JPWO2003042678A1 - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

接触燃焼式の水素センサであって、内部にガス検知室（３４）が形成された取り付け基板（２９）と、取り付け基板（２９）に設けられ出口側通路（２４）に向かって開口しガス検知室（３４）に水素ガスを導入する被検ガス導入口（３５）と、ガス検知室（３４）に収納され水素ガスを検出するガス検出素子（３９）と、被検ガス導入口（３５）を覆う撥水フィルタ（４４）とを備える。

Description

技術分野
この発明は、多湿環境で使用するの適したガスセンサ、より詳細にはセンサの防水、防滴構造に関する。
背景技術
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型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。
そこで、従来から、特公平６−５２６６２号公報や特開平６−２２３８５０号公報に見られるように、燃料電池のカソード側の排出系に水素検出器を設置し、この水素検出器によってオフガス中に水素ガスが存在していないことを確認するシステムが提案されている。
この水素検出器に、ガス接触燃焼式のガスセンサを用いることが考えられている。このガス接触燃焼式ガスセンサは、触媒が付着されている検出素子と触媒が付着されていない温度補償素子とを対として構成されており、被検知ガス（水素検出器の場合は水素）が触媒に接触した際に燃焼する熱を利用して検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から前記被検知ガスのガス濃度を検出するものである。
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、燃料電池に供給する反応ガス（水素や空気）を積極的に加湿し、さらに、燃料電池の発電時には電気化学反応により生成水が生成される。したがって、前記オフガスは加温水や生成水を含んでおり、水素検出器はこれらの水を含んだオフガスに晒されることとなる。
しかしながら、水素検出器の検出素子としては、接触燃焼式のガスセンサなど加温状態で動作するものが多用されているため、検出素子に加温水や生成水等が付着すると、検出素子の表面に局所的な温度分布の不均一が発生し、感度低下や素子破壊等の虞がある。
このような問題を解消するため、特開２０００−１８７０１４号公報に見られるように、センサを収容する容器のガス取り入れ口に透気性防水膜とシリカ多孔質板を配置することが提案されている。
しかしながら、水素検出器の検出素子に加温水や前記生成水等が付着すると、検出素子表面に局所的な温度分布の不均一が発生し、感度低下や素子破壊等の虞がある。
また、固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池のオフガスが流れる排気管路には前述したように高温多湿、例えば温度が９０℃程度、相対湿度が１００％程度の流体が流れている。このような排気管路に加温状態で使用する接触燃焼式のガスセンサ等を取り付けると、センサ取付け口での放熱量が大きくなるため、センサ近傍の温度が露点以下に低下してセンサ内に水滴が生じるという問題がある。
このような問題を解消するため、特開平８−２３３７６３号公報に見られるように、センサを多孔質材のキャップに収容してその周囲にヒータを配置したり、断熱材により保温することも行われているが、加熱や断熱のための付帯設備の工事が必要となり、センサ取付けにコストがかかったり、また小型化が困難であるという問題がある。
また、排気管路からサンプリング流路により被検知ガスを取出し、除湿手段を経由させてからセンサに導くことも考えられる水が、装置構成が大がかりとなるばかりでなく、測定値を除去した水分量で補正する必要があり、信号処理が複雑化するという問題がある。
前記従来技術においては、多孔質のキャップに被検知ガス内の水分が付着して凝結した場合には、この凝結水がガス検出素子に接触して素子表面に部分的な温度分布の不均一が発生し素子破壊や感度低下を生ずることがあるという問題がある。
また、キャップを介して流れ込む被検知ガスをガス検出素子及び補償素子に対して均一に導き入れて接触させることができない場合には、流れ込む被検知ガスの流量のアンバランスがそのまま検出温度に影響して検出精度が低下するという問題がある。
また、被検知ガスの流れに晒されて熱を奪われる傾向にあるキャップを必要温度に維持するためには多くの熱量を必要とし、その結果ガスセンサの消費電力が多くなるという問題がある。
そこで、この発明の目的は、流路を流れるガス中に含まれる水分がガス検出室内に浸入するのを阻止して検出素子の被水を防止して、同時にガス検出室内に凝結水が発生するのを確実に防止して感度低下や素子破損を防止することができるガスセンサを提供するものである。
発明の開示
第１の本発明は、被検知ガスが触媒に接触した際に燃焼する熱を利用し、検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から被検知ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式のガスセンサにおいて、前記検出素子と温度補償素子を収容するケースの被検知ガス導入口に撥水フィルタを配置するとともに、被検知ガス導入口と前記素子との間に被検知ガスを加熱するヒータを配置して構成されている。
これにより、被検ガスが流れる流路の水分は撥水フィルタによってガス検出室内に浸入するのを阻止され、また被検知ガス流入口から導入されたガス検知室内の被検知ガスがヒータにより直接的に加熱され、被検知ガスの水分の凝結を防止することが可能となるため、凝結水が検出素子に付着して素子破壊や感度低下を生ずることがなくなり、また素子寿命を延ばすことができる。
