(57)【要約】【課題】  本発明では、ガス検出素子周りにおける結露を抑制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。【解決手段】  水素センサ１は、希釈ガス中に含まれる水素を検出するガス検出素子５０と、ガス検出素子５０を収容する素子収容部３４と、素子収容部３４内に希釈ガスを取り込むガス通流部７０と、を備えて、希釈ガスが流れる出口側配管６に設けられている。そして、水素センサ１には、素子収容部３４内と外部とを連通させる連通路８０が設けられている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体中に含まれる被検出ガスを検出するガス検出素子と、
前記ガス検出素子を収容する素子収容部と、
前記素子収容部の内外へ前記気体を通流させるガス通流部と、を備え、
前記気体が流れる流路内に前記ガス通流部を臨ませた状態で、前記流路の壁に設けられるガスセンサであって、
前記素子収容部内と、前記流路内よりも低湿度となる低湿度領域とを連通させる連通路を設けたことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記低湿度領域は、大気に繋がる領域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、高湿の環境下に置かれるガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側を燃料極と酸素極で挟み込んで単セルを形成し、この単セルを複数積層して一つの燃料電池スタックを構成している。そして、燃料極には、燃料として水素が供給され、酸素極には酸化剤として空気が供給されて、燃料極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酸素極まで移動し、水素イオンと酸素が電気化学反応を起こして発電する。
【０００３】
このような固体高分子膜型燃料電池においては、従来、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する技術が知られている（特許文献１参照）。具体的に、この技術では、水素検出器の水素取込口（ガス通流部）を天地方向における下方に向けた状態とし、その水素検出器を排気管の上壁に設けることで、比重の軽い水素を良好に水素検出器内に取り込むことができる構造となっている。また、このような技術では、水素取込口に撥水フィルタを設けることで、水素検出器内に高湿のガスが入る前にそのガス中の水滴を撥水フィルタで除去して、水素検出器内のガス検出素子に水滴が付着するのを防止することも考えられている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９４６７５号公報（段落０００８〜００１０、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記した技術では、高湿のガス中に含まれている水蒸気が未だ水滴となっていない状態においては、その水蒸気は撥水フィルタを通過するため、このように水蒸気が水素検出器内に入った場合にガス検出素子やその周囲が低温状態であると、水蒸気がガス検出素子周りで結露してしまうという問題があった。そして、このように水蒸気がガス検出素子周りで結露することでガス検出素子に水が付着すると、その後のセンシングに影響を及ぼす可能性があった。
【０００６】
そこで、本発明では、ガス検出素子周りにおける結露を抑制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】
【０００７】
前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、気体中に含まれる被検出ガスを検出するガス検出素子と、前記ガス検出素子を収容する素子収容部と、前記素子収容部の内外へ前記気体を通流させるガス通流部と、を備え、前記気体が流れる流路内に前記ガス通流部を臨ませた状態で、前記流路の壁に設けられるガスセンサであって、前記素子収容部内と、前記流路内よりも低湿度となる低湿度領域とを連通させる連通路を設けたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、素子収容部内と、流路内よりも低湿度となる低湿度領域とを連通させる連通路を設けたので、ガス通流部から素子収容部内に高湿の気体が入ってきても、この気体中の湿気（水分）は連通路を介して低湿度領域に放出される。