JPS60259949A - Electrochemical element and apparatus - Google Patents

Electrochemical element and apparatus

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JPS60259949A
JPS60259949A JP59116226A JP11622684A JPS60259949A JP S60259949 A JPS60259949 A JP S60259949A JP 59116226 A JP59116226 A JP 59116226A JP 11622684 A JP11622684 A JP 11622684A JP S60259949 A JPS60259949 A JP S60259949A
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solid electrolyte
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electrochemical
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

Abstract

PURPOSE:To reduce effect of a pump voltage on a sensor electromotive force and aging with an excellent response by arranging an electrochemical pump cell and an electrochemical sensor cell to insulate solid electrolytic layers thereof electrically from each other with a high resistance ceramic layer. CONSTITUTION:An oxygen pump cell 2 and an oxygen concentration detection cell 4 are laminated through a high resistance ceramics layer 6 and sintered integrally. The cell 2 having a porous solid electrolytic layer 8 with a predetermined diffusion resistance is equipped with an outer pump electrode 10 on the surface exposed to gas to be measured such as exhaust gas while an inner pump electrode 12 is provided at the position corresponding to the electrode 10. The cell 4 has an airtight solid electrolytic layer 16 and an outer reference electrode 18 to be brought into contact with a reference gas is joined with a measuring electrode 20. The electrode 20 is made common to an electrode 12 and the electrodes 20 and 18 are connected to a measuring device 22. The layer 6 has a notch hole 24 at the position corresponding to the electrode 12. This can reduce effect of pump voltage on a sensor electromotive force and aging with an excellent response.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気化学的素子および装置に係り、特に固体
電解質を用いた積層型の電気化学的セルにて構成される
素子および装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an electrochemical element and apparatus, and more particularly to an element and apparatus constituted by a stacked electrochemical cell using a solid electrolyte.

従来より、固体電解質を用いた電気化学的素子にて構成
される装置、例えば自動車用内燃機関の排気ガス中の酸
素濃度を検出する酸素センサとして、ジルコニア磁器な
どの酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた、酸素濃淡
電池の原理を利用して酸素濃度をめるセンサ等が知られ
ている。また、かかる酸素センサと同様な濃淡電池の原
理を利用した水素、窒素、炭酸ガスなどの検出器やポン
プなどの電気化学的装置(素子)も知られている。そし
て、そのような装置の電気化学的素子において用いられ
る固体電解質としては、これまで一層の有底円筒形状を
為すものが一般的であったが、より広い応用範囲を対象
として、近年、複数の固体電解質層を用い、所定の電極
を該固体電解質の面に接して設けて、電気化学的セルを
構成した積層構造のものが検討されてきている。
Conventionally, oxygen ion conductive solid electrolytes such as zirconia porcelain have been used in devices constructed with electrochemical elements using solid electrolytes, such as oxygen sensors that detect the oxygen concentration in the exhaust gas of automobile internal combustion engines. Sensors that measure oxygen concentration using the principle of an oxygen concentration battery are known. Further, electrochemical devices (elements) such as hydrogen, nitrogen, carbon dioxide, etc. detectors and pumps that utilize the same concentration cell principle as the oxygen sensor are also known. Until now, solid electrolytes used in the electrochemical elements of such devices have generally had a cylindrical shape with a bottom, but in recent years, several types of solid electrolytes have been developed to cover a wider range of applications. A stacked structure in which an electrochemical cell is constructed by using a solid electrolyte layer and providing a predetermined electrode in contact with the surface of the solid electrolyte has been studied.

ところで、かかる積層構造の電気化学的素子の一つとし
て、固体電解質の両面にそれぞれ多孔質な電極を設けて
なる電気化学的セルの複数を組み合わせて、その一つを
電気化学的ポンプセルと為し、また他の一つを電気化学
的センサセルとして構成したものが知られているが、そ
のような素子にあっては、固体電解質を介して一体焼結
せしめた積層構造とされているところから、そのポンプ
セル部、具体的にはそのポンプ電極に所定の電圧を印加
せしめて、ポンプ機能を発揮せしめようとした場合にお
いて、その印加電圧が他方のセンサセル部側に漏れ、セ
ンサセルの起電力に影響を及ぼし、これが測定誤差を惹
起させる等の問題があった。
By the way, as one such electrochemical element having a laminated structure, a plurality of electrochemical cells each having porous electrodes on both sides of a solid electrolyte are combined, and one of them is used as an electrochemical pump cell. It is also known that the other one is configured as an electrochemical sensor cell, but such an element has a laminated structure that is integrally sintered with a solid electrolyte interposed in between. When an attempt is made to apply a predetermined voltage to the pump cell section, specifically the pump electrode, to perform the pump function, the applied voltage leaks to the other sensor cell section and affects the electromotive force of the sensor cell. There was a problem that this caused measurement errors.

また、このような二つの電気化学的セルを備えた電気化
学的素子として、5AE810433に示されるように
、それらセル間に位置するように内部にキャビティを設
け、そして予め定められた拡散抵抗を有する拡散孔(ピ
ンホール)を設け、該拡散孔を介して、該キャビティを
外部の被測定ガス雰囲気に通ずるようにした構造のもの
も明らかにされているが、このようにピンホールを介し
て内部のキャビティが外部と連通せしめられる構造の素
子にあっては、スス等の付着物がピンホール内壁に堆積
して、その拡散抵抗を変化させてしまうこと、および内
部に所定の厚さを有するキャビティが必要であるため、
応答性が不充分であること等の問題があった。
Furthermore, as shown in 5AE810433, an electrochemical device having two such electrochemical cells has a cavity located between the cells and has a predetermined diffusion resistance. Some structures have been disclosed in which a diffusion hole (pinhole) is provided and the cavity is communicated with the external gas atmosphere to be measured through the diffusion hole. In devices with a structure in which a cavity communicates with the outside, deposits such as soot may accumulate on the inner wall of the pinhole, changing its diffusion resistance, and if the cavity has a predetermined thickness inside. Since it is necessary,
There were problems such as insufficient responsiveness.

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、その目的とするところは、応答性に
優れ、ポンプ電圧がセンサ起電力に影響を及ぼすことが
なく、また付着物の影響を受け難い電気化学的セルを提
供することにあり、そしてそのために、少なくとも一部
分が多孔質のイオン伝導性固体電解質層の表面に一対の
多孔質な第−及び第二の電極を配置した第一の電気化学
的セルと、気密質のイオン伝導性固体電解質層の表面に
一対の多孔質な第三及び第四の電極を設けた第二の電気
化学的セルと、それら二つのセルの間に介在し、少なく
とも該第−の電気化学的セルの(多孔質の)イオン伝導
性固体電解質層と該第二の電気化学的セルの(気密質の
)イオン伝導性固体電解質層とを電気的に絶縁する高抵
抗なセラミックス層との、積層構造体であり、且つ該第
−の電気化学的セルの第二の電極と該第二の電気化学的
セルの第三の電極が実質的に同一の雰囲気に晒されるよ
うに、電気化学的素子を構成するようにしたのである。
The present invention has been made against this background, and aims to provide excellent responsiveness, prevent the pump voltage from affecting the sensor electromotive force, and prevent deposits from forming on the sensor. and for this purpose, a pair of porous first and second electrodes are disposed on the surface of an ion-conducting solid electrolyte layer that is at least partially porous. a first electrochemical cell; a second electrochemical cell having a pair of porous third and fourth electrodes on the surface of an airtight ion-conducting solid electrolyte layer; interposed between at least the (porous) ionically conductive solid electrolyte layer of the first electrochemical cell and the (airtight) ionically conductive solid electrolyte layer of the second electrochemical cell. a laminated structure including a high-resistance ceramic layer that insulates the second electrochemical cell, and the second electrode of the second electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are substantially insulated. The electrochemical elements were constructed so that they were exposed to the same atmosphere.

従って、かかる本発明によれば、少なくともポンプセル
及びセンサセルとして用いられる二つの電気化学的セル
の固体電解質層は、高抵抗なセラミックス層によって電
気的に絶縁されているところから、ポンプセルの電極に
所定のポンプ電圧が印加されても、センサセル側に電流
が漏れるようなことがなく、それ故センザセルの起電力
が影響を受ける問題は効果的に解消され得たのである。
Therefore, according to the present invention, since the solid electrolyte layers of at least two electrochemical cells used as a pump cell and a sensor cell are electrically insulated by a high-resistance ceramic layer, a predetermined distance is provided between the electrodes of the pump cell. Even when a pump voltage is applied, no current leaks to the sensor cell side, and therefore the problem of the electromotive force of the sensor cell being affected can be effectively solved.

また、第一の電気化学的セルに多孔質のイオン伝導性固
体電解質層を用い、ガス拡散層としたことから、付着物
による拡散抵抗の変化が減少し、経時変化の少ない素子
を得ることができることとなったのである。
In addition, since a porous ion-conducting solid electrolyte layer is used as a gas diffusion layer in the first electrochemical cell, changes in diffusion resistance due to deposits are reduced, making it possible to obtain an element with little change over time. It became possible.

また、内部に所定の厚さを有するキャビティを必要とし
ないため、応答性に優れた素子を得ることができたので
ある。
Furthermore, since there is no need for a cavity with a predetermined thickness inside, it was possible to obtain an element with excellent responsiveness.

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、図面
に示す実施例に基づいて、本発明の構成を詳細に説明す
ることとする。
Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, the configuration of the present invention will be explained in detail based on embodiments shown in the drawings.

まず、第1図には、本発明に従う電気化学的素子の一具
体例である酸素濃度検出素子の基本的構造が展開して示
されている。すなわち、この酸素濃度検出素子(酸素セ
ンサ)は、第一の電気化学的セルとしての酸素ポンプセ
ル2と第二の電気化学的セルとしての酸素濃度検出セル
(センサセル)4とが多孔質な高抵抗セラミックス層6
を介して積層されて焼結、一体化せしめられた構造を有
するものであって、所謂リーンバーンセンサと称される
ものの一つである。
First, FIG. 1 shows an expanded view of the basic structure of an oxygen concentration detection element, which is a specific example of an electrochemical element according to the present invention. That is, in this oxygen concentration detection element (oxygen sensor), an oxygen pump cell 2 as a first electrochemical cell and an oxygen concentration detection cell (sensor cell) 4 as a second electrochemical cell are porous and have high resistance. Ceramic layer 6
It has a structure in which the sensors are laminated, sintered, and integrated through the layers, and is one of the so-called lean burn sensors.

