JP2003207483A

JP2003207483A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2003207483A
Application number: JP2002325573A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Nadanami; 紀彦灘浪; Shoji Kitanoya; 昇治北野谷; Tomonori Kondo; 智紀近藤; Masaya Watanabe; 昌哉渡辺; Noboru Ishida; 昇石田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2003-07-25

Abstract

(57)【要約】【課題】長期間にわたって水素ガス濃度等のガス濃度
を正確に測定することができるガスセンサを提供するこ
と。【解決手段】第１支持体（７）には、周囲雰囲気と第
１凹部（１０）とを連通する拡散律速部（１９）が設け
られている。この拡散律速部（１９）は、被測定ガスで
ある燃料ガス（従って含まれる水素ガス）を第１電極
（３）側に導入するとともに、その拡散を律速する小さ
い孔である。一方、第２支持体（８）には、周囲雰囲気
と第２凹部（１１）に連通する空孔であるガス排出部
（２１）が設けられている。特に、拡散律速部（１９）
の拡散抵抗ａとガス排出部（２１）の拡散抵抗ｂとの比
ａ／ｂが、２以下となる様に、拡散律速部（１９）の寸
法とガス排出部（２１）との寸法が設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば燃料電池の
燃料ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガスセンサ等
のガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球規模の環境悪化が問題視され
るなかで、高効率でクリーンな動力源として、燃料電池
の研究が盛んに行われている。その中で、低温作動、高
出力密度等の利点により、自動車用や家庭用として固体
高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が期待されている。

【０００３】この燃料電池の場合、燃料ガスとして、改
質ガスの使用が有望であるが、より効率等を向上させる
為に、改質ガス中の水素を直接検知できるセンサが必要
になってくる。上記センサは、水素リッチの雰囲気での
測定になる為、作動温度が低いこと（約１００℃以下）
が必要である。

【０００４】このような低温作動型センサとして、図５
に示す様に、高分子電解質からなるプロトン伝導層１０
１を用いるとともに、プロトン伝導層１０１の表面に、
第１電極１０２及び第２電極１０３を設置し、それらを
一対の支持体１０４、１０５で挟んで支持する構造のセ
ンサが提案されている（特許文献１参照）。

【０００５】

【特許文献１】特開２００１−２１５２１４号公報
（第５頁、第１図）

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したセンサでは、
一方の支持体１０４に、被測定ガス雰囲気と第１電極１
０２とを連通して、そのガス拡散を律速する拡散律速部
１０６が設けられるとともに、他方の支持体１０５に、
被測定ガス雰囲気と第２電極１０３とを連通して、セン
サから水素を排出するガス排出部１０７が設けられる
が、特定の条件下で、好ましくない出力が発生すること
があった。

【０００７】つまり、拡散律速部１０６の拡散抵抗とガ
ス排出部１０７の拡散抵抗が大きく異なる場合に、周囲
の水素ガス濃度が急激に大きく変化したときには、図２
に示す様に、一時的に第１電極１０２と第２電極１０３
の間に、（アンダーシュートを発生させる）異常な起電
力が発生し、その結果、過渡時において、正確な水素ガ
ス濃度の測定が困難になるという問題があった。

【０００８】本発明は、前記課題を解決するためになさ
れたものであり、過渡時においても、正確にガス濃度を
測定できるガスセンサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】（１）請
求項１の発明は、プロトン伝導層に接して一方の側に設
けられた第１電極及び他方の側に設けられた第２電極
と、被測定ガス雰囲気及び第１電極の間に設けられた
（ガス拡散を律速する）拡散律速部と、被測定ガス雰囲
気及び第２電極の間に設けられた（ガスの排出を行う）
ガス排出部とを有している。このガスセンサでは、被測
定ガス雰囲気側から拡散律速部を介して導入された被測
定ガス中の測定対象ガス（例えば水素ガス）を、第１電
極と第２電極との間に（限界電流を得るための十分な）
電圧を印加することにより、解離又は分解もしくは反応
させ、それによって発生したプロトンを、プロトン伝導
層を介して第１電極側から第２電極側へ汲み出すことに
より生じる限界電流に基づいて、測定対象ガスの濃度を
求める。

