(57)【要約】【課題】検出精度に優れた水素ガス濃度検出システム、及びこれを有するガスセンサ素子を提供すること。【解決手段】水素ガス濃度検出システム１は、第一固体電解質体２１１と第一測定電極２１２と第一基準電極２１３と第一被測定ガス室２１４と第一拡散抵抗層２１５とを有する第一電気化学セル２１と、第一出力電流値Ｉ１を検出する第一電流検出手段２２と、第二固体電解質体３１１と第二測定電極３１２と第二基準電極３１３と第二被測定ガス室３１４と第二拡散抵抗層３１５と触媒層３１６とを有する第二電気化学セル３１と、第二出力電流値Ｉ２を検出する第二電流検出手段３２と、第一基準電流値ａと第二基準電流値ｂと基準セル電流値ｃとを下記の式（１）に代入して得られる水素ガス出力電流値ΔＩから被測定ガス中の水素ガス濃度を検出するコントロールユニットと、を備える。  ΔＩ＝ｃ×Ｉ２／ｂ−ｃ×Ｉ１／ａ      ・・・（１）【選択図】図１
2010249795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性の第一固体電解質体と、この第一固体電解質体の一方の面に配される第一測定電極と、上記第一固体電解質体の他方の面に配される第一基準電極と、被測定ガスを導入する第一被測定ガス室と、上記第一固体電解質体における上記第一測定電極が配設された面に積層されるとともに上記第一被測定ガス室を内側に形成する第一拡散抵抗層と、を有する第一電気化学セルと、
上記第一測定電極と上記第一基準電極との間に電圧を印加して上記第一測定電極と上記第一基準電極との間に流れる出力電流値を検出する第一電流検出手段と、
酸素イオン伝導性の第二固体電解質体と、この第二固体電解質体の一方の面に配される第二測定電極と、上記第二固体電解質体の他方の面に配される第二基準電極と、上記第一被測定ガス室と物理的に分離された状態で配置されるとともに上記被測定ガスを導入する第二被測定ガス室と、上記第二固体電解質体における上記第二測定電極が配設された面に積層されるとともに上記第二被測定ガス室を内側に形成する第二拡散抵抗層と、この第二拡散抵抗層を覆うとともに上記被測定ガス中の水素ガスを燃焼させる触媒層と、を有する第二電気化学セルと、
上記第二測定電極と上記第二基準電極との間に電圧を印加して上記第二測定電極と上記第二基準電極との間に流れる出力電流値を検出する第二電流検出手段と、
上記被測定ガス中において上記第一電流検出手段にて測定される第一出力電流値Ｉ１と、上記被測定ガス中において上記第二電流検出手段にて測定される第二出力電流値Ｉ２と、あらかじめ定めた酸素濃度となっている基準酸素濃度ガス雰囲気において上記第一電流検出手段にて測定される第一基準電流値ａと、上記基準酸素濃度ガス雰囲気において上記第二電流検出手段にて測定される第二基準電流値ｂと、上記基準酸素濃度ガス雰囲気において基準セルにて測定される基準セル電流値ｃと、を下記の式（１）に代入して得られる水素ガス出力電流値ΔＩから上記被測定ガス中の水素ガス濃度を検出するコントロールユニットと、を備え、
上記基準セルは、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に配される測定電極と、上記固体電解質体の他方の面に配される基準電極と、被測定ガスを導入する被測定ガス室と、上記固体電解質体における上記測定電極が配設された面に積層されるとともに上記被測定ガス室を内側に形成する拡散抵抗層とを有することを特徴とする水素ガス濃度検出システム。
ΔＩ＝ｃ×Ｉ２／ｂ−ｃ×Ｉ１／ａ      ・・・（１）
【請求項２】
請求項１において、上記第一出力電流値Ｉ１又は上記第二出力電流値Ｉ２から上記被測定ガス中の酸素濃度を検出し、この検出された酸素濃度を用いて水素ガス濃度の検出値を補正することを特徴とする水素ガス濃度検出システム。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記被測定ガスを排出する内燃機関の運転中又は運転間に存在する上記第一電気化学セル及び上記第二電気化学セルが上記基準酸素濃度ガス雰囲気に曝される機会ごとに、上記第一電流検出手段及び上記第二電流検出手段によって上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを測定すると共に、上記コントロールユニットに記憶された上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを書き換えることを特徴とする水素ガス濃度検出システム。
【請求項４】
請求項３において、上記内燃機関を停止した後、上記第一電気化学セル及び第二電気化学セルの周囲の雰囲気が大気に置換されたとき、上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを測定すると共に、上記コントロールユニットに記憶された上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを書き換えることを特徴とする水素ガス濃度検出システム。
【請求項５】
請求項３又は４において、上記内燃機関の運転中におけるフューエルカット作動中に、上記第一電気化学セル及び上記第二電気化学セルの周囲の雰囲気が大気に置換されたとき、上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを測定すると共に、上記コントロールユニットに記憶された上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを書き換えることを特徴とする水素ガス濃度検出システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、上記基準酸素濃度ガス雰囲気は、大気であることを特徴とする水素ガス濃度検出システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項において、上記第一出力電流値Ｉ１は、上記第一測定電極と上記第一基準電極とに所定の電圧を印加して被測定ガス濃度を検出する限界電流値であり、
上記第二出力電流値Ｉ２は、上記第二測定電極と上記第二基準電極とに所定の電圧を印加して被測定ガス濃度を検出する限界電流値であることを特徴とする水素ガス濃度検出システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項において、上記触媒層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｇのうち少なくともいずれか一種類を含有することを特徴とする水素ガス濃度検出システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項において、上記第一被測定ガス室内の酸素濃度に依存した起電力を発生する第三電気化学セルと、上記第二被測定ガス室内の酸素濃度に依存した起電力を発生する第四電気化学セルとを有し、
上記第三電気化学セル及び上記第四電気化学セルの起電力が一定の値となるように、上記第一電気化学セル及び上記第二電気化学セルへの印加電圧をそれぞれ制御可能に構成されていることを特徴とする水素ガス濃度検出システム。
【請求項１０】
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子であって、請求項１〜９のいずれか一項に記載の水素ガス濃度検出システムを有することを特徴とするガスセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定ガス中の水素ガス濃度を検出する検出システム、及びこれを有するガスセンサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車等の内燃機関の排気系等に設置されるガスセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このガスセンサは、以下の第一電気化学セルと、第二電気化学セルと、を有するガスセンサ素子を内蔵している。
上記第一電気化学セルは、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、この固体電解質体の一方の面に配される第一測定電極と、上記固体電解質体の他方の面に配される第一基準電極と、上記被測定ガスを導入する第一被測定ガス室と、上記固体電解質体における上記第一測定電極が配設された面に積層されるとともに上記第一被測定ガス室を内側に形成する第一拡散抵抗層とを有する。
【０００３】