そのため、素子収容部内のガス検出素子周りにおける結露を抑制することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガスセンサであって、前記低湿度領域は、大気に繋がる領域であることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、例えば流路の外側が大気である場合においては、連通路を素子収容部内からガスセンサの外面へ抜けるように設けるだけで、素子収容部内を除湿することができるので、構造が簡単となり、製造コストを低減させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、素子収容部内と低湿度領域とを連通させる連通路を設けることで、ガス通流部から素子収容部内に入ってきた高湿の気体中の湿気が連通路を介して低湿度領域に放出されるため、素子収容部内のガス検出素子周りにおける結露を抑制することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、例えば流路の外側が大気である場合においては、連通路を素子収容部内からガスセンサの外面へ抜けるように設けるだけで、素子収容部内を除湿することができるので、構造が簡単となり、製造コストを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
〔第１の実施形態〕
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、第１の実施形態に係る水素センサを備えた燃料電池システムを示す概略構成図である。
【００１４】
図１に示すように、第１の実施形態に係る水素センサ（ガスセンサ）１は、燃料電池２から排出される空気オフガス中の水素を検出するために、燃料電池システムＳ内に組み込まれている。以下に、この燃料電池システムＳについて簡単に説明した後、水素センサ１の詳細について説明することとする。
【００１５】
燃料電池システムＳは、燃料電池２と、燃料極（アノード）側の入口側配管３および出口側配管５と、酸素極（カソード）側の入口側配管４および出口側配管６を主に備えている。
燃料電池２は、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極で挟持した電解質膜電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる単セル（図示略）を多数組積層して構成されたスタックからなる。
【００１６】
この燃料電池２では、例えば高圧の水素タンク等を備える水素供給装置（図示略）から燃料極側の入口側配管３を介して燃料として水素が燃料極に供給されるとともに、コンプレッサ２１により酸素極側の入口側配管４を介して酸化剤として空気が酸素極に供給される。燃料極の触媒電極上では、触媒反応により水素がイオン化され、生成された水素イオンが適度に加湿された固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動する。そして、こ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。また、酸素極には酸素を含む空気が供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子および酸素が、酸素極の触媒の作用により電気化学的に反応して水が生成される。
そして、燃料極側の出口側配管５および酸素極側の出口側配管（流路）６から未反応の反応ガス（例えば、水素や空気等）を含むいわゆるオフガスが排出される。
【００１７】
ここで、未反応の水素を含む水素オフガス（アノードオフガス）は、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５から水素循環路２２に排出され、エゼクタ２３を介して燃料極側の入口側配管３に戻され、再び燃料電池２の燃料極に供給されるようになっている。
一方、反応済みの空気中に水分を多量に含んだ空気オフガス（カソードオフガス）は、希釈器２６および出口側配管６を介して大気中へ排出される。
【００１８】
さらに、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５にはパージ弁２４を介して水素排出路２５が接続され、この水素排出路２５には希釈器２６が接続されている。そして、水素オフガスは、パージ弁２４を介して水素排出路２５に排出可能とされ、さらに、水素排出路２５を通って希釈器２６に導入可能とされている。
希釈器２６は、水素排出路２５から取り込んだ水素オフガスを、燃料電池２から排出された空気オフガスによって適宜の倍率で希釈し、希釈ガスとして排出することができるように構成されている。
そして、この希釈器２６の下流には、ガス接触燃焼式の水素センサ１が配置されており、これにより希釈ガスの水素濃度が監視されるようになっている。ここで、この水素センサ１は、空気オフガスの流通方向が水平方向となるように配置された出口側配管６の鉛直方向上部に配置されている。
【００１９】
続いて、図２および図３を参照して水素センサ１の詳細について説明する。参照する図面において、図２は第１の実施形態に係る水素センサの内部を示す断面図である。
【００２０】
