JP2020169817A - Gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定ガスに含まれるアンモニアを検知するセンサ素子、及びそれを備えたガスセンサに関する。 The present invention relates to a sensor element that detects ammonia contained in a gas to be measured, and a gas sensor including the same.
近年、ディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する技術として、尿素SCR(選択触媒還元)システムが注目されている。尿素SCRシステムは、アンモニア(NH3)と窒素酸化物(NOx)とを化学反応させて、窒素酸化物を窒素(N2)に還元することにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化するシステムである。 In recent years, a urea SCR (selective catalytic reduction) system has been attracting attention as a technique for purifying nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas discharged from an internal combustion engine such as a diesel engine. The urea SCR system purifies nitrogen oxides contained in exhaust gas by chemically reacting ammonia (NH 3 ) with nitrogen oxides (NOx) to reduce nitrogen oxides to nitrogen (N 2 ). It is a system.
この尿素SCRシステムでは、窒素酸化物に対して供給されるアンモニアの量が過剰になると、未反応のアンモニアが排気ガスに含まれたまま外部に放出されるおそれがあった。このようなアンモニアの放出を抑制するために、排気ガスに含まれるアンモニアの濃度を測定するセンサ素子を含む複数種類のガス濃度を測定可能なマルチガスセンサが尿素SCRシステムに用いられている(例えば、特許文献1参照)。 In this urea SCR system, if the amount of ammonia supplied to the nitrogen oxides becomes excessive, unreacted ammonia may be released to the outside while being contained in the exhaust gas. In order to suppress the release of such ammonia, a multi-gas sensor capable of measuring a plurality of types of gas concentrations including a sensor element for measuring the concentration of ammonia contained in the exhaust gas is used in the urea SCR system (for example,). See Patent Document 1).
アンモニアの濃度を測定するセンサ素子としては、アンモニアに対する活性が異なる2つの検知電極を設け、これら電極がそれぞれ基準電極と検知セルを構成するようにした混成電位式のセンサ素子が用いられている。この素子は、アンモニアだけでなく、NO2をも検出してしまうので、被測定ガス中にアンモニア以外のNO2ガスが含まれているとアンモニアの検出精度が低下する。
そこで、アンモニアに対する感度とNO2に対する感度がそれぞれ異なる検知セルを2つ設けると、アンモニアガスとNO2ガスの2つの未知濃度に対し、2つの検知セルから別々の感度による値を検出するので、アンモニアガスとNO2の濃度を算出できることになる。
又、2つの検知電極の表面には、多孔質保護層が被覆されている。
As a sensor element for measuring the concentration of ammonia, a mixed potential type sensor element is used in which two detection electrodes having different activities with respect to ammonia are provided, and these electrodes form a reference electrode and a detection cell, respectively. Since this element detects not only ammonia but also NO 2 , if the gas to be measured contains NO 2 gas other than ammonia, the detection accuracy of ammonia is lowered.
Therefore, if two detection cells having different sensitivities to ammonia and NO 2 are provided, values with different sensitivities are detected from the two detection cells for two unknown concentrations of ammonia gas and NO 2 gas. The concentration of ammonia gas and NO 2 can be calculated.
Further, the surfaces of the two detection electrodes are coated with a porous protective layer.
しかしながら、アンモニアを検知する混成電位式のセンサ素子において、2つの検知セルにおけるNO2ガスの感度差が小さく、測定精度が低下するという問題がある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、アンモニアの測定精度を向上させた混成電位式のセンサ素子、及びそれを備えたガスセンサを提供することを目的とする。
However, in the hybrid potential type sensor element that detects ammonia, there is a problem that the sensitivity difference of NO 2 gas between the two detection cells is small and the measurement accuracy is lowered.
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a hybrid potential type sensor element having improved ammonia measurement accuracy and a gas sensor provided with the same.
