JP2000009685A

JP2000009685A - 水素ガスセンサ、燃料電池システム、及び水素ガス濃度測定方法

Info

Publication number: JP2000009685A
Application number: JP10172626A
Authority: JP
Inventors: Takaharu Inoue; 隆治井上; Toshihiro Fuma; 智弘夫馬; Takafumi Oshima; 崇文大島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1998-06-19
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2000-01-14

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定ガス中の水素ガス濃度を検出すること
ができる水素ガスセンサ、燃料電池システム、及び水素
ガス濃度測定方法を提供すること。【解決手段】酸素濃度検知セル１２の両電極１２ｂ，
１２ｃ間における起電力が、所定の値（例えば４５０ｍ
Ｖ）となる様に、酸素ポンプセル１４の両電極１４ｂ，
１４ｃ間に加える電圧を調節するとともに、酸素ポンプ
セル１４に流れるポンプ電流ｉｐを測定する。つまり、
空隙部１６内の燃料ガス中の水素ガス濃度が、実質的に
ゼロ、従って、（酸素と水素との空燃比）λ＝１となる
ように、酸素ポンプセル１４の印加電圧を制御し、この
ときのポンプ電流ｉｐを測定し、このポンプ電流ｉｐか
ら水素ガス濃度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車に搭
載される燃料電池の燃料ガス中に含まれる水素ガスの濃
度を検出する水素ガスセンサ、燃料電池システム、及び
水素ガス濃度測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、環境問題に対応して、燃料電
池を動力源とする電気自動車が提案されている。これ
は、水素又は水素源となる燃料を搭載し、この燃料を燃
料電池により電気エネルギーに変換して、電気自動車を
駆動する動力を発生させるものである。

【０００３】前記燃料電池とは、一般的には、正極活物
質として酸素（空気）、負極活物質として水素を用いる
ものであり、負極に供給された水素が、触媒上でプロト
ンに解離され、電解質中を移動して正極の酸素と反応し
水を生成し、その時、負極で放出された電子が、外部回
路を通じて正極に達することで発電するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した燃
料電池、特に、固体高分子型プロトン導電体（プロトン
交換膜）を用いた燃料電池においては、プロトン交換膜
に接する燃料ガス中の水素ガス濃度が変動すると、出力
が安定しないという問題があった。

【０００５】この対策として、燃料ガス中の水素ガス酸
素を検出し、水素ガス濃度を一定に制御することが考え
られるが、前記燃料ガスの雰囲気において、好適に水素
ガス濃度を検出できるセンサがないのが実情である。本
発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、被
測定ガス中の水素ガス濃度を検出することができる水素
ガスセンサ、燃料電池システム、及び水素ガス濃度測定
方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】（１）前記目的を達成す
るためになされた請求項１に記載の発明は、被測定ガス
の雰囲気から区画された空隙部と、前記雰囲気と前記空
隙部とを、ガス拡散制限を行なって連通するガス拡散制
限部と、前記雰囲気中の酸素化合物から酸素を分離し
て、該雰囲気側から前記空隙部側に酸素を汲み入れる酸
素ポンプセルと、前記空隙部内の酸素濃度を測定する酸
素濃度検知セルと、を備え、前記各セルの動作に基づい
て、前記被測定ガス中の水素ガス濃度を測定することを
特徴とする水素ガスセンサを要旨とする。

【０００７】本発明では、例えば酸素濃度検知セルによ
る酸素濃度の測定結果を示す出力（例えば酸素濃度検知
セルの起電力）がある値となる様に、酸素ポンプセルの
動作（例えば酸素ポンプセルの印加電圧）を調節するこ
とができる。つまり、酸素ポンプセルにより、雰囲気中
の酸素化合物から酸素を分離して、雰囲気側から空隙部
側に酸素を汲み入れることができる。従って、汲み入れ
られた酸素は、ガス拡散制限部から導入された被測定ガ
ス（従って水素）と反応して水となる。

【０００８】ここで、前記の酸素ポンプセルの動作は、
空隙部における酸素濃度をある値（例えばほぼ０）に調
節する動作であるので、即ち水素ガス濃度に応じて酸素
ポンプセルが駆動されることになるので、この酸素ポン
プセルの動作（例えばポンプ電流）が、被測定ガス中の
水素ガス濃度を示すことになる。

【０００９】従って、上述した構成の水素ガスセンサを
使用することにより、被測定ガス中の水素ガス濃度を測
定することができる。（２）請求項２の発明は、前記被測定ガスに含まれる酸
素ガスの濃度が、所定以下の低濃度であることを特徴と
する前記請求項１に記載の水素ガスセンサ。

