JP2005201639A - 水素濃度検出器及びこれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】被測定ガス中の水素濃度を高濃度域まで精度よく検出できる水素濃度検出器を提供する。
【解決手段】支持体１１ａ，１１ｂ、第１プロトン伝導性固体電解質体２１、第１〜第４電極２２ａ〜２２ｄ、第１水素ポンピング回路４０、水素センシング回路５０によってプロトン伝導性固体電解質型の水素濃度検出手段が構成され、支持体１１ａ，１１ｃ、プロトン伝導性固体電解質体３１、第５，６電極３２ａ、３２ｂ、第２水素ポンピング回路６０によって被測定ガス希釈手段が構成される。被測定ガス導入孔１２より拡散流入された被測定ガス１は、中間空室１３にて、被測定ガス希釈手段により生成された希釈ガスにより希釈される。そして、この希釈された被測定ガスの水素濃度検出値と希釈度合とから被測定ガスの水素濃度を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出器及びこれを用いた燃料電池システムに関する。

被測定ガス中の特定成分を検出するガスセンサとして、酸素イオン伝導性固体電解質を用いたものやプロトン伝導性固体電解質を用いたものが知られている。
酸素イオン伝導性固体電解質を用いたセンサとしては、自動車の排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサや酸素濃度から空燃比を求める空燃比センサ等がある（非特許文献１、２参照）。また、このような酸素イオン伝導性固体電解質を用いたセンサは、酸素以外のガスにも反応することから、水素濃度を検出する場合にも適用されている（特許文献１参照）。

一方、プロトン伝導性固体電解質を用いたセンサとしては、被測定ガス中の水素濃度を検出する水素濃度センサが提案されている（特許文献２、３、４参照）。
特開２０００−９６８５号公報 特公平７−３１１５３号公報 特開２００１−２１５２１４号公報 特開２００２−３１０９７８号公報 ＳＡＥペーパー（ＮＯ．８５０３７８） 自動車技術Ｖｏｌ．４１、ＮＯ．１２、ｐ．１４１４−１４１８

ところで、近年、高効率かつクリーンな動力源として盛んに研究開発が行われている「燃料電池（発電）システム」においては、低温（例えば、２００℃以下）であっても安定して動作するガスセンサが望まれている。
しかし、前記酸素イオン伝導性固体電解質を用いたセンサは、５００〜９００℃という高温でしか安定して動作しないため、「燃料電池システム」には適用することができない。また、前記プロトン伝導性固体電解質を用いたセンサは、低温で動作するものの、酸素イオン伝導性固体電解質を用いた酸素濃度センサと同様の原理（拡散律速によって得られる限界電流から対象ガス濃度を検出する方式）であるため、高濃度域まで正確に検出することが困難であった。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであり、低温で安定して動作し、被測定ガス中の水素濃度を高濃度域まで精度よく検出できる水素濃度検出器、及び、これを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。

このため、本発明では、被測定ガス希釈手段により被測定ガスを希釈し、この希釈した被測定ガス中の水素濃度をプロトン伝導性固体電解質型の水素濃度検出手段で検出し、被測定ガスの希釈度合と水素濃度検出手段の検出値とから被測定ガスの水素濃度を算出することにより、被測定ガスの水素濃度を検出するようにした。

本発明によると、高濃度の水素が含まれる被測定ガスに対しても、比較的微量の希釈ガスで検出器内部の水素濃度（すなわち、プロトン伝導性固体電解質型の水素濃度検出手段が検出すべき水素濃度）を測定可能な濃度にまで減じることができ、測定可能範囲を高濃度側へと拡大することができる。これにより、高濃度域まで精度よく水素濃度を検出することができ、純水素型燃料電池システムへの適用も可能となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、ここで図示するものは現実のセンサの大きさなど寸法を表しているものではなく、構成及び作用を解り易く説明するためのものである。
図１は、本発明に係る水素濃度検出器の第１実施形態を示している。
図１において、被測定ガス１に接触するようにセンサ素子（検出器）１００Ａが設置されている。このセンサ素子１００Ａは、支持体１１ａ，１１ｂで第１のプロトン伝導性固体電解質体（以下、単に第１電解質体という）２１を挟持し、この第１電解質体２１の両面に第１電極２２ａ、第２電極２２ｂ、第３電極２２ｃ、第４電極２２ｄが形成されている。これらの電極２２ａ〜ｄは、白金（あるいは白金を含む合金）を担持した多孔質体であり、第１電極２２ａは第１空室２３ａに、第２電極２２ｂは第２空室２３ｂに、第３電極２２ｃは第３空室２３ｃに、第４電極２２ｄは第４空室２３ｄに、それぞれ配置されている。

