JP2003287518A - ガス濃度測定方法及びガス濃度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定ガス中の可燃性ガス（水素）の濃度変
化に大きく影響されることなく、被測定ガス中の水蒸気
濃度を測定することができるようにする。 【解決手段】 酸素供給手段２０によって外部から供給
される酸素で、燃料ガス中に含まれる可燃性ガス（水素
ガス）を完全酸化させる。該完全酸化によって生成され
る水分及び燃料ガスに元々含まれる水分を分解し、該水
分分解で生成された酸素・水素を、酸素汲み出し手段３
０及び水素汲み出し手段４０で外部に汲み出す。そし
て、燃料ガス中に含まれる可燃性ガス濃度（完全酸化で
生成される水分量）を示す供給酸素量と、水分総和を示
す酸素及び／又は水素の汲み出し量とから、燃料ガスに
元々含まれていた水分濃度を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス濃度測定方法
及びガス濃度センサに関し、特に、水素及び水蒸気が共
存する燃料電池システム等の燃料ガスにおける成分濃度
の測定に好適なガス濃度測定方法及びガス濃度センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、被測定ガス中の水蒸気濃度（水蒸
気分圧）を検出する方法として、特開２０００−０２８
５７７号公報，特開平１０−２２１３００号公報，特開
平９−２８８０８５号公報，特開平６−１４８１３０号
公報に開示されるように、酸素イオン伝導性固体電解質
の内外に設けた電極間に電圧を印加して水分分解させた
ときの酸素ポンプ電流に基づいて、水蒸気濃度（水蒸気
分圧）を検出する方法があった。

【０００３】また、特開２００１−０５０９３３号公
報，特開平１１−００２６１６号公報，特開平１０−２
８４１０８号公報に開示されるように、プロトン（水素
イオン）伝導性固体電解質を用い、基準ガスにおける基
準水蒸気濃度と被測定ガス中の水蒸気濃度との違いに基
づいて、水蒸気濃度（水蒸気分圧）を検出する方法があ
った。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記酸素イオン伝導性
固体電解質を用いる水蒸気濃度の測定方法では、被測定
ガス中の可燃性ガス濃度が変化すると、酸素濃度の検出
特性や水分の分解特性が変化し、特に被測定ガス中に水
素が共存する場合には、水素の拡散速度が他の成分ガス
よりも速いため、水素の濃度変化の影響を受けて測定精
度が悪化するという問題があった。

【０００５】また、プロトン（水素イオン）伝導性固体
電解質を用いて水蒸気濃度を測定する場合も、被測定ガ
ス中に含まれる水素の影響を受けて測定精度が悪化する
という問題があった。本発明は上記問題点に鑑みなされ
たものであり、被測定ガス中の可燃性ガス（特に水素）
の濃度変化に大きく影響されることなく、水蒸気濃度を
測定することが可能なガス濃度測定方法及びガス濃度セ
ンサ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】そのため、請求項１に係
るガス濃度測定方法では、被測定ガス中に含まれる可燃
性ガスを外部からの酸素の供給によって酸化させた後、
被測定ガス中に含まれる水分を分解し、可燃性ガスの酸
化のために被測定ガス中に供給した酸素量と、水分分解
後の被測定ガス中の酸素量及び／又は水素量とから、測
定対象成分ガス濃度を算出する構成とした。

【０００７】上記構成によると、可燃性ガスの酸化のた
めに被測定ガス中に供給した酸素量は可燃性ガス量に相
関し、水分分解後の被測定ガス中の酸素量及び／又は水
素量は、元々被測定ガス中に含まれていた水分（水蒸
気）と酸化によって生成された水分との総和に相関する
から、両者の差として元々被測定ガス中に含まれていた
水分（水蒸気）の濃度を測定することが可能である。

【０００８】請求項２記載の発明では、前記被測定ガス
が、可燃性ガスとしての水素及び水蒸気を少なくとも含
み、水素，水蒸気，水素及び水蒸気以外の第３成分のう
ちの少なくとも１つの濃度を測定する構成とした。上記
構成によると、水素を酸化させるために供給した酸素量
から水素分圧（水素濃度）が測定され、水分分解後の酸
素量及び／又は水素量から酸化後の水分分圧（水蒸気濃
度）が測定され、両者の差として被測定ガス中に元々含
まれている水分分圧（水蒸気濃度）が算出され、また、
被測定ガスの全圧が分かれば、水素及び水蒸気以外の第
３成分（例えば窒素）の濃度（分圧）が算出される。