【００１０】特に本発明では、拡散律速部の拡散抵抗ａ
とガス排出部の拡散抵抗ｂとの比ａ／ｂを、２以下とし
ている。そのため、被測定ガス雰囲気中において、測定
対象ガス濃度が急激に増加した場合でも、ガス排出部か
ら第２電極側に到達する測定対象ガスは、拡散律速部か
ら第１電極側に到達する測定対象ガスに比べて、それほ
ど多くはない。従って、上述した様な両電極間のガス濃
度の急変に起因する異常な起電力の発生を抑制できるの
で、過渡時においても、正確な測定対象ガスのガス濃度
を測定することができる。

【００１１】（２）請求項２の発明では、拡散律速部の
拡散抵抗ａとガス排出部の拡散抵抗ｂとの比ａ／ｂを、
１〜２の範囲としている。本発明は、拡散抵抗の比の範
囲を例示したものである。この範囲であれば、被測定ガ
ス雰囲気中において、測定対象ガス濃度が急激に増加し
た場合でも、ガス排出部から第２電極側に到達する測定
対象ガスを、拡散律速部から第１電極側に到達する測定
対象ガスと、より同じにできるため、異常な起電力の発
生をより抑制できるという利点がある。

【００１２】（３）請求項３の発明では、拡散律速部及
びガス排出部が貫通孔であって、拡散律速部の断面積
（即ちガス流方向と垂直の断面積）をｃ、その通路の長
さ（即ち拡散律速部である貫通孔の長さ）をｄ、ガス排
出部の断面積（即ちガス流方向と垂直の断面積）をｅ、
その通路の長さ（即ちガス排出部である貫通孔の長さ）
をｆとしたとき、（ｄ・ｅ）／（ｃ・ｆ）を、１〜２の
範囲としている。

【００１３】本発明は、前記請求項２の発明の拡散抵抗
の比を、（貫通孔である場合の）拡散律速部及びガス排
出部の形状から規定したものである。拡散律速部の拡散
抵抗ａは、拡散律速部の通路の長さｄに比例し、その断
面積ｃに反比例すると考えられ、また、ガス排出部の拡
散抵抗ｂは、ガス排出部の通路の長さｆに比例し、その
断面積ｅに反比例すると考えられる。

【００１４】従って、前記請求項２の発明の拡散律速部
の拡散抵抗ａとガス排出部の拡散抵抗ｂとの比ａ／ｂ
は、（ｄ／ｃ）／（ｆ／ｅ）＝（ｄ・ｅ）／（ｃ・ｆ）
と表せるので、この（ｄ・ｅ）／（ｃ・ｆ）が１〜２の
範囲の場合には、前記と同様に、異常な起電力の発生を
より抑制できるという利点がある。

【００１５】（４）請求項４の発明では、更に、プロト
ン伝導層に接して、第１電極と対向するように参照電極
を設け、第１電極と参照電極との間の電位差が一定にな
るように、第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加
することにより、限界電流に基づいて、測定対象ガスの
濃度を求めることを特徴としている。

【００１６】本発明は、参照電極を用いたガスセンサを
例示したものである。本発明では、第１電極と参照電極
との間の電位差が一定になるように、第１電極と第２電
極との間に（限界電流を得るための十分な）電圧を印加
することにより解離又は分解もしくは反応させ、それに
よって発生したプロトンをプロトン伝導層を介して第１
電極側から第２電極側へ汲み出すことにより生じる限界
電流に基づいて、測定対象ガスの濃度を求める。

【００１７】本発明のガスセンサは、前記請求項１の発
明と同様に、過渡期の測定精度を向上できるという効果
を有するとともに、参照電極を備えているので、ガス濃
度の測定精度が高いという利点を有している。（５）請求項５の発明は、ガスセンサは、水素ガス濃度
を測定する水素ガスセンサであることを特徴としてい
る。

【００１８】本発明は、ガスセンサが、水素ガス濃度を
測定する水素ガスセンサであることを例示したものであ
る。（６）請求項６の発明は、ガスセンサは、固体高分子型
燃料電池の燃料ガス中の水素ガス濃度測定に用いられる
ことを特徴としている。

【００１９】本発明は、ガスセンサの用途を例示したも
のである。本発明により、固体高分子型燃料電池の燃料
ガス中の水素ガス濃度の測定を、精度良く行うことが可
能である。尚、前記ガスセンサの構成としては、前記プ
ロトン伝導層、第１電極、第２電極、参照電極、拡散律
速部、及びガス排出部は、支持体により支持される構成
を採用できる。

