JP2019020299A - Ammonia sensor element and ammonia sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プロトン導電体を有するアンモニアセンサ素子及びアンモニアセンサに関する。 The present invention relates to an ammonia sensor element having a proton conductor and an ammonia sensor.
燃焼ガス、排ガス等の混合ガス中のアンモニアを検出するために、アンモニアセンサが用いられる。例えば、エンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれるNOxを、アンモニアを用いて浄化する方法が知られている。この浄化を効率的に行うために、アンモニアセンサによるアンモニア濃度の測定が求められている。アンモニアセンサには、排ガス等のガス中のアンモニアを精度良く検出できる性能が求められる。 An ammonia sensor is used to detect ammonia in a mixed gas such as combustion gas or exhaust gas. For example, a method for purifying NOx contained in exhaust gas from an internal combustion engine such as an engine using ammonia is known. In order to perform this purification efficiently, measurement of ammonia concentration by an ammonia sensor is required. An ammonia sensor is required to have a performance capable of accurately detecting ammonia in a gas such as exhaust gas.
特許文献1には、所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入される内部空間と、プロトン導電性の固体電解質層と、アンモニア分解活性の高い活性電極と、アンモニア分解活性の低い参照電極とを有するアンモニア検出素子が開示されている。各電極は、固体電解質層に形成される。活性電極としては、NiやPt等を主成分とする多孔質サーメット電極を用いることが開示されている。活性電極は検知電極とも呼ばれる。
このような構成を有するアンモニア検出素子においては、内部空間内へのガス流入量が拡散抵抗層によって制御されている。そのため、検知電極におけるアンモニアの分解反応が順調に進行すれば、内部空間内のアンモニア濃度が低下する。これにより、参照電極と検知電極との間の電位を掃引しても固体電解質体内を流れる電流が律速されて電流値が一定値を示す限界電流が生じる。この限界電流を検出することにより、アンモニア濃度を測定することができる。 In the ammonia detection element having such a configuration, the amount of gas flowing into the internal space is controlled by the diffusion resistance layer. Therefore, if the ammonia decomposition reaction at the detection electrode proceeds smoothly, the ammonia concentration in the internal space decreases. As a result, even if the potential between the reference electrode and the detection electrode is swept, the current flowing in the solid electrolyte body is rate-limited, and a limit current having a constant current value is generated. By detecting this limiting current, the ammonia concentration can be measured.
しかしながら、Ni、Ptなどを主成分とする検知電極は、アンモニアに対する分解活性だけでなく、酸化活性も高い。したがって、酸素共存下では、検知電極の触媒作用により、検出すべきアンモニアが酸化されて消費される。その結果、限界電流が発現しなくなり、ガス中のアンモニア濃度を正確に検出することができなくなる。 However, the detection electrode mainly composed of Ni, Pt or the like has high oxidation activity as well as decomposition activity against ammonia. Therefore, in the presence of oxygen, the ammonia to be detected is oxidized and consumed by the catalytic action of the detection electrode. As a result, the limit current does not appear and the ammonia concentration in the gas cannot be accurately detected.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、酸素共存下においてアンモニア濃度を精度よく検出できるアンモニアセンサ素子及びアンモニアセンサを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an ammonia sensor element and an ammonia sensor that can accurately detect the ammonia concentration in the presence of oxygen.
本発明の一態様は、測定ガス(Gm)と接触する測定ガス面(21)と、基準ガス(Gb)と接触する基準ガス面(22)とを有する、プロトン導電性の固体電解質体(2)と、
上記固体電解質体の上記測定ガス面に形成された検知電極(3)と、
上記固体電解質体の上記基準ガス面に形成された基準電極(4)と、
上記固体電解質体の上記測定ガス面に面し、ガス導入部(51)から上記測定ガスが導入される測定ガス室(5)と、を有し、
上記検知電極における上記測定ガス室との界面(31)の少なくとも一部が、Au、Pt−Au、TiO2、SnO2、Sbが固溶したSnO2、Al2O3、WO3、ZnOからなる群より選ばれる少なくとも1種の電極材料を含有する、アンモニアセンサ素子(1)にある。
One aspect of the present invention is a proton conductive solid electrolyte body (2) having a measurement gas surface (21) in contact with a measurement gas (Gm) and a reference gas surface (22) in contact with a reference gas (Gb). )When,
A sensing electrode (3) formed on the measurement gas surface of the solid electrolyte body;
A reference electrode (4) formed on the reference gas surface of the solid electrolyte body;
A measurement gas chamber (5) that faces the measurement gas surface of the solid electrolyte body and into which the measurement gas is introduced from a gas introduction part (51),
At least a part of the interface (31) of the detection electrode with the measurement gas chamber is made of SnO 2 , Al 2 O 3 , WO 3 , ZnO in which Au, Pt—Au, TiO 2 , SnO 2 , and Sb are dissolved. The ammonia sensor element (1) contains at least one electrode material selected from the group consisting of:
本発明の他の態様は、上記アンモニアセンサ素子を有する、アンモニアセンサ(7)にある。 Another aspect of the present invention is an ammonia sensor (7) having the ammonia sensor element.
