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JP2000258390A - ガスセンサ - Google Patents

ガスセンサ

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JP2000258390A
JP2000258390A JP11066994A JP6699499A JP2000258390A JP 2000258390 A JP2000258390 A JP 2000258390A JP 11066994 A JP11066994 A JP 11066994A JP 6699499 A JP6699499 A JP 6699499A JP 2000258390 A JP2000258390 A JP 2000258390A
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gas
electrode
gas sensor
electrodes
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Norihiko Nadanami
紀彦 灘浪
Hiroteru Fujita
弘輝 藤田
Takaharu Inoue
隆治 井上
Takafumi Oshima
崇文 大島
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
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    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
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Abstract

(57)【要約】 【課題】水素リッチ雰囲気において低温で作動し、特に
燃料電池の燃料ガス中の水素濃度を精度良く測定できる
水素ガスセンサの提供。 【解決手段】高分子電解質のプロトン伝導層５、プロト
ン伝導層５に接し水素解離能を備えた第１，第２の電極
３，４、被測定ガス雰囲気と第１の電極３間に設けられ
被測定ガスを第１の電極３に拡散律速状態で拡散させる
ガス拡散律速層２、これらを支持する緻密な支持体１を
有する。ガス拡散律速層２を通り第１の電極３に到達し
た水素ガスは電極に含有されるＰｔの触媒作用と第１の
電極３への印加電圧によりプロトンに解離されてプロト
ン伝導層５を通り第２の電極４へ汲み出され、再び水素
ガスとなって被測定ガス雰囲気に拡散していく。この印
加電圧が十分に大きい場合、第１，第２の電極３，４間
には限界電流が流れ、その大きさは、被測定ガス中の水
素ガス濃度に比例する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素含有成分ガス
の濃度測定に用いられるガスセンサに関し、特に燃料電
池において燃料ガス中のガス成分、特に水素ガス濃度の
測定用に好適な水素ガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】地球規模の環境悪化が問題視される中、
高効率で、クリーンな動力源として燃料電池の研究が近
年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、自動車用として固体高分子型燃料電
池（ＰＥＦＣ）が期待されている。この場合、燃料ガス
として、メタノール等の改質ガスを使用することが有望
であるが、より効率等を向上させるために、改質ガス中
の水素ガス濃度などを直接検知できるガスセンサが必要
になってくる。このようなガスセンサは、水素リッチな
雰囲気での測定に用いられるため、作動温度が低いこと
（約１００℃以下）が必要である。
【０００３】このような低温作動型水素ガスセンサとし
て、特公平７−３１１５３号公報には、絶縁基材上に作
用電極、対向電極及び参照電極を設置し、これら三つの
電極をガス透過性プロトン伝導膜により一体的に覆った
構造のセンサが提案されている。
【０００４】また別に、高温で動作する水素ガスセンサ
として、特開平８−３２７５９２号公報には、多孔質セ
ラミック基板上に、多孔質陽極層、セラミックス質のプ
ロトン伝導性薄膜、多孔質陰極層が順次積層され、ヒー
タによって高温に加熱された状態で正常に動作するガス
センサが提案されている。この水素ガスセンサにおいて