【００１０】本発明は、被測定ガスを例示したものであ
り、被測定ガスに含まれる酸素ガスの濃度が極めて低い
（例えば１０^-9ａｔｍ以下）。従って、上述した水素ガ
スセンサを用いることにより、酸素ガス濃度の影響を受
けることなく、好適に水素ガス濃度を検出することがで
きる。

【００１１】つまり、空隙部に導入される被測定ガスに
は、殆ど酸素が含まれないので、酸素ポンプセルによっ
て分離されて汲み込まれた酸素のみが水素と反応するこ
とになる。よって、酸素ポンプセルの動作に基づいて、
水素ガス濃度を測定することができるのである。

【００１２】（３）請求項３の発明は、前記酸素化合物
は、水蒸気及び／又は二酸化炭素であることを特徴とす
る前記請求項１又は２に記載の水素ガスセンサを要旨と
する。本発明は、酸素化合物を例示したものである。こ
こでは、酸素化合物として水蒸気及び／又は二酸化炭素
が挙げられる。この気化した水である水蒸気（Ｈ₂Ｏ）
と二酸化炭素は、下記式（１），（２）に示す様に、酸
素ポンプセルにより酸素と他の成分（水素，一酸化炭
素）とに分離され、更に、下記式（３）に示す様に、酸
素が酸素イオン（Ｏ^2-）に分解され、その酸素イオンの
みが空隙部側に移動する。これにより、空隙部に酸素
（Ｏ₂）が汲み込まれることになる。

【００１３】Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋１／２Ｏ₂ ・・・（１）ＣＯ₂→ＣＯ＋１／２Ｏ₂・・・（２）Ｏ₂→４ｅ^-＋２Ｏ^2- ・・・（３）（４）請求項４の発明は、前記酸素ポンプセルは、固体
電解質体と、該固体電解質体の前記雰囲気側に設けられ
た電極と、該固体電解質体の前記空隙部側に設けられた
電極と、を備え、両電極間に電圧を印加することによ
り、前記雰囲気側から前記空隙部側に酸素をポンピング
することを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記
載の水素ガスセンサを要旨とする。

【００１４】本発明は、酸素ポンプセルを例示したもの
であり、酸素ポンプセルの両電極間に電圧を印加するこ
とにより、雰囲気側から空隙部側に酸素をポンピングす
る（汲み入れる）ことができる。（５）請求項５の発明は、前記酸素濃度検知セルは、固
体電解質体と、該固体電解質体の前記空隙部側に設けら
れた電極と、該固体電解質体の基準側に設けられた電極
と、を備え、両電極間の酸素濃度の差により起電力を発
生することを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに
記載の水素ガスセンサを要旨とする。

【００１５】本発明は、酸素濃度検知セルを例示したも
のであり、酸素濃度検知セルの両電極間の酸素濃度の差
により起電力を発生することができる。尚、固体電解質
体の基準側とは、例えば空隙部側と反対側に設けられる
電極側であり、酸素濃度が所定の変動しにくい値に設定
されたものである。例えば基準側としては、外界と分離
され、空隙部側より僅かな酸素を汲み入れる内部基準酸
素源の構成、又は大気を導入する構成を採用できる。

【００１６】（６）請求項６の発明は、前記酸素濃度検
知セルの起電力を検出する起電力検出手段と、該起電力
検出手段によって検出される起電力を所定値とする様
に、前記酸素ポンプセルに印加する電圧を制御する電圧
制御手段と、該電圧制御手段によって前記酸素ポンプセ
ルに印加する電圧を制御した場合に、前記酸素ポンプセ
ルに流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出
手段によって検出した電流に基づいて、前記被測定ガス
中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度測定手段と、
を備えたことを特徴とする前記請求項１〜５のいずれか
に記載の水素ガスセンサを要旨とする。

【００１７】本発明は、水素ガスセンサの構成をより具
体的に示したものである。ここでは、起電力検出手段に
よって検出される起電力を所定値とする様に、酸素ポン
プセルに印加する電圧を制御するとともに、その場合の
酸素ポンプセルに流れる電流を検出し、この電流（ポン
プ電流）に基づいて、被測定ガス中の水素ガス濃度を測
定する。

【００１８】つまり、酸素濃度検知セルの起電力が所定
値となる様に、酸素ポンプセルを駆動するということ
は、空隙部に導入された水素ガスと（水を生成の）所定
の割合で反応する量の酸素を供給することになるので、
酸素ポンプセルのポンプ電流を測定することにより、水
素ガス濃度を検出することができるのである。

【００１９】（７）請求項７の発明は、前記被測定ガス
が、燃料電池用燃料ガスであることを特徴とする前記請
求項１〜６のいずれかに記載の水素ガスセンサを要旨と
する。本発明は、被測定ガスを例示したものであり、こ
こでは、被測定ガスとして、燃料電池用燃料ガスが挙げ
られる。