【０００９】一方、請求項３に係るガス濃度センサは、
イオン伝導性固体電解質によって外部空間と隔成される
空室を有すると共に、前記イオン伝導性固体電解質を介
して外部空間から空室内に酸素を供給して、被測定ガス
中に含まれる可燃性ガスを酸化させるガス酸化手段と、
該酸化後に被測定ガス中に含まれる水分を分解する水分
分解手段と、前記水分の分解で生成された酸素を、前記
イオン伝導性固体電解質を介して外部空間に汲み出す酸
素汲み出し手段と、前記水分の分解で生成された水素
を、前記イオン伝導性固体電解質を介して外部空間に汲
み出す水素汲み出し手段と、を有し、前記ガス酸化手段
で供給した酸素量と、前記酸素汲み出し手段で汲み出さ
れた酸素量及び／又は水素汲み出し手段で汲み出された
水素量とから、測定対象成分ガス濃度を算出する構成と
した。

【００１０】上記構成によると、被測定ガス中に含まれ
る可燃性ガスを、イオン伝導性固体電解質を介したポン
ピング作用によって外部から供給される酸素によって酸
化させた後、被測定ガス中に含まれる水分を分解し、該
分解で生成された酸素及び水素を、イオン伝導性固体電
解質を介したポンピング作用によって外部に汲み出す。

【００１１】ここで、可燃性ガスの酸化のために外部か
ら供給した酸素量は可燃性ガス量に相関し、水分分解で
生成されて外部に汲み出した酸素量及び／又は水素量
は、元々被測定ガス中に含まれていた水分（水蒸気）と
酸化によって生成された水分との総和に相関するから、
両者の差として元々被測定ガス中に含まれていた水分
（水蒸気）の濃度を測定することが可能である。

【００１２】尚、酸素汲み出し手段は、電位の供給によ
って酸素イオンの汲み出しを行うものであり、水分分解
に必要な電位を印加する構成とすることで、酸素汲み出
し手段が水分分解手段を兼ねる構成とすることができ
る。請求項４記載の発明では、酸素汲み出し手段及び水
素汲み出し手段を、空室の最深部に形成する構成とし
た。

【００１３】上記構成によると、空室の最深部において
被測定ガス中の酸素及び水素の外部への汲み出しが行わ
れることで、空室の最深部が減圧されることになる。請
求項５記載の発明では、前記空室として、第１ガス拡散
律速部を介して外部空間から被測定ガスを導入する空室
であって、ガス酸化手段が形成される第１空室と、この
第１空室に対して第２ガス拡散律速部を介して連通する
空室であって、水分分解手段，酸素汲み出し手段及び水
素汲み出し手段が形成される第２空室とを備える構成と
した。

【００１４】上記構成によると、第１空室には、第１ガ
ス拡散律速部を介して外部空間から被測定ガスが導入さ
れ、該第１空室で酸化された被測定ガスは、第２ガス拡
散律速部を介して第２空室に導入され、センサ素子の最
深部である第２空室において、水分分解及び酸素・水素
の汲み出しが行われる。請求項６記載の発明では、前記
ガス酸化手段が、前記第１空室中の酸素濃度を検出する
第１酸素濃度検出手段を含んで構成され、前記第１空室
内への酸素の供給量を、前記第１酸素濃度検出手段によ
り検出される酸素濃度に基づいて制御する構成とした。

【００１５】上記構成によると、第１空室内の酸素濃度
を測定し、該測定結果に基づいて外部から第１空室に供
給する酸素量を制御することで、供給酸素量を、可燃性
ガスの完全酸化に必要な量に制御する。請求項７記載の
発明では、前記酸素汲み出し手段が、前記第２空室中の
酸素濃度を検出する第２酸素濃度検出手段を含んで構成
され、前記第２空室からの酸素の汲み出し量を、前記第
２酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度に基づい
て制御する構成とした。

