(57)【要約】    【課題】被検ガスに酸素と可燃成分とが混在する場合に、双方のガスの正確な濃度を検出可能とする。    【解決手段】第１の検出部１０１ａにおいて、第１の空室２１ａに可燃成分の酸化前の被検ガスを導入し、第１の空室２１ａにおける酸素濃度が０となるときの第１のプロトン移動量（ポンプ電流Ｉｐ１）を検出する。他方、第２の検出部１０１ｂにおいて、第１の空室２１ｂに可燃成分の酸化後の被検ガスを導入し、第１の空室２１ｂにおける酸素濃度が０となるときの第２のプロトン移動量（ポンプ電流Ｉｐ２）を検出する。検出した第１及び第２のプロトン移動量をもとに、被検ガスの酸素濃度を算出する。【選択図】  図１
2006038624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検ガスに含まれる特定成分の濃度を検出するガス濃度検出装置であって、
プロトン伝導体を含んで構成され、被検ガスの流入を制限する拡散律速手段が設けられた第１の通路を介して被検ガスが導入される第１の空間と、この第１の通路とは異なる第２の通路を介して被検ガスが導入される第２の空間とが、前記プロトン伝導体により区画されて形成された装置本体と、
前記第１の空間に導入される被検ガスに含まれる可燃成分を酸化させるための酸化手段と、
前記第１の空間と前記第２の空間との間で、前記プロトン伝導体を介してプロトンを移動させるプロトン移動手段と、
前記酸化手段による酸化前の被検ガスを導入した場合の前記第１の空間における前記特定成分の濃度が所定の濃度となるときの、前記プロトン伝導体を介する第１のプロトン移動量を検出する第１のプロトン移動量検出手段と、
前記酸化手段による酸化後の被検ガスを導入した場合の前記第１の空間における前記特定成分の濃度が前記所定の濃度となるときの、前記プロトン伝導体を介する第２のプロトン移動量を検出する第２のプロトン移動量検出手段と、
検出された第１及び第２のプロトン移動量をもとに、前記特定成分の濃度を算出する濃度算出手段と、を含んで構成されるガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記装置本体は、前記酸化前の被検ガスが導入される第１の検出部と、前記酸化後の被検ガスが導入される第２の検出部とを含んで構成され、
前記第１の検出部は、前記プロトン伝導体としての第１のプロトン伝導体を含んで構成されるとともに、この第１のプロトン伝導体により区画されて形成された、前記拡散律速手段としての第１の拡散律速手段が設けられた第１の通路を介して被検ガスが導入される第１の空間と、この第１の通路とは異なる第２の通路を介して被検ガスが導入される第２の空間とを含んで構成され、
前記第２の検出部は、前記プロトン伝導体としての第２のプロトン伝導体を含んで構成されるとともに、この第２のプロトン伝導体により区画されて形成された、前記拡散律速手段としての前記第１の拡散律速手段と同じ拡散係数の第２の拡散律速手段が設けられた第１の通路を介して被検ガスが導入される第１の空間と、この第１の通路とは異なる第２の通路を介して被検ガスが導入される第２の空間とを含んで構成される請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記第１及び第２のプロトン伝導体が、単一のプロトン伝導体により形成される請求項２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記酸化手段が、前記第２の検出部において、前記第２の拡散律速手段よりも上流の前記第１の通路に設けられた請求項２又は３に記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
前記第１の通路の上流に接続する第１の導入通路と、
前記第１の通路の上流に接続する、前記第１の導入通路と並列に設けられた第２の導入通路と、
前記第１の導入通路と前記第２の導入通路とのうち一方を遮断して、前記第１及び第２の導入通路の間で被検ガスの流通を切り換える通路選択手段とを更に含んで構成され、
前記酸化手段が、前記第２の導入通路に設けられた請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
前記第１及び第２のプロトン移動量検出算出手段は、前記酸化前又は酸化後の被検ガスを導入した場合の前記第１の空間における前記特定成分の濃度を検出する濃度検出手段を夫々含んで構成され、検出された濃度に応じてプロトン移動量を制御するとともに、前記特定成分の濃度を前記所定の濃度としたときのプロトン移動量を、第１又は第２のプロトン移動量として検出する請求項１〜５のいずれかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項７】