第２の本発明は、被検知ガスが触媒に接触した際に燃焼する熱を利用し、検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から被検知ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式のガスセンサにおいて、前記検出素子と温度補償素子を収容するケースの被検知ガス導入口に前記被検知ガス導入口に、撥水フィルタと、多孔質金属板とが配置されている。
これにより、流路を流れるガス中に含まれる水は撥水フィルタによってガス検出室内に浸入するのを阻止され、検出素子が被水するのを防止することができる。その結果、ガスセンサの素子破壊を防止することができるとともに、感度低下を防止することができ、ガスセンサの寿命を延ばすことができる。
第３の発明は、被検知ガスが触媒に接触した際に燃焼する熱を利用し、検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から被検知ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式のガスセンサにおいて、前記検出素子と温度補償素子を収容するケースを構成する１つの壁面に被検知ガス導入口を形成し、被検知ガス導入口と前記素子との間に被検知ガスを加熱するヒータを配置されている。
これにより、被検知ガス流入口から導入されたガス検知室内の被検知ガスがヒータにより直接的に加熱され、感度低下を防止する。
発明を実施するための最良の形態
〔第１の実施の形態〕
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
第１図、及び第２図は、本発明のガスセンサの第１実施の形態を示すものであって、ケース２は、その一端に被検ガス導入口１、他端に接続用のリードピン３ａ〜３ｈが配されている。ケース２には、被検ガス導入口１の側から順番に撥水フィルタ４、パッキン５、焼結多孔質金属板６、第１スペーサ７、発熱体ユニット８、第２スペーサ９、ガス検知ユニット１０、さらにベース板１１を順に積層配置して収容し、ケース２の他端を絞って固定し、ガス検知ユニット１０からの接続用リードピン３ａ〜３ｈ及び位置決めピン３ｊを引出すように構成されている。
撥水フィルタ４は、シート状の多孔質テフロン（登録商標）樹脂で構成され、液滴の進入を防止するとともに塵埃の侵入も防止するものである。焼結多孔質金属板６は、金属粒子を焼結して多孔質材として構成されている。
第１スペーサ７は、焼結多孔質金属板６を支持するとともに、後述する発熱体ユニット８に被検ガスを流通させる貫通孔７ａが形成されている。
発熱体ユニット８は、第３図（Ａ）（Ｂ）に示したように中央に貫通孔８ａを備えた基板８ｂに放射状に４本のリードピン３ｅ〜３ｈを植設し、貫通孔７ａを跨ぐようにチップ型抵抗体からなる発熱体１２を、また基板８ｂの表面に感温素子１３を実装して、それぞれリードピン３ｅ〜３ｈに図示しない導電パターンを介して接続して構成されている。
このようにヒータをチップ型抵抗器により構成することで、特別なヒータ部材を用意することなく、汎用の電子部品を利用でき、コストの低減と小型化を図ることができる。
第２スペーサ９は、上面に発熱体ユニット８を支持する凹部９ａと、下面にガス検知ユニット１０を中央に支持する凹部９ｂとを備えた被検ガスの流通が可能な貫通孔９ｃを中央部に形成して構成されている。
ガス検知ユニット１０は、第４図（Ａ）、（Ｂ）に示したように中央に略楕円形の凹部１４ａを備えた基板１４に放射状に４本のリードピン３ａ〜３ｄを植設し、凹部１４ａを跨ぐようにガス検出素子１５と、温度補償素子１６とをリードピン３ａ〜３ｄに接続して構成されている。
これらの部材やユニットは、第５図に示したように被検ガス導入口１を下方とするようにケース２を載置し、撥水フィルタ４、パッキン５、焼結多孔質金属板６、第１スペーサ７、発熱体ユニット８、第２スペーサ９、ガス検知ユニット１０を装填し、発熱体ユニット８とガス検知ユニット１０のリードピンを所定の位置に位置合わし、最後にベース板１１の貫通孔にリードピンを挿通して積層し、最後にケース２の開口部を絞ることにより組み付けられている。
このように構成されたガスセンサ１７は、第６図に示したように可燃性ガスを含む高温多湿の流体が流れるダクト１８に設けられた取付け口１８ａに、リング状パッキン１９を介装して固定される。
この取付け口１８ａは、ダクト１８の最頂部の近傍に形成して、センサ１７の被検ガス導入口１が下方を向くように取付けるのが望ましい。
このような状態において、環境中の流体が被検ガス導入口１から進入すると、水滴や塵埃が撥水フィルタ４により除去された後、焼結多孔質金属板６を通過して発熱体ユニット８に到達し、発熱体１２の熱により露点以上に加温されてから、ガス検知ユニット１０に到達する。焼結多孔質金属板６は、発熱体ユニット８の輻射熱等により加熱されているから、ここで結露が生じるようなことはない。
発熱体ユニット８は、感温素子１３からの温度信号により図示しない制御手段により発熱量を、異常高温にならないように被検知ガスの検出に最適な温度を維持するように制御されている。この熱は、対流により上昇して最上に位置するガス検知ユニット１０の周辺の雰囲気を昇温させてガス検出素子１５や温度補償素子１６の周辺の温度低下を有効に防止して、被検知ガスを確実に検出する。
なお、焼結多孔質金属板６は、撥水フィルタ４を通気性を損なうことなく裏面からバックアップすると共に、流入する被検知ガスによる急激な温度変化を防止する作用をする。
