DE102022117491A1

DE102022117491A1 - Gassensorelement

Info

Publication number: DE102022117491A1
Application number: DE102022117491.3A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Watanabe; Shotaro NIIZUMA; Kirari Takahashi; Toshihiro Hirakawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2022-07-13
Publication date: 2023-03-30
Also published as: US20230112530A1; JP2023051017A

Abstract

Zum Unterdrücken einer Verschlechterung der Messgenauigkeit, bei gleichzeitiger Verminderung der Herstellungskosten eines Gassensorelements, ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung auf ein Gassensorelement gerichtet, enthaltend: einen Stapel, der durch Stapeln einer Vielzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten gebildet wird, und enthaltend einen Innenraum, der so konfiguriert ist, dass er ein Messzielgas von außen aufnimmt, eine erste Fläche, die an den Innenraum angrenzt, und eine zweite Fläche, die an einen Außenraum angrenzt; eine erste Pumpelektrode, die auf der ersten Fläche vorgesehen ist; eine zweite Pumpelektrode, die auf der zweiten Fläche vorgesehen ist; eine erste Leitung, die auf der ersten Fläche so ausgebildet ist, dass sie sich von der ersten Pumpelektrode aus erstreckt; und eine zweite Leitung, die auf der zweiten Fläche so ausgebildet ist, dass sie sich von der zweiten Pumpelektrode aus erstreckt, und so konfiguriert ist, dass sie elektrisch mit der ersten Leitung verbunden ist. Mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen weist eine Form mit einer Maximumstromdichte von 3,5 A/mm2oder weniger auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Es gibt Gassensorelemente, die aus einer Vielzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten bestehen (z.B. JP 2021-032787A ). Im Allgemeinen ist diese Art von Gassensorelement mit einem Innenraum versehen, in den ein Messzielgas eingeleitet wird, und ist weiterhin mit einem Paar von Pumpelektroden versehen, die jeweils dem Innenraum und dem Außenraum gegenüberliegen. Durch Anlegen einer Spannung an dieses Pumpelektrodenpaar kann Sauerstoff in den Außenraum gepumpt werden, und die Konzentration von Sauerstoff oder Oxiden (z.B. Stickoxiden) kann durch Messung des dabei fließenden Pumpstroms gemessen werden.
JP 2021-032787A ist ein Beispiel für den diesbezüglichen Stand der Technik.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass herkömmliche Gassensorelemente die folgenden Probleme aufweisen. Das heißt, ein Gassensorelement weist Leitungen auf, die elektrisch mit Pumpelektroden verbunden sind. Als Material für die Leitungen werden Edelmetalle wie Platin verwendet. Je größer der Querschnitt der Leitungen ist, desto höher sind die Herstellungskosten des Gassensorelements. Um die Herstellungskosten zu senken, ist es daher denkbar, die Querschnittsfläche der Leitungen zu verringern. Bei einer Verringerung der Querschnittsfläche der Leitungen erhöht sich jedoch der Widerstand der Leitungen, was zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit führen kann.
Als Beispiel wird das in JP 2021-032787A offenbarte Gassensorelement verwendet, um eine Ursache für eine Verschlechterung der Messgenauigkeit zu erklären. Das in JP 2021-032787A offenbarte Gassensorelement beinhaltet eine Hauptpumpzelle, eine Hilfspumpzelle und eine Messpumpzelle. Die Hauptpumpzelle besteht aus einer Innenpumpelektrode, die einem ersten Innenhohlraum zugewandt ist, einer Außenpumpelektrode, die in Kontakt mit einem Außenraum steht, und einer Festelektrolytschicht, die zwischen diesen Elektroden gehalten wird. Die Hilfspumpzelle besteht aus einer Hilfspumpelektrode, die einem zweiten Innenhohlraum zugewandt ist, einer Außenpumpelektrode und einer Festelektrolytschicht, die zwischen diesen Elektroden gehalten wird. Die Messpumpzelle besteht aus einer Messelektrode, die dem zweiten Innenhohlraum zugewandt ist, einer Außenpumpelektrode und einer Festelektrolytschicht, die zwischen diesen Elektroden gehalten wird. In diesem Gassensorelement wird die Sauerstoffkonzentration im Messzielgas durch die Hauptpumpzelle und die Hilfspumpzelle eingestellt, und die Stickoxidkonzentration im Messzielgas wird durch die Messpumpzelle gemessen.
Bei diesem Gassensorelement wird davon ausgegangen, dass die Querschnittsfläche der Leitungen, die mit den Elektroden der Hauptpumpzelle verbunden sind, verringert wird, um die Herstellungskosten zu senken. In diesem Fall erhöht sich der Widerstand der Elektroden der Hauptpumpzelle und der Leitungen aufgrund der kleineren Querschnittsfläche der Leitungen, was zu einer Erhöhung der an die Hauptpumpzelle angelegten Spannung führt. Wenn die an die Hauptpumpzelle angelegte Spannung zunimmt, ist es wahrscheinlicher, dass sich Stickstoffoxid im Bereich der Hauptpumpzelle zersetzt. Je höher die Sauerstoffkonzentration im Messzielgas ist, desto wahrscheinlicher ist zudem die Zersetzung des Stickstoffoxids und infolgedessen verschlechtert sich die Abhängigkeit des NO_x-Stroms (Strom, der in der Messpumpzelle fließt) von der Sauerstoffkonzentration im Messzielgas. Mit anderen Worten: die Linearität des NO_x-Stroms in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration im Messzielgas ist beeinträchtigt. Dies erschwert die Kalibrierung der Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration im Messzielgas und dem NO_x-Strom und kann zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit der Stickoxidkonzentration führen.
Dieses Problem ist nicht auf Fälle beschränkt, in denen die Querschnittsfläche der mit den Elektroden der Hauptpumpzelle verbundenen Leitungen vermindert ist, sondern kann auch auftreten, wenn die Querschnittsfläche der mit den Elektroden anderer Pumpzellen verbundenen Leitungen vermindert ist. Dieses Problem kann nicht nur bei Gassensorelementen auftreten, die für die Messung der Stickoxidkonzentration konfiguriert sind, sondern auch bei anderen Gassensorelementen, wie zum Beispiel solchen, die für die Messung der Sauerstoffkonzentration konfiguriert sind.
In einem Aspekt erfolgte die vorliegende Erfindung in Anbetracht dieser Umstände und es ist eine Aufgabe davon, eine Technik zur Unterdrückung einer Verschlechterung der Messgenauigkeit bei gleichzeitiger Verminderung der Herstellungskosten eines Gassensorelements bereitzustellen.
Um die vorstehend genannten Probleme zu lösen, nimmt die vorliegende Erfindung die folgende Konfiguration an.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Gassensorelement, enthaltend: einen Stapel, der durch Stapeln einer Vielzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten gebildet wird und enthaltend einen Innenraum, der so konfiguriert ist, dass er ein Messzielgas von außen aufnimmt, eine erste Fläche, die an den Innenraum angrenzt, und eine zweite Fläche, die an einen Außenraum angrenzt; eine erste Pumpelektrode, die auf der ersten Fläche vorgesehen ist; eine zweite Pumpelektrode, die auf der zweiten Fläche vorgesehen ist; eine erste Leitung, die auf der ersten Fläche so ausgebildet ist, dass sie sich von der ersten Pumpelektrode aus erstreckt; und eine zweite Leitung, die auf der zweiten Fläche so ausgebildet ist, dass sie sich von der zweiten Pumpelektrode aus erstreckt, und so konfiguriert ist, dass sie elektrisch mit der ersten Leitung verbunden ist. Mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen weist eine Form mit einer Maximumstromdichte von 3,5 A/mm² oder weniger auf.
In dem Gassensorelement gemäß dieser Konfiguration ist mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen so eingestellt, dass sie eine Maximumstromdichte von 3,5 A/mm² oder weniger aufweist. Die Stromdichte wird durch den relationalen Ausdruck „Stromdichte = Strom / Querschnittsfläche (Elektrodenfläche)“ bestimmt. Diesem Beziehungsausdruck zufolge ergibt eine größere Querschnittsfläche eine kleinere (maximale) Stromdichte und eine kleinere Querschnittsfläche eine größere (maximale) Stromdichte. Wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, die Herstellungskosten des Gassensors zu vermindern, indem man die Querschnittsfläche der Leitungen verkleinert (was die Maximumstromdichte erhöht), aber diese Konfiguration kann möglicherweise zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit führen. Andererseits haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die nachstehend beschriebenen Beispiele durchgeführt und festgestellt, dass es möglich ist, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit zu unterdrücken, wenn die Maximumstromdichte 3,5 A/mm² oder weniger beträgt. Somit ist es mit dieser Konfiguration möglich, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit zu unterdrücken, um gleichzeitig die Herstellungskosten zu vermindern, indem die Querschnittsfläche der Leitungen auf der Grundlage der Maximumstromdichte vermindert wird (d.h. so, dass die Maximumstromdichte 3,5 A/mm² oder weniger beträgt).
Unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung einer Verschlechterung der Messgenauigkeit kann mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen eine Maximumstromdichte aufweisen, die auf 3,4, 3,3, 3,2, 3,1, 3,0, 2,9, 2,8, 2,7, 2,6, 2,5, 2,4, 2,3, 2,2, 2,1, 2,0, 1,9, 1,8, 1,7, 1,6, 1,5, 1,4, 1,3, 1,2, 1,1 oder 1,0 A/mm² oder weniger eingestellt ist. Es ist möglich, die Herstellungskosten zu senken und auch eine Verschlechterung der Messgenauigkeit zu unterdrücken, indem die Querschnittsfläche der Leitungen so vergrößert wird, dass die Maximumstromdichte nahe an diesen Referenzwerten liegt.
In dem Gassensorelement gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt ist es auch möglich, dass die mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen eine Leitung mit einem höheren Widerstand von den ersten und zweiten Leitungen ist. Wie vorstehend beschrieben, erhöht ein höherer Widerstand die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Messzielgas zersetzt, bevor es die Messzelle erreicht, was zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit führen kann. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit in geeigneter Weise zu unterdrücken, um gleichzeitig die Herstellungskosten zu vermindern, indem die Maximumstromdichte der Leitung mit einem höheren Widerstand auf 3,5 A/mm² oder weniger festgelegt wird.
