JP2001221774A - Gas sensor - Google Patents

Gas sensor

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JP2001221774A
JP2001221774A JP2000032345A JP2000032345A JP2001221774A JP 2001221774 A JP2001221774 A JP 2001221774A JP 2000032345 A JP2000032345 A JP 2000032345A JP 2000032345 A JP2000032345 A JP 2000032345A JP 2001221774 A JP2001221774 A JP 2001221774A
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JP
Japan
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oxygen
electrode
gas
internal space
pump cell
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Withdrawn
Application number
JP2000032345A
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Japanese (ja)
Inventor
Akira Kunimoto
晃 国元
Eitetsu Gen
永鉄 厳
Koretomo Ko
云智 高
Seiji Hasei
政治 長谷井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Publication date
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To supply sufficient oxygen into a measuring chamber without enlarging the sectional area of an air introduction duct. SOLUTION: An anode electrode 8 of an oxygen pump cell is arranged in an internal cavity 3 enclosed by zirconia solid electrolyte, so that a cathode electrode 11 is led to a test gas atmosphere outside the internal cavity 3, and a prescribed voltage Vp is applied on the oxygen pump cell.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスセンサ、特に
燃焼ガス中の窒素酸化物濃度を検知するガスセンサに関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas sensor, and more particularly to a gas sensor for detecting the concentration of nitrogen oxides in combustion gas.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、自動車などのエンジン排ガス中に
直接挿入して連続測定が行える全固体型ガスセンサが注
目され、これらの研究開発について近年多くの報告がな
されている。本発明者らも、既に排気ガス中の総NOx
濃度をリアルタイムに測定することができる、混成電位
式のNOxセンサを提案している。たとえば、特開平1
1−23526号公報では、ジルコニア固体電解質にて
形成された内部空間からなる測定室内に混成電位式のN
Ox検知電極を設置し、同じ測定室内にそれと対面する
ように酸素ポンプ(NOx変換電極)が設置されてい
る。すなわち、排ガス中のNOx(NOおよびNO2)を
NO2単体ガスに電気化学的に変換し、NOx検知極で総
NOx濃度としてのNO2濃度を検知するものである。特
開平11−23526号公報の例では、測定室内のNO
xをNO2に変換するための酸素ポンプ(変換ポンプ)と
缶室内の酸素濃度を調節するための酸素ポンプが設置さ
れている。また、前述したNOx検知極の参照極および
缶室内の酸素濃度を測定するための酸素検知極が測定室
内に設置されている。同一雰囲気中の酸素濃度に起因す
る酸素検知極の電位をNOx検知極の基準電位とすると
により、測定室内の酸素濃度が変動してもNOxセンサ
の出力が影響を受け難いセンサ構成をとっている。
2. Description of the Related Art In recent years, attention has been paid to all-solid-state gas sensors capable of continuous measurement by directly inserting them into the exhaust gas of an engine of an automobile or the like. The present inventors have already found that total NOx in exhaust gas
A hybrid potential type NOx sensor capable of measuring the concentration in real time has been proposed. For example, JP
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 23526/1995, a mixed potential type N is provided in a measurement chamber including an internal space formed of a zirconia solid electrolyte.
An Ox detection electrode is installed, and an oxygen pump (NOx conversion electrode) is installed in the same measurement room so as to face the Ox detection electrode. That is, NOx (NO and NO 2 ) in the exhaust gas is electrochemically converted into a NO 2 single gas, and the NO 2 detection electrode detects the NO 2 concentration as the total NO x concentration. In the example of Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-23526, the NO
An oxygen pump (conversion pump) for converting x to NO 2 and an oxygen pump for adjusting the oxygen concentration in the canister are provided. Further, the above-mentioned reference electrode of the NOx detection electrode and the oxygen detection electrode for measuring the oxygen concentration in the can chamber are provided in the measurement chamber. By setting the potential of the oxygen detection electrode caused by the oxygen concentration in the same atmosphere as the reference potential of the NOx detection electrode, the sensor configuration is such that the output of the NOx sensor is hardly affected even if the oxygen concentration in the measurement chamber fluctuates. .

【0003】しかしながら、例えば自動車排ガス中では
測定しようとするNOxに、検知精度に影響を与える可
能性の高い炭化水素ガス(HC)やCO等の干渉ガスが
同時に存在する。そのため、センサ素子の測定室内の酸
素濃度を高い濃度に維持する必要がある。すなわち、測
定室を形成しているジルコニア固体電解質等の触媒効果
により測定室内に進入するHC、CO等の干渉性ガスを
酸化させ、NOx検知に影響を与えないH2OやCO2
変換する。
[0003] However, for example, in an exhaust gas from an automobile, an interference gas such as a hydrocarbon gas (HC) or CO which is likely to affect the detection accuracy is simultaneously present in NOx to be measured. Therefore, it is necessary to maintain a high oxygen concentration in the measurement chamber of the sensor element. That is, the catalytic effect of the zirconia solid electrolyte or the like forming the measurement chamber oxidizes the interfering gas such as HC and CO entering the measurement chamber and converts it into H 2 O or CO 2 which does not affect NOx detection. .

【0004】そのために、特開平11−23526号公
報のような従来方法では、大気導入ダクトを通して酸素
ポンプを駆動することにより大気中の酸素を測定室内に
供給している。従来の構造では測定室内の酸素濃度を高
く維持するためには、酸素の拡散抵抗を小さくする必要
があり、そのためには大気導入ダクトの断面積を大きく
する必要があった。しかしながら、大気導入ダクトの断
面積が大きくなるとセンサ素子の製造時、特に焼成工程
において焼結時の歪みが大きくなり素子にクラック、剥
離等が入り易くなる問題が生じる。
[0004] Therefore, in a conventional method as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-23526, oxygen in the atmosphere is supplied into a measurement chamber by driving an oxygen pump through an air introduction duct. In the conventional structure, in order to maintain a high oxygen concentration in the measurement chamber, it is necessary to reduce the diffusion resistance of oxygen, and for that purpose, it is necessary to increase the cross-sectional area of the air introduction duct. However, when the cross-sectional area of the air introduction duct is increased, the distortion during sintering in the production of the sensor element, particularly in the sintering step, becomes large, causing a problem that the element is liable to be cracked or peeled off.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
構造では測定室内の酸素濃度を高く維持するために、大
気導入ダクトの断面積を大きくするとセンサ素子の製造
時、特に焼成工程において焼結時の歪みが大きくなり素
子にクラック、剥離等が入り易くなる問題があった。そ
のため、このような大きな断面積を有することなく、測
定室内に充分な酸素を供給する手段が望まれてきた。
As described above, in the conventional structure, in order to maintain a high oxygen concentration in the measurement chamber, if the cross-sectional area of the air introduction duct is increased, the firing is performed during the manufacturing of the sensor element, particularly in the firing step. There was a problem that distortion at the time of knotting was increased and cracks, peeling, and the like were likely to occur in the element. Therefore, a means for supplying sufficient oxygen into the measurement chamber without having such a large cross-sectional area has been desired.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題に鑑みて、以下のような手段をもって解決することを
提案する。すなわち、酸素イオン伝導性を有するジルコ
ニア固体電解質により囲まれたガス導入孔を有する内部
空間内に、少なくとも前記内部空間内のジルコニア固体
電解質上に設置された被検ガスおよび酸素に活性な検知
電極と、当該検知電極と対をなす酸素に活性で被検ガス
に活性でない参照極と、前記内部空間内の固体電解質上
に設けられた1対の酸素ポンプセルとにより構成された
ガスセンサであって、当該酸素ポンプセルのアノード電
極を前記内部空間内に、カソード電極を前記内部空間外
の被検ガス雰囲気に通ずるように設置し、酸素ポンプセ
ルに所定の電圧を印加することにより、被検ガス雰囲気
中の酸素あるいは酸素化合物ガスを電気化学的に分解し
て前記内部空間内に酸素を供給し、あるいはガスの一部
を酸化させながら前記検知電極と参照極との間の電位差
を測定することにより被検ガス濃度を検知するガスセン
サを提案する。また、前記のセンサ構成において、検知
電極と対をなす参照極が前記内部空間内に設置すること
によって、被検ガス雰囲気中の酸素濃度が変動しても影
響を受け難いセンサ構成とすることができる。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, the present invention proposes to solve the problem by the following means. That is, in the internal space having a gas introduction hole surrounded by a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity, a detection electrode active on the test gas and oxygen installed at least on the zirconia solid electrolyte in the internal space. A gas sensor comprising a reference electrode paired with the detection electrode and active on oxygen and not active on the test gas, and a pair of oxygen pump cells provided on the solid electrolyte in the internal space. The anode electrode of the oxygen pump cell is installed in the internal space, and the cathode electrode is installed so as to communicate with the test gas atmosphere outside the internal space. By applying a predetermined voltage to the oxygen pump cell, the oxygen in the test gas atmosphere is Alternatively, the oxygen compound gas is electrochemically decomposed to supply oxygen into the internal space, or the detection electric current is supplied while oxidizing a part of the gas. Suggest gas sensor for detecting the test gas concentration by measuring the potential difference between the reference electrode. In the above-described sensor configuration, the reference electrode paired with the detection electrode is provided in the internal space, so that the sensor configuration is hardly affected even if the oxygen concentration in the test gas atmosphere fluctuates. it can.

