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特開2024-155725ガスセンサ制御装置、および、燃料ガス濃度検出システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024155725
(43)【公開日】2024-10-31
(54)【発明の名称】ガスセンサ制御装置、および、燃料ガス濃度検出システム
(51)【国際特許分類】
G01N 27/409 20060101AFI20241024BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20241024BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20241024BHJP
H01M 8/0444 20160101ALI20241024BHJP
G01N 27/416 20060101ALI20241024BHJP
【ＦＩ】
G01N27/409 100
H01M8/12 101
H01M8/04 H
H01M8/0444
H01M8/04 J
G01N27/416 311G
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024014827
(22)【出願日】2024-02-02
(31)【優先権主張番号】P 2023068710
(32)【優先日】2023-04-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110001128
【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】上杉 滉大
(72)【発明者】
【氏名】吉川 達也
(72)【発明者】
【氏名】▲瀬▼耒 徹朗
(72)【発明者】
【氏名】竹本 翔一
【テーマコード（参考）】
2G004
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
2G004BB04
2G004BD05
2G004BM09
2G004ZA01
5H126BB06
5H127AA07
5H127AC02
5H127BA01
5H127BA02
5H127BA05
5H127BA06
5H127BA12
5H127BA34
5H127BA57
5H127BA58
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB19
5H127BB27
5H127BB37
5H127DB04
5H127DB14
(57)【要約】
【課題】高濃度の燃料ガス濃度を検出可能なガスセンサ制御装置を提供する。
【解決手段】ガスセンサ制御装置２は、ガスセンサ１を用いて燃料ガス濃度を検出する。ガスセンサ１は、燃料ガス濃度を律速する拡散層８を経由して燃料ガスが導入される燃料室９、大気ダクトを経由して大気が導入される大気室１０、酸化物イオンの伝導性を有する固体電解質１１、燃料室９内で固体電解質１１の一方の面に設けられる検出電極１２、大気室１０内で固体電解質１１の他方の面に設けられる基準電極１３を備える。ガスセンサ制御装置２は、検出電極１２と基準電極１３に直流電圧を印加する電圧印加時間Ｓと、電圧印加時間Ｓの終了時から燃料ガス濃度を検出可能な酸素量が大気室１０に導入されるまでの休止時間Ｐとを交互に繰り返し、電圧印加時間Ｓに流れる限界電流により燃料ガス濃度を間欠的に検出する。
【選択図】図４
【解決手段】ガスセンサ制御装置２は、ガスセンサ１を用いて燃料ガス濃度を検出する。ガスセンサ１は、燃料ガス濃度を律速する拡散層８を経由して燃料ガスが導入される燃料室９、大気ダクトを経由して大気が導入される大気室１０、酸化物イオンの伝導性を有する固体電解質１１、燃料室９内で固体電解質１１の一方の面に設けられる検出電極１２、大気室１０内で固体電解質１１の他方の面に設けられる基準電極１３を備える。ガスセンサ制御装置２は、検出電極１２と基準電極１３に直流電圧を印加する電圧印加時間Ｓと、電圧印加時間Ｓの終了時から燃料ガス濃度を検出可能な酸素量が大気室１０に導入されるまでの休止時間Ｐとを交互に繰り返し、電圧印加時間Ｓに流れる限界電流により燃料ガス濃度を間欠的に検出する。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料ガス濃度を律速する拡散層（８）を経由して燃料ガスが導入される燃料室（９）、大気ダクトを経由して大気が導入される大気室（１０）、酸化物イオンの伝導性を有する固体電解質（１１）、前記燃料室内で前記固体電解質の一方の面に設けられる検出電極（１２）、および、前記大気室内で前記固体電解質の他方の面に設けられる基準電極（１３）を備えるガスセンサ（１）を用いて燃料ガス濃度を検出するガスセンサ制御装置であって、
前記検出電極と前記基準電極に直流電圧を印加する電圧印加時間（Ｓ）と、前記電圧印加時間の終了時から燃料ガス濃度を検出可能な酸素量が前記大気室に導入されるまでの休止時間（Ｐ）とを交互に繰り返し、前記電圧印加時間に流れる限界電流により燃料ガス濃度を間欠的に検出するガスセンサ制御装置。
前記検出電極と前記基準電極に直流電圧を印加する電圧印加時間（Ｓ）と、前記電圧印加時間の終了時から燃料ガス濃度を検出可能な酸素量が前記大気室に導入されるまでの休止時間（Ｐ）とを交互に繰り返し、前記電圧印加時間に流れる限界電流により燃料ガス濃度を間欠的に検出するガスセンサ制御装置。
【請求項2】
燃料ガス濃度が高いほど前記電圧印加時間を短く調整する、請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項3】
大気圧が低いほど前記休止時間を長く調整する、請求項１または２に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項4】
大気の相対湿度が高いほど前記休止時間を長く調整する、請求項１または２に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項5】
電解質体として固体酸化物セラミックスを用いた固体酸化物型燃料電池システム（２０）のセルスタック（２１）に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給路（２３、２３１）、または、前記セルスタックから排出された燃料ガスが流れる燃料ガス排出路（３３、３８）の少なくとも一方に設けられた前記ガスセンサを用いて燃料ガス濃度を検出する、請求項１または２に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項6】
燃料ガスは、炭化水素、水素、一酸化炭素、バイオ燃料の少なくとも１つである、請求項１または２に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項7】
燃料ガスが流れる燃料通路から燃料ガス濃度を律速する拡散層（８）を経由して燃料ガスが導入される燃料室（９）、大気ダクトを経由して大気が導入される大気室（１０）、酸化物イオンの伝導性を有する固体電解質（１１）、前記燃料室内で前記固体電解質の一方の面に設けられる検出電極（１２）、および、前記大気室内で前記固体電解質の他方の面に設けられる基準電極（１３）を備えるガスセンサ（１）と、
前記検出電極と前記基準電極に直流電圧を印加する電圧印加時間（Ｓ）と、前記電圧印加時間の終了時から燃料ガス濃度を検出可能な酸素量が前記大気室に導入されるまでの休止時間（Ｐ）とを交互に繰り返し、前記電圧印加時間に流れる限界電流により燃料ガス濃度を間欠的に検出するガスセンサ制御装置と、を備える燃料ガス濃度検出システム。
前記検出電極と前記基準電極に直流電圧を印加する電圧印加時間（Ｓ）と、前記電圧印加時間の終了時から燃料ガス濃度を検出可能な酸素量が前記大気室に導入されるまでの休止時間（Ｐ）とを交互に繰り返し、前記電圧印加時間に流れる限界電流により燃料ガス濃度を間欠的に検出するガスセンサ制御装置と、を備える燃料ガス濃度検出システム。
【請求項8】
前記燃料通路と前記拡散層との間に設けられ、燃料ガス濃度を律速する前段拡散層（１６）をさらに備える、請求項７に記載の燃料ガス濃度検出システム。
【請求項9】
前記検出電極と前記基準電極に直流電圧を印可した際に検出される電流の単位時間（Δｔ）あたりの変化量（ΔＩ）が、前記単位時間に所定の定数（ａ）を乗算した値よりも低い領域のうち、直流電圧を印可した際に最初に現れる領域を第１フラット領域と呼ぶとき、
