JP4784670B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、ガス濃度検出装置に係り、特に、内燃機関から排出される排気ガス中の特定成分の濃度を検出するうえで好適なガス濃度検出装置に関する。

従来、例えば特開２００７−１５５６０５号公報には、内燃機関の排気ガス中の特定検出成分の濃度を検出する排気ガスセンサシステムが開示されている。このシステムでは、２組のセンサセルを備えている。各センサセルは、排気ガス中に露出される拡散抵抗層と該拡散抵抗層に覆われた電極とをそれぞれ備え、該電極表面におけるガス成分比率に応じた出力を発する限界電流式の空燃比センサとしての機能を有している。また、特に一方のセンサセル（第１セル）の拡散抵抗層の表面には、Ｈ_２（水素）成分の分解・反応を促進するための触媒層が設けられている。

このようなシステムにおいて、排気ガス中にＨ_２成分が含まれている場合、第１セルではＨ_２成分が触媒層で反応して消失する。このため、第１セルのセンサ出力は、Ｈ_２成分の影響が排除された出力が検出される。一方、他方のセンサセル（第２セル）では、該触媒層を有していないため、Ｈ_２成分が直接拡散抵抗層内へ侵入する。拡散速度の速いＨ_２成分は、Ｏ_２やＮＯｘ等の酸化剤に比して多量に電極表面へ到達する。このため、第２セルのセンサ出力は、Ｈ_２成分の影響により実際の空燃比よりもリッチな値が検出される。上記従来のシステムでは、この出力差を利用して水素濃度を検出することとしている。

特開２００７−１５５６０５号公報 特開２００４−５３５７９号公報 特開２００３−１４９２０１号公報 特開２００５−２４１５４０号公報 特開２００１−１２４７３０号公報

しかしながら、上記従来のシステムでは、排気ガスがリッチである状況下、すなわち排気ガス中の酸化剤が不足している状況下では、上記触媒層でのＨ_２成分の酸化反応が制限されてしまう。このため、上記システムでは、水素濃度を精度よく検出できる排気ガス環境がリーン時に限定されてしまい、幅広い排気ガス環境に対応することが困難であった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、幅広い排気ガス環境において、排気ガス中の水素濃度を精度よく検出することが可能なガス濃度検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、ガス濃度検出装置であって、
固体電解質体と、前記固体電解質体の表面に形成され被測定ガス中に露出される第１の電極と、前記第１の電極と対向するように前記固体電解質体の背面に形成され大気中に露出される第２の電極と、前記第１の電極を覆うように形成された拡散抵抗層と、を備え、前記第１の電極の表面に到達した還元剤と酸化剤とのガス成分比率に応じたセンサ電流を出力する第１センサと、
第２固体電解質体と、前記第２固体電解質体の表面に形成され被測定ガス中に露出される第１ポンプ電極と、前記第１ポンプ電極と対向するように前記第２固体電解質体の背面に形成されガス室中に露出される第２ポンプ電極と、を有し、被測定ガスの一部を前記ガス室内に隔離して酸素の汲み込みまたは汲み出しを行うポンプセルと、第３固体電解質体と、前記第３固体電解質体の表面に形成され前記ガス室中に露出される第１センサ電極と、前記第１センサ電極と対向するように前記第３固体電解質体の背面に形成され大気中に露出される第２センサ電極と、を有し、前記ガス室内の酸素分圧と大気中の酸素分圧との比率に応じた起電力を発するセンサセルと、前記ガス室内を前記第１センサ電極が露出している側と前記第２ポンプ電極が露出している側とに隔てる第２拡散抵抗層と、を備え、前記センサセルの起電力が所定値となるように前記ポンプセルを作動させた場合の該ポンプセルの電流値をセンサ電流として出力する第２センサと、
前記第１センサのセンサ電流と前記第２センサのセンサ電流との出力差に基づいて、被測定ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
被測定ガスの温度を取得する温度取得手段を更に備え、
前記水素濃度検出手段は、取得した温度が高いほど前記センサ電流の出力差に対応する水素濃度が高くなるように補正を行う補正手段を含むことを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
被測定ガスの背圧を取得する背圧取得手段を更に備え、
前記水素濃度検出手段は、取得した背圧が高いほど、前記センサ電流の出力差に対応する水素濃度が高くなるように補正を行う第２の補正手段を含むことを特徴とする。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記拡散抵抗層および前記第２拡散抵抗層は、前記第１センサ電極の表面に到達するガスの温度および背圧が前記第１の電極の表面に到達するガスのそれと同等となるように、ガス拡散特性がそれぞれ調整されていることを特徴とする。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記第１センサと前記第２センサとは一体に形成されていることを特徴とする。

