DE112014003820T5

DE112014003820T5 - Gassensor

Info

Publication number: DE112014003820T5
Application number: DE112014003820.2T
Authority: DE
Inventors: Takashi Araki; Keigo Mizutani; Mitsunobu Nakatou
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2016-05-04
Also published as: WO2015025924A1; CN105474008B; US20160209354A1; JP2015062013A; JP6203687B2; US10036724B2; CN105474008A; JP2017040660A; JP6393722B2

Abstract

Es wird ein Gassensor bereitgestellt, der eine Pumpzelle 3 und eine Sensorzelle 5 unter Verwendung eines einzigen Feststoffelektrolytkörpers 2, einer Pumpelektrode 30, einer Sensorelektrode 50 und einer Referenzelektrode 80 bildet und entworfen ist, um die von einer Heizvorrichtung verbrauchte Energie zu senken und eine Reduzierung seiner Größe zu ermöglichen. Ein Verhältnis eines Mindestabstands L2 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 zu einer Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 wird eingestellt, um drei oder mehr zu betragen, wodurch ermöglicht wird, dass der Gassensor 1 die Pumpzelle 3 und die Sensorzelle 5 unter Verwendung des einzelnen Feststoffelektrolytkörpers 2, der Pumpelektrode 30, der Sensorelektrode 50 und der Referenzelektrode 80 bildet. Daher ist entweder nur die Gaskammer oder nur die Referenzgaskammer zwischen dem Feststoffelektrolytkörper und der Heizvorrichtung angeordnet, wodurch sich Abstände der Pumpzelle und der Sensorzelle zur Heizvorrichtung reduzieren. Dies erleichtert das Aufheizen der Pumpzelle und der Sensorzelle durch die Heizvorrichtung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Gassensor, der die Konzentration einer gegebenen Gaskomponente misst, die in sauerstoffhaltigem Gas enthalten ist.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In der Patent-Literaturstelle 1, wie nachstehend aufgelistet, wird zum Beispiel ein Gassensor offenbart, der mit zwei Feststoffelektrolytkörpern, welche Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzen, ausgestattet ist und die im Abgas von Kraftfahrzeugen enthaltene NOx-Konzentration misst. Die Feststoffelektrolytkörper sind in Plattenform ausgestaltet und sind in ihrer Dickenrichtung einander zugewandt. Es existiert ein Raum zwischen den Feststoffelektrolytkörpern in Form einer Gaskammer, in welche Gas (d.h. das Abgas) eingelassen wird. Jeder der Feststoffelektrolytkörper besitzt eine Oberfläche, die dem Gas ausgesetzt ist, und eine gegenüberliegende Oberfläche, die einem Referenzgas, wie etwa atmosphärischer Umgebungsluft, ausgesetzt ist.
Jeder der Feststoffelektrolytkörper weist Elektroden auf, die auf seinen beiden Oberflächen gebildet sind. Einer der Feststoffelektrolytkörper (der nachstehend auch als erster Feststoffelektrolytkörper bezeichnet wird) und die auf seinen Oberflächen gebildeten Elektroden bilden eine Pumpzelle. Der andere Feststoffelektrolytkörper (der nachstehend auch als zweiter Feststoffelektrolytkörper bezeichnet wird) und die auf seinen Oberflächen gebildeten Elektroden bilden eine Überwachungszelle und eine Sensorzelle. Die Pumpzelle, die Überwachungszelle und die Sensorzelle sind hinsichtlich der Funktion voneinander verschieden. Diese drei Zellen werden zum Messen der Konzentration einer gegebenen Gaskomponente, wie etwa einem Gas enthaltenem NOx, verwendet.
Der oben erwähnte Gassensor ist zudem mit einer Heizvorrichtung ausgestattet, die dahingehend wirkt, den ersten und zweiten Feststoffelektrolytkörper bis zu deren aktivierbarer Temperatur aufzuheizen. Die Heizvorrichtung ist so angeordnet, dass sie einer Oberfläche des ersten Feststoffelektrolytkörpers zugewandt ist, die seiner dem zweiten Elektrolytkörper zugewandten Oberfläche gegenüber liegt. Es existiert ein Raum zwischen der Heizvorrichtung und dem ersten Feststoffelektrolytkörper als eine Referenzgaskammer, in welche das Referenzgas eingelassen wird.
LISTE DER ZITIERTEN BELEGSTELLEN
PATENTLITERATUR
PATENTLITERATUR 1

Japanische Patenterstveröffentlichung Nr. 2004-108788

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Bei dem oben genannten Gassensor sind nun die Referenzgaskammer, der erste Feststoffelektrolytkörper und die Gaskammer in einem Zwischenraum zwischen der Heizvorrichtung und dem zweiten Feststoffelektrolytkörper angeordnet, weshalb sich eine Vergrößerung des Abstands zwischen der Heizvorrichtung und dem zweiten Feststoffelektrolytkörper ergibt. Dies führt zu dem Problem, dass die Größe des Gassensors zunimmt.
Der große Abstand zwischen der Heizvorrichtung und dem zweiten Feststoffelektrolytkörper im oben genannten Gassensor führt auch zu der Schwierigkeit, die Temperatur des zweiten Feststoffelektrolytkörpers konstant zu halten. Mit anderen Worten kommt es zu einer Variation der Temperatur des zweiten Feststoffelektrolytkörpers. Dies führt auch zu einer Variation der Temperatur der durch den zweiten Feststoffelektrolytkörper gebildeten Überwachungszelle oder Sensorzelle, was zu der Schwierigkeit führen kann, eine gewünschte Genauigkeit beim Messen der Konzentration der gegebenen Gaskomponente zu gewährleisten. Der große Abstand zwischen der Heizvorrichtung und dem zweiten Feststoffelektrolytkörper wird außerdem das Problem verursachen, dass eine beträchtliche elektrische Energie verbraucht wird, um den Feststoffelektrolytkörper auf eine gewünschte Temperatur aufzuheizen.
Die vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick auf die oben angeführten Probleme. Ein Ziel besteht in der Bereitstellung eines Gassensors, der zum Minimieren einer Temperaturvariation jeder Zelle ausgelegt ist und die Senkung der von einer Heizvorrichtung verbrauchten Energiemenge sowie die Reduzierung seiner Größe ermöglicht.
MITTEL ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Gassensor zur Messung einer Konzentration einer gegebenen Gaskomponente in sauerstoffhaltigem Gas, der Folgendes umfasst:
eine Gaskammer, in die das Gas eingelassen wird;
eine Referenzgaskammer, in die ein Referenzgas eingelassen wird;
einen einzelnen plattenartigen Feststoffelektrolytkörper, der Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist und zwischen der Gaskammer und der Referenzgaskammer angeordnet ist, wobei der Feststoffelektrolytkörper eine der Gaskammer zugewandte erste Hauptoberfläche und eine der Referenzgaskammer zugewandte zweite Hauptoberfläche aufweist;
eine Vielzahl an Elektroden, welche auf der ersten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers gebildet sind;
eine Referenzelektrode, die auf der zweiten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers gebildet ist;
eine Pumpelektrode, bei der es sich um eine der Elektroden handelt, die auf der ersten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers gebildet sind, wobei die Pumpelektrode zusammen mit der Referenzelektrode und einem Abschnitt des Feststoffelektrolytkörpers eine Pumpzelle bildet, wobei die Pumpzelle dahingehend wirkt, eine Konzentration an Sauerstoff in dem Gas zu regulieren;
eine Sensorelektrode, bei der es sich um eine der Elektroden handelt, die auf der ersten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers gebildet sind, wobei die Sensorelektrode zusammen mit der Referenzelektrode und einem Abschnitt des Feststoffelektrolytkörpers eine Sensorzelle bildet, wobei die Sensorzelle dahingehend wirkt, ein Signal entsprechend einer Konzentration der gegebenen Gaskomponente in dem Gas auszugeben, nachdem die Konzentration an Sauerstoff durch die Pumpzelle reguliert ist; und
eine plattenartige Heizvorrichtung, die so angeordnet ist, dass sie dem Feststoffelektrolytkörper durch die Gaskammer oder die Referenzgaskammer hindurch zugewandt ist, wobei die Heizvorrichtung eine gegebene Dicke aufweist, um den Feststoffelektrolytkörper aufzuheizen,
wobei ein Verhältnis von einem Mindestabstand zwischen der Pumpelektrode und der Sensorelektrode zu einer Dicke des Feststoffelektrolytkörpers drei oder mehr beträgt.
VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Insbesondere wird dem Zustand, bei dem das Verhältnis drei oder mehr beträgt, entsprochen, indem man die Mindestentfernung bzw. den Mindestabstand zwischen der Pumpelektrode und der Sensorelektrode so einstellt, dass diese größer als die Dicke des Feststoffelektrolytkörpers ist. Dies bewirkt einen erhöhten Widerstand zwischen der Pumpelektrode und der Sensorelektrode, um eine Leckage von Strom aus der Pumpelektrode zur Sensorelektrode zu verringern, womit ein erforderlicher Fluss von elektrischem Strom geschaffen wird, der von der Pumpzelle benötigt wird. Dem Zustand, bei dem das Verhältnis drei oder mehr beträgt, wird ebenfalls entsprochen, indem man die Dicke des Feststoffelektrolytkörpers einstellt, um kleiner als der Abstand zwischen der Pumpelektrode und der Sensorelektrode zu sein. Dies bewirkt einen verminderten Widerstand zwischen der Pumpelektrode und der Referenzelektrode, welche die Pumpzelle bilden, wodurch die Leckage von Strom aus der Pumpelektrode zur Sensorelektrode verringert wird, womit der elektrische Strom vermindert wird, der in die Sensorzelle entweicht. Hierdurch verbessert sich die Genauigkeit beim Messen der Konzentration der gegebenen Gaskomponente.
Die Wahl des Verhältnisses des Mindestabstands zwischen der Pumpelektrode und der Sensorelektrode zur Dicke des Feststoffelektrolytkörpers dahingehend, drei oder mehr zu betragen, ermöglicht es, die Pumpzelle, welche die Konzentration an Sauerstoff in dem Gas reguliert, und die Sensorzelle, welche ein Signal entsprechend der Konzentration der gegebenen Gaskomponente in dem Gas ausgibt, nachdem die Pumpzelle die Sauerstoffkonzentration reguliert hat, mithilfe des einzelnen Feststoffelektrolytkörpers, der auf der ersten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers gebildeten Vielzahl an Elektroden und der auf der zweiten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers gebildeten Referenzelektrode zu bilden.
Dies bedingt, dass nur eine von der Gaskammer und der Referenzgaskammer zwischen dem Feststoffelektrolytkörper und der Heizvorrichtung angeordnet ist, was zu einer Verringerung des Abstands von der Pumpzelle und der Sensorzelle zur Heizvorrichtung führt. Hierdurch ergibt sich eine Erleichterung beim Aufheizen der Pumpzelle 3 und der Sensorzelle durch die Heizvorrichtung, und es ergibt sich auch eine Verringerung der Dicke des Gassensors, was zu einer reduzierten Größe des Gassensors führt.
Wie oben beschrieben, stellt diese Patentschrift den Gassensor bereit, der eine hohe Genauigkeit beim Messen der Konzentration der gegebenen Gaskomponente aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht eines Gassensors in der ersten Ausführungsform;
2 ist eine Schnittansicht, betrachtet entlang der Linie II-II in 1;
3 ist eine Schnittansicht, betrachtet entlang der Linie III-III in 1;
4 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Gassensors in der ersten Ausführungsform;
5 ist eine Schnittansicht eines Gassensors in der zweiten Ausführungsform;
6 ist eine Schnittansicht eines Gassensors in der dritten Ausführungsform;
7(a) ist eine Tabelle, welche Versuchsergebnisse zu einem Verhältnis zwischen einer Dicke eines Feststoffelektrolytkörpers und einem Mindestabstand zwischen einer Pumpelektrode und einer Sensorelektrode darstellt; und
7(b) ist eine Grafik, welche Versuchsergebnisse zu einem Verhältnis zwischen einer Dicke eines Feststoffelektrolytkörpers und einem Mindestabstand zwischen einer Pumpelektrode und einer Sensorelektrode darstellt.
AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
Im Folgenden wird ein Gassensor 1 der ersten Ausführungsform unter Heranziehung der 1 bis 4 beschrieben. Der Gassensor 1 wird verwendet, um die Konzentration einer gegebenen Gaskomponente, die in sauerstoffhaltigem Gas g enthalten ist, zu messen. Der Gassensor 1, wie in der 1 veranschaulicht, umfasst eine Gaskammer 7, eine Referenzgaskammer 8, einen plattenartigen Feststoffelektrolytkörper 2 (2p, 2m und 2s), eine Pumpelektrode 30, eine Überwachungselektrode 40, eine Sensorelektrode 50, eine Referenzelektrode 80, eine plattenartige Heizvorrichtung 6, die eine gegebene Dicke besitzt. Das sauerstoffhaltige Gas g wird in die Gaskammer 7 eingelassen. Ein Referenzgas wird in die Referenzgaskammer 8 eingelassen.
Der Feststoffelektrolytkörper 2 ist zwischengeschaltet zwischen der Gaskammer 7 und der Referenzgaskammer 8 angeordnet. Der Feststoffelektrolytkörper 2 ist ein plattenartiges Bauteil, hergestellt aus einem Material wie Zirkonoxid oder Ceroxid, welches Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt.
Der Feststoffelektrolytkörper 2, wie in der 1 veranschaulicht, hat eine gegebene Dicke d und weist überdies eine erste Hauptoberfläche 21 und eine zweite Hauptoberfläche 22 auf, welche über die Dicke d hinweg einander zugewandt sind. Die Pumpelektrode 30, die Überwachungselektrode 40 und die Sensorelektrode 50 sind auf der ersten Hauptoberfläche 21 des Feststoffelektrolytkörpers 2 gebildet, welche der Gaskammer 7 ausgesetzt ist. Die Referenzelektrode 80 ist auf der zweiten Hauptoberfläche 22 des Feststoffelektrolytkörpers 2 gebildet, welche der Referenzgaskammer 8 ausgesetzt ist.
Die Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 ist ein Durchschnittswert von Dicken, wie sie an fünf Punkten gemessen werden, die in einer Längsrichtung auf diesem liegen.
Die Heizvorrichtung 6 wirkt zur Erwärmung der Referenzelektrode 80 zusammen mit der Pumpelektrode 30, der Überwachungselektrode 40, der Sensorelektrode 50 und dem Feststoffelektrolytkörper 2 bis zu einer gegebenen Temperatur, die erforderlich ist, um den Feststoffelektrolytkörper 2 zu aktivieren. Die Aktivierung des Feststoffelektrolytkörpers 2 bedeutet, dass der Feststoffelektrolytkörper 2 eine zum Messen der Konzentration an Sauerstoff oder NOx erforderliche Temperatur erreicht hat und zum Zersetzen von NOx zu Sauerstoffionen und Stickstoffionen betriebsfähig ist.