上記アンモニアセンサ素子は、検知電極における測定ガス室との界面の少なくとも一部が上記特定材料を含有する。このような検知電極は、アンモニア分解活性を示しつつも、アンモニアに対する酸化活性が低い。つまり、検出電極が、アンモニアに対する触媒的酸化抑制効果と、アンモニアに対する電気化学的分解効果とを両立できる。 In the ammonia sensor element, at least a part of the interface with the measurement gas chamber in the detection electrode contains the specific material. Such a detection electrode exhibits low ammonia oxidation activity while exhibiting ammonia decomposition activity. That is, the detection electrode can achieve both a catalytic oxidation inhibiting effect on ammonia and an electrochemical decomposition effect on ammonia.
したがって、測定ガスが酸素を含有する場合であっても、検知電極による測定ガス中のアンモニアの消費が抑制され、検知電極はアンモニアからプロトンを引き抜くことができる。これにより、アンモニアセンサ素子は、アンモニアの分解に基づく、プロトンの導電に起因する電流を正確に検知することができる。その結果、アンモニアセンサ素子及びこれを備えるアンモニアセンサは、アンモニア濃度を精度よく検出することができる。 Therefore, even when the measurement gas contains oxygen, consumption of ammonia in the measurement gas by the detection electrode is suppressed, and the detection electrode can extract protons from the ammonia. As a result, the ammonia sensor element can accurately detect a current resulting from proton conduction based on decomposition of ammonia. As a result, the ammonia sensor element and the ammonia sensor including the same can detect the ammonia concentration with high accuracy.
以上のごとく、上記態様によれば、酸素共存下においてアンモニア濃度を精度よく検出できるアンモニアセンサ素子及びアンモニアセンサを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
As described above, according to the above aspect, it is possible to provide an ammonia sensor element and an ammonia sensor that can accurately detect the ammonia concentration in the presence of oxygen.
In addition, the code | symbol in the parenthesis described in the means to solve a claim and a subject shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later, and limits the technical scope of this invention. It is not a thing.
(実施形態1)
アンモニアセンサ素子に係る実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。図1及び図2に例示されるように、アンモニアセンサ素子1は、固体電解質体2と検知電極3と基準電極4と測定ガス室5とを有する。
(Embodiment 1)
An embodiment relating to an ammonia sensor element will be described with reference to FIGS. As illustrated in FIGS. 1 and 2, the
アンモニアセンサ素子1の形状は、特に限定される訳ではないが、図1に例示されるように例えば長尺の板状である。本明細書においては、アンモニアセンサ素子1の長尺方向Xにおける両端のうち、測定ガスGmに曝される側の端部を先端111といい、その反対側の端部を基端112という。長尺方向は軸方向という場合がある。図1においては、左側が軸方向Xの先端側であり、右側が軸方向Xの基端側である。また、軸方向に直交し、固体電解質体2、検知電極3、基準電極4等が積層された方向を厚み方向Yという。厚み方向Yは、積層方向という場合がある。また、軸方向X及び厚み方向Yの両方に直交する方向を幅方向Zという。以下に、本形態を詳説する。
The shape of the
固体電解質体2はプロトン導電性固体電解質を含有する。プロトン導電性固体電解質は、ペロブスカイト型酸化物からなることが好ましい。この場合には、固体電解質体2が優れたプロトン導電性を示すため、アンモニアセンサ素子1の感度が向上する。
The
ペロブスカイト型酸化物としては、特に限定されるわけではないが、YやYb等の希土類元素をドープしたジルコン酸ストロンチウム、ジルコン酸カルシウム、ジルコン酸バリウム、セリウム酸ストロンチウム、セリウム酸カルシウム、セリウム酸バリウム等が例示される。固体電解質体2は、これらのうちの少なくとも1種のペロブスカイト型酸化物を含有することができる。
The perovskite oxide is not particularly limited, but is doped with rare earth elements such as Y and Yb. Strontium zirconate, calcium zirconate, barium zirconate, strontium cerate, calcium cerate, barium cerate, etc. Is exemplified. The
