JP2016050878A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】限界電流式ガスセンサを使用して被検ガスとしての排気中に含まれる硫黄酸化物の濃度をできるだけ精度良く取得することができるガス濃度検出装置を提供する。
【解決手段】酸素ポンピング作用を有する電気化学セルを備える限界電流式ガスセンサにおいて、硫黄酸化物（ＳＯｘ）を分解可能な材料によって当該電気化学セルが備える一対の電極の一方（陰極）を構成する。水（Ｈ_２Ｏ）の分解が開始する電圧以上の電圧を当該一対の電極間に印加して被検ガス中に含まれる水を分解させる。このときに当該一対の電極の間に流れる電流に対応する検出値を検出する。この検出値に基づいて被検ガス中の硫黄酸化物の濃度を精度良く取得する。当該電気化学セルの上流に更なる電気化学セルを設けて被検ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を予め分解させることにより、硫黄酸化物の濃度の検出精度を更に高める。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）の濃度をより正確に取得することができるガス濃度検出装置に関する。

従来から、内燃機関を制御するために、排気中に含まれる酸素（Ｏ_２）の濃度に基づいて燃焼室内の混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を取得する空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）が広く使用されている。このような空燃比センサの１つのタイプとして、限界電流式ガスセンサを挙げることができる。

上記のような空燃比センサとして使用される限界電流式ガスセンサは、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質体と、固体電解質体の表面に固着された一対の電極と、を含む電気化学セルであるポンピングセルを備える。一対の電極の一方は、拡散抵抗部を介して導入される被検ガスとしての内燃機関の排気に曝され、他方は大気に曝されている。上記一方の電極を陰極とし、上記他方の電極を陽極として、これらの一対の電極の間に酸素の分解が始まる電圧（分解開始電圧）以上の電圧を印加すると、被検ガス中に含まれる酸素が還元分解されて酸化物イオン（Ｏ^２−）となる。この酸化物イオンは上記固体電解質体を介して陽極へと伝導されて酸素となり、大気中へと排出される。このような陰極側から陽極側への固体電解質体を介する酸化物イオンの伝導による酸素の移動は「酸素ポンピング作用」と称される。

上記酸素ポンピング作用に伴う酸化物イオンの伝導により、上記一対の電極の間に電流が流れる。このように一対の電極間に流れる電流は「電極電流」と称される。この電極電流は一対の電極間に印加される電圧（以降、単に「印加電圧」と称される場合がある。）が上昇するほど大きくなる傾向を有する。しかしながら、上記一方の電極（陰極）に到達する被検ガスの流量が拡散抵抗部によって制限されるので、やがて酸素ポンピング作用に伴う酸素の消費速度が陰極への酸素の供給速度を超えるようになる。即ち、陰極における酸素の還元分解反応が拡散律速状態となる。

上記拡散律速状態においては、印加電圧を上昇させても電極電流が増大せず、略一定となる。このような特性は「限界電流特性」と称され、限界電流特性が発現する（観測される）印加電圧の範囲は「限界電流域」と称される。更に、限界電流域における電極電流は「限界電流」と称され、限界電流の大きさ（限界電流値）は陰極への酸素の供給速度に対応する。上記のように陰極に到達する被検ガスの流量が拡散抵抗部によって一定に維持されているので、陰極への酸素の供給速度は被検ガス中に含まれる酸素の濃度に対応する。

従って、空燃比センサとして使用される限界電流式ガスセンサにおいて「限界電流域内の所定の電圧」に印加電圧を設定したときの電極電流（限界電流）は被検ガス中に含まれる酸素の濃度に対応する。このように酸素の限界電流特性を利用して、空燃比センサは被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出し、それに基づいて燃焼室内の混合気の空燃比を取得することができる。

尚、上記のような限界電流特性は酸素ガスのみに限定される特性ではない。具体的には、分子中に酸素原子を含むガス（以降、「含酸素ガス」と称される場合がある。）の中には、印加電圧及び陰極の構成を適切に選択することにより限界電流特性を発現させることができるものがある。このような含酸素ガスの例としては、例えば、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）等を挙げることができる。

ところで、内燃機関の燃料（例えば、軽油及びガソリン等）には微量の硫黄（Ｓ）成分が含まれる。特に、粗悪燃料とも称される燃料は、比較的高い含有率にて硫黄成分を含有している場合がある。燃料中の硫黄成分の含有率（以降、単に「硫黄含有率」と称される場合がある。）が高いと、内燃機関の構成部材の劣化及び／又は故障、排気浄化触媒の被毒、排気における白煙の発生等の問題が発生する虞が高まる。そのため、燃料中の硫黄成分の含有率を取得し、取得された硫黄含有率を、例えば、内燃機関の制御に反映させたり、内燃機関の故障に関する警告を発したり、排気浄化触媒の自己故障診断（ＯＢＤ）の改善に役立てたりすることが望まれる。

内燃機関の燃料が硫黄成分を含有していると、燃焼室から排出される排気中に硫黄酸化物が含まれる。更に、燃料中の硫黄成分の含有率（硫黄含有率）が高くなるほど、排気中に含まれる硫黄酸化物の濃度（以降、単に「ＳＯｘ濃度」と称される場合がある。）も高くなる。従って、排気中のＳＯｘ濃度を正確に取得することができれば、取得されたＳＯｘ濃度に基づいて硫黄含有率を正確に取得することができると考えられる。

そこで、当該技術分野においては、上述した酸素ポンピング作用を利用する限界電流式ガスセンサによって内燃機関の排気中に含まれる硫黄酸化物の濃度を取得する試みがなされている。具体的には、被検ガスとしての内燃機関の排気が拡散抵抗部を介して導かれる内部空間に陰極が面するように直列に配置された２つのポンピングセルを備える限界電流式ガスセンサ（２セル式の限界電流式ガスセンサ）が使用される。

このセンサにおいては、上流側のポンピングセルの電極間に相対的に低い電圧を印加することにより、上流側のポンピングセルの酸素ポンピング作用によって被検ガス中に含まれる酸素を除去する。更に、下流側のポンピングセルの電極間に相対的に高い電圧を印加することにより、下流側のポンピングセルによって被検ガス中に含まれる硫黄酸化物を陰極において還元分解させ、その結果として生ずる酸化物イオンを陽極へと伝導する。この酸素ポンピング作用に起因する電極電流値の変化に基づいて、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度が取得される（例えば、特許文献１を参照。）。

特開平１１−１９０７２１号公報

上述したように、当該技術分野においては、酸素ポンピング作用を利用する限界電流式ガスセンサによって、内燃機関の排気中に含まれる硫黄酸化物の濃度を取得する試みがなされている。しかしながら、排気中に含まれる硫黄酸化物の濃度は極めて低く、硫黄酸化物の分解に起因する電流（分解電流）も極めて小さい。更に、硫黄酸化物以外の含酸素ガス（例えば、水及び二酸化炭素等）に起因する分解電流も電極間に流れ得る。そのため、硫黄酸化物に起因する分解電流のみを精度良く区別して検出することは困難である。

そこで、本発明は、限界電流式ガスセンサを使用して被検ガスとしての排気中に含まれる硫黄酸化物の濃度をできるだけ精度良く取得することができるガス濃度検出装置を提供することを１つの目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を続けてきた。その結果、酸素ポンピング作用を有する電気化学セル（ポンピングセル）において所定の印加電圧にて水及び硫黄酸化物を分解させるときの電極電流が被検ガスとしての内燃機関の排気中の硫黄酸化物の濃度に応じて変化することを見出した。

より具体的には、２セル式の限界電流式ガスセンサにおいて、上流側のポンピングセルの電極間に相対的に低い電圧を印加することにより、上流側のポンピングセルの酸素ポンピング作用によって被検ガス中に含まれる酸素を除去する。更に、下流側のポンピングセルの電極間に相対的に高い電圧を印加することにより、下流側のポンピングセルによって被検ガス中に含まれる水及び硫黄酸化物を分解させる。このときの下流側のポンピングセルの電極電流は、水に起因する分解電流及び硫黄酸化物に起因する分解電流を含む。

一般に、内燃機関の排気における水の濃度は硫黄酸化物の濃度よりも高いので、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物のみに起因する分解電流よりも上記電極電流は大きく、容易に且つ精度良く検出することができる。本発明者は、この電極電流の大きさが被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度に応じて変化することを見出したのである。しかも、上記構成によれば、上流側のポンピングセルによって被検ガス中に含まれる酸素は除去されているので、下流側のポンピングセルの電極電流は、酸素に起因する分解電流は含まない。従って、本発明者は、この電極電流に対応する検出値を取得し、この検出値に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く取得することができるとの考えに到った。

ところが、内燃機関の排気中には、窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれる場合があり、その濃度（以降、単に「ＮＯｘ濃度」と称される場合がある。）は、内燃機関の燃焼室において燃焼される混合気の空燃比及び燃焼状態によって変化する。この窒素酸化物もまた、下流側のポンピングセルによって分解され、窒素酸化物に起因する分解電流を生ずる。従って、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く取得するためには、上流側のポンピングセルによって被検ガス中に含まれる窒素酸化物を除去することが望ましい。

上記のような点に鑑み、本発明に係るガス濃度検出装置（以降、「本発明装置」と称される場合がある。）は、酸素ポンピング作用を有する２つの電気化学セルを備える２セル式の限界電流式ガスセンサと同様の構成を有する。即ち、本発明装置は、上流側のポンピングセル（第２電気化学セル）及び下流側のポンピングセル（第１電気化学セル）を備える素子部と、第１電圧印加部と、第２電圧印加部と、第１取得部と、を有する。

具体的には、素子部は、第１電気化学セルと、第２電気化学セルと、緻密体と、拡散抵抗部と、を備える。第１電気化学セルは、酸化物イオン伝導性を有する第１固体電解質体と同第１固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第１電極及び第２電極とを含む。第２電気化学セルは、酸化物イオン伝導性を有する第２固体電解質体と同第２固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第３電極及び第４電極とを含む。尚、第１固体電解質体と第２固体電解質体とは別個の固体電解質体（例えば、薄板体）であってもよい。或いは、第１電気化学セルと第２電気化学セルとが１つの固体電解質体（例えば、薄板体）を共有していてもよい。

更に、素子部は、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体と前記緻密体と前記拡散抵抗部とにより画定される内部空間に前記拡散抵抗部を介して被検ガスとしての内燃機関の排気が導入されるように構成される。加えて、素子部は、前記第１電極及び前記第３電極が前記内部空間に露呈し、前記第２電極が前記内部空間とは異なる空間である第１別空間に露呈し、且つ前記第４電極が前記内部空間とは異なる空間である第２別空間に露呈するように構成される。この内部空間において、前記第３電極は前記第１電極よりも上流側（前記拡散抵抗部に近い側）の位置に形成される。即ち、第２電気化学セルは第１電気化学セルよりも上流側に形成される。