そして、この素子を構成する酸素ポンプセル2は、イツ
トリア添加ジルコニア磁器等よりなる多孔質な平板状の
酸素イオン伝導性の固体電解質層8を有し、その一方の
側の面、即ち排気ガスなどの被測定ガスに晒される面に
、例えば白金及びイツトリア添加ジルコニアよりなる多
孔質層の外側ポンプ電極(第一の電極)10が設けられ
る一方、かかる多孔質固体電解質層8の他方の面(内側
面)には、該外側ポンプ電極10に対応する位置に、該
外側ポンプ電極10と同様な材質からなる、即ち多孔質
の白金−ジルコニアよりなる内側ポンプ電極(第二の電
極)12が設けられており、そしてそれらポンプ電極1
0.12は、それぞれのリード部を介して外部の電、源
14に接続されて、それら電極間に所定の電圧が印加せ
しめられるようになっている。
The oxygen pump cell 2 constituting this element has a porous flat plate-shaped oxygen ion conductive solid electrolyte layer 8 made of itria-doped zirconia porcelain, etc. An outer pump electrode (first electrode) 10 of a porous layer made of, for example, platinum and yttria-doped zirconia is provided on the surface exposed to the gas to be measured, while the other surface (inner surface) of the porous solid electrolyte layer 8 is provided. ) is provided with an inner pump electrode (second electrode) 12 made of the same material as the outer pump electrode 10, that is, made of porous platinum-zirconia, at a position corresponding to the outer pump electrode 10. and those pump electrodes 1
0.12 are connected to an external power source 14 through their respective lead portions, and a predetermined voltage is applied between these electrodes.

なお、かかる酸素ポンプセル2の多孔質固体電解質層8
は、その一方の側の面から他方の側の面に、被測定ガス
中の測定成分(ここでは酸素)をその開気孔を通じて所
定の拡散抵抗を以て拡散せしめ得る拡散層としての機能
を有している。また、この多孔質固体電解質層8は、内
側ポンプ電極12に接する部分が拡散層として機能して
いるのであり、その他の部分は必ずしも多孔質である必
要はなく、気密質の固体電解質であってもよい。そして
、該固体電解質層8とその外側及び内側の面にそれぞれ
接して設けられた一対の電極10,12にて構成される
電気化学的セルにおいて、それら電極10.1’2間に
印加される所定の直流電圧によって、よく知られている
ように、またその直流の電気量に比例した割合において
、上記の如き拡散によって内側ポンプ電極12側に導か
れた被測定ガス中の酸素を、電気化学的なポンプ作用に
よって、外側ポンプ電極10側に移行せしめ、そして被
測定ガス中に放出せしめるようになっている。
Note that the porous solid electrolyte layer 8 of the oxygen pump cell 2
has a function as a diffusion layer that allows the component to be measured (oxygen in this case) in the gas to be measured to diffuse from one surface to the other through its open pores with a predetermined diffusion resistance. There is. In addition, this porous solid electrolyte layer 8 has a portion that is in contact with the inner pump electrode 12 functioning as a diffusion layer, and the other portions do not necessarily have to be porous and must be an airtight solid electrolyte. Good too. In an electrochemical cell constituted by a pair of electrodes 10 and 12 provided in contact with the solid electrolyte layer 8 and its outer and inner surfaces, respectively, a voltage is applied between these electrodes 10.1'2. By using a predetermined DC voltage, as is well known, and at a rate proportional to the amount of electricity of the DC, the oxygen in the gas to be measured, which has been led to the inner pump electrode 12 side by the above-mentioned diffusion, is electrochemically Due to the pump action, the gas is transferred to the outer pump electrode 10 side and released into the gas to be measured.

また、酸素濃度検出セル4は、上記酸素ポンプ−Iy−
ル2トハ異なり、その固体電解質層としてイツトリア添
加ジルコニア磁器等よりなる気密質の平板状固体電解質
層16を用いており、この気密質量体電解質層16を挟
んでその両側の対応する位置に、基準酸素濃度の基準ガ
スに接触せしめられる外側の基準電極(第四の電極)1
8、および上記酸素ポンプセル2の内側ポンプ電極12
の周辺に存在する雰囲気に晒される測定電極(第三の電
極)20が接合せしめられることにより、酸素濃淡電池
としての電気化学的セルを構成している。
Further, the oxygen concentration detection cell 4 is connected to the oxygen pump -Iy-
The two models are different in that an airtight flat solid electrolyte layer 16 made of zirconia porcelain doped with ittria is used as the solid electrolyte layer. Outer reference electrode (fourth electrode) 1 brought into contact with reference gas of oxygen concentration
8, and the inner pump electrode 12 of the oxygen pump cell 2
By joining a measurement electrode (third electrode) 20 exposed to the atmosphere existing around the electrode, an electrochemical cell as an oxygen concentration battery is constructed.

なお、ここでは、この測定電極20は、内側ポンプ電極
12と共通な電極とされている。
Note that here, this measurement electrode 20 is a common electrode with the inner pump electrode 12.

そして、かかる測定電極2oと基準電極18とは、それ
ぞれリード部によって外部に導かれ、所定の測定装置(
電位差計)22に接続されて、それら電極間の電位が測
定されるようになっているのである。即ち、この酸素濃
度検出セル4においては、基準ガスに接触せしめられる
基準電極18と、被測定ガスからの制御された量の酸素
を含む、酸素ポンプセル2の内側ポンプ電極12回りの
雰囲気に接触せしめられる測定電極2oとの間において
、それらガス中の酸素濃度の差に基づく所定の起電力が
測定されることとなるのである。
The measuring electrode 2o and the reference electrode 18 are each guided to the outside by a lead part and installed in a predetermined measuring device (
It is connected to a potentiometer (potentiometer) 22 to measure the potential between these electrodes. That is, in this oxygen concentration detection cell 4, the reference electrode 18 is brought into contact with the reference gas, and the atmosphere around the inner pump electrode 12 of the oxygen pump cell 2, which contains a controlled amount of oxygen from the gas to be measured, is brought into contact with the reference electrode 18. A predetermined electromotive force based on the difference in oxygen concentration in these gases is measured between the gas and the measuring electrode 2o.

なお、酸素ポンプセル2の電極10.12は、ポンプイ
ンピーダンスを低くするために、第1図で示したように
、対向して配置されることが好ましいが、酸素濃度検出
セル4の電極(20)、18は必ずしも対向させる必要
はない。
Note that the electrodes 10.12 of the oxygen pump cell 2 are preferably disposed facing each other as shown in FIG. 1 in order to lower the pump impedance, but the electrodes (20) of the oxygen concentration detection cell 4 are , 18 do not necessarily have to face each other.

さらに、高抵抗のセラミックス層6は、多孔質アルミナ
あるいは特願昭58−239956号明細書記載の高抵
抗磁器等にて形成されると共に、前記内側ポンプ電極1
2(測定電極20)に対応する位置に切欠き穴24を有
しており、この切欠き穴24内に収容された電極が、酸
素ポンプセル2に対しては内側ポンプ電極12として作
用せしめられ、他方酸素濃度検出セル4に対しては、測
定電極20として機能せしめられるようになっている。
Further, the high-resistance ceramic layer 6 is formed of porous alumina or high-resistance porcelain described in Japanese Patent Application No. 58-239956, and the inner pump electrode 1
2 (measuring electrode 20), and the electrode accommodated in this notch hole 24 acts as the inner pump electrode 12 for the oxygen pump cell 2, On the other hand, the oxygen concentration detection cell 4 is configured to function as a measurement electrode 20.

そして、このような高抵抗セラミックス層6を間にして
、前記酸素ポンプセル2と酸素濃度検出セル4とが重ね
合わされて焼結され、一体化せしめられることによって
、目的とする電気化学的素子が構成されることとなるの
である。
Then, the oxygen pump cell 2 and the oxygen concentration detection cell 4 are stacked and sintered with such a high-resistance ceramic layer 6 in between, and are integrated, thereby constructing the intended electrochemical device. It will be done.

なお、かかる第1図に示される電気化学的素子の基本的
構造にあっては、酸素ポンプセル2の内側ポンプ電極1
2と酸素濃度検出セル4の測定電極20とが、共通極と
されて、構造的に簡略化せしめられ、また経済的にも有
利な構造とされているが、また第2図に示されるように
、かかる内側ポンプ電極12と測定電極20とを別体と
した基本構造を採用することも可能であり、そして、そ
のような別体の独立した電極構造とすることによって、
低温動作性が向上し、ヒステリシス特性を小さくするこ
とが可能である。
In addition, in the basic structure of the electrochemical element shown in FIG. 1, the inner pump electrode 1 of the oxygen pump cell 2
2 and the measurement electrode 20 of the oxygen concentration detection cell 4 are used as a common electrode, which simplifies the structure and provides an economically advantageous structure, but as shown in FIG. It is also possible to adopt a basic structure in which the inner pump electrode 12 and the measurement electrode 20 are separate bodies, and by adopting such a separate and independent electrode structure,
Low-temperature operability is improved and hysteresis characteristics can be reduced.

第2図では、第1図とは異なり、多孔質固体電解質層8
を酸素濃度検出セル4に、気密質量体電解質層16を酸
素ポンプセル2にそれぞれ用いているが、第1図と同様
に、良好に機能することは言うまでもない。
In FIG. 2, unlike in FIG. 1, the porous solid electrolyte layer 8
is used for the oxygen concentration detection cell 4, and the hermetic mass electrolyte layer 16 is used for the oxygen pump cell 2, and it goes without saying that they function well as in FIG. 1.

また、この独立した別個の内側ポンプ電極12と測定電
極20との間には、薄い多孔質な高抵抗セラミックス層
6が介在せしめられることとなり、この高抵抗セラミッ
クス層6の多孔質層を介して、該内側ポンプ電極12の
周囲雰囲気が測定電極20に接触せしめられるようにさ
れるのである。なお、かかる内側ポンプ電極12と測定
電極20とは、一般に、共にアースに落とされるもので
あるところから、それらのリード部を途中で接続して一
体化せしめ、一本のリード部として外部に取り出すよう
にした構造と為すことも可能である。
In addition, a thin porous high-resistance ceramic layer 6 is interposed between the independent and separate inner pump electrode 12 and the measurement electrode 20. , the atmosphere surrounding the inner pump electrode 12 is brought into contact with the measuring electrode 20 . Since the inner pump electrode 12 and the measurement electrode 20 are generally grounded together, their lead parts are connected in the middle to integrate them and taken out to the outside as a single lead part. It is also possible to create a structure like this.

なお、内側ポンプ電極12と測定電極20の間は必ずし
も絶縁される必要はなく、高抵抗セラミックス層6が間
に介在しなくてもよい。例えば、第3図に示されるよう
に、内側ポンプ電極12と測定電極20の間に切欠き穴
24を有する気密質の高抵抗セラミックス層で、多孔質
固体電解質層Bと気密質固体電解質層16とを絶縁し、
且つ内側ポンプ電極12と測定電極20の間に、例えば
多孔質ジルコニアのような薄い多孔質セラミックス層2
5が介在してもよい。
Note that the inner pump electrode 12 and the measurement electrode 20 do not necessarily need to be insulated, and the high-resistance ceramic layer 6 does not need to be interposed therebetween. For example, as shown in FIG. 3, an airtight high-resistance ceramic layer having a notch 24 between the inner pump electrode 12 and the measurement electrode 20 is used to form a porous solid electrolyte layer B and an airtight solid electrolyte layer 16. insulate and
In addition, between the inner pump electrode 12 and the measurement electrode 20, a thin porous ceramic layer 2 such as porous zirconia is provided.
5 may be present.

