湿度を低下させることができる。
しかも、相対的に結露が発生し易く、発生した結露が相対的に停滞し易い、検出素子の裏側の位置つまり検出素子に対して、被検出ガスが導入される導入部の位置と反対側の位置に除湿材を配置することにより、生成された結露水を吸着することができ、被検出ガスのガス濃度の検出精度が低下してしまったり、例えば検出素子の表面に水が付着した状態で通電されることによって、素子破損や劣化が生じてしまうことを防止することができる。
さらに、相対的に結露が発生し易く、発生した結露が相対的に停滞し易い位置に配置された除湿材に対して、所望の吸着可能な水の量を確保することができる。
さらに、請求項2に記載の本発明のガスセンサによれば、検出素子の表面が曝される雰囲気ガスの相対湿度を低下させることができ、検出素子の表面上にて結露が生じることを防止することができる。
さらに、請求項3に記載の本発明のガスセンサによれば、ヒータにより除湿材および第2除湿材を加熱し、乾燥(つまり放湿)させることができ、除湿材および第2除湿材に対して所望の吸着可能な水の量を確保することができる。
According to the gas sensor of the first aspect of the present invention, even when moisture has entered the gas detection chamber, the heaters covering at least one of the inner surfaces of the gas detection chamber, particularly the inner wall surface, are relatively Humidity can be reduced.
In addition, condensation is relatively likely to occur, and the generated condensation is relatively likely to stagnate. By arranging the dehumidifying material at the position, the generated dew condensation water can be adsorbed, and the detection accuracy of the gas concentration of the gas to be detected will be reduced, for example in the state where water has adhered to the surface of the detection element It is possible to prevent the element from being damaged or deteriorated by being energized.
Furthermore , it is possible to ensure a desired amount of water that can be adsorbed with respect to the dehumidifying material disposed at a position where condensation is relatively likely to occur and the generated condensation is relatively likely to stagnate.
Furthermore, according to the gas sensor of the present invention as set forth in
Furthermore, according to the gas sensor of the present invention described in claim 3 , the dehumidifying material and the second dehumidifying material can be heated and dried (that is, dehumidified) by the heater. A desired amount of water that can be adsorbed can be secured.
以下、本発明の実施の形態に係るガスセンサについて添付図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a gas sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
本実施形態に係るガスセンサ1は、例えば水素を検出する水素センサをなし、例えば図1に示すように、制御装置2と、記憶装置3と、警報装置4と、車両の動力源とされる燃料電池5と、燃料電池5に接続されて反応ガスを供給する各配管6,7,8,9とを備える燃料電池システム10において、酸素極側の出口側配管9の重力方向上側に設けられ、この出口側配管9から水素が排出されていないことを確認するためのものである。
The gas sensor 1 according to the present embodiment is, for example, a hydrogen sensor that detects hydrogen. For example, as shown in FIG. 1, a
制御装置2は、酸素極側の出口側配管9に取り付けられたガスセンサ1に接続され、例えば、ガスセンサ1から出力される検出信号と、記憶装置3に格納されている所定の判定閾値との比較結果に応じて、燃料電池5の異常状態が発生しているか否かを判定し、異常状態であると判定した際には、警報装置4によって警報等を出力する。ここで、記憶装置3は、燃料電池5の作動状態、例えば極間差圧や作動圧力等に応じた、ガスセンサ1の検出値に対する所定の判定閾値のマップ等を記憶している。
The
燃料電池5は、例えば電気自動車等の動力源として車両に搭載されており、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電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セル(図示略)を多数組積層して構成されている。
燃料極に入口側配管6から供給された水素などの燃料ガスにより、燃料極の触媒電極上で水素がイオン化され、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介して酸素極へと移動する、そ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。酸素極には、例えば、酸素などの酸化剤ガスあるいは空気が入口側配管7を介して供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、燃料極側、酸素極側共に出口側配管8、9から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。
ここで、ガスセンサ1が酸素極側の出口側配管9の重力方向上側に取り付けられることで、酸素極側のオフガス中に含まれる水分が冷却され、結露が発生した場合であっても、この水分が重力方向下側に排出されるようになっている。
The fuel cell 5 is mounted on a vehicle as a power source of, for example, an electric vehicle, and further includes a pair of electrolyte electrode structures in which a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a cation exchange membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode. A large number of fuel battery cells (not shown) sandwiched between the separators are stacked.