第１電圧印加部は、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する。第２電圧印加部は、前記第３電極と前記第４電極との間に電圧を印加する。第１取得部は、前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流に対応する第１検出値を取得する。第１及び第２電圧印加部は、例えば電源（例えば、バッテリ等）から供給される電力を制御して所定の電圧をそれぞれ第１電極と第２電極との間及び第３電極と第４電極との間に印加する内燃機関の電子制御装置（ＥＣＵ）であってもよい。更に、第１取得部は、例えば第１電極と第２電極との間に流れる電流に対応する第１検出値（例えば、電流値、電圧値及び抵抗値等）を検出する検出手段（例えば、センサ等）から送出される信号を受け取るＥＣＵであってもよい。

本発明装置において、前記第１電極は、前記第１電極と前記第２電極との間に第１所定電圧以上の電圧を印加したときに前記被検ガス中に含まれる水（Ｈ_２Ｏ）及び硫黄酸化物（ＳＯｘ）を分解させることが可能となるように構成される。このように所定の印加電圧において水及び硫黄酸化物を分解させることが可能な第１電極は、例えば電極材料を構成する物質の種類及び電極を作製する際の熱処理の条件等を適宜選択することによって作製することができる。

前記第３電極は、前記第３電極と前記第４電極との間に第２所定電圧以上の電圧を印加したときに前記被検ガス中に含まれる酸素（Ｏ_２）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を分解させることが可能となるように構成される。このように所定の印加電圧において酸素及び窒素酸化物を分解させることが可能な第３電極は、例えば電極材料を構成する物質の種類及び電極を作製する際の熱処理の条件等を適宜選択することによって作製することができる。

そして、前記第２電圧印加部は、前記第２所定電圧以上の電圧であって、前記第３電極において窒素酸化物の限界電流特性が発現する電圧帯の下限以上であり且つ硫黄酸化物の分解が開始する電圧未満である所定の第１除去用電圧を前記第３電極と前記第４電極との間に印加するように構成される。従って、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されると、被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物の限界電流特性が発現し、被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物が内部空間から排出される。一方、被検ガス中に含まれる水及び硫黄酸化物は、第１除去用電圧が印加された第３電極においては分解されない。

そして、前記第１電圧印加部は、前記第１所定電圧以上の電圧であって、前記第１電極において水の分解が開始する電圧以上の所定の測定用電圧を前記第１電極と前記第２電極との間に印加するように構成される。「水の分解が開始する電圧」は「硫黄酸化物の分解が開始する電圧」よりも高いので、前記第１電極と前記第２電極との間に前記除去用電圧が印加されると、被検ガス中に含まれる水及び硫黄酸化物の分解に起因する電極電流が、これらの電極間に流れる。この電極電流の大きさは、上述したように、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度に応じて変化する。

そこで、前記第１取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されており且つ前記第１電極と前記第２電極との間に前記測定用電圧が印加されている場合に取得される前記第１検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出するように構成される。上述したように、第１除去用電圧は、第２所定電圧以上の電圧であって、第３電極において窒素酸化物の限界電流特性が発現する電圧帯の下限以上であり且つ硫黄酸化物の分解が開始する電圧未満である所定の電圧である。従って、第３電極と第４電極との間に第１除去用電圧が印加されている場合、酸素及び窒素酸化物の限界電流特性が発現し、第２電気化学セルの酸素ポンピング作用により、被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物が除去される。

一方、測定用電圧は、第１所定電圧以上の電圧であって、第１電極において水の分解が開始する電圧以上の所定の電圧である。従って、第１電極と第２電極との間に測定用電圧が印加されている場合、第１電気化学セルにより、被検ガス中に含まれる水及び硫黄酸化物が分解され、これらの成分に起因する分解電流が電極電流として流れる。しかも、本発明装置によれば、第１電気化学セルの上流側にある第２電気化学セルによって被検ガス中に含まれる酸素のみならず窒素酸化物までもが被検ガスから除去される。従って、この電極電流の大きさは、内部空間に導入されたときに被検ガス中に含まれていた酸素及び窒素酸化物による影響を受けること無く、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度に応じて変化する。

即ち、第１取得部は、第１検出値に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く取得することができる。より具体的には、第１取得部は、例えば、予め取得された被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度（ＳＯｘ濃度）と第１検出値との対応関係に基づいて、取得された第１検出値に対応するＳＯｘ濃度を特定することができる。このようにして、本発明装置によれば、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を極めて高い精度にて検出することができる。

この場合、例えば、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されており且つ前記第１電極と前記第２電極との間に前記測定用電圧が印加されている場合に取得される第１検出値（例えば、電極電流の大きさ）と被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度との対応関係を予め事前実験等によって求めておく。この対応関係を表すデータテーブル（例えば、データマップ等）を、例えばＥＣＵが備えるデータ記憶装置（例えば、ＲＯＭ等）に格納しておき、上記検出時にＣＰＵに参照させるようにすることができる。これにより、上記第１検出値から被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を特定することができる。

尚、内燃機関から排出される排気中に含まれる水の濃度は、例えば、当該内燃機関の燃焼室において燃焼された混合気の空燃比等に応じて変化する。被検ガスとしての内燃機関の排気中に含まれる水の濃度が変化すると、第１検出値に基づいて検出される硫黄酸化物の濃度の精度が低下する虞がある。従って、第１検出値に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出するためには、例えば内燃機関の定常運転時等、内燃機関の燃焼室において燃焼される混合気の空燃比が所定の値に維持されているときに第１検出値を検出することが望ましい。

ところで、上記のように第１電極と第２電極との間に測定用電圧が印加されている場合に取得される第１検出値が被検ガス中の硫黄酸化物の濃度に応じて変化するメカニズムの詳細については不明である。しかしながら、上記のように第１電極と第２電極との間に測定用電圧が印加されているとき、被検ガスに含まれる水のみならず、被検ガスに含まれる硫黄酸化物もまた分解される。その結果、硫黄酸化物の分解生成物（例えば、硫黄（Ｓ）及び硫黄化合物等）が陰極である第１電極に吸着して、水の分解に寄与することができる第１電極の面積が減少すると考えられる。このため、第１電極と第２電極との間に第１所定電圧が印加されているときの電極電流に対応する第１検出値が被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度に応じて変化すると考えられる。

上記メカニズムによれば、第１電極と第２電極との間に測定用電圧が印加されている期間が長いほど、より多くの硫黄酸化物の分解生成物が第１電極に吸着し、第１検出値に対応する電極電流の低下幅が大きくなる。即ち、第１電極と第２電極との間に測定用電圧が印加されている期間の長さに応じて、第１検出値に対応する電極電流の低下幅が変化する。従って、第１検出値に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出するためには、第１電極と第２電極との間に測定用電圧が予め定められた所定期間に亘って印加された時点において第１検出値を検出することが望ましい。更に、上述したＳＯｘ濃度と第１検出値との対応関係もまた、第１電極と第２電極との間に測定用電圧が予め定められた所定期間に亘って印加された時点における第１検出値を用いて取得することが望ましい。

加えて、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度の検出に使用した本発明装置を再度使用して被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を新たに検出しようとする場合は、当該本発明装置の第１電極に吸着した分解生成物を除去することが必要である。第１電極に吸着した分解生成物を除去する方法は特に限定されないが、例えば、当該分解生成物を再酸化させて再び硫黄酸化物とする方法が挙げられる。このような再酸化は、例えば、（硫黄酸化物を還元分解させるときとは逆に）第１電極を陽極とし、第２電極を陰極として、当該分解生成物を再酸化することができる所定の電圧を第１電極と第２電極との間に印加することによって行うことができる。

ところで、上述したように、本発明装置は、第３電極と第４電極との間に第１除去用電圧が印加されており且つ第１電極と第２電極との間に測定用電圧が印加されているときに第１電極と第２電極との間に流れる電極電流に対応する第１検出値に基づいて、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出する。この第１検出値は、上記電極電流に対応する何らかの信号の値（例えば、電圧値、電流値、抵抗値等）である限り、特に限定されない。典型的には、前記第１検出値は、前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流の大きさである。換言すれば、前記第１取得部は、前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流の大きさを前記第１検出値として取得するように構成され得る。

更に、上述したように、第１電極と第２電極との間に測定用電圧が印加されている場合に第１電極と第２電極との間に流れる電極電流の大きさは、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度に応じて変化する。具体的には後述するように、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度が高いほど上記電極電流が小さい。従って、上記のように第１電極と第２電極との間に流れる電流の大きさを第１検出値とする場合、前記第１取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されており且つ前記第１電極と前記第２電極との間に前記測定用電圧が印加されている場合に取得される前記第１検出値が小さいほど、前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）の濃度をより大きい値として検出するように構成され得る。

ところで、上述したように、第２電気化学セルの第３電極と第４電極との間に第１除去用電圧が印加されている場合、酸素の限界電流特性が発現する。本明細書の冒頭において述べたように、限界電流の大きさは被検ガス中に含まれる酸素の濃度に応じて変化するので、酸素の限界電流特性を利用して被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出することができる。

そこで、本発明装置は、前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流に対応する第２検出値を取得する第２取得部を更に有し得る。この場合、前記第２取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第２検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出するように構成され得る。

上記の場合、１つの本発明装置によって、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出すると共に、被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出することができる。更に、このようにして取得される酸素濃度に基づいて、内燃機関の燃焼室において燃焼された混合気の空燃比を取得するようにしてもよい。従って、これによれば、例えば、内燃機関の制御システムの低コスト化及び／又は小型化を図ることができる。

尚、上記のように、被検ガス中に含まれる酸素の濃度は、第３電極と第４電極との間に第１除去用電圧が印加されているときに第３電極と第４電極との間に流れる電流に対応する第２検出値に基づいて検出される。第１除去用電圧は、第２所定電圧以上の電圧であって、第３電極において窒素酸化物の限界電流特性が発現する電圧帯の下限以上であり且つ硫黄酸化物の分解が開始する電圧未満である所定の電圧である。更に、第３電極は、第３電極と第４電極との間に上記第１除去用電圧を印加したときに被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物を分解させることが可能となるように構成される。従って、第２検出値に対応する電極電流には、酸素の限界電流のみならず窒素酸化物の限界電流も含まれる。

即ち、厳密には、上記のようにして検出される酸素の濃度には、酸素の濃度に加えて、窒素酸化物の濃度も含まれる。しかしながら、被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度は酸素の濃度と比較して十分に低い。従って、上記のようにして検出される酸素の濃度を酸素のみの濃度とみなしても、一般的な用途（例えば、混合気の空燃比の算出等）においては、実質的な問題は無い。