上記課題を解決するため、本発明のセンサ素子は、それぞれがアンモニア及びNO2に対して活性な第1検知電極及び第2検知電極と、少なくとも1つの基準電極と、を備え、前記第1検知電極及び前記基準電極で第1検知セルをなし、前記第2検知電極及び前記基準電極で第2検知セルをなし、アンモニアを検知するセンサ素子において、前記第1検知電極及び前記第2検知電極のうち、前記第1検知電極のみの表面には多孔質層が設けられ、前記多孔質層、及び前記第2検知電極の表面には前記多孔質層よりも気孔率が大きい外側保護層が設けられてなることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the sensor element of the present invention includes a first detection electrode and a second detection electrode, each of which is active against ammonia and NO 2 , and at least one reference electrode, and the first detection In the sensor element in which the electrode and the reference electrode form a first detection cell, the second detection electrode and the reference electrode form a second detection cell, and ammonia is detected, the first detection electrode and the second detection electrode Of these, a porous layer is provided on the surface of only the first detection electrode, and an outer protective layer having a larger pore ratio than the porous layer is provided on the surface of the porous layer and the second detection electrode. It is characterized by being
このセンサ素子によれば、多孔質層よりも気孔率が大きい外側保護層では、分子量の小さなアンモニアガスだけでなく、分子量の大きなNO2ガスも外側保護層を通過して第2検知電極の表面へ速やかに到達する。一方、外側保護層よりも気孔率が小さい多孔質層では、分子量の小さなアンモニアガスは多孔質層を通過して第1検知電極の表面へ速やかに到達できるが、分子量の大きなNO2ガスは多孔質層を通過するのに時間を要する。
そして、一般的なガスセンサの使用温度である500℃以上の領域では、NO2よりもNOの方が化学的に安定である。このため、NO2ガスは、多孔質層に滞留している間に熱的平衡に達してNO2がNOに変化し、NOとして第1検知電極の表面へ到達するものの割合が増える。第1検知電極及び第2検知電極はNOを検知しないから、NO2に対する第1検知電極の感度を、第2検知電極に比べて低減することができる。その結果、第1検知セルと第2検知セルとでNH3のNO2に対する感度比の差を大きくすることができ、アンモニアガスとNO2の濃度の測定精度が向上する。
According to this sensor element, in the outer protective layer having a larger porosity than the porous layer, not only ammonia gas having a small molecular weight but also NO 2 gas having a large molecular weight passes through the outer protective layer and the surface of the second detection electrode. To reach quickly. On the other hand, in the porous layer having a smaller porosity than the outer protective layer, ammonia gas having a small molecular weight can quickly reach the surface of the first detection electrode through the porous layer, but NO 2 gas having a large molecular weight is porous. It takes time to pass through the stratum corneum.
In the region of 500 ° C. or higher, which is the operating temperature of a general gas sensor, NO is chemically more stable than NO 2 . Therefore, the NO 2 gas reaches thermal equilibrium while staying in the porous layer, NO 2 changes to NO, and the proportion of NO 2 gas that reaches the surface of the first detection electrode increases. Since the first detection electrode and the second detection electrode do not detect NO, the sensitivity of the first detection electrode to NO 2 can be reduced as compared with the second detection electrode. As a result, the difference in the sensitivity ratio of NH 3 to NO 2 can be increased between the first detection cell and the second detection cell, and the measurement accuracy of the concentrations of ammonia gas and NO 2 is improved.
本発明のセンサ素子において、前記多孔質層の気孔率が40%以下であってもよい。
このセンサ素子によれば、NO2ガスがガスセンサ多孔質層を通過するのにより時間が掛かるので、第1検知セルと第2検知セルとで、NH3のNO2に対する感度比の差をさらに大きくすることができる。
In the sensor element of the present invention, the porosity of the porous layer may be 40% or less.
According to this sensor element, it takes longer for the NO 2 gas to pass through the gas sensor porous layer, so that the difference in the sensitivity ratio of NH 3 to NO 2 is further increased between the first detection cell and the second detection cell. can do.
本発明のセンサ素子において、前記多孔質層の厚みが40μm以下であってもよい。
このセンサ素子によれば、アンモニアガスが適度に多孔質層を通過するので、アンモニアガスとNO2の濃度の測定精度がさらに向上する。
In the sensor element of the present invention, the thickness of the porous layer may be 40 μm or less.
According to this sensor element, since the ammonia gas appropriately passes through the porous layer, the measurement accuracy of the concentrations of the ammonia gas and NO 2 is further improved.
本発明のセンサ素子において、前記センサ素子は前記第1検知セル及び前記第2検知セルを加熱するヒータを備え、前記ヒータの通電時の前記第1検知電極及び前記第2検知電極の最高温度が500〜950℃であってもよい。
このセンサ素子によれば、NO2よりもNOの方が化学的に安定である500℃以上の温度に第1検知セル及び第2検知セルを保持することができ、多孔質層に滞留しているNO2ガスをNOにより多く変化させるので、第1検知セルと第2検知セルとで、NH3のNO2に対する感度比の差をさらに大きくすることができる。
In the sensor element of the present invention, the sensor element includes a heater for heating the first detection cell and the second detection cell, and the maximum temperature of the first detection electrode and the second detection electrode when the heater is energized is set. It may be 500 to 950 ° C.
According to this sensor element, the first detection cell and the second detection cell can be held at a temperature of 500 ° C. or higher, where NO is chemically more stable than NO 2 , and stays in the porous layer. Since the NO 2 gas present is changed more than NO, the difference in the sensitivity ratio of NH 3 to NO 2 between the first detection cell and the second detection cell can be further increased.
