DE112019005414T5

DE112019005414T5 - Ammoniak-Detektor

Info

Publication number: DE112019005414T5
Application number: DE112019005414.7T
Authority: DE
Inventors: Eriko Maeda; Takumi Okamoto; Hiroaki YOTO; Toshihiko Harada
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2021-07-15
Also published as: JP6862400B2; US20210247354A1; WO2020090452A1; JP2020071080A

Abstract

Ein Ammoniakdetektor (1) beinhaltet einen Festelektrolytkörper (3), eine Detektionselektrode (21) und eine Referenzelektrode (22). Der Festelektrolytkörper (3) umfasst eine einem Messgas zugewandte Oberfläche (31), die in Kontakt mit einem Messgas (G1) kommt, und eine einem Referenzgas zugewandte Oberfläche (32), die in Kontakt mit einem Referenzgas (G0) kommt. Die Detektionselektrode (21) ist auf der dem Messgas zugewandten Oberfläche (31) des Festelektrolytkörpers (3) ausgebildet. Die Referenzelektrode (22) ist auf der dem Referenzgas zugewandten Oberfläche (32) des Festelektrolytkörpers (3) ausgebildet. Die Detektionselektrode enthält zumindest Aluminiumoxid und 50 Masse-% oder mehr Pd.

Description

[Bezugnahme auf verwandte Anwendung]
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-203601 , die am 30. Oktober 2018 eingereicht wurde und deren Beschreibung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Ammoniakdetektor, der die Konzentration von Ammoniak detektiert.
[Technischer Hintergrund]
Zur Überwachung des Verbrennungszustandes von Verbrennungsmotoren und des Betriebs von Abgasreinigungsanlagen wurden bereits Gassensoren eingesetzt. Ein solcher Gassensor befindet sich z.B. in einem Abgaskanal und detektiert die Konzentration verschiedener im Abgas enthaltener Gase.
Als Abgasreinigungseinrichtung ist ein Harnstoff-SCR-System (SCR= Selective Catalytic Reduction; selektive katalytische Reduktion) bekannt, das im Abgas enthaltene NOx (d.h. Stickoxide) reduziert. Das Harnstoff-SCR-System umfasst einen Injektor für wässrige Harnstofflösung, der sich stromaufwärts eines selektiven NOx-Reduktionskatalysators (bzw. Katalysator für die selektive Reduktion von NOx) befindet und der eine wässrige Harnstofflösung zuführt, die ein Reduktionsmittel, nämlich Ammoniak, erzeugt. Die zuzuführende Menge an wässriger Harnstofflösung wird z.B. auf Basis des Detektionsergebnisses eines NOx-Sensors gesteuert, der sich stromabwärts des selektiven NOx-Reduktionskatalysators befindet. Um NOx effizient zu reduzieren und zu reinigen, muss die wässrige Harnstofflösung ohne Mangel oder Überschuss zugeführt werden. Aus diesem Grund wird zusätzlich zur NOx-Konzentration im Abgas, das den selektiven NOx-Reduktionskatalysator passiert hat, wünschenswerterweise auch die Ammoniak-Konzentration detektiert, um sie in die Regelung einfließen zu lassen. Deshalb wurde ein Ammoniak-Detektor entwickelt, der die Konzentration von Ammoniak im Abgas detektiert.
Der Ammoniakdetektor enthält eine Detektionselektrode zur Detektion der Ammoniakkonzentration. Die Detektionselektrode ist z.B. eine Au-Elektrode. Da die Au-Elektrode zusätzlich zu Ammoniak auch NOx detektiert, ist die Selektivität der Gasdetektion leider gering. Außerdem kann Au aufgrund seines niedrigen Schmelzpunktes während des Herstellungsprozesses nicht zusammen mit anderen keramischen Materialien gebrannt werden. Folglich muss ein zusätzlicher Prozess zur Bildung der Au-Elektrode, wie z.B. die Beschichtung, durchgeführt werden, was die Herstellungskosten erhöht. Darüber hinaus bedeutet die Tatsache, dass Au einen niedrigen Schmelzpunkt hat, dass die Wärmebeständigkeit der Au-Elektrode unzureichend ist, und die Verwendung der Au-Elektrode als Detektionselektrode kann möglicherweise dazu führen, dass Au von der Detektionselektrode verdampft.
Um diese Probleme zu lösen, schlägt z.B. PTL 1 eine Detektionselektrode vor, die aus einer Legierung von Pt und Au gebildet ist, wobei Pt als Hauptbestandteil dient. Dadurch wird die Selektivität gegenüber Ammoniakgas erhöht und zusätzlich der Schmelzpunkt der Detektionselektrode angehoben, was die Hitzebeständigkeit erhöht.
[Zitierliste]
[Patentliteratur]
[PTL 1] JP 2017-116371 A
[Zusammenfassung der Erfindung]
Ein Ammoniakdetektor, der eine herkömmliche Detektionselektrode enthält, kann bezüglich der Detektionsgenauigkeit von Ammoniak immer noch verbessert werden. Zum Beispiel oxidiert die für die Detektionselektrode verwendete Legierung aus Pt und Au unerwünschterweise Ammoniak aufgrund einer zu hohen Reaktivität gegenüber Ammoniak. Infolgedessen wird Ammoniak, das von der Detektionselektrode detektiert werden sollte, verbraucht. Das heißt, der Ammoniakdetektor mit der herkömmlichen Detektionselektrode kann die Konzentration von Ammoniak in Bezug auf die Ammoniak-Oxidationsaktivität nicht genau erfassen.
Außerdem reagiert die Legierung aus Pt und Au auch mit NOx, wenn auch nicht so stark wie Au. Infolgedessen spiegelt die aus der Legierung von Pt und Au gebildete Detektionselektrode neben der Konzentration von Ammoniak auch die Konzentration von NOx im Messergebnis wider. Das heißt, der Ammoniakdetektor mit der herkömmlichen Detektionselektrode kann die Konzentration von Ammoniak auch in Bezug auf die Selektivität für Ammoniak im Abgas nicht genau erfassen.
Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, einen Ammoniakdetektor bereitzustellen, der eine Detektionselektrode mit einer hohen Wärmebeständigkeit enthält und zusätzlich in der Lage ist, die Konzentration von Ammoniak genau zu bestimmen.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt einen Ammoniakdetektor bereit, der einen Festelektrolytkörper, eine Detektionselektrode und eine Referenzelektrode enthält. Der Festelektrolytkörper umfasst eine dem Messgas zugewandte Oberfläche, die in Kontakt mit einem Messgas kommt, und eine dem Referenzgas zugewandte Oberfläche, die in Kontakt mit einem Referenzgas kommt. Die Detektionselektrode ist auf der dem Messgas zugewandten Oberfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet. Die Referenzelektrode ist auf der dem Referenzgas zugewandten Oberfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet. Die Detektionselektrode enthält zumindest Aluminiumoxid und 50 Masse-% oder mehr Pd.
Die Detektionselektrode des Ammoniakdetektors enthält mindestens Aluminiumoxid und 50 Masse-% oder mehr Pd. Eine solche Detektionselektrode hat einen hohen Schmelzpunkt und erhält die Leistungsfähigkeit der Elektrode unter einer Hochtemperaturumgebung von z.B. 1400 °C aufrecht. Somit kann der Ammoniakdetektor, der die wie oben beschrieben konfigurierte Detektionselektrode enthält, durch integrales Brennen der Detektionselektrode mit anderen Elementen, die den Ammoniakdetektor bilden und z.B. aus keramischem Material bestehen, während der Herstellung gebildet werden. Dies ermöglicht die Herstellung des Ammoniakdetektors zu geringen Kosten. Zusätzlich wird die Verdampfung der Elektrodenkomponente aus der Detektionselektrode verhindert, was die Wärmebeständigkeit der Detektionselektrode erhöht. Das bedeutet, dass der Ammoniakdetektor eine ausgezeichnete Beständigkeit unter Hochtemperaturumgebungen aufweist.
Die Detektionselektrode, die wie oben beschrieben konfiguriert ist, hemmt den Verbrauch von Ammoniak durch Oxidation, während die Reaktivität gegenüber Ammoniak auf einem solchen Niveau gehalten wird, dass die Konzentration von Ammoniak genau erfasst wird. Da der Ammoniakdetektor Ammoniak detektiert und gleichzeitig den Verbrauch von Ammoniak durch die Detektionselektrode reduziert, wird Ammoniak folglich genau detektiert.
Der Grund, warum die Konzentration von Ammoniak genau erfasst wird, kann auch folgender sein. Während die Reaktion, die durch die Oxidation von Ammoniak hervorgerufen wird, und die Reaktion, die durch die Reduktion von NO₂ hervorgerufen wird, dazu neigen, an der Grenzfläche zwischen Pd und dem Festelektrolytkörper aufzutreten, ist es unwahrscheinlich, dass eine Reaktion von NO auftritt. Da die Detektionselektrode 50 Masse-% oder mehr Pd enthält, wird die Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak erhöht, während die Empfindlichkeit gegenüber NO reduziert wird. Da die Detektionselektrode außerdem Aluminiumoxid enthält, das keine Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt, wird NO₂ beim Durchgang durch die Hohlräume in der Detektionselektrode an der Oberfläche und im Inneren der Detektionselektrode leicht zu NO zersetzt. NO₂ wird daran gehindert, die Grenzfläche zwischen der Detektionselektrode und dem Festelektrolytkörper zu erreichen, und NO, das durch die Zersetzung von NO₂ erzeugt wird, erreicht die Grenzfläche. Somit ist es unwahrscheinlich, dass eine elektromotorische Kraft oder ähnliches, die aus der Reaktion von NO resultiert, zwischen der Detektionselektrode und der Referenzelektrode erzeugt wird, und die elektromotorische Kraft oder dergleichen, die aus der Reaktion von Ammoniak resultiert, wird signifikant. Folglich detektiert der Ammoniakdetektor die Ammoniakkonzentration auch in einer Umgebung genau, in der z.B. NOx (d. h. Stickstoffoxid) koexistiert.
Wie oben beschrieben, ist der obige Aspekt der Erfindung ausgezeichnet in der Hitzebeständigkeit der Detektionselektrode und detektiert zusätzlich die Konzentration von Ammoniak genau.
Bezugszeichen in Klammern im Zusammenhang mit den Ansprüchen zeigen die Entsprechung mit spezifischen Mitteln an, die in den unten beschriebenen Ausführungsformen offenbart sind, und schränken den technischen Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht ein.
Figurenliste
Die oben genannten und andere Objekte, Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher, in denen