被測定ガス中に含まれる水素（Ｈ_２）成分は、他の成分に比して、特に、Ｏ_２やＮＯｘなどの酸化剤に比して拡散速度が速いという特性を有している。このため、第１センサの拡散層表面にＨ_２とＯ_２とがバランスの取れた割合で存在している場合であっても、該拡散層で覆われた電極の表面には、Ｈ_２がＯ_２に比して多量に到達する。この結果、第１センサに生ずるセンサ電流は、このＨ_２成分の影響により、被測定ガスの実際の空燃比に対してリッチ側にシフトした値となる。一方、第２センサでは、ポンプセルが酸素の汲み込みまたは汲み出しを行うことによって、ガス室内へ取り込まれた被測定ガスが所定の酸素過剰率となるように調整される。このため、Ｏ_２成分が少ないリッチガスが該ガス室内に取り込まれた場合であっても、Ｈ_２成分を平衡化する能力を高く保つことができる。したがって、第２センサに生ずるセンサ電流は、Ｈ_２成分の影響を受けることなく、常に被測定ガスの実際の空燃比に対応した値となる。

つまり、第１の発明によれば、被測定ガス中にＨ_２成分が含まれている影響が、第１センサのセンサ電流値のみに反映される。このため、第１センサのセンサ電流値と第２センサのセンサ電流値との出力差は、被測定ガス中のＨ_２成分の濃度と相関を有するものとなる。このため、本発明によれば、両センサの出力差に基づいて、被測定ガス中の水素濃度を精度よく検出することができる。これにより、被測定ガスの空燃比状態に影響されることなく、幅広い排気ガス環境において水素濃度を常に精度よく検出することができる。

被測定ガス中の水素濃度が同じであっても、該被測定ガスの温度、背圧等の条件が異なれば、第１センサのセンサ電流と第２センサのセンサ電流との出力差も変化する。第２の発明によれば、被測定ガスの状態量に基づいて、かかる出力差と水素濃度との関係が補正される。このため、本発明によれば、被測定ガスの状態によらず、水素濃度を精度よく検出することができる。
また、本発明によれば、被測定ガスの温度が高いほど、該出力差に対応する水素濃度が高くなるように補正される。このため、本発明によれば、被測定ガスの温度によらず、水素濃度を精度よく検出することができる。

被測定ガス中の水素濃度が同じであっても、該被測定ガスの温度、背圧等の条件が異なれば、第１センサのセンサ電流と第２センサのセンサ電流との出力差も変化する。第３の発明によれば、被測定ガスの状態量に基づいて、かかる出力差と水素濃度との関係が補正される。このため、本発明によれば、被測定ガスの状態によらず、水素濃度を精度よく検出することができる。
また、本発明によれば、被測定ガスの背圧が高いほど、該出力差に対応する水素濃度が高くなるように補正される。このため、本発明によれば、被測定ガスの背圧によらず、水素濃度を精度よく検出することができる。

第４の発明によれば、第１センサの第１の電極表面に到達する被測定ガスの温度および背圧と、第２センサのセンサセルの第１センサ電極表面に到達する被測定ガスの温度および背圧とが同等になるように、拡散抵抗層および第２拡散抵抗層の拡散特性が調整される。このため、本発明によれば、被測定ガスの温度および背圧に対する依存性を、第１センサと第２センサとで同等にすることができるので、各センサ毎に特別な補正を行うことなく、水素濃度を検出することができる。

