(57)【要約】【課題】下方から跳ね上げられた水や泥等がガスセンサにかかることを抑制し、もって検出精度の低下を抑制するガスセンサの配置構造及び燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】水素タンク１１０などの検出対象物の上側近傍に水素センサ４０を配置する際に、素子（５０，６０）が上向きに開放されるように配置し、素子（５０，６０）への下方からの泥等の直撃を避けるようにした。また、素子（５０，６０）の上側を覆うフィルタ８８の形状を錐型とし、その錐型の頂点９８を水素センサ４０の中心からずらした。フィルタ８８の頂点のずれは、燃料電池自動車１００の前方寄りである。【選択図】図３
2009248851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象物から漏れた検出対象ガスのガス濃度を検出するためのガスセンサの配置構造において、
前記ガスセンサは、前記ガス濃度の検出に用いられる素子が上向きに開放されるように前記検出対象物の近傍に配置されている、ガスセンサの配置構造。
【請求項２】
前記ガスセンサは、前記検出対象物の上側に配置されている、請求項１に記載のガスセンサの配置構造。
【請求項３】
前記ガスセンサは、前記素子を上側から覆って前記検出対象ガスの通過を許容するフィルタを備えている、請求項２に記載のガスセンサの配置構造。
【請求項４】
前記フィルタは、錐型からなる部位を有し、当該錐型の頂点が前記ガスセンサの中心からずれた位置にある、請求項３に記載のガスセンサの配置構造。
【請求項５】
前記ガスセンサ及び前記検出対象物は、移動体に搭載されており、
前記フィルタは、前記錐型の頂点が前記ガスセンサの中心からみて前記移動体の進行方向の前方寄りに位置している、請求項４に記載のガスセンサの配置構造。
【請求項６】
前記ガスセンサは、前記検出対象ガスが導入されるガス導入室を有し、
前記ガス導入室は、開放された上部を前記フィルタに覆われると共に、内部に前記素子が設けられている、請求項３ないし５のいずれか一項に記載のガスセンサの配置構造。
【請求項７】
前記ガス導入室は、前記素子が配設される底部と、前記底部に向かってテーパ状に傾斜した側部と、を有する、請求項６に記載のガスセンサの配置構造。
【請求項８】
前記検出対象物は、前記検出対象ガスを貯留するガス容器である、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のガスセンサの配置構造。
【請求項９】
前記検出対象ガスは、水素ガスである、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のガスセンサの配置構造。
【請求項１０】
請求項９に記載のガスセンサの配置構造を備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出対象物から外部に漏れた検出対象ガスのガス濃度を検出するガスセンサの配置構造に関し、例えば、燃料電池システムにおける水素ガスの漏洩検出に好適なガスセンサの配置構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスの供給を受けて走行する燃料電池車両では、燃料電池システム外への水素ガスの漏洩を検出する手段の一つとして、水素センサの設置が有効である。従来、水素センサを配置した燃料電池車両として、例えば特許文献１及び２が知られている。特許文献１では、燃料電池車両のフロアパネルにフロアトンネル部を形成し、フロアトンネル部内の上壁下面に水素センサを取り付けている。また、特許文献２では、水素タンクを車体フレームに締結するバンドの締結部に、水素センサを取り付けている。
【０００３】
特許文献２に記載の水素センサは、触媒型（接触燃焼式）のものが用いられている。この水素センサは、白金等の触媒が付着された検出素子と、触媒が付着されていない温度補償素子とを備え、検出素子及び温度補償素子を水素ガスの存在し得るガス空間に配置する。漏洩した水素ガスが触媒に接触すると、触媒の燃焼により、検出素子の温度が温度補償素子よりも上がる。その結果、両素子間に電気抵抗値に差が生じ、それにより水素ガス濃度を検出する。
【０００４】
また、水素センサとしては、非触媒型（気体熱伝導式）のものも開発されている。このタイプの水素センサは、検出素子をガス空間に配置し、温度補償素子を当該ガス空間とは隔絶された雰囲気に配置する。漏洩した水素ガスがガス空間に存在すると、検出素子が放熱し、検出素子の温度が温度補償素子よりも低下する。これにより生じた両素子間の電気抵抗の差から水素ガス濃度を検出する。
【特許文献１】特開２００３−２５２２５２号公報