【0007】一方、酸素イオン伝導性を有するジルコニ
ア固体電解質により囲まれたガス導入孔を有する内部空
間内に、少なくとも前記内部空間内のジルコニア固体電
解質上に設置された被検ガスおよび酸素に活性な検知電
極と、酸素に活性で被検ガスに活性でない対極と、所定
の酸素分圧が維持される基準空間内に設けられた酸素に
のみ活性な参照電極と、前記内部空間内の固体電解質上
に設けられた1対の酸素ポンプセルとにより構成された
ガスセンサであって、当該酸素ポンプセルのアノード電
極を前記内部空間内に、カソード電極を前記内部空間外
の被検ガス雰囲気に通ずるように設置し、酸素ポンプセ
ルに所定の電圧を印加することにより、被検ガス雰囲気
中の酸素あるいは酸素化合物ガスを電気化学的に分解し
て前記内部空間内に酸素を供給し、あるいはガスの一部
を酸化させながら前記検知電極と参照極との間の電位差
と前記対極と参照極間の電位差を同時に測定し、当該二
つの電位差から被検ガス濃度を検知するガスセンサをも
提案する。
On the other hand, in an internal space having a gas introduction hole surrounded by a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity, at least a test gas and oxygen active on a zirconia solid electrolyte in the internal space are provided. A detection electrode, a counter electrode that is active on oxygen and is not active on the test gas, a reference electrode that is active only on oxygen provided in a reference space where a predetermined oxygen partial pressure is maintained, and a solid electrolyte in the internal space. A gas sensor comprising a pair of oxygen pump cells provided in the gas pump, wherein an anode electrode of the oxygen pump cell is provided in the internal space, and a cathode electrode is provided so as to communicate with a test gas atmosphere outside the internal space. By applying a predetermined voltage to the oxygen pump cell, oxygen or oxygen compound gas in the test gas atmosphere is electrochemically decomposed and Simultaneously measure the potential difference between the detection electrode and the reference electrode and the potential difference between the counter electrode and the reference electrode while supplying oxygen or oxidizing a part of the gas, and detect the concentration of the test gas from the two potential differences. The proposed gas sensor is also proposed.

【0008】さらに、前記記載のセンサ構成において、
酸素ポンプセルのカソード電極を別途設けた被検ガス雰
囲気に通ずる第2のガス導入孔を有する第2の内部空間
内に設置し、当該第2の内部空間内に前記酸素ポンプの
カソード電極と第2の対となる第2のアノード電極を設
置し、前記カソード電極と第1のアノード電極および第
2のアノード電極との間に電圧を同時に印加することに
より第1および第2の内部空間内に酸素を同時に供給し
ながら検知することにより、被検ガス雰囲気中から安定
した酸素供給が可能になる。
Further, in the above-mentioned sensor configuration,
A cathode electrode of an oxygen pump cell is installed in a second internal space having a second gas introduction hole communicating with a test gas atmosphere provided separately, and a cathode electrode of the oxygen pump and a second electrode are provided in the second internal space. A second anode electrode which is paired with the first and second anode electrodes, and a voltage is simultaneously applied between the cathode electrode and the first and second anode electrodes, so that oxygen is introduced into the first and second internal spaces. Is detected while simultaneously supplying oxygen, thereby enabling stable oxygen supply from the atmosphere of the test gas.

【0009】本発明は、特に排ガス中の窒素酸化物濃度
を検知するガスセンサに適用することができる。すなわ
ち、前記の第1アノード電極が酸素および窒素酸化物に
活性な電極材料からなり、前記の酸素ポンプセルにより
被検ガス雰囲気中から第1の内部空間内に酸素を供給す
るとともに、窒素酸化物であるNOをNO2に電気化学
的に変換しながら、検知極と参照極との間の電位差を測
定することにより総NOx濃度を検知するガスセンサを
得ることができる。
The present invention is particularly applicable to a gas sensor for detecting the concentration of nitrogen oxides in exhaust gas. That is, the first anode electrode is made of an electrode material active on oxygen and nitrogen oxide, and supplies oxygen from the test gas atmosphere into the first internal space by the oxygen pump cell, while converting one NO to NO 2 electrochemically, it is possible to obtain a gas sensor for detecting the total NOx concentration by potentiometric measuring the between the sensing electrode and the reference electrode.

【0010】さらに、前記の第2の内部空間内に第3の
酸素ポンプセルを設けた構成であって、前記第1の酸素
ポンプセルのアノード電極が少なくとも酸素に活性で、
第3の酸素ポンプセルのアノード電極が酸素およびNO
xに活性であり、第3のアノード電極に対向して検知電
極を配置することにより第1の内部空間内の酸素濃度の
制御性が大きく改善される。一方、前記の第2の内部空
間とは隔離された大気雰囲気に通ずるダクト中に第3の
酸素ポンプセルのカソード電極を設けた構成であって、
前記の第1の酸素ポンプセルのアノード電極が酸素のみ
に活性で、第3の酸素ポンプセルのアノード電極が酸素
およびNOxに活性であり、第3のアノード電極に対向
して検知電極を設置することによって、第1の内部空間
に酸素供給する能力とNOxを変換する能力とを相互に
干渉することなく制御することができる。
Further, a third oxygen pump cell is provided in the second internal space, wherein an anode electrode of the first oxygen pump cell is active at least for oxygen,
The anode electrode of the third oxygen pump cell has oxygen and NO
Active in x, the controllability of the oxygen concentration in the first internal space is greatly improved by arranging the detection electrode opposite to the third anode electrode. On the other hand, a configuration is provided in which the cathode electrode of the third oxygen pump cell is provided in a duct that communicates with the atmosphere, which is isolated from the second internal space,
The anode electrode of the first oxygen pump cell is active only on oxygen, the anode electrode of the third oxygen pump cell is active on oxygen and NOx, and a detection electrode is provided opposite to the third anode electrode. , The ability to supply oxygen to the first internal space and the ability to convert NOx can be controlled without interfering with each other.

【0011】また、本発明は前述の酸素ポンプセルに所
定の電圧を印加し、被検ガス雰囲気中の酸素濃度が少な
くともゼロであっても、前記内部空間内の酸素濃度が
0.1vol%以上に維持されるように第1のガス導入孔
のガス拡散抵抗を設定することが実用上可能である。さ
らに、前述の対極と参照極との間の電位差に基づいて、
第1の酸素ポンプセルの駆動電圧を制御し、第1の内部
空間内の酸素濃度を0.1vol%以上でかつ所定の範囲
に維持することでより精度のよい検知が可能となる。
Further, according to the present invention, a predetermined voltage is applied to the above-mentioned oxygen pump cell, and even if the oxygen concentration in the test gas atmosphere is at least zero, the oxygen concentration in the internal space becomes 0.1 vol% or more. It is practically possible to set the gas diffusion resistance of the first gas introduction hole so as to be maintained. Further, based on the potential difference between the aforementioned counter electrode and the reference electrode,
By controlling the driving voltage of the first oxygen pump cell and maintaining the oxygen concentration in the first internal space at 0.1 vol% or more and within a predetermined range, more accurate detection becomes possible.

