DE102017007601A1 - Vorrichtung zur Messung einer Ammoniakkonzentration, System zur Messung einer Ammoniakkonzentration, System zur Behandlung eines Abgases und Verfahren zur Messung einer Ammoniakkonzentration - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration umfasst einen elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt 75, der zum Erfassen von Informationen über eine elektromotorische Kraft EMK einer Mischpotenzialzelle 55 ausgebildet ist, während eine Erfassungselektrode 51 einem Zielgas ausgesetzt ist, einen Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt 76, der zum Erfassen von Informationen über eine Sauerstoffkonzentration pin dem Zielgas ausgebildet ist, und einen Steuerungsabschnitt 72. Der Steuerungsabschnitt 72 leitet die Ammoniakkonzentration pin dem Zielgas von den erfassten Informationen über die elektromotorische Kraft EMK, den erfassten Informationen über die Sauerstoffkonzentration pund der Beziehung, die durch die Formel (1) dargestellt ist, ab:wobei α, β und B jeweils eine Konstante darstellen und a und b jeweils jedwede Basis darstellen (mit der Maßgabe, dass a ≠ 1, a > 0, b ≠ 1 und b > 0).

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Ammoniakkonzentration, ein System zur Messung einer Ammoniakkonzentration, ein System zur Behandlung eines Abgases und ein Verfahren zur Messung einer Ammoniakkonzentration.
• STAND DER TECHNIK
• Bisher sind Ammoniaksensoren zur Erfassung von Ammoniakkonzentrationen in Zielgasen, wie z.B. Abgasen von Kraftfahrzeugen, bekannt. Beispielsweise beschreibt das Patentdokument 1 einen Mehrfachgassensor, der einen Ammoniakerfassungsabschnitt mit einem Paar von Elektroden aufweist, die auf einem Festelektrolytkörper angeordnet sind. Die Formel (2) auf der Basis einer Mischpotenzialformel ist als Eigenschaft der elektromotorischen Kraft (EMK) einer Mischpotenzialzelle bekannt, die einen Festelektrolytkörper und ein Paar von Elektroden umfasst (vgl. z.B. das Nicht-Patentdokument 1).
  [Math. 1] $$EMK\propto \frac{RT}{2F}\left(\frac{2}{3}\text{ln }{p}_{NH3}-\frac{1}{2}\text{ln }{p}_{O2}-\text{ln }{p}_{H2O}\right)$$

  

  (wobei
• EMK: Elektromotorische Kraft der Mischpotenzialzelle
• R: Gaskonstante [J/(K · mol)]
• T: Temperatur der Mischpotenzialzelle [K]
• F: Faradaykonstante [C/mol]
• p_NH3: Ammoniakkonzentration in einem Zielgas
• p_O2: Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas
• P_H2O: H₂O-Konzentration in dem Zielgas)
• DOKUMENTENLISTE
• PATENTDOKUMENT
• [PTL 1] Japanisches Patent Nr. 5204160
• NICHT-PATENTDOKUMENT
• [NPL 1] D. Schonauer et al., Sensors and Actuators B, Band 140 (2009), Seiten 585-590
• OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• Die Erfinder haben jedoch Untersuchungen durchgeführt und gefunden, dass in tatsächlichen Sensorelementen die Beziehung zwischen der elektromotorischen Kraft EMK, der Ammoniakkonzentration p_NH3, der Sauerstoffkonzentration p_O2, der H₂O-Konzentration p_H2O in manchen Fällen nicht die Formel (2) erfüllt. Folglich wird, wenn die Ammoniakkonzentration p_NH3 in einem Ammoniaksensor des Mischpotenzialtyps mit der Formel (2) berechnet wird, die Ammoniakkonzentration in dem Zielgas in manchen Fällen nicht genau abgeleitet.
• Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen dieser Probleme gemacht und soll vorwiegend die Ammoniakkonzentration in einem Zielgas mit einer höheren Genauigkeit ableiten.
• In der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Maßnahmen eingesetzt, um die vorstehend beschriebene Hauptaufgabe zu lösen.
• Eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Messung der Ammoniakkonzentration in einem Zielgas mit einem Sensorelement, das eine Mischpotenzialzelle umfasst, die einen Festelektrolytkörper, eine Erfassungselektrode, die auf dem Festelektrolytkörper angeordnet ist, und eine Referenzelektrode umfasst, die auf dem Festelektrolytkörper angeordnet ist, umfasst:
• einen elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt, der zum Erfassen von Informationen über eine elektromotorische Kraft der Mischpotenzialzelle ausgebildet ist, während die Erfassungselektrode dem Zielgas ausgesetzt ist;
• einen Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt, der zum Erfassen von Informationen über die Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas ausgebildet ist; und
• einen Ammoniakkonzentration-Ableitungsabschnitt, der zum Ableiten der Ammoniakkonzentration in dem Zielgas von den erfassten Informationen über die elektromotorische Kraft, den erfassten Informationen über die Sauerstoffkonzentration und der durch die Formel (1) dargestellten Beziehung ausgebildet ist: $$\text{EMK}=\mathrm{\alpha }{\text{log}}_{\text{a}}\left({\text{p}}_{\text{NH3}}\right)-\mathrm{\beta }{\text{log}}_{\text{b}}\left({\text{p}}_{\text{O2}}\right)+\text{B}$$
  
  (wobei
  • EMK: Elektromotorische Kraft der Mischpotenzialzelle,
  • α, β und B: Konstanten,
  • a und b: Jedwede Basis (mit der Maßgabe, dass a ≠ 1, a > 0, b ≠ 1 und b > 0),
  • p_NH3: Ammoniakkonzentration in dem Zielgas,
  • p_O2: Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas).
• In der Vorrichtung zur Messung einer Ammoniakkonzentration wird die Ammoniakkonzentration in dem Zielgas aus den Informationen über die elektromotorische Kraft der Mischpotenzialzelle des Sensorelements, den Informationen über die Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas und der Beziehung der Formel (1) abgeleitet. Auf diese Weise kann die Verwendung der Formel (1) die Ammoniakkonzentration in dem Zielgas mit einer höheren Genauigkeit ableiten als in dem Fall der Verwendung der vorstehend beschriebenen Formel (2). Dabei kann das Ableiten der Ammoniakkonzentration auf der Basis der Beziehung der Formel (1) unter Verwendung der Beziehung der Formel(1) durchgeführt werden und ist nicht auf die Ableitung der Ammoniakkonzentration unter Verwendung der Formel (1) selbst beschränkt. Beispielsweise kann die Ammoniakkonzentration aus einer Formel abgeleitet werden, die durch Modifizieren der Formel (1) erhalten wird. Die Beziehung zwischen den Werten der Variablen (EMK, p_NH3, p_O2) der Formel (1) ist in der Form eines Kennfelds gespeichert und die Ammoniakkonzentration kann von dem Kennfeld abgeleitet werden. Die Konstanten α, β und B sind Werte, die von dem Sensorelement abhängen und können z.B. durch Experimente im Vorhinein bestimmt werden.
• Ein System der vorliegenden Erfindung zur Messung einer Ammoniakkonzentration umfasst das Sensorelement und die Ammoniakkonzentration-Messvorrichtung. Demgemäß weist das System zur Messung einer Ammoniakkonzentration den gleichen Effekt wie die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Messung einer Ammoniakkonzentration auf, d.h., z.B. den Effekt des Ableitens einer Ammoniakkonzentration in einem Zielgas mit einer höheren Genauigkeit.
• In dem System zur Messung einer Ammoniakkonzentration kann die Erfassungselektrode aus einer Au-Pt-Legierung als eine Hauptkomponente zusammengesetzt sein. Die Au-Pt-Legierung ist als eine Hauptkomponente der Erfassungselektrode geeignet, da an der Dreiphasengrenze des Festelektrolytkörpers und des Zielgases einfach ein Mischpotenzial ausgebildet wird. In diesem Fall kann die Erfassungselektrode einen Konzentrationsgrad (= Menge des vorliegenden Au [Atom-%]/Menge des vorliegenden Pt [Atom-%]) von 0,3 oder mehr aufweisen, wobei der Konzentrationsgrad durch mindestens eine von einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und einer Augerelektronenspektroskopie (AES) gemessen wird. Ein Konzentrationsgrad von 0,3 oder mehr kann das Mischpotenzial zuverlässiger bereitstellen. Der Konzentrationsgrad kann 0,1 oder mehr betragen.
• In dem System der vorliegenden Erfindung zur Messung einer Ammoniakkonzentration kann das Sensorelement eine Heizeinrichtung umfassen, die zum Erwärmen der Mischpotenzialzelle auf eine Betriebstemperatur von 450 °C oder höher und 650 °C oder niedriger ausgebildet ist. In dem System zur Messung einer Ammoniakkonzentration kann die Verwendung einer Betriebstemperatur von 450 °C oder höher den Festelektrolytkörper in einer geeigneten Weise aktivieren. In dem System zur Messung einer Ammoniakkonzentration kann die Verwendung einer Betriebstemperatur von 650 °C oder niedriger eine Verminderung der Messgenauigkeit aufgrund der Verbrennung von Ammoniak hemmen. Die Betriebstemperatur kann 600 °C oder weniger betragen.
• Ein System der vorliegenden Erfindung zur Behandlung eines Abgases umfasst jedwedes der Systeme zur Messung einer Ammoniakkonzentration gemäß den vorstehenden Ausführungsformen und einen Abgasweg, durch den ein Abgas, das als das Zielgas dient, von einem Verbrennungsmotor strömt, wobei das Sensorelement in dem Abgasweg angeordnet ist. Demgemäß weist das System zur Behandlung eines Abgases den gleichen Effekt auf wie das System zur Messung einer Ammoniakkonzentration, d.h., zum Beispiel den Effekt des Ableitens der Ammoniakkonzentration in einem Zielgas mit einer höheren Genauigkeit.
• Das System der vorliegenden Erfindung zur Behandlung eines Abgases kann ferner einen oder mehrere Oxidationskatalysator(en) umfassen, der oder die in dem Abgasweg angeordnet ist oder sind, wobei das Sensorelement auf der stromabwärtigen Seite des Abgaswegs angeordnet sein kann, und zwar im Gegensatz zu einem des einen Oxidationskatalysators oder der mehreren Oxidationskatalysatoren, der oder die an dem stromaufwärtigen Ende angeordnet ist oder sind. In diesem Fall erreicht das Zielgas, in dem eine Komponente (z.B. mindestens eines von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid), die in dem Zielgas vorliegt und welche die Messgenauigkeit der Ammoniakkonzentration beeinflusst, durch die Oxidationskatalysatoren oxidiert worden ist, das Sensorelement. Folglich kann in dem System zur Behandlung eines Abgases die Ammoniakkonzentration in dem Zielgas mit einer höheren Genauigkeit abgeleitet werden.
• Ein Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Messung der Ammoniakkonzentration in einem Zielgas mit einem Sensorelement, das eine Mischpotenzialzelle umfasst, die einen Festelektrolytkörper, eine Erfassungselektrode, die auf dem Festelektrolytkörper angeordnet ist, und eine Referenzelektrode umfasst, die auf dem Festelektrolytkörper angeordnet ist, umfasst:
• einen elektromotorische Kraft-Erfassungsschritt des Erfassens von Informationen über eine elektromotorische Kraft der Mischpotenzialzelle, während die Erfassungselektrode dem Zielgas ausgesetzt ist;
• einen Sauerstoffkonzentration-Erfassungsschritt des Erfassens von Informationen über die Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas; und
• einen Konzentrationsableitungsschritt des Ableitens der Ammoniakkonzentration in dem Zielgas von den erfassten Informationen über die elektromotorische Kraft, den erfassten Informationen über die Sauerstoffkonzentration und der durch die Formel (1) dargestellten Beziehung: $$\text{EMK}=\mathrm{\alpha }{\text{log}}_{\text{a}}\left({\text{p}}_{\text{NH3}}\right)-\mathrm{\beta }{\text{log}}_{\text{b}}\left({\text{p}}_{\text{O2}}\right)+\text{B}$$
  