【００２０】（８）請求項８の発明は、前記燃料電池用
燃料ガスの主成分が水素ガスであることを特徴とする前
記請求項７に記載の水素ガスセンサを要旨とする。本発
明は、燃料電池用燃料ガスを例示したものであり、ここ
では、燃料ガスとして、主成分が水素ガスのものが挙げ
られる。この燃料ガスには、殆ど酸素が含まれていない
（実質的に０）。また、燃料ガスには、燃料電池を保護
するために、通常加湿がなされて、水蒸気が含まれてお
り、それ以外に、二酸化炭素等が含まれていることがあ
る。尚、燃料ガスには、通常、反応に関与しないベース
のガスとして窒素ガスが含まれている。

【００２１】（９）請求項９の発明は、前記燃料電池
が、固体高分子型プロトン導電体を用いたものであるこ
とを特徴とする前記請求項７又は８に記載の水素ガスセ
ンサを要旨とする。本発明は、燃料電池を例示したもの
であり、ここでは、固体高分子型プロトン導電体が挙げ
られる。この固体高分子型プロトン導電体の保護のため
に、通常、加湿が行われる。

【００２２】（１０）請求項１０の発明は、燃料電池を
用いて発電を行なう燃料電池システムであって、前記燃
料電池の燃料ガスの流路に、前記請求項１〜９のいずれ
かに記載の水素ガスセンサを配置して、前記燃料ガス中
の水素ガス濃度を測定することを特徴とする燃料電池シ
ステムを要旨とする。

【００２３】本発明は、水素ガスセンサが使用される装
置を示したものであり、ここでは、燃料電池システムが
挙げられる。燃料電池システムにおいては、例えば固体
電解質である固体高分子型プロトン導電体（プロトン交
換膜）に接する燃料ガス中の水素ガス濃度が変動する
と、燃料電池の出力が安定しない。そこで、水素ガスセ
ンサを用いて燃料ガス中の水素ガス濃度を検出し、水素
ガス濃度を一定に制御することにより、燃料電池の出力
を安定させることができる。

【００２４】また、プロトン交換膜が破壊すると、水素
と空気が混合し、加熱されて爆発の危険があるが、水素
ガスセンサによって燃料ガス中の水素ガス濃度をチェッ
クすることにより、危険を未然に防止することができ
る。（１１）請求項１１の発明は、前記請求項１〜９のいず
れかに記載の水素ガスセンサを用いて水素ガス濃度を測
定する水素ガス濃度測定方法であって、前記酸素濃度検
知セルの出力と前記酸素ポンプセルの出力とに基づい
て、前記被測定ガス中の水素ガス濃度を測定することを
特徴とする水素ガス濃度測定方法を要旨とする。

【００２５】本発明は、水素ガス濃度測定方法であり、
上述した構成の水素ガスセンサを用いる場合には、酸素
ポンプセルの出力と水素ガス濃度とには、所定の関係
（例えば直線状の関係）があるという知見に基づいたも
のである。ここでは、上述した様に、酸素濃度検知セル
の出力（例えば起電力）と酸素ポンプセルの出力（例え
ばポンプ電流）とに基づいて、例えば所望の起電力が得
られる様に酸素ポンプセルを駆動した場合における例え
ばポンプ電流を測定することにより、水素ガス濃度を検
出することができる。

【００２６】（１２）請求項１２の発明は、前記酸素濃
度検知セルの起電力を所定値とする様に、前記酸素ポン
プセルに印加する電圧を制御して、このときの前記酸素
ポンプセルに流れる電流を検出し、この電流に基づいて
前記被測定ガス中の水素ガス濃度を測定することを特徴
とする前記請求項１１に記載の水素ガス濃度測定方法を
要旨とする。

【００２７】本発明は、前記請求項１１の発明を例示し
たものであり、上述した様に、酸素濃度検知セルの起電
力を所定値とする様に酸素ポンプセルに印加する電圧を
制御し、このときの酸素ポンプセルに流れる電流を検出
し、この電流に基づいて被測定ガス中の水素ガス濃度を
測定することができる。

【００２８】（１３）請求項１３の発明は、前記ガス拡
散制限部の拡散抵抗を調節することにより、前記水素ガ
ス濃度の測定レンジを調節することを特徴とする前記請
求項１１又は１２に記載の水素ガス濃度測定方法を要旨
とする。