前記第１フラット領域において検出した限界電流を、燃料ガス濃度と限界電流との関係を予め規定してメモリーに記憶されている限界電流特性を参照して燃料ガス濃度に換算し、燃料ガス濃度を検出する、請求項１または２に記載のガスセンサ制御装置。
前記第１フラット領域において検出した限界電流を、燃料ガス濃度と限界電流との関係を予め規定してメモリーに記憶されている限界電流特性を参照して燃料ガス濃度に換算し、燃料ガス濃度を検出する、請求項１または２に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項10】
前記第１フラット領域を経過した後も前記検出電極と前記基準電極に直流電圧を継続して印加した場合に検出される検出電流において前記単位時間（Δｔ）あたりの変化量（ΔＩ）が、前記単位時間に所定の定数（ａ）を乗算した値よりも低い領域を第２フラット領域と呼ぶとき、
前記休止時間は、前記第１フラット領域の終了時刻から前記第２フラット領域の開始時刻までの時間以上に設定される、請求項９に記載のガスセンサ制御装置。
前記休止時間は、前記第１フラット領域の終了時刻から前記第２フラット領域の開始時刻までの時間以上に設定される、請求項９に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項11】
前記休止時間は、燃料ガス濃度の検出制御開始から１回目の前記電圧印加時間に取得可能である、請求項１または２に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項12】
前記電圧印加時間には、前記検出電極と前記基準電極に燃料ガス濃度を検出可能な直流電圧を印加し、
前記休止時間には、直流電圧の印加を停止するか、或いは、前記電圧印加時間に印可する直流電圧よりも低い微電圧を印加してもよく、
前記休止時間に印可する微電圧は、前記大気ダクトを経由して前記大気室に単位時間あたりに導入される大気に含まれる酸素量よりも、微電圧の印加による前記大気室の単位時間あたりの酸素消費量が少ないものとなる電圧に設定される、請求項１または２に記載のガスセンサ制御装置。
前記休止時間には、直流電圧の印加を停止するか、或いは、前記電圧印加時間に印可する直流電圧よりも低い微電圧を印加してもよく、
前記休止時間に印可する微電圧は、前記大気ダクトを経由して前記大気室に単位時間あたりに導入される大気に含まれる酸素量よりも、微電圧の印加による前記大気室の単位時間あたりの酸素消費量が少ないものとなる電圧に設定される、請求項１または２に記載のガスセンサ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ガスセンサを用いて燃料ガス濃度を検出するガスセンサ制御装置、および、燃料ガス濃度検出システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、燃料電池システムに用いられるガスセンサが記載されている。このガスセンサは、燃料電池のセルスタックに燃料ガスを供給する供給路に設けられ、さらに、セルスタックから排出された燃料ガスの一部を再びセルスタックに供給するための循環路に設けられている。このガスセンサは、水電解によりチャンバ内に酸素が取り込まれるプロトン導電方式を採用したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】独国特許出願公開第１０２０２１２０３５３８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、燃料ガスの濃度を検出するガスセンサとして、空燃比センサ、即ち、Ａ／Ｆセンサ（Air by Fuel ratio sensor）と同様の構成のものを用いることがある。空燃比センサは、酸化物イオンの伝導性を有する固体電解質と、固体電解質の一方の面に設けられる検出電極と、固体電解質の他方の面に設けられる基準電極と、検出電極が配置される燃料室と、基準電極が配置される大気室を備える。燃料室には、燃料ガス濃度を律速する拡散層を経由して燃料ガスが導入され、大気室には、大気ダクトを経由して大気が導入される。空燃比センサは、検出電極と基準電極に直流電圧を印加したときに流れる限界電流により燃料ガス濃度を検出する。なお、限界電流は、大気室の酸素が酸化物イオンとなって固体電解質を伝導し燃料室の燃料と反応するときに流れる。
【0005】
一方、燃料電池システムにおいて、燃料電池のセルスタックに燃料ガスを供給する供給路、および、セルスタックから排出された燃料ガスの一部を再びセルスタックに供給するための循環路には、高濃度の燃料ガスが流れる。そのため、その供給路および循環路を流れる高濃度の燃料ガス濃度を検出するガスセンサとして上記構成の空燃比センサを用いた場合、燃料室の燃料ガスとの反応により消費される大気室の酸素量に対し、大気室に導入される酸素量が少なくなることがある。その場合、検出時間の経過に伴って大気室の酸素が欠乏し、燃料ガス濃度の検出が困難になるといった問題がある。その問題に対し、特許文献１には、高濃度の燃料ガス濃度を検出する手法について記載されていない。
【0006】
本開示は上記点に鑑みて、高濃度の燃料ガス濃度を検出可能なガスセンサ制御装置、および、燃料ガス濃度検出システム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】
【0007】
上記目的を達成するため、本開示の１つの観点によれば、ガスセンサ制御装置は、ガスセンサ（１）を用いて燃料ガス濃度を検出する。ガスセンサは、燃料室（９）、大気室（１０）、固体電解質（１１）、検出電極（１２）および基準電極（１３）を備える。燃料室は、燃料ガス濃度を律速する拡散層（８）を経由して燃料ガスが導入される。大気室は、大気ダクトを経由して大気が導入される。固体電解質は、酸化物イオンの伝導性を有する。検出電極は、燃料室内で固体電解質の一方の面に設けられる。基準電極は、大気室内で固体電解質の他方の面に設けられる。ガスセンサ制御装置は、検出電極と基準電極に直流電圧を印加する電圧印加時間（Ｓ）と、電圧印加時間の終了時から燃料ガス濃度を検出可能な酸素量が大気室に導入されるまでの休止時間（Ｐ）とを交互に繰り返し、電圧印加時間に流れる限界電流により燃料ガス濃度を間欠的に検出する。
【0008】
これによれば、燃料室に導入される燃料ガス濃度が高濃度である場合、仮に検出電極と基準電極に直流電圧を継続して印加すると、電圧の印加開始から所定時間経過後に大気室内の酸素が欠乏し、燃料ガス濃度を検出できなくなる。それに対し、本開示のガスセンサ制御装置は、電圧印加時間と休止時間とを交互に繰り返すことで、大気室内の酸素の欠乏を防ぎつつ、燃料ガス濃度を検出可能である。したがって、ガスセンサ制御装置は、燃料室に導入される燃料ガス濃度が高濃度である場合でも、燃料ガス濃度を検出できる。
【0009】
本開示の別の観点によれば、ガスセンサ（１）とガスセンサ制御装置（２）とを備える燃料ガス濃度検出システムに関する。ガスセンサは、燃料室（９）、大気室（１０）、固体電解質（１１）、検出電極（１２）および基準電極（１３）を備える。燃料室は、燃料ガス濃度を律速する拡散層（８）を経由して燃料ガスが導入される。大気室は、大気ダクトを経由して大気が導入される。固体電解質は、酸化物イオンの伝導性を有する。検出電極は、燃料室内で固体電解質の一方の面に設けられる。基準電極は、大気室内で固体電解質の他方の面に設けられる。ガスセンサ制御装置は、検出電極と基準電極に直流電圧を印加する電圧印加時間（Ｓ）と、電圧印加時間の終了時から燃料ガス濃度を検出可能な酸素量が大気室に導入されるまでの休止時間（Ｐ）とを交互に繰り返し、電圧印加時間に流れる限界電流により燃料ガス濃度を間欠的に検出する。
【0010】
これによれば、本開示の別の観点も、本開示の１つの観点と同様の作用効果を奏することができる。
【0011】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】第１実施形態に係る燃料ガス濃度検出システムが備えるガスセンサとガスセンサ制御装置を示す概略図である。
【図2】ガスセンサ内に設けられる検出素子の断面図である。
【図4】ガスセンサ制御装置が実行する電圧印加方法を示すタイムチャートである。
【図5】種々の燃料ガス濃度において、検出素子に直流電圧を継続して印加したときの限界電流の変化を示すグラフである。
【図6】ガスセンサ制御装置が平地環境で実行する燃料ガス濃度検出制御を示すタイムチャートである。
