JPH0417385B2 - - Google Patents
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- JPH0417385B2 JPH0417385B2 JP58218401A JP21840183A JPH0417385B2 JP H0417385 B2 JPH0417385 B2 JP H0417385B2 JP 58218401 A JP58218401 A JP 58218401A JP 21840183 A JP21840183 A JP 21840183A JP H0417385 B2 JPH0417385 B2 JP H0417385B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、ヒーターにより固体電解質を加熱す
るようにした電気化学的装置に係り、特に平板状
の固体電解質を用いた積層型の電気化学的セルの
2個にて構成される装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an electrochemical device that heats a solid electrolyte with a heater, and in particular, is composed of two stacked electrochemical cells using a flat solid electrolyte. It is related to the equipment used.
従来より、固体電解質を用いた電気化学的装
置、例えば自動車用内燃機関の排気ガス中の酸素
濃度を検出する酸素センサとして、ジルコニア磁
器等の酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた、
酸素濃淡電池の原理を利用して酸素濃度を求める
センサ等が知られている。また、かかる酸素セン
サと同様な濃淡電池の原理を利用した水素、窒
素、炭酸ガス等の検出器や、ポンプ等の電気化学
的装置も知られている。そして、そのような電気
化学的装置において用いられる固体電解質として
は、これまで有底円筒形状を為すものが一般的で
あつたが、その生産性やコストの点から、また固
体電解質内への複雑な構造の組込み容易性等の点
から、近年、かかる固体電解質を平板と為し、そ
して所定の電極を該固体電解質の面に接して設け
て、電気化学的セルを構成した積層構造のものが
検討されている。 Conventionally, electrochemical devices using solid electrolytes, such as oxygen sensors for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas of automobile internal combustion engines, have used oxygen ion conductive solid electrolytes such as zirconia porcelain.
2. Description of the Related Art Sensors and the like that determine oxygen concentration using the principle of an oxygen concentration battery are known. Further, detectors for hydrogen, nitrogen, carbon dioxide, etc., which utilize the same concentration cell principle as the oxygen sensor, and electrochemical devices such as pumps are also known. Until now, solid electrolytes used in such electrochemical devices have generally had a cylindrical shape with a bottom. In recent years, from the viewpoint of ease of assembling a structure, a stacked structure in which the solid electrolyte is made into a flat plate and predetermined electrodes are provided in contact with the surface of the solid electrolyte to constitute an electrochemical cell has been developed. It is being considered.
而して、そのような電気化学的装置を、測定さ
れるべき被測定ガスの温度が比較的低い場合にお
いても有効に作動させるためには、固体電解質を
適当なヒーターによつて高温度に加熱せしめる必
要があるが、本発明者らが検討した結果による
と、固体電解質及び該固体電解質に接して設けら
れた少なくとも一対の電極よりなる電気化学的セ
ルの2個を、所定のキヤビテイを介して一体的に
組み合わせた構造の前記電気化学的装置にあつて
は、そのようなヒーターによる加熱によつて、固
体電解質に、熱膨脹差に基づく亀裂乃至はワレが
生じ易く、またヒーターや電極が切れ易く、寿命
が短い等、信頼性に乏しい問題が内在しているこ
とが明らかとなつたのである。 Therefore, in order for such an electrochemical device to operate effectively even when the temperature of the gas to be measured is relatively low, the solid electrolyte must be heated to a high temperature with an appropriate heater. However, according to the results of studies conducted by the present inventors, two electrochemical cells each consisting of a solid electrolyte and at least one pair of electrodes provided in contact with the solid electrolyte are connected through a predetermined cavity. In the case of the electrochemical device having an integrated structure, heating by such a heater tends to cause cracks or cracks in the solid electrolyte due to differences in thermal expansion, and the heater and electrodes tend to break. It became clear that there were inherent problems with poor reliability, such as short lifespan.
