JP4268732B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定ガスとは区分された小室内に被測定ガスを導入し、被測定ガスから酸素をポンピングすることで、被測定ガス中の酸素、含酸素ガス濃度あるいは還元性ガス濃度を測定するガスセンサに関する。
【０００２】
従来、被測定ガス中の酸素濃度を測定するための酸素センサとしては、例えば、特願平８−２１７８１５号公報に記載されたものが知られている。あるいは、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を測定する為のＮＯｘセンサとして、例えば、特開平８−２７１４７６号公報に記載されたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の酸素センサやＮＯｘセンサにおいては、酸素分圧基準セルからの出力電圧によって第１室内の酸素濃度を検出して、第１の酸素ポンピング手段を制御しているにも関わらず、第１室内の酸素濃度が正確に目標値にならないことがあった。
【０００４】
そして、それによって正確に酸素濃度が測定できなくなったり、ＮＯｘセンサにおいては第２酸素ポンプセルに流れる電流値が、理論値よりも大きな値になってしまい、その為、正確にＮＯｘの測定が出来ないと言う問題が有った。
本発明は、上記問題を解決するために為されたものであり、その目的は、酸素濃度や窒素酸化物濃度を従来よりも正確に測定できるガスセンサを供給することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段、および発明の効果】
上記目的を達成するため、発明者は、第１室内で正確に酸素濃度が制御できない原因について検討した。そして、その原因が第１酸素ポンプセルが第１室の壁面に形成されているため、室内の酸素を十分にポンピングするだけの能力がないことにある事を見出した。第１酸素ポンプセルでポンピングされない酸素は、例えば酸素センサにおいては第１拡散律速部を介して外部に逃げてしまったり、ＮＯｘセンサにおいては第２拡散律速部を介して第２室に流れ込んで、正確な測定を不可能にする。
【０００６】
そこで、発明者は第１室内の酸素をより確実に第１室外へ汲み出す手段について種々検討を重ねた。その結果上記請求項１に記載の構成を備えたガスセンサに想到し、所期の目的を達した。
この発明の多孔質体はガスを通過させる多孔質のものであれば何でも良いが、白金又はロジウムあるいはそれらの合金の多孔質体とすることが出来る。白金又はロジウムは酸素をイオン化する触媒能力及び電気伝導性に優れているのはもちろんのこと、その他の物理的耐久性、化学的耐久性にも優れているので望ましい。また、機械的強度などを向上させるために合金化することも出来る。
【０００７】
この様に構成されたガスセンサにおいては、多孔質体はポンピング手段の一部として機能する。即ち、第１の酸素ポンピング手段に外部から電圧が印加された場合には、多孔質体全体において、酸素をポンピングするように機能する。具体的には、第１の拡散律速部を介して第１室の空間部に向かって被測定ガスが流れると、被測定ガス中の酸素は必ず多孔質体と接触することになり、それによって被測定ガス中の酸素がイオン化する。そして、イオン化した酸素は第１の酸素ポンピング手段によって第１室の外にポンプアウトされる。
【０００８】
特に、第１室内へ流入する被測定ガスが、大きな内部表面積を有する導電性多孔質体内を通過するように構成されているので、第１酸素ポンプセルの電極表面付近を被測定ガスが通過するように構成された従来品に比べ、酸素のイオン化に関与する表面積が著しく増大する。そのため、その分だけイオン化することなく通過してしまう酸素の量が減少する。
【０００９】
その結果、第１室の空間部へ流入する被測定ガス中の酸素濃度は非常に精度良く酸素分圧が制御される。その為、酸素センサにおいては被測定ガス中の酸素濃度を測定することが出来、ＮＯｘセンサにおいては、第２室に流入する酸素を低減できるので、正確にＮＯｘを測定できるようになる。また、還元性ガスセンサなどの堤合にも第２室において正確に酸素濃度をコントロールできるので、精度良くＨＣなどの還元性ガスを測定することが出来る。
【００１０】