1 ist eine Längsschnittansicht eines Detektorelements, die den Hauptabschnitt eines Ammoniakdetektors gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht, die in Pfeilrichtung entlang der Linie II-II von 1 aufgenommen ist;
3 ist ein schematisches Diagramm, das dreiphasige Grenzflächen auf einem Querschnitt einer Detektionselektrode zeigt, die eine Festelektrolytkomponente gemäß der ersten Ausführungsform enthält;
4 ist ein schematisches Diagramm, das dreiphasige Grenzflächen auf einem Querschnitt einer Aluminiumoxid enthaltenden Detektionselektrode gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
5 ist ein schematisches Diagramm, das ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors zeigt, an dem der Ammoniakdetektor der ersten Ausführungsform angebracht ist;
6 ist ein erläuterndes Diagramm, das gemischte Potentiale der Detektionselektrode gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
7 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das eine Vorrichtung zur Auswertung der Leistungsfähigkeit bei der Detektion von Ammoniak unter Verwendung eines vereinfachten Elements aus dem Versuchsbeispiel 1 zeigt;
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Ammoniak-Empfindlichkeit von Pd, Rh, Au, Ir und Pt und der Ammoniakkonzentration in Versuchsbeispiel 1 zeigt;
9 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der NO-Empfindlichkeit von Pd, Au und Pt und der NO-Konzentration in Versuchsbeispiel 1 zeigt;
10 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der NO-Empfindlichkeit von Rh, Au und Ir und der NO-Konzentration in Versuchsbeispiel 1 zeigt;
11 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der NO₂-Empfindlichkeit von Pd, Au und Pt und der NO₂-Konzentration in Versuchsbeispiel 1 zeigt;
12 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der NO₂-Empfindlichkeit von Rh, Au und Ir und der NO₂-Konzentration in Versuchsbeispiel 1 zeigt;
13 ist ein erklärendes Diagramm, das ein Simulationsmodell von Versuchsbeispiel 1 zeigt;
14 ist ein erklärendes Diagramm, das die Adsorptionsstellen im Simulationsmodell von Versuchsbeispiel 1 zeigt;
15 ist ein erklärendes Diagramm, das ein Berechnungsmodell der dissoziativen Adsorptionsenergie Eo von O₂ in Versuchsbeispiel 1 zeigt;
16 ist ein erklärendes Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der dissoziativen Adsorptionsenergie von O₂ und der NH₃-Empfindlichkeit von Edelmetallen in Versuchsbeispiel 1 zeigt;
17A ist ein erklärendes Diagramm, das ein Berechnungsmodell einer Kohäsionsenergie E_A in einem Simulationsmodell, das nur Au-Atome enthält, in Versuchsbeispiel 1 zeigt, und 17B ist ein erklärendes Diagramm, das ein Berechnungsmodell einer Kohäsionsenergie E_B in einem Simulationsmodell, das nur Pd-Atome enthält, in Versuchsbeispiel 1 zeigt;
18 ist ein erklärendes Diagramm, das die Kohäsionsenergie von Au und Pd in Versuchsbeispiel 1 zeigt;
19 ist eine schematische Darstellung einer Auswertevorrichtung zur Messung des Oxidationsvermögens von Edelmetallen gegenüber Ammoniak in Versuchsbeispiel 2;
20 ist ein erklärendes Diagramm, das das Analyseergebnis von Au zeigt, das durch eine temperaturprogrammierte Reaktionsmethode in Versuchsbeispiel 2 erhalten wurde;
21 ist ein erklärendes Diagramm, das das Analyseergebnis von Pd zeigt, das durch die temperaturprogrammierte Reaktionsmethode in Versuchsbeispiel 2 erhalten wurde;
22 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Ammoniak-Empfindlichkeit und der Ammoniak-Konzentration in Bezug auf Pd und Au in Versuchsbeispiel 3 zeigt;
23 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der NO-Empfindlichkeit und der NO-Konzentration in Bezug auf Pd und Au in Versuchsbeispiel 3 zeigt;
24 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der NO₂-Empfindlichkeit und der NO₂-Konzentration in Bezug auf Pd und Au in Versuchsbeispiel 3 zeigt;
25 ist ein erklärendes Diagramm, das die Empfindlichkeit der aluminiumoxidhaltigen Detektionselektrode gegenüber NO, NO₂ oder Ammoniak in Versuchsbeispiel 4 zeigt;
26 ist ein erklärendes Diagramm, das die Empfindlichkeit der YSZ-haltigen Detektionselektrode gegenüber NO, NO₂ oder Ammoniak in Versuchsbeispiel 4 zeigt; und
27 ist ein erklärendes Diagramm, das Fehler in der Ammoniak-Empfindlichkeit der aluminiumoxidhaltigen Detektionselektrode und der YSZ-haltigen Detektionselektrode in Versuchsbeispiel 4 zeigt.