ところで、上記において、第２検出値は、上記電極電流に対応する何らかの信号の値（例えば、電圧値、電流値、抵抗値等）である限り、特に限定されない。典型的には、前記第２検出値は、前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流の大きさである。換言すれば、前記第２取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流の大きさを前記第２検出値として取得するように構成され得る。

更に、第３電極と第４電極との間に第１除去用電圧が印加されている場合にこれらの電極の間に流れる電極電流は被検ガス中に含まれる酸素（及び窒素酸化物）の限界電流であり、本明細書の冒頭において述べたように、この限界電流の大きさは被検ガス中に含まれる酸素の濃度に応じて変化する。具体的には、被検ガス中に含まれる酸素の濃度が高いほど上記限界電流が大きい。従って、上記のように第３電極と第４電極との間に流れる電流の大きさを第２検出値とする場合、前記第２取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第２検出値が大きいほど、前記被検ガス中に含まれる酸素の濃度をより大きい値として検出するように構成され得る。

ところで、これまで説明してきた本発明装置においては、上流側のポンピングセル（第２電気化学セル）によって被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物の両方を除去していた。しかしながら、本発明装置は、被検ガス中に含まれる酸素と窒素酸化物とをそれぞれ別個のポンピングセルによって除去するように構成され得る。

この場合、前記素子部は、酸化物イオン伝導性を有する第３固体電解質体と同第３固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第５電極及び第６電極とを含む第３電気化学セルを更に備える。尚、第３固体電解質体は、第１固体電解質体及び第２固体電解質体とは別個の固体電解質体（例えば、薄板体）であってもよい。或いは、第３電気化学セルは、第１電気化学セル及び第２電気化学セルの何れか又は両方と固体電解質体（例えば、薄板体）を共有していてもよい。

更に、前記素子部は、前記第３電極よりも前記拡散抵抗部に近い位置において前記第５電極が前記内部空間に露呈し、且つ前記第６電極が前記内部空間とは異なる空間である第３別空間に露呈するように構成される。即ち、この内部空間において、前記第５電極は前記第３電極よりも上流側（前記拡散抵抗部に近い側）の位置に形成される。換言すれば、第３電気化学セルは第２電気化学セルよりも上流側に形成される。

上記の場合、本発明装置は、前記第５電極と前記第６電極との間に電圧を印加する第３電圧印加部を更に有する。第３電圧印加部は、例えば電源（例えば、バッテリ等）から供給される電力を制御して所定の電圧をそれぞれ第５電極と第６電極との間に印加する内燃機関のＥＣＵであってもよい。

前記第５電極は、前記第５電極と前記第６電極との間に第３所定電圧以上の電圧を印加したときに前記被検ガス中に含まれる窒素酸化物を分解させること無く酸素を分解させることが可能となるように構成される。このように所定の印加電圧において窒素酸化物を分解させること無く酸素を分解させることが可能な第５電極は、例えば電極材料を構成する物質の種類及び電極を作製する際の熱処理の条件等を適宜選択することによって作製することができる。

そして、前記第３電圧印加部は、前記第３所定電圧以上の電圧であって、前記第５電極において酸素の限界電流特性が発現する電圧帯の下限以上であり且つ硫黄酸化物の分解が開始する電圧未満である所定の第２除去用電圧を前記第５電極と前記第６電極との間に印加するように構成される。

更に、前記第１取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第２除去用電圧が印加されており且つ前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されており且つ前記第１電極と前記第２電極との間に前記測定用電圧が印加されている場合に取得される前記第１検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出するように構成される。

第５電極と第６電極との間に第２除去用電圧が印加されると、被検ガス中に含まれる酸素の限界電流特性が発現し、第３電気化学セルの酸素ポンピング作用により、被検ガス中に含まれる酸素が内部空間から排出される。第３電極と第４電極との間に第１除去用電圧が印加されると、被検ガス中に含まれる窒素酸化物の限界電流特性が発現し、第２電気化学セルの酸素ポンピング作用により、被検ガス中に含まれる窒素酸化物が内部空間から排出される。その結果、最も下流側に配設された第１電気化学セルの第１電極に到達する被検ガスには酸素及び窒素酸化物が実質的に含まれない。従って、第１取得部によって取得される第１検出値は、内部空間に導入されたときに被検ガス中に含まれていた酸素及び窒素酸化物による影響を受けること無く、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度に応じて変化する。

即ち、第１取得部は、第１検出値に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く取得することができる。より具体的には、第１取得部は、例えば、予め取得された被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度（ＳＯｘ濃度）と第１検出値との対応関係に基づいて、取得された第１検出値に対応するＳＯｘ濃度を特定することができる。このようにして、本発明装置によれば、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を極めて高い精度にて検出することができる。

上記において、第３電気化学セルの酸素ポンピング作用により、被検ガス中に含まれる酸素が内部空間から排出され、第２電気化学セルの酸素ポンピング作用により、被検ガス中に含まれる窒素酸化物が内部空間から排出される。従って、第３電気化学セルにおける酸素の分解に起因する電極電流に対応する検出値に基づき、被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出することができる。同様に、第２電気化学セルにおける窒素酸化物の分解に起因する電極電流に対応する検出値に基づき、被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出することができる。

この場合、本発明装置は、前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流に対応する第２検出値を取得する第２取得部と、前記第５電極と前記第６電極との間に流れる電流に対応する第３検出値を取得する第３取得部と、を更に有する。

更に、前記第２取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第２所定電圧が印加されている場合に取得される前記第２検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出するように構成される。より具体的には、第２取得部は、例えば、予め取得された被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度（ＮＯｘ濃度）と第２検出値との対応関係に基づいて、取得された第２検出値に対応するＮＯｘ濃度を特定することができる。

加えて、前記第３取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第３所定電圧が印加されている場合に取得される前記第３検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出するように構成される。このようにして取得される酸素濃度に基づいて、内燃機関の燃焼室において燃焼された混合気の空燃比を取得するようにしてもよい。

第２取得部は、例えば第３電極と第４電極との間に流れる電流に対応する第２検出値（例えば、電流値、電圧値及び抵抗値等）を検出する検出手段（例えば、センサ等）から送出される信号を受け取るＥＣＵであってもよい。同様に、第３取得部は、例えば第５電極と第６電極との間に流れる電流に対応する第３検出値（例えば、電流値、電圧値及び抵抗値等）を検出する検出手段（例えば、センサ等）から送出される信号を受け取るＥＣＵであってもよい。

上記のようにして、本発明装置によれば、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出すると共に、被検ガス中に含まれる酸素の濃度と窒素酸化物の濃度とを個別に検出することができる。従って、これによれば、例えば、内燃機関の制御システムの低コスト化及び／又は小型化を図ることができる。

ところで、上記において、第３検出値は、上記電極電流に対応する何らかの信号の値（例えば、電圧値、電流値、抵抗値等）である限り、特に限定されない。典型的には、前記第３検出値は、前記第５電極と前記第６電極との間に流れる電流の大きさである。換言すれば、前記第３取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に流れる電流の大きさを前記第３検出値として取得するように構成され得る。

更に、第５電極と第６電極との間に第２除去用電圧が印加されている場合にこれらの電極の間に流れる電極電流は被検ガス中に含まれる酸素の限界電流であり、本明細書の冒頭において述べたように、この限界電流の大きさは被検ガス中に含まれる酸素の濃度に応じて変化する。具体的には、被検ガス中に含まれる酸素の濃度が高いほど上記限界電流が大きい。従って、上記のように第５電極と第６電極との間に流れる電流の大きさを第３検出値とする場合、前記第３取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第２除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第３検出値が大きいほど、前記被検ガス中に含まれる酸素の濃度をより大きい値として検出するように構成され得る。

ところで、上記において、第２検出値は、上記電極電流に対応する何らかの信号の値（例えば、電圧値、電流値、抵抗値等）である限り、特に限定されない。典型的には、前記第２検出値は、前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流の大きさである。換言すれば、前記第２取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流の大きさを前記第２検出値として取得するように構成され得る。

更に、第３電極と第４電極との間に第１除去用電圧が印加されている場合にこれらの電極の間に流れる電極電流は被検ガス中に含まれる窒素酸化物の限界電流であり、この限界電流の大きさは被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度に応じて変化する。具体的には、被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度が高いほど上記限界電流が大きい。従って、上記のように第３電極と第４電極との間に流れる電流の大きさを第２検出値とする場合、前記第２取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第２検出値が大きいほど、前記被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度をより大きい値として検出するように構成され得る。

ところで、上記本発明装置においては、第２電気化学セルの更に上流側に第３電気化学セルが配設されている。即ち、第２電気化学セルと第３電気化学セルとは直列に配置されている。しかしながら、第２電気化学セルと第３電気化学セルとは並列に配置され得る。

ここで言う「並列」とは、第２電気化学セルと第３電気化学セルとが幾何学的な意味において並列に配置されている場合に限定されない。具体的には、上記「並列」は、第２電気化学セルに到達する被検ガス中に含まれる酸素の濃度と、第３電気化学セルに到達する被検ガス中に含まれる酸素の濃度と、が実質的に等しくなるように、第２電気化学セルと第３電気化学セルとが配置されている場合を含む広い概念である。

この場合、前記素子部は、酸化物イオン伝導性を有する第３固体電解質体と同第３固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第５電極及び第６電極とを含む第３電気化学セルを更に備える。尚、第３固体電解質体は、第１固体電解質体及び第２固体電解質体とは別個の固体電解質体（例えば、薄板体）であってもよい。或いは、第３電気化学セルは、第１電気化学セル及び第２電気化学セルの何れか又は両方と固体電解質体（例えば、薄板体）を共有していてもよい。

更に、前記素子部は、前記第３電極に到達する被検ガス中に含まれる酸素の濃度に等しい濃度の酸素を含む被検ガスが到達する領域において前記第５電極が前記内部空間に露呈し且つ前記第６電極が前記内部空間とは異なる空間である第３別空間に露呈するように構成される。

一方、前記第５電極と前記第６電極との間に電圧を印加する第３電圧印加部を更に有する点、前記第５電極は、前記第５電極と前記第６電極との間に第３所定電圧を印加したときに前記被検ガス中に含まれる窒素酸化物を分解させること無く酸素を分解させることが可能となるように構成される点、及び前記第３電圧印加部は、前記第３所定電圧以上の電圧であって、前記第５電極において酸素の限界電流特性が発現する電圧帯の下限以上であり且つ硫黄酸化物の分解が開始する電圧未満である所定の第２除去用電圧を前記第５電極と前記第６電極との間に印加するように構成される点、については、上述した第２電気化学セルと第３電気化学セルとが直列に配置される態様と同様である。