前記特定成分が、酸素又は水素である請求項１〜６のいずれかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のガス濃度検出装置と、
検出された濃度をもとに、燃料電池の運転を制御する制御手段と、を含んで構成される燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度検出装置及び燃料電池発電装置に関し、詳細には、被検ガスに酸素と可燃成分とが混在する場合に、影響成分（たとえば、可燃成分）の混在によらず、特定成分（たとえば、酸素）の濃度を精度よく検出するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用エンジンの排気センサとして、排気の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素センサが知られている。この酸素センサでは、センサ素子にジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質が採用されており、空燃比フィードバック制御に充分な応答速度を得ることができる（非特許文献１，２）。また、この酸素イオン伝導性固体電解質は、酸素以外のガスを対象として、たとえば、水素濃度の検出に適用することも可能である（特許文献１）。
【０００３】
ところで、近年、従来の内燃エンジンに代わる自動車用駆動源として、燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、水の生成化学反応に伴い発生する化学エネルギーを電気として出力するものである。燃料電池では、カソードガス供給ラインへの水素の混入等を検出する必要があり、このため、アノード及びカソードに供給される各ガスの正確な組成を把握することが重要となる。
【特許文献１】特開２０００−００９６８５号公報（段落番号００４２，００４３）
【非特許文献１】ＳＡＥペーパー（Ｎｏ．８５０３７８）
【非特許文献２】自動車技術、Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．１２、１９８７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、酸素イオン伝導性固体電解質を採用した一般的な酸素センサには、次のような問題がある。すなわち、この酸素センサは、５００〜９００℃の高温度下でないと安定して作動しない。このため、被検ガスにおいて、酸素に加えて可燃ガスが混在する場合は、この可燃ガスの酸化が進行し、両者の正確な濃度を検出することができない。たとえば、この酸素センサにより燃料電池のカソードガス供給ラインにおける酸素濃度を検出する場合に、供給ガスに水素が混在する場合は、前記の理由により正確な酸素濃度を検出することができない。低温度下での作動が可能なものとして、センサ素子にプロトン伝導性固体電解質を採用した水素センサが提案されている（特開２００２−３１０９７８号公報）。この水素センサによれば、水素濃度を検出することができるが、水素及び酸素の双方の濃度を検出することはできない。
【０００５】
本発明は、被検ガスに酸素と可燃成分とが混在する場合に、影響成分（たとえば、可燃成分）の混在によらず、特定成分（たとえば、酸素）の正確な濃度を検出可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ガス濃度検出装置及びこれを含んで構成される燃料電池発電装置を提供する。本発明に係るガス濃度検出装置は、被検ガスに含まれる特定成分の濃度を検出するガス濃度検出装置であり、装置本体、酸化手段及びプロトン移動手段を含んで構成される。装置本体は、プロトン伝導体を含んで構成され、被検ガスの流入を制限する拡散律速手段が設けられた第１の通路を介して被検ガスが導入される第１の空間と、この第１の通路とは異なる第２の通路を介して被検ガスが導入される第２の空間とが、このプロトン伝導体により区画されて形成される。酸化手段は、この第１の空間に導入される被検ガスに含まれる可燃成分を酸化させるためのものであり、プロトン移動手段は、第１及び第２の空間の間でプロトン伝導体を介してプロトンを移動させる。この酸化手段による酸化前の被検ガスを導入した場合の第１の空間における特定成分の濃度が所定の濃度となるときの、プロトン伝導体を介する第１のプロトン移動量を検出するとともに、この酸化手段による酸化後の被検ガスを導入した場合の第１の空間における特定成分の濃度がこの所定の濃度となるときの、プロトン伝導体を介する第２のプロトン移動量を検出し、算出した第１及び第２のプロトン移動量をもとに、特定成分の濃度を算出する。