第５の発明によれば、第１センサと第２センサとが一体化されているので、部品点数の削減に伴う製造コストの低減を図ることができる。

本実施の形態に係るガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態において実行されるルーチンのフローチャートである。 センサ電流差ｉ_Ｈ２とＨ_２濃度との関係を示すマップである。 センサ電流ｉ２と空燃比Ａ／Ｆとの関係を示すマップである。 ガス濃度検出装置１０の構造の変形例を示す図である。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
先ず、図１を参照して、本実施の形態に係るガス濃度検出装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係るガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。より具体的には、図１（Ａ）は、ガス濃度検出装置１０の断面図である。また、図１（Ｂ）は、ガス濃度検出装置１０を図１（Ａ）中のＢの方向から見た図である。図１に示すガス濃度検出装置１０は、例えば、内燃機関（エンジン）から排出された排ガス中の水素成分（Ｈ２）の濃度を検出する水素濃度検出装置である。

図１（Ｂ）に示すとおり、ガス濃度検出装置１０は、センサ１とセンサ２とで構成されている。センサ１およびセンサ２は、何れも排気ガスの空燃比に応じた電流値をリニアに検出する空燃比センサとして機能する。以下、各センサの構成について詳細に説明する。

先ず、図１を参照して、センサ２の詳細な構成について詳細に説明する。センサ２は、ポンプセル３、スペーサ４、センサセル５、スペーサ６、およびヒータ７を順次積層することにより形成されている。ポンプセル３は、該ポンプセル３を介して酸素の汲み出しあるいは汲み込みを行う機能を有し、固体電解質体３１と、該固体電解質体３１を挟むように配置された第１ポンプ電極３２および第２ポンプ電極３３を有している。素子である固体電解質体３１は、酸素イオン導電性を有しており、例えば、シート状に成形されたＺｒＯ_２，ＨｆＯ_２，ＴｈＯ_２，ＢｉＯ_３等が使用される。この固体電解質体３１を挟むように配置された第１ポンプ電極３２および第２ポンプ電極３３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。

固体電解質体３１の表面に形成された第１ポンプ電極３２は、被測定ガスである排ガスが存在する空間、すなわち、エンジンの排気通路内に露出している。第１ポンプ電極３２としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

一方、第１ポンプ電極３２と対向するように固体電解質体３１の背面に形成された第２ポンプ電極３３は、後述する第１内部空間４１に露出している。第２ポンプ電極３３としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

ポンプセル３には、固体電解質体３１、第１ポンプ電極３２、および第２ポンプ電極３３を貫通する導入孔としてのピンホール３４が形成されている。ピンホール３４の孔径は、ピンホール３４を介して、後述する第１内部空間４１に導入される排ガスの拡散速度が所定速度となるように設計されている。第１内部空間４１は、ピンホール３４と後述する多孔質保護層８１とを介して、被測定ガスが存在する空間に連通している。

また、固体電解質体３１の第１ポンプ電極３２側には、ピンホール３４を含む第１ポンプ電極３２の表面とその周辺を覆うように、多孔質保護層８１が形成されている。多孔質保護層８１は、例えば、多孔質アルミナ等により形成することができる。この多孔質保護層８１により、第１ポンプ電極３２の被毒を防止することができるとともに、排ガスに含まれるスス等によるピンホール３４の目詰まりを防止することができる。

スペーサ４には、上述した第１内部空間４１と、第２内部空間４２とが形成されている。２つの内部空間４１，４２は拡散抵抗層４３を介して連通している。拡散抵抗層４３は、例えば、多孔質アルミナ等により形成することができる。

センサセル５は、固体電解質体５１と、該固体電解質体５１を挟むように配置された第１センサ電極５２および第２センサ電極５３を有している。第１センサ電極５２および第２センサ電極５３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。

固体電解質体５１の表面に形成された第１センサ電極５２は、第２内部空間４２に露出している。この第１センサ電極５２としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

一方、第１センサ電極５２と対向するように、固体電解質体５１の背面に形成された第２センサ電極５３は、スペーサ６に形成された大気ダクト６１に露出している。大気ダクト６１には、大気が導入される。この第２センサ電極５３としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。大気ダクト６１は、スペーサ６に切り欠きを設けることにより形成することができる。

ヒータ７は、シート状の絶縁層７２，７３と、これらの絶縁層７２，７３の間に埋設されたヒータ電極７１とを有している。絶縁層７２，７３は、例えば、アルミナ等のセラミックスにより形成される。ヒータ電極７１は、例えば、Ｐｔとアルミナ等のセラミックスとのサーメットにより形成される。