Hydrogen is ionized on the catalyst electrode of the fuel electrode by a fuel gas such as hydrogen supplied from the inlet side pipe 6 to the fuel electrode, and moves to the oxygen electrode through a solid polymer electrolyte membrane that is appropriately humidified. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. For example, since an oxidant gas such as oxygen or air is supplied to the oxygen electrode through the inlet-
Here, even if the moisture contained in the off-gas on the oxygen electrode side is cooled by the gas sensor 1 being attached to the upper side in the gravity direction of the
例えば図2から図4に示すように、ガスセンサ1は水平方向に伸びる出口側配管9の長手方向、つまり水平方向に沿って長い直方形状のケース21を備えている。ケース21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22を備えている。フランジ部22にはカラー23が取り付けられており、例えば図3に示すように、このカラー23内にボルト24が挿入されることで、フランジ部22は酸素極側の出口側配管9に設けられた取付座25に締め付け固定されるようになっている。
また、例えば図3および図4に示すように、ケース21の厚さ方向の端面には筒状部26が形成されている。この筒状部26は、例えば有底の円筒状の筒状部基端部26aと、円筒状の筒状部先端部26bとが、ガスセンサ1の厚さ方向に沿って互いに同軸に接続されて構成され、この筒状部26の内部はガス検出室27として形成され、筒状部26の内部側面には、内側に向かってフランジ部28が形成され、フランジ部28の内周部分がガス導入部29として開口形成されている。
なお、筒状部26の外周面にシール材35が取り付けられ、このシール材35が出口側配管9の貫通孔9aの内周壁に密接して気密性を確保している。
For example, as shown in FIGS. 2 to 4, the gas sensor 1 includes a
For example, as shown in FIGS. 3 and 4, a
A sealing
ケース21内には樹脂で封止された回路基板30が設けられ、ガス検出室27内に配置された検出素子31および温度補償素子32は、回路基板30に接続された複数、例えば4個の通電用のステー33およびリード線33aにより回路基板30に接続されている。
このガス検出室27内には、検出素子31および温度補償素子32と共に、筒状部基端部26aのベース部34と、第1ヒータ36aおよび第2ヒータ36bと、ガス検出室27内の温度および湿度等を検出するセンサ37と、第1除湿材38aおよび第2除湿材38bと、構造体39と、焼結フィルタ40と、撥水フィルタ41とが配置されている。
そして、4個の通電用のステー33は、ガス検出室27の底面27A上からガスセンサ1の厚さ方向に沿って基端部から先端部に向かい順次配置された、略円板状のベース部34と、略円板状の第1除湿材38aと、略円板状の構造体39とを貫通した状態で、例えばベース部34により固定されている。
なお、ステー33の表面上には、腐食防止用の適宜の被覆が設けられている。
A
In the
The four energizing
Note that an appropriate coating for preventing corrosion is provided on the surface of the
そして、例えばポリフェニレンサルファイドまたはフェノール樹脂等からなる略円板状の構造体39の先端部には基端部に向かい一段凹んだ凹部39aが形成されており、ベース部34および第1除湿材38aおよび構造体39を貫通して凹部39a内に露出する4個の通電用のステー33の露出部全体を覆うようにして、略円環板状のステーカバー33bが配置されている。
そして、各素子31,32は、構造体39の凹部39aとステーカバー33bとにより形成されてガス検出室27に連通する空間内において、各ステー33に接続されたリード線33aにより、例えばベース部34からガスセンサ1の厚さ方向に所定距離だけ離間した位置において、所定間隔を隔てて対をなすようにして配置されている。
Then, for example, a
Each
そして、例えば図4に示すように、ガス検出室27の内面の少なくとも1面を覆うヒータとして、例えば略円環板状のセラミックヒータからなる第1ヒータ36aはガス検出室27Aの底面27A上に配置され、この第1ヒータ36aの内周部が、ガス検出室27Aの底面27A上に配置された略円板状のベース部34の外周部に対向配置されるように設定されている。
また、ガス検出室27の内面の少なくとも1面を覆うヒータとして、例えば略円筒状のセラミックヒータからなる第2ヒータ36bはガス検出室27の内壁面27B上に配置され、第2ヒータ36bの外周面がガス検出室27の内壁面27B上を覆うように設定されている。そして、第2ヒータ36bの内周部は構造体39およびステーカバー33bの外周部に対向配置されている。