また、本発明に係る燃料電池発電装置は、このガス濃度検出装置を含んで構成され、たとえば、このガス濃度検出装置によりカソードガス供給ラインにおける酸素濃度を検出し、検出した濃度を燃料電池の制御に反映させる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、第１のプロトン移動量に加えて第２のプロトン移動量を検出し、検出した第２のプロトン移動量を濃度の算出に反映させることとした。このため、特定成分（たとえば、酸素）の濃度の算出に際し、影響成分（たとえば、可燃成分）の混在による誤差を第２のプロトン移動量により補償することができる。逆に、可燃成分を特定成分とする場合も、同様にして酸素の混在による誤差を補償することができるため、被検ガスに酸素と可燃成分とが混在する場合に、特定成分の正確な濃度を算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガス濃度検出装置（以下「検出装置」という。）１Ａのセンサ素子部の構成を示している。本実施形態では、この検出装置１Ａを燃料電池のカソードガス供給ラインに設置し、カソードに供給されるガス（以下「カソードガス」という。）の酸素濃度を検出する。
【０００９】
検出装置１Ａのセンサ素子部には、第１の検出部１０１ａと第２の検出部１０１ｂとが設けられており、第１の検出部１０１ａで第１のプロトン移動量が、第２の検出部１０１ｂで第２のプロトン移動量が検出される。
第１の検出部１０１ａは、第１のプロトン伝導性固体電解質体（以下「第１のプロトン伝導体」という。）２０１ａを含み、この第１のプロトン伝導体２０１ａを、３つに分割形成された支持体１１〜１３のうち中間のものを含む２つ（ここでは、下側及び中間のもの）１１，１２により挟持して構成される。この支持体１１〜１３、第１のプロトン伝導体２０１ａ及び後述する第２のプロトン伝導体２０１ｂで「装置本体」が構成される。第１の検出部１０１ａには、第１〜第４の空室２１ａ〜２４ａが形成されている。第１及び第２の空室２１ａ，２２ａは、第１のプロトン伝導体２０１ａにより区画され、各空室２１ａ，２２ａにおいて、第１の電極３１ａ及び第２の電極３２ａが第１のプロトン伝導体２０１ａ上に形成されている。第１の空室２１ａが「第１の空間」に相当し、第２の空室２２ａが「第２の空間」に相当する。また、第３及び第４の空室２３ａ，２４ａも、同様に第１のプロトン伝導体２０１ａにより区画され、各空室２３ａ，２４ａで第３の電極３３ａ及び第４の電極３４ａが第１のプロトン伝導体２０１ａ上に形成されている。第１〜第４の電極３１ａ〜３４ａは、多孔質体に白金（又は白金を含む合金）を担持させて形成される。
【００１０】
第１の検出部１０１ａにおいて、中間の支持体１２には、端面に開口を形成する第１の通路４１ａが設けられており、この第１の通路４１ａと第１の空室２１ａとは、拡散律速孔４２ａを介して接続されている。この拡散律速孔４２ａは、「第１の拡散律速手段」に相当し、被検ガスに所定の拡散抵抗を作用させて、第１の通路４１ａから第１の空室２１ａへの被検ガスの流入を制限するためのものである。第１の空室２１ａと第３の空室２３ａとは、連通路４４ａを介して接続されており、第１の空室２１ａに流入した被検ガスは、第１及び第３の空室２１ａ，２３ａに一様に分散する。他方、第２の空室２２ａは、第２の通路４３ａを介して外部と連通されているが、この第２の通路４３ａの内径は、拡散律速孔４２ａのものよりも充分に大きく、第２の通路４３ａを介する被検ガスの流れに実質的な抵抗は働かない。第４の空室２４ａは、実質的に密封されている。
【００１１】
第１の検出部１０１ａに対し、第３の空室２３ａにおける酸素分圧（すなわち、濃度）を検出するための第１の濃度センシング回路５１ａが設けられている。この第１の濃度センシング回路５１ａは、第１の検出部１０１ａに関する「濃度検出手段」に相当し、電圧計５２ａを含んで構成される。第１の濃度センシング回路５１ａは、第３及び第４の空室２３ａ，２４ａにおける水素濃度の差に応じて電極３３ａ，３４ａに形成される電位差Ｖｓ１を検出して、第３の空室２３ａにおける酸素濃度がほぼ０であることを検出するものである。なお、この第３の空室２３ａにおける酸素濃度は、第１の空室２１ａ（及び連通路４４ａ）における酸素濃度に等しい。
【００１２】