【特許文献２】特開２００３−２９１６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１でも指摘されているように、燃料電池車両の走行によって、路面から水や泥などの異物が跳ね上げられ、これらが水素センサにかかることが考えられる。例えば接触燃焼式の水素センサの温度補償素子に水が付着すると、温度補償素子の抵抗値が下がり、水素ガスの漏洩と誤検知するおそれがある。
【０００６】
確かに、特許文献１によれば、水素センサをフロアトンネル部内に配置し、かつ、その下方に空気配管系のサイレンサを配置しているので、路面から跳ね上げられた水等が水素センサにかかり難くはなっている。ところが、特許文献１の図面を参酌すれば、水素センサは素子を下側に向けて配置しているので、跳ね上げられた水等が素子に直接かかる可能性が高い。また、特許文献１では、水素センサの全体を遮水ケースで別途覆っており、その分、部品点数が増加している。
【０００７】
一方、特許文献２は、水素センサへの異物の付着については何ら考慮していない。この水素センサは、ガス検知部（検出素子及び温度補償素子）を水素タンクに対向させるように斜め下方に向けた状態で配置されており、そのために、両素子は、跳ね上げられた水等の直撃を受ける可能性があった。
【０００８】
本発明は、下方から跳ね上げられた水や泥等がガスセンサにかかることを抑制し、もって検出精度の低下を抑制するガスセンサの配置構造及び燃料電池システムを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のガスセンサの配置構造は、検出対象物から漏れた検出対象ガスのガス濃度を検出するためのガスセンサの配置構造において、ガスセンサは、ガス濃度の検出に用いられる素子が上向きに開放されるように検出対象物の近傍に配置されているものである。
【００１０】
このように配置することで、ガスセンサの下方から水や泥等が跳ね上げられても、上方を向いている素子にはかかり難くなる。一方で、素子が上向きに開放されていても、素子は検出対象ガスの雰囲気に曝され得る。特に、検出対象ガスが拡散係数の大きなガス（例えば水素ガス）である場合には、素子は検出対象ガスの雰囲気に曝される。よって、遮水カバーなどを別途設けなくとも、下方からの水等の直撃を抑制しつつ、検出対象ガスのガス濃度を検出することができる。
【００１１】
好ましくは、ガスセンサは、検出対象物の上側に配置されるとよい。その理由は、検出対象物から漏れた検出対象ガスが空気より軽かったりあるいは拡散係数が大きかったりすれば、検出対象物の上側へと流れるからである。かかる配置により、検出対象ガスの漏れを確実性良く検出することができる。
【００１２】
より好ましくは、ガスセンサは、素子を上側から覆って検出対象ガスの通過を許容するフィルタを備えるとよい。かかる構成によれば、フィルタによって素子の上側を保護しつつ、漏れた検出対象ガスをフィルタを介して素子に導くことができる。
【００１３】
より好ましくは、フィルタは、錐型からなる部位を有し、錐型の頂点がガスセンサの中心からずれた位置にあるとよい。この構成によれば、フィルタが錐型であるので、フィルタに水や泥などが付着しても、これらがフィルタから落下し易くなる。また、錐型の頂点をオフセットしているので、素子の発熱によって生じ得る上昇気流がフィルタと素子との間で対流となり易い。このため、検知精度を向上できる。
【００１４】
より好ましくは、ガスセンサ及び検出対象物は、移動体に搭載されており、フィルタは、錐型の頂点がガスセンサの中心からみて移動体の進行方向の前方寄りに位置するとよい。この構成によれば、相対的に水等が付着し易いフィルタの前側部分に関して、角度を相対的に大きくする（角度をたたせる）ことができる。これにより、移動体の移動によって水や泥等が跳ね上げられ、これらがフィルタの前側部分に付着しても、この付着物が落下し易くできる。
【００１５】
好ましくは、ガスセンサは、検出対象ガスが導入されるガス導入室を有し、ガス導入室は、開放された上部をフィルタに覆われると共に、内部に素子が設けられるとよい。この構成によれば、上側からフィルタを通過してガス導入室に導入された検出対象ガスが、素子に検出されるようになる。
【００１６】
より好ましくは、ガス導入室は、素子が配設される底部と、底部に向かってテーパ状に傾斜した側部と、を有するとよい。この構成によれば、ガス導入室の側部で結露しても、この結露水を素子へと集めることができる。これにより、例えば素子をヒートクリーニング処理することで、結露水を簡単に除去することが可能となる。
【００１７】
好ましくは、検出対象物は、検出対象ガスを貯留するガス容器であるとよい。この構成によれば、ガス容器から漏れた検出対象ガスを検知することができる。また、ガス容器の上側にガスセンサを配置する場合には、ガスセンサの下方からの異物よけとして、ガス容器を活用することができる。
【００１８】
