(57)【要約】【課題】被検出ガスが水素と湿気を含む大気と混合した状態であっても、被検出ガス中の水素濃度のみを区別して検出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】ガス検出部１と、このガス検出部１と接触しないようにガス検出部１を内包するガス導入部６と、ガス導入部６の壁面の一部に設けた酸素富化膜９と、酸素富化膜９と気密が保たれるようにガス導入部６の外部に配置した真空ポンプとから構成したもので、酸素富化膜９の持つ極めて良好な水蒸気透過特性により水蒸気を容易にかつ十分低減した状態の被検出ガスがガス検出部１に到達するようになり、湿度によるガス検出部１の検出誤差を相対的に低減できるという効果を奏するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス検出部と、このガス検出部と接触しないように前記ガス検出部を内包するガス導入部と、このガス導入部の壁面の一部に設けた酸素富化膜と、この酸素富化膜と気密が保たれるように前記ガス導入部の外部に配置した真空ポンプとからなるガスセンサ。
【請求項２】
ガス導入部の一部に被検出ガスを導入する送風機を設けた請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
被検出ガスは水素を含む湿り空気である請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
ガス検出部が発熱体を内包する構成とした請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項５】
発熱体を白金またはサーミスタで構成した請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
発熱体をシリコン基板の一部を極薄に形成した部分の上部に配置した請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項７】
ガス検出部のガス導入口に、このガス導入口と対向しない位置に穴を有する整流部を設けた請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項８】
整流部の穴を送風機と対向しない位置に配置した請求項７に記載のガスセンサ。
【請求項９】
酸素富化膜を、多孔質膜とこの多孔質膜の上に設けた多孔質樹脂層と、この多孔質樹脂層の上に設けたシリコン系薄膜層とからなる積層構造で構成した請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
ガス導入部は円筒形状で、円筒の壁面の一部に通気口を設け、この通気口の全面を覆うように酸素富化膜を配置した請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
通気口の円筒軸方向の長さを前記円筒の直径より大きくした請求項１０に記載のガスセンサ。
【請求項１２】
円筒と同心円になるようにこの円筒の外側に外円筒を設け、前記円筒と前記外円筒の両端を封止するとともに、前記円筒と前記外円筒で囲まれた空間と連通するように前記外円筒の外部に真空ポンプを設けた請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項１３】
送風機の被検出ガス取り込み口と真空ポンプの排気口は互いに対向しないように配置した請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項１４】
送風機の被検出ガス取り込み口と真空ポンプの排気口にフィルターを設けた請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１つに記載のガスセンサを搭載した燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１から１４のいずれか１つに記載のガスセンサを複数設け、各ガスセンサのガス導入部から酸素富化膜と気密が保たれるように配管を設け、前記それぞれの配管を１ヶ所にまとめて１台の真空ポンプに搭載した請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の燃料電池システムを塔載した自動車。
【請求項１８】
ガス導入部に設ける配管が大地方向に向かうように複数のガスセンサを設け、前記配管を１ヶ所にまとめて接続される１台の真空ポンプが前記複数のガスセンサのいずれよりも下側になる位置に配置されるとともに、前記真空ポンプは排気口が大地方向に向かうように配置される請求項１７に記載の自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は湿気を含む大気と混合した被検出ガスの濃度を検出するためのガスセンサとそれを用いた燃料電池システムおよび自動車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー、環境問題の解決の切り札として期待されている燃料電池が、近年、盛んに開発されてきている。特に、固体高分子膜を電解質に用いた燃料電池は動作温度が８０℃程度と低く扱いやすいため、現在燃料電池開発の主流をなしている。しかし、これは燃料に水素を用いるため、その漏洩に対する安全対策として、爆発限界の下限（４ｖｏｌ％）以下の実質的には安全を見込んで爆発下限の半分程度の範囲（２ｖｏｌ％）までの水素濃度を検出するガスセンサが必要になってくる。