本発明のガスセンサは、センサ素子と、該センサ素子を保持する主体金具とを備えたガスセンサであって、前記センサ素子として請求項1〜4のいずれか一項に記載のセンサ素子を用いる。
The gas sensor of the present invention is a gas sensor including a sensor element and a main metal fitting for holding the sensor element, and uses the sensor element according to any one of
この発明によれば、アンモニアの測定精度を向上させた混成電位式のセンサ素子、及びそれを備えたガスセンサが得られる。 According to the present invention, a hybrid potential type sensor element having improved ammonia measurement accuracy and a gas sensor provided with the same can be obtained.
以下、図1〜図4を参照し、本発明の実施形態に係るマルチガスセンサについて説明する。図1は、マルチガスセンサの軸線O方向(長手方向)に沿う断面図、図2はマルチガスセンサ装置の構成を説明するブロック図、図3は第1検知セル及び第2検知セルの構成を示す幅方向に沿う断面図、図4は第1検知セル及び第2検知セルの幅方向に沿う断面図である。 Hereinafter, the multi-gas sensor according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the axis O direction (longitudinal direction) of the multi-gas sensor, FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the multi-gas sensor device, and FIG. 3 is a width showing the configurations of the first detection cell and the second detection cell. A cross-sectional view taken along the direction, FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the width direction of the first detection cell and the second detection cell.
本実施形態のマルチガスセンサ200Aは、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス(被測定ガス)に含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する尿素SCRシステムに用いられるものである。より具体的には、排気ガスに含まれるNOxと、アンモニア(尿素)とを反応させた後の排気ガスに含まれる一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(NO2)およびアンモニアの濃度を測定するものである。
なお、本実施形態のマルチガスセンサ200Aが適用されるエンジンは、上述のディーゼルエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンにも適用することができ、特にエンジンの形式を限定するものではない。
The
The engine to which the
図1に示すように、マルチガスセンサ200Aは、アンモニア濃度及びNOx濃度を検出するマルチセンサ素子部100Aを組み付けたアッセンブリである。マルチガスセンサ200Aは、軸線方向に延びる板状のマルチセンサ素子部100Aと、排気管に固定されるためのねじ部139が外表面に形成された筒状の主体金具138と、マルチセンサ素子部100Aの径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ106と、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔168の内壁面がマルチセンサ素子部100Aの後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材166と、マルチセンサ素子部100Aと絶縁コンタクト部166との間に配置される複数個(図1では2つのみ図示)の端子金具110と、を備えている。
なお、マルチガスセンサ200A、マルチセンサ素子部100Aがそれぞれ特許請求の範囲の「ガスセンサ」、「センサ素子」に相当する。
As shown in FIG. 1, the
The
主体金具138は、軸線O方向に貫通する貫通孔154を有し、貫通孔154の径方向内側に突出する棚部152を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具138は、マルチセンサ素子部100Aの先端側を貫通孔154の先端側外部に配置し、複数の電極パッド80(図4参照)を貫通孔154の後端側外部に配置する状態で、マルチセンサ素子部100Aを貫通孔154に保持している。さらに、棚部152は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。
なお、なお、簡略化のため、図1ではマルチセンサ素子部100Aの表面と裏面の電極パッドを符号80で代表させたが、図4に示すように、電極パッド80は、後述するNOxセンサ部30Aや、第1及び第2検知セル42x、42yが有する電極等の数に応じて、複数個形成されている。
The
For the sake of simplification, the electrode pads on the front surface and the back surface of the
