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JP2023101434A - Gas concentration detection device - Google Patents

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JP2023101434A
JP2023101434A JP2022001991A JP2022001991A JP2023101434A JP 2023101434 A JP2023101434 A JP 2023101434A JP 2022001991 A JP2022001991 A JP 2022001991A JP 2022001991 A JP2022001991 A JP 2022001991A JP 2023101434 A JP2023101434 A JP 2023101434A
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JP
Japan
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gas
voltage
electrode
hydrogen
current
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Pending
Application number
JP2022001991A
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Japanese (ja)
Inventor
翔一 竹本
Shoichi Takemoto
邦裕 小島
Kunihiro Kojima
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Denso Corp
Soken Inc
Original Assignee
Denso Corp
Soken Inc
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Publication date
Application filed by Denso Corp, Soken Inc filed Critical Denso Corp
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Abstract

To provide a gas concentration detection device of explosion-proof construction with which it is possible to detect a hydrogen concentration without using oxygen in the atmospheric air.SOLUTION: A gas concentration detection device 1 comprises a sensor element 2, a first voltage application unit 31A, a current measurement unit 32, and a second voltage application unit 31B, and a gas concentration detection unit 33. The gas concentration detection unit 33 is constituted so as to detect a hydrogen concentration on the basis of a current I that is measured by the current measurement unit 32 when, upon voltage application by the first voltage application unit 31A and voltage application by the second voltage application unit 31B, the hydrogen contained in the gas G under test in a gas chamber 24 is electrochemically oxidized using an oxidative gas that is contained in the gas G under test in a gas duct 25.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ガス濃度検出装置に関する。 The present invention relates to a gas concentration detection device.

ガス濃度検出装置は、酸素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素等の種々のガスの濃度を検出するために用いられる。水素は、例えば酸素と反応して発電を行うことが可能であり、水素を利用する技術は、エネルギー循環型の社会を形成するために注目される。そして、水素を利用する設備に用いられるガス濃度検出装置としては、例えば、特許文献1に記載されたものがある。 Gas concentration detectors are used to detect concentrations of various gases such as oxygen, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide. Hydrogen can generate electricity by reacting with, for example, oxygen, and technologies using hydrogen are attracting attention for forming an energy recycling society. For example, Patent Document 1 discloses a gas concentration detection device used in equipment using hydrogen.

特許文献1のH2センサにおいては、触媒層及び拡散抵抗層が設けられた第1電極を有する第1セルの出力値と、拡散抵抗層が設けられた第2電極を有する第2セルの出力値との差に基づいて、水素の濃度を検出する。第1セル及び第2セルにおける大気側電極は、大気が導入される大気室内に配置されている。 In the H sensor of Patent Document 1, the hydrogen concentration is detected based on the difference between the output value of the first cell having the first electrode provided with the catalyst layer and the diffusion resistance layer and the output value of the second cell having the second electrode provided with the diffusion resistance layer. The atmosphere-side electrodes in the first cell and the second cell are arranged in an atmosphere chamber into which the atmosphere is introduced.

特開2010-266310号公報JP 2010-266310 A

特許文献1等の水素を検出するガス濃度検出装置は、水素、一酸化炭素、炭化水素等の可燃性ガスを含む検出対象ガスと、酸素が含まれる大気とが共存する状態で使用される。そのため、ガス濃度検出装置のセンサ素子が何らかの要因によって損傷した場合には、水素と大気中の酸素による燃焼が生じるおそれがある。従って、大気中の酸素を利用せず、センサ素子が損傷した場合においても安全性をより確実に確保できる防爆構造のガス濃度検出装置の開発が望まれる。 A gas concentration detection device for detecting hydrogen such as that disclosed in Patent Document 1 is used in a state where a detection target gas containing combustible gases such as hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons coexists with air containing oxygen. Therefore, if the sensor element of the gas concentration detection device is damaged for some reason, there is a risk that hydrogen and oxygen in the atmosphere will burn. Therefore, it is desired to develop an explosion-proof gas concentration detection device that does not use oxygen in the atmosphere and that can more reliably ensure safety even if the sensor element is damaged.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、大気中の酸素を利用せずに水素の濃度を検出できる防爆構造のガス濃度検出装置を提供しようとするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an explosion-proof gas concentration detection device capable of detecting the concentration of hydrogen without using oxygen in the atmosphere.

本発明の一態様は、
検出対象ガス(G)が拡散抵抗部(23)を介して導入されるガス室(24)と、前記検出対象ガスが導入されるガスダクト(25)と、前記ガス室と前記ガスダクトとを仕切る固体電解質体(21)とを有し、前記固体電解質体の第1表面(201)に前記ガス室に収容された状態で検出電極(211)が設けられ、前記固体電解質体の、前記第1表面とは反対側の第2表面(202)に前記ガスダクトに収容された状態でポンプ電極(213)が設けられ、かつ前記固体電解質体の内部に基準電極(212)が設けられたセンサ素子(2)と、
前記検出電極と前記基準電極との間に、前記基準電極が高電位側になる状態で電圧を印加する第1電圧印加部(31A)と、
前記固体電解質体を介して前記検出電極と前記基準電極との間に流れる電流(I)を測定する電流測定部(32)と、
前記ポンプ電極と前記基準電極との間に、前記基準電極が高電位側になる状態で電圧を印加する第2電圧印加部(31B)と、
前記第1電圧印加部による電圧の印加及び前記第2電圧印加部による電圧の印加を受けて、前記ガス室内の前記検出対象ガスに含まれる水素が、前記ガスダクト内の前記検出対象ガスに含まれる酸化性ガスを用いて電気化学的に酸化される際に、前記電流測定部によって測定される前記電流に基づいて前記水素の濃度を検出するガス濃度検出部(33)と、を備えるガス濃度検出装置(1)にある。
One aspect of the present invention is
A gas chamber (24) into which a gas to be detected (G) is introduced via a diffusion resistor (23), a gas duct (25) into which the gas to be detected is introduced, and a solid electrolyte body (21) that separates the gas chamber and the gas duct. ) is provided with a pump electrode (213) in the gas duct, and a reference electrode (212) is provided inside the solid electrolyte body;
a first voltage applying section (31A) that applies a voltage between the detection electrode and the reference electrode while the reference electrode is on the high potential side;
a current measuring unit (32) for measuring a current (I) flowing between the detection electrode and the reference electrode via the solid electrolyte body;
a second voltage applying unit (31B) that applies a voltage between the pump electrode and the reference electrode while the reference electrode is on the high potential side;
a gas concentration detection unit (33) for detecting the hydrogen concentration based on the current measured by the current measurement unit when hydrogen contained in the detection target gas in the gas chamber is electrochemically oxidized using the oxidizing gas contained in the detection target gas in the gas duct in response to application of voltage by the first voltage application unit and voltage application by the second voltage application unit.

前記ガス濃度検出装置においては、大気を利用せずに水素の濃度を検出する工夫をしている。具体的には、センサ素子の固体電解質体には、ガス室に収容された検出電極及びガスダクトに収容されたポンプ電極が設けられており、基準電極が埋設されている。そして、ガス濃度検出装置は、検出対象ガスに含まれる水素の濃度を検出するために、大気の代わりに、検出対象ガスに含まれる酸化性ガスを利用する。 The gas concentration detection device is devised to detect the concentration of hydrogen without using the atmosphere. Specifically, the solid electrolyte body of the sensor element is provided with a detection electrode housed in a gas chamber and a pump electrode housed in a gas duct, and a reference electrode is embedded therein. Then, the gas concentration detection device uses the oxidizing gas contained in the detection target gas instead of the atmosphere in order to detect the concentration of hydrogen contained in the detection target gas.

前記ガス濃度検出装置においては、第1電圧印加部による検出電極と基準電極との間への電圧の印加、及び第2電圧印加部によるポンプ電極と基準電極との間への電圧の印加によって、ガス室内の検出対象ガスに含まれる水素が、ガスダクト内の検出対象ガスに含まれる酸化性ガスが電気化学的に還元されて生じる酸素を用いて、電気化学的に酸化される。この構成により、大気中の酸素を利用しなくても、検出対象ガスに含まれる水素を電気化学的に酸化させることができる。そして、ガス濃度検出部によって、電流測定部によって測定される、検出電極と基準電極との間に流れる電流に基づいて、水素の濃度が検出される。 In the gas concentration detection device, the application of voltage between the detection electrode and the reference electrode by the first voltage application section and the application of voltage between the pump electrode and the reference electrode by the second voltage application section electrochemically oxidize hydrogen contained in the gas to be detected in the gas chamber using oxygen generated by electrochemical reduction of the oxidizing gas contained in the gas to be detected in the gas duct. With this configuration, hydrogen contained in the gas to be detected can be electrochemically oxidized without using oxygen in the atmosphere. Then, the concentration of hydrogen is detected by the gas concentration detection unit based on the current flowing between the detection electrode and the reference electrode, which is measured by the current measurement unit.