【０００３】
このようなガスセンサとして、従来、水素の熱伝導率が他のガスに比べ極めて大きいことを利用し、水素の存在による熱伝導率の変化を発熱素子の温度変化として検出する原理のものが提案されていた。これは、例えば空気中に水素が存在すると、発熱素子から奪われる熱量が空気のみの時より多くなり、これにより発熱素子の温度が水素濃度に応じて変化する。この温度変化を温度検出素子の抵抗値の変化として電気的に検出するものである。
【０００４】
このガスセンサに使用される発熱素子（温度検出素子と兼用）として、例えば白金薄膜抵抗体が用いられている。これは薄膜であるがゆえに半導体微細加工技術（マイクロマシン技術）を応用して製造することが可能であり、極微小な発熱素子を形成できるため、高速応答、低消費電力化が図れるという特徴を有している。
【０００５】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開平８−１０１１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなガスセンサを水素漏洩検知に用いる場合、被検出ガス中の湿気の存在が問題となる。すなわち、湿気がなければ発熱素子の抵抗値は水素濃度に応じて変化するが、湿気があるとそれによっても抵抗値が変化してしまい、水素濃度が２ｖｏｌ％程度までの薄い範囲に対し湿気の方が多量に存在する場合はその影響が無視しきれず、水素による変化なのか湿気による変化なのかあるいは両者が共存して変化したのかを区別することができない。
【０００７】
これに対し、前記先行技術では、白金薄膜抵抗体からなる発熱素子に流す電流を可変することにより発熱素子の出力電圧が反応度合いに応じて変化することを利用して、各電流を流した時の発熱素子の両端電圧をあらかじめ求めた推定式に代入かつ連立させることにより、その推定式の解から大気ガスの量すなわち各ガスの濃度を求めている。
【０００８】
基本的にはこのような方法で複数成分のガス濃度を求めることができるのであるが、課題となるのは燃料電池本体やその配管近傍などでの水素漏洩検知のように、８０℃近い温度で水蒸気がほぼ飽和で含有された状態の水素が大気中に漏洩する場合である。すなわち、各ガス成分の熱伝導率の変化が前記先行技術にあるように１次式で表されるもしくは１次式とみなせる範囲内でしか検出しない用途であれば、チェビシェフの直交多項式を用いて計算できるが、上記のように水素に比べ水蒸気が多量にある場合が想定される系での検出においては、それらの混合系の熱伝導率は湿度とともに一旦上昇しピークを持って下降する非線形（二次以上の次数を必ず持つ）特性を示す。従って、単に推定式を連立させて解くだけでは計算が煩雑になるうえ、湿度に対する解が複数個存在し湿度を一義的に決定できず、ゆえに水素濃度も一義的に決定できないといった課題があった。
【０００９】
以上のことから、本発明は被検出ガス中に水蒸気が共存した環境下においても被検出ガス中の水素濃度のみを検出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ものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものであり、その特徴部分について列挙する。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明は、特に、ガス検出部と、このガス検出部と接触しないように前記ガス検出部を内包するガス導入部と、このガス導入部の壁面の一部に設けた酸素富化膜と、この酸素富化膜と気密が保たれるように前記ガス導入部の外部に配置した真空ポンプとから構成したものであり、これにより、酸素富化膜の持つ極めて良好な水蒸気透過特性を活かし、水蒸気を容易にかつ十分に低減した状態の被検出ガスがガス検出部に到達するようになるので、湿度によるガス検出部の検出誤差を相対的に低減できるという作用効果が得られる。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、ガス導入部の一部に被検出ガスを導入する送風機を設けたものであり、これにより、被検出ガスがガス検出部に到達する時間を短縮できるので、応答性を高速化できるという作用効果が得られる。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、被検出ガスが水素を含む湿り空気としたものであり、これにより、実際の燃料電池の運転状態に対応した水素漏洩検知が可能なガスセンサを構成できるという作用効果が得られる。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の発明は、特に、ガス検出部が発熱体を内包する構成としたものであり、これにより、被検出ガスの濃度を熱伝導率の変化で検知することができ、しかも、酸素富化膜により水蒸気が十分低減されるので、湿度による熱伝導率の変化が１次式とみなせる範囲内に入り、高温高湿度の環境下でも推定式を連立させて解く等により水素濃度を一義的に決定できるという作用効果が得られる。