なお、多孔質体としては白金又はロジウム著しくはそれら合金と酸素イオン伝導性を有する固体電解質体を用いて構成しても良い。固体電解質体としては酸素ポンピング能力を有する酸化ジルコニウムなどを用いることが出来る。この様に固体電解質体を混合することによって、多孔質体の部分における酸素イオンの移動が多孔質体表面の移動だけでなく多孔質体を構成する固体電解質体の内部を経由することも出来るので、更にポンピング能力を向上させることが出来る。また、固体電解質体を多孔質体の骨材にすることによって、白金やロジウムは触媒として担持させることもできる。
【００１１】
また、触媒中に金を含有させることもできる。ＮＯｘセンサの場合、ＮＯの解離は酸素と同じくらい起きやすいので、第１室で酸素だけをポンピングしようとしてもＮＯも同時に解離してしまうため、第２室でのＮＯの測定に影響を与えてしまうことが多かった。しかし、上述の様に金を含有させることでＮＯに対する触媒能力だけを落とした触媒とすることができるので、ＮＯｘの測定精度を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
図１に示すように、ＮＯｘセンサ１は、第１酸素ポンプセル１１、酸素分圧基準セル１３、および第２酸素ポンプセル１５を積層した構造になっている。また、第１酸素ポンプセル１１と酸素分圧基準セル１３との間には、第１室１７が形成され、酸素分圧基準セル１３と第２酸素ポンプセル１５との間には、第２室１９が形成されている。そして、第１室１７は、第１拡散孔２１を介して被測定ガス側に連通し、第２拡散孔２３を介して第２室１９に連通している。また、上記各部を加熱するために一対のヒータ２５，２７を備えている。さらに、このＮＯｘセンサ１における特徴的な構成として、第１拡散孔２１から第１室１７にかけての流路内には、導電性多孔質層２９が設けられている。
【００１３】
これらの内、第１酸素ポンプセル１１は、酸素イオン伝導性のある固体電解質層１１ａの表裏各面に一対の多孔質電極１１ｂ，１１ｃを形成したものである。酸素分圧基準セル１３は、酸素イオン伝導性のある固体電解質層１３ａの表裏各面に一対の多孔質電極１３ｂ，１３ｃを形成したものである。第２酸素ポンプセル１５は、酸素イオン伝導性のある固体電解質層１５ａの一方の面に一対の多孔質電極１５ｂ，１５ｃを形成したものである。
【００１４】
第１室１７は、第１室１７となる穴が打ち抜かれた絶縁層３１を、第１酸素ポンプセル１１と酸素分圧基準セル１３との間に挟み込んで形成されている。第２室１９は、第２室１９となる穴が打ち抜かれた絶縁層３３を、酸素分圧基準セル１３と第２酸素ポンプセル１５との間に挟み込んで形成されている。
【００１５】
第１拡散孔２１は、絶縁層３１の一部に、ガスの流入を制限する拡散律速層として機能する多孔質体を埋め込んで形成されたものである。第２拡散孔２３は、固体電解質層１３ａの一部に、同じく拡散律速層として機能する多孔質体を埋め込んで形成されたものである。
【００１６】
ヒータ２５は、図示しないスペーサを介在させて第１酸素ポンプセル１１に直接接触しない状態に配置され、ヒータ２７も図示しないスペーサを介在させて第１酸素ポンプセル１１に直接接触しない状態に配置されている。
導電性多孔質層２９は、白金と酸化ジルコニウム粉末を混合して多孔質化したサーメット多孔質体であり、白金には重量比にして０．５外重量％の金が添加されている。この導電性多孔質層２９は、酸素のイオン化を促す触媒能力及び電気伝導性を有し、第１室１７内にある第１酸素ポンプセル１１の多孔質電極１１ｃに電気的に接続されている。そして、第１拡散孔２１を介して流入する被測定ガスは、もれなく導電性多孔質層２９の内部を通過して第１室１７内へ到達するようになっている。
【００１７】
このように構成されたＮＯｘセンサ１によって窒素酸化物濃度を測定する際には、ＮＯｘセンサ１が目標温度を維持するようにヒータ２５，２７に与える電力が制御される。また、ＮＯ（一酸化窒素）を分解させる程度の電圧が第１酸素ポンプセル１１に印加される。この時、酸素分圧基準セル１３からの出力電圧が一定値となるように第１酸素ポンプセル１１に印加する電圧がフィードバック制御され、第１酸素ポンプセル１１の電極間には第１ポンプ電流Ｉｐ１が流れる。また、窒素酸化物を分解させる程度の電圧が第２酸素ポンプセル１５に印加され、第２酸素ポンプセル１５の電極間には第２ポンプ電流Ｉｐ２が流れる。
【００１８】
この状態において、被測定ガスは、外部から第１拡散孔２１を介してＮＯｘセンサ１の内部へと流入し、導電性多孔質層２９の内部を通過して第１室１７内へ到達する。その際、導電性多孔質層２９は、多孔質電極１１ｃに電気的に接続されているため、第１酸素ポンプセル１１の負極の一部として機能することになる。そのため、被測定ガス中の酸素は、導電性多孔質層２９の内部表面に接触することによってイオン化し、その酸素イオンが導電性多孔質層２９の細孔を伝って固体電解質層１１ａに至り、第１酸素ポンプセル１１の作用で第１室１７外へと汲み出される。
