DE102017001237A1

DE102017001237A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102017001237A1
Application number: DE102017001237.7A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Nakano; Tetsuo Yamada
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2016-02-09
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2017-08-10
Also published as: US20170227490A1; US10288579B2

Abstract

Zur Unterdrückung der Zunahme einer Impedanz aufgrund gemeinsamen Brennens wird ein Ammoniakmessabschnitt 102 vorgeschlagen, welcher auf einer elektrisch isolierenden Schicht 120 angeordnet ist und eine Referenzelektrode 212, einen Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak und eine Messelektrode 214 umfasst, welche in dieser Reihenfolge auf der elektrisch isolierenden Schicht 120 geschichtet sind. In dem Ammoniakmessabschnitt 102 ist an der Trennfläche zwischen der Referenzelektrode 212 und dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak eine Drei-Phasen-Grenze gebildet; und an der Trennfläche zwischen der Messelektrode 214 und dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak ist eine weitere Drei-Phasen-Grenze gebildet. Die Konzentration von Ammoniak in Abgas wird hierdurch gemessen. Der Ammoniakmessabschnitt 102 umfasst eine poröse Schicht 211, welche aus einem elektrisch isolierenden porösen Material gebildet ist und zwischen der isolierenden Schicht 120 und der Referenzelektrode 212 angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, welcher die Konzentration eines in einer Zielumgebung befindlichen Gases misst.
In den vergangenen Jahren haben Harnstoff-SCR(Selective Catalytic Reduction)-Systeme als eine Technik zum Reinigen von Abgas, welches NOx enthält und von einem Verbrennungsmotor, beispielsweise Benzinmotoren und Dieselmotoren, ausgegeben wird (wobei NOx für Stickstoffoxide steht), Beachtung gefunden. In dem Harnstoff-SCR-System reagiert Ammoniak (NH₃) chemisch mit Stickstoffoxiden (NOx), um die Stickstoffoxide zu Stickstoff (N₂) zu reduzieren, wodurch das Abgas, welches die Stickstoffoxide enthält, gereinigt wird.
Wenn die Menge von Ammoniak, welche den Stickstoffoxiden zugeführt wird, übermäßig groß ist, kann in dem Harnstoff-SCR-System nicht-reagiertes Ammoniak in dem Abgas enthalten sein und zur Außenseite abgegeben werden. Um die oben beschriebene Emission von Ammoniak zu reduzieren, wird für das Harnstoff-SCR-System ein Multigassensor verwendet, welcher fähig ist, die Konzentrationen mehrerer in dem Abgas enthaltener Gase, inklusive Ammoniak, zu messen.
In einem bekannten Multigassensor ist ein Ammoniaksensor, welcher eine Referenzelektrode, eine Messelektrode und einen zwischen diesen Elektroden angeordneten Festelektrolytkörper umfasst, an einem NOx-Sensor angebracht (siehe beispielsweise Patentdokument 1).

Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2013-221930

Wenn eine Schichtung der Referenzelektrode und des Festelektrolytkörpers auf einer isolierenden Grünschicht, welche an der äußeren Oberfläche des NOx-Sensors bereitgestellt ist, gebildet wird und diese anschließend gemeinsam gebrannt werden, schrumpft die an der äußeren Oberfläche des NOx-Sensors bereitgestellte isolierende Schicht. In diesem Fall wird die Referenzelektrode verdichtet und die Fläche einer Drei-Phasen-Grenze wird verkleinert, sodass die Impedanz des Ammoniaksensors zunimmt. Wenn die Impedanz zugenommen hat, wird die Ausgabe des Ammoniaksensors durch Rauschen einfach beeinflusst, sodass die Messgenauigkeit des Ammoniaksensors signifikant verringert sein kann.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht des obigen Problems gemacht und es ist ein Ziel, eine Technik zum Unterdrücken der Zunahme der Impedanz aufgrund des gemeinsamen Brennens bereitzustellen.
Ein Gassensor gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, welche gemacht wurde, um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, ist ein Gassensor, welcher die Konzentration eines Messzielgases in einer Zielumgebung misst, wobei der Gassensor auf einem elektrisch isolierenden Element angeordnet ist und umfasst: eine Referenzelektrode, einen Festelektrolytkörper und eine Messelektrode, welche in dieser Reihenfolge auf dem elektrisch isolierenden Element geschichtet sind, eine Drei-Phasen-Grenze, welche an der Trennfläche zwischen der Referenzelektrode und dem Festelektrodenkörper gebildet ist, und eine weitere Drei-Phasen-Grenze, welche an der Trennfläche zwischen der Messelektrode und dem Festelektrolytkörper gebildet ist. Die Zielumgebung ist eine gasförmige Umgebung, welche von dem Gassensor zu messen ist. Jede Drei-Phasen-Grenze ist eine Grenze, an welcher das Messzielgas mit dem Festelektrolytkörper und entweder der Referenzelektrode oder der Messelektrode in Kontakt ist.
Der Gassensor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine isolierende poröse Schicht, welche aus einem elektrisch isolierenden porösen Material gebildet ist und zwischen dem elektrisch isolierenden Element und der Referenzelektrode angeordnet ist.
In dem wie oben konfigurierten Gassensor gemäß dem ersten Aspekt ist die isolierende poröse Schicht auf der Seite der Referenzelektrode angeordnet, die der Seite der Referenzelektrode gegenüberliegt, an der der Festelektrolytkörper angeordnet ist. Die isolierende poröse Schicht weist in ihrem Inneren und an ihrer Oberfläche viele Poren auf. Daher ist es möglich, dass das Messzielgas in der isolierenden porösen Schicht von einem Abschnitt, der der Zielumgebung ausgesetzt ist, in das Innere der isolierenden porösen Schicht strömt und dass das innerhalb der isolierenden porösen Schicht strömende Messzielgas zu der Referenzelektrode strömt.
