JP5113391B2

JP5113391B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP5113391B2
Application number: JP2007009942A
Authority: JP
Inventors: 英俊大石; 強江口; 孝佐々木; 昭博鈴木; 俊二塚林
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2027-01-19
Also published as: JP2008175711A; US8815161B2; US20080175759A1

Description

本発明は、例えば燃料電池システムに用いられるガスセンサに関する。

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アノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックを備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、アノード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カソードまで移動して、カソード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。
また、このような固体高分子膜側燃料電池等の燃料電池においては、カソードから排出される未反応の空気（オフガスという）は系外に排出するのが一般的であるが、その場合には、オフガス中に水素ガスが存在しないことを確認する必要がある。このとき、水素ガスの存在を確認する水素センサを用いて監視している。
このような水素センサに用いられるガスセンサとしては、ガス検出素子が設置されたガス検出室が設けられ、ガス検出室の外部に設けられた回路基板と、ガス検出素子とを接続するように構成したものが提案されている（特許文献１参照）。
国際公開第０３／０４２６７８号パンフレット

しかしながら、特許文献１に記載のガスセンサでは、ガス検出素子が比較的高温多湿な環境に曝される場所に設置されると、制御用の回路基板に搭載されるＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）やマイコン（ＭｉｃｒｏＣｏｍｐｕｔｅｒ）の耐熱性および耐湿性が問題になるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池システムなど高温多湿の環境で使用するのに好適なガスセンサを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、一方の開口端側をガス検出口とするとともに、内部にガス検出室を有する筒状のガス検出素子ケースと、前記ガス検出室に配置され、ガスを検出するガス検出素子と、前記ガス検出素子ケースの他方の開口端側に配置されるとともに、前記ガス検出素子と電気的に接続されるガス検出素子駆動回路基板と、前記ガス検出素子駆動回路基板を介して前記ガス検出素子を制御する制御回路基板と、前記ガス検出室に設けられるヒータと、前記ガス検出素子駆動回路基板の他方側に、前記ガス検出素子駆動回路基板と離間させつつ前記制御回路基板を配置するセンサケースと、前記ガス検出素子駆動回路基板を覆うとともに、前記ガス検出室の湿分が前記制御回路基板側に漏出しないようにする防湿材と、を備え、前記防湿材と前記制御回路基板との間には空間が形成されていることを特徴とする。

これによれば、ＩＣやマイコンなどが搭載された制御回路基板を高温多湿な環境とは分離できるので、ガスセンサとしての機能の長寿命化を図ることが可能になる。

請求項２に係る発明は、前記ガス検出素子ケース、前記ガス検出素子、および前記ガス検出素子駆動回路基板は、サブアッセンブリされた後に前記センサケースに取り付けられ、前記ガス検出素子駆動回路基板と前記制御回路基板とを通信線にて接続したことを特徴とする。なお、サブアッセンブリとは、センサケースに組み付ける前の、ガス検出素子ケースとガス検出素子とガス検出素子駆動回路基板とを互いに組み付けて一つの部品として構成することを意味している。

これによれば、ガス検出素子およびガス検出素子駆動回路基板が設けられたガス検出素子ケースを、制御回路基板が設けられたセンサケースとは独立に構成することで、制御回路基板を含むセンサケースに組み付けた状態にしないでガス検出素子の特性を取得することが可能になり、作業性の向上を図ることが可能になる。

請求項３に係る発明は、前記ヒータは、サブアッセンブリされることを特徴とする。なお、この場合のサブアッセンブリとは、ヒータを含めてガス検出素子ケースに、ガス検出素子とガス検出素子駆動回路基板とともに組み付けて一つの部品として構成することを意味している。

これによれば、ヒータを含むガス検出素子ケースを、制御回路基板を含むセンサケースに組み付ける状態にする前に、ヒータの特性を取得することが可能になる。

請求項４に係る発明は、前記ガス検出室内には温度センサが設けられ、前記温度センサもサブアッセンブリされることを特徴とする。なお、この場合のサブアッセンブリとは、温度センサを含めてガス検出素子ケースに、ガス検出素子とガス検出素子駆動回路基板とともに組み付けて一つの部品として構成することを意味している。