【００２０】また、拡散律速部は、被測定ガス雰囲気か
らガスセンサ内（第１電極側）に導入される被測定ガス
（特に測定対象ガス）の拡散を律速する連通部分であ
り、例えば支持体に開けられた孔（貫通孔）、又はその
孔に充填されたガス透過性の多孔体などにより実現する
ことができる。

【００２１】一方、ガス排出部は、ガスセンサ内（第２
電極側）から被測定ガス雰囲気側に測定対象ガスを排出
する連通部分であり、拡散律速部と同様に、例えば支持
体に開けられた孔（貫通孔）、又はその孔に充填された
ガス透過性の多孔体などにより実現することができる。

【００２２】更に、前記拡散抵抗は、ガスの拡散のし難
さを示す値であり、拡散律速部やガス排出部が例えば貫
通孔の場合には、その通路長さに比例し、断面積に反比
例する性質がある。従って、貫通孔の寸法を調節するこ
とにより、拡散抵抗を調節することができる。また、貫
通孔を多孔質材料にて充填した場合には、その気孔率や
気孔径等を調節することにより、拡散抵抗を調節するこ
とができる。

【００２３】また、所定の水素ガス濃度雰囲気中（例え
ば水素ガス濃度＝５０％）で、第１、第２電極間に所定
の電圧（例えば２００ｍＶ）を印加した際に流れる限界
電流値は、被測定ガス雰囲気と電極との間の拡散抵抗に
依存するため、その限界電流値により拡散抵抗を確認す
ることができる。

【００２４】つまり、第１電極を正として第１、第２電
極間に電圧を印加し、第１電極側からプロトン伝導層を
介して第２電極側にプロトンをくみ出すことにより生じ
る限界電流値は、被測定ガス雰囲気と第１電極との間に
設けられた拡散律速部の拡散抵抗に反比例し、また、第
２電極を正とした電圧を印加し、第２電極側からプロト
ン伝導層を介して第１電極側へプロトンをくみ入れるこ
とにより生じる限界電流値は、被測定ガス雰囲気と第２
電極との間に設けられたガス排出部の拡散抵抗に反比例
する。

【００２５】従って、所定の水素ガス濃度雰囲気中（例
えば水素ガス濃度＝５０％）で、第１電極を正としたと
きに流れる限界電流値と、第２電極を正としたときに流
れる限界電流値とを、それぞれ測定し、それぞれの電流
値の逆数を求め、その比から拡散律速部及びガス排出部
の拡散抵抗比を確認することができる。

【００２６】尚、本明細書及び図面において、水素ガス
濃度（水素濃度）やガス組成における％とは、体積％を
意味する。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のガスセンサの実
施の形態の例（実施例）について説明する。（実施例１）本実施例では、ガスセンサとして、固体高
分子型燃料電池の燃料ガス中の水素ガス濃度測定に用い
られる水素ガスセンサを例に挙げる。

【００２８】ａ）まず、本実施例の水素ガスセンサの構
成について、図１に基づいて説明する。尚、図１は、水
素ガスセンサの長手方向の要部断面図である。図１に示
す様に、本実施例の水素ガスセンサは、プロトン伝導層
１の一方の面（同図の上面）に、第１電極３が設けら
れ、プロトン伝導層１の他方の面（同図の下面）に、第
１電極３と対向するように第２電極５が設けられ、それ
らは、第１支持体７及び第２支持体８からなる支持体９
中に支持されている。

【００２９】つまり、プロトン伝導層１は、第１支持体
７及び第２支持体８に狭持され、第１電極３は、第１支
持体７に覆われるとともにその第１凹部１０内に配置さ
れ、第２電極５は、第２支持体８に覆われるとともにそ
の第２凹部１１内に配置されている。

【００３０】尚、水素ガスセンサを一体に構成する方法
としては、プロトン伝導層１を第１支持体７及び第２支
持体８により狭持した状態で、図示しない固定部材等で
固定する構成や、樹脂等により一体に固定する方法を採
用できる。前記プロトン伝導層１は、高分子電解質から
なり、一方の面側から他方の面側に、例えば第１電極３
側から第２電極５側に、プロトン（Ｈ⁺）を移動させる
ことができるものである。そのプロトン伝導層１の材料
としては、比較的低温（例えば１５０℃以下）で作動す
るものが良く、例えばフッ素樹脂である「Ｎａｆｉｏ
ｎ」（デュポン社の商標）等を採用できる。