好ましくは、検出対象ガスは、水素ガスであるとよい。水素ガスは空気より十分軽いので、ガスセンサ（素子）を上向きに配置する本発明の配置構造を有効に適用できる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムは、上記した本発明のガスセンサの配置構造を備えたものである。これにより、例えば、燃料電池や燃料電池システムの配管からの水素ガスの漏れを検出できる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明した本発明のガスセンサの配置構造及び燃料電池システムによれば、下方から跳ね上げられた水や泥等がガスセンサにかかることを抑制できるので、ガスセンサの検出精度の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態にガスセンサの配置構造を燃料電池システムに設けた例について説明する。燃料電池システムは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができ、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源に適用できるものである。ここでは、燃料電池自動車に搭載した燃料電池システムを一例に説明する。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池自動車１００は、車体に燃料電池システム１を搭載している。燃料電池システム１の燃料電池２がインバータを介して駆動モータに連結されており、駆動モータが車軸を回転させる。燃料電池自動車１００及び燃料電池システム１は、制御装置２００（ＰＣＵ）によって制御される。
【００２３】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。酸化ガスとしての空気（酸素）は、コンプレッサ１４により圧送され、供給配管１１から燃料電池２に供給される。酸化ガスは、セパレータのガス流路２ａを流れて発電に供された後、酸化オフガスとして排出配管１２から排出される。
【００２４】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源２１から供給配管２２を通じて燃料電池２に供給される。水素供給源２１は、例えば水素ガスを３５ＭＰａ又は７０ＭＰａで貯留する高圧タンクで構成される。水素タンクに代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を水素供給源として採用することもできる。また、水素タンクに代えて、水素吸蔵合金を有するタンクを採用してもよい。
【００２５】
水素ガスは、セパレータのガス流路２ｂを流れて発電に供された後、水素オフガスとして循環配管２３に排出され、図外のポンプ等によって供給配管２２に戻されて、再び燃料電池２に供給される。循環配管２３にはパージ配管２５が分岐接続されており、パージ弁２６を開くことで、パージ配管２５の下流の水素希釈器２７に水素オフガスが排出される。水素オフガスは、水素希釈器２７で水素濃度を低減された後、排ガスとして排ガス配管２８から外部に放出される。
【００２６】
燃料電池自動車１００における各構成機器の配置は、燃料電池自動車１００の車体タイプにもよるが、一例を挙げると、燃料電池２は、車室床に配置され、ブラケット等で車両のフレームに固定される。また、水素供給源２１としての水素タンクは、例えば、車体後部の下側となる床下位置に設けられる。供給配管２２及び循環配管２３などの水素ガス配管系統の各部材も、車体の床下位置など、燃料電池自動車１００の下部に設けられる。
【００２７】
燃料電池自動車１００には、燃料電池システム１外への水素ガスの漏洩を検知する水素センサ４０が複数配置されている。水素センサ４０の検出結果は制御装置２００に出力され、制御装置２００は、水素ガスの漏洩が起きていると判断した場合に、表示器やブザーなどの報知装置３００を作動させる。
【００２８】
水素センサ４０は、水素ガスを検出対象ガスとして、その水素濃度（ガス濃度）を検出するものである。複数ある水素センサ４０は、それぞれ、水素ガス漏れを検出しようとする検出対象物の近傍に配置される。例えば、ある水素センサ４０は、水素供給源２１の近傍に設けられ、水素供給源２１から漏れた水素ガスを検出する。別の水素センサ４０は燃料電池２の近傍に設けられ、また別の水素センサ４０は供給配管２２やパージ配管２５の近傍に設けられる。これら水素タンク等の検出対象物は燃料電池システム１の構成に応じて異なるものであるが、水素センサ４０はこれら検出対象物等の上側に配置されることが望ましい。
【００２９】
水素センサの種類としては、半導体式センサ、接触燃焼式センサ、気体熱伝導式センサ、電流測定式センサ、及び超音波方式センサがあるが、ここでは、水素センサ４０を接触燃焼式で構成した例について述べる。
【００３０】