なお、上述の実施例においてはガス検出素子１５と温度補償素子１６とによりガス検知ユニットを構成している水が、ガス検出素子のみで構成しても同様の作用を奏する。
また、上述の実施例においては、加熱用の抵抗素子としてチップ型抵抗体を使用したが、ニクロム線等の抵抗線を巻回して使用しても同様の作用を奏する。
さらに、上述の実施例においては、スペーサにより所定の間隔を形成して、汎用のガス検知ユニットを使用可能ならしめている水が、発熱体ユニットの基板やガス検知ユニットの基板にスペーサに対応する凸部を一体に形成しても同様の作用を奏する。
ところで、上述したガスセンサは、第７図に示した燃料電池システムの排気管路の可燃ガス、例えば水素の検出に特に有効である。
燃料電池２０は、例えば、固体高分子電解膜などの電解質をアノード側電極とカソード側電極で狭持した電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで狭持してなる図示しない燃料電池セルを多数組積層して構成されている。アノード側電極に入口側通路２１から供給された水素などの燃料ガスは、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カソード側電極へと移動する、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。カソード側電極には、例えば、酸素などの酸化剤ガスあるいは空気が入口側通路２２を介して供給されているために、このカソード側電極において、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、アノード側、カソード側共に出口側通路２３、２４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、カソード側の出口側通路２４には、この発明の要旨をなすガス接触燃焼式のガスセンサ（以下ガスセンサという）２５が取り付けられ、このガスセンサ２５によりカソード側の出口側通路２４から水素ガスが排出されていないことを監視装置２６で確認できるようになっている。
〔第２の実施の形態〕
第８図は水素センサ２５の平面図、第９図は第８図のＣ−Ｃ線に沿う断面図であって水素センサ２５の取付状態を示している。
カソード側の出口側通路２４にはガスセンサ２５の取付座２７が形成されると共に、ガスセンサの出口側通路２４の周壁に取付孔２８が設けられている。ガスセンサ２５は、例えば、ポリフェニレンサルファイド製の取り付け基板２９にフランジ部３０が形成され、このフランジ部３０がボルト３１により取付座２７に締め付け固定されている。取り付け基板２９には取付孔２８に挿通される筒状部３２が形成されている。この筒状部３２は、センサ構成部材、つまり検出素子３９、及び温度補償素子４０を収容するケースを構成している。
一方、取り付け基板２９は、樹脂等の金属に比較して熱伝導性が低い材料により形成することにより断熱効果を高めて、センサの結露を効果的に防止することができる。
筒状部３２の内部にはガス検知室３４が形成されていて、筒状部３２の一端側、つまりガス検知室３４の開口部、つまり被検知ガス導入口３５にはフランジ部３３が形成されている。そして、この被検知ガス導入口３５は、出口側通路２４の内壁に面一に設定されている。したがって、ガス導入口３５は出口側通路２４を流れるオフガスに対して直角方向に指向することとなる。
また、筒状部３２の外周面にはシール材３６が取り付けられ、取付孔２８の内周壁に密接して気密性を確保している。そして、この筒状部３２の内部にセンサ本体３７が装着されている。
センサ本体３７は、取り付け基板２９の筒状部３２の他端側を閉塞する位置に、例えばポリフェニレンサルファイド製で円環状のベース３８が設けられると共に、外周部分にはフランジ部３３に至る高さを有する金属製で筒状の周壁部４５が設けられ、前記ベース３８を貫いて検出素子３９と温度補償素子４０とがベース３８から同一高さで所定間隔を隔てて一対設けられたものである。尚、周壁部４５と筒状部３２との間には隙間が確保され、金属製の周壁部４５から筒状部３２〜直接的に熱伝達が行われないようになっている。
また、１つの温度補償素子４０に対して検出素子３９を複数設けた構造のものでもよい。
検出素子３９は周知の素子であって、被検知ガスである水素が白金等の触媒に接触した際に燃焼する熱を利用し、高温の検出素子３９と雰囲気温度下の温度補償素子４０との間に電気抵抗の差が生ずることを利用し、水素ガス濃度を検出するガス接触燃焼式のガスセンサである。検出素子３９及び温度補償素子４０は各々ピン４１を介して取り付け基板２９の内部にモルド成形された回路基板４２に導通接続されている。
一方、前記被検知ガス導入口３５にはこれを閉塞するようにガス検知室３４の内側から焼結金属多孔質板からなる焼結多孔質金属板４３、更に、例えばポリテトラフロルエチレン製の撥水フィルタ４４が各々取り付けられ、これら焼結多孔質金属板４３、撥水フィルタ４４は前記フランジ部３３の内側から取り付けられている。ここで撥水フィルタ４４は水蒸気の通過は許容するものの、水滴の通過を遮断し、また焼結多孔質金属板４３は、通気抵抗を増加させることなく、撥水フィルタ４４を補強することができる。
なお、第１０図に示すように、撥水フィルタ４４の外面４４ａのフランジ部３３の内周縁に接する領域が全周に亘って溶着部４４ｂを形成するように溶着されており、フランジ部３３と撥水フィルタ４４との間から内部に水が浸入できないようにされている。
このように形成されたガス検知室３４内に、被検知ガスを加熱するヒータ４６が設けられている。
第１１図（Ａ）はヒータ４６の配置位置をベース３８との関係で示す説明図であり、第１１図（Ｂ）はその要部斜視図である。