In dem Gassensorelement gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt ist es auch möglich, dass mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen enthält: eine Vielzahl von Säulen, die sich jeweils in einer ersten Richtung erstrecken; und eine Vielzahl von Verbindungsabschnitten, die sich jeweils in einer zweiten Richtung erstrecken, die die erste Richtung schneidet, und die jeweils mit zwei benachbarten Säulen aus der Vielzahl von Säulen verbunden sind, und eine Lücke zwischen zwei Verbindungsabschnitten aus der Vielzahl von Verbindungsabschnitten, die in der ersten Richtung zueinander benachbart sind, vorgesehen ist. Mit dieser Konfiguration kann, verglichen mit dem Fall einer festen Struktur, die Menge an Material, die für die Leitungen verwendet wird, durch die Größe der vorgesehenen Lücken unterdrückt werden, und somit ist es möglich, die Herstellungskosten des Gassensors zu vermindern.
In dem Gassensorelement gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt ist es auch möglich, dass jeder der Verbindungsabschnitte zwei Endabschnitte, die jeweils mit zwei benachbarten Säulen verbunden sind, und einen Mittelabschnitt aufweist, der sich in einem Abstand von den zwei Endabschnitten befindet, und dass mindestens einer der zwei Endabschnitte des Verbindungsabschnitts eine größere Breite als der Mittelabschnitt aufweist. Wenn Strom fließt, kann es an den Endabschnitten der Verbindungsabschnitte zu Spannung kommen. Diese Spannung neigt dazu, eine Beschädigung (z.B. einen Bruch) an den Endabschnitten der Verbindungsabschnitte zu verursachen. Bei dieser Konfiguration haben die Endabschnitte eine größere Breite als der Mittelabschnitt und so kann ein Bruch an den Endabschnitten unterdrückt werden, was eine Verbesserung der Haltbarkeit der Leitungen zur Folge aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit zu unterdrücken, während gleichzeitig die Herstellungskosten für ein Gassensorelement vermindert werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für die Konfiguration eines Sensorelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2A ist eine schematische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für eine Leitung gemäß der Ausführungsform zeigt.
2B ist eine schematische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für eine Leitung gemäß der Ausführungsform zeigt.
3 ist eine schematische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für eine Leitung gemäß einem Modifizierungsbeispiel zeigt.
4 ist eine vergrößerte schematische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für eine Leitung gemäß einem Modifizierungsbeispiel zeigt.
5 ist eine schematische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für eine Leitung gemäß einem Modifizierungsbeispiel zeigt.
6 ist eine schematische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für eine Leitung gemäß einem Modifizierungsbeispiel zeigt.
7 ist eine schematische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für eine Leitung gemäß einem Modifizierungsbeispiel zeigt.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird eine Ausführungsform gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung (im Folgenden auch als „die Ausführungsform“ bezeichnet) unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Ausführungsform, die nachstehend beschrieben wird, in jeder Hinsicht nur ein Beispiel für die Erfindung ist. Es wird deutlich, dass verschiedene Verbesserungen oder Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Bei der Umsetzung der Erfindung können spezielle Konfigurationen gemäß der Ausführungsform als angemessen angenommen werden.
Ein Gassensorelement gemäß dieser Ausführungsform enthält einen Stapel, eine erste Pumpelektrode, eine zweite Pumpelektrode, eine erste Leitung und eine zweite Leitung. Der Stapel wird durch Stapeln einer Vielzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten gebildet und enthält einen Innenraum, der so konfiguriert ist, dass er ein Messzielgas von außen aufnimmt, eine erste Fläche, die an den Innenraum angrenzt, und eine zweite Fläche, die an einen Außenraum angrenzt. Der Zustand „benachbart“ kann ein Zustand sein, in dem sie direkt an einen Raum angrenzt, oder ein Zustand, in dem sie indirekt über eine Beschichtung oder dergleichen an einen Raum angrenzt. Die erste Pumpelektrode ist auf der ersten Fläche und die zweite Pumpelektrode ist auf der zweiten Fläche angeordnet. Die erste Leitung ist auf der ersten Fläche so ausgebildet, dass sie sich von der ersten Pumpelektrode aus erstreckt. Die zweite Leitung ist auf der zweiten Fläche so ausgebildet, dass sie sich von der zweiten Pumpelektrode aus erstreckt, und ist so konfiguriert, dass sie mit der ersten Leitung elektrisch verbunden ist. Mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen weist eine Form mit einer Maximumstromdichte von 3,5 A/mm² oder weniger auf. Nachfolgend wird ein Beispiel für ein Gassensorelement mit dieser Konfiguration beschrieben.
Beispiel für eine Konfiguration
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für die Konfiguration eines Gassensorelements 100 gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Das Gassensorelement 100 enthält einen Stapel, der durch Stapeln einer ersten Substratschicht 1, einer zweiten Substratschicht 2, einer dritten Substratschicht 3, einer ersten Festelektrolytschicht 4, einer Abstandshalterschicht 5 und einer zweiten Festelektrolytschicht 6 nacheinander von der unteren Seite in der Querschnittsansicht in 1 gebildet wird. Die Schichten 1 bis 6 bestehen aus sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) oder dergleichen. Der Festelektrolyt, der die Schichten 1 bis 6 bildet, kann aus einem dichten Material bestehen. Das dichte Material ist ein Material mit einer Porosität von 5 % oder weniger.
In dieser Ausführungsform ist zwischen einer Unterseite 62 der zweiten Festelektrolytschicht 6 und einer Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 an einem vorderen Ende des Gassensorelements 100 ein Innenraum vorgesehen, der so konfiguriert ist, dass er ein Messzielgas aus einem Außenraum aufnehmen kann. Der Innenraum gemäß dieser Ausführungsform ist so konfiguriert, dass eine Gaseinlassöffnung 10, eine erste Diffusionssteuereinheit 11, ein Pufferraum 12, eine zweite Diffusionssteuereinheit 13, ein erster Innenhohlraum 15, eine dritte Diffusionssteuereinheit 16, ein zweiter Innenhohlraum 17, eine vierte Diffusionssteuereinheit 18 und ein dritter Innenhohlraum 19 in dieser Reihenfolge benachbart zueinander in einer verbundenen Weise angeordnet sind. Mit anderen Worten, der Innenraum gemäß dieser Ausführungsform weist eine Drei-Hohlraum-Struktur auf (der erste Innenhohlraum 15, der zweite Innenhohlraum 17 und der dritte Innenhohlraum 19).
In einem Beispiel wird dieser Innenraum durch Ausschneiden der Abstandshalterschicht 5 gebildet. Der obere Abschnitt des Innenraums wird durch die Unterseite 62 der zweiten Festelektrolytschicht 6 definiert. Der untere Abschnitt des Innenraums wird durch die Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 definiert. Die Seitenabschnitte des Innenraums werden durch die Seitenflächen der Abstandshalterschicht 5 definiert.
Die erste Diffusionssteuereinheit 11 ist als zwei seitlich lange Schlitze ausgebildet (deren Öffnungen die Längsrichtung haben, die senkrecht zum Schnitt des Diagramms verläuft). Die zweite Diffusionssteuereinheit 13 und die dritte Diffusionssteuereinheit 16 sind als Löcher ausgebildet, deren Länge in der Richtung senkrecht zum Schnitt des Diagramms kürzer ist als die der Innenhohlräume (15, 17 und 19). Die vierte Diffusionssteuereinheit 18 ist als Loch ausgeführt, das nur an der Oberseite in der Richtung senkrecht zum Schnitt des Diagramms offen ist. Die Region (Innenraum) von der Gaseinlassöffnung 10 bis zum dritten Innenhohlraum 19 kann als Gasströmungskanal bezeichnet werden.
Darüber hinaus ist ein Referenzgaseinführungsraum 43 mit Seitenabschnitten, die durch die Seitenflächen der ersten Festelektrolytschicht 4 definiert sind, zwischen der Oberseite der dritten Substratschicht 3 und der Unterseite der Abstandshalterschicht 5 an einer Position vorgesehen, die von der Vorderseite weiter entfernt ist als der Gasströmungskanal. Beispielsweise wird Referenzgas wie Luft in den Referenzgaseinführungsraum 43 eingeleitet.
Eine Lufteinführungsschicht 48 ist an einem Teil der Oberseite der dritten Substratschicht 3 neben dem Referenzgaseinführungsraum 43 vorgesehen. Die Lufteinführungsschicht 48 besteht aus porösem Aluminiumoxid und ist so konfiguriert, dass sie Referenzgas aufnimmt, das über den Referenzgaseinführungsraum 43 eingeführt wird. Außerdem ist die Lufteinführungsschicht 48 so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt.
Die Referenzelektrode 42 befindet sich zwischen der Oberseite der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 und ist von der Lufteinführungsschicht 48 bedeckt, die mit dem Referenzgaseinführungsraum 43 verbunden ist. Die Referenzelektrode 42 dient zur Messung der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten Innenhohlraum 15 und dem zweiten Innenhohlraum 17. Diese Konfiguration wird später im Einzelnen beschrieben.
Die Gaseinlassöffnung 10 ist eine zum Außenraum hin offene Region im Gasströmungskanal. Das Gassensorelement 100 ist so konfiguriert, dass es ein Messzielgas aus dem Außenraum über die Gaseinlassöffnung 10 in das Gassensorelement einleitet.
Die erste Diffusionssteuereinheit 11 ist eine Region, die einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das von der Gaseinlassöffnung 10 eingeleitete Messzielgas ausübt.
Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der vorgesehen ist, um das von der ersten Diffusionssteuereinheit 11 eingeleitete Messzielgas zur zweiten Diffusionssteuereinheit 13 zu leiten.
Die zweite Diffusionssteuereinheit 13 ist eine Region, die einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das aus dem Pufferraum 12 in den ersten Innenhohlraum 15 eingeleitete Messzielgas ausübt.