  (wobei
  • EMK: Elektromotorische Kraft der Mischpotenzialzelle,
  • α, β und B: Konstanten,
  • a und b: Jedwede Basis (mit der Maßgabe, dass a ≠ 1, a > 0, b ≠ 1 und b > 0),
  • p_NH3: Ammoniakkonzentration in dem Zielgas,
  • p_O2: Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas).
• Wie bei der vorstehend genannten Vorrichtung zur Messung einer Ammoniakkonzentration kann die Ammoniakkonzentration in dem Zielgas aus der Beziehung der Formel (1) mit dem Verfahren zur Messung einer Ammoniakkonzentration mit einer höheren Genauigkeit abgeleitet werden. In dem Verfahren zur Messung einer Ammoniakkonzentration können die Vorrichtung zur Messung einer Ammoniakkonzentration, das System zur Messung einer Ammoniakkonzentration und das System zur Behandlung eines Abgases gemäß der verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden, und Schritte zur Bereitstellung dieser Funktionen können hinzugefügt werden.
• Figurenliste
• 1 ist ein erläuterndes Diagramm eines Systems 2 zur Behandlung eines Abgases eines Motors 1.
• 2 ist eine erläuternde Zeichnung eines Systems 20 zur Messung einer Ammoniakkonzentration.
• 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Ammoniakkonzentration-Ableitungsroutine zeigt.
• 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Konstantenableitungsverarbeitung zeigt.
• 5 ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen Ammoniakkonzentrationen p_NH3 [ppm] und elektromotorischen Kräften EMKs [mV] der Sensorelemente 1 und 2 zeigt.
• 6 ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen Sauerstoffkonzentrationen p_O2 [%] und elektromotorischen Kräften EMKs [mV] der Sensorelemente 1 und 2 zeigt.
• 7 ist ein Graph, der tatsächlich gemessene elektromotorische Kräfte EMKs und elektromotorische Kräfte EMKs zeigt, die von der Formel (4) in dem Sensorelement 1 abgeleitet sind.
• 8 ist ein Graph, der tatsächlich gemessene elektromotorische Kräfte EMKs und elektromotorische Kräfte EMKs zeigt, die von der Formel (5) in dem Sensorelement 2 abgeleitet sind.
• 9 ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen H₂O-Konzentrationen p_H2O [%] und elektromotorischen Kräften EMKs [mV] der Sensorelemente 1 und 2 zeigt.
• BESTER MODUS ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
• Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist ein erläuterndes Diagramm eines Systems 2 zur Behandlung eines Abgases eines Motors 1. Die 2 ist eine erläuternde Zeichnung eines Systems 20 zur Messung einer Ammoniakkonzentration.
• Das System 2 zur Behandlung eines Abgases ist ein System zur Behandlung eines Abgases von dem Motor 1, das als Zielgas dient. In dieser Ausführungsform ist der Motor 1 ein Dieselmotor. Wie es in der 1 gezeigt ist, umfasst das System 2 zur Behandlung eines Abgases einen Abgasweg 3, der mit dem Motor 1 verbunden ist, und das System 20 zur Messung einer Ammoniakkonzentration, das einen Gassensor 30 umfasst, der in dem Abgasweg 3 angeordnet ist. In dem System 2 zur Behandlung eines Abgases sind ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) 4, ein Dieselpartikelfilter (DPF) 5, ein Injektor 6, eine selektive katalytische Reduktion (SCR) 7, der Gassensor 30 und ein Ammoniakschlupfkatalysator (ASC) 8 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite des Abgases angeordnet. Der DOC 4 ist einer von Oxidationskatalysatoren, die in das System 2 zur Behandlung eines Abgases einbezogen sind, und wandelt HC (Kohlenwasserstoffe) und CO in dem Abgas zur Entgiftung in Wasser und Kohlendioxid um. Der DPF 5 fängt PM (partikelförmiges Material) in dem Abgas ein. Der Injektor 6 ist eine Vorrichtung, die zum Einspritzen von mindestens einem von Ammoniak und einer Substanz, die Ammoniak bilden kann (z.B. Harnstoff) in eine Abgasleitung zum Zuführen des mindestens einen von Ammoniak und der Substanz zu der SCR 7 ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform spritzt der Injektor 6 Harnstoff ein und der eingespritzte Harnstoff wird unter Bildung von Ammoniak hydrolysiert. Die SCR 7 zersetzt Stickstoffoxide (NOx) durch eine Reduktion unter Verwendung von Ammoniak, das von dem Injektor 6 in die Abgasleitung zugeführt wird, zu harmlosem N₂ und H₂O. Das Abgas, das durch die SCR 7 hindurchtritt, strömt durch eine Leitung 10. Der Gassensor 30 ist an der Leitung 10 angebracht. Der ASC 8 ist stromabwärts von der Leitung 10 angeordnet. Der ASC 8 ist einer der Oxidationskatalysatoren, die in das System 2 zur Behandlung eines Abgases einbezogen sind, und wird auch als „stromabwärtiger DOC“ bezüglich des DOC 4 (stromaufwärtiger DOC) bezeichnet. D.h., das System 2 zur Behandlung eines Abgases gemäß dieser Ausführungsform umfasst zwei Oxidationskatalysatoren: den DOC 4 und den ASC 8. Der Gassensor 30 ist im Gegensatz zu dem DOC 4, der an dem stromaufwärtigen Ende von einem oder mehreren Oxidationskatalysator(en) (zwei Oxidationskatalysatoren in dieser Ausführungsform), der oder die in das System 2 zur Behandlung eines Abgases einbezogen ist oder sind, stromabwärts angeordnet. Der ASC 8 zersetzt überschüssiges Ammoniak in dem Abgas, das durch den SCR 7 hindurchtritt, durch eine Oxidation zu harmlosem N₂ und H₂O. Das Abgas, das durch den ASC 8 hindurchtritt, wird z.B. in die Luft freigesetzt.
• Das System 20 zur Messung der Ammoniakkonzentration umfasst den Gassensor 30 und eine Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration, wobei die Vorrichtung elektrisch mit dem Gassensor 30 verbunden ist. Der Gassensor 30 ist ein Ammoniaksensor, der zum Erzeugen eines elektrischen Signals abhängig von der Konzentration von überschüssigem Ammoniak ausgebildet ist, das in dem Zielgas enthalten ist, das durch die SCR 7 in der Leitung 10 hindurchtritt. Der Gassensor 30 wirkt auch als Sauerstoffsensor, der zum Erzeugen eines elektrischen Signals abhängig von der Konzentration von Sauerstoff in dem Zielgas ausgebildet ist, und dient als Mehrfachsensor. Die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration leitet die Ammoniakkonzentration in dem Zielgas von dem elektrischen Signal ab, das durch den Gassensor 30 erzeugt wird, und überträgt die resultierenden Daten zu einem elektronischen Motorsteuergerät (ECU) 9. Das elektronische Motorsteuergerät (ECU) 9 steuert die Menge des Harnstoffs, der von dem Injektor 6 in die Abgasleitung eingespritzt wird, derart, dass sich die erfasste überschüssige Ammoniakkonzentration Null nähert. Das System 20 zur Messung der Ammoniakkonzentration wird nachstehend detailliert beschrieben.
• Wie es in der 1 gezeigt ist, ist der Gassensor 30 derart in der Leitung 10 angebracht, dass die Mittelachse des Gassensors 30 senkrecht zu der Strömung des Zielgases in der Leitung 10 ist. Der Gassensor 30 kann derart in der Leitung 10 angebracht sein, dass die Mittelachse des Gassensors 30 senkrecht zu der Strömung des Zielgases in der Leitung 10 ist, und er in einem vorgegebenen Winkel (z.B. 45°) bezogen auf die vertikale Richtung (der Oben-unten-Richtung in der 1) geneigt ist. Wie es in der vergrößerten Querschnittsansicht von 1 gezeigt ist, umfasst der Gassensor 30 ein Sensorelement 31, eine Schutzabdeckung 32, welche die vordere Endseite (die untere Endseite in der 1) des Sensorelements 31, die eine Endseite des Sensorelements 31 in der Längsrichtung ist, bedeckt und schützt, einen Elementanbringungsabschnitt 33, der das Sensorelement 31 einkapselt und anbringt, und eine Mutter 37, die an dem Elementanbringungsabschnitt 33 angebracht ist. Die eine Endseite des Sensorelements 31 ist mit einer porösen Schutzschicht 48 bedeckt.
• Die Schutzabdeckung 32 ist eine zylindrische Abdeckung mit einem geschlossenen Boden, wobei die zylindrische Abdeckung ein Ende des Sensorelements 31 bedeckt. Obwohl in der 1 eine Einschichtabdeckung verwendet wird, kann eine Zwei- oder Mehrschichtabdeckung, die eine innere Schutzabdeckung und eine äußere Schutzabdeckung umfasst, verwendet werden. Die Schutzabdeckung 32 weist Löcher auf, durch die das Zielgas in die Schutzabdeckung 32 strömen gelassen wird. Das eine Ende des Sensorelements 31 und die poröse Schutzschicht 48 sind in einem Hohlraum angeordnet, der durch die Schutzabdeckung 32 umgeben ist.
• Der Elementanbringungsabschnitt 33 umfasst ein zylindrisches Hauptmetallformteil 34, einen Keramikhalter 35, der in einem inneren Durchgangsloch des Hauptmetallformteils 34 eingekapselt ist, und einen Presskörper 36, der in dem inneren Durchgangsloch des Hauptmetallformteils 34 eingekapselt ist und aus einem Keramikpulver ausgebildet ist, das z.B. aus Talk zusammengesetzt ist. Das Sensorelement 31 befindet sich auf der Mittelachse des Elementanbringungsabschnitts 33 und erstreckt sich in der Längsrichtung durch den Elementanbringungsabschnitt 33. Der Presskörper 36 ist zwischen dem Hauptmetallformteil 34 und dem Sensorelement 31 zusammengedrückt. Folglich versiegelt der Presskörper 36 das Durchgangsloch in dem Hauptmetallformteil 34 und fixiert das Sensorelement 31.
• Die Mutter 37 ist koaxial mit dem Hauptmetallformteil 34 fixiert und weist auf einem Außenumfang davon einen Außengewindeabschnitt auf. Der Außengewindeabschnitt der Mutter 37 ist mit einem Anbringungselement 12 versehen, das an die Leitung 10 geschweißt ist und das einen Innengewindeabschnitt auf einem Innenumfang davon aufweist. Folglich kann der Gassensor 30 an der Leitung 10 angebracht werden, während die eine Endseite des Sensorelements 31 und die Schutzabdeckung 32 in die Leitung 10 vorragen.
• Das Sensorelement 31 wird unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben. Die Querschnittsansicht des Sensorelements 31 von 2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Mittelachse des Sensorelements 31 in der Längsrichtung (Querschnitt in der Oben-unten-Richtung von 1). Das Sensorelement 31 umfasst eine Basis 40, die aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten zusammengesetzt ist, eine Erfassungselektrode 51 und eine Hilfselektrode 52, die auf der Seite eines Endes (des unteren Endes von 1 und des linken Endes von 2) des Sensorelements 31 und auf der oberen Oberfläche der Basis 40 angeordnet sind, eine Referenzelektrode 53, die innerhalb der Basis 40 angeordnet ist, und einen Heizeinrichtungsabschnitt 60, der die Temperatur der Basis 40 einstellt.
• Die Basis 40 weist eine plattenartige Struktur auf, in der vier Schichten, d.h., eine erste Substratschicht 41, eine zweite Substratschicht 42, eine Abstandshalterschicht 43 und eine Festelektrolytschicht 44 in dieser Reihenfolge von der Unterseite in der 2 gestapelt sind, wobei jede der Schichten aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht ausgebildet ist, die z.B. aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) zusammengesetzt ist. Ein Festelektrolyt, der zur Bildung dieser vier Schichten verwendet wird, ist ein gasdichtes Material mit hoher Dichte. Der Umfang eines Abschnitts der Basis 40 in der Schutzabdeckung 32 liegt zu dem Zielgas hin frei, das in die Schutzabdeckung 32 eingeführt wird. Ein Referenzgaseinführungshohlraum 46 ist zwischen einer oberen Oberfläche der zweiten Substratschicht 42 und einer unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 44 in der Basis 40 bereitgestellt, wobei ein Seitenabschnitt des Hohlraums durch eine Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 43 festgelegt ist. Der Referenzgaseinführungshohlraum 46 weist einen Öffnungsabschnitt auf der anderen Endseite (rechte Endseite von 2) entfernt von der einen Endseite des Sensorelements 31 auf. Beispielsweise wird Luft in den Referenzgaseinführungshohlraum 46 eingeführt, wobei die Luft als Referenzgas dient, das zur Messung der Ammoniakkonzentration und der Sauerstoffkonzentration verwendet wird. Jede der Schichten der Basis 40 kann aus einem Substrat ausgebildet sein, das 3 mol-% bis 15 mol-% Yttriumoxid (Y₂O₃) (Yttriumoxidstabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ)-Substrat) enthält, das als Stabilisator dient.
• Die Erfassungselektrode 51 ist eine poröse Elektrode, die auf einer oberen Oberfläche der Festelektrolytschicht 44 auf der Basis 40 in der 2 angeordnet ist. Die Erfassungselektrode 51, die Festelektrolytschicht 44 und die Referenzelektrode 53 bilden eine Mischpotenzialzelle 55. In der Mischpotenzialzelle 55 wird ein Mischpotenzial (elektromotorische Kraft EMK) in der Erfassungselektrode 51 abhängig von der Konzentration einer vorgegebenen Gaskomponente in dem Zielgas erzeugt. Der Wert der elektromotorischen Kraft EMK zwischen der Erfassungselektrode 51 und der Referenzelektrode 53 wird zum Ableiten der Ammoniakkonzentration in dem Zielgas verwendet. Die Erfassungselektrode 51 ist als Hauptkomponente aus einem Material zusammengesetzt, das abhängig von der Ammoniakkonzentration ein Mischpotenzial bereitstellt und das eine Erfassungsempfindlichkeit für die Ammoniakkonzentration aufweist. Die Erfassungselektrode 51 kann aus einem Edelmetall, wie z.B. Gold (Au), als Hauptkomponente zusammengesetzt sein. Die Erfassungselektrode 51 ist vorzugsweise aus einer Au-Pt-Legierung als Hauptkomponente zusammengesetzt. Der Begriff „Hauptkomponente“, der hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Komponente, die bezogen auf die Gesamtmenge der enthaltenen Komponenten in der größten Menge enthalten ist (Atom-%, Atomprozent). Die Erfassungselektrode 51 weist vorzugsweise einen Konzentrationsgrad (= Menge des vorliegenden Au [Atom-%]/Menge des vorliegenden Pt [Atom-%]) von 0,3 oder mehr auf, wobei der Konzentrationsgrad durch mindestens eines von einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und einer Augerelektronenspektroskopie (AES) gemessen wird. Ein Konzentrationsgrad von 0,3 oder mehr kann das Mischpotenzial zuverlässiger bereitstellen. Der Konzentrationsgrad der Erfassungselektrode 51 bezieht sich auf den Grad der Oberflächenkonzentration auf einer Oberfläche von Edelmetallteilchen der Erfassungselektrode 51. Die Menge des vorliegenden Au [Atom-%] wird als die Menge von Au bestimmt, das auf den Oberflächen der Edelmetallteilchen der Erfassungselektrode 51 vorliegt. Entsprechend wird die Menge des vorliegenden Pt [Atom-%] als die Menge von Pt bestimmt, das auf den Oberflächen der Edelmetallteilchen der Erfassungselektrode 51 vorliegt. Bezüglich der Oberflächen der Edelmetallteilchen kann eine Oberfläche (z.B. eine obere Oberfläche in der 2) der Erfassungselektrode 51 oder eine Bruchoberfläche der Erfassungselektrode 51 verwendet werden. Beispielsweise in dem Fall, wenn die Oberfläche (die obere Oberfläche in der 2) der Erfassungselektrode 51 freiliegt, kann der Konzentrationsgrad auf der Oberfläche gemessen werden; folglich kann die Messung mittels XPS durchgeführt werden. Der Konzentrationsgrad kann auch durch AES gemessen werden. In dem Fall, bei dem die Erfassungselektrode 51 mit der porösen Schutzschicht 48 bedeckt ist, wie es in dieser Ausführungsform beschrieben ist, wird die Bruchoberfläche (Bruchoberfläche in der Oben-unten-Richtung von 2) der Erfassungselektrode 51 der Messung durch XPS oder AES unterzogen, um den Konzentrationsgrad zu bestimmen. Ein höherer Konzentrationsgrad führt zu einer geringeren Menge von Pt, das auf der Oberfläche der Erfassungselektrode 51 vorliegt, wodurch die Zersetzung von Ammoniak in dem Zielgas um die Erfassungselektrode 51 gehemmt wird. Folglich führt ein höherer Konzentrationsgrad zu einer stärker verbesserten Ableitungsgenauigkeit der Ammoniakkonzentration in dem System 20 zur Messung der Ammoniakkonzentration. Insbesondere beträgt der Konzentrationsgrad vorzugsweise 0,1 oder mehr, mehr bevorzugt 0,3 oder mehr. Die Obergrenze des Konzentrationsgrads ist nicht speziell festgelegt. Beispielsweise kann die Erfassungselektrode 51 kein Pt enthalten. Die gesamte Erfassungselektrode 51 kann aus Au zusammengesetzt sein.