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景に
して為されたものであつて、その目的とするとこ
ろは、熱膨脹差に基づく固体電解質の亀裂乃至は
ワレの発生を効果的に防止した、信頼性の高い一
体構造の電気化学的装置を提供することにあり、
また他の目的とするところは、装置を構成する二
つの電気化学的セルを、その作動温度まで効率良
く加熱せしめ、それらの間の温度差の解消を図
り、その作動特性を安定せしめた電気化学的装置
を提供することにある。 The present invention has been made against this background, and aims to improve reliability by effectively preventing the occurrence of cracks or cracks in the solid electrolyte due to differences in thermal expansion. Our goal is to provide an electrochemical device with a high level of integrated structure.
Another objective is to efficiently heat the two electrochemical cells that make up the device to their operating temperature, eliminate the temperature difference between them, and stabilize their operating characteristics. The objective is to provide a target device.
そして、このような目的を達成するために、本
発明に従う電気化学的装置は、固体電解質及び該
固体電解質に接して設けられた少なくとも一対の
電極よりなる電気化学的セルの2個と、該2個の
電気化学的セルに挟まれたキヤビテイと、ヒータ
ー層とにより構成されると共に、該2個の電気化
学的セルのうちの1個が電気化学的ポンプセル、
他の1個が電気化学的検出セルであり、且つ該電
気化学的ポンプセルの電極の1個及び該電気化学
的検出セルの電極の1個がそれぞれ該キヤビテイ
に露呈せしめられる一方、該ヒーター層が該キヤ
ビテイの少なくとも三方向を取り囲んでいるか、
又は該ヒーター層が該キヤビテイ内に少なくとも
その一部を露呈するように配置されている。 In order to achieve such an object, an electrochemical device according to the present invention includes two electrochemical cells each including a solid electrolyte and at least one pair of electrodes provided in contact with the solid electrolyte; a cavity sandwiched between two electrochemical cells, and a heater layer, one of the two electrochemical cells being an electrochemical pump cell;
The other one is an electrochemical detection cell, and one of the electrodes of the electrochemical pump cell and one of the electrodes of the electrochemical detection cell are each exposed to the cavity, while the heater layer is exposed to the cavity. surrounds the cavity on at least three sides,
Alternatively, the heater layer is disposed within the cavity so that at least a portion thereof is exposed.
また、かかる本発明において、電気化学的ポン
プセルと電気化学的検出セルとの間に介在せしめ
られるヒーター層は、ヒーターと絶縁層にて構成
されると共に、かかる絶縁層を介して、それら電
気化学的ポンプセル、電気化学的検出セルに対し
て電気的に絶縁されているように構成され、そし
てこの絶縁層をセラミツクスの多孔層で形成し
て、前記ヒーターがこのセラミツクス多孔層で包
囲された状態とすることにより、該絶縁層とそれ
ぞれのセルの固体電解質層との間における熱膨脹
差を効果的に吸収し、以てそれらの間の剥離、ひ
いてはセル間の剥離をより一層効果的に防止し得
るのである。 Further, in the present invention, the heater layer interposed between the electrochemical pump cell and the electrochemical detection cell is composed of a heater and an insulating layer, and the electrochemical The pump cell is configured to be electrically insulated with respect to the electrochemical detection cell, and the insulating layer is formed of a porous ceramic layer such that the heater is surrounded by the porous ceramic layer. By doing so, it is possible to effectively absorb the difference in thermal expansion between the insulating layer and the solid electrolyte layer of each cell, thereby making it possible to more effectively prevent separation between them and, by extension, separation between cells. be.
以下、本発明を更に具体的に明らかにするため
に、図面に示す実施例に基づいて、本発明の構成
を詳細に説明することとする。 Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, the configuration of the present invention will be explained in detail based on embodiments shown in the drawings.