図２に示すように、水素センサ１は、制御基板ＣＢを内蔵した直方体形状のケース３０を備えている。ケース３０は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、長手方向両端部にフランジ部３１を備えている。フランジ部３１にはカラー３２が取り付けられており、このカラー３２内にボルト３３が挿入されることで、フランジ部３１は、酸素極側の出口側配管（流路）６に設けられた取付座（壁）６ａに締結されて固定されるようになっている。
【００２１】
また、ケース３０の下端面には、制御基板ＣＢに接続されるガス検出素子５０とヒータ６０とが設けられるとともに、これらを収容するための有底円筒状の素子収容部３４が下方へ突出するように設けられている。さらに、ケース３０には、素子収容部３４内と、外部（大気；出口側配管６内よりも低湿度となる低湿度領域）とを連通させる連通路８０が、ケース３０の下端面から上端面に貫通するように設けられている。
【００２２】
ガス検出素子５０は、前記希釈ガス（気体）中に含まれる水素（被検出ガス）を検出するものであり、具体的には図の手前側に配置される検出素子５１とその奥側に配置される温度補償素子５２との対により構成されている。検出素子５１は、周知の素子であって、電気抵抗に対する温度係数が高い白金等を含む金属線のコイルが、触媒を坦持したアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。触媒は、水素に対して活性な貴金属などからなる。温度補償素子５２は、水素に対して不活性とされ、例えば検出素子５１と同等のコイルの表面が、アルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。
【００２３】
そして、水素が触媒に接触した際に生じる反応熱により、検出素子５１が高温になると、検出素子５１と温度補償素子５２の抵抗値に差が生じるので、この差から水素濃度を検出することができるようになっている。なお、雰囲気温度による電気抵抗値の変化は、温度補償素子５２を利用することにより相殺される。
【００２４】
ヒータ６０は、素子収容部３４内（以下、この内部空間を「ガス検出室Ｒ」ともいう。）を加熱するものであり、これによりガス検出素子５０において結露が生じるのが抑制されている。
【００２５】
素子収容部３４は、出口側配管６に形成された貫通孔６ｃに嵌合するようになっており、その底壁３４ｃの下面が出口側配管６の内面６ｂと面一となるように形成されている。また、この底壁３４ｃにはガス通流部７０が設けられており、これにより出口側配管６内に臨んだ状態となるガス通流部７０からガス検出室Ｒ内に希釈ガスが取り込まれるようになっている。
【００２６】
ガス通流部７０は、素子収容部３４の底壁３４ｃに形成される開口部７１と、この開口部７１に設けられる撥水フィルタ７２と、この撥水フィルタ７２に重ねて設けられる防爆フィルタ７３とを備えて構成されている。これにより、湿潤の希釈ガス中に含まれる水が、撥水フィルタ７２ではじかれて、ガス検出室Ｒ内に入らないようになっているとともに、防爆性も確保されている。
【００２７】
また、素子収容部３４の周壁３４ａには、周方向に沿う所定の溝３４ｂが形成され、この溝３４ｂ内にシール部材３５が設けられている。これにより、出口側配管６に水素センサ１を取り付けた際には、シール部材３５が、出口側配管６の貫通孔６ｃの内周面と素子収容部３４の溝３４ｂとに密着して、これらの間の気密性を確保している。
【００２８】
連通路８０は、直線状に形成された円筒状の配管であり、その軸方向が鉛直方向に沿うように配置されている。そして、この連通路８０は、その一端がガス検出室Ｒ内に開口するとともに、その他端が外部に開口しており、この他端側の開口部に、前記したガス通流部７０を構成する撥水フィルタ７２および防爆フィルタ７３と同様の撥水フィルタ８２および防爆フィルタ８３が設けられている。これにより、外部からガス検出室Ｒ内への水の浸入等が抑制されるようになっている。
【００２９】
次に、前記した水素センサ１の作用について説明する。
図２に示すように、出口側配管６内を流れる高湿の希釈ガスは、ガス通流部７０からガス検出室Ｒ内に入ってくる。そして、このようにガス検出室Ｒ内に入ってきた高湿の希釈ガスは、その後新たにガス検出室Ｒ内に入ってくる希釈ガスによって、ガス検出室Ｒ内で長い間滞留することなく、連通路８０を介して外部に押し出されることとなる。また、出口側配管６内において希釈ガスの流れがなくなったとき（例えば燃料電池２の停止時）には、ガス検出室Ｒ内において高湿の希釈ガスが滞留したままとなることがあるが、この場合であっても、希釈ガス中の湿気（水分）は、連通路８０を介して低湿度となる大気中に放出されることとなる。
【００３０】
以上によれば、第１の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