【００１５】
本発明の請求項５に記載の発明は、特に、発熱体を白金またはサーミスタで構成したものであり、これにより、いずれも発熱体としても温度検出素子としても使用できるので、単一の素子で被検出ガスの熱伝導率の変化を高精度に検出できるという作用効果が得られる。
【００１６】
本発明の請求項６に記載の発明は、特に、発熱体をシリコン基板の一部を極薄に形成した部分の上部に配置したものであり、これにより、シリコンのマイクロマシン微細加工技術で発熱体を極めて薄く形成でき、発熱体の熱容量を極めて低減できるため、高速応答、低消費電力のガスセンサが実現できるという作用効果が得られる。
【００１７】
本発明の請求項７に記載の発明は、特に、ガス検出部のガス導入口に、このガス導入口と対向しない位置に穴を有する整流部を設けたものであり、これにより、直接被検出ガスが発熱体に至らないので、被検出ガスの流量によるガスセンサの出力への影響を低減できるという作用効果が得られる。
【００１８】
本発明の請求項８に記載の発明は、特に、整流部の穴を送風機と対向しない位置に配置したものであり、これにより、送風機によって送り込まれる被検出ガスの流れも直接発熱体に至らなくなるので、送風機によるガスセンサの出力への影響を低減できるという作用効果が得られる。
【００１９】
本発明の請求項９に記載の発明は、特に、酸素富化膜を多孔質膜とこの多孔質膜の上に設けた多孔質樹脂層とこの多孔質樹脂層の上に設けたシリコン系薄膜層とからなる積層構造で構成したものであり、これにより、酸素以上に極めて多量の水蒸気を選択透過させることができるので、容易にかつ十分に水蒸気を低減できるという作用効果が得られる。
【００２０】
本発明の請求項１０に記載の発明は、特に、ガス導入部が円筒形状で、円筒の壁面の一部に通気口を設け、この通気口の全面を覆うように酸素富化膜を配置したものであり、これにより、ガスセンサに導入された被検出ガスから効率よく水蒸気を低減できるという作用効果が得られる。
【００２１】
本発明の請求項１１に記載の発明は、特に、通気口の円筒軸方向の長さを前記円筒の直径より大きくしたものであり、これにより、ガスセンサに導入された被検出ガスが酸素富化膜に接する確率が上がるため、より確実に被検出ガスから水蒸気を低減できるという作用効果が得られる。
【００２２】
本発明の請求項１２に記載の発明は、特に、円筒と同心円になるようにこの円筒の外側に外円筒を設け、前記円筒と前記外円筒の両端を封止するとともに、前記円筒と前記外円筒で囲まれた空間と連通するように前記外円筒の外部に真空ポンプを設けたものであり、これにより、円筒の壁面という曲面上に設けた酸素富化膜全体から簡単な構造で減圧することができるという作用効果が得られる。
【００２３】
本発明の請求項１３に記載の発明は、特に、送風機の被検出ガス取り込み口と真空ポンプの排気口が互いに対向しないように配置したものであり、これにより、真空ポンプから排出される高湿度のガスを再び送風機が取り込む割合を極めて低減できるので、ガスセンサの近傍の環境により近い周囲ガスを取り込むことができるという作用効果が得られる。
【００２４】
本発明の請求項１４に記載の発明は、特に、送風機の被検出ガス取り込み口と真空ポンプの排気口にフィルターを設けたものであり、これにより、ガスセンサの内部に取り込まれるダスト類を低減できるので、これらの堆積による詰まり等の異常を低減できるという作用効果が得られる。
【００２５】
本発明の請求項１５に記載の発明は、特に、請求項１から１４のいずれか１つに記載のガスセンサを燃料電池システムに搭載したものであり、これにより、燃料電池システムのような高温高湿度環境が存在する系でも水素のみの濃度を検知できるので、より安全性の高い燃料電池システムを構築できるという作用効果が得られる。
【００２６】
本発明の請求項１６に記載の発明は、特に、請求項１から１４のいずれか１つに記載のガスセンサを複数設け、各ガスセンサのガス導入部から酸素富化膜と気密が保たれるように配管を設け、前記それぞれの配管を１ヶ所にまとめて１台の真空ポンプに接続したものであり、これにより、高価な真空ポンプを１台にまとめることができるので、低コストな燃料電池システムを構築できるという作用効果が得られる。
【００２７】
本発明の請求項１７に記載の発明は、特に、請求項１５または１６に記載の燃料電池システムを自動車に塔載したものであり、これにより、湿度の影響を低減した高精度な水素濃度検知ができるので、極めて安全性の高い自動車が構成できるという作用効果が得られる。
【００２８】