被測定ガス１は、第１被測定ガス導入孔１２から、中間空室１３、検出対象ガス導入孔１３ａを介して第１空室２３ａへと導かれるとともに、第１電極２２ａに到達する。ここで、検出対象ガス導入孔１３ａは、第１被測定ガス導入孔１２より十分に小さく（拡散抵抗で１／１０〜１／１００になる程度に）設定されている。
第１空室２３ａは、通路２３ｅによって第３空室２３ｃに連通しており、第１空室２３ａに導入された被測定ガス１は、さらに第３電極２２ｃにも到達する。また、第２空室２３ｂは、第１被測定ガス導入孔１２より十分大きな第１連通孔２４を介し被測定ガス１側に連通している。なお、第４空室２３ｄは、ほぼ密封に近い状態を形成している。

さらに、第３空室２３ｃの水素分圧（濃度）Ｐ１を検出する水素センシング回路５０が、第３電極２２ｃと第４電極２２ｄとの間で電気的に接続されるように設けてあり、また、第１電極２２ａと第２電極２２ｂとの間には、第１電極２２ａ側から第２電極２２ｂ側にプロトンを輸送できるように第１の水素ポンピング回路４０が設けてある。
以上の部分が水素濃度検出部（水素濃度検出手段）を構成するもので、かかる構成での（水素濃度検出部の）作用について説明する。

被測定ガス１は、第１被測定ガス導入孔１２を介してセンサ素子１００Ａ内に導入され、さらに所定の拡散抵抗を有する検出対象ガス導入孔１３ａによって第１空室２３ａへの導入が制限される。従って、本実施形態において、第１被測定ガス導入孔１２及び検出対象ガス導入孔１３ａが第１拡散律速手段に相当する。
第１空室２３ａへの導入量のうち水素は、中間空室１３内の被測定ガス１の水素濃度Ｃ１と第１空室２３ａ内（＝第３空室２３ｃ内）の水素濃度Ｃ２との濃度差に依存する。ここで、第１空室２３ａ内（＝第３空室２３ｃ内）の水素濃度Ｃ２を一定（例えば、ほぼ０）とするように、第１の水素ポンピング回路４０を駆動すれば、この第１の水素ポンピング回路４０に流れるポンピング電流Ｉｐ１は、被測定ガス１中の水素濃度Ｃ１に相関（比例）したものとなる。なお、上述したように検出対象ガス導入孔１３ａは、第１被測定ガス導入孔１２より十分小さく設定されているので、中間空室１３内の水素濃度Ｃ１は被測定ガス１中の水素濃度とみなすことができる。

このポンピング電流Ｉｐ１と、中間空室１３の水素濃度（すなわち、被測定ガス１中の水素濃度）Ｃ１と、第１空室２３ａ内の水素濃度Ｃ２との関係は次式（１）のように表すことができる。
Ｉｐ１＝（ｎＦ／ＲＴ）ＤＰＡ（Ｃ１−Ｃ２）／Ｌ …（１）
ここで、ｎ：電荷の数（水素＝２）、Ｆ：ファラデー定数、Ｒ：ガス定数、Ｔ：ガス温度、Ｄ：水素の拡散係数、Ｐ：ガス圧力、Ａ：拡散有効面積、Ｌ：拡散有効距離、Ｃ１：中間空室１３内（＝被測定ガス１中の水素濃度）の水素濃度、Ｃ２：第１空室２３ａ（＝第３空室２３ｃ）内の水素濃度、である。