また、第１の検出部１０１ａに対し、第２の空室２２ａから第１の空室２１ａにプロトンを移動させるための第１の水素ポンピング回路６１ａが設けられている。この第１の水素ポンピング回路６１ａは、「プロトン移動手段」に相当し、可変電源６２ａ及び電流計６３ａを含んで構成される。可変電源６２ａによりプロトン移動量を制御するとともに、電流計６３ａにより特定のプロトン移動下での電流（以下「ポンプ電流」という。）Ｉｐ１を検出することができる。なお、このポンプ電流Ｉｐ１は、第１のプロトン移動量を示す。第１の濃度センシング回路５１ａと第１の水素ポンピング回路６１ａとで「第１のプロトン移動量検出手段」が構成される。
【００１３】
他方、第２の検出部１０１ｂは、「酸化手段」としての酸化反応体７１が設けられることを除き、第１の検出部１０１ａと同様に構成される。すなわち、第２の検出部１０１ｂは、第２のプロトン伝導性固体電解質体（以下「第２のプロトン伝導体」という。）２０１ｂを中間及び上側の支持体１２，１３により挟持して構成される。第２の検出部１０１ｂａにも、第１〜第４の空室２１ｂ〜２４ｂが形成されており、第２のプロトン伝導体２０１ｂにより第１及び第２の空室２１ｂ，２２ｂが区画されるとともに、第３及び第４の空室２３ｂ，２４ｂが区画されている。第１の空室２１ｂが「第１の空間」に相当し、第２の空室２２ｂが「第２の空間」に相当する。第２のプロトン伝導体２０１ｂ上には、第１〜第４の電極３１ｂ〜３４ｂが形成されており、各電極３１ｂ〜３４ｂは、対応する空室２１ｂ〜２４ｂに設けられている。第１〜第４の電極２１ｂ〜２４ｂは、多孔質体に白金又はその合金を担持させて形成される。第２の検出部１０１ｂにおいて、中間の支持体１２には、端面に開口を形成する第１の通路４１ｂが設けられており、この第１の通路４１ｂと第１の空室２１ｂとは、拡散律速孔４２ｂを介して接続されている。この拡散律速孔４２ｂは、「第２の拡散律速手段」に相当し、被検ガスに所定の拡散抵抗を作用させて、第１の通路４１ｂから第１の空室２１ｂへの被検ガスの流入を制限するためのものである。第１の空室２１ｂと第３の空室２３ｂとは、連通路４４ｂを介して接続されており、第１の空室２１ｂに流入した被検ガスは、第１及び第３の空室２１ｂ，２３ｂに一様に分散する。他方、第２の空室２２ｂは、第２の通路４３ｂを介して外部と連通されているが、この第２の通路４３ｂの内径は、拡散律速孔４２ｂのものよりも充分に大きく、第２の通路４３ｂを介する被検ガスの流れに実質的な抵抗は働かない。第４の空室２４ｂは、実質的に密封されている。また、第３の空室２３ｂにおける酸素濃度を検出するための、「濃度検出手段」としての第２の濃度センシング回路５１ｂが設けられるとともに、第２の空室２２ｂから第１の空室２１ｂにプロトンを移動させるための第２の水素ポンピング回路６１ｂが設けられるのも、前述同様である。第２の水素ポンピング回路６１ｂは、第２の濃度センシング回路５１ｂとともに「第２のプロトン移動量検出手段」を構成し、電流計６３ｂにより第２のプロトン移動量を検出する。
【００１４】
第２の検出部１０１ｂにおいて、酸化反応体７１は、拡散律速孔４２ｂよりも上流、すなわち、第１の通路４１ｂに設けられている。
次に、この検出装置１Ａの動作について説明する。
第１の検出部１０１ａにおいて、被検ガスの第１の空室２１ａへの流入は、拡散律速孔４２ａにより制限される。第１の空室２１ａへの酸素の流入は、第１の通路４１ａにおける酸素濃度Ｃ１と第１の空室２１ａにおける酸素濃度Ｃ２との差に依存する。このため、酸素濃度Ｃ２が一定であるときは、酸素濃度Ｃ１に応じた量の酸素が第１の空室２１ａに流入することになる。ここで、第１の水素ポンピング回路６１ａにより、第１の空室２１ａに対し、第１の空室２１ａに流入した酸素の量（以下「酸素流入量」という。）に応じた量の水素を第２の空室２２ａから移動させることができれば、この移動させた水素が電極３１ａ上で酸素と反応することで、第１の空室２１ａにおける酸素濃度Ｃ２をほぼ０に保つことができる。第１の空室２１ａに流入した酸素を完全に消費するために必要な水素の量は、下式により与えられる。本実施形態では、第３の空室２３ａにおける酸素濃度（第１の空室２１ａにおけるものと等しい。）を検出する第１の濃度センシング回路５１ａが設けられるとともに、電流計６３ａによりポンプ電流Ｉｐ１を検出することができるため、第１の空室２１ａにおける酸素濃度Ｃ２が０となるときのポンプ電流Ｉｐ１（すなわち、第１のプロトン移動量）から、酸素流入量、延いては被検ガスの酸素濃度Ｃ１を算出することができる。
【００１５】
２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ  ・・・（１）
ここで、第２の空室２１ｂから第１の空室２１ａへの水素の移動について説明する。