[Beschreibung der Ausführungsformen]
(Erste Ausführungsform)
Ein Ammoniakdetektor gemäß einer Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschrieben werden.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, umfasst ein Ammoniakdetektor 1 ein Detektionselement 2, das aus einem Laminat aus z.B. einer Detektionselektrode 21, einer Referenzelektrode 22, einem Festelektrolytkörper 3 und einer Heizvorrichtung 4 gebildet ist. In der folgenden Beschreibung wird die Laminierrichtung des Detektionselements 2 als X-Richtung bezeichnet, die Längsrichtung des Detektionselements 2 orthogonal zur X-Richtung wird als Y-Richtung bezeichnet, und die Breitenrichtung des Detektionselements 2 orthogonal zur X-Richtung und zur Y-Richtung wird als Z-Richtung bezeichnet.
Der Festelektrolytkörper 3 enthält eine dem Messgas (bzw. gemessenen Gas) zugewandte Oberfläche 31 und eine dem Referenzgas zugewandte Oberfläche 32. Die dem Messgas zugewandte Oberfläche 31 ist eine Oberfläche, die mit einem Messgas G₁ in Kontakt kommt. Die dem Referenzgas zugewandte Oberfläche 32 ist eine Oberfläche, die mit einem Referenzgas G₀ in Kontakt komm. Das Messgas G₁ ist z.B. Abgas, und das Referenzgas G₀ ist z.B. die atmosphärische Luft. Im Folgenden wird für das Messgas und das Abgas sowie für das Referenzgas und die atmosphärische Luft das gleiche Bezugszeichen verwendet. Das Messgas und das Referenzgas sind jedoch nicht auf das Abgas bzw. die atmosphärische Luft beschränkt. Zum Beispiel können sowohl das Messgas G₁ als auch das Referenzgas G₀ Abgas sein. Die dem Messgas zugewandte Oberfläche 31 und die dem Referenzgas zugewandte Oberfläche 32 können unterschiedliche Oberflächen sein, wie in den 1 und 2 dargestellt, sie können aber auch z.B. zusammenhängende Oberflächen sein, als ob sie dieselbe ebene Fläche wären.
Der Festelektrolytkörper 3 ist z.B. ein sauerstoffionenleitender Festelektrolyt. Ein solcher Festelektrolyt ist z.B. Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (im Folgenden als YSZ bezeichnet), aber nicht insbesondere darauf beschränkt.
Der Festelektrolytkörper 3 ist z.B. plattenförmig oder stabförmig ausgebildet, aber nicht insbesondere auf diese Formen beschränkt. Der Festelektrolytkörper 3, der wie in den 1 und 2 dargestellt plattenförmig ist, weist an seinen Oberflächen eine erste Hauptfläche 31a und eine zweite Hauptfläche 32a auf. Die erste Hauptoberfläche 31a und die zweite Hauptoberfläche 32a befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolytkörpers 3.
In den 1 und 2 ist die erste Hauptoberfläche 31a die dem Messgas zugewandte Oberfläche 31, und die zweite Hauptoberfläche 32a ist die dem Referenzgas zugewandte Oberfläche 32. Obwohl auf die Darstellung des Aufbaus verzichtet wird, können sowohl die Detektionselektrode 21 als auch die Referenzelektrode 22 auf einer Oberfläche des Detektorelements 2 wie der ersten Hauptfläche 31a ausgebildet sein.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, ist die dem Messgas zugewandte Fläche 31, auf der die Detektionselektrode 21 ausgebildet ist, vorzugsweise die erste Hauptfläche 31a, und die dem Referenzgas zugewandte Fläche 32, auf der die Referenzelektrode 22 ausgebildet ist, ist vorzugsweise die zweite Hauptfläche 32a, die sich auf der der ersten Hauptfläche 31a gegenüberliegenden Seite befindet. In diesem Fall sind die Detektionselektrode 21 und die Referenzelektrode 22 unschwer unterschiedlichen Gasatmosphären ausgesetzt. Dadurch wird das Referenzpotential stabilisiert, was die Detektionsgenauigkeit der Detektionselektrode 21 bei der Detektion von Ammoniak weiter erhöht.
Die dem Messgas zugewandte Oberfläche 31 ist die Außenfläche des Detektorelements 2 und ist zum Äußeren des Detektorelements 2 exponiert. Die dem Referenzgas zugewandte Oberfläche 32 ist die innere Oberfläche des Detektorelements 2 und weist eine Referenzgaskammer 325 auf. Die Referenzgaskammer 325 ist ein Bereich, der von dem Festelektrolytkörper 3 und einem isolierenden Substrat 29 umgeben ist.
Die Detektionselektrode 21 befindet sich auf dem Abschnitt der dem Messgas zugewandten Fläche 31 an einem distalen Ende 18 in Richtung der X-Achse. Das distale Ende 18 ist z.B. das Ende, das in ein Abgasrohr eingeführt wird. Das dem distalen Ende 18 in X-Achsen-Richtung gegenüberliegende Ende ist ein proximales Ende 19.
Die Detektionselektrode 21 enthält ein Edelmetall 211, das im Wesentlichen aus Pd gebildet ist. Das bedeutet, dass das Edelmetall 211 neben Pd Metalle oder unvermeidbare Verunreinigungen enthalten darf, die die Vorteile der vorliegenden Offenbarung nicht beeinträchtigen. Der Gehalt an anderen Metallen und unvermeidbaren Verunreinigungen, die im Edelmetall 211 erlaubt sind, beträgt z.B. 5 Masse-% oder weniger. Im Hinblick auf eine ausreichende Erzielung der Vorteile der vorliegenden Offenbarung beträgt der Gehalt vorzugsweise 1 Masse-% oder weniger, und das Edelmetall 211 besteht vorzugsweise aus Pd und unvermeidbaren Verunreinigungen.
Der Hauptbestandteil des Edelmetalls 211 in der Detektionselektrode 21 ist Pd. Das Edelmetall 211 mag nur aus Pd bestehen oder neben Pd z.B. auch Au enthalten. Da der Hauptbestandteil des Edelmetalls 211 in der Detektionselektrode 21 Pd ist, wird die Wärmebeständigkeit der Detektionselektrode 21 erhöht. Außerdem wird in diesem Fall die Genauigkeit bei der Detektion von Ammoniak weiter verbessert. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass der Verbrauch von Ammoniak in der Detektionselektrode 21 weiter reduziert und die Empfindlichkeit der Detektionselektrode 21 gegenüber NOx weiter verringert wird.
Der Zustand, in dem der Hauptbestandteil des Edelmetalls 211 Pd ist, bezieht sich auf einen Zustand, in dem der Gehalt an Pd in dem Edelmetall 211 der größte ist. Im Sinne einer weiteren Verbesserung der Wärmebeständigkeit und der Detektionsgenauigkeit kann der Pd-Gehalt im Edelmetall 211 auf 50 Masse-% bis 100 Masse-% eingestellt sein. Bei einem Pd-Gehalt von 50 Masse-% oder mehr und weniger als 100 Masse-% kann der verbleibende Bestandteil des Edelmetalls 211 z.B. Au sein, d.h. das Edelmetall 211 der Detektionselektrode 21 kann eine Legierung aus Pd und anderen Edelmetallen sein.
Das Bauteil der Detektionselektrode 21 wird z.B. mit einem Elektronensonden-Mikroanalyzer (im Folgenden EPMA genannt) oder mit Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (im Folgenden XPS genannt) analysiert.
Im Hinblick auf die Verhinderung der Verdichtung der Elektrode, die durch die Kohäsion des Edelmetalls nach dem Brennen verursacht wird, beträgt die durchschnittliche Teilchengröße des Edelmetalls 211 vorzugsweise 0,2 µm oder mehr. Zur weiteren Verbesserung dieses Vorteils ist die durchschnittliche Teilchengröße des Edelmetalls 211 vorzugsweise 0,5 µm oder mehr, und weiter vorzugsweise 0,7 µm oder mehr. Im Hinblick auf die Vergrößerung der spezifischen Oberfläche der Elektrode und die Erhöhung der Gasreaktionspunkte zur Verbesserung der Empfindlichkeit beträgt die durchschnittliche Teilchengröße des Edelmetalls 211 vorzugsweise 5 µm oder weniger. Im Hinblick auf eine weitere Verbesserung dieses Vorteils ist die durchschnittliche Teilchengröße des Edelmetalls 211 vorzugsweise 2 µm oder weniger, und weiter vorzugsweise 1,5 µm oder weniger.
Die durchschnittliche Teilchengröße des Edelmetalls 211 in der Detektionselektrode 21 wird durch Bildanalyse mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM; bzw. SEM für Scanning Electronic Mikroscope) gemessen. Genauer gesagt wird der Durchschnitt der Teilchendurchmesser (d. h. die durchschnittliche Teilchengröße) der Edelmetalllegierungsteilchen auf dem REM-Bild der Detektionselektrode 21 durch eine „linear Intercept“-Methode unter Verwendung der von der MITANI Corporation hergestellten Bildverarbeitungssoftware „WinROOF“ berechnet. Das heißt, die Bilder der Rasterelektronenmikroskop (REM)-Fotos werden mit einer 5000-fachen Vergrößerung aufgenommen, und gerade Linien (d.h. Messlinien) werden dann auf den Bildern gezeichnet, um die durchschnittliche Länge des Abschnitts jeder geraden Linie, der ein Edelmetallteilchen kreuzt, zu berechnen. Es ist anzumerken, dass die Messlinien, die den Rand des Bildes erreichen, nicht berücksichtigt werden. Bei der Berechnung des Durchschnittswerts werden 100 Messlinien auf jedes REM-Bild gezeichnet, und REM-Bilder verschiedener Abschnitte werden analysiert, so dass die Gesamtzahl der Messlinien 1000 oder mehr beträgt. Es ist anzumerken, dass in einem Fall, in dem die Detektionselektrode 21 Aluminiumoxid enthält, die Messung auf die gleiche Weise durchgeführt werden kann.
Die Dicke der Detektionselektrode 21 beträgt vorzugsweise 1 µm oder mehr, um zu bewirken, dass NO₂ leicht zu NO zersetzt wird, bevor es eine Dreiphasengrenzfläche 314A erreicht, die von der Detektionselektrode 21 und dem Festelektrolytkörper 3 gebildet wird. Im Hinblick auf die Verbesserung dieses Vorteils ist die Dicke der Detektionselektrode 21 vorzugsweise 5 µm oder mehr, und weiter bevorzugt 7 µm oder mehr. Im Hinblick auf die Verbesserung der Detektionsgenauigkeit bei der Detektion von Ammoniak durch Verringerung des Verbrauchs von Ammoniak aufgrund von Oxidation vor Erreichen der Dreiphasengrenzfläche 314A der Detektionselektrode 21 beträgt die Dicke der Detektionselektrode 21 vorzugsweise 50 µm oder weniger. Im Hinblick auf eine weitere Verringerung des Verbrauchs von Ammoniak aufgrund von Oxidation ist die Dicke der Detektionselektrode 21 vorzugsweise 30 µm oder weniger, und weiter bevorzugt 20 µm oder weniger.
Wie in 3 dargestellt, enthält die Detektionselektrode 21 der vorliegenden Ausführungsform das Edelmetall 211 und Aluminiumoxid 213. Zusätzlich kann die Detektionselektrode 21 eine Festelektrolytkomponente 212 enthalten, die mit dem Material des Festelektrolytkörpers 3 identisch ist. Die Festelektrolytkomponente 212 kann auch der Komponente ähnlich sein, die den Festelektrolytkörper 3 bildet. Die Detektionselektrode 21, die die Festelektrolytkomponente 212 enthält, bildet ebenfalls eine dreiphasige Grenzfläche 314B durch die Festelektrolytkomponente 212, das Edelmetall 211 und eine Gasphase in der Detektionselektrode 21. Dadurch wird die Reaktivität der Detektionselektrode 21 gegenüber Ammoniak erhöht. Das heißt, zusätzlich zu der Dreiphasengrenzfläche 314A, die durch den Festelektrolytkörper 3, das Edelmetall 211 in der Detektionselektrode 21 und die Gasphase gebildet wird, reagiert Ammoniak an der Dreiphasengrenzfläche 314B, die durch die in der Detektionselektrode 21 enthaltene Festelektrolytkomponente 212, das Edelmetall 211 und die Gasphase gebildet wird. Dadurch wird die Ammoniak-Empfindlichkeit verbessert. In den 3 und 4 umfasst die Gasphase z.B. Ammoniak, Stickstoff, Wasser, Stickstoffdioxid, Stickstoffmonoxid und Sauerstoff und wird durch einen Raum oberhalb der Detektionselektrode 21 dargestellt (genauer gesagt, der obere Abschnitt auf dem Blatt der 3 und 4). Zusätzlich entsprechen die Hohlräume in der Detektionselektrode 21 ebenfalls der Gasphase.
Das Edelmetall 211 und das Aluminiumoxid 213, die sich auf der Oberfläche der Detektionselektrode 21 befinden, erleichtern die Dissoziation von NO₂ in der Gasphase zu NO. Da der Hauptbestandteil des Edelmetalls 211 Pd ist, ist im Hinblick auf die Empfindlichkeit des Detektionselements 2 gegenüber NOx die Empfindlichkeit gegenüber NO geringer als die Empfindlichkeit gegenüber NO₂ . Somit bleibt die Selektivität des Detektorelements 2 gegenüber Ammoniak erhalten.
Wenn die Detektionselektrode 21 nicht die Festelektrolytkomponente 212 enthält, reagiert Ammoniak an der Dreiphasengrenzfläche 314A, die durch den Festelektrolytkörper 3, die Detektionselektrode 21 (genauer gesagt das Edelmetall 211) und die Gasphase gebildet wird, wie in 4 dargestellt. Ein wenig Ammoniak mag möglicherweise reagieren, bevor es die Dreiphasengrenzfläche 314A erreicht. Unterdessen ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass NOx wie etwa NO₂ in der Gasphase dissoziiert, bevor es die Dreiphasengrenzfläche 314A erreicht. Infolgedessen wird die Selektivität gegenüber Ammoniak verbessert. Die Verbesserung der Selektivität ist wahrscheinlich bei einem Ammoniak-Detektor eines Typs mit gemischtem Potential, der weiter unten beschrieben wird, signifikant. Wenn die Detektionselektrode 21 Aluminiumoxid enthält, ist die Dreiphasengrenzfläche auf der Oberfläche der Detektionselektrode 21 kaum vorhanden, und es ist unwahrscheinlich, dass die Dissoziation von NO₂ zum gemischten Potential (im Folgenden auch „Mischpotential“ genannt) beiträgt. Das heißt, in dem Ammoniakdetektor 1 eines Mischpotentialtyps verringert die Detektionselektrode 21, die Aluminiumoxid enthält, den Einfluss der Dissoziation von NO₂ auf das Mischpotential. Infolgedessen wird die Selektivität für Ammoniak weiter verbessert, was die Detektionsgenauigkeit weiter erhöht.
Im Hinblick auf die Verbesserung der Selektivität gegenüber Ammoniak ist der Gehalt an Aluminiumoxid 213 in der Detektionselektrode 21 vorzugsweise größer als der der Festelektrolytkomponente 212. In dieser Hinsicht ist der Gehalt der Festelektrolytkomponente 212 in der Detektionselektrode 21 vorzugsweise geringer als der Gehalt des Aluminiumoxids 213, stärker bevorzugt 50 Masse-% oder weniger, und weiter bevorzugt enthält die Detektionselektrode 21 im Wesentlichen keine Festelektrolytkomponente 212. Der Zustand, in dem die Detektionselektrode 21 im Wesentlichen keine Festelektrolytkomponente 212 enthält, bezieht sich auf einen Zustand, in dem die Detektionselektrode 21 keine Festelektrolytkomponente 212 enthält, die z.B. absichtlich zugegeben wird/wurde. Zulässig sind etwa Zustände, in denen beide Komponenten an der Grenzfläche zwischen der Detektionselektrode 21 und dem Festelektrolytkörper 3 vermischt sind.
Der Gehalt an Aluminiumoxid in der Detektionselektrode 21 mag 5 bis 50 Masse-% betragen. Wenn der Gehalt an Aluminiumoxid weniger als 5 Masse-% beträgt, ist es unwahrscheinlich, dass NO₂ an der Detektionselektrode 21 zu NO zersetzt wird. Übersteigt der Gehalt an Aluminiumoxid dagegen 50 Masse-%, kann die Empfindlichkeit der Detektionselektrode 21 gegenüber Ammoniak möglicherweise abnehmen.
Auf der Oberfläche der Detektionselektrode 21 kann sich eine nicht abgebildete Schutzschicht befinden, die die Detektionselektrode 21 abdeckt. In diesem Fall ist die Detektionselektrode 21 vor vergiftenden Substanzen und Schwebstoffen im Abgas G₁ geschützt. Die Schutzschicht ist z.B. aus einem gasdurchlässigen, keramischen, porösen Material gebildet. Die Porosität und der Porendurchmesser des keramischen porösen Materials sind in diesem Fall zweckmäßigerweise so eingestellt, dass das Abgas G₁ die Detektionselektrode 21 schnell erreicht.
Die Referenzelektrode 22 ist auf der dem Referenzgas zugewandten Oberfläche 32 ausgebildet und befindet sich auf der der Detektionselektrode 21 gegenüberliegenden Seite des Festelektrolytkörpers 3. Das heißt, die Referenzelektrode 22 und die Detektionselektrode 21 sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei sich der Festelektrolytkörper 3 dazwischen befindet. Die Referenzelektrode 22 ist in der Referenzgaskammer 325 ausgebildet.
Die Referenzelektrode 22 ist aus einem Edelmetall wie z.B. Pt gebildet. Die Referenzelektrode 22 kann außerdem eine Festelektrolytkomponente enthalten. Die Festelektrolytkomponente kann die gleiche sein wie die Komponente, die den Festelektrolytkörper 3 bildet.
In der Nähe der Referenzgaskammer 325 des Detektorelements 2 befindet sich eine Heizvorrichtung (bzw. ein Heizer) 4. Die Heizvorrichtung 4 ist einstückig mit dem Detektorelement 2 ausgebildet, wobei ein Heizelement 41 in das isolierende Substrat 29 eingebettet ist, das den Referenzgasraum 325 definiert.
Das Heizelement 41 erzeugt bei Energieeintrag durch elektrische Energiezufuhr von einer nicht dargestellten externen Energiequelle Wärme, um das Detektionselement 2 auf eine für die Detektion von Ammoniak geeignete Temperatur zu erhitzen. Das isolierende Substrat 29 besteht aus isolierender Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid. Das Heizelement 41 wird zwischen ungebrannte Keramikplatten laminiert, auf die ferner der Festelektrolytkörper 3 laminiert wird. Das Laminat wird dann gebrannt, um das Detektorelement 2 mit der integrierten Heizvorrichtung 4 herzustellen.
Wie in 1 dargestellt, wird die Temperatur des Detektorelements 2 durch einen Stromversorgungs-Steuerabschnitt 58 überwacht und so gesteuert, dass sie während der Detektion von Ammoniak eine vorgegebene Betriebstemperatur (im Folgenden: durchgehende Betriebstemperatur) aufweist. In dem Ammoniakdetektor 1 der vorliegenden Ausführungsform wird die Temperatur der Detektionselektrode 21 vorzugsweise so gesteuert oder geregelt, dass sie im Bereich von 400°C bis 750°C liegt. Dadurch wird verhindert, dass Ammoniak aufgrund von Oxidation durch das Edelmetall 211 in der Detektionselektrode 21 verbraucht wird. Dadurch wird Ammoniak genauer detektiert.
