JP7103930B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
初めに、本実施の形態に係るセンサ素子101を含む、ガスセンサ100の概略構成について説明する。本実施の形態において、ガスセンサ100は、センサ素子101によってNOxを検知し、その濃度を測定する、限界電流型のNOxセンサである。
ガスセンサ100においては、第2内部空所40内の酸素分圧を一定に保った状態において、ポンプ電流Ip2が被測定ガス中に存在するNOx濃度に略比例することを利用して、NOx濃度が算出される。ただし、ポンプ電流Ip2には、被測定ガス中にわずかに存在するO2が分解することによって流れるオフセット電流が重畳している。オフセット電流は、NOx濃度が0の場合(被測定ガス中にNOxが存在しない場合)に流れる電流に相当する。よって、オフセット電流の値が小さいほど、ガスセンサ100は良好な測定精度を有しているといえる。
(b)補助ポンプ電極51の気孔率P2:30%~50%;
(c)内側ポンプ電極22の厚みT1と補助ポンプ電極51の厚みT2の比T1/T2:1.0~4.0;
(d)基準電流密度:0.05mA/mm2~0.5mA/mm2。
本実施の形態に係るガスセンサ100においては、上述の4つの要件に加え、さらに、以下の要件が充足されることで、各ポンプセルのフィードバック制御性の向上が実現されている。具体的には、センサ素子101は次の要件(e)をさらに充足するように構成されてなる。
次に、上述のような構成および特徴を有するセンサ素子101を製造するプロセスについて説明する。本実施の形態においては、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含むグリーンシートからなる積層体を形成し、該積層体を切断・焼成することによってセンサ素子101を作製する。
上述の実施の形態においては、測定電極44が、多孔質の保護膜として機能するとともに被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第4拡散律速部45に被覆される態様にて第2内部空所40に配置されてなり、該第4拡散律速部45によって、測定電極44に流入するNOxの量が制限されていたが、これに代わり、被測定ガスに対し第4拡散律速部45と同等の拡散抵抗を付与する、例えばスリット状のあるいは多孔質の拡散律速部にて第2内部空所40と連通する第3内部空所を設け、該第3内部空所に測定電極44を設けるようにしてもよい。内部空所を3つ備えるセンサ素子であっても、4つの要件(a)~(d)を充足することで、内側ポンプ電極22における耐久性確保と、オフセット電流の低減との両立は実現される。さらに要件(e)が充足される場合には、各ポンプセルのフィードバック制御性の向上が実現される。
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2拡散律速部
20 第1内部空所
21 主ポンプセル
22 内側ポンプ電極
23 外側ポンプ電極
24、46、52 可変電源
30 第3拡散律速部
40 第2内部空所
41 測定ポンプセル
42 基準電極
43 基準ガス導入空間
44 測定電極
45 第4拡散律速部
48 大気導入層
50 補助ポンプセル
51 補助ポンプ電極
70 ヒータ部
80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル
81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル
82 測定ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル
100 ガスセンサ
101 センサ素子
Claims (3)
- 酸素イオン伝導性の固体電解質で構成されたセンサ素子を備える、被測定ガス中のNOxの濃度を特定可能な限界電流型のガスセンサであって、
前記センサ素子が、
外部空間から被測定ガスが導入されるガス導入口と、
前記ガス導入口と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第1の内部空所と、
前記第1の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第2の内部空所と、
前記第1の内部空所に面して設けられた内側ポンプ電極と、前記センサ素子の表面に設けられた外側ポンプ電極と、前記内側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、主ポンプセルと、
前記第2の内部空所に面して設けられた補助ポンプ電極と、前記外側ポンプ電極と、前記補助ポンプ電極と前記外側ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、補助ポンプセルと、
前記センサ素子の内部に配置されてなり、前記第2の内部空所との間に少なくとも拡散律速部を有する測定電極と、
前記測定電極と、前記外側ポンプ電極と、前記測定電極と前記外側ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、測定ポンプセルと、
を有してなり、
前記内側ポンプ電極の気孔率P1が10%~25%であり、
前記補助ポンプ電極の気孔率P2が30%~50%であり、
前記内側ポンプ電極の厚みT1と前記補助ポンプ電極の厚みT2の比T1/T2が1.0~4.0であり、
前記被測定ガスの酸素濃度が20.5%であるときに前記主ポンプセルに流れる電流の電流密度が0.05mA/mm2~0.5mA/mm2である、
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、
前記センサ素子が、
前記センサ素子の外部から基準ガスとして大気が導入される大気導入層と、
前記大気導入層に被覆されてなる基準電極と、
前記内側ポンプ電極と、前記基準電極と、前記内側ポンプ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る電気化学的センサセルである、主ポンプ制御用センサセルと、
前記補助ポンプ電極と、前記基準電極と、前記補助ポンプ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る電気化学的センサセルである、補助ポンプ制御用センサセルと、
前記測定電極と、前記基準電極と、前記測定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る電気化学的センサセルである、測定ポンプ制御用センサセルと、
をさらに有してなり、
前記主ポンプセルは、前記主ポンプ制御用センサセルにおいて前記内側ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力に応じた主ポンプ電圧を前記内側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極との間に印加することによって、前記第1の内部空所に存在する前記被測定ガス中の酸素を汲み出し、
前記補助ポンプセルは、前記補助ポンプ制御用センサセルにおいて前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力に応じた補助ポンプ電圧を前記補助ポンプ電極と前記外側ポンプ電極との間に印加することによって、前記第2の内部空所に導入された前記被測定ガス中の酸素を汲み出し、これによって酸素分圧が前記第1の内部空所よりもさらに低められた前記被測定ガスが、前記測定電極に到達し、
前記測定ポンプセルは、前記測定ポンプ制御用センサセルにおいて前記測定電極と前記基準電極との間に生じる起電力に応じた測定ポンプ電圧を前記測定電極と前記外側ポンプ電極との間に印加することによって、前記測定電極において生じた酸素を汲み出し、
前記内側ポンプ電極と前記補助ポンプ電極の気孔率差P2-P1が30%以内である、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1または請求項2に記載のガスセンサであって、
前記内側ポンプ電極と前記補助ポンプ電極の厚みが5μm~30μmであり、面積が5mm2~20mm2である、
ことを特徴とするガスセンサ。
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