For example, as shown in FIG. 4, as a heater that covers at least one of the inner surfaces of the
As a heater that covers at least one of the inner surfaces of the
また、第1ヒータ36aの一方の表面はガス検出室27Aの底面27Aに当接しており、さらに、第1ヒータ36aの他方の表面と、第2ヒータ36bの一方の端面とにより、ガスセンサ1の厚さ方向の両側から挟み込まれるようにして、第1除湿材38aが配置されている。また、第2ヒータ36bの他方の端面に当接するようにして略円環板状の第2除湿材38bが配置されている。
各ヒータ36a,36bは、例えば導電性のセラミックス自体を発熱体とするセラミックヒータ、あるいは、例えば非導電性のセラミックスに導電性の金属の抵抗体を備えたセラミックヒータ等であって、互いに並列に接続された回路基板30によって通電されることでガス検出室27内および各素子31,32および各除湿材38a,38bを加熱するように設定され、例えば各除湿材38a,38bに対しては、第1ヒータ36aは第1除湿材38aを加熱し、は第1除湿材38aおよび第2除湿材38bを加熱する。
In addition, one surface of the
Each of the
そして、第2ヒータ36bの他方の端面とガス導入部29との間には、ガスセンサ1の厚さ方向に沿って基端部から先端部に向かい順次、略円環板状の第2除湿材38bと、略円板状の焼結フィルタ40と、ガス導入部29を覆う撥水フィルタ41とが配置されている。
各除湿材38a,38bは、例えばシリカゲル、ゼオライト、活性炭、活性アルミナ、吸水ポリマー、酸化ジルコニウム等のように雰囲気ガスの湿度状態に応じて物理的に水を吸着する吸着材からなり、水を吸着した除湿材38a,38bは各ヒータ36a,36b等により加熱されることで吸着した水を脱着して除湿材38a,38bの雰囲気ガス中に蒸発させることが可能であり、吸着および脱着の可逆性を有する吸着材とされている。
また、焼結フィルタ40および撥水フィルタ41は検査対象ガスを透過可能であって、出口側配管9内を流通するオフガスは、少なくとも焼結フィルタ40および撥水フィルタ41を透過してガス検出室27内に流通するようになっている。
And between the other end surface of the
Each
Further, the
なお、検出素子31は周知の素子であって、例えば図5に示すように、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31aの表面が、被検出ガスとされる水素に対して活性な貴金属等からなる触媒31bを坦持するアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。
温度補償素子32は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子31と同等のコイル32a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、被検出ガスである水素が検出素子31の触媒31bに接触した際に生じる燃焼反応の発熱により高温となった検出素子31と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず検出素子31よりも低温の温度補償素子32との間に電気抵抗値の差が生ずることを利用し、雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺して水素濃度を検出することができるようになっている。
The
The
And the
例えば図5に示すように、検出素子31(抵抗値R4)及び温度補償素子32(抵抗値R3)が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗41(抵抗値R1)及び固定抵抗42(抵抗値R2)が直列接続されてなる枝辺とが、外部の電源43から供給される電圧に基づいて所定の基準電圧を印加する基準電圧発生回路44に対して並列に接続されてなるブリッジ回路において、検出素子31と温度補償素子32同志の接続点PSと、固定抵抗41,42同志の接続点PRとの間に、これらの接続点PS,PR間の電圧を検出する検出回路45が接続されており、さらに、検出回路45には出力回路46が接続されている。
For example, as shown in FIG. 5, a branch side in which a detection element 31 (resistance value R4) and a temperature compensation element 32 (resistance value R3) are connected in series, a fixed resistance 41 (resistance value R1), and a fixed resistance 42 (resistance value) In a bridge circuit in which a branch edge having a value R2) connected in series is connected in parallel to a reference