は、多孔質セラミック基板がガス拡散律速層を兼用して
いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
公平７−３１１５３号公報に提案されている水素ガスセ
ンサにおいては、被測定ガスの作用電極への拡散が、作
用電極，対向電極及び参照電極の３つの電極を一体的に
覆ったガス透過性プロトン伝導膜を介して行われている
ため、参照電極へのガス拡散を防止することは不可能で
ある。仮に、被測定ガスとの反応性が低い金属材料から
参照電極を形成したとしても、上記拡散の影響を打ち消
すことは困難である。
【０００６】この水素ガスセンサにおいて、逆に、参照
電極へのガス拡散量を低減させる目的で、プロトン伝導
膜のガス透過量を抑制した場合、今度は作用電極へのガ
ス拡散量も減少してしまい、感度が低下するという新た
な問題が生じてしまう。更に、この水素ガスセンサにお
いて、プロトン伝導膜のガス透過能をある程度確保する
ためには、プロトン伝導膜をポーラスにする必要があ
り、この場合、プロトン伝導膜の機械的強度が低下して
しまう。
【０００７】また別に、上記特開平８−３２７５９２号
公報に提案されているような水素ガスセンサは、プロト
ン伝導層がセラミックス質であるため高温でしか正常に
作動しない。したがって、安全上、この水素ガスセンサ
を水素リッチな雰囲気で用いることが困難である。加え
て、この水素ガスセンサにおいては、基板がガス拡散律
速層を兼用しているために、基板の強度が低いという問
題がある。なお、基板上に、電極、プロトン伝導性薄膜
などを積層形成するには、基板をある程度以上に大きく
形成する必要がある。この水素ガスセンサのように、基
板がガス拡散律速層を兼用している場合には、ガス拡散
律速層も肥大化しており、ガス拡散律速層が小さい場合
に比べて、それが破損した場合に測定に与える影響が大
きくなる。
【０００８】本発明の目的は、水素リッチな雰囲気にお
いて低温で作動するガスセンサ、特に、燃料電池の燃料
ガス中の水素ガス濃度を精度良く測定することが可能で
ある水素ガスセンサを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明による第１のガス
センサは、高分子電解質のプロトン伝導層と、プロトン
伝導層に接して設けられ水素ガス解離能を備えた第１，
第２の電極と、被測定ガス雰囲気と第１の電極間に設け
られ被測定ガスを該第１の電極に向かって拡散律速状態
で拡散させるガス拡散律速層と、プロトン伝導層、第
１，第２の電極及びガス拡散律速層を支持する支持体
と、を有している。
【００１０】このガスセンサを用いてガス濃度を測定す
る場合、このガスセンサは例えば次のように制御され
る。第１，第２の電極間に所定の電圧を印加し、第１の
電極上で所定のガス成分例えば水素ガスを解離させ、そ
れによって生じるプロトンをプロトン伝導層を介して第
１の電極から第２の電極へ汲み出し、この汲み出しによ
って第１の電極から第２の電極間に流れる限界電流を検
知し、この限界電流値に応じて上記所定のガス成分の濃
度を求める。
【００１１】このガスセンサにおいては、ガス拡散律速
層が設けられていることにより、第１の電極への被測定
ガスの拡散をプロトン伝導層の形状を変えることなく、
任意にかつ容易に制御することができる。このため、セ
ンサ感度となる限界電流値の大きさを任意に変えること
ができ、いろいろな測定レンジの選択が可能となる。
【００１２】このガスセンサにおいては、被測定ガスの
拡散がガス拡散律速層により律速されるため、被測定ガ
ス中に含まれる測定対象である所定ガス成分の濃度が一
定の場合、第１，第２の電極間にある一定以上の電圧を
印加しても、流れる電流の大きさはほぼ一定となる。こ
のように、印加電圧によらず一定の大きさの電流が流れ
る場合、その電流を限界電流、その電流値を限界電流値
と称する。
【００１３】また、このガスセンサにおいては、電気絶
縁性のセラミックスからなる支持体上にガスセンサの検
知部が構成されているため、この検知部の小型化がガス
センサ全体の機械的強度を損なうことなく容易に可能と
なる。
【００１４】次に、本発明による第２のガスセンサは、
上記第１のガスセンサが有する構造に加えて、参照電極
を有している。この参照電極は、基準となる水素ガス濃
度に応じた電位を生じるようプロトン伝導層に接して設
けられる。
【００１５】このガスセンサを用いてガス濃度を測定す
る場合、このガスセンサは例えば次のように制御され