次に、センサ１の構成について詳細に説明する。センサ１は、センサセル９、スペーサ６、およびヒータ７を順次積層することにより、センサ２と一体に形成されている。センサセル９は、上述した固体電解質体３１と、該固体電解質体３１を挟むように配置された第１センサ電極９２および第２センサ電極９３を有している。第１センサ電極９２および第２センサ電極９３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。

固体電解質体３１の表面に形成された第１センサ電極９２は、被測定ガスである排ガスが存在する空間、すなわち、エンジンの排気通路内に露出している。第１センサ電極９２としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

一方、第１センサ電極９２と対向するように固体電解質体３１の背面に形成された第２センサ電極９３は、上述した大気ダクト６１に露出している。この第２センサ電極９３としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

また、固体電解質体３１の第１センサ電極９２側には、該第１センサ電極９２の表面とその周辺を覆うように、多孔質からなる拡散抵抗層８２が形成されている。拡散抵抗層８２は、例えば、多孔質アルミナ等により形成することができる。この拡散抵抗層８２により、第１センサ電極９２の被毒を防止することができる。尚、該拡散抵抗層８２の気孔率、気孔径分布、電極に対する比表面積等は、拡散抵抗層４３との関係で決定される。より具体的には、第１センサ電極９２の表面に到達する排気ガスの状態（温度、背圧等）が、第１センサ電極５２の表面に到達する排気ガスのそれと同等になるように、換言すれば、各電極に対する拡散抵抗層の拡散距離、比表面積が同比率になるように、これらの拡散抵抗層の厚さ、堆積等が調整されている。

［実施の形態の動作］
（センサ１の動作原理）
先ず、センサ１の動作原理について説明する。センサ１は、所謂１セル方式の限界電流式の空燃比センサとして機能する。すなわち、拡散抵抗層８２は、排気通路の内部で排気ガスに晒された状態で用いられる。そして、排気ガス中の各種成分は、拡散抵抗層８２の表面に達した後、拡散によりそれらの内部を進行する。

排気ガス中には、ＣＯ、Ｈ_２、ＨＣ等の還元剤と、Ｏ_２、ＮＯｘ等の酸化剤が含まれている。それらの成分は、第１センサ電極９２や第２センサ電極９３の表面に到達する過程、および到達後の燃焼により完全に反応し合う。理論空燃比が実現されている場合は、酸化剤と還元剤とが共に消滅する。これに対して、空燃比がリッチである場合は還元剤が残存し、空燃比がリーンである場合は酸化剤が残存する事態が生ずる。

センサセル９は、第２センサ電極９３から第１センサ電極９２に向かう電圧が印加されている場合、第１センサ電極９２側に残存する酸素を第２センサ電極９３側へポンピングする。他方、第１センサ電極９２側に還元剤が残存している場合は、その還元剤を消失させるために必要な酸素を第２センサ電極９３側から第１センサ電極９２側へポンピングする。このため、センサセル９には、第１センサ電極９２の表面に到達した還元剤と酸化剤との比率、すなわちその表面における空燃比に応じたセンサ電流ｉ１が生じる。センサ１は、かかるセンサ電流ｉ１に基づいて、排気ガスの空燃比を検出する。

（センサ２の動作原理）
次に、センサ２の動作原理について説明する。センサ２は、所謂２セル方式の限界電流式の空燃比センサとして機能する。すなわち、多孔質保護層８１は、排気通路の内部で排気ガスに晒された状態で用いられる。上述したとおり、排気ガス中には、還元剤と酸化剤とが含まれている。そして、排気ガス中の各種成分は、多孔質保護層８１の表面に達した後、拡散によりそれらの内部を進行し、ピンホール３４を介して、第１内部空間４１に導入される。この第１内部空間４１に導入される排気ガス量は、多孔質保護層８１およびピンホール３４の拡散抵抗により決定される。

