JPH0241579Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は限界電流型酸素濃度検出器に関するも
のである。

（従来技術） 自動車等の内燃機関の空燃比制御や排気ガス浄
化のために、またボイラーの燃焼状態制御のため
に酸素濃度検出器が使用されている。この酸素濃
度検出器には種々のものが知られているが、その
うちの一つとして限界電流型酸素濃度検出器が開
発されている。この限界電流型酸素濃度検出器は
板状の酸素イオン透過性固体電解質の両面に電極
を設けて素子本体となしこの素子本体の両電極間
に一定の電圧を印加してやると一方の電極（陰
極）側から他方の電極（陽極）側に酸素イオンが
透過するので、その際少くとも一方の電極から入
る（または出る）酸素イオン量を制限してやると
被測定ガス中の酸素濃度に応じて両電極間に限界
電流が流れることを利用したものである。この限
界電流型酸素濃度検出器において、素子本体の一
方の電極面への酸素の拡散速度を律速させる方法
としては、電極面上にプラズマ溶射して多孔質セ
ラミツクコーテイング層を形成する方法やセラミ
ツク板に細孔を開けた拡散板を電極面上に配置す
る方法によつている。

しかしながら、上記構造のセンセ素子を用いて
酸素濃度を測定する際に、センサ周辺の雰囲気温
度が比較的低く（約600℃まで）、未燃焼ガス成分
を含む非平衡ガス中で使われるような場合にはセ
ンサ出力に誤差を生ずるという欠点があつた。す
なわち、未燃焼ガス成分が拡散層や拡散孔を通つ
て電極上に到達する際に酸素と可燃性ガスの拡散
速度に差があるため、電極（Pt）によつて測定
される酸素ガス濃度と拡散層または拡散孔外の実
際の雰囲気中の酸素ガス濃度との間にはずれが生
じていた。

（考案の目的） 本考案は上記従来技術における問題点を解決す
るためのものであり、その目的とするところは未
反応の可燃性ガスを拡散層または拡散孔を通過前
に完全に燃焼させるようにした酸素濃度検出器を
提供することにある。

（考案の構成） すなわち、本考案の限界電流型酸素濃度検出器
は、板状の酸素イオン透過性固体電解質の両面に
電極を形成してなるセンセ素子の、陰極面側に設
けられた酸素ガス流入量を制限するための多孔質
拡散層または細孔を穿設した拡散板上に、白金、
パラジウム、ロジウム等の触媒金属を担持したフ
イルターを配置したことを特徴とする。

本考案において触媒金属を担持するためのフイ
ルターは、限界電流型酸素濃度検出器の素子が通
常700℃以上の温度でよく作動することから、こ
のような温度に耐えられるフイルターであれば使
用でき、例えばガラス繊維、天然無機質繊維など
からなるもの、軽石のような発泡セラミツクス、
などが使用できる。繊維質フイルターは、上記繊
維を多数の針で単にパンチングしたマツト状のも
のでもよいし、また接着剤等で適当な孔度の板に
成形固着したものでもよく、更にガラスフイルタ
ー状にそれ自体融着したものであつてもよい。

また、発泡ポリウレタン等のプラスチツク発泡
体をアルミナ等のセラミツクスラリー中に浸漬
し、発泡体のセル（細胞）表面にセラミツク層を
形成したのち、焼成して有機物を燃焼除去して作
るセラミツクフイルターを用いてもよい。

これらのフイルターの孔度は、ススやゴミなど
被測定ガス中に含まれる微小な固体または場合に
よつては液体を通過させない程度の大きさのもの
であればよいが、フイルターの空気の透過度は拡
散層または拡散板のそれよりも大きくすることが
必要である。通常は10〜600μ位の大きさの孔を
多数有するものであれば使用できる。

フイルターがセラミツクフイルターのように板
状のもののときには、熱膨張率が検出器本体と同
程度のものとすると、熱衝撃に耐えられるため有
利である。フイルターの厚さは特に重要ではない
が、被測定ガス中に未燃焼炭化水素やタール状物
質のミストを含むときは厚くしたほうがよい。