る。第１の電極と参照電極間の電位がプロトン伝導層を
介して所定の電位となるように、第１，第２の電極間に
電圧を印加し、ガス拡散律速層により拡散が律速された
被測定ガス中に含まれる測定対象ガス成分、例えば水素
ガスを解離させ、発生したプロトンをプロトン伝導層を
介して第１の電極から第２の電極へ汲み出すことにより
生じる電流に基づいて測定対象ガス成分の濃度を求め
る。
【００１６】このガスセンサにおいては、第１，第２の
電極間に印加する電圧を、第１の電極と参照電極間の電
位がある一定の電位になるように可変制御することがで
きるため、測定対象ガス成分の任意の濃度において最適
な電圧をガスセンサに印加することができ、広い濃度範
囲の測定を精度良く行うことができる。
【００１７】また、この第２のガスセンサにおいては、
上記第１のガスセンサと同様に、ガス拡散律速層により
被測定ガスの拡散が制限されているため、プロトン伝導
層の形状によらず被測定ガスの第１の電極に対する拡散
量を制御でき、かつ参照電極への被測定ガスの拡散も容
易に防止することができる。また、この第２のガスセン
サにおいては、プロトン伝導層の材質及び支持体の使用
についても、上記第１のガスセンサと同様な選択が可能
である。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を説明する。
【００１９】本発明によるガスセンサはその好ましい実
施の形態において、プロトン伝導層の材質として、フッ
素系樹脂の一種又は二種以上が用いられ、中でも「Nafi
on」（登録商標、デュポン社製）が用いられる。
【００２０】本発明によるガスセンサはその好ましい実
施の形態において、高分子電解質のプロトン伝導層とし
て、比較的低温、例えば１５０℃以下、好ましくは１３
０℃以下、さらに好ましくは８０℃付近で十分に作動す
るもの、例えばフッ素系樹脂系の固体高分子電解質から
形成されたものが用いられる。
【００２１】本発明によるガスセンサはその好ましい実
施の形態において、ガス拡散律速層の原料となるセラミ
ック質粉末の平均粒径が２〜８０μｍとされる。好まし
くは、ガス拡散律速層が多孔質アルミナから形成され
る。
【００２２】本発明によるガスセンサはその好ましい実
施の形態において、第１，第２の電極及び参照電極が触
媒機能を併せもった材料から形成される。好ましくは、
これらの電極が主としてＰｔないしＰｔ合金を主成分と
するＰｔ電極から構成される。
【００２３】本発明によるガスセンサはその好ましい実
施の形態において、支持体が緻密質とされ、特にその相
対密度が９５％以上とされる。
【００２４】本発明によるガスセンサはその好ましい実
施の形態において、第１の電極がガス拡散律速機能を有
する。これによって、ガス拡散律速層を別個に設ける必
要がなくされ、ガスセンサの構造をより簡素化すること
ができる。この場合、第１の電極の原料として、材質Ｐ
ｔ、平均粒径２〜５０μｍの粉末を用いることが好まし
い。
【００２５】本発明の好ましい実施の形態に係るガスセ
ンサは、次のように作製することができる。支持体とな
るアルミナ成形シート上に、ガス拡散律速層となるアル
ミナペースト、第１，第２の電極ないし参照電極の主成
分となるＰｔをペースト状にしたものを、所定位置にそ
れぞれスクリーン印刷し、一体焼成後、焼成体の所定位
置にプロトン伝導層となるプロトン伝導性高分子電解質
膜をホットプレスによって接着する、或いは、プロトン
伝導性高分子電解質の溶液を焼成体の所定位置に塗布し
乾燥させる。第１，第２の電極ないし参照電極はスパッ
タリング法によって形成することができる。なお、本発
明によるガスセンサの作製方法は、上記方法に限定され
るものではない。
【００２６】本発明によるガスセンサはその好ましい実
施の形態において、第１，第２の電極がプロトン伝導層
を挟んで対向するよう形成されている、或いは、同一平
面上に形成されている。複数の電極を同一平面上に形成
する場合には、電極形成に係る工数が削減される。
【００２７】本発明によるガスセンサはその好ましい実
施の形態において、ガス拡散律速層が支持体表面ないし
上或いは支持体中に形成されている。特に、ガス拡散律
速層を支持体中に形成（埋設）することにより、ガスセ
ンサの構造が一層簡素化される。
【００２８】本発明によるガスセンサはその好ましい実
施の形態において、参照電極が、プロトン伝導層に接
し、さらに好ましくは覆われて被測定ガスに曝されない
よう形成されている。
【００２９】
【実施例】以上説明した本発明の好ましい実施の形態を
