(57)【要約】【課題】  単一のプロトン伝導層のもと、このプロトン伝導層に設けられる正負両側電極に加え、参照電極を有効に活用することで、簡単な構成にて、酸素の濃度を精度よく検出するようにした酸素ガス検出装置を提供する。【解決手段】  センサ本体１００は、プロトン伝導層１５０及び正負両側の各電極の他に、参照電極を備えている。負側電極は、操作スイッチ２４０のオンのもと、リード線１７１及び直流電流計２５０を介し接地される。バッファ２１０は参照電極と負側電極との間の電圧をリード線１８３を介し入力されてバッファ電圧を発生する。比較器２３０は、当該バッファ電圧を直流電源２２０からの基準電圧と比較してハイレベル或いはローレベルの比較電圧を発生しリード線１６１を介し正側電極に印加する。【選択図】    図１
2005195535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ本体と、検出制御手段とを備える酸素ガス検出装置であって、
前記センサ本体は、
高分子電解質からなるプロトン伝導層と、
互いに対向する対向面をそれぞれ有し当該各対向面間にて前記プロトン伝導層を挟持する両支持壁と、
当該両支持壁の一方の前記対向面側に設けられて前記プロトン伝導層に沿い当接する負側電極と、
他方の支持壁の前記対向面側に設けられて前記プロトン伝導層に沿い当接する正側電極と、
前記他方の支持壁の前記対向面側に前記正側電極とは間隔をおいて設けられて前記プロトン伝導層に沿い当接する参照電極とを備え、
前記一方の支持壁は、前記負側電極に外部からの被測定ガスを流入させる拡散律速部を備え、
前記他方の支持壁は、前記正側電極に外部から被測定ガスを流入させる孔部を備え、
前記検出制御手段は、前記正側電極上にて前記被測定ガスからプロトンを生成するとともに当該プロトンを前記プロトン伝導層を介し前記正側電極から前記負側電極に汲み出すように前記正側電極と前記負側電極との間に直流電圧を印加した後、当該直流電圧を前記負側電極と前記参照電極との間にかかる電圧を一定にするように制御して、前記正側電極から前記負側電極に流れる電流に基づき前記被測定ガス中の酸素ガスの濃度を検出する酸素ガス検出装置。
【請求項２】
センサ本体と、検出制御手段とを備える酸素ガス検出装置であって、
前記センサ本体は、
高分子電解質からなるプロトン伝導層と、
互いに対向する対向面をそれぞれ有し当該各対向面間にて前記プロトン伝導層を挟持する両支持壁と、
当該両支持壁の一方の前記対向面側に設けられて前記プロトン伝導層に沿い当接する負側電極と、
他方の支持壁の前記対向面側に設けられて前記プロトン伝導層に沿い当接する正側電極と、
前記他方の支持壁の前記対向面側に前記正側電極とは間隔をおいて設けられて前記プロトン伝導層に沿い当接する参照電極とを備え、
前記一方の支持壁は、前記負側電極に外部からの被測定ガスを流入させる拡散律速部を備え、
前記他方の支持壁は、前記正側電極に外部から被測定ガスを流入させる孔部を備え、
前記検出制御手段は、前記参照電極の前記負側電極に対する電圧を大きくするように前記正側電極と前記負側電極との間に直流電圧を印加し、前記参照電極の前記負側電極に対する電圧が大きくなると前記負側電極と前記参照電極との間にかかる電圧を一定にするように前記直流電圧を制御するようにした酸素ガス検出装置。
【請求項３】
前記検出制御手段は、
基準電圧を発生する直流電源と、
前記参照電極と前記負側電極との間にかかる電圧を前記直流電源からの基準電圧と比較して、前記参照電極と前記負側電極との間にかかる電圧が前記基準電圧よりも低いときハイレベルにて比較電圧を発生し前記直流電圧として前記正側電極と前記負側電極との間に印加し、前記参照電極と前記負側電極との間にかかる電圧が前記基準電圧よりも高いとき前記直流電圧をローレベルにする比較手段を備えるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の酸素ガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素ガス検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境や自然保護等に対する社会的要求から、効率の高いクリーンなエネルギー源として、種々の燃料電池の研究が活発に行われている。これらの燃料電池のうち、例えば、低温作動や高出力密度等の利点により、家庭用や車載用のエネルギー源として固体高分子型燃料電池の開発が期待されている。
【０００３】
