JP4833717B2 - 接触燃焼式ガスセンサとその検知素子および補償素子 - Google Patents
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Description
しかし、自動車部品に対しては、部品を結露させて凍結させたり、90℃の蒸気中に暴露しながらON−OFF動作を繰り返す等の過酷な試験が課される。これらの試験は、いずれも自動車部品に対して水分の印加が行われ、その耐久性が問われるものであるが、FCVに搭載される部品に対しても同様な耐久性が求められている。
そこで、その理由を簡単に説明する。従来の接触燃焼式ガスセンサにおける検知素子と補償素子は、図13に示したような断面構造を有しており、検知素子20においては、燃焼触媒層21の厚さ方向においても水素の燃焼活性を得るべく、水素の浸透が可能なスポンジ状の断面構造を有しており、燃焼触媒層21に対する水蒸気や細かな水滴などの進入は容易である。
補償素子の補償材料層はスポンジ状の断面構造を有してはいないが、その構成材料は「酸化スズ+酸化銅+その他」であり、親水特性自体は検知素子と同様である。
一方、検知素子と補償素子の燃焼触媒層や補償材料層の内側に位置する熱伝導層は、構造的に緻密であり、またその構成材料が「アルミナ+チタニア+窒化ホウ素+酸化ビスマスガラス+その他」などであり、これらの要因から疎水性を示す。
そのため、FCVメーカによっては、水素センサに水がかからないように専用環境を設定するなどの高コスト要因を含む対応をとっており、今後のFCV普及には水素センサ自体の耐水性能の向上が求められている。
この発明はこのような背景に鑑みてなされたものであり、接触燃焼式ガスセンサ自体の耐久性および耐水性能を高め、特別な環境を設定するなどの対策をとらなくても、FCVに搭載することも可能にすることを目的とする。そのために、耐久性および耐水性能が高い接触燃焼式ガスセンサ用検知素子と補償素子を提供し、さらに、その検知素子と補償素子を備えた接触燃焼式ガスセンサも提供する。
さらに、その熱伝導層の焼成材料に、白金とパラジウムの少なくとも一方を添加するとなおよい。
また、上記熱伝導層を形成する焼成材料の微粉を、酸化ビスマス系低融点ガラスで結着するのが望ましい。
その熱伝導層を、上記補償材料層の焼成材料より高温で焼成された酸化スズを主成分とする焼成材料の微粉によって形成するとよい。
さらに、上記熱伝導層を形成する焼成材料の微粉を、酸化ビスマス系低融点ガラスで結着するのが望ましい。
そして、上記第1の直列回路と第2の直列回路の接続点間に直流電圧を印加し、上記検知素子と補償素子との接続点と上記第1の抵抗素子と第2の抵抗素子との接続点との間の電圧を、検知対象ガスの検出信号として出力するようにしたものである。
種々の燃焼性ガスを上記検知対象ガスとすることができるが、水素ガスの検知に特に有効である。
まず、この発明による接触燃焼式ガスセンサ用検知素子と補償素子の実施例を図1〜図6を用いて説明する。
図1はその検知素子の長手方向に沿う断面図、図3はそのA−A線に沿う横断面図である。この検知素子10は、ヒータコイル13のビード部を熱伝導層12に埋設し、その熱伝導層12の表面に、検知対象ガスを接触により酸化燃焼させる触媒層である燃焼触媒層(酸化触媒層ともいう)11を被覆させている。
そのため、この検知素子10の熱伝導層12と燃焼触媒層11は、いずれも酸化スズを主成分とする焼成材料からなる。
このような、この発明の検知素子に使用する好ましい熱伝導層用材料を製造する工程を図6に示すフロー図によって説明する。
まず、スズ塩と鉄塩を水溶液化および乾燥して焼成する。そうして生成した酸化スズと酸化鉄からなる焼成材料に白金塩とパラジウム塩とを添加して再度焼成した微粉に、酸化ビスマス系低融点ガラスを混合して、熱伝導層用材料とする。
このように熱伝導層を変更した結果、検知素子10に結露が発生して凍結が起きた場合でも、従来発生した燃焼触媒層が熱伝導層の表面から欠落するようなことが無くなり、接触燃焼式ガスセンサ用検知素子の耐久性および耐水性能が大幅に高まった。
この補償素子30は、ヒータコイル33のビード部を熱伝導層32に埋設し、その熱伝導層32の表面に、補償材料層31を被覆させている。
この補償素子30のヒータコイル33と熱伝導層32は、検知素子10のヒータコイル13および熱伝導層12と同じ材料で同じ熱容量になるように構成される。したがって、ヒータコイル33は、白金線あるいは白金−ロジウム合金等の白金系合金線で作られる。
補償材料層31も、検知素子10の燃焼触媒層11と同じく酸化スズを主成分とする焼成材料に酸化銅などを添加することによって、燃焼触媒層11と同じ熱容量になるように形成される。しかし、酸化触媒となる白金やパラジウムは添加しない。
この補償素子30も、熱伝導層の材料を変更して補償材料層との物理的親和性を図ったので、補償素子30に結露が発生して凍結が起きた場合でも、従来発生した補償材料層が熱伝導層の表面から欠落するようなことが無くなり、接触燃焼式ガスセンサ用補償素子の耐久性および耐水性能が大幅に高まった。
この図7に示すセンサ本体1は、セラミックや樹脂からなる板状のマウントベース3を有し、そのマウントベース3を貫通する外部接続用の電極ピン4,5に、上述したこの発明による接触燃焼式ガスセンサ用検知素子10が、その両端から出ているヒータコイル13のリード部13a,13bを係着して固定されている。