まず、第1図は、本発明に従う電気化学的装置
の一具体例である酸素濃度検出器の一例における
素子部分の展開図である。すなわち、この酸素濃
度検出器、換言すれば酸素センサは、酸素ポンプ
セル2と酸素濃度検出セル4とが、ヒーター層6
とキヤビテイ8を形成するためのジルコニア磁器
等の固体電解質材料からなるスペーサー部材10
とを介して積層されて、一体化せしめられた構造
の、所謂リーンバーンセンサの一つである。 First, FIG. 1 is a developed view of an element portion in an example of an oxygen concentration detector which is a specific example of an electrochemical device according to the present invention. That is, in this oxygen concentration detector, in other words, in this oxygen sensor, the oxygen pump cell 2 and the oxygen concentration detection cell 4 are connected to the heater layer 6.
and a spacer member 10 made of a solid electrolyte material such as zirconia porcelain for forming the cavity 8.
This is one of the so-called lean burn sensors that have a structure in which they are laminated and integrated through the two.
酸素ポンプセル2は、ジルコニア磁器等よりな
る平板状の固体電解質12を有し、その一方の側
の面、すなわち排気ガス等の被測定ガスにさらさ
れる面に、例えば、白金よりなる多孔質層の外側
ポンプ電極14が設けられ、そして該外側ポンプ
電極14には、そのリード部16を通じて、外部
からの通電が行なわれ得るようになつている。一
方、かかる固体電解質12の他方の面(内側面)
には、前記外側ポンプ電極14に対応する位置
に、該外側ポンプ電極14と同様な材質からな
る、すなわち多孔質の白金よりなる内側ポンプ電
極18が設けられており、そして該内側ポンプ電
極18から延びるリード部20を介して、外部の
電源に接続されるようになつている。 The oxygen pump cell 2 has a flat solid electrolyte 12 made of zirconia porcelain or the like, and has a porous layer made of, for example, platinum on one side of the solid electrolyte 12, that is, the side exposed to the gas to be measured such as exhaust gas. An outer pump electrode 14 is provided, and the outer pump electrode 14 can be electrically energized from the outside through a lead 16 thereof. On the other hand, the other surface (inner surface) of the solid electrolyte 12
is provided with an inner pump electrode 18 made of the same material as the outer pump electrode 14, that is, made of porous platinum, at a position corresponding to the outer pump electrode 14. It is designed to be connected to an external power source via an extending lead portion 20.
従つて、この酸素ポンプセル2は、固体電解質
12とそのそれぞれの面に接して設けられた一対
の電極14,18にて電気化学的セルを構成し、
それら電極間に印加される電圧によつて、よく知
られているように、外側の被測定ガス中の酸素
を、内側のスペーサー部材10に設けられたキヤ
ビテイ8内に導入せしめたり、またかかるキヤビ
テイ8内の酸素を、外側の被測定ガス中に固体電
解質12を通じて放出せしめるのである。 Therefore, this oxygen pump cell 2 constitutes an electrochemical cell with a solid electrolyte 12 and a pair of electrodes 14 and 18 provided in contact with each surface of the solid electrolyte 12,
As is well known, the voltage applied between these electrodes allows oxygen in the outer gas to be measured to be introduced into the cavity 8 provided in the inner spacer member 10, or Oxygen in 8 is released into the gas to be measured outside through solid electrolyte 12.
また、酸素濃度検出セル4は、上記酸素ポンプ
セル2と同様な構造のものであつて、ジルコニア
磁器等よりなる平板状の固体電解質22を挟ん
で、その両側の対応する位置に、外側測定電極2
4及び内側測定電極26が接合せしめられること
により、酸素濃淡電池としての電気化学的セルを
構成している。なお、それら測定電極24,26
は、それぞれリード部28,30によつて外部に
導かれ、所定の測定装置に接続されて、それら電
極間の電位が測定されるようになつている。すな
わち、この酸素濃度検出セル4においては、被測
定ガスに接触せしめられる外側測定電極24とキ
ヤビテイ8内の雰囲気ガスに接触せしめられる内
側測定電極26との間において、それらのガス中
の酸素濃度の差に基づく所定の超電力が測定され
ることとなるのである。 The oxygen concentration detection cell 4 has a structure similar to that of the oxygen pump cell 2, and has outer measurement electrodes 2 at corresponding positions on both sides of a flat solid electrolyte 22 made of zirconia porcelain or the like.