また、上記第二電気化学セルは、上記第一電気化学セルと共有する上記固体電解質体の一方の面に配される第二測定電極と、上記固体電解質体の他方の面に配される第二基準電極と、上記第一被測定ガス室と物理的に分離された状態で形成されるとともに上記被測定ガスを導入する第二被測定ガス室と、上記固体電解質体における上記第二測定電極が配設された面に積層されるとともに上記第二被測定ガス室を内側に形成する第二拡散抵抗層と、この第二拡散抵抗層を覆うとともに上記被測定ガス中の水素ガスを燃焼させる触媒層とを有する。
【０００４】
かかる従来のガスセンサにおいて、被測定ガス中に水素ガス及び酸素ガスが存在する状況下では、以下のような反応が生じている。すなわち、上記第二電気化学セルでは上記触媒層で水素ガスが燃焼し、残りの酸素ガスが上記第二拡散抵抗層を通過して上記第二測定電極に到達するのに対し、上記第一電気化学セルでは水素ガス及び酸素ガスが上記第一拡散抵抗層のみを通過して上記第一測定電極にて燃焼する。その結果、上記第一電気化学セルに流れる電流値Ｉ１と、上記第二電気化学セルに流れる電流値Ｉ２とに水素ガス濃度に基づく電流値の差ΔＩが生じる。そして、かかる電流値の差ΔＩ（ΔＩ＝Ｉ１−Ｉ２）から被測定ガス中の水素ガス濃度を検出していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５５６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来のガスセンサ素子においては、以下の問題点があった。
すなわち、寸法公差などにより、上記第一電気化学セルの拡散抵抗と、上記第二電気化学セルの拡散抵抗とを全く同じにすることはきわめて困難である。そしてこのため、上記被測定ガス中の酸素濃度に起因して上記第一電気化学セル及び上記第二電気化学セルにおける水素ガス及び酸素ガスの反応性がそれぞれ変化し、被測定ガス中の酸素濃度に依存した誤差が生じるという問題があった。
そのため、従来のガスセンサ素子では、被測定ガス中の水素ガス濃度を精度よく検出できているとは言いがたかった。
【０００７】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、電気化学セルどうしの拡散抵抗差の影響を受けることなく水素ガス濃度を精度よく検出することのできる水素ガス濃度検出システム、及びこれを有するガスセンサ素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第一の発明は、酸素イオン伝導性の第一固体電解質体と、この第一固体電解質体の一方の面に配される第一測定電極と、上記第一固体電解質体の他方の面に配される第一基準電極と、被測定ガスを導入する第一被測定ガス室と、上記第一固体電解質体における上記第一測定電極が配設された面に積層されるとともに上記第一被測定ガス室を内側に形成する第一拡散抵抗層と、を有する第一電気化学セルと、
上記第一測定電極と上記第一基準電極との間に電圧を印加して上記第一測定電極と上記第一基準電極との間に流れる出力電流値を検出する第一電流検出手段と、
酸素イオン伝導性の第二固体電解質体と、この第二固体電解質体の一方の面に配される第二測定電極と、上記第二固体電解質体の他方の面に配される第二基準電極と、上記第一被測定ガス室と物理的に分離された状態で配置されるとともに上記被測定ガスを導入する第二被測定ガス室と、上記第二固体電解質体における上記第二測定電極が配設された面に積層されるとともに上記第二被測定ガス室を内側に形成する第二拡散抵抗層と、この第二拡散抵抗層を覆うとともに上記被測定ガス中の水素ガスを燃焼させる触媒層と、を有する第二電気化学セルと、
上記第二測定電極と上記第二基準電極との間に電圧を印加して上記第二測定電極と上記第二基準電極との間に流れる出力電流値を検出する第二電流検出手段と、
上記被測定ガス中において上記第一電流検出手段にて測定される第一出力電流値Ｉ１と、上記被測定ガス中において上記第二電流検出手段にて測定される第二出力電流値Ｉ２と、あらかじめ定めた酸素濃度となっている基準酸素濃度ガス雰囲気において上記第一電流検出手段にて測定される第一基準電流値ａと、上記基準酸素濃度ガス雰囲気において上記第二電流検出手段にて測定される第二基準電流値ｂと、上記基準酸素濃度ガス雰囲気において基準セルにて測定される基準セル電流値ｃと、を下記の式（１）に代入して得られる水素ガス出力電流値ΔＩから上記被測定ガス中の水素ガス濃度を検出するコントロールユニットと、を備え、
上記基準セルは、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に配される測定電極と、上記固体電解質体の他方の面に配される基準電極と、被測定ガスを導入する被測定ガス室と、上記固体電解質体における上記測定電極が配設された面に積層されるとともに上記被測定ガス室を内側に形成する拡散抵抗層とを有することを特徴とする水素ガス濃度検出システムにある（請求項１）。
ΔＩ＝ｃ×Ｉ２／ｂ−ｃ×Ｉ１／ａ      ・・・（１）
【０００９】
第二の発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子であって、第一の発明に記載の水素ガス濃度検出システムを有することを特徴とするガスセンサ素子にある（請求項１０）。
【発明の効果】
【００１０】
第一の発明の作用効果について説明する。
本発明の水素ガス濃度検出システムは、上記式（１）にて得られる水素ガス出力電流値ΔＩから上記被測定ガス中の水素ガス濃度を検出するコントロールユニットを備えている。これにより、電気化学セルどうしの拡散抵抗差の影響を受けることなく水素ガス濃度を精度よく検出することのできる水素ガス濃度検出システムを得ることができる。
【００１１】
すなわち、従来から知られた方法では、第一出力電流値と第二出力電流値との差によって被測定ガス中の水素ガス濃度を検出することはできるが、寸法公差などにより第一電気化学セルの拡散抵抗と第二電気化学セルの拡散抵抗とを全く同じにすることはきわめて困難である。さらにこのように電気化学セル間において拡散抵抗差が生じている場合には、拡散抵抗差の程度によっては、検出される水素ガス濃度に過大な誤差が生じるという問題があった。これに対して、本願発明者らは、上記第一基準電流値ａ、上記第二基準電流値ｂ、及び上記基準セル電流値ｃを用いて、第一電流検出手段及び第二電流検出手段にて得られた第一出力電流値Ｉ１及び第二出力電流値Ｉ２を補正することによって、水素ガス濃度を精度よく検出することができることを見いだした。
【００１２】
すなわち、第一出力電流値Ｉ１及び第二出力電流値Ｉ２はそれぞれ、被測定ガス中の酸素濃度に起因する誤差を生じているが、各電気化学セルにおける酸素濃度の依存性を数値化してその数値を用いて各電気化学セルの出力電流値を補正することで、基準化されて実際の水素ガス濃度に近似した水素ガス濃度が検出できることを見いだしたのである。具体的には、検出された第一出力電流値Ｉ１を第一基準電流値ａで除すとともに第二出力電流値Ｉ２を第二基準電流値ｂで除し、さらにそれらに基準セル電流値ｃを掛け合わせて、各電気化学セルどうしの拡散抵抗差の影響及び各電気化学セルにおける被測定ガス中の酸素濃度の依存性を排除することにより、第一及び第二の出力電流値を基準化することができる。これにより、ある酸素濃度雰囲気下において基準セルにて検出される出力電流を用いて基準化された、第一出力電流値Ｉ１と第二出力電流値Ｉ２との差を、被測定ガス中の水素ガス濃度に応じた水素ガス出力電流値ΔＩとすることができる。
【００１３】
その結果、電気化学セルどうしの拡散抵抗差の影響を受けることなく精度よく水素ガス濃度を検出することのできる水素ガス濃度検出システムを得ることができる。またこれにより、第一電気化学セル及び第二電気化学セルの取付位置や作動温度にも影響を受けることなく、水素ガス濃度を精度よく検出することができる。
【００１４】
次に、第二の発明の作用効果について説明する。
本発明に係るガスセンサ素子は、第一の発明に記載の水素ガス濃度検出システムを有しているため、電気化学セルどうしの拡散抵抗差の影響を受けることなく精度よく水素ガス濃度の検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１における、水素ガス濃度検出システムの模式図。
【図２】実施例１における、第一基準電流値及び第二基準電流値をコントロールユニットに記憶させる流れを示す説明図。
【図３】実施例１における、水素ガス濃度をコントロールユニットに算出させる流れを示す説明図。
【図４】実施例２における、ガスセンサ素子の断面図。
【図５】実施例３における、ガスセンサ素子の断面図。
【図６】実施例４における、ガスセンサ素子の軸方向に平行な断面図。
【図７】図６におけるＡ−Ａ線断面図。
【図８】図６におけるＢ−Ｂ線断面図。
【図９】実施例５における、ガスセンサ素子の断面図。
