JP5918177B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
<ガスセンサの概略構成>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るガスセンサ100の構造を模式的に示す断面図である。本実施の形態に係るガスセンサ100は、水蒸気(H2O)および二酸化炭素(CO2)を検出し、その濃度を求めるためのものである。その要部たるセンサ素子101は、酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニアを主成分とするセラミックスを構造材料として構成されてなる。
次に、以上のような構成を有するガスセンサ100を用いて被測定ガス中の水蒸気および二酸化炭素の濃度を特定する手法について説明する。
図3は、本発明の第2の実施の形態に係るガスセンサ200の構造を模式的に示す断面図である。なお、本実施の形態では、ガスセンサ200が有する、第1の実施の形態に係るガスセンサ100と同一の構成要素については、第1の実施の形態と同一の符号を付してその説明を省略する。
上述の実施の形態においては、主ポンプセル21、第1測定ポンプセル50、および、第2測定ポンプセル47がいずれも、外側ポンプ電極23を、センサ素子101の外面に設けられた外側電極として共通に用いているが、これは必須の態様でない。上述したように、主ポンプセル21、第1測定ポンプセル50、および、第2測定ポンプセル47がそれぞれに固有の外側電極を備えていてもよいし、あるいは、これら3つのポンプセルのうちの2つの外側電極が共通とされていてもよい。
本実施例では、ガスセンサ100を用いて、水蒸気と二酸化炭素の濃度が既知のモデルガスを対象とした水蒸気と二酸化炭素の検出を行い、水蒸気濃度と水蒸気検出電流Ip1との関係、および、二酸化炭素濃度と二酸化炭素検出電流Ip2との関係について評価した。係る場合においては、第1内部空所20の酸素分圧が10−25atm、第2内部空所40の酸素分圧が10−10atm、第2測定用内側ポンプ電極44の表面における酸素分圧が10−5atmとなるように、V0、V1、V2の目標値を設定した。
水蒸気濃度0%〜16%で2%刻み、酸素濃度10%、残余は窒素;
(ガス2)水蒸気評価用モデルガス(二酸化炭素含有):
水蒸気濃度0%〜16%で2%刻み、二酸化炭素10%、酸素濃度10%、残余は窒素;
(ガス3)二酸化炭素評価用モデルガス(水蒸気非含有):
二酸化炭素濃度0%〜16%で2%刻み、酸素濃度10%、残余は窒素;
(ガス4)二酸化炭素評価用モデルガス(水蒸気含有):
二酸化炭素濃度0%〜16%で2%刻み、水蒸気10%、酸素濃度10%、残余は窒素。
本実施例では、自動車のエンジンの排気管にあらかじめ感度特性を特定しておいたガスセンサ100を付設した状態で、排気ガス中の二酸化炭素の検出を全8回行い、それぞれについて二酸化炭素検出電流Ip2を求めた。排気ガスの成分比は検出を行う度に変化しており、検出は、3日に分けて行った。ただし、いずれの場合も、第1内部空所20の酸素分圧が10−25atm、第2内部空所40の酸素分圧が10−10atm、第2測定用内側ポンプ電極44の表面における酸素分圧が10−5atmとなるように、V0、V1、V2の目標値を設定した。
2 第2基板層
3 第3基板層
4 第1固体電解質層
5 スペーサ層
6 第2固体電解質層
10 ガス導入口
11 第1拡散律速部
12 緩衝空間
13 第4拡散律速部
20 第1内部空所
21 主ポンプセル
22 主内側ポンプ電極
23 外側ポンプ電極
24、46、52 可変電源
30 第2拡散律速部
40 第2内部空所
41 第3酸素分圧検出センサセル
42 基準電極
43 基準ガス導入空間
44 第2測定用内側ポンプ電極
45、145 第3拡散律速部
47 第2測定ポンプセル
48 基準ガス導入層
50 第1測定ポンプセル
51 第1測定用内側ポンプ電極
60 第1酸素分圧検出センサセル
61 第2酸素分圧検出センサセル
80 第3内部空所
100、200 ガスセンサ
101、201 センサ素子
Claims (9)
- 酸素イオン伝導性の固体電解質からなるセンサ素子を用いて構成され、被測定ガス中の水蒸気成分および二酸化炭素成分の濃度を、前記固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサであって、
外部空間に連通し、前記被測定ガスに第1の拡散抵抗を付与する第1の拡散律速部と、
前記第1の拡散律速部と連通し、前記外部空間から前記第1の拡散抵抗のもとで被測定ガスが導入される第1の内部空所と、
前記第1の内部空所に連通し、前記被測定ガスに第2の拡散抵抗を付与する第2の拡散律速部と、
前記第2の拡散律速部と連通し、前記第1の内部空所から前記第2の拡散抵抗のもとで被測定ガスが導入される第2の内部空所と、
前記第1の内部空所に面して形成された主内側電極と、前記センサ素子の外面に形成された第1の外側電極と、前記主内側電極と前記第1の外側電極の間に存在する前記固体電解質とから構成された主電気化学的ポンピングセルと、
前記第2の内部空所に面して形成された第1測定用内側電極と、前記センサ素子の外面に形成された第2の外側電極と、前記第1測定用内側電極と前記第2の外側電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第1測定用電気化学的ポンピングセルと、
前記第2の内部空所内または前記第2の内部空所に連通する空間内であって、前記第1測定用内側電極に関して前記第2の拡散律速部と反対側の位置に形成された第2測定用内側電極と、前記センサ素子の外面に形成された第3の外側電極と、前記第2測定用内側電極と前記第3の外側電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第2測定用電気化学的ポンピングセルと、