• Die Hilfselektrode 52 ist eine poröse Elektrode, die auf der oberen Oberfläche der Festelektrolytschicht 44 ähnlich wie die Erfassungselektrode 51 angeordnet ist. Die Hilfselektrode 52, die Festelektrolytschicht 44 und die Referenzelektrode 53 bilden eine elektrochemische Konzentrationszelle 56. In der Konzentrationszelle 56 wird eine Differenz der elektromotorischen Kraft V, wobei es sich um eine Potenzialdifferenz abhängig von der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Hilfselektrode 52 und der Referenzelektrode 53 handelt, bereitgestellt. Der Wert der Differenz der elektromotorischen Kraft V wird zum Ableiten der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem Zielgas verwendet. Die Hilfselektrode 52 kann aus einem katalytisch aktiven Edelmetall zusammengesetzt sein. Beispielsweise kann Pt, Ir, Rh, Rd oder eine Legierung, die mindestens eines davon enthält, für die Hilfselektrode 52 verwendet werden. In dieser Ausführungsform ist die Hilfselektrode 52 aus Pt zusammengesetzt.
• Die Referenzelektrode 53 ist eine poröse Elektrode, die auf der unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 44 angeordnet ist, d.h., auf einer Seite der Festelektrolytschicht 44 entgegengesetzt zu der Seite, auf der die Erfassungselektrode 51 und die Hilfselektrode 52 angeordnet sind. Die Referenzelektrode 53 liegt in dem Referenzgaseinführungshohlraum 46 frei und ein Referenzgas (hier Luft) in dem Referenzgaseinführungshohlraum 46 wird darin eingeführt. Das Potenzial der Referenzelektrode 53 ist der Standard für die elektromotorische Kraft EMK und die Differenz der elektromotorischen Kraft V. Die Referenzelektrode 53 kann aus einem katalytisch aktiven Edelmetall zusammengesetzt sein. Beispielsweise kann Pt, Ir, Rh, Rd oder eine Legierung, die mindestens eines davon enthält, für die Referenzelektrode 53 verwendet werden. In dieser Ausführungsform ist die Referenzelektrode 53 aus Pt zusammengesetzt.
• Die poröse Schutzschicht 48 bedeckt eine Oberfläche des Sensorelements 31, welche die Erfassungselektrode 51 und die Hilfselektrode 52 umfasst. Beispielsweise dient die poröse Schutzschicht 48 zum Hemmen des Auftretens einer Rissbildung in dem Sensorelement 31 aufgrund des Vorliegens von Wasser in dem Zielgas. Die poröse Schutzschicht 48 ist z.B. aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Spinell, Cordierit, Titanoxid oder Magnesiumoxid als Hauptkomponente zusammengesetzt. In dieser Ausführungsform ist die poröse Schutzschicht 48 aus Aluminiumoxid zusammengesetzt. Die Dicke der porösen Schutzschicht 48 beträgt, jedoch ohne speziell darauf beschränkt zu sein, z.B. 20 bis 1000 µm. Die Porosität der porösen Schutzschicht 48 beträgt, jedoch ohne speziell darauf beschränkt zu sein, z.B. 5 Volumen-% bis 60 Volumen-%. Das Sensorelement 31 muss die poröse Schutzschicht 48 nicht umfassen.
• Der Heizeinrichtungsabschnitt 60 dient zum Einstellen der Temperatur der Basis 40 (insbesondere der Festelektrolytschicht 44) durch Erwärmen und Warmhalten derselben zum Aktivieren des Festelektrolyten der Basis 40 zum Erhöhen der Sauerstoffionenleitfähigkeit. Der Heizeinrichtungsabschnitt 60 umfasst eine Heizeinrichtungselektrode 61, eine Heizeinrichtung 62, ein Durchgangsloch 63, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 64 und einen Anschlussdraht bzw. eine Anschlussleitung 66. Die Heizeinrichtungselektrode 61 ist eine Elektrode, die so angeordnet ist, dass sie mit einer unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 41 in Kontakt ist. Die Heizeinrichtungselektrode 61 ist mit einer Heizeinrichtungsstromversorgung 77 der Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration verbunden.
• Die Heizeinrichtung 62 ist ein elektrischer Widerstand, der so angeordnet ist, dass er zwischen der ersten Substratschicht 41 und der zweiten Substratschicht 42 angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 62 ist durch den Anschlussdraht bzw. die Anschlussleitung 66 und das Durchgangsloch 63 mit der Heizeinrichtungselektrode 61 verbunden. Die Heizeinrichtung 62 wird von der Heizeinrichtungsstromversorgung 77 durch die Heizeinrichtungselektrode 61 versorgt, so dass sie Wärme erzeugt, wodurch die Basis 40, die in das Sensorelement 31 einbezogen ist, erwärmt und warmgehalten wird. Die Heizeinrichtung 62 ist so ausgebildet, dass sie die Ausgangsleistung mit einem Temperatursensor (hier dem Temperaturerfassungsabschnitt 78) derart steuern kann, dass die Mischpotenzialzelle 55 und die Konzentrationszelle 56 (insbesondere die Festelektrolytschicht 44) eine vorgegebene Betriebstemperatur aufweisen. Die Betriebstemperatur beträgt vorzugsweise 450 °C oder mehr, da die Festelektrolytschicht 44 der Mischpotenzialzelle 55 in einer geeigneten Weise aktiviert werden kann. Die Betriebstemperatur beträgt vorzugsweise 650 °C oder weniger, da es dann möglich ist, eine Verminderung der Messgenauigkeit aufgrund der Verbrennung von Ammoniak zu hemmen. Die Betriebstemperatur kann 600 °C oder weniger betragen. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 64 ist eine Isolierschicht, die auf oberen und unteren Oberflächen der Heizeinrichtung 62 angeordnet ist und die aus einem isolierenden Material, wie z.B. Aluminiumoxid, insbesondere porösem Aluminiumoxid, zusammengesetzt ist.
• Die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration ist eine Vorrichtung zur Messung der Ammoniakkonzentration in dem Zielgas mit dem Sensorelement 31. Die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration dient auch als Steuereinrichtung des Sensorelements 31. Die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration umfasst einen Steuerungsabschnitt 72, einen elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt 75, einen Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt 76, die Heizeinrichtungsstromversorgung 77 und den Temperaturerfassungsabschnitt 78.
• Der Steuerungsabschnitt 72 steuert die gesamte Vorrichtung und es handelt sich z.B. um einen Mikroprozessor, einschließlich eine CPU, einen RAM, usw. Der Steuerungsabschnitt 72 umfasst einen Speicherteil 73, der ein Verarbeitungsprogramm und verschiedene Datensätze speichert. Der elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt 75 ist ein Modul, das Informationen über die elektromotorische Kraft EMK der Mischpotenzialzelle 55 erfasst. In dieser Ausführungsform ist der elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt 75 mit der Erfassungselektrode 51 und der Referenzelektrode 53 der Mischpotenzialzelle 55 verbunden und wirkt deshalb als Spannungserfassungsschaltung, die eine elektromotorische Kraft EMK misst. Der Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt 76 ist ein Modul, das Informationen über die Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas erfasst. In dieser Ausführungsform ist der Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt 76 mit der Hilfselektrode 52 und der Referenzelektrode 53 der Konzentrationszelle 56 verbunden und wirkt deshalb als Spannungserfassungsschaltung, welche die Differenz der elektromotorischen Kraft V misst, die als Information über die Sauerstoffkonzentration dient. Der elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt 75 und der Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt 76 geben die elektromotorische Kraft EMK und die Differenz der elektromotorischen Kraft V, die durch diese gemessen worden sind, an den Steuerungsabschnitt 72 aus. Der Steuerungsabschnitt 72 leitet die Ammoniakkonzentration in dem Zielgas von der elektromotorischen Kraft EMK und der Differenz der elektromotorischen Kraft V ab. Die Heizeinrichtungsstromversorgung 77 ist eine Stromversorgung, die der Heizeinrichtung 62 Strom zuführt, und die Ausgangsleistung wird durch den Steuerungsabschnitt 72 gesteuert. Der Temperaturerfassungsabschnitt 78 ist ein Modul, das einen Wert der Temperatur der Heizeinrichtung 62 (hier einen Widerstandswert) erfasst. Der Temperaturerfassungsabschnitt 78 erfasst den Wert des Widerstands der Heizeinrichtung 62 z.B. durch Verbinden des Temperaturerfassungsabschnitts 78 mit der Heizeinrichtungselektrode 61, wobei ein kleiner elektrischer Strom fließen kann, und Messen einer Spannung.
• Jede der Erfassungselektrode 51, der Hilfselektrode 52 und der Referenzelektrode 53 ist elektrisch mit einem entsprechenden Ende von Anschlussdrähten bzw. -leitungen verbunden, die in der Richtung des anderen Endes des Sensorelements 31 angeordnet sind (rechte Seite von 2) (nicht in der 2 gezeigt). Der elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt 75 und der Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt 76 messen die elektromotorische Kraft EMK bzw. die Differenz der elektromotorischen Kraft V durch die Anschlussdrähte bzw. -leitungen.
• Nachstehend wird die Messung der Ammoniakkonzentration mit dem System 20 zur Messung einer Ammoniakkonzentration beschrieben. Die 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Ammoniakkonzentrationsableitungsroutine zeigt, die durch den Steuerungsabschnitt 72 ausgeführt wird. Die Routine ist z.B. in dem Speicherteil 73 des Steuerungsabschnitts 72 gespeichert. Wenn eine Anweisung zur Ableitung der Ammoniakkonzentration von dem elektronischen Motorsteuergerät (ECU) 9 zugeleitet wird, wird die Routine z.B. in einem vorgegebenen Zeitraum (z.B. mehrere Millisekunden bis mehrere zehn Millisekunden) wiederholt ausgeführt. Der Steuerungsabschnitt 72 stellt im Vorhinein die Temperatur der Mischpotenzialzelle 55 und der Konzentrationszelle 56 auf eine vorgegebene Betriebstemperatur ein (z.B. auf eine Temperatur im Bereich von 450 °C oder höher und 650 °C oder niedriger), und zwar durch Steuern der Ausgangsleistung der Heizeinrichtungsstromversorgung 77, so dass von der Heizeinrichtung 62 Wärme erzeugt wird. Beispielsweise stellt der Steuerungsabschnitt 72 die Temperatur der Mischpotenzialzelle 55 und der Konzentrationszelle 56 durch Steuern der Ausgangsleistung der Heizeinrichtungsstromversorgung 77 derart auf eine vorgegebene Betriebstemperatur ein, dass die Temperatur (hier der Widerstand) der Heizeinrichtung 62, die durch den Temperaturerfassungsabschnitt 78 erfasst wird, ein vorgegebener Wert ist.
• Wenn mit der Ammoniakkonzentrationsableitungsroutine begonnen wird, führt der Steuerungsabschnitt 72 einen elektromotorische Kraft-Erfassungsschritt des Erfassens von Informationen über die elektromotorische Kraft EMK der Mischpotenzialzelle 55 mit dem elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt 75 durch (Schritt S100). In dieser Ausführungsform erfasst der Steuerungsabschnitt 72 den Wert der elektromotorischen Kraft EMK, der durch den elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt 75 gemessen worden ist, auf einer Istwertbasis. Der Steuerungsabschnitt 72 führt die Ammoniakkonzentrationsableitungsroutine in einem Zustand aus, bei dem im Wesentlichen ein Abgas von dem Motor 1 durch die Leitung 10 und die Schutzabdeckung 32 strömt. Folglich erfasst der Steuerungsabschnitt 72 die elektromotorische Kraft EMK der Mischpotenzialzelle 55, während die Erfassungselektrode 51 dem Zielgas ausgesetzt ist. Dabei finden in der Mischpotenzialzelle 55 elektrochemische Reaktionen, wie z.B. die Oxidation von Ammoniak und die Ionisation von Sauerstoff in dem Zielgas, an der Dreiphasengrenze der Erfassungselektrode 51, der Festelektrolytschicht 44 und dem Zielgas statt, so dass an der Erfassungselektrode 51 ein Mischpotenzial erhalten wird. Folglich ist die elektromotorische Kraft EMK ein Wert auf der Basis der Ammoniakkonzentration und der Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas.
• Der Steuerungsabschnitt 72 führt einen Sauerstoffkonzentration-Erfassungsschritt des Erfassens von Informationen über die Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas mit dem Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt 76 durch (Schritt S110). In dieser Ausführungsform erfasst der Steuerungsabschnitt 72 die Differenz der elektromotorischen Kraft V der Konzentrationszelle 56 von dem Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt 76. Dabei wird die Differenz der elektromotorischen Kraft V in der Konzentrationszelle 56 zwischen der Hilfselektrode 52 und der Referenzelektrode 53 abhängig von der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Zielgas und Luft in dem Referenzgaseinführungshohlraum 46 erzeugt. Kohlenwasserstoffe, NH₃, CO, NO, NO₂ in dem Zielgas werden durch die Katalyse von Pt, das als Hilfselektrode 52 dient, einer Redoxreaktion unterzogen. Die Konzentrationen dieser Gaskomponenten in dem Zielgas sind signfikant niedriger als die Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas. Folglich hat das Auftreten der Redoxreaktion einen geringen Einfluss auf die Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas. Demgemäß ist die Differenz der elektromotorischen Kraft V ein Wert auf der Basis der Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas. Durch den Steuerungsabschnitt 72 kann jedweder des Schritts S100 und des Schritts S110 als erstes ausgeführt werden oder die Schritte können parallel ausgeführt werden.
• Anschließend führt der Steuerungsabschnitt 72 einen Konzentrationsableitungsschritt des Ableitens der Ammoniakkonzentration in dem Zielgas von den Informationen über die elektromotorische Kraft EMK, die in dem Schritt S100 erfasst worden sind, den Informationen über die Sauerstoffkonzentration, die in dem Schritt S110 erfasst worden sind, und der durch die Formel (1) dargestellten Beziehung durch (Schritt S120) und beendet die Routine. Die durch die Formel (1) dargestellte Beziehung wird z.B. im Vorhinein in dem Speicherteil 73 gespeichert.
  $$\text{EMK}=\mathrm{\alpha }{\text{log}}_{\text{a}}\left({\text{p}}_{\text{NH3}}\right)-\mathrm{\beta }{\text{log}}_{\text{b}}\left({\text{p}}_{\text{O2}}\right)+\text{B}$$