【００１６】上記構成によると、第２空室内の酸素濃度
を測定し、該測定結果に基づいて、水分分解で生成され
た酸素の汲み出しが制御される。請求項８記載の発明で
は、前記酸素汲み出し手段が、前記第１空室中の酸素濃
度と第２空室中の酸素濃度とが同じになるように、酸素
の汲み出しを制御する構成とした。

【００１７】上記構成によると、可燃性ガスの酸化を行
うことで可燃性ガス（水素）の濃度測定を行う第１空室
の酸素濃度と、水分分解を行うと共に該水分分解で生成
された酸素・水素の汲み出しを行って水分濃度の測定を
行う第２空室の酸素濃度が同じになるように、第２空室
からの酸素の汲み出しが制御される。請求項９記載の発
明では、前記水素汲み出し手段が、前記酸素汲み出し手
段による酸素の汲み出し量に応じて水素の汲み出しを制
御する構成とした。

【００１８】上記構成によると、酸素については第２空
室内の酸素濃度に基づいてその汲み出しが制御される
が、水素については、水素濃度を計測することなく、酸
素イオンの汲み出し量に応じて制御される。請求項１０
記載の発明では、被測定ガスが、可燃性ガスとしての水
素及び水蒸気を少なくとも含んでなり、水素，水蒸気，
水素及び水蒸気以外の第３成分のうちの少なくとも１つ
の濃度を測定する構成とした。

【００１９】上記構成によると、水素を酸化させるため
に外部から供給した酸素量から水素分圧（水素濃度）が
測定され、水分分解後に汲み出される酸素量及び／又は
水素量から酸化後の水分分圧（水蒸気濃度）が測定さ
れ、両者の差として被測定ガス中に元々含まれている水
分分圧（水蒸気濃度）が算出され、また、被測定ガスの
全圧が分かれば、水素及び水蒸気以外の第３成分（例え
ば窒素）の濃度（分圧）が算出される。

【００２０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によると、可燃性ガ
ス（水素）を酸化してから、水分分解を行わせるから、
可燃性ガスが水分の分解特性や水分分解後の酸素濃度の
検出特性に影響を与えることを回避でき、かつ、可燃性
ガスの酸化に必要とした酸素量から可燃性ガス濃度を検
出することが可能であるので、被測定ガス中に元々含ま
れていた水分濃度を精度良く検出することが可能である
という効果がある。

【００２１】請求項２記載の発明によると、水素及び水
蒸気が共存する例えば燃料電池システムの燃料ガスにお
いて、水素濃度，水蒸気濃度，更に、不純物である第３
成分（窒素）濃度を測定することが可能で、燃料電池シ
ステムにおける循環水素のパージ制御や加湿器の制御を
最適に行わせることが可能になるという効果がある。請
求項３記載の発明によると、イオン伝導性固体電解質を
介した外部からの酸素の供給によって可燃性ガスを酸化
させることで、酸素供給量から可燃性ガスの濃度を測定
できると共に、可燃性ガスがその後の水分分解特性や水
分分解後の酸素濃度の検出特性に影響を与えることを回
避でき、また、水分分解後にイオン伝導性固体電解質を
介して外部に汲み出される酸素量及び／又は水素量か
ら、可燃性ガスの酸化によって生成された水分を含む水
分濃度を測定でき、結果、被測定ガス中に元々含まれて
いた水分濃度を精度良く検出することが可能であるとい
う効果がある。

【００２２】請求項４記載の発明によると、空室の最深
部で酸素・水素の汲み出しが行われることで、最深部が
減圧され、以って、被測定ガスの導入部から最深部まで
のガス拡散速度が加速され、ガス濃度測定の応答性を向
上させることができるという効果がある。請求項５記載
の発明によると、ガス拡散律速部を介して、可燃性ガス
の酸化を行わせる空室と、水分分解を行わせる空室とを
それぞれ独立に設けることで、ガス酸化作用及び水分分
解作用をそれぞれ確実に働かせ、かつ、相互の干渉を低
減させることができるという効果がある。