アンモニアセンサ素子1の検出温度域がより拡大するという観点から、これらの中でもジルコン酸バリウム、ジルコン酸ストロンチウムが好ましく、希土類元素がドープされたものがより好ましい。具体的には、Yがドープされたジルコン酸バリウム、Ybがドープされたジルコン酸ストロンチウム等がある。
From the viewpoint that the detection temperature range of the
図1及び図2に例示されるように、固体電解質体2は、測定ガス面21と基準ガス面22とを有する。測定ガス面21は、測定対象となる測定ガスGmと接触する面である。基準ガス面22は、基準ガスGbと接触する面である。
As illustrated in FIGS. 1 and 2, the
測定ガス面21は、測定ガス室5に面しており、測定ガス面21には検知電極3が形成されている。検知電極3は、測定ガス室5内に設けられており、固体電解質体2と接触する。
The
図1及び図2に例示されるように、アンモニアセンサ素子1は、基準ガス室6を有することができる。固体電解質体2の基準ガス面22は、基準ガス室6に面しており、基準ガス面22には基準電極4が形成されている。基準電極4は、基準ガス室6内に設けられており、固体電解質体2と接触する。つまり、アンモニアセンサ素子1においては、基準電極4、固体電解質体2、及び検知電極3がこの順で積層されている。
As illustrated in FIGS. 1 and 2, the
検知電極3は、測定ガス室5との界面31の少なくとも一部が、Au、Pt−Au、TiO2、SnO2、Sbが固溶したSnO2、Al2O3、WO3、ZnOからなる群より選ばれる少なくとも1種を含有する。これらの材料は、アンモニアに対する酸化活性が低いため、以下、適宜「低活性電極材料」という。つまり、低活性電極材料は、Au、Pt−Au、TiO2、SnO2、Sbが固溶したSnO2、Al2O3、WO3、ZnOからなる群より選ばれる少なくとも1種のことである。なお、Pt−Auは、PtとAuとの合金である。
In the
低活性電極材料は、Au、Pt−Au、TiO2、SnO2、Sbが固溶したSnO2、Al2O3からなる群より選ばれる少なくとも1種を含有することが好ましい。この場合には、検出電極3がアンモニアに対する電気化学的分解効果と触媒的酸化抑制効果とをより高いレベルで両立できる。さらに高いレベルで両立できるという観点から、低活性電極材料は、Au、Pt−Au、TiO2とSnO2との混合物、Sbが固溶したSnO2、Al2O3からなる群より選ばれる少なくとも1種を含有することがより好ましく、Au、Pt−Au、TiO2とSnO2との混合物、Al2O3からなる群より選ばれる少なくとも1種を含有することがさらに好ましい。なお、TiO2とSnO2との混合物は、TiとSnとの複合酸化物を含んでいてもよい。
Low active electrode material, Au, Pt-Au, preferably contains at least one TiO 2, SnO 2, Sb is selected from the group consisting of SnO 2, Al 2 O 3 were dissolved. In this case, the
検知電極3は、この検知電極3と測定ガス室5との界面31の少なくとも一部に低活性電極材料を含有していればよく、検知電極3の全体が低活性材料を含有していてもよい。検知電極3は、低活性電極材料の他に、Pt、Rh、Pd等の貴金属、ペロブスカイト型酸化物等のプロトン導電性固体電解質をさらに含有することができる。
The
検知電極3が貴金属を含有する場合には、検知電極3の電極性能が向上する。つまり、検知電極3におけるアンモニアの電気分解の進行を促進させることができる。Pt、Rh、Pdなどの貴金属は、アンモニアの分解活性の高い高活性電極材料ということができる。高活性電極材料には、Au、Pt−Auは含まれない。
When the
さらに、検知電極3がプロトン導電性固体電解質を含有する場合には、電極材料と、固体電解質と、気相(具体的にはアンモニア)との三相界面が増大し、アンモニア分解活性が向上する。その結果、検知電極3の反応抵抗がより低下し、アンモニアセンサ素子1におけるアンモニアの分解可能温度域を拡大させることができる。また、この場合には、検知電極3と固体電解質体2との密着性を向上させることができる。
Further, when the
検知電極3に用いられるプロトン導電性固体電解質としては、上述の固体電解質体2と同様のものが例示される。検知電極3と固体電解質体2のプロトン導電性固体電解質は、同じであっても異なっていてもよい。
Examples of the proton conductive solid electrolyte used for the
図3及び図4に例示されるように、検知電極3は、電極基層32と電極表層33とを有することが好ましい。そして、電極基層32が例えば貴金属のような高活性電極材料を含有し、電極表層33が上述の低活性電極材料を含有することが好ましい。この場合には、電極基層32がアンモニアに対する優れた電気化学的分解効果を示し、電極表層33がアンモニアに対する触媒的酸化抑制効果を示す。ただし、電極表層33も、電極基層よりも程度は小さいものの電気化学的分解効果を示すことができる。このような電極基層32と電極表層33とを有する検知電極3は、アンモニアの触媒的酸化を抑制しつつ、アンモニアを十分に電気分解することができる。
As illustrated in FIGS. 3 and 4, the
電気化学的分解効果と触媒的酸化抑制効果とをより高いレベルで両立できるという観点から、電極基層32は、貴金属の中でも、Pt、Rh、及びPdからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有することがより好ましく、Ptを含有ことがさらに好ましい。また、電極表層33は、低活性電極材料の中でも、金属酸化物群、つまり、TiO2、SnO2、Sbが固溶したSnO2、Al2O3、WO3、ZnOからなる群より選ばれる少なくとも1種を含有することがより好ましく、TiO2とSnO2の混合物、Sbが固溶したSnO2、Al2O3からなる群より選ばれる少なくとも1種を含有することがさらに好ましく、TiO2とSnO2の混合物及びAl2O3の少なくとも一方を含有することがさらにより好ましい。