それ故、前記本発明の一態様によれば、大気中の酸素を利用せずに水素の濃度を検出できる防爆構造のガス濃度検出装置を提供することができる。 Therefore, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide an explosion-proof gas concentration detection device capable of detecting the concentration of hydrogen without using oxygen in the atmosphere.

なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。 In addition, although the symbols in parentheses of each component shown in one aspect of the present invention indicate the correspondence with the symbols in the drawings in the embodiment, each component is not limited only to the contents of the embodiment.

図1は、実施形態1にかかる、ガス濃度検出装置を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a gas concentration detection device according to Embodiment 1. FIG. 図2は、実施形態1にかかる、ガス濃度検出装置のセンサ素子を、図1のII-II断面によって示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the sensor element of the gas concentration detection device according to the first embodiment, taken along the line II-II in FIG. 図3は、実施形態1にかかる、ガス濃度検出装置のセンサ素子を、図1のIII-III断面によって示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing the sensor element of the gas concentration detection device according to the first embodiment, taken along line III-III in FIG. 図4は、実施形態1にかかる、ガス濃度検出装置が用いられる燃料電池システムについて示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the fuel cell system using the gas concentration detection device according to the first embodiment. 図5は、実施形態1にかかる、検出対象ガスに水素、炭化水素、一酸化炭素、水蒸気、二酸化炭素が含まれる場合において、電圧印加部による印加電圧と、電流測定部による直流電流との関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the voltage applied by the voltage application unit and the direct current by the current measurement unit when the gas to be detected contains hydrogen, hydrocarbons, carbon monoxide, water vapor, and carbon dioxide according to the first embodiment. 図6は、実施形態1にかかる、ガス濃度検出装置を用いたガス濃度測定方法の一例を示すフローチャートである。6 is a flowchart showing an example of a gas concentration measuring method using the gas concentration detection device according to the first embodiment; FIG. 図7は、実施形態2にかかる、ガス濃度検出装置を示す説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing a gas concentration detection device according to a second embodiment. 図8は、実施形態3にかかる、ガス濃度検出装置を用いたガス濃度測定方法の一例を示すフローチャートである。FIG. 8 is a flow chart showing an example of a gas concentration measuring method using a gas concentration detection device according to the third embodiment.

前述したガス濃度検出装置にかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
<実施形態1>
本形態のガス濃度検出装置1は、図1~図3に示すように、センサ素子2、第1電圧印加部31A、電流測定部32、第2電圧印加部31B及びガス濃度検出部33を備える。センサ素子2は、検出対象ガスGが拡散抵抗部23を介して導入されるガス室24と、検出対象ガスGが導入されるガスダクト25と、ガス室24とガスダクト25とを仕切る固体電解質体21とを有する。固体電解質体21の第1表面201には、ガス室24に収容された状態で検出電極211が設けられている。固体電解質体21の、第1表面201とは反対側の第2表面202には、ガスダクト25に収容された状態でポンプ電極213が設けられている。固体電解質体21の内部には、基準電極212が設けられている。
A preferred embodiment of the gas concentration detection device described above will be described with reference to the drawings.
<Embodiment 1>
The gas concentration detection device 1 of this embodiment includes a sensor element 2, a first voltage application section 31A, a current measurement section 32, a second voltage application section 31B, and a gas concentration detection section 33, as shown in FIGS. The sensor element 2 has a gas chamber 24 into which the gas G to be detected is introduced through a diffusion resistance portion 23, a gas duct 25 into which the gas G to be detected is introduced, and a solid electrolyte body 21 partitioning the gas chamber 24 and the gas duct 25. A detection electrode 211 is provided on the first surface 201 of the solid electrolyte body 21 while being accommodated in the gas chamber 24 . A second surface 202 of the solid electrolyte body 21 opposite to the first surface 201 is provided with a pump electrode 213 accommodated in the gas duct 25 . A reference electrode 212 is provided inside the solid electrolyte body 21 .

第1電圧印加部31Aは、検出電極211と基準電極212との間に、基準電極212が高電位側になる状態で電圧を印加するよう構成されている。電流測定部32は、固体電解質体21を介して検出電極211と基準電極212との間に流れる電流Iを測定するよう構成されている。第2電圧印加部31Bは、ポンプ電極213と基準電極212との間に、基準電極212が高電位側になる状態で電圧を印加するよう構成されている。 The first voltage applying section 31A is configured to apply a voltage between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 while the reference electrode 212 is on the high potential side. Current measurement unit 32 is configured to measure current I flowing between detection electrode 211 and reference electrode 212 through solid electrolyte body 21 . The second voltage applying section 31B is configured to apply a voltage between the pump electrode 213 and the reference electrode 212 while the reference electrode 212 is on the high potential side.

ガス濃度検出部33は、第1電圧印加部31Aによる電圧の印加及び第2電圧印加部31Bによる電圧の印加を受けて、ガス室24内の検出対象ガスGに含まれる水素が、ガスダクト25内の検出対象ガスGに含まれる酸化性ガスを用いて電気化学的に酸化される際に、電流測定部32によって測定される電流Iに基づいて水素の濃度を検出するよう構成されている。 The gas concentration detection unit 33 is configured to receive voltage application by the first voltage application unit 31A and voltage application by the second voltage application unit 31B, and detect the hydrogen concentration based on the current I measured by the current measurement unit 32 when the hydrogen contained in the detection target gas G in the gas chamber 24 is electrochemically oxidized using the oxidizing gas contained in the detection target gas G in the gas duct 25.

以下に、本形態のガス濃度検出装置1について詳説する。
(ガス濃度検出装置1)
図4に示すように、本形態のガス濃度検出装置1は、水素を活用してエネルギーを発生させる種々の水素活用システムのうち、水素を用いて発電を行う燃料電池システム5において使用される。本形態の燃料電池システム5は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)によって構成されて水素と酸素とを固体電解質体21を介して反応させるセルスタック51、空気を加熱してセルスタック51へ供給する空気予熱器53、燃料Fを改質した水素をセルスタック51へ供給する改質器52等を備える。セルスタック51においては、固体電解質体21に設けられた大気極から酸素がイオン化して、固体電解質体21に設けられた燃料極へ移動し、燃料極においては、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)等が電気化学的に酸化反応して、水(水蒸気,H2O)、二酸化炭素(CO2)等が生成される。
The gas concentration detection device 1 of this embodiment will be described in detail below.
(Gas concentration detector 1)
As shown in FIG. 4, the gas concentration detection device 1 of the present embodiment is used in a fuel cell system 5 that generates power using hydrogen among various hydrogen utilization systems that utilize hydrogen to generate energy. The fuel cell system 5 of the present embodiment includes a cell stack 51 that is configured by a solid oxide fuel cell (SOFC) and causes hydrogen and oxygen to react via a solid electrolyte body 21, an air preheater 53 that heats air and supplies it to the cell stack 51, a reformer 52 that supplies hydrogen obtained by reforming fuel F to the cell stack 51, and the like. In the cell stack 51, oxygen is ionized from the air electrode provided on the solid electrolyte body 21 and moves to the fuel electrode provided on the solid electrolyte body 21. At the fuel electrode, hydrogen ( H ), carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC), etc. undergo an electrochemical oxidation reaction to generate water (steam, H2O ), carbon dioxide ( CO2 ), and the like.