【００２３】請求項６記載の発明によると、可燃性ガス
の酸化を行わせる第１空室内の酸素濃度に応じて、外部
から供給する酸素量を制御することで、可燃性ガスの完
全酸化に必要な酸素を過不足なく供給して、供給酸素量
から被測定ガス中の可燃性ガスの濃度を精度良く測定で
きるという効果がある。請求項７記載の発明によると、
水分分解後の酸素・水素の汲み出しを第２空室において
行わせるときに、第２空室内の酸素濃度に基づいて汲み
出しを制御することで、汲み出し動作を正確かつ安定的
に行わせることができるという効果がある。

【００２４】請求項８記載の発明によると、第１空室と
第２空室の酸素濃度が同じになるように制御すること
で、両空室間の酸素濃度差による干渉影響を排除でき、
高い濃度測定精度を得られるという効果がある。請求項
９記載の発明によると、第２空室内の水素濃度を測定す
ることなく、第２空室からの水素の汲み出し量を最適に
制御することができるという効果がある。

【００２５】請求項１０記載の発明によると、水素及び
水蒸気が共存する例えば燃料電池システムの燃料ガスに
おいて、水素濃度，水蒸気濃度，更に、不純物である第
３成分（窒素）濃度を測定することが可能で、燃料電池
システムにおける循環水素のパージ制御や加湿器の制御
を最適に行わせることが可能になるという効果がある。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図に
基づいて説明する。図１，２はガス濃度センサのセンサ
構造を示すものである。但し、図面に示すセンサ構造
は、実際のセンサの寸法関係を正確に示すものではな
く、構成及び作用を解り易く説明するためのものであ
る。

【００２７】図１において、センサ素子本体１０は、セ
ンサ素子保持部１６によって大気側と隔絶されると共
に、被測定ガス中に晒されるように配置される。尚、前
記センサ素子本体１０の外周を、被測定ガスが流入可能
なセンサ素子保護部材（カバー部材）によって覆うよう
にしても良い。前記センサ素子本体１０は、セラミック
ス体１１，１２，１３，１４，１５を積層して構成さ
れ、セラミックス体１５には、ヒータ線１５ａが埋設さ
れている。

【００２８】セラミックス体１１，１３は、共にイオン
伝導性固体電解質で形成され、セラミックス体１１がプ
ロトン（水素イオン）を、セラミックス体１３が酸素イ
オンを、それぞれ選択的に透過できる特性を有するイオ
ン伝導性固体電解質体である。セラミックス体１１（プ
ロトン伝導性固体電解質体）とセラミックス体１３（酸
素イオン伝導性固体電解質体）との間には、第１ガス拡
散律速部１２ｘ、第１空室１２ａ、第２ガス拡散律速部
１２ｙ、第２空室１２ｂが形成されており、第１ガス拡
散律速部１２ｘを介して第１空室１２ａに導入された被
測定ガスは、更に、第２ガス拡散律速部１２ｙを介して
第２空室１２ｂに導入されるようになっている。

【００２９】また、セラミックス体１３とセラミックス
体１５との間には、大気側と連通する大気室１４ａが形
成されている。前記セラミックス体１３の第１空室１２
ａを構成する部分の大気室１４ａ側には、多孔質白金電
極１３ｄが密着して設けられ、また、第１空室１２ａ側
には、多孔質白金電極１３ｃ及び多孔質白金電極１３ｅ
が密着して設けられる。

【００３０】前記多孔質白金電極１３ｄ及び多孔質白金
電極１３ｃは、大気側から酸素を第１空室１２ａ内に供
給してガス酸化を行うためのポンピング用電極対を構成
し、第１ポンピング手段２０ａに接続される。また、前
記多孔質白金電極１３ｄ及び多孔質白金電極１３ｅは、
第１空室１２ａ内の酸素濃度検知のためのセンシング用
電極対を構成し、第１センシング手段２０ｂ（第１酸素
濃度検出手段）に接続されている。

【００３１】更に、前記セラミックス体１３の第２空室
１２ｂを構成する部分の大気室１４ａ側には、多孔質白
金電極１３ｂが密着して設けられ、また、第２空室１２
ｂ側には、多孔質白金電極１３ａが密着して設けられ
る。前記多孔質白金電極１３ｂ及び多孔質白金電極１３
ａは、第１空室１２ａで酸化された後、第２空室１２ｂ
に流入した水分（Ｈ₂Ｏ）を分解して酸素イオンを大気
側に汲み出すためのポンピング用電極対を構成し、第２
ポンピング手段３０ａに接続されている。