更に、前記第１取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第２除去用電圧が印加されており且つ前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されており且つ前記第１電極と前記第２電極との間に前記測定用電圧が印加されている場合に取得される前記第１検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出するように構成される点についても、上述した第２電気化学セルと第３電気化学セルとが直列に配置される態様と同様である。

即ち、この場合もまた、最も下流側に配設された第１電気化学セルの第１電極に到達する被検ガスには酸素及び窒素酸化物が実質的に含まれない。従って、第１取得部によって取得される第１検出値は、内部空間に導入されたときに被検ガス中に含まれていた酸素及び窒素酸化物による影響を受けること無く、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度に応じて変化する。従って、第１取得部は、第１検出値に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く取得することができる。

上記において、第３電気化学セルの酸素ポンピング作用により、被検ガス中に含まれる酸素が内部空間から排出される。これに対し、第２電気化学セルの酸素ポンピング作用によっては、被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物が内部空間から排出される。従って、第３電気化学セルにおける電極電流は酸素の分解電流に起因する。一方、第２電気化学セルにおける電極電流は酸素及び窒素酸化物の分解電流に起因する。

ところが、上述したように、第２電気化学セルに到達する被検ガス中に含まれる酸素の濃度と、第３電気化学セルに到達する被検ガス中に含まれる酸素の濃度と、は実質的に等しい。従って、第２電気化学セルにおける電極電流に対応する第２検出値と、第３電気化学セルにおける電極電流に対応する第３検出値と、の差異は、第２電気化学セルに到達する被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を反映している。つまり、第３検出値に基づいて被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出することができ、第２検出値と第３検出値との差異に基づいて被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出することができる。

この場合、本発明装置は、前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流に対応する第２検出値を取得する第２取得部と、前記第５電極と前記第６電極との間に流れる電流に対応する第３検出値を取得する第３取得部と、を更に有する。

更に、前記第３取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第２除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第３検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出するように構成される。このようにして取得される酸素濃度に基づいて、内燃機関の燃焼室において燃焼された混合気の空燃比を取得するようにしてもよい。

一方、前記第２取得部は、第２検出値と第３検出値との差異に基づいて、ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出するように構成される。この第３検出値は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第２除去用電圧が印加されている場合に取得される第３検出値であり、この第２検出値は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されている場合に取得される第２検出値である。第２取得部は、例えば、予め取得された被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度（ＮＯｘ濃度）と「第２検出値と第３検出値との差異」との対応関係に基づいて、取得された第２検出値と第３検出値との差異に対応するＮＯｘ濃度を特定することができる。

上記のようにして、本発明装置によれば、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出すると共に、被検ガス中に含まれる酸素の濃度と窒素酸化物の濃度とを個別に検出することができる。従って、これによれば、例えば、内燃機関の制御システムの低コスト化及び／又は小型化を図ることができる。

上記において、前記第３取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に流れる電流の大きさを前記第３検出値として取得するように構成され得る。このように第５電極と第６電極との間に流れる電流の大きさを第３検出値とする場合、前記第３取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第３所定電圧が印加されている場合に取得される前記第３検出値が大きいほど、前記被検ガス中に含まれる酸素の濃度をより大きい値として検出するように構成され得る。

更に、前記第２取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流の大きさを前記第２検出値として取得するように構成され得る。このように第３電極と第４電極との間に流れる電流の大きさを第２検出値とする場合、前記第２取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第２検出値が大きいほど、前記被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度をより大きい値として検出するように構成され得る。

ところで、上述したように、第５電極は、第５電極と第６電極との間に第３所定電圧以上の電圧を印加したときに、被検ガス中に含まれる窒素酸化物を分解させること無く酸素を分解させることが可能となるように構成される。このように所定の印加電圧において窒素酸化物を分解させること無く酸素を分解させることが可能な第５電極もまた、例えば電極材料を構成する物質の種類及び電極を作製する際の熱処理の条件等を適宜選択することによって作製することができる。典型的には、前記第５電極は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、鉛（Ｐｂ）及び銀（Ａｇ）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことが望ましい。

更に、上述したように、第３電極は、第３電極と第４電極との間に第２所定電圧以上の電圧を印加したときに被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物を分解させることが可能となるように構成される。このように所定の印加電圧において酸素及び窒素酸化物を分解させることが可能な第３電極は、例えば電極材料を構成する物質の種類及び電極を作製する際の熱処理の条件等を適宜選択することによって作製することができる。このような第３電極を構成する材料は、例えば、第３電極と第４電極との間に第２所定電圧以上の電圧を印加したときに被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物を分解させることができる活性を有する物質（例えば、貴金属）を含む。典型的には、前記第１電極は、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）及びパラジウム（Ｐｄ）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことが望ましい。

更に、上述したように、第１電極は、第１電極と第２電極との間に第１所定電圧以上の電圧を印加したときに被検ガス中に含まれる水及び硫黄酸化物を分解させることが可能となるように構成される。このように所定の印加電圧において水及び硫黄酸化物を分解させることが可能な第１電極は、例えば電極材料を構成する物質の種類及び電極を作製する際の熱処理の条件等を適宜選択することによって作製することができる。このような第１電極を構成する材料は、例えば、第１電極と第２電極との間に第１所定電圧以上の電圧を印加したときに被検ガス中に含まれる水及び硫黄酸化物を分解させることができる活性を有する物質（例えば、貴金属）を含む。典型的には、前記第１電極は、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）及びパラジウム（Ｐｄ）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことが望ましい。

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

本発明の第１実施形態に係るガス濃度検出装置（第１装置）が備える素子部の構成の一例を示す模式的な断面図である。 第１装置が備える第１電気化学セルを構成する第１電極と第２電極との間に印加される電圧（印加電圧）Ｖｍ１と、これらの電極間に流れる電極電流Ｉｍ１との関係を示す模式的なグラフである。 第１装置において印加電圧Ｖｍ１が１．０Ｖであるときの電極電流Ｉｍ１の大きさと被検ガス中に含まれる二酸化硫黄（ＳＯ_２）の濃度との関係を示す模式的なグラフである。 第１装置が備える取得部が実行する「ＳＯｘ濃度の取得処理ルーチン」を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るガス濃度検出装置（第２装置）が備える素子部の構成の一例を示す模式的な断面図である。 本発明の第３実施形態に係るガス濃度検出装置（第３装置）が備える素子部の構成の一例を示す模式的な断面図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係るガス濃度検出装置（以下、「第１装置」と称される場合がある。）について説明する。

（構成）
第１装置が備える素子部１０は、図１に示すように、第１固体電解質体１１ｓ及び第２固体電解質体１２ｓ、第１アルミナ層２１ａ、第２アルミナ層２１ｂ、第３アルミナ層２１ｃ、第４アルミナ層２１ｄ、第５アルミナ層２１ｅ及び第６アルミナ層２１ｆ、拡散抵抗部（拡散律速層）３２並びにヒータ４１を備える。
固体電解質体１１ｓは、ジルコニア等を含み、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質体１１ｓを形成するジルコニアは、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）及びイットリウム（Ｙ）等の元素を含んでいてもよい。第２固体電解質体１２ｓも同様である。
第１乃至第６アルミナ層２１ａ乃至２１ｆは、アルミナを含む緻密（ガス不透過性）の層（緻密体）である。
拡散抵抗部３２は、多孔質の拡散律速層であり、ガス透過性の層（薄板体）である。
ヒータ４１は、例えば、白金（Ｐｔ）とセラミックス（例えば、アルミナ等）とのサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。

素子部１０の各層は、下方から、第５アルミナ層２１ｅ、第４アルミナ層２１ｄ、第３アルミナ層２１ｃ、第１固体電解質体１１ｓ、拡散抵抗部３２及び第２アルミナ層２１ｂ、第２固体電解質体１２ｓ、第６アルミナ層２１ｆ、第１アルミナ層２１ａの順に積層されている。

内部空間３１は、第１固体電解質体１１ｓ、第２固体電解質体１２ｓ、拡散抵抗部３２及び第２アルミナ層２１ｂによって画定される空間であり、その中に拡散抵抗部３２を介して被検ガスとしての内燃機関の排気が導入されるようになっている。即ち、素子部１０においては、内部空間３１は拡散抵抗部３２を介して、内燃機関の排気管（何れも図示せず）の内部と連通している。従って、排気管内の排気が内部空間３１内に被検ガスとして導かれる。

第１大気導入路５１は、第１固体電解質体１１ｓ、第３アルミナ層２１ｃ及び第４アルミナ層２１ｄによって画定され、排気管の外部の大気に開放されている。尚、第１大気導入路５１は、第１別空間に該当する。第２大気導入路５２は、第２固体電解質体１２ｓ、第１アルミナ層２１ａ及び第６アルミナ層２１ｆによって画定され、排気管の外部の大気に開放されている。尚、第２大気導入路５２は、第２別空間に該当する。

第１電極１１ａは陰極であり、第２電極１１ｂは陽極である。第１電極１１ａは、第１固体電解質体１１ｓの一方の側の表面（具体的には、内部空間３１を画定する第１固体電解質体１１ｓの表面）に固着されている。一方、第２電極１１ｂは、第１固体電解質体１１ｓの他方の側の表面（具体的には、第１大気導入路５１を画定する第１固体電解質体１１ｓの表面）に固着されている。第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂ並びに第１固体電解質体１１ｓは、酸素ポンピング作用による酸素排出能力を有する第１電気化学セル１１ｃを構成している。

第３電極１２ａは陰極であり、第４電極１２ｂは陽極である。第３電極１２ａは、第２固体電解質体１２ｓの一方の側の表面（具体的には、内部空間３１を画定する第２固体電解質体１２ｓの表面）に固着されている。一方、第４電極１２ｂは、第２固体電解質体１２ｓの他方の側の表面（具体的には、第２大気導入路５２を画定する第２固体電解質体１２ｓの表面）に固着されている。第３電極１２ａ及び第４電極１２ｂ並びに第２固体電解質体１２ｓは、酸素ポンピング作用による酸素排出能力を有する第２電気化学セル１２ｃを構成している。これらの第１電気化学セル１１ｃ及び第２電気化学セル１２ｃは、ヒータ４１により、活性化温度まで加熱される。

第１固体電解質体１１ｓ及び第２固体電解質体１２ｓ並びに第１乃至第６アルミナ層２１ａ乃至２１ｆの各層は、例えばドクターブレード法、押し出し成形法等により、シート状に成形することができる。第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂ、第３電極１２ａ及び第４電極１２ｂ、並びにこれらの電極に通電するための配線等は、例えばスクリーン印刷法等によって形成することができる。これらのシートを上述したように積層して焼成することにより、上記のような構造を有する素子部１０を一体的に製造することができる。

