JP2805811B2 - 燃焼制御用センサ - Google Patents
燃焼制御用センサInfo
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- JP2805811B2 JP2805811B2 JP1091337A JP9133789A JP2805811B2 JP 2805811 B2 JP2805811 B2 JP 2805811B2 JP 1091337 A JP1091337 A JP 1091337A JP 9133789 A JP9133789 A JP 9133789A JP 2805811 B2 JP2805811 B2 JP 2805811B2
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- combustion control
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- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、燃焼排ガス中の残存酸素濃度により空気と
燃料の比を検出し、適正な燃焼状態を維持するために用
いる燃焼制御用センサに関するものである。
燃料の比を検出し、適正な燃焼状態を維持するために用
いる燃焼制御用センサに関するものである。
従来の技術 従来、この種のセンサとしては、酸素イオン導電性固
体電解質基体として安定化ジルコニアを用い、陽極及び
陰極として白金を用い、さらに陰極上にガス拡散律速体
を設けた形のものがある。該センサにおいては、両極間
に印加される電圧により酸素ポンピング作用が生じて酸
素イオン導電性固体電解質基体中を酸素イオンが移動
し、これを電流として取り出すことができる。この酸素
イオンの移動は陰極上に設けたガス拡散律速体によって
結果として律速されるため、出力電流は一定値まで増加
した後飽和する。この飽和電流値は雰囲気中の酸素濃度
に応じた値を示すため、電流値を測定することにより、
排ガス中の酸素濃度を知ることができ、従って適正な空
燃比になるように燃焼を制御することが可能になる。
体電解質基体として安定化ジルコニアを用い、陽極及び
陰極として白金を用い、さらに陰極上にガス拡散律速体
を設けた形のものがある。該センサにおいては、両極間
に印加される電圧により酸素ポンピング作用が生じて酸
素イオン導電性固体電解質基体中を酸素イオンが移動
し、これを電流として取り出すことができる。この酸素
イオンの移動は陰極上に設けたガス拡散律速体によって
結果として律速されるため、出力電流は一定値まで増加
した後飽和する。この飽和電流値は雰囲気中の酸素濃度
に応じた値を示すため、電流値を測定することにより、
排ガス中の酸素濃度を知ることができ、従って適正な空
燃比になるように燃焼を制御することが可能になる。
発明が解決しようとする課題 従来、ガス拡散律速体の材料としては、アルミナ、ス
ピネルなどが用いられており、酸素イオン導電性固体電
解質基体と無機接着剤などで接合されていた。
ピネルなどが用いられており、酸素イオン導電性固体電
解質基体と無機接着剤などで接合されていた。
しかし、この種のセンサにおいては、ガス拡散律速体
の材料と酸素イオン導電性固体電解質の熱膨張係数が異
なり、かつ耐熱衝撃特性も異なるため、往々にして酸素
イオン導電性固体電解質基体の破損が生じることがあっ
た。
の材料と酸素イオン導電性固体電解質の熱膨張係数が異
なり、かつ耐熱衝撃特性も異なるため、往々にして酸素
イオン導電性固体電解質基体の破損が生じることがあっ
た。
これに対処するため、酸素ポンプを構成する固体電解
質基体と同じ材料をガス拡散律速体として用いることが
行なわれる。この種のセンサにおいては、応答性を高め
るために、デッドスペースを極力小さくする必要があ
り、ガス拡散律速体を陰極に密着させることがしばしば
行なわれる。
質基体と同じ材料をガス拡散律速体として用いることが
行なわれる。この種のセンサにおいては、応答性を高め
るために、デッドスペースを極力小さくする必要があ
り、ガス拡散律速体を陰極に密着させることがしばしば
行なわれる。
しかし固体電解質材料をガス拡散律速体として陰極に
密着させると、ガス拡散律速体自体が導電性を有するた
めに、導電パスを形成してセンサの電気特性に異常な特
性が現われることがある。
密着させると、ガス拡散律速体自体が導電性を有するた
めに、導電パスを形成してセンサの電気特性に異常な特
性が現われることがある。
課題を解決するための手段 本発明は、酸素イオン導電性固体電解質からなる基体
上に設ける一対の電極の内、陰極となる電極を形成した
面を覆って、酸素イオン導電性固体電解質および電極材
料と非反応性でありかつガス透過性の電気絶縁性の多孔
質層を形成し、該多孔質層上に前記酸素イオン導電性固
体電解質と同じ材料からなるガス拡散律速体を密着させ
てなることを特徴とする燃焼制御用センサである。
上に設ける一対の電極の内、陰極となる電極を形成した
面を覆って、酸素イオン導電性固体電解質および電極材
料と非反応性でありかつガス透過性の電気絶縁性の多孔
質層を形成し、該多孔質層上に前記酸素イオン導電性固
体電解質と同じ材料からなるガス拡散律速体を密着させ
てなることを特徴とする燃焼制御用センサである。