Der Feststoffelektrolytkörper 2, die Pumpelektrode 30 und die Referenzelektrode 80 bilden die Pumpzelle 3, die dahingehend wirkt, die Konzentration an Sauerstoff im Gas g zu regulieren. Der Feststoffelektrolytkörper 2, die Überwachungselektrode 40 und die Referenzelektrode 80, wie in der 3 veranschaulicht, bilden die Überwachungszelle 4, die dahingehend wirkt, die Konzentration an Sauerstoff im Gas g zu verfolgen, nachdem die Pumpzelle 3 die Konzentration an Sauerstoff in dem Gas g reguliert. Der Feststoffelektrolytkörper 2, die Sensorelektrode 50 und die Referenzelektrode 80, wie in den 1 und 3 veranschaulicht, bilden die Sensorzelle 5, die dahingehend wirkt, die Konzentration der gegebenen Gaskomponente im Gas g zu messen, nachdem die Pumpzelle 3 die Konzentration an Sauerstoff im Gas g reguliert. Insbesondere gibt die Sensorzelle 5 ein Signal aus, das eine Anzeige für die Konzentration der gegebenen Gaskomponente vorsieht.
Die Heizvorrichtung 6 ist so angeordnet, dass sie dem Feststoffelektrolytkörper 2 durch die Referenzgaskammer 8 hinweg zugewandt ist.
Ein Abstand D1 von einem Abschnitt 2p des Feststoffelektrolytkörpers 2, welcher die Pumpzelle 3 bildet, zur Heizvorrichtung 6 in der Dickenrichtung der Heizvorrichtung 6 (d.h. der z-Richtung), ein Abstand D2 von einem Abschnitt 2m des Feststoffelektrolytkörpers 2, welcher die Überwachungszelle 4 bildet, zur Heizvorrichtung 6 in der Dickenrichtung der Heizvorrichtung 6, und ein Abstand D3 von einem Abschnitt 2s des Feststoffelektrolytkörpers 2, welcher die Sensorzelle 5 bildet, zur Heizvorrichtung 6 in der Dickenrichtung der Heizvorrichtung 6 sind einander gleich. Im Genaueren besteht die Heizvorrichtung 6 aus einer aus Keramik gefertigten Heizplatte 62, einem Heizmuster 63, das auf der Oberfläche der Heizplatte 62 gebildet ist und Wärme produziert, wenn es mit Energie beaufschlagt wird, und einer Isolierschicht 61, welche das Heizmuster 63 bedeckt. Der Abstand D1 ist ein Mindestabstand zwischen einem Flächenbereich des Abschnitts 2p, der die Pumpzelle 3 bildet, welcher ein Abschnitt der Hauptoberfläche 22 des Feststoffelektrolytkörpers 2 ist, und der Hauptoberfläche 90 der Isolierschicht 61, die der Hauptoberfläche 22 zugewandt ist. Der Abstand D2 ist, wie in der 3 ersichtlich, ein Mindestabstand zwischen einem Flächenbereich des Abschnitts 2m, der die Überwachungszelle 4 bildet, welcher ein Abschnitt der Hauptoberfläche 22 des Feststoffelektrolytkörpers 2 ist, und der Hauptoberfläche 90 der Isolierschicht 61. Der Abstand D3 ist ein Mindestabstand zwischen einem Bereich des Abschnitts 2s, der die Sensorzelle 5 bildet, welcher ein Abschnitt der Hauptoberfläche 22 des Feststoffelektrolytkörpers 2 ist, und der Hauptoberfläche 90 der Isolierschicht 61.
Der Gassensor 1 dieser Ausführungsform fungiert als NOx-Sensor, der die im Abgas von Kraftfahrzeugen enthaltene NOx-Konzentration misst. Das Gas g in dieser Ausführungsform ist daher das Abgas aus Kraftfahrzeugen, die mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sind. Die gegebene Gaskomponente ist NOx. In dem Fall, bei dem die NOx-Konzentration gemessen wird, ist die Gesamtheit des Gassensors 1 innerhalb eines, nicht gezeigten, zylindrischen Gehäuses angeordnet und wird in einem Abgasrohr des Kraftfahrzeugs installiert. Genauer besitzt der Gassensor 1 einen Spitzenabschnitt 100, der in das Abgasrohr bzw. den Auspuff eingeführt wird, und einen hinteren Endabschnitt, der der Umgebungsluft ausgesetzt ist, bei der es sich um das Referenzgas handelt.
Der Gassensor 1, wie in den 1 und 4 veranschaulicht, umfasst die aus Keramik gefertigte Isolierplatte 10, einen plattenartigen ersten Abstandhalter 11 zum Definieren der Gaskammer 7, den Feststoffelektrolytkörper 2, einen plattenartigen zweiten Abstandhalter 12 zum Definieren der Referenzgaskammer 8 und die Heizvorrichtung 6 zum Erwärmen der Pumpzelle 3, der Überwachungszelle 4 und der Sensorzelle 5, welche in der Z-Richtung gestapelt angeordnet sind.
Die Gaskammer 7 ist ein Raum, in den das vom Kraftfahrzeug ausgestoßene Abgas (d.h. das Gas g) eingelassen wird. Das Gas g, wie in den 1 und 2 veranschaulicht, strömt innerhalb der Gaskammer 7 in einer wie durch einen Pfeil 250 angegeben Richtung. Der erste Abstandhalter 11, wie in 4 veranschaulicht, hat einen ausgeschnittenen Abschnitt 79, der darin gebildet ist. Der ausgeschnittene Abschnitt 79 definiert die Gaskammer 7. Im ersten Abstandhalter 11 ist eine Diffusionswiderstandsschicht 13 gebildet, durch welche das Gas g aus dem Auspuffrohr in die Gaskammer 7 eingelassen wird. Die Diffusionswiderstandsschicht 13 wirkt zum Begrenzen der Geschwindigkeit, mit der das Gas durch diese hindurchströmt.
Die Referenzgaskammer 8 ist ein Raum, in den Luft als das Referenzgas eingelassen wird, in welchem die Sauerstoffkonzentration konstant ist. Die Referenzgaskammer 8 ist durch ein im zweiten Abstandhalter 12 geformtes Durchgangsloch 89 definiert. Das Durchgangsloch 89 kommuniziert durch eine Passage 121 mit einem externen Raum außerhalb des Gassensors 1, in welchem Luft vorhanden ist. Die Passage 121 ist durch eine in einer Richtung X verlaufende Furche gebildet, in der das Gas g fließt (d.h. einer in den 1 und 2 veranschaulichten Richtung 250, in der das Gas g in der Gaskammer 7 fließt). Die Luft wird in die Referenzgaskammer 8 durch die Passage 121 eingelassen. Der erste Abstandhalter 11 und der zweite Abstandhalter 12 sind aus einem isolierenden Material, wie etwa Aluminiumoxid, hergestellt.
Die Pumpelektrode 30 und die Überwachungselektrode 40 sind aus einem metallischen Material hergestellt, das eine geringe Aktivität zur Zersetzung von NOx besitzt. Die Pumpelektrode 30 und die Überwachungselektrode 40 sind insbesondere jeweils aus einer porösen Cermet-Elektrode, die Gold Au und Platin Pt als Hauptbestandteile enthält, gebildet. Die Sensorelektrode 50 ist aus einem metallischen Material hergestellt, das hohe Aktivität zur Zersetzung von NOx besitzt. Die Sensorelektrode 50 ist insbesondere mittels einer porösen Cermet-Elektrode, die Platin Pt und Rhodium Rh enthält, gebildet.