このような燃料電池のアノードガスとしては、天然ガスやメタノール等を改善することで得られる水素ガスの採用が有望視される一方で、当該燃料電池のカソードガスとしては、例えば、加湿空気が採用される。このカソードガス中の酸素は、上記燃料電池の発電により消費されるが、より一層効率を向上させるために、カソードガス中の酸素の濃度を直接検出し得る検出装置の開発が要請される。
【０００４】
この要請に対する検出装置としては、アノードガス側からの水素ガスの漏洩等を考慮して、安全確保のため、例えば、１００（℃）と作動温度の低いものが必要とされる。
【０００５】
このような低温作動型の酸素ガス検出装置としては、ナフィオン（登録商標）の膜（以下、ナフィオン膜ともいう）をプロトン伝導膜として用いた電流検出型酸素ガス検出装置が下記非特許文献１にて開示されている。
【０００６】
この電流検出型酸素ガス検出装置においては、上下両側のナフィオン膜が多孔性シートを介し互いに間隔をおいて平行に支持されており、これら各ナフィオン膜の両面には、白金電極がそれぞれ形成されている。ここで、上側ナフィオン膜の両白金電極のうち多孔性シート側に位置する白金電極は、当該多孔性シートの空所を通し下側ナフィオン膜の両白金電極のうち多孔性シート側に位置する白金電極に対向している。また、上側ナフィオン膜の上側白金電極上には拡散層が形成されている。
【０００７】
このような２層構造のもと、下側ナフィオン膜の両白金電極間に直流電圧を印加すると、上記２層構造に向けてその下方から流れる水蒸気が、下側ナフィオン膜の下側白金電極上にて電解されてプロトンを発生する。このように発生したプロトンは、下側ナフィオン膜を通りその上側白金電極に移動して、水素ガスとなって多孔性シートの空所内に供給される。
【０００８】
これに伴い、上側ナフィオン膜においては、被測定ガス中の酸素ガスと上記空所に溜まる水素ガスとの間で燃料電池が構成される。このため、上側ナフィオン膜の両白金電極を電気的に短絡すると、短絡電流が流れる。ここで、上側ナフィオン膜の上側白金電極上には上述のごとく拡散層が形成されているので、上側白金電極への酸素ガスの供給が制限され、短絡電流は、被測定ガス中の酸素分圧に依存する。従って、この短絡電流の測定でもって、酸素ガスの濃度を検出できる。
【非特許文献１】「A solid-state amperometric oxygen sensor using NAFION menbrane operative at room temperature」，Chemistry Letters by Norio Miura etc. pp.1197-1200,1988
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記電流検出型酸素ガス検出装置では、上述のように燃料電池を構成するに必要な水素ガスを供給するために、水素ガスを溜める空所を設けた多孔性シート、下側ナフィオン膜及びその両白金電極が必須とされる。従って、この多孔性シート、下側ナフィオン膜及びその両白金電極が余分な構成部材となって酸素ガス検出装置としての構成を複雑にするという不具合を招く。
【００１０】
また、上記電流検出型酸素ガス検出装置では、短絡電流を測定することから、ナフィオン膜の内部抵抗が高くなると酸素ガス濃度の検出精度が悪くなるという不具合もある。
【００１１】
そこで、本発明は、以上のようなことに対処するため、単一のプロトン伝導層のもと、このプロトン伝導層に設けられる正負両側電極に加え、参照電極を有効に活用することで、簡単な構成にて、酸素の濃度を精度よく検出するようにした酸素ガス検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題の解決にあたり、本発明に係る酸素ガス検出装置は、請求項１の記載によれば、  センサ本体（１００）と、検出制御手段（２００）とを備える。
【００１３】
センサ本体は、
高分子電解質からなるプロトン伝導層（１５０）と、
互いに対向する対向面をそれぞれ有し当該各対向面間にてプロトン伝導層を挟持する両支持壁（１３０、１４０）と、
当該両支持壁の一方（１３０）の上記対向面側に設けられてプロトン伝導層に沿い当接する負側電極（１７０）と、
他方の支持壁（１４０）の上記対向面側に設けられてプロトン伝導層に沿い当接する正側電極（１６０）と、
他方の支持壁の上記対向面側に正側電極とは間隔をおいて設けられてプロトン伝導層に沿い当接する参照電極（１８２）とを備え、
一方の支持壁は、負側電極に外部からの被測定ガスを流入させる拡散律速部（１３３）を備え、
他方の支持壁は、正側電極に外部から被測定ガスを流入させる孔部（１４３）を備える。
【００１４】
また、検出制御手段は、正側電極上にて被測定ガスからプロトンを生成するとともに当該プロトンをプロトン伝導層を介し正側電極から負側電極に汲み出すように正側電極と負側電極との間に直流電圧を印加した後、当該直流電圧を負側電極と参照電極との間にかかる電圧を一定にするように制御して、正側電極から負側電極に流れる電流に基づき被測定ガス中の酸素ガスの濃度を検出する。