【００３１】前記第１電極３及び第２電極５は、例えば
カーボンを主成分とする弾性を有する多孔質電極であ
り、第１電極３及び第２電極５には、プロトン伝導層１
に接する側にＰｔ等の触媒層（図示せず）が塗布により
形成されている。また、第１電極３及び第２電極５は、
それぞれリード部（図示せず）を介して回路に接続され
ており、電源（電池）１３によって、第１電極３及び第
２電極５間に電圧を印加して、電流計１７によって、第
１電極３及び第２電極５間に流れる電流を測定できるよ
うになっている。

【００３２】前記支持体９は、例えばアルミナを主成分
とするセラミックスからなる絶縁体であり、セラミック
ス等の無機絶縁体以外に、樹脂等の有機絶縁体を採用で
きる。この支持体９のうち、第１支持体７には、周囲雰
囲気と第１凹部１０（従って第１電極３）とを連通する
拡散律速部１９が設けられている。この拡散律速部１９
は、被測定ガスである燃料ガス（従って含まれる水素ガ
ス）を第１電極３側に導入するとともに、その拡散を律
速する小さい孔（例えば横断面が円形の円柱形の貫通
孔）である。

【００３３】尚、拡散律速部１９内の内径を設定した
り、拡散律速部１９内にアルミナ等の多孔質材料を充填
することにより、拡散を律速する程度を調節することが
できる。一方、第２支持体８には、周囲雰囲気と第２凹
部１１（従って第２電極５）に連通する空孔（例えば横
断面が円形の円柱形の貫通孔）であるガス排出部２１が
設けられている。

【００３４】特に、本実施例では、拡散律速部１９の拡
散抵抗ａとガス排出部２１との拡散抵抗ｂとの比ａ／ｂ
が、２以下（例えば１．７）となる様に、拡散律速部１
９の寸法（断面積０．００３ｍｍ²×長さ１．６ｍｍ）
とガス排出部２１の寸法（断面積０．００５ｍｍ²×長
さ１．６ｍｍ）が設定されている。

【００３５】ｂ）次に、本実施例の水素ガスセンサの測
定原理及び測定手順について説明する。水素ガスセンサ
を燃料ガスにさらすと、周囲雰囲気から拡散律速部１９
を通って第１電極３に到達した水素は、プロトン伝導層
１を介して、第１電極３と第２電極５との間に、水素ガ
スの濃度（詳しくは両電極３、５側における水素ガス濃
度の差）に応じた起電力を生じさせる。

【００３６】そこで、電源１３により、第１電極３と第
２電極５との間に電圧を印加する。その結果、第１電極
３上で水素はプロトンに解離され、プロトンは、プロト
ン伝導層１を介して第２電極５へ汲み出され、再び水素
となって（センサ外の）被測定ガス雰囲気に拡散する。

【００３７】その時、第１電極３と第２電極５との間に
流れる電流値（前記電圧を印加した場合に、ある値まで
上昇して上限となる限界電流）は、水素ガス濃度に比例
するため、その電流値を測定することによりに、水素ガ
ス濃度の測定が可能になる。ｃ）次に、本実施例の水素ガスセンサの製造方法につい
て簡単に説明する。

【００３８】例えば図１に示す様に、基台（図示せず）
上に、第２支持体８を、その第２凹部１１側を上向きに
して配置する。次に、その上に、両側に第１電極３及び
第２電極５を配置したプロトン伝導層１を置く。つま
り、第２電極５が第２凹部１１に収容されるように配置
する。

【００３９】次に、第１電極３を第１凹部１０で囲むよ
うにして、プロトン伝導層１上に第１支持体７を配置す
る。この状態で、即ち、第１支持体７及び第２支持体８
でプロトン伝導層１を挟んだ状態で、図示しない固定部
材等で水素ガスセンサの厚み方向（同図の上下方向）に
押圧して固定し、水素ガスセンサとする。