【図7】ガスセンサ制御装置が高地環境で実行する燃料ガス濃度検出制御を示すタイムチャートである。
【図8】ガスセンサ制御装置が通常湿度環境で実行する燃料ガス濃度検出制御を示すタイムチャートである。
【図9】ガスセンサ制御装置が高湿度環境で実行する燃料ガス濃度検出制御を示すタイムチャートである。
【図10】第１実施形態と第１比較例の燃料ガス濃度検出システムにおいて、燃料ガス濃度と限界電流との関係を示すグラフである。
【図11】第２実施形態に係る燃料ガス濃度検出システムの概略図である
【図12】第２実施形態と第２比較例の燃料ガス濃度検出システムにおいて、燃料ガス濃度と限界電流との関係を示すグラフである。
【図13】第３実施形態の燃料ガス濃度検出システムが適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【図14】第１比較例の燃料ガス濃度検出システムの等価回路図である。
【図15】第１比較例の燃料ガス濃度検出システムにおいて、印加電圧と時間との関係を示すグラフである。
【図16】第１比較例の燃料ガス濃度検出システムにおいて、酸素透過量と時間との関係を示すグラフである。
【図17】第１比較例の燃料ガス濃度検出システムにおいて、検出電流と時間との関係を示すグラフである。
【図18】第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムの等価回路図である。
【図19】第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムにおいて、印加電圧と時間との関係を示すグラフである。
【図20】第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムにおいて、酸素透過量と時間との関係を示すグラフである。
【図21】第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムにおいて、検出電流と時間との関係を示すグラフである。
【図22】第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムにおいて、発明者らが行った実験結果を示すグラフである。
【図25】第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムにおいて、休止時間Ｐの設定方法を説明するためのグラフである。
【図26】第４実施形態のガスセンサ制御装置が実行する燃料ガス濃度検出処理を説明するためのフローチャートである。
【図27】第４実施形態のガスセンサ制御装置が実行する燃料ガス濃度検出処理の中でＳ１０～Ｓ４０までの処理を説明するためのグラフである。
【図28】第４実施形態のガスセンサ制御装置が実行する燃料ガス濃度検出処理の中でＳ１００の処理を説明するためのグラフである。
【図29】第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムと第１比較例の燃料ガス濃度検出システムとでそれぞれ検出される燃料ガス濃度と、実際の燃料ガス濃度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本開示の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
【0014】
（第１実施形態）
第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、第１実施形態の燃料ガス濃度検出システムは、ガスセンサ１とガスセンサ制御装置２を備えている。なお、以下の説明では、ガスセンサ制御装置２を単に「制御装置２」という。
第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、第１実施形態の燃料ガス濃度検出システムは、ガスセンサ１とガスセンサ制御装置２を備えている。なお、以下の説明では、ガスセンサ制御装置２を単に「制御装置２」という。
【0015】
ガスセンサ１は、燃料ガスが流れる燃料通路３に設けられ、その燃料通路３内を流れる燃料ガスの濃度を検出するものである。ガスセンサ１が濃度を検出可能な燃料ガスは、例えば、炭化水素、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、バイオ燃料の少なくとも１つである。なお、バイオ燃料は、例えば、エタノール（Ｃ２Ｈ６Ｏ）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、バイオ水素（Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）などである。
【0016】
ガスセンサ１として、例えば空燃比センサ、即ち、Ａ／Ｆセンサ（Air by Fuel ratio sensor）を使用することができる。ガスセンサ１は、ハウジング４内に検出素子５を備えている。検出素子５は、配線６、７を経由して制御装置２と電気的に接続されている。なお、ガスセンサ１は、空燃比センサに限らず、以下に説明する検出素子５と同様の構成を備えるものであれば、種々のセンサを使用することができる。
【0017】
図２および図３に示すように、ガスセンサ１の備える検出素子５は、拡散層８、燃料室９、大気室１０、固体電解質１１、検出電極１２および基準電極１３を備えている。燃料室９は、燃料ガス濃度を律速する拡散層８を経由して燃料ガスが導入される空間である。大気室１０は、ガスセンサ１のハウジング４内に設けられた不図示の大気ダクトを経由して大気が導入される空間である。固体電解質１１は、酸化物イオンの伝導性を有するものである。固体電解質１１は、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）から形成される。検出電極１２は、固体電解質１１の一方の面に設けられ、燃料室９内に配置される。基準電極１３は、固体電解質１１の他方の面に設けられ、大気室１０内に配置される。
【0018】
制御装置２は、ガスセンサ１を用いて燃料ガス濃度を検出する機能を有する電子制御装置である。制御装置２は、制御処理や演算処理を行うプロセッサ、プログラムやデータ等を記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部を含むマイクロコンピュータ、およびその周辺回路で構成されている。制御装置２は、記憶部に記憶されたプログラムに基づいてプロセッサが各種制御処理および演算処理を行う。具体的には、制御装置２は、ガスセンサ１が備える検出電極１２と基準電極１３に直流電圧を印加する。検出電極１２と基準電極１３に直流電圧が印加されると、大気室１０の酸素が酸化物イオン（Ｏ２－）となって固体電解質１１を伝導し、検出電極１２上でその酸化物イオンと燃料室９の燃料が反応する。例えば、図２に示すように、燃料ガスが水素（Ｈ２）である場合、検出電極１２上で酸化物イオンと水素が反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成される。制御装置２は、検出電極１２と基準電極１３に直流電圧を印加したときに流れる限界電流により、燃料ガス濃度を検出することが可能である。
【0019】
ところで、ガスセンサ１が設けられる燃料通路３を流れる燃料ガスが高濃度である場合、燃料室９の燃料ガスとの反応により消費される大気室１０の酸素量に対し、大気ダクトから大気室１０に導入される酸素量が少なくなることがある。その場合、検出時間の経過に伴って大気室１０の酸素が欠乏し、燃料ガス濃度の検出が困難になるといった課題がある。
【0020】
それに対し、図４に示すように、第１実施形態の制御装置２は、電圧印加時間Ｓと休止時間Ｐとを交互に繰り返しつつ、燃料ガス濃度を間欠的に検出する制御を実行する。図４の横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図４では、電圧印加時間Ｓを「Ｓ」を付した両矢印で示し、休止時間Ｐを「Ｐ」を付した両矢印で示し、電圧印加時間Ｓと休止時間Ｐを合わせた１周期Ｔを「Ｔ」を付した両矢印で示している。
【0021】
電圧印加時間Ｓは、検出電極１２と基準電極１３に直流電圧を印加する時間である。制御装置２は、各電圧印加時間Ｓにおいて燃料ガス濃度を検出する。一方、休止時間Ｐは、電圧印加時間Ｓの終了時から燃料ガス濃度を検出可能な酸素量が大気室１０に導入されるまでの時間である。休止時間Ｐは、ガスセンサ１の備える大気ダクトの流路長さ、流路断面積、圧力損失などに応じて、実験などにより適宜設定される。
