JP2851632B2 - 電気化学的素子 - Google Patents

電気化学的素子

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JP2851632B2
JP2851632B2 JP1010022A JP1002289A JP2851632B2 JP 2851632 B2 JP2851632 B2 JP 2851632B2 JP 1010022 A JP1010022 A JP 1010022A JP 1002289 A JP1002289 A JP 1002289A JP 2851632 B2 JP2851632 B2 JP 2851632B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は主として自動車等に使用される内燃機関や工
業炉等における燃焼装置等から排出される排気ガス中に
含まれる酸素量を測定するための酸素センサ素子に関
し、特に応答性と精度の両立を達した電気化学的素子に
関するものである。
(従来の技術) 従来から、例えば、板状の酸素イオン伝導性固体電解
質体を使った電気化学的素子としての酸素センサ素子
は、例えば特開昭60−36949号公報、特開昭55−125448
号公報等で開示されている。
これらの酸素センサ素子の作動原理は、外側電極を被
測定ガスにさらし、内側電極を気密な固体電解質等によ
って被測定ガスから遮断して、空気等のほぼ一定の酸素
分圧の基準ガスにさらし、内側電極と外側電極との濃度
差に基づく起電力変化を利用するものであった。殊に、
理論空燃比点を境にして酸素分圧は大きく変化するた
め、多くの場合理論空燃比検出手段として使用されてい
た。
この種のセンサは、比較的広範囲の温度変化をする環
境で使用されることが多く、特に低温度雰囲気にあって
は、論理空燃比点を正確に検出することが困難になって
いた。
また、実使用中では、時間の経過とともに電極表面の
化学的特性が変化し、それに伴ないセンサの空燃比制御
のポイントが変化する問題もあった。
(発明が解決しようとする課題) この点を解消するため、例えば、特開昭54−41794号
公報では、外側電極へ非平衡な被測定ガスが直接到達す
る前に平衡ガス化させるために、外側電極の保護層中に
触媒を設け、低温度域におけるセンサの精度の悪化を防
止する方法が開示されている。
しかしながら、上述した特開昭54−41794号公報記載
の方法では、被測定ガスが触媒層で一旦吸着されたあと
外側電極に到達することになるため、低温度域における
精度の向上はできても応答性が劣化するという問題があ
った。
本発明の目的は上述した課題を解消して、低温度雰囲
気下であっても精度と応答性とを両立させることができ
るとともに、センサの空燃比制御ポイントの経時変化を
少なくすることができる電気化学的素子を提供しようと
するものである。
(課題を解決するための手段) 本発明の電気化学的素子は、板状の固体電解質体と、
この板状の固体電解質体の表面に接して設けられていて
被測定ガスにさらされる測定電極と、この測定電極上に
あって被測定ガスが直接測定電極に接触することを防止
する多孔質保護層と、板状の固体電解質体の内部で固体
電解質体に接して設けられていて基準ガスにさらされる
参照電極と、板状の固体電解質体の表面上であって、測
定電極が設けられている箇所を除く箇所に設けられてい
て非平衡状態にある被測定ガスを平衡状態にする接触を
担持した多孔質体と、この多孔質体と板状の固体電解質
体との間に設けられていて白金族金属単味あるいはこれ
らとセラミックスとのサーメットからなる金属層とから
なることを特徴とするものである。
(作 用) 上述した構成において、本発明の触媒を担持した多孔
質体(以下、多孔質触媒担体と記す)は測定電極上に存
在しないため、測定電極内の被測定ガスの交換速度に対
して何等の影響も与えないで測定電極近傍の雰囲気調整
を行うことができるので、応答性を悪化させる欠点がな
くなる。
また、多孔質触媒担体上では、非平衡状態にある被測
定ガスが平衡ガス化されるので、その際に生ずる反応熱
によって測定電極近傍の温度が上昇するため、周囲雰囲
気温度が比較的低い場合であっても、素子自身の温度を
高く保つことができる。
以上により、低温度域での理論空燃比点を応答性を損
なわずに正確に検出することができる。
さらに、多量の触媒金属を担持することが可能なた
め、多孔質触媒担体に担持される触媒の寿命が長くな
る。その結果、時間の経過に伴なう測定電極の触媒能の
劣化を長期にわたって補うことができ、センサの空燃比
制御のポイントの経時変化がきわめて小さくなる。
なお、多孔質触媒担体は、基板となる固体電解と同様
に固体電解質として直接基板と多孔質触媒担体とが接す
るように配置すれば、多孔質触媒担体と、基板との熱膨
張特性の差が小さくなり、異種材料を使用する場合に比
べて好ましいものとなる。さらに、ヒーター等の加熱手
段を配置しても良い。さらにまた、測定電極が配される
側と反対側の面に多孔質触媒担体を設けると好ましい。