Daher nimmt die Menge des Messzielgases, welches durch die Referenzelektrode hin zu dem Festelektrolytkörper strömt, zu, was eine Zunahme der Fläche der Drei-Phasen-Grenze ermöglicht, an welcher das Messzielgas mit der Referenzelektrode und dem Festelektrolytkörper in Kontakt kommt. Wenn eine Schichtung der Referenzelektrode und des Festelektrolytkörpers auf einem elektrisch isolierenden Grünelement gebildet ist und diese anschließend gemeinsam gebrannt werden, kann die Referenzelektrode verdichtet werden und die Fläche der Drei-Phasen-Grenze kann abnehmen. Selbst in diesem Fall ermöglicht die Zunahme des Einströmens des Messzielgases durch die isolierende poröse Schicht, dass die Verringerung der Fläche der Drei-Phasen-Grenze unterdrückt wird.
Durch die vorangehend beschriebene Konfiguration kann der Gassensor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Zunahme der Impedanz des Gassensors aufgrund des gemeinsamen Brennens unterdrücken. Ein Gassensor gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, welche gemacht wurde, um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, ist ein Gassensor, welcher die Konzentration eines Messzielgases in einer Zielumgebung misst, wobei der Gassensor auf einem elektrisch isolierenden Element angeordnet ist und umfasst: eine Referenzelektrode, einen Festelektrolytkörper und eine Messelektrode, welche in dieser Reihenfolge auf dem elektrisch isolierenden Element geschichtet sind, eine Drei-Phasen-Grenze, welche an der Trennfläche zwischen der Referenzelektrode und dem Festelektrolytkörper gebildet ist, eine weitere Drei-Phasen-Grenze, welche an der Trennfläche zwischen der Messelektrode und dem Festelektrolytkörper gebildet ist.
In dem Gassensor gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein Teil des Festelektrolytkörpers porös, wobei der Teil des Festelektrolytkörpers mit der Referenzelektrode in Kontakt ist. In dem wie oben konfigurierten Gassensor gemäß dem zweiten Aspekt ist der poröse Teil des Festelektrolytkörpers zwischen dem nicht-porösen Teil des Festelektrolytkörpers und der Referenzelektrode angeordnet. Daher ist es möglich, dass das Messzielgas in dem porösen Teil des Festelektrolytkörpers von einem Abschnitt, welcher der Zielumgebung ausgesetzt ist, in das Innere des porösen Teils des Festelektrolytkörpers strömt und dass das in dem porösen Teil des Festelektrolytkörpers strömende Messzielgas hin zu der Referenzelektrode strömt.
Daher nimmt die Menge des Messzielgases zu, welches durch den Festelektrolytkörper hin zu der Referenzelektrode strömt, was eine Zunahme der Fläche der Drei-Phasen-Grenze ermöglicht, an welcher das Messzielgas mit der Referenzelektrode und dem Festelektrolytkörper in Kontakt kommt. Wenn eine Schichtung der Referenzelektrode und des Festelektrolytkörpers auf einem elektrisch isolierenden Grünelement gebildet ist und diese anschließend gemeinsam gebrannt werden, kann die Referenzelektrode verdichtet werden und die Fläche der Drei-Phasen-Grenze kann abnehmen. Selbst in diesem Fall ermöglicht die Zunahme des Einströmens des Messzielgases durch den porösen Teil des Festelektrolytkörpers, dass die Verringerung der Fläche der Drei-Phasen-Grenze unterdrückt wird.
Durch die oben beschriebene Konfiguration kann der Gassensor gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Zunahme der Impedanz des Gassensors aufgrund des gemeinsamen Brennens unterdrücken.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Querschnittsansicht, welche die innere Struktur eines Multigassensors 2 zeigt.
2 ist eine Darstellung, welche die schematische Konfiguration einer Sensorelementeinheit 5 und einer Steuerung 3 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
3 ist eine Komplexe-Impedanz-Grafik, welche den Unterschied in der Impedanz zwischen Strukturen mit und ohne einer porösen Schicht zeigt.
4(A) und 4(B) zeigen Querschnittsansichten, welche den Unterschied zwischen den Strukturen mit und ohne der porösen Schicht zeigen.
5 ist Darstellung, welche die schematische Struktur eines Ammoniakmessabschnitts 302 zeigt.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Ein Multigasdetektor 1 in der Ausführungsform, auf welche die vorliegende Erfindung angewendet wird, wird als ein Harnstoff-SCR(Selective Catalytic Reduction)-System verwendet, welches an einem Fahrzeug befestigt ist, um hierdurch Abgas zu reinigen, welches Stickstoffoxide (NOx) enthält und von einem Dieselmotor ausgestoßen wird. Insbesondere misst der Multigasdetektor 1, nachdem das in dem Abgas enthaltene NOx mit Ammoniak (Harnstoff) reagiert hat, die Konzentrationen von Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂) und Ammoniak, welche in dem verbliebenen Abgas enthalten sind. Das Fahrzeug, an welchem der Multigasdetektor 1 befestigt ist, wird als das „vorliegende Fahrzeug” bezeichnet.
Der Multigasdetektor 1 umfasst einen Multigassensor 2, gezeigt in 1, und eine Steuerung 3, gezeigt in 2.