第１電極１１ａは、白金（Ｐｔ）とロジウム（Ｒｈ）との合金を主成分として含む多孔質サーメット電極である。一方、第２電極１１ｂは、白金（Ｐｔ）を主成分として含む多孔質サーメット電極である。同様に、第３電極１２ａは、白金（Ｐｔ）とロジウム（Ｒｈ）との合金を主成分として含む多孔質サーメット電極である。一方、第４電極１２ｂは、白金（Ｐｔ）を主成分として含む多孔質サーメット電極である。

尚、図１に示した例においては、第２電気化学セル１２ｃは、第１電気化学セル１１ｃを構成する第１固体電解質体１１ｓとは別個の第２固体電解質体１２ｓを含む。しかしながら、第２電気化学セル１２ｃは、第１固体電解質体１１ｓを第１電気化学セル１１ｃと共有していてもよい。この場合、第１大気導入路５１は、第１別空間及び第２別空間として機能する。

第１装置は、更に、電源６１、電流計７１及び図示しないＥＣＵ（電子制御ユニット）を備える。電源６１及び電流計７１はＥＣＵに接続されている。
電源６１は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に第２電極１１ｂの電位が第１電極１１ａの電位よりも高くなるように所定の電圧を印加できるようになっている。電源６１の作動はＥＣＵにより制御される。
電流計７１は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に流れる電流（従って、第１固体電解質体１１ｓを流れる電流）である電極電流の大きさを計測して、その計測値をＥＣＵに出力するようになっている。

加えて、第１装置は、電源６２、電流計７２及び図示しないＥＣＵを更に備える。電源６２及び電流計７２はＥＣＵに接続されている。
電源６２は、第３電極１２ａと第４電極１２ｂとの間に第４電極１２ｂの電位が第３電極１２ａの電位よりも高くなるように所定の電圧を印加できるようになっている。電源６２の作動はＥＣＵにより制御される。
電流計７２は、第３電極１２ａと第４電極１２ｂとの間に流れる電流（従って、第２固体電解質体１２ｓを流れる電流）である電極電流の大きさを計測して、その計測値をＥＣＵに出力するようになっている。

ＥＣＵは、ＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム及びマップ等を記憶するＲＯＭ並びにデータを一時的に記憶するＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータである（何れも図示せず）。ＥＣＵは、図示しない内燃機関のアクチュエータ（燃料噴射弁、スロットル弁及びＥＧＲ弁等）に接続されている。ＥＣＵは、これらのアクチュエータに駆動（指示）信号を送出し、内燃機関を制御するようになっている。

ＥＣＵは、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂに印加される印加電圧Ｖｍ１を制御することができる。即ち、電源６１及びＥＣＵは第１電圧印加部を構成している。更に、ＥＣＵは、電流計７１から出力される第１電気化学セル１１ｃを流れる電極電流Ｉｍ１に対応する信号を受け取ることができる。即ち、電流計７１及びＥＣＵは第１取得部を構成している。加えて、ＥＣＵは、第３電極１２ａ及び第４電極１２ｂに印加される印加電圧Ｖｍ２を制御することができる。即ち、電源６２及びＥＣＵは第２電圧印加部を構成している。更に、ＥＣＵは、電流計７２から出力される第２電気化学セル１２ｃを流れる電極電流Ｉｍ２に対応する信号を受け取ることができる。即ち、電流計７２及びＥＣＵは第２取得部を構成している。

尚、図１に示した例においては、第１電圧印加部と第２電圧印加部とを、別個の電圧印加部として含む。しかしながら、これらの電圧印加部は、所期の印加電圧を所期の電極間にそれぞれ印加することが可能である限り、１つの電圧印加部として構成されていてもよい。同様に、第１取得部と第２取得部とを、別個の取得部として含む。しかしながら、これらの取得部は、所期の検出値を所期の電極間からそれぞれ取得することが可能である限り、１つの取得部として構成されていてもよい。

（作用）
内燃機関から排出される排気中に含まれる酸素及び窒素酸化物の濃度は、例えば、当該内燃機関の燃焼室において燃焼される混合気の空燃比及び燃焼状態に応じて、様々に変化し得る。その結果、被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物の濃度が変化する場合がある。被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物の濃度が変化すると、酸素ポンピング作用を有する電気化学セルが備える電極間に流れる電流の大きさも変化するので、濃度を測定しようとする成分（例えば、水及び硫黄酸化物等）の濃度の検出精度の低下を招く虞がある。

しかしながら、第１装置が備える素子部１０においては、第３電極１２ａと第４電極１２ｂとの間に第１除去用電圧を印加することにより、酸素ポンピング作用によって内部空間３１から酸素及び窒素酸化物を排出することができる。より具体的には、第３電極１２ａ及び第４電極１２ｂがそれぞれ陰極及び陽極となるように、これらの電極間に第１除去用電圧を印加すると、内部空間３１から第２大気導入路５２へと酸素及び窒素酸化物が排出される。このように、第１装置が備える素子部１０においては、第２電気化学セル１２ｃによって、内部空間３１内の被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物を実質的に除去することができる。

即ち、第１装置が備える素子部１０においては、たとえ被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物の濃度が変化しても、上記のように第２電気化学セル１２ｃの酸素ポンピング作用により内部空間３１から酸素及び窒素酸化物を排出することによって、内部空間３１内の酸素及び窒素酸化物の濃度を一定（典型的には、概ね０（ゼロ）ｐｐｍ）に調整することができる。

一方、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に、第２電極１１ｂの電位が第１電極１１ａの電位よりも高くなるように、測定用電圧が印加されると、被検ガス中に含まれる水のみならず、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物もまた第１電極１１ａにおいて分解される。硫黄酸化物の分解生成物（例えば、硫黄又は硫黄化合物）は第１電極１１ａに吸着し、水の分解に寄与することができる第１電極１１ａの面積を減少させると考えられる。その結果、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に測定用電圧を印加したときの電極電流に対応する第１検出値が、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度に応じて変化する。

上記において、第１電極１１ａに到達した被検ガス中に酸素及び／又は窒素酸化物が含まれていると、これらの成分もまた第１電極１１ａにおいて分解される。即ち、上記第１検出値が被検ガス中に含まれる酸素及び／又は窒素酸化物の影響を受ける。しかしながら、上述したように、素子部１０においては、第１電気化学セル１１ｃの上流側に配設された第２電気化学セル１２ｃにより、内部空間３１内の被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物が実質的に除去される。従って、第１装置においては、たとえ被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物の濃度が変化しても、第１電気化学セル１１ｃにおいて検出される電極電流Ｉｍ１への影響を有効に低減することができる。その結果、第１装置によれば、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出することができる。

（測定原理）
ここで、第１電気化学セル１１ｃにおける印加電圧Ｖｍ１と電極電流Ｉｍ１との関係につき、更に具体的に説明する。図２は、第１電気化学セル１１ｃにおいて、印加電圧Ｖｍ１を徐々に上昇させた（昇圧スイープした）ときの印加電圧Ｖｍ１と電極電流Ｉｍ１との関係を示す模式的なグラフである。尚、この例においては、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物としての二酸化硫黄（ＳＯ_２）の濃度がそれぞれ０、１００、３００及び５００ｐｐｍである異なる４種の被検ガスを使用した。更に、第１電気化学セル１１ｃの第１電極１１ａ（陰極）に到達する被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物の濃度は、第１電気化学セル１１ｃの上流側に配設された第２電気化学セル１２ｃにより、何れの被検ガスにおいても一定（実質的に０（ゼロ）ｐｐｍ）に維持されている。

先ず、実線の曲線Ｌ１は、被検ガス中に含まれる二酸化硫黄の濃度が０（ゼロ）ｐｐｍである場合における印加電圧Ｖｍ１と電極電流Ｉｍ１との関係を示している。上記のように、素子部１０においては第２電気化学セル１２ｃにより内部空間３１内の被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物が実質的に除去されるので、印加電圧Ｖｍ１が約０．６Ｖ未満である領域においては、電極電流は流れない（Ｉｍ１＝０μＡ）。印加電圧Ｖｍ１が約０．６Ｖ以上となると、電極電流Ｉｍ１が増大し始める。この電極電流Ｉｍ１の増大は、第１電極１１ａにおける水の分解が始まったことに起因する。

次に、点線の曲線Ｌ２は、被検ガス中に含まれる二酸化硫黄の濃度が１００ｐｐｍである場合における印加電圧Ｖｍ１と電極電流Ｉｍ１との関係を示している。この場合も、印加電圧Ｖｍ１が第１電極１１ａにおける水の分解が始まる電圧（分解開始電圧）（約０．６Ｖ）未満であるときには、印加電圧Ｖｍ１と電極電流Ｉｍ１との関係は曲線Ｌ１（被検ガス中に含まれる二酸化硫黄の濃度が０（ゼロ）ｐｐｍである場合）と同様である。即ち、印加電圧Ｖｍ１が約０．６Ｖ未満である領域においては、電極電流Ｉｍ１は流れない。一方、印加電圧Ｖｍ１が第１電極１１ａにおける水の分解開始電圧（約０．６Ｖ）以上であるときには、水の分解に起因して電極電流Ｉｍ１が流れる。しかしながら、曲線Ｌ１と比較して電極電流Ｉｍ１が小さく、印加電圧Ｖｍ１に対する電極電流Ｉｍ１の増加率もまた曲線Ｌ１と比較して小さい（傾きが小さい）。

更に、一点鎖線及び破線によって表される曲線Ｌ３及び４は、被検ガス中に含まれる二酸化硫黄の濃度がそれぞれ３００ｐｐｍ及び５００ｐｐｍである場合における印加電圧Ｖｍ１と電極電流Ｉｍ１との関係を示している。これらの場合もまた、印加電圧Ｖｍ１が第１電極１１ａにおける水の分解開始電圧（約０．６Ｖ）未満であるときには、電極電流Ｉｍ１は流れない。一方、印加電圧Ｖｍ１が第１電極１１ａにおける水の分解開始電圧（約０．６Ｖ）以上であるときには、水の分解に起因して電極電流Ｉｍ１が流れる。しかしながら、被検ガス中に含まれる二酸化硫黄の濃度が高いほど電極電流Ｉｍ１が小さく、印加電圧Ｖｍ１に対する電極電流Ｉｍ１の増加率もまた被検ガス中に含まれる二酸化硫黄の濃度が高いほど小さい（傾きが小さい）。