本実施形態では、燃料電池のカソードガスを被検ガスとしている。カソードガスには、燃料電池の発電能力の維持及び電解質膜の保護を目的として、一般的に水蒸気が添加されるため、この水を第２の電極３２ａ上で電気分解することで、水素を発生させることができる。この水の分解化学反応は、次式で表され、この反応に伴い発生する電流がポンプ電流Ｉｐ１として電流計６３ａにより検出される。
【００１６】
２Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋Ｏ2＋２ｅ-  ・・・（２）
ポンプ電流Ｉｐ１と被検ガスの酸素濃度Ｃ１との関係は、次式で表される。なお、ｎを電荷の数（水素の場合は、ｎ＝２）とし、Ｆをファラデー定数とし、Ｒをガス定数とし、Ｔをガス温度とし、Ｐをガス圧力とし、Ｄを酸素の拡散係数とし、Ａを拡散有効面積とし、Ｌを拡散有効距離とし、Ｃ１を被検ガスの酸素濃度とし、Ｃ２を第１の空室２１ａにおける酸素濃度（≒０）とする。右辺の２は、水の生成化学反応における水素と酸素との分子数の関係を反映させたものである。
【００１７】
Ｉｐ１＝２（ｎＦ／ＲＴ）ＤＰＡ（Ｃ１−Ｃ２）／Ｌ  ・・・（３）
式（３）より、第１の空室２１ａにおける酸素濃度Ｃ２をほぼ０に保つことができれば、ポンプ電流Ｉｐ１から被検ガスの酸素濃度Ｃ１を算出することができる。本実施形態では、第１の濃度センシング回路５１ａにより第１の空室２１ａにおける酸素濃度Ｃ２を検出するとともに、第１の水素ポンピング回路６１ａにより第１の空室２１ａに水素を移動させて、酸素を水の生成化学反応により消費させることで、第１の空室２１ａにおける酸素濃度Ｃ２がほぼ０に保たれるようにしている。酸素濃度Ｃ２が０となるときのポンプ電流Ｉｐ１は、電流計６３ａにより第１のプロトン移動量として検出される。第１の濃度センシング回路５１ａは、第３及び第４の電極３３ａ，３４ａを含む水素濃淡電池を形成しており、この電極３３ａ，３４ａ間に発生する電位差Ｖｓ１は、ネルンストの式により一般化される。この電位差Ｖｓ１は、第１の空室２１ａにおける水素濃度（及び酸素濃度Ｃ２）がほぼ０となるときに急変する性質を持つため、この電位差Ｖｓ１の変化率をもとに、酸素濃度Ｃ２がほぼ０であることを検知することができる。
【００１８】
ところで、第４の空室２４ａは、比較的に高い濃度の水素雰囲気とする必要があるが、この水素雰囲気は、第２の電極３２ａから第４の電極３４ａに僅かな量の水素を移動させることで、形成することができる。
式（３）は、酸素に対する検出感度をＫＯ２として、次のように整理することができる。
【００１９】
Ｉｐ１＝ＫＯ２×Ｃ１  ・・・（４）
ＫＯ２＝２（ｎＦ／ＲＴ）ＤＰＡ／Ｌ
ここで、被検ガスに可燃成分が混在する場合は、ポンプ電流Ｉｐ１は、次のように変化する。なお、可燃成分の濃度をＣｘとし、可燃成分に対する検出感度をＫｘとする。
Ｉｐ１＝ＫＯ２×Ｃ１−Ｋｘ×Ｃｘ  ・・・（５）
Ｋｈ＝Ｋｘ／ＫＯ２とし、式（５）を整理すると、次のようになる。
【００２０】
Ｉｐ１＝ＫＯ２（Ｃ１−Ｋｈ×Ｃｘ）  ・・・（６）
式（６）において、可燃成分が特定されたときは、Ｋｈは固有の値をとり、かつ予めこれを特定することができるから、未知数は、Ｃ１及びＣｘの２つとなる。
ここで、この２つの未知数Ｃ１，Ｃｘを明らかにするため、第２のプロトン移動量（＝ポンプ電流Ｉｐ２）を採用する。
【００２１】
第２の検出部１０１ｂの動作について説明すると、次のようである。
第２の検出部１０１ｂは、第２のプロトン移動量を検出するものである。第２の検出部１０１ｂにおいて、被検ガスは、第１の通路４１ｂ及び拡散律速孔４２ｂを介して第１の空室２１ｂに流入するが、第１の通路４１ｂにおいて、酸化反応体７１により可燃成分が酸化される。このため、第１の空室２１ｂには、可燃成分の酸化に消費された分、酸素が減少した被検ガスが流入することになる。可燃成分の酸化に関する係数をＫｙとして、ポンプ電流Ｉｐ２は、次式で表される。
【００２２】
Ｉｐ２＝ＫＯ２（Ｃ１−Ｋｙ×Ｃｘ）  ・・・（７）
ポンプ電流Ｉｐ１，Ｉｐ２の差をδＩｐ（＝Ｉｐ１−Ｉｐ２）として、式（６）、（７）を整理することで、被検ガスの酸素濃度Ｃ１は、次式で表すことができる。
Ｃ１＝（Ｉｐ２＋δＩｐ×Ｋｙ／（Ｋｈ−Ｋｙ））／ＫＯ２  ・・・（８）
可燃成分が水素であるときは、Ｋｈ＝２．２、Ｋｙ＝０．５と定められることから、式（８）は、次のように整理することができる。
【００２３】
Ｃ１＝（Ｉｐ２＋δＩｐ／３．４）／ＫＯ２  ・・・（９）
酸素に対する検出感度ＫＯ２を予め特定するとともに、検出したポンプ電流Ｉｐ及び差δＩｐを式（９）に代入することで、可燃成分の混在による影響を受けずに被検ガスの酸素濃度Ｃ１を算出することができる。また、式（６）、（７）を次のように可燃成分の濃度Ｃｘについて解くことで、酸素の混在による影響を受けずに可燃成分の濃度Ｃｘを算出することもできる。