第１空室２３ａ内（＝第３空室２３ｃ内）の水素濃度Ｃ２は、水素センシング回路５０で検知され、その検知結果を第１の水素ポンピング回路４０にフィードバックして水素濃度Ｃ２がほぼ０になるように第１のポンピング回路４０を駆動している。
なお、この実施形態における水素センシング回路５０は、第３電極２２ｃと第４電極２２ｄとの間で水素濃淡電池（起電力Ｖｓ）を形成しているが、第３電極２２ｃの代わりに第１電極２２ａとしても問題なく、また、この起電力Ｖｓは、一般に知られる「ネルンストの式」で表されるものである。ここで、第４空室２３ｄは、水素センシング回路５０で第３空室２３ｃ内の水素濃度Ｃ２がほぼ０であることを判定するために、比較的高濃度（２０％程度で可）の水素雰囲気とする必要があるが、第１電極２２ａから第１電解質体２１を介して第４電極２２ｄに僅かな水素を輸送することで作り出せる。

上記（１）式から分かるように、第１空室２３ａ（＝通路２３ｅ＝第３空室２３ｃ）内の水素濃度Ｃ２をほぼ０（水素分圧＝１０^-10ａｔｍ程度）とすれば、水素ポンピング電流Ｉｐ１から被測定ガス１中の水素濃度Ｃ１を求めることができる。
ただし、この関係も水素濃度Ｃ１が低い領域では成立するが、高濃度領域では成立が困難となる。これは水素のポンピング（汲み出す）作用によって、第１空室２３ａ（＝通路２３ｅ＝第３空室２３ｃ）内の圧力が減圧され、上記（１）式を成立させる拡散律速が崩れ、濃度差だけでなく圧力差によるガス流入も加わるためである。

そこで、本発明では、中間空室１３内の水素濃度を希釈するように、以下に説明する構成（被測定ガス希釈手段）を備える。
すなわち、センサ素子１００Ａは、上述した構成に加えて、支持体１１ａ，１１ｃで第２のプロトン伝導性固体電解質体（以下、単に第２電解質体という）３１を挟持し、この第２電解質体３１の両面に第５電極３２ａ、第６電極３２ｂが形成されている。これらの電極も前記第１〜４電極２２ａ〜ｄと同様に、白金（あるいは白金を含む合金）を担持した多孔質体であり、第５電極３２ａは第５空室３３ａに、第６電極３２ｂは第６空室３３ｂに配置されている。

被測定ガス１は、第２被測定ガス導入孔１４から第５空室３３ａへと導かれるとともに、第５電極３２ａに到達する。第６空室３３ｂは、第２被測定ガス導入孔１４より十分大きな第２連通孔３４を介し被測定ガス１に連通している。なお、この第２被測定ガス導入孔１４は、第１被測定ガス導入孔１２（及び検出対象ガス導入孔１３ａ）より大きく設定されており、本実施形態において、この第２被測定ガス導入孔１４が第２拡散律速手段に相当する。

また、第５電極３２ａと第６電極３２ｂとの間には、第５電極３２ａ側から第６電極３２ｂ側にプロトンを輸送できるように第２の水素ポンピング回路６０が設けてある。
さらに、第５空室３３ａと中間空室１３とを連通するように希釈ガス取入口１５ａ、希釈ガス流入孔１５が設けられている。なお、図に示すように、第５空室３３ａにおいて、希釈ガス取入口１５ａは、第２被測定ガス導入孔１４から被測定ガス１が流入する流入口１４ａから離れた位置に設けられている。

次に、以上の構成での（被測定ガス希釈手段の）作用について説明する。
第２の水素ポンピング回路６０を駆動して、第５空室３３ａ内に流入した被測定ガス１中の水素のほぼ全量を第６空室３３ｂ側に汲み出す。このとき、第２電解質体３１内をプロトンが移動するが、その際、同時に水も移動する。よって、被測定ガス１中の水（水蒸気）も第２電解質体３１に吸収されることとなり、この結果、第５空室３３ａ内に残る成分は水素・水蒸気以外のガスということになる。