上記フイルターに担持する触媒金属としては白
金（Pt）、パラジウム（Pd）、ロジウム（Rh）等
の貴金属が挙げられる。これらの貴金属は単独ま
たは組合せてフイルター上に担持する。好ましい
担持量は例えば白金の場合にはフイルター１当
り１ｇ前後である。またこれらの貴金属以外に活
性向上のため、セリウム（Ce）、ランタン（La）
等の希土類金属や、鉄（Fe）、ニツケル（Ni）等
の卑金属を組合せて使用することもできる。

触媒金属を担持したフイルターは１枚のみ、ま
たは２枚以上重ねて使用することができる。２枚
以上重ねて使用する場合にはフイルターの孔度お
よび触媒金属の種類や担持量を各フイルターごと
に変えることもできる。例えば２枚使用する場合
には、被測定ガスの流入側より比較的目の荒いフ
イルターを、次いで目の細かいフイルターを配置
すれば被測定ガス中に含まれる微少な固体等によ
り塞閉し難くなる。また、上記において触媒金属
の一部としてパラジウムを使用する場合には内部
のフイルターに担持すれば鉛や燐等の被毒物質か
ら効果的に守ることができる。

（実施例） 以下に本考案の一実施例を図面にしたがつて説
明する。なお本考案は下記実施例に限定されるも
のではない。

実施例 １： 第１図は触媒金属を担持したフイルターを使用
した本考案検出器の断面図で、１は酸素イオン透
過性固体電解質セル、５はセル１のホルダーを兼
ねた拡散板、６は拡散孔、９は触媒金属を担持し
たセラミツクガスフイルター、１１はハウジング
そして１２はセラミツクチユーブを示す。この検
出器は例えば次の方法によつて作られる。

固体電解質セル１は、原料粉として例えば、イ
ツトリアを８モル％添加したジルコニア粉末を用
い、この原料粉を金型で約1000Kg／cm²の圧力にて
円板状に成形する。この粉末成形体のセル１のテ
ーパ部分１′と上面の一部に白金ペーストを塗布
し、しかる後約1700℃で焼成して、粉末成形体を
焼結すると同時にメタライズ層２および陰電極取
り出し用リード部２′を形成する。焼成後、セル
１の上下表面に塩化白金酸と水素化ホウ素ナトリ
ウム水溶液によつて化学メツキを施し、その後電
気メツキにより約1μの白金メツキを施して陰電
極３と陽電極４を得た。

陰電極３面へのガス拡散孔およびセル１の固定
用としてのホルダーを兼ねた拡散板５は、原料粉
として固体電解質セル１と同じ熱膨張率を持つ耐
熱性セラミツクならば何でもよく、例えばセル１
と同じ粉末を用いてラバープレスで1000Kg／cm²の
圧力にて成形し、その中央にガス拡散孔６をあけ
ることによつて作る。この拡散孔６はセンサ（素
子）の出力を決定する上で重要なものであり、孔
をあける方法としては、圧粉成形時のドリル加工
あるいは高温で焼失してしまう細い糸を埋め込
む。または焼成後超音波、レーザー加工などの方
法などが考えられるが、もつとも細かく制御でき
る方法が好ましい。

次に、拡散板５の下側内縁および外周と上面の
一部に白金ペーストを塗布し、しかる後約1700℃
で焼成すると同時にメタライズ層７を形成する。
セル１と拡散板５との間のシール材８には0.5mm
φの白金リングを用いた。

上記のようにして作つたセル１と拡散板５と
を、間にシール材８が介在するようにして重ねて
保持具（図示せず）に収納し、第１図の矢印Ａ方
向すなわちセル１側から拡散板５側に荷重を加
え、空気中にて1000〜1200℃の高温状態に30〜90
分間保持し、固体電解質セル１のメタライズ層２
とシール材８およびシール材８と拡散板５のメタ
ライズ層７との間を拡散接合せしめ、センサを密
封した。

次に拡散板５の上面に、平均細孔径が10〜
600μのセラミツクガスフイルターを塩化白金酸
溶液中に浸漬し引き上げて乾燥後焼成して触媒化
したフイルター９（白金担持量約１ｇ／）を無
機接着剤１０で接着する。

以上のようにして作られた素子をセラミツクヒ
ーター１５を内蔵したハウジング１１内に装着
し、セラミツクチユーブ１２で押えて固定して目
的とする検出器を得る。なお、第１図において１
３は陰電極リード線、１４は陽電極リード線を示
し、これらリード線はワイヤのほか上記と同様に
白金メタライズ層としてもよい。