セルスタック51における、燃料極が収容された燃料室512から排出されるオフガスOには、発電に使用されなかった水素以外に、水蒸気、二酸化炭素等が含まれる。このオフガスOの一部は、エジェクタ54を経由して燃料Fに混合されて改質器52に再循環され、改質器52においてはオフガスOに含まれる水素等が再利用される。セルスタック51における、大気極が収容された大気室513から排出されるオフガス、及び燃料室512から排出されるオフガスOの残部は、オフガスバーナ55の燃焼に利用され、オフガスバーナ55から排出される加熱後の燃焼ガスCは、改質器52及び空気予熱器53を加熱するために利用される。本形態のガス濃度検出装置1は、燃料室512から排出されるオフガスOに含まれる水素の濃度を検出するために用いられる。 The offgas O discharged from the fuel chamber 512 containing the fuel electrode in the cell stack 51 contains water vapor, carbon dioxide, etc., in addition to the hydrogen not used for power generation. A part of this offgas O is mixed with the fuel F via the ejector 54 and recirculated to the reformer 52, where the hydrogen and the like contained in the offgas O are reused. In the cell stack 51, the off-gas discharged from the air chamber 513 containing the cathode and the rest of the off-gas O discharged from the fuel chamber 512 are used for combustion by the off-gas burner 55, and the heated combustion gas C discharged from the off-gas burner 55 is used to heat the reformer 52 and the air preheater 53. The gas concentration detection device 1 of this embodiment is used to detect the concentration of hydrogen contained in the offgas O discharged from the fuel chamber 512 .

ガス濃度検出装置1は、水素を含むオフガスOが流れる配管に配置されるセンサ本体10と、センサ本体10に電気的に接続されたセンサ制御ユニット3とを備える。センサ本体10は、センサ素子2と、センサ素子2を配管に配置するためのハウジング部とを有する。第1電圧印加部31A、第2電圧印加部31B、電流測定部32及びガス濃度検出部33はセンサ制御ユニット3に構築されている。センサ制御ユニット3は、燃料電池システム5の制御装置に構築されていてもよい。 The gas concentration detection device 1 includes a sensor main body 10 arranged in a pipe through which an off-gas O containing hydrogen flows, and a sensor control unit 3 electrically connected to the sensor main body 10 . The sensor body 10 has a sensor element 2 and a housing portion for arranging the sensor element 2 in a pipe. The first voltage application section 31A, the second voltage application section 31B, the current measurement section 32 and the gas concentration detection section 33 are constructed in the sensor control unit 3. FIG. The sensor control unit 3 may be built into the controller of the fuel cell system 5 .

(センサ素子2)
図1~図3に示すように、センサ素子2は、固体電解質体21と、固体電解質体21に設けられた検出電極211、ポンプ電極213及び基準電極212と、固体電解質体21の両側に積層された第1絶縁体22A及び第2絶縁体22Bと、第1絶縁体22Aに設けられた拡散抵抗部23と、第2絶縁体22Bに埋設された発熱体26とを有する。センサ素子2の固体電解質体21、第1絶縁体22A及び第2絶縁体22Bは、長尺の長方形状に形成されている。
(Sensor element 2)
As shown in FIGS. 1 to 3, the sensor element 2 includes a solid electrolyte body 21, a detection electrode 211, a pump electrode 213, and a reference electrode 212 provided on the solid electrolyte body 21, a first insulator 22A and a second insulator 22B laminated on both sides of the solid electrolyte body 21, a diffusion resistance section 23 provided on the first insulator 22A, and a heating element 26 embedded in the second insulator 22B. The solid electrolyte body 21, the first insulator 22A and the second insulator 22B of the sensor element 2 are formed in an elongated rectangular shape.

固体電解質体21は、所定の活性温度において、酸化物イオン(O2-)の伝導性を有するものである。検出電極211は、固体電解質体21の第1表面201に設けられており、ポンプ電極213は、固体電解質体21の第2表面202に設けられている。検出電極211とポンプ電極213とは、固体電解質体21の長手方向Lの先端部における互いに対向する位置に配置されている。図1及び図3において、長手方向Lの先端側を符号L1によって示し、長手方向Lの基端側を符号L2によって示す。 The solid electrolyte body 21 has oxide ion (O 2− ) conductivity at a predetermined activation temperature. The detection electrode 211 is provided on the first surface 201 of the solid electrolyte body 21 and the pump electrode 213 is provided on the second surface 202 of the solid electrolyte body 21 . The detection electrode 211 and the pump electrode 213 are arranged at positions facing each other at the distal end portion of the solid electrolyte body 21 in the longitudinal direction L. As shown in FIG. 1 and 3, the distal end side in the longitudinal direction L is indicated by L1, and the proximal end side in the longitudinal direction L is indicated by L2.

基準電極212は、固体電解質体21における、検出電極211とポンプ電極213とによって挟まれる位置に埋設されている。換言すれば、検出電極211、ポンプ電極213及び基準電極212は、固体電解質体21及び第1絶縁体22A及び第2絶縁体22Bの積層方向において互いに重なる位置に配置されている。基準電極212は、固体電解質体21を構成するシートの間に挟み込まれて、固体電解質体21に埋設されている。基準電極212は、検出電極211及びポンプ電極213に比べて長手方向Lの基端側に長く形成されている。 The reference electrode 212 is embedded in the solid electrolyte body 21 at a position sandwiched between the detection electrode 211 and the pump electrode 213 . In other words, the detection electrode 211, the pump electrode 213, and the reference electrode 212 are arranged at positions overlapping each other in the stacking direction of the solid electrolyte body 21, the first insulator 22A, and the second insulator 22B. The reference electrode 212 is sandwiched between sheets forming the solid electrolyte body 21 and embedded in the solid electrolyte body 21 . The reference electrode 212 is formed longer on the base end side in the longitudinal direction L than the detection electrode 211 and the pump electrode 213 .

固体電解質体21の第1表面201に積層された第1絶縁体22Aによって、検出電極211を収容するガス室24が形成されている。ガス室24は、センサ素子2の長手方向Lの先端部に形成されている。また、第1絶縁体22Aには、ガス室24に検出対象ガスGを所定の拡散速度で導入するための拡散抵抗部23が設けられている。検出対象ガスGは、拡散抵抗部23を介してガス室24内の検出電極211に導かれる。 A gas chamber 24 that accommodates a detection electrode 211 is formed by the first insulator 22A laminated on the first surface 201 of the solid electrolyte body 21 . The gas chamber 24 is formed at the tip of the sensor element 2 in the longitudinal direction L. As shown in FIG. Further, the first insulator 22A is provided with a diffusion resistance section 23 for introducing the gas G to be detected into the gas chamber 24 at a predetermined diffusion rate. The detection target gas G is guided to the detection electrode 211 in the gas chamber 24 via the diffusion resistance section 23 .

固体電解質体21の第2表面202に積層された第2絶縁体22Bによって、ポンプ電極213を囲むガスダクト25が形成されている。ガスダクト25は、センサ素子2の長手方向Lの先端側に開口して、ガス室24と同様の先端部に形成されている。また、第2絶縁体22Bには、通電によって発熱して固体電解質体21を加熱するための発熱体26が埋設されている。なお、発熱体26は、第1絶縁体22Aに埋設されていてもよい。検出対象ガスGは、センサ素子2の長手方向Lの先端からガスダクト25内のポンプ電極213に導かれる。 A gas duct 25 surrounding the pump electrode 213 is formed by the second insulator 22B laminated on the second surface 202 of the solid electrolyte body 21 . The gas duct 25 opens at the front end side of the sensor element 2 in the longitudinal direction L and is formed at the same front end portion as the gas chamber 24 . A heating element 26 for heating the solid electrolyte body 21 by generating heat when energized is embedded in the second insulator 22B. Note that the heating element 26 may be embedded in the first insulator 22A. The detection target gas G is guided from the tip of the sensor element 2 in the longitudinal direction L to the pump electrode 213 inside the gas duct 25 .

固体電解質体21は、固体電解質としてのジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし(50質量%以上含有し)、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体21を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換される。検出電極211及び基準電極212は、酸素に対する触媒活性を示す白金等の貴金属、及び固体電解質体21との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。 The solid electrolyte body 21 is made of a zirconia-based oxide as a solid electrolyte, containing zirconia as a main component (containing 50% by mass or more), and is made of stabilized zirconia or partially stabilized zirconia obtained by partially substituting zirconia with a rare earth metal element or an alkaline earth metal element. A part of the zirconia constituting the solid electrolyte body 21 is replaced with yttria, scandia or calcia. The detection electrode 211 and the reference electrode 212 contain a noble metal such as platinum that exhibits catalytic activity with respect to oxygen, and a zirconia-based oxide as a common material with the solid electrolyte body 21 .

第1絶縁体22A、第2絶縁体22B及び拡散抵抗部23は、酸化アルミニウム等の金属酸化物によって構成されている。第1絶縁体22A及び第2絶縁体22Bは、検出対象ガスGを透過させない緻密な金属酸化物によって形成されており、拡散抵抗部23は、検出対象ガスGを透過させる多孔質状の金属酸化物によって形成されている。 The first insulator 22A, the second insulator 22B, and the diffusion resistor section 23 are made of metal oxide such as aluminum oxide. The first insulator 22A and the second insulator 22B are made of a dense metal oxide that is impermeable to the detection target gas G, and the diffusion resistance section 23 is made of a porous metal oxide that is permeable to the detection target gas G.