なお、主体金具138の貫通孔154の内部には、マルチセンサ素子部100Aの径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のセラミックホルダ151、粉末充填層153(以下、滑石リング153ともいう)、および上述のセラミックスリーブ106がこの順に先端側から後端側にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ106と主体金具138の後端部140との間には、加締めパッキン157が配置されており、セラミックホルダ151と主体金具138の棚部152との間には、滑石リング153やセラミックホルダ151を保持するための金属ホルダ(図示せず)が配置されている。なお、主体金具138の後端部140は、加締めパッキン157を介してセラミックスリーブ106を先端側に押し付けるように、加締められている。
Inside the
一方、主体金具138の先端側(図1における下方)外周には、マルチセンサ素子部100Aの突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製(例えば、ステンレスなど)二重の外部プロテクタ142および内部プロテクタ143が、溶接等によって取り付けられている。
On the other hand, a metal (for example, stainless steel) double
そして、主体金具138の後端側外周には、外筒144が固定されている。また、外筒144の後端側(図1における上方)の開口部には、マルチセンサ素子部100Aの電極パッド80とそれぞれ電気的に接続される複数本のリード線146(図1では4本のみ)が挿通されるリード線挿通孔161が形成されたグロメット150、及び第2絶縁コンタクト部170が後端側からこの順に配置されている。
An
また、主体金具138の後端部140より突出されたマルチセンサ素子部100Aの後端側(図1における上方)には、絶縁コンタクト部材166が配置される。なお、この絶縁コンタクト部材166は、マルチセンサ素子部100Aの後端側の表裏面に形成される電極パッド80の周囲に配置される。この絶縁コンタクト部材166は、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔168を有する筒状形状に形成されると共に、外表面から径方向外側に突出する鍔部167が備えられている。絶縁コンタクト部材166は、鍔部167が保持部材169を介して外筒144に当接することで、外筒144の内部に配置される。そして、絶縁コンタクト部材166側の端子金具110と、マルチセンサ素子部100Aの電極パッド80とが電気的に接続され、リード線146により外部と導通するようになっている。
Further, an insulating
図2は、本発明の実施形態に係るマルチガスセンサ200Aを含むマルチガスセンサ装置400の構成を示すブロック図である。なお、図2では説明の便宜のため、マルチガスセンサ200A内に収容されたマルチセンサ素子部100Aの軸線O方向に沿う断面のみを表示している。
マルチガスセンサ装置400は、制御装置(コントロ−ラ)300、及びこれに接続されるマルチガスセンサ200A(マルチセンサ素子部100A)を備えている。制御装置300は図示しない内燃機関(エンジン)を備える車両に搭載され、制御装置300はECU220に電気的に接続されている。なお、マルチガスセンサ200Aから伸びるリード線146の端はコネクタに接続され、このコネクタを制御装置300側のコネクタに電気的に接続するようになっている。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a
The
次に、マルチセンサ素子部100Aの構成について説明する。マルチセンサ素子部100Aは、公知のNOxセンサと同様な構成を有するNOxセンサ部30Aと、2つのアンモニアセンサ部である第1検知セル42x及び第2検知セル42yとを備え、詳しくは後述するように第1検知セル42x及び第2検知セル42yはNOxセンサ部30Aの外表面に形成されている。
Next, the configuration of the
まず、NOxセンサ部30Aは、絶縁層23e、第1固体電解質体2a、絶縁層23d、第3固体電解質体6a、絶縁層23c、第2固体電解質体4a、及び絶縁層23b、23aをこの順に積層した構造を有する。第1固体電解質体2aと第3固体電解質体6aとの層間に第1測定室S1が画成され、第1測定室S1の左端(入口)に配置された第1拡散抵抗体8aを介して外部から排気ガスが導入される。なお、第1拡散抵抗体8aの外側には多孔質からなる保護層9が配置されている。
第1測定室S1のうち入口と反対端には第2拡散抵抗体8bが配置され、第2拡散抵抗体8bを介して第1測定室S1の右側には、第1測定室S1と連通する第2測定室S2が画成されている。第2測定室S2は、第3固体電解質体6aを貫通して第1固体電解質体2aと第2固体電解質体4aとの層間に形成されている。
First, the NO x sensor unit 30A includes the insulating
A
絶縁層23b、23aの間にはマルチセンサ素子部100Aの軸線O方向に沿って延びる長尺板状の発熱抵抗体(ヒータ)21が埋設されている。発熱抵抗体21は、軸線O方向の先端側に発熱部が設けられると共に、該発熱部から軸線方向の後端側に向かって一対のリード部が設けられている。このヒータはガスセンサを活性温度に昇温し、固体電解質体の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。
A long plate-shaped heat generating resistor (heater) 21 extending along the axis O direction of the