The
電極基層32及び電極表層33は、いずれもがプロトン導電性固体電解質を含有することができる。少なくとも電極基層32がプロトン導電性固体電解質を含有することが好ましい。電極基層32及び電極表層33のうち、電極基層33の方がアンモニアに対する電気化学的分解活性が高く、電極基層32がプロトン導電性固体電解質を含有する場合には、その分解活性をより高めることができるからである。
Both the
電極表層33の形成パターンが図3及び図4に例示される。図3及び図4は、測定ガス室5内に形成された、固体電解質体2上の検知電極3を示している。
The formation pattern of the
図3に例示されるように、電極表層33を電極基層32の表面に積層形成することができる。電極表層33は、電極基層32の積層方向Yにおける表面に形成されている。電極基層32の軸方向Xにおける表面には電極表層33は形成されておらず、軸方向Xの表面は測定ガス室5に露出している。また、電極基層32の幅方向Zにおける表面にも電極表層33は形成されておらず、測定ガス室5に露出している。つまり、電極基層32における測定ガス室5との界面うち、積層方向Yにおける界面が電極表層33に積層されており、その他の界面は測定ガス室5内に露出している。この場合には、検知電極3が電気化学的分解効果と触媒的酸化抑制効果とを十分に示すことができると共に、電極表層33の形成が容易になる。
As illustrated in FIG. 3, the
また、図4に例示されるように、電極基層32を電極表層33により覆うことができる。つまり、電極基層32の積層方向Y、軸方向X、幅方向Zのすべての表面を電極表層33により覆うことができる。電極基層32は、電極表層33により完全に覆われ、測定ガス室5には露出しなくなる。この場合には、検知電極が電気化学的分解効果と触媒的酸化抑制効果とを十分に両立しながらも、触媒的酸化抑制効果をより向上させることができる。つまり、アンモニアに対する電気分解効果を十分示しながらも、アンモニアの触媒的酸化をより一層十分に抑制することができる。
Further, as illustrated in FIG. 4, the
基準電極4は、上述の検知電極3と同様の構成にすることができる。つまり、基準電極4は、電極材料、プロトン導電性固体電解質を含有することができる。ただし、基準電極4中の電極材料の種類、プロトン導電性固体電解質の種類などは、検知電極3と同じであっても異なっていてもよい。基準電極の電極材料には、Pt、Rh、Pdなどの貴金属を用いることも可能である。
The
図1に例示されるように、測定ガス室5は、測定ガスGmが導入される内部空間である。測定ガスGmは、例えば排ガスのようなアンモニアを含み得る混合ガスである。測定ガスGmが排ガスの場合には、測定ガスGmは、酸素、窒素、二酸化炭素、窒素酸化物、アンモニア、水素、炭化水素、水などを含みうる。測定ガス室5は、例えば固体電解質体2、第1スペーサ12、絶縁体13等によって囲まれた空間からなる。
As illustrated in FIG. 1, the
第1スペーサ12、絶縁体13は、例えばアルミナのような電気絶縁性のセラミックスによって形成される。第1スペ−サ12及び絶縁体13は、ガスを実質的に透過させない緻密体によって形成される。第1スペーサ12及び絶縁体13は一体的に焼結されていることが好ましい。
The
測定ガス室5は、ガス導入部51を有する。ガス導入部51は、測定ガス室5内への測定ガスGmの入口となる。図1に例示されるように、ガス導入部51は例えばアンモニアセンサ素子1の先端111に設けることができる。ガス導入部51の形成位置は、先端111でなくてもよい。ガス導入部は、アンモニアセンサ素子1における測定ガスとの接触領域に設けることができる。好ましくは、アンモニアセンサ素子1の長尺方向Xにおける中央よりも先端111寄りにガス導入部51を設けることがよい。この場合には、測定ガスの流れを制御しなくても、ガス導入部51から測定ガスGmを容易に導入させるこができる。
The
アンモニアセンサ素子1は、ガス拡散層34を有することが好ましい。この場合には、限界電流式のアンモニアセンサ素子1とすることができる。ガス拡散層34は、検知電極3に到達する測定ガスGmの量を制御する部位である。ガス拡散層34は、例えば多孔質セラミックスからなる。測定ガスGmは、ガス拡散層34内の多数の小孔を通過して拡散する。この拡散時の抵抗によって検知電極3に到達する測定ガスGmの量を制御し、限界電流を発現させることができる。
The
ガス拡散層34における多孔質セラミックスの材質としては、例えば、酸化チタン、アルミナ、酸化タングステン、酸化スズ、酸化亜鉛等が挙げられる。これらの中でも、酸素共存下で検出ガスであるアンモニアの酸化を抑制できるという観点から、酸化チタンが好ましい。
Examples of the material of the porous ceramic in the
図1に例示されるように、ガス拡散層34は、例えば測定ガス室5のガス導入部51に形成することができる。この場合には、測定ガス室5内に流入する測定ガスGmの量を制御することにより、検知電極3に到達する測定ガスGmの量を制御することができる。
As illustrated in FIG. 1, the
構成の図示を省略するが、検知電極上にガス拡散層を積層形成することも可能である。つまり、検知電極をガス拡散層で被覆してもよい。この場合には、測定ガス室のガス導入部にガス拡散層を設けずとも、検知電極に到達する測定ガスの量を制御することができる。 Although illustration of a structure is abbreviate | omitted, it is also possible to laminate | stack a gas diffusion layer on a detection electrode. That is, the detection electrode may be covered with the gas diffusion layer. In this case, the amount of measurement gas reaching the detection electrode can be controlled without providing a gas diffusion layer in the gas introduction part of the measurement gas chamber.