ここで、ガス検出室27内に導入された検査対象ガス中に被検出ガスである水素が存在しないときには、ブリッジ回路はバランスしてR1×R4=R2×R3の状態にあり、検出回路45の出力がゼロとなる。一方、水素が存在すると、検出素子31の触媒31bにおいて水素が燃焼し、コイル31aの温度が上昇し、抵抗値R4が増大する。これに対して温度補償素子32においては水素は燃焼せず、抵抗値R3は変化しない。これにより、ブリッジ回路の平衡が破れて検出回路45に、水素濃度の増大変化に応じて増大傾向に変化する適宜の電圧が印加される。この検出回路45から出力される電圧の検出値は出力回路46へ出力され、出力回路46は入力された検出値を制御装置2へ出力する。そして、制御装置2においては、この電圧の検出値の変化に応じて予め設定された水素濃度のマップ等に基づいて、水素濃度が算出される。
Here, when hydrogen, which is a gas to be detected, does not exist in the inspection target gas introduced into the
また、基準電圧発生回路44が接続された外部の電源43には、第1ヒータ36aおよび第2ヒータ36bに適宜の電圧を印加するヒータ電圧発生回路47が接続され、第1ヒータ36aおよび第2ヒータ36bは互いに並列にヒータ電圧発生回路47に接続されている。
A heater voltage generation circuit 47 that applies an appropriate voltage to the
制御装置2は、ガス検出室27内のセンサ37および各ヒータ36a,36bに接続され、例えばセンサ37から出力されるガス検出室27内の雰囲気ガスの温度状態や湿度状態、燃料電池5の負荷状態や運転状態等に応じて、各素子31,32および各ヒータ36a,36bの作動状態、例えば通電開始および通電停止の各タイミングや通電量等を制御する。このとき、制御装置2は、例えば各ヒータ36a,36bへ通電する電流値に対するフィードバック制御や、例えばスイッチング素子のオン/オフ動作等に基づくチョッパ制御(つまり、通電のオン/オフの切替制御)等によって各ヒータ36a,36bへの通電量を制御する。
例えば、制御装置2は、センサ37の検出温度に基づいて各ヒータ36a,36bへの通電を制御し、センサ37から検出されるガス検出室27内の温度が、少なくとも露点温度よりも高い所定温度範囲の温度となるように、また、センサ37から検出されるガス検出室27内の相対湿度が、例えば所定湿度範囲の相対湿度や、例えば予め作成されたガス検出室27内の温度状態に応じた相対湿度のマップ等から得られる相対湿度の検索値等となるように、各ヒータ36a,36bへの通電開始および通電停止のタイミングや通電量を制御する。
The
For example, the
さらに、制御装置2は、センサ37により検出されるガス検出室27内の温度状態に加えて、例えば燃料電池5の運転状態(つまり、燃料電池5の作動開始や作動停止を含む作動状態)や、例えば燃料電池5の運転時における負荷状態、例えば燃料電池5に対する発電指令(FC出力指令値)や、例えば出力電流センサ(図示略)により検出される燃料電池5の出力電流の電流値や、例えば流量センサ(図示略)等により検出されるエアーコンプレッサ(図示略)から燃料電池5へ供給される空気の流量の検出値等に基づき算出される燃料電池5の発電状態に応じて各ヒータ36a,36bへの通電量を制御する。
例えば、制御装置2は、燃料電池5の負荷状態が高負荷状態に変化する場合等において、酸素極側の出口側配管9内を流通するオフガスの流量が増大してオフガスに曝されるガスセンサ1のガス検出室27内の温度が低下したり、例えば燃料電池5にて生成されオフガスに含まれる生成水の量が増大してガス検出室27内の相対湿度が増大する虞がある場合には、各ヒータ36a,36bへの通電量を増大させてガス検出室27内の温度を上昇させることでガス検出室27内に結露が発生することを防止する。一方、燃料電池5の負荷状態が低負荷状態に変化する場合等においては、制御装置2は、各ヒータ36a,36bへの通電量を低下させて過剰なエネルギ消費を抑制する。
Further, in addition to the temperature state in the
For example, when the load state of the fuel cell 5 changes to a high load state, for example, the
また、制御装置2は、燃料電池5の作動停止時等において、例えば各出口側配管8,9内を流通するオフガスの流量が増大させられて燃料電池システム内に残留する水が外部に排出されるパージ処理が実行される場合には、各ヒータ36a,36bへの通電量を増大させ、ガス検出室27内の温度を一時的に上昇させることでガス検出室27内の雰囲気ガスの飽和水蒸気量を増大させ、ガス検出室27内に結露が発生することを防止する。
また、制御装置2は、燃料電池5の作動開始時において、酸素極側の出口側配管9内におけるオフガスの流通開始に先立って、ガスセンサ1の各素子31,32と、各ヒータ36a,36bとに対する通電を開始し、燃料電池5の作動停止時において、酸素極側の出口側配管9内におけるオフガスの流通を停止した後に、ガスセンサ1の各素子31,32と、各ヒータ36a,36bとに対する通電を停止する。
Further, when the operation of the fuel cell 5 is stopped, for example, the
In addition, when the operation of the fuel cell 5 is started, the
次に、上述した実施の形態のガスセンサ1の作用について説明する。