【００４０】尚、水素ガスセンサの側面は、例えば樹脂
等により覆われ、拡散律速部１９以外からの通気ができ
ないように気密されているが、拡散律速部１９以外から
の（第１電極３側への）通気ができなければ良いので、
この方法に限定されるものではない。

【００４１】ｄ）次に、本実施例の水素ガスセンサの効
果について説明する。本実施例の水素ガスセンサは、拡
散律速部１９の拡散抵抗ａとガス排出部２１の拡散抵抗
ｂとの比ａ／ｂを、２以下としている。そのため、固体
高分子型燃料電池の燃料ガス中の水素ガス濃度が急増す
る過渡時でも、ガス排出部２１から第２電極５側に到達
する水素ガスは、拡散律速部１９から第１電極３側に到
達する水素ガスに比べて、それほど多くはない。

【００４２】従って、水素ガスセンサの出力の異常、具
体的には図２に示す様なアンダーシュートが発生するよ
うな異常な起電力の発生を抑制できるので、過渡時にお
いても、正確に水素ガス濃度を測定することができる。ｅ）次に、本実施例の効果を確認するために行った実験
例について説明する。

【００４３】この実験は、拡散律速部とガス排出部の拡
散抵抗を変更して、その際の水素ガスセンサの出力（詳
しくは第１電極と第２電極との間に流れる電流値）を調
べたものである。まず、アンダーシュートの発生する水素ガスセンサ
（本発明の範囲外の好ましくない例）について説明す
る。

【００４４】ここでは、拡散律速部の拡散抵抗ａとガス
排出部の拡散抵抗ｂとの比ａ／ｂを１０とした水素ガス
センサを製造した。（他の部分は前記実施例１と同様）具体的には、拡散律速部の断面積を０．００３ｍｍ²、
ガス排出部の断面積を０．０３ｍｍ²とした。つまり、
拡散抵抗は断面積に反比例するため、拡散抵抗比ａ／ｂ
＝（１／０．００３）／（０．０３）＝１０とした。

【００４５】そして、上述した水素ガスセンサを用い
て、水素ガス濃度を測定した。具体的には、被測定ガス
中の水素ガス濃度を急増させて、その際に、第１電極と
第２電極との間に流れる電流値を測定した。測定条件
は、下記の通りである。

【００４６】＜測定条件＞・ガス組成：Ｈ₂＝０→５０％、Ｈ₂Ｏ＝２０％、Ｎ₂＝
ｂａｌ．・ガス温度：８０℃ ・ガス流量：１０Ｌ／ｍｉｎ・両電極間の印加電圧：２００ｍＶ前記測定結果を、図２に示すが、この図２は、縦軸に電
流値及び水素ガス濃度をとり、横軸に経過時間をとった
ものである。

【００４７】図２から明らかな様に、この水素ガスセン
サは、水素ガス濃度が急増すると、大きなアンダーシュ
ートが発生しており、好ましくないことが分かる。次に、拡散抵抗比ａ／ｂを、「１」、「１．７」、
「２」、「２．３」、「２．８」、「３．６」、「４」
と変更した以外は、前記実施例１と同様な７種類の水素
ガスセンサを製造した。

【００４８】そして、前記実験例と同様に、水素ガス
濃度を急増させて、その際に、第１電極と第２電極との
間に流れる電流値を測定した。その結果を、図３に示す
が、この図３は、縦軸にピーク電流値（アンダーシュー
トの下限値：図２参照）をとり、横軸に拡散抵抗比ａ／
ｂをとったものである。

【００４９】図３から、水素ガスセンサのうち、拡散抵
抗比ａ／ｂが２以下のものは、アンダーシュートが殆ど
なく、過渡時において、正確に水素ガス濃度を検出でき
ることが分かる。これに対して、拡散抵抗比ａ／ｂが２
を上回ると、アンダーシュートが急速に大きくなり、好
ましくないことが分かる。（実施例２）次に、実施例２について説明するが、前記
実施例１と同様な箇所の説明は省略する。

【００５０】本実施例の水素ガスセンサは、前記実施例
１の構成に、更に参照電極を備えたものである。ａ）まず、本実施例の水素ガスセンサの構成について、
図４に基づいて説明する。尚、図４は、水素ガスセンサ
の長手方向の断面図である。