従って、例えば、被測定ガス１中に窒素（Ｎ₂）が存在している場合、上記のように第５空室３３ａ内の水素を汲み出すと、第５空室３３ａ内はＮ₂が相対的に高濃度となる。そして、このＮ₂は第５空室３３ａから出ようと働き、その出口としては流入孔１４ａと希釈ガス取入口１５ａとの２ヶ所存在するので、希釈ガス流入孔１５を介して中間空室１３へも到達することになる。

つまり、この例では、第２の水素ポンピング回路６０を駆動して被測定ガス中のＮ₂を高濃度化することで被測定ガスから希釈ガスを生成し、このＮ₂によって中間空室１３内の被測定ガスの水素濃度、すなわち、検出対象ガスの水素濃度がＣ１′（＜Ｃ１）となり、被測定ガス１の水素濃度Ｃ１から希釈される。従って、上記構成（被測定ガス希釈手段）のうち、希釈ガス流入孔１５を除いた部分が希釈ガス生成手段に相当する。

ここで、前記水素検出部における、このときのポンピング電流（第１のポンピング回路４０のポンピング電流）Ｉｐ１と水素濃度との関係は次式（２）のように表すことができる。
Ｉｐ１＝（ｎＦ／ＲＴ）ＤＰＡ（Ｃ１′−Ｃ２）／Ｌ …（２）
すなわち、上記（１）式におけるＣ１がＣ１′に置換されるものである。このＣ１とＣ１′との関係は次式（３）で表される。

Ｃ１＝Ｋ・Ｃ１′ （３）
なお、Ｋは希釈率である。この希釈率Ｋは、第１被測定ガス導入孔１２、第２被測定ガス導入孔１４及び希釈ガス流入孔１５のそれぞれのガス拡散律速（ガス導入・流入量）の大きさでほぼ決まる。ここで、第２被測定ガス導入孔１４を第１被測定ガス導入孔１２より大きく（ガス拡散量を多く）するほど希釈率（中間空室１３内の被測定ガスの希釈率）Ｋが増大し、また、希釈ガス流入孔１５を第２被測定ガス導入孔１４より大きく（ガス拡散量を多く）するほど希釈率Ｋが増大する関係にある。なお、これらの関係は用途に応じて設定すればよい（所望の希釈率となるように、第１被測定ガス導入孔１２、第２被測定ガス導入孔１４及び希釈ガス流入孔１５を設定すればよい）。また、希釈率Ｋについては、既知の検量ガスを用いて予め求めておくこともできる。

以上より、上記（２）式から希釈された中間空室１３内の被測定ガスの水素濃度Ｃ１′が求まり、上記（３）式から被測定ガス１の水素濃度Ｃ１が算出される。すなわち、中間空室１３内の被測定ガスを希釈した分だけ、上記（２）式が成立する被測定ガス１中の水素濃度Ｃ１が高濃度側に拡大されることとなり、実質的に水素濃度の測定可能範囲が（高濃度側に）広がるのである。

図２は、被測定ガス１の水素濃度（％）とセンサ出力（ポンピング電流Ｉｐ１）との関係を示したものである。希釈しないとき（すなわち、被測定ガス１そのまま）の水素濃度とセンサ出力との関係をＳ１線で、所定の希釈率で希釈したときの水素濃度とセンサ出力との関係をＳ２線で表す。Ｓ０線はセンサ出力限界である。この図からも明らかなように、被測定ガスを希釈することで、より高濃度領域までセンサ出力がＳ０線（出力限界）内にあることが分かる。

この実施形態によると、被測定ガスを所定の希釈率で希釈し、この希釈した被測定ガスの水素濃度を検出し、該検出値と希釈率とから被測定ガスの水素濃度を算出するようにしたので、被測定ガスの水素濃度測定（検出）範囲を実質的に高濃度側へと拡大できる。これにより、より高濃度域での水素濃度を精度よく測定（検出）でき、例えば、純水素型燃料電池システムへの適用が可能となる
また、被測定ガスを検出器内に導入し、プロトン伝導性固体電解質を用いて、導入した被測定ガスの水素を外部に汲み出すことで希釈ガスを生成し、この希釈ガスによって被測定ガスを希釈するようにしており、検出器自身が被測定ガスを希釈する被測定ガス希釈手段を内蔵しているので、外部から希釈ガスを導入する必要がなく、検出器全体の構成がシンプルで小型・軽量化が図れると共に、応答性を損なうこともない。