さらに明確化するために、以下図面を参照して、本発明
の一実施例を説明する。
【００３０】［実施例１］図１は、本発明の実施例１に
係るガスセンサの断面図である。図１を参照すると、こ
のガスセンサは、緻密なセラミック質の支持体１上に、
ガス拡散律速層２及び第２の電極４が層平面方向に離間
して積層されている。ガス拡散律速層２の一端部は被測
定雰囲気に曝されている。ガス拡散律速層２上には第１
の電極３が積層されている。さらに、支持体１上には、
第１の電極３の全体及び第２の電極４の一部を覆うよう
にプロトン伝導層５が積層されている。プロトン伝導層
５の一部は、ガス拡散律速層２と第２の電極４の間に侵
入して、支持体１と当接している。
【００３１】第１，第２の電極３，４は十分にガスが拡
散できる多孔質なＰｔ電極から構成され、水素ガス解離
能を備えている。ガス拡散律速層２は、多孔質のアルミ
ナから構成され、ガス拡散律速機能を備えている。プロ
トン伝導層５は、フッ素系樹脂の一種である「Nafion」
（登録商標、デュポン社製、動作温度：室温から１３０
℃）から構成され、プロトン伝導機能を備えている。
【００３２】このガスセンサは、支持体１となるアルミ
ナ成形シート上に、ガス拡散律速層２となるアルミナペ
ースト、第１，第２の電極３，４となるＰｔをペースト
状にしたものを、所定位置にそれぞれスクリーン印刷
し、一体焼成後、焼成体の所定位置にプロトン伝導層５
となるNafion膜をホットプレスによって接着する、或い
は、Nafionの溶液を焼成体の所定位置に塗布し乾燥させ
ることによって作製される。また、第１，第２の電極
３，４はスパッタリング法によっても形成することがで
きる。
【００３３】さらに、このガスセンサにおいて、第１，
第２の電極３，４間には、リード部を介して電源６及び
電流計７が互いに直列に接続され、第１，第２の電極
３，４間に電圧を印加し、第１，第２の電極３，４間に
流れる電流を取り出すことが可能とされている。
【００３４】次に、引き続き図１を参照して、このガス
センサの測定原理を説明する。なお、測定対象ガス成分
は水素とする。
【００３５】（１）ガス拡散律速層２を通って第１の電
極３に到達した水素ガスは、第１の電極３が含有するＰ
ｔの触媒作用と、第１の電極３への印加電圧によりプロ
トンに解離される。
【００３６】（２）発生したプロトンは、プロトン伝導
層５を通って第２の電極４へ汲み出され、再び水素ガス
となり被測定ガス雰囲気に拡散していく。
【００３７】（３） 上記（１）の印加電圧が十分に大
きい場合、第１，第２の電極３，４間には限界電流が流
れる。この限界電流の大きさは、被測定ガス中の水素ガ
ス濃度に基本的に比例するため、限界電流値から水素ガ
ス濃度を求めることができる。
【００３８】このガスセンサの感度は、限界電流値の大
きさに依存している。つまり、このガスセンサの感度は
ガス拡散律速層２の律速程度に依存している。したがっ
て、このガスセンサにおいては、ガス拡散律速層２を構
成している多孔質アルミナの粒径や気孔率などを変化さ
せるだけで、プロトン伝導層５の形状にかかわらず、最
適な感度を実現することができる。
【００３９】［実施例２］本実施例に係るガスセンサに
おいては、第１の電極１３（図２参照）が拡散律速機能
を兼用している。一方、前記実施例１に係るガスセンサ
においては、第１の電極３とガス拡散律速層２が別個に
形成されている（図１参照）。本実施例に係るガスセン
サにおいては、電極材であるＰｔなどの粒径を最適化す
ることにより、第１の電極１３それ自身に拡散律速機能
を併せもたせている。これによって、センサ構造が簡素
化されている。
【００４０】以下、本実施例においては、前記実施例１
との記載の重複を避けるため、本実施例に係るセンサと
前記実施例１に係るセンサとの相違点について主として
説明することとし、共通点については前記実施例１の記
載を適宜参照できるものとする。
【００４１】図２は、本発明の実施例２に係るガスセン
サの断面図である。図２を参照すると、このガスセンサ
は、緻密なセラミック質の支持体１１上に、第１の電極
１３及び第２の電極１４が層平面方向に離間して積層さ
れている。第１の電極１３の一端部は被測定雰囲気に曝
されている。さらに、支持体１１上には、第１の電極１
３の一部及び第２の電極１４の一部を覆うようにプロト
ン伝導層１５が積層されている。プロトン伝導層１５の
一部は、第１の電極１３と第２の電極１４の間に侵入し
て、支持体１１と当接している。