  

  (wobei
• EMK: Elektromotorische Kraft der Mischpotenzialzelle,
• α, β und B: Konstanten,
• a und b: Jedwede Basis (mit der Maßgabe, dass a ≠ 1, a > 0, b ≠ 1 und b > 0),
• p_NH3: Ammoniakkonzentration in dem Zielgas,
• p_O2: Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas).
• Im Schritt S210 ersetzt der Steuerungsabschnitt 72 „EMK“ in der Formel (1) durch den Wert der elektromotorischen Kraft EMK, der in dem Schritt S100 erfasst worden ist. Der Steuerungsabschnitt 72 leitet die Sauerstoffkonzentration p_O2 von der Differenz der elektromotorischen Kraft V, die im Schritt S110 erfasst worden ist, und der Beziehung, die im Vorhinein in dem Speicherteil 73 gespeichert worden ist, zwischen der Differenz der elektromotorischen Kraft V und der Sauerstoffkonzentration p_O2 ab und ersetzt „p_O2“ in der Formel (1) durch den abgeleiteten Wert. Der Steuerungsabschnitt 72 leitet die Ammoniakkonzentration p_NH3 in der Formel (1) ab. Die Einheit der elektromotorischen Kraft EMK kann z.B. [mV] sein. Die Ammoniakkonzentration p_NH3 ist der Volumenanteil von Ammoniak in dem Zielgas. Die Sauerstoffkonzentration p_O2 ist der Volumenanteil von Sauerstoff in dem Zielgas. Bezüglich der Einheiten von p_NH3 und p_O2 kann ein Wert verwendet werden, der in Teile pro Million [ppm] angegeben ist, es kann ein Wert verwendet werden, der in Prozent [%] angegeben ist, oder es kann ein dimensionsloser Wert (z.B. beträgt der Wert in dem Fall von 10 % 0,1) verwendet werden. p_NH3 und p_O2 können in verschiedenen Einheiten angegeben werden. Jede der Basen a und b kann ein Wert von 10 oder die Napier-Konstante e sein. Jede der Konstanten α, β und B hat einen Wert, der von dem Sensorelement 31 abhängt und kann abhängig von dem Sensorelement 31 verschiedene Werte aufweisen. Die Konstanten α, β und B können z.B. durch ein nachstehend beschriebenes Experiment im Vorhinein bestimmt werden. Die Konstanten α und β können α:β ≠ (2/3):(1/2) erfüllen. Die Konstanten α und β können einen positiven Wert aufweisen. Die Ableitung der Ammoniakkonzentration p_NH3, die durch den Steuerungsabschnitt 72 auf der Basis der Beziehung der Formel (1) durchgeführt wird, kann unter Verwendung der Beziehung der Formel (1) durchgeführt werden und ist nicht auf die Ableitung der Ammoniakkonzentration unter Verwendung der Formel (1) selbst beschränkt. Beispielsweise kann die Formel (1) selbst in dem Speicherteil 73 gespeichert werden. Die Formel (1'), die durch Modifizieren der Formel (1) derart, dass die linke Seite „p_NH3“ allein ist, kann gespeichert werden. Die Beziehung der Werte der Variablen (EMK, p_NH3 und p_O2) der Formel (1) ist als Kennfeld in dem Speicherteil 73 gespeichert. Der Steuerungsabschnitt 72 kann die Ammoniakkonzentration p_NH3 aus dem Kennfeld ableiten.
  [Math. 2] $$p_{NH3}=a^{EMK/\alpha +\beta /\alpha lo{g}_b\left(p_{O2}\right)-B/\alpha }$$

  
• Wie es vorstehend beschrieben ist, leitet der Steuerungsabschnitt 72 in dieser Ausführungsform die Ammoniakkonzentration p_NH3 in dem Zielgas von der Formel (1) ab. Folglich kann die Ammoniakkonzentration in dem Zielgas verglichen z.B. mit dem Fall der Verwendung der vorstehend genannten Formel (2) mit einer hohen Genauigkeit abgeleitet werden. Dies wird nachstehend beschrieben.
• Wie es vorstehend beschrieben ist, ist die Formel (2) als Eigenschaft der elektromotorischen Kraft EMK des Ammoniaksensors des Mischpotenzialtyps bekannt. Die Erfinder haben jedoch Untersuchungen durchgeführt und gefunden, dass in einem tatsächlichen Sensorelement (z.B. dem Sensorelement 31) die Beziehung zwischen der elektromotorischen Kraft EMK, der Ammoniakkonzentration p_NH3, der Sauerstoffkonzentration p_O2, der H₂O-Konzentration p_H2O nicht gemäß der Formel (2) ist. Beispielsweise wurde, obwohl die Beziehung zwischen dem Grad des Effekts der Ammoniakkonzentration p_NH3 auf die elektromotorische Kraft EMK (NH₃-Empfindlichkeit) und dem Grad des Effekts der Sauerstoffkonzentration p_O2 auf die elektromotorische Kraft EMK (O₂-Störung) aufgrund der Koeffizienten des Terms p_NH3 und des Terms p_O2 auf der rechten Seite der Formel (2) NH₃-Sensibilität:O₂-Störung = (2/3):(1/2) sein sollte, die Beziehung in manchen Fällen nicht erhalten. Gemäß der Formel (2) blieb, obwohl der Effekt der H₂O-Konzentration p_H2O auf die elektromotorische Kraft EMK (H₂O-Störung) vorliegen sollte, selbst wenn die H₂O-Konzentration p_H2O in dem Zielgas verändert wurde, die elektromotorische Kraft EMK tatsächlich im Wesentlichen unverändert.
• Bezüglich der Oxidation von Ammoniak und der Ionisation von Sauerstoff in dem Zielgas finden eine anodische Reaktion, die durch die nachstehend beschriebene Gleichung (a) dargestellt ist, und eine kathodische Reaktion, die durch die nachstehende Gleichung (b) dargestellt ist, an der Dreiphasengrenze der Mischpotenzialzelle 55 statt. Die Gleichungen (a) und (b) können auch durch die Gleichungen (a)' und (b)' dargestellt werden. In der Gleichung (a) stellt „O_o“ ein Sauerstoffion (O^2-) dar, das in einer Sauerstoffstelle in der Festelektrolytschicht 44 vorliegt. Der vierte Term in der rechten Seite der Gleichung (a) gibt an, dass ein Sauerstoffion in der Sauerstoffstelle in der Festelektrolytschicht 44 nicht vorliegt (nicht ausreichend).
  [Math. 3]
• [Anodische Reaktion]
• $$\frac{2}{3}{\text{NH}}_3+{\text{O}}_{\text{o}}\to {\text{H}}_{\text{2}}\text{O}+\frac{1}{3}{\text{N}}_{\text{2}}+{\text{2e}}^{-}+{\text{V}}_{\text{o}}^{··}$$

  

  $${\text{NH}}_3+{\text{O}}_2\to {\text{H}}_2\text{O}+{\text{N}}_2+{\text{e}}^{-}$$

  
• [Kathodische Reaktion]
• $$\frac{1}{2}{\text{O}}_2+2{\text{e}}^{-}+{\text{V}}_{\text{o}}^{··}\to {\text{O}}_{\text{o}}$$