また、第２律速手段としての第２被測定ガス導入孔１４は、第１律速手段としての第１被測定ガス導入孔１２（及び検出対象導入孔１３ａ）より大きく設定されており、第１律速手段よりもガス拡散量が多いので、例えば、燃料電池システムの水素循環路など被測定ガス中に存在する第３成分（Ｎ₂等）が微量のときでも、この第３成分（Ｎ₂）の濃度を増大させて希釈ガスを生成し、（中間空室１３）に供給することができ、常に、被測定ガスの水素濃度を検出できる（検出器として動作する）。

また、生成した希釈ガスは、希釈ガス流入孔１５を介して、第１律速手段としての第１被測定ガス導入孔１２と検出対象ガス導入孔１３ａの間に位置する中間空室１３に供給される（すなわち、第１拡散律速手段の途中に導かれる）ので、この中間空室１３内の被測定ガスを希釈できればよく、比較的微量の希釈ガスによって、水素濃度測定（検出）範囲を高濃度側に拡大することができ、低濃度域から高濃度域まで連続的に水素濃度測定が可能となる。

ところで、被測定ガスの水素濃度にかかわらず、常に被測定ガスを希釈して水素濃度測定（検出）を行うことにすると、低濃度域における検出感度が損なわれることになる。そこで、被測定ガスを希釈するか否かを切換え制御することが考えられる。すなわち、上記実施形態において、被測定ガス希釈手段を、低濃度側（０〜Ｘ点）は希釈しない、高濃度側（Ｙ点〜Ｚ点）は希釈するというように、Ｘ、Ｙ点で被測定ガス希釈手段の駆動（ＯＮ／ＯＦＦ）を切換え制御する（図２参照）。

これにより、低濃度域の検出感度を損なうことなく、高濃度領域まで検出可能範囲を拡大できるのである。特に、希釈ガス生成手段を水素濃度検出手段の近傍に形成していること、また、希釈のＯＮ／ＯＦＦは電気化学によるスイッチングであるため瞬時に切換えられることから、切換え時の応答遅れの問題等も無い。
このように、被測定ガス希釈手段を、水素濃度検出手段の検出値に応じてＯＮ／ＯＦＦすることにより、希釈無しでも測定可能な範囲は、希釈をＯＦＦすることで、高い検出感度で測定できることから、特に低濃度領域での精度を悪化させること無く、全域にわたって検出精度を高精度にできる。

図３は、本発明に係る水素濃度検出器の第２実施形態を示している。なお、上記第１実施形態と同一部分については同一符号を付けて説明を省略する。
図３に示すように、第２実施形態に係るセンサ素子１００Ｂは、第１実施形態（図１参照）に対して、検出対象ガス導入孔１３ａを第１被測定ガス導入孔１２より十分大きく設定している点が相違する。但し、第１被測定ガス導入孔１２及び希釈ガス流入孔１５は、第１実施形態に対して十分小さく設定されており、水素濃度測定（検出）のための所定の拡散抵抗を有する。

従って、かかる第２実施形態においては、中間空室１３内の被測定ガスを希釈する作用は同じであるが、第１実施形態では、被測定ガス１中の水素濃度Ｃ１が中間空室１３内の水素濃度とみなせるのに対して、本実施形態では、第１空室２３ａ内の水素濃度Ｃ２が中間空室１３内の水素濃度と見なせることになる。
すなわち、検出対象ガス導入孔１３ａを大きく開放することにより、濃度的には、ほぼ中間空室１３＝第１空室２３ａ＝通路２３ｃ＝第３空室２３ｃとなり、第１空室２３ａ内の水素濃度がＣ２′に希釈される（Ｃ２→Ｃ２′）。ここで、このときのポンピング電流Ｉｐ１と水素濃度との関係は次式（４）のように表すことができる。