従って、このような第1図〜第3図に示される如き構造
の電気化学的素子にあっては、多孔質な固体電解質層8
と固体電解質層16との間に、高抵抗セラミックス層6
が介在せしめられるところから、酸素ポンプセル2部分
において、内外のポンプ電極10.12間に酸素ポンプ
として機能させるための所定のポンプ電圧が印加されて
も、センサセルとしての酸素濃度検出セル4側への電流
の漏れは、かかる高抵抗セラミックス層6にて効果的に
阻止されることとなるため、かかるポンプ電圧によって
、酸素濃度検出セル4の起電力が影響を受けるようなこ
とは実質的になく、それ故測定誤差などの問題を惹起す
ることがなく、以て空燃比の検出幅や検出精度などに優
れた素子と為し得たのである。
Therefore, in the electrochemical element having the structure shown in FIGS. 1 to 3, the porous solid electrolyte layer 8 is
A high-resistance ceramic layer 6 is provided between the solid electrolyte layer 16 and the solid electrolyte layer 16.
Because of the presence of the Since current leakage is effectively blocked by the high-resistance ceramic layer 6, the electromotive force of the oxygen concentration detection cell 4 is not substantially affected by the pump voltage. Therefore, problems such as measurement errors do not occur, and the device has excellent air-fuel ratio detection range and detection accuracy.

また、酸素ポンプセル2の多孔質な固体電解質層Bが拡
散層として機能し、以て外側の被測定ガス中の酸素が、
該多孔質固体電解質層8の微細な多孔組織を介して内側
ポンプ電極12側に拡散せしめられるものであって、従
来の如きピンホールを拡散経路として用いていないこと
から、付着物による拡散抵抗変化が少なく、内側ポンプ
電極12と測定電極20が近接しているか、或いは共通
であるため、応答性の良い素子と為し得たのである。
In addition, the porous solid electrolyte layer B of the oxygen pump cell 2 functions as a diffusion layer, so that the oxygen in the outside gas to be measured is
It is diffused to the inner pump electrode 12 side through the fine porous structure of the porous solid electrolyte layer 8, and since a conventional pinhole is not used as a diffusion path, there is no change in diffusion resistance due to deposits. Since the inner pump electrode 12 and the measurement electrode 20 are close to each other or are common, the element has good responsiveness.

そして、このような構造の電気化学的素子にあっては、
酸素濃度検出セル4の測定電極20に接触せしめられる
雰囲気中の酸素分圧(濃度)は、酸素ポンプセル2の酸
素ポンプ機能と拡散層としての多孔質固体電解質層8の
拡散抵抗によって制御され、かかる測定雰囲気中の酸素
分圧を実際の被測定ガスの酸素分圧より低くできるとこ
ろから、酸素分圧が理論空燃比の酸素分圧より高いリー
ン雰囲気の排気ガスを発生するエンジンを制御する上に
おいて、好適に用いられるものである。
In an electrochemical element with such a structure,
The oxygen partial pressure (concentration) in the atmosphere brought into contact with the measurement electrode 20 of the oxygen concentration detection cell 4 is controlled by the oxygen pump function of the oxygen pump cell 2 and the diffusion resistance of the porous solid electrolyte layer 8 as a diffusion layer. Since the oxygen partial pressure in the measurement atmosphere can be lower than the actual oxygen partial pressure of the measured gas, it is useful for controlling engines that generate exhaust gas in a lean atmosphere where the oxygen partial pressure is higher than the oxygen partial pressure of the stoichiometric air-fuel ratio. , is preferably used.

尤も、このような電気化学的素子は、上記の如きリーン
バーンセンサとして用いられる他、また酸素分圧が理論
空燃比の酸゛案分圧に略等しい中性雰囲気の排気ガス等
を被測定ガスとする酸素センサ、更にはポンプセル2に
流す電流を逆向きとすることにより、酸素分圧が理論空
燃比の酸素分圧よりも低いリーン雰囲気の排気ガスを被
測定ガスとするリッチバーンセンサ等としても使用され
得るものであり、何れも公知の測定方式に従って、対象
とする被測定ガスの酸素(測定成分)濃度あるいは過剰
燃料濃度がめられることとなる。
Of course, such an electrochemical element is used not only as a lean burn sensor as described above, but also as a measurement target gas such as exhaust gas in a neutral atmosphere where the oxygen partial pressure is approximately equal to the oxygen partial pressure of the stoichiometric air-fuel ratio. By reversing the direction of the current flowing through the pump cell 2, it can be used as a rich burn sensor, etc., which uses exhaust gas in a lean atmosphere where the oxygen partial pressure is lower than the oxygen partial pressure of the stoichiometric air-fuel ratio as the measured gas. In either case, the oxygen (measurement component) concentration or excess fuel concentration of the target gas to be measured can be determined according to a known measurement method.

なお、本発明の固体電解質層8.16としては、好適に
採用される前述のジルコニア磁器の他、窒化アルミニウ
ム、5rCeO3、B iz 03−稀土類酸化物系固
溶体、L a I−x Cax YO:+−等の材料を
用いて形成されることとなるが、前述のように、多孔質
固体電解質層8は、内側ポンプ電極12若しくは測定電
極20に接する部分が、その一方の側の面から他方の側
の面に、被測定ガス中の測定成分を所定の拡散抵抗をも
って拡散せしめ得る拡散層として機能せしめられるとこ
ろから、少なくともこの部分が厚さ方向に貫通した多孔
質層である必要がある。
In addition to the above-mentioned zirconia porcelain which is suitably employed as the solid electrolyte layer 8.16 of the present invention, aluminum nitride, 5rCeO3, Biz 03-rare earth oxide solid solution, La I-x Cax YO: As mentioned above, the porous solid electrolyte layer 8 has a portion in contact with the inner pump electrode 12 or the measurement electrode 20 that extends from one surface to the other. At least this part needs to be a porous layer that penetrates in the thickness direction, since the side surface of the porous layer functions as a diffusion layer that can diffuse the measurement component in the gas to be measured with a predetermined diffusion resistance.

そして、そのような多孔質層は、要求される拡散抵抗の
程度に応じて適宜の気孔率とされることとなるが、その
最適な開気孔率は多孔質層の製法によっても異なり、例
えば焼結法による場合は、水銀圧入法で測定して2〜3
0%程度が好ましく、プラズマ溶射法による場合は、同
じく水銀法で測定して0.5〜10%程度が好ましい。
Such a porous layer will have an appropriate porosity depending on the required degree of diffusion resistance, but the optimum open porosity will also vary depending on the manufacturing method of the porous layer. When using the mercury intrusion method, 2 to 3
It is preferably about 0%, and in the case of plasma spraying, it is preferably about 0.5 to 10% when measured by the mercury method.

また、固体電解質層16は、拡散層としての多孔質固体
電解質層8よりも気密とされる必要があるが、必ずしも
完全な気密層である必要はなく、被測定ガス中などの周
囲雰囲気中に存在する測定成分(酸素)が成る程度透過
するものであっても、拡散層としての多孔質固体電解質
層8内を拡散によって導かれて、内側ポンプ電極12(
測定電極20)の周りに形成される雰囲気に悪影響をも
たらさない程度の、換言すれば測定電極20による起電
力の測定に悪影響をもたらさない程度の気密性を有して
おれば足りるものである。
Further, the solid electrolyte layer 16 needs to be more airtight than the porous solid electrolyte layer 8 as a diffusion layer, but it does not necessarily have to be a completely airtight layer, and may be exposed to the surrounding atmosphere such as in the gas to be measured. Even if the component to be measured (oxygen) present is permeable to a certain extent, it is guided by diffusion within the porous solid electrolyte layer 8 as a diffusion layer and passes through the inner pump electrode 12 (
It is sufficient that the airtightness is such that it does not adversely affect the atmosphere formed around the measuring electrode 20), in other words, it does not adversely affect the measurement of the electromotive force by the measuring electrode 20.

また、かかる酸素ポンプセル2と酸素濃度検出セル4と
の間に介在せしめられる高抵抗のセラミックス層6とし
ては、一般にアルミナまたはスピネルを主成分とするセ
ラミックス層であることが望ましいが、その他硼珪酸ガ
ラス、ムライト、ステアタイト、フォルステライト、コ
ーディエライト、ジルコン等を主成分とするセラミック
ス材料を用いても何等差支えなく、そしてこのようなセ
ラミックス材料にて高抵抗なセラミックス層が形成され
ることとなるが、そのようなセラミックス層は、一般に
多孔質で、且つ薄い層として形成することが望ましく、
通常、その気孔率が10%〜30%程度において300
μm以下、好ましくは5〜50μm程度の厚さの層とし
て形成されることとなる。尤も、この高抵抗セラミック
ス層6は、前述したように、切欠き穴を有する気密な層
であっても何等差支えなく、例えば特願昭58−239
956号明細書記載の高抵抗ジルコニア材料を用いれば
、気密な高抵抗層とすることも可能である。
The high-resistance ceramic layer 6 interposed between the oxygen pump cell 2 and the oxygen concentration detection cell 4 is generally preferably a ceramic layer containing alumina or spinel as a main component; There is no problem in using ceramic materials whose main components are mullite, steatite, forsterite, cordierite, zircon, etc., and a high-resistance ceramic layer is formed with such ceramic materials. However, such a ceramic layer is generally porous and desirably formed as a thin layer.
Usually, when the porosity is about 10% to 30%, it is 300%.
It will be formed as a layer with a thickness of less than μm, preferably about 5 to 50 μm. However, as mentioned above, this high-resistance ceramic layer 6 may be an airtight layer having notched holes.
If the high-resistance zirconia material described in No. 956 is used, it is possible to form an airtight high-resistance layer.

また、第3図に示したような、内側ポンプ電極12と測
定電極20との間に介在する多孔質セラミックス層25
としては、多孔質であれば、高抵抗なセラミックス層で
も、多孔質固体電解質でも、制限されることなく用いる
ことができる。
Additionally, a porous ceramic layer 25 interposed between the inner pump electrode 12 and the measurement electrode 20 as shown in FIG.
As long as it is porous, a high-resistance ceramic layer or a porous solid electrolyte can be used without limitation.

さらに、このような酸素ポンプセル2並びに酸素濃度検
出セル4、高抵抗セラミックス層6の形成や、それらの
積層に際しては、各セルを構成する固体電解質8,16
の生素地上にスクリーン印刷手法等によって、電極及び
そのリード部を印刷せしめ、そして高抵抗セラミックス
層となるセラミックス粉末ペーストを、いずれかのセル
側に(ここでは酸素濃度検出セル4側に)印刷せしめた
後、それらセル2.4を目的とする電気化学的素子を構
成するように重ね合わせて、全体を焼結、一体化せしめ
る等の公知の同時一体焼結の手法を用いることが、素子
強度向上のために好ましいが、多孔質固体電解質層を除
く積層体を焼結させた後に、公知のプラズマ溶射法にて
多孔質固体電解質層を形成し、電気化学的素子とするこ
ともできる。
Furthermore, when forming the oxygen pump cell 2, oxygen concentration detection cell 4, and high-resistance ceramic layer 6, and laminating them, the solid electrolyte 8, 16 constituting each cell is
The electrodes and their lead parts are printed on the raw material by screen printing, etc., and the ceramic powder paste that becomes the high-resistance ceramic layer is printed on either cell side (in this case, on the oxygen concentration detection cell 4 side). After that, the cells 2.4 can be superimposed to form the intended electrochemical element, and the whole can be sintered and integrated using a known simultaneous integral sintering method. Although preferred for improving strength, it is also possible to form an electrochemical device by sintering the laminate except for the porous solid electrolyte layer, and then forming a porous solid electrolyte layer by a known plasma spraying method.

