(57)【要約】【課題】ガス検出素子への水の付着を低減することができるガスセンサを提供する。【解決手段】筒型のハウジング２０内に形成されるガス検出室２５と、ハウジング２０の鉛直方向上部の開口を閉塞するベース部３０と、ベース部３０の鉛直方向下方に位置するように、ベース部３０に固定されるガス検出素子４０，４０と、ガス検出室２５に検査対象ガスを導入するガス導入口２４と、ベース部３０で結露した水を、ベース部３０から鉛直方向下方に導く結露水案内部材５０Ａと、を備えた。結露水案内部材５０Ａは、円筒体５１からなり、円筒体５１の鉛直方向下端がガス検出素子４０よりも下方に位置するように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒型のハウジング内に形成されるガス検出室と、
前記ハウジングの鉛直方向上部の開口を閉塞するベース部と、
前記ベース部の鉛直方向下方に位置するように、前記ベース部に固定されるガス検出素子と、
前記ガス検出室に前記検査対象ガスを導入するガス導入口と、
前記ベース部で結露した水を、前記ベース部から鉛直方向下方に導く結露水案内部材と、を備えたことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記結露水案内部材は、前記ガス検出素子を取り囲むように筒型に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記結露水案内部材には、鉛直方向で前記ガス検出素子と重なる位置に孔が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記結露水案内部材の下端は、前記ガス検出素子よりも鉛直方向下方に位置していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記ガス検出素子を複数有し、
前記結露水案内部材は、複数の前記ガス検出素子の間に設けられる板状部材であることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記ガス検出素子は、ガス反応素子と温度補償素子とで構成され、
前記結露水案内部材は、前記ガス反応素子と前記温度補償素子との間に設けられる板状部材であることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子膜型燃料電池は、ＭＥＡ（膜電極接合体）を導電性のセパレータで挟んで構成された単セルを複数積層したスタックを備えており、燃料として水素ガスが供給され、酸化剤として空気（酸素）が供給されることにより発電するようになっている。
【０００３】
また、この種の燃料電池を備えた燃料電池システムでは、カソードから排出される未反応の空気、つまり、カソードオフガス（オフガスという）は系外に排出され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してから排出する必要がある。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することが行われている。
【０００４】
このようなシステムに用いられる水素センサとしては、水素ガスを検出する検出室内に水素ガスを導入するための開口部が形成されたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０２４２１０号公報（図９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池システムなどのように高湿（高温多湿）の環境に設置されるセンサでは、開口部から浸入した高湿蒸気によって検出室内で発生した結露水が、検出素子に付着することで検出素子の特性や耐久性が悪化するという問題があった。
【０００７】
また、開口部から浸入した高湿蒸気が検出室内で拡散されて、検出素子やその付近に接触し、結露が発生し、検出素子に結露水が付着する可能性もある。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、ガス検出素子への水の付着を低減することができるガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、筒型のハウジング内に形成されるガス検出室と、前記ハウジングの鉛直方向上部の開口を閉塞するベース部と、前記ベース部の鉛直方向下方に位置するように、前記ベース部に固定されるガス検出素子と、前記ガス検出室に前記検査対象ガスを導入するガス導入口と、前記ベース部で結露した水を、前記ベース部から鉛直方向下方に導く結露水案内部材と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
これによれば、ガス導入口からガス検出室内に導入された検査対象ガス（高湿ガスなど）が、ガス検出室内で拡散し、ベース部に接触して結露水が発生したとしても、結露水がベース部から結露水案内部材を伝って鉛直方向下方に導かれるので、ガス検出素子に結露水が付着するのを低減することが可能になる。また、ガス検出室内で拡散した検査対象ガスが、結露水案内部材によってガス検出素子に直接（ガス検出素子の近傍）に接触するのを抑制できるので、ガス検出素子に結露水が付着するのを低減することが可能になる。