【００３２】尚、大気室１４ａ側に面した多孔質白金電
極１３ｂ，１３ｄを共通化しても良い。一方、セラミッ
クス体１１の第２空室１２ｂを構成する部分の外部被測
定ガス雰囲気側には、多孔質白金電極１１ｂが密着して
設けられ、また、第２空室１２ｂ側には、多孔質白金電
極１１ａが密着して設けられる。

【００３３】前記多孔質白金電極１１ｂ及び多孔質白金
電極１１ａは、前記多孔質白金電極１３ａでの水分分解
で生成される水素を分解して、水素イオンを外部の被測
定ガス中に汲み出すためのポンピング用電極対を構成
し、第３ポンピング手段４０ａに接続されている。上記
構成のガス濃度センサの作用を以下に説明する。

【００３４】まず、第１空室１２ａ内の作用について説
明する。前記第１センシング手段２０ｂ及び第１ポンピ
ング手段２０ａを含んで構成される酸素供給手段２０
（ガス酸化手段）においては、第１センシング手段２０
ｂで検出される起電力Ｖ１に応じて第１ポンピング手段
２０ａをフィードバック制御する。

【００３５】前記起電力Ｖ１は、一般には次式で求めら
れる。 Ｖ１＝ＲＴ／４Ｆ・ｌｎ（ＰＡ（Ｏ₂）／ＰＢ（Ｏ₂）） 上式において、Ｒは気体定数，Ｔは気体温度（絶対温
度），Ｆはファラデー定数，ＰＡ（Ｏ₂）は被測定ガス
中の酸素分圧，ＰＢ（Ｏ₂）は基準気体中の酸素分圧で
ある。

【００３６】ここで、本実施形態では、ＰＡ（Ｏ₂）は
第１空室１２ａ内の酸素分圧で、ＰＢ（Ｏ₂）は大気室
１４ａ内の酸素分圧となり、起電力Ｖ１から第１空室１
２ａ内の酸素分圧（濃度）を知ることができる。そし
て、前記起電力Ｖ１が所定の値（一定の酸素分圧）にな
るように第１ポンピング手段２０ａを制御して、第１空
室１２ａ内に大気側から酸素を供給するようにすれば、
このときの第１ポンピング電流Ａ１から、被測定ガス中
の可燃性ガスを完全酸化させるのに必要とした供給酸素
量が求められ、この供給酸素量は、被測定ガス中の可燃
性ガス分圧（濃度）と比例関係になる。

【００３７】被測定ガス中の可燃性ガスを水素とすると
きを例にすると、第１空室１２ａ内では、次式に示され
るような反応が生じることになる。 ｍ（Ｈ₂）＋ｎ（Ｏ₂）＋ｂ（Ｏ₂）→ｍ（Ｈ₂Ｏ）＋ｂ
（Ｏ₂） ここで、ｍ（Ｈ₂）は、第１ガス拡散律速部１２ｘから
第１空室１２ａ内に導入した水素量で、ｎ（Ｏ₂）は、
水素を完全酸化させるのに必要とした供給酸素量で、ｎ
（Ｏ₂）＝ｍ（Ｈ₂）／２の関係にある。

【００３８】また、ｍ（Ｈ₂Ｏ）は、上式の酸化反応に
おいて生成される水分量で、ｂ（Ｏ₂）は、第１空室１
２ａ内のベースとなる酸素分圧であって、第１空室１２
ａ内を常に酸化雰囲気にするため、１／１０⁸〜１／１
０³ａｔｍの範囲とすることが好ましい。即ち、被測定
ガス中の水素分圧（濃度）ＰＨ₂と、第１ポンピング手
段２０ａで測定される第１ポンピング電流Ａ１との関係
を予め求めておけば、この第１ポンピング電流Ａ１から
被測定ガス中の水素分圧（濃度）ＰＨ₂が求められるこ
とになる。