Der Stromversorgungs-Steuerabschnitt 58 steuert die Höhe der Stromzufuhr zu dem Heizelement 41, um die Temperatur des Detektionselements 2 zu steuern. Die Temperatur des Detektionselements 2 wird unter Verwendung der Temperaturcharakteristik des Widerstands (d.h. der Impedanz) von Komponenten des Elements, wie etwa des Festelektrolytkörpers 3 und des Heizelements 41, erfasst. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, z.B. das Temperaturdetektionselement separat vorzusehen, was den Aufbau des Geräts vereinfacht. Der Stromversorgungs-Steuerabschnitt 58 steuert die Erwärmung durch die Heizvorrichtung 4 in Abhängigkeit von einem geschätzten Wert der Elementtemperatur.
Der Ammoniakdetektor 1 wird gebildet, indem z.B. ein nicht dargestellter Deckel oder ein Gehäuse auf das Detektorelement 2 montiert wird. Der wie oben beschrieben ausgebildete Ammoniakdetektor 1 wird z.B. in einem in 5 dargestellten Abgasreinigungssystem 100 eingesetzt und befindet sich in einem Abgaskanal EX stromabwärts eines SCR-Katalysators 101. In dem Abgaskanal EX befindet sich ein Partikelfilter F. Ein Abgastemperatursensor 102, ein Injektor für wässrige Harnstofflösung 103 und der SCR-Katalysator 101 sind in dieser Reihenfolge stromabwärts des Partikelfilters F angeordnet. Der Partikelfilter F sammelt im von einem Motors E ausgestoßenen Abgas enthaltene partikuläre Stoffe. Der SCR-Katalysator 101 bildet ein Harnstoff-SCR-System, das im Abgas enthaltenes NOx mit aus der wässrigen Harnstofflösung erzeugtem Ammoniak reagieren lässt, um NOx zu reduzieren und zu reinigen.
Der Ammoniakdetektor 1 ist an der Durchgangswand des Abgaskanals EX in einem Zustand montiert, in dem z.B. der Außenumfang des Detektorelements 2 von einem nicht illustrierten Gehäuse gehalten wird und das distale Ende 18, das in den Abgaskanal EX hineinragt, in einer luftdurchlässigen Abdeckung untergebracht ist. Der Ammoniakdetektor 1 detektiert die Konzentration von Ammoniak in dem Abgas G₁, das den SCR-Katalysator 101 durchlaufen hat, ohne mit NOx zu reagieren. Das Detektionsergebnis wird an eine elektronische Steuereinheit (ECU) 5 des Abgasreinigungssystems 100 ausgegeben. Die ECU 5 enthält einen Sensorsteuerabschnitt 50 (siehe z.B. 1). Die Rückmeldung des Detektionsergebnisses wird auf die Menge der zuzuführenden wässrigen Harnstofflösung abgebildet. So wird die NOx-Reinigungsreaktion im SCR-Katalysator 101 effizient durchgeführt.
Der Ammoniakdetektor 1 ist vorzugsweise vom Mischpotential-Typ. In diesem Fall gibt der Ammoniakdetektor 1 ein Mischpotentialsignal in Abhängigkeit von der Konzentration des Ammoniaks aus. Das heißt, der Ammoniakdetektor 1 enthält eine Schaltung 510, die ein Mischpotentialsignal ausgibt. Das Detektorelement 2 gibt basierend auf dem Detektionsprinzip des Mischpotentialsensors ein Mischpotentialsignal aus, das z.B. einer Potentialdifferenz V zwischen der Detektionselektrode 21 und der Referenzelektrode 22 entspricht. Die Detektionselektrode 21 ruft gleichzeitig die folgenden zwei elektrochemischen Reaktionen an der Grenzfläche zwischen der Detektionselektrode 21 und dem Festelektrolytkörper 3 hervor. Die elektrochemischen Reaktionen umfassen eine elektrochemische Oxidationsreaktion (1) mit dem zu detektierenden Ammoniak und eine elektrochemische Reduktionsreaktion (2) mit Sauerstoff. Die Referenzelektrode 22 ruft die elektrochemische Reduktionsreaktion (2) mit Sauerstoff hervor. 2 NH₃ + 3 O₂ ^- ⇔ N₂ + 3 H₂O + 6 e^- (1) O₂ + 4 e^- ⇔ 2 O₂ ^- (2)
Dabei stellt sich ein Mischpotential ein, wenn sich der durch die elektrochemische Oxidationsreaktion (1) hervorgerufene Oxidationsstrom und der durch die elektrochemische Reduktionsreaktion (2) hervorgerufene Reduktionsstrom an der Detektionselektrode 21 die Waage halten (siehe 6). Das heißt, das Potential der Detektionselektrode 21 bestimmt sich entsprechend dem Mischpotential dieser beiden elektrochemischen Reaktionen und der Potentialunterschied V gegenüber der Referenzelektrode 22 wird als Sensorausgabe erhalten. Die Sensorausgabe wird bei Bedarf in einen Konzentrationsberechner 52 des Sensorsteuerungsabschnitts 50 eingegeben, und der Konzentrationsberechner 52 berechnet die Konzentration von Ammoniak. Die Sensorausgabe kann die Potenzialdifferenz (bzw. der Potenzialunterschied) oder ein Stromwert sein, der auf der Grundlage der Potenzialdifferenz fließt. Das heißt, es kann ein Strom zwischen den Elektroden fließen, um eine Spannung zu erfassen, oder es kann eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt werden, um einen Strom zu erfassen.
Darüber hinaus wird der Ammoniakdetektor 1 für den Einsatz in Fahrzeugen verwendet, um z.B. die Konzentration von Ammoniak in dem vom Harnstoff-SCR-System erzeugten Abgas G₁ zu erfassen. In diesem Fall muss die Konzentration einer winzigen Menge Ammoniak im Abgas G₁ genau erfasst werden, während sich die Konzentration jedes Gasbestandteils in dem Abgas G₁ mit Leichtigkeit ändern kann. Bei dem Ammoniakdetektor 1 vom Typ mit begrenztem Strom oxidiert die Detektionselektrode 21 jedoch Ammoniak beim Anlegen eines elektrischen Feldes, was leicht zu einer Schwankung der Basislinie führt. Infolgedessen schwankt die Konzentration einer winzigen Menge Ammoniak, die detektiert werden soll, in Abhängigkeit von der Basislinie. Aus diesem Grund wurde der Ammoniakdetektor 1 vom Mischpotential-Typ studiert.
Leider hat die Detektionselektrode 21 mit der herkömmlichen Konfiguration, die aus Au oder einer Legierung aus Pt und Au gebildet ist, eine hohe Ammoniak-Oxidationsaktivität. Daher kann auch im Ammoniakdetektor 1 mit gemischtem Potential das Elektrodenmaterial der Detektionselektrode 21 selbst möglicherweise Ammoniak oxidieren und zu einem Schwanken der Basislinie führen.
Da der Hauptbestandteil des Edelmetalls 211 in der Detektionselektrode 21 der vorliegenden Ausführungsform Pd ist, ist die Ammoniak-Oxidationsaktivität gering. Somit wird das Elektrodenmaterial., das der Detektionselektrode 21 zu eigen ist, daran gehindert, Ammoniak zu oxidieren, was die Schwankung der Basislinie auch im Ammoniakdetektor 1 mit gemischtem Potential hemmt. Folglich wird die Konzentration von Ammoniak auch im Ammoniakdetektor 1 mit gemischtem Potential genau erfasst.
Der Ammoniakdetektor 1 enthält vorzugsweise einen Potentialdifferenzdetektor 51. Der Potentialdifferenzdetektor 51 detektiert in diesem Fall das Mischpotential. Der Potentialdifferenzdetektor 51 detektiert die Potentialdifferenz zwischen der Detektionselektrode 21 und der Referenzelektrode 22. Zusätzlich enthält der Ammoniakdetektor 1 den Konzentrationsberechner 52. Der Konzentrationsberechner 52 berechnet die Konzentration von Ammoniak im Messgas G₁ auf Grundlage der vom Potenzialdifferenzdetektor 51 erfassten Potenzialdifferenz.
Im Ammoniakdetektor 1 der vorliegenden Ausführungsform enthält die Detektionselektrode 21 50 Masse-% oder mehr an Pd als Edelmetall 211. Das so konfigurierte Edelmetall 211 hat einen hohen Schmelzpunkt und ist in der Lage, die Leistungsfähigkeit der Elektrode unter Hochtemperaturumgebungen, wie etwa 1400°C, aufrechtzuerhalten.
Somit kann der Ammoniakdetektor 1 gebildet werden, indem die Detektionselektrode 21 und andere Elemente während der Herstellung integral gebrannt werden. Zu den anderen Bauteilen gehören z.B. die Referenzelektrode 22, der Festelektrolytkörper 3, die Heizvorrichtung 4 und das isolierende Substrat 29. Dadurch kann der Ammoniakdetektor 1 kostengünstig hergestellt werden. Außerdem wird ein Verdampfen oder ähnliches der Elektrodenkomponenten von der Detektionselektrode 21 verhindert, und die Wärmebeständigkeit der Detektionselektrode 21 ist hoch. Das heißt, dass der Ammoniakdetektor 1 eine ausgezeichnete Haltbarkeit unter Hochtemperaturbedingungen aufweist.
Darüber hinaus hemmt die Detektionselektrode 21 den Verbrauch von Ammoniak aufgrund von z.B. übermäßiger Oxidation, während sie die Reaktivität gegenüber Ammoniak in dem Maße aufrechterhält, dass die Konzentration von Ammoniak im Abgas G₁ genau erfasst werden kann. Da der Ammoniakdetektor 1 Ammoniak detektiert, während er den Verbrauch von Ammoniak an der Detektionselektrode 21 hemmt, wird die Konzentration von Ammoniak folglich genau detektiert.
Der Grund, warum die Konzentration von Ammoniak genau erfasst werden kann, kann auch folgender sein. Da die Detektionselektrode 21 Aluminiumoxid enthält, das keine Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt, wird NO₂ mit hoher Wahrscheinlichkeit an der Oberfläche oder im Inneren der Detektionselektrode 21 zu NO zersetzt. NO₂ wird somit daran gehindert, die Dreiphasengrenzfläche 314A zwischen der Detektionselektrode 21 und dem Festelektrolytkörper 3 zu erreichen, und NO, das durch die Zersetzung von NO₂ erzeugt wurde, erreicht die Dreiphasengrenzfläche 314A. Da die Detektionselektrode 21 50 Masse-% oder mehr Pd enthält, wird die Empfindlichkeit gegenüber NO verringert, während die Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak erhöht wird. Somit detektiert der Ammoniakdetektor 1 die Konzentration von Ammoniak auch in einer Umgebung, in der z.B. NOx ebenfalls vorhanden ist, genau.
(Experimentelles Beispiel 1)
Das vorliegende Beispiel ist eine vergleichende Auswertung der Leistungsfähigkeit der Edelmetallelektrode. Zunächst wurden aus Pd, Rh, Au, Ir und Pt gebildete Edelmetallelektroden verwendet, um vereinfachte Elemente 20 herzustellen, und die Leistungsfähigkeit der vereinfachten Elemente 20 bei der Detektion von Ammoniak wurde verglichen und ausgewertet. Die in und nach dem vorliegenden Versuchsbeispiel verwendeten Bezugszeichen, die mit den Bezugszeichen der obigen Ausführungsformen übereinstimmen, stellen, sofern nicht anders angegeben, die gleichen Komponenten dar wie in den obigen Ausführungsformen.
Wie in 7 dargestellt, umfasst jedes vereinfachte Element 20 den Festelektrolytkörper 3, die Detektionselektrode 21 und die Referenzelektrode 22. Der Festelektrolytkörper 3 ist scheibenförmig. Die Detektionselektrode 21 und die Referenzelektrode 22 befinden sich auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolytkörpers 3, wobei der Festelektrolytkörper 3 dazwischen liegt.
Der Festelektrolytkörper 3 ist aus YSZ gebildet. Die Detektionselektrode 21 ist aus einem Edelmetall, das Pd, Rh, Au, Ir oder Pt beinhaltet, und YSZ gebildet. Die Referenzelektrode 22 ist aus Pt und YSZ gebildet.
An der Detektionselektrode 21 ist ein Stromabnehmer 202a angebracht, an den ein Zuleitungsdraht 201a angeschweißt ist, und an der Referenzelektrode 22 ist ein Stromabnehmer 202b angebracht, an den ein Zuleitungsdraht 201b angeschweißt ist. Die Zuleitungsdrähte 201a und 201b sind aus Pt-Drähten gebildet, und die Stromabnehmer 202a und 202b sind aus Pt-Netzen gebildet.
Bei der Herstellung jedes vereinfachten Elements 20 wurde zunächst das Elektrodenmaterial für die Detektionselektrode 21 im Siebdruckverfahren auf eine der Seiten des Festelektrolytkörpers 3 gedruckt, und das Elektrodenmaterial für die Referenzelektrode 22 wurde im Siebdruckverfahren auf die andere Seite des Festelektrolytkörpers 3 gedruckt. Anschließend wurden die Elektrodenmaterialien gebrannt, um die Detektionselektrode 21 und die Referenzelektrode 22 auf dem Festelektrolytkörper 3 zu bilden. Als nächstes wurde der Stromabnehmer 202a, an den der Leitungsdraht 201a geschweißt ist, auf die Detektionselektrode 21 angebracht, und der Stromabnehmer 202b, an den der Leitungsdraht 201b geschweißt ist, wurde auf die Referenzelektrode 22 angebracht.
Für die Auswertung wurde die in 7 dargestellte Auswertevorrichtung verwendet. Bei der Vorbereitung der Auswertevorrichtung wurde zunächst auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 3 (des vereinfachten Elements 20) ein Deckel 203a montiert, auf dem die Detektionselektrode 21 gebildet ist, um einen Messgasraum 315 zu definieren. Auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 3 (des vereinfachten Elements 20) wurde ein Deckel 203b montiert, auf dem die Referenzelektrode 22 gebildet ist, um den Referenzgasraum 325 zu definieren. In den Deckel 203a, der die Detektionselektrode 21 abdeckt, wurde eine Gasleitung 204a eingesetzt, durch die das Messgas G₁ strömt. In den Deckel 203b, der die Referenzelektrode 22 abdeckt, wurde eine Gasleitung 204b eingesetzt, durch die das Referenzgas G₀ strömt. Die Zuleitungsdrähte 201a und 201b wurden mit dem Potenzialdifferenzdetektor 51 verbunden, der sich außerhalb befindet, und der Potenzialdifferenzdetektor 51 wurde zum Auslesen der Potenzialdifferenz zwischen der Detektionselektrode 21 und der Referenzelektrode 22 verwendet.
Bei der Auswertung wurde das Abgas G₁ durch die Gasleitung 204a und die atmosphärische Luft G₀ durch die Gasleitung 204b geleitet, um das Potential zwischen der Detektionselektrode 21 und der Referenzelektrode 22 zu messen. Die Gastemperatur betrug 450°C. Zusätzlich zu einem Gehalt von 5 Vol.-% O₂ in Bezug auf das Stickstoffgas, das die Basiskomponente darstellt, gab es einen Fall, in dem das Abgas G₁ kein zu messendes Gas enthält, einen Fall, in dem das Abgas G₁ 100 Vol.-ppm an zu messendem Gas enthält, und einen Fall, in dem das Abgas G₁ 200 Vol.-ppm an zu messendem Gas enthält. Der Gasdurchsatz betrug 300 ml/min. Das zu messende Gas war NH₃, NO oder NO₂ .
Die Empfindlichkeit für das Messgas G₁ bei Verwendung der jeweiligen Edelmetalle für die Detektionselektrode 21 ist in den 8 bis 12 dargestellt. Die vertikale Achse in den 8 bis 12 stellt den Unterschied (bzw. die Differenz) zwischen dem Potential der Detektionselektrode 21 und dem Basispotential (bzw. Grundpotenzial), also der Referenzelektrode 22, dar. Je größer die Differenz ist, desto höher wird die Empfindlichkeit. Die 9 und 10, die die NO-Empfindlichkeit zeigen, und die 11 und 12, die die NO₂-Empfindlichkeit zeigen, zeigen zum Vergleich zusätzlich das Ergebnis für Au.
Wie aus 8 ersichtlich, hat Pd eine ausreichend höhere Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak als andere Edelmetalle. Wie zudem aus den 9 bis 12 ersichtlich, hat Pd eine geringere Empfindlichkeit gegenüber NO und NO₂ als Au. Insbesondere ist die Empfindlichkeit von Pd gegenüber NO₂ geringer als die von Au und anderen Edelmetallen.
Im Gegensatz dazu haben Pt, Rh und Ir eine deutlich geringere Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak als Au. Insbesondere die Abnahme der Empfindlichkeit in Richtung einer niedrigen Ammoniak-Konzentration ist deutlicher. Pt hat eine insbesonders höhere Empfindlichkeit gegenüber NO₂ als andere Edelmetalle. Obwohl Rh eine geringe Empfindlichkeit gegenüber NO und NO₂ aufweist, ist die Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak ebenfalls sehr gering. Ir hat eine hohe Empfindlichkeit gegenüber NO und NO₂.
Wie oben beschrieben, hat Pd eine ausreichend hohe Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak, während die Empfindlichkeit gegenüber NO und NO₂ ist jedoch ausreichend niedriger als bei anderen Edelmetallen. Mit anderen Worten hat Pd eine ausgezeichnete Selektivität für Ammoniak und ist für die Detektionselektrode 21 des Ammoniakdetektors 1 geeignet.
Um das Edelmetall hinsichtlich des Verbrauchs (des Aufzehrens) von Ammoniak durch Oxidation zu untersuchen, wurde anschließend die dissoziative Adsorptionsenergie von O₂ (im Folgenden auch „O₂-dissoziative Adsorptionsenergie“) des Edelmetalls zur Auswertung simuliert. Die O₂dissoziative Adsorptionsenergie ist ein Wert, der z.B. angibt, wie leicht O₂ adsorbiert wird und wie hoch der Grad der Adsorbierbarkeit ist. Der Grad der Adsorbierbarkeit an jedes Edelmetall kann auch damit beschrieben werden, wie schwierig von dem jeweiligen Edelmetall zu trennen ist. Da O₂ vom Edelmetall in einem Zustand adsorbiert ist, in dem O₂ in O-Atome dissoziiert ist, wurde die dissoziative Adsorptionsenergie von O₂ als Indexwert verwendet.
Die Berechnung der O₂-dissoziativen Adsorptionsenergie durch Simulation unter Verwendung der Analysesoftware D mol³ der Firma DASSAULT SYSTEMES BIOVIA K.K. auf Basis der „first-principles“-Berechnung durchgeführt. Es wurde eine „Generalized Gradient Approximation-Perdew Burke Ernzerhof“ (GGA-PBE) Funktion verwendet. Die genaue Berechnungsmethode ist wie folgt.
Zunächst wurden die Basisatome 219 ausgewählt, um ein in 13 dargestelltes Simulationsmodell zu konfigurieren. Die Basisatome 219 sind ausgewählt aus Au, Pt, Rh und Pd. Diese Basisatome 219 bilden alle stabil ein kubisch-flächenzentriertes Gitter. Der Ausdruck „Basisatome“ ist nicht unbedingt korrekt, da die Berechnung der dissoziativen Adsorptionsenergie von O₂ an einem Simulationsmodell eines einzelnen Edelmetalls und nicht an einer Legierung von Edelmetallen durchgeführt wird. Der Ausdruck „Basisatome“ wird hier jedoch verwendet, um das Simulationsmodell zu beschreiben, das im Folgenden durch Substitutionselemente ersetzt wird.
Die für Berechnung der dissoziativen Adsorptionsenergie von O₂ geltenden Bedingungen des in 13 dargestellten Simulationsmodells sind wie folgt.

