JP4165982B2 - Gas sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスセンサに関し、特に自動車、船舶、飛行機等の移動用、産業用の内燃機関の排ガス中、或いはボイラ等の燃焼ガス中のNOxガス濃度、HCガス濃度又はNH3ガス濃度の測定に用いられるガスセンサに関し、中でもガスセンサの構成要素である測定用ポンプセルの電極成分に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、被測定ガス雰囲気に含まれる測定対象ガス成分の濃度を測定するガスセンサ、例えばNOxガスセンサでは、かかる被測定ガスにおける酸素濃度が制御されたガスを生成するための第1室と、測定対象ガス成分の濃度、即ちNOxガス濃度を測定するための第2室とを有する限界電流式のものが知られている。このようなNOxガスセンサにあっては、第2室内でNOxガスを解離させるため、第2室内に面するガス濃度測定用電極に所定の電圧を印加している。この電極(第2内部電極)としては、一般的に、Pt電極が用いられている。一方、特開平9−288084号公報には、この第2室内に面するNOxガス濃度測定用電極として、RhとジルコニアからなるRhサーメット電極が提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記Pt電極は、妨害ガス、例えばH2O、COを解離させる触媒能力も高いため、これら妨害ガスの影響を受けて、NOxガス濃度の正確な測定が困難である場合がある。一方、上記特開平9−288084号公報に提案されたRhサーメット電極は、高温領域(例えば、700〜800℃)での長期間の使用に伴いRhが酸化してしまい、NOxを解離させる触媒能力が十分に発揮されない場合があるという問題がある。
【0004】
本発明は、妨害ガスの影響を受け難く、正確な測定対象ガス成分の濃度測定が可能なガスセンサを提供することを目的とする。特に、本発明は、測定対象ガス成分の濃度を測定するための第2室内に面し、低い印加電圧においても測定対象ガス成分に対する触媒能力が高いガス濃度測定用電極を有するガスセンサを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第1の視点において、Ptを主たる電極成分とし且つIrを含み、さらにこのIrが、該Pt及び該Irの合量に対して0.2〜50wt%含まれるガス濃度測定用電極を提供する。
【0006】
本発明は、第2の視点において、Ptを主たる電極成分とし且つRuを含み、さらにこのRuが、該Pt及び該Ruの合量に対して0.2〜50wt%含まれるガス濃度測定用電極を提供する。
【0007】
前記第1及び第2の視点に係るガス濃度測定用電極は、複数の室(気体流通部)を有する限界電流式のガスセンサに適用される。このガスセンサは、測定対象ガス成分を含む被測定ガスを内部に導き、かかる被測定ガス中の酸素濃度を制御するための第1室と、測定対象ガス成分の濃度を測定するための第2室と、前記第1室と前記第2室とを拡散抵抗をもって連通する連通部と、酸素イオン伝導体上に形成された複数の電極と、を有し、該複数の電極のうち少なくとも一つの電極が該第2室内に面すると共に、前記測定対象ガス成分を解離或いは酸化又は還元させるガス濃度測定電極をなし、前記複数の電極間に電圧が印加されて前記測定対象ガス成分の濃度に応じた電流が発生される。このガスセンサは、測定対象ガスに対する触媒能力が高い電極を有するため、この電極に印加する電圧を低くして、該電極上での妨害ガス(含酸素ガス成分)の解離を抑制することができる。これによって、CO2、H2O等の妨害ガスの影響が少なく、精度の高い測定対象ガス成分の濃度測定が可能となる。また、このガスセンサは、第2室内に面するガス濃度測定用電極として、測定対象ガスに対する触媒能力が高い電極を有することにより、該電極上においてより短時間で、測定対象ガス成分が例えばNOxガスの場合にはそのNOxガスが解離され、HCガスやNH3ガスの場合にはそのHCガス又はNH3ガスが酸化されることになる。この結果、ガスセンサの検出精度や応答性も向上する。
【0008】
本発明のその他の視点及び特徴は、各請求項に記載のとおりであり、その引用をもってその重複記載を省略する。よって、各請求項の各特徴は、ここに記載されているものとみなされる。なお、従属項はそれぞれ、各独立項に記載された発明の原理に反しない限り、各独立項に適用され得、又従属項は他の従属項に適用され得る。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
【0010】
本発明の好ましい実施の形態によれば、第2室内に面するガス濃度測定用電極において、その電極成分が測定用セルを構成する酸素イオン伝導体成分に担持されている。
【0011】
本発明の好ましい実施の形態においては、測定対象ガス成分を解離或いは酸化又は還元させるために、第2室内に面するガス濃度測定用電極の少なくとも一部が、PtとIrの合量に対して、Irを2〜20wt%含む。
【0012】
本発明の好ましい実施の形態においては、測定対象ガス成分を解離或いは酸化又は還元させるために、第2室内に面するガス濃度測定用電極の少なくとも一部が、PtとRuの合量に対して、Ruを1〜12wt%含む。
【0013】