Wie in 1 gezeigt, umfasst der Multigassensor 2 eine Sensorelementeinheit 5, eine metallische Hülse 10, einen Trenner 34 und Verbindungsanschlüsse 38. In der folgenden Beschreibung wird die Seite des Multigassensors 2, an welcher das Sensorelement 5 angeordnet ist (die untere Seite in 1), als eine Vorderseite bezeichnet; und die Seite, auf welcher die Verbindungsanschlüsse 38 angeordnet sind (die obere Seite in 1), wird als Rückseite bezeichnet.
Die Sensorelementeinheit 5 hat eine plattenförmige Gestalt, welche sich entlang der Richtung einer axialen Linie O erstreckt. Elektrodenanschlussabschnitte 5A und 5B sind an der Rückseite der Sensorelementeinheit 5 angeordnet. In 1 sind lediglich die Elektrodenanschlussabschnitte 5A und 5B als an der Sensorelementeinheit 5 gebildete Elektrodenanschlussabschnitte gezeigt, um die Zeichnung zu vereinfachen. In der Praxis sind jedoch mehrere Elektrodenanschlussabschnitte vorhanden, beispielsweise je nach Anzahl der Elektroden, die in einem NOx-Messabschnitt 101 und einem Ammoniakmessabschnitt 102 enthalten sind, welche später beschrieben werden.
Die metallische Hülse 10 ist ein röhrenförmiges Element; und ein Gewindeabschnitt 11, der zum Befestigen des Multigassensors 2 an einem Abgasrohr eines Dieselmotors verwendet wird, ist an der Außenfläche der metallischen Hülse 10 gebildet. Die metallische Hülse 10 weist ein Durchlassloch 12 auf, welches sich in der Richtung der axialen Linie O erstreckt, und weist einen Vorsprung 13 auf, welcher in der radialen Richtung des Durchlassloches 12 einwärts hervorsteht. Der Vorsprung 13 ist als eine sich nach innen verjüngende Oberfläche ausgebildet, welche sich von der radial äußeren Seite des Durchlassloches 12 hin zu dessen Zentrum erstreckt und zur Vorderseite hin geneigt ist.
Die metallische Hülse 10 trägt die Sensorelementeinheit 5, deren vorderes Ende aus dem vorderen Ende des Durchlassloches 12 herausragt und deren hinteres Ende aus dem hinteren Ende des Durchlassloches 12 herausragt. Eine Keramikhalterung 14, welche ein röhrenförmiges Element ist, das den radialen Umfang der Sensorelementeinheit 5 umgibt, Talkringe 15 und 16, welche Pulverfüllschichten sind, und eine Keramikmanschette 17 sind in dieser Reihenfolge innerhalb des Durchlassloches 12 der metallischen Hülse 10 von der Vorderseite hin zu der Rückseite geschichtet.
Ein Crimpfüllkörper 18 ist zwischen einem hinteren Endabschnitt der Keramikmanschette 17 und einem hinteren Endabschnitt der metallischen Hülse 10 angeordnet. Eine Metallhalterung 19 ist zwischen der Keramikhalterung 14 und dem Vorsprung 13 der metallischen Hülse 10 angeordnet. Die Metallhalterung 19 hält den Talkring 15 und die Keramikhalterung 14. Ein hinterer Endabschnitt der metallischen Hülse 10 ist so gecrimpt, dass die Keramikmanschette 17 durch den Crimpfüllkörper 18 in Richtung der Vorderseite gedrückt wird.
Ein äußeres Schutzelement 21 und ein inneres Schutzelement 22 sind an einem vorderen Endabschnitt der metallischen Hülse 10 angeordnet. Das äußere Schutzelement 21 und das innere Schutzelement 22 sind röhrenförmige Elemente, welche aus einem metallischen Material gebildet sind, beispielsweise rostfreiem Stahl, und weisen ein geschlossenes vorderes Ende auf. Das innere Schutzelement 22 umgibt einen vorderen Endabschnitt der Sensorelementeinheit 5 und ist mit der metallischen Hülse 10 verschweißt; und das äußere Schutzelement 21 umgibt das innere Schutzelement 22 und ist mit der metallischen Hülse 10 verschweißt.
Ein vorderer Endabschnitt eines Außenrohrs 31, welches in röhrenförmiger Gestalt gebildet ist, ist an einem hinteren Endabschnitt der metallischen Hülse 10 fixiert. Eine Durchführung 32 ist an einer Öffnung des Außenrohrs 31 am hinteren Ende angeordnet, wodurch die Öffnung verschlossen ist.
Verbindungskabeleinführungslöcher 33, in welche Verbindungskabel 41 eingeführt sind, sind in der Durchführung 32 gebildet. Die Verbindungskabel 41 sind elektrisch mit den Elektrodenanschlussabschnitten 5A und 5B der Sensorelementeinheit 5 verbunden.
Ein Trenner 34 ist ein röhrenförmiges Element, welches hinter der Sensorelementeinheit 5 angeordnet ist. Ein innerhalb des Trenners 34 gebildeter Raum ist ein Einführungsloch 35, welches den Trenner 34 in Richtung der axialen Linie O durchläuft. Ein radial nach außen herausstehender Flanschabschnitt 36 ist an der äußeren Oberfläche des Trenners 34 gebildet.
Ein hinterer Endabschnitt der Sensorelementeinheit 5 ist in das Einführungsloch 35 des Trenners 34 eingeführt; und die Elektrodenanschlussabschnitte 5A und 5B sind innerhalb des Trenners 34 angeordnet.
Ein röhrenförmige Figs Halteelement 37 ist zwischen dem Trenner 34 und dem Außenrohr 31 angeordnet. Das Halteelement 37 steht mit dem Flanschabschnitt 36 des Trenners 34 und zudem mit der inneren Oberfläche des Außenrohrs 31 in Kontakt, wodurch der Trenner 34 so gehalten wird, dass der Trenner 34 an dem Außenrohr 31 fixiert ist.