【００２９】酸素ポンプセルに流せる電流にはリミット
があるので、例えばガス拡散制限部の拡散抵抗を大きく
して、空隙部に水素ガスが導入されにくくすれば、その
リミットに達するまでの水素ガス濃度は大きくなるの
で、測定レンジが広がることになり、水素ガス濃度が大
きな場合でも、測定可能となる。

【００３０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の水素ガスセンサ、
燃料電池システム、及び水素ガス濃度測定方法の実施の
形態の例（実施例）について、図面に基づいて説明す
る。（実施例）本実施例の水素ガスセンサは、燃料電池シス
テムにおいて、その燃料電池に供給される燃料ガス中の
水素ガス濃度を検出するものである。

【００３１】図１は本実施例の水素ガスセンサの一部破
断斜視図、図２は本施例の水素ガスセンサ及びその周辺
装置を表わす概略構成図である。ａ）まず、本実施例の
水素ガスセンサについて説明する。図１に示すように、
水素ガスセンサ１０は、その素子部１１として、固体電
解質基板１２ａの両側に多孔質電極１２ｂ，１２ｃを形
成したセンサ素子（酸素濃度検知セル）１２と、同じく
固体電解質基板１４ａの両側に多孔質電極１４ｂ，１４
ｃを形成したセンサ素子（酸素ポンプセル）１４と、こ
れらの両セル１２，１４の間に積層されて測定ガス室
（空隙部）１６を形成するスペーサ１８とを備えてい
る。そして、酸素ポンプセル１４の外側には、スペーサ
２０により所定間隔を空けて、両セル１２，１４を加熱
するヒータ３０が取り付けられている。

【００３２】ここで、酸素濃度検知セル１２及び酸素ポ
ンプセル１４は、イットリア−ジルコニア固溶体からな
る固体電解質基板１２ａ，１４ａの各々の両面に、矩形
状の多孔質電極１２ｂ，１２ｃ，１４ｂ，１４ｃを形成
したものであり、この多孔質電極１２ｂ，１２ｃ，１４
ｂ，１４ｃは、共素地としてのイットリア−ジルコニア
固溶体と残部白金から形成されている。

【００３３】尚、上記固体電解質基板１２ａ，１４ａの
材料としては、イットリア−ジルコニア固溶体の他に、
カルシア−ジルコニア固溶体が知られており、更に、二
酸化セリウム、二酸化トリウム、二酸化ハフニウムの各
固溶体、ペロブスカイト型固溶体、３価金属酸化物固溶
体等が使用できる。

【００３４】前記酸素ポンプセル１４の外側は、多孔質
電極１４ｃに対応する中空部２６ａを有したアルミナか
らなる絶縁層２６に覆われている。そしてその中空部２
６ａには、多孔質電極１４ｃを覆って外部から保護す
る、主にアルミナからなる多孔質の電極保護層２７が形
成されている。

【００３５】また、空隙部１６は、酸素濃度検知セル１
２と酸素ポンプセル１４との間に、多孔質電極１２ｃ，
１４ｂに対応した中空部を有するスペーサ１８を挟んで
接合することにより形成され、その空隙部１６の内側に
は、上記多孔質電極１２ｃ，１４ｂが露出している。
尚、スペーサ１８の素材としては、アルミナ、スピネ
ル、フォルステライト、ステアタイト、ジルコニア等が
用いられる。

【００３６】このスペーサ１８には、空隙部１６と外部
とを連通する連通孔が複数設けられており、各連通孔に
は、アルミナからなる多孔質の充填材を詰めることによ
ってガス拡散抵抗を有するガス拡散制限部１７が形成さ
れ、被測定ガスの空隙部１６への流入等の律速が行われ
る。

【００３７】一方、酸素濃度検知セル１２の外側には、
多孔質電極１２ｂを覆うように固体電解質からなる遮蔽
体２４が貼り付けられており、後述の検出回路５２にて
酸素濃度検知セル１２の多孔質電極１２ｂ側から多孔質
電極１２ｃ側へと微小電流ｉCPを流したときに、多孔質
電極１２ｂ側に汲み込まれた酸素がそのまま排出されな
いようにされている。

【００３８】更に、酸素濃度検知セル１２には、このよ
うに多孔質電極１２ｂ側に汲み込まれた酸素の一部を空
隙部１６側に漏出させるための漏出抵抗部１２ｄが形成
されている（図２参照）。この結果、検出回路５２によ
る微小電流ｉCPの通電により、多孔質電極１２ｂ側は一
定の酸素濃度となり、酸素濃度検知セル１２には、多孔
質電極１２ｂ側の酸素濃度を基準とする空隙部１６内の
酸素濃度に応じた起電力ＥＭＦが発生することになる。