本発明の請求項１８に記載の発明は、特に、ガス導入部に設ける配管が大地方向に向かうように複数のガスセンサを設け、前記配管を１ヶ所にまとめて接続される１台の真空ポンプが前記複数のガスセンサのいずれよりも下側になる位置に配置されるとともに、前記真空ポンプは排気口が大地方向に向かうように配置したものであり、これにより、酸素富化膜を透過したガス中に含まれる水蒸気が結露して水滴となっても、必ずガスセンサより下側にある真空ポンプへ流れるとともに、真空ポンプの排気口も大地方向を向いているため真空ポンプから出る水滴も大地へ流れ、ガスセンサ、配管、真空ポンプのいずれにも水滴が詰まることがなくなり、信頼性の高い燃料電池自動車が構成できるという作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のガスセンサは、ガス検出部と、このガス検出部と接触しないように前記ガス検出部を内包するガス導入部と、このガス導入部の壁面の一部に設けた酸素富化膜と、この酸素富化膜と気密が保たれるように前記ガス導入部の外部に配置した真空ポンプとから構成しているので、酸素富化膜の持つ極めて良好な水蒸気透過特性により、水蒸気を容易にかつ十分低減した状態の被検出ガスがガス検出部に到達するようになり、湿度によるガス検出部の検出誤差を相対的に低減できるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、実施の形態を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について説明する。なお、ここでは被検出ガス中の水素を検出するものとして、以下、説明する。
【００３１】
図１は本発明の実施の形態におけるガスセンサの真空ポンプを除く分解斜視図である。図２は本発明の実施の形態におけるガスセンサの外観斜視図である。図３は本発明の実施の形態におけるガスセンサのガス検出部の分解斜視図である。図４は本発明の実施の形態におけるガスセンサの概略断面図である。
【００３２】
図１において、ガス検出部１は検出回路２に挿入してはんだ付けされることにより電気的、機械的に接続されている。検出回路２にはガス検出部１以外に回路を構成する電子部品が実装されている。さらに、検出回路２には取り出しケーブル３が接続されており、ステンレス製の下ケース４の内部を通るように配置してある。検出回路２は下ケース４に設けた開口部５の下端まで挿入され、検出回路２の裏面全体を覆うように耐熱樹脂を注入し硬化することで両者を機械的に固定している。
【００３３】
ガス検出部１の上面にはガス導入部６が配置される。ガス導入部６は二重の円筒構成になっており、具体的には以下のような構造からなる。
【００３４】
まず、壁面に通気口７を設けたステンレス製の円筒８の外壁を覆うように酸素富化膜９が固定されている。この際、酸素富化膜９は通気口７の全面を覆い、かつ、円筒８と隙間ができないように固定する。なお、酸素富化膜９は厚み約０．１ｍｍの多孔質膜の上に、密着性を高めるための多孔質樹脂層を介して酸素富化を担うシリコン系薄膜層を設けた積層構造を有している。また、通気口７の円筒軸方向の長さは円筒８の内径より大きくなるように設計してある。
【００３５】
円筒８の下部にはステンレス製の下円板１０が溶接により固定されている。下円板１０には、中央に円筒８の外径と略同寸法の穴が開けてあるため、この穴と円筒８の外周を付き合わせて溶接してある。
【００３６】
次に、真空ポンプ接続口１１があらかじめ溶接固定されたステンレス製の外円筒１２を円筒８を覆うように被せ、下円板１０と外円筒１２の外周を付き合わせて溶接する。
【００３７】
最後に下円板１０と同一形状の上円板１３を円筒８および外円筒１２の上部に被せ、両者と上円板１３をそれぞれ溶接して接合する。
【００３８】
このようにしてガス導入部６が完成する。
【００３９】
このガス導入部６はガス検出部１を円筒８に内包するように下ケース４の上部に被せられ、下ケース４の外周上端と下円板１０とを突き合わせ溶接することで固定される。
【００４０】
ガス導入部６の上部にはステンレス製の上ケース１４が上円板１３と溶接により固定される。上ケース１４の内部には、上ケース１４の内壁と隙間を持ってモーターとファンからなる送風機１５が内蔵固定されている。なお、送風機１５は上ケース１４と隙間を持たせるために、上ケース１４内部に設けた図示しない複数の突起に接続することで固定している。
【００４１】
上ケース１４の外周上端には金属網製のフィルター１６が溶接により配置される。
【００４２】
また、真空ポンプ接続口１１には図示していないが真空ポンプが接続される。
【００４３】
以上、説明したガスセンサの構成部材を組み立てた外観図を図２に示す。真空ポンプ１７は図２に示すように接続されるが、これはガスセンサの近傍に配置しても、配管でガスセンサ本体から離れた場所に配置してもよい。真空ポンプ１７の排気口にも上ケース１４の上端に設けたものと同じ金属網製のフィルター１６が設けられている。
【００４４】
このような構成とすることにより、酸素富化膜９と真空ポンプ１７は気密が保たれるように接続される。
【００４５】
このようにしてガスセンサ３０が完成する。
【００４６】
次にガス検出部１について詳細構造を説明する。
【００４７】
図３において、発熱体１８はシリコン基板の一部を厚さ数μｍに形成した部分の上部に白金をつづら折れ形状にスパッタ成膜して形成したものであり、ベース１９上に固定されている。