後述するポンプセル３によって、酸素の汲み出しまたは汲み込みが行われた排気ガスは、拡散抵抗層４３内を拡散して第２内部空間４２へ導入される。センサセル５では、第２内部空間４２内の酸素分圧と大気ダクト６１の酸素分圧との比率に応じた起電力Ｖｓが生じる。センサ２では、この起電力Ｖｓが所定の基準電圧Ｖｃとなるように、すなわち第１内部空間４１および第２内部空間４２内の空燃比が一定となるように、ポンプセル３にセンサ電流ｉ２を流すように構成されている。より具体的には、第１内部空間４１へ導入された排気ガスの空燃比が理論空燃比である場合のセンサ電流ｉ２がゼロとなり、空燃比がリーンである場合には、該第１内部空間４１内から酸素を汲み出すようにセンサ電流ｉ２（ｉ２＞０）が流れ、反対に排気ガスの空燃比がリッチである場合には、該第１内部空間４１内へ酸素を汲み込むようにセンサ電流ｉ２（ｉ２＜０）が流れるように調整されている。したがって、センサ２は、かかるセンサ電流ｉ２に基づいて、排気ガスの空燃比を検出する。

（水素濃度の検出原理）
次に、本実施の形態のガス濃度検出装置１０を用いた水素濃度検出原理について説明する。排気ガス中に含まれるＨ_２成分は、他の成分に比して、特に、Ｏ_２やＮＯｘなどの酸化剤に比して、拡散速度が早いという特性を有している。このため、例えば、拡散抵抗層８２の表面に、Ｈ_２とＯ_２とがバランスの取れた割合で存在していたとすれば、第１センサ電極９２の表面には、Ｈ_２がＯ_２に比して多量に到達することとなる。

第１センサ電極９２の表面に、還元剤であるＨ_２が、酸化剤であるＯ_２より多量に到達すれば、その表面付近において還元剤が過多となり、その付近の空燃比はリッチとなる。したがって、この場合、排気ガスの空燃比が理論空燃比であるにも関わらず、センサセル９のセンサ電流ｉ１は、Ｈ_２成分の影響によって、空燃比がリッチであることを表す電流値になってしまう。

これに対し、センサ２では、Ｏ_２成分が少ないリッチガスが第１内部空間へ導入された場合であっても、ポンプセル３のポンピング作用により、該空間内のＯ_２成分が所定比率（理論空燃比）となるまで補われる。つまり、該空間内は、導入される排気ガスの空燃比によらず常に一定のＯ_２比率に維持されるので、該空間内のＨ_２成分を平衡化する能力を常に高く維持することができる。

このようなセンサ２によれば、第１内部空間４１へ導入された排気ガス中のＨ_２成分は、拡散抵抗層４３内を拡散して第２内部空間４２へ導入される過程で消失する。このため、第１センサ電極５２の表面には、Ｈ_２成分とＯ_２成分との平衡反応後の排気ガスが到達し、センサセル５の出力は、排気ガス中のＨ_２成分の影響が排除された値となる。上述したとおり、ポンプセル３のセンサ電流ｉ２は、センサセル５の出力のフィードバックに基づいて設定される。したがって、センサ電流ｉ２は、排気ガス中のＨ_２成分の影響を受けず、正確な空燃比を表す電流値となる。

このように、排気ガスにＨ_２成分が含まれている影響が、センサ１のセンサ電流値ｉ１のみに反映される。そして、その影響は、排気ガス中のＨ_２濃度が高いほど大きなものとなる。この場合、センサ１のセンサ電流ｉ１とセンサ２のセンサ電流ｉ２との差は、排気ガス中のＨ_２成分の濃度と相関を有するものとなる。したがって、本実施の形態のガス濃度検出装置１０では、これらのセンサ電流の差ｉ_Ｈ２＝｜ｉ１−ｉ２｜に基づいて、Ｈ_２濃度を精度よく検出することができる。

尚、センサ電流の差ｉ_Ｈ２とＨ_２濃度との関係は排気ガスの状態量によって変化する。このため、センサ電流の差ｉ_Ｈ２をこれらの状態量で補正することで、Ｈ_２濃度の検出精度を更に向上させることができる。より具体的には、第１センサ電極５２の表面および第１センサ電極９２の表面に到達した排気ガスの温度が高いほど、或いはこれらの排気ガスの背圧が高いほど、センサ電流の差ｉ_Ｈ２が大きくなるように補正することとする。これにより、排気ガスの状態によらず、Ｈ_２濃度を精度よく検出することができる。