  

  $${\text{O}}_2+4{\text{e}}^{-}\to 2{\text{O}}^{2-}$$

  
• Die anodische Reaktion und die kathodische Reaktion treten gleichzeitig an der Dreiphasengrenze einer Erfassungselektrode (z.B. der Erfassungselektrode 51) auf, wobei eine lokale Zelle gebildet wird, wodurch eine elektromotorische Kraft EMK erhalten wird. Dabei handelt es sich um eine Mischpotenzialzelle (z.B. die Mischpotenzialzelle 55). Die elektromotorische Kraft EMK sollte dabei theoretisch gemäß der Formel (2) sein. Beispielsweise ist der Koeffizient „2/3“ der Ammoniakkonzentration p_NH3 in der Formel (2) ein Wert auf der Basis des Koeffizienten „2/3“ von NH₃ auf der linken Seite der Gleichung (a). Entsprechend sind der Koeffizient „1/2“ der Sauerstoffkonzentration p_O2 in der Formel (2) und der Koeffizient „1“ der H₂O-Konzentration pH₂O Werte auf der Basis des Koeffizienten „1/2“ von O₂ auf der linken Seite der Gleichung (b) bzw. des Koeffizienten „1“ von H₂O auf der rechten Seite der Gleichung (a).
• Für tatsächliche Sensorelemente wurde jedoch in Experimenten gefunden, dass die Beziehung zwischen den Variablen gemäß der Formel (1) und nicht der Formel (2) ist. Die Erfinder sind davon ausgegangen, dass der Grund dafür darin liegt, dass p_NH3, p_O2 und p_H2O in der Formel (2) nicht durch die Konzentrationen in dem Zielgas ersetzt werden müssen und durch Partialdrücke an der Dreiphasengrenze ersetzt werden sollten. Wenn ein NH₃-Partialdruck, ein O₂-Partialdruck und ein H₂O-Partialdruck an der Dreiphasengrenze auf der Erfassungselektrode p_NH3*, p_O2* bzw. p_H2O* sind, dann gilt die Formel (A1). Dies kann auch aus der Formel (2) abgeleitet werden. Die tatsächliche elektromotorische Kraft EMK erfüllt offenbar die Formel (A1) und nicht die Formel (2). Da p_NH3*, p_O2* und p_H2O* an der Dreiphasengrenze nicht direkt erfasst werden können, muss eine Formel, die p_NH3, p_O2 und p_H2O in dem Zielgas umfasst, von der Formel (A1) abgeleitet werden. Die Erfinder sind davon ausgegangen, dass nachstehend erläutert werden kann, dass die Formel (1), die p_NH3, p_O2, und p_H2O umfasst, auf der Basis der Formel (A1) gilt.
  [Math. 4] $$EMK\propto \frac{RT}{2F}\left(\frac{2}{3}\text{ln }{p}_{NH3}*-\frac{1}{2}\text{ln }{p}_{O2}*-\text{ ln }{p}_{H2O}*\right)$$

  
• Zunächst wird eine Mischpotenzialgleichung in mikroskopischer Hinsicht betrachtet. Wie es vorstehend beschrieben ist, sind die Partialdrücke In p_NH3*, In p_O2* und In p_H2O* an der Dreiphasengrenze auf der Erfassungselektrode nicht gleich den Partialdrücken In p_NH3, In p_O2 und In p_H2O in einem atmosphärischen Gas (Zielgas). Dies ist darauf zurückzuführen, dass die folgenden dynamischen Veränderungen in den elektrochemischen Reaktionen stattfinden: Moleküle werden auf einer Oberfläche der Erfassungselektrode adsorbiert, auf der Oberfläche der Erfassungselektrode verteilt, so dass sie die Dreiphasengrenze erreichen, und elektrochemischen Reaktionen unterzogen, und die resultierenden Produkte werden von der Oberfläche der Erfassungselektrode desorbiert, anstatt dass die Moleküle ausgehend von der Gasphase direkt die Dreiphasengrenze erreichen. Nachstehend wird das Produkt H₂O betrachtet, das in der anodischen Reaktion gebildet wird. Das gebildete H₂O wird offenbar auf der Erfassungselektrode adsorbiert und dann in die Gasphase desorbiert. Da in dem Zielgas eine große Menge H₂O vorliegt, wird das in der anodischen Reaktion gebildete H₂O offenbar nicht leicht von der Oberfläche der Erfassungselektrode desorbiert. Es wird folglich davon ausgegangen, dass der H₂O-Partialdruck p_H2O* an der Dreiphasengrenze während der Adsorption von H₂O größer ist als der H₂O-Partialdruck p_H2O in dem Zielgas und dass die nachstehend beschriebene Formel (A2) immer gilt. In dem Zielgas (hier einem Abgas) beträgt die H₂O-Konzentration üblicherweise etwa 5 % bis etwa 15 % und der Gesamtdruck bleibt konstant bei 1 atm. Aus Gründen der Sicherheit wird davon ausgegangen, dass dann, wenn sich die H₂O-Konzentration in einem breiten Bereich von 1 % bis 20 % ändert, die nachstehend beschriebene Formel (A3) gilt.
  $${\text{p}}_{\text{H2O}}*>{\text{p}}_{\text{H2O}}$$

  

  $$\mathrm{0,01}\text{ atm}<{\text{p}}_{\text{H2O}}<\mathrm{0,2}\text{ atm}$$

  
• Als nächstes wird betrachtet, was aus p_H2O* wird, wenn sich p_H2O ändert, während H₂O auf der Oberfläche der Erfassungselektrode adsorbiert wird. Bezüglich H₂O an der Dreiphasengrenze wird H₂O, das auf der Erfassungselektrode adsorbiert ist, als H₂O(ad) bezeichnet, und H₂O in der Gasphase wird als H₂O(Gas) bezeichnet. Der Partialdruck von H₂O, das auf der Erfassungselektrode adsorbiert ist, wird als p_H2O(ad) bezeichnet, und der Partialdruck von H₂O in der Gasphase wird mit p_H2O(Gas) bezeichnet. Folglich ist p_H2O* = p_H2O(ad) + p_H2O(Gas). p_H2O(ad) umfasst den Partialdruck von H₂O, das von dem Zielgas stammt und auf der Erfassungselektrode adsorbiert ist, und den Partialdruck von H₂O, das durch die anodische Reaktion gebildet wird (die vorstehenden Gleichungen (a) und (a)') und das auf der Erfassungselektrode adsorbiert ist. p_H2O(Gas) umfasst den Partialdruck von H₂O, das in dem Zielgas enthalten ist und das an der Dreiphasengrenze in einem Gasphasenzustand vorliegt, und den Partialdruck von H₂O, das durch die anodische Reaktion gebildet wird und das in einem Gasphasenzustand vorliegt. Bezüglich H₂O(ad) und H₂O(Gas) gelten die nachstehend beschriebenen Formeln (A4) und (A5) mit der Maßgabe, dass eine Gleichgewichtskonstante K = (konstant). Obwohl davon ausgegangen wird, dass sich p_H2O* gemäß den Formeln (A4) und (A5) ändert, verhält er sich tatsächlich anders. Der Grund dafür liegt vermutlich darin, dass sich p_H2O in dem Bereich ändert, der durch die vorstehend beschriebene Formel (A3) dargestellt ist, wohingegen sich p_H2O(ad) nicht ändern kann, sobald die Adsorption von H₂O auf der Erfassungselektrode stabilisiert ist und einen stationären Zustand erreicht (= 1 atm). Der Grund dafür, warum p_H2O(ad) im stationären Zustand 1 atm beträgt, ist nachstehend beschrieben. Da H₂O_(ad), das auf der Erfassungselektrode adsorbiert ist, nicht in der Gasphase vorliegt, wird die Menge von H₂O(ad) genaugenommen als Aktivität a_H2O(ad) und nicht als Partialdruck ausgedrückt. Wenn H₂O(ad) als Feststoff betrachtet wird, weist die Aktivität a_H2O(ad) einen Wert von 1 auf (d.h., die Aktivität ist 1 ungeachtet der Menge, die auf der Erfassungselektrode adsorbiert ist) und eine Aktivität von 1 kann als mit einem Partialdruck von 1 atm vergleichbar erachtet werden.
  [Math. 5] $${\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\left(\text{ad}\right)\stackrel{K}{\rightleftarrows }{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\left(\text{Gas}\right)$$

  

  $$\text{K}=\frac{{\text{p}}_{\text{H2O}\left(\text{ad}\right)}}{{\text{p}}_{\text{H2O}\left(\text{Gas}\right)}}=\frac{{\text{p}}_{\text{H2O}}*-{\text{p}}_{\text{H2O}\left(\text{Gas}\right)}}{{\text{p}}_{\text{H2O}\left(\text{Gas}\right)}}$$

  
• Demgemäß kann p_H2O(ad) als 1 atm betrachtet werden. Obwohl wie bei der Formel (A3) p_H2O(Gas) offenbar etwa 0,01 bis etwa 0,2 atm beträgt, da H₂O(ad), das als 1 atm betrachtet werden kann, auf der Oberfläche der Erfassungselektrode vorliegt, ist es weniger wahrscheinlich, dass H₂O in der Gasphase zu der Reaktion beiträgt, wobei der Partialdruck p_H2O(Gas) von H₂O, das in der Gasphase an der Dreiphasengrenzfläche vorliegt, offenbar einen Wert aufweist, der signifikant kleiner als 0,01 bis 0,2 atm ist. Folglich gilt offenbar p_H2O(ad) >> p_H2O(Gas) und p_H2O(Gas) weist offenbar einen sehr kleinen, vernachlässigbaren Wert auf. Demgemäß kann selbst dann, wenn sich p_H2O ändert, während H₂O auf der Oberfläche der Erfassungselektrode adsorbiert wird, p_H2O* als konstant betrachtet werden, wie es durch die Formel (A6) dargestellt ist. Folglich kann die Formel (A1) als Formel (A7) betrachtet werden.
• D.h., der H₂O-Partialdruck p_H2O* an der Dreiphasengrenze kann so betrachtet werden, dass er keinen Effekt (H₂O-Störung) auf die elektromotorische Kraft EMK hat.
  [Math. 6] $${\text{p}}_{\text{H2O}}*={\text{p}}_{\text{H2O}\left(\text{ad}\right)}+{\text{p}}_{\text{H2O}\left(\text{Gas}\right)}{}_{\mid }\fallingdotseq {\text{p}}_{\text{H2O}\left(\text{ad}\right)}=\text{konstant}\left(1\text{ atm}\right)$$

  

  $$\text{EMK}\propto \frac{RT}{2F}\left(\frac{2}{3}\text{ln }{p}_{NH3}*-\frac{1}{2}\text{ln }{p}_{O2}*\right)$$

  
• Nachstehend wird eine Mischpotenzialgleichung in makroskopischer Hinsicht betrachtet. Wenn der Gesamtdruck des Zielgases 1 atm beträgt, ist die Konzentration gleich dem Partialdruck, so dass p_NH3, p_O2 und p_H2O nachstehend als Partialdrücke erläutert werden. Die Formel (A8) kann von der Formel (A3) abgeleitet werden. Die Formel (A9) kann von der Formel (A6) abgeleitet werden. Aufgrund der Formeln (A8) und (A9) gilt die Formel (A10). Wenn das Verhältnis von In p_H2O* zu In p_H2O ein Druckeinstellfaktor δ ist, dann ist δ durch die Formel (A11) festgelegt. Gemäß der Formel (A10) erfüllt δ -1 < δ < 1. Entsprechend ist, wenn das Verhältnis von In p_NH3* zu In p_NH3 ein Druckeinstellfaktor δ' ist, δ' durch die Formel (A12) festgelegt. Die Druckeinstellfaktoren δ und δ' sind Werte, die für das Sensorelement charakteristisch sind, und zwar abhängig z.B. von der Zusammensetzung und der Struktur der Erfassungselektrode.
  $$-\mathrm{4,6}<{\text{ln p}}_{\text{H2O}}<-\mathrm{1,6}$$

  

  $${\text{ln p}}_{\text{H2O}}*\approx 0$$

  

  $$\left|{\text{ln p}}_{\text{H2O}}*\right|<\left|{\text{ln p}}_{\text{H2O}}\right|$$

  

  $$\mathrm{\delta =}{\text{ln p}}_{\text{H2O}}*/{\text{ln p}}_{\text{H2O}}$$

  

  $$\mathrm{\delta }\text{'}={\text{ln p}}_{\text{NH3}}*/{\text{ln p}}_{\text{NH3}}$$

  
• Die Formel (A1) wird unter Verwendung der Druckeinstellfaktoren δ und δ' zum Ableiten der Formel (A13) umgewandelt. Die Formel (A13) wird durch Einsetzen von In p_H2O* = δ × In p_H2O, das von der Formel (A11) erhalten wird, In p_NH3* = δ' × In p_NH3, das von der Formel (A12) erhalten wird, und In p_O2* = In p_O2 in die Formel (A1) erhalten. Bei bestehenden O₂-Sensoren und SOFCs ist bekannt, dass die Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration und der elektromotorischen Kraft der Nernst-Gleichung genügt und somit ist klar, dass In p_O2* = In p_O2 gilt.
  [Math. 7] $$EMK\propto \frac{RT}{2F}\left(\frac{2}{3}\delta \text{'}\text{ln }{p}_{NH3}-\frac{1}{2}\text{ln }{p}_{O2}-\text{ln }{p}_{H2O}\right)$$