(第1電圧印加部31A)
図1に示すように、第1電圧印加部31Aは、基準電極212がプラス側になるとともに検出電極211がマイナス側になる状態で、検出電極211と基準電極212との間に直流電圧を印加する。第1電圧印加部31Aによって印加する直流電圧は、検出電極211に接触する水素を電気化学的に酸化させるために、基準電極212から検出電極211へ酸化物イオンの移動が生じる電圧とする。
(First voltage application unit 31A)
As shown in FIG. 1, the first voltage applying section 31A applies a DC voltage between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 with the reference electrode 212 on the positive side and the detection electrode 211 on the negative side. The DC voltage applied by the first voltage applying section 31A is a voltage that causes oxide ions to move from the reference electrode 212 to the detection electrode 211 in order to electrochemically oxidize the hydrogen in contact with the detection electrode 211 .

(第2電圧印加部31B)
図1に示すように、第2電圧印加部31Bは、基準電極212がプラス側になるとともにポンプ電極213がマイナス側になる状態で、ポンプ電極213と基準電極212との間に直流電圧を印加する。第2電圧印加部31Bは、基準電極212へ酸化物イオンを供給するために、ポンプ電極213と基準電極212との間に電圧を印加する。
(Second voltage application unit 31B)
As shown in FIG. 1, the second voltage applying section 31B applies a DC voltage between the pump electrode 213 and the reference electrode 212 with the reference electrode 212 on the plus side and the pump electrode 213 on the minus side. The second voltage applying section 31B applies a voltage between the pump electrode 213 and the reference electrode 212 to supply oxide ions to the reference electrode 212 .

より具体的には、第2電圧印加部31Bによって印加する直流電圧は、ガスダクト25内の検出対象ガスGに含まれる、水蒸気、二酸化炭素等の酸化性ガスが電気化学的に還元されて酸素を発生させる大きさとする。この構成により、検出対象ガスGに含まれる水素の濃度の検出が可能になる。また、第2電圧印加部31Bによって印加する直流電圧は、ポンプ電極213から基準電極212へ、ガス室24における水素の電気化学的な酸化反応に必要とされる酸化物イオンの移動が生じる電圧とする。 More specifically, the DC voltage applied by the second voltage applying unit 31B is of a magnitude that causes the oxidizing gas such as water vapor and carbon dioxide contained in the detection target gas G in the gas duct 25 to be electrochemically reduced to generate oxygen. With this configuration, the concentration of hydrogen contained in the gas G to be detected can be detected. The DC voltage applied by the second voltage application section 31B is a voltage that causes movement of oxide ions required for the electrochemical oxidation reaction of hydrogen in the gas chamber 24 from the pump electrode 213 to the reference electrode 212 .

(電流測定部32)
図1に示すように、電流測定部32は、第1電圧印加部31Aによって検出電極211と基準電極212との間に直流電圧が印加されるとともに、第2電圧印加部31Bによってポンプ電極213と基準電極212との間に直流電圧が印加されるときに、検出電極211と基準電極212との間に流れる直流電流Iを検出するよう構成されている。この直流電流Iは、検出電極211から基準電極212へ流れる電流Iとして検出される。
(Current measuring unit 32)
As shown in FIG. 1, the current measurement unit 32 is configured to detect a DC current I flowing between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 when a DC voltage is applied between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 by the first voltage application unit 31A and a DC voltage is applied between the pump electrode 213 and the reference electrode 212 by the second voltage application unit 31B. This DC current I is detected as a current I flowing from the detection electrode 211 to the reference electrode 212 .

本形態において、電気化学的な酸化反応を単に酸化反応といい、電気化学的な還元反応を単に還元反応ということがある。 In the present embodiment, an electrochemical oxidation reaction may be simply referred to as an oxidation reaction, and an electrochemical reduction reaction may simply be referred to as a reduction reaction.

(ガス濃度検出部33)
図1及び図5に示すように、ガス濃度検出部33は、第1電圧印加部31Aによって、第1電圧印加部31Aによる電圧の変化に対して水素による電流Iの値が平衡する限界電流特性を示すとともに、かつ水素を除く還元性ガスによる電流Iが過電圧状態によって測定されない、酸化用電圧Voが印加されたときに、水素の濃度を検出するよう構成されている。この構成により、水素の濃度を検出する精度が向上する。
(Gas concentration detector 33)
As shown in FIGS. 1 and 5, the gas concentration detection unit 33 is configured to detect the concentration of hydrogen when the oxidation voltage Vo is applied by the first voltage application unit 31A, in which the value of the current I due to hydrogen is balanced with respect to the voltage change due to the first voltage application unit 31A, and the current I due to the reducing gas other than hydrogen is not measured due to an overvoltage state. This configuration improves the accuracy of detecting the concentration of hydrogen.

図5には、検出対象ガスGに水素、炭化水素、一酸化炭素、水蒸気、二酸化炭素が含まれる場合において、第2電圧印加部31Bによってポンプ電極213と基準電極212との間に電圧[V]を印加するとともに、第1電圧印加部31Aによる検出電極211と基準電極212との間への印加電圧[V]を変化させたときに、第1電圧印加部31Aによる印加電圧[V]と、電流測定部32によって測定される直流電流I[mA]との関係を示す。 FIG. 5 shows the applied voltage [V] by the first voltage applying unit 31A and the DC current I[m] measured by the current measuring unit 32 when the voltage [V] applied between the pump electrode 213 and the reference electrode 212 by the second voltage applying unit 31B is applied by the second voltage applying unit 31B and the voltage [V] applied between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 by the first voltage applying unit 31A is changed when the detection target gas G contains hydrogen, hydrocarbon, carbon monoxide, water vapor, and carbon dioxide. A].

第2電圧印加部31Bによる電圧の印加によって、ガスダクト25内の検出対象ガスGに含まれる水蒸気、二酸化炭素等の酸化性ガスが電気化学的に還元されて、酸素を発生させる。また、第1電圧印加部31Aによって、1[V]程度よりも低い電圧が印加されるときには、検出対象ガスGに含まれる一酸化炭素、炭化水素又は水素を電気化学的に酸化反応させるために、ガスダクト25内の酸素が、ポンプ電極213と固体電解質との界面において酸化物イオンとなって固体電解質体21及び基準電極212を伝導する。そして、検出電極211と固体電解質との界面において、一酸化炭素、炭化水素又は水素が酸化物イオンによって酸化反応する。このとき、ポンプ電極213から基準電極212へ、さらに基準電極212から検出電極211へ電子が移動する一方、検出電極211から基準電極212へ、さらに基準電極212からポンプ電極213へ電流Iが流れる。 Oxidizing gas such as water vapor and carbon dioxide contained in the detection target gas G in the gas duct 25 is electrochemically reduced by the voltage application by the second voltage application unit 31B to generate oxygen. Further, when a voltage lower than about 1 [V] is applied by the first voltage applying unit 31A, the oxygen in the gas duct 25 becomes oxide ions at the interface between the pump electrode 213 and the solid electrolyte and conducts through the solid electrolyte body 21 and the reference electrode 212 in order to electrochemically oxidize carbon monoxide, hydrocarbons, or hydrogen contained in the detection target gas G. At the interface between the detection electrode 211 and the solid electrolyte, carbon monoxide, hydrocarbons, or hydrogen are oxidized by oxide ions. At this time, electrons move from the pump electrode 213 to the reference electrode 212 and from the reference electrode 212 to the detection electrode 211 , while current I flows from the detection electrode 211 to the reference electrode 212 and from the reference electrode 212 to the pump electrode 213 .

また、ポンプ電極213から基準電極212を介して検出電極211へ酸化物イオンが供給されるときに、ガス室24内に導入される一酸化炭素、炭化水素又は水素の流量は、拡散抵抗部23によって制限される。そのため、拡散抵抗部23によって一酸化炭素、炭化水素又は水素の酸化反応が律速され、第1電圧印加部31Aによる電圧が大きくなるよう変化しても、電流測定部32によって測定される電流Iが変化しない限界電流特性を示す電圧の範囲が存在する。 In addition, the flow rate of carbon monoxide, hydrocarbons, or hydrogen introduced into the gas chamber 24 when oxide ions are supplied from the pump electrode 213 to the detection electrode 211 via the reference electrode 212 is restricted by the diffusion resistance section 23 . Therefore, the oxidation reaction of carbon monoxide, hydrocarbons, or hydrogen is rate-determined by the diffusion resistor section 23, and even if the voltage applied by the first voltage application section 31A changes so as to increase, there is a voltage range that exhibits a limiting current characteristic in which the current I measured by the current measurement section 32 does not change.