第１１図（Ａ）（Ｂ）に示すように、前記ヒータ４６は四角形で板状の部材で、長辺４６ａ側に検出素子３９と温度補償素子４０とが位置する向きであって、被検知ガス導入口３５を遮るように配置されている。また、ヒータ４６は、第１１図（Ａ）に鎖線で示すように、ヒータ４６の長辺４６ａと被検知ガス導入口３５の周縁との間に半円弧状のガス導入部４７が各々形成される大きさになっている。ヒータ４６はガス検知室３４に面した部位に放熱面４９が形成され、検出素子３９と温度補償素子４０に対して放熱面４９が等距離になっている。
したがって、各導入部４７には検出素子３９と温度補償素子４０とが隣設配置されることとなり、被検知ガス導入口３５から流入する被検知ガスはヒータ４６により振り分けられて半円弧状のガス導入部４７で分配され、検出素子３９、温度補償素子４０を通過しながらガス検知室３４内に導入される。尚、ヒータ４６のリード線４８は回路基板４２に接続されている（以後に説明する実施例において同様）。
前記実施形態によれば、ヒータ４６によりガス検知室３４内の被検知ガスは直接的に加熱されると共に、被検知ガス導入口３５から入り、撥水フィルタ４４で凝結水の進入を阻止され、焼結多孔質金属板４３を通過した被検知ガスは、ヒータ４６を通過直後にもその放熱面４９により直接的に加熱されるため、被検知ガスであるオフガスの相対湿度が低下してオフガス内の水分がガス検知室３４内で凝結するのを確実に防止することができる。したがって、凝結水が検出素子３９に付着して素子破壊や感度低下を生ずることがなくなり、検出素子３９の寿命を延ばすことができる。
とりわけ、被検知ガス導入口３５からガス検知室３４内に導入される被検知ガスは、ヒータ４６で加熱された後に、各導入部４７からガス検知室３４の検出素子３９と温度補償素子４０とに均等に振り分けられるようにして導入されるため、検出素子３９と温度補償素子４０とが同一条件で被検知ガスに晒される。したがって、検出素子３９と温度補償素子４０とに対して均一に被検知ガスを接触させることができるため、高い精度で被検知ガスの濃度検出を行うことができる。また、検出素子３９と温度補償素子４０とがそれぞれヒータ４６により均一に加熱されることによっても高い精度の検出が可能となる。
〔ヒータの第２の実施の形態〕
次に、第１２図（Ａ）乃至（Ｃ）において、ガスセンサ２５Ａがカソード側の出口側通路２４の取付座２７にフランジ部３０により取り付けられ、その筒状部３２が出口側通路２４の取付孔２８に挿入される点、筒状部３２の内部がガス検知室３４として構成され、筒状部３２の一端にフランジ部３３が形成され、このフランジ部３３の内側が被検知ガス導入口３５として開口形成されている点、及びガス検知室３４の他端側を閉塞する位置に円環状のベース３８が設けられると共に、外周部分には前記フランジ部３３に至る高さを有する金属製で筒状の周壁部４５が設けられ、前記ベース３８を貫いて検出素子３９と温度補償素子４０とが一対設けられたものである点等の基本的構成は前記従来と同様である。
ここで、ガス検知室３４内には、被検知ガスの流入方向、つまり被検知ガス導入口３５の指向方向に沿う方向に放熱面４９Ａを有する一対のヒータ４６Ａ、４６Ａが、各放熱面４９Ａを対向させた状態でベース３８と焼結多孔質金属板４３間に介装され、前記検出素子３９と温度補償素子４０とが、ヒータ４６Ａ、４６Ａにより挟まれる位置に配置されたものである。つまり、各ヒータ４６Ａは放熱面４９Ａを対向させ、その間に互いに各ヒータ４６Ａの放熱面４９Ａから等距離に位置するようにして前記検出素子３９と温度補償素子４０とが配置されている。尚、４８Ａはヒータ４６Ａのリード線を示す。
この実施形態によれば、撥水フィルタ４４で凝結水の進入を阻止され、焼結多孔質金属板４３を通過した被検知ガスは、他の部材に邪魔されることなくスムーズにガス検知室３４内に導入され、一対のヒータ４６Ａにより挟み込まれるようにして両側から各放熱面４９Ａにより直接的に加熱されるため、被検知ガスであるオフガスの相対湿度が低下してオフガス内の水分がガス検知室３４内で凝結するのを確実に防止することができる。したがって、凝結水が検出素子３９に付着して素子破壊や感度低下を生ずることがなくなり、検出素子３９の寿命を延ばすことができる。
とりわけ、この実施形態ではヒータ４６Ａが被検知ガスの導入の妨げにならない点で有利である。また、各ヒータ４６Ａの放熱面４９Ａから等距離に位置するようにして前記検出素子３９と温度補償素子４０とが配置されているため、検出素子３９と温度補償素子４０をも均一に加熱でき、したがって、高い精度でガス検知を行うことができる。更に、各ヒータ４６Ａが焼結多孔質金属板４３及び撥水フィルタ４４とベース３８との間に所定間隔を確保するスペーサとして機能するため、焼結多孔質金属板４３及び撥水フィルタ４４の取付信頼性を高めることができる。そして、ヒータ４６Ａ，４６Ａにより限られた空間で放熱面４９Ａを広く確保できるため加熱能力が高まり省電力化に寄与できる。更に、ヒータ４６Ａは検出素子３９と温度補償素子４０と共にベース３８上に配置しておくことができるため組み付け上有利である。
〔ヒータの第３の実施の形態〕
次に、第１３図（Ａ）乃至（Ｃ）に示した実施形態におけるガスセンサ２５Ｂは、上述のヒータの第２実施形態における一対のヒータ４６Ａに替えて、筒型のヒータ４６Ｂを設けたものである。このヒータ４６Ｂは断面略Ｃ字形状に形成されており、被検知ガスの流入方向に沿うように筒型形状の軸方向に向けて配置されている。したがって、検出素子３９と温度補償素子４０とが、このヒータ４６Ｂに囲まれるように配置されることとなる。具体的にはヒータ４６Ｂはベース３８の外周に沿うようにして配置され、ベース３８から焼結多孔質金属板４３に至る部分に設けられている。尚、４８Ｂはヒータ４６Ｂのリード線を示す。