【図１０】実施例６における、本発明品によって検出される水素ガス出力電流値と水素ガス濃度との関係を示す線図。
【図１１】実施例６における、従来品によって検出される水素ガス出力電流値と水素ガス濃度との関係を示す線図。
【図１２】実施例７における、センサＥＣＵの制御フロー図。
【図１３】実施例８における、センサＥＣＵの制御フロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
上記第一の発明及び第二の発明において、上記第一固体電解質体と上記第二固体電解質体とは、これらを別個独立のものとして構成することができるし、これらを同一のものとして構成することもできる。後者を採用した場合であって、さらに第一電気化学セル及び第二電気化学セルに大気ガスを供給する基準ガス室や通電により発熱するヒータ基板等をも共有している場合には、上記水素ガス濃度検出システム及び上記ガスセンサ素子の小型化を図ることができる。
また、上記基準セルは、上記第一電気化学セル又は上記第二電気化学セルによって構成することもでき、或いはこれら以外の電気化学セルを別途設けて上記基準セルとすることもできる。
【００１７】
また、第二の発明において、上記ガスセンサ素子としては、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して、排気ガスフィードバックシステムに使用する空燃比センサに内蔵するＡ／Ｆセンサ素子、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ素子、排気管に設置する三元触媒の劣化検知等に利用するＮＯｘ等の大気汚染物質濃度を調べるＮＯｘセンサ素子等がある。
【００１８】
第一の発明において、上記第一出力電流値Ｉ１又は上記第二出力電流値Ｉ２から上記被測定ガス中の酸素濃度を検出し、この検出された酸素濃度を用いて水素ガス濃度の検出値を補正することが好ましい（請求項２）。
この場合には、あらかじめ測定しておいた酸素濃度ごとの水素ガス濃度と、水素ガス出力電流値ΔＩとの関係から、酸素濃度ごとにオフセットの補正係数及び感度の補正係数を求めることで、一層精度よく水素ガス濃度を検出することができる（詳細は実施例１参照）。
【００１９】
また、上記被測定ガスを排出する内燃機関の運転中又は運転間に存在する上記第一電気化学セル及び上記第二電気化学セルが上記基準酸素濃度ガス雰囲気に曝される機会ごとに、上記第一電流検出手段及び上記第二電流検出手段によって上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを測定すると共に、上記コントロールユニットに記憶された上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを書き換えることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記第一電気化学セル及び上記第二電気化学セルの経時変化に対応して、水素ガス濃度をより高精度に検出することができる。すなわち、上記水素ガス濃度検出システムは、その使用を重ねるごとに、第一電気化学セル及び第二電気化学セルが経時変化することが考えられる。特に、第一電気化学セル及び第二電気化学セルの第一拡散抵抗層や第二拡散抵抗層等における拡散抵抗が経時変化する。この経時変化に伴って、第一電気化学セル及び第二電気化学セルが基準酸素濃度ガス雰囲気に曝されたときの第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂも変化する。それにもかかわらず同じ第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを用いていたのでは、上記水素ガス出力電流値ΔＩの正確な値を得ることが困難となるおそれがある。そこで、上記内燃機関の運転中や運転間（運転停止から運転再開までの間）における所定の機会に、第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを測定し直すことにより、常により正確な水素ガス濃度を検出できるようにすることができる。
【００２０】
また、上記内燃機関を停止した後、上記第一電気化学セル及び第二電気化学セルの周囲の雰囲気が大気に置換されたとき、上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを測定すると共に、上記コントロールユニットに記憶された上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを書き換えることが好ましい（請求項４）。
この場合には、内燃機関停止後において、内燃機関からの被測定ガスの供給が停止し、排気管内等、上記第一電気化学セル及び第二電気化学セルの周囲の雰囲気が大気に置換されるため、この機会に第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを測定し、書き換える。これにより、毎回の運転時に最新の第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを用いて、水素ガス濃度を正確に求めることができる。
【００２１】
また、上記内燃機関の運転中におけるフューエルカット作動中に、上記第一電気化学セル及び上記第二電気化学セルの周囲の雰囲気が大気に置換されたとき、上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを測定すると共に、上記コントロールユニットに記憶された上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂを書き換えることが好ましい（請求項５）。
この場合にも、フューエルカット作動時において、内燃機関からの被測定ガスの供給が停止し、排気管内等、上記第一電気化学セル及び第二電気化学セルの周囲の雰囲気が大気に置換されるため、この機会に第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを測定し、書き換える。特に、フューエルカット作動時には、内燃機関に燃料が供給されることがないため、内燃機関に導入された大気がそのまま排気管等に排出されることとなる。そのため、排気管内等が強制的に大気に置換されるため、上記第一電気化学セル及び第二電気化学セルの周囲の雰囲気が短時間で大気雰囲気となりやすい。それゆえ、上記第一基準電流値ａ及び上記第二基準電流値ｂの測定を、より効率的に正確に行うことができる。
また、上記フューエルカットの作動が運転中に複数回行われれば、１回の運転中においても、逐次、第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂが最新のものに書き換えられることなり、水素ガス濃度を正確に求めることができる。
【００２２】
また、上記基準酸素濃度ガス雰囲気は、大気であることが好ましい（請求項６）。
この場合には、第一出力電流値Ｉ１及び第二出力電流値Ｉ２をより一層基準化して、検出される水素ガス出力電流値をより一層基準化することができ、検出精度をより一層優れたものとすることができる。
【００２３】
また、上記第一出力電流値Ｉ１は、上記第一測定電極と上記第一基準電極とに所定の電圧を印加して被測定ガス濃度を検出する限界電流値であり、
上記第二出力電流値Ｉ２は、上記第二測定電極と上記第二基準電極とに所定の電圧を印加して被測定ガス濃度を検出する限界電流値であることが好ましい（請求項７）。
この場合には、水素ガス濃度の検出精度をより一層優れたものとすることができる。すなわち、第一電気化学セル及び第二電気化学セルにおいて得られる出力電流が、それぞれ第一拡散抵抗層及び第二拡散抵抗層によって生じる限界電流であれば、それぞれの電気化学セルにおいて得られる出力電流は被測定ガス中の酸素濃度に対して比例することとなる。この場合には、電気化学セルにおける酸素濃度の依存性を一層排除して、より一層検出精度に優れた水素ガス濃度検出システムを得ることができる。
【００２４】
また、上記触媒層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｇのうち少なくともいずれか一種類を含有することが好ましい（請求項８）。
この場合には、触媒層において十分に水素ガスを燃焼させることができる。
【００２５】
また、上記水素濃度検出システムは、上記第一被測定ガス室内の酸素濃度に依存した起電力を発生する第三電気化学セルと、上記第二被測定ガス室内の酸素濃度に依存した起電力を発生する第四電気化学セルとを有し、
上記第三電気化学セル及び上記第四電気化学セルの起電力が一定の値となるように、上記第一電気化学セル及び上記第二電気化学セルへの印加電圧をそれぞれ制御可能に構成されていることが好ましい（請求項９）。