【００１１】
このように、ガス検出素子に結露水が付着するのを低減できることにより、ガス検出素子の検出能力の向上を図ることができ、しかも結露水の付着によるガス検出素子の耐久性の悪化を抑制できる。
【００１２】
また、前記結露水案内部材は、前記ガス検出素子を取り囲むように筒型に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
これによれば、結露水案内部材がガス検出素子を取り囲むように形成されているので、ガス検出室内で拡散した検査対象ガスが、ガス検出素子に付着して結露水が発生するのを効果的に抑制できる。
【００１４】
また、前記結露水案内部材には、鉛直方向で前記ガス検出素子と重なる位置に孔が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
これによれば、ガス検出素子を取り囲むように結露水案内部材を筒状に形成したとしても、筒状の鉛直方向下端の開口だけではなく、開口よりも上昇した検査対象ガスを孔から筒状内に取り込むことができるので、ガス検出能力を向上できる。
【００１６】
また、前記結露水案内部材の下端は、前記ガス検出素子よりも鉛直方向下方に位置していることを特徴とする。
【００１７】
これによれば、結露水案内部材を伝って流れる結露水が、ガス検出素子よりも下方に導かれるので、結露水がガス検出素子に付着するのを確実に防止することができる。
【００１８】
また、前記ガス検出素子を複数有し、前記結露水案内部材は、複数の前記ガス検出素子の間に設けられる板状部材であることを特徴とする。
【００１９】
例えば、前記ガス検出素子は、ガス反応素子と温度補償素子とで構成され、前記結露水案内部材は、前記ガス反応素子と前記温度補償素子との間に設けられる板状部材であることを特徴とする。
【００２０】
なお、ガス反応素子は、検査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ものであり、温度補償素子は、検査対象ガスによる燃焼反応が発生しないものであり、ガス反応素子と、温度補償素子との間の電気抵抗値の相違を利用して検査対象ガスの濃度が検出される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ガス検出素子への水の付着を低減することができるガスセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態の水素センサを示す平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】本実施形態の水素センサの内部を斜め下方から見たときの斜視図である。
【図４】本実施形態の水素センサを示し、（ａ）は側面から見たときの断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】結露水案内部材の他の実施形態を示し、（ａ）は側面から見たときの断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】結露水案内部材のさらに他の実施形態を示し、（ａ）は側面から見たときの断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図７】結露水案内部材のさらに他の実施形態を示し、（ａ）は側面から見たときの断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る一実施形態について図１ないし図４を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の水素センサ１（ガスセンサ）は、ケース１０の下面に形成されたハウジング２０、ベース部３０（図２参照）、ガス検出素子４０，４０、結露水案内部材５０Ａ，５０Ａなどで構成されている。
【００２４】
この種の水素センサ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１０５（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。
【００２５】
ちなみに、燃料電池自動車などに搭載される固体高分子型の燃料電池では、アノードに水素ガスが、カソードに酸素を含む空気がそれぞれ供給されることにより発電が行われるが、このとき燃料電池からは高湿（高温多湿）なオフガスが排出される。また、燃料電池の下流には、カソードからのオフガス（主に高湿な空気）とアノードからのオフガス（主に水素）とを混合してオフガスに含まれる水素を希釈する希釈器が設けられており、その希釈器の下流に接続された配管（オフガス配管１０５）に本実施形態に係る水素センサ１が設けられている。
【００２６】
ケース１０は、例えば合成樹脂からなる直方体形状の容器であり、制御基板１１（図２参照）を収容している。ケース１０の長手方向の両端にはフランジ部１２，１２が形成されており、各フランジ部１２にはカラー１３が取り付けられている。そして、図２に示すように、各カラー１３に挿入されたボルト１４が、オフガスの流れるオフガス配管１０５に形成された取付座１０５Ａに締結されることで、水素センサ１がオフガス配管１０５に固定されるようになっている。