本発明の好ましい実施の形態においては、測定対象ガス成分を解離或いは酸化又は還元させるために、第2室内に面するガス濃度測定用電極の少なくとも一部が、PtとIrとRuの合量に対して、Irを2〜20wt%及びRuを1〜12wt%含む。
【0014】
Ptに対してIr及びRuを添加する場合、これらの添加量が規定量より少ない場合には、Ptが粒成長して三相界面(気相、電極成分(触媒相)及び酸素イオン伝導相の界面)を形成する面積が減少し、測定対象ガス成分を解離或いは酸化又は還元する触媒能力が低下する。反対に、これらの添加量が規定量より多い場合には、Ir及びRuが粒成長して三相界面を形成する面積が減少し、測定対象ガス成分を解離或いは酸化又は還元する触媒能力が低下する。また、Ir、Ruが添加されることにより、ガス濃度測定用電極の高温領域における耐酸化性が向上する。
【0015】
本発明の好ましい実施の形態においては、第2室内に面するガス濃度測定用電極の一部、例えば、第2室内に直接的に面する外周(外側)部分のみを、IrないしRuを含むよう形成する。また、この電極には、本発明の効果が得られる限りにおいて、他の金属元素や酸素イオン伝導体と同質の成分を添加することができる。
【0016】
本発明の好ましい実施の形態によれば、本発明の効果が得られる限りにおいて、第2室内に面するガス濃度測定用電極に、Pt、Ir及びRu以外の電極成分、例えば、その他の卑金属ないし貴金属成分を所定量単独又は複合添加することを許容する。
【0017】
本発明の好ましい実施の形態に係るガスセンサは、第1拡散抵抗部に通じる第1室と、酸素イオン伝導体上に第1室内外にそれぞれ面して形成された内部電極及び外部電極を備え、酸素を該第1室内外間で汲み出し入れする酸素ポンプセルと、第1室内に面して酸素イオン伝導体上に形成された酸素濃度検知電極と、該第1室で酸素濃度が制御されたガスが前記連通部に配設された第2拡散抵抗部を通じて導入される第2室と、酸素イオン伝導体上に形成された複数の電極を含み該複数の電極のうち少なくとも一つの電極が第2室内に面するガス濃度測定用電極(第2内部電極)である測定対象ガス成分濃度の測定用セルと、を有し、酸素濃度検知電極の電位に基づいて酸素ポンプセルによる酸素の汲み出し入れ量が制御され、又測定用セルの複数の電極間に電圧が印加されて測定対象ガス成分の濃度に応じた電流が発生される。さらに好ましくは、第1室において酸素ポンプセルにより、第2室に拡散するガス中の酸素濃度を可及的に低く制御する。これによって、測定用セル(第2酸素ポンプセル)に流れる酸素イオン伝導に起因する酸素ポンプ電流量が、第2室に拡散する酸素濃度の影響を受け難くされて、ガス濃度をよりよく反映するようになる。
【0018】
例えば、本発明によるガスセンサをNOxガス濃度測定に用いる場合、触媒能力が高いIr又は/及びRuが添加されたPt電極上でNOx、特にNOの解離が促進され、より低い印加電圧で短時間に、NOxが解離して生じた酸素イオンを酸素イオン伝導体を通じて汲み出すことができる。この結果、NOxガス濃度測定の検出精度や応答性が向上する。また、HCガス濃度測定に用いる場合には、触媒能力が高いIr又は/及びRuが添加されたPt電極上でHCガス成分の酸化が促進され、効率よくHCガスが酸化されて酸素が消費されるため、その酸素の消費量から求められるHCガス濃度測定の検出精度や応答性が向上する。
【0019】
本発明の好ましい実施の形態においては、酸素濃度検出電極と酸素イオン伝導体を介して配設される酸素濃度基準電極の電位を安定化させるため、酸素濃度基準電極と第2室に面するガス濃度測定用電極の間を、拡散抵抗をもって連通する。これによって、第2室に面するNOxガス濃度測定用電極上でNOxガスが解離されて生じた酸素イオン由来のO2ガスが酸素濃度基準電極に向かって拡散していく。かくして、酸素濃度基準電極は酸素濃度が高められた自己生成基準極となる。また、好ましくは、酸素濃度基準電極に微小電流を供給することによって、酸素濃度基準電極を酸素濃度が高められた自己生成基準極とする。
【0020】
また、好ましくは、上記第1及び第2室(気体流通部)をセラミック等の多孔体、微細な貫通孔又は細かいスリット(すきま状にする)から構成する。
【0021】
本発明によるガスセンサ(素子)は、公知のグリーンシートの積層焼成によるガスセンサの製造技術に基づき、次のように作製することができる。すなわち、酸素イオン伝導性を有するZrO2を主体とするグリーンシート単体、酸素ポンプセルの内部電極等となる多孔質な電極を形成するためPt等の電極成分を含むペースト、第1拡散抵抗部(拡散孔)を形成するためのアルミナペースト、層間を絶縁するため或いは処理室を画成するための緻密層を形成するためのアルミナペースト、並びに処理室を画成するためのカーボンペーストなどがそれぞれ所定位置にスクリーン印刷法を用いて塗布されたZrO2を主体とするグリーンシート、及び第2拡散抵抗部(拡散孔)を形成するための多孔質セラミックス体(例えばアルミナ)が埋め込まれたZrO2を主体とするグリーンシート等を積層し、乾燥し、焼成する。なお、ここでは安定化剤(例えば、CaOやMgO)を含有するZrO2を用いることが好ましい。
【0022】
なお、第2室内に面するガス濃度測定用電極を形成するための原料ペーストは、Pt粉末、Ir粉末ないしRu粉末、及び適量の有機溶剤、場合によってはZrO2粉末を混合し、分散させ、これに有機バインダーを有機溶剤に溶解させたものを添加し、さらに粘度調整剤を添加し、混合することにより作製できる。或いは、IrないしRuを含む合金粉末を用いて、乾式混合、分散、湿式混合を経て原料ペーストを作製することもできる。
