JP2017150933A - ガスセンサ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガスセンサ素子は、固体電解質板2と、固体電解質板2の表面に設けられた測定電極及び基準電極とを備える。基準電極を厚み方向Tに沿って切断した切断面X1においては、貴金属領域31と、固体電解質領域32と、混在領域33と、空隙34とが存在している。ここで、基準電極の切断面X1における面積Aに対する、混在領域33の切断面X1における面積Bの割合を混在領域割合B/Aとし、基準電極の切断面X1における面積Aに対する、空隙34の切断面X1における面積Cの割合を空隙割合C/Aとしたとき、混在領域割合B/Aと空隙割合C/Aとの積であるパラメータ値は、0.001〜0.01の範囲内にある。
【選択図】図2
Description
ガスセンサ素子においては、電極における貴金属及び固定電解質に酸素が接触する三相界面において酸素イオンが生じ、この酸素イオンが電極及び固体電解質板を伝導する。そのため、電極においては、貴金属と固体電解質と被測定ガスとの接触がいかに効果的に行われるかが、ガスセンサ素子の酸素分解活性を左右する。
また、特許文献2には、ガスセンサ素子の酸素分解活性を向上させることができる、ガスセンサ電極形成用の金属ペーストが開示されている。
該電極は、白金を含む貴金属と、上記固体電解質板を構成するセラミックス材料と同種のセラミックス材料からなる固体電解質とを含有しており、
上記電極を厚み方向(T)に沿って切断した切断面(X1)においては、上記貴金属が塊状に集まった貴金属領域(31)と、上記固体電解質が塊状に集まった固体電解質領域(32)と、上記貴金属と上記固体電解質とが分布する混在領域(33)と、空隙(34)とが存在しており、
上記電極の上記切断面における面積Aに対する、上記混在領域の上記切断面における面積Bの割合を示す混在領域割合B/Aと、上記電極の上記切断面における面積Aに対する、上記空隙の上記切断面における面積Cの割合を示す空隙割合C/Aとの積であるパラメータ値が、0.001〜0.01の範囲内にある、ガスセンサ素子(1)にある。
本形態のガスセンサ素子1は、図1に示すように、酸素イオン伝導性を有する固体電解質板2と、固体電解質板2の表面に設けられた測定電極3A及び基準電極3Bとを備える。各電極3A、3Bは、白金を含む貴金属と、固体電解質板2を構成するセラミックス材料と同種のセラミックス材料からなる固体電解質とを含有している。基準電極3Bを厚み方向Tに沿って切断した切断面X1においては、図2に示すように、貴金属が塊状に集まった貴金属領域31と、固体電解質が塊状に集まった固体電解質領域32と、貴金属と固体電解質とが分布する混在領域33と、空隙34とが存在している。
本形態のガスセンサ素子1は、被測定ガスGの拡散律速に基づく限界電流特性を利用して、エンジンにおけるA/F(空燃比)を定量的に求めるA/Fセンサを構成する。ガスセンサ素子1は、これ以外にも、エンジンにおける燃料と空気との混合比である空燃比が、理論空燃比に対して燃料過剰なリッチ状態にあるか又は空気過剰なリーン状態にあるかを検出する濃淡電池式センサを構成することもできる。また、ガスセンサ素子1は、被測定ガスG中のNOxの濃度を測定するNOxセンサを構成することもできる。
図2は、ガスセンサ素子1の厚み方向Tに沿って切断した基準電極3Bの切断面X1の写真を示す。この写真は、基準電極3Bの切断面X1を走査型電子顕微鏡(SEM)によって撮影したものである。
図3における抵抗値は、パラメータ値が0.001〜0.01の範囲内にある場合には80Ω以下程度に低く維持されている。また、パラメータ値が0.001未満になる場合には、パラメータ値が小さくなるほど抵抗値が大きくなっている。この理由は、基準電極3Bにおける混在領域33及び独立空隙34Bの割合が小さくなることにより、基準電極3Bにおける三相界面の形成量が減少し、酸素イオンO2-及び電子e-の移動が減少することに起因すると考えられる。