【００２７】
制御基板１１は、ガス検出素子４０，４０からの信号に基づいて、水素濃度を算出する機能を備えている。
【００２８】
ハウジング２０は、筒型（略円筒状）に形成され（図３参照）、オフガス配管１０５に、後記するヒータ２９を介して嵌合している。ハウジング２０（後記するヒータ２９は省略）とオフガス配管１０５との間には、Ｏ（オー）リング２１が介設されて気密性が高められており、オフガスが漏れないようになっている。
【００２９】
また、ハウジング２０は、図３に示すように、筒状の周壁部２２と底壁部２３とを有している。底壁部２３の中央には、円形の貫通孔が形成されており、この貫通孔がオフガスの出入口となるガス導入口２４となっている。また、ハウジング２０内がオフガスの取り込まれるガス検出室２５となっている。
【００３０】
なお、ハウジング２０は、熱伝導性を有する材料、例えば、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）、エポキシ等の樹脂や、金属から形成されている。これにより、ヒータ２９の熱が、ハウジング２０を介して、ガス検出室２５内に伝わるようになっている。
【００３１】
ガス導入口２４には、撥水フィルタ２６と防爆フィルタ２７とヒータ２８とが積層された積層体Ｓが設けられている。この積層体Ｓは、例えば、ガス検出素子４０から遠ざかるオフガス配管１０５（図２参照）に向かって、防爆フィルタ２７、ヒータ２８、撥水フィルタ２６の順で積層されることで一体に構成された、３層構造を有する薄型の円盤体である。この積層体Ｓは、ガス導入口２４に蓋をするようにハウジング２０に設けられている。
【００３２】
撥水フィルタ２６は、オフガス（検査対象ガス）を透過しつつ、オフガスに含まれる液体を透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などから構成されている。これにより、気体状のオフガスをガス検出室２５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２６ではじかれ、ガス検出室２５内に浸入しないようになっている。
【００３３】
防爆フィルタ２７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。
【００３４】
ヒータ２８は、撥水フィルタ２６および防爆フィルタ２７を直接的に加熱する電気ヒータであり、後記するヒータ２９と同様に、例えば、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータ、焼結体ヒータ、薄いステンレス板（ＳＵＳ板）で構成されたヒータ、ニクロム線によって構成される。ヒータ２８に電力を供給するための配線（図示しない）は、例えば、ハウジング２０内を通って制御基板１１と接続されており、制御基板１１がヒータ２８の出力を制御するようになっている。
【００３５】
すなわち、撥水フィルタ２６によって、液体の水分がガス検出室２５に浸入することを防止しつつ、ヒータ２８によって、ガス検出室２５内で発生した結露水（液体）、防爆フィルタ２７に付着した水を加熱、気化させて水蒸気とし、この水蒸気をハウジング２０外に積極的に排出可能となっている。その結果、結露水等の水分に遮られることなく、オフガスが、撥水フィルタ２６および防爆フィルタ２７を通過して、ガス検出室２５に出入りするようになっている。
【００３６】
また、ハウジング２０の周壁部２２には、ヒータ２９がハウジング２０を取り囲むように設けられている。このヒータ２９も、ヒータ２８と同様にＰＴＣヒータなどで構成され、ヒータ２９からの熱がハウジング２０を介してガス検出室２５内に伝わり、ガス検出室２５内が温められる。これによって、ガス検出室２５で発生した結露水などを気化させて、水蒸気をハウジング２０外に積極的に排出するようになっている。
【００３７】
また、燃料電池システムなどを低温環境下で使用する場合において、システム起動時に、ヒータ２８，２９を作動させることによって、外気温度などによって大きく左右されることなく、触媒を活性化温度まで迅速に上昇させることができ、水素センサ１の起動速度を短縮できる。
【００３８】
図３に示すように、ベース部３０は、円盤状に形成され、ハウジング２０の上端の開口２０ａを閉塞している。これにより、ガス導入口２４から導入されたオフガスがベース部３０とハウジング２０との隙間などから漏れ出ないようになっている。
【００３９】
なお、本実施形態では、ハウジング２０とベース部３０とを別体のもので構成したが、一体に形成されたものであってもよい。
【００４０】
ガス検出素子４０，４０は、ガス検出室２５に取り込まれたオフガス中の水素濃度を検出する素子であり、ベース部３０の上下方向（鉛直方向）の下方に位置するようにガス検出室２５内に配置されている。このガス検出素子４０は、金属製のステー４１，４１を介してベース部３０に固定されており、ガス検出素子４０が取り付けられたベース部３０がケース１０（図２参照）の下面に固定されている。また、ガス検出素子４０は、制御基板１１と接続されており（図２参照）、制御基板１１が水素濃度を検出するようになっている。なお、ベース部３０も、ハウジング２０と同様に、熱伝導性を有する材料から形成されている。
