JPH0556464B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 従来の技術および発明が解決しようとする問題
点： 本発明は特許請求の範囲第１項上位概念に記載
のポーラログラフイツクセンサ、詳言すれば酸素
イオン伝導性固体電解質を有し、この固体電解質
が第１セルに属するアノードおよび測定ガスにさ
らされるカソードを支持し、これらの電極には一
定電圧を印加でき、カソードが孔または通路を有
する層で覆われている、限界電流原理により動作
する、ガス中の酸素含量を測定するためのポーラ
ログラフイツクセンサに関する。拡散限界電流原
理により動作するこのようなポーラログラフイツ
クセンサによれば、この拡散限界電流はセンサの
２つの電極に一定の電圧を印加した際に測定され
る。この電流は燃焼過程で発生する空気過剰に調
節された排ガス中では、カソードへのガスの拡散
が反応の進行速度を決定する限り酸素濃度に依存
する。このようなポーラログラフイツクセンサ
を、アノードもカソードも被検ガスにさらされ、
拡散限界電流範囲内の動作を達成するためカソー
ドが拡散バリヤを支持するように形成することは
すでに提案された。アノードはこのような拡散バ
リヤなしで測定ガスにさらされ、その結果参照電
極として役立つこのアノードは一定の酸素分圧に
支配されないことになり、特性曲線はλ＝１で電
流の急変を示し、空気過剰から燃料過剰へ連続的
に変化しないので、空気過剰範囲での測定に対し
て不利である。

即ち、限界電流式センサの機能原理から式
（）が生じる： λ カソード≪λ アノード …（） これから、測定ガスのλ値（つまり燃料過剰の測
定ガス）ならびに、アノードの相応するλ値に対
して、カソードにおいて式（）に基づき、固体
電解質が分解しはじめる程度の低い酸素分圧が生
じうる。これにより、電流は飛躍的に増加する。
これは、公知技術によるセンサに対する第４図に
よるIg−λ（限界電流−空気過剰率）曲線図の左
側部分曲線で認められる。

発明の構成および作用： 第２セルが、酸素イオン伝導性固体電解質上に
配置されたアノードおよびカソードを備えてお
り、該アノードおよび第１セルのアノードは測定
ガスに対して密閉された容積中に存在しかつ通路
を介して互いに結合され、第２セルのカソードは
測定ガスに直接さらされており、第２セルには同
様に電圧を印加できるので、第１セルのアノード
に過剰酸素が存在することを特徴とする。

アノード３ｂおよび２ｂを有する密閉された容
積は、望ましくはたんに自然の多孔性および／ま
たは通路中の高すぎる圧力を低減する細孔を介し
て測定ガスと結合している。本発明の有利な実施
形においては、第２セルの固体電解質は同時に第
１セルの固体電解質である。

特許請求の範囲第１項特徴部に記載の特徴を有
する本発明のポーラログラフイツクセンサは公知
技術に比して、内部的参照酸素を得ることによつ
てセンサの信号が空気過剰から燃料過剰へ連続的
に経過し、この曲線中にもはや電流急変が現れな
い利点を有する。第５図は本発明によるセンサの
限界電流曲線図を示し、これから公知技術による
曲線図（第４図）の左側部分曲線が避けられ、一
定のポンプ電圧におけるλ値に関する限界電流の
連続的経過を示す。その際外気と結合する必要な
しにこの参照酸素が得られる事実がとくに強調さ
れる。この事実によりセンサの構造が簡単にな
り、アノードを参照酸素としての外気と結合する
センサに比して組込場所の選択に大きい融通性が
得られる。

特許請求の範囲第４〜７項記載の手段によつて
特許請求の範囲第１項記載のセンサをさらに有利
に改善することができる。とくに２つのアノード
を結合する通路を多孔層として形成し、この層を
気密層で蔽い、第１セルのアノード上の気密層が
多孔層内の過圧制限に役立つ細孔を備えるのが有
利である。