ガス検出室Ｒ内の希釈ガス中の湿気が連通路８０を介して大気中に放出されるので、ガス検出室Ｒ内のガス検出素子５０周りにおける結露を抑制することができる。
【００３１】
なお、本発明は、第１の実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
第１の実施形態では、連通路８０を直線状に形成したが、本発明はこれに限定されず、例えば曲線状や複数回屈曲させた形状などに形成してもよい。
【００３２】
〔第２の実施形態〕
以下に、本発明の第２の実施形態について説明する。この実施形態は第１の実施形態の構造を一部変更したものなので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図３は第２の実施形態に係る水素センサの内部を示す断面図であり、図４は図３のＡ−Ａ断面図である。
【００３３】
図３に示すように、第２の実施形態に係る水素センサ１’は、第１の実施形態とは異なる形状の素子収容部３７を備えている。
素子収容部３７は、出口側配管６と嵌合する部分が第１の実施形態の素子収容部３４と同様の形状および構造になっている反面、それよりも上側の部分（出口側配管６外へ突出する部分）と下側の部分（出口側配管６内へ突出する部分）とがそれぞれ異なるように形成されている。具体的には、図４に示すように、素子収容部３７の上側の周壁３７ａには、外方へ向かって略水平に突出する略円筒状の連通路９０が形成されている。そして、この連通路９０の先端側の開口には、第１の実施形態と同様の撥水フィルタ８２および防爆フィルタ８３が設けられている。なお、ケース３０には、素子収容部３７の連通路９０を含む上側部分を収容するための逃げ部が適宜形成されている。
【００３４】
また、素子収容部３７の下側部分の周壁３７ａは、下方に向かうにつれて内側に傾くテーパ状に形成されている。これにより、希釈ガスの流れ方向に直交する面内における素子収容部３７の断面積が、テーパ状に形成しなかった場合と比べて小さくなるので、その分希釈ガスの流れに対して抵抗とならないようになっている。さらに、素子収容部３７の傾斜した周壁３７ａには、図３に示すように、希釈ガスの流れ方向における上流部および下流部（流れ方向から見て重なる位置）に、第１の実施形態と同様のガス通流部７０が１つずつ設けられている。
【００３５】
また、素子収容部３７の底壁３７ｃの適所には、ガス検出室Ｒ内で液化した水を外部へ排出するための水抜き孔３７ｄが設けられ、この水抜き孔３７ｄには、水を通すことが可能な程度のメッシュで形成された第１の実施形態と同様の防爆フィルタ７３が設けられている。さらに、水抜き孔３７ｄの下部には、排水路３６が設けられており、この排水路３６の下部が希釈ガスの流れ方向の下流側へ向かって折れ曲がるように形成されることで、水抜き孔３７ｄからガス検出室Ｒ内に希釈ガスが入ってくることが抑制されている。ちなみに、素子収容部３７が出口側配管６の内面６ｂから突出することで、その部分における出口側配管６の断面積が小さくなっていることから、素子収容部３７の下方を流れる希釈ガスの流速が速くなるため、負圧の作用により、水抜き孔３７ｄからの水の排出が促進されるようにもなっている。
【００３６】
以上によれば、第２の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
連通路９０の開口が略水平方向を向くことによって、その開口に設けた撥水フィルタ８２に水が付着したとしても重力によって水を撥水フィルタ８２上から除去できるので、水が撥水フィルタ８２上に溜まって撥水フィルタ８２が目詰まりするのを抑制することができる。
横向きの連通路９０で、ガス検出室Ｒ内と外部とを連通させたので、第１の実施形態に係る縦向きの連通路８０で連通させる構造に比べ、制御基板ＣＢに貫通孔を形成する必要がなくなる。すなわち、制御基板ＣＢを特殊な形状にする必要がなくなるので、製造コストを低減させることができる。
【００３７】
２つのガス通流部７０が希釈ガスの流れ方向から見て重なるように設けられることで、希釈ガスが素子収容部３７内をスムーズに通過することとなるので、素子収容部３７内で希釈ガスが滞留するのを抑制することができるとともに、出口側配管６の内面６ｂから突出する素子収容部３７が希釈ガスの流れに対して抵抗となるのを極力抑えることができる。
【００３８】
ガス通流部７０が素子収容部３７の周壁３７ａに設けられることで、ガス検出室Ｒ内で液化した水はガス通流部７０に付着したとしても重力によって下方に流され、ガス通流部７０に溜まることが抑制される。そのため、ガス通流部７０（撥水フィルタ７２）の目詰まりを抑制することができる。
素子収容部３７には、水抜き孔３７ｄおよび下流側へ折れ曲がった排水路３６が設けられるので、内部に溜まった水を良好に排水できる。
【００３９】