［実施の形態における具体的処理］
次に、図２乃至図４を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図２は、本実施の形態のガス濃度検出装置が排気ガスの空燃比およびＨ_２濃度を検出するルーチンのフローチャートである。

図２に示すルーチンでは、先ず、ガス濃度検出の実行条件が成立しているか否かが判定される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、エンジンのイグニッション（ＩＧ）がＯＮされているか、エンジンが始動されているか、ガス濃度検出装置１０のセンサが活性しているか等のガス濃度検出の前提となる条件の成立有無が判定される。その結果、実行条件が成立していないと判定された場合には、ガス濃度検出を行うことができないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１００において、ガス濃度検出の実行条件の成立が判定された場合には、次のステップに移行し、センサセル９のセンサ電流ｉ１およびポンプセル３のセンサ電流ｉ２がそれぞれ検出される（ステップ１０２）。次に、上記ステップ１０２において検出されたセンサ電流ｉ１およびｉ２を用いて、センサ電流の差ｉ_Ｈ２（＝｜ｉ１−ｉ２｜）が算出される(ステップ１０４)。

次に、Ｈ_２濃度が取得される（ステップ１０６）。図３は、センサ電流差ｉ_Ｈ２とＨ_２濃度との関係を示すマップである。システムは図３に示すマップを記憶している。ここでは、具体的には、かかるマップに従って、センサ電流差ｉ_Ｈ２に対応するＨ_２濃度が特定される。

次に、空燃比Ａ／Ｆが取得される（ステップ１０８）。図４は、センサ電流ｉ２と空燃比Ａ／Ｆとの関係を示すマップである。システムは図４に示すマップを記憶している。ここでは、具体的には、かかるマップに従って、センサ電流ｉ２に対応する空燃比が特定される。

以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、酸素成分が少ない排気ガスであっても、センサ電流ｉ２は該排気ガス中のＨ_２成分の影響が排除された値となる。このため、排気ガスの空燃比状態によらず、常に正確なＨ_２濃度を検出することができる。

また、本実施の形態のシステムによれば、センサ１およびセンサ２は通常の空燃比センサとしても機能する。特に、センサ２はその出力からＨ_２成分の影響が排除されている。このため、センサ２のセンサ電流ｉ２を用いることで、Ｈ_２等の共存ガスの影響が排除された正確な空燃比を検出することができる。

ところで、上述した実施の形態のガス濃度検出装置１０の構造は、図１に示すとおり、センサ１とセンサ２とが縦列に一体化された構造となっているが、該ガス濃度検出装置１０の構造はこれに限られない。すなわち、センサ１とセンサ２とが近接して配置されているのであれば、これらのセンサが並列に一体化された構造としてもよいし、また、これらのセンサが一体化されずに、単に近接して配置される構造でもよい。

図５は、ガス濃度検出装置１０の構造の変形例を示す図である。尚、図５中（Ａ）は、該ガス濃度検出装置１０を積層方向から見た図を、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるＢ−Ｂの断面図を、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）におけるＣ−Ｃの断面図を、それぞれ示している。また、図５において上述した図１と共通する要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。図５に示すとおり、このガス濃度検出装置１０は、センサ１とセンサ２とが並列に一体化されている。このような構造にすることで、図１に示すガス濃度検出装置と同様に、センサ１とセンサ２とを一体化することができる。

また、本実施の形態のガス濃度検出装置１０では、第１センサ電極９２の表面に到達する排気ガスのガス拡散影響と、第１センサ電極５２の表面に到達する排気ガスのそれとが同等になるように、拡散抵抗層８２，４３の気孔率等を調整し、センサ電流ｉ１およびｉ２を検出する際の排気ガスの条件を揃えることとしている。しかしながら、センサ電流検出時の排気ガスの条件を揃える方法はこれに限られない。すなわち、各センサ電極９２，５２に到達する排気ガスのガス拡散影響の差分を、センサ電流ｉ１，ｉ２或いはこれらのセンサ電流の差ｉ_Ｈ２を補正することにより排除する構成としてもよい。