【0022】
次に、電圧印加時間Ｓの設定方法について図５を参照して説明する。
図５は、種々の燃料ガス濃度において、検出電極１２と基準電極１３に直流電圧を継続して印加したときの限界電流の変化を示すグラフである。図５の横軸は時間を示し、縦軸は限界電流を示す。なお、縦軸の限界電流は、０から下へ行くほど絶対値として大きい電流値となっている。
図５は、種々の燃料ガス濃度において、検出電極１２と基準電極１３に直流電圧を継続して印加したときの限界電流の変化を示すグラフである。図５の横軸は時間を示し、縦軸は限界電流を示す。なお、縦軸の限界電流は、０から下へ行くほど絶対値として大きい電流値となっている。
【0023】
図５の一点鎖線Ａは、比較的低濃度の燃料ガスに対して行った濃度検出の結果を示す。破線Ｂは、比較的中濃度の燃料ガスに対して行った濃度検出の結果を示す。実線Ｃは、比較的高濃度の燃料ガスに対して行った濃度検出の結果を示す。図５では、時刻ｔ０から検出電極１２と基準電極１３に対し直流電圧の印加が開始されている。
【0024】
一点鎖線Ａに示すように、比較的低濃度の燃料ガスに対して行った濃度検出では、燃料室９の燃料ガスとの反応により消費される大気室１０の酸素量に対し、大気ダクトから大気室１０に導入される酸素量が足りている。そのため、燃料ガスの濃度検出を継続して行うことが可能である。
【0025】
一方、破線Ｂに示すように、比較的中濃度の燃料ガスに対して行った濃度検出では、時刻ｔ２以降、燃料ガスの濃度検出が困難となっている。この濃度検出では、燃料室９の燃料ガスとの反応により消費される大気室１０の酸素量に対し、大気ダクトから大気室１０に導入される酸素量が少ないため、時刻ｔ２以降、大気室１０の大気室１０の酸素量が不足したと考えられる。
【0026】
また、実線Ｃに示すように、比較的高濃度の燃料ガスに対して行った濃度検出では、時刻ｔ２よりも早い時刻ｔ１以降、燃料ガスの濃度検出が困難となっている。比較的高濃度の燃料ガスの濃度検出では、比較的中濃度の燃料ガスの濃度検出に比べて、燃料室９の燃料ガスとの反応により消費される大気室１０の酸素量が多いため、時刻ｔ２よりも早い時刻ｔ１以降、大気室１０の大気室１０の酸素量が不足したと考えられる。
【0027】
この実験結果から、比較的低濃度から比較的高濃度まで、いずれの濃度の燃料ガスの濃度検出であっても、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間は、燃料ガスの濃度検出が可能と言える。このことから、制御装置２は、電圧印加時間Ｓを、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間に設定する。
【0028】
なお、制御装置２は、燃料ガスの濃度検出の実行中に、燃料ガス濃度が高いほど電圧印加時間Ｓを短くするように調整してもよい。すなわち、制御装置２は、燃料ガスの濃度検出の実行中に、直流電圧を継続して印加したときの限界電流の変動を観察することで、燃料ガス濃度を正確に検出可能な電圧印加時間Ｓを見つけて設定することが可能である。
【0029】
続いて、休止時間Ｐの設定方法について図６～図９を参照して説明する。
図６（Ａ）は、平地環境において、燃料ガスの濃度検出を実行しているときの大気室１０の酸素濃度の挙動を示したグラフであり、図６（Ｂ）は、そのときの電圧印加時間Ｓ、休止時間Ｐ１、周期Ｔ１を示したグラフである。
図６（Ａ）は、平地環境において、燃料ガスの濃度検出を実行しているときの大気室１０の酸素濃度の挙動を示したグラフであり、図６（Ｂ）は、そのときの電圧印加時間Ｓ、休止時間Ｐ１、周期Ｔ１を示したグラフである。
【0030】
図７（Ａ）は、高地環境において、燃料ガスの濃度検出を実行しているときの大気室１０の酸素濃度の挙動を示したグラフであり、図７（Ｂ）は、そのときの電圧印加時間Ｓ、休止時間Ｐ２、周期Ｔ２を示したグラフである。
【0031】
高地環境は、平地環境と比べて、大気圧が低く、大気中の酸素濃度も低い。そのため、図６（Ａ）および図７（Ａ）に示したように、高地環境は、平地環境と比べて、大気室１０の酸素量が濃度検出の限界状態になってから、濃度検出に十分な酸素量が大気室１０に導入されるまでの時間が長くかかる。そのため、図６（Ｂ）および図７（Ｂ）に示したように、制御装置２は、高地環境における休止時間Ｐ２を、平地環境における休止時間Ｐ１よりも長くする。すなわち、制御装置２は、高地環境における周期Ｔ２を、平地環境における周期Ｔ１よりも長くする。これにより、高地環境のように大気圧が低い環境であっても、休止時間Ｐ２の間に濃度検出可能な十分な酸素量を大気室１０に導入でき、高濃度の燃料ガスに対する濃度検出を実現できる。
【0032】
図８（Ａ）は、通常湿度環境において、燃料ガスの濃度検出を実行しているときの大気室１０の酸素濃度の挙動を示したグラフであり、図８（Ｂ）は、そのときの電圧印加時間Ｓ、休止時間Ｐ３、周期Ｔ４を示したグラフである。
【0033】
図９（Ａ）は、高湿度環境において、燃料ガスの濃度検出を実行しているときの大気室１０の酸素濃度の挙動を示したグラフであり、図９（Ｂ）は、そのときの電圧印加時間Ｓ、休止時間Ｐ４、周期Ｔ４を示したグラフである。
【0034】
高湿度環境は、通常湿度環境と比べて、大気中の酸素分圧が低い。そのため、図８（Ａ）および図９（Ａ）に示したように、高湿度環境は、通常湿度環境と比べて、大気室１０の酸素量が濃度検出の限界状態になってから、濃度検出に十分な酸素量が大気室１０に導入されるまでの時間が長くかかる。そのため、図８（Ｂ）および図９（Ｂ）に示したように、制御装置２は、高湿度環境における休止時間Ｐ４を、通常湿度環境における休止時間Ｐ３よりも長くする。すなわち、制御装置２は、高湿度環境における周期Ｔ４を、通常湿度環境における周期Ｔ３よりも長くする。これにより、高湿度環境であっても、休止時間Ｐ４の間に濃度検出可能な十分な酸素量を大気室１０に導入でき、高濃度の燃料ガスに対する濃度検出を実現できる。
【0035】
ここで、第１実施形態の燃料ガス濃度検出システムと比較するため、第１比較例の燃料ガス濃度検出システムについて説明する。第１比較例の燃料ガス濃度検出システムは、第１実施形態と同様のガスセンサ１を備えているものとする。ただし、第１比較例の燃料ガス濃度検出システムは、燃料ガスの濃度検出において、検出電極１２と基準電極１３に対して直流電圧を継続して印加するものである。
【0036】
図１０は、第１実施形態と第１比較例それぞれが実行する燃料ガスの濃度検出において、燃料ガス濃度と限界電流との関係を示している。図１０の横軸は燃料ガス濃度を示し、縦軸は限界電流を示す。なお、縦軸の限界電流は、０から下へ行くほど絶対値として大きい電流値となっている。
【0037】
破線Ｄは、第１比較例の燃料ガス濃度検出システムにおける燃料ガスの濃度検出の結果を示す。実線Ｅは、第１実施形態の燃料ガス濃度検出システムにおける燃料ガスの濃度検出の結果を示す。
【0038】
破線Ｄに示すように、第１比較例の燃料ガス濃度検出システムでは、燃料ガスの濃度がＭ２より高くなると、感度が低下している。それに対し、実線Ｅに示すように、第１実施形態の燃料ガス濃度検出システムでは、燃料ガスの濃度がＭ１からＭ３に亘り、感度が低下しない。
【0039】
以上説明した第１実施形態は次の作用効果を奏するものである。
（１）第１実施形態では、制御装置２は、検出電極１２と基準電極１３に直流電圧を印加する電圧印加時間Ｓと、電圧印加時間Ｓの終了時から燃料ガス濃度を検出可能な酸素量が大気室１０に導入されるまでの休止時間Ｐとを交互に繰り返す。そして、制御装置２は、電圧印加時間Ｓに流れる限界電流により、燃料ガス濃度を間欠的に検出する。
これによれば、燃料室９に導入される燃料ガス濃度が高濃度である場合、仮に、検出電極１２と基準電極１３に直流電圧を継続して印加すると、電圧の印加開始から所定時間経過後に大気室１０内の酸素が欠乏し、燃料ガス濃度を検出できなくなる。それに対し、第１実施形態の制御装置２は、電圧印加時間Ｓと休止時間Ｐとを交互に繰り返すことで、大気室１０内の酸素の欠乏を防ぎつつ、燃料ガス濃度を検出可能である。したがって、燃料室９に導入される燃料ガス濃度が高濃度である場合でも、燃料ガス濃度を検出できる。
（１）第１実施形態では、制御装置２は、検出電極１２と基準電極１３に直流電圧を印加する電圧印加時間Ｓと、電圧印加時間Ｓの終了時から燃料ガス濃度を検出可能な酸素量が大気室１０に導入されるまでの休止時間Ｐとを交互に繰り返す。そして、制御装置２は、電圧印加時間Ｓに流れる限界電流により、燃料ガス濃度を間欠的に検出する。