作用 本発明による燃焼制御用センサにおいては、ガス拡散
律速体と酸素ポンプ基体用固体電解質が同じ材料からな
るため、熱膨張の不一致や機械的強度の違いによるセン
サの破損が生じない。また、陰極とガス拡散律速体とは
互いに絶縁されているため、電気特性の変動や異常もな
く安定したセンサ特性が得られる。
律速体と酸素ポンプ基体用固体電解質が同じ材料からな
るため、熱膨張の不一致や機械的強度の違いによるセン
サの破損が生じない。また、陰極とガス拡散律速体とは
互いに絶縁されているため、電気特性の変動や異常もな
く安定したセンサ特性が得られる。
実 施 例 第１図は本発明の一実施例における燃料制御用センサ
素子を示す模式的断面図である。１は8mol％Y2O3安定化
ジルコニア固体電解質基体（5.5mmφ×0.5mmt）、２は
化学式La0.35Sr0.65Co0.7Fe0.3O3-δで表わされるペロ
ブスカイト型複合酸化物をスパッタによって付着させて
形成した陰極（0.1μmt）、３は同じく化学式La0.35Sr
0.65Co0.7Fe0.3O3-δで表わされるペロブスカイト型複
合酸化物をスパッタによって付着させて形成した陽極
（0.1μmt）、４はSrTiO3をスパッタにより付着させて
形成した絶縁性の多孔質層（0.05μmt）、５は8mol％Y2
O3安定化ジルコニアからなるガス拡散律速体、６はガス
拡散用細孔、７は電極リードである。なお、電極リード
７とガス拡散律速体５は図示しない方法により絶縁され
ている。
素子を示す模式的断面図である。１は8mol％Y2O3安定化
ジルコニア固体電解質基体（5.5mmφ×0.5mmt）、２は
化学式La0.35Sr0.65Co0.7Fe0.3O3-δで表わされるペロ
ブスカイト型複合酸化物をスパッタによって付着させて
形成した陰極（0.1μmt）、３は同じく化学式La0.35Sr
0.65Co0.7Fe0.3O3-δで表わされるペロブスカイト型複
合酸化物をスパッタによって付着させて形成した陽極
（0.1μmt）、４はSrTiO3をスパッタにより付着させて
形成した絶縁性の多孔質層（0.05μmt）、５は8mol％Y2
O3安定化ジルコニアからなるガス拡散律速体、６はガス
拡散用細孔、７は電極リードである。なお、電極リード
７とガス拡散律速体５は図示しない方法により絶縁され
ている。
比較のため、絶縁層を形成せず、8mol％Y2O3安定化ジ
ルコニアのガス拡散律速体を用いたセンサ素子（従来例
１）、及び絶縁層を形成せずMgAl2O3からなるガス拡散
律速体を用いたセンサ素子（従来例２）をそれぞれ作製
した。
ルコニアのガス拡散律速体を用いたセンサ素子（従来例
１）、及び絶縁層を形成せずMgAl2O3からなるガス拡散
律速体を用いたセンサ素子（従来例２）をそれぞれ作製
した。
先ず、これらのセンサの初期特性を測定し評価した。
測定は以下のようにして行なった、電気炉中にセンサ素
子を設置し、素子温度が700℃になるように温度制御を
行ない、所定濃度の酸素−窒素混合ガスを約10cm/secの
流速で流通接触させた。このとき、印加する電圧に対す
る出力電流を測定し、一定電圧（1v）印加時における出
力電流を各酸素濃度に対して求め、これを初期特性とし
た。その結果を第２図に示した。この結果、本発明にな
るセンサ素子及び従来例２のセンサ素子は共に酸素濃度
と電流の間に比例関係が認められたが、従来例１のセン
サ素子においてはこのような比例関係が認められなかっ
た。従来例１では、陰極と8mol％Y2O3安定化ジルコニア
からなるガス拡散律速体が直接接触しているため、ガス
拡散律速体中に導電パスが形成されて電圧−電流特性に
特異な特性が生じたものと考えられる。
測定は以下のようにして行なった、電気炉中にセンサ素
子を設置し、素子温度が700℃になるように温度制御を
行ない、所定濃度の酸素−窒素混合ガスを約10cm/secの
流速で流通接触させた。このとき、印加する電圧に対す
る出力電流を測定し、一定電圧（1v）印加時における出
力電流を各酸素濃度に対して求め、これを初期特性とし
た。その結果を第２図に示した。この結果、本発明にな
るセンサ素子及び従来例２のセンサ素子は共に酸素濃度
と電流の間に比例関係が認められたが、従来例１のセン
サ素子においてはこのような比例関係が認められなかっ
た。従来例１では、陰極と8mol％Y2O3安定化ジルコニア
からなるガス拡散律速体が直接接触しているため、ガス
拡散律速体中に導電パスが形成されて電圧−電流特性に
特異な特性が生じたものと考えられる。
次に、各20個のセンサ素子について温度サイクル試験
を行ない、センサ素子の破損の有無等を評価した。試験
は、300℃ 900℃の温度サイクル（200℃/hの昇降温）
を50回繰り返し、目視にて素子の状態を確認した。その
結果を次表に示した。
を行ない、センサ素子の破損の有無等を評価した。試験
は、300℃ 900℃の温度サイクル（200℃/hの昇降温）
を50回繰り返し、目視にて素子の状態を確認した。その
結果を次表に示した。
従来例２においては、いずれも安定化ジルコニア基体
が破損していた。これに対して実施例及び従来例１では
ガス拡散律速体も安定化ジルコニアからなっているた
め、温度サイクルによっても異常な歪が生じることがな
く、従ってセンサの破損も生じない。また、実施例のセ