基準ガス室6は、基準ガスGbが導入される内部空間である。基準ガス室6は、例えば固体電解質体2、第2スペーサ14、セラミックスヒータ15によって囲まれた空間からなる。第2スペーサ14は、ガスを実質的に透過させない緻密体によって形成される。また、セラミックスヒータ15は、内部に発熱部151を有し、発熱部151の周囲はガスを実質的に透過させない緻密体によって形成される。基準ガス面22は基準ガス室6に面しており、基準電極4は基準ガス室6内に形成することができる。
The
基準ガス室6を設けることにより基準電極4を外部のガス雰囲気に対して区画することができる。これにより、外部のガス雰囲気中に含まれる例えば固形の飛来物が基準電極4に衝突して基準電極4が破損することを抑制することができる。なお、アンモニアセンサ素子1は、基準ガス室6を必ずしも有していなくてもよい。
By providing the
基準ガス室6は、ガス導入部61を有することができる。ガス導入部61は、基準ガス室6内への基準ガスGbの入口となる。図1に例示されるように、ガス導入部61は例えばアンモニアセンサ素子1の基端112に設けることができる。基準ガス室6のガス導入部61の位置は、上述の測定ガス室5のガス導入部51と同様に適宜変更可能である。基準ガスGbは例えば大気であるが、例えば排ガスのような測定ガスGmと同種のガスであってもよい。
The
基準ガス室6を形成する第2スペーサ14及びセラミックスヒータ15は、アルミナのような電気絶縁性のセラミックスによって形成される。また、セラミックスヒータ15は、内部に発熱部151を有し、この発熱部151が第1絶縁層152及び第2絶縁層153によって挟まれている。第1絶縁層152及び第2絶縁層153は、例えばアルミナの緻密体からなる。測定ガス室5と基準ガス室6との間に固体電解質体2が配置される。
The
アンモニアセンサ素子1は、例えば、固体電解質体2、第1スペーサ12、ガス拡散層34、絶縁体13、第2スペーサ14、ヒータ15を形成するための各種セラミックスシートを積層し、焼成することにより得られる。なお、積層前に、固体電解質体2を形成するためのセラミックスシートには、検知電極3、基準電極4を形成するための各種電極ペーストを塗布しておく。また、ヒータ15の第1絶縁層152又は第2絶縁層153を形成するためのセラミックスシートには、発熱部151や発熱部に電圧を印加するための各種リード部等を形成するための電極ペーストを塗布しておく。
The
検知電極ペーストは、例えば、低活性電極材料、高活性電極材料等の電極材料と、必要に応じて添加されるプロトン導電性固体電解質と、有機バインダとを混合し、十分に混練することにより得られる。基準電極ペーストも検知電極ペーストと同様にして作成できる。 The detection electrode paste is obtained, for example, by mixing an electrode material such as a low activity electrode material or a high activity electrode material, a proton conductive solid electrolyte added as necessary, and an organic binder, and kneading the mixture sufficiently. It is done. The reference electrode paste can be prepared in the same manner as the detection electrode paste.
図1及び図2に例示されるアンモニアセンサ素子1においては、測定ガスGmは、アンモニアセンサ素子1の外部からガス拡散層34を通って、測定ガス室5に導入される。そして、測定ガス室5内では、測定ガスGm中のアンモニアが検知電極3において以下の反応式(I)により分解され、プロトンが生成する。
2NH3 → 6H+ + 6e- ・・・(I)
In the
2NH 3 → 6H + + 6e - ··· (I)
検知電極3において生成したプロトンは、固体電解質体2内を伝導して基準電極4に至り、基準電極4において以下の反応式(II)によって水が生成する。
6H+ + 3/2O2 + 6e- → 3H2O ・・・(II)
Protons generated in the
6H + + 3/2 O 2 + 6e − → 3H 2 O (II)
アンモニアセンサ素子1がガス拡散層34を有する場合には、検知電極3及び基準電極4において、上述の式(I)及び式(II)の反応が円滑に進行する場合、アンモニアの検知電極3への拡散が律速反応となる。これは、アンモニアの供給がガス拡散層34によって制限されるためである。そのため、検知電極3と基準電極4との間に、アンモニア濃度に依存した限界電流が観測される。この限界電流に基づいて、アンモニアセンサ素子1はアンモニア濃度を検出することができる。
When the
図1及び図2に例示されるように、アンモニアセンサ素子1は、検知電極3における測定ガス室5との界面31の少なくとも一部が特定の低活性電極材料を含有する。このような検知電極3は、アンモニア分解活性を示しつつも、アンモニアに対する酸化活性が低い。つまり、検出電極3が、アンモニアに対する触媒的酸化抑制効果と、アンモニアに対する電気化学的分解効果とを両立できる。
As illustrated in FIGS. 1 and 2, in the
したがって、測定ガスGmがアンモニアとともに酸素を含有する場合であっても、検知電極3による測定ガスGm中のアンモニアの消費が防止できると共に、検知電極3は、アンモニアからプロトンを引き抜くことが可能になる。これにより、アンモニアセンサ素子1は、アンモニアの分解に基づいて、プロトンの導電に起因する電流を正確に検知することができる。その結果、アンモニアセンサ素子1は、アンモニア濃度を精度よく検出することができる。
Therefore, even when the measurement gas Gm contains oxygen together with ammonia, consumption of ammonia in the measurement gas Gm by the
(実施形態2)
本形態においては、検知電極が単層で形成されたアンモニアセンサ素子について説明する。なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an ammonia sensor element in which the detection electrode is formed of a single layer will be described. Of the reference numerals used in the second and subsequent embodiments, the same reference numerals as those used in the above-described embodiments represent the same components as those in the above-described embodiments unless otherwise indicated.
図5に例示されるように、検知電極3は単層で形成することができる。この場合には、検知電極3の基準ガス室5との界面31だけでなく、検知電極3の全体が上述の低活性電極材料を含有することができる。
As illustrated in FIG. 5, the
本形態のように検知電極3の全体が上述の低活性電極材料を含有する場合には、低活性電極材料とともに、Pt、Rh、Pdなどの貴金属を含有することが好ましい。これにより、電極性能の低下を抑制することができる。
When the
また、検知電極3は、プロトン導電性固体電解質を含有することが好ましい。この場合には、三相界面が増えるため、アンモニア分解活性が向上する。
Moreover, it is preferable that the
(実験例1)
本例は、各種低活性電極材料のアンモニアに対する酸化分解抑制効果を質量分析により調べる例である。また、比較用としてPtについても同様の分析を行う。
(Experimental example 1)
In this example, the oxidative degradation inhibiting effect of various low-active electrode materials on ammonia is examined by mass spectrometry. The same analysis is performed for Pt for comparison.