上記において、セラミツクガスフイルター９と
して平均細孔径100μのアルミナ多孔板（厚さ１
mm）を用い、拡散板５として拡散孔６の大きさ
0.6mmφ、厚さ３mmのジルコニア板を用いて本考
案の検出器を昨つた。

実施例 ２： 実施例１における平均細孔径100μのアルミナ
多孔板（厚さ１mm）の代わりに平均細孔径200μ
（厚さ0.5mm）と平均細孔径50μ（厚さ0.5mm）の多
孔板を用いて、他は実施例１と同様の方法により
本考案の検出器を作つた。

第２図は実施例２の検出器の触媒金属を担持し
たフイルター部分の一部拡大断面図である。図
中、１６は平均細孔径50μの多孔板を、１７は平
均細孔径200μの多孔板を表わす。

比較例： アルミナ多孔板に白金触媒を担持しない外は実
施例１と同様の方法により、比較例の検出器を作
つた。

性能比較試験： モデルガス（酸素、窒素、水素ガスの混合物）
を用いて本考案の実施例１の検出器と比較例の検
出器の非平衡ガス存在下での出力を比較した。試
験は窒素（N₂）600ml／minと水素（H₂）90ml／
minと酸素（O₂）よりなる混合ガス流を用いて、
酸素ガス流量を充分過剰な側から徐々に減少させ
ていつた場合の検出器の出力電流の変化をガス温
700℃，600℃，500℃において測定することによ
り行つた。

第３図は本考案の検出器の酸素−可燃性ガス当
量比と出力電流の関係を表わし、第４図は従来の
検出器の酸素−可燃性ガス当量比と出力電流との
関係を表わす。両図中、Ａ，ａはガス温700℃に
おける関係は同じくＢ，ｂは600℃、Ｃ，ｃは500
℃における関係を表わす。

第３図と第４図を比較すると明らかなように、
従来の検出器においてはガス温が異なる場合には
出力電流と酸素−可燃性ガス当量比との関係が異
なる。このことは検出器を内燃機関やボイラーに
使用した場合に、運転変動に伴つて出力電流が変
化することを意味し、正確な空気量の調節が困難
となる。これに対し本考案の検出器はガス温の変
動による影響が実質的に認められず、常に正確な
空気量の調節ができる。

（考案の効果） 上述のように、本考案の限界電流型酸素濃度検
出器は排出ガス浄化用の触媒金属を担持したフイ
ルターを有するので、500℃ないし600℃等の未燃
性ガスが存在する温度においても未燃性ガスがフ
イルターを通過する際に完全に燃焼し、排気ガス
の温度の変動に影響されることなく常に正確な酸
素濃度を検出できるため、内燃機関の空燃化やボ
イラー等の燃焼状態を正確に制御するうえで優れ
た効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の酸素濃度検出器の一実施例の
断面図、第２図は他の実施例の触媒金属を担持し
たフイルター部分の一部拡大断面図、第３図は本
考案の酸素濃度検出器の酸素−可燃性ガス当量比
と出力電流との関係を表わすグラフ、第４図は従
来の酸素濃度検出器の酸素−可燃性ガス当量比と
出力電流との関係を表わすグラフである。 １……酸素イオン透過性固体電解質セル、１′
……テーパ部分、２……メタライズ層、２′……
リード部分、３……陰電極、４……陽電極、５…
…拡散板、６……拡散孔、７……メタライズ層、
８……シール材、９……触媒化したフイルター、
１０……無機接着剤、１１……ハウジング、１２
……セラミツクチユーブ、１３……陰電極リード
線、１４……陽電極リード線、１５……セラミツ
クヒーター、１６……平均細孔径50μの多孔板、
１７……平均細孔径200μの多孔板。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 板状の酸素イオン透過性固体電解質の両面に電
   極を形成してなるセンサ素子の、陰極面側に設け
   られた酸素ガス流入量を制限するための多孔質拡
   散層または細孔を穿設した拡散板上に、白金、パ
   ラジウム、ロジウム等の触媒金属を担持したフイ
   ルターを配置したことを特徴とする限界電流型酸
   素濃度検出器。