【００３９】次に、第２空室１２ｂ内の作用について説
明する。前記第２ポンピング手段３０ａを含んで構成さ
れる酸素汲み出し手段３０は、水分分解手段を兼ね、水
分を電気分解するに必要な電位が供給された多孔質白金
電極１３ａにて、下式に示す水分分解を生じさせる。

【００４０】

【数１】

【００４１】上記の水分分解で発生した酸素イオンは、
セラミックス体１３（酸素イオン伝導性固体電解質体）
中を透過し、多孔質白金電極１３ｂにて酸素となって、
大気室１４ａ側に汲み出されることになる。このとき汲
み出される酸素イオン量［ｍ＋α］は、酸素供給手段２
０により可燃性ガス（水素）の酸化のために供給された
分ｍ（被測定ガス中に元々含まれていた水素ガス量に比
例する量）に、被測定ガス中に元々水分として含まれて
いた分αを加算した量であり、第２ポンピング手段３０
ａの第２ポンピング電流Ａ２として検知される。

【００４２】また、前記第３ポンピング手段４０ａを含
んで構成される水素汲み出し手段４０は、前記水分分解
で同時に発生した水素を第２空室１２ｂから汲み出す。
前記水分分解で同時に発生した水素は、水素をイオン化
（プロトン）するに必要な電位が与えられた多孔質白金
電極１１ａにて、下式に示すイオン化反応が起きること
で、水素イオン（プロトン）に変換される。

【００４３】

【数２】

【００４４】そして、前記水素イオン（プロトン）は、
セラミックス体１１（プロトン伝導性固体電解質体）中
を透過し、多孔質白金電極１１ｂにて再び水素となり、
センサ素子外部（被測定ガス中）に汲み出される。この
汲み出される水素イオン量［ｍ＋α］は、被測定ガス中
に元々含まれていた水素ガス量分ｍに、被測定ガス中に
元々水分として含まれていた分αを加算した量であり、
その合計が第３ポンピング手段４０ａの第３ポンピング
電流Ａ３として検知される。

【００４５】以上から明らかなように、被測定ガス中の
水素分圧（濃度）ＰＨ₂に依存するｍが、第１ポンピン
グ電流Ａ１から求められ、被測定ガス中の水素分圧（濃
度）ＰＨ₂と被測定ガス中の水蒸気分圧（濃度）ＰＨ₂Ｏ
との合計に依存するｍ＋αが第２ポンピング電流Ａ２或
いは第３ポンピング電流Ａ３から求められる。即ち、第
１ポンピング電流Ａ１と第２ポンピング電流Ａ２及び／
又は第３ポンピング電流Ａ３によって、被測定ガス中の
水素分圧（濃度）と被測定ガス中の水蒸気分圧（濃度）
とが求められる。

【００４６】更には、被測定ガスの全圧を１として変化
がなく一定であれば、水素、水蒸気以外の第３成分ガス
分圧（濃度）Ｐｘは、 Ｐｘ＝１−（ＰＨ₂＋ＰＨ₂Ｏ） として、簡単に求めることができる。次に、第２の実施
形態を図３，図４に基づいて説明する。

【００４７】尚、図１，２に示した第１の実施形態と同
一構成及び作用の部位については、同一符号を付して詳
しい説明を省略する。図３，図４に示される第２の実施
形態は、第１の実施形態の構成に対して第２センシング
手段３０ｂ（第２酸素濃度検出手段）を付加したもので
ある。前記第２センシング手段３０ｂは、第２空室１２
ｂ内に面したセラミックス体１３（酸素イオン伝導性固
体電解質体）に多孔質白金電極１３ｆを密着して形成
し、多孔質白金電極１３ｂとの組み合わせによって、第
２空室１２ｂ内の酸素分圧（濃度）を検知する構成であ
り、その検知原理は、前述の第１センシング手段２０ｂ
と同様である。

【００４８】この第２センシング手段３０ｂによって検
出される起電力Ｖ２は、酸素汲み出し手段３０及び／又
は水素汲み出し手段４０のフィードバック制御量として
与えられ、これによって、酸素汲み出し手段３０及び／
又は水素汲み出し手段４０を、より正確にかつより安定
に動作させることができる。特に、上記フィードバック
制御において、第１空室１２ａと第２空室１２ｂの酸素
分圧を同一とするように制御すると、両空室間の酸素分
圧の差による干渉影響を排除することができる。