【００３９】また、ヒータ３０の一方の側、即ち酸素ポ
ンプセル１４側には、発熱パターン３０ａが設けられ、
他方の側には周知のマイグレーション防止パターン３０
ｂが形成されている。ｂ）次に、前記水素ガスセンサ１
０の制御を行う制御系の構成について説明する。

【００４０】図２に示すように、酸素濃度検知セル１２
及び酸素ポンプセル１４の空隙部１６に接した多孔質電
極１２ｃ及び１４ｂは、抵抗器Ｒ2 を介して接地されて
おり、他方の多孔質電極１２ｂ及び１４ｃは、夫々検出
回路５２に接続されている。そして、検出回路５２内で
は、酸素濃度検知セル１２の遮蔽体２４側の多孔質電極
１２ｂが、他端に定電圧ＶCPが印加された抵抗器Ｒ1 に
接続されている。抵抗器Ｒ1 は、酸素濃度検知セル１２
に略一定の微小電流ｉCPを供給するためのものであり、
その抵抗値は、抵抗器Ｒ2 及び酸素濃度検知セル１２の
内部抵抗に比べて充分大きな値となっている。

【００４１】また、この抵抗器Ｒ1 の多孔質電極１２ｂ
側端部は、差動増幅器ＡＭＰの−側入力端子に接続され
ている。差動増幅器ＡＭＰの＋側入力端子には、基準電
圧ＶCOが入力されているため、差動増幅器ＡＭＰから
は、基準電圧ＶCOと酸素濃度検知セル１２の多孔質電極
１２ｂ側電圧との差に応じた電圧が出力される。この出
力電圧が起電力である。更に、差動増幅器ＡＭＰの出力
は、抵抗器Ｒ3 を介して、酸素ポンプセル１４のヒータ
３０側の多孔質電極１４ｃに接続されている。この結
果、酸素ポンプセル１４には、差動増幅器ＡＭＰの出力
に応じて、ポンプ電流ｉｐが双方向に流れることにな
る。

【００４２】つまり、この検出回路５２は、酸素濃度検
知セル１２に微小電流ｉCPを流して多孔質電極１２ｂに
酸素を汲み込むことにより、多孔質電極１２ｂを内部基
準酸素源として機能させて、酸素濃度検知セル１２の両
端に空隙部１６内の酸素濃度に応じた電圧を発生させ、
更に、その電圧（詳しくは抵抗器Ｒ2 の両端電圧を含
む）が基準電圧ＶCO（例えば４５０ｍＶ）となるよう
に、差動増幅器ＡＭＰから酸素ポンプセル１４にポンプ
電流ｉｐを供給することにより、空隙部１６内の酸素濃
度を一定（具体的にはほぼ０）に保つ制御を行うように
構成されているのである。

【００４３】そして、この制御によって生じるポンプ電
流ｉｐは、後に詳述する様に、周囲の被測定ガス雰囲気
中の水素ガス濃度に対応するため、そのポンプ電流ｉｐ
を抵抗器Ｒ3 により電圧信号に変換して、それを燃料ガ
ス中の水素ガス濃度を表わす検出信号として、燃料電池
の制御を行うマイクロコンピュータ等からなる電子制御
回路（以下、ＥＣＵという）５０に出力する。

【００４４】尚、ヒータ３０の発熱パターン３０ａに
は、電圧切換回路５４を介して、ヒータ電圧ＶH が印加
される。この電圧切換回路５４は、バッテリ電圧ＶB を
受けてヒータ３０に電源供給を行うためのものであり、
ヒータ３０に印加するヒータ電圧ＶH として、異なる値
に切り替えることができる。

【００４５】ｃ）次に、前記水素ガスセンサ１０が使用
される燃料電池システムについて、簡単に説明する。図
３に示す様に、燃料電池システムは、燃料供給系、空気
供給系、冷却系から構成される。

【００４６】燃料供給系は、水素源である水素吸蔵合金
タンク６０から、加湿器６１により水素を加湿して燃料
電池６２に供給するものであり、余剰の水素はポンプ６
３を駆動して再循環させる。この加湿は、プロトン交換
膜（図示せず）の湿潤状態を保つためであるが、本実施
例では、この加湿によって加えられた水分（Ｈ₂Ｏ）を
酸素の供給源として利用する。

【００４７】空気供給システムは、空気を加湿器６４に
より加湿して燃料電池６２に供給するシステムであり、
エアポンプ６５等が用いられる。冷却システムは、燃料
電池６２の発電に伴い発生する熱を、ポンプ６６を駆動
して冷却板（図示せず）により回収し、外部の熱交換器
６８により放熱するシステムである。