Ｉｐ１＝（ｎＦ／ＲＴ）ＤＰＡ（Ｃ１−Ｃ２′）／Ｌ …（４）
すなわち、上記（１）式におけるＣ２がＣ２′に置換されるものである。このＣ２′は、第１実施形態と同様、第１空室２３ａ（＝第３空室２３ｃ）内の水素濃度Ｃ２′がほぼ０（水素分圧＝１０^-10ａｔｍ程度）となるようにポンピング電流Ｉｐ１が制御されることになるが、希釈ガス量分だけポンピング電流Ｉｐ１が減じたところで制御が平衡する。従って、第１空室２３ａ内の水素濃度が希釈された分だけ、上記（４）式が成立する被測定ガス１中の水素濃度Ｃ１が高濃度側に拡大され、第１実施形態と同様に、水素濃度の測定可能範囲が（高濃度側に）広がるのである（図２参照）。

この実施形態によると、上記第１実施形態と同様、被測定ガスの水素濃度測定範囲を高濃度側に拡大できる共に、被測定ガス導入孔１２及び希釈ガス流入孔１５が第１実施形態に対して十分小さく設定されているので、中間空室１３内の被測定ガス（水素濃度）を希釈するための希釈ガスの量が極めて少なくて済み、第２電解質体３１、第５電極３２ａ、第６電極３２ｂ等の希釈ガスを生成するための構成（希釈ガス生成手段）をより小さくできる（検出器全体のさらなる小型化・軽量化を図ることができる）。

図４は、本発明に係る水素濃度検出器の第３実施形態を示している。なお、上記第２実施形態と同一部分については同一符号を付けて説明を省略する。
図４に示すように、第３実施形態に係るセンサ素子１００Ｃは、第２実施形態に係るセンサ素子１００Ａ、Ｂが水素濃度検出手段と被測定ガス希釈手段とを２段構造としたのに対し、１段構造とし、１つのプロトン伝導性固体電解質体２１上に第１〜第６までのすべての電極を形成している点が相違する。

すなわち、希釈ガス流入孔１５は、第３空室２３ｃと第５空室３３ａとを連通する通路としての機能を有し、この希釈ガス流入孔１５′を介して生成された希釈ガスが第３空室２３ｃ内（すなわち、水素濃度検出部）に流入し、第３空室２３ｃ（＝第１空室２３ａ）内の水素濃度がＣ２′に希釈される（Ｃ２→Ｃ２′）。その他の作用効果は第２実施形態と同じである。

この実施形態によると、第２実施形態に対して、プロトン伝導性固体電解質体が１つで済むので、第２実施形態と同様の効果を得ながら、製造コストを格段に低減できる。
また、生成した希釈ガスは、希釈ガス流入孔１５′を介して第３空室２３ｃ（＝第１空室２３ａ）内に直接導かれるので、ある程度の低濃度域まで検出感度を低下させることがない。

次に、上述した水素濃度検出器を燃料電池システムに適用した例を説明する。
図５は、燃料電池システム２００の水素極ラインに、上述した水素濃度検出器１０１及び／又は１０２を装着した例である。
図５において、水素濃度検出器１０１は、燃料電池本体２３０の燃料極２３２の入口側ライン２１１に装着されている。これにより、燃料電池の運転時、高濃度水素状態である入口の水素濃度をリアルタイムに検出でき、燃料（水素）供給制御装置２１０に水素濃度状態を常時フィードバックすることで、燃料供給制御の精度向上を図ることができる。

一方、もう一つの水素濃度検出器１０２は、燃料電池本体２３０の燃料極２３２の出口側ライン２１２に装着されている。これにより、入口側と同様に、出口の水素濃度をリアルタイムに検出でき、循環水素系（ライン２１２、２１３、循環器２１４）の途中から外部にパージできるように配置されたパージ制御装置２１５によるパージ制御に、水素濃度状態を常時フィードバックすることで、効率的なパージの実現が促進される。

さらには、上記入口側水素濃度検出器１０１、出口側水素濃度検出器１０２の両方と、燃料電池本体２３０が発電した発電量（電気負荷２４０に流れる電流値）とを用いれば、ガス濃度情報からガス流量を求めることもできる。なお、ガス流量を求める方法としては、例えば、本願出願人が先に出願した特願２００２−２４２３１６号、特願２００３−３７０１４号で提案しているものがある。