【００４９】また、上記第１及び第２の実施形態におい
て、第２空室１２ｂからの水素及び酸素の汲み出しは、
水分分解によって生成された水素・酸素を汲み出すもの
で、水素汲み出し量は酸素汲み出し量と同じであること
から、水素汲み出しを酸素汲み出し量に応じて制御する
ように構成することで、水素濃度を検出することなく、
水素汲み出し制御をより安定化できる。

【００５０】また、水素汲み出し手段４０及び酸素汲み
出し手段３０を、センサ素子１０内部の最深部に形成さ
せることで、第１ガス拡散律速部１２ｘから第２空室１
２ｂまでのガス拡散速度を加速でき、ガス濃度検出の応
答性を格段に向上させることができる。図５は、本発明
に係るガス濃度センサ１００を、純水素型燃料電池シス
テム２００に適用した例を示すものである。

【００５１】この図５において、燃料電池セル２１０の
カソード側２１１に酸素（空気などの酸化剤）が供給さ
れ、アノード側２１２に水素（燃料）が供給され、電解
質２１３を介した酸素と水素の反応によって発生する電
気エネルギーを外部（負荷３００）に取り出すよう構成
される。この他、エゼクタ２１４，加湿器２１５，圧力
センサ２１６，水分分離器２１７，パージ制御器２１８
が設けられ、燃料電池セル２１０で消費されなかった水
素（燃料）は、エゼクタ２１４によって循環されるよう
になっており、ガス濃度センサ１００は、加湿器２１５
とアノード側２１２との間に配置される。

【００５２】この循環水素燃料は、カソード側２１１か
らアノード側２１２に透過してくる窒素等の不純物によ
って徐々にその実質水素濃度（水素量）が低下し、これ
によって、燃料電池セル２１０から取り出せる電気エネ
ルギーが低下してしまうことから、所定の制御タイミン
グで循環水素をパージ制御器２１８によりパージさせる
ようになっている。

【００５３】係る純水素型燃料電池システム２００に本
発明のガス濃度センサ１００を適用すれば、実際に燃料
電池セル２１０に供給される燃料中の不純物である窒素
濃度（第３成分濃度）を高応答に測定できることから、
前述の循環水素のパージ制御を最適に行わせることがで
きる。更に、圧力センサ２１６の信号、或いは、図示し
ない新規供給燃料量の信号と、ガス濃度センサ１００で
検出できる水素濃度を用いれば、燃料電池セル２１０か
ら取り出せる電気エネルギー量を算出することができ、
燃料電池システム制御に有効なセンサとなり得る。

【００５４】また、ガス濃度センサ１００による水蒸気
濃度の検出結果に応じて、加湿器２１５を制御する用途
もある。尚、図５に示す例では、燃料電池セル２１０の
入り口側にガス濃度センサ１００を取りつけた例で説明
したが、出口側あるいは両方に取りつける構成としても
良く、また、改質型燃料電池システムなど、その他いろ
いろな用途に本発明のガス濃度センサ１００を用いるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態のセンサ素子構造を示す断面
図。