Die Pumpelektrode 30, die Überwachungselektrode 40, die Sensorelektrode 50 und die Referenzelektrode 80, wie in 4 veranschaulicht, besitzen Leitungen 16, welche den Durchtrittsweg für den elektrischen Strom definieren. Im erstem Abstandhalter 11 und der Isolierplatte 10 sind Durchgangslöcher 17 ausgebildet, welche in Z-Richtung durch diese hindurchreichen. Die Durchgangslöcher 17 stellen die elektrische leitende Verbindung der Pumpelektrode 30, der Überwachungselektrode 40 und der Sensorelektrode 50 mit der Oberfläche der Isolierplatte 10 her. Auf der Isolierplatte 10 sind zahlreiche Leitungsanschluss-Elektroden 15 für elektrische Verbindungen mit einer externen Vorrichtung ausgebildet.
Die Heizvorrichtung 6 besteht aus der aus Keramik gefertigten Heizplatte 62, dem Heizmuster 63, das auf der Heizplatte 62 gebildet ist und Wärme produziert, wenn es mit elektrischer Energie beaufschlagt wird, und der Isolierschicht 61, welche das Heizmuster 63 bedeckt. Wenn es von außen mit elektrischer Energie versorgt wird, produziert das Heizmuster 63 der Heizvorrichtung 6 thermische Energie, um jede von der Pumpzelle 3, der Überwachungszelle 4 und der Sensorzelle 5 bis zur Aktivierungstemperatur zu erwärmen. Auf der Heizplatte 62 sind Blöcke 18 geformt, und in ihm sind ebenfalls die Durchgangslöcher 17 geformt, über welche das Heizmuster 63 mit den Blöcken 18 elektrisch verbunden ist. Die Referenzelektrode 80 ist ebenfalls durch das Durchgangsloch 17 mit einer auf der Oberfläche der Heizplatte 62 gebildeten Leitungsanschluss-Elektrode 180 elektrisch verbunden.
Zur Vermeidung des Ausstoßes einer großen Menge Sauerstoff bei der Verwendung der Pumpzelle 3 ist die wärmeerzeugende Mitte des Heizmusters 63 näher an der Pumpzelle 3 angeordnet. Mit anderen Worten ist das Heizmuster 63 ausgelegt, um die Pumpzelle 3, die Überwachungszelle 4 und die Sensorzelle 5 so zu erwärmen, dass die Pumpzelle 3 eine höhere Temperatur aufweisen wird als die Überwachungszelle 4 und die Sensorzelle 5.
Der Feststoffelektrolytkörper 2, wie in den 1 bis 3 veranschaulicht, besitzt die Dicke d. Die Pumpelektrode 30 und die Sensorelektrode 50 sind um einen Mindestabstand L2 entfernt voneinander angeordnet. In dieser Ausführungsform ist der Gassensor 1 so entworfen, dass bei ihm ein Verhältnis (L2/d) des Mindestabstands L2 zur Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 auf einen Wert von 3 oder mehr festgelegt ist.
Die Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 ist, wie oben beschrieben, ein Durchschnittswert von Dicken, wie sie an fünf Punkten auf dem plattenartigen Feststoffelektrolytkörper 2, welche in dessen Längsrichtung gegeben sind, gemessen werden. Der Mindestabstand L2 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 ist ein Zwischenraum zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 in der Längsrichtung des Feststoffelektrolytkörpers 2, auf dem die Pumpelektrode 30 und die Sensorelektrode 50 gebildet sind, d.h. in der Richtung 250, in der das Gas g fließt.
Mit anderen Worten wird dem Zustand, bei dem das oben genannte Verhältnis drei oder mehr beträgt, entsprochen, indem man den Mindestabstand L2 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 einstellt, um größer als die Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 zu sein. Dies führt zu einem erhöhten Widerstand zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50, um eine Leckage von Strom aus der Pumpelektrode 30 zur Sensorelektrode 50 zu verringern, wodurch ein erforderlicher Fluss von elektrischem Strom geschaffen wird, der von der Pumpzelle 3 benötigt wird.
Dem Zustand, bei dem das oben genannte Verhältnis drei oder mehr beträgt, wird ebenfalls entsprochen, indem man die Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 einstellt, um kleiner als der Mindestabstand L2 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 zu sein. Dies führt zu einem verminderten Widerstand zwischen der Pumpelektrode 30 und der Referenzelektrode 80, welche die Pumpzelle 3 bildet (d.h. einer Referenzelektrode 80p), um eine Leckage von Strom aus der Pumpelektrode 30 zur Sensorelektrode 50 zu verringern, wodurch der elektrische Strom vermindert wird, der in die Sensorzelle 5 entweicht. Dies verbessert die Genauigkeit beim Messen der Konzentration der gegebenen Gaskomponente.
Das Verhältnis des Mindestabstands L2 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 zur Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 wird, wie oben beschrieben, so festgelegt, dass er sich auf drei oder mehr beläuft, wodurch die Herstellung des Gassensors 1 mit lediglich dem einzelnen Feststoffelektrolytkörper 2 ermöglicht wird. Auf dem Feststoffelektrolytkörper 2 sind die Pumpelektrode 30, die Überwachungselektrode 40, die Sensorelektrode 50 und die Referenzelektrode 80 gebildet, um drei Typen von Zellen zu erzeugen: die Pumpzelle 3, die Überwachungszelle 4 und die Sensorzelle 5.
In Hinblick auf die Verringerung der Größe des Gassensors 1 ist es zu bevorzugen, dass der Mindestabstand L2 sich auf 0,3 mm bis 0,7 mm beläuft, und die Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 sich auf 0,1 mm bis 0,3 mm beläuft, und dass das Verhältnis (L2/d) des Mindestabstand s L2 zur Dicke d weniger als oder gleich 7 ist.
Die Spezifizierung der jeweiligen numerischen Bereiche erfolgt im Hinblick auf die Festigkeit bzw. Stärke des Feststoffelektrolytkörpers 2 und die Funktionen der Pumpzelle 3, der Überwachungszelle 4 und der Sensorzelle 5.
Die Bestimmung der Konzentration der gegebenen Gaskomponente (d.h. NOx) des sauerstoffhaltigen Gases g wird, wie oben beschrieben, erreicht durch Messen einer Konzentration des Sauerstoffs, welcher noch in dem Gas g verbleibt, nachdem es bezüglich der Sauerstoffkonzentration durch die Pumpzelle 3 reguliert wurde, mittels der Überwachungszelle 4, Bestimmen einer Konzentration an Sauerstoff mittels der Sensorzelle 5, entsprechend der Summe der Konzentration der gegebenen Gaskomponente (d.h., NOx) und der Konzentration des verbleibenden Sauerstoffs, und Ableiten einer Differenz zwischen einer Ausgabe der Sensorzelle 5 und einer Ausgabe der Überwachungszelle 4, um eine die Konzentration des verbleibenden Sauerstoffs anzeigende Komponente aus der Ausgabe der Sensorzelle 5 zu entfernen.