【００４８】
ベース１９には、それを貫通するように２本のピン２０が設けられており、ピン２０の頂面と発熱体１８とは金製のワイヤー２１がそれぞれ２本ずつ接続されている。２本ずつワイヤー２１を接続したのは、万一１本のワイヤー２１が断線しても、もう１本が接続されているのでガスセンサを使い続けられ信頼性が向上するからである。なお、ピン２０を検出回路２に挿入してはんだ付けすることにより両者が固定される。
【００４９】
ベース１９には頂面の４ヶ所に内孔２２を有する金属製の内キャン２３が被せられ、さらにその上から円筒の側面４ヶ所に外孔２４を有する金属製の外キャン２５が被せられており、二重のキャン構成としている。内孔２２および外孔２４は、前者が内キャン２３の頂面に後者が外キャン２５の側面にそれぞれ設けられているので、両者をベース１９に被せた際には互いに対向しない位置になるが、より流量の影響を低減するために互いの孔の位置が最も遠くなるようにベース１９に固定してある。さらには、外キャン２５の側面に外孔２４を設けたことで、送風機１５の風向きと対向せず流量の影響を直接受けないようにした。
【００５０】
ベース１９、内キャン２３および外キャン２５はいずれも抵抗溶接により互いに固定されている。なお、内孔２２および外孔２４にはステンレス製の網２６が固定されている。また、内キャン２３と外キャン２５および網２６は黒色クロムメッキにより着色されている。
【００５１】
このように内キャン２３に外キャン２５を重ねることで、被検出ガスの流量変動を低減する整流部を構成している。
【００５２】
外キャン２５の頂面には、外キャン２５と同外径の耐熱樹脂製の円柱２７が接着により固定されている。なお、円柱２７は金属製として外キャン２５と溶接接合してもよいが、円柱２７の役割は送風機１５から導入された被検出ガスをできるだけ酸素富化膜９の近傍に流すためのものであるから、ガスセンサ３０が重くなる金属を手間のかかる溶接で固定するメリットはあまりないと想定される。また、外キャン２５と円柱２７を一体加工して形成してもよいが、この場合も溶接の手間はなくなるものの外キャン２５の加工コストが高くなり、また全体に重くなる傾向も変わらないため、これもあまりメリットがないと想定される。
【００５３】
以上のような構成でガス検出部１が完成する。
【００５４】
次に、ガスセンサ３０の被検出ガスの流れを図４の断面図を用いて説明する。
【００５５】
被検出ガスは送風機１５のファンによりガスセンサ３０の内部に取り込まれる。取り込まれた被検出ガスは送風機１５と上ケース１４の隙間を通って上円板１３に至る。上円板１３は中央に穴が開いているため、そこを通って円筒８の内壁とガス検出部１に設けた円柱２７の隙間に導入される。この構造により被検出ガスの大部分は円筒８の通気口７に固定した酸素富化膜９の表面を接するように流れる。
【００５６】
円筒８と外円筒１２の間の空間は真空ポンプ１７で吸引されているので、被検出ガスの一部は酸素富化膜９を通して真空ポンプ１７から外部に排出される。その際、水蒸気の透過量は他のガスに比べ多いため水蒸気が優先的に排気される。
【００５７】
その結果、酸素富化膜９を通らずに残った被検出ガスは、ある程度水蒸気が低減された状態でガス検出部１の外孔２４に至る。この被検出ガスは拡散により内孔２２を通って発熱体１８に至る。これにより、水蒸気量の少ない被検出ガス中の水素濃度を発熱体１８により検出する。
【００５８】
なお、残った被検出ガスは全てが外孔２４からガス検出部１に入るわけではなく、さらに残った被検出ガスは下ケース４に設けた開口部５から外部に排出される。
【００５９】
以上のようなガスの流れが起こることで、被検出ガスの導入や排出が行われる。なお、ガスセンサ３０の詳細な動作は後述する。
【００６０】
次に、ガスセンサ３０の取り付け例について図５、図６を用いて説明する。
【００６１】
図５は本発明の実施の形態におけるガスセンサを燃料電池システムに取り付けた際の概略ブロック図である。図６は本発明の実施の形態におけるガスセンサを用いた燃料電池システムを塔載した自動車の概略構造を示す断面図である。
【００６２】
まず、燃料電池システムについて固体高分子膜電解質型を例に説明する。
【００６３】
図５において、水素タンク５１は改質型の燃料電池システムの場合には改質器と置き換えられる。
【００６４】
水素タンク５１内の水素は遮断弁５２を通って水素加湿器５３に導入される。ここで、燃料電池内の固体高分子膜が乾燥するのを防ぐための湿気が与えられる。
【００６５】
加湿された水素は燃料電池スタック５４の水素極側に導入される。一方、燃料電池スタック５４には発電に必要な空気もコンプレッサ５５により空気加湿器５６で加湿されて空気極側に導入される。これにより燃料電池スタック５４は発電を行い、太線で示したように燃料電池制御回路５７を経て外部に電力を供給する。また、燃料電池スタック５４からは発電の結果生成した水が空気と一緒に外部へ排出される。
【００６６】
このような燃料電池システムは全体が筐体５８内に収納されている。筐体５８内には水素タンク５１の近傍や燃料電池スタック５４の近傍、燃料電池スタック５４の配管の近傍などに水素漏洩を検知するためのガスセンサ３０が配置される。