【００４１】
ガス検出素子４０の種類および数並びに配置は、水素濃度の検出方式に応じて決定される。例えば、水素濃度の検出方式が接触燃焼式である場合、一方のガス検出素子４０をガス反応素子とし、他方のガス検出素子４０を温度補償素子とした対により構成される。このように接触燃焼式である場合には、水素ガスが各素子に接触し、燃焼した際に発生する熱を利用して、ガス反応素子と温度補償素子との間の電気抵抗差に基づいて水素濃度が検出される。
【００４２】
また、水素濃度の検出方式が半導体式である場合、ガス検出素子４０は、検出素子と検出素子との対により構成され、水素が各検出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。
【００４３】
なお、水素濃度の検出方式としては、前記した方式に限定されず、熱伝導式、プロトン導電体式、ＦＥＴ（Field effect transistor）式など他の様々な方式においても適用可能である。
【００４４】
図４に示すように、結露水案内部材５０Ａ，５０Ａは、筒型からなる円筒体５１であり、ガス検出素子４０（ステー４１を含む）を取り囲むように構成されている（図４（ｂ）参照）。また、結露水案内部材５０Ａの上端部は、ベース部３０の表面（下面）に接するように固定され、その下端部（先端部）は、ガス検出素子４０よりも鉛直方向下方に位置するように構成されている（図４（ａ）参照）。
【００４５】
なお、結露水案内部材５０Ａの材質は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４、３１４）やアルミニウムなどの金属、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの樹脂、セラミックなどから選択することができる。
【００４６】
また、本実施形態では、結露水案内部材５０Ａの形状として、円筒形状とした場合を例に挙げて説明したが、このような形状に限定されるものではなく、角筒形状であってもよく、または図４（ｂ）に示すような断面視において内周面が円形で外周面が角形となるように内周面と外周面とが異なる形状であってもよい。また、結露水案内部材５０Ａの形状としては、外周面の形状が周方向に沿って平坦な曲面であるものに限定されず、周方向や上下方向などに向けて波型形状とし、外周面の表面積を増加させてもよい。
【００４７】
また、結露水案内部材５０Ａは、ベース部３０から下方に延びる方向が、必ずしも鉛直方向となるように限定されるものではなく、ベース部３０で発生した結露水をガス検出素子４０よりも下方に導くことができるものであれば、鉛直方向に対して傾斜していてもよい。また、結露水案内部材５０Ａは、上端部から下端部までが同一の径で形成されるものに限定されず、すり鉢形状のように異径で形成された形状（例えば、拡径する形状）などであってもよい。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の水素センサ１によれば、ガス検出素子４０を設けたことにより、図４（ａ）において矢印で示すように、ガス導入口２４からガス検出室２５内に入ったオフガス（高温多湿な蒸気）が、ベース部３０に接触して結露水が発生したとしても、その結露水がベース部３０から円筒体５１の外壁を伝わって下方に導かれるので、結露水がガス検出素子４０に付着するのを低減できる。
【００４９】
また、ガス導入口２４からガス検出室２５内に入ったオフガス（高湿蒸気）が拡散したとしても、オフガス（高湿蒸気）が結露水案内部材５０Ａの円筒体５１の外壁によってガス検出素子４０に直接に接触するのを抑制でき、またはガス検出素子４０の近傍（ステー４１など）に接触するのを抑制できるので、結露水がガス検出素子４０に付着するのを低減できる。
【００５０】
このように、ガス検出素子４０への結露水の付着を低減できることによって、高湿環境下でのガス（水素ガス）検出能力の低下を抑制することが可能になる。しかも、ガス検出素子４０への結露水の付着を低減できることによって、結露水がガス検出素子４０に付着することによって生じるガス検出素子４０の耐久性の悪化を抑制することも可能になる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、結露水案内部材５０Ａが筒型に形成されているので、ガス検出室２５内で拡散したオフガス（高湿蒸気）が、結露水案内部材５０Ａによってガス検出素子４０に直接に、またはガス検出素子４０の近傍に付着するのを抑制できるので、ガス検出素子４０に結露水が付着するのを効果的に抑制できる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、結露水案内部材５０Ａの下端がガス検出素子４０よりも鉛直方向下方に位置しているので、結露水案内部材５０Ａに付着した結露水を、確実にガス検出素子４０よりも下方に導くことができる。したがって、結露水案内部材５０Ａを伝って導かれる結露水がガス検出素子４０に付着するのを防止できる。
【００５３】
なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、図５ないし図７に示す実施形態に変更することができる。