Anzahl der Zellen: 3x3
Anzahl der Schichten: 3 (zweite Schicht und dritte Schicht sind fix) Vakuumschicht: 20 Ä
Oberfläche: fcc (111) Oberfläche

Das Simulationsmodell umfasst Adsorptionsstellen wie in 14 dargestellt. In 14 wird eine Adsorptionsstelle T als „on-top“ („obenauf”) bezeichnet und stellt eine einfach koordinierte on-top-Stelle dar. Eine Adsorptionsstelle B wird als „Brücke“ bezeichnet und stellt eine zweifach koordinierte Brückenstelle dar. Adsorptionsstellen H werden als „Hohlraum“ bezeichnet und stellen dreifach koordinierte Hohlstellen dar. Die Adsorptionsstellen H umfassen ferner zwei Arten, nämlich eine erste Adsorptionsstelle H1 und eine zweite Adsorptionsstelle H2. Die erste Adsorptionsstelle H1 wird als „hcp-Hohlraum“ bezeichnet und stellt einen hexagonal dicht gepackten Hohlraum dar, unter dem sich ein Atom befindet, das eine zweite Schicht bildet. Die zweite Adsorptionsstelle H2 wird als „fcc Hohlraum“ bezeichnet und stellt einen kubisch-flächenzentrierten Hohlraum dar, unter dem sich kein eine zweite Schicht bildendes Atom befindet.
Die durch die Simulation erhaltene O₂-dissoziative Adsorptionsenergie ist die freie Energie, wenn sich ein Sauerstoffatom O an den Adsorptionsstellen T, B, H1 oder H2 befindet, wie in 14 dargestellt. Die Energien an den Adsorptionsstellen T, B, H1 und H2 werden berechnet, und die größte Energie wird in dem folgenden Ausdruck verwendet. Der Ausdruck für die O₂-dissoziative Adsorptionsenergie E₀ wird durch die folgende Gleichung (I) dargestellt, und das Berechnungsmodell ist in 15 veranschaulicht. Die leeren Kreise in 15 stellen die Basisatome dar, Kreise mit Punkten stellen Sauerstoffatome dar. $E_{0} = 2 \times E_{2} - 2 \times E_{1} - E_{3}$
In Gleichung (I) stellen E₁ bis E3 die folgenden Energien dar.