Wenn das Messzielgas aus dem Außenraum des Gassensorelements 100 in den ersten Innenhohlraum 15 eingeleitet wird, kann das Messzielgas aufgrund einer Änderung des Drucks des Messzielgases im Außenraum (eine Pulsation des Abgasdrucks in dem Fall, in dem das Messzielgas Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) abrupt von der Gaseinlassöffnung 10 in das Gassensorelement 100 eingeleitet werden. Auch in diesem Fall wird gemäß dieser Konfiguration das eingeleitete Messzielgas nicht direkt in den ersten Innenhohlraum 15 eingeleitet, sondern wird in den ersten Innenhohlraum 15 eingeleitet, nachdem es die erste Diffusionssteuereinheit 11, den Pufferraum 12 und die zweite Diffusionssteuereinheit 13 passiert hat, wo eine Änderung der Konzentration des Messzielgases aufgehoben wird. Folglich wird eine Änderung der Konzentration des in den ersten Innenhohlraum 15 eingeleiteten Messzielgases so weit vermindert, dass sie nahezu vernachlässigbar ist.
Der erste Innenhohlraum 15 ist als Raum für die Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks in dem über die zweite Diffusionssteuereinheit 13 eingeführten Messzielgas vorgesehen. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer Innenpumpelektrode 22, einer Außenpumpelektrode 23 und der zweiten, zwischen diesen Elektroden gehaltenen Festelektrolytschicht 6 besteht. Die Innenpumpelektrode 22 weist einen Deckenelektrodenabschnitt 22a auf, der sich im Wesentlichen über die gesamte Unterseite 62 der zweiten Festelektrolytschicht 6 erstreckt, die an den ersten Innenhohlraum 15 angrenzt (diesem gegenüberliegt). Die Außenpumpelektrode 23 ist so vorgesehen, dass sie an den Außenraum angrenzt, in der Region, die dem Deckenelektrodenabschnitt 22a entspricht, auf einer Oberseite 63 der zweiten Festelektrolytschicht 6.
Die Innenpumpelektrode 22 ist zwischen oberen und unteren Festelektrolytschichten (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4), die den ersten Innenhohlraum 15 definieren, und der Abstandshalterschicht 5, die Seitenwände bildet, ausgebildet. Insbesondere ist der Deckenelektrodenabschnitt 22a an der Unterseite 62 der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die die Deckenfläche des ersten Innenhohlraums 15 bildet, und ein Bodenelektrodenabschnitt 22b ist an der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die die Bodenfläche bildet. Seitenelektrodenabschnitte (nicht dargestellt), die den Deckenelektrodenabschnitt 22a und den Bodenelektrodenabschnitt 22b verbinden, sind an Seitenwandflächen (Innenflächen) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die zwei Seitenwandabschnitte des ersten Innenhohlraums 15 bilden. Das heißt, die Innenpumpelektrode 22 ist in Form eines Tunnels in der Region angeordnet, in der die Seitenelektrodenabschnitte angeordnet sind.
Die Innenpumpelektrode 22 und die Außenpumpelektrode 23 sind als poröse Cermet-Elektroden ausgebildet (z.B. Cermet-Elektroden aus Pt und ZrO₂ mit 1 % Au). Es ist zu beachten, dass die Innenpumpelektrode 22, mit der das Messzielgas in Kontakt gebracht wird, aus einem Material besteht, das eine verringerte Fähigkeit zur Reduzierung einer Stickoxidkomponente (NO_x) im Messzielgas aufweist.
Das Gassensorelement 100 ist so konfiguriert, dass die Hauptpumpzelle 21 eine gewünschte Pumpspannung Vp0 an einen Punkt zwischen der Innenpumpelektrode 22 und der Außenpumpelektrode 23 anlegen kann, wodurch ein Pumpstrom Ip0 in positiver oder negativer Richtung zwischen der Innenpumpelektrode 22 und der Außenpumpelektrode 23 fließt, so dass Sauerstoff im ersten Innenhohlraum 15 in den Außenraum gepumpt wird oder Sauerstoff im Außenraum in den ersten Innenhohlraum 15 gepumpt wird.
Um die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in der Atmosphäre in dem ersten Innenhohlraum 15 zu erfassen, bilden die Innenpumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 eine Hauptpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle 80 (d.h. eine elektrochemische Sensorzelle).
Das Gassensorelement 100 ist so konfiguriert, dass es in der Lage ist, die Sauerstoffkonzentration (den Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten Innenhohlraum 15 durch Messung einer elektromotorischen Kraft V0 in der Hauptpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle 80 zu bestimmen. Außerdem wird der Pumpstrom Ip0 durch eine Rückkopplungssteuerung von Vp0 so gesteuert, dass die elektromotorische Kraft V0 konstant gehalten wird. Dementsprechend kann die Sauerstoffkonzentration in dem ersten Innenhohlraum 15 auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden.
Die dritte Diffusionssteuereinheit 16 ist eine Region, die einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das Messzielgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 im ersten Innenhohlraum 15 gesteuert wurde, wodurch das Messzielgas zum zweiten Innenhohlraum 17 geleitet wird.
Der zweite Innenhohlraum 17 ist als Raum für die weitere Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks in dem über die dritte Diffusionssteuereinheit 16 eingeleiteten Messzielgas vorgesehen. Dieser Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hilfspumpzelle 50 eingestellt.
Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die aus einer Hilfspumpelektrode 51, der Außenpumpelektrode 23 (die nicht auf die Außenpumpelektrode 23 beschränkt ist und jede geeignete Elektrode außerhalb des Gassensorelements 100 sein kann) und der zweiten Festelektrolytschicht 6 besteht. Die Hilfspumpelektrode 51 weist einen Deckenelektrodenabschnitt 51a auf, der im Wesentlichen auf der gesamten Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen ist, die dem zweiten Innenhohlraum 17 zugewandt ist.
Die Hilfspumpelektrode 51 mit dieser Konfiguration ist innerhalb des zweiten Innenhohlraums 17 in Form eines Tunnels angeordnet, wie bei der vorstehend beschriebenen Innenpumpelektrode 22, die innerhalb des ersten Innenhohlraums 15 angeordnet ist. Das heißt, der Deckenelektrodenabschnitt 51a ist an der Unterseite 62 der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die die Deckenfläche des zweiten Innenhohlraums 17 bildet, und ein Bodenelektrodenabschnitt 51 b ist an der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die die Bodenfläche des zweiten Innenhohlraums 17 bildet. Seitenelektrodenabschnitte (nicht dargestellt), die den Deckenelektrodenabschnitt 51a und den Bodenelektrodenabschnitt 51b verbinden, sind jeweils an zwei Wandflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die Seitenwände des zweiten Innenhohlraums 17 bilden. Dementsprechend weist die Hilfspumpelektrode 51 eine Struktur in Form eines Tunnels auf.
Man beachte, dass die Hilfspumpelektrode 51 ebenfalls aus einem Material besteht, das wie die Innenpumpelektrode 22 eine geringere Fähigkeit aufweist, eine Stickoxidkomponente im Messzielgas zu reduzieren.
Das Gassensorelement 100 ist so konfiguriert, dass die Hilfspumpzelle 50 eine gewünschte Spannung Vp1 an einen Punkt zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Außenpumpelektrode 23 anlegen kann, so dass Sauerstoff aus der Atmosphäre im zweiten Innenhohlraum 17 in den Außenraum gepumpt wird oder Sauerstoff im Außenraum in den zweiten Innenhohlraum 17 gepumpt wird.
Um den Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre im zweiten Innenhohlraum 17 zu steuern, bilden die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 eine Hilfspumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle 81 (d.h. eine elektro-chemische Sensorzelle).
Man beachte, dass die Hilfspumpzelle 50 den Pumpvorgang unter Verwendung einer variablen Stromquelle 52 durchführt, deren Spannung auf der Grundlage einer elektromotorischen Kraft V1 gesteuert wird, die von der Hilfspumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle 81 erfasst wird. Dementsprechend wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre im zweiten Innenhohlraum 17 auf einen Partialdruck gesteuert, der niedrig genug ist, um die Messung von NO_x nicht wesentlich zu beeinflussen.
Darüber hinaus wird ein Pumpstrom Ip1 auch verwendet, um die elektromotorische Kraft der Hauptpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle 80 zu steuern. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 als Steuersignal in die Hauptpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle 80 eingegeben und die elektromotorische Kraft V0 wird so gesteuert, dass ein Gradient des Sauerstoffpartialdrucks im Messzielgas, das von der dritten Diffusionssteuereinheit 16 in den zweiten Innenhohlraum 17 eingeführt wird, immer konstant gehalten wird. Wenn der Sensor als NO_x-Sensor verwendet wird, wird die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenhohlraum 17 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
Die vierte Diffusionssteuereinheit 18 ist eine Region, die einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das Messzielgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch einen Betrieb der Hilfspumpzelle 50 im zweiten Innenhohlraum 17 gesteuert wurde, wodurch das Messzielgas zum dritten Innenhohlraum 19 geleitet wird.
Der dritte Innenhohlraum 19 ist als Raum für die Durchführung von Verarbeitung zur Messung der Konzentration von Stickstoffoxid (NO_x) in dem über die vierte Diffusionssteuereinheit 18 eingeführten Messzielgas vorgesehen. Die NO_x-Konzentration wird durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 gemessen. In dieser Ausführungsform wird das Messzielgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) zuvor im ersten Innenhohlraum 15 eingestellt und dann über die dritte Diffusionssteuereinheit eingeleitet wurde, durch die Hilfspumpzelle 50 im zweiten Innenhohlraum 17 einer weiteren Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks unterzogen. Dadurch kann die Konzentration des Sauerstoffs im Messzielgas, das aus dem zweiten Innenhohlraum 17 in den dritten Innenhohlraum 19 eingeleitet wird, genau konstant gehalten werden. Somit kann das Gassensorelement 100 gemäß dieser Ausführungsform die Konzentration von NO_x mit hoher Präzision messen.
Die Messpumpzelle 41 misst die Konzentration von Stickstoffoxid im Messzielgas im dritten Innenhohlraum 19. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die durch eine Messelektrode 44, die Außenpumpelektrode 23, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 gebildet wird. In dem Beispiel in 1 ist die Messelektrode 44 auf der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 vorgesehen, die an den dritten Innenhohlraum 19 angrenzt (diesem gegenüberliegt).
Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode. Die Messelektrode 44 fungiert auch als NO_x-Reduktionskatalysator zur Reduzierung von NO_x, das in der Atmosphäre im dritten Innenhohlraum 19 vorhanden ist. In dem Beispiel in 1 ist die Messelektrode 44 in dem dritten Innenhohlraum 19 freiliegend. In einem anderen Beispiel kann die Messelektrode 44 durch eine Diffusionssteuereinheit abgedeckt sein. Die Diffusionssteuereinheit kann aus einer porösen Membran bestehen, die hauptsächlich aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht. Die Diffusionssteuereinheit dient dazu, die in die Messelektrode 44 einströmende NO_x-Menge zu begrenzen, und fungiert auch als Schutzmembran für die Messelektrode 44.