(実施例) 第1図(a),(b)は、本発明による電気化学的素
子の一例の構造を示す分解斜視図およびそのX−X′に
そった断面図である。第1図において、板状固体電解質
1,2,3は積層一体化されて、一つの板状固体電解質体を
形成している。板状固体電解質1の両面には、測定電極
10と参照電極11とが板状固体電解質体に接して設けられ
ている。参照電極11を空気等の基準ガスにさらすため
に、板状固体電解質2の中央部に空気導入用の溝5が設
けられている。測定電極10の上は、多孔質な保護層21が
設けられていて、基板となる板状固体電解質1と積層一
体化されている。
板状固体電解質体の多孔質保護層21と反対の側には、
非平衡ガスを平衡状態にする作用を有する触媒を担持し
た多孔質体(多孔質触媒担体)22が、板状固体電解質3
と積層一体化されて設けられている。測定電極10と参照
電極11とは、リードパターンあるいはリード線を介して
電圧計51に接続されて、各々の電極上の気体分圧の分圧
差に基づく起電力を測定されることになる。
本発明の主要なポイントは多孔質触媒担体22を設けた
点であり、被測定ガスは通常非平衡な状態である場合が
多く、触媒担体22に到達した時点で平衡ガス化する。そ
の際発生する反応熱によって、検出部(電極10,11部)
を高温に保持することができる。
また、通常本発明の電気化学的素子は、金属金具等に
より組立体(図示せず)とされて実使用されるのである
が、検出部分は金属保護カバー等で囲まれることになる
ので、触媒担体22で平衡化したガスが測定電極10側へも
有効に影響することとなり、電極10に非平衡なガスが作
用することを効果的に防止することが可能となる。
このため、本発明の素子は、比較的低温度の被測定ガ
ス雰囲気中であっても検出精度良く作動するのである。
また、触媒担体22が保護層21と分離されているため、触
媒上で被測定ガスが吸着されても、測定電極10への被測
定ガスの到達を遅らせるという問題点も無いため、応答
性が犠牲にされることも無いのである。
上述した第1図に示す本発明の電気化学的素子におい
て、板状固体電解質1,2,3はY2O3,MgO,CaO,Yb2O3等で安
定化されたZrO2,CeO2等公知の固体電解質で良い。
測定電極10、参照電極11等はPt,Rn,Rh,Pd,Ir等の白金
族金属の1種またはそれらの合金で良い。またZrO2,Al2
O3,MgO,SiO2等のセラミックスを上記白金族金属と混合
したサーメット電極とすれば高温耐久性で有利となる。
多孔質保護層21、多孔質触媒担体22は、ZrO2,Al2O3,M
gO等のセラミックスで良いが、基板を固体電解質体と同
時焼成する際基板に比べて気孔率が大きくなるセラミッ
クスであれば何でも良い。例えば、基板を部分安定化ジ
ルコニア、多孔質体を完全安定化ジルコニアとすれば、
同時焼成の際熱膨張計数の差を極めて小さくできるので
好ましい。多孔質体の厚みは、10μm〜1mmとするが、
薄いほど気孔率を小さく、厚ければ気孔率を大きくする
等の調整をする。気孔率は10%〜70%の開気孔を有して
いることが望ましい。
多孔質触媒担体22に担持する触媒は、白金族金属ある
いはLaSrCoO3等のペロブスカイトが利用されるが、白金
族金属同士の合金が最も好ましく、Pt/Rh=100/1〜10/5
の比に調整したものが最も望ましい。担持の方法は、焼
付け法、イオン交換法等公知手法で行うか、多孔質触媒
担体をシート状に形成する際セラミックと均一混合して
固体電解質体と同時焼成して設けても良い。担持量は多
孔質触媒担体重量に対し0.1%〜30%程度とすることが
望ましい。
各部の形成方法は、公知の手法を利用すれば良く、板
状固体電解質1,2,3、多孔質体21,22等はドクターブレー
ド法等のシート形成法で0.05〜1mmの厚さに形成する
が、電極10,11等の形成方法として適しているスクリー
ン印刷法等の適宜応用して5μm〜30μm程度の厚みで
形成することになる。
実際の例について説明すると、このような構造の素子
を用いたセンサを取付けた実車の排ガスは、λ=0.995
に制御されていた。λは以下の式(1)にて算出する。
ここで、A/F:実測より求めた空燃比 A1/F1:理論空燃比 このセンサは、時間の経過に伴ない排ガスのλが0.99
2まで変化した。一方、従来の触媒担持をほどこさない
センサを取付けた場合の排ガスはλ=0.998に制御され
ており、時間の経過に伴い排ガスのλは0.992まで変化
した。本発明の電気化学的素子を用いることによりセン
サの空燃比制御の経時変化を従来の6/1000から半分の3/
1000まで小さくすることができた。
第2図は本発明の他の具体例を示す断面図である。第
2図において、第1図と同一の番号をつけた構成品につ
いては第1図と同様なので省略する。
第2図に示す実施例において、最も特徴的なのは金属
層12である。金属層12の材質は、測定電極10と同様で良
く、白金族金属単味あるいはこれらとセラミックスとの
サーメットとしてある。金属層12と測定電極10とは電気