これによれば、燃料室９に導入される燃料ガス濃度が高濃度である場合、仮に、検出電極１２と基準電極１３に直流電圧を継続して印加すると、電圧の印加開始から所定時間経過後に大気室１０内の酸素が欠乏し、燃料ガス濃度を検出できなくなる。それに対し、第１実施形態の制御装置２は、電圧印加時間Ｓと休止時間Ｐとを交互に繰り返すことで、大気室１０内の酸素の欠乏を防ぎつつ、燃料ガス濃度を検出可能である。したがって、燃料室９に導入される燃料ガス濃度が高濃度である場合でも、燃料ガス濃度を検出できる。
【0040】
（２）第１実施形態では、制御装置２は、燃料ガス濃度が高いほど電圧印加時間Ｓを短く調整する。
発明者らの実験によれば、電圧の印加開始から燃料ガス濃度を検出できなくなるまでの時間は、燃料ガス濃度が高いほど短い。そこで、制御装置２は、燃料ガス濃度が高いほど電圧印加時間Ｓを短く調整することで、高濃度の燃料ガス濃度を検出できる。制御装置２は、燃料ガスの濃度検出の実行中に、直流電圧を継続して印加したときの限界電流の変動を観察することで、燃料ガス濃度を正確に検出可能な電圧印加時間Ｓを見つけて設定することが可能である。
発明者らの実験によれば、電圧の印加開始から燃料ガス濃度を検出できなくなるまでの時間は、燃料ガス濃度が高いほど短い。そこで、制御装置２は、燃料ガス濃度が高いほど電圧印加時間Ｓを短く調整することで、高濃度の燃料ガス濃度を検出できる。制御装置２は、燃料ガスの濃度検出の実行中に、直流電圧を継続して印加したときの限界電流の変動を観察することで、燃料ガス濃度を正確に検出可能な電圧印加時間Ｓを見つけて設定することが可能である。
【0041】
（３）第１実施形態では、制御装置２は、大気圧が低いほど休止時間Ｐを長く調整する。
これによれば、例えば高地など大気圧が低い環境では、大気中の酸素濃度が低くなる。そのため、制御装置２は、大気圧が低いほど休止時間Ｐを長く調整することで、その休止時間Ｐ中に燃料ガス濃度を検出可能な酸素量を大気室１０に導入でき、高濃度の燃料ガス濃度を検出できる。
これによれば、例えば高地など大気圧が低い環境では、大気中の酸素濃度が低くなる。そのため、制御装置２は、大気圧が低いほど休止時間Ｐを長く調整することで、その休止時間Ｐ中に燃料ガス濃度を検出可能な酸素量を大気室１０に導入でき、高濃度の燃料ガス濃度を検出できる。
【0042】
（４）第１実施形態では、制御装置２は、大気の相対湿度が高いほど休止時間Ｐを長く調整する。
これによれば、大気の相対湿度が高いほど大気中の酸素分圧が低くなる。そのため、制御装置２は、大気の相対湿度が高いほど休止時間Ｐを長く調整することで、その休止時間Ｐ中に燃料ガス濃度を検出可能な酸素量を大気室１０に導入でき、高濃度の燃料ガス濃度を検出できる。
これによれば、大気の相対湿度が高いほど大気中の酸素分圧が低くなる。そのため、制御装置２は、大気の相対湿度が高いほど休止時間Ｐを長く調整することで、その休止時間Ｐ中に燃料ガス濃度を検出可能な酸素量を大気室１０に導入でき、高濃度の燃料ガス濃度を検出できる。
【0043】
（５）第１実施形態では、燃料ガス濃度検出システムが濃度を検出可能な燃料ガスとして、炭化水素、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、バイオ燃料が例示される。なお、バイオ燃料として、エタノール（Ｃ２Ｈ６Ｏ）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、バイオ水素（Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）などが例示される。
【0044】
（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態に対して燃料ガス濃度検出システムの構成の一部を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態に対して燃料ガス濃度検出システムの構成の一部を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【0045】
図１１に示すように、第２実施形態の燃料ガス濃度検出システムが備えるガスセンサ１は、燃料通路３の外壁に設けられたセンサ取付部１４に取り付けられている。センサ取付部１４は、燃料通路３から燃料が流入する燃料流入室１５を形成している。燃料通路３と燃料流入室１５との間には、前段拡散層１６が設けられている。前段拡散層１６は、燃料通路３から燃料流入室１５に導入される燃料ガス濃度を律速するものである。
【0046】
なお、第２実施形態のガスセンサ１が備える検出素子５も、第１実施形態で図３を参照して説明したように、燃料室９に導入される燃料ガス濃度を律速する拡散層８を備えている。そのため、第２実施形態では、燃料通路３を流れる燃料ガスは、前段拡散層１６により燃料ガス濃度が律速されて燃料流入室１５に導入され、さらに、拡散層８によって燃料ガス濃度が律速されて検出素子５の燃料室９に導入される。したがって、燃料通路３を流れる燃料ガスが高濃度であっても、検出素子５の燃料室９に導入される燃料ガス濃度が十分に律速されるので、燃料ガス濃度の検出時に大気室１０の酸素欠が抑制され、高濃度の燃料ガスに対する濃度検出を実現できる。
【0047】
ここで、第２実施形態の燃料ガス濃度検出システムと比較するため、第２比較例の燃料ガス濃度検出システムについて説明する。第２比較例の燃料ガス濃度検出システムは、前段拡散層１６を備えておらず、ガスセンサ１が備える検出素子５に設けられた拡散層８のみを備える構成である。
【0048】
図１２は、第２実施形態と第２比較例それぞれが実行する燃料ガスの濃度検出において、燃料ガス濃度と限界電流との関係を示す。図１２の横軸は燃料通路３を流れる燃料ガスの濃度を示し、縦軸は限界電流を示す。なお、縦軸の限界電流は、０から下へ行くほど絶対値として大きい電流値となっている。
【0049】
丸のドットとそれらを結ぶ実線Ｆは、第２実施形態の燃料ガス濃度検出システムにおける燃料ガスの濃度検出の結果を示している。四角のドットとそれらを結ぶ一点鎖線Ｇは、第２比較例の燃料ガス濃度検出システムにおける燃料ガスの濃度検出の結果を示している。
【0050】
実線Ｆで示した第２実施形態は、一点鎖線Ｇで示した第２比較例と比べて、燃料通路３を流れる所定の燃料ガス濃度（例えば、図１２のＭ４）において、限界電流が絶対値として小さい値となっている。そのため、第２実施形態は、第２比較例と比べて、燃料通路３を流れる燃料ガスが高濃度になっても、センサ素子の大気室１０が酸素欠になることを抑制できると言える。したがって、第２実施形態は、第２比較例と比較して、高濃度の燃料ガスの濃度検出を行うことが可能である。
【0051】
以上説明した第２実施形態の燃料ガス濃度検出システムは、ガスセンサ１が備える検出素子５の拡散層８と燃料通路３との間に設けられる前段拡散層１６を備えている。
これによれば、燃料通路３から前段拡散層１６と拡散層８を経由して燃料室９に導入される燃料ガス濃度をより律速することが可能となる。したがって、制御装置２は、燃料通路３を流れる燃料ガス濃度がより高濃度である場合でも、燃料通路３から燃料室９に導入される燃料ガスの導入量を絞り込むことで、大気室１０が酸素欠になることを防ぎ、その燃料ガスの濃度検出を実現できる。
これによれば、燃料通路３から前段拡散層１６と拡散層８を経由して燃料室９に導入される燃料ガス濃度をより律速することが可能となる。したがって、制御装置２は、燃料通路３を流れる燃料ガス濃度がより高濃度である場合でも、燃料通路３から燃料室９に導入される燃料ガスの導入量を絞り込むことで、大気室１０が酸素欠になることを防ぎ、その燃料ガスの濃度検出を実現できる。
【0052】
（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。第３実施形態は、第１、第２実施形態に対してガスセンサ１を固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）システム２０に適用したものであり、その他については第１、第２実施形態と同様であるため、第１、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第３実施形態について説明する。第３実施形態は、第１、第２実施形態に対してガスセンサ１を固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）システム２０に適用したものであり、その他については第１、第２実施形態と同様であるため、第１、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【0053】