【0012】前述の第3の酸素ポンプセルが、所定の印
加電圧以上でこのポンプ電流が変化しない拡散律速状態
になるように大気ダクトのガス拡散抵抗を設定すること
により、小さなダクト断面積に抑えることができ、かつ
第3の酸素ポンプからは一定の酸素供給量とすることが
できる。
[0012] By setting the gas diffusion resistance of the atmospheric duct so that the third oxygen pump cell is in a diffusion-controlled state in which the pump current does not change above a predetermined applied voltage, the duct cross-sectional area is reduced. And a constant oxygen supply rate from the third oxygen pump.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態のセン
サ断面構造を図1から図6に示す。図1、2、3は最も
基本となるセンサ構成例を示し、図中同一引照番号は同
一構成を示す。各図が共通する部分についての説明は一
部省略する。図1では、酸素イオン伝導体であるジルコ
ニア固体電解質13によって囲まれかつガス導入孔1を
介して被検ガス雰囲気に連通する内部空間(ガス測定
室)3内にガス検知電極5が設置されている。また、検
知電極5と対向するように酸素ポンプのアノード電極8
が内部空間3に配置され、酸素ポンプとして対になるカ
ソード電極11が、被検ガス雰囲気中に曝されている構
造を有する。検知電極5と対になる参照電極6は、大気
酸素濃度を基準とするために大気に通ずる基準ダクト1
5内に設置されている。本構造例では、少なくとも検知
電極(参照電極)および酸素ポンプが形成されている基
板が酸素イオン伝導体の固体電解質であることが必要で
あるが、製造時の焼成工程の素子焼結歪みを低減する上
で、他の基板も同じ固体電解質であることが望ましい。
16は、センサを測定温度(例えば約650℃)に維持
するためのヒーターを示す。
1 to 6 show a cross-sectional structure of a sensor according to a preferred embodiment of the present invention. FIGS. 1, 2, and 3 show examples of the most basic sensor configuration. In the drawings, the same reference numerals indicate the same configurations. A description of parts common to the drawings is partially omitted. In FIG. 1, a gas detection electrode 5 is provided in an internal space (gas measurement chamber) 3 which is surrounded by a zirconia solid electrolyte 13 which is an oxygen ion conductor and communicates with a test gas atmosphere via a gas introduction hole 1. I have. In addition, the anode electrode 8 of the oxygen pump is
Are arranged in the internal space 3, and the cathode electrodes 11 forming a pair as an oxygen pump have a structure in which the cathode electrodes 11 are exposed to the atmosphere of a test gas. The reference electrode 6, which is paired with the detection electrode 5, is a reference duct 1 that communicates with the atmosphere to make the atmospheric oxygen concentration a reference.
5. In this structure example, at least the substrate on which the sensing electrode (reference electrode) and the oxygen pump are formed is required to be a solid electrolyte of an oxygen ion conductor, but the element sintering distortion in the firing step during manufacturing is reduced. For this purpose, it is desirable that the other substrates be the same solid electrolyte.
Reference numeral 16 denotes a heater for maintaining the sensor at a measurement temperature (for example, about 650 ° C.).

【0014】図1のセンサ構造において、酸素ポンプの
カソード電極11とアノード電極8との間に所定の直流
電圧Vpを印加する。このとき、被検ガス雰囲気中の酸
素およびH2O、CO2等の酸素化合物ガスが酸素ポンプ
により電気化学的に分解され、発生した酸素はイオン化
され固体電解質内を通過し、内部空間3内に供給され
る。したがって、自動車排ガス中のように酸素濃度がゼ
ロから10数%まで大きく変動するような被検ガス雰囲
気中であってもH2O、CO2等の酸素化合物ガスが存在
すれば、安定して内部空間へ酸素供給を行うことが可能
となる。
In the sensor structure shown in FIG. 1, a predetermined DC voltage Vp is applied between the cathode electrode 11 and the anode electrode 8 of the oxygen pump. At this time, oxygen in the test gas atmosphere and oxygen compound gas such as H 2 O and CO 2 are electrochemically decomposed by an oxygen pump, and the generated oxygen is ionized and passes through the solid electrolyte, and Supplied to Therefore, even in an atmosphere of a test gas in which the oxygen concentration fluctuates greatly from zero to several tens of percent, such as in automobile exhaust gas, the presence of an oxygen compound gas such as H 2 O or CO 2 stably results. Oxygen can be supplied to the internal space.

【0015】検知電極5は内部空間3内に設置されるこ
とが必要である。本発明における検知電極5は、混成電
位型の検知電極が使用される。混成電位式の検知電極
は、電極上で生じる2種以上の電極反応に起因して得ら
れる電極電位である。例えば、窒素酸化物のNO検知の
場合は、(1)および(2)式、NO2検知の場合は
(3)および(4)式からなる電極反応が生じる。
The detection electrode 5 needs to be installed in the internal space 3. As the detection electrode 5 in the present invention, a mixed potential type detection electrode is used. A hybrid potential sensing electrode is an electrode potential obtained due to two or more electrode reactions occurring on the electrode. For example, in the case of NO detection of nitrogen oxide, an electrode reaction represented by the formulas (1) and (2) occurs, and in the case of NO 2 detection, an electrode reaction represented by the formulas (3) and (4) occurs.

【0016】 O2 +4e- → 2O2- …………………………(1) 2NO+2O2- → 2NO2+4e- …………(2) 2O2- → O2 +4e- …………………………(3) 2NO2 +4e- → 2NO+2O2- …………(4)[0016] O 2 + 4e - → 2O 2- .............................. (1) 2NO + 2O 2- → 2NO 2 + 4e - ............ (2) 2O 2- → O 2 + 4e - ......... ............ (3) 2NO 2 + 4e → 2NO + 2O 2- ……… (4)

【0017】したがって、NOとNO2が共存する場合
には、出力が相殺され総NOx濃度を検知することがで
きない。センサ出力はこの検知極と参照極との間の電極
電位差を測定する。参照電極6は前述の理由から、NO
xに対して電極反応が生じなければ電極間の電位差が生
ずる。そのことから、参照極6は例えばNOxに活性を
有しない電極材料からなるか、あるいはNOxに曝され
ない構造にあるかのどちらかを満足すればよい。図1の
場合は、NOxに曝されない構造である。参照電極6が
NOxに活性を持たず、酸素に活性を有する場合には図
2のように内部空間3内に対極7と検知極5とを同時に
設置することができる。このような構造では、たとえ内
部空間3内の酸素濃度が変動しても、検知電極5と対極
7の酸素活性を同等にすれば、センサ出力の酸素濃度依
存性は極めて小さくすることができる。このセンサ構造
は、他の濃淡起電力式の検知方式では、全く不可能な方
式であることは言うまでもない。また、図3に示すよう
に、内部空間3内に対極7を設置し、大気基準ダクト内
に設置した参照電極6と対極7との間の電位差を用い
て、同様に得られる検知電極5と参照極6との間の電位
差と組み合わせて用いることにより、センサの検出精度
を改善することができる。すなわち、検知極5の酸素分
圧依存性と対極7の酸素分圧依存性が異なっていても、
適当な係数を検出回路に設定することにより、被検ガス
雰囲気中の酸素濃度が大きく変動しても、ほとんどその
依存性をなくすことができる。さらには、図6、7に示
すように、内部空間3内の酸素分圧を直接測定して、本
発明の酸素ポンプセル電圧を制御することもできる。
Therefore, when NO and NO 2 coexist, the output is canceled and the total NOx concentration cannot be detected. The sensor output measures the electrode potential difference between the sensing electrode and the reference electrode. The reference electrode 6 is NO for the aforementioned reason.
If no electrode reaction occurs for x, a potential difference between the electrodes occurs. Therefore, the reference electrode 6 only needs to satisfy, for example, either an electrode material having no activity on NOx or a structure not exposed to NOx. In the case of FIG. 1, the structure is not exposed to NOx. When the reference electrode 6 has no activity on NOx and has activity on oxygen, the counter electrode 7 and the detection electrode 5 can be simultaneously installed in the internal space 3 as shown in FIG. In such a structure, even if the oxygen concentration in the internal space 3 fluctuates, if the oxygen activities of the detection electrode 5 and the counter electrode 7 are made equal, the oxygen concentration dependence of the sensor output can be extremely reduced. It is needless to say that this sensor structure is completely impossible with other density electromotive force type detection methods. Further, as shown in FIG. 3, a counter electrode 7 is provided in the internal space 3 and a detection electrode 5 similarly obtained by using a potential difference between the reference electrode 6 and the counter electrode 7 provided in the atmospheric reference duct. When used in combination with the potential difference between the reference electrode 6 and the reference electrode 6, the detection accuracy of the sensor can be improved. That is, even if the oxygen partial pressure dependency of the sensing electrode 5 and the oxygen partial pressure dependency of the counter electrode 7 are different,
By setting an appropriate coefficient in the detection circuit, even if the oxygen concentration in the test gas atmosphere fluctuates greatly, its dependence can be almost eliminated. Furthermore, as shown in FIGS. 6 and 7, the oxygen partial pressure in the internal space 3 can be directly measured to control the oxygen pump cell voltage of the present invention.