図6に分析装置8の概要を示す。図6に例示されるように、分析装置8は、石英製の試料管81と、試料管81の両端の開口部を閉塞するガス管固定具82、83と、ガス管固定具82、83を貫通するガス管84、85と、試料管81内を加熱するヒータ86とを備える。ガス管固定具82、83はステンレスからなる。
FIG. 6 shows an outline of the
測定方法について説明する。まず、図6に例示されるように、試料管81内に測定対象となる試料粉末87を詰めた。試料粉末87としては、Au粉、Pt−Au粉、Al2O3粉、Pt粉をそれぞれ用いた。
A measurement method will be described. First, as illustrated in FIG. 6, the
次に、試料粉末87に付着した水分やガスを除去するために、試料管81内にHeガスを流した。Heガスは、上流側のガス管84から試料管81内に導入され、試料粉末87を通って下流側のガス管85から排出される。このとき、ヒータ86により試料管81内を昇温速度10℃/minで800℃まで昇温させ、その後、自然放冷させた。
Next, He gas was flowed into the
次いで、試料管81内に5000ppmのNH3を含有するHeガスと、5体積%のO2を含有するHeガスとを流通させた状態で、試料管81内を昇温速度10℃/minで800℃まで昇温させた。このときの下流側のガス管85から排出されるガス成分を質量分析器で検出した。その結果を図7〜図10に示す。
Next, in the state where He gas containing 5000 ppm NH 3 and He gas containing 5 % by volume of O 2 are circulated in the
図7は、比較用であるPt粉の結果である。図8は、低活性電極材料のAu粉の結果である。図9は、低活性電極材料のPt−Au粉の結果である。図10は、低活性電極材料のAl2O3粉の結果である。 FIG. 7 shows the results of Pt powder for comparison. FIG. 8 shows the result of the Au powder of the low activity electrode material. FIG. 9 shows the result of the Pt—Au powder of the low activity electrode material. FIG. 10 shows the result of the Al 2 O 3 powder of the low activity electrode material.
図7より知られるように、Ptでは、温度150℃を超えたあたりで、アンモニアが急速に減少し、検出限界に至っている。一方、このアンモニアの減少に伴って、NO、N2、H2Oの量が増大している。これは、Ptによりアンモニアが分解されて消費されていること表している。つまり、Ptは、酸素共存下において、アンモニアを酸化する活性が高いことを示している。 As can be seen from FIG. 7, with Pt, ammonia rapidly decreases around the temperature of 150 ° C. and reaches the detection limit. On the other hand, the amount of NO, N 2 , and H 2 O increases with the decrease in ammonia. This indicates that ammonia is decomposed and consumed by Pt. That is, Pt indicates that the activity of oxidizing ammonia is high in the presence of oxygen.
これに対し、図8〜図10より知られるように、Au、Pt−Au、Al2O3などの低活性電極材料では、アンモニアの酸化分解が抑制されている。 On the other hand, as is known from FIGS. 8 to 10, the oxidative decomposition of ammonia is suppressed in the low active electrode materials such as Au, Pt—Au, and Al 2 O 3 .
このように、本例によれば、低活性電極材料を検知電極に用いことにより、酸素共存下におけるアンモニアの触媒的酸化を抑制できることがわかる。 Thus, according to this example, it can be seen that the catalytic oxidation of ammonia in the presence of oxygen can be suppressed by using the low active electrode material for the detection electrode.
(実験例2)
本例は、低活性電極材料を含有する検知電極を有するアンモニアセンサ素子の簡易素子を用いて、アンモニアの検出を行う例である。本例では、図11に例示される簡易素子10を用いる。簡易素子10は、固体電解質体2と、検知電極3と、基準電極4と、測定ガス室5とを有する。
(Experimental example 2)
In this example, ammonia is detected using a simple element of an ammonia sensor element having a detection electrode containing a low active electrode material. In this example, the
固体電解質体2は、プロトン導電性であるSrZr0.9Yb0.1O3-δの焼結体からなる。SrZr0.9Yb0.1O3-δのことを以下、適宜SZYという。固体電解質体2は、円盤状である。
The
検知電極3は、電極基層32とその表面に積層形成された電極表層33とを有する。
電極基層32は電極材料としてPtを含有し、さらにプロトン導電性固体電解質としてSZYを含有する。電極表層33は、低活性電極材料としてSnO2及びTiO2を含有し、さらにプロトン導電性固体電解質としてSZYを含有する。低活性電極材料は、SnO2及びTiO2の焼結粉からなり、SnO2、TiO2、及びSnとTiとの複合酸化物を含有する。
The
The
基準電極4は、電極基層32と同様の構成からなり、電極材料としてPtを含有し、さらにプロトン導電性固体電解質としてSZYを含有する。
The
検知電極3及び基準電極4には、リード線302、402が溶接された集電体301、401がそれぞれ取り付けられている。リード線302、402はPt線からなり、集電体301、401はPt網からなる。