【００４８】前記燃料電池６２は、いわゆる固体高分子
型燃料電池であり、化学的エネルギーを電気的エネルギ
ーに変換するために、高分子型固体電解質（プロトン交
換膜）が使用されている。この燃料電池６２は、周知の
様に、プロトン交換膜の一方の側に水素を供給し、他方
の側に空気（酸素）を供給することにより、プロトン交
換膜の両側に設けられた電極間に電圧を発生させるもの
である。

【００４９】特に、本実施例では、水素吸蔵合金タンク
６０から燃料電池６２のプロトン交換膜の間の流路に、
水素ガスセンサ１０が配置され、その流路を流れる被測
定ガスである燃料ガス中の水素ガス濃度を測定する。
ｃ）次に、前記水素ガスセンサ１０を用いて行われる水
素ガス濃度測定方法について説明する。

【００５０】本実施例の水素ガスセンサ１０において
は、上述した酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル
１４の構成及びその動作により、酸素ポンプセル１２に
おけるポンプ電流ｉｐが、燃料ガス中の水素ガス濃度と
直線的に相関するので、ポンプ電流ｉｐを測定すること
により、水素ガス濃度を検出することができるのであ
る。以下詳細に説明する。

【００５１】図４に水素ガスセンサ１０の素子部１１を
模式的に示す様に、水素ガスセンサ１０の周囲の雰囲気
を構成する燃料ガスには、酸素が殆ど含まれておらず
（実質的にゼロ）、水素ガスが主成分である。また、水
素ガス以外には、加湿によって加えられた水分が含まれ
ており、更に、若干の二酸化炭素（ＣＯ₂）も含まれて
いる。尚、燃料ガスには、通常、反応に関与しないベー
スのガスとして窒素ガスが含まれている。

【００５２】前記燃料ガスは、ガス拡散制限部１７を通
って空隙部１６内に導入される。この場合、燃料ガスに
は酸素は含まれていないので、空隙部１６に導入される
ガスとは、殆どが水素ガスである。そして、酸素ポンプ
セル１４の両電極１４ｂ，１４ｃ間に電圧が印加される
ことにより、外側（雰囲気側）の多孔質電極１４ｃで
は、例えば下記式（１）の様に水分が水素と酸素に分解
され、更に、下記式（３）に示す様に、酸素が酸素イオ
ン（Ｏ^2-）に分解され、その酸素イオンのみが空隙部１
６側に移動する。これにより、酸素（Ｏ₂）が空隙部１
６に汲み入れられることになる。ここで、酸素の分解
は、多孔質電極１４ｃと（例えばジルコニアの）固体電
解質基板１４ａとの界面で行われる。

【００５３】Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋１／２Ｏ₂ ・・・（１）Ｏ₂→４ｅ^-＋２Ｏ^2- ・・・（３）尚、測定ガス中に二酸化炭素が含まれる場合には、下記
式（２）に示す様に、二酸化炭素は、一酸化炭素と酸素
に分解され、同様に酸素が酸素イオンに分解されて空隙
部１６に汲み入れられる。

【００５４】ＣＯ₂→ＣＯ＋１／２Ｏ₂・・・（２）従って、ガス拡散制限部１７を介して空隙部１６に導入
された水素と、酸素ポンプセル１４により汲み入れられ
た酸素とは、空隙部１６にて反応して水となる。このた
め、空隙部１６内の酸素が低減する。

【００５５】一方、酸素濃度検知セル１２の基準側（空
隙部１６と反対側）の多孔質電極１２ｂには、上述した
微小電流ｉcpにより僅かに酸素が汲み入れられて、内部
基準酸素源となっているので、この基準側と空隙部１６
側との酸素濃度の差により、僅かに起電力（例えば４５
０ｍＶ）が発生する。

【００５６】そこで、この起電力を一定とする様に、酸
素ポンプセル１２によって汲み入れる酸素を調節し、そ
の際のポンプ電流ｉｐを検出するのである。具体的に
は、ＥＣＵ５０は、酸素濃度検知セル１２の両電極１２
ｂ，１２ｃ間における起電力が、所定の値（例えば４５
０ｍＶ）となる様に、酸素ポンプセル１４の両電極１４
ｂ，１４ｃ間に加える電圧を調節するとともに、酸素ポ
ンプセル１４に流れるポンプ電流ｉｐを測定する。

【００５７】つまり、空隙部１６内の燃料ガス中の水素
ガス濃度が、実質的にゼロ、従って、（酸素と水素との
空燃比）λ＝１となるように、酸素ポンプセル１４の印
加電圧を制御し、このときのポンプ電流ｉｐを測定し、
このポンプ電流ｉｐから水素ガス濃度を検出するのであ
る。