この場合には、被測定ガス室内の酸素濃度を一定なものとすることができるため、第一電気化学セル及び第二電気化学セルの酸素濃度依存性を十分に排除して、より一層精度よく水素ガス濃度を検出することができる。
【実施例】
【００２６】
（実施例１）
本発明の水素ガス濃度検出システムに係る実施例について、図面とともに説明する。
本例の水素ガス濃度検出システム１は、図１に示すとおり、下記の第一電気化学セル２１と、第一電流検出手段２２と、第二電気化学セル３１と、第二電流検出手段３２と、コントロールユニット５とを備えている。
【００２７】
第一電気化学セル２１は、酸素イオン伝導性の第一固体電解質体２１１と、この第一固体電解質体２１１の一方の主面に配され水素ガス及び酸素ガスに活性の第一測定電極２１２と、第一固体電解質体２１１の他方の主面に配される第一基準電極２１３と、被測定ガスを導入する第一被測定ガス室２１４と、第一固体電解質体２１１における第一測定電極２１２が配設された面に積層されるとともに第一被測定ガス室２１４を内側に形成する第一拡散抵抗層２１５とを有する。
【００２８】
第一電流検出手段２２は、第一測定電極２１２と第一基準電極２１３との間に電圧を印加して第一測定電極２１２と第一基準電極２１３との間に流れる出力電流値を検出するために設けられている。
【００２９】
また、第二電気化学セル３１は、酸素イオン伝導性の第二固体電解質体３１１と、この第二固体電解質体３１１の一方の主面に配され水素ガス及び酸素ガスに活性の第二測定電極３１２と、第二固体電解質体３１１の他方の主面に配される第二基準電極３１３と、第一被測定ガス室２１４と物理的に分離された状態で配設されるとともに被測定ガスを導入する第二被測定ガス室３１４と、第二固体電解質体３１１における第二測定電極３１２が配設された面に積層されるとともに第二被測定ガス室３１４を内側に形成する第二拡散抵抗層３１５と、この第二拡散抵抗層３１５の外側面を覆うとともに被測定ガス中の水素ガスを燃焼させる触媒層３１６とを有する。
【００３０】
さらにまた、第二電流検出手段３２は、第二測定電極３１２と第二基準電極３１３との間に電圧を印加して第二測定電極３１２と第二基準電極３１３との間に流れる出力電流値を検出するために設けられている。
【００３１】
そして、コントロールユニット５（以下、センサＥＣＵ５という。）は、被測定ガス中において第一電流検出手段２２にて測定される第一出力電流値Ｉ１と、被測定ガス中において第二電流検出手段３２にて測定される第二出力電流値Ｉ２と、あらかじめ定めた酸素ガス濃度となっている基準酸素濃度ガス雰囲気において第一電気化学セル２１にて測定される第一基準電流値ａと、基準酸素濃度ガス雰囲気において第二電気化学セル３１にて測定される第二基準電流値ｂと、基準酸素濃度ガス雰囲気において基準セルにて測定される基準セル電流値ｃと、を下記の式（１）に代入して得られる水素ガス出力電流値ΔＩから被測定ガス中の水素ガス濃度を検出するために設けられている。
ΔＩ＝ｃ×Ｉ２／ｂ−ｃ×Ｉ１／ａ      ・・・（１）
【００３２】
＜水素ガス濃度検出システムの具体的構成＞
以下に、本例の水素ガス濃度検出システム１について詳細に説明する。
本例の水素ガス濃度検出システム１は、少なくとも上記第一電気化学セル２１及び第一電流検出手段２２を有する第一ガスセンサ素子２と、少なくとも上記第二電気化学セル３１及び第二電流検出手段３２を有する第二ガスセンサ素子３と、水素ガス濃度を検出するセンサＥＣＵ５と、を備えている。
【００３３】
まず、第一ガスセンサ素子２について説明する。
第一ガスセンサ素子２は、上記第一電気化学セル２１のほか、図１に示すとおり、下記の第一遮蔽板２０６と、第一基準ガス室形成層２０５と、第一ヒータ層２０１とを有する。
【００３４】
第一電気化学セル２１は、シート状であって酸素イオン伝導性の第一固体電解質体２１１と、例えばＰｔ多孔質サーメットなどからなる第一測定電極２１２と、第一測定電極２１２と対になって形成される第一基準電極２１３と、第一固体電解質体２１１と第一遮蔽板２０６と第一拡散抵抗層２１５とによって覆われてなる第一被測定ガス室２１４とを有する。
【００３５】
第一遮蔽板２０６は、例えば、アルミナなどからなるシート状の緻密な層である。
第一基準ガス室形成層２０５は、例えばアルミナなどからなり、基準ガスである大気を導入するために形成される第一基準ガス室２０４を形成するためにセラミックシートを複数枚積層してなるものである。
【００３６】
また、第一ヒータ層２０１は、セラミックシートを複数枚積層してなる第一ヒータ基板２０３に、さらに通電により発熱する第一発熱体２０２を積層してなる。
そして、図１に示すとおり、第一遮蔽板２０６、第一電気化学セル２１、第一基準ガス室形成層２０５、第一ヒータ層２０１の順に積層されて第一ガスセンサ素子２が形成されている。
【００３７】
第一拡散抵抗層２１５と第一電気化学セル２１と第一遮蔽板２０６とに囲まれてなる第一被測定ガス室２１４は、前述したとおり被測定ガス雰囲気から被測定ガスを導入する空間である。そして、被測定ガス室２１４は、拡散抵抗手段としての第一拡散抵抗層２１５を介して、被測定ガス雰囲気と連通している。
なお、第一拡散抵抗層２１５の気孔率、気孔径、幾何学的形状は、これを通過して第一被測定ガス室２１４に導入される被測定ガスの拡散速度が所定の速度となるように、適宜設定することができる。
【００３８】
一方、第一基準ガス室２０４は、一定の酸素濃度をもつ基準酸素濃度ガス（以下、基準ガスという。）が導入され、第一電気化学セル２１と第一基準ガス室形成層２０５と第一ヒータ層２０１とに囲まれてなる。
この第一基準ガス室２０４は、第一ガスセンサ素子２の長手方向にわたって形成されている。そして、この第一基準ガス室２０４の基端側から大気が導入されて、その内部に基準ガス雰囲気を形成する。
【００３９】
第一固体電解質体２１１は、例えばジルコニアやセリアなどの酸素イオン伝導性を有する電解質からなる。
そして、第一電気化学セル２１は前述したとおり、第一固体電解質体２１１と、この第一固体電解質体２１１を挟むように対向配置された一対の電極（すなわち、第一測定電極２１２及び第一基準電極２１３）とからなる。
【００４０】
一対の電極のうちの一方の第一測定電極２１２は、第一被測定ガス室２１４に面するよう配置されるとともに、第一固体電解質体２１１に接して設けられている。
また、第一基準電極２１３は、第一基準ガス室２０４に面するよう配置されるとともに第一固体電解質体２１１に接して設けられている。
【００４１】
ここで、第一測定電極２１２及び第一基準電極２１３には、前述したとおり、水素ガス及び酸素ガスに活性となるように、例えばＰｔ多孔質サーメット電極が好適に用いられる。
また、第一測定電極２１２及び第一基準電極２１３には、これら電極から電気信号を外部に取出すための図示されていないリード線が一体に形成されている。
【００４２】
第一ヒータ層２０１は、複数枚のセラミックシートを積層してなるアルミナ製の第一ヒータ基板２０３の表面に、通電により発熱する第一発熱体２０２をパターニング形成し、この第一発熱体２０２の表面（第一基準ガス室形成層２０５側の面）に、絶縁のためのアルミナ層を積層してなる。
【００４３】
第一発熱体２０２は、通常、Ｐｔ（白金）と、アルミナなどのセラミックスとのサーメットが用いられる。
また、この第一ヒータ層２０１は、第一発熱体２０２を外部からの通電により発熱させて、第一電気化学セル２１を活性化温度まで加熱するために設けられるものである。
【００４４】
なお、第一固体電解質体２１１、第一基準ガス室形成層２０５、第一遮蔽板２０６、及び第一ヒータ層２０１としては、例えばドクターブレード法や押し出し成形法等により、シート形状に成形したものを使用することができる。
また、各電極２１２、２１３やリード線等は、スクリーン印刷等により形成することができる。
そして、上記各部材を構成するセラミックシートは積層して焼成することにより、一体的に第一ガスセンサ素子２として形成される。
【００４５】
また、第二ガスセンサ素子３も第一ガスセンサ素子２と同様に形成される。ただし、第二ガスセンサ素子３においては、第二拡散抵抗層３１５の外側面（すなわち、ガスセンサ素子３が被測定ガス雰囲気にさらされる部分）に触媒層３１６を有している点が第一ガスセンサ素子２と異なる点である。
【００４６】
かかる触媒層３１６は、例えばＰｔなどの酸化触媒と、アルミナなどのセラミックス成分とからなる多孔質層で、第二被測定ガス室３１４に導入される被測定ガスを酸化する機能を有する。
また、触媒層３１６は、第二電気化学セル３１の積層体を一体焼成後、酸化触媒とセラミックスとを含むスラリーを浸漬する。次いで、この積層体の全体を焼成することで触媒層３１６が形成される。