また、固体電解質体2の検知電極3側には、拡散キャップ50が取り付けられ、測定ガス室5が形成されている。拡散キャップ50は、円筒部分と、その軸方向の端面が閉塞した蓋状の部材である。拡散キャップ50は、アルミナからなり、無機接着剤509で固体電解質体2に固定されている。
A
拡散キャップ50の閉塞端面の中央には、直径φ0.5mmのピンホール501が形成されている。ピンホール501は、測定ガス室5へのガス導入部51であると共に、測定ガス室内へのガスの流入量を制限するガス拡散層の役目を果たす。
A
簡易素子10の作製にあたっては、まず、固体電解質体2に、各電極材ペーストを印刷して焼成することにより、検知電極3及び基準電極4を形成した。検知電極3及び基準電極4には、リード線302、402が溶接された集電体301、401をそれぞれ取り付けた。
In producing the
次いで、固体電解質体2の検知電極3側に拡散キャップを取り付けて、無機接着剤509で固定した。このようにして、図11に例示される簡易素子10を作製した。
Next, a diffusion cap was attached to the
次いで、リード線302、401に延長用リードをそれぞれ取り付けた簡易素子1を、図12に例示されるように石英管810内に挿入した。そして、石英管810の両端をシリコーンゴム栓820、830により封止した。シリコーンゴム栓820、830には、ゴム栓を貫通するガラス管840、850が挿入されている。なお、図12においては、図面作成の便宜のため、簡易素子10の構成の一部を省略している。
Next, the
石英管810を電気管状炉860に設置した後、濃度5体積%のO2を含有するN2ガスを流速300ml/minで石英管810内に流通させた。ガスは、上流側のガラス管840から石英管810内に流入し、下流側のガラス管850から外部に排出される。石英管810内にガスを流通させた状態で、電気管状炉860により石英管810内を温度500℃まで昇温速度5℃/minで昇温させた。
After the
次いで、簡易素子1の延長用リードをポテンショガルバノスタットに接続した。開回路電圧から+1Vまで掃引速度2mV/secで電位を掃引し、このときの電流を測定した。なお、電圧は、基準電極に対する電位である。
Next, the extension lead of the
その後、濃度5体積%のO2を含有するN2ガスと、100ppmのNH3を含有するN2ガスとを、流速300ml/minで石英管810内に流通させた。そして、開回路電圧から+1Vまで掃引速度2mV/secで電位を掃引し、このときの電流を測定した。アンモニア濃度が0の場合と、アンモニア濃度が100ppmの場合の電圧及び電流の関係を図13に示す。
Then, the N 2 gas containing a concentration of 5% by volume of O 2, and N 2 gas containing NH 3 in 100 ppm, was circulated in the
図13より知られるように、アンモニア濃度が0の場合には、電位をプラスに掃引しても電流値はほとんど上昇していない。これに対し、濃度100ppmのアンモニアの存在下では、電位をプラスに掃引することにより、電流値の上昇がみられる。これは、素子10の検知電極3において電気分解が起こっているためである。さらに電位を掃引すると、電流値がほとんど変化しない領域に至る。
As can be seen from FIG. 13, when the ammonia concentration is 0, the current value hardly rises even when the potential is swept positively. On the other hand, in the presence of ammonia at a concentration of 100 ppm, an increase in current value is observed by sweeping the potential positive. This is because electrolysis occurs in the
これは、電気分解により測定ガス室5内のアンモニア濃度が低下し、固体電解質体2内を流れる電流が律速されて限界電流が生じているためである。つまり、検知電極3が低活性電極材料を界面に含有している場合には、酸素共存下においても限界電流が発現し、アンモニア濃度を精度よく検出できることがわかる。
This is because the ammonia concentration in the
(実施形態3)
本形態では、アンモニアセンサの実施形態について、図14及び図15を参照して説明する。図14に例示されるように、アンモニアセンサ7は、アンモニアセンサ素子1を備える。アンモニアセンサ素子1の構成は、既出の実施形態と同様にすることができる。図14は、アンモニアセンサの縦断面を示し、軸方向Xにおける右側を断面で示し、左側の一部は断面図ではなく外観図である。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an embodiment of an ammonia sensor will be described with reference to FIGS. As illustrated in FIG. 14, the
アンモニアセンサ素子1は、インシュレータH2等を介して略筒状のハウジングH1内に組み付けられる。ハウジングH1の外周は、例えば排ガス管などの測定ガス管Pに固定される。これにより、アンモニアセンサ7の軸方向Xの先端が測定ガス管P内に配置され、管内を流れる測定ガスにさらされる。
The
アンモニアセンサ7の軸方向の先端側(つまり図14における下側)には、有底筒状の素子カバーC1が設けられている。アンモニアセンサ7においては、アンモニアセンサ素子1の軸方向Xの先端側がハウジングH1から突出し、素子カバーC1によって覆われている。素子カバーC1は、例えば内側カバーC1と外側カバーC2との二重構造により形成することができる。これにより、アンモニアセンサ素子1に水等が付着して破損することを防止できる。素子カバーC1は、ハウジングH1に加締め固定されている。
A bottomed cylindrical element cover C1 is provided on the tip side in the axial direction of the ammonia sensor 7 (that is, the lower side in FIG. 14). In the
アンモニアセンサ7の軸方向Xにおける基端側(つまり図14における上側)は、ハウジングH1から突出し、大気側カバーC2内に収容されている。 The base end side in the axial direction X of the ammonia sensor 7 (that is, the upper side in FIG. 14) protrudes from the housing H1 and is accommodated in the atmosphere-side cover C2.