4 and the inner measuring electrode 26 are joined to constitute an electrochemical cell as an oxygen concentration battery. In addition, those measurement electrodes 24, 26
are guided to the outside by lead portions 28 and 30, respectively, and connected to a predetermined measuring device to measure the potential between these electrodes. That is, in this oxygen concentration detection cell 4, the oxygen concentration in these gases is measured between the outer measurement electrode 24 that is brought into contact with the gas to be measured and the inner measurement electrode 26 that is brought into contact with the atmospheric gas in the cavity 8. A predetermined superpower based on the difference will be measured.
さらに、ヒーター層6は、全体としてU字の形
状を為し、そのU字の基部に位置するヒーター3
2とそのリード部34が、上下のU字形状の絶縁
層36及び38に挟まれて一体的に構成されてい
る。 Furthermore, the heater layer 6 has a U-shape as a whole, and the heater 3 is located at the base of the U-shape.
2 and its lead portion 34 are integrally sandwiched between upper and lower U-shaped insulating layers 36 and 38.
そして、このようなヒーター層6とキヤビテイ
8を形成するためのスペーサー部材10とを間に
して、前記酸素ポンプセル2と酸素濃度検出セル
4とが重ね合わされ、一体化せしめられることに
よつて、目的とする電気化学的装置が構成される
こととなるのである。そして、その際、キヤビテ
イ8は、スペーサー部材10の切欠き孔が上下の
固体電解質12,22によつて囲まれ、閉塞せし
められることによつて形成され、更にかかるキヤ
ビテイ8の三方がヒーター層6内のヒーター32
によつて囲まれるようになつており、またヒータ
ー32及びそのリード部34は、絶縁層36及び
38によつて、その上下の固体電解質12及び2
2に対して電気的に絶縁せしめられる。 The oxygen pump cell 2 and the oxygen concentration detection cell 4 are stacked and integrated with the heater layer 6 and the spacer member 10 for forming the cavity 8 in between, thereby achieving the purpose. Thus, an electrochemical device will be constructed. At that time, the cavity 8 is formed by the notch hole of the spacer member 10 being surrounded and closed by the upper and lower solid electrolytes 12 and 22, and furthermore, the cavity 8 is formed on three sides by the heater layer 6. Heater 32 inside
The heater 32 and its lead portion 34 are surrounded by the solid electrolytes 12 and 2 above and below by insulating layers 36 and 38.
2 and is electrically insulated.
また、キヤビテイ8には、酸素ポンプセル2の
内側ポンプ電極18が、ヒーター層6の間〓を通
じて露出せしめられており、更にまた酸素濃度検
出セル4の内側測定電極26が、該キヤビテイ8
内に前記内側ポンプ電極18に対向するように露
出せしめられているのである。 Further, the inner pump electrode 18 of the oxygen pump cell 2 is exposed through the space between the heater layers 6 in the cavity 8, and the inner measuring electrode 26 of the oxygen concentration detection cell 4 is also exposed in the cavity 8.
The inner pump electrode 18 is exposed inside the inner pump electrode 18 so as to face the inner pump electrode 18.
従つて、このような構造の電気化学的装置にあつ
ては、酸素ポンプセル2と酸素濃度検出セル4と
の間にヒーター層6が介在せしめられ、しかもそ
のようなヒーター層6によつて、それらセル間に
形成されたキヤビテイ8の三方が取り囲まれてい
るところから、ヒーター32が、そのリード部3
4を介して外部電源(例えば直流)に接続され、
所定の電流が流されると、そのジユール熱により
ヒーター32は発熱し、これに密接している絶縁
層36,38、更には固体電解質12、スペーサ
ー部材10、固体電解質22を効果的に加熱せし
め、両方のセル2,4がその作動温度にまで効率
良く加熱されることとなるのである。Therefore, in an electrochemical device having such a structure, a heater layer 6 is interposed between the oxygen pump cell 2 and the oxygen concentration detection cell 4, and the heater layer 6 allows The heater 32 is connected to the lead portion 3 of the cavity 8 formed between the cells, which is surrounded on three sides.