また、同時一体焼結等の手法によって、目的とする電気
化学的素子を形成する場合にあっては、各電極10,1
2,18.20や、それらのリード部も同時に焼成され
るようにすることが望ましく、その場合において、それ
らの電極やリード部は、白金、パラジウム、ロジウム、
イリジウム、ルテニウム、オスミウムの如き白金族金属
を主体とする材料を用いて印刷し、その焼成によって電
極乃至はリード部が形成されるようにすることが望まし
い。なお、そのような電極やリード部の剥離、断線等が
生ずるのを防止するために、それら電極、リード部中に
、ジルコニア、アルミナ等の微粉末を混入せしめて、そ
の焼成時に、それの接する層との一体化の向上を図るこ
とが望ましい。
In addition, when forming the intended electrochemical element by a method such as simultaneous integral sintering, each electrode 10, 1
2, 18, 20 and their lead parts are preferably fired at the same time. In that case, those electrodes and lead parts are made of platinum, palladium, rhodium,
It is desirable to print using a material mainly composed of platinum group metals such as iridium, ruthenium, and osmium, and to form electrodes or lead portions by firing the material. In addition, in order to prevent such peeling and disconnection of the electrodes and leads, fine powders such as zirconia and alumina are mixed into the electrodes and leads, and when they are fired, they do not come in contact with them. It is desirable to improve the integration with the layers.

なお、本発明に従う電気化学的素子は、第1図〜第3図
に示される如き基本的形態を有するものであるが、また
そのような基本的形態を保持しつつ、構造上において各
種の改良乃至は変形を加えることが可能であり、そのい
くつかの例が第4図〜第9図に示されている。
The electrochemical device according to the present invention has a basic form as shown in FIGS. 1 to 3, but various improvements have been made in the structure while maintaining this basic form. Variations can be made, some examples of which are shown in FIGS. 4-9.

まず、第4図及び第5図に示される電気化学的素子は、
内側ポンプ電極12と測定電極20とを共通極とする第
1図の素子の変形例であって、該第1図の素子とは異な
る大きな三つの特徴を有している。
First, the electrochemical element shown in FIGS. 4 and 5 is
This is a modification of the device shown in FIG. 1 in which the inner pump electrode 12 and the measurement electrode 20 are used as a common pole, and has three major features different from the device shown in FIG.

すなわち、それら大きな特徴のうちの一つは、酸素ポン
プセル2を構成する多孔質固体電解質層8の外側ポンプ
電極10形成側の面に、電極保護層としての多孔質アル
ミナ層28が積層されており、更にその上に、ジルコニ
ア層の如き気密なセラミックス層26が積層されている
のである。そして、かかる気密セラミックス層26の外
側ポンプ電極10に対応する部分には、切欠き孔30が
設けられており、この孔30によって、外側ポンプ電極
10に対して、その電極面に垂直な方向から被測定ガス
が、多孔質アルミナ層28を通って導かれるようになっ
ているのである。換言すれば、外側ポンプ電極10の周
囲に、気密なセラミソクスにて構成された、ガス導入方
向制御層としての気密セラミックス層26が設けられる
ことにより、側方からの被測定ガスの侵入が阻止され、
電極面に垂直な方向のみから被測定ガスが、該外側ポン
プ電極10を通じて、拡散層としての多孔質固体電解質
層8内を拡散せしめられるようになっているのであり、
これによって内側ポンプ電極12における被測定ガスの
拡散量が均一化されるようになっている。
That is, one of the major features is that a porous alumina layer 28 as an electrode protection layer is laminated on the surface of the porous solid electrolyte layer 8 constituting the oxygen pump cell 2 on the side where the outer pump electrode 10 is formed. Furthermore, an airtight ceramic layer 26 such as a zirconia layer is laminated thereon. A notch hole 30 is provided in a portion of the airtight ceramic layer 26 corresponding to the outer pump electrode 10, and this hole 30 allows the outer pump electrode 10 to be viewed from a direction perpendicular to the electrode surface. The gas to be measured is guided through the porous alumina layer 28. In other words, by providing the airtight ceramic layer 26 as a gas introduction direction control layer, which is made of airtight ceramic socks, around the outer pump electrode 10, the gas to be measured is prevented from entering from the side. ,
The gas to be measured can be diffused in the porous solid electrolyte layer 8 as a diffusion layer through the outer pump electrode 10 only from the direction perpendicular to the electrode surface.
As a result, the amount of diffusion of the gas to be measured in the inner pump electrode 12 is made uniform.

また、第2の特徴は、酸素濃度検出セル4の気密質量体
電解質層16の基準電極18側に、ジルコニア等からな
る気密質のU字型のスペーサ部材31及び板状の蓋部材
32がそれぞれ積層せしめられており、この気密質量体
電解質層16、U字型スペーサ部材31及び蓋部材32
によって取り囲まれることにより、気密な空間、換言す
れば被測定ガスから隔離された基準ガス空間34が形成
されている。そして、この基準ガス空間34には、基準
電極18が露呈せしめられる一方、かかる基準ガス空間
34は、素子の長手方向の一端側に延びるように設けら
れて、その一端部に開口する開口部を通じて大気に連通
せしめられるようになっているのである。
The second feature is that an airtight U-shaped spacer member 31 and a plate-shaped lid member 32 made of zirconia or the like are provided on the reference electrode 18 side of the airtight mass electrolyte layer 16 of the oxygen concentration detection cell 4, respectively. The hermetic mass electrolyte layer 16, the U-shaped spacer member 31, and the lid member 32 are laminated.
By being surrounded by the reference gas space 34, an airtight space, in other words, a reference gas space 34 isolated from the gas to be measured is formed. The reference electrode 18 is exposed in this reference gas space 34, and the reference gas space 34 is provided so as to extend toward one end in the longitudinal direction of the element, and is passed through an opening that opens at one end. It is designed to communicate with the atmosphere.

基準電極18が常に一定の基準ガス(大気)に露呈され
ていることにより、例えば酸素分圧が理論空燃比の酸素
分圧よりも低いリーン雰囲気から、高いリーン雰囲気ま
でを連続的に測定可能な、広域酸素センサとして使用で
きる。
Since the reference electrode 18 is always exposed to a constant reference gas (atmosphere), it is possible to continuously measure, for example, a lean atmosphere where the oxygen partial pressure is lower than the oxygen partial pressure of the stoichiometric air-fuel ratio to a lean atmosphere where the oxygen partial pressure is high. , can be used as a wide area oxygen sensor.

さらに、かかる電気化学的素子の第3の大きな特徴は、
上述した基準ガス空間34を形成する蓋部材32の外側
に、ヒータ層36が、多孔質アルミナ等からなるの絶縁
層38を介して設けられている点にある。このヒータ層
36は、測定されるべき排気ガス等の被測定ガスの温度
が低く、固体電解質8,16が充分な高温度に保持され
ない場合においては、その性能を充分に発揮し得なくな
るところから、それら固体電解質8,16を所望の温度
に加熱するために設けられたものである。
Furthermore, the third major feature of such electrochemical elements is:
The heater layer 36 is provided on the outside of the lid member 32 forming the reference gas space 34 mentioned above, with an insulating layer 38 made of porous alumina or the like interposed therebetween. This heater layer 36 is provided because if the temperature of the gas to be measured such as exhaust gas to be measured is low and the solid electrolytes 8 and 16 are not maintained at a sufficiently high temperature, they will not be able to fully demonstrate their performance. , are provided to heat the solid electrolytes 8, 16 to a desired temperature.

そして、このヒータ層36は、発熱部40とそのリード
部42が高抵抗ジルコニア等からなる気密なセラミック
ス層44.46に挟まれて、酸素濃度検出セル4の外側
に一体的に接合せしめられた形態において設けられてお
り、かかるリード部42を介して、外部電源から給電せ
しめられるようになっているのである。
This heater layer 36 is integrally bonded to the outside of the oxygen concentration detection cell 4 by sandwiching the heat generating part 40 and its lead part 42 between airtight ceramic layers 44 and 46 made of high-resistance zirconia or the like. The lead portion 42 is provided in such a manner that power can be supplied from an external power source through the lead portion 42.

この実施例に示される電気化学的素子にあっても、前記
した基本的形態を採用するものであるところから、前述
の如き作用効果は有利に享受し得られるものであり、し
かもその加えられた構造的特徴に従うところの効果も、
併せて享受し得られるものである。なお、第4図中の4
8は、内側ポンプ電極12(測定電極20)のリード部
を多孔質固体電解質層8から絶縁するための高抵抗層で
あって、高抵抗セラミックス層6と同様な材質からなる
ものである。
Since the electrochemical device shown in this example adopts the above-mentioned basic form, it can advantageously enjoy the above-mentioned effects. The effect of following structural characteristics is also
They can be enjoyed together. In addition, 4 in Figure 4
8 is a high resistance layer for insulating the lead portion of the inner pump electrode 12 (measuring electrode 20) from the porous solid electrolyte layer 8, and is made of the same material as the high resistance ceramic layer 6.

また、第6図に示される本発明に従う電気化学的素子の
他の実施例にあっては、それは、前記第4図および第5
図に示される素子と同様な構造とされているが、酸素濃
度検出セル4の基準電極18が大きな面積の電極面を有
するように形成され、且つかかる基準電極18が上下の
気密なセラミックス層(気密質の固体電解質層16及び
気密な蓋部材32)にて気密に取り囲まれているところ
に特徴がある。
Furthermore, in another embodiment of the electrochemical device according to the present invention shown in FIG.
Although it has a structure similar to that of the element shown in the figure, the reference electrode 18 of the oxygen concentration detection cell 4 is formed to have a large electrode surface, and the reference electrode 18 is formed with upper and lower airtight ceramic layers ( It is characterized by being airtightly surrounded by an airtight solid electrolyte layer 16 and an airtight lid member 32).

すなわち、ヒータ層36側に位置する基準電極18の電
極面の面積を大きくすることによって、ヒータ層36か
らの僅かなリーク電流を受け止め、測定電極20側に、
そのようなリーク電流による影響がもたらされないよう
にされているのである。
That is, by increasing the area of the electrode surface of the reference electrode 18 located on the heater layer 36 side, a slight leakage current from the heater layer 36 is absorbed, and the leakage current is transferred to the measurement electrode 20 side.
This is to prevent such leakage current from having an effect.