次に本発明の実施例を図面により説明する。

実施例 センサは安定化された２酸化ジルコニウムから
なるたとえば50mm×８mm×１mmの固体電解質板１
からなる。この板は白金または白金および約40容
量％の安定化された２酸化ジルコニウムの混合物
からなる２つの電極２ａおよび２ｂを支持する。
電極２ａおよび２ｂならびに電解質１からなる第
１セルは本来の測定セルを形成し、このセルへ電
極２ａがカソード、電極２ｂがアノードを形成す
るように数ボルトの直流電圧を印加する。カソー
ド２ａは厚さ約15μｍの孔または通路を有する層
７いわゆる拡散バリヤによつて完全に蔽われ、ガ
スはこの拡散バリヤを貫通してのみカソード２ａ
に達することができる。拡散バリヤ７はたとえば
同様２酸化ジルコニウムからなり、全センサのカ
ソード２ａおよびアノード２ｂならびに固体電解
質板１からなる部分ができるだけ広い酸素分圧に
わたつて限界電流範囲内で動作するような多孔度
を有する。第２セルを形成するため固体電解質板
１は電極２ａおよび２ｂから少し離れてさらに前
記電極と同様に形成した２つの電極３ａおよび３
ｂを支持する。この第２セルの場合電極３ａはカ
ソード、電極３ｂはアノードを形成する。

第２セルのカソード３ａは、アノード３ｂに相
対している電解質１の側に配置されている（第１
図）。しかし、連続する成分カソード３ａ、固体
電解質１、アノード３ｂからなる第２セルが形成
し、該セルが電圧を印加することにより電極の間
で酸素をアノードへ汲出し、それにより特定の酸
素濃度が確保される限り、他の実施形によりカソ
ード３ａは固体電解質のアノード３ｂと同じ側に
配置するか（第１ｂ図）、またはもう１つの固体
電解質上に配置する（第１ｃ図）ことも可能であ
る。２つのカソード２ａと３ａの間にまず酸化ア
ルミニウムからなる絶縁層６ａが被覆され、この
層は一部電極２ａおよび３ａを蔽つてこれらの電
極を電気的に結合する導体路４ａを支持する。も
う１つの導体路５ａが電極３ａの反対側に設置さ
れ、２つのカソード２ａと３ａを電気的に接触さ
せる。２つの電極２ｂと３ｂの間の固体電解質上
には同様まず酸化アルミニウムからなる絶縁層６
ｂが配置され、この層は電極２ｂに接触するけれ
ど電極３ｂに接触しないもう１つの導体路４ｂを
支持する。電極３ｂの接触はもう１つの導体路５
ｂを介して行われる。導体路は同様白金または白
金−２酸化ジルコニウム混合物または他の電導性
材料からなる。電極２ｂおよび３ｂならびに導体
路４ｂの上に高度に多孔性の層８があり、この層
はたとえば炭酸アンモニウムのような発泡剤を高
率に含む酸化アルミニウムからなる。この多孔層
８は再結晶性ガラスたとえばアルカリ土ケイ酸塩
ガラスからなる気密層９によつて蔽われ、この層
９は電極２ｂを包囲して固体電解質１まで達し、
他端で導体路５ｂの一部を蔽う。

従つて、第２セルのアノード３ｂは、多孔層か
らなる通路８を介して第１セルのアノード２ｂと
結合していて、双方のアノード２ｂと３ｂは、測
定排ガスに対して気密のガラス層９によつて密閉
されている。

それ故、双方のアノードは測定ガスに対して密
閉された容積内に存在し、該容積は測定ガスと
は、気密のガラス層ならびに導体路（たとえば５
ｂ）または固体電解質を介して連絡しているにす
ぎず、この場合ガラス層および固体電解質には一
定の自然の多孔性が存在する。従つて、アノード
２ｂと３ｂは実質的に測定ガスにさらされず、ポ
ンプ電流ならびにアノードを取囲む層のち密性に
依存する酸素高濃度雰囲気にさらされる。

第２図は板状センサのカソード側、第３図はア
ノード側を示す。電極２ａおよび２ｂがセンサ先
端の中心に配置されていることが明らかである。
電極３ａはリング状に、電極３ｂはＵ形に形成さ
れる。この配置のため導体路４ａおよび５ｂは連
続した１つの帯にすることができる。アノード側
で導体路４ｂおよび５ｂは別個に走る。カソード
２ａは拡散バリヤ７で蔽われる。アノード側を示
す第３図では層８および９は除去されている。