  
• Aufgrund der Formeln (A6) und (A11) gilt In p_H2O* = δ × In p_H2O = 0. Folglich kann die Formel (A13) als Formel (A14) ausgedrückt werden. Die Formel (A14) kann als Formel (A15) ausgedrückt werden. Die Konstanten A und B sind Werte, die für das Sensorelement charakteristisch sind, und zwar abhängig von z.B. der Zusammensetzung und der Struktur der Erfassungselektrode. Aus der Formel (A15), wenn es sich bei der Basis des Logarithmus um frei wählbare Werte a und b handeln kann und die Koeffizienten der Terme auf der rechten Seite die Konstanten α und β sind, wird die Formel (1) abgeleitet.
  [Math. 8] $$EMK\propto \frac{RT}{2F}\left(\frac{2}{3}\delta \text{'}\text{ln }{p}_{NH3}-\frac{1}{2}\text{ln }{p}_{O2}\right)$$

  

  $$EMK=A\frac{RT}{2F}\left(\frac{2}{3}\delta \text{'}\text{ln }{p}_{NH3}-\frac{1}{2}\text{ln }{p}_{O2}\right)+B$$

  

  (wobei A und B Konstanten sind)
• Anders als die Formel (2) kann die Formel (1) die Tatsache ausdrücken, dass die Beziehung p_NH3-Empfindlichkeit:p_O2-Empfindlichkeit = (2/3):(1/2) nicht immer gilt und dass im Wesentlichen keine H₂O-Störung vorliegt. Folglich kann die Verwendung der Formel (1) die Ammoniakkonzentration p_NH3 verglichen mit der Formel (2) mit einer hohen Genauigkeit ableiten. Die Formel (1) kann nicht nur verwendet werden, wenn der Gesamtdruck des Zielgases 1 atm beträgt, sondern auch, wenn der Gesamtdruck etwa 1 atm beträgt (z.B. 0,9 atm bis 1,10 atm). Die Formel (1) kann auch verwendet werden, wenn der Gesamtdruck des Zielgases nicht etwa 1 atm beträgt.
• Die Konstanten α, β und B in der Formel (1) können durch die nachstehend beschriebenen Experimente im Vorhinein bestimmt werden. Die 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Konstantenableitungsverarbeitung zeigt. In der Konstantenableitungsverarbeitung wird das Sensorelement 31, das ein Ziel mit den abzuleitenden Konstanten ist, wiederholt einer ersten elektromotorische Kraft-Messverarbeitung unterzogen, um erste elektromotorische Kraft-Daten zu erfassen, welche die Entsprechung zwischen der Ammoniakkonzentration p_NH3 und der elektromotorischen Kraft EMK ausdrücken (Schritt S200). Insbesondere wird die Entsprechung zwischen der Ammoniakkonzentration p_NH3 und der elektromotorischen Kraft EMK als erste elektromotorische Kraft-Daten durch Aussetzen des Sensorelements 31 gegenüber dem Zielgas mit der Sauerstoffkonzentration p_O2 und der Ammoniakkonzentration p_NH3, die auf vorgegebene Werte eingestellt worden sind, und Messen der elektromotorischen Kraft EMK erhalten. Als nächstes werden erste elektromotorische Kraft-Datensätze entsprechend durch mehrfaches Messen der elektromotorischen Kraft EMK bei verschiedenen Ammoniakkonzentrationen p_NH3 in dem Zielgas erfasst, während die Sauerstoffkonzentration p_O2 in dem Zielgas unverändert (konstant) bleibt. Nachdem die ersten elektromotorische Kraft-Datensätze in der vorstehend beschriebenen Weise erhalten worden sind, wird die Konstante α von den erfassten Datensätzen abgeleitet (Schritt S210). Insbesondere wird die Steigung, die erhalten wird, wenn die Beziehung zwischen dem Logarithmus der Ammoniakkonzentration p_NH3, log_a(p_NH3), in den ersten elektromotorische Kraft-Datensätzen, die durch mehrfaches Durchführen der ersten elektromotorische Kraft-Messverarbeitung erfasst worden sind, und der elektromotorischen Kraft EMK durch eine Gerade genähert wird (lineare Funktion), als Konstante α abgeleitet. Die Näherung wird z.B. auf der Basis des Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate durchgeführt. Wie es vorstehend beschrieben ist, erleichtert das mehrfache Durchführen der ersten elektromotorische Kraft-Messverarbeitung bei einer konstanten Sauerstoffkonzentration in dem Schritt S200 die Ableitung der Konstante α in dem Schritt S210.
• Als nächstes wird das Sensorelement 31, bei dem es sich um das Ziel der abzuleitenden Konstanten handelt, wiederholt einer zweiten elektromotorische Kraft-Datenverarbeitung zum Erfassen von zweiten elektromotorische Kraft-Daten unterzogen, welche die Entsprechung zwischen der Sauerstoffkonzentration p_O2 und der elektromotorischen Kraft EMK ausdrücken (Schritt S220). Die mehrfach durchgeführte zweite elektromotorische Kraft-Messverarbeitung kann in der gleichen Weise wie im Schritt S200 durchgeführt werden, mit der Ausnahme, dass verschiedene Sauerstoffkonzentrationen p_O2 verwendet werden, während die Ammoniakkonzentration p_NH3 in dem Zielgas konstant bleibt. Die Konstante β wird von den zweiten elektromotorische Kraft-Datensätzen abgeleitet, die durch mehrfaches Durchführen der zweiten elektromotorische Kraft-Messverarbeitung erfasst worden sind (Schritt S230). Bei dieser Verarbeitung wird wie bei der Verarbeitung im Schritt S210 die Steigung, die erhalten wird, wenn die Beziehung zwischen dem Logarithmus der Sauerstoffkonzentration p_O2, log_b(p_O2), und der elektromotorischen Kraft EMK durch eine Gerade genähert wird (lineare Funktion), als Konstante β abgeleitet. Wie es vorstehend beschrieben ist, erleichtert die mehrfache Ausführung der zweiten elektromotorische Kraft-Messverarbeitung bei einer konstanten Ammoniakkonzentration im Schritt S220 die Ableitung der Konstante β im Schritt S230.
• Die Konstante B wird von den Konstanten α und β, die in den Schritten S210 und S230 abgeleitet worden sind, und mindestens einem des einen ersten elektromotorische Kraft-Datensatzes oder der mehreren ersten elektromotorische Kraft-Datensätze und des einen zweiten elektromotorische Kraft-Datensatzes oder der mehreren zweiten elektromotorische Kraft-Datensätze (Schritt S240) abgeleitet und diese Verarbeitung ist abgeschlossen. Beispielsweise kann die Konstante B durch Ersetzen der abgeleiteten Konstanten α und β, des Logarithmus der Ammoniakkonzentration p_NH3, log_a(p_NH3) in den ersten elektromotorische Kraft-Datensätzen, des Logarithmus der konstanten Sauerstoffkonzentration p_O2, log_b(p_O2), und der elektromotorischen Kraft in der Formel (1) erhalten werden. Dabei kann der Durchschnitt der Konstanten B, die von den ersten elektromotorische Kraft-Datensätzen abgeleitet ist, als die Konstante B in der Formel (1) festgelegt werden. Entsprechend kann die Konstante B von dem einen zweiten elektromotorische Kraft-Datensatz oder den mehreren zweiten elektromotorische Kraft-Datensätzen abgeleitet werden. Der Durchschnitt der Konstanten B, die von den ersten elektromotorische Kraft-Datensätzen abgeleitet sind, und der Konstanten B, die von den zweiten elektromotorische Kraft-Datensätzen abgeleitet sind, können als die Konstante B in der Formel (1) festgelegt werden.
• Die ersten elektromotorische Kraft-Datensätze und die zweiten elektromotorische Kraft-Datensätze werden in einem Zustand gemessen, bei dem die Mischpotenzialzelle 55 mit der Heizeinrichtung 62 auf eine vorgegebene, feststehende Betriebstemperatur erwärmt wird. Vergleiche zwischen der Formel (1) und der Formel (A15) zeigen, dass die Konstanten α und β abhängig von der Temperatur T der Mischpotenzialzelle 55 variieren, d.h., von der Betriebstemperatur des Sensorelements 31 im Gebrauch. Folglich werden in dem Fall, bei dem ein Sensorelement 31 bei verschiedenen Betriebstemperaturen verwendet werden kann, die Konstanten α und β in der Formel (1) jeweils bei verschiedenen Betriebstemperaturen abgeleitet und im Vorhinein z.B. in dem Speicherteil 73 gespeichert. Wenn der Steuerungsabschnitt 72 die Ammoniakkonzentrationsableitungsverarbeitung durchführt, werden die Konstanten α und β verwendet, die der Betriebstemperatur des Sensorelements 31 entsprechen. Die Konstante B kann ebenfalls abhängig von der Betriebstemperatur des Sensorelements 31 im Gebrauch variieren; folglich kann die Konstante B bei jeder der verschiedenen Betriebstemperaturen abgeleitet werden und im Vorhinein z.B. in dem Speicherteil 73 gespeichert werden.
• Nachstehend wird die Entsprechung zwischen den Bestandteilselementen dieser Ausführungsform und Bestandteilselementen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Festelektrolytschicht 44 dieser Ausführungsform entspricht einem Festelektrolytkörper der vorliegenden Erfindung. Die Erfassungselektrode 51 entspricht einer Erfassungselektrode. Die Referenzelektrode 53 entspricht einer Referenzelektrode. Die Mischpotenzialzelle 55 entspricht einer Mischpotenzialzelle. Der elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt 75 entspricht einem elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt. Der Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt 76 entspricht einem Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt. Der Steuerungsabschnitt 72 entspricht einem Ammoniakkonzentrationsableitungsabschnitt. In dieser Ausführungsform wird ein Beispiel eines Verfahrens zur Messung einer Ammoniakkonzentration der vorliegenden Erfindung auch durch Erläutern des Betriebs der Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration beschrieben.
• Gemäß dem System 2 zur Behandlung eines Abgases, das vorstehend detailliert beschrieben worden ist, kann in der Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration die Verwendung der Beziehung der Formel (1) die Ammoniakkonzentration in dem Zielgas mit einer höheren Genauigkeit ableiten als diejenige in dem Fall der Verwendung der vorstehend beschriebenen Formel (2).
• Da die Erfassungselektrode 51 aus der Au-Pt-Legierung als Hauptkomponente zusammengesetzt ist, wird das Mischpotenzial an der Dreiphasengrenze der Festelektrolytschicht 44 und des Zielgases leicht bereitgestellt. Die Erfassungselektrode 51 weist einen Konzentrationsgrad von 0,3 oder mehr auf, der durch mindestens eines von XPS und AES gemessen wird, und ermöglicht folglich die zuverlässigere Bereitstellung des Mischpotenzials.
• Da die Betriebstemperatur der Mischpotenzialzelle 55 450 °C oder höher ist, kann die Festelektrolytschicht 44 in einer geeigneten Weise aktiviert werden. Da die Betriebstemperatur der Mischpotenzialzelle 55 650 °C oder weniger beträgt, kann eine Verminderung der Messgenauigkeit aufgrund der Verbrennung von Ammoniak gehemmt werden.
• Das System 2 zur Behandlung eines Abgases umfasst den einen oder die mehreren Oxidationskatalysator(en) (DOC 4 und ASC 8), der oder die in dem Abgasweg 3 angeordnet ist oder sind, und das Sensorelement 31 ist im Gegensatz zu dem DOC 4, bei dem es sich um den einen oder die mehreren Oxidationskatalysator(en) handelt, der oder die an dem stromaufwärtigen Ende angeordnet ist oder sind, auf der stromabwärtigen Seite des Abgaswegs 3 angeordnet. Folglich erreicht das Zielgas, in dem eine Komponente (z.B. mindestens eines von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid), die in dem Zielgas vorliegt und welche die Messgenauigkeit der Ammoniakkonzentration beeinflusst, durch die Oxidationskatalysatoren oxidiert worden ist, das Sensorelement 31. Demgemäß kann in dem System 2 zur Behandlung eines Abgases die Ammoniakkonzentration in dem Zielgas mit einer höheren Genauigkeit abgeleitet werden.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann in verschiedenen Modi ausgeführt werden, solange diese zum technischen Umfang der Erfindung gehören.
• Beispielsweise wird in der vorstehenden Ausführungsform, obwohl die Erfassungselektrode 51 und die Referenzelektrode 53 auf der Festelektrolytschicht 44 angeordnet sind, die Festelektrolytschicht 44 nicht notwendigerweise verwendet, und diese können auf einem Festelektrolytkörper angeordnet werden. Beispielsweise können die Erfassungselektrode 51 und die Referenzelektrode 53 auf oberen und unteren Oberflächen eines Festelektrolytkörpers angeordnet sein, der gestapelte Festelektrolytschichten umfasst. In der vorstehenden Ausführungsform wird, obwohl die Referenzelektrode 53 sowohl als die Referenzelektrode der Mischpotenzialzelle 55 als auch als die Referenzelektrode der Konzentrationszelle 56 dient, diese Struktur nicht zwangsläufig verwendet, und die Mischpotenzialzelle 55 und die Konzentrationszelle 56 können verschiedene Referenzelektroden umfassen.
• Obwohl in der vorstehenden Ausführungsform das Sensorelement 31 die Konzentrationszelle 56 umfasst und folglich die Sauerstoffkonzentration messen kann, wird diese Struktur nicht notwendigerweise verwendet. Das Sensorelement 31 muss die Konzentrationszelle 56 (insbesondere die Hilfselektrode 52) nicht enthalten. In diesem Fall kann die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration Informationen über die Sauerstoffkonzentration von einem anderen als dem Sensorelement 31 erfassen. Beispielsweise kann die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration Informationen über die Sauerstoffkonzentration von einem anderen Sensor erhalten, der in dem Abgasweg 3 angeordnet ist und der die Informationen über die Sauerstoffkonzentration erfassen kann (z.B. ein Sauerstoffsensor, ein A/F-Sensor oder ein NOx-Sensor). Die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration kann Informationen über die Sauerstoffkonzentration von einer anderen Vorrichtung (wie z.B. einem elektronischen Motorsteuergerät (ECU) 9) erhalten, die von Sensoren verschieden ist. In dem Fall, bei dem die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration Informationen über die Sauerstoffkonzentration von einem anderen Sensor erhält, der an einer Position des Abgaswegs 3 angeordnet ist, wobei die Position von derjenigen des Sensorelements 31 verschieden ist, leitet die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration die Ammoniakkonzentration vorzugsweise unter Berücksichtigung einer Messzeitverzögerung (Zeitverzögerung C) der Differenz der Position zwischen dem Sensorelement 31 und aufgrund des anderen angebrachten Sensors ab. Insbesondere wenn die Zeitdauer, für die das Zielgas von der Position von einem des Sensorelements 31, das stromaufwärts vorliegt, und des anderen Sensors zu der Position des anderen in dem Abgasweg 3 als die Zeitverzögerung C angenommen wird, leitet die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration vorzugsweise die Ammoniakkonzentration unter Berücksichtigung der Zeitverzögerung C ab. Beispielsweise ermöglicht in dem Fall, bei dem sich der andere Sensor auf der stromaufwärtigen Seite des Sensorelements 31 befindet, der Steuerungsabschnitt 72 dem Speicherteil 73 das Speichern der Werte der Sauerstoffkonzentration, die von dem anderen Sensor erfasst wird, für jeden vorgegebenen Zeitraum während der Zeitverzögerung C. Jedesmal, wenn die elektromotorische Kraft EMK von dem Sensorelement 31 erfasst wird, liest der Steuerungsabschnitt 72 den ältesten Wert der Sauerstoffkonzentration zu diesem Zeitpunkt (= der Wert, der in der Vergangenheit durch die Zeitverzögerung C erfasst worden ist) aus dem Speicherteil 73 aus und leitet die Ammoniakkonzentration von der erfassten elektromotorischen Kraft EMK, dem ausgelesenen Wert der Sauerstoffkonzentration und der Formel (1) ab. Auf diese Weise kann die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration die Ammoniakkonzentration durch Berücksichtigen der Zeitverzögerung C mit einer höheren Genauigkeit ableiten.
• Obwohl der Motor 1 in der vorstehenden Ausführungsform ein Dieselmotor ist, kann auch ein Benzinmotor verwendet werden.
• Obwohl die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration in der vorstehenden Ausführungsform eine Vorrichtung ist, die von dem elektronischen Motorsteuergerät (ECU) 9 verschieden ist, kann die Vorrichtung 70 zur Messung einer Ammoniakkonzentration ein Teil des elektronischen Motorsteuergeräts (ECU) 9 sein.
• BEISPIELE
• Nachstehend werden Beispiele, in denen ein Verfahren zur Messung einer Ammoniakkonzentration spezifisch durchgeführt wurde, als Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die nachstehend beschriebenen Beispiele beschränkt.
• [Herstellung der Sensorelemente 1 und 2]
• Sensorelemente, die zur Messung einer Ammoniakkonzentration mit einer Vorrichtung zur Messung einer Ammoniakkonzentration, welche diese umfasst, verwendet werden, wurden hergestellt. Vier Keramikgrünlagen, die eine Keramikkomponente enthalten, die aus einem Zirkoniumoxid-Festelektrolyten, der 3 mol-% Yttriumoxid enthielt, das als Stabilisator diente, zusammengesetzt ist, wurden als die Schichten der Basis 40 hergestellt. Beispielsweise wurden in den Grünlagen Lagenlöcher ausgebildet, die zum Positionieren während des Druckens und Stapelns verwendet werden. Ein Raum, der zu dem Referenzgaseinführungshohlraum 46 ausgebildet werden soll, wurde in der Grünlage, die zu der Abstandshalterschicht 43 ausgebildet werden soll, im Vorhinein z.B. durch Stanzen ausgebildet. Verschiedene Strukturen wurden durch ein Strukturdrucken auf die Keramikgrünlagen, die der ersten Substratschicht 41, der zweiten Substratschicht 42, der Abstandshalterschicht 3 und der Festelektrolytschicht 44 entsprechen, gedruckt und die resultierenden Keramikgrünlagen wurden einer Trocknungsbehandlung unterzogen. Insbesondere wurden z.B. Strukturen für die Erfassungselektrode 51, die aus der Au-Pt-Legierung zusammengesetzt waren, die Hilfselektrode 52 und die Referenzelektrode 53, die aus Pt zusammengesetzt war, Anschlussleitungen und der Heizeinrichtungsabschnitt 60 gebildet. Das Strukturdrucken wurde durch Aufbringen von strukturbildenden Pasten auf die Grünlagen unter Verwendung einer bekannten Siebdrucktechnik durchgeführt, wobei jede der strukturbildenden Pasten so hergestellt wurde, dass sie die Eigenschaften bereitstellt, die für einen Entsprechenden der Zielgegenstände erforderlich sind. Nach dem Abschluss des Strukturdruckens und des Trocknens wurde eine Druck- und Trocknungsbehandlung einer Verbindungspaste zum Stapeln und Verbinden der Grünlagen, die den Schichten entsprechen, durchgeführt. Es wurde eine Pressverbindungsbehandlung durchgeführt, bei der die Grünlagen, welche die Verbindungspaste umfassten, in einer vorgegebenen Reihenfolge gestapelt wurden, während die Grünlagen mit den Lagenlöchern positioniert wurden, und der resultierende Stapel wurde einem Pressverbinden bei vorgegebenen Temperatur- und Druckbedingungen zur Bildung eines Laminats unterzogen. Laminierte Teile mit der gleichen Größe wie das Sensorelement 31 wurden aus dem resultierenden Laminat geschnitten. Die geschnittenen laminierten Teile wurden mit einem Röhrenofen für 2 Stunden bei 1100 °C in einer Luftatmosphäre gebrannt, wodurch die Sensorelemente 31 bereitgestellt wurden, die jeweils die Erfassungselektrode 51, die Hilfselektrode 52 und die Bezugselektrode 53 enthielten, die auf der Festelektrolytschicht 44 angeordnet waren. Die Sensorelemente 31 wurden einem Tauchen mit einer Aluminiumoxid-enthaltenden Aufschlämmung und einem Brennen zur Bildung der porösen Schutzschichten 48 auf Oberflächen der Sensorelemente 31 unterzogen. Auf diese Weise wurden die Sensorelemente 31 hergestellt und als Sensorelemente 1 und 2 bezeichnet. Der Konzentrationsgrad auf der Oberfläche eines Edelmetalls auf der Bruchoberfläche der Erfassungselektrode 51 in jedem der Sensorelemente 1 und 2 wurde durch AES gemessen und betrug 1,05. Die poröse Schutzschicht 48 wies eine Porosität von 40 % auf. In den folgenden Tests betrug die Betriebstemperatur des Sensorelements 1 im Gebrauch 480 °C und die Betriebstemperatur des Sensorelements 2 im Gebrauch betrug 600 °C.
• [Experiment 1: Ableitung der Konstanten α]
• Jedes der Sensorelemente 1 und 2 wurde den Schritten S200 und S210 in der Konstantenableitungsverarbeitung unterzogen. Insbesondere wurde die elektromotorische Kraft EMK jedes Sensors mit Zielgasen mit einer konstanten Sauerstoffkonzentration p_O2 von 10 %, einer konstanten H₂O-Konzentration p_H2O von 5 % und verschiedenen Ammoniakkonzentrationen p_NH3, wie sie in der Tabelle 1 angegeben sind, gemessen. Eine Komponente (Basisgas), die von den vorstehend genannten Komponenten in dem Zielgas verschieden war, war Stickstoff. Die Temperatur betrug 120 °C. Das Zielgas wurde durch eine Leitung mit einem Durchmesser von 70 mm bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 200 Liter/min strömen gelassen. Die 5 ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen den Ammoniakkonzentrationen p_NH3 [ppm] und den elektromotorischen Kräften EMKs [mV] der Sensorelemente 1 und 2 zeigt. Die horizontale Achse von 5 weist einen logarithmischen Maßstab auf. Die 5 zeigt, dass in jedem der Sensorelemente 1 und 2 die Beziehung zwischen dem Logarithmus der Ammoniakkonzentration p_NH3 bei einer konstanten Sauerstoffkonzentration p_O2 und der elektromotorischen Kraft EMK durch eine Gerade genähert werden kann. Aus den Steigungen von genäherten Geraden, die in der 5 gezeigt sind, wurde die Konstante α des Sensorelements 1 abgeleitet und betrug 45,9, und die Konstante α des Sensorelements 2 wurde abgeleitet und betrug 27,9.
  [Tabelle 1]