以上のように、印加電圧Ｖｍ１が第１電極１１ａにおける水の分解開始電圧（約０．６Ｖ）以上であるときの電極電流Ｉｍ１の大きさは、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物としての二酸化硫黄の濃度に応じて変化する。例えば、図２に示したグラフにおける印加電圧Ｖｍ１が１．０Ｖであるときの曲線Ｌ１乃至Ｌ４における電極電流Ｉｍ１の大きさを被検ガス中に含まれる二酸化硫黄の濃度に対してプロットすると、図３に示したグラフが得られる。図３において点線の曲線によって表されているように、特定の印加電圧Ｖｍ１（この場合は１．０Ｖ）における電極電流Ｉｍ１の大きさが被検ガス中に含まれる二酸化硫黄の濃度に応じて変化する。従って、特定の印加電圧Ｖｍ１（水の分解開始電圧以上の所定電圧であり、「第１所定電圧」とも称呼される。）における電極電流Ｉｍ１（に対応する第１検出値）を取得すれば、その（第１検出値に対応する）電極電流Ｉｍ１に対応する硫黄酸化物の濃度を取得することができる。

尚、図２に示されているグラフの横軸に示されている印加電圧Ｖｍ１、縦軸に示されている電極電流Ｉｍ１、及び上記説明において述べられている印加電圧Ｖｍ１の個々の具体的な値は、図２に示されているグラフを得るために行った実験の条件（例えば、被検ガス中に含まれる各種成分の濃度等）によって変動することがあり、印加電圧Ｖｍ１及び電極電流Ｉｍ１の値が常に上述した値となるとは限らない。

（具体的作動）
ここで、第１装置において実行されるＳＯｘ濃度取得処理ルーチンにつき、より具体的に説明する。図４は、素子部１０を使用してＥＣＵが実行する「ＳＯｘ濃度取得処理ルーチン」を示すフローチャートである。例えば、上述したＥＣＵが備えるＣＰＵ（以降、単に「ＣＰＵ」と称呼される場合がある。）は、所定のタイミングにてステップ４００から処理を開始し、ステップ４１０に進む。

先ず、ステップ４１０において、ＣＰＵは、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を取得する要求（ＳＯｘ濃度取得要求）が有るか否かを判定する。ＳＯｘ濃度取得要求は、例えば、第１装置が適用される内燃機関が搭載される車輌において燃料タンクへの燃料の充填が行われたときに発生する。更に、燃料タンクへの燃料の充填が行われた後にＳＯｘ濃度取得処理ルーチンが実行されて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度が取得された履歴が有る場合にはＳＯｘ濃度取得要求を解除するようにしてもよい。

上記ステップ４１０においてＳＯｘ濃度取得要求が有ると判定した場合（ステップ４１０：Ｙｅｓ）、ＣＰＵは次のステップ４２０に進み、第１装置が適用される内燃機関（Ｅ／Ｇ）が定常状態にあるか否かを判定する。ＣＰＵは、例えば、所定期間内における負荷の最大値と最小値との差が閾値未満であるとき、又は所定期間内におけるアクセル操作量の最大値と最小値との差が閾値未満であるとき、内燃機関が定常状態にあると判定する。

上記ステップ４２０において内燃機関が定常状態にあると判定した場合（ステップ４２０：Ｙｅｓ）、ＣＰＵは次のステップ４３０に進み、第１除去用電圧（第１装置においては０．４Ｖ）を印加電圧Ｖｍ２として第３電極１２ａと第４電極１２ｂとの間に印加すると共に、測定用電圧（第１装置においては１．０Ｖ）を印加電圧Ｖｍ１として第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に印加する。

次に、ＣＰＵはステップ４４０に進み、印加電圧Ｖｍ１としての測定用電圧及び印加電圧Ｖｍ２としての第１除去用電圧が印加されている期間の継続時間が所定の閾値（Ｔｔｈ）に一致したか否かを判定する。この閾値Ｔｔｈは、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間への印加電圧Ｖｍ１を第１所定電圧とすることにより被検ガス中に含まれる硫黄酸化物が分解され、その分解生成物が陰極である第１電極１１ａに吸着して電極電流を低減させるのに十分な期間の長さに対応する。この閾値Ｔｔｈの具体的な値（時間的長さ）は、例えば第１装置が備える素子部１０を使用する事前実験等によって定めることができる。

上記ステップ４４０において上記期間の継続時間が所定の閾値に一致したと判定した場合（ステップ４４０：Ｙｅｓ）、ＣＰＵは次のステップ４５０に進み、電極電流Ｉｍ１を第１検出値として取得する。次に、ＣＰＵはステップ４６０に進み、例えば図３に示したようなデータマップを参照して、第１検出値に対応する硫黄酸化物の濃度を取得する。そして、ＣＰＵはステップ４７０に進み、当該ルーチンを終了する。このようにして、第１装置は、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出することができる。

尚、上記ステップ４１０においてＳＯｘ濃度取得要求が無いと判定した場合（ステップ４１０：Ｎｏ）、上記ステップ４２０において内燃機関が定常状態にないと判定した場合（ステップ４２０：Ｎｏ）、及び上記ステップ４４０において上記継続時間が所定の閾値（Ｔｔｈ）に一致しないと判定した場合（ステップ４４０：Ｎｏ）、ＣＰＵはステップ４７０に進み、当該ルーチンを終了する。

以上のようなルーチンをＣＰＵに実行させるためのプログラムは、ＥＣＵが備えるデータ記憶装置（例えば、ＲＯＭ等）に格納することができる。更に、印加電圧Ｖｍ１を測定用電圧（第１装置においては１．０Ｖ）としたときの第１検出値としての電極電流Ｉｍ１と被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度との対応関係は、例えば、硫黄酸化物の濃度が既知の被検ガスを使用する事前実験により予め求めておくことができる。そして、当該対応関係を表すデータテーブル（例えば、データマップ等）をＥＣＵが備えるデータ記憶装置（例えば、ＲＯＭ等）に格納しておき、上記ステップ４６０においてＣＰＵに参照させることができる。

尚、第１装置においては、上述したように、第１除去用電圧を０．４Ｖとした。しかしながら、前述したように、第１除去用電圧は、第３電極１２ａを陰極とし、第４電極１２ｂを陽極として、これらの電極間に印加した場合に、窒素酸化物の限界電流特性が発現する電圧帯の下限以上であり且つ硫黄酸化物の分解が開始する電圧未満である所定の電圧であれば、特に限定されない。尚、窒素酸化物の限界電流域は約０．１Ｖ乃至０．２Ｖ以上であり、硫黄酸化物の分解が開始する電圧は約０．５Ｖ乃至０．６Ｖである。この電圧帯においては酸素の限界電流特性もまた発現する。

上記において、窒素酸化物の限界電流域は、被検ガス中に含まれる酸素の濃度が高くなるほど高電圧側にシフトする傾向がある。従って、被検ガス中に含まれる酸素の濃度が高いほど第１除去用電圧をより高くするように第２電圧印加部を構成することが望ましい。

更に、第１装置においては、測定用電圧を１．０Ｖとした。しかしながら、前述したように、測定用電圧は、第１電極１１ａを陰極とし、第２電極１１ｂを陽極とした場合に、これらの電極間に印加することにより、被検ガス中に含まれる水及び硫黄酸化物を分解させることが可能となる所定の電圧であれば、特に限定されない。尚、前述したように、水の分解が開始する電圧は約０．６Ｖである。従って、測定用電圧は、０．６Ｖ以上の所定の電圧であることが望ましい。

一方、印加電圧Ｖｍ１が水の限界電流域の下限電圧以上の電圧となると、拡散抵抗部を介して第１電極（陰極）に到達する水の供給速度を第１電極における水の分解速度が超えるようになる。即ち、水の限界電流特性が発現するようになる。このような場合、第１検出値に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出することが困難となる虞がある。更に、印加電圧Ｖｍ１が過度に高い電圧となると、被検ガス中に含まれる他の成分（例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）等）及び／又は第１固体電解質体１１ｓの分解を招く虞がある。従って、測定用電圧は、水の限界電流域の下限電圧未満の所定の電圧であることが望ましい。換言すれば、測定用電圧は、水の分解が開始する電圧以上であり且つ水の限界電流特性が発現する（観測される）電圧帯の下限未満の所定の電圧であることが望ましい。尚、例えば被検ガス中に含まれる水の濃度及び測定条件等により若干の変動は見られるが、水の限界電流域の下限電圧は約２．０Ｖである。

更に、第１装置においては、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に測定用電圧が印加されているときに第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に流れる電極電流の大きさを第１検出値とした。しかしながら、前述したように、第１検出値は、上記電極電流に対応する何らかの信号の値（例えば、電圧値、電流値、抵抗値等）である限り、特に限定されない。尚、第１検出値として上記電極電流と正の相関を有する信号の値（例えば、電圧値、電流値）を採用した場合は、第１装置は第１検出値が小さいほどＳＯｘ濃度を大きい値として検出するように構成される。逆に、第１検出値として上記電極電流と負の相関を有する信号の値を採用した場合は、第１装置は第１検出値が大きいほどＳＯｘ濃度を大きい値として検出するように構成される。

第１装置においては、第３電極１２ａは、白金（Ｐｔ）とロジウム（Ｒｈ）との合金を主成分として含む多孔質サーメット電極であり、第４電極１２ｂは、白金（Ｐｔ）を主成分として含む多孔質サーメット電極である。しかしながら、第３電極１２ａを構成する材料は、第３電極１２ａと第４電極１２ｂとの間に第２所定電圧を印加したときに、拡散抵抗体３２を介して内部空間３１に導かれた被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物を還元分解させることができる限り、特に限定されない。好ましくは、第３電極１２ａを構成する材料は、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素又はそれらの合金等を主成分として含む。より好ましくは、第３電極１２ａは、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）及びパラジウム（Ｐｄ）からなる群より選ばれる少なくとも１種を主成分として含む多孔質サーメット電極である。

同様に、第１装置においては、第１電極１１ａは、白金（Ｐｔ）とロジウム（Ｒｈ）との合金を主成分として含む多孔質サーメット電極であり、第２電極１１ｂは、白金（Ｐｔ）を主成分として含む多孔質サーメット電極である。しかしながら、第１電極１１ａを構成する材料は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に第１所定電圧を印加したときに、拡散抵抗体３２を介して内部空間３１に導かれた被検ガス中に含まれる水及び硫黄酸化物を還元分解させることができる限り、特に限定されない。好ましくは、第１電極１１ａを構成する材料は、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素又はそれらの合金等を主成分として含む。より好ましくは、第１電極１１ａは、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）及びパラジウム（Ｐｄ）からなる群より選ばれる少なくとも１種を主成分として含む多孔質サーメット電極である。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態に係るガス濃度検出装置（以下、「第２装置」と称される場合がある。）について説明する。