【0023】
【実施例】
以上説明した本発明の好ましい実施の形態をさらに明確化するために、以下図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。なお、本実施例では、ガスセンサの内でNOxガス濃度の測定を行うNOxガスセンサについて説明する。
【0024】
図1は、本発明の一実施例に係るNOxガスセンサ(NOxガスセンサ素子)の説明図であり、このガスセンサ素子の先端部を長手方向かつ積層方向に沿って切断した断面を示している。図1を参照すると、このガスセンサ素子は、酸素イオン伝導性の固体電解質(例えば、ZrO2)を主体とする第1層1〜第5層5が順に積層されて構成されている。なお、各層1〜5間には絶縁層が形成されている。第2層2及び第4層4は、酸素イオン伝導性の固体電解質層に代えて絶縁層(例えば緻密なアルミナ絶縁層)とすることができる。さらに、第2層2と同層に、第1層1、第2層2及び第3層3に囲まれて、測定対象ガス成分を含む被測定ガス雰囲気と画されてなる第1室7が画成されている。第4層4と同層に、第3層3、第4層4及び第5層5に囲まれて第2室9が画成されている。第2層2の両側面の一部には、第1拡散抵抗部6が形成されている。第1室7の一端側は、第1拡散抵抗部6を通じて被測定ガス雰囲気に連通している。第3層3中には、第2拡散抵抗部8(拡散抵抗をもつ連通部のこと)が形成されている。第2拡散抵抗部8の一端側は、第1室7の他端側であって第1拡散抵抗部6から離間した位置に開口している。第2拡散抵抗部8の他端側は、第2室9に開口している。これによって、第1室7と第2室9は拡散抵抗をもつ連通部(ここでは拡散抵抗部8のこと)を介して互いに連通している。
【0025】
酸素イオン伝導性の固体電解質層である第1層1の被測定ガス雰囲気に面する一面上には第1外部電極10、その第1室7に面する他面上には第1内部電極11が形成されている。但し、第1内部電極11の長さは、第1外部電極10の長さより短くされ、第1拡散抵抗部6近傍から第2拡散抵抗部8の開口直上直前まで延在し、同開口直上までは形成されていない。第1酸素ポンプセルは、第1層1、第1外部電極10及び第1内部電極11から構成される。
【0026】
酸素イオン伝導性の固体電解質層である第3層3の第1室7に面する一面上には、酸素濃度検知電極12が第2拡散抵抗部8の開口近傍に形成されている。第3層3の他面上(第3層3、第4層4間)には、酸素濃度基準電極13が形成されている。酸素濃度測定セルは、第3層3、酸素濃度検知電極12及び酸素濃度基準電極13から構成される。また、酸素濃度基準電極13の電位を安定化させるため、酸素濃度基準13と後述の第2外部電極15の間は、第3拡散抵抗部16を通じて連通されている。
【0027】
酸素イオン伝導性の固体電解質層である第5層5の一面上、第2室9内に面してガス濃度測定用電極(以下「第2内部電極」という)14が形成され、第2室9外(第4層4、第5層5間)にはガス濃度測定用外部電極(以下「第2外部電極」という)15が形成されている。第2酸素ポンプセル、すなわち測定対象ガス成分(NOxガス)濃度の測定用セルは、第5層5、第2内部電極14及び第2外部電極15から構成される。
【0028】
次に、このNOxガスセンサ(素子)に適用される制御回路について説明する。
【0029】
第1外部電極10と第1内部電極11間には、電源及び第1電流計が互いに直列に接続されている。電源が第1外部電極10と第1内部電極11間に印加する第1印加電圧Vp1は、酸素濃度検知電極12と酸素濃度基準電極13の電位差が一定となるよう可変に制御される。第1電流計は、第1外部電極10と第1内部電極11間に流れる第1酸素ポンプ電流Ip1を検出する。第1酸素ポンプ電流Ip1の大きさは基本的に被測定ガス中の酸素濃度に比例する。一方、第2内部電極14と第2外部電極15間には定電圧源及び第2電流計が接続されている。第2電流計は、第2内部電極14と第2外部電極15間に流れる第2酸素ポンプ電流Ip2を検出する。第2酸素ポンプ電流Ip2の大きさは基本的に被測定ガス中の測定対象ガス成分(NOxガス)の濃度に比例している。
【0030】
なお、ガスセンサ素子を適温で動作させるために、素子の上層及び/又は下層には、ヒータが設置ないし貼着される(図1参照)。
【0031】
[測定例]
図1に示したような構造を有し、第2内部電極の電極成分(表1参照)が互いに異なるNOxガスセンサ(試料No.1〜11)を作製した。試料No.2〜6に係るNOxガスセンサにおいては、PtとIrの合量(100wt%)にIr粉末を下記の表1に示す重量で添加したペーストを用いて第2内部電極を作製した。試料No.7〜11に係るNOxガスセンサにおいては、PtとRuの合量(100wt%)にRu粉末を下記の表1に示す重量で添加したペーストをそれぞれ用いて第2内部電極を作製した。なお、試料No.1に係るNOxガスセンサ(比較例)においては、Ir及びRu粉末が添加されていないPtペーストを用いて第2内部電極を作製した。
【0032】
これらのNOxガスセンサに妨害ガス成分を含む被測定ガス(1)或いは(2)を投入し、測定用セルの両電極間(第2内部電極と第2外部電極間)に印加する電圧(第2印加電圧)Vp2を変えて、測定用セルに流れる第2酸素ポンプ電流Ip2を測定した。下記に測定条件を示し、表1に測定結果を示す。なお、表1中、Ip2[O2]は、被測定ガス(1)投入時、測定用セルに流れたO2に対するIp2の限界電流を表し、Ip2[NO]は被測定ガス(2)投入時、測定用セルに流れたNOに対するIp2の限界電流を表す。