【００１５】
このように、正側電極上にて被測定ガスからプロトンを生成するとともに当該プロトンをプロトン伝導層を介し正側電極から負側電極に汲み出すように正側電極と負側電極との間に直流電圧を印加した後、当該直流電圧を負側電極と参照電極との間にかかる電圧を一定にするように制御して、正側電極から負側電極に流れる電流に基づき被測定ガス中の酸素ガスの濃度を検出する。
【００１６】
即ち、上述のように正側電極と負側電極との間に直流電圧を印加すると、正側電極上にて被測定ガスから生成されたプロトンがプロトン伝導層により伝導されて負側電極に汲み出される。このとき、被測定ガス中に酸素ガスが存在すると、負側電極上において当該負側電極に汲み出されたプロトンが酸素ガスと反応して再び水蒸気となる。これに伴い、負側電極上の水素ガスの濃度の増大が抑制される。
【００１７】
ここで、負側電極に流入する酸素ガスの量は上記拡散律速部にて制限されるため、正側電極から汲み出されるプロトンが負側電極に流入する酸素ガスよりも多くなった時点で、負側電極上に余剰の水素ガスが残留するようになり、負側電極と参照電極との間の電圧が増加することとなる。このため、上述のように、上記直流電圧が負側電極と参照電極との間にかかる電圧を一定にするように制御される。このような状態において、正側電極から負側電極に流れる電流は被測定ガス中の酸素ガスの濃度に比例することから、当該電流を測定することで、被測定ガス中の酸素ガスの濃度を精度よく検出できる。
【００１８】
このような検出にあたり、検出制御手段を上述のように構成すれば、センサ本体は、単一のプロトン伝導層及び正負両側の各電極の他には、電極としては、参照電極を加えるのみでよく、簡単な構成となる。従って、従来技術にて述べた不具合を確実に解消できる酸素ガス検出装置が提供され得る。
【００１９】
また、本発明に係る酸素ガス検出装置は、請求項２の記載によれば、センサ本体（１００）と、検出制御手段（２００）とを備える。
【００２０】
センサ本体は、
高分子電解質からなるプロトン伝導層（１５０）と、
互いに対向する対向面をそれぞれ有し当該各対向面間にてプロトン伝導層を挟持する両支持壁（１３０、１４０）と、
当該両支持壁の一方（１３０）の上記対向面側に設けられてプロトン伝導層に沿い当接する負側電極（１７０）と、
他方の支持壁（１４０）の上記対向面側に設けられてプロトン伝導層に沿い当接する正側電極（１６０）と、
他方の支持壁の上記対向面側に正側電極とは間隔をおいて設けられてプロトン伝導層に沿い当接する参照電極（１８２）とを備え、
一方の支持壁は、負側電極に外部からの被測定ガスを流入させる拡散律速部（１３３）を備え、
他方の支持壁は、正側電極に外部から被測定ガスを流入させる孔部（１４３）を備える。
【００２１】
また、検出制御手段は、参照電極の負側電極に対する電圧を大きくするように正側電極と負側電極との間に直流電圧を印加し、参照電極の負側電極に対する電圧が大きくなると負側電極と参照電極との間にかかる電圧を一定にするように上記直流電圧を制御する。
【００２２】
このように、参照電極の負側電極に対する電圧を大きくするように正側電極と負側電極との間に直流電圧を印加し、参照電極の負側電極に対する電圧が大きくなると負側電極と参照電極との間にかかる電圧を一定にするように上記直流電圧を制御する。
【００２３】
即ち、上述のように参照電極の負側電極に対する電圧を大きくするように正側電極と負側電極との間に直流電圧を印加することは、負側電極上の水素ガスの濃度を参照電極上の水素ガスの濃度よりも高くするように正側電極と負側電極との間に直流電圧を印加することを意味する。
【００２４】
このため、正側電極上において被測定ガス中の水蒸気が電解することによってプロトンが生成され、このように生成されたプロトンは、プロトン伝導層の伝導作用のもとに負側電極に汲み出される。このとき、被測定ガス中に酸素ガスが存在すると、負側電極上において当該負側電極に汲み出されたプロトンが酸素ガスと反応して再び水蒸気となる。このため、負側電極上の水素ガスの濃度の増加が抑制される。
【００２５】
ここで、負側電極に流入する酸素ガスの量は拡散律速部にて制限されるので、正側電極から汲み出されるプロトンが負側電極に流入する酸素ガスよりも多くなった時点において、負側電極上に余剰の水素ガスが残留するようになる。
【００２６】
これに伴い、参照電極の負側電極に対する電圧が大きくなると、負側電極と参照電極との間にかかる電圧を一定にするように上記直流電圧が制御される。このような状態において、正側電極から負側電極に流れる電流は被測定ガス中の酸素ガスの濃度に比例することから、当該電流を測定することで、被測定ガス中の酸素ガスの濃度を精度よく検出できる。