なお、上記酸化触媒としては、上記Ｐｔ以外にＰｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｇ（銀）等の貴金属を用いることができる。
【００４７】
＜水素ガス濃度検出システムの動作原理及び水素濃度の測定方法＞
次に、上記構成を有する水素ガス濃度検出システム１の動作原理について、図１〜図３とともに説明する。
被測定ガスは、第一電気化学セル２１において、第一拡散抵抗層２１５を通過して第一被測定ガス室２１４に導入される。
一方、第二電気化学セル３１においては、被測定ガスは、触媒層３１６及び第二質拡散抵抗層３１５を通過して第二被測定ガス室３１４に導入される。
【００４８】
そして、導入されるガス量は、第一電気化学セル２１においては、第一拡散抵抗層２１５の拡散抵抗により、また、第二電気化学セル３１においては、第二拡散抵抗層３１５及び触媒層３１６の拡散抵抗により決定される。
また、第一電気化学セル２１において第一基準ガス室形成層２０５が積層されている側に配される第一基準電極２１３が正極となるように所定の電圧を印加し、さらにまた、第二電気化学セル３１においては第二基準ガス室形成層３０５が積層されている側に配される第二基準電極３１３が正極となるように所定の電圧を印加する。
【００４９】
これにより、第一電気化学セル２１においては第一測定電極２１２で被測定ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなり、この酸素イオンがポンピング作用により第一基準電極２１３側に排出される。また同様に、第二電気化学セル３１においては第二測定電極３１２で被測定ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなり、この酸素イオンがポンピング作用により第二基準電極３１３側に排出される。
【００５０】
第一測定電極２１２と第一基準電極２１３との間に流れる酸素イオン電流は、第一拡散抵抗層２１５を通過して第一測定電極２１２に到達する被測定ガス中の酸素濃度に依存する。
一方、第二測定電極３１２と第二基準電極３１３との間に流れる酸素イオン電流は、触媒層３１６と第二拡散抵抗層３１５とを通過して第二測定電極３１３に到達する被測定ガス中の酸素濃度に依存する。
【００５１】
したがって、第一測定電極２１２と第一基準電極２１３との間に流れる酸素イオン電流、及び第二測定電極３１２と第二基準電極３１３との間に流れる酸素イオン電流を計測することで、それぞれ第一被測定ガス室２１４及び第二被測定ガス室３１４の酸素濃度を検出できる。
なお、第一測定電極２１２と第一基準電極２１３との間、第二測定電極３１２と第二基準電極３１３との間に印加する電圧は、限界電流特性を示す所定の一定値でもよいが、さらに水素ガス濃度の検出精度を向上するために限界電流値の大きさに従って印加電圧を変化させてもよい。
【００５２】
かかる被測定ガス中に、酸素ガスとともに水素ガスが存在すると、第一電気化学セル２１においては酸素ガスと水素ガスがともに第一拡散抵抗層２１５を通過して第一測定電極２１２へ到達する。
一方、第二電気化学セル３１においては触媒層３１６で酸素ガスと水素ガスとが反応した後、触媒層３１６で燃焼しきれなかった過剰な酸素ガスのみが第二拡散抵抗層３１５を通過して第二測定電極３１２へ到達する。
【００５３】
その結果、酸素ガス及び水素ガスの拡散速度差に起因して、第一出力電流値Ｉ１と第二出力電流値Ｉ２とに水素ガス濃度に依存した出力差が生じる。そして、この出力差から被測定ガス中の水素ガス濃度を検出可能となる。
【００５４】
もっとも、水素ガス濃度を精度よく検出するためには、第一電気化学セル２１の酸素感度と第二電気化学セル３１の酸素感度とを同等となるように製造する必要があるが、現実問題としてそれは困難である。そのため、上記の出力差のみによって水素ガス濃度を検出しようとすると、無視できないほどの差が生じてしまうこととなる。
【００５５】
そこで本例の水素ガス濃度検出システム１では、図２、図３に示すように、第一出力電流値Ｉ１と、第二出力電流値Ｉ２と、第一基準電流値ａと、第二基準電流値ｂと、基準セル電流値ｃと、を下記の式（１）に代入することで、水素ガス濃度に基づく水素ガス出力電流値ΔＩを検出する。
ΔＩ＝ｃ×Ｉ２／ｂ−ｃ×Ｉ１／ａ                      ・・・（１）
【００５６】
以下、具体的に説明する。
ここで説明する水素ガス濃度検出方法は、以下の第一基準工程と、第二基準工程と、第一測定工程と、第二測定工程と、検出工程とを有する。
なお、以下では、基準酸素濃度ガス雰囲気中の酸素濃度を２０％としたときの測定結果について説明する。さらに言えば、基準酸素濃度ガスとしては既知の酸素濃度を有するガスを使用することが好ましく、例えば大気を使用することがより好ましい。
【００５７】
まず、図２に示すように、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１に対してあらかじめセンサ特性検査（すなわち、第一基準工程及び第二基準工程）を行い、基準酸素濃度ガス雰囲気下で作動させて基準酸素濃度ガスに対する第一電気化学セル２１、及び第二電気化学セル３１の第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを測定し、これをセンサＥＣＵ５に書き込む。
【００５８】
すなわちまず、第一基準工程においては、図２に示すとおり、基準酸素濃度ガス雰囲気下において、第一測定電極２１２と第一基準電極２１３との間に流れる第一基準電流値ａを第一電流検出手段２２によって測定する。具体的には、第一基準電流値ａは、例えば、１．６ｍＡとなる。
【００５９】
また、第二基準工程においては、図２に示すとおり、基準酸素濃度ガス雰囲気下において、第二測定電極３１２と第二基準電極３１３との間に流れる第二基準電流値ｂを第二電流検出手段３２によって測定する。具体的には、第二基準電流値ｂは、例えば、１．７ｍＡとなる。
【００６０】
また、第三基準工程においては、基準酸素濃度ガス雰囲気下において、基準セルに流れる基準セル電流値ｃを決定する。基準セルは、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１のいずれか一方としてもよい。つまり、基準セルを第一電気化学セル２１とした場合には、基準セル電流値ｃは第一基準電流値ａと同一となり、基準セルを第二電気化学セル３１とした場合には、基準セル電流値ｃは第二基準電流値ｂと同一となる。本例では、基準セルを第一電気化学セル２１としたため、基準セル電流値ｃは、例えば、１．６ｍＡとなる。
【００６１】
次いで、本例の水素ガス濃度検出システム１を被測定ガス雰囲気下で作動させて第一測定工程及び第二測定工程を行う。
すなわち、第一測定工程においては、図３に示すとおり、被測定ガス雰囲気下において第一測定電極２１２と第一基準電極２１３との間に電圧を印加して、第一測定電極２１２と第一基準電極２１３との間に流れる第一出力電流値Ｉ１を第一電流検出手段２２によって検出する。具体的には、第一出力電流値Ｉ１は、酸素濃度２０％、水素濃度３％のとき、例えば、０．２５ｍＡとなる。
【００６２】
また、第二測定工程においては、図３に示すとおり、被測定ガス雰囲気下において第二測定電極３１２と第二基準電極３１３との間に電圧を印加して、第二測定電極３１２と第二基準電極３１３との間に流れる第二出力電流値Ｉ２を第二電流検出手段３２によって検出する。具体的には、第二出力電流値Ｉ２は、酸素濃度２０％、水素濃度３％のとき、例えば、０．５２ｍＡとなる。
【００６３】
次いで、検出工程にて、図３に示す手順によって検出された第一測定電流値Ｉ１及び第二測定電流値Ｉ２と、図２に示す手順によってセンサＥＣＵ５にあらかじめ書き込まれた上記ａ、ｂ、ｃとを上記式（１）に代入してセンサＥＣＵ５で演算することにより、ΔＩを水素ガス出力電流値として出力する。
この例においては、水素ガス出力電流値ΔＩは、例えば、０．２４ｍＡとなる。
【００６４】
次いで、この水素ガス出力電流値ΔＩから被測定ガス中の水素ガス濃度を検出する。
具体的には、あらかじめ水素ガス濃度に対するΔＩの相関式を求めておき、水素ガス濃度未知の被測定ガスを測定し、水素ガス出力電流値ΔＩから、水素ガス濃度を検出する。
以上の手順により、被測定ガス中の水素ガス濃度を検出する。
【００６５】
なお、基準セル電流値ｃは、前述したとおり第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１のいずれか一方から基準となる電気化学セルを基準セルとしてあらかじめ選別し、その基準酸素濃度ガスに対する出力をｃとすることもできるが、いずれのセルを基準セルとした場合であっても精度は十分優れたものとなる。