【００４２】このガスセンサは、前記実施例１に係るガ
スセンサと基本的に同様に作製される。
【００４３】さらに、このガスセンサにおいて、第１，
第２の電極１３，１４間には、リード部を介して電源１
６及び電流計１７が互いに直列に接続され、第１，第２
の電極１３，１４間に電圧を印加し、第１，第２の電極
１３，１４間に流れる電流を取り出すことが可能とされ
ている。
【００４４】次に、この実施例２に係るガスセンサの、
水素ガス濃度に対する感度を測定した。詳細には、被測
定ガス中の水素ガス濃度を変化させて、第１，第２の電
極間に流れる限界電流値を測定した。その測定条件を下
記に示し、測定結果を図３に示す。
【００４５】［測定条件］ −第１の電極−：Ｐｔ電極、厚さ２０μｍ； −第２の電極−：Ｐｔ電極、厚さ２０μｍ； −支持体−：アルミナ、厚さ０．４ｍｍ、相対密度９８
％； −被測定ガス組成−：Ｈ2＝０〜４０％、Ｈ2Ｏ＝１０
％、Ｎ2＝ｂａｌ．； −被測定ガス温度−：８０℃； −被測定ガス流量−：４Ｌ／ｍｉｎ； −第１，第２の電極間に印加する印加電圧−：１Ｖ。
【００４６】図３を参照すると、水素ガス濃度に対して
直線的に電流値が変化しており、このガスセンサを用い
て精度良く、広い濃度範囲に亘って水素ガス濃度の測定
が可能であることが分かる。また、このガスセンサは、
１００℃以下、詳細には８０℃以下の低温で正常に作動
することが分かった。
【００４７】［実施例３］図４は、本発明の実施例３に
係るガスセンサの断面図である。図４を参照すると、こ
のガスセンサは、緻密なセラミック質の支持体２１上
に、第１の電極２３、第２の電極２４及び参照電極２８
がそれぞれ層平面方向に離間して積層されている。支持
体２１中、第１の電極２３の下には、ガス拡散律速層２
２が形成（埋入）されている。さらに、支持体２１上に
は、第１の電極２３及び参照電極２８の全体を、また、
第２の電極２４の一部を覆うようにプロトン伝導層２５
が積層されている。プロトン伝導層２５の一部は、第１
の電極２３と第２の電極２４及び参照電極２８の間に侵
入して、支持体２１と当接している。参照電極２８の周
囲の水素ガス濃度は安定しており、参照電極２８は、第
１の電極２３の電位に対して基準となる電位、すなわち
基準水素ガス濃度電位を発生する。
【００４８】第１，第２の電極２３，２４、及び参照電
極２８は十分にガスが拡散できる多孔質なＰｔ電極から
構成され、水素ガス解離能を備えている。ガス拡散律速
層２２は多孔質のアルミナから構成され、ガス拡散律速
機能を備えている。プロトン伝導層２５はNafionから構
成され、プロトン伝導機能を備えている。
【００４９】このガスセンサは、前記実施例１に係るガ
スセンサと基本的に同様に作製される。
【００５０】さらに、このガスセンサにおいて、第１，
第２の電極２３，２４間には、リード部を介して可変電
源２６及び電流計２７が互いに直列に接続され、第１，
第２の電極２３，２４間に電圧を印加し、第１，第２の
電極２３，２４間に流れる電流を取り出すことが可能と
されている。第１の電極２３と参照電極２８の間には、
リード部を介して電位計２９が接続されている。可変電
源２６による印加電圧は、電位計２９が検知する電位に
応じて制御される。詳細には、第１の電極２３と参照電
極２８間の電位がある一定の値になるように、第１，第
２の電極２３，２４間に電圧が可変電源２６によって印
加され、その際に第１，第２の電極２３，２４間に流れ
る電流を電流計２７によって測定できるように、ガスセ
ンサに接続する電気回路が構成されている。
【００５１】次に、引き続き図４を参照して、このガス
センサの測定原理を説明する。なお、測定対象ガス成分
は水素ガスとする。
【００５２】（１）ガス拡散律速層２２を通って第１の
電極２３に到達した水素ガスは、プロトン伝導層２５を
介して第１の電極２３と参照電極２８間に、その水素ガ
ス濃度に応じた起電力を生じさせる。
【００５３】（２）第１の電極２３上の水素ガス濃度が
一定となるように、つまり第１の電極２３と参照電極２
８間の電位が一定となるように、第１，第２の電極２
３，２４間に電圧が印加される。
【００５４】（３）その結果、第１の電極２３上で水素
ガスはプロトンに解離され、生じたプロトンがプロトン
伝導層２５を介して第２の電極２４へ汲み出され、第２
の電極２４上で再び水素ガスとなって被測定ガス雰囲気
に拡散する。
【００５５】（４） 第１，第２の電極２３，２４間に
流れる限界電流の大きさは、被測定ガス中の水素ガス濃