【0033】
[測定条件]
[被測定ガス(1)の組成 750ppm、CO2:10%、H2O:10%、N2:bal、
被測定ガス組成(2)の組成 NO:1500ppm、CO2:10%、H2O:10%、N2:bal、
被測定ガス温度 680℃、
測定用セル(第2の酸素ポンプセル)への印加電圧450[mV]。
【0034】
【表1】
(*) 試料No.1は比較例
【0035】
ところで、O2は酸素2原子を有するのに対してNOは酸素1原子を有するから、理想的には、図2に示したO2=750ppm時のIp2限界電流値と、図3に示したNO=1500ppm時のIp2限界電流値は一致する。つまり、NOxガス濃度を酸素イオン伝導によって流れる電流に基づいて測定するためには、O2=750ppm時の限界電流値に対するNO=1500ppm時の限界電流値が「1」に近い方が好ましい。
【0036】
表1を参照すると、Ir及びRuが添加されていない試料No.1のNOxガスセンサ(比較例)の「Ip2[NO]/Ip2[O2]」が最も小さくなっている。よって、IrないしRuの添加によって、「Ip2[NO]/Ip2[O2]」が「1」に近づき、低い印加電圧でもNOxが十分に解離されることが分かる。
【0037】
さらに、試料No.5に係るNOxガスセンサ(実施例)のO2及びNOに対する限界電流特性を、試料No.1に係るNOxガスセンサ(比較例)の同特性と対比して説明する。図2には、試料No.1及び5のNOxガスセンサについて、被測定ガスがNOxガスを含まない場合のVp2とIp2の関係、特に酸素に対する測定用セルの限界電流特性を示す。一方、図3には、両センサについて、被測定ガスがNOxガスを含む場合のVp2とIp2の関係、特にNOガスに対する測定用セルの限界電流特性を示す。
【0038】
図2及び図3を参照すると、試料No.5のNOxガスセンサ(実施例)によれば、特に、第2印加電圧Vp2が低い範囲で、図2に示したO2によるIp2と図3に示したNOによるIp2の差が小さく、NOが第2室において十分に解離されていることが分かる。このように第2印加電圧Vp2を低く設定できることにより、第2内部電極上における妨害ガス、例えばCO、H2O等の解離が抑制される。この結果、NOxガス濃度をより正確に測定することが可能となる。
【0039】
【発明の効果】
本発明によれば、妨害ガスの影響を受け難く、正確な測定対象ガス成分の濃度測定が可能なガスセンサが提供される。また、本発明によれば、低い印加電圧においても測定対象ガス成分に対する触媒能力が高いガス濃度測定用電極を有するガスセンサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るNOxガスセンサの説明図である。
【図2】試料No.1及び5に係るNOxガスセンサにおいて、O2に対する測定用セルの限界電流特性を示すグラフである。
【図3】試料No.1及び5に係るNOxガスセンサにおいて、NOに対する測定用セルの限界電流特性を示すグラフである。
【符号の説明】
1,…,5 第1層,…,第5層
6 第1拡散抵抗部
7 第1室
8 第2拡散抵抗部
9 第2室
10 第1外部電極(酸素濃度制御ガス生成用の外部電極)
11 第1内部電極(第1室内に面する酸素濃度制御ガス生成用の内部電極)
12 酸素濃度検知電極
13 酸素濃度基準電極
14 第2内部電極(第2室内に面するガス濃度測定用電極)
15 第2外部電極(ガス濃度測定用外部電極)
16 第3拡散抵抗部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sensor, and particularly used for measuring NOx gas concentration, HC gas concentration, or NH 3 gas concentration in exhaust gas of an internal combustion engine for industrial use, or in combustion gas of a boiler or the like for movement of automobiles, ships, airplanes, etc. In particular, the present invention relates to an electrode component of a pump cell for measurement which is a constituent element of the gas sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a gas sensor that measures the concentration of a measurement target gas component contained in a measurement target gas atmosphere, for example, a NOx gas sensor, a first chamber for generating a gas with a controlled oxygen concentration