【００２７】
このような検出にあたり、検出制御手段を上述のように構成すれば、センサ本体は、単一のプロトン伝導層及び正負両側の各電極の他には、電極としては、参照電極を加えるのみでよく、簡単な構成となる。従って、従来技術にて述べた不具合を確実に解消できる酸素ガス検出装置が提供され得る。
【００２８】
また、本発明は、請求項３の記載によれば、請求項２に記載の酸素ガス検出装置において、検出制御手段は、
基準電圧を発生する直流電源（２２０）と、
参照電極と負側電極との間にかかる電圧を直流電源からの基準電圧と比較して、参照電極と負側電極との間にかかる電圧が上記基準電圧よりも低いときハイレベルにて比較電圧を発生し上記直流電圧として正側電極と負側電極との間に印加し、参照電極と負側電極との間にかかる電圧が上記基準電圧よりも高いとき上記直流電圧をローレベルにする比較手段（２３０）を備えるようにしたことを特徴とする。
【００２９】
このように検出制御手段を構成することで、請求項２に記載の発明の作用効果をより一層具体的に達成し得る。
【００３０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態を図面により説明する。図１は、本発明に係る酸素ガス検出装置の一実施形態を示す。この酸素ガス検出装置は、センサ本体１００を備えている。このセンサ本体１００は、円筒状筐体１１０と、この筐体１１０に円柱状樹脂部材１１１を介し支持したセンサ素子１２０とを備えている。樹脂部材１１１は、筐体１１０の中空部内に、電気絶縁性合成樹脂でもってモールド成型により同軸的に形成されている。
【００３２】
センサ素子１２０は、図１及び図２にて示すごとく、一対の支持壁１３０、１４０を備えている。これら各支持壁１３０、１４０は、その各上端部１３１、１４１にて、樹脂部材１１１の下端部に埋設されて支持されており、当該各支持壁１３０、１４０は、その各上端部１３１、１４１から互いに対向するように並行に下方へ円筒状フィルタ１９０（後述する）内に向け長手状に延出している。なお、各支持壁１３０、１４０の上端部１３１、１４１は、樹脂部材１１１のモールド成型の際に当該樹脂部材１１１の下部に埋設されている。
【００３３】
各支持壁１３０、１４０は、アルミナ等の電気絶縁性セラミック材料でもって形成されており、支持壁１３０の支持壁１４０との対向面には、凹所１３２が、図２にて示すごとくプロトン伝導層１５０に向け開口するように形成されている。また、当該支持壁１３０は、被測定ガスの流入孔部として拡散律速孔部１３３を備えており、この拡散律速孔部１３３は、図２にて示すごとく、支持壁１３０の凹所１３２に対する対応部位（以下、上壁部位１３４ともいう）にその厚さ方向に貫通状に形成されて、凹所１３２内に開口している。
【００３４】
この拡散律速孔部１３３は、後述するプロトン伝導層１５０によるプロトンの伝導能力に余裕を与えるように被測定ガスの拡散抵抗を大きくする役割を果たす。本実施形態では、拡散律速孔部１３３は、支持壁１３０の上壁部位１３４に内径６０（μｍ）の貫通孔部をレーザ加工で形成することで形成されている。なお、上壁部位１３４の内面には、電極端子（図示しない）が、負側電極用電極端子として膜状に印刷形成されている。
【００３５】
一方、支持壁１４０は、両凹所１４２、１４４を備えており、これら両凹所１４２、１４４は、支持壁１４０の支持壁１３０との対向面にて、図２にて示すごとく凹所１３２に対向して位置しプロトン伝導層１５０に向け開口するように形成されている。また、当該支持壁１４０は、被測定ガスを凹所１４２内に流入させる孔部１４３を備えており、この孔部１４３は、支持壁１４０の両凹所１４２、１４４に対する対応部位（以下、上壁部位１４５ともいう）に図２にて示すごとくその厚さ方向に貫通状に形成されて、凹所１４２内に開口している。
【００３６】
本実施形態では、両凹所１４２、１４４は、隔壁１４６により相互に隔離されているが、当該隔壁１４６の高さは、両凹所１４２、１４４の各深さよりも幾分低くなっている。なお、上壁部位１４５の内面のうち各凹所１４２、１４４に対する対応部位には、各電極端子（図示しない）が、それぞれ、膜状に印刷形成されている。当該各電極端子のうち、凹所１４２側の電極端子を正側電極用電極端子といい、凹所１４４側の電極端子を参照電極用電極端子という。
【００３７】