4 to an external power source (e.g. DC),
When a predetermined current is applied, the heater 32 generates heat due to the Joule heat, effectively heating the insulating layers 36 and 38 that are in close contact with the heater 32, as well as the solid electrolyte 12, the spacer member 10, and the solid electrolyte 22. Both cells 2, 4 are efficiently heated to their operating temperature.
それ故、このような中心部分に配したヒーター
層6によるその両側の酸素ポンプセル2、酸素濃
度検出セル4の効果的な加熱によつて、セル積層
方向における急激な温度勾配を解消し、温度のバ
ランスをとり得たことにより、積層されて一体化
せしめられた各セルの固体電解質12,22間に
おける大きな熱応力の発生が効果的に解消せしめ
られ、以てそのような固体電解質12,22に発
生する亀裂乃至はワレが、効果的に防止され得る
こととなつたのである。 Therefore, by effectively heating the oxygen pump cell 2 and oxygen concentration detection cell 4 on both sides by the heater layer 6 disposed in the center, the sharp temperature gradient in the cell stacking direction can be eliminated and the temperature can be reduced. By achieving this balance, the generation of large thermal stress between the solid electrolytes 12 and 22 of each stacked and integrated cell can be effectively eliminated, and the solid electrolytes 12 and 22 can be Cracks or cracks that occur can now be effectively prevented.
また、ヒーター層6を二つのセル間に介在せし
めることにより、酸素ポンプセル2若しくは酸素
濃度検出セル4の外側にヒーターを配置せしめる
場合に比して、無駄な熱放散が抑制され得て、両
方のセル2,4が作動温度にまで効率良く加熱さ
れ得るところから、ヒーター層6による加熱効率
が良く、従つて使用電力を低く押さえ得るため
に、ヒーターや電極の断線が効果的に抑制され、
その寿命の改善も図り得ることとなつたのであ
る。 Furthermore, by interposing the heater layer 6 between the two cells, wasteful heat dissipation can be suppressed compared to the case where the heater is disposed outside the oxygen pump cell 2 or the oxygen concentration detection cell 4. Since the cells 2 and 4 can be efficiently heated up to the operating temperature, the heating efficiency by the heater layer 6 is good, and therefore the power consumption can be kept low, so disconnection of the heater and electrodes can be effectively suppressed.
It has also become possible to improve its lifespan.
さらに加えて、酸素ポンプセル2及び酸素濃度
検出セル4の積層方向における温度差をなくした
ことにより、各セルの作動特性、ひいてはセンサ
特性を安定させることが出来、以てその信頼性を
高めることが可能となつたのである。 In addition, by eliminating the temperature difference in the stacking direction of the oxygen pump cell 2 and the oxygen concentration detection cell 4, it is possible to stabilize the operating characteristics of each cell and, by extension, the sensor characteristics, thereby increasing its reliability. It became possible.
そして、このような電気化学的装置としての酸
素センサは、リーンバーンセンサの一つとして、
酸素分圧が理論空燃比の酸素分圧より高いリーン
雰囲気の排気ガスを発生するエンジンを抑制する
ために、好適に用いられるものである。 The oxygen sensor as an electrochemical device is used as a lean burn sensor.
This is suitably used to suppress an engine that generates exhaust gas in a lean atmosphere where the oxygen partial pressure is higher than the oxygen partial pressure of the stoichiometric air-fuel ratio.