良導体によって接続されてはおらず、従って測定電極と
して作用することはほとんど無視できる。多孔質触媒担
体22を基板3と同様に固体電解質として金属層12を固体
電解質中に埋設させておくことが好ましい。また、金属
層12を形成することによって多孔質触媒担体22側で発生
する反応熱が多くなるので好ましい。
第3図は本発明に更に他の具体例を示す断面図であ
る。第3図に示す実施例において、第1図に示す例と比
較して異なる特徴は、溝5の省略と多孔質層23,24の追
加である。多孔質層23は多孔質保護層21と同様に測定電
極10を腐食性被測定ガスから保護する役割を持つ。この
様に保護層を2層構造とすることにより、種々の特徴を
持たせることが可能となる。保護層21の多孔度を増大す
ると保護作用効果が減少するが、保護層23の多孔度を減
少方向で適切に調整すれば全体としては目詰まりしにく
く且つ保護効果も満足される保護層になる。逆に保護層
21の多孔度を減少させると、電極10の活性が低下する
が、保護層23の多孔度を大きめに調整すれば、全体とし
て保護効果を改良すると同時に電極の活性を犠牲にしな
い優れた保護層とすることができる。
もう一方の多孔質層24は、基準ガスを充填させておく
作用をする。電極10,11間には、外部電源62から高抵抗
体61を介して電圧が印加されており、例えば、酸化物イ
オンが測定電極10側から参照電極11側に移動して、参照
電極11をほぼ100%に近い酸素ガスの雰囲気にさらすこ
ととなる。高抵抗体61は素子内部あるいは素子表面に設
けることが望ましいが、外部に別途設けても良い。多孔
質層23,24の材質は、多孔質体21,22と同様のセラミック
スであって通常はスクリーン印刷法によって形成される
が、ドクターブレード法等のシート形成法によって5μ
m〜1mm程度適宜形成されることになる。
第4図は本発明の更に他の具体例を示す断面図であ
る。第4図に示す実施例では、ヒーター15およびセラミ
ック絶縁層25が設けてある点に特徴がある。セラミック
絶縁層25に埋設されるヒーター15は、気密な固体電解質
2によって完全に被測定ガスから遮断される構成となっ
ている。絶縁層25は固体電解質2と通常材質が異なり、
熱膨張特性の差に基づき発生する歪を回避するため多孔
質とすることが望ましい。電源63は、電気化学的素子が
自動車センサ等に利用される場合はバッテリーの電源が
そのまま利用されることになる。
第5図は本発明の更に他の具体例を示す断面図であ
り、第1図と同一部材には同一符号を付し、その説明を
省略する。第5図に示す実施例では、多孔質触媒担体22
と多孔質保護層21が同一の面に存在する例を示してい
る。この例でも、本発明の効果を同様に達成することが
できる。なお、多孔質触媒担体22と多孔質保護層21は長
手方向に並置されていても幅方向に並置されていても良
い。
第6図は本発明の更に他の具体例を示す断面図であ
り、第1図と同一部材には同一符号を付し、その説明を
省略する。第6図に示す実施例では、固体電解質1が筒
状である点が特徴であり、この有底円筒状の電気化学的
素子でも本発明を適用できるものである。
(発明の効果) 以上の説明から明らかなように、本発明の電気化学的
素子によれば、非平衡状態にある被測定ガスを平衡状態
にする触媒を担持した多孔質体を、測定電極を保護する
多孔質保護層と別体に設けることにより、低温度雰囲気
下であっても精度と応答性を両立させることができると
ともに、センサの空燃比制御ポイントの経時変化を少な
くすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a),(b)は本発明の電気化学的素子の一例
の構造を示す分解斜視図およびそのX−X′にそった断
面図、 第2図〜第6図はそれぞれ本発明の電気化学的素子の他
の例の構造を示す断面図である。 1,2,3……固体電解質、5……溝 10……測定電極、11……参照電極 21……多孔質保護層、22……多孔質触媒担体

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】板状の固体電解質体と、この板状の固体電
    解質体の表面に接して設けられていて被測定ガスにさら
    される測定電極と、この測定電極上にあって被測定ガス
    が直接測定電極に接触することを防止する多孔質保護層
    と、板状の固体電解質体の内部で固体電解質体に接して
    設けられていて基準ガスにさらされる参照電極と、板状
    の固体電解質体の表面上であって、測定電極が設けられ
    ている箇所を除く箇所に設けられていて非平衡状態にあ
    る被測定ガスを平衡状態にする接触を担持した多孔質体
    と、この多孔質体と板状の固体電解質体との間に設けら
    れていて白金族金属単味あるいはこれらとセラミックス
    とのサーメットからなる金属層とからなることを特徴と
    する電気化学的素子。
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