また、センサ本体１００は、図１及び図２にて示すごとく、プロトン伝導層１５０を備えており、このプロトン伝導層１５０は、両支持壁１３０、１４０によりその各長手方向中間部位の間にて挟持されている。このプロトン伝導層１５０は、高分子電解質により形成されて、後述する正側電極１６０からプロトンを負側電極１７０に伝導する。本実施形態では、当該プロトン伝導層１５０の形成材料である高分子電解質として、例えば、デュポン社製で登録商標「Nafion117」で指定されている高分子電解質が採用されている。
【００３８】
また、当該センサ本体１００は、図２にて示すごとく、上述した正負両側の電極１６０、１７０、負側多孔質性板状拡散部材１８０、参照電極１８２、正側多孔質性板状拡散部材１８４及び参照側多孔質性板状拡散部材１８５を備えている。
【００３９】
正側電極１６０は、拡散部材１８４と共に、支持壁１４０の凹所１４２内にて、上壁部位１４５とプロトン伝導層１５０との間に挟持されている。ここで、正側電極１６０は、その裏面にてプロトン伝導層１５０の正側面に当接しており、この正側電極１６０の表面は、拡散部材１８４の裏面に当接している。また、拡散部材１８４は、その表面にて、上壁部位１４５のうち凹所１４２側部の内面に当接している。これにより、当該拡散部材１８０は、正側電極１６０をプロトン伝導層１５０に押圧してこの正側電極１６０のプロトン伝導層１５０に対する機械的支持接触強度を高めるとともに、当該正側電極１６０を介しプロトン伝導層１５０に電気的に接続されている。
【００４０】
本実施形態では、拡散部材１８４は、導電性多孔質材料、例えば、白金メッキを施したチタン製メッシュで形成されている。これにより、拡散部材１８４は、孔部１４３から流入するガスを拡散させて正側電極１６０に案内するとともに、支持部材１４０の上壁部位１４５の上記正側電極用電極端子を正側電極１６０に電気的に接続する。なお、拡散部材１８４は、その表面の一部にて、支持部材１４０の上壁部位１４５の上記正側電極用電極端子に電気的に接続されている。
【００４１】
負側電極１７０は、拡散部材１８０と共に、支持壁１３０の凹所１３２内にて、上壁部位１３４とプロトン伝導層１５０との間に挟持されている。
【００４２】
ここで、負側電極１７０は、その裏面にて、プロトン伝導層１５０の負側面に当接しており、当該負側電極１７０の表面は、拡散部材１８０の裏面に当接している。また、拡散部材１８０は、その表面にて、凹所１３２の上壁部位１３４の内面に当接している。これにより、当該拡散部材１８０は、負側電極１７０をプロトン伝導層１５０に押圧してこの負側電極１７０のプロトン伝導層１５０に対する機械的支持接触強度を高めるとともに、当該負側電極１７０を介しプロトン伝導層１５０に電気的に接続されている。
【００４３】
本実施形態では、拡散部材１８０は、拡散部材１８４の形成材料と同様の材料で形成されている。これにより、拡散部材１８０は、拡散律速孔部１３３から導入されるガスを拡散させて負側電極１７０に案内するとともに、支持部材１３０の上壁部位１３４の上記負側電極用電極端子を負側電極１７０に電気的に接続する。なお、拡散部材１８０は、その表面の一部にて、支持部材１３０の上壁部位１３４の上記電極端子に電気的に接続されている。
【００４４】
参照電極１８２は、拡散部材１８５と共に、支持壁１４０の凹所１４４内にて、プロトン伝導層１５０と支持壁１４０の上壁部位１４５との間に挟持されている。ここで、参照電極１８２は、その裏面にて、プロトン伝導層１５０の正側面に当接しており、当該参照電極１８２の表面は、拡散部材１８５の裏面に当接している。また、拡散部材１８５は、その表面にて、上壁部位１４５のうち凹所１４４側部の内面に当接している。これにより、当該拡散部材１８５は、参照電極１８２をプロトン伝導層１５０に押圧してこの参照電極１８２のプロトン伝導層１５０に対する機械的支持接触強度を高めるとともに、当該参照電極１８２を介しプロトン伝導層１５０に電気的に接続されている。
【００４５】
本実施形態では、拡散部材１８５は、拡散部材１８４の形成材料と同様の材料で形成されている。これにより、拡散部材１８５は、その流入ガスを拡散させるとともに、支持部材１４０の上壁部位１４５の上記参照電極用電極端子を参照電極１８５に電気的に接続する。なお、拡散部材１８５は、その表面の一部にて、支持部材１４０の上壁部位１４５の上記参照電極用電極端子に電気的に接続されている。
【００４６】
また、上述のごとく、隔壁１４６の高さは、両凹所１４２、１４４の各深さよりも幾分低くなっているため、凹所１４４は、隔壁１４６とプロトン伝導層１５０との間に形成される狭隙通路（図２にて符号１４７参照）を通して凹所１４２内に連通している。
【００４７】
本実施形態において、正側電極１６０、負側電極１７０及び参照電極１８２は、白金族金属の粉末と高分子電解質とを混合してなる電極材料でもってそれぞれ形成されている。具体的には、白金族金属の粉末と高分子電解質とを混練してなるペーストをプロトン伝導層１５０の正側及び負側の各面に沿い塗布した後乾燥して正側電極１６０、負側電極１７０及び参照電極１８２として形成する。