Das Gassensorelement 100 ist so konfiguriert, dass die Messpumpzelle 41 Sauerstoff abpumpen kann, der durch die Zersetzung von Stickoxid in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 herum erzeugt wird, und die erzeugte Menge als Pumpstrom Ip2 erfasst.
Um den Sauerstoffpartialdruck um die Messelektrode 44 herum zu erfassen, bilden die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 eine Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle 82 (d.h. eine elektrochemische Sensorzelle). Eine variable Stromquelle 46 wird auf der Grundlage einer Spannung (einer elektromotorischen Kraft) V2 gesteuert, die von der Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle 82 erfasst wird.
Das in den dritten Innenhohlraum 19 geleitete Messzielgas erreicht die Messelektrode 44 in einem Zustand, in dem der Sauerstoffpartialdruck gesteuert wird. Das im Messzielgas um die Messelektrode 44 enthaltene Stickstoffoxid wird reduziert, um Sauerstoff zu erzeugen (2NO → N₂ + O₂). Der erzeugte Sauerstoff wird von der Messpumpzelle 41 gepumpt und zu diesem Zeitpunkt wird eine Spannung Vp2 der variablen Stromquelle so gesteuert, dass eine Steuerspannung V2, die die Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle 82 erfasst, konstant gehalten wird. Die um die Messelektrode 44 herum erzeugte Sauerstoffmenge ist proportional zur Stickoxidkonzentration im Messzielgas, so dass es möglich ist, die Stickoxidkonzentration im Messzielgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 an der Messpumpzelle 41 zu berechnen.
Wenn die Messelektrode 44, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 kombiniert werden, um ein Sauerstoffpartialdruck-Erfassungsmittel als elektrochemische Sensorzelle zu bilden, ist es außerdem möglich, eine elektromotorische Kraft zu detektieren, die einer Differenz zwischen der Sauerstoffmenge, die durch die Reduktion einer NO_x-Komponente in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 herum erzeugt wird, und der in der Referenzluft enthaltenen Sauerstoffmenge entspricht. Auch mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Konzentration der Stickoxidkomponente im Messzielgas zu bestimmen.
Außerdem bilden die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die Außenpumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle 83. Das Gassensorelement 100 ist so konfiguriert, dass es in der Lage ist, den Sauerstoffpartialdruck in dem Messzielgas außerhalb des Sensors auf der Grundlage einer elektromotorischen Kraft Vref, die von der Sensorzelle 83 erhalten wird, zu erfassen.
In dem Gassensorelement 100 mit dieser Konfiguration kann, wenn die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 arbeiten, das Messzielgas, dessen Sauerstoffpartialdruck immer auf einem konstant niedrigen Wert gehalten wird (ein Wert, der die NO_x-Messung nicht wesentlich beeinflusst), der Messpumpzelle 41 zugeführt werden. Dementsprechend ist das Gassensorelement 100 so konfiguriert, dass es in der Lage ist, die Stickoxidkonzentration im Messzielgas zu bestimmen, auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2, der fließt, wenn der durch die Reduktion von NO_x erzeugte Sauerstoff von der Messpumpzelle 41 im Wesentlichen proportional zur Stickoxidkonzentration im Messzielgas abgepumpt wird.
Um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu verbessern, enthält das Gassensorelement 100 außerdem einen Heizer 70, der dazu dient, die Temperatur des Gassensorelements 100 durch Erwärmung und Wärmerückhaltung einzustellen. In dem Beispiel in 1 enthält der Heizer 70 eine Heizerelektrode 71, eine Wärmeerzeugungseinheit 72, eine Leitungseinheit 73, eine Heizerisolierschicht 74 und eine Druckverteilungsöffnung 75. Die Leitungseinheit 73 kann durch eine Durchgangsbohrung gebildet werden.
In dieser Ausführungsform ist der Heizer 70 an einer Position angeordnet, die in Dickenrichtung (vertikale Richtung/Stapelrichtung) des Gassensorelements 100 näher an der Unterseite des Gassensorelements 100 liegt als an der Oberseite des Gassensorelements 100. Es ist zu beachten, dass die Anordnung des Heizers 70 nicht auf ein solches Beispiel beschränkt ist und je nach Ausführungsform entsprechend gewählt werden kann.
Die Heizerelektrode 71 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie mit der Unterseite der ersten Substratschicht 1 (der Unterseite des Gassensorelements 100) in Kontakt steht. Wenn die Heizerelektrode 71 an eine äußere Stromquelle angeschlossen ist, kann dem Heizer 70 von außen Strom zugeführt werden.
Die Wärmeerzeugungseinheit 72 ist ein elektrischer Widerstand, der so ausgebildet ist, dass er zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 von oben und unten gehalten wird. Die Wärmeerzeugungseinheit 72 ist über die Leitungseinheit 73 mit der Heizerelektrode 71 verbunden, und wenn Elektrizität von außen über die Heizerelektrode 71 zugeführt wird, erzeugt der Heizer 72 Wärme, wodurch ein Festelektrolyt, der das Gassensorelement 100 bildet, erhitzt und auf Temperatur gehalten wird.
Außerdem ist der Heizer 72 über die gesamte Region vom ersten Innenhohlraum 15 bis zum zweiten Innenhohlraum 17 eingebettet und so kann das gesamte Gassensorelement 100 auf eine Temperatur eingestellt werden, bei der der vorstehend beschriebene Festelektrolyt aktiviert wird.
Die Heizerisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht, die aus einem Isolierelement aus Aluminiumoxid oder dergleichen auf der Ober- und Unterseite der Wärmeerzeugungseinheit 72 besteht. Die Heizerisolierschicht 74 wird gebildet, um die elektrische Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Wärmeerzeugungseinheit 72 und zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Wärmeerzeugungseinheit 72 sicherzustellen.
Die Druckverteilungsöffnung 75 ist ein Loch, das sich durch die dritte Substratschicht 3 hindurch erstreckt und mit dem Referenzgaseinführungsraum 43 verbunden ist und gebildet wird, um einen Anstieg des Innendrucks in Übereinstimmung mit einem Anstieg der Temperatur in der Heizerisolierschicht 74 zu vermindern.
Gemäß einem Beispiel des Herstellungsverfahrens werden beispielsweise Verfahren wie die vorbestimmte Bearbeitung und der Druck von Verdrahtungsmustern auf keramische Grünplatten durchgeführt, die den jeweiligen Schichten entsprechen. Nach Durchführung der Verfahren werden die Platten gestapelt und durch Brennen integriert. So kann das Gassensorelement 100 hergestellt werden.
Leitungsstruktur
2A und 2B sind schematische Ansichten, die schematisch ein Beispiel für die Leitungsstruktur der Hauptpumpzelle 21 zeigen. 2A zeigt schematisch ein Beispiel für die Leitung 92, die mit der Außenpumpelektrode 23 verbunden ist, und 2B zeigt schematisch ein Beispiel für die Leitung 93, die mit der Innenpumpelektrode 22 verbunden ist.
In dem Beispiel in 2B ist die Leitung 93 auf der Unterseite 62 der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen. Die Unterseite 62 der zweiten Festelektrolytschicht 6 ist ein Beispiel für die erste Fläche, die an den Innenraum angrenzt. Darüber hinaus ist die Innenpumpelektrode 22, die auf der Unterseite 62 vorgesehen ist, ein Beispiel für die erste Pumpelektrode.
In dieser Ausführungsform weist die Innenpumpelektrode 22 eine Struktur in Form eines Tunnels auf, und daher muss die Fläche, auf der die Leitung 93 vorgesehen ist, nicht auf die Unterseite 62 der zweiten Festelektrolytschicht 6 beschränkt sein. In einem anderen Beispiel kann die Leitung 93 auf einer beliebigen Fläche der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Seitenflächen der Abstandshalterschicht 5 vorgesehen sein. In diesem Fall ist die Fläche, auf der die Leitung 93 vorgesehen ist, ein Beispiel für die erste Fläche.
In dem Beispiel in 2B ist die Innenpumpelektrode 22 (der Deckenelektrodenabschnitt 22a) in Form eines Rechtecks ausgebildet. Es ist zu beachten, dass die Form der Innenpumpelektrode 22 nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist und entsprechend der Ausführungsform gewählt werden kann.
Die Leitung 93 erstreckt sich von der Innenpumpelektrode 22 (dem Deckenelektrodenabschnitt 22a) zu einem Anschluss T2. Der Anschluss T2 kann je nach Ausführungsform in geeigneter Weise angeordnet sein. In dem Beispiel in den 2A und 2B ist der Anschluss T2 an der hinteren Endseite der Oberseite 63 (in den Zeichnungen das rechte Ende) angeordnet. Die Leitung 93 erstreckt sich von der Innenpumpelektrode 22 (dem Deckenelektrodenabschnitt 22a), die an der Unterseite 62 angeordnet ist, zum hinteren Ende und erstreckt sich am hinteren Ende von der Unterseite 62 zur Oberseite 63, um den Anschluss T2 zu erreichen. Die Leitung 93 ist ein Beispiel für die erste Leitung.
Indes ist in dem Beispiel in 2A die Leitung 92 auf der Oberseite 63 der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen. Die Oberseite 63 der zweiten Festelektrolytschicht 6 ist ein Beispiel für die zweite Fläche, die an einen Außenraum angrenzt. Darüber hinaus ist die Außenpumpelektrode 23, die auf der Oberseite 63 vorgesehen ist, ein Beispiel für die zweite Pumpelektrode.
In dem Beispiel in 2A ist die Außenpumpelektrode 23 in Form eines Rechtecks ausgebildet. Es ist zu beachten, dass die Form der Außenpumpelektrode 23 nicht auf ein solches Beispiel beschränkt ist und je nach Ausführungsform ausgewählt werden kann.
Die Leitung 92 erstreckt sich von der Außenpumpelektrode 23 zu einem Anschluss T1. Der Anschluss T1 kann je nach Ausführungsform in geeigneter Weise angeordnet sein. Im Beispiel in 2A ist der Anschluss T1 an der hinteren Endseite der Oberseite 63 (in den Zeichnungen das rechte Ende) angeordnet. Der Anschluss T1 ist so konfiguriert, dass er elektrisch mit dem Anschluss T2 verbunden ist. Dementsprechend ist die Leitung 92 so konfiguriert, dass sie elektrisch mit der Leitung 93 verbunden ist. Die Leitung 92 ist ein Beispiel für die zweite Leitung.