in the measurement target gas, and a measurement target gas A limiting current type having a second chamber for measuring the concentration of the component, that is, the NOx gas concentration is known. In such a NOx gas sensor, in order to dissociate NOx gas in the second chamber, a predetermined voltage is applied to the gas concentration measuring electrode facing the second chamber. As this electrode (second internal electrode), a Pt electrode is generally used. On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. 9-288084 proposes an Rh cermet electrode made of Rh and zirconia as an NOx gas concentration measuring electrode facing the second chamber.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the Pt electrode has a high catalytic ability to dissociate interfering gases such as H 2 O and CO, it is sometimes difficult to accurately measure the NOx gas concentration due to the influence of these interfering gases. On the other hand, the Rh cermet electrode proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-288084 has a catalytic ability to dissociate NOx because Rh is oxidized with long-term use in a high temperature region (for example, 700 to 800 ° C.). There is a problem that may not be fully demonstrated.
[0004]
It is an object of the present invention to provide a gas sensor that is not easily affected by an interfering gas and that can accurately measure the concentration of a gas component to be measured. In particular, the present invention provides a gas sensor having a gas concentration measurement electrode that faces the second chamber for measuring the concentration of the gas component to be measured and has a high catalytic ability for the gas component to be measured even at a low applied voltage. With the goal.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In the first aspect, the present invention provides a gas concentration measuring electrode containing Pt as a main electrode component and containing Ir, and further containing 0.2 to 50 wt% of Ir with respect to the total amount of Pt and Ir. I will provide a.
[0006]
In the second aspect, the present invention provides a gas concentration measurement electrode comprising Pt as a main electrode component and containing Ru, and further containing Ru in an amount of 0.2 to 50 wt% with respect to the total amount of Pt and Ru. I will provide a.