【００６７】
また、ガスセンサ３０は図５の場合３個使用しているので、それぞれのガスセンサ３０のガス導入部に設けた真空ポンプ接続口に配管を接続し、途中の経路で１ヶ所にまとめて１台の真空ポンプ１７に接続している。その結果、真空ポンプ１７が１台ですみ、すべてのガスセンサ３０に真空ポンプを取り付けた場合に比べ補機の消費電力の低減が可能となる。
【００６８】
このような構成とすることで、もしいずれかのガスセンサ３０が水素漏洩を検知すれば、燃料電池制御回路５７は遮断弁５２を閉じ警報器５９と換気扇６０を動作させ燃料電池を停止するように制御している。
【００６９】
次に、燃料電池システムを塔載した自動車について説明する。図６において、自動車の本体１０１は乗車空間１０２と、水素タンク収納空間１０３と、駆動手段収納空間１０４と、床下空間１０５がそれぞれ空間として分離された状態で形成されている。水素タンク収納空間１０３には水素を貯蔵するタンク１０６が設けられている。タンク１０６は、特に衝突時における水素漏洩に対する安全性を確保するために、外側タンク１０７と内側タンク１０８からなる二重構造となっており、内側タンク１０８内に水素が貯蔵されている。また、駆動手段収納空間１０４には本体１０１を駆動するためのモーター１０９が設けられている。床下空間１０５には燃料電池スタック１１０が設けられている。
【００７０】
タンク１０６から供給された水素は床下空間１０５に設けられた燃料電池スタック１１０で電気エネルギーに変換され、その電気エネルギーがモーター１０９に伝達されてタイヤ１１１を駆動するようになっている。なお、タイヤ１１１の操舵方向は乗車空間１０２内からハンドル１１２で行うようになっている。
【００７１】
このような自動車において、それぞれの空間にはガスセンサ１１３が設けられている。具体的には、乗車空間１０２に設けたガスセンサ１１３は乗車空間１０２の中で最も上部にあたる天井前部に、水素タンク収納空間１０３に設けたガスセンサ１１３はタンク１０６が二重構造であるため外側タンク１０７の最上部に、駆動手段格納空間１０４に設けたガスセンサ１１３は駆動手段格納空間１０４の中で最も上部にあたるボンネットの後端部に、床下空間１０５に設けたガスセンサ１１３は床下空間１０４の最上部にそれぞれ配置してある。
【００７２】
これらのガスセンサ１１３のガス導入部に設けた真空ポンプ接続口にも配管が接続されており、これらが１ヶ所に集まって真空ポンプ１１４に接続されている。ここで、ガスセンサ１１３の真空ポンプ接続口は全て大地方向を向くように配置し、かつ、真空ポンプ１１４は自動車本体１０１の最下部に設置し、さらに、その間に接続される配管も勾配が上方向に向かないように配置したので、酸素富化膜を透過した水蒸気が配管の途中で結露しても重力により真空ポンプ１１４の方向に流れていくので、配管の途中で水が詰まる可能性が極めて低減される。さらに、真空ポンプ１１４の排気口も大地方向に向かうように配置したので、真空ポンプ１１４から排出された水が詰まる可能性も極めて低減される。
【００７３】
これらのガスセンサ１１３のうちいずれかが水素漏洩を検知すると、図５で説明したように水素供給源を遮断し警報および換気を行うことで安全を確保している。
【００７４】
次に、ガスセンサの詳細な動作について説明する。
【００７５】
図７は本発明の実施の形態におけるガスセンサの概略回路図である。図８は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子への印加電流の概略波形図である。図９は湿り空気の絶対湿度と計算熱伝導率の相関図である。図１０は本発明の実施の形態におけるガスセンサのガス検出部到達ガス流量比と水蒸気低減率の相関図である。
【００７６】
図７において、発熱体１８には電源装置として定電流源３１が接続され、さらに発熱体１８の両端電圧を測定する電圧計３２が定電流源３１と並列に接続されている。定電流源３１および電圧計３２はさらに演算部としてのマイクロコンピュータ３３に接続されている。マイクロコンピュータ３３は定電流源３１を制御するとともに電圧計３２の出力から所定の演算を行い、水素濃度を出力する。
【００７７】
また、マイクロコンピュータ３３には駆動電源３４を介して送風機１５と真空ポンプ１７の制御も行っている。
【００７８】
発熱体１８に印加される電流は図８に示すようにマイクロコンピュータ３３の指示に従って定電流源３１から３段階にステップ状に規定時間連続して流されている。本実施の形態では最初の電流値が１ｍＡ、２回目の電流値が７ｍＡ、３回目の電流値が７．５ｍＡで、それぞれ０．１秒ずつ流すように制御している。３回目の電流を流し終えると、発熱体１８への電流をオフにし１．７秒待つ。この間に発熱体１８を周囲温度まで冷却している。従って、１サイクル２秒の間隔でこれを繰り返して電流を印加している。なお、これらの電流値や時間は本実施の形態の発熱体１８で得られた条件の一例であり、これらの数値に何ら限定されるものではない。
【００７９】