【００４８】
上記白金族金属は、白金（Ｐｔ）の他、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）或いはイリジウム（Ｉｒ）等を含むが、本実施形態における当該白金族金属としては、例えば、エム・イーケムキャット社製白金黒（Platinum black）であって被表面積３５（ｍ2／ｇ）を有するものが採用されている。
【００４９】
また、上記電極材料の一形成材料である高分子電解質は、一般的には、電解質としての性質をもつ高分子や高分子鎖中に解離基を有し、水に溶けた状態で高分子イオンとなるもの、例えば、パーフルオロスルホン酸エチレンをいう。本実施形態では、当該高分子電解質としては、デュポン社製ナフィオン溶液（Nafion溶液）が採用されている。
【００５０】
また、本実施形態において、センサ本体１００の検出制御回路２００（後述する）への接続のための配線構成は次のようになっている。即ち、正側リード線１６１は、図１にて示すごとく、その一端にて、支持壁１４０の上記正側電極用電極端子に電気的に接続されており、この正側リード線１６１は、その一端から支持壁１４０の内部及び樹脂部材１１１の内部を通り外方へ延出している。一方、負側リード線１８１は、その一端にて、支持壁１３０の上壁部位の上記負側電極用電極端子に接続されており、この負側リード線１８１は、その一端から支持壁１３０の内部及び樹脂部材１１１の内部を通り外方へ延出している。また、参照電極用リード線１８３は、その一端にて、支持壁１４０の上記参照電極用電極端子に電気的に接続されており、この参照電極用リード線１８３は、その一端から支持壁１４０の内部及び樹脂部材１１１の内部を通り外方へ延出している。
【００５１】
また、当該センサ本体１００は、図１にて示すごとく、円筒状フィルタ１９０を備えている。このフィルタ１９０は、その周壁１９１の開口端部１９２にて、筐体１１０の小径雄ねじ部１１２の下端開口部に同軸的に装着されており、このフィルタ１９０は、筐体１１０からのセンサ素子１２０の延出部を包囲している。当該フィルタ１９０は、撥水性及びガス透過性を兼ね備えたフィルタ材料でもって形成されており、このフィルタ１９０は、外部からのガスに付随する水滴を排除して水素ガスや酸素ガス等のガスのみをセンサ素子１２０の上記延出部に向け透過させる。
【００５２】
次に、当該酸素ガス検出装置の回路構成につき図３を参照して説明すると、この酸素ガス検出装置は、検出制御回路２００を備えている。この検出制御回路２００は、演算増幅器からなるバッファ２１０と、直流電源２２０と、比較器２３０を備えている。バッファ２１０は、その正側入力端子にて、センサ素子１２０のリード線１８３を介し参照電極１８２に接続されており、このバッファ２１０は、参照電極１８２からの電圧を安定的にバッファ電圧として出力する。
【００５３】
直流電源２２０は、直流の基準電圧を発生する。本実施形態では、当該基準電圧は、負側電極１７０上の水素ガスの濃度の上限を規制する直流電圧である。比較器２３０は、バッファ２１０のバッファ電圧を直流電源２２０の基準電圧と比較する。そして、上記バッファ電圧が上記基準電圧よりも低いとき、比較器２３０は、ハイレベルにて比較電圧を発生する。また、上記バッファ電圧が上記基準電圧よりも高いとき、比較器２３０は上記比較電圧をローレベルにする。
【００５４】
また、当該検出制御回路２００は、操作スイッチ２４０を備えており、この操作スイッチ２４０は、その一端にて、接地されている。また、当該操作スイッチ２４０の他端は、直流電流計２５０及びリード線１８１及び拡散部材１８０を通り負側電極１７０に接続されている。これにより、当該操作スイッチ２４０は、そのオンにより、負側電極１７０を拡散部材１８０及び直流電流計２５０を介し接地する。この接地は、操作スイッチ２４０のオフにより解除される。
【００５５】
このように構成した本実施形態において、当該酸素ガス検出装置による酸素ガスの検出例について説明する。センサ本体１００を、図３にて示すごとく、ガス配管３００に取り付ける。即ち、筐体１１０をその小径雄ねじ部１１２にて、ガス配管３００の周壁に形成した雌ねじ孔部３１０に締着する。これにより、当該センサ本体１００は、フィルタ１９０にて、ガス配管３００内の被測定ガスの流れ（図３にて矢印３２０参照）の中に晒される。
【００５６】
このとき、ガス配管３００内において、センサ本体１００は、拡散律速孔部１３３にて、被測定ガスの流れ３２０の上流側に向け開口し、一方、孔部１４３にて、被測定ガスの流れ３２０の下流側に向け開口している。