まず、図１３を参照しつつ、固体酸化物型燃料電池システム２０の構成について説明する。この燃料電池システム２０は、燃料電池セルスタック２１（以下、セルスタック２１という）を中心に構成されている。セルスタック２１は、図示しない複数の燃料電池セルの集合体である。燃料電池セルは、例えば、固体酸化物セラミックスから構成された電解質体を有しており、その電解質体を挟んで一方側の面に燃料極（アノード）が形成され、他方の面に空気極（カソード）が形成された構成である。セルスタック２１を構成する燃料電池セルの燃料極には、都市ガスなどの原燃料ガスを水蒸気改質して生成した燃料ガスが供給され、燃料電池セルの空気極には、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池セルは、その燃料極に供給される燃料ガスと、空気極に供給される酸化剤ガスとしての空気（詳細には、空気中の酸素）との電気化学反応により発電する。
【0054】
都市ガスなどの原燃料ガスは、炭化水素（例えば、メタン）を含むガスである。原燃料ガスは、燃料用ブロア２２の駆動により燃料ガス供給路２３を流れ、エジェクタ２４を介して改質器２５に導入される。燃料ガス供給路２３のうち燃料用ブロア２２とエジェクタ２４との間に蒸発器２６から延びる水蒸気経路２７が接続されている。蒸発器２６には、ポンプ２８の駆動により水が供給される。蒸発器２６に供給された水は、燃焼器２９から排出される燃焼ガスの熱により加熱され、水蒸気となって燃料ガス供給路２３を流れる原燃料ガスと混合される。
【0055】
エジェクタ２４は、入口３０、吸引口３１および吐出口３２を有している。エジェクタ２４の入口３０には、原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが供給される。エジェクタ２４の吸引口３１には、リサイクル通路３３が接続されている。リサイクル通路３３には、セルスタック２１で消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料の一部が流れる。エジェクタ２４の吐出口３２側の燃料ガス供給路２３１には改質器２５が接続されている。エジェクタ２４は、入口３０に供給される原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを駆動流として、リサイクル通路３３を流れるオフ燃料を吸引口３１から吸引し、それらを混合したガスを吐出口３２から改質器２５へ吐出する。
【0056】
改質器２５は、原燃料ガスとオフ燃料と水蒸気との混合ガスおよび触媒が、燃焼器２９から排出される燃焼ガスの熱により、水蒸気改質反応が可能な温度に加熱される。そして、原燃料ガスと水蒸気は、改質器２５の有する触媒の存在のもとで反応し、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに改質される。その燃料ガスは、セルスタック２１を構成する燃料電池セルの燃料極に供給される。
【0057】
セルスタック２１に供給される酸化剤ガスとして用いられる空気は、空気用ブロア３４の駆動により外気から取り込まれる。その空気は、空気供給路３５の途中に設けられた空気予熱器３６を流れる際、燃焼器２９から排出される燃焼ガスの熱により加熱される。空気予熱器３６で加熱された空気は、セルスタック２１を構成する燃料電池セルの空気極に供給される。
【0058】
上述したように、セルスタック２１は、燃料極に供給される燃料ガスと、空気極に供給される酸化剤ガスとしての空気（詳細には、空気中の酸素）との電気化学反応により発電する。
【0059】
セルスタック２１で消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気は、オフ空気通路３７を経由して燃焼器２９に供給される。また、セルスタック２１で消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料は、オフ燃料通路３８を経由し、その一部が燃焼器２９に供給される。
【0060】
オフ燃料通路３８の途中の部位とエジェクタ２４の吸引口３１とは、上述したリサイクル通路３３により接続されている。そのため、オフ燃料通路３８を流れるオフ燃料の他の一部は、リサイクル通路３３を経由してエジェクタ２４に吸い込まれる。
【0061】
燃焼器２９は、セルスタック２１から供給されるオフ燃料とオフ空気とを高温場で自着火により燃焼させる。燃焼器２９で燃焼して生成された燃焼ガスは、燃焼器２９から燃焼ガス通路３９に排出される。燃焼器２９および燃焼ガス通路３９は、改質器２５、空気予熱器３６および蒸発器２６に対して燃焼ガスの熱を供給可能に設けられている。そのため、改質器２５の有する触媒およびその触媒を流れる源燃料ガスや水蒸気、空気予熱器３６を流れる空気、並びに、蒸発器２６に供給される水は、燃焼器２９および燃焼ガス通路３９を流れる燃焼ガスの熱により加熱される。
【0062】
暖機用燃焼器４０には、都市ガスと空気が供給される。暖機用燃焼器４０は、燃料電池システム２０の起動時に、都市ガスと空気との混合ガスに着火して燃焼させ、その燃焼ガスの熱によりセルスタック２１を加熱する。なお、暖機用燃焼器４０は、燃料電池システム２０の起動時に続く発電時には動作を停止する。
【0063】
第３実施形態の燃料ガス濃度検出システムが備えるガスセンサ１は、固体酸化物型燃料電池システム２０のセルスタック２１に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給路２３、２３１、または、セルスタック２１から排出された燃料ガスが流れる燃料ガス排出路の少なくとも一方に設けられる。なお、燃料ガス排出路は、上述したオフ燃料通路３８およびリサイクル通路３３を含んでいる。
【0064】
以上説明した第３実施形態において、燃料ガス供給路２３、２３１または燃料ガス排出路を流れる燃料ガスは高濃度である。それに対し、第３実施形態の燃料ガス濃度検出システムは、上記第１および第２実施形態と同様の構成を備えており、その燃料ガス供給路２３、２３１または燃料ガス排出路を流れる高濃度の燃料ガス濃度を正しく検出することが可能である。したがって、固体酸化物型燃料電池システム２０の発電効率を高めることができる。
【0065】
（第４実施形態）
第４実施形態について説明する前に、第１比較例の燃料ガス濃度検出システムによる燃料ガスの濃度検出について、図１４～図１７を参照して説明する。図１４に示すように、第１比較例の燃料ガス濃度検出システムは、第１実施形態と同じ構成の検出素子５を備えている。
第４実施形態について説明する前に、第１比較例の燃料ガス濃度検出システムによる燃料ガスの濃度検出について、図１４～図１７を参照して説明する。図１４に示すように、第１比較例の燃料ガス濃度検出システムは、第１実施形態と同じ構成の検出素子５を備えている。
【0066】
図１５のグラフに示すように、第１比較例の燃料ガス濃度検出システムは、検出素子５の電極（即ち、検出電極１２と基準電極１３）に対して直流電圧を継続して印加するものである。この場合、図１６に示すように、酸素透過量は、時刻ｔ１０以降、酸欠領域に入っている。そのため、図１７に示すように、検出電流は、時刻ｔ１０以降、検出不可領域に入っている。したがって、図１４の破線の楕円に示したように、第１比較例では、大気室１０の酸素が不足するといった問題がある。
【0067】
第１比較例に対し、第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムによる燃料ガスの濃度検出について、図１８～図２１を参照して説明する。図１８に示すように、第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムは、第１実施形態と同一の構成である。
【0068】