【００２４】
Ｃｘ＝δＩｐ／（（Ｋｈ−Ｋｙ）×ＫＯ２）  ・・・（１０）
可燃成分が水素であるときは、Ｋｈ＝２．２、Ｋｙ＝０．５であることから、式（１０）は、次のように整理することができる。
Ｃｘ＝δＩｐ／（１．７×ＫＯ２）  ・・・（１１）
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
【００２５】
すなわち、第１のプロトン移動量（＝Ｉｐ１）に加えて第２のプロトン移動量（＝Ｉｐ２）を検出し、検出した第２のプロトン移動量を濃度の算出に反映させることとした。このため、可燃成分（すなわち、水素）の混在による影響を受けず、正確な酸素濃度Ｃ１を算出することができる。逆に、可燃成分の濃度Ｃｘの算出でも、酸素の混在による影響を受けることがなく、被検ガスに酸素と可燃成分とが混在する場合に、両者の正確な濃度を算出することができる。
【００２６】
なお、ここでは、酸素を特定成分とし、可燃成分としての水素が混在する場合を例に説明した。しかしながら、これとは逆に、可燃成分を特定成分とし、影響成分としてこれに酸素が混在する場合も、同様にして各濃度を検出することができる。この場合は、電圧の方向を反転させ、第１の空室２１ａから第２の空室２２ａにプロトンを移動させることで、濃度＝０の状態を形成する。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図２は、本実施形態に係る検出装置１Ｂのセンサ素子部の構成を示している。なお、第１の実施形態のものと対応する構成要素は、同じ符号により表している。
本実施形態では、第１の検出部１０１ａと第２の検出部１０１ｂとで、プロトン伝導体２０１、及び水素濃度Ｃ２を検出するための第４の空間２４ａ（２４ｂ）、第４の電極３４ａ（３４ｂ）を共用させている。すなわち、本実施形態では、単一のプロトン伝導体２０１の一側に対応させて第１の検出部１０１ａを形成するとともに、他側に対応させて第２の検出部１０１ｂを形成している。第１の検出部１０１ａと第２の検出部１０１ｂとの中間に共通の第４の空間２４ａ（２４ｂ）、第４の電極３４ａ（３４ｂ）を形成している。第１の検出部１０１ａでは、第３の電極３３ａとしての機能を第１の電極３１ａに兼ねさせ、第１の電極３１ａ及び共通の第４の電極３４ａとにより第１の濃度センシング回路を形成している。また、第２の検出部１０１ｂでは、第３の電極３３ｂとしての機能を第１の電極３１ｂに兼ねさせ、第１の電極３１ｂ及び共通の第４の電極３４ｂとにより第２の濃度センシング回路を形成している。各検出部１０１ａ，１０１ｂにおいて、第１及び第２の空室２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂが設けられること、各空室２１ａ〜２２ｂでプロトン伝導体２０１上に第１及び第２の電極３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂが設けられること、第１の通路４１ａ，４１ｂと第１の空室２１ａ，２１ｂとの間に拡散律速孔４２ａ，４２ｂが設けられること、及び第２の検出部１０１ｂにおいて、第１の通路４１ｂに酸化反応体７１が設けられることは、第１の実施形態のものと同様である。
【００２８】
本実施形態によれば、第１及び第２の検出部１０１ａ，１０１ｂでプロトン導電体２０１を共用したことで、センサ素子部の小型化及び製造コストの低減が可能となる。また、濃度センシング回路を構成する第４の電極３４ａ（３４ｂ）も共用したことで、センサ素子部の更なる小型化が可能となる。
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る検出装置１Ｃの構成を示しており、図４は、この検出装置１Ｃのセンサ素子部の構成を示している。なお、第１の実施形態のものと対応する構成要素は、同じ符号により表している。
本実施形態では、センサ素子部において、第１のプロトン移動量を検出する第１の検出部１０１ａの機能と、第２のプロトン移動量を検出する第２の検出部１０１ｂの機能とを、１つの検出部１０１により実現している。この検出部１０１は、第１の検出部１０１ａ（図１）と同様に構成され、第１の空室２１及び第２の空室２２とがプロトン伝導体２０１により区画されて形成されている。各空室２１，２２では、プロトン伝導体２０１上に第１及び第２の電極３１，３２が形成されており、第１の空室２１における酸素濃度Ｃ２を検出するための第３の電極（３３ａ）の機能を、第１の電極３１に兼ねさせている。
【００３０】
