JP4606948B2 - ガスセンサ - Google Patents
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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、従来、例えばガス検出素子と温度補償素子とを収容する筒状のケースの内部に筒型のヒータを配置し、このヒータの放熱面をなす内壁面によってガス検出素子および温度補償素子の周囲を取り囲むように設定するガスセンサが知られている(例えば、特許文献2参照)。
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。
しかも、ガス検出室に付加的にヒータを設ける必要が無いことから、ガスセンサの大きさが過剰に増大することを抑制しつつ、検査対象ガスが導入されるガス検出室内の検出空間の大きさを増大させることができ、検出空間の温度状態や湿度状態が急激に変動することを抑制し、ガス検出室内の雰囲気ガスや検出素子の表面の温度が露点温度以下に急激に低下してしまうことを抑制することができる。また、検出空間の大きさを増大させることによって、ガス検出室内に導入される検査対象ガスの量を増大させることができ、検査対象ガスに対する検出精度を向上させることができる。
さらに、請求項3に記載の本発明のガスセンサでは、前記ヒータは、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、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である。
さらに、請求項4に記載の本発明のガスセンサは、前記ガス検出室の内周面に当接する円筒状の除湿材(例えば、実施の形態による除湿材37)を備える。
さらに、請求項5に記載の本発明のガスセンサは、前記フランジ部の内周部に密接するゴムからなる防水栓を備え、円環板状の前記ベース部の外周面は前記ガス検出室の内周壁面に当接している。
さらに、請求項6に記載の本発明のガスセンサは、前記筒状部を覆う断熱カバーを備える。
さらに、請求項4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を直接的に加熱し、乾燥(つまり放湿)させることで所望の吸着可能な水の量を確保することができる。
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。
そして、筒状部26の内部はガス検出室27として形成され、筒状部本体26aの基端側の内部側面には、内側に向かってセラミックスからなる基端側フランジ部28aが一体に形成され、基端側フランジ部28aの内周部分がステー配設部29として開口形成されている。
また、筒状部先端部26bの内部側面には、内側に向かってセラミックスからなる先端側フランジ部28bが一体に形成され、先端側フランジ部28bの内周部分がガス導入部27aとして開口形成されている。
つまり、ガス検出室27はセラミックヒータをなす筒状部本体26aにより形成され、筒状部本体26aの内周面26Aによってガス検出室27の内周壁面が形成されている。
4個の通電用のステー33は、筒状部本体26aに開口形成されたステー配設部29を封止する防水栓34と、ガス検出室27内に配置された略円環板状のベース部35とを貫通した状態で、例えばベース部35により固定されている。
また、略円環板状のベース部35はガス検出室27内の基端部に配置され、ベース部35の外周面は、ガス検出室27の内周壁面をなす筒状部本体26aの内周面26Aに当接している。
また、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。
そして、各素子31,32は、略円環板状のベース部35およびステーカバー36の各貫通孔35a,36a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35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。
なお、略円環板状のステーカバー36の外周面は、ガス検出室27の内周壁面をなす筒状部本体26aの内周面26Aに当接している。
なお、除湿材37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37はセラミックヒータをなす筒状部本体26aによって直接的に加熱されることで吸着した水を脱着して除湿材37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。
焼結フィルタ39および撥水フィルタ40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39および撥水フィルタ40を透過して外周ケース38内およびガス検出室27内に流通するようになっている。
また、焼結フィルタ39と基端側フランジ部28aとを離間させて配置することで、各素子31,32周辺の結露の発生を抑制することができる。
なお、外周ケース38の外周面にはシール材38cが取り付けられ、このシール材38c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。
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。
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、筒状部本体26aおよび基端側フランジ部28a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、筒状部本体26aおよび基端側フランジ部28aとに対する通電を停止する。
例えば、ガスセンサ1の作動時においてセラミックヒータをなす筒状部本体26aおよび基端側フランジ部28a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、除湿材37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。
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除湿材37により吸着することができる。
しかも、ガス検出室27の内周壁面自体がセラミックヒータの筒状部本体26aにより形成されていることによって、例えば筒状部26が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くなる場合に比べて、ガス検出室27の内周壁面上での結露の発生を抑制することができる。
この変形例によれば、ガス検出室27内の温度状態が急激に変動することを抑制し、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急激に低下してしまうことを抑制することができる。
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。
27 ガス検出室
26a 筒状部本体(ヒータ)
28a 基端側フランジ部(ヒータ)
31 検出素子
37 除湿材
Claims (6)
- 検査対象ガスが導入されるガス検出室内に配置された検出素子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、
前記ガス検出室は、筒状部および該筒状部の基端側の内部側面から内側に向かって突出するフランジ部により形成され、
前記筒状部および前記フランジ部と一体に構成されたヒータを備え、
前記検出素子に接続された通電用のステーを固定するベース部の外壁は、前記筒状部および前記フランジ部の少なくとも一方に当接しており、
前記筒状部の軸線方向は重力方向であって、前記ガス検出室において前記検査対象ガスが導入されるガス導入部は前記重力方向の下側に設けられ、
前記フランジ部は前記検出素子よりも前記重力方向の上側に位置することを特徴とするガスセンサ。 - 前記筒状部および前記フランジ部は一体に形成されていることを特徴する請求項1に記載のガスセンサ。
- 前記ヒータは、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、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であることを特徴する請求項1または請求項2に記載のガスセンサ。
- 前記ガス検出室の内周面に当接する円筒状の除湿材を備えることを特徴する請求項1から請求項3の何れか1つに記載のガスセンサ。
- 前記フランジ部の内周部に密接するゴムからなる防水栓を備え、円環板状の前記ベース部の外周面は前記ガス検出室の内周壁面に当接していることを特徴する請求項1から請求項4の何れか1つに記載のガスセンサ。
- 前記筒状部を覆う断熱カバーを備えることを特徴する請求項1から請求項5の何れか1つに記載のガスセンサ。
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