なお、ヒータ層36と酸素濃度検出セル4との間には絶
縁層38等が設けられているが、それによってヒータ層
36からのリーク電流は完全には遮断され得す、僅かで
はあるがそのようなリーク電流が酸素濃度検出セル4側
に流れる問題が内在しているのである。
Note that an insulating layer 38 and the like is provided between the heater layer 36 and the oxygen concentration detection cell 4, but the leakage current from the heater layer 36 can be completely blocked by this. There is an inherent problem that such a leakage current flows to the oxygen concentration detection cell 4 side.

また、本実施例の素子にあっては、基準電極18は、気
密な固体電解質層16と気密な蓋部材32によって挟ま
れ、以て気密層にて取り囲まれた状態とされて、被測定
ガスから隔離された構造となっている。なお、この基準
電極18は、よく知られているように、ポンプ作用にて
形成される所定酸素濃度ポテンシャルに保たれた状態に
おいて、測定電極20との間で所定の起電力の測定が行
われることとなる。
In addition, in the element of this embodiment, the reference electrode 18 is sandwiched between the airtight solid electrolyte layer 16 and the airtight lid member 32, and is thus surrounded by the airtight layer, so that the reference electrode 18 is surrounded by the airtight layer. The structure is isolated from the As is well known, a predetermined electromotive force is measured between the reference electrode 18 and the measurement electrode 20 in a state where the reference electrode 18 is maintained at a predetermined oxygen concentration potential formed by a pump action. That will happen.

さらに、第7図及び第8図に示される本発明の他の実施
例においては、酸素濃度検出セル4を構成する多孔質な
固体電解質層8が、気孔率の異なる複数の固体電解質層
3a、3bにて構成されているところに大きな特徴があ
る。すなわち、このような多孔質固体電解質層8の多孔
構造(気孔率)を、そのガス拡散方向において異ならし
めることにより、各種の効果を享受し得るものであって
、例えば内側ポンプ電極12側の固体電解質層8bの気
孔率を、被測定ガス側の固体電解質層8aのそれよりも
大きくすることにより、換言すればよりポーラスと為す
ことにより、内側ポンプ電極12(測定電極20)に接
触せしめられる雰囲気の均一化を有利に図り得て請求め
られる空気過剰率に対する酸素濃度検出セルの出力変化
率よりシャープと為し得る利点があり、また外側の固体
電解質層8aを内側の固体電解質層8bよりもよりポー
ラス(大なる気孔率)とすれば、それら多孔構造の目詰
りが改善される。なお、このような気孔率の変化は、例
示の如く段階的に行われ得る他、連続的に気孔率が変化
する多孔層を用いることも可能である。
Furthermore, in other embodiments of the present invention shown in FIGS. 7 and 8, the porous solid electrolyte layer 8 constituting the oxygen concentration detection cell 4 includes a plurality of solid electrolyte layers 3a having different porosity, A major feature is that it is composed of 3b. That is, by making the porous structure (porosity) of the porous solid electrolyte layer 8 different in the direction of gas diffusion, various effects can be obtained. By making the porosity of the electrolyte layer 8b larger than that of the solid electrolyte layer 8a on the gas to be measured side, in other words, by making it more porous, an atmosphere that can be brought into contact with the inner pump electrode 12 (measuring electrode 20) is created. This has the advantage that the rate of change in the output of the oxygen concentration detection cell relative to the claimed excess air ratio can be made more uniform, and the outer solid electrolyte layer 8a can be made more uniform than the inner solid electrolyte layer 8b. If the material is made more porous (higher porosity), clogging of the porous structure will be improved. Note that such a change in porosity can be performed stepwise as shown in the example, or it is also possible to use a porous layer in which the porosity changes continuously.

なお、固体電解質層9は、多孔質固体電解質層8に接し
た気密質の固体電解質層であるが、前述したように、内
側ポンプ電極12に接する部分からはずれており、多孔
質固体電解質層8の拡散抵抗には何等影響を与えない。
The solid electrolyte layer 9 is an airtight solid electrolyte layer in contact with the porous solid electrolyte layer 8, but as described above, it is separated from the part in contact with the inner pump electrode 12, and the porous solid electrolyte layer 8 It has no effect on the diffusion resistance.

また、本実施例においては、第8図に明確に示されてい
るように、ガス導入方向制御層としての気密なセラミッ
クス層26が、複数の固体電解質層8a、3b等からな
る多孔質固体電解質層8の側部をも取り囲み、気密な高
抵抗ジルコニアからなる高抵抗セラミックス層6を介し
て、酸素ポンプセル2の気密質固体電解質層16に気密
に接合された構造とされている。このような構造によれ
ば、多孔質固体電解質層8 (8a、8b)を拡散する
被測定ガスは、気密なセラミックス層26の切欠き穴3
0を通じてのみ、電極面に垂直な方向から導入されるこ
ととなり、積層方向側方からのガスの拡散を全(排除せ
しめることが可能である。
Further, in this embodiment, as clearly shown in FIG. 8, the airtight ceramic layer 26 as the gas introduction direction control layer is a porous solid electrolyte composed of a plurality of solid electrolyte layers 8a, 3b, etc. It also surrounds the sides of the layer 8 and is hermetically joined to the airtight solid electrolyte layer 16 of the oxygen pump cell 2 via the airtight high resistance ceramic layer 6 made of high resistance zirconia. According to such a structure, the gas to be measured that diffuses through the porous solid electrolyte layer 8 (8a, 8b) flows through the notch hole 3 of the airtight ceramic layer 26.
Since the gas is introduced from the direction perpendicular to the electrode surface only through the electrode surface, it is possible to completely eliminate the diffusion of gas from the sides in the stacking direction.

さらに、本実施例においては、基準電極18が、多孔質
固体電解質層8に接続された固体電解質層9および気密
質の高抵抗セラミックス層6によって被測定ガスから隔
離されている。電位差計52と並列に接続され、高抵抗
56と直列に接続された電t1.54で、基準電極18
に酸素イオンを供給し、高酸素濃度ポテンシャルに保っ
ている。
Further, in this embodiment, the reference electrode 18 is isolated from the gas to be measured by the solid electrolyte layer 9 connected to the porous solid electrolyte layer 8 and the airtight high-resistance ceramic layer 6. The reference electrode 18 is connected in parallel with the potentiometer 52 and in series with the high resistance 56.
It supplies oxygen ions to maintain a high oxygen concentration potential.

第9図に示される本発明の他の実施例においては、酸素
濃度検出セル4を構成する固体電解質層16が有底円筒
形状をしており、その外表面に測定電極20、高抵抗セ
ラミックス層6と酸素ポンプセル2を構成している内側
ポンプ電極12、多孔質固体電解質層8及び外側ポンプ
電極10を積層した構造である。
In another embodiment of the present invention shown in FIG. 9, the solid electrolyte layer 16 constituting the oxygen concentration detection cell 4 has a cylindrical shape with a bottom, and a measuring electrode 20 and a high-resistance ceramic layer are provided on the outer surface of the solid electrolyte layer 16. 6, an inner pump electrode 12, a porous solid electrolyte layer 8, and an outer pump electrode 10, which constitute the oxygen pump cell 2, are laminated.

なお、本実施例のその他の構造に関しては、形状やその
配置がやや異なるものの、前記各実施例と同様な機能を
有するものであるところから、同一の番号を付して詳細
な説明は省略することとする。
Although the other structures of this embodiment are slightly different in shape and arrangement, since they have the same functions as those of each of the above embodiments, they will be given the same numbers and detailed explanations will be omitted. That's it.

以上、本発明の幾つかの実施例について説明してきたが
、本発明の電気化学的素子は、そのような例示の具体的
構造のみに限定して解釈されるものでは決してなく、本
発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて当業者の知識に基
づいて、種々なる変形、修正、改良等を加えた形態にお
いて実施され得るものであって、本発明がそのような実
施形態のものをも含むものであることは言うまでもない
ところである。
Although several embodiments of the present invention have been described above, the electrochemical device of the present invention should not be interpreted as being limited to such specific structures, but rather the gist of the present invention. The present invention may be implemented in forms with various modifications, modifications, improvements, etc. based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the above, and the present invention includes such embodiments. It goes without saying.