したがって、この実施形態によれば、基本的に前述した実施形態と同様にヒータ４６Ｂによりガス検知室３４内の被検知ガスを直接的に加熱することで検出素子３９の寿命を延ばすことができる。また、第１２図に示した第３実施形態のヒータ４６Ａよりも更に広い全周に渡る放熱面４９Ｂを有するため、ガス検知室３４全体をむらなく一様に加熱することができ、したがって高い精度でガス濃度を検知することができる。更に、筒型のヒータ４６Ｂにより限られた空間でより一層広い放熱面４９Ｂを確保できるため、効率よくガス検知室の被検知ガスを加熱でき省電力化に寄与できる。
また、この実施形態においても、ヒータ４６Ｂが被検知ガスの流入方向に沿うように筒型形状に形成されているため、被検知ガスの導入の妨げにならずスムーズに導入することができるメリットがあると共に、ヒータ４６Ｂを焼結多孔質金属板４３及び撥水フィルタ４４とベース３８との間に所定間隔を確保するスペーサとして機能するため、焼結多孔質金属板４３及び撥水フィルタ４４の取付信頼性を高めることができると共にヒータ４６Ｂの剛性向上にもつながる。更に、ヒータ４６Ｂは検出素子３９と温度補償素子４０と共にベース３８上に配置しておくことができるため組み付け上有利である。
〔ヒータの第４の実施の形態〕
次に、第１４図（Ａ）乃至（Ｃ）に示したヒータの実施形態において、ガスセンサ２５Ｃがカソード側の出口側通路２４の取付座２７にフランジ部３０により取り付けられ、その筒状部３２が出口側通路２４の取付孔２８に挿入される点、筒状部３２の内部がガス検知室３４として構成され、筒状部３２の一端にフランジ部３３が形成され、このフランジ部３３の内側が被検知ガス導入口３５として開口形成されている点、及びガス検知室３４の他端側を閉塞する位置に円環状のベース３８が設けられると共に、外周部分には前記フランジ部３３に至る高さを有する金属製の筒状の周壁部４５が設けられ、前記ベース３８を貫いて検出素子３９と温度補償素子４０とが一対設けられたものである点等の基本的構成は上述の実施例と同様の構成である。
ここで、前記ガス検知室３４内には検出素子３９と温度補償素子４０との間に被検知ガスの流入方向に沿って板状のヒータ４６Ｃが設けられている。この板状のヒータ４６Ｃは放熱面４９Ｃを検出素子３９と温度補償素子４０とに対向させた状態で配置されている。つまりヒータ４６Ｃは、図中垂直な面が放熱面４９Ｃとして構成されている。尚、４８Ｃはヒータ４６Ｃのリード線を示す。
上記実施形態によれば、被検知ガス導入口３５から入り、撥水フィルタ４４、焼結多孔質金属板４３を通過した被検知ガスは、ヒータ４６Ｃに沿うようにしてガス検知室３４内に導かれ、ヒータ４６Ｃにより振り分けらるようにして放熱面４９Ｃにより直接的に加熱されて、検出素子３９と温度補償素子４０とを加熱する。したがって、この実施形態では、基本的に前述した実施形態と同様にヒータ４６Ｃによりガス検知室３４内を加熱することにより検出素子３９の寿命を延ばすことができる。とりわけ、検出素子３９と温度補償素子４０とが同一条件で被検知ガスに阻されると共に、ヒータ４６Ｃにより均等に加熱されるため、高い精度で被検知ガスの濃度検出を行うことができる。更に、ヒータ４６Ｃは検出素子３９と温度補償素子４０と共にベース３８上に配置しておくことができるため組み付け上有利である。
〔ヒータの第５の実施の形態〕
第１５図（Ａ）乃至（Ｃ）に示した実施形態では、ヒータ４６Ｄをベース３８面に沿うようにして、検出素子３９及び温度補償素子４０とを挟むように外側に一対設けられている。つまり、各ヒータ４６Ｄの間には、互いに各ヒータ４６Ｄから等距離に位置するようにして検出素子３９と温度補償素子４０とが配置され、放熱面４９Ｄが被検知ガス導入口３５に向いた２つの長方形状のヒータ４６Ｄにより、ガス検知室３４が加熱されるようになっている。なお、図中符号４８Ｄは、ヒータ４６Ｄのリード線を示す。
この実施形態によれば、前述した各実施形態と同様にヒータ４６Ｄによりガス検知室３４内の被検知ガスを直接的に加熱することで検出素子３９の寿命を延ばすことができる。とりわけ、この実施形態では、ヒータ４６Ｄを検出素子３９と温度補償素子４０と共にベース３８に実装できるため、ヒータ４６Ｄの支持が容易となり製造も簡単になるメリットがある。
〔被検ガス導入口の構造についての説明〕
ところで、前記被検ガス導入口３５にはこれを閉塞するようにガス検知室３４の内側から焼結金属多孔質板からなる焼結多孔質金属板４３、更に、例えばポリテトラフロールエチレン製の撥水フィルタ４４が各々取り付けられ、これら焼結多孔質金属板４３、撥水フィルタ４４は前記フランジ部３３の内側から取り付けられている。撥水フィルタ４４は水蒸気の通過は許容するものの水滴の通過を遮断するもので、厚さ１５０μｍ乃至３００μｍのものが使用されている。
厚さ１５０μｍ以下では、焼結多孔質金属板４３を構成する金属粒子の突起により破損する恐れがあり、また３００μｍ以上であると、通気抵抗が大きくなり、被検知ガスに対する応答性の低下と、感度の低下を招くという問題がある。
このように構成された水素センサ２５においては、出口側通路２４を流れるオフガスが、被検ガス導入口３５から焼結多孔質金属板４３および撥水フィルタ４４を通過してガス検知室３４内に進入することができるので、オフガス中の水素ガス濃度を検出することができる。
一方、オフガス中に含まれる水は、撥水フィルタ４４によってガス検知室３４内への浸入を阻止されるので、ガス検出素子３９や温度補償素子４０が被水するのを防止することができる。その結果、水素センサ２５の素子破壊を防止することができるとともに、感度低下を防止することができ、水素センサ２５の寿命を延ばすことができる。さらに、撥水フィルタ４４が焼結多孔質金属板４３の外側に配置されているので、焼結多孔質金属板４３が水で目詰まりを起こすのを防止することができる。