【００５７】
このような状態において、被測定ガスが、図３にて図示方向（矢印３２０参照）に流れると、当該被測定ガスはフィルタ１９０を透過して当該フィルタ１９０内に流入する。この流入の際、被測定ガスに付随する水滴はフィルタ１９０の撥水作用により排除される。しかして、当該被測定ガスがセンサ本体１００の拡散律速孔部１３３を通り支持壁１３０の凹所１３２内に流入すると、この流入被測定ガス中の酸素ガスは、拡散部材１８０により拡散されて、正側電極１６０からプロトン伝導層１５０を介し負側電極１７０に汲み出されるプロトンと反応して水蒸気となる。
【００５８】
現段階において、操作スイッチ２４０がオフされていれば、センサ素子１２０の負側電極１７０は非接地状態にある。このため、センサ素子１２０は、被測定ガスに晒された状態で、正側電極１６０、負側電極１７０及び参照電極１８２を同電位に維持する。
【００５９】
しかして、操作スイッチ２４０をオンすると、センサ素子１２０の負側電極１７０が、拡散部材１８０、直流電流計２５０及び操作スイッチ２４０を通して接地される。このとき、参照電極１８２が、負側電極１７０と同電位にあるため、バッファ２１０のバッファ電圧は直流電源２２０の基準電圧よりも低い。
【００６０】
従って、比較器２３０は、ハイレベルにて比較電圧を発生しリード線１６１を通して正側電極１６０に出力する。換言すれば、比較器２３０から上述のように出力されるハイレベルの比較電圧は、参照電極１８２の負側電極１７０に対する電圧を大きくするように、即ち負側電極１７０上の水素ガスの濃度を参照電極１８２上の水素ガスの濃度よりも高くするように、接地状態にある負側電極１７０と正側電極１６０との間に印加される。
【００６１】
このような比較電圧の印加に伴い、正側電極１６０上において被測定ガス中の水蒸気が電解することによって、当該正側電極１６０上にプロトンが生成されプロトン伝導層１５０による伝導作用のもと負側電極１７０に汲み出される。
【００６２】
このとき、上記被測定ガス中に酸素ガスが存在すると、負側電極１７０上に汲み出されるプロトンが酸素ガスと反応して再び水蒸気になる。このため、負側電極１７０上における水素ガスの濃度の増大が抑制される。
【００６３】
ここで、酸素ガスの負側電極１７０への流入量は、上記被測定ガスの流入量と同様に拡散律速孔部１３３により制限される。このため、上述のように正側電極１６０から汲み出されるプロトンが、負側電極１７０上への流入酸素量よりも多くなった時点において、負側電極１７０上に余剰の水素ガスが残存するようになり、その結果、参照電極１８２の負側電極１７０との間の電圧が急激に増大する。
【００６４】
このように急激に増大する電圧は、参照電極１８２から拡散部材１８５を介しリード線１８３を通りバッファ２１０の正側入力端子に出力される。これに伴い、当該バッファ２１０が、上述のように急激に増大する電圧をバッファ電圧として発生すると、比較器２３０が、当該バッファ電圧を直流電源２２０の基準電圧と比較する。
【００６５】
現段階においては、バッファ２１０からのバッファ電圧が拡散部材１８５を介する参照電極１８２からの電圧の急激な増大に伴い急激に増大することから、当該バッファ電圧が直流電源２２０の基準電圧よりも高くなり、比較器２３０からの比較電圧がローレベルに低下する。このようにローレベルに低下する比較電圧は、比較器２３０からリード線１６１を通り正側電極１６０に出力される。
【００６６】
以上のような作動の繰り返しにより、検出制御回路２００は、負側電極１７０上の水素ガスの濃度を一定に制御するように、換言すれば、負側電極１７０と参照電極１８２との間の電圧を一定に制御するように、比較電圧を制御電圧として正側電極１６０に印加する。
【００６７】
このとき、正側電極１６０から負側電極１７０に流れる直流電流は、上記被測定ガス中の酸素の濃度に比例する。このため、当該直流電流を直流電流計２５０で測定することで上記被測定ガス中の酸素ガスの濃度が検出される。
【００６８】
換言すれば、参照電極１８２と負側電極１７０との間の電圧を一定の電圧に制御するように、上記比較電圧を、上記被測定ガス中の酸素ガスの濃度の増大或いは減少に応じ増大或いは減少させて、正側電極１６０と負側電極１７０との間に制御電圧として印加することで、負側電極１７０上の水素の濃度を一定に維持する。そして、このような状態において、正側電極１６０から負側電極１７０に流れる直流電流を直流電流計２５０で測定することで上記被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。
【００６９】