E₁: Energie mit nur Basisatomen
E₂: Energie, wenn ein Sauerstoffatom O auf Basisatomen platziert ist
E₃: Energie mit nur O₂

Die O₂-dissoziative Adsorptionsenergie der einzelnen Edelmetalle ist in 16 gezeigt. 16 zeigt die Beziehung zwischen der durch Simulation erhaltenen O₂-dissoziative Adsorptionsenergie jedes Edelmetalls und der NH₃-Empfindlichkeit der einzelnen Edelmetalle. Die NH₃-Empfindlichkeit der jeweiligen Edelmetalle ist das Ergebnis, das erhalten wird, wenn die Ammoniakkonzentration 100 ppm beträgt, wie oben mit Bezug auf 8 beschrieben.
16 zeigt, dass die Oxidationskraft stärker wird, wenn sich der Absolutwert der O₂-dissoziativen Adsorptionsenergie erhöht, d. h. von 0 nach links auf der horizontalen Achse. Unterdessen steigt die Empfindlichkeit, wenn sich der Absolutwert der NH3 Empfindlichkeit erhöht, d. h. von 0 nach unten auf der vertikalen Achse.
Wie aus 16 ersichtlich, gibt es eine Korrelation zwischen der O₂dissoziativen Adsorptionsenergie und der NH₃-Empfindlichkeit, und es ist wahrscheinlich, dass sich die Ammoniakempfindlichkeit mit abnehmender O₂-dissoziativen Adsorptionsenergie erhöht. Wie aus 16 ersichtlich, haben Pd und Au eine hohe Ammoniakempfindlichkeit und ein schwaches Oxidationsvermögen. Im Gegensatz dazu haben Pt und Rh eine geringe Ammoniakempfindlichkeit und ein starkes Oxidationsvermögen. Aus diesem Grund hat die aus Pt und Rh gebildete Detektionselektrode 21 ein stärkeres Oxidationsvermögen und bewirkt, dass Ammoniak leicht oxidiert und verbraucht wird, bevor es an der Dreiphasengrenzfläche 314A reagiert. Das heißt, in diesem Fall ist es schwierig, Ammoniak genau zu detektieren, da eine Reaktion stattfindet, die nicht zum Potential beiträgt. Da der Ammoniakdetektor 1 für den Einsatz in Fahrzeugen, der die Konzentration einer winzigen Menge Ammoniak erfassen soll, insbesondere eine hohe Detektionsgenauigkeit erfordert, ist Pd, Au oder eine Legierung aus Pd und Au für die Detektionselektrode 21 effektiver.
Als nächstes werden Au und Pd in Bezug auf die Kohäsionsenergie (Bindungsenergie) untersucht. Die Kohäsionsenergie ist die Energie, die notwendig ist, um Atome oder Ionen in einem kohäsiven Zustand voneinander zu trennen. Das heißt, die Kohäsionsenergie ist ein Indexwert, der angibt, wie leicht oder wie schwer es verdampft werden kann. Im vorliegenden Beispiel wird die Kohäsionsenergie von Au und Pd berechnet.
Wie bei der O₂-dissoziativen Adsorptionsenergie, die durch die oben beschriebene Simulation erhalten wurde, wurde die Kohäsionsenergie durch die Erstellung eines Simulationsmodells und die Durchführung der „firstprinciples“-Berechnung mit der Analysesoftware berechnet. Die Einstellbedingungen der Analysesoftware waren wie folgt.