この検知素子10と補償素子30は、マウントベース3と、ガス透過性を有する金網又は金属粉もしくはセラミック粉の焼結体からなる図示していない防爆構造体によって囲まれている。
センサ本体1の上述した検知素子(D素子)10と補償素子(C素子)30とが直列に接続された第1の直列回路と、第1の抵抗素子7と第2の抵抗素子8とを直列に接続した第2の直列回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成している。そして、第1の直列回路と第2の直列回路の接続点間に電源9によって直流電圧を印加し、検知素子10と補償素子30との接続点aと第1の抵抗素子7と第2の抵抗素子8との接続点bとの間の電圧Vout を検知対象ガスの検出信号として出力する。
燃料電池自動車(FCV)にこの接触燃焼式ガスセンサを搭載すれば、水素ガスの漏れを感度よく検知することができる。
その冷凍試験結果を表1、表2と図9、図10に示し、結露中電源ON−OFF試験結果を表3、表4と図11、図12に示す。検知対象ガスとしては水素(H2)ガスを用い、センサ出力変動の単位は〔H2/ppm〕である。
これに対し、表2と図10は、従来の熱伝導層仕様の検知素子と補償素子を使用した接触燃焼式ガスセンサの凍結試験の結果を示すデータであり、冷凍回数が400回を超えると、センサ出力変動が急激に増加して±500〔H2/ppm〕を超え、検知素子と補償素子のいずれか又は両方が破損し始めたことが判る。
表4と図12は、従来の熱伝導層仕様の検知素子と補償素子を使用した接触燃焼式ガスセンサの結露中電源ON−OFF試験結果を示すデータであり、結露中電源ON回数が4000回を超えると、センサ出力変動が急激に増加して±500〔H2/ppm〕を超え、検知素子と補償素子のいずれか又は両方が破損し始めたことが判る。
4,5:電極ピン 7:第1の抵抗素子 8:第2の抵抗素子
9:電源 10:検知素子 11:燃焼触媒層
12,12′:検知素子の熱伝導層 13:検知素子のヒータコイル
30:補償素子 31:補償材料層
32:補償素子の熱伝導層 33:補償素子のヒータコイル
Claims (9)
- 熱伝導層中にヒータコイルを埋設し、該熱伝導層の表面に検知対象ガスを接触により燃焼させる燃焼触媒層を被覆するか担持した接触燃焼式ガスセンサ用検知素子であって、
前記燃焼触媒層が酸化スズを主成分とする焼成材料からなり、前記熱伝導層が前記燃焼触媒層の焼成材料より高温で焼成された酸化スズを主成分とする焼成材料からなることを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ用検知素子。 - 前記熱伝導層が、前記燃焼触媒層の焼成材料より高温で焼成された酸化スズを主成分とする焼成材料の微粉によって形成されたことを特徴とする請求項1記載の接触燃焼式ガスセンサ用検知素子。
- 前記熱伝導層の焼成材料に、白金とパラジウムの少なくとも一方が添加されていることを特徴とする請求項1又は2記載の接触燃焼式ガスセンサ用検知素子。
- 前記熱伝導層を形成する焼成材料の微粉が、酸化ビスマス系低融点ガラスで結着されていることを特徴とする請求項2記載の接触燃焼式ガスセンサ用検知素子。
- 熱伝導層中にヒータコイルを埋設し、該熱伝導層の表面に補償材料層を被覆するか担持した接触燃焼式ガスセンサ用補償素子であって、
前記補償材料層が酸化スズを主成分とする焼成材料からなり、前記熱伝導層が前記補償材料層の焼成材料より高温で焼成された酸化スズを主成分とする焼成材料からなることを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ用補償素子。 - 前記熱伝導層が、前記補償材料層の焼成材料より高温で焼成された酸化スズを主成分とする焼成材料の微粉によって形成されたことを特徴とする請求項5記載の接触燃焼式ガスセンサ用補償素子。
- 前記熱伝導層を形成する焼成材料の微粉が、酸化ビスマス系低融点ガラスで結着されていることを特徴とする請求項6記載の接触燃焼式ガスセンサ用補償素子。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の接触燃焼式ガスセンサ用検知素子と、請求項5から7のいずれか一項に記載の接触燃焼式ガスセンサ用補償素子とを備え、
前記検知素子のヒータコイルと前記補償素子のヒータコイルとを直列に接続した第1の直列回路と、第1の抵抗素子と第2の抵抗素子とを直列に接続した第2の直列回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成し、
前記第1の直列回路と前記第2の直列回路の接続点間に直流電圧を印加し、前記検知素子と前記補償素子との接続点と前記第1の抵抗素子と前記第2の抵抗素子との接続点との間の電圧を、検知対象ガスの検出信号として出力するようにしたことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。 - 前記検知対象ガスが水素ガスである請求項8記載の接触燃焼式ガスセンサ。
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