In dieser Ausführungsform ist die Gaskammer 7, wie in den 1 und 2 veranschaulicht, durch einen einzelnen Raum gebildet, der durch den ersten Abstandhalter 11, die Isolierplatte 10, und den Feststoffelektrolytkörper 2 definiert ist. Dies begünstigt die Leichtigkeit, mit der das Gas g innerhalb der Gaskammer 7 strömt, wodurch eine Detektion einer Veränderung in der Ausgabe aus der Sensorzelle 5, welche die Konzentration der gegebenen Gaskomponente anzeigt, bei einer hohen Ansprechgeschwindigkeit erzielt wird. Der einzelne Raum, der die Gaskammer 7 definiert, hat eine gegebene Dicke in der Dickenrichtung der Heizvorrichtung 6 (d.h. der Z-Richtung) und eine gegebene Breite. Die Dicke der Gaskammer 7 wird zumindest von einem Abschnitt der Hauptoberfläche 21 des Feststoffelektrolytkörpers 2, auf welchem die Pumpelektrode 30 gebildet ist, bis zu einem Abschnitt der Hauptoberfläche 21, auf welchem die Überwachungselektrode 40 und die Sensorelektrode 50 gebildet sind, konstant gehalten.
Die Breite der Gaskammer 7 ist gegeben durch einen Zwischenraum zwischen den Innenwänden des ersten Abstandhalters 11 in einer Richtung senkrecht sowohl zur Richtung 250, in der das Gas innerhalb der Gaskammer 7 strömt, als auch zur Dicke der Gaskammer 7, mit anderen Worten der Y-Richtung in 2. Die Breite der Gaskammer 7 wird konstant gehalten, zumindest von dem Abschnitt der Hauptoberfläche, auf dem die Pumpelektrode 30 gebildet ist, bis zu dem Abschnitt der Hauptoberfläche 21, auf dem die Überwachungselektrode 40 und die Sensorelektrode 50 gebildet sind. Mit anderen Worten, gibt es keinerlei Objekt innerhalb der Gaskammer 7, wie einen schmalen Bereich oder eine Trennwand, welches eine Abmessung der Gaskammer 7 in der Z- oder Y-Richtung innerhalb eines Bereichs von der Pumpelektrode 30 bis zu der Überwachungselektrode 40 oder der Sensorelektrode 50 verkleinern würde. Dies gewährleistet den Fluss des Gases g innerhalb der Gaskammer 7 ohne Beschränken seiner Diffusion aus der Pumpelektrode 30 zu der Überwachungselektrode 40 oder der Sensorelektrode 50.
Der Abstand L1 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Überwachungselektrode 40 und der Abstand L2 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 in der Richtung X (d.h. der Richtung 250 des Flusses des Gases g) sind, wie in der 2 veranschaulicht, zueinander identisch.
In dieser Ausführungsform wird die Referenzelektrode 80, wie in den 1 und 4 ersichtlich, unter der Pumpzelle 3, der Überwachungszelle 4, und der Sensorzelle 5 geteilt bzw. ist diesen gemeinsam. Mit anderen Worten ist die Referenzelektrode 80 aus einem einzelnen Leiter gebildet, der einstückig die Referenzelektrode 80p, welche die Pumpzelle 3 bildet, die Referenzelektrode 80m, welche die Überwachungszelle 4 bildet, und die Referenzelektrode 80s, welche die Sensorzelle 5 bildet, einschließt.
Als Nächstes wird nachstehend ein Funktionsprinzip des Gassensors 1 zum Messen der Konzentration der gegebenen Gaskomponente beschrieben. Das Gas g, wie in der 1 veranschaulicht, tritt durch die Diffusionswiderstandsschicht 13 in die Gaskammer 7. Da das Gas g Sauerstoffmoleküle enthält, werden die Sauerstoffmoleküle durch die Pumpzelle 3 entfernt. Im Genaueren wird eine Gleichspannung zwischen der Referenzelektrode 80 und der Pumpelektrode 30 angelegt, um die Referenzelektrode mit einem höheren elektrischen Potential zu beaufschlagen. Dies verursacht, dass die Sauerstoffmoleküle auf der Pumpelektrode 30 reduziert werden, so dass sie zu Sauerstoffionen werden. Die Sauerstoffionen werden dann in die Referenzgaskammer 8 gepumpt. Die Konzentration an Sauerstoff in der Gaskammer 7 wird durch Steuern der Höhe der Gleichspannung, die an der Pumpzelle 3 angelegt wird, reguliert.
Das Gas g, in dem die Sauerstoffkonzentration verringert worden ist, wird dann zu der Überwachungszelle 4 und der Sensorzelle 5 geleitet. Das Gas g enthält die Sauerstoffmoleküle, die nicht von der Pumpzelle 3 entfernt worden sind. Die Überwachungszelle 4 misst daher die Konzentration der Sauerstoffmoleküle. In der Überwachungszelle 4 wird Gleichspannung, wie in 3 veranschaulicht, zwischen der Referenzelektrode 80 und der Überwachungselektrode 40 angelegt, um die Referenzelektrode 80 mit einem höheren elektrischen Potential zu beaufschlagen. Dies verursacht, dass die Sauerstoffmoleküle auf der Pumpelektrode 30 reduziert werden, so dass sie zu Sauerstoffionen werden. Die Sauerstoffionen werden dann in die Referenzgaskammer 8 gepumpt. Die Überwachungselektrode 40 ist aus einer Pt-Au-Cermet-Elektrode gefertigt, welche mit NOx inaktiv ist, so dass ein Sauerstoffionenstrom, der durch die Überwachungszelle 4 fließt, lediglich von der Konzentration an im Gas g enthaltenen Sauerstoffmolekülen, aber nicht von der Konzentration an NOx abhängt. Die Konzentration an Sauerstoffmolekülen, die im Gas g enthalten sind, wird deshalb durch Messen des Sauerstoffionenstromes mit Hilfe des Amperemeters 14 bestimmt.
Die Gleichspannung wird auch zwischen der Referenzelektrode 80 und der Sensorelektrode 50 in der Sensorzelle 5 angelegt, um die Referenzelektrode 80 mit einem höheren elektrischen Potential zu beaufschlagen. Die Sensorelektrode 50 ist aus einer Pt-Rh-Cermet-Elektrode hergestellt, die zum Zersetzen von NOx wirksam ist und somit dahingehend wirkt, die Sauerstoffmoleküle und NOx-Moleküle zu Sauerstoffionen zu reduzieren. Die Sauerstoffionen werden dann in die Referenzgaskammer 8 gepumpt. Deshalb wird durch die Messung des Sauerstoffionenstromes mit Hilfe des Amperemeters 14 die Summe der Konzentrationen von Sauerstoffmolekülen und NOx-Molekülen, die im Gas g enthalten sind, bestimmt.
Die Konzentration A an Sauerstoffmolekülen, die im Gas g enthalten sind, wird unter Verwendung der Überwachungszelle 4 in der oben geschilderten Weise gemessen. Die Konzentration B, welche die Summe der Konzentrationen des Sauerstoffmoleküls und der NOx-Moleküle ist, wird unter Verwendung der Sensorzelle 5 bestimmt. Die Konzentration A wird von der Konzentration B subtrahiert, um so die im Gas g enthaltene Konzentration an NOx zu bestimmen.
Die Entfernung von Sauerstoff aus dem Gas g wird in dieser Ausführungsform unter Verwendung der Pumpzelle 3 erreicht, aber die Richtung des Anlegens der Spannung kann umgekehrt werden, um Sauerstoff aus der Referenzgaskammer 8 in das Gas g einzubringen.
Der Betrieb und nutzbringende Vorteile dieser Ausführungsform werden nachstehend beschrieben.