【００６６】
なお、本発明を適用しても若干の酸素濃度依存性が残ってしまう場合には、被測定ガス中の酸素濃度を第一出力電流値Ｉ１又は第二出力電流値Ｉ２を用いて検出し、その酸素濃度によりセンサＥＣＵ５内で水素ガス濃度による水素ガス出力電流値ΔＩを補正することができる。これにより、さらなる精度向上を図ることも可能である。
【００６７】
酸素濃度の検出に用いる出力は上記出力電流値Ｉ１、Ｉ２のいずれでもよいが、好ましくは、触媒層３１６上で水素ガスが燃焼するため拡散抵抗層３１５へ水素ガスが進入せず酸素濃度検出への水素ガス濃度の影響が比較的小さい第二出力電流値Ｉ２を用いることが好ましい。したがって、以下では、酸素濃度の検出に用いる出力は第二出力電流値Ｉ２であるとして説明する。
【００６８】
また、あらかじめ測定しておいた酸素濃度ごとの水素ガス濃度と水素ガス出力電流値ΔＩとの関係から、酸素濃度ごとにオフセット（水素ガス濃度が０となる点）の補正係数Ｙ、及び感度（水素ガス濃度と水素ガス出力電流値ΔＩとの関係を示す直線の傾き）の補正係数Ｘを求めてセンサＥＣＵ５に記憶させておく。そして、センサＥＣＵ５によって第二出力電流値Ｉ２から酸素濃度を求め、その酸素濃度に対応する補正係数Ｘ、Ｙを用いて、水素ガス出力電流値ΔＩを下記の式（２）で補正することにより、より水素濃度の検出精度を向上させることができる。
ΔＩ（補正後）＝（ΔＩ（補正前）＋Ｙ）×Ｘ      ・・・（２）
【００６９】
この場合には、あらかじめ測定しておいた酸素濃度ごとの水素ガス濃度と、水素ガス出力電流値ΔＩとの関係から、一層精度よく水素ガス濃度を検出することができる。
【００７０】
以下に、本例の作用効果について説明する。
本例の水素ガス濃度検出システム１は、上記式（１）にて得られる水素ガス出力電流値ΔＩから被測定ガス中の水素ガス濃度を検出するコントロールユニット５を備えている。これにより、電気化学セル２１、３１どうしの拡散抵抗差の影響を受けることなく水素ガス濃度を精度よく検出することのできる水素ガス濃度検出システム１を得ることができる。
【００７１】
すなわち、従来から知られた方法では、第一出力電流値と第二出力電流値との差によって被測定ガス中の水素ガス濃度を検出することはできるが、寸法公差などにより第一電気化学セル２１の拡散抵抗と第二電気化学セル３１の拡散抵抗とを全く同じにすることはきわめて困難である。さらにこのように電気化学セル２１、３１間において拡散抵抗差が生じている場合には、拡散抵抗差の程度によっては、検出される水素ガス濃度に過大な誤差が生じるという問題があった。これに対して、本願発明者らは、第一基準電流値ａ、第二基準電流値ｂ、及び基準セル電流値ｃを用いて、第一電流検出手段２２及び第二電流検出手段３２にて得られた第一出力電流値Ｉ１及び第二出力電流値Ｉ２を補正することによって、水素ガス濃度を精度よく検出することができることを見いだした。
【００７２】
すなわち、第一出力電流値Ｉ１及び第二出力電流値Ｉ２はそれぞれ、被測定ガス中の酸素濃度に起因する誤差を生じているが、各電気化学セル２１、３１における酸素濃度の依存性を数値化してその数値を用いて各電気化学セル２１、３１の出力電流値を補正することで、基準化されて実際の水素ガス濃度に近似した水素ガス濃度が検出できることを見いだしたのである。
【００７３】
具体的には、検出された第一出力電流値Ｉ１を第一基準電流値ａで除すとともに第二出力電流値Ｉ２を第二基準電流値ｂで除し、さらにそれらに基準セル電流値ｃを掛け合わせて、各電気化学セル２１、３１における酸素濃度の依存性を排除することにより、第一及び第二の出力電流値Ｉ１、Ｉ２を基準化することができる。これにより、ある酸素濃度雰囲気下においてにおいて基準セルにて検出される出力電流を用いて基準化された、第一出力電流値Ｉ１と第二出力電流値Ｉ２との差を、被測定ガス中の水素ガス濃度に応じた水素ガス出力電流値ΔＩとすることができる。
【００７４】
その結果、電気化学セル２１、３１どうしの拡散抵抗差の影響を受けることなく精度よく水素ガス濃度を検出することのできる水素ガス濃度検出システム１を得ることができる。またこれにより、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１の取付位置や作動温度にも影響を受けることなく、水素ガス濃度を精度よく検出することができる。
【００７５】
また、基準酸素濃度ガス雰囲気は、大気であるため、検出される水素ガス出力電流値をより一層基準化することができ、検出精度をより一層優れたものとすることができる。
また、触媒層３１６は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｇのうち少なくともいずれか一種類を含有するため、触媒層３１６において十分に水素ガスを燃焼させることができる。
【００７６】
以上のとおり、本例によれば、電気化学セルどうしの拡散抵抗差の影響を受けることなく水素ガス濃度を精度よく検出することのできる水素ガス濃度検出システムを提供することができる。
【００７７】
（実施例２）
本例は、図４に示すように、第一電気化学セル２１と第二電気化学セル３１とを内蔵してなる一つのガスセンサ素子１０の例である。
すなわち、本例のガスセンサ素子１０は、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１が一つの固体電解質体２１１を共有している。
【００７８】
そして、第一被測定ガス室２１４と第二被測定ガス室３１４との間には、これらを物理的に分離するための仕切り壁４１４があり、それぞれの被測定ガス室２１４、３１４に導入された被測定ガスが混合されないようになっている。
一方、基準ガス室４０５には仕切り壁は設けられていない。すなわち、第一電気化学セル２１と第二電気化学セル３１とは、同一の基準ガス室４０５を共有しているのである。
【００７９】
さらに、上記実施例１と同様に、第二電気化学セル３１の第二拡散抵抗層３１５の外側面には、触媒層３１６が設けられている。そのため、第二被測定ガス室３１４に導入される被測定ガスにおいては、第一被測定ガス室２１４に導入される被測定ガスよりも水素ガス濃度が小さくなっている。
【００８０】
本例のガスセンサ素子１０を用いることにより、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１の取り付け位置やガスセンサ素子１０の作動温度に起因した水素ガス出力電流値ΔＩのばらつきを低減することができ、水素ガス濃度の検出精度を向上できる。
その他は、実施例１において示したガスセンサ素子２、３と同一の構成及び作用効果を有する。
【００８１】
なお、第一基準電極２１３と第二基準電極３１３とを一体的に形成することもできる。
また、本例では図示は省略してあるが、ガスセンサ素子１０は、自身の一部としてセンサＥＣＵ５を有しており、これにより水素ガス濃度出力電流値ΔＩを算出している。
本例の場合には、電気化学セルどうしの拡散抵抗差の影響を受けることなく水素ガス濃度を精度よく検出することのできるガスセンサ素子を得ることができる。
【００８２】
（実施例３）
本例は、図５に示すように、第一電気化学セル２１と第二電気化学セル３１とを内蔵してなる一つのガスセンサ素子１０の例である。
本例では、実施例２におけるガスセンサ素子１０とは異なり、第一電気化学セル２１と第二電気化学セル３１とが一つのヒータ層４０１を共有した状態で、両電気化学セル２１、３１が、ヒータ層４０１を境に互いに鏡面配置されている。すなわち、ヒータ層４０１の一方の面に第一電気化学セル２１が積層され、他方の面に第二電気化学セル３１が積層されている。
【００８３】
そして、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１はそれぞれ、別個独立に固体電解質体（第一固体電解質体２１１、第二固体電解質体３１１）を有している。
また、本例のガスセンサ素子１０においても、第二拡散抵抗層３１５の外側面には触媒層３１６が設けられている。
その他は、実施例１において示したガスセンサ素子２、３と同一の構成及び作用効果を有する。
また、本例でも図示は省略してあるが、ガスセンサ素子１０は、自身の一部としてセンサＥＣＵ５を有しており、これにより水素ガス濃度出力電流値ΔＩを算出している。
【００８４】
（実施例４）
本例は、図６〜図８に示すように、第一電気化学セル２１と第二電気化学セル３１とを、一つのガスセンサ素子１０の軸方向（図６における紙面左右方向）にずれた位置に配置した例である。
【００８５】