アンモニアセンサ素子1の内部の検知電極は、検出電極端子S11に電気的に接続されている。検出電極端子S11は、接続端子S12等を介して信号線S13に接続され、図示しない外部の電流差検出回路に接続されている。
The detection electrode inside the
アンモニアセンサ素子1の内部の基準電極は、基準電極端子S21に電気的に接続されている。基準端子電極S21は、接続端子S22等を介して信号線S23に接続され、図示しない外部の電流差検出回路に接続されている。
The reference electrode inside the
信号線S13、S23は、大気側カバーC2の基端側の開口部においてゴムブッシュにより絶縁保持されている。 The signal lines S13 and S23 are insulated and held by a rubber bush at the opening on the base end side of the atmosphere-side cover C2.
アンモニアセンサ素子1の内部のヒータのリード部には、図示しないヒータ電極端子に接続され、ヒータ電極端子は、図示しない接続端子を介して図示しない通電線に接続されている。通電線は、図示しないエンジンコントロールユニット(つまり、ECU)内のヒータ制御回路に接続されている。
The heater lead inside the
アンモニアセンサ7は、図15に例示される排ガス浄化システムなどに用いられる。図15は、アンモニアセンサ7の使用例を示すものであり、使用方法はこの例に限定されるものではない。
The
図15は、ディーゼル機関の排ガス浄化システムの概要を示す。図15に例示されるように、ディーゼルエンジンE1の排気マニホールドE2から排出される排ガスは、酸化触媒E3を通過する。この酸化触媒E3により、未燃焼の炭化水素HC、一酸化炭素CO、及び一酸化窒素NOが酸化される。 FIG. 15 shows an outline of an exhaust gas purification system of a diesel engine. As illustrated in FIG. 15, the exhaust gas discharged from the exhaust manifold E2 of the diesel engine E1 passes through the oxidation catalyst E3. The unburned hydrocarbon HC, carbon monoxide CO, and nitric oxide NO are oxidized by the oxidation catalyst E3.
次いで、排ガスは、ディーゼルパティキュレートフィルタE4(つまり、DPF)を通過する。このDPFにより、粒状物質であるPMが除去される。次いで、排ガスは、選択式還元触媒E5(つまり、SCR)を通過する。このSCRにおいて、NOxが無害なN2とH2Oとに還元されて排出される。 Next, the exhaust gas passes through the diesel particulate filter E4 (that is, DPF). This DPF removes particulate matter PM. Next, the exhaust gas passes through the selective reduction catalyst E5 (that is, SCR). In this SCR, NOx is reduced to harmless N 2 and H 2 O and discharged.
SCRの入口側には、尿素噴射ノズルE53が設けられている。尿素噴射ノズルE53は、尿素ポンプE51によって尿素タンクD52からくみ上げられた尿素水を排ガスに噴射する。これにより、SCR内でのNOxの還元を可能にしている。 A urea injection nozzle E53 is provided on the inlet side of the SCR. The urea injection nozzle E53 injects urea water pumped up from the urea tank D52 by the urea pump E51 into the exhaust gas. This makes it possible to reduce NOx in the SCR.
図15に例示されるように、アンモニアセンサ7は、例えばSCRの出口側に配設することができる。これにより、SCRを通過した後の排ガス中に含まれるアンモニアの濃度をモニタすることができる。そして、アンモニアセンサ7の検出結果に基づいて、SCRの最適化を図るべく、尿素噴射ノズルE53の駆動を制御することができる。
As illustrated in FIG. 15, the
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、アンモニセンサ素子1の固体電解質体2の測定ガス面21には、検知電極3だけでなく、他の電極を形成することができる。他の電極としては、例えば、酸素やNOx等の濃度をモニタするためのモニタ電極等がある。また、実施形態1においては、基準ガス室6のガス導入部61を軸方向の基端側に形成したが、先端側に形成してもよい。測定ガスと基準ガスとは異なっていてもよいが、同じであってもよいからである。
The present invention is not limited to the above embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the scope of the invention. For example, not only the
1 アンモニアセンサ素子
2 固体電解質体
3 検知電極
31 界面
32 電極基層
33 電極表層
4 基準電極
5 測定ガス室
DESCRIPTION OF
Claims (10)
上記固体電解質体の上記測定ガス面に形成された検知電極(3)と、
上記固体電解質体の上記基準ガス面に形成された基準電極(4)と、
上記固体電解質体の上記測定ガス面に面し、ガス導入部(51)から上記測定ガスが導入される測定ガス室(5)と、を有し、
上記検知電極における上記測定ガス室との界面(31)の少なくとも一部が、Au、Pt−Au、TiO2、SnO2、Sbが固溶したSnO2、Al2O3、WO3、ZnOからなる群より選ばれる少なくとも1種の電極材料を含有する、アンモニアセンサ素子(1)。 A proton conductive solid electrolyte body (2) having a measurement gas surface (21) in contact with the measurement gas (Gm) and a reference gas surface (22) in contact with the reference gas (Gb);
A sensing electrode (3) formed on the measurement gas surface of the solid electrolyte body;
A reference electrode (4) formed on the reference gas surface of the solid electrolyte body;
A measurement gas chamber (5) that faces the measurement gas surface of the solid electrolyte body and into which the measurement gas is introduced from a gas introduction part (51),
At least a part of the interface (31) of the detection electrode with the measurement gas chamber is made of SnO 2 , Al 2 O 3 , WO 3 , ZnO in which Au, Pt—Au, TiO 2 , SnO 2 , and Sb are dissolved. An ammonia sensor element (1) containing at least one electrode material selected from the group consisting of:
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