図5に示すように、一酸化炭素、炭化水素又は水素による電流Iが生じる印加電圧は適宜異なっている。第1電圧印加部31Aによって、より低い印加電圧が印加されるときには、一酸化炭素又は炭化水素による電流Iの限界電流特性が生じる電圧の範囲が存在する。そして、水素による電流Iの限界電流特性が生じる電圧の範囲は、一酸化炭素又は炭化水素による電流Iが生じる電圧の範囲よりも高い範囲まで存在する。換言すれば、水素による電流Iの限界電流特性が生じる電圧の範囲であって、一酸化炭素、炭化水素等の、水素を除く還元性ガスによる電流Iが過電圧状態によって測定されない電圧の範囲が、水素検出範囲Vhとして存在する。 As shown in FIG. 5, the applied voltages that produce the current I due to carbon monoxide, hydrocarbons or hydrogen are appropriately different. When a lower applied voltage is applied by the first voltage applying section 31A, there is a voltage range in which the limiting current characteristic of the current I due to carbon monoxide or hydrocarbons occurs. The voltage range in which the limiting current characteristic of the current I due to hydrogen occurs is higher than the voltage range in which the current I due to carbon monoxide or hydrocarbons occurs. In other words, the hydrogen detection range Vh exists as a voltage range in which the limiting current characteristics of the current I due to hydrogen occur and in which the current I due to reducing gases other than hydrogen, such as carbon monoxide and hydrocarbons, is not measured due to an overvoltage state.

水素を検出するときに第1電圧印加部31Aによって印加される酸化用電圧Voは、この水素検出範囲Vh内の電圧として印加される。そして、検出対象ガスGに水素が含まれる場合に、第1電圧印加部31Aによって酸化用電圧Voが印加されるときには、水素の濃度に応じて、電流測定部32によって測定される電流Iの大きさが変化する。これにより、ガス濃度検出部33によって水素の濃度が検出される。 The oxidizing voltage Vo applied by the first voltage applying section 31A when detecting hydrogen is applied as a voltage within this hydrogen detection range Vh. Then, when the detection target gas G contains hydrogen, when the voltage Vo for oxidation is applied by the first voltage applying unit 31A, the magnitude of the current I measured by the current measuring unit 32 changes according to the concentration of hydrogen. Thereby, the concentration of hydrogen is detected by the gas concentration detection unit 33 .

第1電圧印加部31Aによって1[V]付近の電圧が検出電極211と基準電極212との間に印加されるときには、水素を含む還元性ガスの電気化学的な酸化反応、及び水蒸気、二酸化炭素等の酸化性ガスの電気化学的な還元反応のいずれも生じず、基準電極212を介して検出電極211とポンプ電極213との間に電流Iが流れない状態になる。なお、検出対象ガスGに水素が含まれる場合には、基準電極212を介して検出電極211とポンプ電極213との間には、約1[V]の開回路電圧(OCV,自然電位又は起電力とも呼ばれる。)が生じる。そして、約1[V]の付近においては、開回路電圧と、第1電圧印加部31Aによって印加される電圧とが平衡して、検出電極211と基準電極212との間に電流Iが流れない状態が生じる。 When a voltage of about 1 [V] is applied between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 by the first voltage application unit 31A, neither the electrochemical oxidation reaction of the reducing gas containing hydrogen nor the electrochemical reduction reaction of the oxidizing gas such as water vapor or carbon dioxide occurs, and no current I flows between the detection electrode 211 and the pump electrode 213 via the reference electrode 212. When the detection target gas G contains hydrogen, an open circuit voltage (OCV, also called natural potential or electromotive force) of about 1 [V] is generated between the detection electrode 211 and the pump electrode 213 via the reference electrode 212. In the vicinity of about 1 [V], the open circuit voltage and the voltage applied by the first voltage applying section 31A are balanced, and a state occurs in which the current I does not flow between the detection electrode 211 and the reference electrode 212.

(ガス濃度検出装置1のガス濃度測定方法)
次に、ガス濃度検出装置1を用いたガス濃度測定方法の一例について、図6を参照して説明する。
ガス濃度検出装置1が起動されたときには、センサ素子2の発熱体26に通電が行われ、センサ素子2の固体電解質体21、検出電極211、ポンプ電極213及び基準電極212が活性温度に加熱される(ステップS101)。次いで、固体電解質体21、検出電極211、ポンプ電極213及び基準電極212が活性温度になった後には、第1電圧印加部31Aによって検出電極211と基準電極212との間に酸化用電圧Voが印加されるとともに、第2電圧印加部31Bによってポンプ電極213と基準電極212との間に電圧が印加される(ステップS102)。次いで、所定のサンプリング時間が経過したか否かが判定される(ステップS103)。所定のサンプリング時間が経過したときには、電流測定部32によって検出電極211と基準電極212との間に流れる電流Iが測定される(ステップS104)。そして、ガス濃度検出部33によって、電流Iの大きさに応じて検出対象ガスGに含まれる水素の濃度が検出される(ステップS105)。
(Gas concentration measurement method of gas concentration detection device 1)
Next, an example of a gas concentration measuring method using the gas concentration detection device 1 will be described with reference to FIG.
When the gas concentration detection device 1 is started, the heating element 26 of the sensor element 2 is energized, and the solid electrolyte body 21, the detection electrode 211, the pump electrode 213 and the reference electrode 212 of the sensor element 2 are heated to the activation temperature (step S101). Next, after the solid electrolyte body 21, the detection electrode 211, the pump electrode 213, and the reference electrode 212 reach the activation temperature, the voltage Vo for oxidation is applied between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 by the first voltage application section 31A, and the voltage is applied between the pump electrode 213 and the reference electrode 212 by the second voltage application section 31B (step S102). Next, it is determined whether or not a predetermined sampling time has elapsed (step S103). When the predetermined sampling time has elapsed, the current measurement unit 32 measures the current I flowing between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 (step S104). Then, the concentration of hydrogen contained in the detection target gas G is detected by the gas concentration detection unit 33 according to the magnitude of the current I (step S105).

その後、検出終了の指令があるまでは(ステップS106)、ステップS103の所定のサンプリング時間が経過するごとに、ステップS104及びS105が繰り返し実行される。 After that, steps S104 and S105 are repeatedly executed each time a predetermined sampling time in step S103 elapses until an instruction to end the detection is issued (step S106).

(作用効果)
本形態のガス濃度検出装置1においては、大気を利用せずに水素の濃度を検出する工夫をしている。具体的には、センサ素子2の固体電解質体21には、ガス室24に収容された検出電極211及びガスダクト25に収容されたポンプ電極213が設けられており、基準電極212が埋設されている。そして、ガス濃度検出装置1は、検出対象ガスGに含まれる水素の濃度を検出するために、大気の代わりに、検出対象ガスGに含まれる酸化性ガスを利用する。
(Effect)
The gas concentration detection device 1 of this embodiment is devised to detect the concentration of hydrogen without using the atmosphere. Specifically, the solid electrolyte body 21 of the sensor element 2 is provided with a detection electrode 211 housed in the gas chamber 24 and a pump electrode 213 housed in the gas duct 25, and a reference electrode 212 is embedded. Then, in order to detect the concentration of hydrogen contained in the detection target gas G, the gas concentration detection device 1 uses the oxidizing gas contained in the detection target gas G instead of the atmosphere.

ガス濃度検出装置1においては、第1電圧印加部31Aによる検出電極211と基準電極212との間への酸化用電圧Voの印加、及び第2電圧印加部31Bによるポンプ電極213と基準電極212との間への電圧の印加によって、ガス室24内の検出対象ガスGに含まれる水素が、ガスダクト25内の検出対象ガスGに含まれる、水蒸気、二酸化炭素等の酸化性ガスが電気化学的に還元されて生じる酸素を用いて、電気化学的に酸化される。この構成により、大気中の酸素を利用しなくても、検出対象ガスGに含まれる水素を電気化学的に酸化させることができる。そして、ガス濃度検出部33によって、電流測定部32によって測定される、検出電極211と基準電極212との間に流れる電流Iに基づいて、水素の濃度が検出される。 In the gas concentration detection device 1, the first voltage application section 31A applies an oxidizing voltage Vo between the detection electrode 211 and the reference electrode 212, and the second voltage application section 31B applies a voltage between the pump electrode 213 and the reference electrode 212. Thus, the hydrogen contained in the detection target gas G in the gas chamber 24 is electrochemically reduced, and the oxidizing gas such as water vapor and carbon dioxide contained in the detection target gas G in the gas duct 25 is electrochemically reduced. Electrochemically oxidized. With this configuration, it is possible to electrochemically oxidize the hydrogen contained in the detection target gas G without using oxygen in the atmosphere. Then, the concentration of hydrogen is detected by the gas concentration detection unit 33 based on the current I flowing between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 measured by the current measurement unit 32 .