（構成）
第２装置が備える素子部２０は、第２電気化学セル１２ｃの上流側（拡散抵抗部３２側）に配設された第３電気化学セル１３ｃを更に備える点を除き、第１装置が備える素子部１０と同様の構成を有する。従って、以下の説明においては、第１装置との相違点に注目して、第２装置の構成について説明する。

図５に示すように、素子部２０においては、第５電極１３ａ及び第６電極１３ｂ並びに第２固体電解質体１２ｓによって構成される第３電気化学セル１３ｃが、第２電気化学セル１２ｃの上流側（拡散抵抗部３２側）に配設されている。第５電極１３ａは陰極であり、第６電極１３ｂは陽極である。第５電極１３ａは、第２固体電解質体１２ｓの一方の側の表面（具体的には、内部空間３１を画定する第２固体電解質体１２ｓの表面）に固着されている。一方、第６電極１３ｂは、第２固体電解質体１２ｓの他方の側の表面（具体的には、第２大気導入路５２を画定する第２固体電解質体１２ｓの表面）に固着されている。第５電極１３ａは、第３電極１２ａよりも拡散抵抗部３２により近い位置において内部空間３１に面するように配設されている。

電源６３は、第５電極１３ａと第６電極１３ｂとの間に第６電極１３ｂの電位が第５電極１３ａの電位よりも高くなるように所定の電圧を印加できるようになっている。電源６３の作動はＥＣＵにより制御される。このように、ＥＣＵは、第５電極１３ａ及び第６電極１３ｂに印加される印加電圧Ｖｍ３を制御することができる。即ち、電源６３及びＥＣＵは第３電圧印加部を構成している。尚、第２装置においては、第２除去用電圧及び第１除去用電圧を何れも０．４Ｖとする。

電流計７３は、第５電極１３ａと第６電極１３ｂとの間に流れる電流（従って、第２固体電解質体１２ｓを流れる電流）である電極電流Ｉｍ３の大きさを計測して、その計測値をＥＣＵに出力するようになっている。このように、ＥＣＵは、電流計７３から出力される第３電気化学セル１３ｃを流れる電極電流Ｉｍ３に対応する信号を受け取ることができる。即ち、電流計７３及びＥＣＵは第３取得部を構成している。

第３電極１２ａは、白金（Ｐｔ）とロジウム（Ｒｈ）との合金を主成分として含む多孔質サーメット電極であり、第４電極１２ｂは、白金（Ｐｔ）を主成分として含む多孔質サーメット電極である。一方、第５電極１３ａは、白金（Ｐｔ）と金（Ａｕ）との合金を主成分として含む多孔質サーメット電極であり、第６電極１３ｂは、白金（Ｐｔ）を主成分として含む多孔質サーメット電極である。即ち、第５電極１３ａは、所定の印加電圧においても、酸素は分解するものの、窒素酸化物を実質的に分解しないように、電極自体が作製されている。

（作用）
上記により、第３電気化学セル１３ｃは、第２電気化学セル１２ｃの印加電圧Ｖｍ２と同じ印加電圧Ｖｍ３（０．４Ｖ）が印加されているにも拘わらず、被検ガス中に含まれる窒素酸化物を実質的に分解せず、酸素のみを分解する。即ち、第３電気化学セルの電極電流Ｉｍ３は、窒素酸化物の分解に起因する電流を実質的に含まず、酸素の分解に起因する電流のみを含む。一方、第２電気化学セル１２ｃは、第３電気化学セル１３ｃの下流に配設されている。被検ガス中に含まれる酸素は第３電気化学セルによって除去されるので、第２電気化学セル１２ｃは窒素酸化物のみを分解する。即ち、第２電気化学セルの電極電流Ｉｍ２は、酸素の分解に起因する電流を実質的に含まず、窒素酸化物の分解に起因する電流のみを含む。

従って、第２装置によれば、第３電気化学セル１３ｃの電極電流Ｉｍ３に対応する第３検出値に基づいて、被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出することができる。加えて、第２電気化学セル１２ｃの電極電流Ｉｍ２に対応する第２検出値に基づいて、被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出することができる。具体的には、第２装置は、第３電気化学セル１３ｃの第５電極１３ａと第６電極１３ｂとの間に第２除去用電圧（印加電圧Ｖｍ３＝０．４Ｖ）を印加したときの電極電流Ｉｍ３（第３検出値）と、第２電気化学セル１２ｃの第３電極１２ａと第４電極１２ｂとの間に第１除去用電圧（印加電圧Ｖｍ２＝０．４Ｖ）を印加したときの電極電流Ｉｍ２（第２検出値）と、に基づいて、被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物の濃度をそれぞれ個別に検出することができる。

素子部２０において、第５電極１３ａ及び第６電極１３ｂをそれぞれ陰極及び陽極として、これらの電極間に第２除去用電圧を印加すると、酸素ポンピング作用により内部空間３１から酸素が排出される。更に、第３電極１２ａ及び第４電極１２ｂをそれぞれ陰極及び陽極として、これらの電極間に第１除去用電圧を印加すると、酸素ポンピング作用により内部空間３１から窒素酸化物が排出される。このように、素子部２０においては、第３電気化学セル１３ｃ及び第２電気化学セル１２ｃによって、内部空間３１内の酸素及び窒素酸化物を除去する。従って、素子部２０においても、第１電気化学セル１１ｃの第１電極１１ａ（陰極）に到達する被検ガス中には酸素及び窒素酸化物が実質的に含まれていない。

即ち、素子部２０においては、たとえ被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物の濃度が変化しても、第１電気化学セル１１ｃにおいて検出される電極電流Ｉｍ１への影響を有効に低減することができる。その結果、第２装置においても、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出することができる。

尚、図５に示した例においては、第３電気化学セル１３ｃと第２電気化学セル１２ｃとは第２固体電解質体１２ｓを共有するように構成されている。この場合、第２大気導入路５２は、第２別空間及び第３別空間として機能している。しかしながら、第３電気化学セル１３ｃと第２電気化学セル１２ｃとは、それぞれ別個の固体電解質を含むように構成されていてもよい。更に、図５に示した例においては、第３電気化学セル１３ｃ及び第２電気化学セル１２ｃは、第１電気化学セル１１ｃを構成する第１固体電解質体１１ｓとは別個の第２固体電解質体１２ｓを含む。しかしながら、第３電気化学セル１３ｃ及び第２電気化学セル１２ｃの何れか一方又は両方が、第１固体電解質体１１ｓを第１電気化学セル１１ｃと共有していてもよい。この場合、第１大気導入路５１は、第１別空間としてのみならず、第３別空間及び第２別空間の何れか一方又は両方としても機能する。

＜第３実施形態＞
以下、本発明の第３実施形態に係るガス濃度検出装置（以下、「第３装置」と称される場合がある。）について説明する。

（構成）
第３装置が備える素子部３０は、第３電気化学セル１３ｃと第２電気化学セル１２ｃとが、内部空間３１において、それぞれ上流側及び下流側に（直列に）配設されているのではなく、互いの近傍に並列に配設されている点を除き、第２装置が備える素子部２０と同様の構成を有する。ここで言う「近傍」とは、これらの電気化学セルの陰極に到達する被検ガス中に含まれる酸素の濃度に等しい濃度の酸素を含む被検ガスが到達する領域を指す。尚、以下の説明においては、第２装置との相違点に注目して、第３装置の構成について説明する。

図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した線分Ａ−Ａを含む平面による素子部３０の断面図である。図６（ｂ）に示した例において、第３装置は、第３電気化学セル１３ｃと第２電気化学セル１２ｃとが互いに近傍して併設されている。具体的には、第３装置においては、第３電気化学セル１３ｃと第２電気化学セル１２ｃとは、内部空間３１において、拡散抵抗部３２から同じ距離だけ下流側に離れた位置に配設されている。

第３電気化学セル１３ｃは、第２固体電解質体１２ｓを第２電気化学セル１２ｃと共有し、その表面に配設された一対の電極である第５電極１３ａ及び第６電極１３ｂを有する。第３装置においては、第５電極１３ａは内部空間３１に面するように配設され、第６電極１３ｂは第２大気導入路５２に面するように配設されている。

電源６３は、第５電極１３ａと第６電極１３ｂとの間に、第６電極１３ｂの電位が第５電極１３ａの電位よりも高くなるように、印加電圧Ｖｍ３を印加する。電流計７３は、第３電気化学セル１３ｃを流れる電極電流Ｉｍ３に対応する信号をＥＣＵ（図示せず）へ出力する。ＥＣＵは、第５電極１３ａ及び第６電極１３ｂに印加される印加電圧を制御することができる。即ち、電源６３及びＥＣＵは第３電圧印加部を構成している。尚、第３装置においては、第２除去用電圧及び第１除去用電圧を何れも０．４Ｖとする。更に、ＥＣＵは、電流計７３から出力される第３電気化学セル１３ｃを流れる電極電流Ｉｍ３に対応する信号を受け取ることができる。即ち、電流計７３及びＥＣＵは第３取得部を構成している。加えて、第３装置は、第２電気化学セル１２ｃを流れる電極電流Ｉｍ２と第３電気化学セル１３ｃを流れる電極電流Ｉｍ３との差を検出する電流差検出回路８１を備える。

第２装置と同様に、第３電極１２ａは、白金（Ｐｔ）とロジウム（Ｒｈ）との合金を主成分として含む多孔質サーメット電極であり、第４電極１２ｂは、白金（Ｐｔ）を主成分として含む多孔質サーメット電極である。一方、第５電極１３ａは、白金（Ｐｔ）と金（Ａｕ）との合金を主成分として含む多孔質サーメット電極であり、第６電極１３ｂは、白金（Ｐｔ）を主成分として含む多孔質サーメット電極である。即ち、第５電極１３ａは、所定の印加電圧においても、酸素は分解するものの、窒素酸化物を実質的に分解しないように、電極自体が作製されている。

（作用）
上記により、第３電気化学セル１３ｃは、第２電気化学セル１２ｃの印加電圧Ｖｍ２と同じ印加電圧Ｖｍ３（０．４Ｖ）が印加されているにも拘わらず、被検ガス中に含まれる窒素酸化物を実質的に分解せず、酸素のみを分解する。即ち、第３電気化学セルの電極電流Ｉｍ３は、窒素酸化物の分解に起因する電流を実質的に含まず、酸素の分解に起因する電流のみを含む。一方、第２電気化学セル１２ｃは、第３電気化学セル１３ｃと同じ印加電圧が印加されているにも拘わらず、被検ガス中に含まれる酸素と及び窒素酸化物の両方を分解する。即ち、第２電気化学セルの電極電流Ｉｍ２は、酸素の分解に起因する電流及び窒素酸化物の分解に起因する電流の両方を含む。従って、第３電気化学セル１３ｃの電極電流Ｉｍ３に対応する第３検出値と第２電気化学セル１２ｃの電極電流Ｉｍ２に対応する第２検出値との差をとることにより、被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出することができる。