  Sensorelement 1		Sensorelement 2
  pNH3 [ppm]	EMK [mV]	pNH3 [ppm]	EMK [mV]
  0	7,80	0	-4,25
  1	17,15	1	28,47
  3	66,97	3	60,58
  5	91,33	5	74,08
  10	122,52	10	96,32
  25	167,63	25	120,03
  50	193,47	50	138,23

• [Experiment 2: Ableitung der Konstanten β]
• Jedes der Sensorelemente 1 und 2 wurde den Schritten S220 und S230 in der Konstantenableitungsverarbeitung unterzogen. Insbesondere wurde die elektromotorische Kraft EMK jedes Sensors mit Zielgasen mit einer konstanten Ammoniakkonzentration p_NH3 von 10 ppm, einer konstanten H₂O-Konzentration p_H2O von 5 % und verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen p_O2, wie sie in der Tabelle 2 angegeben sind, gemessen. Bedingungen, die von den vorstehend beschriebenen Bedingungen verschieden waren, waren mit denjenigen im Experiment 1 identisch. Die 6 ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen den Sauerstoffkonzentrationen p_O2 [%] und den elektromotorischen Kräften EMKs [mV] der Sensorelemente 1 und 2 zeigt. Die horizontale Achse von 6 weist einen logarithmischen Maßstab auf. Die 6 zeigt, dass in jedem der Sensorelemente 1 und 2 die Beziehung zwischen dem Logarithmus der Sauerstoffkonzentration p_O2 bei einer konstanten Ammoniakkonzentration p_NH3 und der elektromotorischen Kraft EMK durch eine Gerade genähert werden kann. Aus den Steigungen von genäherten Geraden, die in der 6 gezeigt sind, wurde die Konstante β des Sensorelements 1 abgeleitet und betrug 37,0, und die Konstante β des Sensorelements 2 wurde abgeleitet und betrug 15,9.
  [Tabelle 2]

  Sensorelement 1		Sensorelement 2
  PO2 [%]	EMK [mV]	PO2 [%]	EMK [mV]
  1	203,77	1	124,78
  3	173,10	3	114,37
  5	146,39	5	105,42
  10	122,52	10	96,32
  25	108,78	25	82,67
  50	94,53	50	77,85

• [Experiment 3: Ableitung der Konstanten B]
• Der Schritt S240 in der Konstantenableitungsverarbeitung wurde auf der Basis der Daten durchgeführt, die von den Experimenten 1 und 2 erhalten worden sind, um die Konstante B von jedem der Sensorelemente 1 und 2 abzuleiten. Der Durchschnitt der Konstanten B, die von den im Experiment 1 erhaltenen ersten elektromotorische Kraft-Datensätzen abgeleitet worden sind, und der Konstanten B, die von den im Experiment 2 erhaltenen zweiten elektromotorische Kraft-Datensätzen abgeleitet worden sind, wurde als die Konstante B verwendet. Dadurch wurde die Konstante B des Sensorelements 1 abgeleitet und betrug -68,9, und die Konstante B des Sensorelements 2 wurde abgeleitet und betrug -7,1.
• Aus den vorstehend beschriebenen Experimenten 1 bis 3 wurden die Formel (3), welche die Beziehung zwischen den Variablen (EMK, p_NH3 und p_O2) des Sensorelements 1 ausdrückt, und die Formel (4), welche die Beziehung zwischen den Variablen (EMK, p_NH3 und p_O2) des Sensorelements 2 ausdrückt, abgeleitet. In den Formeln (3) und (4) ist jede der Basen a und b in der Formel (1) die Napier-Konstante e. In den Formeln (3) und (4) ist die Einheit der elektromotorischen Kraft EMK [mV], die Einheit der Ammoniakkonzentration p_NH3 ist [ppm] und die Einheit der Sauerstoffkonzentration p_O2 ist dimensionslos (beispielsweise beträgt der Wert in dem Fall von 10 % 0,1).
  $$\text{EMK}=\mathrm{45,9}\text{ln}\left({\text{p}}_{\text{NH3}}\right)-\mathrm{37,0}\text{ln}\left({\text{p}}_{\text{O2}}\right)-\mathrm{68,9}$$