Funktion: GGA-PBE
Spin-Polarisation: nicht eingeschränkt
Kernbehandlung: Alle-Elektronen relativistisch

17A zeigt ein Berechnungsmodell einer Kohäsionsenergie E in einem Simulationsmodell mit ausschließlich Au-Atomen. Das heißt, eine Kohäsionsenergie E_A von Au ist die Energie, die man erhält, wenn man die Energie der Au-Atome, die das Au-Grundmaterial bilden, von der Energie des Au-Grundmaterials subtrahiert. 17B zeigt ein Berechnungsmodell der Kohäsionsenergie E in einem Simulationsmodell mit nur Pd-Atomen. Das heißt, die Kohäsionsenergie E_B von Pd ist die Energie, die man erhält, wenn man die Energie der Pd-Atome, die das Pd-Basismaterial bilden, von der Energie des Pd-Basismaterials subtrahiert. Die Ergebnisse der Kohäsionsenergien sind in 18 dargestellt.
Wie aus 18 ersichtlich ist, ist die Kohäsionsenergie von Pd höher als die Kohäsionsenergie von Au. Dies zeigt, dass Pd weniger leicht verdampft als Au. Somit ist Pd für die Detektionselektrode 21 des Ammoniakdetektors 1 in der Hinsicht geeignet, dass die Leistungsfähigkeit der Elektrode auch unter Hochtemperaturbedingungen nicht abnimmt und dass Pd bei hoher Temperatur integral gebrannt werden kann.
(Experimentelles Beispiel 2)
Das vorliegende Beispiel vergleicht die Oxidationskraft von Pd und Au in Bezug auf Ammoniak. Im vorliegenden Beispiel wurden, wie in 19 dargestellt, das Oxidationsvermögen von Pd und das Oxidationsvermögen von Au tatsächlich verglichen und durch eine temperaturprogrammierte Reaktionsmethode (TPR) ausgewertet.
Wie in 19 dargestellt, umfasst eine in diesem Beispiel verwendete Auswertevorrichtung 6 ein Probenrohr 61, eine Heizvorrichtung 62, die das Innere des Probenrohrs 61 beheizt, und ein Massenspektrometer 63. Das Massenspektrometer 63 ist ein Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrophotometer. Das Probenrohr 61 ist mit dem zu messenden Edelmetallpulver S_M befüllt. Das Edelmetallpulver S_M ist Pd-Pulver oder Au-Pulver.
Bei der Auswertung wurde ein Einleitgas G₂ in das Probenrohr 61 in einer Richtung eingeführt und das Edelmetallpulver S_M wurde durch das Probenrohr 61 zugeführt. Das Einleitgas G₂ enthielt 2000 Vol.-ppm NH₃ und 5000 Vol.-ppm O₂, bezogen auf He. Der Durchsatz des Einleitgases G₂ betrug 300 l/min. Das Zuleiten des Einleitgases G₂ führte zu der folgenden Ammoniakoxidationsreaktion (3) an dem Edelmetallpulver S_M in dem Probenrohr 61. 4 NH₃ + 3 O₂ → 2 N₂ + 6 H₂O (3)
Anschließend wurde das umgesetzte Gas G₃, das durch das Edelmetallpulver S_M hindurchgetreten war, mit dem Massenspektrometer 63 analysiert, das sich in einem stromabwärtigen Abschnitt befindet. 20 und 21 zeigen die Ergebnisse der von dem Massenspektrometer 63 erfassten Gaskonzentration für Au und Pd, wenn das Innere des Probenrohrs 61 mit einer Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit von 20°C/min aufgeheizt wurde. In 20 und 21 ist die Temperatur, bei der die Oxidation beginnt, die Temperatur, bei der eine Abnahme von NH3 beginnt.
Wie aus den 20 und 21 ersichtlich ist, beginnt die Oxidation von Pd, wie auch bei dem Ergebnis der Simulation in Versuchsbeispiel 1, bei einer niedrigeren Temperatur und es hat ein stärkeres Oxidationsvermögen gegenüber Ammoniak im Vergleich zu Au. Außerdem hat Pd eine gute Selektivität und Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak. Im Gegensatz dazu hat Au ein schwaches Oxidationsvermögen gegenüber Ammoniak. Dies deutet darauf hin, dass eine Legierung aus Pd und Au eine gute Selektivität und Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak erreicht, während die Oxidationskraft gegenüber Ammoniak verringert wird.
Um die Detektionsgenauigkeit des Ammoniakdetektors 1 zu verbessern, wird vorzugsweise die Oxidation von Ammoniak vor Erreichen der dreiphasigen Grenzfläche 314A der Detektionselektrode 21 inhibiert. Dazu sind z.B. die folgenden Bedingungen (A) bis (C) wirkungsvoll.

(A) Verringern der Dicke der Detektionselektrode 21 auf einen Bereich von z.B. 1 bis 20 µm, vorzugsweise auf einen Bereich von 1 bis 10 µm. Dies wird weiter unten in dem experimentellen Beispiel 5 näher beschrieben.
(B) Einstellen Sie die Steuertemperatur (bzw. Regelungstemperatur) der Detektionselektrode 21 auf 400 bis 750°C, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben. Die Steuertemperatur unter 400°C bewirkt, dass NO₂ die Dreiphasengrenzfläche 314A erreicht, ohne zersetzt zu werden, was die Selektivität der Detektionselektrode 21 gegen NO₂ verschlechtert. Im Gegensatz dazu bewirkt die Steuertemperatur von mehr als 750°C, dass Ammoniak oxidiert, bevor es die Dreiphasengrenzfläche 314A erreicht, was die Oxidationsmenge an der Dreiphasengrenzfläche 314A verringert. Dadurch verringert sich die Empfindlichkeit des Detektorelements 2 gegenüber Ammoniak.
(C) Einstellen der durchschnittlichen Teilchengröße des Edelmetalls 211 auf den Bereich von z.B. 0,2 bis 5 µm, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben.

(Experimentelles Beispiel 3)
Im vorliegenden Beispiel wird die Empfindlichkeit der Detektionselektrode 21 gegenüber Ammoniak, NO und NO₂ untersucht, wenn Pd oder Au als das Edelmetall 211 verwendet wird. Die Empfindlichkeit gegenüber den einzelnen Gasen wurde auf die gleiche Weise gemessen wie in Versuchsbeispiel 1. Es ist anzumerken, dass im vorliegenden Beispiel die Sauerstoffkonzentration eines Testgases, das jedes Gas (Abgas G₁ ) enthielt, 10 Vol.-% betrug.
Die Empfindlichkeit der Detektionselektrode 21 aus 100 Masse-% Pd und die Empfindlichkeit der Detektionselektrode 21 aus 100 Masse-% Au in Bezug auf jedes Gas wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in den 22 bis 24 dargestellt. In den 22 bis 24 bedeutet „%“ „Masse-%“. In jeder der FIG. stellt die Differenz der elektromotorischen Kraft vom Grundwert die Potentialdifferenz zwischen der Detektionselektrode 21 und der Referenzelektrode 22 dar.
Wie aus den 22 bis 24 ersichtlich, hat Au zwar eine ausgezeichnete Empfindlichkeit für Ammoniak, aber die Empfindlichkeit für NO und NO₂ ist ebenfalls hoch. Das bedeutet, dass die Selektivität gegenüber Ammoniak unzureichend ist und etwa der Ammoniakdetektor 1 vom Mischpotenzialtyp zusätzlich zu der Konzentration von Ammoniak unerwünschterweise auch die Konzentration von NO und NO₂ im Mischpotential widerspielgelt.
Unterdessen hat Pd zwar eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak als Au, dafür aber eine geringe Empfindlichkeit gegenüber NO. Au und Pd haben beide eine hohe Empfindlichkeit gegenüber NO₂. Mit anderen Worten wird, wenn Pd als Edelmetall 211 der Detektionselektrode 21 verwendet wird, NO vom Ammoniakdetektor 1 nicht detektiert, selbst wenn NO₂ an der Detektionselektrode 21 zu NO zersetzt wird und NO dann die Dreiphasengrenzfläche 314A zwischen dem Festelektrolyten des Festelektrolytkörpers 3, dem Edelmetall 211 und der Gasphase erreicht. Dies bedeutet, dass das Vorhandensein von NOx, wie etwa NO₂, die Detektionsgenauigkeit von Ammoniak nicht verschlechtert.
Wie oben beschrieben, zeigt das vorliegende Beispiel, dass Pd eine ausgezeichnete Selektivität gegenüber Ammoniak aufweist und als Edelmetall 211 der Detektionselektrode 21 im Ammoniakdetektor 1 effektiv ist.
(Experimentelles Beispiel 4)
Im vorliegenden Beispiel wird der Einfluss einer anderen Additivkomponente als dem Edelmetall 211 in der Detektionselektrode 21 untersucht. Zunächst wurden Pd, eine Additivkomponente und ein Vehikel (z.B. ein Lösungsmittel) kombiniert und mit einem Mischer gemischt, um die in Tabelle 1 gezeigten Elektrodenpasten herzustellen. Als Additivkomponente wurde Aluminiumoxid oder YSZ verwendet.