具体的には、第３装置は、第３電気化学セル１３ｃの第５電極１３ａと第６電極１３ｂとの間に第２除去用電圧（印加電圧Ｖｍ３＝０．４Ｖ）を印加したときの電極電流Ｉｍ３（第３検出値）に基づいて、被検ガス中に含まれる酸素の濃度を精度良く検出することができる。更に、第２電気化学セル１２ｃの第３電極１２ａと第４電極１２ｂとの間に第１除去用電圧（印加電圧Ｖｍ２＝０．４Ｖ）を印加したときの電極電流Ｉｍ２（第２検出値）と、電極電流Ｉｍ３（第３検出値）と、の差異を電流差検出回路８１によって取得し、この差異に基づいて、被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を精度良く検出することができる。このように、第３装置は、被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物の濃度をそれぞれ個別に検出することができる。

更に、上述したように、素子部３０においても、第３電気化学セル１３ｃ及び第２電気化学セル１２ｃによって、内部空間３１内の酸素及び窒素酸化物を除去する。従って、素子部３０においても、第１電気化学セル１１ｃの第１電極１１ａ（陰極）に到達する被検ガス中には酸素及び窒素酸化物が実質的に含まれていない。

即ち、素子部３０においても、たとえ被検ガス中に含まれる酸素及び窒素酸化物の濃度が変化しても、第１電気化学セル１１ｃにおいて検出される電極電流Ｉｍ１への影響を有効に低減することができる。その結果、第３装置においても、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出することができる。

尚、図６に示した例においては、第３電気化学セル１３ｃは、第２固体電解質体１２ｓを第２電気化学セル１２ｃと共有している。しかしながら、第３電気化学セル１３ｃと第２電気化学セル１２ｃ）とは、それぞれ別個の固体電解質体を含んでもよい。

更に、図６に示した例においては、第３電気化学セル１３ｃと第２電気化学セル１２ｃとは互いの近傍に配設されている。しかしながら、第３電気化学セル１３ｃの陰極である第５電極１３ａに到達する被検ガス中に含まれる酸素の濃度と、第２電気化学セル１２ｃの陰極である第３電極１２ａに到達する被検ガス中に含まれる酸素の濃度と、が等しいという条件を満足する限り、これらの電気化学セルの位置関係は特に限定されない。

以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態及び変形例につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態及び変形例に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。

１０、２０及び３０…素子部、１１ａ、１２ａ及び１３ａ…電極（陰極）、１１ｂ、１２ｂ及び１３ｂ…電極（陽極）、１１ｓ及び１２ｓ…第１及び第２固体電解質体、１１ｃ、１２ｃ及び１３ｃ…ポンピングセル（第１乃至第３電気化学セル）、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ及び２１ｆ…第１乃至第６アルミナ層、３１…内部空間、３２…拡散抵抗体、４１…ヒータ、５１及び５２…第１及び第２大気導入路、６１、６２及び６３…電源、７１、７２及び７３…電流計、並びに８１…電流差検出回路。

Claims (12)

1. 酸化物イオン伝導性を有する第１固体電解質体と同第１固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第１電極及び第２電極とを含む第１電気化学セルと、酸化物イオン伝導性を有する第２固体電解質体と同第２固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第３電極及び第４電極とを含む第２電気化学セルと、緻密体と、拡散抵抗部と、を備え、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体と前記緻密体と前記拡散抵抗部とにより画定される内部空間に前記拡散抵抗部を介して被検ガスとしての内燃機関の排気が導入され、前記第１電極が前記内部空間に露呈し且つ前記第２電極が前記内部空間とは異なる空間である第１別空間に露呈し、前記第１電極よりも前記拡散抵抗部に近い位置において前記第３電極が前記内部空間に露呈し且つ前記第４電極が前記内部空間とは異なる空間である第２別空間に露呈するように構成された素子部と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する第１電圧印加部と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流に対応する第１検出値を取得する第１取得部と、
   前記第３電極と前記第４電極との間に電圧を印加する第２電圧印加部と、
   を有するガス濃度検出装置において、
   前記第１電極は、前記第１電極と前記第２電極との間に第１所定電圧以上の電圧を印加したときに前記被検ガス中に含まれる水（Ｈ_２Ｏ）及び硫黄酸化物（ＳＯｘ）を分解させることが可能となるように構成され、
   前記第３電極は、前記第３電極と前記第４電極との間に第２所定電圧以上の電圧を印加したときに前記被検ガス中に含まれる酸素（Ｏ_２）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を分解させることが可能となるように構成され、
   前記第２電圧印加部は、前記第２所定電圧以上の電圧であって、前記第３電極において窒素酸化物の限界電流特性が発現する電圧帯の下限以上であり且つ硫黄酸化物の分解が開始する電圧未満である所定の第１除去用電圧を前記第３電極と前記第４電極との間に印加するように構成され、
   前記第１電圧印加部は、前記第１所定電圧以上の電圧であって、前記第１電極において水の分解が開始する電圧以上の所定の測定用電圧を前記第１電極と前記第２電極との間に印加するように構成され、
   前記第１取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されており且つ前記第１電極と前記第２電極との間に前記測定用電圧が印加されている場合に取得される前記第１検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出するように構成された、
   ガス濃度検出装置。
2. 請求項１に記載のガス濃度検出装置であって、
   前記第１取得部は、前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流の大きさを前記第１検出値として取得するように構成された、
   ガス濃度検出装置。
3. 請求項２に記載のガス濃度検出装置であって、
   前記第１取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されており且つ前記第１電極と前記第２電極との間に前記測定用電圧が印加されている場合に取得される前記第１検出値が小さいほど、前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度をより大きい値として検出するように構成された、
   ガス濃度検出装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のガス濃度検出装置であって、
   前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流に対応する第２検出値を取得する第２取得部を更に有し、
   前記第２取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第２検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出するように構成された、
   ガス濃度検出装置。
5. 請求項１乃至３に記載のガス濃度検出装置であって、
   前記素子部は、酸化物イオン伝導性を有する第３固体電解質体と同第３固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第５電極及び第６電極とを含む第３電気化学セルを更に備え、前記第３電極よりも前記拡散抵抗部に近い位置において前記第５電極が前記内部空間に露呈し、且つ前記第６電極が前記内部空間とは異なる空間である第３別空間に露呈するように構成され、
   前記第５電極と前記第６電極との間に電圧を印加する第３電圧印加部を更に有し、
   前記第５電極は、前記第５電極と前記第６電極との間に第３所定電圧以上の電圧を印加したときに前記被検ガス中に含まれる窒素酸化物を分解させること無く酸素を分解させることが可能となるように構成され、
   前記第３電圧印加部は、前記第３所定電圧以上の電圧であって、前記第５電極において酸素の限界電流特性が発現する電圧帯の下限以上であり且つ硫黄酸化物の分解が開始する電圧未満である所定の第２除去用電圧を前記第５電極と前記第６電極との間に印加するように構成され、
   前記第１取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第２除去用電圧が印加されており且つ前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されており且つ前記第１電極と前記第２電極との間に前記測定用電圧が印加されている場合に取得される前記第１検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出するように構成された、
   ガス濃度検出装置。
6. 請求項５に記載のガス濃度検出装置であって、
   前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流に対応する第２検出値を取得する第２取得部と、
   前記第５電極と前記第６電極との間に流れる電流に対応する第３検出値を取得する第３取得部と、
   を更に有し、
   前記第２取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第２検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出するように構成され、
   前記第３取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第２除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第３検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出するように構成された、
   ガス濃度検出装置。
7. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のガス濃度検出装置であって、
   前記素子部は、酸化物イオン伝導性を有する第３固体電解質体と同第３固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第５電極及び第６電極とを含む第３電気化学セルを更に備え、前記第３電極に到達する被検ガス中に含まれる酸素の濃度に等しい濃度の酸素を含む被検ガスが到達する領域において前記第５電極が前記内部空間に露呈し且つ前記第６電極が前記内部空間とは異なる空間である第３別空間に露呈するように構成され、
   前記第５電極と前記第６電極との間に電圧を印加する第３電圧印加部を更に有し、
   前記第５電極は、前記第５電極と前記第６電極との間に第３所定電圧以上の電圧を印加したときに前記被検ガス中に含まれる窒素酸化物を分解させること無く酸素を分解させることが可能となるように構成され、
   前記第３電圧印加部は、前記第３所定電圧以上の電圧であって、前記第５電極において酸素の限界電流特性が発現する電圧帯の下限以上であり且つ硫黄酸化物の分解が開始する電圧未満である所定の第２除去用電圧を前記第５電極と前記第６電極との間に印加するように構成され、
   前記第１取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第２除去用電圧が印加されており且つ前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されており且つ前記第１電極と前記第２電極との間に前記測定用電圧が印加されている場合に取得される前記第１検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出するように構成された、
   ガス濃度検出装置。
8. 請求項７に記載のガス濃度検出装置であって、
   前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流に対応する第２検出値を取得する第２取得部と、
   前記第５電極と前記第６電極との間に流れる電流に対応する第３検出値を取得する第３取得部と、
   を更に有し、
   前記第３取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第２除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第３検出値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出するように構成され、
   前記第２取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第２除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第３検出値と、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第２検出値と、の差異に基づいて、前記被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を検出するように構成された、
   ガス濃度検出装置。
9. 請求項８に記載のガス濃度検出装置であって、
   前記第３取得部は、前記第５電極と前記第６電極との間に流れる電流の大きさを前記第３検出値として取得し、且つ、前記第５電極と前記第６電極との間に前記第２除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第３検出値が大きいほど、前記被検ガス中に含まれる酸素の濃度をより大きい値として検出するように構成され、
   前記第２取得部は、前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流の大きさを前記第２検出値として取得し、且つ、前記第３電極と前記第４電極との間に前記第１除去用電圧が印加されている場合に取得される前記第２検出値と前記第３検出値との差が大きいほど、前記被検ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度をより大きい値として検出するように構成された、
   ガス濃度検出装置。
10. 請求項５乃至９の何れか１項に記載のガス濃度検出装置であって、
    前記第５電極は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、鉛（Ｐｂ）及び銀（Ａｇ）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む、
    ガス濃度検出装置。
11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載のガス濃度検出装置であって、
    前記第３電極は、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）及びパラジウム（Ｐｄ）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む、
    ガス濃度検出装置。
12. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載のガス濃度検出装置であって、
    前記第１電極は、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）及びパラジウム（Ｐｄ）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む、
    ガス濃度検出装置。

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