Die Verbindungsanschlüsse 38 sind innerhalb des Einführungslochs 35 des Trenners 34 angeordnete Elemente und sind elektrisch leitende Elemente, welche die Elektrodenanschlussabschnitte 5A und 5B der Sensorelementeinheit 5 mit ihren entsprechenden Verbindungskabeln 41 elektrisch verbinden. In 1 sind zum Zwecke der Vereinfachung der Zeichnung lediglich zwei Verbindungsanschlüsse 38 gezeigt.
Wie in 2 gezeigt, ist eine Steuerung 3 des Multigasdetektors 1 elektrisch mit einer elektronischen Steuereinheit 200 verbunden, welche an dem vorliegenden Fahrzeug befestigt ist. Die elektronische Steuereinheit 200 empfängt von der Steuerung 3 berechnete Daten, welche die Konzentrationen von NO, NO₂ und Ammoniak im Abgas repräsentieren. Anschließend führt die elektronische Steuereinheit 200 einen Prozess zur Steuerung der Betriebsbedingungen des Dieselmotors in Abhängigkeit der empfangenen Daten durch und führt ferner einen Reinigungsprozess für NOx durch, welches sich an einem Katalysator gesammelt hat.
Die Sensorelementeinheit 5 umfasst den NOx-Messabschnitt 101 und den Ammoniakmessabschnitt 102.
Der NOx-Messabschnitt 101 wird gebildet durch aufeinanderfolgendes Aufschichten einer isolierenden Schicht 113, einer Keramikschicht 114, einer isolierenden Schicht 115, einer Keramikschicht 116, einer isolierenden Schicht 117, einer Keramikschicht 118, einer isolierenden Schicht 119 und einer isolierenden Schicht 120. Die isolierenden Schichten 113, 115, 117, 119 und 120 sind im Wesentlichen aus Aluminiumoxid gebildet.
Der NOx-Messabschnitt 101 umfasst eine erste Messkammer 121, welche zwischen der Keramikschicht 114 und der Keramikschicht 116 gebildet ist. In dem NOx-Messabschnitt 101 wird Abgas von der Außenseite in das Innere der ersten Messkammer 121 über einen Diffusionswiderstand 122 eingeführt, welcher zwischen der Keramikschicht 114 und der Keramikschicht 116 so angeordnet ist, dass dieser neben der ersten Messkammer 121 ist. Der Diffusionswiderstand 122 ist aus einem porösen Material gebildet, beispielsweise Aluminiumoxid.
Der NOx-Messabschnitt 101 umfasst ferner eine erste Pumpzelle 130. Die erste Pumpzelle 130 umfasst eine Festelektrolytschicht 131 und Pumpelektroden 132 und 133.
Die Festelektrolytschicht 131 ist im Wesentlichen aus Zirkonoxid gebildet, welches sauerstoffionenleitfähig ist. Ein Teil der Keramikschicht 114 ist in einem Bereich, welcher der ersten Messkammer 121 ausgesetzt ist, entfernt und der resultierende Raum ist mit der Festelektrolytschicht 131 anstelle der Keramikschicht 114 gefüllt.
Die Pumpelektroden 132 und 133 sind im Wesentlichen aus Platin gebildet. Die Pumpelektrode 132 ist an der Festelektrolytschicht 131 so angeordnet, dass sie der ersten Messkammer 121 ausgesetzt ist. Die Pumpelektrode 133 ist an der Festelektrolytschicht 131 auf der Seite angeordnet, die der Pumpelektrode 132 gegenüberliegt, sodass die Festelektrolytschicht 131 zwischen den Pumpelektroden 132 und 133 angeordnet ist. Die isolierende Schicht 113 ist in einem Bereich, in welchem die Pumpelektrode 133 angeordnet ist, und in einem Bereich um die Pumpelektrode 133 entfernt; und der resultierende Raum ist mit einem porösen Material 134 anstelle der isolierenden Schicht 113 gefüllt. Das poröse Material 134 ermöglicht eine Gas(Sauerstoff)-Bewegung zwischen der Pumpelektrode 133 und der Außenseite.
Der NOx-Messabschnitt 101 umfasst ferner eine Sauerstoffkonzentration-Messzelle 140. Die Sauerstoffkonzentration-Messzelle 140 umfasst eine Festelektrolytschicht 141, eine Messelektrode 142 und eine Referenzelektrode 143.
Die Festelektrolytschicht 141 ist im Wesentlichen aus Zirkonoxid gebildet, welches sauerstoffionenleitfähig ist. Ein Teil der Keramikschicht 116 ist in einem Bereich hinter der Festelektrolytschicht 131 entfernt; und der resultierende Raum ist mit der Festelektrolytschicht 141 anstelle der Keramikschicht 116 gefüllt.
Die Messelektrode 142 und die Referenzelektrode 143 sind im Wesentlichen aus Platin gebildet. Die Messelektrode 142 ist an der Festelektrolytschicht 141 so angeordnet, dass sie der ersten Messkammer 121 ausgesetzt ist. Die Referenzelektrode 143 ist an der Festelektrolytschicht 141 an der Seite angeordnet, die der Messelektrode 142 gegenüberliegt, sodass die Festelektrolytschicht 141 zwischen der Messelektrode 142 und der Referenzelektrode 143 angeordnet ist.