素子収容部３７の周壁３７ａを傾けることで、希釈ガスの流れに対して直交する面内における素子収容部３７の断面積（希釈ガスが直接当たる面）を小さくしたので、水素センサ１’が希釈ガスの流れに対して抵抗となるのを極力抑えることができる。また、これにより、燃料電池２から排出される空気オフガスがスムーズに流れて出ていくこととなるので、エア供給のエネルギ消費を抑えることが可能となる。
【００４０】
なお、本発明は、第２の実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
第２の実施形態では、連通路９０の先端の開口を略水平に向かせたが、本発明はこれに限定されず、例えば連通路９０の先端を出口側配管６の側壁から突出させつつ下方に折り曲げることで、その開口を下に向かせてもよい。これによれば、第２の実施形態と同様に、連通路９０の開口に設けた撥水フィルタ８２に対して外部から水が付着したとしても、その水を重力によって除去することができる。
【００４１】
第２の実施形態では、素子収容部３７の下半部全体をテーパ状（円錐台状）に形成したが、本発明はこれに限定されず、素子収容部３７の少なくとも側部（希釈ガスの流れに対して真横となる部分）のみが傾けられていればよい。
【００４２】
また、水抜き孔３７ｄを有した構造となる第２の実施形態においては、素子収容部３７内に金属などの比熱の小さな物質を設けることで、その物質で積極的に結露させてもよい。なお、この構造の具体例としては、図５に示すように、素子収容部３７の周壁３７ａの内面に金属板Ｍ１を設けるとともに、底壁３７ｃに水抜き孔Ｍ２１を有した金属板Ｍ２を設ければよい。詳しくは、ガス通流部７０よりも上方に設ける金属板Ｍ１を、その表面で結露した水滴Ｗが周壁３７ａのみを伝って底壁３７ｃまで辿り着くことが可能な位置（結露した水滴Ｗがガス通流部７０を通らないような位置）に配置し、かつ、金属板Ｍ２をガス通流部７０よりも下方に配置すればよい。これによれば、ガス通流部７０周りでの結露が抑制されるとともに、各金属板Ｍ１，Ｍ２で結露した水がガス通流部７０に付着することも防止できる。
【００４３】
また、本発明は、前記した２つの実施形態（第１，第２の実施形態）に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記実施形態では、被検出ガスを水素としたが、本発明はこれに限定されず、例えば、一酸化炭素、硫化水素など他のガスであってもよい。さらに、前記実施形態では、ガスセンサとして接触燃焼式のガスセンサを採用したが、本発明はガス検出室を備えるガスセンサであればどのようなものでもよく、例えば、半導体式のガスセンサなど、他の方式のガスセンサであってもよい。
【００４４】
前記実施形態では、ガス検出室Ｒを連通路８０，９０を介して大気に連通させたが、本発明はこれに限定されず、出口側配管６内よりも低湿度となる低湿度領域であればどこに連通させてもよい。具体的には、例えば、図１に示すコンプレッサ２１よりも上流側の配管内に連通路の出口を繋げたり、コンプレッサ２１から燃料電池２に供給される乾いた空気を加湿するための加湿器の水分供給側に、連通路の出口を繋げてもよい。ただし、前記実施形態では、連通路８０，９０の出口を大気に開放させるだけなので、その構造を簡略化することができる。
【００４５】
前記実施形態では、連通路として円筒の配管状のものを用いたが、本発明はこれに限定されず、例えばガス検出室Ｒと外部とが１枚の壁で隔てられる場合は、壁に形成した孔を、連通路として用いてもよい。また、連通路を配管で構成する場合は、前記実施形態のように円筒状である必要はなく、筒状であればどのような形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１の実施形態に係る水素センサを備えた燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る水素センサの内部を示す断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る水素センサの内部を示す断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】第２の実施形態の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１，１’  水素センサ（ガスセンサ）
６      出口側配管（流路）
６ａ    取付座（壁）
６ｂ    内面
３４，３７  素子収容部
５０    ガス検出素子
７０    ガス通流部
７１    開口部
７２    撥水フィルタ
７３    防爆フィルタ
８０，９０  連通路
８２    撥水フィルタ
８３    防爆フィルタ
Ｒ      ガス検出室
【図１】
2006343106.tif 000003
【図２】
2006343106.tif 000004
【図３】
2006343106.tif 000005
【図４】
2006343106.tif 000006
【図５】
2006343106.tif 000007