第1ポンピングセル2は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主体とする第1固体電解質体2aと、これを挟持するように配置された内側第1ポンピング電極2b及び対極となる外側第1ポンピング電極2cとを備え、内側第1ポンピング電極2bは第1測定室S1に面している。内側第1ポンピング電極2b及び外側第1ポンピング電極2cはいずれも白金を主体とし、内側第1ポンピング電極2bの表面は多孔質体からなる保護層11で覆われている。
又、外側第1ポンピング電極2cの上面に相当する絶縁層23eはくり抜かれて多孔質体13が充填され、外側第1ポンピング電極2cと外部とを連通させてガス(酸素)の出入を可能としている。
The
Further, the insulating
酸素濃度検出セル6は、ジルコニアを主体とする第3固体電解質体6aと、これを挟持するように配置された検知電極6b及び基準電極6cとを備え、検知電極6bは内側第1ポンピング電極2bより下流側で第1測定室S1に面している。検知電極6b及び基準電極6cはいずれも白金を主体としている。
なお、絶縁層23cは、第3固体電解質体6aに接する基準電極6cが内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室15を形成している。そして、酸素濃度検出セル6にIcp供給回路54を用いて予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第1測定室S1から基準酸素室15内に送り込み、酸素基準とする。
The oxygen concentration detection cell 6 includes a third
The insulating
第2ポンピングセル4は、ジルコニアを主体とする第2固体電解質体4aと、第2固体電解質体4aのうち第2測定室S2に面した表面に配置された内側第2ポンピング電極4b及び対極となる第2ポンピング対電極4cとを備えている。内側第2ポンピング電極4b及び第2ポンピング対電極4cはいずれも白金を主体としている。
なお、第2ポンピング対電極4cは、第2固体電解質体4a上における絶縁層23cの切り抜き部に配置され、基準電極6cに対向して基準酸素室15に面している。
そして、内側第1ポンピング電極2b、検知電極6b、内側第2ポンピング電極4bはそれぞれ基準電位に接続されている。
The second pumping cell 4 includes a second
The second
The inner
次に、2つのアンモニアセンサ部(セル)である第1検知セル42x及び第2検知セル42yについて説明する。
図3に示すように、マルチセンサ素子部100Aは、それぞれ幅方向に離間する第1検知セル42x及び第2検知セル42yを有している。
Next, the
As shown in FIG. 3, the
第1検知セル42x及び第2検知セル42yは、NOxセンサ部30Aの外表面(下面)をなす絶縁層23a上に形成されている。より詳しくは、第1検知セル42xは、絶縁層23a上に第1基準電極42axが形成され、第1基準電極42axの表面に第1固体電解質体42dxが形成されている。さらに、第1固体電解質体42dxの表面に第1検知電極42bxが形成されている。そして、第1基準電極42ax及び第1検知電極42bxの間の起電力変化によって被測定ガス中のアンモニア濃度を検出するようになっている。
同様に、第2検知セル42yは、絶縁層23a上に第2基準電極42ayが形成され、第2基準電極42ayの表面に第2固体電解質体42dyが形成されている。さらに、第2固体電解質体42dyの表面に第2検知電極42byが形成されている。
The
Similarly, in the
第1検知電極42bx及び第2検知電極42byとしては、Auを主成分(50質量%を超え、例えば70質量%以上)含有し、PtやPdを含有する材料から形成することができる。第1基準電極42ax及び第2基準電極42ayとしては、Pt単体であるか、Ptを主成分(50質量%を超え、例えば70質量%以上)含有する材料から形成することができる。第1検知電極42bx及び第2検知電極42byはアンモニアガスが電極表面では燃焼し難い電極である。アンモニアは3相界面で酸素イオンと反応(電極反応)し、アンモニアの濃度を検出する。
第1固体電解質体42dx、第2固体電解質体42dyは、例えば部分安定化ジルコニア(YSZ)で構成されている。
The first detection electrode 42bx and the second detection electrode 42by can be formed from a material containing Au as a main component (more than 50% by mass, for example, 70% by mass or more) and containing Pt or Pd. The first reference electrode 42ax and the second reference electrode 42ay can be formed of Pt alone or a material containing Pt as a main component (more than 50% by mass, for example, 70% by mass or more). The first detection electrode 42bx and the second detection electrode 42by are electrodes in which ammonia gas is difficult to burn on the electrode surface. Ammonia reacts with oxygen ions (electrode reaction) at the three-phase interface to detect the concentration of ammonia.
The first solid electrolyte body 42dx and the second solid electrolyte body 42dy are composed of, for example, partially stabilized zirconia (YSZ).