Der NOx-Messabschnitt 101 umfasst ferner eine Referenzsauerstoffkammer 146. Die Referenzsauerstoffkammer 146 ist ein Durchlassloch, welches durch Entfernen der isolierenden Schicht 117 in einen Bereich, in welchem die Referenzelektrode 143 angeordnet ist, und in einem Bereich um die Referenzelektrode 143 gebildet ist.
Der NOx-Messabschnitt 101 umfasst ferner eine zweite Messkammer 148. Die zweite Messkammer 148 ist hinter der Messelektrode 142 und der Referenzelektrode 143 so gebildet, dass sie die Festelektrolytschicht 141 und die isolierende Schicht 117 durchläuft. In dem NOx-Messabschnitt 101 wird Abgas, welches von der ersten Messkammer 121 ausgestoßen wird, in die zweite Messkammer 148 geführt.
Der NOx-Messabschnitt 101 umfasst ferner eine zweite Pumpzelle 150. Die zweite Pumpzelle 150 umfasst eine Festelektrolytschicht 151 und Pumpelektroden 152 und 153.
Die Festelektrolytschicht 151 ist im Wesentlichen aus Zirkonoxid gebildet, welches sauerstoffionenleitfähig ist. Die Keramikschicht 118 ist in einem Bereich, welcher der Referenzsauerstoffkammer 146 und der zweiten Messkammer 148 ausgesetzt ist, und in einem Bereich um diesen ausgesetzten Bereich entfernt; und der resultierende Raum ist mit der Festelektrolytschicht 151 anstelle der Keramikschicht 118 gefüllt.
Die Pumpelektroden 152 und 153 sind im Wesentlichen aus Platin gebildet. Die Pumpelektrode 152 ist an der Festelektrolytschicht 151 so angeordnet, dass sie der zweiten Messkammer 148 ausgesetzt ist. Die Pumpelektrode 153 ist an der Festelektrolytschicht 151 so angeordnet, dass sie der Referenzelektrode 143 gegenüberliegt, sodass die Referenzsauerstoffkammer 146 dazwischen angeordnet ist. Ein poröses Material 147 ist innerhalb der Referenzsauerstoffkammer 146 so angeordnet, dass es die Pumpelektrode 153 umgibt.
Der NOx-Messabschnitt 101 umfasst ferner einen Heizer 160. Der Heizer 160 ist ein hitzeerzeugender Widerstand, welcher im Wesentlichen aus Platin gebildet ist und Hitze erzeugt, wenn mit Energie versorgt, und ist zwischen den isolierenden Schichten 119 und 120 angeordnet.
Der Ammoniakmessabschnitt 102 ist an der äußeren Oberfläche des NOx-Messabschnitts 101 gebildet, genauer gesagt an der isolierenden Schicht 120. Der Ammoniakmessabschnitt 102 ist bezüglich der Richtung der axialen Linie O (die horizontale Richtung in 2) an im Wesentlichen derselben Position wie die Referenzelektrode 143 in dem NOx-Messabschnitt 101 angeordnet.
Der Ammoniakmessabschnitt 102 hat eine Struktur, welche durch Aufschichten einer porösen Schicht 211, einer Referenzelektrode 212, eines Festelektrolytkörpers 213 für Ammoniak und einer Messelektrode 214 in dieser Reihenfolge gebildet ist. Die poröse Schicht 211 ist aus demselben Material wie das Material des porösen Materials 134 gebildet und ist mit der Oberfläche der isolierenden Schicht 120 in Kontakt stehend angeordnet.
Die Referenzelektrode 212 ist im Wesentlichen aus Platin (Pt) gebildet, welches als Elektrodenmaterial dient, und ist insbesondere aus einem Material gebildet, welches Pt und Zirkonoxid (ZrO₂) enthält. Der Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak ist aus einem sauerstoffionenleitfähigen Material gebildet, beispielsweise Yttrium-dotiertem Zirkonoxid (YSZ). Die Referenzelektrode 212 ist eine dichte Schicht mit geringerer Porosität als die poröse Schicht 211. Die Messelektrode 214 ist im Wesentlichen aus Gold (Au) gebildet, welches als Elektrodenmaterial dient, und ist insbesondere aus einem Material gebildet, welches Au und Zirkonoxid (ZrO₂) enthält.
Daher wird an der Trennfläche zwischen der Referenzelektrode 212 und dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak eine Drei-Phasen-Grenze gebildet, an welcher Ammoniak mit der Referenzelektrode 212 und dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak in Kontakt kommt. Auf ähnliche Weise wird an der Trennfläche zwischen der Messelektrode 214 und dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak eine weitere Drei-Phasen-Grenze gebildet, an welcher Ammoniak mit der Messelektrode 214 und dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak in Kontakt kommt.
Der gesamte Ammoniakmessabschnitt 102 ist mit einer porösen Schutzschicht 220 bedeckt. Die poröse Schutzschicht 220 ist dazu konfiguriert, das Anhaften giftigen Materials an der Messelektrode 214 zu verhindern und die Diffusionsrate von Ammoniak, welches von der Außenseite in den Ammoniakmessabschnitt 102 strömt, zu steuern.
Die Steuerung 3 umfasst eine Steuerungsschaltung 180 und einen Mikrocomputer 190.
Die Steuerungsschaltung 180 ist eine Analogschaltung, welche auf einer Schaltplatine angeordnet ist. Die Steuerungsschaltung 180 umfasst eine Ip1-Treiberschaltung 181, eine Vs-Messschaltung 182, einen Referenzspannungskomperator 183, eine Icp-Versorgungsschältung 184, eine Vp2-Anlegeschaltung 185, eine Ip2-Messschaltung 186, eine Heizer-Treiberschaltung 187 und eine elektromotorische-Kraft-Messschaltung 188.