Die Form der Leitungen (92 und 93) kann je nach Ausführungsform gewählt werden. In dem Beispiel in 2A und 2B sind die Leitungen (92 und 93) jeweils in Form einer geraden Linie ausgebildet. Die Flächen (62 und 63) können mit einem isolierenden Material (nicht dargestellt) beschichtet sein, und die Leitungen (92 und 93) können auf dem isolierenden Material ausgebildet sein. Als Materialien für die Leitungen (92 und 93) werden Edelmetalle wie Platin verwendet.
In dieser Ausführungsform weist mindestens eine der Leitungen 92 und 93 eine Form mit einer Maximumstromdichte von 3,5 A/mm² oder weniger auf. Die mindestens eine der Leitungen 92 und 93 kann die Leitung mit dem höheren Widerstand von den Leitungen 92 und 93 sein.
Unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung einer Verschlechterung der Messgenauigkeit kann mindestens eine der Leitungen 92 und 93 eine Maximumstromdichte von 3,4, 3,3, 3,2, 3,1, 3,0, 2,9, 2,8, 2,7, 2,6, 2,5, 2,4, 2,3, 2,2, 2,1, 2,0, 1,9, 1,8, 1,7, 1,6, 1,5, 1,4, 1,3, 1,2, 1,1 oder 1,0 A/mm² oder weniger aufweisen. Außerdem kann mindestens eine der Leitungen 92 und 93 eine Maximumstromdichte von 0,05 A/mm² oder mehr aufweisen.
Als Beispiel für die Abmessungen kann mindestens eine der Leitungen 92 und 93 eine Länge von 20 bis 60 mm und eine Querschnittsfläche von 0,001 bis 0,01 mm² haben, um eine Maximumstromdichte zu erreichen, die in den vorstehend beschriebenen Bereich fällt.
Darüber hinaus kann als Beispiel für das Verfahren zur Berechnung der Maximumstromdichte die Maximumstromdichte einer Leitung berechnet werden, indem der durch ein Messzielgas mit einer Sauerstoffkonzentration von 20,5 % fließende Strom an einem Abschnitt der Leitung mit der kleinsten Querschnittsfläche gemessen und der gemessene Strom durch die Querschnittsfläche geteilt wird.
In einem Beispiel kann zumindest entweder die Hilfspumpzelle 50 oder die Messpumpzelle 41 ebenfalls eine Leitungsstruktur ähnlich der der Hauptpumpzelle 21 aufweisen.
Wenn die Hilfspumpzelle 50 eine ähnliche Leitungsstruktur wie die Hauptpumpzelle 21 aufweist, ist die Hilfspumpelektrode 51 ein Beispiel für die erste Pumpelektrode und die Außenpumpelektrode 23 ein Beispiel für die zweite Pumpelektrode. Die Leitung, die sich von der Hilfspumpelektrode 51 erstreckt, kann auf einer beliebigen Fläche der Unterseite 62 der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 und den Seitenflächen der Abstandshalterschicht 5, auf der die Hilfspumpelektrode 51 angeordnet ist, vorgesehen sein, und die Fläche, auf der die Leitung vorgesehen ist, ist ein Beispiel für die erste Fläche. Die von der Pumphilfselektrode 51 ausgehende Leitung ist ein Beispiel für die erste Leitung. Die Leitung, die von der Außenpumpelektrode 23 ausgeht, ist ein Beispiel für die zweite Leitung. Die anderen Aspekte der Leitungsstruktur der Hilfspumpzelle 50 können denen der Leitungsstruktur der Hauptpumpzelle 21 ähnlich sein.
Wenn die Messpumpzelle 41 eine ähnliche Leitungsstruktur wie die Hauptpumpzelle 21 aufweist, ist die Messelektrode 44 ein Beispiel für die erste Pumpelektrode und die Außenpumpelektrode 23 ist ein Beispiel für die zweite Pumpelektrode. Die Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4, auf der die Messelektrode 44 angeordnet ist, ist ein Beispiel für die erste Fläche. Die Leitung, die von der Messelektrode 44 ausgeht, ist ein Beispiel für die erste Leitung. Die Leitung, die von der Außenpumpelektrode 23 ausgeht, ist ein Beispiel für die zweite Leitung. Die anderen Aspekte der Leitungsstruktur der Messpumpzelle 41 können denen der Leitungsstruktur der Hauptpumpzelle 21 ähnlich sein.
In einem anderen Beispiel können die Hilfspumpe 50 und die Messpumpzelle 41 eine andere Leitungsstruktur als die Hauptpumpzelle 21 aufweisen.
Merkmale
Wie vorstehend beschrieben, ist in der Hauptpumpzelle 21 des Gassensorelements 100 gemäß dieser Ausführungsform mindestens eine der Leitungen 92 und 93 so eingestellt, dass sie eine Maximumstromdichte von 3,5 A/mm² oder weniger aufweist. Gemäß dem vorstehend erwähnten Verhältnisausdruck ergibt eine größere Querschnittsfläche eine kleinere (maximale) Stromdichte und eine kleinere Querschnittsfläche eine größere (maximale) Stromdichte. Anhand der nachstehend beschriebenen Beispiele wurde festgestellt, dass es möglich ist, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit zu unterdrücken, wenn die Maximumstromdichte 3,5 A/mm² oder weniger beträgt. Somit ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit, die durch einen Betrieb der Hauptpumpzelle 21 verursacht wird, zu unterdrücken, um gleichzeitig die Herstellungskosten des Gassensorelements 100 zu vermindern, indem die Querschnittsfläche von mindestens einer der Leitungen 92 und 93 auf der Grundlage der Maximumstromdichte vermindert wird. Es ist möglich, eine weitere Verschlechterung der Messgenauigkeit zu unterdrücken, indem eine Leitungsstruktur ähnlich der der Hauptpumpzelle 21 für mindestens entweder die Hilfspumpzelle 50 oder die Messpumpzelle 41 angenommen wird.
Darüber hinaus kann in dieser Ausführungsform die mindestens eine der Leitungen 92 und 93 die Leitung mit dem höheren Widerstand der Leitungen 92 und 93 sein. Wie vorstehend beschrieben, kann ein höherer Widerstand zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit führen. Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit in geeigneter Weise zu unterdrücken und gleichzeitig die Herstellungskosten des Gassensorelements 100 zu vermindern, indem die Maximumstromdichte der Leitung mit einem höheren Widerstand auf 3,5 A/mm² oder weniger festgelegt wird.
Modifizierungsbeispiele
Obwohl eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung der Ausführungsform lediglich ein Beispiel für die Erfindung in allen Aspekten. Es wird deutlich, dass verschiedene Verbesserungen und Änderungen an der Ausführungsform vorgenommen werden können. Bestandteilselemente können weggelassen, durch andere ersetzt oder den Bestandteilselementen der Ausführungsform hinzugefügt werden. Auch die Form und Größe jedes Bestandteilselements der Ausführungsform kann entsprechend der Ausführungsform geändert werden. Zum Beispiel sind die folgenden Änderungen möglich. Es ist zu beachten, dass Bestandteilselemente, die denen der vorangegangenen Ausführungsform ähnlich sind, mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind, und dass eine Beschreibung von Aspekten, die denen der vorangegangenen Ausführungsform ähnlich sind, gegebenenfalls weggelassen wurde. Die folgenden Modifizierungsbeispiele können beliebig kombiniert werden.
(I) Anwendungsziel der Leitungsstruktur
In der vorstehenden Beschreibung wurde ein Beispiel für den Fall beschrieben, dass die Leitungsstruktur gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf die Hauptpumpzelle 21 angewendet wird. Das Anwendungsziel der vorstehend beschriebenen Leitungsstruktur muss jedoch nicht auf die Hauptpumpzelle 21 beschränkt sein. Wie vorstehend beschrieben, kann zumindest entweder die Hilfspumpzelle 50 oder die Messpumpzelle 41 die vorstehend beschriebene Leitungsstruktur aufweisen. In ähnlicher Weise kann mindestens eine der Zellen 80 bis 83, die sich auf die Referenzelektrode 42 beziehen, die vorstehend beschriebene Leitungsstruktur aufweisen. Wenn mindestens eine der Zellen die vorstehend beschriebene Leitungsstruktur aufweist, kann die Hauptpumpzelle 21 eine Leitungsstruktur haben, die sich von der in der vorhergehenden Ausführungsform unterscheidet.
(II) Form der Leitungen
In der vorangehenden Ausführungsform sind die Leitung 92, die ein Beispiel für die zweite Leitung ist, und die Leitung 93, die ein Beispiel für die erste Leitung ist, beide in Form einer geraden Linie ausgebildet. Die Form der ersten und zweiten Leitung muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. In einem anderen Beispiel kann mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen eine Vielzahl von Säulen enthalten, die sich jeweils in einer ersten Richtung erstrecken, und eine Vielzahl von Verbindungsabschnitten enthalten, die sich jeweils in einer zweiten Richtung erstrecken, die die erste Richtung schneidet, und die jeweils mit zwei benachbarten Säulen aus der Vielzahl von Säulen verbunden sind. Eine Lücke kann zwischen zwei Verbindungsabschnitten aus der Vielzahl von Verbindungsabschnitten, die in der ersten Richtung zueinander benachbart sind, vorgesehen sein.
3 ist eine schematische Ansicht, die schematisch ein Beispiel des Falles zeigt, in dem die Konfiguration gemäß diesem Modifizierungsbeispiel auf eine Leitung 92A angewendet wird, die sich von der Außenpumpelektrode 23 aus erstreckt. In dem Beispiel in 3 enthält die Leitung 92A zwei Säulen (921 und 922) und elf Verbindungsabschnitte 925. In 3 ist die Konfiguration, die sich auf die Leitung 93 bezieht, die sich von der Innenpumpelektrode 22 in 2A erstreckt, nicht dargestellt. In den 5 bis 7, die ebenfalls beschrieben werden, ist die Konfiguration der Leitung 93 nicht dargestellt.