【００５４】
図５に示すように、結露水案内部材５０Ａに替えて結露水案内部材５０Ｂとしてもよい。この結露水案内部材５０Ｂは、円筒体５１の壁面に孔５２，５２を貫通するようにして形成したものである（図５（ｂ）参照）。また、この孔５２は、上下方向（鉛直方向）においてガス検出素子４０と重なる位置に形成されている（図５（ａ）参照）。
【００５５】
なお、孔５２，５２は、ガス検出素子４０を挟んで互いに対向する位置に設けられているが、このような配置に限定されず、対向しない位置であってもよい。また、孔５２の数は、２箇所に限定されるものではなく、１箇所であっても、３箇所以上であってもよい。また、孔５２の形状は、円形に限定されず、四角形など他の形状であってもよい。
【００５６】
このような結露水案内部材５０Ｂを備えた実施形態によれば、ガス検出素子４０を取り囲むように円筒体５１を形成したとしても、円筒体５１の鉛直方向下端の開口だけではなく、円筒体５１の外側を通って上昇したオフガス（検査対象ガス）を孔５２，５２から円筒体５１内に取り込むことができるので（図５（ａ）の一点鎖線で示す矢印参照）、ガス検出能力を向上できるようになる。
【００５７】
図６に示すように、結露水案内部材５０Ａに替えて結露水案内部材５０Ｃとしてもよい。この結露水案内部材５０Ｃは、円筒体５１の全体をメッシュ状に形成した円筒体５３である。なお、メッシュの目の細かさは、例えば、オフガスを透過しつつ、結露水を透過しないものに設定される。
【００５８】
このような結露水案内部材５０Ｃを備えた実施形態によれば、ガス検出素子４０を取り囲むように円筒体５３に形成したとしても、円筒体５３の鉛直方向下端の開口だけではなく、円筒体５３の外側を通って上昇したオフガス（検査対象ガス）を網目状の孔から円筒体５３内に取り込むことができるので、ガス検出能力を向上できるようになる。
【００５９】
なお、図６では、全体をメッシュ状としたものを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、部分的に、例えば鉛直方向の上部のみをメッシュ状としたものであってもよい。
【００６０】
図７に示すように、結露水案内部材５０Ａ〜５０Ｃに替えて結露水案内部材５０Ｄとしてもよい。結露水案内部材５０Ｄは、板状部材５４であり、ベース部３０から鉛直方向下方に延びて形成され、各ガス検出素子４０の近傍に設けられている（図７（ａ）参照）。また、結露水案内部材５０Ｄは、その平面部５４ａ（図７（ｂ）参照）がガス検出素子４０側に向くようにして、ガス検出素子４０とガス検出素子４０との間に位置している。また、結露水案内部材５０Ｄは、ガス検出素子４０よりも鉛直方向下方に延びて形成されている（図７（ａ）参照）。
【００６１】
このような結露水案内部材５０Ｄを備えた実施形態によれば、ガス導入口２４からガス検出室２５内に入ったオフガス（高湿蒸気）が、ベース部３０に接触して結露水が発生したとしても、その結露水がベース部３０から板状部材５４を伝わって下方に導かれるので、結露水がガス検出素子４０に付着するのを低減できる。
【００６２】
また、ガス導入口２４からガス検出室２５内に入ったオフガス（高湿蒸気）が拡散したとしても、オフガス（高湿蒸気）が板状部材５４によってガス検出素子４０に直接に接触するのを抑制でき、またはガス検出素子４０の近傍（ステー４１など）に接触するのを抑制できるので、結露水がガス検出素子４０に付着するのを低減できる。
【００６３】
このように、ガス検出素子４０への結露水の付着を低減できることによって、高湿環境下でのガス（水素ガス）検出能力の低下を抑制することが可能になる。しかも、ガス検出素子４０への結露水の付着を低減できることによって、結露水がガス検出素子４０に付着することによって生じるガス検出素子４０の耐久性の悪化を抑制することも可能になる。
【００６４】
なお、図７では、ひとつのガス検出素子４０に対して単一の板状部材５４を設けた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、複数枚の板状部材により構成されていてもよい。また、板状部材５４は、平板状に限定されるものでは異形状であってもよい。
【００６５】
また、本実施形態では、一方のガス検出素子４０をガス反応素子とし、もう一方のガス検出素子４０を温度補償素子とした対の構成について説明したが、これに限定されるものではなく、２対の構成（４個のガス検出素子）などであってもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１      水素センサ（ガスセンサ）
２０    ハウジング
２４    ガス導入口
２５    ガス検出室
３０    ベース部
４０    ガス検出素子
５０Ａ〜５０Ｄ  結露水案内部材
５１，５３  円筒体
５２    孔
５４    板状部材
【図１】
2010237007.tif 000003
【図２】
2010237007.tif 000004
【図３】
2010237007.tif 000005
【図４】
2010237007.tif 000006
【図５】
2010237007.tif 000007
【図６】
2010237007.tif 000008
【図７】
2010237007.tif 000009