Die Pumpelektrode 132, die Messelektrode 142 und die Pumpelektrode 152 sind mit einem Referenzpotenzial verbunden. Die Pumpelektrode 133 ist mit der Ip1-Treiberschaltung 181 verbunden. Die Referenzelektrode 143 ist mit der Vs-Messschaltung 182 und der Icp-Versorgungsschaltung 184 verbunden. Die Pumpelektrode 153 ist mit der Vp2-Anlegeschaltung 185 und der Ip2-Messschaltung 186 verbunden. Der Heizer 160 ist mit der Heizer-Treiberschaltung 187 verbunden.
Die Ip1-Treiberschaltung 181 legt eine Spannung Vp1 zwischen der Pumpelektrode 132 und der Pumpelektrode 133 an, um einen ersten Pumpstrom Ip1 zu erzeugen und misst den erzeugten ersten Pumpstrom Ip1.
Die Vs-Messschaltung 182 misst die Spannung Vs zwischen der Messelektrode 142 und der Referenzelektrode 143 und gibt das Messergebnis an den Referenzspannungskomperator 183 aus.
Der Referenzspannungskomperator 183 vergleicht eine Referenzspannung (z. B. 425 mV) mit der Ausgabe der Vs-Messschaltung 182 (der Spannung Vs) und gibt das Vergleichsergebnis an die Ip1-Treiberschaltung 181 aus. Die Ip1-Treiberschaltung 181 steuert die Richtung und Stärke des ersten Pumpstroms Ip1 derart, dass die Spannung Vs gleich der Referenzspannung wird, wodurch die Konzentration an Sauerstoff in der ersten Messkammer 121 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, bei welchem eine Zersetzung von NOx nicht stattfindet.
Die Icp-Versorgungsschaltung 184 verursacht das Fließen eines kleinen Stroms Icp zwischen der Messelektrode 142 und der Referenzelektrode 143. Hierdurch wird Sauerstoff aus der ersten Messkammer 121 durch die Festelektrolytschicht 141 in die Referenzsauerstoffkammer 146 überführt und die Konzentration an Sauerstoff in der Referenzsauerstoffkammer 146 wird auf eine vorgegebene Sauerstoffkonzentration eingestellt, welche als Referenz dient.
Die Vp2-Anlegeschaltung 185 legt eine konstante Spannung Vp2 (z. B. 450 mV) zwischen der Pumpelektrode 152 und der Pumpelektrode 153 an. In der zweiten Messkammer 148 wird NOx durch die katalytische Wirkung der Pumpelektroden 152 und 153, welche in der zweiten Pumpzelle 150 enthalten sind, zersetzt (reduziert). Die als Ergebnis der Zersetzung erhaltenen Sauerstoffionen wandern in der Festelektrolytschicht 151 zwischen der Pumpelektrode 152 und der Pumpelektrode 153, sodass ein zweiter Pumpstrom Ip2 fließt. Die Ip2-Messschaltung 186 misst den zweiten Pumpstrom Ip2.
Die Heizer-Treiberschaltung 187 legt eine positive Spannung zur Energieversorgung des Heizers 160 an ein Ende des Heizers 160, welcher ein hitzeerzeugender Widerstand ist, an und legt eine negative Spannung zur Energieversorgung des Heizers 160 an das andere Ende des Heizers 160 an, um hierdurch den Heizer 160 zu betreiben.
Die elektromotorische-Kraft-Messschaltung 188 misst die elektromotorische Kraft zwischen der Referenzelektrode 212 und der Messelektrode 214 (hierin nachfolgend als eine Ammoniak-elektromotorische-Kraft EMF bezeichnet) und gibt an den Mikrocomputer 190 ein Signal aus, welches das Messergebnis repräsentiert.
Der Mikrocomputer 190 umfasst eine CPU 191, ROM 192, RAM 193 und eine Signaleingabe-/-ausgabeeinheit 194.
Die CPU 191 führt einen Prozess zum Steuern der Sensorelementeinheit 5 gemäß einem in dem ROM 192 gespeicherten Programm aus. Die Signaleingabe-/-ausgabeeinheit 194 ist mit der Ip1-Treiberschaltung 181, der Vs-Messschaltung 182, der Ip2-Messschaltung 186, der Heizer-Treiberschaltung 187 und der elektromotorische-Kraft-Messschaltung 188 verbunden. Die CPU 191 gibt über die Signaleingang-/-ausgabeeinheit 194 an die Heizer-Treiberschaltung 187 ein Treibersignal zum Steuern des Heizers 160 aus.
Die CPU 191 führt einen Prozess zum Entfernen des Einflusses der Sauerstoffkonzentration auf den Wert des zweiten Pumpstroms Ip2 und auf die Ammoniak-elektromotorische-Kraft EMF basierend auf verschiedenen, in dem ROM 192 gespeicherten Daten aus und führt ferner einen Prozess zur Berechnung von NOx-Konzentrationen aus, beispielsweise der Konzentration von NO und der Konzentration von NO₂ und der Konzentration von Ammoniak. Hinsichtlich dieser Prozesse bestehen keine besonderen Beschränkungen und beispielsweise können die in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-075546 beschriebenen Prozesse verwendet werden.
Der wie oben konfigurierte Ammoniakmessabschnitt 102 ist an der elektrisch isolierenden Schicht 120 angeordnet und weist eine Struktur auf, welche die Referenzelektrode 212, den Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak und die Messelektrode 214 umfasst, welche in dieser Reihenfolge auf der isolierenden Schicht 120 geschichtet sind. In dem Ammoniakmessabschnitt 102 ist eine Drei-Phasen-Grenze an der Trennfläche zwischen der Referenzelektrode 212 und dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak gebildet; und eine weitere Drei-Phasen-Grenze ist an der Trennfläche zwischen der Messelektrode 214 und dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak gebildet. Die Konzentration von Ammoniak in dem Abgas wird dadurch gemessen.