Die Links-Rechts-Richtung in 3 (die Längsrichtung des Gassensorelements) ist ein Beispiel für die erste Richtung und die Oben-Unten-Richtung in 3 (die Breitenrichtung des Gassensorelements) ist ein Beispiel für die zweite Richtung. In dem Beispiel in 3 ist der Winkel, in dem sich die erste Richtung und die zweite Richtung schneidet, ein rechter Winkel, muss aber nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Die erste Richtung und die zweite Richtung können sich auch in einem spitzen oder einem stumpfen Winkel kreuzen.
Jeder Verbindungsabschnitt 925 erstreckt sich in der zweiten Richtung, und seine Endabschnitte sind mit zwei Säulen (921 und 922) verbunden, die in der zweiten Richtung zueinander benachbart sind. Zwischen zwei Verbindungsabschnitten 925, die in der ersten Richtung zueinander benachbart sind, ist eine Lücke G vorgesehen. Dementsprechend ist die Leitung 92A in Form einer Leiter ausgebildet.
Die Form der Verbindungsabschnitte 925 kann je nach Ausführungsform gewählt werden. In einem Beispiel kann jeder Verbindungsabschnitt 925 eine konstante Breite (Länge in der Richtung senkrecht zur zweiten Richtung) haben. In einem anderen Beispiel kann jeder Verbindungsabschnitt 925 so geformt sein, dass der Mittelabschnitt eine größere Breite aufweist als die Endabschnitte. Es ist zu beachten, dass, wenn Strom durch die Leitung fließt, an den Endabschnitten jedes Verbindungsabschnitts (d.h. an den Abschnitten jedes Verbindungsabschnitts, die mit den Säulen verbunden sind) wahrscheinlich Spannungen auftreten, und diese Spannungen neigen dazu, Schäden an den Endabschnitten des Verbindungsabschnitts zu verursachen. So kann in einem anderen Beispiel jeder der Verbindungsabschnitte zwei Endabschnitte aufweisen, die jeweils mit zwei benachbarten Säulen verbunden sind, und einen Mittelabschnitt aufweisen, der sich in einem Abstand von den zwei Endabschnitten befindet. Mindestens einer der zwei Endabschnitte des Verbindungsabschnitts kann eine größere Breite haben als der Mittelabschnitt.
4 ist eine vergrößerte schematische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für den Fall zeigt, in dem die Konfiguration dieses Verbindungsabschnitts auf die Leitung 92A angewendet wird. In dem Beispiel in 4 weist jeder Verbindungsabschnitt 925 zwei Endabschnitte (9251 und 9252) auf, die jeweils mit zwei benachbarten Säulen (921 und 922) verbunden sind, und einen Mittelabschnitt 9255, der sich in einem Abstand von den beiden Endabschnitten (9251 und 9252) befindet. Mindestens einer der zwei Endabschnitte (9251 und 9252) des Verbindungsabschnitts 925 weist eine größere Breite als der Mittelabschnitt 9255 auf.
In dem Beispiel in 4 haben beide Endabschnitte (9251 und 9252) eine größere Breite als der Mittelabschnitt 9255. Vorzugsweise haben beide Endabschnitte eine größere Breite als der Mittelabschnitt auf diese Weise. Es ist zu beachten, dass die Konfiguration dieses Verbindungsabschnitts nicht auf dieses Beispiel beschränkt sein muss. In einem anderen Beispiel kann mindestens einer der zwei Endabschnitte (9251 und 9252) eine Breite haben, die gleich oder kleiner ist als die des Mittelabschnitts 9255.
Gemäß dieser Konfiguration weist ein Endabschnitt (9251, 9252) jedes Verbindungsabschnitts 925 eine größere Breite als der Mittelabschnitt 9255 auf und somit kann ein Bruch am Endabschnitt (9251, 9252) unterdrückt werden. Infolgedessen ist es möglich, die Haltbarkeit der Leitung 92A zu verbessern. Die anderen Aspekte der Konfiguration der Leitung 92A können denen der Leitung 92 gemäß der vorangehenden Ausführungsform ähnlich sein.
Anzahl der Säulen
In einem Beispiel für die Konfiguration der Leitung gemäß dem vorstehend beschriebenen Modifizierungsbeispiel beträgt die Anzahl der Säulen zwei. Die Anzahl der Säulen muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein und kann drei oder mehr betragen.
5 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für eine Leitung 92B gemäß diesem Modifizierungsbeispiel zeigt. Die Leitung 92B erstreckt sich von der Außenpumpelektrode 23 in Richtung des Anschlusses T1, wie bei der Leitung 92A. In dem Beispiel in 5 enthält die Leitung 92B drei Säulen (921B, 922B und 923B) und zwölf Verbindungsabschnitte 925B.
Jeder Verbindungsabschnitt 925B ist mit zwei benachbarten Säulen (921B und 923B oder 923B und 922B) verbunden. Zwischen zwei Verbindungsabschnitten 925B, die in der ersten Richtung zueinander benachbart sind, ist eine Lücke GB vorgesehen.
Die Form der Verbindungsabschnitte 925B kann je nach Ausführungsform gewählt werden. In einem Beispiel kann jeder Verbindungsabschnitt 925B eine konstante Breite haben. In einem anderen Beispiel kann jeder Verbindungsabschnitt 925B so geformt sein, dass der Mittelabschnitt eine größere Breite aufweist als die Endabschnitte. In einem anderen Beispiel kann jeder Verbindungsabschnitt 925B eine ähnliche Konfiguration haben wie die Verbindungsabschnitte 925, die in 4 als Beispiel angegeben sind. Die anderen Aspekte der Konfiguration der Leitung 92B können denen der Leitung 92 gemäß der vorangehenden Ausführungsform ähnlich sein.
Erstreckungsrichtungen der Verbindungsabschnitte
In einem Beispiel für die Konfiguration der Leitung gemäß dem vorstehend beschriebenen Modifizierungsbeispiel erstrecken sich die Verbindungsabschnitte (925 und 925B) in eine Richtung. Die Erstreckungsrichtungen der Verbindungsabschnitte müssen jedoch nicht auf eine Richtung beschränkt sein. Mindestens einer der mehreren Verbindungsabschnitte kann sich in eine Richtung erstrecken, die sich von der der anderen Verbindungsabschnitte unterscheidet.
6 ist eine schematische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für eine Leitung 92C gemäß diesem Modifizierungsbeispiel zeigt. In dem Beispiel in 6 erstreckt sich die Leitung 92C von der Außenpumpelektrode 23 in Richtung des Anschlusses T1, wie bei der Leitung 92A, und enthält zwei Säulen (921C und 922C). Darüber hinaus enthält die Leitung 92C eine Vielzahl von Verbindungsabschnitten 925C.
Einige der Vielzahl von Verbindungsabschnitten 925C erstrecken sich in einer Richtung, die in einem spitzen Winkel in Bezug auf die erste Richtung geneigt ist, und sind jeweils mit den zwei benachbarten Säulen (921C und 922C) verbunden. Die anderen der Vielzahl von Verbindungsabschnitten 925C erstrecken sich in einer Richtung, die in einem stumpfen Winkel in Bezug auf die erste Richtung geneigt ist, und sind jeweils mit den zwei benachbarten Säulen (921C und 922C) verbunden. Diese Richtungen sind ein Beispiel für die zweite Richtung.
Im Beispiel in 6 schneiden sich die Verbindungsabschnitte 925C, die sich in einer Richtung erstrecken, die unter einem spitzen Winkel geneigt ist, und die Verbindungsabschnitte 925C, die sich in einer Richtung erstrecken, die unter einem stumpfen Winkel geneigt ist. Zwischen zwei Verbindungsabschnitten 925C, die in der ersten Richtung zueinander benachbart sind und sich schneiden, ist eine Lücke GC vorgesehen. Dementsprechend ist die Leitung 92C in Form eines Netzes ausgebildet.
Auf diese Weise ist es auch möglich, dass sich zwei oder mehr Verbindungsabschnitte in unterschiedliche Richtungen erstrecken und sich somit teilweise schneiden. Es ist zu beachten, dass die Konfiguration der Leitung nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein muss. In dem Fall, in dem sich die Vielzahl von Verbindungsabschnitten in unterschiedliche Richtungen erstrecken, können die Verbindungsabschnitte so angeordnet sein, dass sie sich nicht schneiden.
Die Form der Verbindungsabschnitte 925C kann je nach Ausführungsform gewählt werden. In einem Beispiel kann jeder Verbindungsabschnitt 925C eine konstante Breite aufweisen. In einem anderen Beispiel kann jeder Verbindungsabschnitt 925C so geformt sein, dass der Mittelabschnitt eine größere Breite aufweist als die Endabschnitte. In einem anderen Beispiel kann jeder Verbindungsabschnitt 925C eine ähnliche Konfiguration aufweisen wie die Verbindungsabschnitte 925, die in 4 als Beispiel angegeben sind. Die anderen Aspekte der Konfiguration der Leitung 92C können denen der Leitung 92 gemäß der vorangehenden Ausführungsform ähnlich sein.
Anordnung der Verbindungsabschnitte
In einem Beispiel für die Konfiguration der Leitung gemäß den vorstehend beschriebenen Modifizierungsbeispielen sind die Verbindungsabschnitte (925, 925B und 925C) unabhängig voneinander beabstandet. Die Anordnung der Verbindungsabschnitte muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Mindestens zwei oder mehr der Vielzahl von Verbindungsabschnitten können in einem Stück ausgebildet sein.
7 ist eine schematische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für eine Leitung 92D gemäß diesem Modifizierungsbeispiel zeigt. In dem Beispiel in 7 erstreckt sich die Leitung 92D von der Außenpumpelektrode 23 in Richtung des Anschlusses T1, wie bei der Leitung 92B, und enthält drei Säulen (921D, 922D und 923D). Außerdem enthält die Leitung 92D eine Vielzahl von Verbindungsabschnitten 925D.