基準ガスが導入される基準ガス空間と、
前記基準ガス空間に面して形成された基準電極と、
を備え、
前記主電気化学的ポンピングセルは、前記第1の内部空所において前記水蒸気成分および前記二酸化炭素成分が実質的に全て分解されるように前記第1の内部空所の酸素分圧を調整し、
前記第1測定用電気化学的ポンピングセルは、前記水蒸気成分の分解によって生成した水素が前記第2の内部空所において選択的に燃焼するように、前記第2の内部空所の酸素分圧を調整し、
前記第2測定用電気化学的ポンピングセルは、前記二酸化炭素成分の分解によって生成した一酸化炭素が前記第2測定用内側ポンプ電極の表面近傍において選択的に燃焼するように、前記第2測定用内側ポンプ電極の表面近傍の酸素分圧を調整し、
かつ、
前記第1測定用電気化学的ポンピングセルによって前記第2内部空所に酸素を供給する際に前記第1測定用内側電極と前記第2の外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに存在する前記水蒸気成分の濃度を特定し、
前記第2測定用電気化学的ポンピングセルによって前記第2測定用内側電極の表面に酸素を供給する際に、前記第2測定用内側電極と前記第3の外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに存在する前記二酸化炭素成分の濃度を特定する、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1に記載のガスセンサであって、
前記主内側電極と前記第1の外側電極との間に与える第1の電圧を調整することで、前記水蒸気成分および前記二酸化炭素成分が実質的に全て分解されるように前記第1の内部空所の酸素分圧が調整され、
前記第1測定用内側電極と前記第2の外側電極との間に与える第2の電圧を調整することで、前記水蒸気成分の分解によって生じた水素が全て燃焼するように、前記第2の内部空所の酸素分圧が調整され、
前記第2測定用内側電極と前記第3の外側電極との間に与える第3の電圧を調整することで、前記二酸化炭素成分の分解によって生じた一酸化炭素が全て燃焼するように、前記第2測定用内側電極の表面における酸素分圧が調整される、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項2に記載のガスセンサであって、
前記主内側電極と、前記基準電極と、前記主内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記主内側電極と前記基準電極との間の電圧の大きさを検出する第1の酸素分圧検出センサセルと、
前記第1測定用内側電極と、前記基準電極と、前記第1測定用内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第1測定用内側電極と前記基準電極との間の電圧の大きさを検出する第2の酸素分圧検出センサセルと、
前記第2測定用内側電極と、前記基準電極と、前記第2測定用内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第2測定用内側電極と前記基準電極との間の電圧の大きさを検出する測定センサセルと、
をさらに備え、
前記第1の酸素分圧検出センサセルにおける検出値に基づいて前記第1の内部空所の酸素分圧が調整され、
前記第2の酸素分圧検出センサセルにおける検出値に基づいて前記第2の内部空所の酸素分圧が調整され、
前記測定センサセルにおける検出値に基づいて前記第2測定用内側電極の表面における酸素分圧が調整される、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記水蒸気成分および前記二酸化炭素成分の濃度の特定を、
前記第1の内部空所の酸素分圧よりも前記第2の内部空所の酸素分圧の方が大きく、
前記第2測定用内側電極の表面における酸素分圧が前記第2の内部空所の酸素分圧以上である、
という関係をみたしつつ行う、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項4に記載のガスセンサであって、
前記水蒸気成分および前記二酸化炭素成分の濃度の特定を、
前記第1の内部空所の酸素分圧を10−10atm〜10−30atmとし、
前記第2の内部空所の酸素分圧を10−5atm〜10−15atmとし、
前記第2測定用内側電極の表面における酸素分圧を100atm〜10−15atmとして行う、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項4または請求項5に記載のガスセンサであって、
前記被測定ガスにおける酸素分圧が大きいほど、前記第1の内部空所における目標酸素分圧を小さくする、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記第2測定用内側電極が、前記第2の内部空所の表面に形成されてなる、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記センサ素子が、
前記第2の内部空所に連通し、前記被測定ガスに第3の拡散抵抗を付与する第3の拡散律速部と、
前記第3の拡散律速部に連通する第3の内部空所と、
をさらに備え、
前記第2測定用内側電極が、前記第3の内部空所の表面に形成されてなる、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記第1の外側電極、前記第2の外側電極、または前記第3の外側電極の少なくとも2つが共通である、
ことを特徴とするガスセンサ。
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