尚、上述した実施の形態においては、拡散抵抗層８２が前記第１の発明における「拡散抵抗層」に、第１センサ電極９２が前記第１の発明における「第１の電極」に、固体電解質体３１が前記第１の発明における「固体電解質体」に、第２センサ電極９３が前記第１の発明における「第２の電極」に、センサ１が前記第１の発明における「第１センサ」に、内部空間４１，４２が前記第１の発明における「ガス室」に、ポンプセル３が前記第１の発明における「ポンプセル」に、第１ポンプ電極３２が前記第１の発明における「第１ポンプ電極」に、固体電解質体３１が前記第１の発明における「第２固体電解質体」に、第２ポンプ電極３３が前記第１の発明における「第２ポンプ電極」に、センサセル５が前記第１の発明における「センサセル」に、第１センサ電極５２が前記第１の発明における「第１センサ電極」に、固体電解質体５１が前記第１の発明における「第３固体電解質体」に、第２センサ電極５３が前記第１の発明における「第２センサ電極」に、拡散抵抗層４３が前記第１の発明における「第２拡散抵抗層」に、センサ２が前記第１の発明における「第２センサ」に、それぞれ相当するとともに、システムが上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「水素濃度検出手段」が実行されている。

１ センサ
２ センサ
３ ポンプセル
４ スペーサ
５ センサセル
６ スペーサ
７ ヒータ
９ センサセル
１０ ガス濃度検出装置
３１ 固体電解質体
３２ 第１ポンプ電極
３３ 第２ポンプ電極
３４ ピンホール
４１ 第１内部空間
４２ 第２内部空間
４３ 拡散抵抗層
５１ 固体電解質体
５２ 第１センサ電極
５３ 第２センサ電極
６１ 大気ダクト
７１ ヒータ電極
７２，７３ 絶縁層
８１ 多孔質保護層
８２ 拡散抵抗層
９２ 第１センサ電極
９３ 第２センサ電極

Claims (5)

1. 固体電解質体と、前記固体電解質体の表面に形成され被測定ガス中に露出される第１の電極と、前記第１の電極と対向するように前記固体電解質体の背面に形成され大気中に露出される第２の電極と、前記第１の電極を覆うように形成された拡散抵抗層と、を備え、前記第１の電極の表面に到達した還元剤と酸化剤とのガス成分比率に応じたセンサ電流を出力する第１センサと、
   第２固体電解質体と、前記第２固体電解質体の表面に形成され被測定ガス中に露出される第１ポンプ電極と、前記第１ポンプ電極と対向するように前記第２固体電解質体の背面に形成されガス室中に露出される第２ポンプ電極と、を有し、被測定ガスの一部を前記ガス室内に隔離して酸素の汲み込みまたは汲み出しを行うポンプセルと、第３固体電解質体と、前記第３固体電解質体の表面に形成され前記ガス室中に露出される第１センサ電極と、前記第１センサ電極と対向するように前記第３固体電解質体の背面に形成され大気中に露出される第２センサ電極と、を有し、前記ガス室内の酸素分圧と大気中の酸素分圧との比率に応じた起電力を発するセンサセルと、前記ガス室内を前記第１センサ電極が露出している側と前記第２ポンプ電極が露出している側とに隔てる第２拡散抵抗層と、を備え、前記センサセルの起電力が所定値となるように前記ポンプセルを作動させた場合の該ポンプセルの電流値をセンサ電流として出力する第２センサと、
   前記第１センサのセンサ電流と前記第２センサのセンサ電流との出力差に基づいて、被測定ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
   を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 被測定ガスの温度を取得する温度取得手段を更に備え、
   前記水素濃度検出手段は、取得した温度が高いほど前記センサ電流の出力差に対応する水素濃度が高くなるように補正を行う補正手段を含むことを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装置。
3. 被測定ガスの背圧を取得する背圧取得手段を更に備え、
   前記水素濃度検出手段は、取得した背圧が高いほど、前記センサ電流の出力差に対応する水素濃度が高くなるように補正を行う第２の補正手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載のガス濃度検出装置。
4. 前記拡散抵抗層および前記第２拡散抵抗層は、前記第１センサ電極の表面に到達するガスの温度および背圧が前記第１の電極の表面に到達するガスのそれと同等となるように、ガス拡散特性がそれぞれ調整されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のガス濃度検出装置。
5. 前記第１センサと前記第２センサとは一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載のガス濃度検出装置。

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