Der Feststoffelektrolytkörper 2, wie in der 1 veranschaulicht, besitzt die Dicke d. Die Pumpelektrode 30 und die Sensorelektrode 50 liegen um den Mindestabstand L2 voneinander entfernt. Der Gassensor 1 ist so entworfen, dass das Verhältnis (L2/d) des Mindestabstands L2 zu der Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 drei oder mehr beträgt. Mit anderen Worten wird dem Zustand, bei dem das Verhältnis drei oder mehr beträgt, entsprochen, indem der Mindestabstand L2 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 eingestellt wird, um größer als die Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 zu sein. Dies resultiert in einem erhöhten Widerstand zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50, um eine Leckage von Strom aus der Pumpelektrode 30 zur Sensorelektrode 50 zu verringern, womit ein erforderlicher Fluss von elektrischem Strom erzeugt wird, der von der Pumpzelle 3 benötigt wird. Dem Zustand, bei dem das Verhältnis drei oder mehr beträgt, wird ebenfalls entsprochen, indem die Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 eingestellt wird, um kleiner als der Abstand L2 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 zu sein. Dies resultiert in einem verringerten Widerstand zwischen der Pumpelektrode 30 und der Referenzelektrode 80, welche die Pumpzelle 3 bildet (d.h., einer Referenzelektrode 80p), um eine Leckage von Strom aus der Pumpelektrode 30 zur Sensorelektrode 50 zu verringern, wodurch der elektrische Strom vermindert wird, der in die Sensorzelle 5 entweicht. Dies verbessert die Genauigkeit beim Messen der Konzentration der gegebenen Gaskomponente.
Damit wird es ermöglicht, die Pumpzelle 3, die Überwachungszelle 4 und die Sensorzelle 5 mithilfe des einzelnen Feststoffelektrolytkörpers 2 zu formen, so dass nur eine von der Gaskammer 7 oder der Referenzgaskammer 8 zwischen dem Feststoffelektrolytkörper 2 und der Heizvorrichtung 6 liegen kann, weshalb sich eine Verringerung des Abstands von der Pumpzelle 3, der Überwachungszelle 4 und der Sensorzelle 5 bis zur Heizvorrichtung 6 ergibt. Dies begünstigt die Leichtigkeit, mit der die Heizvorrichtung 6 die Pumpzelle 3, die Sensorzelle 5, und die Überwachungszelle 4 aufheizt, und führt außerdem zu einer Verringerung der Dicke des Gassensors 1 in der Z-Richtung, was zu einer verminderten Größe des Gassensors 1 führt.
Im Gassensor 1 ist die Referenzgaskammer 8, wie in den 1 und 3 ersehen werden kann, zwischen der Heizvorrichtung 6 und dem Feststoffelektrolytkörper 2 angeordnet. Die oben beschriebenen Abstände D1, D2 und D3 sind gleichwertig zueinander eingestellt.
Dies ermöglicht es, drei Zellen, d.h. die Pumpzelle 3, die Überwachungszelle 4 und die Sensorzelle 5, nahe an der Heizvorrichtung 6 anzuordnen. Insbesondere liegt in dieser Ausführungsform nur die Referenzkammer 8 zwischen dem Feststoffelektrolytkörper 2 und der Heizvorrichtung 6, wodurch der Zwischenraum zwischen jedem von der Pumpzelle 3, der Überwachungszelle 4 und der Sensorzelle 5 und der Heizvorrichtung 6 zugelassen wird.
Die Pumpzelle 3, die Überwachungszelle 4 und die Sensorzelle 5 sind alle mit einem gleichen Abstand zu der Heizvorrichtung 6 angeordnet, so dass thermische Energie in gleichwertiger Weise von der Heizvorrichtung zur Pumpzelle 3, zur Überwachungszelle 4 und zur Sensorzelle 5 übertragen wird, was somit zu einer Verringerung der Variation der Temperatur unter der Pumpzelle 3, der Überwachungszelle 4, und der Sensorzelle 5 führt und zudem der Heizvorrichtung 6 erlaubt, die Pumpzelle 3, die Überwachungszelle 4, und die Sensorzelle 5 bei einem Minimum an Energieverbrauch aufzuheizen.
Der Gassensor 1 dieser Ausführungsform ist entworfen, um den einzelnen Feststoffelektrolytkörper 2, die Pumpelektrode 30, die Überwachungselektrode 40 und die Sensorelektrode 50 zur jeweiligen Erstellung der Pumpzelle 3, der Überwachungszelle 4 bzw. der Sensorzelle 5 zu verwenden, woraus sich eine Senkung der Produktionskosten des Gassensors 1 ergibt.
Die Gaskammer 7 wird, wie in den 1 und 2 veranschaulicht, von einem einzelnen Raum gebildet, der die gegebene Dicke in der Dickenrichtung der Heizvorrichtung 6 (d.h., der Z-Richtung) und die gegebene Breite besitzt. Die Dicke der Gaskammer 7 wird zumindest von einem Abschnitt der Hauptoberfläche 21 des Feststoffelektrolytkörpers 2, auf welchem die Pumpelektrode 30 gebildet ist, bis zu einem Abschnitt der Hauptoberfläche 21, auf welchem die Überwachungselektrode 40 und die Sensorelektrode 50 gebildet sind, konstant gehalten. Die Breite der Gaskammer 7 ist gegeben durch einen Zwischenraum zwischen den Innenwänden des ersten Abstandhalters 11 in einer Richtung senkrecht sowohl zur Richtung 250, in der das Gas innerhalb der Gaskammer 7 strömt, als auch zur Dicke der Gaskammer 7, mit anderen Worten der Y-Richtung in 2. Die Breite der Gaskammer 7 wird konstant gehalten, zumindest von dem Flächenbereich der Hauptoberfläche, auf dem die Pumpelektrode 30 gebildet ist, bis zu dem Flächenbereich der Hauptoberfläche 21, auf dem die Überwachungselektrode 40 und die Sensorelektrode 50 gebildet sind. Mit anderen Worten, gibt es keinerlei Objekt innerhalb der Gaskammer 7, wie etwa einen schmalen Bereich oder eine Trennwand, welches eine Abmessung der Gaskammer 7 in der Z- oder Y-Richtung innerhalb eines Bereichs von der Pumpelektrode 30 bis zu der Überwachungselektrode 40 oder der Sensorelektrode 50 verkleinern würde. Dies gewährleistet einen Fluss des Gases g von der Pumpelektrode 30 zur Überwachungselektrode 40 oder Sensorelektrode 50 innerhalb der Gaskammer 7 ohne eine Beschränkung seiner Diffusion, was es erlaubt, eine Veränderung der Konzentration der gegebenen Gaskomponente (d.h. NOx) im Gas g schnell zu messen, bzw., mit anderen Worten, die Ansprechgeschwindigkeit des Gassensors 1 zu verbessern.
Im Gassensor 1 dieser Ausführungsform sind die Referenzelektrode 80p, welche die Pumpzelle 3 bildet, die Referenzelektrode 80m, welche die Überwachungszelle 4 bildet, und die Referenzelektrode 80s, welche die Sensorzelle 5 bildet, aus einem einzigen Leiter hergestellt.
Wie in der 4 veranschaulicht, eliminiert dies die Notwendigkeit der Bereitstellung der Leitung 16b, die sich von der Referenzelektrode 80 aus bei jeder der Zellen erstreckt, d.h. es wird ermöglicht, dass sich die Zellen die einzelne Leitung 16b teilen. Dies führt zu einer vereinfachten Struktur des Gassensors 1. In dem Fall, bei dem der Gassensor 1 in einem Gehäuse zur Bildung einer Gassensor-Baueinheit installiert ist, wird ein Stromversorgungs-Bauteil mit der Leitung 16b verbunden werden. Die oben dargelegte Struktur ermöglicht die Verwendung eines einzigen mit der Leitung 16b zu verbindenden Stromversorgungs-Bauteils, wodurch sich eine vereinfachte Struktur des Gassensors 1 ergibt.