マイクロコンピュータ３３は上記の電流制御を行いながら、各電流値を切替える直前の電圧計３２の電圧値を取り込む。従って、１サイクル当たり３点の電圧を読み込むことになる。ここで、これらの電圧を電流の低い順からＴ，Ｌ，Ｈとする。
【００８０】
Ｔは発熱体１８への電流値が１ｍＡと小さいため、ほとんど発熱しない状態での発熱体１８の電圧に相当する。この場合、発熱体１８は白金測温体に相当するので、その両端電圧Ｔはほぼ発熱体１８の周囲温度のみを表すことになり、ガスの種類による熱伝導の変化は検出していない。
【００８１】
ＬおよびＨは発熱体１８が発熱した時の発熱体１８の電圧になる。この場合はガスの種類や濃度および周囲温度によって素子から奪われる熱と、自らの発熱との平衡が取れた状態の温度に応じた電圧が得られる。従って、ＬとＨは周囲温度とガスの種類や濃度というパラメータが合成された電圧となる。なお、発熱体１の発熱温度は流す電流が小さい時のＬの方が当然Ｈより小さくなる。具体的には非接触による発熱体１の表面温度は室温下で７ｍＡのとき約３７０℃、７．５ｍＡのとき約４３０℃であった。
【００８２】
上記温度のときの湿り空気の絶対湿度に対する熱伝導率の変化をＳｕｔｈｅｒｌａｎｄ−Ｗａｓｓｉｌｊｅｗａ型理論式により計算した結果を図９に示す。図９の横軸は絶対湿度を、縦軸は乾燥空気（絶対湿度０ｇ／ｍ3）のときの熱伝導率λ０を基準とした任意の絶対湿度λとの差（＝λ−λ０）を示す。
【００８３】
図９より、いずれの温度下でも熱伝導率は絶対湿度とともに上昇してピークを持ったのち下がる傾向を示す。湿り空気は本質的にこのような特性を持つため、一般に熱伝導率を測定原理とする湿度センサはピーク値手前の直線とみなせる領域までしか測定できない前提で使用されている。
【００８４】
図９に各温度での直線とみなせる領域を実線で示した。いずれの温度も約１３０ｇ／ｍ3を超えると直線から大きく逸脱する。従って、従来技術では連立一次方程式を解くことで複数成分のガス濃度を求めているので、被検出ガス中に湿気が含まれていた場合は、前記絶対湿度の範囲までしか対応できないことになる。この場合、１３０ｇ／ｍ3は６０℃の飽和水蒸気量に相当するので、燃料電池システムの水素漏洩検知における想定され得る環境条件（８０℃飽和水蒸気状態＝２９１ｇ／ｍ3）には適用できないことがわかる。
【００８５】
そこで、本実施の形態では、ガス検出部１に導入される被検出ガスからあらかじめ直線とみなせる範囲まで水蒸気を低減しておく構成としている。そのために被検出ガスを一度ガス導入部６に設けた酸素富化膜９に接するように流している。酸素富化膜９は酸素に対する透過量が窒素のそれより大きいため、一般に空気中の酸素濃度を高める目的で使われる。しかし、水蒸気の透過量は酸素の約１０倍、水素に対しても約５倍大きいため、酸素富化膜９を透過したガスは極めて水蒸気量が多くなり、これにより除湿が可能となる。
【００８６】
但し、酸素富化膜９はガスの透過量に流量依存性を有する。すなわち、真空ポンプ１７で吸引する際の酸素富化膜９を透過する水蒸気量は送風機１５で取り込むガス流量によって大きく変化する。そこで、ガス検出部１への到達ガス流量と真空ポンプ１７の吸引流量の比率に対する酸素富化膜９による水蒸気低減率（％）の関係を実測した結果を図１０に示す。図１０で横軸はガス検出部１への到達ガス流量比で、１からこの値を引いたものが真空ポンプ１７の吸引流量比となるよう定義した。縦軸は水蒸気低減率を示す。
【００８７】
図１０において、境界条件として横軸が０のときは真空ポンプ１７のみ駆動している状態で、送風機１５による被検出ガスの積極的な取り込みがないので、酸素富化膜９を通ってほぼ全量の被検出ガスが透過すると考える。従って、水蒸気低減率は１００％とした。但し、実際は真空ポンプ１７のみで駆動しても被検出ガス全量が酸素富化膜９を通ることはなく一部は拡散でガス検出部１に導入されるので完全に水蒸気を除去することはできないが拡散によるガス検出部１へのガス流量の決定が困難なことと、実際にはガス検出部１へのガス流量は極めて小さいと考えられることから想定上このように取り扱う。
【００８８】
一方の境界条件として横軸が１のときは送風機１５のみ駆動している状態なので、酸素富化膜９を透過するガスはなく取り込まれた被検出ガスが全量ガス導入部１の近傍に到達するので当然水蒸気低減率は０％になる。
【００８９】
以上説明した図９および図１０を用いて、送風機１５と真空ポンプ１７の流量比を以下に示す手順で具体的に決定する。
【００９０】
燃料電池への適用を考えた場合、想定される最も高温、高湿度の条件は前述したように８０℃飽和水蒸気状態である。従って、絶対湿度最大値は２９１ｇ／ｍ3である。この絶対湿度最大値を１３０ｇ／ｍ3まで低減すれば、連立一次方程式を用いて容易に水素濃度を演算できる。
【００９１】
よって、水蒸気低減率は（１−１３０／２９１）×１００＝５５．３％となるように送風機１５と真空ポンプ１７の流量比を決めればよい。図１０の縦軸で５５．３％にあたる相関曲線の横軸を読むと、約０．３となる。この結果から、送風機１５の流量：真空ポンプ１７の流量＝０．３：０．７になるようにそれぞれ駆動すればよいことがわかる。
【００９２】