さらに、第1検知電極42bx及び第2検知電極42byのうち、第1検知電極42bxのみの表面には多孔質層23gが設けられている。ここで、「第1検知電極42bxのみの表面」とは、第2検知電極42byの表面に多孔質層23gが設けられないことを意味し、第2検知電極42by以外の表面であれば、第1検知電極42bxの他の部材(例えば、図3の第1固体電解質体42dx等)に多孔質層23gが設けられてもよい。
例えば、図3の例では、第1基準電極42axの上面だけでなく側面も第1固体電解質体42dxが覆っており、積層方向に見て第1基準電極42axの外側に第1固体電解質体42dxがはみ出している。そして、多孔質層23gは、第1検知電極42bxの上面だけでなく側面も覆っており、多孔質層23gの外縁部は第1基準電極42axの外側にはみ出した第1固体電解質体42dxの表面に設けられることになる。
Further, of the first detection electrode 42bx and the second detection electrode 42by, a
For example, in the example of FIG. 3, not only the upper surface of the first reference electrode 42ax but also the side surface is covered with the first solid electrolyte 42dx, and the first solid electrolyte 42dx is outside the first reference electrode 42ax when viewed in the stacking direction. Is sticking out. The
又、多孔質層23g、及び第2検知電極42byの表面には多孔質層23gよりも気孔率が大きい外側保護層23iが設けられている。
外側保護層23iは、第1検知電極42bx及び第2検知電極42byへの被毒物質の付着を防止すると共に、外部から第1検知セル42x及び第2検知セル42yに流入する被測定ガスの拡散速度を調整するものである。
Further, an outer
The outer
第1検知セル42x、第2検知セル42yの2つのアンモニアセンサ部によるアンモニアガスの測定は以下のとおりである。すなわち、アンモニアセンサ部は、アンモニアだけでなく、NO2をも検出してしまうので、被測定ガス中にアンモニア以外のNO2ガスが含まれているとアンモニアの検出精度が低下する。そこで、アンモニアに対する感度とNOxに対する感度との比がそれぞれ異なるアンモニアセンサ部を2つ設けると、アンモニアガスとNO2ガスの2つの未知濃度に対し、2つのアンモニアセンサ部から別々の感度による値を検出するので、予め既知のガス濃度につき作製しておいた関係(連立方程式)により、アンモニアガスとNO2の濃度を算出できることになる。
つまり、2つのアンモニアセンサ部は、混成電位式でアンモニアガスとNO2の濃度を測定するが、2つのアンモニアセンサ部の間でNO2の検出出力の差が小さいと、アンモニアの検出精度が低下する。また、被測定ガスにアンモニアとNO2が含まれていると、各検知電極42bx、42byの表面でアンモニアとNO2が反応してしまい、アンモニアの検出精度が低下する。
The measurement of ammonia gas by the two ammonia sensor units of the
That is, the two ammonia sensor units measure the concentrations of ammonia gas and NO 2 by a hybrid potential type, but if the difference in the detection output of NO 2 between the two ammonia sensor units is small, the detection accuracy of ammonia decreases. To do. Further, if the gas to be measured contains ammonia and NO 2 , the ammonia and NO 2 react on the surfaces of the detection electrodes 42bx and 42by, and the detection accuracy of ammonia is lowered.
そこで、第1検知電極42bxのみの表面に多孔質層23gを設けると、図4に示すようにして、アンモニア及びNO2の測定精度を向上させることができる。
つまり、図4に示すように、外側保護層23iは多孔質層23gよりも気孔率が大きいため、分子量の小さなアンモニアガスだけでなく、分子量の大きなNO2ガスも外側保護層23iを通過して第2検知電極42byの表面へ速やかに到達する。
一方、多孔質層23gは外側保護層23iよりも気孔率が小さいため、分子量の小さなアンモニアガスは多孔質層23gを通過して第1検知電極42bxの表面へ速やかに到達できるが、分子量の大きなNO2ガスは多孔質層23gを通過するのに時間を要する。
Therefore, if the
That is, as shown in FIG. 4, since the outer
On the other hand, since the
ここで、一般的なマルチガスセンサ200A等のガスセンサの使用温度である500℃以上の領域では、NO2よりもNOの方が化学的に安定である。このため、NO2ガスは、多孔質層23gに滞留している間に熱的平衡に達してNO2がNOに変化し、NOとして第1検知電極42bxの表面へ到達するものの割合が増える。第1検知電極42bx及び第2検知電極42byはNOを検知しないから、NO2に対する第1検知電極42bxの感度を、第2検知電極42byに比べて低減することができる。その結果、第1検知セル42xと第2検知セル42yとでNOxに対する感度の比を大きくすることができ、アンモニアガスとNO2の濃度の測定精度が向上するのである。
Here, NO is chemically more stable than NO 2 in the region of 500 ° C. or higher, which is the operating temperature of a gas sensor such as a general
外側保護層23iは、例えばアルミナ等のセラミック粒子のペーストにカーボン等の造孔剤(焼失性粒子)を配合したものを塗布印刷後に焼成して形成できる。造孔剤の平均粒径は、例えば0.8〜5μm程度とすることができる。