そして、本発明に係る電気化学的素子は、例示の如きリ
ーンバーンセンサの他、前述した如く、リッチバーンセ
ンサや、理論空燃比の状態で燃焼せしめられた排気ガス
等の被測定ガスを測定するセンサ等の酸素センサにも適
用され得るものであり、更には酸素以外の窒素、二酸化
炭素、水素等の流体中の電極反応に関与する成分の検出
器、或いは制御器等にも適用され得るものである。
The electrochemical element according to the present invention can be used not only as an example of a lean burn sensor but also as a rich burn sensor, as described above, and for measuring a gas to be measured such as exhaust gas that is combusted at a stoichiometric air-fuel ratio. It can be applied to oxygen sensors such as sensors, and it can also be applied to detectors or controllers of components involved in electrode reactions in fluids such as nitrogen, carbon dioxide, and hydrogen other than oxygen. It is.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図〜第3図は、それぞれ本発明に係る電気化学的素
子の一つである酸素濃度検出素子の基本的構造の展開状
態を示す斜視説明図であり、第4図、第6図及び第7図
は、それぞれかかる基本的構造を採用した酸素濃度検出
素子の異なる具体例を示す展開斜視説明図であり1、第
5回及び第8図は、それぞれ第4図及び第7図における
IV−TV断面及び■−■断面を示す略図であり、第9
図はかかる基本的構造を採用した酸素濃度検出素子の具
体例を示す断面図である。 2:酸素ポンプセル 4:酸素濃度検出セル6:高抵抗
セラミックス層 8:多孔質固体電解質層 10:外側ポンプ電極 12:内側ポンプ電極14:外
部電源 16:気密質固体電解質層18:基準電極 2
0:測定電極 22:測定装置 26:気密セラミックス層30:切欠
き孔 31ニスペ一サ部材 32:蓋部材 34:基準ガス空間 36:ヒータ層 38:絶縁層 出願人 日本碍子株式会社 第1図 第2図 第3図 25−’へ 第4図 第5図 第8図 第9図 1n 手げ9ネ市正書(自発) 昭和5!]年7月10日 1、事件の表示 昭和59年 特許例 第116226号2、発明の名称 電気化学的素子および装置 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 名 称 (406)日本碍子株式会社 4、代理人 ■450 (1) 明細書の発明の詳細な説明の欄(2)図面 6、補正の内容 (1)明細書第19頁第2行の「高抵抗セラミックス層
」を「高抵抗セラミックス層6」に訂正する。 (2)同 第21頁第16行のr L a 1−)CC
a x Y 03−」を[La+−ccazYOx−m
lに訂正する。 (3)同 第28頁第12行の「からなるの絶縁層38
」を「からなる絶縁N38」に訂正する。 (4)同 第31頁第19行の「出力変化率より」を「
出力変化率をより」に訂正する。 (5)図面中、第3図を別紙の如く訂正する。 以 上 第3図 手続補正書印発) 昭和59年10月17日 特許庁長官 志賀 学 殿 昭和59年 特 許 願 第116226号2、発明の
名称 電気化学的素子および装置 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 名 称 (406) 日本碍子株式会社4、代理人 fil 明細書の発明の詳細な説明の欄(2) 明細書
の図面の簡単な説明の欄6、補正の内容 (1)明細書第33頁第18行と第19行との間に改行
して下記の文章を挿入する。 記 「また、第10図、第11図及び第12図には、第7閏
の実施例の一つの変形例が示されている。すなわち、こ
の変形例においては、第7図の実施例とは異なり、ヒー
タ層36が酸素濃度検出セル4側に配置されて、該ヒー
タ層36及び酸素濃度検出セル4に設けられた切欠き及
び切欠き孔30を通じて導かれる被測定ガスが、気孔率
の異なる複数の固体電解質層8a、8bにて規制される
所定の拡散抵抗の下に、酸素ポンプセル2の内側ポンプ
電極12と共用の測定電極20に接触せしめられるよう
になっている。そしてまた、酸素濃度検出セル4の基準
電極18も、第7図の実施例の如く電気分解方式にて形
成される基準ガスに接触せしめられるものではなく、U
字形のスペーサ部材60の切欠き部分が上下の固体電解
質層16及び蓋部材32にて覆蓋されることにより形成
される基準ガス空間34内の基準ガスに接触せしめられ
るようになっている。なお、この基準ガス空間34は、
検出素子端部の開口を通じて外部空間の如き基準ガス供
給源に接続され、大気などの所定酸素濃度の基準ガスが
導かれるようになっている。また、ここでは、スペーサ
部材60と蓋部材32は固体電解質にて形成され、そし
て前記複数の固体電解質層8a、8bと共に、基準電極
18と測定電極20との間の一つの固体電解質層を構成
しており、またそのような一体的な固体電解質層と二つ
の電極とて一つの電気化学的セル、即ち酸素濃度検出セ
ル4を構成しているのである。」 (2)同 第35頁第11行の1・・・断面図である。 」の次に、改行することなく、[第10図は第7図の実
施例の変形例を示す第7図に対応する図であり、第11
図及び第12図はそれぞれ第10図におけるXa−Xa
断面及びXb−xb断面を示す略図である。」なる−文
を挿入する。 (3)別紙の通り、第10図、第11M及び第12図を
追加する。 以 上 第11図 第12図 手続補正書(自船 昭和59年12月8日 特許庁長官 志賀 学 殿 ・籐N 1、事件の表示 昭和59年 特 許 願 第116226号2、発明の
名称 電気化学的素子および装置 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 名 称 (406)日本碍子株式会社 4、代理人 (11明細書の特許請求の範囲の欄 (2) 明細書の発明の詳細な説明の欄6、補正の内容 (1)特許請求の範囲を別紙の通り訂正する。 (2) 明細書第13頁第16〜17行の「外側ポンプ
電極(第一の電極)、10Jを[外側ポンプ電極(第二
の電極)1o」に訂正する。 (3) 同 第14頁第1〜2行の「内側ポンプ電極(
第二の電極)12」を「内側ポンプ電極(第一の電極)
12」に訂正する。 以 上 別 紙 特許請求の範囲 (1) 予め定められたガス拡散抵抗を存する多孔質で
ある第一の固体電解質層と、該第−の固体電解質層の表
面に設けられた多孔質な第一の電極と、該第−の固体電
解質層またはこれに接続された固体電解質層の表面に前
記第一の電極と分離して設けられた第二の電極よりなる
第一の電気化学的セル; 第二の固体電解質層と、その表面に設けられた多孔質な
第三の電極と、該第三の電極と分離して該第二の固体電
解質層表面に設けられた第四の電極よりなる第二の電気
化学的セル;および、 それら二つのセルの間に介在し、少なくとも該第−の電
気化学的セルの第一の固体電解質層およびこれに接続さ
れた固体電解質層と該第二の電気化学的セルの固体電解
質層とを電気的に絶縁する高抵抗なセラミックス層 の積層構造体であって、 且つ該第−の電気化学的セルの第一の電極と該第二の電
気化学的セルの第三の電極が実質的に同一の雰囲気に晒
されていることを特徴とする電気化学的素子。 (2)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と、前記
第二の電気化学的セルの第三の電極とが、多孔質セラミ
ックス層を介して対向する位置に配置された特許請求の
範囲第1項記載の電気化学的素子。 (3)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と前記第
二の電気化学的セルの第三の電極とが、一つの共通極で
構成されている特許請求の範囲第1項記載の電気化学的
素子。 (4)前記第一の電気化学的セルの第二の電極若しくは
前記第二の電気化学的セルの第四の電極が、気密なセラ
ミックス層によって取り囲まれて被測定ガスから隔離さ
れ、所定の基準ガスに晒されるようにした特許請求の範
囲第1項乃至第3項の何れかに記載の電気化学的素子。 (5)前記気密なセラミックス層によって取り囲まれた
空間が、前記第一の電気化学的セルの第二の電極若しく
は前記第二の電気化学的セルの第四の電極の周りに形成
され、且つ該空間が大気に連通せしめられている特許請
求の範囲第4項記載の電気化学的素子。 (6)前記多孔質の固体電解質層上に、気密なセラミッ
クスにて、前記第一の電気化学的セルの第一の電極に対
向する空孔を有するガス導入方向制御層が設けられ、該
空孔を通じて、被測定ガスが該第−の電極に対してその
電極面に垂直な方向から導かれるようにした特許請求の
範囲第1項乃至第5項の何れかに記載の電気化学的素子
。 (7)前記第一の電気化学的セルの多孔質な固体電解質
層が、気孔率の異なる複数の固体電解質層にて構成され
ている特許請求の範囲第1項乃至第6項の何れかに記載
の電気化学的素子。 (8)予め定められたガス拡散抵抗を有する多孔質であ
る第一の固体電解質層と、該第−の固体電解質層の両面
に対向して設けられた多孔質な第−及び第二の電極より
なる第一の電気化学的セル; 第二の固体電解質層と、その表面に設けられた多孔質な
第三の電極と、該第三の電極と分離して該第二の固体電
解質層表面に設けられた第四の電極よりなる第二の電気
化学的セル:および それら二つのセルの間に介在し、少なくとも該第−の電
気化学的セルの第一の固体電解質層及びこれに接続され
た固体電解質層と該第二の電気化学的セルの固体電解質
層とを電気的に絶縁する高抵抗セラミックス層 の積層構造体からなり、且つ該第−の電気化学的セルの
第一の電極と該第二の電気化学的セルの第三の電極が実
質的に同一の雰囲気に晒されている電気化学的素子を構
成し、 前記第一の電気化学的セルの第−及び第二の電極の間に
所定の電流を流すことにより、該第−の電極近傍の雰囲
気を制御し、その制御された雰囲気を前記第二の電気化
学的セルの第三および第四の電極の間の電位差として検
出することを特徴とする電気化学的装置。 (9)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と、前記
第二の電気化学的セルの第三の電極とが、多孔質セラミ
ックス層を介して対向する位置に配置された特許請求の
範囲第8項記載の電気化学的装置。 α0)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と前記第
二の電気化学的セルの第三の電極とが、一つの共通極で
構成されている特許請求の範囲第8項記載の電気化学的
装置。 (11)前記第二の電気化学的セルの第四の電極が、気
密なセラミックス層によって取り囲まれて被測定ガスか
ら隔離され、所定の基準ガスに晒されるようにした特許
請求の範囲第8項乃至第10項の何れかに記載の電気化
学的装置。 り12)前記気密なセラミックス層によって取り囲まれ
た空間が、前記第二の電気化学的セルの第四の電極の周
りに形成され、且つ該空間が大気に連通せしめられてい
る特許請求の範囲第11項記載の電気化学的装置。 (+3) 予め定められたガス拡散抵抗を有する多孔質
である第一の固体電解質層と、該第−の固体電解質層の
表面に設けられた多孔質な第一の電極と、該第−の固体
電解質層またはこれに接続された固体電解質層の表面に
前記第一の電極と分離して設けられた第二の電極よりな
る第一の電気化学的セル; 第二の固体電解質層と、その両面に対向して設けられた
多孔質な第三及び第四の電極よりなる第二の電気化学的
セル; および それら二つのセルの間に介在し、少なくとも該第−の電
気化学的セルの第一の固体電解質層及びこれに接続され
た固体電解質層と該第二の電気化学的セルの固体電解質
層とを電気的に絶縁する高抵抗セラミックス層 の積層構造体からなり、且つ該第−の電気化学的セルの
第一の電極と該第二の電気化学的セルの第三の電極が実
質的に同一の雰囲気に晒されている電気化学的素子を構
成し、 前記第二の電気化学的セルの第三及び第四の電極の間に
所定の電流を流すことにより、該第三の電極近傍の雰囲
気を制御し、その制御された雰囲気を前記第一の電気化
学的セルの第一および第二の電極の間の電位差として検
出することを特徴とする電気化学的装置。 θ4)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と、前記
第二の電気化学的セルの第三の電極とが、多孔質セラミ
ックス層を介して対向する位置に配置された特許請求の
範囲第13項記載の電気化学的装置。 (15)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と前記
第二の電気化学的セルの第三の電極とが、一つの共通極
で構成されている特許請求の範囲第13項記載の電気化
学的装置。 (16)前記第一の電気化学的セルの第二の電極若しく
は前記第二の電気化学的セルの第四の電極が、気密なセ
ラミックス層によって取り囲まれて被測定ガスから隔離
され、所定の基準ガスに晒されるようにした特許請求の
範囲第13項乃至第15項の何れかに記載の電気化学的
装置。 07)前記気密なセラミックス層によって取り囲まれた
空間が、前記第一の電気化学的セルの第二の電極若しく
は前記第二の電気化学的セルの第四の電極の周りに形成
され、且つ該空間が大気に連通せしめられている特許請
求の範囲第16項記載の電気化学的装置。
FIGS. 1 to 3 are perspective explanatory views showing the developed state of the basic structure of an oxygen concentration detection element, which is one of the electrochemical elements according to the present invention, and FIGS. FIG. 7 is a developed perspective explanatory view showing different specific examples of oxygen concentration detection elements adopting such basic structures, and FIGS. 1, 5, and 8 are IV in FIG. 4 and FIG. 7, respectively. - It is a schematic diagram showing the TV cross section and the ■-■ cross section, and it is a 9th
The figure is a sectional view showing a specific example of an oxygen concentration detection element employing such a basic structure. 2: Oxygen pump cell 4: Oxygen concentration detection cell 6: High resistance ceramic layer 8: Porous solid electrolyte layer 10: Outer pump electrode 12: Inner pump electrode 14: External power supply 16: Airtight solid electrolyte layer 18: Reference electrode 2
0: Measuring electrode 22: Measuring device 26: Airtight ceramic layer 30: Notch hole 31 Nice spacer member 32: Lid member 34: Reference gas space 36: Heater layer 38: Insulating layer Applicant Nippon Insulators Co., Ltd. Figure 1 Figure 2 Figure 3 Go to 25-' Figure 4 Figure 5 Figure 8 Figure 9 Figure 1n Hand 9 Neichi Seisho (self-prompted) Showa 5! ] July 10, 1, Indication of the case 1982 Patent example No. 116226 2, Name of the invention Electrochemical element and device 3, Person making the amendment Relationship to the case Patent applicant name (406) Nippon Insulator Co., Ltd. Company 4, Agent ■450 (1) Detailed description of the invention in the specification (2) Drawing 6, content of amendment (1) The “high-resistance ceramic layer” in the second line of page 19 of the specification was changed to “high-resistance ceramic layer” Corrected to "Resistance Ceramic Layer 6". (2) r L a 1-)CC on page 21, line 16
a x Y 03-” to [La+-ccazYOx-m
Correct to l. (3) “Insulating layer 38 consisting of
" is corrected to "Insulation consisting of N38." (4) In the same page, page 31, line 19, change “from output change rate” to “
Correct the output change rate to "more". (5) In the drawings, Figure 3 is corrected as shown in the attached sheet. Figure 3 Procedural amendments stamped on October 17, 1980 Manabu Shiga, Commissioner of the Patent Office, 1982 Patent Application No. 116226 2, Name of invention Electrochemical element and device 3, Person making the amendment Relationship to the case Patent applicant name (406) Nippon Insulator Co., Ltd. 4, agent fil Column for detailed explanation of the invention in the specification (2) Column 6 for a brief explanation of the drawings in the specification, Contents of amendment (1) ) Insert the following sentence between page 33, line 18 and line 19 of the specification on a new line. 10, FIG. 11, and FIG. 12 show a modification of the embodiment of the seventh leap. That is, in this modification, the embodiment of FIG. In contrast, the heater layer 36 is placed on the oxygen concentration detection cell 4 side, and the gas to be measured guided through the heater layer 36 and the notch and notch hole 30 provided in the oxygen concentration detection cell 4 has a porosity. Under a predetermined diffusion resistance regulated by a plurality of different solid electrolyte layers 8a and 8b, it is brought into contact with the measurement electrode 20 that is shared with the inner pump electrode 12 of the oxygen pump cell 2. The reference electrode 18 of the concentration detection cell 4 is also not brought into contact with the reference gas formed by electrolysis as in the embodiment shown in FIG.