それ故、本形態のガス濃度検出装置1によれば、大気中の酸素を利用せずに水素の濃度を検出することができ、防爆構造のガス濃度検出装置1を形成することができる。 Therefore, according to the gas concentration detection device 1 of this embodiment, the concentration of hydrogen can be detected without using oxygen in the atmosphere, and the gas concentration detection device 1 having an explosion-proof structure can be formed.

<実施形態2>
本形態は、図7に示すように、第2電圧印加部31Bによるポンプ電極213と基準電極212との間への電圧の印加を、ポンプ電極213と基準電極212との間に一定の電流Iが流れる状態で行うガス濃度検出装置1について示す。ポンプ電極213から基準電極212へ供給される酸素(酸化物イオン)の量は、ガスダクト25における検出対象ガスGに含まれる水蒸気、二酸化炭素等の酸化性ガスが還元される際に生じる酸素の量に依存することがある。また、センサ素子2の固体電解質体21等の温度の変化により、固体電解質体21等の抵抗値が変化し、ポンプ電極213から基準電極212へ移動できる酸化物イオンの量が変化する可能性がある。
<Embodiment 2>
As shown in FIG. 7, this embodiment shows the gas concentration detection device 1 in which the voltage is applied between the pump electrode 213 and the reference electrode 212 by the second voltage applying section 31B in a state where a constant current I flows between the pump electrode 213 and the reference electrode 212. The amount of oxygen (oxide ions) supplied from the pump electrode 213 to the reference electrode 212 depends on the amount of oxygen generated when oxidizing gases such as water vapor and carbon dioxide contained in the detection target gas G in the gas duct 25 are reduced. In addition, a change in the temperature of the solid electrolyte body 21 and the like of the sensor element 2 may change the resistance value of the solid electrolyte body 21 and the like, which may change the amount of oxide ions that can move from the pump electrode 213 to the reference electrode 212 .

そのため、第2電圧印加部31Bによる電圧を調整することのみによっては、ポンプ電極213から基準電極212へ供給される酸素の量を調整できない可能性がある。そこで、第2電圧印加部31Bによって電圧の印加を行う際には、基準電極212からポンプ電極213へ一定の電流Iが流れるようにする。具体的には、ポンプ電極213と基準電極212との間には定電流回路34を設ける。定電流回路34は、定電流ダイオード、トランジスタ、OPアンプ等を用いた種々の構成とすればよい。 Therefore, it is possible that the amount of oxygen supplied from the pump electrode 213 to the reference electrode 212 cannot be adjusted only by adjusting the voltage applied by the second voltage applying section 31B. Therefore, a constant current I is caused to flow from the reference electrode 212 to the pump electrode 213 when the voltage is applied by the second voltage applying section 31B. Specifically, a constant current circuit 34 is provided between the pump electrode 213 and the reference electrode 212 . The constant current circuit 34 may have various configurations using constant current diodes, transistors, OP amplifiers, and the like.

本形態のガス濃度検出装置1においては、第2電圧印加部31Bによって基準電極212からポンプ電極213へ一定の電流Iが流れるようにしたことにより、基準電極212の電位がばらつきにくくすることができる。また、ポンプ電極213から基準電極212へ供給される酸素の量を適切に調整することができる。 In the gas concentration detection device 1 of the present embodiment, the constant current I is caused to flow from the reference electrode 212 to the pump electrode 213 by the second voltage applying section 31B, so that the potential of the reference electrode 212 is less likely to vary. Also, the amount of oxygen supplied from the pump electrode 213 to the reference electrode 212 can be appropriately adjusted.

本形態のガス濃度検出装置1における、その他の構成、作用効果等については、実施形態1の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態1に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1の構成要素と同様である。 Other configurations, effects, and the like in the gas concentration detection device 1 of the present embodiment are the same as the configuration, effects, and the like of the first embodiment. Also in the present embodiment, constituent elements indicated by the same reference numerals as those in the first embodiment are the same as those in the first embodiment.

<実施形態3>
本形態は、図1及び図5に示すように、ガス濃度検出部33が、検出対象ガスGに含まれる水素の他に、水素を除く還元性ガスを検出するガス濃度検出装置1について示す。本形態のガス濃度検出部33は、第1電圧印加部31Aによって検出電極211と基準電極212との間に第1酸化用電圧Vo1が印加されたときに、電流測定部32によって測定される電流Iに基づいて水素の濃度を検出する。第1酸化用電圧Vo1は、検出対象ガスGに含まれる水素が大気に含まれる酸素を用いて電気化学的に酸化されるとともに、電圧の変化に対して水素による電流Iの値が平衡する限界電流特性を示し、かつ水素を除く還元性ガスによる電流Iが過電圧状態によって測定されない電圧とする。
<Embodiment 3>
As shown in FIGS. 1 and 5, this embodiment shows a gas concentration detection device 1 in which the gas concentration detection unit 33 detects not only hydrogen contained in the detection target gas G but also reducing gases other than hydrogen. The gas concentration detection unit 33 of this embodiment detects the concentration of hydrogen based on the current I measured by the current measurement unit 32 when the first voltage application unit 31A applies the first oxidation voltage Vo1 between the detection electrode 211 and the reference electrode 212. The first oxidation voltage Vo1 is a voltage in which the hydrogen contained in the detection target gas G is electrochemically oxidized using the oxygen contained in the atmosphere, the current I due to hydrogen exhibits a limiting current characteristic in which the value of the current I due to hydrogen is balanced with respect to changes in voltage, and the current I due to reducing gases other than hydrogen is not measured due to an overvoltage state.

また、本形態のガス濃度検出部33は、第1電圧印加部31Aによって検出電極211と基準電極212との間に第1酸化用電圧Vo1よりも低い第2酸化用電圧Vo2が印加されたときに、電流測定部32によって測定される電流Iを利用して水素を除く還元性ガスの濃度を検出する。第2酸化用電圧Vo2は、検出対象ガスGに含まれる、水素を除く還元性ガスが、大気に含まれる酸素を用いて電気化学的に酸化されるとともに、電圧の変化に対して還元性ガスによる電流Iの値が平衡する限界電流特性を示し、かつ水素による電流Iが限界電流特性を示す電圧とする。図1及び図5において、第1酸化用電圧Vo1及び第2酸化用電圧Vo2を括弧書きによって示す。 Further, the gas concentration detection unit 33 of the present embodiment detects the concentration of reducing gases other than hydrogen using the current I measured by the current measurement unit 32 when a second oxidation voltage Vo2 lower than the first oxidation voltage Vo1 is applied between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 by the first voltage application unit 31A. The second oxidation voltage Vo2 is a voltage at which the reducing gas other than hydrogen contained in the detection target gas G is electrochemically oxidized using oxygen contained in the atmosphere, and at which the value of the current I due to the reducing gas is balanced with respect to the voltage change, and the current I due to hydrogen exhibits the limiting current characteristic. In FIGS. 1 and 5, the first oxidation voltage Vo1 and the second oxidation voltage Vo2 are shown in parentheses.

本形態のガス濃度検出装置1も、水素を用いて発電を行う燃料電池システム5において使用される。燃料電池システム5のセルスタック51の燃料室512から排出されるオフガスOにおいては、発電に使用されなかった水素以外に、改質器52から燃料極へ供給された一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)等の還元性ガスが含まれる。本形態のガス濃度検出装置1においては、水素と、水素以外の還元性ガスとしての一酸化炭素とを検出する。 The gas concentration detection device 1 of this embodiment is also used in a fuel cell system 5 that generates power using hydrogen. The offgas O discharged from the fuel chamber 512 of the cell stack 51 of the fuel cell system 5 contains reducing gases such as carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) supplied from the reformer 52 to the fuel electrode, in addition to hydrogen not used for power generation. The gas concentration detection device 1 of this embodiment detects hydrogen and carbon monoxide as a reducing gas other than hydrogen.