Der Ammoniakmessabschnitt 102 umfasst die poröse Schicht 211, welche aus einem elektrisch isolierenden porösen Material gebildet ist und zwischen der isolierenden Schicht 120 und der Referenzelektrode 212 angeordnet ist.
In dem wie oben konfigurierten Ammoniakmessabschnitt 102 ist die poröse Schicht 211 auf der Seite der Referenzelektrode 212 angeordnet, die dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak gegenüberliegt. Die poröse Schicht 211 hat viele Poren in ihrem Inneren und an ihrer Oberfläche. Daher ist es möglich, dass Ammoniak in der porösen Schicht 211 von einem Abschnitt, welcher dem Abgas ausgesetzt ist, in das Innere der porösen Schicht 211 strömt; und es ist möglich, dass das Ammoniak, welches innerhalb der porösen Schicht 211 strömt, zu der Referenzelektrode 212 strömt.
Die Menge von Ammoniak, welches durch die Referenzelektrode 212 hin zu dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak strömt, nimmt daher zu, was eine Zunahme der Fläche der Drei-Phasen-Grenze ermöglicht, an welcher Ammoniak mit der Referenzelektrode 212 und dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak in Kontakt kommt. Wenn eine Schichtung aus der Referenzelektrode 212 und dem Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak auf einer isolierenden Grünschicht 120 gebildet wird und diese gemeinsam gebrannt werden, kann die Referenzelektrode 212 verdichtet werden und die Fläche der Drei-Phasen-Grenze kann abnehmen. Selbst in diesem Fall ermöglicht die Zunahme des Einströmens von Ammoniak durch die poröse Schicht 211, dass die Verringerung der Fläche der Drei-Phasen-Grenze unterdrückt wird.
In dem Ammoniakmessabschnitt 102 kann die Zunahme der Impedanz des Ammoniakmessabschnitts 102 aufgrund des gemeinsamen Brennens auf die oben beschriebene Weise unterdrückt werden.
3 ist eine komplexe-Impedanz-Grafik für eine Struktur, welche durch Aufschichten einer porösen Schicht, einer Referenzelektrode und eines Festelektrolytkörpers auf ein Substrat gebildet wird (wie in 4(A) gezeigt) und für eine Struktur, welche durch Aufschichten einer Referenzelektrode und eines Festelektrolytkörpers auf ein Substrat gebildet wird (wie in 4(B) gezeigt). Eine Kurve L1 in 3 zeigt eine komplexe Impedanz für die in 4(A) gezeigte Struktur; und die Kurve L2 in 3 zeigt eine komplexe Impedanz für die in 4(B) gezeigte Struktur (Z' gibt den Realteil der Impedanz an, Z'' gibt den Imaginärteil der Impedanz an, wobei die Kurven L1 und L2 in Abhängigkeit der Frequenz Ω aufgetragen sind).
Wie in 3 gezeigt, kann durch Anordnen der porösen Schicht zwischen dem Substrat und der Referenzelektrode die Impedanz reduziert werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Ammoniakmessabschnitt 102 der Gassensor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und die isolierende Schicht 120 ist das isolierende Element gemäß dem ersten Aspekt. Der Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak ist der Festelektrolytkörper gemäß dem ersten Aspekt; und die poröse Schicht 211 ist die isolierende poröse Schicht gemäß dem ersten Aspekt.
Das Abgas ist die Zielumgebung gemäß dem ersten Aspekt; und Ammoniak ist das Messzielgas gemäß dem ersten Aspekt.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf 5 beschrieben. In der zweiten Ausführungsform werden Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben. Dieselben Bezugszeichen wie die der ersten Ausführungsform bezeichnen gleiche Komponenten und auf deren Beschreibung wird verwiesen.
Ein Multigasdetektor 1 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Multigasdetektor 1 gemäß ersten Ausführungsform dadurch, dass ein Ammoniakmessabschnitt 302 statt des Ammoniakmessabschnitts 102 verwendet wird.
Wie in 5 gezeigt, ist der Ammoniakmessabschnitt 302 an der isolierenden Schicht 120 gebildet und hat eine Struktur, welche die Referenzelektrode 212, einen Festelektrolytkörper 313 für Ammoniak und die Messelektrode 214 umfasst, welche in dieser Reihenfolge geschichtet sind.
Der Festelektrolytkörper 313 für Ammoniak umfasst eine poröse Schicht 313a und eine nicht-poröse Schicht 313b.
Die poröse Schicht 313a ist eine poröse Schicht, welche aus demselben Material gebildet ist wie das Material des Festelektrolytkörpers 213 für Ammoniak (d. h. ein sauerstoffionenleitfähiges Material, beispielsweise Yttrium-dotiertes Zirkonoxid (YSZ)), und ist an der Referenzelektrode 212 gebildet.
Die nicht-poröse Schicht 313b ist eine nicht-poröse Schicht, welche aus demselben Material gebildet ist wie das Material des Festelektrolytkörpers 213 für Ammoniak, und ist an der porösen Schicht 313a gebildet.