The cutout portion of the letter-shaped spacer member 60 is brought into contact with the reference gas in the reference gas space 34 formed by covering the upper and lower solid electrolyte layers 16 and the lid member 32. Note that this reference gas space 34 is
It is connected to a reference gas supply source such as an external space through an opening at the end of the detection element, and a reference gas such as the atmosphere having a predetermined oxygen concentration is introduced thereinto. Further, here, the spacer member 60 and the lid member 32 are formed of a solid electrolyte, and together with the plurality of solid electrolyte layers 8a and 8b, constitute one solid electrolyte layer between the reference electrode 18 and the measurement electrode 20. Moreover, such an integral solid electrolyte layer and two electrodes constitute one electrochemical cell, that is, the oxygen concentration detection cell 4. (2) Page 35, line 11, 1... is a cross-sectional view. ", without a line break, [Figure 10 is a diagram corresponding to Figure 7 showing a modification of the embodiment in Figure 7;
The figure and FIG. 12 are Xa-Xa in FIG. 10, respectively.
It is a schematic diagram showing a cross section and an Xb-xb cross section. ” - Insert sentence. (3) Add Figures 10, 11M, and 12 as shown in the attached sheet. The above Figure 11 Figure 12 Procedural Amendment (December 8, 1981 Manabu Shiga, Commissioner of the Japan Patent Office, Rattan N1, Indication of the case, 1982 Patent Application No. 116226, 2, Name of the invention, Electricity) Chemical Elements and Devices 3, Relationship with the Amendment Person Case Name of Patent Applicant (406) Nippon Insulators Co., Ltd. 4, Agent (11 Claims column (2) of the specification) Details of the invention in the specification Explanation column 6, contents of amendment (1) The scope of claims is corrected as shown in the attached sheet. (2) “Outer pump electrode (first electrode), 10J” in page 13, lines 16-17 of the specification. [Corrected to "Outer pump electrode (second electrode) 1o". (3) "Inner pump electrode (
12" (second electrode) to "inner pump electrode (first electrode)
Corrected to ``12''. The appended claims (1) include: a porous first solid electrolyte layer having a predetermined gas diffusion resistance; and a porous first solid electrolyte layer provided on the surface of the second solid electrolyte layer. and a second electrode provided on the surface of the second solid electrolyte layer or the solid electrolyte layer connected thereto, separately from the first electrode; A third solid electrolyte layer consisting of a second solid electrolyte layer, a porous third electrode provided on the surface thereof, and a fourth electrode separated from the third electrode and provided on the surface of the second solid electrolyte layer. a second electrochemical cell; and at least a first solid electrolyte layer of the second electrochemical cell, a solid electrolyte layer connected thereto, and a second electrochemical cell interposed between the two cells; A laminated structure of high resistance ceramic layers electrically insulating a solid electrolyte layer of a chemical cell, the first electrode of the second electrochemical cell and the second electrochemical cell. An electrochemical device characterized in that the third electrodes of the electrodes are exposed to substantially the same atmosphere. (2) A patent claim in which the first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are arranged at opposing positions with a porous ceramic layer interposed therebetween. The electrochemical device according to item 1. (3) Claim 1, wherein the first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are constituted by one common electrode. electrochemical elements. (4) The second electrode of the first electrochemical cell or the fourth electrode of the second electrochemical cell is surrounded by an airtight ceramic layer and isolated from the gas to be measured, and An electrochemical device according to any one of claims 1 to 3, which is exposed to a gas. (5) a space surrounded by the airtight ceramic layer is formed around the second electrode of the first electrochemical cell or the fourth electrode of the second electrochemical cell; 5. The electrochemical device according to claim 4, wherein the space is communicated with the atmosphere. (6) A gas introduction direction control layer made of airtight ceramic is provided on the porous solid electrolyte layer and has pores facing the first electrode of the first electrochemical cell. 6. The electrochemical device according to claim 1, wherein the gas to be measured is guided to the second electrode from a direction perpendicular to the electrode surface through the hole. (7) According to any one of claims 1 to 6, wherein the porous solid electrolyte layer of the first electrochemical cell is composed of a plurality of solid electrolyte layers having different porosity. The electrochemical device described. (8) A porous first solid electrolyte layer having a predetermined gas diffusion resistance, and porous first and second electrodes provided opposite to each other on both sides of the second solid electrolyte layer. A first electrochemical cell consisting of a second solid electrolyte layer, a porous third electrode provided on the surface of the second solid electrolyte layer, and a second solid electrolyte layer surface separated from the third electrode. a second electrochemical cell comprising a fourth electrode provided on the second electrochemical cell; a laminated structure of high-resistance ceramic layers that electrically insulate the solid electrolyte layer and the solid electrolyte layer of the second electrochemical cell; a third electrode of said second electrochemical cell constitutes an electrochemical element exposed to substantially the same atmosphere; Control the atmosphere near the second electrode by passing a predetermined current between them, and detect the controlled atmosphere as a potential difference between the third and fourth electrodes of the second electrochemical cell. An electrochemical device characterized by: (9) A patent claim in which the first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are arranged at opposing positions with a porous ceramic layer interposed therebetween. The electrochemical device according to item 8. α0) The first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are constituted by one common electrode. Electrochemical device. (11) Claim 8, wherein the fourth electrode of the second electrochemical cell is surrounded by an airtight ceramic layer, isolated from the gas to be measured, and exposed to a predetermined reference gas. The electrochemical device according to any one of items 1 to 10. 12) A space surrounded by the airtight ceramic layer is formed around a fourth electrode of the second electrochemical cell, and the space is communicated with the atmosphere. 12. Electrochemical device according to item 11. (+3) A porous first solid electrolyte layer having a predetermined gas diffusion resistance, a porous first electrode provided on the surface of the negative solid electrolyte layer, and a porous first electrode provided on the surface of the negative solid electrolyte layer. a first electrochemical cell comprising a second electrode provided on the surface of the solid electrolyte layer or a solid electrolyte layer connected thereto, separately from the first electrode; a second solid electrolyte layer; a second electrochemical cell consisting of porous third and fourth electrodes provided oppositely on both sides; and intervening between these two cells, at least It consists of a laminated structure of high-resistance ceramic layers that electrically insulate the first solid electrolyte layer, the solid electrolyte layer connected thereto, and the solid electrolyte layer of the second electrochemical cell, and a first electrode of the electrochemical cell and a third electrode of the second electrochemical cell constitute an electrochemical element exposed to substantially the same atmosphere; By passing a predetermined current between the third and fourth electrodes of the cell, the atmosphere near the third electrode is controlled, and the controlled atmosphere is applied to the first and fourth electrodes of the first electrochemical cell. An electrochemical device characterized in that detection is performed as a potential difference between second electrodes. θ4) The first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are arranged at opposite positions with a porous ceramic layer interposed therebetween. An electrochemical device according to scope 13. (15) Claim 13, wherein the first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are constituted by one common electrode. electrochemical device. (16) The second electrode of the first electrochemical cell or the fourth electrode of the second electrochemical cell is surrounded by an airtight ceramic layer and isolated from the gas to be measured, and 16. The electrochemical device according to claim 13, wherein the electrochemical device is exposed to a gas. 07) A space surrounded by the airtight ceramic layer is formed around the second electrode of the first electrochemical cell or the fourth electrode of the second electrochemical cell, and 17. The electrochemical device of claim 16, wherein the electrochemical device is in communication with the atmosphere.