多孔質層23gは、例えば造孔剤を用いずに、アルミナ等のセラミック粒子のペーストを塗布印刷後に焼成して形成できる。この場合、多孔質層23gは造孔剤由来の気孔を有さず、セラミック粒子間に空隙(例えば、気孔径0.2μm程度)が生じているものとすることができる。多孔質層23gの最大気孔径は0.2μm以下であることが好ましい。
The outer
The
多孔質層23gの気孔率が40%以下であると、NO2ガスがガスセンサ多孔質層23gを通過するのにより時間が掛かるので、上述の効果をより一層発揮できる。多孔質層23gの気孔率が40%を超えると、NO2ガスが多孔質層23gを通過し易くなり、NO2を熱的平衡によりNOに変化させ難くなる場合がある。多孔質層23gの気孔率の下限は、例えば15%とすることができる。
外側保護層23iの気孔率が60%以下であると好ましい。
なお、気孔率は、水銀圧入法で測定できる。又、外側保護層23i及び多孔質層23gの断面SEM像(外側保護層23iは倍率300〜500倍で、例えば0.24×0.18mmの視野、多孔質層23gは倍率10000倍で、例えば12×9μmの視野)から画像解析して気孔率を求めてもよい。
When the porosity of the
The porosity of the outer
The porosity can be measured by the mercury intrusion method. Further, a cross-sectional SEM image of the outer
多孔質層23gの厚みが40μm以下であると、上述の効果をより一層発揮できる。多孔質層23gの厚みが40μmを超えると、アンモニアガスも多孔質層23gを通過し難くなり、かえって測定精度が低下する場合がある。多孔質層23gの厚みが薄すぎると、NO2ガスが多孔質層23gに滞留する効果が小さくなるので、多孔質層23gの厚みが10〜40μmであることがより好ましい。
なお、多孔質層23gの厚みは、多孔質層23gの断面SEM像(倍率300倍程度)から画像解析して平均厚みを求める。
When the thickness of the
The thickness of the
又、マルチセンサ素子部100Aが備える発熱抵抗体(ヒータ)21を通電することにより、第1検知セル42x、第2検知セル42yを加熱する構成の場合、発熱抵抗体21の通電時の第1検知電極42bx及び第2検知電極42byの最高温度が500〜950℃であると、NO2がNOに変化する熱的平衡の温度範囲内にあるので、上述の効果をより一層発揮できる。
上記最高温度が500℃未満であると、NO2がNOに変化する熱的平衡の温度範囲より低くて上述の効果が低減する場合がある。
上記最高温度が950℃を超えると、センサとしての耐熱性が低下する場合がある。
Further, in the case of a configuration in which the
If the maximum temperature is less than 500 ° C., NO 2 may be lower than the temperature range of thermal equilibrium where NO changes to NO, and the above effect may be reduced.
If the maximum temperature exceeds 950 ° C., the heat resistance of the sensor may decrease.
次に、図2に戻り、制御装置300の構成の一例について説明する。制御装置300は、回路基板上に(アナログ)制御回路59とマイクロコンピュータ(マイコン)60とを備えている。マイクロコンピュータ60は制御装置300全体を制御し、CPU(中央演算処理装置)61、RAM62、ROM63、信号入出力部64、A/Dコンバータ65、及び図示しないクロックを備え、ROM等に予め格納されたプログラムがCPUにより実行される。
制御回路59は、詳しくは後述する基準電圧比較回路51、Ip1ドライブ回路52、Vs検出回路53、Icp供給回路54、Ip2検出回路55、Vp2印加回路56、ヒータ駆動回路57、それぞれ第1検知セル42x及び第2検知セル42yの起電力を検出する第1起電力検出回路58a及び第2起電力検出回路58bを備える。
制御回路59は、NOxセンサ部30Aを制御し、NOxセンサ部30Aに流れる第1ポンピング電流Ip1、第2ポンピング電流Ip2を検出してマイクロコンピュータ60に出力する。
第1起電力検出回路58a及び第2起電力検出回路58bは、第1検知セル42x及び第2検知セル42yの各電極間のアンモニア濃度出力(起電力)を検出してマイクロコンピュータ60に出力する。
Next, returning to FIG. 2, an example of the configuration of the
The
The
The first electromotive
詳細には、NOxセンサ部30Aの外側第1ポンピング電極2cはIp1ドライブ回路52に接続され、基準電極6cはVs検出回路53及びIcp供給回路54に並列に接続されている。又、第2ポンピング対電極4cはIp2検出回路55及びVp2印加回路56に並列に接続されている。ヒータ回路57はヒータ(具体的には発熱抵抗体21)に接続されている。
又、第1検知セル42xの一対の電極42ax、42bxがそれぞれ第1起電力検出回路58aに接続されている。同様に、第2検知セル42yの一対の電極42ay、42byがそれぞれ第2起電力検出回路58bに接続されている。
Specifically, the outer
Further, the pair of electrodes 42ax and 42bx of the
各回路51〜57は、以下のような機能を有する。
Ip1ドライブ回路52は、内側第1ポンピング電極2b及び外側第1ポンピング電極2cの間に第1ポンピング電流Ip1を供給しつつ、その際の第1ポンピング電流Ip1を検出する。
Vs検出回路53は、検知電極6b及び基準電極6cの間の電圧Vsを検出し、検出結果を基準電圧比較回路51に出力する。
基準電圧比較回路51は、基準電圧(例えば、425mV)とVs検出回路53の出力(電圧Vs)とを比較し、比較結果をIp1ドライブ回路52に出力する。そして、Ip1ドライブ回路52は、電圧Vsが上記基準電圧に等しくなるようにIp1電流の流れる向き及び大きさを制御し、第1測定室S1内の酸素濃度をNOxが分解しない程度の所定値に調整する。
Icp供給回路54は、検知電極6b及び基準電極6cの間に微弱な電流Icpを流し、酸素を第1測定室S1から基準酸素室15内に送り込み、基準電極6cを基準となる所定の酸素濃度に晒させる。
Vp2印加回路56は、内側第2ポンピング電極4b及び第2ポンピング対電極4cの間に、被測定ガス中のNOxガスが酸素とN2ガスに分解する程度の一定電圧Vp2(例えば、450mV)を印加し、NOxを窒素と酸素に分解する。
Each circuit 51 to 57 has the following functions.