ンサの温度サイクル試験後の特性は、初期特性からほと
んど変化していないことも明らかになった。しかし、従
来例１のセンサの特性は先に述べた例と同様に異常な電
圧−電流特性を示した。
が破損していた。これに対して実施例及び従来例１では
ガス拡散律速体も安定化ジルコニアからなっているた
め、温度サイクルによっても異常な歪が生じることがな
く、従ってセンサの破損も生じない。また、実施例のセ
ンサの温度サイクル試験後の特性は、初期特性からほと
んど変化していないことも明らかになった。しかし、従
来例１のセンサの特性は先に述べた例と同様に異常な電
圧−電流特性を示した。
以上の実施例で明らかなように、本発明になる燃焼制
御用センサは極めて優れた特性を示す。
御用センサは極めて優れた特性を示す。
なお、酸素イオン導電性固体電解質、及びガス拡散律
速体としては8mol％Y2O3安定化ジルコニアを用いたが、
同様の機能を有するものであればこれに限定するもので
はない。電極材料も実施例に限定するものではなく、望
ましくは請求項（２）（３）（４）で記載されるものの
中から選択されることが好ましく、同様の機能を有する
ものであればよい。特にSrMe′O3あるいは白金族元素を
添加した場合は、応答特性あるいは低温特性の向上が認
められ、好適である。センサ形態も発明の主旨に反しな
い限り任意の形態を取り得るものである。ガス拡散律速
体としては、実施例のように細孔を設けたものに限ら
ず、多孔質材料を用いることもできる。また、焼結体の
貼合わせに限らず多孔質のコーティング層を形成するこ
ともできる。また、絶縁層自体をガス拡散律速体あるい
はその一部とすることも可能である。絶縁層材料も電
極、リードなどと非反応性のものであれば実施例に限定
するものではない。センサの作製法も焼結、印刷、溶射
その他の方法、及びそれらの組合せを用いることができ
るものである。
速体としては8mol％Y2O3安定化ジルコニアを用いたが、
同様の機能を有するものであればこれに限定するもので
はない。電極材料も実施例に限定するものではなく、望
ましくは請求項（２）（３）（４）で記載されるものの
中から選択されることが好ましく、同様の機能を有する
ものであればよい。特にSrMe′O3あるいは白金族元素を
添加した場合は、応答特性あるいは低温特性の向上が認
められ、好適である。センサ形態も発明の主旨に反しな
い限り任意の形態を取り得るものである。ガス拡散律速
体としては、実施例のように細孔を設けたものに限ら
ず、多孔質材料を用いることもできる。また、焼結体の
貼合わせに限らず多孔質のコーティング層を形成するこ
ともできる。また、絶縁層自体をガス拡散律速体あるい
はその一部とすることも可能である。絶縁層材料も電
極、リードなどと非反応性のものであれば実施例に限定
するものではない。センサの作製法も焼結、印刷、溶射
その他の方法、及びそれらの組合せを用いることができ
るものである。
発明の効果 以上のように、本発明になる燃焼制御用センサはきわ
めて安定した特性を示し、長期間にわたって精度よく燃
焼排ガス中の酸素濃度を測定でき、適正な燃焼状態に制
御することができ、且つ熱膨張の不一致や機械的強度の
違いによる破損という問題点を解決したものである。
めて安定した特性を示し、長期間にわたって精度よく燃
焼排ガス中の酸素濃度を測定でき、適正な燃焼状態に制
御することができ、且つ熱膨張の不一致や機械的強度の
違いによる破損という問題点を解決したものである。
第１図は本発明の一実施例における燃焼制御用センサの
模式的断面図、第２図は同実施例および従来例のセンサ
の出力特性図である。 １……酸素イオン導電性固体電解質基体、２……陰極、
３……陽極、４……絶縁層、５……ガス拡散律速体、６
……ガス拡散用細孔、７……電極リード。
模式的断面図、第２図は同実施例および従来例のセンサ
の出力特性図である。 １……酸素イオン導電性固体電解質基体、２……陰極、
３……陽極、４……絶縁層、５……ガス拡散律速体、６
……ガス拡散用細孔、７……電極リード。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−192953（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−158451（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−170770（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 27/41
Claims (4)
- 【請求項１】酸素イオン導電性固体電解質からなる基体
上に設ける一対の電極の内、陰極となる電極を形成した
面を覆って、酸素イオン導電性固体電解質および電極材
料と非反応性でありかつガス透過性の電気絶縁性の多孔
質層を形成し、該多孔質層上に前記酸素イオン導電性固
体電解質と同じ材料からなるガス拡散律速体を密着させ
てなることを特徴とする燃焼制御用センサ。 - 【請求項２】一対の電極のうち少なくとも一方の電極が
一般式Ln1-xAxCo1-yMeyO3-δ（LnはLa,Ce,Pr,Ndから選
ぶ少なくとも一種の元素、MeはNi,Fe,Mn,Cr,Vから選ぶ
少なくとも一種の元素、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、δは