導体路５ａおよび４ｂへ電極２ａと２ｂの間の
酸素濃度を測定するための拡散限界電流を発生す
る約１ボルトの直流電圧が印加される。導体路５
ａおよび５ｂへ、両方の場合に導体路５ａに直流
電圧源の陰極があるように、もう１つの約１ボル
トの直流電圧源が接続される。導体路５ａと５ｂ
の間の直流電圧によりいわゆるポンプ電流が得ら
れ、これは酸素分子が電極３ａからイオンの形で
固体電解質１を通つて電極３ｂへ移動し、そこで
放電し、したがつて酸素分子が発生するために役
立つ。電極３ａは電極２ａと異なり拡散バリヤを
備えず、したがつて測定ガスの酸素分子は妨げら
れずに電極３ａに入るので、電極３ｂの酸素濃度
は電極２ｂにおけるより高い。この酸素分子は多
孔層８を通つて電極２ｂまで達し、そこで微細な
孔１０によつて酸素過圧が防止される。しかし電
極２ｂは酸素過剰に支配されるので、電極２ａお
よび２ｂならびに固体電解質１からなるセルは酸
素過剰によつて、すなわち外気の酸素と結合する
必要なく、参照酸素によつて動作する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による板状センサ先端部の断面
図、第１ｂ図は他の実施形による第２セルのカソ
ードの配置を示すセンサの概略断面図、第１ｃ図
はもう１つの実施形による同上概略断面図、第２
図はカソード側平面図、第３図はアノード側平面
図であり、第４図は公知技術によるセンサの限界
電流曲線図、第５図は本発明によるセンサの限界
電流曲線図である。 １……固体電解質、２ａ，３ａ……カソード、
２ｂ，３ｂ……アノード、４ａ，４ｂ，５ａ，５
ｂ……導体路、６ａ，６ｂ……絶縁層、７……拡
散バリヤ、８……多孔層、９……気密層、１０…
…細孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸素イオン伝導性固体電解質１を有し、この
   固体電解質が第１セルのアノード２ｂおよび測定
   ガスにさらされる第１セルのカソード２ａを支持
   し、これらの電極には一定電圧を印加でき、第１
   セルのカソード２ａが孔または通路を有する層７
   で覆われている、限界電流原理により動作する、
   ガス中の酸素含量を測定するためのポーラログラ
   フイツクセンサにおいて、第２セルが、酸素イオ
   ン伝導性固体電解質上に配置されたアノード３ｂ
   およびカソード３ａを備えており、第２セルのア
   ノード３ｂおよび第１セルのアノード２ｂは測定
   ガスに対して密閉された容積中に存在しかつ通路
   ８を介して互いに結合され、第２セルのカソード
   ３ａは測定ガスに直接さらされており、第２セル
   には同様に電圧を印加できるので、第１セルのア
   ノード２ｂに過剰酸素が存在することを特徴とす
   るガス中の酸素含量を測定するためのポーラログ
   ラフイツクセンサ。 ２ 第２セルのアノード３ｂおよび第１セルのア
   ノード２ｂを有する密閉された容積が、たんに自
   然の多孔性および／または通路８中の高すぎる圧
   力を低減する細孔１０を介して測定ガスと結合し
   ている特許請求の範囲第１項記載のセンサ。 ３ 第２セルの固体電解質が同時に第１セルの固
   体電解質１である特許請求の範囲第１項記載のセ
   ンサ。 ４ 通路８が多孔層からなり、この層が気密層９
   で蔽われている特許請求の範囲第１項記載のセン
   サ。 ５ 第１セルのアノード２ｂ上の気密層９が過圧
   制限作用をする細孔１０を有する特許請求の範囲
   第４項記載のセンサ。 ６ 第１セルのカソード２ａおよび第２セルのカ
   ソード３ａが１つの導体路４ａで結合され、かつ
   共通の接続導体路５ａを有し、第１セルのアノー
   ド２ｂおよび第２セルのアノード３ｂはそれぞれ
   １つの接続導体路４ｂないしは５ｂを有する特許
   請求の範囲第１項記載のセンサ。 ７ 導体路４ａおよび４ｂが層６ａおよび６ｂに
   よつて固定電解質１に対し電気的に絶縁されてい
   る特許請求の範囲第６項記載のセンサ。