【００５８】従って、例えば測定ガス中に水素ガスが多
ければ、空隙部１６におけるλ＝１とするために、多く
のポンプ電流ｉｐを必要とするので、ポンプ電流ｉｐが
大きな場合には、水素ガス濃度が高いと判断することが
できる。逆に、ポンプ電流ｉｐが小さな場合には、水素
ガス濃度が低いと判断することができる。

【００５９】尚、本実施例の水素ガスセンサ１０は、例
えば全領域空燃比センサと同様な構造のいわゆる限界電
流式センサの一種である。つまり、ガス拡散抵抗によっ
て、空隙部１６に導入される水素ガスの流入の程度には
（水素ガス濃度に応じた）制限があるので、ポンプ電流
ｉｐは、水素ガス濃度に応じたある一定の値までしか増
加しない。従って、この限界に達したポンプ電流ｉｐを
検出することにより、水素ガス濃度を検出することがで
きる。

【００６０】ｄ）次に、上述した構成の水素ガスセンサ
１０を用いて水素ガス濃度を測定した実験例について説
明する。＜実験条件＞ベースガスの設定Ｈ₂Ｏ；１０％，１５％ＣＯ₂ ；１０％，１５％トータルガス流量；１２Ｌ／ｍｉｎ、（Ｎ₂バランス）ガス温；１５０℃ ここでは、上述したガスをベースガスとして、Ｈ₂濃度
を３％まで変化させ、そのときのポンプ電流ｉｐをセン
サ出力として測定した。つまり、被測定ガス中のＨ₂Ｏ
及びＣＯ₂の割合を変更し、そのときの被測定ガス中の
水素ガス濃度（Ｈ ₂濃度）とポンプ電流ｉｐとの関係を
調べた。その結果を、図５に示す。

【００６１】尚、ポンプ電流ｉｐのマイナス（−）は、
酸素を空隙部１６側に汲み入れる場合の電流の向きを示
している。また、Ｈ₂Ｏ；１０％，１５％、ＣＯ₂；１０
％，１５％の条件では、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂は、センサ出力に
は影響しない。図５から明かな様に、被測定ガス中の水
素ガス濃度とポンプ電流ｉｐとには、直線的な関係があ
る。従って、ポンプ電流ｉｐを測定することにより、水
素ガス濃度を検出することができる。

【００６２】この様に、本実施例では、燃料電池システ
ムの燃料ガスの供給側に、上述した構成の水素ガスセン
サ１０を配置し、そのポンプ電流ｉｐを測定することに
より、燃料ガス中の水素ガス濃度を検出することができ
る。例えばＨ₂ＯやＣＯ₂の割合に応じて、前記図５に示
す関係の複数のマップを記憶しておき、測定したポンプ
電流ｉｐから水素ガス濃度を得ることができる。

【００６３】特に、本実施例では、ポンプ電流ｉｐと水
素ガス濃度とには、明確な直線の関係があるので、ポン
プ電流ｉｐから水素ガス濃度を精密に検出することがで
きる。また、検出における安定性が高く、応答性にも優
れている。更に、燃料電池システムにおいては、固体電
解質である固体高分子型プロトン導電体（プロトン交換
膜）に接する燃料ガス中の水素ガス濃度が変動すると、
燃料電池６２の出力が安定しないが、本実施例では、水
素ガスセンサ１０を用いて燃料ガス中の水素ガス濃度を
精密に検出できるので、例えば水素ガスセンサの信号に
基づき、水素ガス流量を調節して、水素ガス濃度を一定
に制御することにより、燃料電池６２の出力を安定させ
ることができる。

【００６４】その上、プロトン交換膜が破壊すると、水
素と空気が混合し、加熱されて爆発の危険があるが、水
素ガスセンサ１０によって燃料ガス中の水素ガス濃度を
チェックすることにより、危険を未然に防止することが
できる。尚、本発明は前記実施例になんら限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種
々の態様で実施しうることはいうまでもない。

【００６５】例えば、ガス拡散制限部のガス拡散抵抗を
上げることにより、測定レンジを広げることができる。
逆に、ガス拡散抵抗を下げることにより、測定レンジを
狭め、低濃度の水素ガスを検知することができる。

【００６６】

【発明の効果】以上詳述した様に、本発明の水素ガスセ
ンサ、燃料電池システム、及び水素ガス濃度測定方法で
は、例えば燃料電池において、酸素が殆ど含まれていな
い燃料ガス中の水素ガス濃度を好適に検出することがで
きる。

【００６７】従って、測定した水素ガス濃度を用い、例
えば水素ガス濃度が一定となる様に例えば燃料ガス中の
水素ガス濃度を調節することにより、例えば燃料電池に
おいて安定した出力を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の水素ガスセンサの素子部を示す一部
破断斜視図である。