各電極3A、3Bの抵抗値は、ガスセンサ素子1において酸素イオンO2-が伝導される際の電子e-の移動のしやすさを示すものであり、ガスセンサ素子1の酸素分解活性の良し悪しを左右する尺度となる。そして、基準電極3Bにおける三相界面の形成割合は、小さ過ぎても、あるいは大き過ぎても基準電極3Bの抵抗値を大きくし、ガスセンサ素子1の酸素分解活性を悪化させることが分かる。一方、基準電極3Bにおける三相界面の形成割合を上記パラメータ値が0.001〜0.01の範囲内になるようにすることにより、基準電極3Bの抵抗値が低く抑えられ、ガスセンサ素子1の酸素分解活性を高く維持できることがわかる。
図4には、空隙割合C/A(−)と、抵抗値(Ω)との関係を示す。同図に示すグラフは、通電処理による通電時間及び印加電圧を異ならせて形成したガスセンサ素子1の各サンプルについて、基準電極3Bの切断面X1における空隙割合C/Aを測定すると共に、抵抗値を測定して求めたものである。
ガスセンサ素子1を製造するにあたっては、まず、塗布工程として、固体電解質板2を形成するためのセラミックスシートの両表面に、各電極3A、3Bを形成するための電極材料のペーストを塗布する。そして、固体電解質板2のセラミックシートに、絶縁体43、拡散抵抗層44及びヒータ5の各シートを積層して、素子中間体を形成する。
最後に、通電工程として、素子焼成体における、固体電解質板2を間に挟む一対の電極3A、3Bの間に通電を行う。通電工程においては、素子焼成体を800〜900℃の温度環境下に配置すると共に、一対の電極3A、3B間に1.5〜2.5Vの電圧を所定時間(例えば、5〜300秒)印加する。
2 固体電解質板
3A、3B 電極
31 貴金属領域
32 固体電解質領域
33 混在領域
34 空隙
Claims (3)
- 酸素イオン伝導性を有する固体電解質板(2)と、該固体電解質板の表面に設けられた電極(3A、3B)とを備え、
該電極は、白金を含む貴金属と、上記固体電解質板を構成するセラミックス材料と同種のセラミックス材料からなる固体電解質とを含有しており、
上記電極を厚み方向(T)に沿って切断した切断面(X1)においては、上記貴金属が塊状に集まった貴金属領域(31)と、上記固体電解質が塊状に集まった固体電解質領域(32)と、上記貴金属と上記固体電解質とが分布する混在領域(33)と、空隙(34)とが存在しており、
上記電極の上記切断面における面積Aに対する、上記混在領域の上記切断面における面積Bの割合を示す混在領域割合B/Aと、上記電極の上記切断面における面積Aに対する、上記空隙の上記切断面における面積Cの割合を示す空隙割合C/Aとの積であるパラメータ値が、0.001〜0.01の範囲内にある、ガスセンサ素子(1)。 - 上記空隙割合C/Aは、0.3以下である、請求項1に記載のガスセンサ素子。
- 酸素イオン伝導性を有する固体電解質板(2)と、該固体電解質板の両表面に設けられた一対の電極(3A、3B)とを備えるガスセンサ素子(1)を製造する方法において、
上記固体電解質板を形成するためのセラミックスシートの両表面に、上記一対の電極を形成するためのペーストを塗布して、素子中間体を形成する塗布工程と、
上記素子中間体を焼成して素子焼成体を形成する焼成工程と、
上記素子焼成体における上記一対の電極間に通電する通電工程と、を含み、
上記ペーストは、白金を含む貴金属と、上記固体電解質板を構成するセラミックス材料と同種のセラミックス材料からなる固体電解質とを含有しており、
上記通電工程においては、上記素子焼成体を800〜900℃の温度環境下に配置すると共に、該素子焼成体における上記一対の電極間に1.5〜2.5Vの電圧を印加することにより、該一対の電極を厚み方向(T)に沿って切断した切断面(X1)において、上記貴金属が塊状に集まった貴金属層(31)と、上記固体電解質が塊状に集まった固体電解質層(32)と、上記貴金属と上記固体電解質とが分布する混在領域(33)と、空隙(34)とを存在させ、
上記一対の電極のうちのいずれかである特定電極の上記切断面における面積Aに対する、上記特定電極の上記混在領域の上記切断面における面積Bの割合を示す混在領域割合B/Aと、上記特定電極の上記切断面における面積Aに対する、上記特定電極の上記空隙の上記切断面における面積Cの割合を示す空隙割合C/Aとの積であるパラメータ値を、0.001〜0.01の範囲内とする、ガスセンサ素子の製造方法。
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