度に基本的に比例するから、限界電流値から水素ガス濃
度を求めることができる。
【００５６】ここで、第１，第２の電極２３，２４間に
印加される電圧は、第１の電極２３上の水素ガス濃度が
一定になるように印加されるため、例えば、被測定ガス
中の水素ガス濃度が高い場合は高電圧を、濃度が低い場
合には低電圧を印加することができる。つまり、第１，
第２の電極２３，２４間に、水素ガス濃度に応じて最適
な電圧が印加できる。
【００５７】また、何らかの原因により、第１，第２の
電極２３，２４間の抵抗が上昇した場合も、参照電極２
８を有するこのガスセンサによれば、印加電圧が適宜変
わることになるため、広い濃度範囲で精度の良い測定が
長期間に亘って可能とされる。
【００５８】次に、このガスセンサの限界電流特性を測
定した。詳細には、第１，第２の電極２３，２４間に印
加する電圧を変化させて、第１，第２の電極２３，２４
間に流れる電流値を測定した。その測定条件を下記に示
し、測定結果を図５に示す。
【００５９】［測定条件］ −第１の電極−：Ｐｔ電極、厚さ２０μｍ； −第２の電極−：Ｐｔ電極、厚さ２０μｍ； −参照電極−：Ｐｔ電極、厚さ２０μｍ； −支持体−：アルミナ、厚さ０．４ｍｍ、相対密度９８
％； −ガス拡散律速層−：アルミナ、厚さ０．４ｍｍ； −被測定ガス組成−：Ｈ2=0,10,20,30,40％、Ｈ2Ｏ=20
％、ＣＯ2=15％、Ｎ2=bal.； −被測定ガス温度−：80℃； −被測定ガス流量−：４Ｌ／ｍｉｎ； −第１，第２の電極間に印加する印加電圧−：0〜800m
V。
【００６０】図５を参照すると、それぞれの水素ガス濃
度において、印加電圧が約400mV以上の場合に限界電流
が流れている。
【００６１】次に、このガスセンサの、水素ガス濃度に
対する感度を測定した。詳細には、参照電極と第１の電
極間の電位が600mV一定となるように、第１，第２の電
極間への印加電圧を制御すると共に、被測定ガス中の水
素ガス濃度を変化させて、第１，第２の電極間に流れる
限界電流値を測定した。加えて、本測定においては、参
照電極近傍の水素ガス濃度をより安定させるために、第
１の電極から参照電極へ一定な微小電流を流し、これに
よって参照電極を自己生成基準極とした。その測定条件
を下記に示し、水素ガス濃度と電流値の関係を図６に示
し、水素ガス濃度と第１，第２の電極間への印加電圧の
関係を図７に示す。
【００６２】［測定条件］ −被測定ガス組成−：Ｈ2=0,10,20,30,40％、Ｈ2Ｏ=20
％、ＣＯ2=15％、Ｎ2=bal.； −被測定ガス温度−：80℃； −被測定ガス流量−：４Ｌ／ｍｉｎ； −参照電極と第１の電極間の電位の制御目標値−：600m
V； −第１の電極から参照電極に流す自己基準極生成電流
−：１μA。
【００６３】図６を参照すると、水素ガス濃度に対して
直線的に電流値が変化しており、このガスセンサを用い
て精度良く、広い濃度範囲に亘って水素ガス濃度の測定
が可能であることが分かる。また、図７を参照すると、
それぞれの水素ガス濃度において、最適な電圧が第１，
第２の電極間に印加されていることが分かる。つまり、
参照電極を設置することによって、水素ガス濃度の変化
に対して最適な電圧をガスセンサに印加することがで
き、これによって、電極などの劣化を伴うことなく、長
期間に亘って精度良く水素ガス濃度の測定が可能とされ
る。また、このガスセンサは、１００℃以下、詳細には
８０℃以下の低温で正常に作動することが分かった。
【００６４】
【発明の効果】本発明によれば、水素リッチな雰囲気に
おいて低温で作動するガスセンサ、特に、燃料電池の燃
料ガス中の水素ガス濃度を精度良く安全に測定すること
が可能である水素ガスセンサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るガスセンサの断面図で
ある。
【図２】本発明の実施例２に係るガスセンサの断面図で
ある。
【図３】本発明の実施例２に係るガスセンサを用いた測
定結果を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例３に係るガスセンサの断面図で
ある。
【図５】本発明の実施例３に係るガスセンサを用いた測
定結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例３に係るガスセンサを用いた測
定結果を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例３に係るガスセンサを用いた測