図１９のグラフに示すように、第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムは、検出素子５の電極（即ち、検出電極１２と基準電極１３）に対して直流電圧をパルス印加するものである。即ち、第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムも、第１実施形態と同じく、電圧印加時間Ｓと休止時間Ｐとを交互に繰り返しつつ、燃料ガス濃度を間欠的に検出する制御を実行する。具体的には、時刻ｔ１１～ｔ１２、および、時刻ｔ１３～ｔ１４を電圧印加時間Ｓとして、検出素子５の電極に対し燃料ガス濃度を検出可能な直流電圧を印加する。一方、時刻ｔ１２～ｔ１３は休止時間Ｐとして、直流電圧の印可を停止する。或いは、それに限らず、休止時間Ｐでは、電圧印加時間Ｓに印可する直流電圧よりも低い微電圧を印可してもよい。休止時間Ｐに微電圧を印可する場合、その微電圧は、大気ダクトを経由して大気室１０に単位時間あたりに導入される大気に含まれる酸素量よりも、微電圧の印可による大気室１０の単位時間あたりの酸素消費量が少ないものとなる電圧に設定される。
【0069】
第４実施形態では直流電圧をパルス印加するため、図２０に示すように、酸素透過量は、時刻ｔ１１～ｔ１２、および、時刻ｔ１３～ｔ１４の電圧印加時間Ｓにおいて、酸欠領域に入ることがなく、酸素の十分な領域にある。そのため、図２１に示すように、検出電流は、検出不可領域に入ることなく、時刻ｔ１１～ｔ１２、および、時刻ｔ１３～ｔ１４において、燃料ガスの濃度検出が可能である。したがって、図１８に示したように、第４実施形態は、第１比較例と比較して、大気室１０の酸素不足を解消することができる。
【0070】
ここで、第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムにおいて、発明者らが行った実験結果について図２２～図２５を参照して説明する。図２２および図２３は、種々の燃料ガス濃度において、検出素子５の電極に直流電圧を継続して印加したときの検出電流の変化を示すグラフである。図２３は、図２２のＸＸＩＩＩ部分の時間軸を拡大して示したものである。図２４および図２５は、図２３の任意の線（例えば線Ｌ）のみを示したグラフである。
【0071】
この実験方法および実験条件は、次のとおりである。
＜実験方法＞
・センサ評価ベンチに既定濃度の水素ガスを流し、ガスクロマトグラフでガス濃度を計測
・所定の温度となるようにセンサのヒータに通電し昇温
・ポテンショスタットを使用しセンサに電圧印加することで電流値を計測
＜実験条件＞
・水素ガス濃度：０ ― ４０ｖｏｌ％
・希釈ガス：Ｎ２（６０～１００ｖｏｌ％）
・流量：２ＮＬ／ｍｉｎ
・座温ガス温：室温
・電圧パルス印加
上記結果として、電流-時間（電圧）特性を取得した。
＜実験方法＞
・センサ評価ベンチに既定濃度の水素ガスを流し、ガスクロマトグラフでガス濃度を計測
・所定の温度となるようにセンサのヒータに通電し昇温
・ポテンショスタットを使用しセンサに電圧印加することで電流値を計測
＜実験条件＞
・水素ガス濃度：０ ― ４０ｖｏｌ％
・希釈ガス：Ｎ２（６０～１００ｖｏｌ％）
・流量：２ＮＬ／ｍｉｎ
・座温ガス温：室温
・電圧パルス印加
上記結果として、電流-時間（電圧）特性を取得した。
【0072】
図２２～図２５において、横軸は時間を示し、縦軸は検出電流を示す。なお、縦軸の検出電流は、０から下へ行くほど絶対値として大きい電流値となっている。図２２および図２３において、線Ｋが最も燃料ガス濃度が高く、Ｋ→Ｌ→Ｍ→Ｎの順に燃料ガス濃度が低くなっている。
【0073】
線Ｋ、Ｌ、Ｍはいずれも、第１フラット領域と第２フラット領域が現れている。
【0074】
第１フラット領域とは、検出電流において下記の（式１）を満たす領域のうち、検出素子５の電極に直流電圧を印可した際に最初に現れる領域である。
ΔＩ＝ａ×Δｔ ・・・（式１）
ΔＩ＝ａ×Δｔ ・・・（式１）
【0075】
式１において、ａは、所定の定数である。Δｔは、単位時間である。ΔＩは、検出電流の単位時間Δｔあたりの変化量である。
【0076】
したがって、第１フラット領域とは、検出電流の単位時間Δｔあたり変化量ΔＩが、単位時間Δｔに所定の定数ａを乗算した値よりも低い領域のうち、検出素子５の電極に直流電圧を印可した際に最初に現れる領域である。
【0077】
第２フラット領域とは、第１フラット領域を経過した後も検出素子５の電極に直流電圧を継続して印加した場合に検出される、上記の（式１）を満たす領域である。
【0078】
したがって、第２フラット領域とは、第１フラット領域を経過した後も検出素子５の電極に直流電圧を継続して印加した場合に検出される検出電流において単位時間Δｔあたりの変化量ΔＩが、単位時間Δｔに所定の定数ａを乗算した値よりも低い領域である。
【0079】
燃料ガス濃度検出システムの制御装置２は、第１フラット領域において検出した限界電流と限界電流特性に基づいて燃料ガス濃度を検出する。なお、限界電流特性とは、第２実施形態の説明で参照した図１２で例示したように、燃料ガス濃度と限界電流との関係を予め実験等により規定し、制御装置２のメモリーに記憶させたものである。より好ましくは、制御装置２は、第１フラット領域の中央で検出した限界電流と限界電流特性に基づいて燃料ガス濃度を検出する。なお、第１フラット領域の中央で検出した限界電流とは、第１フラット領域の開始時刻と終了時刻とのほぼ中央の時刻に検出した限界電流である。これにより、燃料ガス濃度をより正確に検出できる。図２３および図２４では、線Ｋ、Ｌ、Ｍにおいて、第１フラット領域の中央より前の部分を実線で示し、第１フラット領域の中央より後の部分を破線で示している。
【0080】
図２５に示すように、休止時間Ｐは、第１フラット領域の終了時刻から第２フラット領域の開始時刻までの時間以上に設定される。これにより、大気室１０内に十分な酸素を導入できる。なお、燃料ガス濃度検出制御の実行時において、その制御開始から１回目のパルス印可では、第２フラット領域の開始時刻が検出されるまで電圧を継続して印可する。そのため、１回目の電圧印加時間に休止時間Ｐが取得できる。その後、２回目以降のパルス印加では、電圧印加時間Ｓは、電圧印可開始時刻から第１フラット領域の中央までの時刻とする。但し、燃料ガス濃度の検出制御を長時間継続して実行する場合、所定のタイミングで、休止時間Ｐを再度取得してもよい。
【0081】
次に、第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムの備える制御装置２が実行する燃料ガス濃度検出制御について、図２６のフローチャートと、図２７、図２８のグラフを参照して説明する。なお、以下の説明およびフローチャートでは、ステップを単に「Ｓ」と表記する。
【0082】
まず、図２６のＳ１０で制御装置２は、所定の第１印加電圧ＶＯを検出素子５の電極に印可し、Ｓ２０で燃料ガス濃度に応じた限界電流ＩＯを取得する。続いて、Ｓ３０で制御装置２は、Ｓ２０で取得した限界電流ＩＯを下記の（式２）に代入し、第２電圧ＶＳを取得する。
ＶＳ＝ＶＯ＋Ｒ×ＩＯ ・・・（式２）
なお、式２において、Ｒは、検出素子５の電極を含む検出回路に組み込まれる抵抗値である。
次に、Ｓ４０で制御装置２は、第２電圧ＶＳを検出素子５の電極に印可し、再度、限界電流ＩＳを取得する。Ｓ４０で取得される限界電流ＩＳは、第１フラット領域の中央の限界電流である。
ＶＳ＝ＶＯ＋Ｒ×ＩＯ ・・・（式２）
なお、式２において、Ｒは、検出素子５の電極を含む検出回路に組み込まれる抵抗値である。
次に、Ｓ４０で制御装置２は、第２電圧ＶＳを検出素子５の電極に印可し、再度、限界電流ＩＳを取得する。Ｓ４０で取得される限界電流ＩＳは、第１フラット領域の中央の限界電流である。
【0083】
上記Ｓ１０～Ｓ４０の処理を、図２７のグラフを参照して詳細に説明する。
Ｓ１０で、一定の第１印加電圧ＶＯを検出素子５の電極に印可すると、ＶＩ特性により、燃料ガスの濃度に応じた限界電流ＩＯが取得される。ＶＩ特性とは、検出対象となる燃料ガス濃度における印加電圧と検出電流との関係を示す特性である。
Ｓ１０で、一定の第１印加電圧ＶＯを検出素子５の電極に印可すると、ＶＩ特性により、燃料ガスの濃度に応じた限界電流ＩＯが取得される。ＶＩ特性とは、検出対象となる燃料ガス濃度における印加電圧と検出電流との関係を示す特性である。
【0084】
その限界電流ＩＯを、第１印加電圧ＶＯに対応する印加電圧特性を表した上記（式２）に代入すると、検出対象の燃料ガス濃度において第１フラット領域の中央の限界電流を検出可能な第２電圧ＶＳが取得できる。なお、印加電圧特性とは、種々の濃度の燃料ガスに対する第１フラット領域の中央の限界電流ＩＳを測定可能な印加電圧ＶＳと、第１印加電圧ＶＯを印可した際に取得される限界電流ＩＯとの関係が実験等により予め設定され、制御装置２のメモリーに記憶されたものである。
【0085】