[0007]
The gas concentration measurement electrodes according to the first and second viewpoints are applied to a limiting current type gas sensor having a plurality of chambers (gas flow portions). The gas sensor includes a first chamber for guiding a gas to be measured containing a gas component to be measured inside, and a second chamber for measuring the concentration of the gas component to be measured, and a first chamber for controlling the oxygen concentration in the gas to be measured. A communication portion that communicates the first chamber and the second chamber with diffusion resistance, and a plurality of electrodes formed on the oxygen ion conductor, and at least one of the plurality of electrodes Facing the second chamber and forming a gas concentration measurement electrode for dissociating, oxidizing or reducing the gas component to be measured, and a voltage is applied between the plurality of electrodes in accordance with the concentration of the gas component to be measured. A current is generated. Since this gas sensor has an electrode having a high catalytic ability for the gas to be measured, the voltage applied to this electrode can be lowered to suppress the dissociation of interfering gas (oxygen-containing gas component) on the electrode. As a result, the influence of the interference gas such as CO 2 and H 2 O is small, and the concentration of the measurement target gas component can be measured with high accuracy. Further, this gas sensor has an electrode having a high catalytic ability for the gas to be measured as a gas concentration measuring electrode facing the second chamber, so that the gas component to be measured can be, for example, NOx gas in a shorter time on the electrode. in the case of the dissociated its NOx gas, in the case of HC gas and NH 3 gas will be the HC gas or NH 3 gas is oxidized. As a result, the detection accuracy and responsiveness of the gas sensor are also improved.
[0008]
The other viewpoints and features of the present invention are as described in the respective claims, and duplication of the description is omitted with reference thereto. Thus, each feature of each claim is considered to be described herein. Each dependent claim can be applied to each independent claim as long as it does not violate the principle of the invention described in each independent claim, and a dependent claim can be applied to other dependent claims.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
[0010]
According to a preferred embodiment of the present invention, in the gas concentration measurement electrode facing the second chamber, the electrode component is supported on the oxygen ion conductor component constituting the measurement cell.
[0011]
In a preferred embodiment of the present invention, in order to dissociate, oxidize, or reduce the gas component to be measured, at least a part of the gas concentration measurement electrode facing the second chamber is in proportion to the total amount of Pt and Ir. , Ir is contained in an amount of 2 to 20 wt%.
[0012]
In a preferred embodiment of the present invention, in order to dissociate, oxidize, or reduce the gas component to be measured, at least a part of the gas concentration measurement electrode facing the second chamber is in proportion to the total amount of Pt and Ru. , Ru is contained in an amount of 1 to 12 wt%.
[0013]
In a preferred embodiment of the present invention, in order to dissociate, oxidize, or reduce the gas component to be measured, at least a part of the gas concentration measurement electrode facing the second chamber has a total amount of Pt, Ir, and Ru. On the other hand, it contains 2 to 20 wt% of Ir and 1 to 12 wt% of Ru.
[0014]
When Ir and Ru are added to Pt, if these addition amounts are less than the specified amount, Pt grains grow and the three-phase interface (gas phase, electrode component (catalyst phase) and oxygen ion conduction phase The area for forming the interface is reduced, and the catalytic ability to dissociate, oxidize or reduce the gas component to be measured is reduced. On the contrary, when these addition amounts are larger than the specified amount, the area where Ir and Ru grow and form a three-phase interface decreases, and the catalytic ability to dissociate, oxidize or reduce the gas component to be measured decreases. To do. Further, the addition of Ir and Ru improves the oxidation resistance in the high temperature region of the gas concentration measuring electrode.
[0015]
In a preferred embodiment of the present invention, only a part of the gas concentration measurement electrode facing the second chamber, for example, the outer (outer) portion directly facing the second chamber contains Ir or Ru. Form. Moreover, as long as the effect of this invention is acquired, the same quality component as another metal element and an oxygen ion conductor can be added to this electrode.
[0016]
According to a preferred embodiment of the present invention, an electrode component other than Pt, Ir, and Ru, for example, other base metals or the like, is used for the gas concentration measurement electrode facing the second chamber as long as the effects of the present invention are obtained. It is allowed to add a predetermined amount of the noble metal component alone or in combination.