本実施形態では、この検出部１０１に対し、可燃成分の酸化前又は酸化後の被検ガスを交互に導入するための、被検ガス切換部３０１が設けられている。この被検ガス切換部３０１は、試験プラントにおける被検ガスの通路９０１（たとえば、燃料電池のカソードガス供給ライン）と、センサ素子部との間に設置される。被検ガス切換部３０１には、第１の導入通路３１１と、この第１の導入通路３１１と並列に形成された第２の導入通路３１２とが設けられており、第１及び第２の導入通路３１１，３１２には、「通路選択手段」としての流路切換弁３２１，３２２が夫々設置されている。第１及び第２の導入通路３１１，３１２は、この流路切換弁３２１，３２２の下流で合流しており、流路切換弁３２１，３２２によりこの合流部３１５を通過する被検ガスが切り換えられる。センサ素子部は、被検ガス切換部３０１に対し、この合流部３１５よりも下流の集合通路３１６に臨ませて設置されている。この集合通路３１６は、被検ガスの通路９０１に接続されており、また、この集合通路３１６には、集合通路３１６（特に、センサ素子部の位置３１６ａ）における被検ガスの置換速度を高めるため、吸引ポンプ３２５が設置されている。「酸化手段」としての酸化反応体７１は、第２の導入通路３１２において、流路切換弁３２２よりも上流に設置されている。なお、本実施形態では、被検ガス切換部３０１の端面にガス導入孔３０１ａが形成されており、第１及び第２の導入通路３１１，３１２は、このガス導入孔３０１ａを介して被検ガスの通路９０１と接続している。
【００３１】
流路切換弁３２１，３２２の動作は、切換弁駆動回路４０１からの信号をもとに、アクチュエータ３３１，３３２により制御される。切換弁駆動回路４０１は、所定の周期δｔで流路切換弁３２１，３２２を動作させる。ガス濃度演算回路４０２は、流路切換弁３２１，３２２の切換周期δｔに同期して、センサ駆動回路４０３によりプロトン移動量を制御するとともに、第１の空室２１における酸素濃度Ｃ２が０となるときのプロトン移動量（第１のプロトン移動量及び第２のプロトン移動量）を入力し、被検ガスの酸素濃度Ｃ１を算出する。
【００３２】
検出装置１Ｃの動作について説明すると、次のようである。
図３において、切換弁駆動回路４０１により第１の導入通路３１１からの流れが選択された場合は、可燃成分の酸化前の被検ガスが合流部３１５を通過し、検出部１０１に導入される。ここで、検出部１０１は、第１のプロトン移動量としてのポンプ電流Ｉｐ１を検出する。この場合に、第２の導入通路３１２は、流路切換弁３２２により合流部３１５との接続が遮断されるが、迂回通路３１８によりセンサ素子部の位置３１６ａよりも下流で集合通路３１６に接続される。他方、切換周期δｔ後に第２の導入通路３１２からの流れが選択された場合は、可燃成分の酸化後の被検ガスが合流部３１５を通過し、検出部１０１に導入される。ここで、検出部１０１は、第２のプロトン移動量としてのポンプ電流Ｉｐ２を検出する。この場合に、第１の導入通路３１１は、流路切換弁３２１により合流部３１５との接続が遮断されるが、迂回通路３１７によりセンサ素子部の位置３１６ａよりも下流で集合通路３１６に接続される。合流部３１５を通過した被検ガス及び迂回通路３１７，３１８を通過した被検ガスは、ともに集合通路３１６を介して被検ガスの通路９０１に戻される。図５は、検出部１０１により検出されるポンプ電流Ｉｐ１，Ｉｐ２を示している。第１又は第２のプロトン移動量としてのポンプ電流Ｉｐ１，Ｉｐ２が切換周期δｔ毎に検出される。この切換周期δｔは、通路９０１における被検ガスの濃度変化と、プロトン移動量の検出速度（検出部１０１の応答速度）とに応じて適宜に設定することができる。
【００３３】
本実施形態によれば、第１及び第２の検出部１０１ａ，１０１ｂの機能を１つの検出部１０１に兼ねさせたことで、検出部１０１、特に、回路部４０１〜４０３の簡略化が可能である。また、本実施形態によれば、ガス導入孔３０１ａにより絞りを形成し、被検ガスの導入量を少なくしたことで、酸化反応体７１、延いては被検ガス切換部３０１全体の小型化が可能である。絞りを形成したことで、被検ガスに対する抵抗が増大するため、被検ガスの置換速度が低下する傾向にあるが、吸引ポンプ３２５を設置し、第１及び第２の導入通路３１１，３１２に負圧を作用させ得るようにしたこと、及び迂回通路３１７，３１８の形成により第１及び第２の導入通路３１１，３１２の双方に常に流れが形成されるようにしたことで、置換速度の低下が抑えられ、検出部１０１の応答速度を極力維持することができる。