〔被検ガス導入口の第２の実施の形態〕
第１６図に示した水素センサ２５においては、被検ガス導入口３５にはこれを閉塞するようにガス検知室３４の内側から焼結金属多孔質板からなる焼結多孔質金属板４３、更に、例えばポリテトラフロールエチレン製の撥水フィルタ４４が各々取り付けられ、これら焼結多孔質金属板４３、撥水フィルタ４４は前記フランジ部３３の内側から取り付けられている。撥水フィルタ４４は水蒸気の通過は許容するものの水滴の通過を遮断するもので、厚さ１５０μｍ乃至３００μｍのものが使用されている。
この実施の形態では、被検ガス導入口３５が出口側通路２４の内側に突出して設けられており、被検ガス導入口３５が出口側通路２４を流れるオフガスの流れ方向（図中、矢印Ａ）の下流に向かって下り勾配に設置されるように、筒状部３２および周壁部４５が形成されている点を特徴とする。
そして、被検ガス導入口３５を覆うように取り付けられた焼結多孔質金属板４３および撥水フィルタ４４もオフガスの流れ方向下流に向かって下り勾配に設置されている。なお、オフガスの流れ方向は、オフガス中に被検知ガスである水素ガスが含まれている場合には、水素ガスの流れ方向と同じである。
このように構成された水素センサ２５においては、ガス検知室３４内への水の浸入を防止でき、ガス検出素子３９の被水を防止できるだけでなく、オフガス中に含まれる水が撥水フィルタ４４の外面４４ａに付着しても、付着した水は外面４４ａに沿って下方へと流れ落ち、また、オフガスの流れによって吹き飛ばされるので、撥水フィルタ４４の外面４４ａに水が滞留することがない。その結果、撥水フィルタ４４の外面４４ａが液体滞留によって閉塞されてガス流通不能になるのを防止することができ、常にガス検知室３４内へガスの流通が可能となるので、オフガス中の水素ガスの検出を常に行うことができる。
〔被検ガス導入口の第３の実施の形態〕
第１７図に示した水素センサ２５においては、被検ガス導入口３５が出口側通路２４の内側に突出して設けられており、被検ガス導入口３５が出口側通路２４を流れるオフガスの流れ方向（図中、符号Ａ）下流に向かって上り勾配に設置されるように、筒状部３２および周壁部４５が形成されている。そして、被検ガス導入口３５を覆うように取り付けられた焼結多孔質金属板４３および撥水フィルタ４４もオフガスの流れ方向下流に向かって上り勾配に設置されている。なお、オフガスの流れ方向は、オフガス中に被検知ガスである水素ガスが含まれている場合には、水素ガスの流れ方向と同じである。
このように構成された水素センサ２５においては、ガス検知室３４内への水の浸入を防止でき、ガス検出素子３９の被水を防止できるだけでなく、筒状部３２においてオフガス流れ方向上流側半分が遮蔽板として機能するため、オフガス中に含まれる水が撥水フィルタ４４に直接当たらなくなり、撥水フィルタ４４の外面４４ａへの水の付着が抑制される。その結果、撥水フィルタ４４の外面４４ａが液体滞留によって閉塞されてガス流通不能になるのを防止することができ、常にガス検知室３４内へガスの流通が可能となるので、オフガス中の水素ガスの検出を常に行うことができる。また、筒状部３２の前記遮蔽板機能により、ガス流速が水素センサ２５の検出精度に与える影響を抑制することができる。
〔被検ガス導入口の第４の実施の形態〕
第１８図に示した実施の形態のものは、筒状部３２における出口側通路２４の内部側の端部に、被水防止カバー５０が形成されている。被水防止カバー５０は、筒状部３２の端部におけるオフガスの流れ方向（図中、符号Ａ）の上流側の略半周部分から出口側通路２４の内側に突出して設けられており、下流側に向かって斜め下方に延びる舌片部５１を有している。この舌片部５１は、筒状部３２の端部におけるオフガスの流れ方向下流側の略半周部分から離間している。また、図１８（Ｂ）に示すように、舌片部５１は、平面視において被検ガス導入口３５をほぼ覆うように設けられており、したがって、舌片部５１は撥水フィルタ４４から離間している。
このように構成された水素センサ２５においては、ガス検知室３４内への水の浸入を防止でき、ガス検出素子３９の被水を防止できるだけでなく、被水防止カバー５０がオフガス中に含まれる水を遮蔽し、この水が被検ガス導入口３５に回り込むのを抑制する。したがって、オフガス中に含まれる水が撥水フィルタ４４に直接当たらなくなり、撥水フィルタ４４の外面４４ａへの水の付着が抑制される。その結果、撥水フィルタ４４の外面４４ａが液体滞留によって閉塞されてガス流通不能になるのを防止することができ、常にガス検知室３４内へガスの流通が可能となるので、オフガス中の水素ガスの検出を常に行うことができる。また、被水防止カバー５０の前記遮蔽機能により、ガス流速の変動が水素センサ２５の検出精度に与える影響を抑制することができる。
〔フランジ部と撥水フィルタとの気密構造の実施形態〕
なお、前述した実施の形態では、フランジ部３３と撥水フィルタ４４との間から内部に水が浸入できないようにするために、撥水フィルタ４４の外面４４ａとフランジ部３３の内周縁とを溶着している水が、この構造に代えて第１９図（Ａ）、（Ｂ）、及び第２０図に示すような構造を採用することも可能である。以下、各図を参照してそれぞれの構造を説明する。
第１９図（Ａ）に示す実施態様は、金属製の周壁部４５における出口側通路２４の内部側の端部に、内側に向かって突出するフランジ部５２を設け、このフランジ部５２のガス検知室３４側に焼結多孔質金属板４３と撥水フィルタ４４を取り付け、周壁部４５の外周面を環状にかしめるなどして突条部５３を形成することにより、周壁部４５と焼結多孔質金属板４３とを隙間なく結合し、またフランジ部５２を環状にかしめるなどして突条部５３’を形成することにより、フランジ部５２と撥水フィルタ４４とを隙間なく結合して、水の浸入を阻止するものである。