ガス検出室27内に配置された各除湿材38a,38bは、ガス検出室27内の雰囲気ガスの湿度状態に応じて水の吸着または脱着を行う。
例えば、ガスセンサ1の作動時において各ヒータ36a,36bへの通電が実行されている際には、ガス検出室27内の温度が相対的に高くなることに伴い、ガス検出室27内の相対湿度が低下し、各除湿材38a,38bは水が脱着した状態、つまり吸着可能な水の量が増大した状態となる。
そして、燃料電池5の作動停止に伴い、酸素極側の出口側配管9内におけるオフガスの流通が停止された後に各ヒータ36a,36bへの通電が停止されると、ガス検出室27内の温度が低下することに伴い、ガス検出室27内の相対湿度が増大する。このとき各除湿材38a,38bは吸着可能な水の量に応じて、ガス検出室27内の雰囲気ガス中の水蒸気を含む水を吸着する。これにより、ガス検出室27内において結露が発生すること、つまりガス検出室27内の相対湿度が100%に到達したり、ガス検出室27内の温度が露点温度以下に低下することを防止することができると共に、たとえばガス検出室27内において局所的に温度が露点温度以下に低下して結露が発生した場合であっても、生成された結露水を各除湿材38a,38bにて吸着することができる。
Next, the operation of the gas sensor 1 according to the above-described embodiment will be described.
The
For example, when the
When the flow of the off gas in the
特に、ガス検出室27内において、相対的に結露が発生し易く、発生した結露が相対的に停滞し易い重力方向上方の領域と、各素子31,32との間の位置、つまりガス検出室27内の各素子31,32に対して、オフガスが導入されるガス導入部29の位置と反対側の位置に配置された第1除湿材38aは、第1ヒータ36aおよび第2ヒータ36bにより加熱されることで乾燥(つまり放湿)させられ、所望の吸着可能な水の量を確保することができ、例えば各素子31,32の鉛直方向上部等での結露の発生を抑制することができる。
また、ガス検出室27内の各素子31,32とガス導入部29との間において第2ヒータ36bが配置される位置よりもガス導入部29側にずれた位置に配置された第2除湿材38bは、各素子31、32の表面が曝される雰囲気ガスの相対湿度を低下させることができ、各素子31、32の表面上にて結露が生じることを防止することができる。
また、ガス検出室27の内壁面27B上を覆うようにして第2ヒータ36bが配置されることによって、ガス検出室27内において相対的に熱伝導率が高い金属等により形成されることによって結露が発生しやすい筒状部26近傍の内壁面27B上において、結露の発生を抑制することができる。
In particular, in the
Further, the second dehumidifier disposed between the
In addition, the
上述したように、本実施の形態によるガスセンサ1によれば、ガス検出室27内の雰囲気ガスの温度状態や湿度状態、さらに各素子31,32の表面の温度状態を変更可能な各ヒータ36a,36bの作動が停止されることに伴って雰囲気ガスや各素子31,32の表面の温度が低下する場合であっても、各除湿材38a,38bによってガス検出室27内の雰囲気ガス中の水蒸気を含む水を吸着することができ、ガス検出室27内の雰囲気ガスの相対湿度を低下させ、ガス検出室27内の雰囲気ガスや各素子31,32の表面の温度が露点温度以下に低下してしまうことを抑制し、ガス検出室27内にて結露が発生することを抑制することができる。
また、例えば各ヒータ36a,36bの作動停止による局所的な温度低下等に伴って結露が発生する場合であっても、発生した結露水を各除湿材38a,38bにて吸着することができ、次回の作動開始時にガスセンサ1に結露が発生している状態となることを防止することができると共に、次回の作動開始に備えてガス検出室27内の相対湿度を予め低下させておくことができる。
As described above, according to the gas sensor 1 of the present embodiment, the
Further, for example, even when dew condensation occurs due to a local temperature decrease due to the operation stop of each
また、例えば相対湿度が高いオフガス等によってガス検出室27内に水分が侵入した場合であっても、ガス検出室27の内壁面27Bを覆う第2ヒータ36bによりガス検出室27内の相対湿度を低下させることができる。
しかも、相対的に結露が発生し易く、発生した結露が相対的に停滞し易い、各素子31,32の裏側の位置、つまり各素子31,32に対して、オフガスが導入されるガス導入部29の位置と反対側の位置に第1除湿材28aを配置することにより、生成された結露水を吸着することができ、被検出ガスである水素のガス濃度の検出精度が低下してしまったり、例えば各素子31,32の表面に水が付着した状態で通電されることによって、素子破損や劣化が生じてしまうことを防止することができる。
Further, even when moisture enters the
In addition, the position of the
しかも、各素子31,32および各抵抗41,42からなる検出部と、各ヒータ36a,36bとに対して、共通の電源43によって電力を供給することにより、回路系の構成を簡略化することができる。