図２に示すように、水素センサ４０は、二つの素子、すなわち検出素子５０及び温度補償素子６０を有する。検出素子５０は、白金等のコイル５１の表面に、水素ガスに対して活性な触媒５２を担持するアルミナ等の担体５３を固着（焼結）することで形成される。触媒５２は、検出対象ガスの種類によって適宜選択され、例えば貴金属を選択することができる。なお、検出素子５０を加熱するヒータとしてコイル５１（いわゆるヒータコイル）を用いたが、コイル５１とは別個のものを用いてもよい。温度補償素子６０は、参照素子又は基準素子とも称されるものであり、触媒は担持していない。温度補償素子６０は、白金等のコイル６１の表面に、水素ガスに不活性なアルミナ等の担体６２を固着することで形成される。
【００３１】
図２に示すブリッジ回路では、検出素子５０と温度補償素子６０とが接続点ＰＲを介して直列接続された枝辺と、固定抵抗７１及び固定抵抗７２が接続点ＰＳを介して直列接続された枝片と、が電源７３に対して並列に接続される。接続点ＰＲと接続点ＰＳとの間には、検出部である電圧計７４（出力電圧Ｖout）が接続される。電源７３は、一定の電圧Ｖinを印加する。
【００３２】
水素ガスの漏洩がない状況下では、フリッジ回路は平衡が保たれ、電圧計９４の出力電圧Ｖoutはゼロとなる。
一方、水素ガスの漏洩がある状況下では、検出素子５０の触媒５２において水素ガスが燃焼し、コイル５１の温度が上昇して、その電気抵抗値が上昇する。これに対し、温度補償素子６０では燃焼反応が起きないので、コイル６１の電気抵抗値は変化しない。その結果、検出素子５０と温度補償素子６０との間で電気抵抗値に差が生じるので、ブリッジ回路の平衡がくずれる。これにより、電圧計７４には、水素濃度に比例した不平衡電流が流れ、所定の出力電圧Ｖoutが取り出される。出力電圧Ｖoutの検出値は、制御装置２００へ入力され、例えば制御装置２００に記憶されたマップ等に基づいて、出力電圧Ｖoutの値に対応する水素濃度が算出される。
【００３３】
図３に示すように、水素センサ４０は、筐体８１を有しており、この筐体８１を介して燃料電池自動車１００の所定位置にネジ等により取り付けられる。筐体８１は、上部を開放したガス導入室８２を有する。ガス導入室８２は、例えば、筐体８１の上部を凹状に形成してなる部位である。ガス導入室８２は、底部８４と、底部８４から上方に立ち上がる側部８６とを有し、開放された上部をフィルタ８８により覆われている。このため、ガス導入室８２は、底部８４、側部８６及びフィルタ８８によって内部空間が画定されている。
【００３４】
底部８４には、検出素子５０及び温度補償素子６０が配設されている。検出素子５０及び温度補償素子６０は、リード線９０を介して上記のブリッジ回路を構成する回路基板に接続されている。側部８６は、底部８４に向かってテーパ状に傾斜している。
【００３５】
フィルタ８８は、防水フィルタ、防塵フィルタ又はこれらの両方の機能を備えたフィルタであり、水素ガスを通過可能に構成される。フィルタ８８は、全体として角錐又は円錐の錐型からなる錐部９２と、錐部９２の下端から水平方向に延びるフランジ部９４と、で構成される。フィルタ８８は、側部８６に連なる環状縁部９６にフランジ部９４を接着剤等で固定することで、筐体８１に取り付けられる。
【００３６】
錐部９２は、横断面が線対称とならないように、その頂点９８が位置ずれしている。つまり、錐部９２の頂点９８は、水素センサ４０又はガス導入室８２の中心位置よりも水平方向にずれた位置にある。また、燃料電池自動車１００の通常の進行方向との関係では、頂点９８は水素センサ４０の中心から見て燃料電池自動車１００の進行方向の前方寄り（フロントバンパー側）に位置する。
【００３７】
以上のような構成の水素センサ４０は、燃料電池自動車１００の所定位置に上向きに固定される。例えば、図４（ａ）に示すように、水素センサ４０は、水素供給源２１としての口金１０９付き水素タンク１１０の最上部に設けられる。水素タンク１１０は、燃料電池自動車１００のフロアパネル１２０下に搭載される。水素センサ４０は、フロアパネル１２０と水素タンク１１０との間の隙間に、フィルタ８８並びに検出素子５０及び温度補償素子６０を上側に向けた状態で固定される。
【００３８】
この場合の水素センサ４０の固定は、水素タンク１１０の外周部に巻回されたバンド１３０に固定手段（ボルトなどの締結具やバンドなど）により取り付けることで行われる。なお、バンド１３０は、図４（ａ）に示すように、例えば上下一対の部位１３１，１３１からなると共に、図４（ｂ）に示すように、水素タンク１１０の軸方向に互いに離間して二つが設けられる。バンド１３０は、上下一対の部位１３１，１３１がボルト１３５によりブラケット１４０に固定される。そして、ブラケット１４０は、ねじ１４５により燃料電池自動車１００のフレームに固定される。これにより、水素タンク１１０がフレームに固定されることになる。
【００３９】
なお、水素センサ４０を水素タンク１１０に組み付けずに、水素センサ４０をフロアパネル１２０又はこれに固定したブラケットに取り付けるようにしてもよい。