すなわち、ガスセンサ素子１０の先端側には、図６、図７に示すとおり第一電気化学セル２１が設けられており、さらに第一電気化学セル２１よりも基端側には、図６、図８に示すとおり第二電気化学セル３１が設けられている。そして、第一被測定ガス室２１４と第二被測定ガス室３１４との間には、仕切り壁４１４が設けられており、上記二つの被測定ガス室２１４、３１４とは、互いに物理的に分離されている。
【００８６】
また、本例のガスセンサ素子１０においても、第二拡散抵抗層３１５の外側面には触媒層３１６が設けられている。
その他は、実施例１において示したガスセンサ素子２、３と同一の構成及び作用効果を有する。
また、本例でも図示は省略してあるが、ガスセンサ素子１０は、自身の一部としてセンサＥＣＵ５を有しており、これにより水素ガス濃度出力電流値ΔＩを算出している。
【００８７】
（実施例５）
本例は、図９に示すように、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１のほか、第一被測定ガス室２１４内の酸素濃度に依存した起電力を発生する第三電気化学セル６１と、第二被測定ガス室３１４内の酸素濃度に依存した起電力を発生する第四電気化学セル７１とを有するガスセンサ素子１０の例である。
【００８８】
そして、第一拡散抵抗層２１５は、第一電気化学セル２１と第三電気化学セル６１とに挟持されている。
さらに言えば、第一測定電極２１２及び第三電気化学セル６１に設けられる第三測定電極６１２は、第一被測定ガス室２１４に面するよう配置されている。
一方、第一基準電極２１３は被測定ガス雰囲気にさらされており、第三基準電極６１３は基準ガス室４０４に面するよう配置されている。
【００８９】
また、第二拡散抵抗層３１５は、第二電気化学セル３１と第四電気化学セル７１とに挟持されている。
さらに言えば、第二測定電極３１２及び第四電気化学セル７１に設けられる第四測定電極７１２は、第二被測定ガス室３１４に面するよう配置されている。
一方、第二基準電極３１３は被測定ガス雰囲気にさらされており、第四基準電極７１３は基準ガス室４０４に面するよう配置されている。
【００９０】
また、本例のガスセンサ素子１０においては、第三電気化学セル６１及び第四電気化学セル７１の起電力値がそれぞれ所定の一定値になるように、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１の印加電圧を制御する。
その他は、実施例１において示したガスセンサ素子２、３と同一の構成及び作用効果を有する。
また、本例でも図示は省略してあるが、ガスセンサ素子１０は、自身の一部としてセンサＥＣＵ５を有しており、これにより水素ガス濃度出力電流値ΔＩを算出している。
【００９１】
本例の場合には、被測定ガス室２１４、３１４内の酸素濃度を一定なものとすることができるため、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１の酸素濃度依存性を十分に排除して、より一層精度よく水素ガス濃度を検出することができる。
【００９２】
（実施例６）
本例は、図１０、図１１に示すように、本発明品と従来品との対比を行った例である。
すなわち、本例においては、本発明品及び従来品について、被測定ガス中の酸素濃度を５〜２０％と種々変更して、そのときの水素ガス濃度と出力電流値との関係を調べた。
本発明品の結果を図１０に、従来品の結果を図１１に示した。
なお、図１０及び図１１ともに、◇は被測定ガス中の酸素濃度が５％の場合の結果を、□は被測定ガス中の酸素濃度が１０％の場合の結果を、○は被測定ガス中の酸素濃度が２０％の場合の結果を示すものである。
【００９３】
本発明品については、図１０からわかるように、すべての酸素濃度についてほぼ一定の出力電流値を検出している。
一方、図１１からわかるように、従来品については、同じ水素ガス濃度であっても、酸素濃度が変わると出力電流値が変化している。
以上から、本発明品によれば、被測定ガス中の酸素濃度に影響を受けることなく、従来品と比較して明らかに精度よく水素ガス濃度を検出できることがわかる。
【００９４】
なお、図１０から、本発明によっても若干の酸素濃度依存性が残っていることがわかるが、被測定ガス中の酸素濃度を第一出力電流値Ｉ１又は第二出力電流値Ｉ２を用いて検出し、その酸素濃度によりセンサＥＣＵ内で水素ガス濃度による水素ガス出力電流値ΔＩを補正することにより、さらなる精度向上を図ることも可能である（上記実施例１参照）。
【００９５】
（実施例７）
本例は、図１２に示すごとく、被測定ガスを排出する内燃機関の運転間に存在する第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１が基準酸素濃度ガス雰囲気に曝される機会ごとに、第一電流検出手段２２及び第二電流検出手段３２によって第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを測定するよう構成した水素ガス濃度検出システム１の例である。
上記のように第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂが測定されるごとに、コントロールユニット（センサＥＣＵ５）に記憶された第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを書き換える。
【００９６】
具体的には、内燃機関を停止した後、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル２２の周囲の雰囲気が大気（酸素濃度約２１％）に置換されたとき、第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを測定すると共に、センサＥＣＵ５に記憶された第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを書き換える。
【００９７】
本例の水素ガス濃度検出システム１を車両のエンジン（内燃機関）の排気系に設けた場合を例にとって、第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂの測定、書き換えタイミングにつき、図１２を用いて説明する。すなわち、センサＥＣＵ５において、以下の制御が行われる。
【００９８】
まず、車両のエンジンが停止しているか否かを判断する。すなわち、イグニッションスイッチがオンかオフかを判断する（ステップＳ１）。ここで、イグニッションスイッチがオンの場合、エンジンが稼働していると判断し、通常制御、すなわち、被測定ガス中の水素ガス濃度の検出を繰り返す（ステップＳ２）。一方、イグニッションスイッチがオフの場合、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わった直後か否かを判断する（ステップＳ３）。すなわち、ステップＳ１において初めてイグニッションスイッチがオフと判断された直後にステップＳ３に到達したか否かを判断する。
【００９９】
ここで、オフへの切り替え直後であると判断された場合、第一電流検出手段２２及び第二電流検出手段３２による出力電流値の計測を開始する（ステップＳ４）。すなわち、第一測定電極２１２と第一基準電極２１３との間、及び第二測定電極３１２と第二基準電極３１３との間にそれぞれ流れる出力電流値の計測を開始する。
一方、オフへの切り替え直後でない場合は、すでに出力電流値の計測は開始されているため、これを継続する。
【０１００】
次いで、計測された出力電流値が安定しているか否かを判断する（ステップＳ５）。ここで、出力電流値が安定しているか否かは、例えば、直近の５回程度の測定値が電流計測誤差の範囲内で同等か否かによって判定する。
出力電流値が安定していないと判断された場合、ステップＳ１に戻る。これは、イグニッションスイッチがオフの場合でも、未だに排気管内に被測定ガス（排ガス）が残留し、充分に大気に置換されていないことを意味する。
【０１０１】
一方、出力電流値が安定していると判断された場合、ここで出力電流値の計測を終了する（ステップＳ６）。そして、この段階で第一電流検出手段２２及び第二電流検出手段３２によって得られた出力電流値を、それぞれ新たな第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂとして、センサＥＣＵ５のメモリを書き換え（ステップＳ７）、水素ガス濃度検出システム１を停止する（ステップＳ８）。
【０１０２】
なお、これらの制御は、第一電流検出手段２２による出力電流値と第二電流検出手段３２による出力電流値とのそれぞれに対して独立して行うことができる。例えば、ステップＳ５において、２つの出力電流値のうちの一方のみが安定したと判断された場合に、一方の出力電流値の計測を完了して（ステップＳ６）、他方の出力電流値の計測を継続することもできる。
その他は、実施例１と同様である。