【００５１】図４に示す様に、本実施例の水素ガスセン
サは、プロトン伝導層３１の一方の面（同図の上面）
に、第１電極３３が設けられ、プロトン伝導層３１の他
方の面（同図の下面）に、第１電極３３と対向するよう
に、第２電極３５及び参照電極３７が設けられ、それら
は、第１支持体３８及び第２支持体３９からなる支持体
４０中に支持されている。

【００５２】つまり、プロトン伝導層３１は、第１支持
体３８及び第２支持体３９に狭持され、第１電極３３
は、第１支持体３８に覆われるとともにその第１凹部４
１内に配置され、第２電極３５は、第２支持体３９に覆
われるとともにその第２凹部４２内に配置され、参照電
極３７は、第２支持体３９に覆われるとともにその第３
凹部４３内に配置されている。

【００５３】前記プロトン伝導層３１は、一方の面側か
ら他方の面側に、例えば第１電極３３側から第２電極３
５側に、プロトン（Ｈ⁺）を移動させることができる高
分子電解質である。前記第１電極３３、第２電極３５、
参照電極３７は、例えばカーボンを主成分とする多孔質
電極であり、各電極３３、３５、３７には、プロトン伝
導層３１に接する側にＰｔ等の触媒層（図示せず）が塗
布により形成されている。

【００５４】また、第１電極３３、第２電極３５、参照
電極３７は、それぞれリード部（図示せず）を介して回
路に接続されており、電源（電池）４４によって、第１
電極３３及び第２電極３５間に電圧を印加したり、電圧
計４５によって、第１電極３３及び参照電極３７間の電
圧を測定したり、電流計４７によって、第１電極３３及
び第２電極３５間に流れる電流を測定できるようになっ
ている。

【００５５】このうち、参照電極３７は、第１電極３３
及び参照電極３７間の電圧を一定に保つことにより、被
測定ガス中の水素ガス濃度を測定する際に、温度や湿度
などの外乱の影響を小さくするために用いられるもので
ある。尚、好ましくは、参照電極３７での水素濃度をよ
り安定化させるために、参照電極７を自己生成基準極と
するのが良い。（例えば、第１電極３３から参照電極３
７に一定の微小な電流（例えば１０μＡ）を流す。）前
記支持体４０は、例えばアルミナを主成分とするセラミ
ックスからなる絶縁体であり、この支持体４０のうち、
第１支持体３８には、周囲雰囲気と第１凹部４１とを連
通する細孔である拡散律速部４９が設けられている。

【００５６】一方、第２支持体３９には、周囲雰囲気と
第２凹部１１に連通する空孔であるガス排出部５１が設
けられている。本実施例においても、拡散律速部４９の
拡散抵抗ａとガス排出部５１との拡散抵抗ｂとの比ａ／
ｂが、２以下（例えば１．７）となる様に、拡散律速部
４９の寸法とガス排出部５１の寸法が設定されている。

【００５７】ｂ）次に、本実施例の水素ガスセンサの測
定原理及び測定手順について説明する。水素ガスセンサ
を燃料ガスにさらすと、周囲雰囲気から拡散律速部４９
を通って第１電極３３に到達した水素は、プロトン伝導
層３１を介して、第１電極３３と参照電極３７との間
に、水素ガスの濃度（詳しくは両電極３３、３７側にお
ける水素ガス濃度の差）に応じた起電力を生じさせる。

【００５８】そこで、第１電極３３と参照電極３７との
間の電位差が一定に成るように、電源４４により、第１
電極３３と第２電極３５との間に適切な電圧を印加す
る。例えば、第１電極３３と第２電極３５との間に印加
する電圧を、被測定ガス中の水素ガス濃度が高い場合に
は高くし、水素ガス濃度が低い場合には低くするといっ
たように、それぞれの濃度において、最適な電圧に可変
しながら、第１電極３３上の水素ガス濃度を一定に制御
する。また、被測定ガス中の温度等の変化により、第１
電極３３と第２電極３５との間の抵抗が上昇した場合
も、印加電圧を適宜変更することにより、同様に、第１
電極３３上の水素ガス濃度を一定に制御する。