Erste Verbindungsabschnitte der Vielzahl von Verbindungsabschnitten 925D erstrecken sich in einer Richtung, die in einem spitzen Winkel in Bezug auf die erste Richtung geneigt ist, und sind jeweils mit zwei benachbarten Säulen (921D und 923D oder 923D und 922D) verbunden. Zweite Verbindungsabschnitte der Vielzahl von Verbindungsabschnitten 925D erstrecken sich in einer Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, und sind jeweils mit zwei benachbarten Säulen (921D und 923D oder 923D und 922D) verbunden. Dritte Verbindungsabschnitte der Vielzahl von Verbindungsabschnitten 925D erstrecken sich in einer Richtung, die in einem stumpfen Winkel in Bezug auf die erste Richtung geneigt ist, und sind jeweils mit zwei benachbarten Säulen (921D und 923D oder 923D und 922D) verbunden. Die Erstreckungsrichtungen der Verbindungsabschnitte sind ein Beispiel für die zweite Richtung. Zwischen zwei Verbindungsabschnitten 925D, die in der ersten Richtung zueinander benachbart sind, ist eine Lücke GD vorgesehen.
In dem Beispiel in 7 sind in den zweiten Richtungen die Verbindungsabschnitte, die die zwei Säulen (921D und 923D) verbinden, und die Verbindungsabschnitte, die die zwei Säulen (923D und 922D) verbinden, in einem Stück ausgebildet. Auf diese Weise können mindestens zwei oder mehr der Vielzahl von Verbindungsabschnitten einteilig ausgebildet werden. Mit anderen Worten, die Verbindungsabschnitte können so angeordnet werden, dass die zwei oder mehr in einem Stück ausgebildeten Verbindungsabschnitte als ein Verbindungsabschnitt betrachtet und zur Verbindung von drei oder mehr Säulen verwendet werden.
Die Form der Verbindungsabschnitte 925D kann je nach Ausführungsform gewählt werden. In einem Beispiel kann jeder Verbindungsabschnitt 925D eine konstante Breite aufweisen. In einem anderen Beispiel kann jeder Verbindungsabschnitt 925D so geformt sein, dass der Mittelabschnitt eine größere Breite aufweist als die Endabschnitte. In einem anderen Beispiel kann jeder Verbindungsabschnitt 925D eine ähnliche Konfiguration aufweisen wie die Verbindungsabschnitte 925, die in 4 als Beispiel angegeben sind. Die anderen Aspekte der Konfiguration der Leitung 92D können denen der Leitung 92 gemäß der vorangehenden Ausführungsform ähnlich sein.
Merkmale
Gemäß diesen Modifizierungsbeispielen kann im Vergleich zum Fall einer festen Struktur die Menge des für die Leitungen (92A, 92B, 92C und 92D) verwendeten Materials durch die Größe der Lücken (G, GB, GC und GD) unterdrückt werden, so dass es möglich ist, die Herstellungskosten des Gassensors zu vermindern.
In den vorstehend beschriebenen Modifizierungsbeispielen wurde ein Beispiel für den Fall beschrieben, dass die Konfigurationen auf die von der Außenpumpelektrode 23 ausgehende Leitung angewendet werden. Das Anwendungsziel der Konfigurationen muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Die Konfigurationen der Leitungen (92A, 92B, 92C und 92D) gemäß den Modifizierungsbeispielen können auch auf die von der Innenpumpelektrode 22 ausgehende Leitung 93 angewendet werden. Wenn die Konfigurationen gemäß den Modifizierungsbeispielen auf die Leitung 93 angewandt werden, können andere Konfigurationen als die in den Modifizierungsbeispielen, wie die in der vorhergehenden Ausführungsform, auf die Leitung, die sich von der Außenpumpelektrode 23 erstreckt, angewandt werden. Unterschiedliche Konfigurationen unter den Konfigurationen der Leitungen (92A, 92B, 92C und 92D) gemäß den Modifizierungsbeispielen und den Konfigurationen gemäß der Ausführungsform können auf die erste und die zweite Leitung angewendet werden. Eine ähnliche Leitungsstruktur kann auch auf mindestens eine Zelle der Hilfspumpzelle 50, der Messpumpzelle 41 und der Zellen 80 bis 83 in Bezug auf die Referenzelektrode 42 angewendet werden.
(III) Sonstige
In der vorstehenden Ausführungsform besteht der Stapel des Gassensorelements 100 aus sechs Festelektrolytschichten. Die Anzahl der Festelektrolytschichten, aus denen der Stapel besteht, ist jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt und kann entsprechend der Ausführungsform ausgewählt werden.
Darüber hinaus ist in der vorstehenden Ausführungsform der Innenraum, in den das Messzielgas eingeleitet wird, an der Position vorgesehen, die durch die erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und die zweite Festelektrolytschicht 6 definiert ist. Die Anordnung des Innenraums ist jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt und kann entsprechend der Ausführungsform gewählt werden. Die Anordnungen der ersten Fläche, der zweiten Fläche, der ersten Pumpelektrode, der zweiten Pumpelektrode, der ersten Leitung und der zweiten Leitung kann entsprechend der Konfiguration des Stapels und des Innenraums gewählt werden.
Darüber hinaus weist der Innenraum in der vorstehenden Ausführungsform eine Drei-Hohlraum-Struktur auf. Die Konfiguration des Innenraums ist jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt und kann entsprechend der Ausführungsform ausgewählt werden. In einem anderen Beispiel können die vierte Diffusionssteuereinheit 18 und der dritte Innenhohlraum 19 weggelassen werden, d.h. der Innenraum kann eine Zwei-Hohlraum-Struktur aufweisen. In diesem Fall kann die Messelektrode 44 in einem Abstand von der dritten Diffusionssteuereinheit 16 auf der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 angrenzend an den zweiten Innenhohlraum 17 vorgesehen sein.
Darüber hinaus sind in 1 die Innenpumpelektrode 22, die ein Beispiel für die erste Pumpelektrode ist, und die Außenpumpelektrode 23, die ein Beispiel für die zweite Pumpelektrode ist, beide einem Raum ausgesetzt. Der Zustand, in dem sie einem Raum ausgesetzt sind, muss jedoch nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt sein und kann auch ein Zustand sein, in dem sie über eine Beschichtung oder dergleichen indirekt einem Raum ausgesetzt sind. Als weiteres Beispiel kann die Außenpumpelektrode 23 durch ein Schutzelement oder dergleichen abgedeckt sein.
Außerdem ist in der vorstehenden Ausführungsform der Referenzgaseinführungsraum 43 vorgesehen. Die Konfiguration des Gassensorelements 100 muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. In einem anderen Beispiel kann sich die erste Festelektrolytschicht 4 bis zum hinteren Ende des Gassensorelements 100 erstrecken und der Referenzgaseinführungsraum 43 kann weggelassen werden. In diesem Fall kann sich die Lufteinführungsschicht 48 bis zum hinteren Ende des Gassensorelements 100 erstrecken.
Darüber hinaus ist das Gassensorelement 100 in der vorstehenden Ausführungsform so konfiguriert, dass es die Konzentration von Stickstoffoxid (NO_x) misst. Das Gassensorelement der vorliegenden Erfindung muss jedoch nicht auf ein solches Gassensorelement beschränkt sein, das zur Messung der Konzentration von NO_x konfiguriert ist. In einem anderen Beispiel kann das Gassensorelement der vorliegenden Erfindung beispielsweise auch ein anderes Gassensorelement sein, wie beispielsweise ein Gassensorelement, das zur Messung der Konzentration von Sauerstoff konfiguriert ist. Beispielsweise ist es möglich, ein Gassensorelement zur Messung der Sauerstoffkonzentration herzustellen, indem bei dem Gassensorelement 100 gemäß der Ausführungsform die Hilfspumpzelle und die Messpumpzelle weggelassen werden und die Referenzelektrode unter der Hauptpumpelektrode angeordnet wird. In diesem Fall kann das Gassensorelement die Sauerstoffkonzentration im Messzielgas durch Abpumpen von Sauerstoff unter Verwendung der Hauptpumpzelle messen.
Beispiele
Um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu überprüfen, wurden Gassensorelemente gemäß den folgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen hergestellt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
Ein Gassensorelement gemäß einem ersten Beispiel (Typ: NO_x-Sensor) wurde hergestellt, indem die in 1 vorstehend gezeigte Konfiguration für die Konfiguration des Gassensorelements und die in 2A und 2B gezeigte Struktur für die Leitungsstruktur der Hauptpumpzelle angenommen wurde. Eine der zwei Leitungen des Gassensorelements gemäß dem ersten Beispiel wies eine Maximumstromdichte von 0,67 A/mm² auf.
Die Gassensorelemente gemäß dem zweiten bis fünften Beispiel wurden hergestellt, indem die Querschnittsflächen der Leitungen des Gassensorelements gemäß dem ersten Beispiel geändert wurden. Eine der zwei Leitungen des Gassensorelements gemäß dem zweiten Beispiel wies eine Maximumstromdichte von 0,83 A/mm² auf. Eine der zwei Leitungen des Gassensorelements gemäß dem dritten Beispiel wies eine Maximumstromdichte von 0,89 A/mm² auf. Eine der zwei Leitungen des Gassensorelements gemäß dem vierten Beispiel wies eine Maximumstromdichte von 0,18 A/mm² auf. Eine der zwei Leitungen des Gassensorelements gemäß dem fünften Beispiel wies eine Maximumstromdichte von 1,14 A/mm² auf.
Ein Gassensorelement gemäß einem sechsten Beispiel (Typ: O₂-Sensor) wurde hergestellt, indem die Hilfspumpzelle und die Messpumpzelle des Gassensorelements gemäß dem ersten Beispiel weggelassen und die Referenzelektrode unter der Hauptpumpelektrode angeordnet wurde. Die in 3 gezeigte Struktur wurde für die Leitungsstruktur der Hauptpumpzelle des Gassensorelements gemäß dem sechsten Beispiel übernommen. Eine der zwei Leitungen des Gassensorelements gemäß dem sechsten Beispiel wies eine Maximumstromdichte von 1,59 A/mm² auf.
Ein Gassensorelement gemäß einem siebten Beispiel wurde hergestellt, indem die Leitungsstruktur des Gassensorelements gemäß dem sechsten Beispiel in die in 5 gezeigte Struktur geändert wurde. Eine der zwei Leitungen des Gassensorelements gemäß dem siebten Beispiel wies eine Maximumstromdichte von 0,40 A/mm² auf. Ein Gassensorelement gemäß einem achten Beispiel wurde durch Änderung der Querschnittsflächen der Leitungen des Gassensorelements gemäß dem sechsten Beispiel hergestellt. Eine der zwei Leitungen des Gassensorelements gemäß dem achten Beispiel wies eine Maximumstromdichte von 3,06 A/mm² auf.