[0017]
A gas sensor according to a preferred embodiment of the present invention includes a first chamber that communicates with the first diffusion resistance portion, and an internal electrode and an external electrode that are formed on the oxygen ion conductor so as to face the outside of the first chamber, respectively. An oxygen pump cell for pumping oxygen in and out of the first chamber, an oxygen concentration detection electrode formed on the oxygen ion conductor facing the first chamber, and a gas whose oxygen concentration is controlled in the first chamber A second chamber introduced through a second diffusion resistor disposed in the communicating portion; and a plurality of electrodes formed on the oxygen ion conductor, wherein at least one of the plurality of electrodes is in the second chamber A gas concentration measuring electrode (second internal electrode) facing to the measuring cell for measuring the concentration of the gas component to be measured, and the amount of oxygen pumped in by the oxygen pump cell is controlled based on the potential of the oxygen concentration detecting electrode Measurement cell Current voltage between the plurality of electrodes depending on the concentration of the measurement target gas component is applied is generated. More preferably, the oxygen concentration in the gas diffusing into the second chamber is controlled as low as possible by the oxygen pump cell in the first chamber. As a result, the amount of oxygen pump current caused by the conduction of oxygen ions flowing through the measurement cell (second oxygen pump cell) is made less affected by the oxygen concentration diffusing into the second chamber, so that the gas concentration is better reflected. become.
[0018]
For example, when the gas sensor according to the present invention is used for NOx gas concentration measurement, dissociation of NOx, particularly NO, is promoted on a Pt electrode to which Ir or / and Ru having a high catalytic ability is added, and at a lower applied voltage in a short time. , Oxygen ions generated by dissociation of NOx can be pumped out through the oxygen ion conductor. As a result, the detection accuracy and responsiveness of NOx gas concentration measurement are improved. Also, when used for HC gas concentration measurement, oxidation of HC gas components is promoted on a Pt electrode to which Ir or / and Ru having high catalytic ability is added, and HC gas is efficiently oxidized and oxygen is consumed. Therefore, the detection accuracy and responsiveness of the HC gas concentration measurement obtained from the oxygen consumption are improved.
[0019]
In a preferred embodiment of the present invention, the gas facing the oxygen concentration reference electrode and the second chamber is used to stabilize the potential of the oxygen concentration reference electrode disposed via the oxygen concentration detection electrode and the oxygen ion conductor. The concentration measurement electrodes communicate with each other with diffusion resistance. Thereby, O 2 gas derived from oxygen ions generated by dissociation of NOx gas on the NOx gas concentration measurement electrode facing the second chamber diffuses toward the oxygen concentration reference electrode. Thus, the oxygen concentration reference electrode becomes a self-generated reference electrode with an increased oxygen concentration. Preferably, the oxygen concentration reference electrode is a self-generated reference electrode with an increased oxygen concentration by supplying a small current to the oxygen concentration reference electrode.
[0020]
Preferably, the first and second chambers (gas flow portions) are composed of a porous body such as ceramic, a fine through-hole, or a fine slit (a gap).
[0021]
The gas sensor (element) according to the present invention can be manufactured as follows based on a known technology for manufacturing a gas sensor by laminating and firing green sheets. That is, a paste containing an electrode component such as Pt, a first diffusion resistance portion (diffusion) in order to form a green sheet consisting mainly of ZrO 2 having oxygen ion conductivity, a porous electrode which is an internal electrode of an oxygen pump cell, etc. Alumina paste for forming holes), alumina paste for forming a dense layer for insulating the layers or for defining the processing chamber, and carbon paste for defining the processing chamber, etc. are in predetermined positions, respectively. Mainly composed of ZrO 2 embedded with a green sheet mainly composed of ZrO 2 coated by screen printing and a porous ceramic body (for example, alumina) for forming the second diffusion resistance portion (diffusion hole). A green sheet or the like is laminated, dried, and fired. Here, it is preferable to use ZrO 2 containing a stabilizer (for example, CaO or MgO).
[0022]
Note that the raw material paste for forming the gas concentration measurement electrode facing the second chamber is a mixture of Pt powder, Ir powder or Ru powder, and an appropriate amount of organic solvent, in some cases ZrO 2 powder, dispersed, This can be prepared by adding an organic binder dissolved in an organic solvent, adding a viscosity modifier, and mixing them. Alternatively, an alloy powder containing Ir or Ru can be used to produce a raw material paste through dry mixing, dispersion, and wet mixing.
[0023]
【Example】
In order to further clarify the preferred embodiment of the present invention described above, an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present embodiment, a NOx gas sensor that measures the NOx gas concentration in the gas sensor will be described.
[0024]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a NOx gas sensor (NOx gas sensor element) according to an embodiment of the present invention, and shows a cross section obtained by cutting the tip of the gas sensor element along the longitudinal direction and the stacking direction. Referring to FIG. 1, this gas sensor element is configured by sequentially laminating a first layer 1 to a
[0025]
The first
[0026]
An oxygen
[0027]
A gas concentration measurement electrode (hereinafter referred to as “second internal electrode”) 14 is formed on one surface of the
[0028]
Next, a control circuit applied to this NOx gas sensor (element) will be described.