【0018】内部空間3内にはガス導入口1を通って被
検ガスが拡散流入する。例えば、自動車等の燃焼排ガス
中のNOx濃度を検知する場合、NOxにはNOとNO2
とが同時に存在する他に、炭化水素ガス(HC)やC
O、CO2、H2O等の他ガスも共存する。このなかで、
NOxの総濃度を検知するには、センサ出力に影響を与
える他ガスの排除とNOあるいはNO2へ単ガスに変換
することが必要である。図1の場合には、HC等を酸化
し、検知電極電位に影響を与えないようにするため、内
部空間3内の酸素濃度を0.1vol%以上に設定するこ
とが必要である。自動車排ガスの場合では、酸素濃度を
1vol%以上に保持することが、望ましい。
A test gas diffuses and flows into the internal space 3 through the gas inlet 1. For example, when detecting the NOx concentration in the combustion exhaust gas of an automobile or the like, the NOx includes NO and NO 2
And hydrocarbon gas (HC) and C
Other gases such as O, CO 2 and H 2 O coexist. In this,
To detect the total concentration of NOx, it is necessary to convert the exclusion of other gases that affect the sensor output and to NO or NO 2 in a single gas. In the case of FIG. 1, it is necessary to set the oxygen concentration in the internal space 3 to 0.1 vol% or more in order to oxidize HC and the like so as not to affect the detection electrode potential. In the case of automobile exhaust gas, it is desirable to keep the oxygen concentration at 1 vol% or more.

【0019】図1中の酸素ポンプは内部空間に酸素を供
給することと、NOxをNO2に電気化学的に変換する2
つの機能を兼用している。そのためにアノード電極8
は、酸素とNOxの両方に活性を持っている必要があ
る。一方、カソード電極11は、少なくとも酸素に活性
を有していれば良い。しかしながら、リッチ運転時の自
動車排ガスのように酸素がほとんど存在しない雰囲気に
おいて、HCが大量に共存するような場合には、HCが
カソード11に優先的に吸着し、酸素ポンピングを阻害
することがある。これは、電極のブロッキングと呼ばれ
る現象である。このブロッキングを防止するため、図4
のようなセンサ構造を用いることも本発明に含まれる。
The oxygen pump in FIG 1 converts a supply of oxygen in the internal space, NOx to NO 2 electrochemically 2
It has two functions. Therefore, the anode electrode 8
Must have activity on both oxygen and NOx. On the other hand, the cathode electrode 11 only needs to have at least oxygen activity. However, in a case where a large amount of HC coexists in an atmosphere in which oxygen hardly exists, such as an automobile exhaust gas during a rich operation, HC may be preferentially adsorbed to the cathode 11 and may hinder oxygen pumping. . This is a phenomenon called electrode blocking. To prevent this blocking, FIG.
The use of such a sensor structure is also included in the present invention.

【0020】図4では酸素ポンプカソード11を第2の
内部空間4で囲み、被検ガス雰囲気に通ずる第2のガス
導入口2を設ける。例えば、排ガス中の微量の酸素とH
2O、およびHCが同時に存在しても、内部空間4内で
HCのみ酸化無害化され、ブロッキング現象は起きない
構造となっている。すなわち、内部空間4内に第2のア
ノード9を設置し、内部空間4内にも酸素を供給し、酸
素濃度を高く維持することができる。この内部空間4内
の酸素濃度も、0.1vol%以上、好ましくは1vol%以
上にすること必要である。そのために、第2のガス導入
口2は、適度なガス拡散抵抗に設定する。
In FIG. 4, the oxygen pump cathode 11 is surrounded by a second internal space 4 and a second gas inlet 2 communicating with the gas to be detected is provided. For example, trace amounts of oxygen and H
Even when 2 O and HC are present at the same time, only HC is oxidized and made harmless in the internal space 4, and a blocking phenomenon does not occur. That is, the second anode 9 is installed in the internal space 4 and oxygen is supplied to the internal space 4 so that the oxygen concentration can be kept high. The oxygen concentration in the internal space 4 needs to be 0.1 vol% or more, preferably 1 vol% or more. Therefore, the second gas inlet 2 is set to have an appropriate gas diffusion resistance.

【0021】前述の本発明の構造例では、酸素ポンプと
例えばNOx変換ポンプが兼用されている構成である。
しかしながら、内部空間3内の酸素濃度を自在に制御す
るには、酸素を単に供給する酸素ポンプと、NOx等を
変換するための酸素ポンプを分離したほうが、センサ精
度の改善には好ましい。図5と図6に第3のアノード電
極を設置したセンサ構造を示す。図5では、内部空間4
内にカソード電極11,12を設置したもの、図6で
は、大気導入ダクト14内にカソード電極12を設置し
たものを示す。但し、図5においてカソード電極11と
12は一つの電極で兼用することができる。図5の場合
において、変換ポンプ用の酸素供給源も被検ガス雰囲気
とする利点がある。図6の場合には、変換ポンプ用の酸
素供給源のみを大気から導入するが、変換ポンプ用の酸
素イオン量は極少量でよいため、ダクト14の断面積を
小さくすることができる。このときには、変換ポンプの
電位設定は非常に広く設定できる利点がある。すなわ
ち、被検ガス雰囲気中のH2Oを電解する場合には、約
0.4V以上のセル電圧が必要となるからである。さら
に、図6において、ダクト14の拡散抵抗を限界電流が
生じるように設定すれば、変換ポンプからの酸素供給量
は常に一定となり、内部空間3内の酸素濃度調整は、よ
り安定する方向になる。
In the above-described structural example of the present invention, the oxygen pump and the NOx conversion pump are used in combination.
However, in order to freely control the oxygen concentration in the internal space 3, it is preferable to separate the oxygen pump for simply supplying oxygen and the oxygen pump for converting NOx or the like in order to improve the sensor accuracy. 5 and 6 show a sensor structure provided with a third anode electrode. In FIG. 5, the inner space 4
FIG. 6 shows a case where the cathode electrodes 11 and 12 are installed in the inside, and FIG. However, in FIG. 5, the cathode electrodes 11 and 12 can be shared by one electrode. In the case of FIG. 5, there is an advantage that the oxygen supply source for the conversion pump is also a test gas atmosphere. In the case of FIG. 6, only the oxygen supply source for the conversion pump is introduced from the atmosphere. However, since the amount of oxygen ions for the conversion pump may be extremely small, the cross-sectional area of the duct 14 can be reduced. At this time, there is an advantage that the potential setting of the conversion pump can be set very wide. That is, when electrolyzing H 2 O in a test gas atmosphere, a cell voltage of about 0.4 V or more is required. Further, in FIG. 6, if the diffusion resistance of the duct 14 is set so as to generate a limiting current, the supply amount of oxygen from the conversion pump is always constant, and the adjustment of the oxygen concentration in the internal space 3 tends to be more stable. .

【0022】前述のような本発明センサを得るために、
通常以下のような作製方法にて提供される。前述のよう
な内部空間や大気ダクトを有するセンサ構造体は、通常
ジルコニアのグリーンシートを積層圧着し、脱脂後14
00℃前後で焼成することで得られる。ジルコニア(Z
rO2)のグリーンシートは酸素イオン伝導性を付与す
るために、通常3〜8モルのイットリア(Y23)が同
時に添加されている。このグリーンシートの一般的な作
製方法は所定量のイットリア添加されたジルコニア粉を
有機結合剤、例えばPVA等、と可塑剤および有機溶剤
とでボールミル混合を行う。この際、粉末粒子の分散を
よくするために、分散剤を添加することもある。このよ
うにして得られたジルコニアのスラリーをドクターブレ
ードを用いたシート成形機でPETフィルム上に数10
0μmの厚みに成形する。これを乾燥させ溶剤を蒸発さ
せると、非常に柔軟性に富んで、且つ加温しながらシー
ト同士を圧着すると相互に強く接着することができる。
このグリーン積層体中に内部空間を形成するためには、
グリーンシート中の有機結合剤が酸化除去される脱脂温
度以下で昇華してくれるテオブロミン等を充填すること
で形成が可能である。
In order to obtain the sensor of the present invention as described above,
Usually, it is provided by the following production method. The sensor structure having the internal space and the air duct as described above is usually formed by laminating and pressing green sheets of zirconia and degreased.
It is obtained by firing at around 00 ° C. Zirconia (Z
The rO 2 ) green sheet is usually added with 3 to 8 mol of yttria (Y 2 O 3 ) at the same time in order to impart oxygen ion conductivity. In a general method for producing this green sheet, a predetermined amount of zirconia powder to which yttria is added is subjected to ball mill mixing with an organic binder such as PVA, a plasticizer and an organic solvent. At this time, a dispersant may be added in order to improve the dispersion of the powder particles. The zirconia slurry thus obtained was coated on a PET film by a sheet forming machine using a doctor blade for several tens of minutes.
Formed to a thickness of 0 μm. When this is dried to evaporate the solvent, the sheet is very flexible and can be strongly adhered to each other when the sheets are pressed together while heating.
In order to form an internal space in this green laminate,
It can be formed by filling the green sheet with theobromine or the like which sublimates at a temperature lower than the degreasing temperature at which the organic binder is oxidized and removed.

【0023】本発明で使用する電極材料は、前述の被検
ガスあるいは酸素に対する活性を満足する必要がある以
外には特に限定されない。但し、高温で焼成するため
に、化学的な安定性は必要である。検知電極には、金属
酸化物であるNiCr24、MnCr24、FeCr2
4、Cr23、NiO等を用いることができる。ま
た、貴金属系では、Rh、Ir、Pt−Rh合金、Pt
−Ir−Rh合金等を用いることができる。これらは、
電極材料粉と有機バインダおよび有機溶剤とを混練して
ペーストにし、スクリーン印刷法等でジルコニアグリー
ンシート上に塗布される。
The electrode material used in the present invention is not particularly limited, except that it needs to satisfy the above-mentioned activity for the test gas or oxygen. However, chemical stability is necessary for firing at a high temperature. NiCr 2 O 4 , MnCr 2 O 4 , FeCr 2
O 4 , Cr 2 O 3 , NiO or the like can be used. In the noble metal system, Rh, Ir, Pt-Rh alloy, Pt
-Ir-Rh alloy or the like can be used. They are,
The electrode material powder, an organic binder and an organic solvent are kneaded to form a paste, which is applied on a zirconia green sheet by a screen printing method or the like.

【0024】本発明で使用する酸素ポンプ電極の材料
は、少なくとも酸素に活性であれば良く、それ以外に特
に限定されない。但し、変換ポンプ用のアノード電極
は、被検ガスと酸素の両方に活性を持つことが必要であ
る。酸素ポンプ電極材料は通常Ptが用いられる。総N
Ox検知用変換ポンプのアノード電極には、Pt−Rh
合金、Pt−Ru合金、Rh等の貴金属系を用いること
が高いイオン電流を得るのに適している。
The material of the oxygen pump electrode used in the present invention is not particularly limited as long as it is active at least for oxygen. However, the anode electrode for the conversion pump needs to have activity for both the test gas and oxygen. Pt is usually used as the oxygen pump electrode material. Total N
The anode electrode of the conversion pump for Ox detection is Pt-Rh
The use of a noble metal such as an alloy, a Pt—Ru alloy, and Rh is suitable for obtaining a high ion current.

【0025】図7に、カソード電極とアノード電極が共
にPtからなるポンプセルの水蒸気あるいはCO2に対
するI−V特性を示す。本データはポンプセルの温度が
650℃における、セル電圧とポンプ電流との関係を示
す。測定雰囲気の酸素はゼロであるにも係わらず、大き
なポンピング電流が得られる。但し、CO2に対しては
水(水蒸気)に対してよりやや電極の活性が低いことが
分かる。また、図8にはPtカソード電極とPt−Rh
(5wt%)アノード電極とからなるポンプセルのI−V
特性を示す。測定雰囲気には、酸素を全く含まないが、
水蒸気10vol%が添加されている。ポンプセルの温度
を600℃、650℃、700℃における、ポンプセル
電圧とポンピング電流との関係を示す。ポンプセル温度
が高くなるほど、ポンピング量が多くなることが分か
る。ポンプセル電圧の設定は、ジルコニア固体電解質自
体の電解(ブラックニング現象)が発生するセル電圧以
下に抑える必要がある。そのため、ポンプセル電圧は
1.2V以下で設定することが望ましい。
FIG. 7 shows the IV characteristics of the pump cell in which both the cathode electrode and the anode electrode are made of Pt with respect to water vapor or CO 2 . This data shows the relationship between the cell voltage and the pump current when the temperature of the pump cell is 650 ° C. A large pumping current is obtained despite the zero oxygen in the measurement atmosphere. However, it can be seen that the activity of the electrode is slightly lower for CO 2 than for water (steam). FIG. 8 shows a Pt cathode electrode and Pt-Rh
(5 wt%) IV of pump cell composed of anode electrode
Show characteristics. The measurement atmosphere does not contain oxygen at all,
10 vol% of steam is added. The relationship between the pump cell voltage and the pumping current when the temperature of the pump cell is 600 ° C., 650 ° C., and 700 ° C. is shown. It can be seen that the pumping amount increases as the pump cell temperature increases. It is necessary to suppress the setting of the pump cell voltage to be equal to or lower than the cell voltage at which electrolysis (blackening phenomenon) of the zirconia solid electrolyte itself occurs. Therefore, it is desirable to set the pump cell voltage at 1.2 V or less.

【0026】以下に、実施例を示し更に詳細な説明を行
うが、本発明はこれら実施例に限定されるものでなく、
その発明の思想を同一とするものを全て含むことは言う
までもない。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
It goes without saying that the invention includes all those having the same idea.

【0027】(実施例1)図3に示すセンサ構造のNO
xセンササンプルを次のようにして作製した。まず、イ
ットリア6mol%添加のジルコニアのグリーンシートを
前述の方法で準備した。このジルコニアグリーンシート
の厚みは約200μmとした。これをセンサ基板の焼成
前サイズに切断し、内部空間や大気ダクトを形成する部
位には、窓開け加工を同時に行った。これら切断加工さ
れたグリーンシートにそれぞれ構成される電極、リード
導体、ヒーター等をスクリーン印刷機にて印刷形成し
た。酸素ポンプのカソード電極11、対極7、参照極
6、ヒーター、集電体の印刷材料にはPtペーストを用
いた。酸素ポンプのアノード電極8にはRh添加量が3
wt%のPt−Rh合金ペーストを用いた。但し、Ptペ
ースト及びPt−Rh合金ペーストにはジルコニア固体
電解質粉末を約10wt%添加して電極多孔度を調整し
た。検知電極5にはNiCr24の酸化物ペーストを用
いた。
(Example 1) NO of the sensor structure shown in FIG.
An x sensor sample was prepared as follows. First, a green sheet of zirconia to which 6 mol% of yttria was added was prepared by the above-described method. The thickness of the zirconia green sheet was about 200 μm. This was cut to the size of the sensor substrate before firing, and windows were simultaneously formed in the internal space and the part where the air duct was formed. Electrodes, lead conductors, heaters, and the like respectively formed on the cut green sheets were printed by a screen printing machine. Pt paste was used as a printing material for the cathode electrode 11, counter electrode 7, reference electrode 6, heater, and current collector of the oxygen pump. The amount of Rh added to the anode electrode 8 of the oxygen pump was 3
A wt% Pt-Rh alloy paste was used. However, the porosity of the electrode was adjusted by adding about 10 wt% of a zirconia solid electrolyte powder to the Pt paste and the Pt-Rh alloy paste. For the detection electrode 5, an oxide paste of NiCr 2 O 4 was used.

【0028】このように印刷形成がなされた各グリーン
シートを図3の積層状態になるようにPt線をリード部
に挿入しながら順次重ね合わせ、温水中で静水圧プレス
によるラミネートを行った。この積層体を約600℃で
脱脂を行い、引き続いて1400℃の高温雰囲気で焼成
を行った。このように作製されたセンササンプルを測定
用のホルダーにセットし、図3に示される測定回路およ
び制御回路に接続してセンサ特性を評価した。すなわ
ち、電極8と電極11の間には直流定電圧源Vpを接続
し、電極11を負極(カソード)、電極8を正極(アノ
ード)として0.7Vの定電圧を印加した。また、同時
に検知電極5と参照極6との間に入力インピーダンス1
0MΩ以上の電位差計を接続した。同様に対極7と参照
極6との間の電位差を測定した。図3中に図示してない
が、電極8と電極11間のジルコニア基板のバルクイン
ピーダンスを測定する回路を並列に接続し、センサ温度
信号を取り出し、ヒーター基板からの2本のリード線間
に接続されている温度制御回路に接続し、ヒーター16
を用いセンサ温度が650℃になるように制御した。測
定ガスは、NO100ppmと酸素およびH2Oとの混合ガ
ス(残りは窒素)を用いてNOに対するセンサ出力を測
定した。このときの、NO100ppmに対するセンサ出
力の酸素濃度依存性を図9に示す。ここで明らかなよう
に、測定ガス中の酸素濃度がゼロであっても、ほぼ一定
なセンサ出力が得られることが分かる。酸素濃度がゼロ
近傍で若干出力が増加するのは、センサ素子内部空間の
酸素濃度が多少低下し、その分混成電位出力が増大して
いることによると考えられる。
The green sheets thus formed by printing were superimposed sequentially while inserting a Pt wire into the lead portion so as to obtain the lamination state shown in FIG. 3, and lamination was performed by isostatic pressing in warm water. This laminate was degreased at about 600 ° C., and subsequently fired in a high-temperature atmosphere at 1400 ° C. The sensor sample thus produced was set on a holder for measurement and connected to a measurement circuit and a control circuit shown in FIG. 3 to evaluate sensor characteristics. That is, a DC constant voltage source Vp was connected between the electrode 8 and the electrode 11, and a constant voltage of 0.7 V was applied using the electrode 11 as a negative electrode (cathode) and the electrode 8 as a positive electrode (anode). At the same time, the input impedance 1 between the detection electrode 5 and the reference electrode 6
A potentiometer of 0 MΩ or more was connected. Similarly, the potential difference between the counter electrode 7 and the reference electrode 6 was measured. Although not shown in FIG. 3, a circuit for measuring the bulk impedance of the zirconia substrate between the electrode 8 and the electrode 11 is connected in parallel, a sensor temperature signal is taken out, and connected between two lead wires from the heater substrate. Connected to the temperature control circuit
Was used to control the sensor temperature to be 650 ° C. As a measurement gas, a sensor output for NO was measured by using a mixed gas of 100 ppm of NO, oxygen and H 2 O (the rest being nitrogen). FIG. 9 shows the oxygen concentration dependency of the sensor output with respect to 100 ppm of NO at this time. As is apparent from the graph, even when the oxygen concentration in the measurement gas is zero, a substantially constant sensor output can be obtained. It is considered that the reason why the output slightly increases near the oxygen concentration of zero is that the oxygen concentration in the internal space of the sensor element slightly decreases and the hybrid potential output increases accordingly.

【0029】(実施例2)実施例1で用いたセンササン
プルを同条件で、CO2を含む測定ガス中でNO100p
pmに対するセンサ出力を測定した。測定方法は実施例1
と同じである。ただし、測定ガスはNO100ppmと酸
素およびCO2との混合ガス(残りは窒素)を用いてN
Oに対するセンサ出力を測定した。測定ガスの酸素濃度
は、0〜5vol%とし、CO2濃度を10vol%一定とし
た。このときの、NO100ppmに対するセンサ出力の
酸素濃度依存性を図10に示す。図10から明らかなよ
うに、測定ガス中の酸素濃度がゼロであっても、ほぼ一
定なセンサ出力が得られることが分かる。センサ出力レ
ベルが若干実施例1に比して低く、酸素濃度依存性が若
干大きいのは、H2OとCO2の電気化学的な活性差によ
り酸素ポンピング量が異なるためである。
[0029] (Example 2) under the same conditions the sensor samples used in Example 1, NO100p measurement gas containing CO 2
The sensor output for pm was measured. Example 1
Is the same as However, the measurement gas was N 2 using a mixed gas of 100 ppm of NO, oxygen and CO 2 (the rest was nitrogen).
The sensor output for O was measured. Oxygen concentration in the measurement gas, and 0~5Vol%, and the CO 2 concentration and 10 vol% constant. FIG. 10 shows the oxygen concentration dependency of the sensor output with respect to 100 ppm of NO at this time. As is clear from FIG. 10, even when the oxygen concentration in the measurement gas is zero, an almost constant sensor output can be obtained. The reason why the sensor output level is slightly lower than in the first embodiment and the oxygen concentration dependency is slightly higher is that the oxygen pumping amount is different due to a difference in electrochemical activity between H 2 O and CO 2 .

【0030】(実施例3)図4に示すセンサ構造を有す
るセンササンプルを実施例1と同様にして作製した。但
し、本実施例では第2の内部空間4内の、第2のアノー
ド電極は設置しなかった。酸素ポンプセルを、実施例1
と同条件で作動した。センサ素子は650℃に加熱し
た。このとき、測定ガスとしてNO100ppmと酸素、
水蒸気およびC36(プロピレン)との混合ガス(残り
は窒素)を用いてNOに対するセンサ出力を測定した。
測定ガスの酸素濃度は、0〜5vol%とし、水蒸気濃度
を7vol%一定とした。C36濃度は0ppmか2000pp
m一定とした。このときの、NO100ppmに対するセン
サ出力の酸素濃度依存性を図11に示す。C36濃度が
0ppmの場合(図中の黒丸データ)には実施例1とほぼ
同じ酸素濃度依存性を示した。しかしながら、C36
度が2000ppmの場合(図中白抜き丸データ)には、
測定ガス中の酸素濃度が低下すると急激にセンサ出力が
低下することが分かる。これは、酸素ポンプのカソード
にC36が優先的に吸着し、酸素ポンピング能を低下さ
せたことによると考えられる。
(Example 3) A sensor sample having the sensor structure shown in FIG. However, in this embodiment, the second anode electrode in the second internal space 4 was not provided. Example 1
Operated under the same conditions as. The sensor element was heated to 650 ° C. At this time, as a measurement gas, 100 ppm of NO and oxygen,
The sensor output for NO was measured using a mixed gas of steam and C 3 H 6 (propylene) (the rest being nitrogen).
The oxygen concentration of the measurement gas was 0 to 5 vol%, and the water vapor concentration was constant at 7 vol%. C 3 H 6 concentration 0ppm or 2000pp
m was fixed. FIG. 11 shows the oxygen concentration dependency of the sensor output with respect to 100 ppm of NO at this time. When the C 3 H 6 concentration was 0 ppm (black circle data in the figure), almost the same oxygen concentration dependence as in Example 1 was exhibited. However, when the C 3 H 6 concentration is 2000 ppm (open circle data in the figure),
It can be seen that the sensor output sharply decreases when the oxygen concentration in the measurement gas decreases. This is presumably because C 3 H 6 was preferentially adsorbed on the cathode of the oxygen pump, thereby reducing the oxygen pumping ability.

【0031】(実施例4)実施例3と同様にして図4の
構造のセンササンプルを作製した。本実施例のサンプル
には、第2の内部空間4内にPtからなる第2のアノー
ド電極を設置した。第2の酸素ポンプセル間に、所定の
電圧を印加し第2の内部空間を2000ppmのC36
充分に酸化し得る濃度に設定した。このとき、第2のガ
ス導入口は、酸素ポンピングを拡散律速するような拡散
抵抗を与えていない。このサンプルを実施例3と同様な
測定条件にて、測定ガス中の酸素濃度依存性を調べた。
その結果を図12に示す。C36が存在していても、酸
素濃度依存性がほぼ無くなっていることが分かる。すな
わち、第2の内部空間でC36が酸化除去されているた
めと考えられる。勿論、内部空間4内にも酸化触媒性の
高い物質を付与することでさらに、HCブッロッキング
の抑止効果を上げられることは明理のことである。
Example 4 A sensor sample having the structure shown in FIG. 4 was manufactured in the same manner as in Example 3. In the sample of this example, a second anode electrode made of Pt was provided in the second internal space 4. A predetermined voltage was applied between the second oxygen pump cells, and the second internal space was set to a concentration at which 2000 ppm of C 3 H 6 could be sufficiently oxidized. At this time, the second gas inlet does not have a diffusion resistance that controls oxygen pumping. The sample was examined under the same measurement conditions as in Example 3 for the oxygen concentration dependency in the measurement gas.
FIG. 12 shows the result. It can be seen that even if C 3 H 6 is present, the oxygen concentration dependency is almost eliminated. That is, it is considered that C 3 H 6 is oxidized and removed in the second internal space. Of course, it is obvious that the effect of suppressing HC blocking can be further improved by providing a substance having a high oxidation catalytic property also in the internal space 4.

【0032】(実施例5)図5に示すセンサ構造を有す
るサンプルを実施例1のようにして作製した。本サンプ
ルはの第2の内部空間には、実施例4と同じ作動を第2
の酸素ポンプセルに施した。第2の酸素ポンプセルの駆
動は第1の内部空間3内にあるPt対極7と参照極6間
の起電力をフィードバックすることで、内部空間3内の
酸素濃度を4%に制御した。第3の酸素ポンプセルには
一定のセル電圧を印加した。このとき、測定ガスとして
NO100ppmと酸素、水蒸気およびC36(プロピレ
ン)との混合ガス(残りは窒素)を用いてNOに対するセ
ンサ出力を測定した。測定ガスの酸素濃度は、0〜5vo
l%とし、水蒸気濃度を7vol%一定とした。C36濃度
は2000ppm一定とした。内部空間3内の酸素濃度を
行わない方式も、比較として実施した。このときの、N
O100ppmに対するセンサ出力の酸素濃度依存性を図
13に示す。図13中の内部空間3内の酸素濃度制御を
行わない場合(黒丸データ)には、酸素濃度がゼロ近傍
で多少出力が増大しているが、酸素濃度制御を行った場
合(白抜きデータ)には、測定ガス中の酸素濃度がゼロ
であっても極めて一定のセンサ出力が得られることが分
かる。
Example 5 A sample having the sensor structure shown in FIG. 5 was manufactured as in Example 1. In the second internal space of the sample, the same operation as in the fourth embodiment is performed.
Of the oxygen pump cell. The driving of the second oxygen pump cell controlled the oxygen concentration in the internal space 3 to 4% by feeding back the electromotive force between the Pt counter electrode 7 and the reference electrode 6 in the first internal space 3. A constant cell voltage was applied to the third oxygen pump cell. At this time, the sensor output for NO was measured by using a mixed gas of 100 ppm of NO, oxygen, water vapor, and C 3 H 6 (propylene) (the remainder being nitrogen) as a measurement gas. Oxygen concentration of measurement gas is 0-5vo
l%, and the water vapor concentration was kept constant at 7 vol%. The C 3 H 6 concentration was fixed at 2000 ppm. A method in which the oxygen concentration in the internal space 3 was not performed was also implemented for comparison. At this time, N
FIG. 13 shows the oxygen concentration dependency of the sensor output with respect to 100 ppm of O. When the oxygen concentration control in the internal space 3 in FIG. 13 is not performed (black circle data), the output slightly increases when the oxygen concentration is near zero, but when the oxygen concentration control is performed (open data). It can be seen from FIG. 4 that an extremely constant sensor output can be obtained even when the oxygen concentration in the measurement gas is zero.

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明によれば、ジルコニア固体電解質
により囲まれたガス導入孔を有する内部空間内に設置さ
れた被検ガスおよび酸素に活性な検知電極と、酸素に活
性で被検ガスに活性でない参照極と、前記内部空間内の
固体電解質上に設けられた1対の酸素ポンプセルとによ
り構成されたガスセンサであって、当該酸素ポンプセル
のアノード電極を前記内部空間内に、カソード電極を前
記内部空間外に設置し、酸素ポンプセルに電圧を印加す
ることにより、被検ガス雰囲気中の酸素あるいは酸素化
合物ガスを電気化学的に分解して前記内部空間内に酸素
を供給し、あるいはガスの一部を酸化させながら前記検
知電極と参照極との間の電位差を測定することにより被
検ガス濃度を検知することができる。すなわち、本発明
によって大気雰囲気から大量の酸素を導入するための大
気ダクトの形成が全く不要になるため、センサ素子性能
およびセンサ素子製造の観点から、大きな利点が得られ
る。
According to the present invention, a detection electrode which is installed in an internal space having a gas introduction hole surrounded by a zirconia solid electrolyte and which is active on oxygen, and a detection electrode which is active on oxygen and which has a A gas sensor comprising an inactive reference electrode and a pair of oxygen pump cells provided on a solid electrolyte in the internal space, wherein an anode electrode of the oxygen pump cell is provided in the internal space, and a cathode electrode is provided in the internal space. It is installed outside the internal space, and by applying a voltage to the oxygen pump cell, the oxygen or oxygen compound gas in the test gas atmosphere is electrochemically decomposed to supply oxygen into the internal space, or By measuring the potential difference between the detection electrode and the reference electrode while oxidizing the portion, the concentration of the test gas can be detected. That is, the present invention eliminates the necessity of forming an air duct for introducing a large amount of oxygen from the air atmosphere, so that a great advantage is obtained from the viewpoint of sensor element performance and sensor element manufacture.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明センサの一例を示す断面構造図である。FIG. 1 is a sectional structural view showing an example of the sensor of the present invention.

【図2】本発明センサの一例を示す断面構造図である。FIG. 2 is a sectional view showing an example of the sensor of the present invention.

【図3】本発明センサの一例を示す断面構造図である。FIG. 3 is a sectional structural view showing an example of the sensor of the present invention.

【図4】本発明センサの一例を示す断面構造図である。FIG. 4 is a sectional structural view showing an example of the sensor of the present invention.

【図5】本発明センサの一例を示す断面構造図である。FIG. 5 is a sectional structural view showing an example of the sensor of the present invention.

【図6】本発明センサの一例を示す断面構造図である。FIG. 6 is a sectional structural view showing an example of the sensor of the present invention.

【図7】Pt:PtポンプセルのI−V特性を示すグラ
フ図である。
FIG. 7 is a graph showing IV characteristics of a Pt: Pt pump cell.

【図8】Pt:Pt−RhポンプセルのI−V特性を示
すグラフ図である。
FIG. 8 is a graph showing IV characteristics of a Pt: Pt-Rh pump cell.

【図9】図3に示すセンサ構造をもつNOxセンサ出力
特性のグラフ図である。
FIG. 9 is a graph showing NOx sensor output characteristics having the sensor structure shown in FIG. 3;

【図10】図3に示すセンサ構造をもつNOxセンサ出
力特性のグラフ図である。
FIG. 10 is a graph showing NOx sensor output characteristics having the sensor structure shown in FIG. 3;

【図11】図4に示すセンサ構造をもつNOxセンサ出
力特性のグラフ図である。
FIG. 11 is a graph showing NOx sensor output characteristics having the sensor structure shown in FIG. 4;

【図12】図4に示すセンサ構造をもつNOxセンサ出
力特性のグラフ図である。
FIG. 12 is a graph showing NOx sensor output characteristics having the sensor structure shown in FIG. 4;

【図13】図5に示すセンサ構造をもつNOxセンサ出
力特性のグラフ図である。
FIG. 13 is a graph showing NOx sensor output characteristics having the sensor structure shown in FIG. 5;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 第1のガス導入口 2 第2のガス導入口 3 第1の内部空間(ガス測定室) 4 第2の内部空間 5 検知電極 6 参照電極 7 対極(酸素検知極) 8 第1のアノード電極 9 第2のアノード電極 10 第3のアノード電極 11 第1のカソード電極 12 第2のカソード電極 13 固体電解質 14 大気導入ダクト 15 大気基準ダクト 16 ヒーター DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st gas introduction port 2 2nd gas introduction port 3 1st internal space (gas measurement chamber) 4 2nd internal space 5 detection electrode 6 reference electrode 7 counter electrode (oxygen detection electrode) 8 1st anode electrode 9 2nd anode electrode 10 3rd anode electrode 11 1st cathode electrode 12 2nd cathode electrode 13 Solid electrolyte 14 Air introduction duct 15 Air reference duct 16 Heater

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高 云智 埼玉県熊谷市末広4−14−1 株式会社リ ケン熊谷事業所内 (72)発明者 長谷井 政治 埼玉県熊谷市末広4−14−1 株式会社リ ケン熊谷事業所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Takashi Unchi, 4-14-1 Suehiro, Kumagaya-shi, Saitama Pref. Riken Kumagaya Plant (72) Inventor Politics Hasei 4-4-1, Suehiro, Kumagaya-shi, Saitama RIKEN Kumagaya Office