[Tabelle 1]

Arten der Additivkomponente	Aluminiumoxid	YSZ
Anteil von Pd [Masse-%]	76,68	72,53
Anteil der Additivkomponente [Masse-%]	9,2	14,51
Anteil des Vehikels [Masse-%]	14,11	12,96
Viskosität [Pa·s]	210	150
Durchschnittlicher Teilchendurchmesser von Pd [µm]	2,2	1,2
Spezifische Oberfläche [m²/g]	0,84	1,1

Als nächstes wurde jede in Tabelle 1 aufgeführte Elektrodenpaste als Elektrodenmaterial für die Detektionselektrode 21 verwendet, und das gleiche vereinfachte Element 20 wie in Versuchsbeispiel 1 wurde hergestellt. Das vereinfachte Element 20 ist das gleiche wie das in Versuchsbeispiel 1, außer dass das Elektrodenmaterial der Detektionselektrode 21 geändert wurde.
Anschließend wurde in gleicher Weise wie im Versuchsbeispiel 1 die Auswertevorrichtung vorbereitet und das Abgas G₁ und die atmosphärische Luft G₀ durch die Gasleitung zugeführt. Die Potentialdifferenz zwischen der Detektionselektrode 21 und der Referenzelektrode 22 wurden dabei gemessen. Die Gastemperatur betrug 450°C und der Gasdurchsatz betrug 300 ml/min. Das vorliegende Beispiel umfasst neben der Tatsache, dass 10 Vol.-% O₂ in Bezug auf das Stickstoffgas, das die Basiskomponente darstellt, enthalten sind, einen Fall, in dem das Abgas G₁ kein zu messendes Gas enthält, einen Fall, in dem das Abgas G₁ 100 Vol.-ppm des zu messenden Gases enthält, und einen Fall, in dem das Abgas G₁200 Vol.-ppm des zu messenden Gases enthält. Das zu messende Gas war NH3, NO oder NO₂. Die Ergebnisse sind in 25 und 26 dargestellt.
Basierend auf den in 25 und 26 gezeigten Ergebnissen wurde der prozentuale Anteil der Empfindlichkeit der Detektionselektrode 21 für NO bezogen auf die Empfindlichkeit der Detektionselektrode 21 für Ammoniak als Fehler (%) der durch NO verursachten Ammoniak-Empfindlichkeit berechnet. Ferner wurde der prozentuale Anteil der Empfindlichkeit der Detektionselektrode 21 für NO₂ bezogen auf die Empfindlichkeit der Detektionselektrode 21 für Ammoniak als Fehler (%) der durch NO₂ verursachten Ammoniak-Empfindlichkeit berechnet. Die Ergebnisse sind in 27 dargestellt.
Der durch NO und NO₂ verursachte Fehler (%) der Ammoniak-Empfindlichkeit wurde wie folgt ermittelt. $\begin{array}{l} Fehler (%) = (Differenz der elektromotorischen Kraft in Bezug auf NO \\ {oder NO}_{2} - Differenz der elektromotorischen Kraft in Bezug auf Ammoiak) / \\ Differenz der elektromotorischen Kraft in Bezug auf Ammoniak \times 100 (%) \end{array}$
Wie aus 26 ersichtlich, zeigt die Detektionselektrode 21, die YSZ als Additivkomponente verwendet, neben der Potentialdifferenz in Bezug auf Ammoniak auch die Potentialdifferenz in Bezug auf NO₂. Folglich ist der Fehler der Ammoniak-Empfindlichkeit groß, wie aus 27 ersichtlich.
Wie aus 25 ersichtlich, zeigt im Gegensatz dazu die Detektionselektrode 21, die Aluminiumoxid als Additivkomponente verwendet, eine geringe Potentialdifferenz in Bezug auf NO und NO₂ , während sie eine ausreichende Potentialdifferenz in Bezug auf Ammoniak aufweist. Wie aus 27 ersichtlich, ist der Fehler der Ammoniak-Empfindlichkeit folglich gering.
Wie oben beschrieben, hat die Detektionselektrode 21, die Aluminiumoxid als Additivkomponente enthält, gemäß dem vorliegenden Beispiel eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber NO und NO₂, was die Detektionsgenauigkeit gegenüber Ammoniak weiter verbessert. Im vorliegenden Beispiel wurde, wie oben beschrieben, der Einfluss der Additivkomponente auf die Detektionselektrode 21, die Pd als Edelmetall 211 enthält, untersucht. Das gleiche Ergebnis wird mit der Detektionselektrode 21 erzielt werden, die eine Legierung aus Pd und Au enthält, wobei Pd als Hauptbestandteil enthalten ist.
Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wie oben beschrieben wurden, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auf verschiedene Ausführungsformen angewandt werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann in der ersten Ausführungsform, obwohl dort ein Ammoniakdetektor 1 beschrieben wurde, der die Detektionselektrode 21 zur Detektion von Ammoniak beinhaltet, der Ammoniakdetektor 1 darüber hinaus eine Detektionselektrode zur Detektion von NOx, wie etwa NO und NO₂, beinhalten. In diesem Fall detektiert der Ammoniakdetektor 1 zusätzlich zur Konzentration von Ammoniak auch die Konzentration von NOx.
Mit anderen Worten kann der Ammoniakdetektor 1 den Ammoniakdetektionsabschnitt, der zumindest Ammoniak detektiert, und zusätzlich einen Gasdetektionsabschnitt, der anderes Gas als Ammoniak detektiert, enthalten. Der Ammoniakdetektionsabschnitt ist beispielsweise aus einer ersten Detektionselektrode zur Detektion von Ammoniak, einer Referenzelektrode und einem Festelektrolytkörper, auf dem diese Elektroden ausgebildet sind, aufgebaut. Dabei ist der Gasdetektionsabschnitt beispielsweise aus einer zweiten Detektionselektrode zur Detektion eines anderen Gases als Ammoniak, einer Referenzelektrode und einem Festelektrolytkörper, auf dem diese Elektroden ausgebildet sind, aufgebaut.
Der Ammoniak-Detektionsabschnitt und der Gasdetektionsabschnitt können sich eine einzige Referenzelektrode teilen oder jeweils unterschiedliche Referenzelektroden enthalten, wie etwa eine erste Referenzelektrode und eine zweite Referenzelektrode. Das oben Gesagte gilt auch für den Festelektrolytkörper. Der Ammoniakdetektionsabschnitt und der Gasdetektionsabschnitt können sich einen einzigen Festelektrolytkörper teilen oder jeweils verschiedene Festelektrolytkörper, wie etwa einen ersten Festelektrolytkörper und einen zweiten Festelektrolytkörper, enthalten. Darüber hinaus kann der Ammoniakdetektor 1 zwei oder mehr Detektionselektroden zur Detektion von Gasen, die sich von Ammoniak unterscheiden, enthalten.
Obwohl die vorliegende Offenbarung gemäß den Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf diese Ausführungsformen und Konfigurationen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung umfasst verschiedene Modifikationen und Abwandlungen, die in die Geltung der Äquivalenz fallen. Darüber hinaus sind verschiedene Kombinationen und Formen, oder andere Kombinationen und Formen, die lediglich eines oder mehrere zusätzliche Elemente enthalten, oder die weniger als alle Elemente enthalten, in den Umfang und die Ideen, die durch der vorliegenden Offenbarung zugänglich sind, eingeschlossen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2018203601 [0001]

Claims

Ammoniakdetektor (1), der umfasst: einen Festelektrolytkörper (3) mit einer einem Messgas zugewandten Oberfläche (31), die mit einem Messgas (G₁) in Kontakt kommt, und einer einem Referenzgas zugewandten Oberfläche (32), die mit einem Referenzgas (G₀) in Kontakt kommt; eine Detektionselektrode (21), die auf der dem Messgas zugewandten Oberfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist; und eine Referenzelektrode (22), die auf der dem Referenzgas zugewandten Oberfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist, wobei die Detektionselektrode zumindest Aluminiumoxid und 50 Masse-% oder mehr Pd enthält.
Ammoniakdetektor nach Anspruch 1, wobei der Ammoniakdetektor vom Mischpotentialtyp ist.
Ammoniakdetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektionselektrode eine Dicke von 1 µm bis 20 µm aufweist.
Ammoniakdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die dem Messgas zugewandte Oberfläche eine erste Hauptoberfläche des Festelektrolytkörpers, der plattenförmig ist, ist und die dem Referenzgas zugewandte Oberfläche eine zweite Hauptoberfläche des Festelektrolytkörpers, die der ersten Hauptoberfläche gegenüber liegt, ist.
Ammoniakdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Detektionselektrode eine Festelektrolytkomponente enthält, die identisch ist mit dem Material, das den Festelektrolytkörper bildet, und der Gehalt an Aluminiumoxid in der Detektionselektrode größer ist als der Gehalt der Festelektrolytkomponente in der Detektionselektrode.
Ammoniakdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Detektionselektrode im Wesentlichen keine Festelektrolytkomponente, die den Festelektrolytkörper aufbaut, enthält.
Ammoniakdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend einen Potentialdifferenzdetektor (51), der die Potentialdifferenz zwischen der Detektionselektrode und der Referenzelektrode detektiert, und einen Konzentrationsberechner (52), der die Konzentration von Ammoniak in dem Messgas auf der Grundlage der von dem Potentialdifferenzdetektor detektierten Potentialdifferenz berechnet.
Ammoniakdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der ferner eine Heizvorrichtung (4) mit einem Heizelement (41), das bei Energieeintrag Wärme erzeugt, und einen Stromversorgungs-Steuerabschnitt (58) aufweist, der die Höhe der Stromzufuhr zu dem Heizelement so steuert, dass die Temperatur der Detektionselektrode im Bereich von 400°C bis 750°C liegt.
Ammoniakdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die durchschnittliche Teilchengröße von Pd in der Detektionselektrode 0,2 µm bis 5 µm beträgt.