第１９図（Ｂ）に示す実施態様は、環状をなす樹脂製のフィルタリング５４を撥水フィルタ４４の外周に取り付け、撥水フィルタ４４の外面４４ａがフィルタリング５４の内周縁の全周に溶着されてなる撥水フィルタユニット５５を予め用意し、フィルタリング５４の内部に、撥水フィルタ４４に焼結多孔質金属板４３を積層して、これらを周壁部４５の内部に配置し、その際にフィルタリング５４と周壁部４５のフランジ部５２との間にシール材５６を装着し、さらに周壁部４５の外周面を環状にかしめることにより、周壁部４５とフィルタリング５４とを隙間なく結合して、水の浸入を阻止するものである。なお、図１９（Ｂ）において、符号５７は溶着部を、また符号５８はかしめ部を示す。
第２０図は、焼結多孔質金属板４３と撥水フィルタ４４とをユニット化してキャップ６０を構成し、このキャップ６０を周壁部４５に螺合して交換可能にした構造のものである。
詳述すると、筒状部３２は周壁部４５よりも短くされていて、周壁部４５において筒状部３２よりも突出する部分がキャップ６０に対する螺合部４５ａに形成されている。キャップ６０は、筒状をなす樹脂製のキャップ本体６１に撥水フィルタ４４が取り付けられ、撥水フィルタ４４の外面４４ａがキャップ本体６１の内周縁の全周に溶着され、さらに、キャップ本体６１の内部であって撥水フィルタ４４の内側に焼結多孔質金属板４３を取り付けて構成されている。この場合、撥水フィルタ４４の外側であってキャップ本体６１の先端内部が被検ガス導入口３５となる。なお、第２０図において、符号６２は溶着部を示している。
このキャップ６０は周壁部４５の螺合部４１ａに螺合されて取り付けられ、その際に、キャップ本体６１と筒状部３２の間にシール材６３が装着され両者間の気密性が保たれる。また、水素センサ２５を出口側通路２４に装着した状態では、筒状部３２の外局面と取付孔２４の内周壁は前述の場合と同様にシール材３６によって気密性が保たれる。このようにすると、キャップ６０の脱着が容易にでき、したがって、焼結多孔質金属板４３や撥水フィルタ４４を容易に交換できる。
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、被検知ガスは水素ガスに限定されるものではなく、他のガス成分であってもよく、また、ガスセンサは、水素センサに限るものではなく、他のガス成分を検出するものであってもよい。さらに、ガスセンサは、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガス中の水素ガス濃度を検出する水素センサに限るものではない。
さらにガスセンサとして、接触燃焼式ガスセンサに限定されることなく、金属酸化物半導体ガスセンサ、気体熱伝導式ガスセンサ、赤外線透過型、または反射型ガスセンサ、電気化学式ガスセンサを用いる場合であっても同様の作用を奏する。
産業上の利用可能性
本発明は、流路を流れるガス中に含まれる水がガス検出室内に浸入するのを阻止して検出素子の被水を防止して、同時にガス検出室内に凝結水が発生するのを確実に防止して感度低下や素子破損を防止することができ、これにより固体高分子型燃料電池等のカソード側のガス出口通路を流れる高温多湿の被検知ガスを確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（Ａ）乃至（Ｃ）は、それぞれ本発明のガスセンサの第１の実施形態の外観を示す上面図、側面図、底面図である。
第２図（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ第１図のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線での断面構造を示す図である。
第３図（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ同上ガスセンサを構成する発熱体ユニットの一実施例を示す正面図、及び断面図である。
第４図（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ同上ガスセンサを構成するガス検知ユニットの一実施例を示す正面図、及び断面図である。
第５図は、同上センサの組立工程を示す図である。
第６図は、同上センサをダクトに取り付けた状態を示す断面図である。
第７図は、本発明のセンサの適用例である燃料電池システムの概略的説明図である。
第８図は、第２の実施の形態におけるガスセンサとしての水素センサの平面図である。
第９図図は、第８図のＣ−Ｃ断面図である。
第１０図は、撥水フィルタ取付部の拡大断面図である。
第１１図（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ第２実施形態のヒータの配置位置をベースとの関係で示す説明図、要部斜視図である。
第１２（Ａ）乃至図（Ｃ）は、それぞれ第３実施形態の断面図、ヒータの配置位置をベースとの関係で示す説明図、及び要部斜視図である。
第１３図（Ａ）乃至図（Ｃ）は、それぞれ第４実施形態の断面図、ヒータの配置位置をベースとの関係で示す説明図、及び要部斜視図である。
第１４図（Ａ）乃至図（Ｃ）は、それぞれ第５実施形態の断面図、ヒータの配置位置をベースとの関係で示す説明図、及び要部斜視図である。
第１５図（Ａ）乃至図（Ｃ）は、それぞれ第５実施形態の断面図、ヒータの配置位置をベースとの関係で示す説明図、及び要部斜視図である。