【００３４】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図６は、本実施形態に係る燃料電池発電システム（以下「発電システム」という。）Ｐの構成を示しており、この発電システムＰには、燃料電池２のカソードガス供給ライン３ａ及びカソードガス排出ライン３ｂに酸素を特定成分とした検出装置１Ｄ，１Ｅが、アノードガス供給ライン４ａ及びアノードガス排出ライン４ｂに水素を特定成分とした検出装置１Ｆ，１Ｇが夫々設置されている。検出装置１Ｄ〜１Ｇにより検出された濃度は、「制御手段」としてのコントローラ５０１に入力され、発電システムＰの制御に反映される。
【００３５】
酸素濃度を反映させた制御として、コントローラ５０１は、検出装置１Ｄ，１Ｅにより検出された入口及び出口酸素濃度、並びに燃料電池２の発電量（電気負荷Ｅに流れる電流として検出することができる。）をもとに、燃料電池５で単位時間当たりに消費された酸素の量、すなわち、酸素消費流量を算出する。コントローラ５０１は、算出した酸素消費流量をもとに、空気供給制御器５の図示しないコンプレッサを制御し、酸素供給流量を制御する。
【００３６】
他方、水素濃度を反映させた制御として、コントローラ５０１は、検出装置１Ｆにより検出された入口水素濃度をもとに、水素供給制御器６を制御し、水素供給流量を制御する。水素供給制御器６は、たとえば、水素を圧縮状態で貯蔵する高圧水素タンクと、このタンクに貯蔵されている水素を所定の圧力に減圧する圧力調整弁とを含んで構成される。コントローラ５０１は、検出された入口水素濃度をもとに、この圧力調整弁による減圧代を制御する。また、コントローラ５０１は、検出装置１Ｇにより検出された出口水素濃度をもとに、水素排出流量を制御する。本実施形態では、アノードガス排出ライン４ｂとアノードガス供給ライン４ａとがアノードガス循環ライン４ｃにより接続されている。アノードからの排出水素は、アノードガス循環ライン４ｃとアノードガス供給ライン４ａとの接続部に設けられた循環器７によりアノードガス供給ライン４ａに還流することができる。コントローラ５０１は、検出された出口水素濃度をもとに、排出制御器８を制御して、アノードガス供給ライン４ａに還流されずに排出される水素の流量（すなわち、水素排出流量）を制御する。更に、コントローラ５０１は、検出装置１Ｆ，１Ｇにより検出された入口及び出口水素濃度、並びに燃料電池２の発電量をもとに、燃料電池５で単位時間当たりに消費された水素の量である水素消費流量を算出し、算出した水素消費流量をもとに、水素供給制御器５を制御することもできる。
【００３７】
燃料電池２では、発電システムＰの起動時及び停止持において、アノードガス供給ライン４ａ及びアノードガス排出ライン４ｂに酸素が混在した状態が形成される。たとえば、起動時において、アノードは、酸化雰囲気にあり、水素の供給開始により還元雰囲気に置換される。検出装置１Ｆ，１Ｇによれば、酸素の混在によらず、正確な入口及び出口水素濃度を検出することができるので、発電システムＰの起動及び停止制御を良好に行うことができる。
【００３８】
また、発電システムＰに空気又は水素の温度を検出するセンサを設置し、検出された温度を空気供給制御器５又は水素供給制御器６の動作に反映させることで、燃料電池２の運転をより良好なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガス濃度検出装置のセンサ素子部の構成
【図２】本発明の第２の実施形態に係るガス濃度検出装置のセンサ素子部の構成
【図３】本発明の第３の実施形態に係るガス濃度検出装置の構成
【図４】同上実施形態に係るガス濃度検出装置のセンサ素子部の構成
【図５】同上実施形態に係るガス濃度検出装置により検出されるポンプ電流
【図６】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成
【符号の説明】
【００４０】
１…ガス濃度検出装置、２１…第１の空室、２２…第２の空室、２３…第３の空室、２４…第４の空室、３１…第１の電極、３２…第２の電極、３３…第３の電極、３４…第４の電極、４１…第１の通路、４２…拡散律速孔、４３…第２の通路、４４…連通路、５１…濃度センシング回路、５２…電圧計、６１…水素ポンピング回路、６２…可変抵抗、６３…電流計、７１…酸化反応体、２０１…プロトン伝導体、３０１…被検ガス切換部、３０１ａ…ガス導入孔、３１１…第１の導入通路、３１２…第２の導入通路、３２１，３２２…流路切換弁、３２５…吸引ポンプ、２…燃料電池、５０１…コントローラ。
【図１】
2006038624.tif 000003
【図２】
2006038624.tif 000004
【図３】
2006038624.tif 000005
【図４】
2006038624.tif 000006
【図５】
2006038624.tif 000007
【図６】
2006038624.tif 000008