In dieser Ausführungsform sind der Abstand L1 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Überwachungselektrode 40 und der Abstand L2 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 in der Richtung X (d.h., der Richtung 250 des Flusses des Gas g), wie in 2 veranschaulicht, miteinander identisch. Dies wird verursachen, dass das Gas g, in dem die Konzentration an Sauerstoff verringert worden ist, die Überwachungselektrode 40 und die Sensorelektrode 50 im Wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt erreicht, so dass die Konzentration an Sauerstoff im Gas g auf der Überwachungselektrode 40 im Wesentlichen gleich zu jener auf der Sensorelektrode 50 sein wird. Daher ist es möglich, die Konzentration an Sauerstoff, wie oben beschrieben, durch Subtrahieren der Konzentration A von der Konzentration B akkurat zu eliminieren, was somit eine gesteigerte Genauigkeit beim Messen der Konzentration der gegebenen Gaskomponente bewirkt.
Die Gaskammer 7 ist so entworfen, dass das Gas g in der gegebenen Richtung 250 innerhalb der Gaskammer 7 strömt. Die Pumpelektrode 30 ist stromaufwärts in der Richtung 250 angeordnet, während die Überwachungselektrode 40 und die Sensorelektrode 50 stromabwärts in der Richtung 250 angeordnet sind. Die Überwachungselektrode 40 und die Sensorelektrode 50 sind parallel zueinander in der Richtung 250 ausgerichtet. Dies führt zu einem minimierten Fehler einer Differenz zwischen der Ausgabe der Überwachungszelle 4, welche die Konzentration an im Gas g verbleibenden Sauerstoff anzeigt, nachdem die Pumpzelle 3 die Konzentration an Sauerstoff im Gas g reguliert, und der Ausgabe der Sensorzelle 5, welche die Konzentration an Sauerstoff entsprechend der Summe der Konzentration der gegebenen Gaskomponente (d.h. NOx) und der Konzentration des verbleibenden Sauerstoffs anzeigt. Dies führt zu einer verbesserten Genauigkeit beim Bestimmen der Konzentration der gegebenen Gaskomponente (d.h. NOx).
Die Pumpzelle 3 weist eine größere Menge an Sauerstoffion auf, die durch sie hindurchströmt, als die Überwachungszelle 4. Es ist deshalb zu bevorzugen, dass die Pumpzelle 3 auf eine höhere Temperatur aufgeheizt wird als die Überwachungszelle 4 oder die Sensorzelle 5. Um dieser Anforderung zu genügen, ist in dieser Ausführungsform, wie aus 4 ersichtlich, die wärmeerzeugende Mitte der Heizvorrichtung 6, wo die Heizvorrichtung 6 Wärme produziert, näher an der Pumpzelle 3 angeordnet, so dass die Temperatur der Pumpzelle 3 zu einem etwas höheren Ausmaß erhöht wird als jene der Überwachungszelle 4 und der Sensorzelle 5. Die wärmeerzeugende Mitte der Heizvorrichtung 6 liegt dort vor, wo ein Bereich einer thermischen Verteilung der von der Heizvorrichtung 6 abgegebenen Wärme die höchste Temperatur aufweist.
Wie oben beschrieben, stellt diese Ausführungsform den Gassensor 1 bereit, der eine Veränderung der Ausgabe aus der Sensorzelle 5, welche die Konzentration der gegebenen Gaskomponente anzeigt, bei einer hohen Ansprechgeschwindigkeit erfassen kann, eine Variation der Temperatur unter der Pumpzelle 3, der Überwachungszelle 4, und der Sensorzelle 5 minimiert, die durch die Heizvorrichtung 6 verbrauchte Energiemenge senkt und eine Reduzierung seiner Größe ermöglicht.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
Die 5 veranschaulicht den Gassensor 1 der zweiten Ausführungsform. Der Gassensor 1 ist mit einer Vielzahl von Feststoffelektrolytkörpern 2 ausgestattet. Insbesondere umfasst der Gassensor 1 zwei Feststoffelektrolytkörper 2 (2a, 2b). Der Feststoffelektrolytkörper 2a bildet die Pumpzelle 3, während der Feststoffelektrolytkörper 2b die Überwachungszelle 4 und die Sensorzelle 5 bildet. Der Abstand Da zwischen dem Feststoffelektrolytkörper 2a und der Heizvorrichtung 6 und der Abstand Db zwischen dem Feststoffelektrolytkörper 2b und der Heizvorrichtung 6 sind in der Z-Richtung gleich zueinander. Genauer gesagt ist der Abstand Da ein Mindestabstand zwischen der Hauptoberfläche 22a des Feststoffelektrolytkörpers 2a und der Hauptoberfläche 90 der Isolierschicht 61, welche der Hauptoberfläche 22a zugewandt ist. Der Abstand Db ist ein Mindestabstand zwischen der Hauptoberfläche 22b des Feststoffelektrolytkörpers 2b und der Hauptoberfläche 90 der Isolierschicht 61.
Das isolierende Bauteil 29 ist zwischen den Feststoffelektrolytkörpern 2a und 2b zwischengelagert angeordnet.
Der Gassensor 1 dieser Ausführungsform ist entworfen, um den Feststoffelektrolytkörper 2a und den Feststoffelektrolytkörpers 2b, welche getrennt voneinander vorliegen, zu nutzen – den einen zur Bildung der Pumpzelle 3, durch welche ein relativ höherer Strom fließt, und den anderen zur Bildung der Überwachungszelle 4 und der Sensorzelle 5, durch welche ein relativ geringerer Strom fließt. Dies minimiert das Risiko, dass ein Teil des durch die Pumpzelle 3 hindurchtretenden Stroms als Rauschstrom zur Überwachungszelle 4 und Sensorzelle 5 fließt, weshalb die Genauigkeit bei der Messung der Konzentration der gegebenen Gaskomponente verbessert wird.
Übrige Anordnungen sind identisch mit denjenigen in der ersten Ausführungsform. In der 5 zeigen gleiche Bezugsziffern, wie jene in der ersten Ausführungsform, die gleichen Bauteile an, außer es ist anderslautend angegeben.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die 6 zeigt den Gassensor 1 in der dritten Ausführungsform. Der Gassensor 1 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform hinsichtlich der Lage der Heizvorrichtung 6. Im Speziellen ist die Gaskammer 7 zwischen der Heizvorrichtung 6 und dem Feststoffelektrolytkörper 2 angeordnet. Die Heizvorrichtung 6 ist dem Feststoffelektrolytkörper 2 durch die Gaskammer 7 hindurch zugewandt.
Übrige Anordnungen sind identisch mit denjenigen in der ersten Ausführungsform. In der 5 zeigen gleiche Bezugsziffern, wie jene in der ersten Ausführungsform, die gleichen Bauteile an, falls nicht anderweitig angegeben.
EXPERIMENTELLES BEISPIEL 1
Unter Verwendung des in den ersten bis dritten Ausführungsformen erörterten Gassensors untersuchten wir einen Zusammenhang zwischen der Genauigkeit beim Messen der NOx-Konzentration und dem Verhältnis (L2/d) des Mindestabstands L2 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 zur Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 für verschiedene Werte der Dicke d und des Mindestabstands L2.
Experimentelle Tests wurden in der folgenden Weise durchgeführt. In einer Gasumgebung, in der die NOx-Konzentration 100 ppm beträgt und die O₂-Konzentration 20% beträgt, wird ein durch die Sensorzelle 5 fließender elektrischer Strom, der einer NOx-Konzentration von 100 ppm entspricht, als Referenzwert (100%) definiert. Der Prozentsatz der Veränderung zwischen dem Referenzwert und einem Strom, der durch jede der Proben des Gassensors 5 fließt, welche von unterschiedlicher Dimension zueinander sind, ist als Ausgabefehler definiert. Der Ausgabefehler ist durch die folgende Relation gegeben: Ausgabefehler (%) = ((Sensorzellenstrom der Probe / als Referenzwert definierter Sensorzellenstrom) – 1) × 100.