Andererseits wurde ein Gassensorelement gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel hergestellt, indem die Querschnittsflächen der Leitungen des Gassensorelements gemäß dem ersten Beispiel verändert wurden. Eine der zwei Leitungen des Gassensorelements gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel wies eine Maximumstromdichte von 6,00 A/mm² auf. Weiterhin wurde ein Gassensorelement gemäß einem zweiten Vergleichsbeispiel hergestellt, indem die Querschnittsflächen der Leitungen des Gassensorelements gemäß dem sechsten Beispiel verändert wurden. Eine der zwei Leitungen des Gassensorelements gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel wies eine Maximumstromdichte von 4,29 A/mm² auf.
Als Nächstes wurden die Gassensorelemente gemäß den Beispielen und den Vergleichsbeispielen in Bezug auf die Änderungsrate der Sauerstoffempfindlichkeit und die Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration bewertet, indem die Konzentration des in einem Messzielgas enthaltenen Sauerstoffs unter Verwendung der Gassensorelemente gemessen wurde.
Speziell wurden insgesamt fünf Modellgase hergestellt, nämlich vier Modellgase mit Sauerstoffkonzentrationen von 0 %, 5 %, 10 % und 18 % (die NO-Konzentration lag konstant bei 500 ppm) und ein Modellgas mit einer NO-Konzentration von 0 ppm und einer Sauerstoffkonzentration von 20,5 %. Der O₂-Strom Ip0 und der NO_x-Strom Ip2 jedes dieser fünf Modellgase (die alle einen Restgehalt an N₂ aufwiesen) wurden unter Verwendung der Gassensorelemente gemäß den Beispielen und den Vergleichsbeispielen vor Beginn eines beschleunigten Haltbarkeitstests, 1000 Stunden nach Beginn, 2000 Stunden nach Beginn und am Ende des Tests (3000 Stunden nach Beginn) gemessen. In allen Fällen betrug die Antriebstemperatur des Elements 850°C. Bei dem beschleunigten Haltbarkeitstest wurden die Gassensorelemente am Auspuffrohr eines Dieselmotors befestigt und 3000 Stunden lang Abgasen ausgesetzt.
Die Werte, die man erhält, indem man den gemessenen Wert des O₂-Stroms Ip0 bei einer NO-Konzentration von 0 ppm durch eine Sauerstoffkonzentration (20,5 %) dividiert, wurden als Steigung der Empfindlichkeitskennlinie (die Änderungsrate des O₂-Stroms in Bezug auf den Wert der Sauerstoffkonzentration) berechnet. Die Steigung der Empfindlichkeitskennlinie vor Beginn des beschleunigten Haltbarkeitstests wurde als Referenzwert (Anfangswert) verwendet, um die Änderungsrate der Sauerstoffempfindlichkeit zu berechnen, d.h. die Änderungsrate der Steigung zu jedem abgelaufenen Zeitpunkt. Die Änderungsgrade der Sauerstoffempfindlichkeit der Gassensorelemente gemäß den Beispielen und den Vergleichsbeispielen wurden auf der Grundlage der berechneten Werte ermittelt (erste Bestimmung).

Anschließend wurden aus den Messergebnissen der Modellgase die Bestimmungskoeffizienten R² der Gassensorelemente vom Typ NO_x (erstes bis fünftes Beispiel und erstes Vergleichsbeispiel) als Indizes für die Abhängigkeit der Messströme (Ip2) von der Sauerstoffkonzentration berechnet. Aus den berechneten Bestimmungskoeffizienten R² wurden dann die Linearitätsgrade der gemessenen Ströme in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration bestimmt (zweite Bestimmung). Tabelle 1

	Typ	Maximumstromdichte durch die Leitung [A/mm²]	Leitungsstruktur	Erste Bestimmung	Zweite Bestimmung
Bsp. 1	NO_x-Sensor	0,67	Gerade	A	A
Bsp. 2	NO_x-Sensor	0,83	Gerade	A	A
Bsp. 3	NO_x-Sensor	0,89	Gerade	A	A
Bsp. 4	NO_x-Sensor	0,18	Gerade	A	A
Bsp. 5	NO_x-Sensor	1,14	Gerade	B	B
Bsp. 6	O₂-Sensor	1,59	Leiter (3)	A	-
Bsp. 7	O₂-Sensor	0,40	Leiter (5)	A	-
Bsp. 8	O₂-Sensor	3,06	Leiter (3)	B	-
Vergl.-Bsp. 1	NO_x-Sensor	6,00	Gerade	C	C
Vergl.-Bsp. 2	O₂-Sensor	4,29	Leiter	C	-

Tabelle 1 zeigt die Bewertungsergebnisse der ersten und zweiten Bestimmung. Bei der ersten Bestimmung wird, wenn der absolute Wert der Änderungsrate der Sauerstoffempfindlichkeit 10 % oder weniger beträgt, als „A: Die Änderung der Sauerstoffempfindlichkeit wird angemessen unterdrückt“ bewertet. Wenn der absolute Wert der Änderungsrate der Sauerstoffempfindlichkeit mehr als 10 % und 20 % oder weniger beträgt, wird er als „B: Die Änderung der Sauerstoffempfindlichkeit wird innerhalb des für die tatsächliche Verwendung akzeptablen Bereichs unterdrückt“ bewertet. Beträgt der absolute Wert der Änderungsrate der Sauerstoffempfindlichkeit mehr als 20 %, wird sie als „C: Die Sauerstoffempfindlichkeit ändert sich über den akzeptablen Bereich hinaus“ bewertet.
Wenn der Wert des Bestimmungskoeffizienten R² 0,975 oder mehr beträgt, wird indes die zweite Bestimmung als „A: Die Linearität des gemessenen Stroms in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration wird zufriedenstellend aufrechterhalten“ bewertet. Wenn der Wert des Bestimmungskoeffizienten R² 0,950 oder mehr und weniger als 0,975 beträgt, wird er als „B: Die Linearität des gemessenen Stroms in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration wird innerhalb des für die tatsächliche Verwendung akzeptablen Bereichs beibehalten“ bewertet. Ist der Wert des Bestimmungskoeffizienten R² kleiner als 0,950, so wird er mit „C: Die Linearität des gemessenen Stroms in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration ist erheblich beeinträchtigt“ bewertet.
Das erste bis vierte Beispiel wurde sowohl in der ersten als auch in der zweiten Bestimmung mit „A“ bewertet. Das fünfte Beispiel wurde sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Bestimmung als „B“ bewertet. Das sechste und siebte Beispiel wurden in der ersten Bestimmung mit „A“ bewertet und das achte Beispiel wurde in der ersten Bestimmung mit „B“ bewertet. Dagegen wurde das erste Vergleichsbeispiel sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Bestimmung mit „C“ bewertet. Das zweite Vergleichsbeispiel wurde bei der ersten Bestimmung mit „C“ bewertet.
Aus diesen Ergebnissen wurde abgeleitet, dass es möglich ist, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit eines Gassensorelements zu unterdrücken, indem mindestens eine der zwei Leitungen so ausgebildet wird, dass die Maximumstromdichte 3,5 A/mm² oder weniger beträgt, was ein Wert zwischen dem achten Beispiel und dem zweiten Vergleichsbeispiel ist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass es möglich ist, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit eines Gassensorelements in geeigneter Weise zu unterdrücken, indem mindestens eine der zwei Leitungen so ausgebildet wird, dass die Maximumstromdichte 3,1 A/mm² oder weniger beträgt (ein Wert, der mit den Beispielen übereinstimmt). Es wurde also festgestellt, dass es möglich ist, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit zu unterdrücken, um gleichzeitig die Herstellungskosten eines Gassensorelements zu vermindern, indem die Querschnittsflächen der Leitungen auf der Grundlage dieser Maximumstromdichten verringert werden.
Bezugszeichenliste

100: Gassensorelement
22: Innenpumpelektrode
23: Außenpumpelektrode
62: Unterseite
63: Oberseite
92, 93: Leitung
T: Anschluss
921,922: Säule
925: Verbindungsabschnitt
9251, 9252: Endabschnitt
9255: Mittelabschnitt
G: Lücke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2021032787 A [0002, 0003, 0005]

Claims

Gassensorelement, umfassend: einen Stapel, der durch Stapeln einer Vielzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten gebildet wird, und enthaltend einen Innenraum, der so konfiguriert ist, dass er ein Messzielgas von außen aufnimmt, eine erste Fläche, die an den Innenraum angrenzt, und eine zweite Fläche, die an einen Außenraum angrenzt; eine erste Pumpelektrode, die auf der ersten Fläche vorgesehen ist; eine zweite Pumpelektrode, die auf der zweiten Fläche vorgesehen ist; eine erste Leitung, die auf der ersten Fläche so ausgebildet ist, dass sie sich von der ersten Pumpelektrode aus erstreckt; und eine zweite Leitung, die auf der zweiten Fläche so ausgebildet ist, dass sie sich von der zweiten Pumpelektrode aus erstreckt und so konfiguriert ist, dass sie mit der ersten Leitung elektrisch verbunden ist, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen eine Form mit einer Maximumstromdichte von 3,5 A/mm² oder weniger aufweist.
Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen eine Leitung mit einem höheren Widerstand als die ersten und zweiten Leitungen ist.
Gassensorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen beinhaltet: eine Vielzahl von Säulen, die sich jeweils in eine erste Richtung erstrecken; und eine Vielzahl von Verbindungsabschnitten, die sich jeweils in einer zweiten Richtung erstrecken, die die erste Richtung schneidet, und die jeweils mit zwei benachbarten Säulen aus der Vielzahl von Säulen verbunden sind, und eine Lücke zwischen zwei Verbindungsabschnitten aus der Vielzahl von Verbindungsabschnitten, die in der ersten Richtung zueinander benachbart sind, vorgesehen ist.
Gassensorelement nach Anspruch 3, wobei jeder der Verbindungsabschnitte zwei Endabschnitte, die jeweils mit zwei benachbarten Säulen verbunden sind, und einen Mittelabschnitt aufweist, der sich in einem Abstand von den zwei Endabschnitten befindet, und mindestens einer der zwei Endabschnitte des Verbindungsabschnitts eine größere Breite als der Mittelabschnitt aufweist.
Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Leitungen eine Form mit einer Maximumstromdichte von 3,1 A/mm² oder weniger aufweist.