第１６図は、第３の実施の形態における水素センサの断面図である。
第１７図は、第４の実施の形態における水素センサの断面図である。
第１８図は、（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ第５の実施の形態における水素センサの断面図と、要部底面図である。
第１９図（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ撥水フィルタ取付部の他の構造例を示す拡大断面図である。
第２０図は、撥水フィルタ取付部の別の構造例を示す拡大断面図である。

Claims (22)

1. 被検知ガスが触媒に接触した際に燃焼する熱を利用し、検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から被検知ガスの濃度を検出するガスセンサにおいて、
   前記検出素子と温度補償素子を収容するケースの被検知ガス導入口に撥水フィルタを配置するとともに、被検知ガス導入口と前記素子との間に被検知ガスを加熱するヒータを配置したことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記ヒータが、チップ型抵抗器である請求の範囲１に記載のガスセンサ。
3. 前記ヒータが、前記被検知ガス導入口を分割する位置に配置され、前記被検知ガス導入口と前記ヒータとの間に前記被検知ガスを前記検出素子と温度補償素子とに振り分けて導入する導入部が形成されることを特徴とする請求の範囲１に記載のガスセンサ。
4. 前記ヒータが、被検知ガスの流入方向に沿う方向に放熱面を有する一対のヒータとして構成され、前記検出素子と温度補償素子とが、一対のヒータにより挟まれる位置に配置されていることを特徴とする請求の範囲１に記載のガスセンサ。
5. 前記ヒータが、筒型に形成され、かつ被検知ガスの流入方向に軸方向を向けた状態で前記検出素子と温度補償素子とを囲むように設けられていることを特徴とする請求の範囲１に記載のガスセンサ。
6. 前記ヒータが、その熱放射面を前記検出素子と温度補償素子とに対向させるように、前記検出素子と温度補償素子の間に配置されていることを特徴とする請求の範囲１に記載のガスセンサ。
7. 前記ヒータが、前記検出素子と温度補償素子との固定部材に配置され、かつ前記検出素子と温度補償素子を挟む位置に一対設けられていることを特徴とする請求の範囲１に記載のガスセンサ。
8. 前記ケースの被検知ガス導入口に、外側から順番に撥水フィルタ、及び焼結金属多孔質体が配置されている請求の範囲１に記載のガスセンサ。
9. 前記検出素子が水素を検出する検出素子として構成され、また前記ケースの被検知ガス導入口に、外側から順番に撥水フィルタ、及び焼結金属多孔質体が配置され、前記ケースが固体高分子型燃料電池のカソード側ガス出口通路に配置可能に構成されている請求の範囲１に記載のガスセンサ。
10. 前記ケースに感温素子が収容され、前記ヒータが前記感温素子からの信号によりその発熱量が制御される請求の範囲１に記載のガスセンサ。
11. 被検知ガスが触媒に接触した際に燃焼する熱を利用し、検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から被検知ガスの濃度を検出するガスセンサにおいて、
    前記検出素子と温度補償素子を収容するケースの被検知ガス導入口に撥水フィルタと、多孔質金属板とが配置されているガスセンサ。
12. 前記被検知ガス導入口が、前記被検知ガスの流れ方向下流に向かって下り勾配に設置されている請求の範囲１１に記載のガスセンサ。
13. 前記被検知ガス導入口が、前記被検知ガスの流れ方向下流に向かって上り勾配に設置されている請求の範囲１１に記載のガスセンサ。
14. 前記撥水フィルタの外側に該撥水フィルタから離間して被水防止カバーが設けられている請求の範囲１１に記載のガスセンサ。
15. 前記撥水フィルタが、厚さ１５０μｍ乃至３００μｍの高分子膜により構成されている請求の範囲１１に記載のガスセンサ。
16. 前記撥水フィルタの周囲が、前記被検知ガス導入口に溶着されている請求の範囲１１に記載のガスセンサ。
17. 前記被検ガス導入口の、前記撥水フィルタが当接する領域に、前記撥水フィルタの側に突出する環状の突条部が形成されている請求の範囲１１に記載のガスセンサ。
18. 前記撥水フィルタと前記多孔質金属板とが、撥水フィルタと多孔質金属板とをリング体に積層固定して構成された撥水フィルタユニットを前記被検知ガス導入口に装填することにより配置されている請求の範囲１１に記載のガスセンサ。
19. 前記撥水フィルタが、前記リング体に溶着されている請求の範囲１８に記載のガスセンサ。
20. 前記リング体が、前記被検ガス導入口に着脱可能に構成されている請求の範囲１８に記載のガスセンサ。
21. 前記検出素子が、水素を検出する検出素子として構成され、また前記ケースの被検知ガス導入口に、外側から順番に撥水フィルタ、及び焼結金属多孔質体が配置され、前記ケースが固体高分子型燃料電池のカソード側ガス出口通路に配置可能に構成されている請求の範囲１１に記載のガスセンサ。
22. 被検知ガスが触媒に接触した際に燃焼する熱を利用し、検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から被検知ガスの濃度を検出するガスセンサにおいて、
    前記検出素子と温度補償素子を収容するケースを構成する１つの壁面に被検知ガス導入口を形成し、被検知ガス導入口と前記素子との間に被検知ガスを加熱するヒータが配置されているガスセンサ。

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