これによれば、温度センサを含むガス検出素子ケースを、制御回路基板を含むセンサケースに組み付ける状態にする前に、温度センサの特性を取得することが可能になる。

請求項５に係る発明は、前記ガス検出室内には湿度センサが設けられ、前記湿度センサもサブアッセンブリされることを特徴とする。なお、この場合のサブアッセンブリとは、湿度センサを含めてガス検出素子ケースに、ガス検出素子とガス検出素子駆動回路基板とともに組み付けて一つの部品として構成することを意味している。

これによれば、湿度センサを含むガス検出素子ケースを、制御回路基板を含むセンサケースに組み付ける状態にする前に、湿度センサの特性を取得することが可能になる。
請求項６に係る発明は、前記ガス検出素子ケースと前記センサケースとの間には、Ｏリングが配置されることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池システムなど高温多湿の環境で使用するのに好適なガスセンサを得ることができる。

図１は本実施形態のガスセンサを示す平面図、図２は図１のＸ１−Ｘ１線での切断断面図、図３はガス検出室の内部を示す斜視図である。なお、本実施形態のガスセンサ１は、例えば、燃料電池システムにおいて燃料電池から排出されたオフガスが流れるオフガス配管５０（図２参照）中の水素濃度を検出する場合や、その他、燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車の車内の水素濃度を検出する場合に使用される。

図１に示すように、本実施形態のガスセンサ１は、ガス検出素子２，２、温度湿度センサ３、熱遮蔽板４が設けられたガス検出素子駆動回路基板５（図２参照）を収容するガス検出素子ケース１０を備え、このガス検出素子ケース１０がセンサケース２０に組み付けられて構成されている。なお、この例でのセンサケース２０は、筒状の一例として略四角状をしている。

図２に示すように、前記ガスセンサ１は、ガス検出素子ケース１０の一方（図示下側）の開口端側にガス検出口１１が設けられ、他方（図示上側）の開口端側（あるいはガス検出素子ケース１０の中程）にガス検出素子２，２が設けられたガス検出素子駆動回路基板５を配置して構成されたガス検出室１２を有している。すなわち、ガス検出室１２は、ガス検出素子駆動回路基板５とガス検出素子ケース１０とで囲まれている領域である。

前記ガス検出素子２，２は、オフガス配管５０内を流れるオフガス中の水素濃度を検出する素子であり、前記ガス検出室１２内に位置するように配置されている。さらに詳述すると、各ガス検出素子２は、金属製のステー２ａ，２ａを介してガス検出素子駆動回路基板５と接続されるようにして支持されている。

なお、ガス検出素子２の種類及び数並びに配置は、水素濃度の検出方式に応じて決定される。例えば、水素の検出方式がガス接触燃焼式である場合には、ガス検出素子２，２は検出素子と温度補償素子との対により構成される。この検出方式の場合には、水素（検出対象ガス）が触媒に接触した際に生じる燃焼反応の発熱により高温となる検出素子と、水素（検出対象ガス）による燃焼反応が発生しない温度補償素子との間の電気抵抗値の相違を利用して水素濃度が検出される。

また、水素の検出方式が半導体方式である場合には、ガス検出素子２は、検出素子と検出素子との対により構成される。この検出方式の場合には、水素が各素子表面の酸素と接触・離脱した際に発生する抵抗値に基づいて水素濃度が検出される。なお、前記したガス検出素子２は、前記したガス接触燃焼式のものと半導体方式のものの双方を備えたものであってもよい。

前記温度湿度センサ３は、温度センサと湿度センサとが一体に構成されたものであり、ガス検出素子駆動回路基板５と接続され、ガス検出室１２内の温度および湿度を検出するものである。この温度湿度センサ３の温度センサは、ガス検出素子２が設置されている環境温度が変化した場合、ガス検知感度の出力を補正するためのものである。つまり、温度センサは、電気抵抗値が温度によって変化するので、雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺するために設けられているものである。

また、温度湿度センサ３の湿度センサは、例えばガス接触燃焼式の場合、ガス検出素子２に用いられている触媒が高湿度の状態に長時間曝されると触媒が劣化するので、後記するヒータ３２を加熱してガス検出室１２内を加熱することにより、ガス検出素子２の触媒に湿分が付かないようにしている。つまり、湿度センサは、湿度を制御するヒータ３２のために設けられているものである。

なお、ガス検出素子２がガス接触燃焼式の場合には、温度湿度センサ３が温度補償素子としてのガス検出素子２の側に設置される。また、ガス検出室１２内に設けられるセンサは、温度湿度センサ３に限定されるものではなく、温度センサのみであってもよい。

前記熱遮蔽板４は、検知素子としてのガス検出素子２と温度補償素子としてのガス検出素子２とのお互いの発熱の影響を最小限にするための放射発熱を防止する板材である。この熱遮蔽板４は、特にガス接触燃焼式の場合に必要になる。なお、この熱遮蔽板４の材質としては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やナイロンなどの樹脂、アルミなどの金属などにより形成することができる。

前記ガス検出素子ケース１０は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、エポキシなどの樹脂または金属などによって、両端が開口した円筒状（図３参照）に形成されている。また、ガス検出素子ケース１０の内側には、所定の幅（高さ）で突出する凸状体１０ａが周方向に沿って形成されている。この凸状体１０ａは、その上面部１０ａ１がガス検出素子ケース１０の高さ方向（上下方向）の略中央部で、かつ、その下面部１０ａ２がガス検出素子ケース１０の下端よりも若干上側に位置するように形成されている。

図２および図３に示すように、前記ガス検出素子ケース１０のガス検出口１１には、撥水フィルタ４１と防爆フィルタ４２とからなる積層体４０が設けられている。なお、オフガス配管５０側（下側）に設けられているのは撥水フィルタ４１であり、ガス検出室１２側（上側）に設けられているのは防爆フィルタ４２である。これら撥水フィルタ４１および防爆フィルタ４２は、その周縁部の上面が前記凸状体１０ａの下面部１０ａ２に当接して、ガス検出口１１に蓋をするようにガス検出素子ケース１０に取り付けられている。

前記撥水フィルタ４１は、ガスを透過しつつ、ガスに含まれる液体を通過しないフィルタであり、例えば、テトラフルオロエチレン膜から構成される。これにより、気体状のオフガスをガス検出室１２に取り込みつつ、オフガス中に含まれる液体の水分が撥水フィルタ４１ではじかれ、ガス検出室１２内に浸入しないようになっている。

前記防爆フィルタ４２は、防爆性を確保するためのフィルタであり、例えば、液体状の水を通すことが可能な程度の金属製のメッシュや多孔質体から構成される。

また、ガス検出素子ケース１０の他方（上側）の開口端側には、ガス検出素子駆動回路基板５が設けられている。このガス検出素子駆動回路基板５は、例えば円板状に形成され、その周縁部の下面がガス検出素子ケース１０の凸条体１０ａの上面部１０ａ１に当接して蓋をするようにして取り付けられている。

前記ガス検出素子駆動回路基板５は、ガラスエポキシ樹脂基板やセラミック基板などで構成され、その基板上に、前記した一対のガス検出素子２，２とともに、温度湿度センサ３および熱遮断板４が設けられている。すなわち、ガス検出素子２とガス検出素子２とが所定の間隔を置いて各ステー２ａが直線状に並ぶように配置され、その間に温度湿度センサ３と熱遮断板４とが並んで配置されている。

また、ガス検出素子駆動回路基板５には、ガス検出室１２の外側（図示上側）に防湿材３１が積層されている。この防湿材３１は、防湿性のある材料、例えばエポキシ樹脂やウレタン樹脂などで形成され、ガス検出室１２内の湿分（湿度）が後記する制御回路基板３０側に漏出しないように構成されている。なお、防湿材３１は、防湿性のある材料の層のみで形成されているものに限定されず、耐熱性などの他の特性のある材料が積層されていてもよい。

また、前記したガス検出室１２内には、ヒータ３２が設けられている。このヒータ３２は、ガス検出素子ケース１０の凸状体１０ａの側壁１０ａ３に沿って円筒状に形成され、かつ、側壁１０ａ３の下縁部においてガス検出室１２の中心部へ屈曲して断面がＬ字型となるように形成されている。また、ヒータ３２は、図示しない配線を介してガス検出素子駆動回路基板５と電気的に接続されている。なお、ここで用いられるヒータ３２としては、ＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータ、焼結体ヒータ、薄いＳＵＳ板で構成されたヒータ、ニクロム線で構成されたヒータなどから選択することができる。

ちなみに、ガス検出素子２がガス接触燃焼式の場合、ヒータ３２を加熱することで、ガス検出室１２の側壁部分の結露を防止するとともに、熱伝導によって、ガス検出素子２，２そのものを温めて、かつ、ガス検出素子２，２に空気を介して熱を受熱させることでガス検出素子２，２の周辺部の結露も防止することができる。

また、ガス検出口１１に一旦浸入した水分は、ヒータ３２を加熱してガス検出室１２を加熱することにより、ガス検出室１２内の圧力が上昇して、ガス検出室１２内の湿気がガス検出室１２の外部、つまりオフガス配管５０（図２参照）へと放出される。

前記センサケース２０は、ポリフェニレンサルファイドなどの樹脂で略四角状（図１参照）に形成され、中央部に取付穴２１が貫通して形成されている。そして、取付穴２１内には、制御回路基板３０が水平に取り付けられている。また、センサケース２０の両端には、図１に示すように、固定部２２，２２が形成され、この固定部２２，２２にねじ穴２２ａ（図２参照）が形成されている。各ねじ穴２２ａにボルト２３が挿入され、ボルト２３がオフガスの流れるオフガス配管５０に締結されることで、ガスセンサ１がオフガス配管５０に固定されるようになっている。

前記制御回路基板３０は、ガス検出素子駆動回路基板５を介してガス検出素子２，２を制御する機能を有し、ガラスエポキシ樹脂基板やセラミック基板などから形成された基板に、ガス検出素子２によって検出された水素濃度がいくらであるかの信号を生成するのに必要なマイコン（マイクロコンピュータ）などが実装されて構成されている。このマイコン内には、湿度や熱の影響を受けるＩＣなどが含まれている。このように、本実施形態のガスセンサ１では、制御回路基板３０には防湿すべきマイコンが搭載され、前記したガス検出素子駆動回路基板５にはそのようなものが搭載されていない構成となっている。また、制御回路基板３０には、湿度管理のための温度湿度センサ３からの湿度信号情報からヒータ３２を制御する制御回路（例えば、ヒータ３２への通電をオンオフ切替制御する回路）などが実装されている。

前記したガス検出素子２，２、温度湿度センサ３およびヒータ３２が設けられたガス検出素子駆動回路基板５と、撥水フィルタ４１および防爆フィルタ４２の積層体４０とが取り付けられたガス検出素子ケース１０は、センサケース２０の取付穴２１に、ガス検出素子ケース１０の先端（下端）がセンサケース２０の下面から若干突出した状態で挿入され、Ｏ（オー）リング２４ａを介して装着される。これにより、オフガス配管５０を流れるオフガスが、ガス検出素子ケース１０とセンサケース２０との隙間から漏れ出ないようになっている。また、ガス検出素子ケース１０は、オフガス配管５０に形成された貫通孔５１に、その先端部分がオフガス配管５０の内壁から若干突出した状態（あるいは先端部分がオフガス配管５０の内壁と略同一面になる状態）で、ガス検出素子ケース１０とオフガス配管５０との間において、Ｏ（オー）リング２４ｂを介して装着されている。これにより、オフガス配管５０内を流れるオフガスが、オフガス配管５０とセンサケース２０との隙間から漏れ出ないようになっている。

前記のようにして、ガス検出素子２，２を備えたガス検出素子ケース１０をセンサケース２０に取り付けた後、制御回路基板３０に、ガス検出素子駆動回路基板５から延びるように形成された通信線３３をはんだ付けなどで接続する。なお、ガス検出素子駆動回路基板５と制御回路基板３０との接続手段としては、はんだ付けに限定されるものではなく、制御回路基板３０側にコネクタ形状の差込口を設けて、その差込口に通信線をコネクタ接続するようにしてもよい。

また、センサケース２０は、蓋体２６を有し、この蓋体２６でセンサケース２０の上部に開口する取付穴２１の全体を覆って、センサケース２０の取付穴２１を密閉するように構成されている。なお、蓋体２６は、ＰＰＳ樹脂などで構成することができる。このように蓋体２６を設けることにより、ガスセンサ１の外部からの被水などから制御回路基板３０を防御することができる。なお、制御回路基板３０の表面（上面）をエポキシ樹脂などのコーティング材で被覆することにより、蓋体２６を不要にしてもよい。

このように本実施形態のガスセンサ１によれば、ガス検出素子駆動回路基板５と制御回路基板３０とを分割構成とすることにより、マイコンなどが実装された制御回路基板３０を高温多湿な環境と分離することが可能となり、ガスセンサ１としての機能の長寿命化が図れるようになる。

また、本実施形態のガスセンサ１によれば、ガス検出素子２、ガス検出素子駆動回路基板５およびガス検出素子ケース１０をサブアッセンブリした後に、ガス検出素子ケース１０をセンサケース２０に取り付けるようにして、ガス検出素子駆動回路基板５を備えたガス検出素子ケース１０と、制御回路基板３０を備えたセンサケース２０とを独立に構成することにより、ガス検出素子ケース１０の状態で水素（検出対象ガス）の感度校正を行って、ガス検出素子２の特性を取得することが可能になる。その結果、ガス検出素子ケース１０をセンサケース２０に組み付けてガスセンサとして完成した状態で特性を取得して、その特性がＮＧで廃棄処分になる場合よりも、製造コストを低減することが可能になる。なお、この場合の特性とは、水素（検出対象ガス）の濃度と温度との関係、または温度と電気抵抗値との関係などである。

また、本実施形態のガスセンサ１によれば、ヒータ３２を、ガス検出素子２とともにガス検出素子ケース１０に組み付けた（サブアッセンブリした）状態にしているので、制御回路基板３０を含むセンサケース２０に組み付けることなく、ヒータ３２の特性を取得することが可能になる。また、前記と同様に、完成品としてのガスセンサにする前に特性を取得することができるので、製造コストを低減することが可能になる。

また、本実施形態のガスセンサ１によれば、温度湿度センサ３を、ガス検出素子２とともにガス検出素子ケース１０に組み付けた（サブアッセンブリした）状態にしているので、制御回路基板３０を含むセンサケース２０に組み付けることなく、温度湿度センサ３の特性を取得することが可能になる。また、前記と同様に、完成品としてのガスセンサで特性を取得する場合と比べて製造コストを低減することが可能になる。

なお、本実施形態は、前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、ガス検出素子駆動回路基板５のガス検出室１２側の面に防湿材（防湿性のある材料）３１Ａを積層するようにしてもよい。このように、防湿材３１Ａをガス検出室１２側に設けることにより、基板を湿気から保護することができるので、ガス検出素子駆動回路基板５の長寿命化を図ることが可能になる。

また、図５に示すように、制御回路基板３０に温度センサ２７を設置してもよい。これにより、ガス検出室１２側の温度湿度センサ３から得られる温度と比較して、ガス検出室１２側がより高温になっている場合には、ガス検出室１２内が結露環境になる可能性を予測して、ヒータ３２を適宜にＯＮにして結露を防止するなどの制御が可能になる。

本実施形態のガスセンサを示す平面図である。図１のＸ１−Ｘ１線での切断断面図である。ガス検出室の内部を示す斜視図である。本実施形態のガスセンサの変形例を示す断面図である。本実施形態のガスセンサの他の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１ガスセンサ
２ガス検出素子
３温度湿度センサ
５ガス検出素子駆動回路基板
１０ガス検出素子ケース
１１ガス検出口
１２ガス検出室
２０センサケース
３０制御回路基板
３１，３１Ａ防湿材（防湿性のある材料）
３２ヒータ
３３通信線

Claims

一方の開口端側をガス検出口とするとともに、内部にガス検出室を有する筒状のガス検出素子ケースと、
前記ガス検出室に配置され、ガスを検出するガス検出素子と、
前記ガス検出素子ケースの他方の開口端側に配置されるとともに、前記ガス検出素子と電気的に接続されるガス検出素子駆動回路基板と、
前記ガス検出素子駆動回路基板を介して前記ガス検出素子を制御する制御回路基板と、
前記ガス検出室に設けられるヒータと、
前記ガス検出素子駆動回路基板の他方側に、前記ガス検出素子駆動回路基板と離間させつつ前記制御回路基板を配置するセンサケースと、
前記ガス検出素子駆動回路基板を覆うとともに、前記ガス検出室の湿分が前記制御回路基板側に漏出しないようにする防湿材と、を備え、
前記防湿材と前記制御回路基板との間には空間が形成されていることを特徴とするガスセンサ。
前記ガス検出素子ケース、前記ガス検出素子、および前記ガス検出素子駆動回路基板は、サブアッセンブリされた後に前記センサケースに取り付けられ、前記ガス検出素子駆動回路基板と前記制御回路基板とを通信線にて接続したことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記ヒータは、サブアッセンブリされることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
前記ガス検出室内には温度センサが設けられ、前記温度センサもサブアッセンブリされることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
前記ガス検出室内には湿度センサが設けられ、前記湿度センサもサブアッセンブリされることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
前記ガス検出素子ケースと前記センサケースとの間には、Ｏリングが配置されることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のガスセンサ。