本形態の第1電圧印加部31Aは、検出電極211と基準電極212との間に印加する電圧を、第1酸化用電圧Vo1と第2酸化用電圧Vo2との間で瞬時に切り替えるよう構成されている。第2酸化用電圧Vo2は、還元性ガスとしての一酸化炭素が酸化される電圧として設定されている。本形態のガス濃度検出部33は、第2酸化用電圧Vo2が印加されたときに電流測定部32によって測定される電流Iから、第1酸化用電圧Vo1が印加されたときに電流測定部32によって測定される電流Iを差し引いた値に基づいて一酸化炭素の濃度を検出するよう構成されている。 The first voltage application section 31A of this embodiment is configured to instantly switch the voltage applied between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 between the first oxidation voltage Vo1 and the second oxidation voltage Vo2. The second oxidation voltage Vo2 is set as a voltage at which carbon monoxide as a reducing gas is oxidized. The gas concentration detection unit 33 of this embodiment is configured to detect the concentration of carbon monoxide based on a value obtained by subtracting the current I measured by the current measurement unit 32 when the first oxidation voltage Vo1 is applied from the current I measured by the current measurement unit 32 when the second oxidation voltage Vo2 is applied.

図5には、検出対象ガスGに水素、一酸化炭素、炭化水素(メタン等)が含まれる場合において、第1電圧印加部31Aによる検出電極211と基準電極212との間への印加電圧を変化させたときに、印加電圧[V]と、電流測定部32によって測定される直流電流I[mA]との関係を示す。図5においては、印加電圧が1[V]以下である場合に、水素、一酸化炭素又はメタンが検出されるときの電流Iの違いについて示す。 FIG. 5 shows the relationship between the applied voltage [V] and the direct current I [mA] measured by the current measurement unit 32 when the voltage applied between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 by the first voltage application unit 31A is changed when the detection target gas G contains hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons (methane, etc.). FIG. 5 shows the difference in current I when hydrogen, carbon monoxide, or methane is detected when the applied voltage is 1 [V] or less.

実施形態1の場合と同様に、水素による限界電流特性が生じる電圧の範囲は、一酸化炭素による限界電流特性が生じる電圧の範囲よりも高い範囲まで存在する。そして、水素による電流Iの限界電流特性が生じる電圧の範囲であって、一酸化炭素による電流Iが生じなくなる範囲が、水素検出範囲Vhとして存在する。第1酸化用電圧Vo1は、水素検出範囲Vh内の電圧として印加される。電流測定部32によって測定される電流Iの大きさに応じて、ガス濃度検出部33によって水素の濃度が検出される。 As in the case of the first embodiment, the voltage range in which the limiting current characteristic of hydrogen occurs is higher than the voltage range in which the limiting current characteristic of carbon monoxide occurs. A hydrogen detection range Vh exists as a voltage range in which the limiting current characteristics of the current I due to hydrogen occur and in which the current I due to carbon monoxide does not occur. The first oxidation voltage Vo1 is applied as a voltage within the hydrogen detection range Vh. The concentration of hydrogen is detected by the gas concentration detection unit 33 according to the magnitude of the current I measured by the current measurement unit 32 .

一方、一酸化炭素による電流Iの限界電流特性が生じる電圧の範囲には、水素による電流Iの限界電流特性が生じる電圧の範囲と重複している部分と、炭化水素による電流Iの限界電流特性が生じる電圧の範囲と重複している部分とが、一酸化炭素検出範囲Vcとして存在する。また、一酸化炭素検出範囲Vcは、メタン等の炭化水素による電流Iがほとんど生じない範囲とする。第2酸化用電圧Vo2は、一酸化炭素検出範囲Vc内の電圧として印加される。 On the other hand, in the voltage range in which the limiting current characteristics of the current I due to carbon monoxide occur, there are a portion overlapping the voltage range in which the limiting current characteristics of the current I due to hydrogen occur and a portion overlapping the voltage range in which the limiting current characteristics of the current I due to hydrocarbons occur as the carbon monoxide detection range Vc. Further, the carbon monoxide detection range Vc is set to a range in which almost no current I is generated by hydrocarbons such as methane. The second oxidation voltage Vo2 is applied as a voltage within the carbon monoxide detection range Vc.

第1電圧印加部31Aによって検出電極211と基準電極212との間に第2酸化用電圧Vo2が印加されるときには、電流測定部32によって測定される電流Iには、一酸化炭素による電流Iと水素による電流Iとが含まれている。そのため、第2酸化用電圧Vo2を印加して一酸化炭素の濃度を検出するときには、同時期に時間をずらして第1酸化用電圧Vo1を印加し、水素の濃度も検出する。 When the first voltage application unit 31A applies the second oxidation voltage Vo2 between the detection electrode 211 and the reference electrode 212, the current I measured by the current measurement unit 32 includes the current I due to carbon monoxide and the current I due to hydrogen. Therefore, when the second voltage for oxidation Vo2 is applied to detect the concentration of carbon monoxide, the first voltage for oxidation Vo1 is applied at the same time with a time lag to detect the concentration of hydrogen.

具体的には、第1電圧印加部31Aは、第1酸化用電圧Vo1を印加する状態と第2酸化用電圧Vo2を印加する状態とを瞬時に切り替え、電流測定部32によって、水素の酸化反応によって生じる電流Iと、水素及び一酸化炭素の酸化反応によって生じる電流Iとの双方を測定する。そして、ガス濃度検出部33は、水素及び一酸化炭素の酸化反応によって生じる電流Iから、水素の酸化反応によって生じる電流Iを差し引くことによって、一酸化炭素の濃度を検出する。 Specifically, the first voltage application unit 31A instantly switches between the state of applying the first voltage for oxidation Vo1 and the state of applying the second voltage for oxidation Vo2, and the current measurement unit 32 measures both the current I generated by the oxidation reaction of hydrogen and the current I generated by the oxidation reaction of hydrogen and carbon monoxide. Then, the gas concentration detection unit 33 detects the concentration of carbon monoxide by subtracting the current I generated by the oxidation reaction of hydrogen from the current I generated by the oxidation reaction of hydrogen and carbon monoxide.

(ガス濃度検出装置1のガス濃度測定方法)
次に、本形態のガス濃度検出装置1を用いたガス濃度測定方法の一例について、図8を参照して説明する。
本形態のガス濃度測定方法においても、実施形態1の図6のステップS101と同様にステップS201が実行され、固体電解質体21、検出電極211及び基準電極212が活性温度になった後には、第1電圧印加部31Aによって検出電極211と基準電極212との間に第1酸化用電圧Vo1が印加される(ステップS202)。次いで、所定のサンプリング時間が経過したか否かが判定される(ステップS203)。所定のサンプリング時間が経過したときには、電流測定部32によって検出電極211と基準電極212との間に流れる電流Iが測定される(ステップS204)。そして、ガス濃度検出部33によって、第1酸化用電圧Vo1が印加されたときの電流Iに基づいて、検出対象ガスGに含まれる水素の濃度が検出される(ステップS205)。
(Gas concentration measurement method of gas concentration detection device 1)
Next, an example of a gas concentration measuring method using the gas concentration detection device 1 of this embodiment will be described with reference to FIG.
Also in the gas concentration measuring method of the present embodiment, step S201 is executed in the same manner as step S101 in FIG. 6 of the first embodiment, and after the solid electrolyte body 21, the detection electrode 211, and the reference electrode 212 reach the activation temperature, the first voltage application section 31A applies the first oxidation voltage Vo1 between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 (step S202). Next, it is determined whether or not a predetermined sampling time has elapsed (step S203). When the predetermined sampling time has elapsed, the current measurement unit 32 measures the current I flowing between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 (step S204). Then, the concentration of hydrogen contained in the detection target gas G is detected by the gas concentration detection unit 33 based on the current I when the first voltage for oxidation Vo1 is applied (step S205).