酸素欠損量）で表されるペロブスカイト型複合酸化物か
らなることを特徴とする請求項１記載の燃焼制御用セン
サ。 - 【請求項３】電極材料にSrMe′O3（MeはTi,Zr、Hfから
選ぶ少なくとも一種の元素）を添加することを特徴とす
る請求項１または２記載の燃焼制御用センサ。 - 【請求項４】電極材料に少なくとも一種の白金族元素を
添加することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
載の燃焼制御用センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1091337A JP2805811B2 (ja) | 1989-04-11 | 1989-04-11 | 燃焼制御用センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1091337A JP2805811B2 (ja) | 1989-04-11 | 1989-04-11 | 燃焼制御用センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02269948A JPH02269948A (ja) | 1990-11-05 |
| JP2805811B2 true JP2805811B2 (ja) | 1998-09-30 |
Family
ID=14023616
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1091337A Expired - Fee Related JP2805811B2 (ja) | 1989-04-11 | 1989-04-11 | 燃焼制御用センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2805811B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5269822A (en) * | 1992-09-01 | 1993-12-14 | Air Products And Chemicals, Inc. | Process for recovering oxygen from gaseous mixtures containing water or carbon dioxide which process employs barium-containing ion transport membranes |
| US5261932A (en) * | 1992-09-01 | 1993-11-16 | Air Products And Chemicals, Inc. | Process for recovering oxygen from gaseous mixtures containing water or carbon dioxide which process employs ion transport membranes |
| US5240473A (en) * | 1992-09-01 | 1993-08-31 | Air Products And Chemicals, Inc. | Process for restoring permeance of an oxygen-permeable ion transport membrane utilized to recover oxygen from an oxygen-containing gaseous mixture |
| US5695624A (en) * | 1995-01-30 | 1997-12-09 | The Regents Of The Univeristy Of California | Solid state oxygen sensor |
| DE19744316C2 (de) * | 1997-10-08 | 2000-09-21 | Univ Karlsruhe | Sauerstoffsensitives Widerstandsmaterial |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59192953A (ja) * | 1983-12-12 | 1984-11-01 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 酸素ガス濃度分析装置 |
| JPS60170770U (ja) * | 1984-04-20 | 1985-11-12 | トヨタ自動車株式会社 | 酸素濃度検出器 |
| JPS63158451A (ja) * | 1986-12-23 | 1988-07-01 | Tech Res Assoc Conduct Inorg Compo | 燃焼制御用センサ |
-
1989
- 1989-04-11 JP JP1091337A patent/JP2805811B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02269948A (ja) | 1990-11-05 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |