JP2016142575A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガス導入口10から第1の内部空所20までの拡散抵抗を370/cm以上1000/cm以下とし、主ポンプセル21が、10−12atm〜10−30atmに第1内部空所20の酸素分圧を調整し、第1測定ポンプセル50が、水蒸気の分解で生成した水素が選択的に燃焼するように第2内部空所40の酸素分圧を調整し、第2測定ポンプセル47が二酸化炭素の分解で生成した一酸化炭素が第2測定用内側電極44の表面において全て燃焼するように第2測定用内側電極44の表面の酸素分圧を調整する。第1測定用内側電極51と外側電極23との間を流れる電流の大きさに基づいて、水蒸気の濃度を特定し、第2測定用内側電極44と外側電極23との間を流れる電流の大きさに基づいて、二酸化炭素の濃度を特定する。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の実施の形態に係るガスセンサ100の構造を模式的に示す断面図である。本実施の形態に係るガスセンサ100は、水蒸気(H2O)および二酸化炭素(CO2)を検出し、その濃度を求めるためのものである。その要部たるセンサ素子101は、酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニアを主成分とするセラミックスを構造材料として構成されてなる。
次に、以上のような構成を有するガスセンサ100を用いて被測定ガス中の水蒸気および二酸化炭素の濃度を特定する手法について説明する。
本実施例では、ガス導入口10から第1内部空所20までの拡散抵抗を違えた3種類のガスセンサ100を用意し、それぞれについて、水蒸気濃度と二酸化炭素濃度が既知の種々のモデルガスを用いて感度特性の評価を行った。感度特性は、第1内部空所20の酸素分圧が異なる3通りの場合について評価した。なお、3種類のガスセンサ100についての、ガス導入口10から第1内部空所20までの拡散抵抗の値には、それぞれの第1拡散律速部11および第4拡散律速部13についての、素子長手方向の長さLと素子長手方向に垂直な断面の面積Sとから算出される拡散抵抗の値を採用した。算出に用いた素子長手方向の長さLは、3種類について共通で0.05cmであり、素子長手方向に垂直な断面の面積Sはそれぞれの種類について0.000179cm2、0.000106cm2、0.0000556cm2であった。また、主内側ポンプ電極22の面積はいずれも16mm2であった。
本実施例では、表1のセンサ条件7〜センサ条件9について、種々の自動車用エンジンから実際に排出される排ガスを被測定ガスとして二酸化炭素検出電流Ip2を求めた。使用したエンジンの種類と、当該エンジンから排出された排ガス中の二酸化炭素濃度をエンジン用の排ガス分析計で求めた結果とを一覧にして表2に示す。
2 第2基板層
3 第3基板層
4 第1固体電解質層
5 スペーサ層
6 第2固体電解質層
10 ガス導入口
11 第1拡散律速部
12 緩衝空間
13 第4拡散律速部
20 第1内部空所
21 主ポンプセル
22 主内側ポンプ電極
23 外側ポンプ電極
24、46、52 可変電源
30 第2拡散律速部
40 第2内部空所
41 第3酸素分圧検出センサセル
42 基準電極
43 基準ガス導入空間
44 第2測定用内側ポンプ電極
45 第3拡散律速部
47 第2測定ポンプセル
48 基準ガス導入層
50 第1測定ポンプセル
51 第1測定用内側ポンプ電極
60 第1酸素分圧検出センサセル
61 第2酸素分圧検出センサセル
100 ガスセンサ
101 センサ素子
Claims (7)
- 酸素イオン伝導性の固体電解質からなるセンサ素子を用いて構成され、被測定ガス中の水蒸気成分および二酸化炭素成分の濃度を、前記固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサであって、
外部空間から前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
前記ガス導入口に連通し、前記被測定ガスに第1の拡散抵抗を付与する第1の拡散律速部と、
前記第1の拡散律速部と連通し、前記外部空間から前記第1の拡散抵抗のもとで被測定ガスが導入される第1の内部空所と、
前記第1の内部空所に連通し、前記被測定ガスに第2の拡散抵抗を付与する第2の拡散律速部と、
前記第2の拡散律速部と連通し、前記第1の内部空所から前記第2の拡散抵抗のもとで被測定ガスが導入される第2の内部空所と、
前記第1の内部空所に面して形成された主内側電極と、前記センサ素子の外面に形成された第1の外側電極と、前記主内側電極と前記第1の外側電極の間に存在する前記固体電解質とから構成された主電気化学的ポンピングセルと、
前記第2の内部空所に面して形成された第1測定用内側電極と、前記センサ素子の外面に形成された第2の外側電極と、前記第1測定用内側電極と前記第2の外側電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第1測定用電気化学的ポンピングセルと、
前記第2の内部空所内であって、前記第1測定用内側電極に関して前記第2の拡散律速部と反対側の位置に形成された第2測定用内側電極と、前記センサ素子の外面に形成された第3の外側電極と、前記第2測定用内側電極と前記第3の外側電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第2測定用電気化学的ポンピングセルと、
基準ガスが導入される基準ガス空間と、
前記基準ガス空間に面して形成された基準電極と、
を備え、
前記ガス導入口から前記第1の内部空所までの拡散抵抗が370/cm以上1000/cm以下であり、
前記主電気化学的ポンピングセルは、前記第1の内部空所において前記水蒸気成分および前記二酸化炭素成分が実質的に全て分解されるように前記第1の内部空所の酸素分圧を10−12atm〜10−30atmに調整し、
前記第1測定用電気化学的ポンピングセルは、前記水蒸気成分の分解によって生成した水素が前記第2の内部空所において選択的に燃焼するように、かつ、前記第1の内部空所の酸素分圧よりも大きくなるように、前記第2の内部空所の酸素分圧を調整し、
前記第2測定用電気化学的ポンピングセルは、前記二酸化炭素成分の分解によって生成した一酸化炭素が前記第2測定用内側電極の表面近傍において選択的に燃焼するように、かつ、前記第2の内部空所の酸素分圧以上となるように、前記第2測定用内側電極の表面近傍の酸素分圧を調整し、
かつ、
前記第1測定用電気化学的ポンピングセルによって前記第2の内部空所に酸素を供給する際に前記第1測定用内側電極と前記第2の外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに存在する前記水蒸気成分の濃度を特定し、
前記第2測定用電気化学的ポンピングセルによって前記第2測定用内側電極の表面に酸素を供給する際に、前記第2測定用内側電極と前記第3の外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに存在する前記二酸化炭素成分の濃度を特定する、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1に記載のガスセンサであって、
前記ガス導入口から前記第1の内部空所までの拡散抵抗が680/cm以上1000/cm以下である、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1または請求項2に記載のガスセンサであって、
前記主内側電極と前記第1の外側電極との間に与える第1の電圧を調整することで、前記水蒸気成分および前記二酸化炭素成分が実質的に全て分解されるように前記第1の内部空所の酸素分圧が調整され、
前記第1測定用内側電極と前記第2の外側電極との間に与える第2の電圧を調整することで、前記水蒸気成分の分解によって生じた水素が全て燃焼するように、前記第2の内部空所の酸素分圧が調整され、
前記第2測定用内側電極と前記第3の外側電極との間に与える第3の電圧を調整することで、前記二酸化炭素成分の分解によって生じた一酸化炭素が全て燃焼するように、前記第2測定用内側電極の表面における酸素分圧が調整される、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項3に記載のガスセンサであって、
前記主内側電極と、前記基準電極と、前記主内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第1の電圧の大きさを検出する第1の酸素分圧検出センサセルと、
前記第1測定用内側電極と、前記基準電極と、前記第1測定用内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第2の電圧の大きさを検出する第2の酸素分圧検出センサセルと、
前記第2測定用内側電極と、前記基準電極と、前記第2測定用内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第3の電圧の大きさを検出する第3の酸素分圧検出センサセルと、
をさらに備え、
前記第1の酸素分圧検出センサセルにおける前記第1の電圧の検出値に基づいて前記第1の内部空所の酸素分圧が調整され、
前記第2の酸素分圧検出センサセルにおける前記第2の電圧の検出値に基づいて前記第2の内部空所の酸素分圧が調整され、
前記第3の酸素分圧検出センサセルにおける前記第3の電圧の検出値に基づいて前記第2測定用内側電極の表面における酸素分圧が調整される、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記水蒸気成分および前記二酸化炭素成分の濃度の特定を、
前記第2の内部空所の酸素分圧を10−5atm〜10−15atmとし、
前記第2測定用内側電極の表面における酸素分圧を100atm〜10−15atmとして行う、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記被測定ガスにおける酸素分圧が大きいほど、前記第1の内部空所における目標酸素分圧を小さくする、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記第2測定用内側電極が、前記第2の内部空所の表面に形成されてなる、
ことを特徴とするガスセンサ。
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