【図２】第１の実施形態の構成及び作用を説明するため
のシステム概略図。

【図３】第２の実施形態のセンサ素子構造を示す断面
図。

【図４】第２の実施形態の構成及び作用を説明するため
のシステム概略図。

【図５】本発明に係るガス濃度センサを適用した純水素
型燃料電池システムを示すシステム構成図。 １０…センサ本体 １１…セラミックス体（プロトン伝導性固体電解質体） １２ａ…第１空室 １２ｂ…第２空室 １２ｘ…第１ガス拡散律速部 １２ｙ…第２ガス拡散律速部 １３…セラミックス体（酸素イオン伝導性固体電解質
体） ２０…酸素供給手段（ガス酸化手段） ２０ａ…第１ポンピング手段 ２０ｂ…第１センシング手段（第１酸素濃度検出手段） ３０…酸素汲み出し手段 ３０ａ…第２ポンピング手段 ３０ｂ…第２センシング手段（第２酸素濃度検出手段） ４０…水素汲み出し手段 ４０ａ…第３ポンピング手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２７Ｒ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定ガス中に含まれる可燃性ガスを外部
   からの酸素の供給によって酸化させ、 該酸化後に被測定ガス中に含まれる水分を分解し、 前記可燃性ガスの酸化のために被測定ガス中に供給した
   酸素量と、前記水分分解後の被測定ガス中の酸素量及び
   ／又は水素量とから、測定対象成分ガス濃度を算出する
   ことを特徴とするガス濃度測定方法。
2. 【請求項２】前記被測定ガスが、前記可燃性ガスとして
   の水素及び水蒸気を少なくとも含んでなり、 前記水素，水蒸気，水素及び水蒸気以外の第３成分のう
   ちの少なくとも１つの濃度を、前記測定対象成分ガス濃
   度とすることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定
   方法。
3. 【請求項３】イオン伝導性固体電解質によって外部空間
   と隔成される空室を有し、前記空室に外部空間から導入
   される被測定ガス中の測定対象成分ガス濃度を測定する
   ガス濃度センサであって、 前記イオン伝導性固体電解質を介して外部空間から空室
   内に酸素を供給して、被測定ガス中に含まれる可燃性ガ
   スを酸化させるガス酸化手段と、 該酸化後に被測定ガス中に含まれる水分を分解する水分
   分解手段と、 前記水分の分解で生成された酸素を、前記イオン伝導性
   固体電解質を介して外部空間に汲み出す酸素汲み出し手
   段と、 前記水分の分解で生成された水素を、前記イオン伝導性
   固体電解質を介して外部空間に汲み出す水素汲み出し手
   段と、 を有し、 前記ガス酸化手段で供給した酸素量と、前記酸素汲み出
   し手段で汲み出された酸素量及び／又は水素汲み出し手
   段で汲み出された水素量とから、測定対象成分ガス濃度
   を算出することを特徴とするガス濃度センサ。
4. 【請求項４】前記酸素汲み出し手段及び水素汲み出し手
   段を、前記空室の最深部に形成したことを特徴とする請
   求項３記載のガス濃度センサ。
5. 【請求項５】前記空室として、 第１ガス拡散律速部を介して外部空間から被測定ガスを
   導入する空室であって、前記ガス酸化手段が形成される
   第１空室と、 該第１空室に対して第２ガス拡散律速部を介して連通す
   る空室であって、前記水分分解手段，酸素汲み出し手段
   及び水素汲み出し手段が形成される第２空室とを備える
   ことを特徴とする請求項３記載のガス濃度センサ。
6. 【請求項６】前記ガス酸化手段が、前記第１空室中の酸
   素濃度を検出する第１酸素濃度検出手段を含んで構成さ
   れ、 前記第１空室内への酸素の供給量を、前記第１酸素濃度
   検出手段により検出される酸素濃度に基づいて制御する
   ことを特徴とする請求項５記載のガス濃度センサ。
7. 【請求項７】前記酸素汲み出し手段が、前記第２空室中
   の酸素濃度を検出する第２酸素濃度検出手段を含んで構
   成され、 前記第２空室からの酸素の汲み出し量を、前記第２酸素
   濃度検出手段により検出される酸素濃度に基づいて制御
   することを特徴とする請求項５又は６記載のガス濃度セ
   ンサ。
8. 【請求項８】前記酸素汲み出し手段が、前記第１空室中
   の酸素濃度と第２空室中の酸素濃度とが同じになるよう
   に、酸素の汲み出しを制御することを特徴とする請求項
   ７記載のガス濃度センサ。
9. 【請求項９】前記水素汲み出し手段が、前記酸素汲み出
   し手段による酸素の汲み出し量に応じて水素の汲み出し
   を制御することを特徴とする請求項３〜８のいずれか１
   つに記載のガス濃度センサ。
10. 【請求項１０】前記被測定ガスが、前記可燃性ガスとし
    ての水素及び水蒸気を少なくとも含んでなり、 前記水素，水蒸気，水素及び水蒸気以外の第３成分のう
    ちの少なくとも１つの濃度を、前記測定対象成分ガス濃
    度とすることを特徴とする請求項３〜９のいずれか１つ
    に記載のガス濃度センサ。