この結果をもとに、マイクロコンピュータ３３は駆動電源３４を通して送風機１５と真空ポンプ１７の流量を設定して駆動している。
【００９３】
なお、上記具体例では高温、高湿度条件を実際に想定されるぎりぎりの値に設定しているため、万一それを上回る環境条件になった場合、出力誤差が急に大きくなることが図９から想定される。そこで、想定値に余裕をもち１００℃飽和水蒸気状態まで対応できるように考えた場合、このときの絶対湿度は５８８ｇ／ｍ3であるので、上記計算の２９１ｇ／ｍ3を５８８ｇ／ｍ3に置き換えて計算すると、送風機１５の流量：真空ポンプ１７の流量＝０．１６：０．８４になるようにそれぞれ駆動すればよい。但し、この場合、送風機１５の流量が相対的に少なくなるので、ガス検出部１に被検出ガスが到達するまで時間がかかり応答性が遅くなるため、燃料電池システムの想定される環境条件と必要な応答性を勘案して流量比を決定すればよい。
【００９４】
このようにしてガスセンサを駆動した際に水素濃度は以下のようにして求めている。
【００９５】
上記の駆動条件で送風機１５や真空ポンプ１７を動作させつつ、温度や湿度Ｈｕｍ、水素濃度Ｈ2が既知の環境下で図８に示す電流制御を行って得られた発熱体１８の両端電圧Ｔ，Ｌ，Ｈについて、あらかじめ以下の計算式を求めておく。
【００９６】
Ｌ＝ａ（Ｔ）×Ｈ2＋ｂ（Ｔ）×Ｈｕｍ＋ｃ（Ｔ）          （１）
Ｈ＝ｄ（Ｔ）×Ｈ2＋ｅ（Ｔ）×Ｈｕｍ＋ｆ（Ｔ）          （２）
ここで、ａ（Ｔ），ｂ（Ｔ），ｃ（Ｔ），ｄ（Ｔ），ｅ（Ｔ），ｆ（Ｔ）は温度Ｔにおける係数で、Ｔ，Ｈ2，Ｈｕｍの値が既知であるため、これらを上式に代入して決定できる。
【００９７】
次に、任意の環境下での測定を行うと、得られたＴ，Ｌ，Ｈを（１），（２）式に代入し、連立することでＨ2，Ｈｕｍを求めることができる。これは、Ｌ，Ｈが水素濃度や湿度に対する熱伝導率を反映した値であり、いずれも燃料電池の水素漏洩の用途では一次の独立関数の和とみなせる範囲で適用できるため、このように容易な方法で湿度を補正し水素濃度を得ることができる。
【００９８】
なお、必要に応じてＴの値から換算して環境温度を出力するようにしてもよい。
【００９９】
以上の構成、動作により高温、高湿環境のように多量に水蒸気が存在しても、被検出ガス中の水素濃度のみを検出することができるガスセンサが得られた。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明にかかるガスセンサは、酸素富化膜によりあらかじめ被検出ガス中の水蒸気を低減した後ガス検出部に導入されるので、水蒸気が多量にある環境でも湿度の影響を容易に補正できるという効果を有し、特に高温高湿環境になり得る燃料電池システムの水素漏洩の検出用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の実施の形態におけるガスセンサの真空ポンプを除く分解斜視図
【図２】同実施の形態におけるガスセンサの外観斜視図
【図３】同実施の形態におけるガスセンサのガス検出部の分解斜視図
【図４】同実施の形態におけるガスセンサの概略断面図
【図５】同実施の形態におけるガスセンサを燃料電池システムに取り付けた際の概略ブロック図
【図６】同実施の形態におけるガスセンサを用いた燃料電池システムを塔載した自動車の概略構造を示す断面図
【図７】同実施の形態におけるガスセンサの概略回路図
【図８】同実施の形態におけるガスセンサの発熱素子への印加電流の概略波形図
【図９】湿り空気の絶対湿度と計算熱伝導率の相関図
【図１０】本発明の実施の形態におけるガスセンサのガス検出部への到達ガス流量比と水蒸気低減率の相関図
【符号の説明】
【０１０２】
１  ガス検出部
２  検出回路
３  取り出しケーブル
４  下ケース
５  開口部
６  ガス導入部
７  通気口
８  円筒
９  酸素富化膜
１０  下円板
１１  真空ポンプ接続口
１２  外円筒
１３  上円板
１４  上ケース
１５  送風機
１６  フィルター
１７  真空ポンプ
１８  発熱体
１９  ベース
２０  ピン
２１  ワイヤー
２２  内孔
２３  内キャン
２４  外孔
２５  外キャン
２６  網
２７  円柱
３０  ガスセンサ
３１  定電流源
３２  電圧計
３３  マイクロコンピュータ
３４  駆動電源
５１  水素タンク
５２  遮断弁
５３  水素加湿器
５４  燃料電池スタック
５５  コンプレッサ
５６  空気加湿器
５７  燃料電池制御回路
５８  筐体
５９  警報器
６０  換気扇
１０１  本体
１０２  乗車空間
１０３  水素タンク収納空間
１０４  駆動手段収納空間
１０５  床下空間
１０６  タンク
１０７  外側タンク
１０８  内側タンク
１０９  モーター
１１０  燃料電池スタック
１１１  タイヤ
１１２  ハンドル
１１３  ガスセンサ
１１４  真空ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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