そして、制御装置２は、その取得した第２電圧ＶＳを検出素子５の電極に再度印可することで、検出対象の燃料ガス濃度において第１フラット領域の中央の限界電流ＩＳを取得できる。
【0086】
再び図２６のフローチャートに戻り、Ｓ５０で制御装置２は、電圧印加時間Ｓが所定の休止時間Ｐ以下であり、且つ、第１フラット領域を定義した上記の（式１）を満たしているか否かを判定する。Ｓ５０にて肯定判定の場合、即ち、電圧印加時間Ｓが所定の休止時間Ｐ以下であり、且つ、第１フラット領域を定義した（式１）を満たしている場合、制御装置２は燃料ガスの濃度検出が可能であると判定し、処理をＳ６０に進める。
【0087】
Ｓ６０で制御装置２は、Ｓ４０で取得した限界電流ＩＳを、メモリーに予め記憶された限界電流特性を参照して燃料ガス濃度に換算し、燃料ガス濃度を検出する。
【0088】
それに対し、上記Ｓ５０にて否定判定の場合、即ち、電圧印加時間Ｓが所定の休止時間Ｐより短い、または、第１フラット領域を定義した（式１）を満たしていない場合、制御装置２は燃料ガスの濃度検出が不可であると判定し、処理をＳ７０に進める。
【0089】
Ｓ７０で制御装置２は、燃料ガスの濃度検出が不可と判定された回数、即ち、不可判定回数ｎをカウントし、処理をＳ８０に進める。Ｓ８０で不可判定回数ｎが所定の回数Ｘより小さいか否かを判定する。Ｓ８０で不可判定回数ｎが所定の回数Ｘ以上の場合、制御装置２は処理をＳ９０に進める。Ｓ９０で制御装置２は、燃料ガスの濃度検出が不可であることを示す信号を出力する。
【0090】
それに対し、Ｓ８０で不可判定回数ｎが所定の回数Ｘより小さい場合、制御装置２は処理をＳ１００に進める。Ｓ１００で制御装置２は、高濃度の燃料ガスの濃度検出に対応するため、印加電圧特性を低電圧側へ補正する。
【0091】
Ｓ１００の処理を、図２８のグラフを参照して説明する。図２８において、破線ＱＯは、Ｓ１０で用いた第１印加電圧ＶＯに対応した印加電圧特性を示す線である。一点鎖線Ｑ＿１は、Ｓ１００の処理による補正第１印加電圧ＶＯ＿１に対応した補正印加電圧特性Ｑ＿１を示す線である。補正第１印加電圧ＶＯ＿１は、第１印加電圧ＶＯ対より低く、補正印加電圧特性Ｑ＿１は、印加電圧特性ＱＯより低い。なお、線Ｈは、検出対象となる高濃度の燃料ガス濃度におけるＶＩ特性である。線Ｊは、低濃度の燃料ガス濃度におけるＶＩ特性である。
【0092】
Ｓ１００の処理では、Ｓ１０で用いた第１印加電圧ＶＯを、補正第１印加電圧ＶＯ＿１に補正し、その補正第１印加電圧ＶＯ＿１を検出素子５の電極に印加する。その後、Ｓ１００続くＳ２０以降の処理は、上述した処理と実質的に同一である。即ち、補正第１印加電圧ＶＯ＿１を検出素子５の電極に印加して取得した限界電流ＩＯを、補正第１印加電圧ＶＯ＿１に対応した補正印加電圧特性Ｑ＿１を示す式に代入し、第２電圧ＶＳを取得する。その第２電圧ＶＳを検出素子５の電極に再度印可することで、高濃度の燃料ガスにおいても第１フラット領域の中央の限界電流ＩＳを取得できる。そして、その限界電流ＩＳを、限界電流特性を参照して燃料ガス濃度に換算する。これにより、制御装置２は、燃料ガス濃度を検出することが可能である。
【0093】
以上説明した第４実施形態と第１比較例の燃料ガス濃度検出システムに関し、燃料ガスの濃度検出の実験結果を図２９に示す。
【0094】
この実験は、燃料ガスの一例として水素の濃度検出を行ったものである。図２９の横軸は、実際の水素濃度、即ち、実水素濃度を示す。縦軸は、燃料ガス濃度検出システムにより検出された水素濃度、即ち、センサ出力による水素濃度を示す。線αは、第４実施形態による水素濃度検出の実験結果を示す。線βは、第１比較例による水素濃度検出の実験結果を示す。破線γは、狙いとする検出結果を示す。
【0095】
線βに示したように、第１比較例の電圧連続印加による水素濃度検出では、実水素濃度が所定値εより高くなると、大気室１０の酸素が不足するため、センサ出力による水素濃度が狙いとする検出結果から大きく外れている。
【0096】
それに対し、線αに示したように、第４実施形態の電圧パルス印加による水素濃度検出では、実水素濃度が所定値εより非常に高くなっても、センサ出力による水素濃度が狙いとする検出結果γに対し、誤差が非常に小さい検出値となっている。したがって、第４実施形態の燃料ガス濃度検出システムは、第１比較例に対し、高濃度の水素濃度検出を高精度に実行できると言える。
【0097】
さらに、第４実施形態は次の作用効果を奏する。
（１）第４実施形態では、検出素子５の電極に直流電圧を印可した際に検出される検出電流において、上記（式１）を満たす領域のうち、直流電圧を印可した際に最初に現れる領域を第１フラット領域と規定する。制御装置２は、第１フラット領域において検出した限界電流を、メモリーに記憶されている限界電流特性を参照して燃料ガス濃度に換算し、燃料ガス濃度を検出する。
これによれば、高濃度の燃料ガスの濃度検出を高精度に実行できる。
（１）第４実施形態では、検出素子５の電極に直流電圧を印可した際に検出される検出電流において、上記（式１）を満たす領域のうち、直流電圧を印可した際に最初に現れる領域を第１フラット領域と規定する。制御装置２は、第１フラット領域において検出した限界電流を、メモリーに記憶されている限界電流特性を参照して燃料ガス濃度に換算し、燃料ガス濃度を検出する。
これによれば、高濃度の燃料ガスの濃度検出を高精度に実行できる。
【0098】
（２）第４実施形態では、第１フラット領域を経過した後も検出素子５の電極に直流電圧を継続して印加した場合に検出される上記（式１）を満たす領域を、第２フラット領域と規定する。制御装置２は、休止時間Ｐを、第１フラット領域の終了時刻から第２フラット領域の開始時刻までの時間以上に設定する。
これによれば、休止時間Ｐに大気室１０に十分な酸素を供給できるので、高濃度の燃料ガスの濃度検出を精度よく実行できる。
これによれば、休止時間Ｐに大気室１０に十分な酸素を供給できるので、高濃度の燃料ガスの濃度検出を精度よく実行できる。
【0099】
（３）第４実施形態では、休止時間Ｐは、燃料ガス濃度の検出制御開始から１回目の電圧印加時間Ｓに取得可能である。
これによれば、２回目の電圧印加から高濃度の燃料ガスの濃度検出が可能となる。
これによれば、２回目の電圧印加から高濃度の燃料ガスの濃度検出が可能となる。
【0100】
（４）第４実施形態では、制御装置２は、電圧印加時間Ｓに、検出素子５の電極に対し燃料ガス濃度を検出可能な直流電圧を印加する。一方、休止時間Ｐには、直流電圧の印加を停止するか、或いは、電圧印加時間Ｓに印可する直流電圧よりも低い微電圧を印加してもよい。なお、休止時間Ｐに微電圧を印可する場合、その微電圧は、大気室１０に単位時間あたりに導入される大気に含まれる酸素量よりも、微電圧の印可による大気室１０の単位時間あたりの酸素消費量が少ないものとなる電圧に設定される。
これによれば、制御装置２は、休止時間Ｐに微電圧を印可してもよい。
これによれば、制御装置２は、休止時間Ｐに微電圧を印可してもよい。
【0101】
（他の実施形態）
燃料ガス濃度検出システムが備えるガスセンサ１は、例えば、固体酸化物形水電解装置（ＳＯＥＣ：Solid Oxide Electrolysis Cell）で生成された水素ガスが流れる流路に設けることも可能である。その流路を流れる水素ガスは高濃度であり、本開示の燃料ガス濃度検出システムおよび制御装置２は、そのような高濃度の水素ガス濃度も検出できる。
燃料ガス濃度検出システムが備えるガスセンサ１は、例えば、固体酸化物形水電解装置（ＳＯＥＣ：Solid Oxide Electrolysis Cell）で生成された水素ガスが流れる流路に設けることも可能である。その流路を流れる水素ガスは高濃度であり、本開示の燃料ガス濃度検出システムおよび制御装置２は、そのような高濃度の水素ガス濃度も検出できる。
【0102】
本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態およびその一部は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【0103】
本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。
【符号の説明】
【0104】
１・・・ガスセンサ、２・・・ガスセンサ制御装置（制御装置）、８・・・拡散層、９・・・燃料室、１０・・・大気室、１１・・・固体電解質、１２・・・検出電極、１３・・・基準電極、Ｓ・・・電圧印加時間、Ｐ・・・休止時間
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】