  

  $$\text{EMK}=\mathrm{27,9}\text{ln}\left({\text{p}}_{\text{NH3}}\right)-\mathrm{15,9}\text{ln}\left({\text{p}}_{\text{O2}}\right)-\mathrm{7,1}$$

  
• [Bewertungstest]
• Die elektromotorische Kraft EMK des Sensorelements 1 wurde unter den gleichen Bedingungen wie im Experiment 1 gemessen, jedoch wurden die Ammoniakkonzentration p_NH3 und die Sauerstoffkonzentration p_O2 in dem Zielgas verändert. Die Messwerte der elektromotorischen Kraft EMK wurden mit der elektromotorischen Kraft EMK verglichen, die von der Formel (3) abgeleitet war. Die Tabelle 3 und die 7 zeigen die Ergebnisse. Das Sensorelement 2 wurde demselben Experiment unterzogen. Die Tabelle 4 und die 8 zeigen die Ergebnisse. In den 7 und 8 geben durchgezogene Linien Verbindungspunkte der gemessenen elektromotorischen Kräfte EMKs an und gestrichelte Linien geben Linienverbindungspunkte der elektromotorischen Kräfte EMKs an, die von den Formeln (3) und (4) abgeleitet sind. Die Tabellen 3 und 4 und die 7 und 8 zeigen, dass die Messwerte der elektromotorischen Kraft EMK mit den elektromotorischen Kräften EMKs, die von den Formeln (3) und (4) abgeleitet sind, mit einer guten Genauigkeit übereinstimmen. Die Ergebnisse zeigen auch, dass das Verhältnis der NH₃-Empfindlichkeit zu der O₂-Störung in den Messwerten der elektromotorischen Kraft EMK nicht immer (2/3):(1/2) beträgt und folglich die Beziehung der Formel (2) nicht immer gilt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung der Formel (1) die Ammoniakkonzentration p_NH3 mit einer höheren Genauigkeit ableiten kann als in dem Fall der Verwendung der Formel (2).
  [Tabelle 3]

  Sensorelement 1	PO2 = 1 %		PO2 = 3 %		PO2 = 5 %		PO2= 10 %		PO2 = 15 %		PO2 = 20 %
  	EMK [mV]		EMK [mV]		EMK [mV]		EMK [mV]		EMK [mV]		EMK [mV]
  PNH3 [ppm]	Gemessener Wert	Berechneter Wert	Gemessener Wert	Berechneter Wert	Gemessener Wert	Berechneter Wert	Gemessener Wert	Berechneter Wert	Gemessener Wert	Berechneter Wert	Gemessener Wert	Berechneter Wert
  1	105,35	101,67	60,81	60,99	43,15	42,07	17,15	16,40	3,23	1,39	-9,80	-9,26
  3	157,13	152,13	112,83	111,45	94,93	92,53	66,97	66,86	51,83	51,85	40,89	41,20
  5	180,03	175,59	135,18	134,91	111,30	115,99	91,33	90,33	72,80	75,31	68,18	64,66
  10	203,77	207,43	173,10	166,75	146,39	147,83	122,52	122,16	108,78	107,15	94,53	96,50
  25	245,51	249,51	208,70	208,83	194,50	189,91	167,63	164,25	151,95	149,23	137,15	138,58
  50	285,45	281,35	240,02	240,67	216,78	221,75	193,47	196,08	183,85	181,07	171,82	170,42

  
  [Tabelle 4]

  Sensorelement 2	PO2 = 1 %		PO2 = 3 %		PO2 = 5 %		PO2 = 10 %		PO2 = 15 %		PO2 = 20 %
  	EMK [mV]		EMK [mV]		EMK [mV]		EMK [mV]		EMK [mV]		EMK [mV]
  PNH3 [ppm]	Gemessener Wert	Berechneter Wert	Gemessener Wert	Berechneter Wert	Gemessener Wert	Berechneter Wert	Gemessener Wert	Berechneter Wert	Gemessener Wert	Berechneter Wert	Gemessener Wert	Berechneter Wert
  1	64,70	66,12	54,15	48,65	40,88	40,53	25,47	29,51	17,20	23,06	18,02	18,49
  3	93,25	96,77	78,87	79,31	72,30	71,18	66,58	60,16	52,87	53,72	46,23	49,14
  5	112,87	111,03	92,37	93,56	83,05	85,44	80,80	74,41	66,83	67,97	63,98	63,39
  10	124,78	130,36	114,37	112,90	105,42	104,77	96,32	93,75	82,67	87,31	77,85	82,73
  25	153,07	155,93	133,90	138,46	125,87	130,34	120,03	119,32	107,92	112,87	107,52	108,30
  50	178,15	175,27	159,73	157,80	147,95	149,68	138,23	138,66	127,90	132,21	125,40	127,64

• [Experiment 4: Untersuchung der H₂O-Störung]
• Die elektromotorische Kraft EMK jedes der Sensorelemente 1 und 2 wurde mit Zielgasen mit einer konstanten Ammoniakkonzentration p_NH3 von 10 ppm, einer konstanten Sauerstoffkonzentration p_O2 von 10 % und verschiedenen H₂O-Konzentrationen p_H2O gemessen, wie es in der Tabelle 5 angegeben ist. Bedingungen, die von den vorstehend beschriebenen Bedingungen verschieden waren, waren mit denjenigen im Experiment 1 identisch. Die 9 ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen H₂O-Konzentrationen p_H2O [%] und elektromotorischen Kräften EMKs [mV] der Sensorelemente 1 und 2 zeigt. Die 9 zeigt, dass in jedem der Sensorelemente 1 und 2 die elektromotorische Kraft EMK bei verschiedenen H₂O-Konzentrationen p_H2O in den Zielgasen nahezu unverändert bleibt (im Wesentlichen keine H₂O-Störung). D.h., die Ergebnisse zeigen, dass der Term der H₂O-Konzentration p_H2O in der Formel (2) nicht mit der Beziehung zwischen der tatsächlichen elektromotorischen Kraft EMK und der H₂O-Konzentration p_H2O übereinstimmt.
  [Tabelle 5]

  Sensorelement 1		Sensorelement 2
  pH2O[%]	EMK [mV]	PH2O [%]	EMK [mV]
  1	130,48	1	96,43
  3	129,28	3	95,85
  5	122,52	5	96,32
  10	127,40	10	99,42
  12	128,33	12	98,35

• Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Provisional-Patentanmeldung Nr. 62/411,736 , die am 24. Oktober 2016 eingereicht worden ist, und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-88740 , die am 27. April 2017 eingereicht worden ist, wobei deren gesamter Inhalt unter Bezugnahme einbezogen ist.
• GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
• Die vorliegende Erfindung kann für die Messung der Ammoniakkonzentration in Zielgasen, wie z.B. Abgasen von Kraftfahrzeugen, verwendet werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 5204160 [0003]
• US 62411736 [0075]
• JP 2017088740 [0075]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• D. Schonauer et al., Sensors and Actuators B, Band 140 (2009), Seiten 585-590 [0004]

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Messung der Ammoniakkonzentration in einem Zielgas mit einem Sensorelement, das eine Mischpotenzialzelle umfasst, die einen Festelektrolytkörper, eine Erfassungselektrode, die auf dem Festelektrolytkörper angeordnet ist, und eine Referenzelektrode umfasst, die auf dem Festelektrolytkörper angeordnet ist, wobei die Vorrichtung umfasst: einen elektromotorische Kraft-Erfassungsabschnitt, der zum Erfassen von Informationen über eine elektromotorische Kraft der Mischpotenzialzelle ausgebildet ist, während die Erfassungselektrode dem Zielgas ausgesetzt ist; einen Sauerstoffkonzentration-Erfassungsabschnitt, der zum Erfassen von Informationen über die Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas ausgebildet ist; und einen Ammoniakkonzentration-Ableitungsabschnitt, der zum Ableiten der Ammoniakkonzentration in dem Zielgas von den erfassten Informationen über die elektromotorische Kraft, den erfassten Informationen über die Sauerstoffkonzentration und einer durch die Formel (1) dargestellten Beziehung ausgebildet ist: $$\text{EMK=}\mathrm{\alpha }{\text{log}}_{\text{a}}\left({\text{p}}_{\text{NH3}}\right)-\mathrm{\beta }{\text{log}}_{\text{b}}\left({\text{p}}_{\text{O2}}\right)+\text{B}$$

   

   (wobei EMK: Elektromotorische Kraft der Mischpotenzialzelle, α, β und B: Konstanten, a und b: Jedwede Basis (mit der Maßgabe, dass a ≠ 1, a > 0, b ≠ 1 und b > 0), p_NH3: Ammoniakkonzentration in dem Zielgas, p_O2: Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas).
2. System zur Messung einer Ammoniakkonzentration, umfassend: die Vorrichtung zur Messung der Ammoniakkonzentration nach Anspruch 1 und das Sensorelement.
3. System zur Messung einer Ammoniakkonzentration nach Anspruch 2, bei dem die Erfassungselektrode aus einer Au-Pt-Legierung als eine Hauptkomponente zusammengesetzt ist.
4. System zur Messung einer Ammoniakkonzentration nach Anspruch 3, bei dem die Erfassungselektrode einen Konzentrationsgrad (= Menge des vorliegenden Au [Atom-%]/Menge des vorliegenden Pt [Atom-%]) von 0,3 oder mehr aufweist, wobei der Konzentrationsgrad durch mindestens eines von einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und einer Augerelektronenspektroskopie (AES) gemessen wird.
5. System zur Messung einer Ammoniakkonzentration nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Sensorelement eine Heizeinrichtung umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie die Mischpotenzialzelle auf eine Betriebstemperatur von 450 °C oder höher und 650 °C oder niedriger erwärmt.
6. System zur Behandlung eines Abgases, umfassend: das System zur Messung einer Ammoniakkonzentration nach einem der Ansprüche 2 bis 5 und einen Abgasweg, durch den ein Abgas, das als das Zielgas dient, von einem Verbrennungsmotor strömt, wobei das Sensorelement in dem Abgasweg angeordnet ist.
7. System zur Behandlung eines Abgases nach Anspruch 6, ferner umfassend: einen oder mehrere Oxidationskatalysator(en), der oder die in dem Abgasweg angeordnet ist oder sind, wobei das Sensorelement im Gegensatz zu dem einen oder den mehreren Oxidationskatalysator(en), der oder die an einem stromaufwärtigen Ende angeordnet ist oder sind, auf der stromabwärtigen Seite des Abgaswegs angeordnet ist.
8. Verfahren zur Messung der Ammoniakkonzentration in einem Zielgas mit einem Sensorelement, das eine Mischpotenzialzelle umfasst, die einen Festelektrolytkörper, eine Erfassungselektrode, die auf dem Festelektrolytkörper angeordnet ist, und eine Referenzelektrode umfasst, die auf dem Festelektrolytkörper angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst: einen elektromotorische Kraft-Erfassungsschritt des Erfassens von Informationen über eine elektromotorische Kraft der Mischpotenzialzelle, während die Erfassungselektrode dem Zielgas ausgesetzt ist; einen Sauerstoffkonzentration-Erfassungsschritt des Erfassens von Informationen über die Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas; und einen Konzentrationableitungsschritt des Ableitens der Ammoniakkonzentration in dem Zielgas von den erfassten Informationen über die elektromotorische Kraft, den erfassten Informationen über die Sauerstoffkonzentration und einer durch die Formel (1) dargestellten Beziehung: $$\text{EMK=}\mathrm{\alpha }{\text{log}}_{\text{a}}\left({\text{p}}_{\text{NH3}}\right)-\mathrm{\beta }{\text{log}}_{\text{b}}\left({\text{p}}_{\text{O2}}\right)+\text{B}$$

   

   (wobei EMK: Elektromotorische Kraft der Mischpotenzialzelle, α, β und B: Konstanten, a und b: Jedwede Basis (mit der Maßgabe, dass a ≠ 1, a > 0, b ≠ 1 und b > 0), p_NH3: Ammoniakkonzentration in dem Zielgas, p_O2: Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas).

Images