[0029]
A power supply and a first ammeter are connected in series between the first
[0030]
In order to operate the gas sensor element at an appropriate temperature, a heater is installed or adhered to the upper layer and / or the lower layer of the element (see FIG. 1).
[0031]
[Measurement example]
NOx gas sensors (sample Nos. 1 to 11) having the structure shown in FIG. 1 and having different electrode components (see Table 1) of the second internal electrode were produced. Sample No. In the NOx gas sensors according to 2 to 6, a second internal electrode was prepared using a paste in which Ir powder was added to the total amount (100 wt%) of Pt and Ir at a weight shown in Table 1 below. Sample No. In the NOx gas sensors according to 7 to 11, second internal electrodes were prepared using pastes obtained by adding Ru powder to the total amount (100 wt%) of Pt and Ru at the weight shown in Table 1 below. Sample No. In the NOx gas sensor according to No. 1 (comparative example), a second internal electrode was produced using a Pt paste to which no Ir and Ru powder was added.
[0032]
A gas to be measured (1) or (2) containing a disturbing gas component is put into these NOx gas sensors, and a voltage (second) applied between both electrodes (between the second internal electrode and the second external electrode) of the measurement cell. The second oxygen pump current Ip2 flowing through the measurement cell was measured by changing the applied voltage Vp2. The measurement conditions are shown below, and Table 1 shows the measurement results. In Table 1, Ip2 [O 2 ] represents the limit current of Ip2 with respect to O 2 flowing into the measurement cell when the gas to be measured (1) is charged, and Ip2 [NO] is the gas to be measured (2) charged. Time, it represents the limit current of Ip2 with respect to NO flowing into the measurement cell.
[0033]
[Measurement condition]
[Composition of gas to be measured (1) 750 ppm, CO 2 : 10%, H 2 O: 10%, N 2 : bal,
Composition of measured gas composition (2) NO: 1500 ppm, CO 2 : 10%, H 2 O: 10%, N 2 : bal,
Measured gas temperature 680 ° C,
An applied voltage of 450 [mV] to the measurement cell (second oxygen pump cell).
[0034]
[Table 1]
(*) Sample No. 1 is a comparative example.
By the way, since O 2 has 2 oxygen atoms and NO has 1 oxygen atom, ideally, the Ip2 limit current value at O 2 = 750 ppm shown in FIG. 2 and FIG. The Ip2 limit current values when NO = 1500 ppm coincide. That is, in order to measure the NOx gas concentration based on the current flowing through oxygen ion conduction, the limit current value at NO = 1500 ppm with respect to the limit current value at O 2 = 750 ppm is preferably close to “1”.
[0036]
Referring to Table 1, Sample No. without Ir and Ru added. “Ip2 [NO] / Ip2 [O 2 ]” of No. 1 NOx gas sensor (comparative example) is the smallest. Therefore, it can be seen that by adding Ir or Ru, “Ip2 [NO] / Ip2 [O 2 ]” approaches “1”, and NOx is sufficiently dissociated even at a low applied voltage.
[0037]
Furthermore, sample no. The limiting current characteristics for O 2 and NO of the NOx gas sensor (Example) according to FIG. 1 will be described in comparison with the same characteristics of the NOx gas sensor (comparative example). In FIG. The
[0038]
Referring to FIG. 2 and FIG. 5, the difference between Ip2 due to O 2 shown in FIG. 2 and Ip2 due to NO shown in FIG. 3 is small, especially when the second applied voltage Vp2 is low. It can be seen that the two chambers are sufficiently dissociated. Since the second applied voltage Vp2 can be set low as described above, dissociation of interfering gases such as CO and H 2 O on the second internal electrode is suppressed. As a result, the NOx gas concentration can be measured more accurately.
[0039]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the gas sensor which is hard to receive to the influence of interference gas and can perform the density | concentration measurement of the measurement object gas component correctly is provided. In addition, according to the present invention, there is provided a gas sensor having a gas concentration measurement electrode having a high catalytic ability for a measurement target gas component even at a low applied voltage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a NOx gas sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing limit current characteristics of a measurement cell with respect to O 2 in the NOx gas sensors according to 1 and 5;
FIG. 6 is a graph showing limit current characteristics of a measurement cell with respect to NO in the NOx gas sensors according to 1 and 5;
[Explanation of symbols]
1, ..., 5 1st layer, ...,
11 First internal electrode (internal electrode for oxygen concentration control gas generation facing the first chamber)
12 Oxygen
15 Second external electrode (external electrode for gas concentration measurement)
16 Third diffusion resistance section
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