The Ip1 drive circuit 52 supplies the first pumping current Ip1 between the inner
The
The reference voltage comparison circuit 51 compares the reference voltage (for example, 425 mV) with the output (voltage Vs) of the
The
The
Ip2検出回路55は、NOxの分解により生じた酸素が第2測定室S2から第2固体電解質体4aを介して第2ポンピング対電極4c側に汲み出される際に、第2ポンピングセル4に流れる第2ポンピング電流Ip2を検出する。
この際、第2ポンピング電流Ip2とNOx濃度の間には直線関係があるため、Ip2検出回路55が第2ポンピング電流Ip2を検出することにより、被測定ガス中のNOx濃度を検出することができる。
The
At this time, since there is a linear relationship between the second pumping current Ip2 and the NO x concentration, the
又、第1起電力検出回路58aが一対の電極42ax、42bx間のアンモニア濃度出力(起電力)を検出し、第2起電力検出回路58bが一対の電極42ay、42by間アンモニア濃度出力(起電力)を混成電位式に検出する。そして、アンモニア濃度及びNO2濃度について予め設定した各関係式(連続方程式)に基づき、上述したように被測定ガス中のアンモニアガスとNO2の濃度を算出できることになる。
Further, the first electromotive
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
第1検知セル及び第1検知セルで共通の1つの基準電極としてもよいし、共通の1つの固体電解質体としてもよい。
又、本発明のセンサ素子はマルチセンサ素子に限らず、アンモニアのみを検知するアンモニアセンサ素子であってもよい。なお、アンモニアのみを検知するアンモニアセンサ素子の場合、NH3とNO2が共存するガスに対して本発明が有効である。
It goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiments and extends to various modifications and equivalents included in the idea and scope of the present invention.
It may be a common reference electrode for the first detection cell and the first detection cell, or it may be a common solid electrolyte.
Further, the sensor element of the present invention is not limited to the multi-sensor element, and may be an ammonia sensor element that detects only ammonia. In the case of an ammonia sensor element that detects only ammonia, the present invention is effective for a gas in which NH 3 and NO 2 coexist.
21 発熱抵抗体(ヒータ)
23g 多孔質層
23i 外側保護層
42ax 第1基準電極
42ay 第2基準電極
42bx 第1検知電極
42by 第2検知電極
42x 第1検知セル
42y 第2検知セル
100A センサ素子(マルチセンサ素子部)
138 主体金具
200A ガスセンサ(マルチガスセンサ)
21 Heat-generating resistor (heater)
23g
138 Main metal fitting 200A gas sensor (multi-gas sensor)
Claims (5)
少なくとも1つの基準電極と、を備え、前記第1検知電極及び前記基準電極で第1検知セルをなし、前記第2検知電極及び前記基準電極で第2検知セルをなし、アンモニアを検知するセンサ素子において、
前記第1検知電極及び前記第2検知電極のうち、前記第1検知電極のみの表面には多孔質層が設けられ、
前記多孔質層、及び前記第2検知電極の表面には前記多孔質層よりも気孔率が大きい外側保護層が設けられてなることを特徴とするセンサ素子。 The first detection electrode and the second detection electrode, which are active against ammonia and NO 2 , respectively,
A sensor element comprising at least one reference electrode, the first detection electrode and the reference electrode forming a first detection cell, the second detection electrode and the reference electrode forming a second detection cell, and detecting ammonia. In
Of the first detection electrode and the second detection electrode, a porous layer is provided on the surface of only the first detection electrode.
A sensor element characterized in that an outer protective layer having a porosity larger than that of the porous layer is provided on the surface of the porous layer and the second detection electrode.
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