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸素イオン伝導性を有するジルコニア固
体電解質により囲まれかつガス導入孔を有する内部空間
内に、前記内部空間内のジルコニア固体電解質上に設置
された被検ガスおよび酸素に活性な検知電極と、当該検
知電極と対をなす酸素に活性で被検ガスに活性でない参
照極と、前記内部空間内の固体電解質上に設けられた1
対の酸素ポンプセルとにより構成されたガスセンサであ
って、当該酸素ポンプセルのアノード電極を前記内部空
間内に、カソード電極を前記内部空間外の被検ガス雰囲
気に通ずるように設置し、酸素ポンプセルに所定の電圧
を印加することにより、被検ガス雰囲気中の酸素あるい
は酸素化合物ガスを電気化学的に分解して前記内部空間
内に酸素を供給し、あるいはガスの一部を酸化させなが
ら、前記検知電極と参照極との間の電位差を測定するこ
とにより被検ガス濃度を検知することを特徴とするガス
センサ。
In an internal space surrounded by a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity and having a gas introduction hole, active detection of a test gas and oxygen installed on the zirconia solid electrolyte in the internal space is performed. An electrode, a reference electrode paired with the detection electrode and active on oxygen but not on the test gas, and a reference electrode provided on the solid electrolyte in the internal space.
A gas sensor comprising a pair of oxygen pump cells, wherein an anode electrode of the oxygen pump cell is installed in the internal space, and a cathode electrode is installed so as to communicate with a test gas atmosphere outside the internal space. By applying oxygen to the internal space by electrochemically decomposing oxygen or oxygen compound gas in the test gas atmosphere, or oxidizing a part of the gas, A gas sensor for detecting a concentration of a test gas by measuring a potential difference between the gas and a reference electrode.
【請求項2】 前記のセンサ構成において、検知電極と
対をなす参照極が前記内部空間内に設置されたことを特
徴とする請求項1に記載のガスセンサ。
2. The gas sensor according to claim 1, wherein in the sensor configuration, a reference electrode paired with a detection electrode is provided in the internal space.
【請求項3】 酸素イオン伝導性を有するジルコニア固
体電解質により囲まれかつガス導入孔を有する内部空間
内に、少なくとも前記内部空間内のジルコニア固体電解
質上に設置された被検ガスおよび酸素に活性な検知電極
と、酸素に活性で被検ガスに活性でない対極と、所定の
酸素分圧が維持される基準空間内に設けられた酸素にの
み活性な参照電極と、前記内部空間内の固体電解質上に
設けられた1対の酸素ポンプセルとにより構成されたガ
スセンサであって、当該酸素ポンプセルのアノード電極
を前記内部空間内に、カソード電極を前記内部空間外の
被検ガス雰囲気に通ずるように設置し、酸素ポンプセル
に所定の電圧を印加することにより、被検ガス雰囲気中
の酸素あるいは酸素化合物ガスを電気化学的に分解して
前記内部空間内に酸素を供給し、あるいはガスの一部を
酸化させながら、前記検知電極と参照極との間の電位差
と前記対極と参照極間の電位差を同時に測定し、当該二
つの電位差から被検ガス濃度を検知することを特徴とす
るガスセンサ。
3. An internal space surrounded by a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity and having a gas introduction hole, and at least a test gas and oxygen active on a zirconia solid electrolyte provided in the internal space. A detection electrode, a counter electrode that is active on oxygen and is not active on the test gas, a reference electrode that is active only on oxygen provided in a reference space where a predetermined oxygen partial pressure is maintained, and a solid electrolyte in the internal space. A gas sensor comprising a pair of oxygen pump cells provided in the gas pump, wherein an anode electrode of the oxygen pump cell is provided in the internal space, and a cathode electrode is provided so as to communicate with a test gas atmosphere outside the internal space. By applying a predetermined voltage to the oxygen pump cell, the oxygen or oxygen compound gas in the test gas atmosphere is electrochemically decomposed and oxygen is introduced into the internal space. While supplying the element or oxidizing a part of the gas, the potential difference between the detection electrode and the reference electrode and the potential difference between the counter electrode and the reference electrode are simultaneously measured, and the concentration of the test gas is determined from the two potential differences. A gas sensor characterized by detecting.
【請求項4】 前記のセンサ構成において、酸素ポンプ
セルのカソード電極を別途設けた被検ガス雰囲気に通ず
る第2のガス導入孔を有する第2の内部空間内に設置
し、当該第2の内部空間内に前記酸素ポンプのカソード
電極と第2の対となる第2のアノード電極を設置し、前
記カソード電極と第1のアノード電極および第2のアノ
ード電極との間に電圧を同時に印加することにより第1
および第2の内部空間内に酸素を同時に供給しながら検
知することを特徴とする請求項1又は3の何れかに記載
のガスセンサ。
4. In the above sensor configuration, a cathode electrode of an oxygen pump cell is provided in a second internal space having a second gas introduction hole which communicates with a test gas atmosphere provided separately, and the second internal space is provided. A cathode electrode of the oxygen pump and a second anode electrode forming a second pair are provided therein, and a voltage is simultaneously applied between the cathode electrode, the first anode electrode, and the second anode electrode. First
The gas sensor according to claim 1, wherein the detection is performed while simultaneously supplying oxygen to the second internal space.
【請求項5】 前記の被検ガスが窒素酸化物である請求
項1乃至4の何れかに記載のガスセンサ。
5. The gas sensor according to claim 1, wherein the test gas is a nitrogen oxide.
【請求項6】 前記の第1のアノード電極が酸素および
窒素酸化物に活性な電極材料からなり、前記酸素ポンプ
セルにより被検ガス雰囲気中から第1の内部空間内に酸
素を供給するとともに、窒素酸化物であるNOをNO2
に電気化学的に変換しながら、前記検知極と参照極との
間の電位差を測定することにより総NOx濃度を検知す
ることを特徴とする請求項5に記載のガスセンサ。
6. The first anode electrode is made of an electrode material active on oxygen and nitrogen oxides. The oxygen pump cell supplies oxygen from a test gas atmosphere into a first internal space and nitrogen gas. NO, which is an oxide, is converted to NO 2
The gas sensor according to claim 5, wherein the total NOx concentration is detected by measuring a potential difference between the detection electrode and the reference electrode while electrochemically converting the NOx concentration into a total value.
【請求項7】 前記の第2の内部空間内に第3の酸素ポ
ンプセルを設けた構成であって、前記第1の酸素ポンプ
セルのアノード電極が少なくとも酸素に活性であり、第
3の酸素ポンプセルのアノード電極が酸素およびNOx
に活性であり、第3のアノード電極に対向して検知電極
が設置されていることを特徴とする請求項5に記載のガ
スセンサ。
7. A structure in which a third oxygen pump cell is provided in the second internal space, wherein an anode electrode of the first oxygen pump cell is active at least in oxygen, and The anode electrode is oxygen and NOx
6. The gas sensor according to claim 5, wherein a detection electrode is provided so as to face the third anode electrode.
【請求項8】 前記の第2の内部空間と独立した大気雰
囲気に通ずるダクト中に第3の酸素ポンプセルのカソー
ド電極を設けた構成であって、前記第1の酸素ポンプセ
ルのアノード電極が酸素のみに活性であり、第3の酸素
ポンプセルのアノード電極が酸素およびNOxに活性で
あり、第3のアノード電極に対向して検知電極が設置さ
れていることを特徴とする請求項5に記載のガスセン
サ。
8. A structure in which a cathode electrode of a third oxygen pump cell is provided in a duct communicating with an atmospheric atmosphere independent of the second internal space, wherein an anode electrode of the first oxygen pump cell is made of oxygen only. 6. The gas sensor according to claim 5, wherein an anode electrode of the third oxygen pump cell is active on oxygen and NOx, and a detection electrode is provided so as to face the third anode electrode. .
【請求項9】 前記の酸素ポンプセルに所定の電圧を印
加し、被検ガス雰囲気中の酸素濃度が少なくともゼロで
あっても、前記内部空間内の酸素濃度が0.1vol%以
上に維持されるように第1のガス導入孔のガス拡散抵抗
を設定したことを特徴とする請求項1、3、及び5の何
れかに記載のガスセンサ。
9. A predetermined voltage is applied to the oxygen pump cell, and even if the oxygen concentration in the test gas atmosphere is at least zero, the oxygen concentration in the internal space is maintained at 0.1 vol% or more. 6. The gas sensor according to claim 1, wherein the gas diffusion resistance of the first gas introduction hole is set as described above.
【請求項10】 前記対極と参照極との間の電位差に基
づいて、第1の酸素ポンプセルの駆動電圧を制御し、第
1の内部空間内の酸素濃度を0.1vol%以上でかつ所
定の範囲に維持することを特徴とする請求項3に記載の
ガスセンサ。
10. A driving voltage of the first oxygen pump cell is controlled based on a potential difference between the counter electrode and the reference electrode so that the oxygen concentration in the first internal space is 0.1 vol% or more and a predetermined value. The gas sensor according to claim 3, wherein the gas sensor is maintained in a range.
【請求項11】 前記第3の酸素ポンプセルが、所定の
印加電圧以上で当該ポンプ電流が変化しない拡散律速状
態になるように大気ダクトのガス拡散抵抗を設定してあ
ることを特徴とする請求項8に記載のガスセンサ。
11. The gas diffusion resistance of an atmospheric duct is set so that the third oxygen pump cell is in a diffusion-controlled state in which the pump current does not change at a predetermined applied voltage or higher. 9. The gas sensor according to 8.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006090898A (en) * 2004-09-24 2006-04-06 Riken Corp Nitrogen oxide sensor
DE10329100B4 (en) * 2002-06-28 2016-07-21 Ngk Spark Plug Co., Ltd. NOx measurement device
EP3370061A1 (en) * 2017-03-02 2018-09-05 Delphi Technologies IP Limited Combination nox and oxygen sensor with common gas chamber

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EP3370061A1 (en) * 2017-03-02 2018-09-05 Delphi Technologies IP Limited Combination nox and oxygen sensor with common gas chamber
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