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] (1) 予め定められたガス拡散抵抗を有する多孔質で
ある第一の固体電解質層と、該第−の固体電解質層の表
面に設けられた多孔質な第一の電極と、該第−の固体電
解質層またはこれに接続された固体電解質層の表面に前
記第一の電極と分離して設けられた第二の電極よりなる
第一の電気化学的セル; 第二の固体電解質層と、その表面に設けられた多孔質な
第三の電極と、該第三の電極と分離して該第二の固体電
解質層表面に設けられた第四の電極よりなる第二の電気
化学的セル;および、 それら二つのセルの間に介在し、少なくとも該第−の電
気化学的セルの第一の固体電解質層およびこれに接続さ
れた固体電解質層と該第二の電気化学的セルの固体電解
質層とを電気的に絶縁する高抵抗なセラミックス層 の積層構造体であって、 且つ該第−の電気化学的セルの第一の電極と該第二の電
気化学的セルの第三の電極が実質的に同一の雰囲気に晒
されていることを特徴とする電気化学的素子。
(1) A porous first solid electrolyte layer having a predetermined gas diffusion resistance, a porous first electrode provided on the surface of the second solid electrolyte layer, and a porous first solid electrolyte layer having a predetermined gas diffusion resistance. a first electrochemical cell comprising a second electrode provided on the surface of the solid electrolyte layer or a solid electrolyte layer connected thereto, separately from the first electrode; a second solid electrolyte layer; a second electrochemical cell comprising a porous third electrode provided on the surface and a fourth electrode provided on the second solid electrolyte layer surface separated from the third electrode; and , interposed between the two cells, at least the first solid electrolyte layer of the second electrochemical cell and the solid electrolyte layer connected thereto, and the solid electrolyte layer of the second electrochemical cell. A laminated structure of high-resistance ceramic layers electrically insulating the first electrochemical cell, and the first electrode of the second electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are substantially An electrochemical element characterized in that it is exposed to the same atmosphere.
(2)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と、前記
第二の電気化学的セルの第三の電極とが、多孔質セラミ
ックス層を介して対向する位置に配置された特許請求の
範囲第1項記載の電気化学的素子。
(2) A patent claim in which the first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are arranged at opposing positions with a porous ceramic layer interposed therebetween. The electrochemical device according to item 1.
(3)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と前記第
二の電気化学的セルの第三の電極とが、一つの共通極で
構成されている特許請求の範囲第1項記載の電気化学的
素子。
(3) Claim 1, wherein the first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are constituted by one common electrode. electrochemical elements.
(4)前記第一の電気化学的セルの第二の電極若しくは
前記第二の電気化学的セルの第四の電極が、気密なセラ
ミックス層によって取り囲まれて被測定ガスから隔離さ
れ、所定の基準ガスに晒されるようにした特許請求の範
囲第1項乃至第3項の何れかに記載の電気化学的素子。
(4) The second electrode of the first electrochemical cell or the fourth electrode of the second electrochemical cell is surrounded by an airtight ceramic layer and isolated from the gas to be measured, and An electrochemical device according to any one of claims 1 to 3, which is exposed to a gas.
(5) 前記気密なセラミックス層によって取り囲まれ
た空間が、前記第一の電気化学的セルの第二の電極若し
くは前記第二の電気化学的セルの第四の電極の周りに形
成され、且つ該空間が大気に連通せしめられている特許
請求の範囲第4項記載の電気化学的素子。
(5) a space surrounded by the airtight ceramic layer is formed around the second electrode of the first electrochemical cell or the fourth electrode of the second electrochemical cell; 5. The electrochemical device according to claim 4, wherein the space is communicated with the atmosphere.
(6)前記多孔質の固体電解質層上に、気密なセラミッ
クスにて、前記第一の電気化学的セルの第一の電極に対
向する空孔を有するガス導入方向制御層が設けられ、該
空孔を通じて、被測定ガスが該第−の電極に対してその
電極面に垂直な方向から導かれるようにした特許請求の
範囲第1項乃至第5項の何れかに記載の電気化学的素子
(6) A gas introduction direction control layer made of airtight ceramic is provided on the porous solid electrolyte layer and has pores facing the first electrode of the first electrochemical cell. 6. The electrochemical device according to claim 1, wherein the gas to be measured is guided to the second electrode from a direction perpendicular to the electrode surface through the hole.
(7)前記第一の電気化学的セルの多孔質な固体電解質
層が、気孔率の異なる複数の固体電解質層にて構成され
ている特許請求の範囲第1項乃至第6項の何れかに記載
の電気化学的素子。
(7) According to any one of claims 1 to 6, wherein the porous solid electrolyte layer of the first electrochemical cell is composed of a plurality of solid electrolyte layers having different porosity. The electrochemical device described.
(8) 予め定められたガス拡散抵抗を有する多孔質で
ある第一の固体電解質層と、該第−の固体電解質層の両
面に対向して設けられた多孔質な第−及び第二の電極よ
りなる第一の電気化学的セル; 第二の固体電解質層と、その表面に設けられた多孔質な
第三の電極と、該第三の電極と分離して該第二の固体電
解質層表面に設けられた第四の電極よりなる第二の電気
化学的セル;および それら二つのセルの間に介在し、少なくとも該第−の電
気化学的セルの第一の固体電解質層及びこれに接続され
た固体電解質層と該第二の電気化学的セルの固体電解質
層とを電気的に絶縁する高抵抗セラミックス層 の積層構造体からなり、且つ該第−の電気化学的セルの
第一の電極と該第二の電気化学的セルの第三の電極が実
質的に同一の雰囲気に晒されている電気化学的素子を構
成し、 前記第一の電気化学的セルの第−及び第二の電極の間に
所定の電流を流すことにより、該第−の電極近傍の雰囲
気を制御し、その制御された雰囲気を前記第二の電気化
学的セルの第三および第四の電極の間の電位差として検
出することを特徴とする電気化学的装置。
(8) A porous first solid electrolyte layer having a predetermined gas diffusion resistance, and porous first and second electrodes provided opposite to both sides of the second solid electrolyte layer. A first electrochemical cell consisting of a second solid electrolyte layer, a porous third electrode provided on the surface of the second solid electrolyte layer, and a second solid electrolyte layer surface separated from the third electrode. a second electrochemical cell comprising a fourth electrode provided on the second electrochemical cell; and interposed between the two cells, at least the first solid electrolyte layer of the second electrochemical cell and connected thereto; a laminated structure of high-resistance ceramic layers that electrically insulate the solid electrolyte layer and the solid electrolyte layer of the second electrochemical cell; a third electrode of said second electrochemical cell constitutes an electrochemical element exposed to substantially the same atmosphere; Control the atmosphere near the second electrode by passing a predetermined current between them, and detect the controlled atmosphere as a potential difference between the third and fourth electrodes of the second electrochemical cell. An electrochemical device characterized by:
(9)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と、前記
第二の電気化学的セルの第三の電極とが、多孔質セラミ
ックス層を介して対向する位置に配置された特許請求の
範囲第8項記載の電気化学的装置。
(9) A patent claim in which the first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are arranged at opposing positions with a porous ceramic layer interposed therebetween. The electrochemical device according to item 8.
(10)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と前記
第二の電気化学的セルの第三の電極とが、一つの共通極
で構成されている特許請求の範囲第8項記載の電気化学
的装置。
(10) Claim 8, wherein the first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are constituted by one common electrode. electrochemical device.
(11)前記第一の電気化学的セルの第二の電極若しく
は前記第二の電気化学的セルの第四の電極が、気密なセ
ラミックス層によって取り囲まれて被測定ガスから隔離
され、所定の基準ガスに晒されるようにした特許請求の
範囲第8項乃至第10項の何れかに記載の電気化学的装
置。
(11) The second electrode of the first electrochemical cell or the fourth electrode of the second electrochemical cell is surrounded by an airtight ceramic layer and isolated from the gas to be measured, and An electrochemical device according to any one of claims 8 to 10, which is exposed to a gas.
(12)前記気密なセラミックス層によって取り囲まれ
た空間が、前記第一の電気化学的セルの第二の電極若し
くは前記第二の電気化学的セルの第四の電極の周りに形
成され、且つ該空間が大気に連通せしめられている特許
請求の範囲第11項記載の電気化学的装置。
(12) a space surrounded by the airtight ceramic layer is formed around the second electrode of the first electrochemical cell or the fourth electrode of the second electrochemical cell; 12. The electrochemical device according to claim 11, wherein the space is communicated with the atmosphere.
(13)予め定められたガス拡散抵抗を有する多孔質で
ある第一の固体電解質層と、該第−の固体電解質層の表
面に設けられた多孔質な第一の電極と、該第−の固体電
解質層またはこれに接続された固体電解質層の表面に前
記第一の電極と分離して設けられた第二の電極よりなる
第一の電気化学的セル; 第二の固体電解質層と、その両面に対向して設けられた
多孔質な第三及び第四の電極よりなる第二の電気化学的
セル; および それら二つのセルの間に介在し、少なくとも該第−の電
気化学的セルの第一の固体電解質層及びこれに接続され
た固体電解質層と該第二の電気化学的セルの固体電解質
層とを電気的に絶縁する高抵抗なセラミックス層 の積層構造体からなり、且つ該第−の電気化学的セルの
第一の電極と該第二の電気化学的セルの第三の電極が実
質的に同一の雰囲気に晒されている電気化学的素子を構
成し、 前記第二の電気化学的セルの第三及び第四の電極の間に
所定の電流を流すことにより、該第三の電極近傍の雰囲
気を制御し、その制御された雰囲気を前記第一の電気化
学的セルの第一および第二の電極の間の電位差として検
出することを特徴とする電気化学的装置。
(13) a porous first solid electrolyte layer having a predetermined gas diffusion resistance; a porous first electrode provided on the surface of the second solid electrolyte layer; a first electrochemical cell comprising a second electrode provided on the surface of the solid electrolyte layer or a solid electrolyte layer connected thereto, separately from the first electrode; a second solid electrolyte layer; a second electrochemical cell consisting of porous third and fourth electrodes provided oppositely on both sides; and intervening between these two cells, at least It is made of a laminated structure of high-resistance ceramic layers that electrically insulate one solid electrolyte layer, a solid electrolyte layer connected thereto, and the solid electrolyte layer of the second electrochemical cell; a first electrode of the electrochemical cell and a third electrode of the second electrochemical cell constitute an electrochemical element that is exposed to substantially the same atmosphere; By passing a predetermined current between the third and fourth electrodes of the first electrochemical cell, the atmosphere near the third electrode is controlled, and the controlled atmosphere is transferred to the first electrode of the first electrochemical cell. and a second electrode.
(14)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と、前
記第二の電気化学的セルの第三の電極とが、多孔質セラ
ミックス層を介して対向する位置に配置された特許請求
の範囲第13項記載の電気化学的装置。
(14) A patent claim in which the first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are arranged at positions facing each other with a porous ceramic layer interposed therebetween. 14. The electrochemical device according to item 13.
(15)前記第一の電気化学的セルの第一の電極と前記
第二の電気化学的セルの第三の電極とが、一つの共通極
で構成されている特許請求の範囲第13項記載の電気化
学的装置。
(15) Claim 13, wherein the first electrode of the first electrochemical cell and the third electrode of the second electrochemical cell are constituted by one common electrode. electrochemical device.
(16)前記第一の電気化学的セルの第二の電極若しく
は前記第二の電気化学的セルの第四の電極が、気密なセ
ラミックス層によって取り囲まれて被測定ガスから隔離
され、所定の基準ガスに晒されるようにした特許請求の
範囲第13項乃至第15項の何れかに記載の電気化学的
装置。
(16) The second electrode of the first electrochemical cell or the fourth electrode of the second electrochemical cell is surrounded by an airtight ceramic layer and isolated from the gas to be measured, and 16. The electrochemical device according to claim 13, wherein the electrochemical device is exposed to a gas.
(17)前記気密なセラミックス層によって取り囲まれ
た空間が、前記第一の電気化学的セルの第二の電極若し
くは前記第二の電気化学的セルの第四の電極の周りに形
成され、且つ該空間が大気に連通せしめられている特許
請求の範囲第16項記載の電気化学的装置。
(17) A space surrounded by the airtight ceramic layer is formed around the second electrode of the first electrochemical cell or the fourth electrode of the second electrochemical cell, and 17. The electrochemical device according to claim 16, wherein the space is communicated with the atmosphere.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6259855A (en) * 1985-09-10 1987-03-16 Nippon Denso Co Ltd Pump type oxygen concentration detector
JP2012177638A (en) * 2011-02-28 2012-09-13 Ngk Spark Plug Co Ltd Sensor element, and gas sensor with sensor element
KR20160143676A (en) * 2014-04-10 2016-12-14 로베르트 보쉬 게엠베하 Sensor element for detecting at least one property of a measured gas in a measured gas chamber, and method for producing same

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