【０１０３】
本例の場合には、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１の経時変化に対応して、水素ガス濃度をより高精度に検出することができる。すなわち、水素ガス濃度検出システム１は、その使用を重ねるごとに、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１が経時変化することが考えられる。特に、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１の第一拡散抵抗層２１５や第二拡散抵抗層３１５等における拡散抵抗が経時変化する。この経時変化に伴って、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１が基準酸素濃度ガス（大気）雰囲気に曝されたときの第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂも変化する。それにもかかわらず同じ第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを用いていたのでは、水素ガス出力電流値ΔＩの正確な値を得ることが困難となるおそれがある。そこで、内燃機関の運転間（運転停止後から再開までの間）における所定の機会に、第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを測定し直すことにより、常により正確な水素ガス濃度を検出できるようにすることができる。
【０１０４】
また、本例においては、内燃機関の停止後において、内燃機関からの被測定ガスの供給が停止し、排気管内等、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１の周囲の雰囲気が大気に置換されるため、この機会に第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを測定し、書き換える。これにより、毎回の運転時に最新の第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを用いて、水素ガス濃度を正確に求めることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【０１０５】
（実施例８）
本例は、図１３に示すごとく、内燃機関の運転中に存在する第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１が基準酸素濃度ガス雰囲気に曝される機会ごとに、第一電流検出手段２２及び第二電流検出手段３２によって第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを測定するよう構成した水素ガス濃度検出システム１の例である。
【０１０６】
具体的には、内燃機関の運転中におけるフューエルカット作動中に、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１の周囲の雰囲気が大気に置換されたとき、第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを測定すると共に、コントロールユニット（センサＥＣＵ５）に記憶された第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを書き換える。
【０１０７】
本例においても、水素ガス濃度検出システム１を車両のエンジン（内燃機関）の排気系に設けた場合を例にとって、第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂの測定、書き換えタイミングにつき、図１３を用いて説明する。すなわち、センサＥＣＵ５において、以下の制御が行われる。
【０１０８】
まず、車両の運転時において、フューエルカットが作動しているか否かを判断する（ステップＴ１）。フューエルカットは、エンジン回転数など、車両の各種運転条件が満たされたとき作動される。それゆえ、これらの作動条件を満たしているか否かによって、フューエルカットが作動しているか否かを判断することができる。
ここで、フューエルカットが作動していない場合には、通常制御、すなわち、被測定ガス中の水素ガス濃度の検出を繰り返す（ステップＴ２）。一方、フューエルカットが作動している場合、フューエルカットの作動開始直後か否かを判断する（ステップＴ３）。すなわち、ステップＴ１において初めてフューエルカットが作動していると判断された直後にステップＴ３に到達したか否かを判断する。
【０１０９】
ここで、フューエルカット作動開始直後であると判断された場合、第一電流検出手段２２及び第二電流検出手段３２による出力電流値の計測を開始する（ステップＴ４）。すなわち、第一測定電極２１２と第一基準電極２１３との間、及び第二測定電極３１２と第二基準電極３１３との間にそれぞれ流れる出力電流値の計測を開始する。
一方、フューエルカット作動開始直後でない場合は、すでに出力電流値の計測は開始されているため、これを継続する。
【０１１０】
次いで、計測された出力電流値が安定しているか否かを判断する（ステップＴ５）。ここで、出力電流値が安定しているか否かは、例えば、直近の５回程度の測定値が電流計測誤差の範囲内で同等か否かによって判定する。
出力電流値が安定していないと判断された場合、ステップＴ１に戻る。これは、フューエルカットが作動している場合でも、未だに排気管内に被測定ガス（排ガス）が残留し、充分に大気に置換されていないことを意味する。
【０１１１】
一方、出力電流値が安定していると判断された場合、ここで出力電流値の計測を終了する（ステップＴ６）。そして、この段階で第一電流検出手段２２及び第二電流検出手段３２によって得られた出力電流値を、それぞれ新たな第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂとして、センサＥＣＵ５のメモリを書き換える（ステップＴ７）。その後、通常制御（水素ガス濃度検出）に復帰する（ステップＴ８）。
【０１１２】
本例においても、これらの制御は、第一電流検出手段２２による出力電流値と第二電流検出手段３２による出力電流値とのそれぞれに対して独立して行うことができる。例えば、ステップＴ５において、２つの出力電流値のうちの一方のみが安定したと判断された場合に、一方の出力電流値の計測を完了して（ステップＴ６）、他方の出力電流値の計測を継続することもできる。
その他は、実施例１と同様である。
【０１１３】
本例の場合にも、フューエルカット作動時において、内燃機関からの被測定ガスの供給が停止し、排気管内等、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１の周囲の雰囲気が大気に置換されるため、この機会に第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂを測定し、書き換える。特に、フューエルカット作動時には、内燃機関に燃料が供給されることがないため、内燃機関に導入された大気がそのまま排気管等に排出されることとなる。そのため、排気管内等が強制的に大気に置換されるため、第一電気化学セル２１及び第二電気化学セル３１の周囲の雰囲気が短時間で大気雰囲気（酸素濃度約２１％）となりやすい。それゆえ、第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂの測定を、より効率的に正確に行うことができる。
また、フューエルカットの作動が運転中に複数回行われれば、１回の運転中においても、逐次、第一基準電流値ａ及び第二基準電流値ｂが最新のものに書き換えられることなり、水素ガス濃度を正確に求めることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【符号の説明】
【０１１４】
１  水素ガス濃度検出システム
２１  第一電気化学セル
２１１  第一固体電解質体
２１２  第一測定電極
２１３  第一基準電極
２１４  第一被測定ガス室
２１５  第一拡散抵抗層
２２  第一電流検出手段
３１  第二電気化学セル
３１１  第二固体電解質体
３１２  第二測定電極
３１３  第二基準電極
３１４  第二被測定ガス室
３１５  第二拡散抵抗層
３１６  触媒層
３２  第二電流検出手段
ａ  第一基準電流値
ｂ  第二基準電流値
ｃ  基準セル電流値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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