Der wie oben konfigurierte Ammoniakmessabschnitt 302 ist an der elektrisch isolierenden Schicht 120 angeordnet und weist eine Struktur auf, welche die Referenzelektrode 212, den Festelektrolytkörper 313 für Ammoniak und die Messelektrode 214 umfasst, welche in dieser Reihenfolge auf der isolierenden Schicht 120 aufgeschichtet sind. In dem Ammoniakmessabschnitt 302 ist eine Drei-Phasen-Grenze an der Trennfläche zwischen der Referenzelektrode 212 und dem Festelektrolytkörper 313 für Ammoniak gebildet; und eine weitere Drei-Phasen-Grenze ist an der Trennfläche zwischen der Messelektrode 214 und dem Festelektrolytkörper 313 für Ammoniak gebildet. Die Konzentration von Ammoniak im Abgas wird hierdurch gemessen.
In dem Ammoniakmessabschnitt 302 ist ein Teil des Festelektrolytkörpers 313 für Ammoniak, welcher mit der Referenzelektrode 212 in Kontakt steht, porös. Wie oben beschrieben, ist in dem Ammoniakmessabschnitt 302 die poröse Schicht 313a zwischen der nicht-porösen Schicht 313b und der Referenzelektrode 212 angeordnet. Es ist daher möglich, dass in der porösen Schicht 313a Ammoniak von einem Abschnitt 313a, welcher dem Abgas ausgesetzt ist, in das Innere der porösen Schicht 313a strömt; und es ist möglich, dass Ammoniak, welches innerhalb der porösen Schicht 313a strömt, zu der Referenzelektrode 212 strömt.
Die Menge von Ammoniak, welches durch den Festelektrolytkörper 313 für Ammoniak hin zu der Referenzelektrode 212 strömt, nimmt daher zu, und dadurch wird eine Zunahme der Fläche der Drei-Phasen-Grenze ermöglicht, an welcher Ammoniak mit der Referenzelektrode 212 und dem Festelektrolytkörper 313 für Ammoniak in Kontakt kommt. Wenn eine Schichtung der Referenzelektrode 212 und des Festelektrolytkörpers 313 für Ammoniak auf einer isolierenden Grünschicht 120 gebildet ist und diese gemeinsam gebrannt werden, kann die Referenzelektrode 212 verdichtet werden und die Fläche der Drei-Phasen-Grenze kann abnehmen. Selbst in diesem Fall ermöglicht die Zunahme des Einströmens von Ammoniak durch die poröse Schicht 313a, dass die Verringerung der Fläche der Drei-Phasen-Grenze unterdrückt wird.
In dem Ammoniakmessabschnitt 302 kann die Zunahme der Impedanz des Ammoniakmessabschnitts 302 aufgrund des gemeinsamen Brennens auf die oben beschriebene Weise unterdrückt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Ammoniakmessabschnitt 302 der Gassensor gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung; und der Festelektrolytkörper 313 für Ammoniak ist der Festelektrolytkörper gemäß dem zweiten Aspekt.
Während die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann auf unterschiedliche Weisen implementiert sein, solange diese in den technischen Umfang der Erfindung fallen.
In einer der Ausführungsformen misst beispielsweise der Ammoniakmessabschnitt 102 mit einer geschichteten Struktur umfassend die Referenzelektrode 212, den Festelektrolytkörper 213 für Ammoniak und die Messelektrode 214 die Konzentration von Ammoniak. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf den Gassensor beschränkt, welcher die Konzentration von Ammoniak misst. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf einen beliebigen Gassensor anwendbar, welcher die Konzentration eines von Ammoniak verschiedenen Gases misst, soweit der Gassensor eine aufgeschichtete Struktur hat, die eine Referenzelektrode, einen Festelektrolytkörper und eine Messelektrode umfasst.
In einer der Ausführungsformen ist der Ammoniakmessabschnitt 102 an der äußeren Oberfläche des NOx-Messabschnitts 101 gebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass der Ammoniakmessabschnitt an dem Gassensor gebildet ist. Der Ammoniakmessabschnitt 102 kann auf einem beliebigen elektrisch isolierenden Element gebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013-221930 [0004]
JP 2011-075546 [0069]

Claims

Gassensor (102), welcher die Konzentration eines Messzielgases in einer Zielumgebung misst, wobei der Gassensor auf einem elektrisch isolierenden Element (120) angeordnet ist und umfasst: eine Referenzelektrode (212), einen Festelektrolytkörper (213) und eine Messelektrode (214), welche in dieser Reihenfolge auf dem elektrisch isolierenden Element geschichtet sind, eine Drei-Phasen-Grenze, welche an der Trennfläche zwischen der Referenzelektrode und dem Festelektrolytkörper gebildet ist, eine weitere Drei-Phasen-Grenze, welche an der Trennfläche zwischen der Messelektrode und dem Festelektrolytkörper gebildet ist, wobei der Gassensor eine isolierende poröse Schicht (211) umfasst, welche aus einem elektrisch isolierenden porösen Material gebildet ist und zwischen dem elektrisch isolierenden Element und der Referenzelektrode angeordnet ist.
Gassensor (302), welcher die Konzentration eines Messzielgases in einer Zielumgebung misst, wobei der Gassensor auf einem elektrisch isolierenden Element (120) angeordnet ist und umfasst: eine Referenzelektrode (212), einen Festelektrolytkörper (313) und eine Messelektrode (214), welche in dieser Reihenfolge auf dem elektrisch isolierenden Element geschichtet sind, eine Drei-Phasen-Grenze, welche an der Trennfläche zwischen der Referenzelektrode und dem Festelektrolytkörper gebildet ist, eine weitere Drei-Phasen-Grenze, welche an der Trennfläche zwischen der Messelektrode und dem Festelektrolytkörper gebildet ist, wobei wenigstens ein Teil des Festelektrolytkörpers porös ist und der Teil des Festelektrolytkörpers mit der Referenzelektrode in Kontakt ist.