この方法で求められるガス流量は、水素のみの質量流量とすることが可能であり、燃料電池システム制御においては、水素質量流量は極めて重要なパラメータの１つであることから、本発明の水素濃度検出器を用いることで、燃料電池システムの効率向上が期待できる。なお、図５において、２２０は空気供給制御器、２３３は空気極である。
この実施形態によると、水素濃度検出器を燃料電池システム、特に、その燃料供給制御及び／又は水素パージ制御に用いるので、次ような効果が得られる。

すなわち、燃料供給制御においては、燃料電池本体入口での水素濃度がリアルタイムに検出できることから、水素濃度検出器の検出値（検出濃度）と予め設定していた目標濃度との比較が瞬時にでき、その比較結果を燃料供給制御にフィードバックが可能となるので、燃料供給制御の性能向上が図れる。
また、水素パージ制御においては、燃料電池本体出口での水素濃度がリアルタイムに検出できる。このため、常時、水素濃度検出器の検出値（検出水素濃度）と水素パージ制御の目標濃度とを比較することで、前述同様に、フィードバックが可能となり、水素パージ制御の性能向上が図れる。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。 水素濃度と水素濃度検出器（センサ）出力との関係を示した図である。 本発明の第２実施形態を示す構成図である。 本発明の第３実施形態を示す構成図である。 本発明に係る水素濃度検出器を燃料電池システムに装着した例を示した図である。

符号の説明

１…被測定ガス、１２…第１被測定ガス導入孔、１３…中間空室、１３ａ…検出対象ガス導入孔、１４…第２被測定ガス導入孔、１５…希釈ガス導入孔、２１，３１…プロトン伝導性固体電解質体、２２ａ〜ｄ…第１電極〜第４電極、３２ａ，ｂ…第５，６電極、４０…第１の水素ポンピング回路、５０…水素センシング回路、６０…第２の水素ポンピング回路、１００Ａ〜Ｃ，１０１，１０２…水素濃度検出器（センサ素子）

Claims (8)

1. 被測定ガスを希釈する被測定ガス希釈手段と、
   前記被測定ガス希釈手段によって希釈された被測定ガス中の水素濃度を検出する、プロトン伝導性固体電解質型の水素濃度検出手段と、を備え、
   前記被測定ガス希釈手段による希釈度合と前記水素濃度検出手段の検出値とから前記被測定ガスの水素濃度を算出することを特徴とする水素濃度検出器。
2. 前記被測定ガス希釈手段は、前記被測定ガス中の水素を汲み出すことで該被測定ガスから希釈ガスを生成する、プロトン伝導性固体電解質を用いた希釈ガス生成手段を有し、
   前記希釈ガス生成手段の生成した希釈ガスによって前記被測定ガスを希釈することを特徴とする請求項１記載の水素濃度検出器。
3. 前記水素濃度検出手段は、前記被測定ガスを制限して拡散流入させる第１拡散律速手段を有し、
   前記被測定ガス希釈手段は、前記被測定ガスを制限して前記希釈ガス生成手段に拡散流入させる第２拡散律速手段を有し、
   前記第２拡散律速手段が、前記第１拡散律速手段よりもガス拡散量が多いことを特徴とする請求項２記載の水素濃度検出器。
4. 前記被測定ガス希釈手段は、生成した希釈ガスを前記水素濃度検出手段に導くことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の水素濃度検出器
5. 前記被測定ガス希釈手段は、生成した希釈ガスを前記第１拡散律速手段の途中に導くことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の水素濃度検出器。
6. 前記水素濃度検出手段は、希釈されていない被測定ガスの水素濃度を検出可能に構成され、
   前記被測定ガス希釈手段は、前記水素濃度検出手段が前記希釈されていない被測定ガスの水素濃度を検出した際の検出値に応じて、希釈を行う場合と行わない場合とを切り換えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の水素濃度検出器。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の水素濃度検出器を燃料電池本体の燃料極の入口側又は出口側の少なくとも一方に備えたことを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記水素濃度検出器の検出値に基づいて、燃料供給制御又は水素パージ制御の少なくとも一方を行うことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。

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