次いで、第1電圧印加部31Aによって検出電極211と基準電極212との間に第2酸化用電圧Vo2が印加される(ステップS206)。次いで、電流測定部32によって検出電極211と基準電極212との間に流れる電流Iが測定される(ステップS207)。そして、ガス濃度検出部33によって、第2酸化用電圧Vo2が印加されたときの電流Iから、第1酸化用電圧Vo1が印加されたときの電流Iを差し引いた値に基づいて、検出対象ガスGに含まれる一酸化炭素の濃度が検出される(ステップS208)。次いで、第1電圧印加部31Aによって検出電極211と基準電極212との間に第1酸化用電圧Vo1が印加される(ステップS209)。 Next, the first voltage application unit 31A applies the second oxidation voltage Vo2 between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 (step S206). Next, the current I flowing between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 is measured by the current measurement unit 32 (step S207). Then, the gas concentration detection unit 33 detects the concentration of carbon monoxide contained in the detection target gas G based on the value obtained by subtracting the current I when the first oxidation voltage Vo1 is applied from the current I when the second oxidation voltage Vo2 is applied (step S208). Next, the first voltage application unit 31A applies the first oxidation voltage Vo1 between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 (step S209).

その後、検出終了の指令があるまでは(ステップS210)、ステップS203の所定のサンプリング時間が経過するごとに、ステップS204~S209が繰り返し実行される。 After that, steps S204 to S209 are repeatedly executed each time a predetermined sampling time in step S203 elapses until an instruction to end detection is issued (step S210).

(作用効果)
本形態のガス濃度検出装置1は、第1電圧印加部31Aによって、固体電解質体21を介して検出電極211と基準電極212との間に印加する電圧を変更することにより、検出対象ガスGに含まれる水素と一酸化炭素との検出を可能にしたものである。第1電圧印加部31Aによって検出電極211と基準電極212との間に印加される電圧が、第1酸化用電圧Vo1よりもさらに低い第2酸化用電圧Vo2に変化したときには、水素及び一酸化炭素が電気化学的に酸化される状態に変化する。そして、水素による電流Iと一酸化炭素による電流Iの双方が限界電流特性を示す電圧の範囲が存在し、この電圧の範囲内に第2酸化用電圧Vo2を設定する。本形態のガス濃度検出装置1においては、この印加する電圧によって電気化学的な酸化反応の状態が異なることを利用して、第1酸化用電圧Vo1が印加されるときには水素を検出し、第2酸化用電圧Vo2が印加されるときには一酸化炭素を検出する。
(Effect)
The gas concentration detection device 1 of the present embodiment is capable of detecting hydrogen and carbon monoxide contained in the detection target gas G by changing the voltage applied between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 via the solid electrolyte body 21 by the first voltage application section 31A. When the voltage applied between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 by the first voltage applying section 31A changes to the second oxidation voltage Vo2 which is even lower than the first oxidation voltage Vo1, hydrogen and carbon monoxide are electrochemically oxidized. There is a voltage range in which both the current I due to hydrogen and the current I due to carbon monoxide exhibit limiting current characteristics, and the second oxidation voltage Vo2 is set within this voltage range. In the gas concentration detection device 1 of the present embodiment, utilizing the fact that the state of the electrochemical oxidation reaction differs depending on the applied voltage, hydrogen is detected when the first voltage for oxidation Vo1 is applied, and carbon monoxide is detected when the second voltage for oxidation Vo2 is applied.

それ故、本形態のガス濃度検出装置1によれば、センサ素子2の検出電極211と基準電極212との間に印加する電圧を変更することにより、水素及び一酸化炭素の検出を可能にすることができる。 Therefore, according to the gas concentration detection device 1 of this embodiment, hydrogen and carbon monoxide can be detected by changing the voltage applied between the detection electrode 211 and the reference electrode 212 of the sensor element 2.

本形態のガス濃度検出装置1における、その他の構成、作用効果等については、実施形態1,2の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態1,2に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1,2の構成要素と同様である。 Other configurations, effects, and the like in the gas concentration detection device 1 of the present embodiment are the same as the configurations, effects, and the like of the first and second embodiments. Further, in the present embodiment as well, the components indicated by the same reference numerals as those in the first and second embodiments are the same as those in the first and second embodiments.

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。 The present invention is not limited to only each embodiment, and further different embodiments can be configured without departing from the scope of the invention. In addition, the present invention includes various modifications, modifications within the equivalent range, and the like. Furthermore, the technical concept of the present invention also includes combinations, forms, and the like of various components assumed from the present invention.

1 ガス濃度検出装置
2 センサ素子
21 固体電解質体
23 拡散抵抗部
24 ガス室
25 ガスダクト
31A 第1電圧印加部
31B 第2電圧印加部
32 電流測定部
33 ガス濃度検出部
REFERENCE SIGNS LIST 1 gas concentration detection device 2 sensor element 21 solid electrolyte body 23 diffusion resistance section 24 gas chamber 25 gas duct 31A first voltage application section 31B second voltage application section 32 current measurement section 33 gas concentration detection section

Claims (4)

検出対象ガス(G)が拡散抵抗部(23)を介して導入されるガス室(24)と、前記検出対象ガスが導入されるガスダクト(25)と、前記ガス室と前記ガスダクトとを仕切る固体電解質体(21)とを有し、前記固体電解質体の第1表面(201)に前記ガス室に収容された状態で検出電極(211)が設けられ、前記固体電解質体の、前記第1表面とは反対側の第2表面(202)に前記ガスダクトに収容された状態でポンプ電極(213)が設けられ、かつ前記固体電解質体の内部に基準電極(212)が設けられたセンサ素子(2)と、
前記検出電極と前記基準電極との間に、前記基準電極が高電位側になる状態で電圧を印加する第1電圧印加部(31A)と、
前記固体電解質体を介して前記検出電極と前記基準電極との間に流れる電流(I)を測定する電流測定部(32)と、
前記ポンプ電極と前記基準電極との間に、前記基準電極が高電位側になる状態で電圧を印加する第2電圧印加部(31B)と、
前記第1電圧印加部による電圧の印加及び前記第2電圧印加部による電圧の印加を受けて、前記ガス室内の前記検出対象ガスに含まれる水素が、前記ガスダクト内の前記検出対象ガスに含まれる酸化性ガスを用いて電気化学的に酸化される際に、前記電流測定部によって測定される前記電流に基づいて前記水素の濃度を検出するガス濃度検出部(33)と、を備えるガス濃度検出装置(1)。
A gas chamber (24) into which a gas to be detected (G) is introduced via a diffusion resistor (23), a gas duct (25) into which the gas to be detected is introduced, and a solid electrolyte body (21) that separates the gas chamber and the gas duct. ) is provided with a pump electrode (213) in the gas duct, and a reference electrode (212) is provided inside the solid electrolyte body;
a first voltage applying section (31A) that applies a voltage between the detection electrode and the reference electrode while the reference electrode is on the high potential side;
a current measuring unit (32) for measuring a current (I) flowing between the detection electrode and the reference electrode via the solid electrolyte body;
a second voltage applying unit (31B) that applies a voltage between the pump electrode and the reference electrode while the reference electrode is on the high potential side;
a gas concentration detection unit (33) for detecting the concentration of hydrogen based on the current measured by the current measurement unit when hydrogen contained in the detection target gas in the gas chamber is electrochemically oxidized using the oxidizing gas contained in the detection target gas in the gas duct in response to the voltage application by the first voltage application unit and the voltage application by the second voltage application unit.
前記ガス濃度検出部は、前記第1電圧印加部によって、前記第1電圧印加部による電圧の変化に対して前記水素による前記電流の値が平衡する限界電流特性を示すとともに、かつ前記水素を除く還元性ガスによる前記電流が過電圧状態によって測定されない、酸化用電圧が印加されたときに、前記水素の濃度を検出するよう構成されている、請求項1に記載のガス濃度検出装置。 2. The gas concentration detection device according to claim 1, wherein the gas concentration detection unit is configured to detect the concentration of hydrogen when an oxidizing voltage is applied by the first voltage application unit, in which the value of the current due to the hydrogen is balanced with respect to a change in the voltage by the first voltage application unit, and the current due to the reducing gas other than the hydrogen is not measured due to an overvoltage state. 前記第2電圧印加部による電圧の印加は、前記ポンプ電極と前記基準電極との間に一定の電流が流れる状態で行われる、請求項1又は2に記載のガス濃度検出装置。 3. The gas concentration detection device according to claim 1, wherein the voltage application by said second voltage application section is performed in a state where a constant current flows between said pump electrode and said reference electrode. 前記第2電圧印加部による電圧は、前記ガスダクト内の前記検出対象ガスに含まれる酸化性ガスが電気化学的に還元される大きさとする、請求項1~3のいずれか1項に記載のガス濃度検出装置。
The gas concentration detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein the voltage applied by the second voltage application unit is set to a magnitude that electrochemically reduces the oxidizing gas contained in the gas to be detected in the gas duct.
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