【００４０】
本実施形態の作用効果について述べる。
例えば水素タンク１１０からの水素ガス漏れが発生した場合、この直近に位置する水素センサ４０が、水素ガス漏れを検出し得る。具体的には、水素ガスは空気より軽く、拡散係数が大きいので、水素センサ４０の下方から漏れた水素ガスは、フィルタ８８を通過してガス導入室８２に導入され得る。その結果、検出素子５０の電気抵抗値の上昇を受けて、水素ガス漏れの発生が検出される。
【００４１】
本実施形態によれば、水素センサ４０が上向きに配置されているので、燃料電池自動車１００の走行によって水や泥等が跳ね上げられても、この泥等が検出素子５０、温度補償素子６０及びフィルタ８８に直接かかりにくくすることができる。したがって、水素センサ４０に遮水カバーなどを別途設けなくて済み、水素センサ４０の部品点数を減らすことができる。
【００４２】
また、水素センサ４０を水素タンク１１０の上部に配置しているので、水素タンク１１０を水素センサ４０に対して跳ね上げられた水等の異物よけとして機能させることもできる。この点、水素センサ４０を、燃料電池２及び供給配管２２、パージ配管２５の上側に配置した場合も、同様にこれら燃料電池２等を異物よけとして機能させることができる。このため、水素センサ４０のフィルタ８８等への水・泥等の直撃をより一層抑制することができる。
【００４３】
さらに、フィルタ８８を単純に板状に形成せず、フィルタ８８に錐部９２を形成しているので、錐部９２の上面に水・泥等が付着しても、これらを錐部９２の上面から落下させ易い。よって、フィルタ８８への泥等の残留を抑制することができる。
加えて、フィルタ８８の頂点９８を水素センサ４０の中心からずらし、しかもその位置を燃料電池自動車１００の前方寄りにしているので、相対的に水・泥等が付着し易い前側部分について付着物の落下を促進することができるようになっている。
また、錐部９２の中心線が水平方向にオフセットされているので、水素ガス導入時の検出素子５０の発熱によって生じる上昇気流が、ガス導入室８２内で対流となり易い。これにより、水素センサ５０の検知精度を向上することができる。
【００４４】
水素センサ４０は外気との開放空間に配置されることもあり、ガス導入室８２内、例えば側部８６で結露が起き得る。しかし、結露が起きても、側部８６をテーパ状にしているので、結露水が検出素子５０へと集まるようにすることができる。この場合に、検出素子５０をヒートクリーニング処理することで、結露水を蒸発させることができる。よって、水素センサ４０による検出精度の低下を抑制できる。なお、結露水が温度補償素子６０に集水されると誤検知の原因となるので、結露水は検出素子５０にのみ集水されるように側部８６や底部８４の形状を構成することが好ましい。
【００４５】
＜変形例＞
水素センサ４０として、接触燃焼式のものではなく、気体熱伝導式のものを用いてもよい。気体熱伝導式の水素センサの場合、検出素子のみがガス導入室８２に配設され、温度補償素子はガス導入室８２とは隔絶された雰囲気に配設される。例えば、温度補償素子は、水素ガスが存在しない空間に配置されるように非通気性のケース等により覆われる。気体熱伝導式の水素センサの場合には、フィルタ８８により上側を覆われた検出素子が上向きに開放されるように、水素センサが検出対象物（水素タンク１１０など）の近傍、好ましくは上側近傍に配置されることになる。上記した接触燃焼式の水素センサ４０は、気体熱伝導式のものにおいても、適宜適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のガスセンサの配置構造は、ガスを検出対象ガスとするものであれば、他のシステム、装置及び機器に適用することができる。特に、このガスセンサの配置構造は、圧縮天然ガスなどの可燃性の燃料ガスを用いるシステムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施形態に係るガスセンサの配置構造を適用した燃料電池自動車を模式的に示す図である。
【図２】実施形態に係るガスセンサのブリッジ回路を示す図である。
【図３】実施形態に係るガスセンサの構成を模式的に示す断面図である。
【図４】実施形態に係るガスセンサを水素タンクの上側に配置した例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１：燃料電池システム、２１：水素供給源（ガス容器）、４０：水素センサ（ガスセンサ）、５０：検出素子、６０：温度補償素子、８２：ガス導入室、８４：底部、８６：側部、８８：フィルタ、９８：頂点、１００：燃料電池自動車
【図１】
2009248851.tif 000003
【図２】
2009248851.tif 000004
【図３】
2009248851.tif 000005
【図４】
2009248851.tif 000006