【００５９】その結果、第１電極３３上で水素はプロト
ンに解離され、プロトンは、プロトン伝導層３１を介し
て第２電極３５側へ汲み出され、再び水素となって被測
定ガス雰囲気に拡散する。その時、第１電極３３と第２
電極３５との間に流れる電流値（前記電圧を印加した場
合に、ある値まで上昇して上限となる限界電流）は、水
素ガス濃度に比例するため、その電流値を測定すること
によりに、水素ガス濃度の測定が可能になる。

【００６０】特に、第１電極３３と参照電極３７との間
の電位差を最適な値に設定しておけば、温度等が大きく
変化する雰囲気に対しても、第１電極３３上の水素ガス
濃度を常に最適値に調節できるので、（参照電極３７が
ない場合に比べて）一層精度の高い水素ガス濃度の測定
が可能である。

【００６１】ｃ）次に、本実施例の効果について説明す
る。本実施例の水素ガスセンサにおいても、拡散律速部
４９の拡散抵抗ａとガス排出部５１の拡散抵抗ｂとの比
ａ／ｂを、２以下としているので、前記実施例１と同様
に、水素ガス濃度の急増による過渡時においても、正確
に水素ガス濃度を測定することができる。

【００６２】特に、本実施例の場合には、参照電極３７
を備えているので、一層高い精度で水素ガス濃度を測定
できるという利点がある。尚、本発明は前記実施例にな
んら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲において種々の態様で実施しうることはいうまで
もない。

【００６３】例えば前記実施例１、２では、水素ガスセ
ンサにより、燃料ガス中の水素ガス濃度を測定する場合
を例に挙げたが、本発明のガスセンサは、燃料ガス中の
ＣＯやメタノールのガス濃度を測定する場合にも適用で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の水素ガスセンサを破断して示す説
明図である。

【図２】比較例の水素ガスセンサにおける出力の状態
を示すグラフである。

【図３】拡散抵抗比ａ／ｂを変更した場合のアンダー
シュートの状態を示すグラフである。

【図４】実施例２の水素ガスセンサを破断して示す説
明図である。

【図５】従来の水素ガスセンサを破断して示す説明図
である。

【符号の説明】

１、３１…プロトン伝導層３、３３…第１電極５、３５…第２電極１９、４９…拡散律速部２１、５１…ガス排出部３７…参照電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者近藤智紀愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者渡辺昌哉愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者石田昇愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 2G004 ZA01 5H026 AA06 5H027 AA06 KK31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プロトン伝導層に接して一方の側に設け
られた第１電極及び他方の側に設けられた第２電極と、
被測定ガス雰囲気及び前記第１電極の間に設けられた拡
散律速部と、被測定ガス雰囲気及び前記第２電極の間に
設けられたガス排出部と、を有し、前記被測定ガス雰囲気側から前記拡散律速部を介して導
入された被測定ガス中の測定対象ガスを、前記第１電極
と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、解
離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプ
ロトンを、前記プロトン伝導層を介して前記第１電極側
から前記第２電極側へ汲み出すことにより生じる限界電
流に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を求めるガスセ
ンサにおいて、前記拡散律速部の拡散抵抗ａと前記ガス排出部の拡散抵
抗ｂとの比ａ／ｂを、２以下としたことを特徴とするガ
スセンサ。
【請求項２】前記拡散律速部の拡散抵抗ａと前記ガス
排出部の拡散抵抗ｂとの比ａ／ｂを、１〜２の範囲とし
たことを特徴とする前記請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】前記拡散律速部及び前記ガス排出部が貫
通孔であって、前記拡散律速部の断面積をｃ、その通路
の長さをｄ、前記ガス排出部の断面積をｅ、その通路の
長さをｆとしたとき、（ｄ・ｅ）／（ｃ・ｆ）を、１〜
２の範囲としたことを特徴とする前記請求項１又は２に
記載のガスセンサ。
【請求項４】更に、前記プロトン伝導層に接して、前
記第１電極と対向するように参照電極を設け、前記第１電極と前記参照電極との間の電位差が一定にな
るように、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を
印加することにより、前記限界電流に基づいて、前記測
定対象ガスの濃度を求めることを特徴とする前記請求項
１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】前記ガスセンサは、水素ガス濃度を測定
する水素ガスセンサであることを特徴とする前記請求項
１〜４のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項６】前記ガスセンサは、固体高分子型燃料電
池の燃料ガス中の水素ガス濃度測定に用いられるもので
あることを特徴とする前記請求項５に記載のガスセン
サ。