ここで、上述したごとく、センサ素子１２０は、プロトン伝導層としては単一のプロトン伝導層１５０を有するのみでよく、センサ本体１００を簡単な構成とし得る。従って、このような簡単な構成でもって、上述のような酸素ガスの精度のよい検出が可能となる。
【００７０】
ちなみに、本実施形態の酸素ガス検出装置を用いて、被測定ガス中の酸素ガスの濃度を検出してみたところ、図４のグラフにて示すような検出結果が得られた。この検出にあたり、その検出条件を次の通りとする。
【００７１】
上記被測定ガスのガス組成を、１〜２０（％）の範囲内の酸素（Ｏ2）、２０（％）の水（Ｈ2Ｏ）及び窒素（Ｎ2）とする。当該被測定ガスの温度及び流量をを８０（℃）及び１０（リットル／分）とする。また、参照電極１８２と負側電極１７０との間の電圧を５００（ｍＶ）とする。
【００７２】
図４のグラフは、酸素ガスの濃度を、直流電流計２５０により測定した直流電流との関係を示す。これによれば、酸素ガスの濃度は、直流電流とほぼ正比例的な関係を有することが分かる。従って、正側電極１６０と負側電極１７０の間に流れる直流電流を、直流電流計２５０により測定すれば、上記被測定ガス中の酸素ガスの濃度を精度よく検出できることが分かる。
【００７３】
なお、本発明の実施にあたり、上記実施形態に限ることなく、次のような種々の変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態において、直流電源２２０の基準電圧を可変とすることで、上記被測定ガス中の水蒸気の濃度等が変化して正側電極１６０と負側電極１７０との間の電気抵抗値（プロトン伝導層１５０の内部抵抗値）が増大しても、当該基準電圧を高く調整し、この調整基準電圧とバッファ２１０のバッファ電圧との比較により比較器２３０の出力電圧を制御して、負側電極１７０上の水素ガスの濃度を精度よく一定に制御し得る。
【００７４】
従って、参照電極１８２と負側電極１７０との間に生ずる電圧を適正に調整することで、上記被測定ガス中の酸素ガスや水蒸気の濃度が大きく変化しても、負側電極１７０上の水素ガスの濃度を常に制御可能であって、酸素ガスの濃度を広い範囲に亘り精度よく検出し得る。
【００７５】
よって、上記実施形態にて述べた酸素ガス検出装置において、直流電源２２０の基準電圧を可変とすることで、大気や燃料電池のカソードガス等の加湿空気に含まれる酸素ガスの濃度を精度よく検出するに適用できる酸素ガス検出装置の提供が可能となる。
（２）支持壁１３０に形成した拡散律速孔部１３３は、単一の貫通孔部に代えて、複数の貫通孔部としてもよい。また、拡散律速孔部１３３に代えて、アルミナ等の多孔質材料からなる柱状部を採用してもよい。なお、当該柱状部や拡散律速孔部１３３は、拡散律速部として把握してもよい。
（３）両支持壁１３０、１４０に代えて、これら両支持壁１３０、１４０を一体に有する支持体を採用してもよい。また、両支持壁１３０、１４０は、セラミック材料に代えて、電気絶縁性合成樹脂でもって形成してもよい。
（４）拡散律速孔部１３３は、支持壁１３０における凹所１３２の上壁１３４の中央に限ることなく、拡散部材１８０による被測定ガスの拡散可能な位置であれば、当該上壁１３４のどの部位に貫通状に形成されていてもよい。
（５）正側電極１６０、負側電極１７０及び参照電極１８２は、プロトン伝導層１５０に当接する面側において、白金族金属を担持したカーボン等の多孔質性電極を採用してもよい。
（６）支持壁１４０において、隔壁１４６を廃止して、両凹所１４２、１４４に代えて、共通の凹所を形成し、この共通の凹所内に、正側電極１６０及び参照電極１８２を、図２にて示すごとく、互いに間隔をおいて設けるようにしてもよい。
（７）正側電極１６０、負側電極１７０及び参照電極１８２は、プロトン伝導層１５０にホットプレス法により接着するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る酸素ガス検出装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１のセンサ素子の拡大断面図である。
【図３】図１の酸素ガス検出装置により被測定ガス中の酸素ガスの濃度を測定するための構成図である。
【図４】当該酸素ガス検出装置により検出される酸素ガスの濃度を直流電流との関係にて示すグラフである。
【符号の説明】
【００７７】
１３０、１４０…支持壁、１３３…拡散律速孔部、１４３…孔部、
１５０…プロトン伝導層、１６０…正側電極、１７０…負側電極、１８２…参照電極、
２００…検出制御回路、２２０…直流電源、２３０…比較器。
【図１】
2005195535.tif 000003
【図２】
2005195535.tif 000004
【図３】
2005195535.tif 000005
【図４】
2005195535.tif 000006