In addition, the configuration of the circuit system can be simplified by supplying electric power from the
なお、上述した実施の形態において、ガスセンサ1を水素センサとしたが、これに限定されず、その他のガス、例えば一酸化炭素やメタン等の可燃性ガスを検出するガスセンサであってもよい。
また、上述した実施の形態においては、ガスセンサ1を接触燃焼式のセンサとしたが、これに限定されず、例えば半導体式等の他の方式によるセンサであってもよい。
また、上述した実施の形態においては、各素子31,32を接続してなる回路をブリッジ回路としたが、これに限定されず、例えば直列回路等のその他の回路であってもよく、検出素子31の抵抗値R4に関連した状態量として、所定接点間の電圧や電流の検出値が制御装置2へ出力されてもよい。
In the above-described embodiment, the gas sensor 1 is a hydrogen sensor. However, the present invention is not limited to this, and may be a gas sensor that detects other gases, for example, combustible gases such as carbon monoxide and methane.
In the above-described embodiment, the gas sensor 1 is a contact combustion type sensor. However, the gas sensor 1 is not limited to this, and may be a sensor of another type such as a semiconductor type.
In the above-described embodiment, the circuit formed by connecting the
1 ガスセンサ
27 ガス検出室
29 ガス導入部(導入部)
31 検出素子
36a 第1ヒータ(環状ヒータ)
36b 第2ヒータ(ヒータ、筒状ヒータ)
38a 第1除湿材(除湿材)
38b 第2除湿材(第2除湿材)
1
31
36b Second heater (heater, cylindrical heater)
38a First dehumidifying material (dehumidifying material)
38b Second dehumidifying material (second dehumidifying material)
Claims (3)
前記ガス検出室の内面の少なくとも1面を覆うヒータと、
前記ガス検出室内の前記検出素子に対して、前記被検出ガスが導入される導入部の位置と反対側の位置に配置され、可逆的に水を吸着および脱着可能な除湿材と
を備え、
前記ヒータとして、前記ガス検出室の内壁面を覆う筒状ヒータと、環状ヒータとを備え、
前記筒状ヒータおよび前記環状ヒータを、前記筒状ヒータと前記環状ヒータとにより、前記除湿材を両側から挟み込むように配置することを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor that detects a gas concentration of a gas to be detected included in the inspection target gas based on an electric resistance value of a detection element arranged in a gas detection chamber into which the inspection target gas is introduced,
A heater covering at least one of the inner surfaces of the gas detection chamber;
A dehumidifying material that is disposed at a position opposite to the position of the introduction part where the detection gas is introduced with respect to the detection element in the gas detection chamber, and that can reversibly adsorb and desorb water ,
As the heater, a cylindrical heater that covers the inner wall surface of the gas detection chamber, and an annular heater,
The gas sensor , wherein the cylindrical heater and the annular heater are arranged so as to sandwich the dehumidifying material from both sides by the cylindrical heater and the annular heater .
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