【００１９】
その結果、被測定ガス中の酸素は、導電性多孔質層２９を通過する間に大部分が汲み出されてしまうことになり、第２室１９へ流入する被測定ガス中には、酸素がほとんど存在しなくなる。すなわち、第１酸素ポンプセル１１のポンピング能力が、第１室１７の壁面に多孔質電極１１ｃのみを備えているものに比べて格段に高くなる。
【００２０】
したがって、第２酸素ポンプセル１５の電極間に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値は、第２室１９へ流入した窒素酸化物濃度をより正確に反映した電流値となり、従来以上に窒素酸化物濃度の測定精度が高くなる。
このように、上記ＮＯｘセンサ１によれば、導電性多孔質層２９が、第１拡散孔２１から第１室１７にかけての流路内に設けられて、第１室１７内にある第１酸素ポンプセル１１の多孔質電極１１ｃに電気的に接続され、第１室１７内へ流入するガスが導電性多孔質層２９内を通過するように構成されている。そのため、第１酸素ポンプセル１１のポンピング能力が高くなって、第２室１９へ到達する酸素がほとんど存在しなくなる。その結果、第２酸素ポンプセル１５の電極間に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値は、第２室１９へ流入した窒素酸化物濃度をより正確に反映した値となり、従来以上に窒素酸化物濃度の測定精度が高くなる。
【００２１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態については上記のもの以外にも種々の具体的形態が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態として説明したＮＯｘセンサの概略構成を表わす従断面図である。
【符号の説明】
１・・・ＮＯｘセンサ、１１・・・第１酸素ポンプセル、１３・・・酸素分圧基準セル、１５・・・第２酸素ポンプセル、１７・・・第１室、１９・・・第２室、２１・・・第１拡散孔、２３・・・第２拡散孔、２５，２７・・・ヒータ、２９・・・導電性多孔質層。

Claims (5)

1. 第１の拡散律速部を介して被測定ガスに連通する第１室を有し、
   前記第１室には、該第１室内の酸素を汲み出しあるいは汲み入れる第１の酸素ポンピング手段が設けられたガスセンサであって、
   前記第１の酸素ポンピング手段は、酸素イオン伝導性のある固体電解質層の表裏各面に一対の多孔質電極が形成されるとともに、前記一対の多孔質電極の内、一方の多孔質電極が前記第１室に面する位置に配設された構造になっており、
   前記第１室内には多孔質体などで充填されていない空間部と、多孔質体によって充填された多孔質部が存在し、
   前記多孔質部は前記第１の拡散律速部から前記空間部を繋ぐ経路の少なくとも一部を充填する様に設けられた多孔質体からなり、
   該多孔質体は電気伝導性を有し、且つ酸素のイオン化を促す触媒を有し、前記第１室に面する多孔質電極は前記多孔質体と電気的に導通しており、さらに、
   前記第１室に対して、第２の拡散律速部を介して連通する第２室を有し、
   該第２室には、被測定ガス中の検出ガスを検出する検出手段が設けられている
   ことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記触媒は、少なくとも白金又はロジウムを含むことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記触媒は、金を含有していることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
4. 前記多孔質体は、白金又はロジウム若しくはそれらの合金の多孔質体からなることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
5. 前記多孔質体は、白金又はロジウム若しくはそれらの合金と酸素イオン伝導性を有する固体電解質体を含むことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。

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