定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 支持体 ２ ガス拡散律速層 ３ 第１の電極 ４ 第２の電極 ５ プロトン伝導層 ６ 電源 ７ 電流計 １１ 支持体 １３ 第１の電極（ガス拡散律速機能を有する） １４ 第２の電極 １５ プロトン伝導層 １６ 電源 １７ 電流計 ２１ 支持体 ２２ ガス拡散律速層 ２３ 第１の電極 ２４ 第２の電極 ２５ プロトン伝導層 ２６ 可変電源 ２７ 電流計 ２８ 参照電極 ２９ 電位計
フロントページの続き (72)発明者 井上 隆治 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 大島 崇文 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

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】高分子電解質のプロトン伝導層と、 前記プロトン伝導層に接して設けられ、水素ガス解離能
    を備えた第１，第２の電極と、 被測定ガス雰囲気と前記第１の電極間に設けられ、被測
    定ガスを該第１の電極に向かって拡散律速状態で拡散さ
    せるガス拡散律速層と、 前記プロトン伝導層、前記第１，第２の電極及び前記ガ
    ス拡散律速層を支持する支持体と、 を有することを特徴とするガスセンサ。
  2. 【請求項２】前記ガス拡散律速層を介して導入された被
    測定ガス中の水素ガスを、前記第１，第２電極間に電圧
    を印加することにより解離または分解もしくは反応さ
    せ、発生したプロトンを前記プロトン伝導層を介して該
    第１電極から該第２電極へ汲み出すことにより生じる電
    流に基づいて、水素ガス濃度が求められることを特徴と
    する請求項１記載のガスセンサ。
  3. 【請求項３】発生したプロトンを前記プロトン伝導層を
    介して該第１電極から該第２電極へ汲み出すことにより
    生じる前記電流が、限界電流であることを特徴とする請
    求項２記載のガスセンサ。
  4. 【請求項４】前記支持体が電気絶縁性であり、 前記支持体表面、内又は上に、前記プロトン伝導層、前
    記第１，第２の電極、前記ガス拡散律速層が形成されて
    いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一記載の
    ガスセンサ。
  5. 【請求項５】前記第１の電極と前記ガス拡散律速層とが
    一体化されていることを特徴とする請求項１〜４のいず
    れか一記載のガスセンサ。
  6. 【請求項６】前記ガス拡散律速層が前記支持体中に形成
    されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一
    記載のガスセンサ。
  7. 【請求項７】前記プロトン伝導層がフッ素系樹脂から構
    成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか
    一記載のガスセンサ。
  8. 【請求項８】前記支持体が緻密なセラミック質であるこ
    とを特徴とする請求項１〜７のいずれか一記載のガスセ
    ンサ。
  9. 【請求項９】高分子電解質のプロトン伝導層と、 前記プロトン伝導層に接して設けられ、水素ガス解離能
    を備えた第１，第２の電極と、 前記プロトン伝導層に接して設けられ、基準となる水素
    ガス濃度に応じた電位を生じる参照電極と、 被測定ガス雰囲気と前記第１の電極間に設けられ、被測
    定ガスを該第１の電極に向かって拡散律速状態で拡散さ
    せるガス拡散律速層と、 前記プロトン伝導層、前記第１，第２の電極、前記参照
    電極及び前記ガス拡散律速層を支持する支持体と、 を有することを特徴とするガスセンサ。
  10. 【請求項１０】前記第１の電極と前記参照電極間の電位
    が一定の電位となるように、前記第１，第２の電極間に
    電圧が印加されることを特徴とする請求項９記載のガス
    センサ。
  11. 【請求項１１】前記支持体が電気絶縁性であり、 前記参照電極が前記支持体表面、内又は上に形成されて
    いることを特徴とする請求項９又は１０記載のガスセン
    サ。
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