Die 7(a) und 7(b) repräsentieren Ergebnisse der Tests, welche zeigen, dass der Ausgabefehler erheblich auf 2,5% oder weniger gesenkt wird, indem das Verhältnis (L2/d) des Mindestabstands L2 zwischen der Pumpelektrode 30 und der Sensorelektrode 50 zur Dicke d des Feststoffelektrolytkörpers 2 gewählt wird, um drei oder mehr zu betragen. Der Ausgabefehler lässt sich weiter verkleinern, indem man das Verhältnis (L2/d) so einstellt, dass es mehr als drei beträgt, wobei es jedoch mit Blick auf die Festigkeit des Feststoffelektrolytkörpers 2 oder die Funktionen der Pumpzelle 3, der Überwachungszelle 4 und der Sensorzelle 5 ratsam ist, dass das Verhältnis sieben oder weniger beträgt.
Bezugszeichenliste

1: Gassensor
2: Feststoffelektrolytkörper
3: Pumpzelle
30: Pumpelektrode
4: Überwachungszelle
40: Überwachungselektrode
5: Sensorzelle
50: Sensorelektrode
6: Heizvorrichtung
7: Gaskammer
8: Referenzgaskammer
80: Referenzelektrode
100: oberer Bereich des Gassensors
g: Gas

Claims

Gassensor (1) zum Messen einer Konzentration einer gegebenen Gaskomponente in sauerstoffhaltigem Gas, aufweisend: eine Gaskammer (7), in die das Gas eingelassen wird; eine Referenzgaskammer (8), in die ein Referenzgas eingelassen wird; einen einzelnen plattenartigen Feststoffelektrolytkörper (2), der Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt und zwischen der Gaskammer (7) und der Referenzgaskammer (8) angeordnet ist, wobei der Feststoffelektrolytkörper eine der Gaskammer (7) zugewandte erste Hauptoberfläche und eine der Referenzgaskammer (8) zugewandte zweite Hauptoberfläche aufweist; eine Vielzahl an Elektroden (30, 50), welche auf der ersten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers (2) gebildet sind; eine Referenzelektrode (80), die auf der zweiten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers (2) gebildet ist; eine Pumpelektrode (30), bei der es sich um eine derjenigen Elektroden handelt, die auf der ersten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers (2) gebildet sind, wobei die Pumpelektrode zusammen mit der Referenzelektrode (80) und einem Abschnitt (2p) des Feststoffelektrolytkörpers (2) eine Pumpzelle (3) bildet, wobei die Pumpzelle dahingehend wirkt, eine Konzentration an Sauerstoff in dem Gas zu regulieren; eine Sensorelektrode (50), bei der es sich um eine derjenigen Elektroden handelt, die auf der ersten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers (2) gebildet sind, wobei die Sensorelektrode zusammen mit der Referenzelektrode (80) und einem Abschnitt (2s) des Feststoffelektrolytkörpers (2) eine Sensorzelle (5) bildet, wobei die Sensorzelle dahingehend wirkt, ein Signal entsprechend einer Konzentration der gegebenen Gaskomponente in dem Gas auszugeben, nachdem die Konzentration an Sauerstoff durch die Pumpzelle (3) reguliert ist; und eine plattenartige Heizvorrichtung (6), die so angeordnet ist, dass sie dem Feststoffelektrolytkörper (2) durch die Gaskammer (7) oder die Referenzgaskammer (8) hindurch zugewandt ist, wobei die Heizvorrichtung eine gegebene Dicke aufweist, um den Feststoffelektrolytkörper (2) aufzuheizen, wobei ein Verhältnis (L2/d) von einem Mindestabstand (L2) zwischen der Pumpelektrode (30) und der Sensorelektrode (5) zu einer Dicke (d) des Feststoffelektrolytkörpers drei oder mehr beträgt.
Gassensor nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Überwachungselektrode (40), bei der es sich um eine derjenigen Elektroden handelt, die auf der ersten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers (2) gebildet sind, wobei die Überwachungselektrode zusammen mit der Referenzelektrode (80) und einem Abschnitt (2m) des Feststoffelektrolytkörpers (2) eine Überwachungszelle bildet, wobei die Überwachungszelle dahingehend wirkt, eine Konzentration an Sauerstoff in dem Gas zu überwachen, nachdem die Konzentration an Sauerstoff durch die Pumpzelle (3) reguliert ist, und wobei die Gaskammer (7) durch einen einzelnen Raum gebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 2, wobei ein Abstand (D1) zwischen einer dem Feststoffelektrolytkörper (2) zugewandten Oberfläche der Heizvorrichtung (6) und einer Oberfläche des Abschnitts (2p), welcher ein Abschnitt der zweiten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers (2) ist und die Pumpzelle (3) bildet, in einer Dickenrichtung der Heizvorrichtung (6), einen Abstand (D2) zwischen der dem Feststoffelektrolytkörper (2) zugewandten Oberfläche der Heizvorrichtung (6) und einer Oberfläche des Abschnitts (2m), welcher ein Abschnitt der zweiten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers (2) ist und die Überwachungszelle (4) bildet, in der Dickenrichtung der Heizvorrichtung (6), und einen Abstand (D3) zwischen der dem Feststoffelektrolytkörper (2) zugewandten Oberfläche der Heizvorrichtung (6) und einer Oberfläche des Abschnitts (2s), welcher ein Abschnitt der zweiten Hauptoberfläche des Feststoffelektrolytkörpers (2) ist und die Sensorzelle (5) bildet, in der Dickenrichtung der Heizvorrichtung (6), einander gleich sind.
Gassensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Gaskammer (7) von einem Raum gebildet wird, der eine gegebene Dicke in der Dickenrichtung der Heizvorrichtung und eine gegebene Breite besitzt, wobei die Dicke der Gaskammer (7) von einem Abschnitt der ersten Hauptoberfläche, auf welchem die Pumpelektrode (30) gebildet ist, bis zu einem Abschnitt der ersten Hauptoberfläche, auf welchem die Überwachungselektrode (40) und die Sensorelektrode (60) gebildet sind, konstant gehalten wird, wobei die Breite der Gaskammer (7) zu einer Richtung der Strömung des Gases in der Gaskammer (7) und der Dickenrichtung senkrecht ist und von dem Abschnitt der ersten Hauptoberfläche, auf dem die Pumpelektrode (30) gebildet ist, bis zu dem Abschnitt der ersten Hauptoberfläche, auf dem die Überwachungselektrode (40) und die Sensorelektrode (50) gebildet sind, konstant gehalten wird.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Referenzelektrode (80) eine erste Referenzelektrode (80p), welche die Pumpzelle (30) bildet, eine zweite Referenzelektrode (80m), welche die Überwachungszelle (4) bildet, und eine dritte Referenzelektrode (80s), welche die Sensorzelle (5) bildet, einstückig enthält.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gaskammer (7) so entworfen ist, dass das Gas darin in einer gegebenen Richtung (250) strömt, und wobei die Pumpelektrode (30) stromaufwärts in der gegebenen Richtung angeordnet ist, während die Überwachungselektrode (40) und die Sensorelektrode (50) stromabwärts in der gegebenen Richtung angeordnet sind und parallel zueinander ausgerichtet sind.