【図２】実施例の水素ガスセンサ及びその周辺装置を
示す概略構成図である。

【図３】実施例の水素ガスセンサが使用される燃料電
池システムを示す概略構成図である。

【図４】実施例の水素ガスセンサの構成及び動作を示
す説明図である。

【図５】実施例の水素ガスセンサを用いた実験の結果
を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…水素ガスセンサ１１…素子部１２…酸素濃度検知セル１４…酸素ポンプセル１２ａ，１４ａ…固体電解質基板１２ｂ，１２ｃ，１４ｂ，１４ｃ…多孔質電極１６…測定ガス室（空隙部）１７…ガス拡散制限部３０…ヒータ５０…ＥＣＵ（電子制御回路）５２…検出回路６１，６４…加湿器６２…燃料電池

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大島崇文愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA14 BA19 CC06 KK31 KK54 KK56 MM26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定ガスの雰囲気から区画された空隙
部と、前記雰囲気と前記空隙部とを、ガス拡散制限を行なって
連通するガス拡散制限部と、前記雰囲気中の酸素化合物から酸素を分離して、該雰囲
気側から前記空隙部側に酸素を汲み入れる酸素ポンプセ
ルと、前記空隙部内の酸素濃度を測定する酸素濃度検知セル
と、を備え、前記各セルの動作に基づいて、前記被測定ガス中の水素
ガス濃度を測定することを特徴とする水素ガスセンサ。
【請求項２】前記被測定ガスに含まれる酸素ガスの濃
度が、所定以下の低濃度であることを特徴とする前記請
求項１に記載の水素ガスセンサ。
【請求項３】前記酸素化合物は、水蒸気及び／又は二
酸化炭素であることを特徴とする前記請求項１又は２に
記載の水素ガスセンサ。
【請求項４】前記酸素ポンプセルは、固体電解質体
と、該固体電解質体の前記雰囲気側に設けられた電極
と、該固体電解質体の前記空隙部側に設けられた電極
と、を備え、両電極間に電圧を印加することにより、前
記雰囲気側から前記空隙部側に酸素をポンピングするこ
とを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の水
素ガスセンサ。
【請求項５】前記酸素濃度検知セルは、固体電解質体
と、該固体電解質体の前記空隙部側に設けられた電極
と、該固体電解質体の基準側に設けられた電極と、を備
え、両電極間の酸素濃度の差により起電力を発生するこ
とを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の水
素ガスセンサ。
【請求項６】前記酸素濃度検知セルの起電力を検出す
る起電力検出手段と、該起電力検出手段によって検出される起電力を所定値と
する様に、前記酸素ポンプセルに印加する電圧を制御す
る電圧制御手段と、該電圧制御手段によって前記酸素ポンプセルに印加する
電圧を制御した場合に、前記酸素ポンプセルに流れる電
流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段によって検出した電流に基づいて、前記
被測定ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度測
定手段と、を備えたことを特徴とする前記請求項１〜５のいずれか
に記載の水素ガスセンサ。
【請求項７】前記被測定ガスが、燃料電池用燃料ガス
であることを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに
記載の水素ガスセンサ。
【請求項８】前記燃料電池用燃料ガスの主成分が水素
ガスであることを特徴とする前記請求項７に記載の水素
ガスセンサ。
【請求項９】前記燃料電池が、固体高分子型プロトン
導電体を用いたものであることを特徴とする前記請求項
７又は８に記載の水素ガスセンサ。
【請求項１０】燃料電池を用いて発電を行なう燃料電
池システムであって、前記燃料電池の燃料ガスの流路に、前記請求項１〜９の
いずれかに記載の水素ガスセンサを配置して、前記燃料
ガス中の水素ガス濃度を測定することを特徴とする燃料
電池システム。
【請求項１１】前記請求項１〜９のいずれかに記載の
水素ガスセンサを用いて水素ガス濃度を測定する水素ガ
ス濃度測定方法であって、前記酸素濃度検知セルの出力と前記酸素ポンプセルの出
力とに基づいて、前記被測定ガス中の水素ガス濃度を測
定することを特徴とする水素ガス濃度測定方法。
【請求項１２】前記酸素濃度検知セルの起電力を所定
値とする様に、前記酸素ポンプセルに印加する電圧を制
御して、このときの前記酸素ポンプセルに流れる電流を
検出し、この電流に基づいて前記被測定ガス中の水素ガ
ス濃度を測定することを特徴とする前記請求項１１に記
載の水素ガス濃度測定方法。
【請求項１３】前記ガス拡散制限部の拡散抵抗を調節
することにより、前記水素ガス濃度の測定レンジを調節
することを特徴とする前記請求項１１又は１２に記載の
水素ガス濃度測定方法。