なお、ヒーター32及びそのリード部34を電
気的に絶縁するために用いられる絶縁層36,3
8としては、アルミナ又はスピネルから主として
なるセラミツクス層であることが望ましいが、そ
の他、硼珪酸ガラス、ムライト等を主成分とする
セラミツクスを用いても何等支えない。そして、
そのような絶縁層36,38は、その電気絶縁特
性を阻害しない限りにおいて、その厚さを可及的
に薄くすることが望ましく、一般に100μ以下、
特に50μ以下が好適である。特に、酸素ポンプセ
ル2の固体電解質12やスペーサー部材10との
間の熱膨脹差に基づく応力を効果的に緩和するた
めには、それら絶縁層36,38を多孔質とする
ことが望ましく、それによつてそれらの間の剥離
が、より一層効果的に防止され得るのである。 Note that insulating layers 36 and 3 used to electrically insulate the heater 32 and its lead portion 34
8 is preferably a ceramic layer mainly composed of alumina or spinel, but other ceramics mainly composed of borosilicate glass, mullite, etc. may also be used without any support. and,
It is desirable that the thickness of such insulating layers 36 and 38 be as thin as possible as long as the electrical insulation properties thereof are not impaired, and the thickness is generally 100μ or less,
In particular, 50μ or less is suitable. In particular, in order to effectively relieve the stress caused by the difference in thermal expansion between the solid electrolyte 12 of the oxygen pump cell 2 and the spacer member 10, it is desirable that the insulating layers 36 and 38 be porous. Peeling between them can be prevented even more effectively.
また、かかる酸素ポンプセル2並びに酸素濃度
検出セル4、ヒーター層6の形成やそれらの積層
に際しては、各セルを構成する固体電解質12,
22の生素地上に、スクリーン印刷手法等によつ
て、電極及びそのリード部、絶縁層、ヒーター及
びそのリード部等を順次印刷せしめ、そしてスペ
ーサー部材10と共に、目的とする電気化学的装
置を構成するように重ね合わせて、全体を焼結、
一体化せしめる等の公知の手法が適宜に採用され
るのである。 In addition, when forming and laminating the oxygen pump cell 2, oxygen concentration detection cell 4, and heater layer 6, the solid electrolyte 12, which constitutes each cell,
Electrodes and their lead parts, insulating layers, heaters and their lead parts, etc. are sequentially printed on the raw material No. 22 by a screen printing method or the like, and together with the spacer member 10, the intended electrochemical device is constructed. Lay them on top of each other and sinter the whole thing,
Known methods such as integration are appropriately employed.
さらに、本発明におけるヒーターの材質として
は、耐火性の金属、例えばニツケル、銀、金、白
金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、ルテニ
ウム、タングステン、モリブデン等の金属、或い
はこれらの合金が耐久性に優れ好ましいが、この
他、ZnO,LaCrO3,LaB6,SiC等の化合物を用
いることも出来る。また、ヒーターが使用中に焼
結により剥離、断線等を生ずるのを防止するため
に、ヒーター中にジルコニア、イツトリア、アリ
ミナ等の微粉末を混入することも好適に採用され
るものである。 Furthermore, as the material of the heater in the present invention, fire-resistant metals such as nickel, silver, gold, platinum, rhodium, palladium, iridium, ruthenium, tungsten, molybdenum, etc., or alloys thereof are preferred due to their excellent durability. However, other than these, compounds such as ZnO, LaCrO 3 , LaB 6 , SiC, etc. can also be used. Further, in order to prevent the heater from peeling or breaking due to sintering during use, it is preferably employed to mix fine powder of zirconia, ittria, alimina, etc. into the heater.
さらにまた、本発明において、電気化学液ポン
プセル及び電気化学的検出セルを構成する中心的
な部材である固体電解質としては、前述のジルコ
ニア磁器の他、β−アリミナ、窒化アルミニウ
ム、NASICON(ナシコン)、SrCeO8、Bi2O3−希
土類酸化物系固溶体、La1-〓Ca〓YO3-〓等がある。 Furthermore, in the present invention, as the solid electrolyte which is a central member constituting the electrochemical liquid pump cell and the electrochemical detection cell, in addition to the above-mentioned zirconia porcelain, β-alimina, aluminum nitride, NASICON, Examples include SrCeO 8 , Bi 2 O 3 - rare earth oxide solid solution, La 1- 〓Ca〓YO 3- 〓, etc.
なお、本発明に従う電気化学的装置は、以上の
構造に限定されるものではなく、その他の構造乃
至は方式のものにも有効に適用され得るものであ
つて、積層された素子の構造としても、例えば第
2図乃至第3図のような構造であつても良いので
ある。 The electrochemical device according to the present invention is not limited to the above structure, but can be effectively applied to other structures or systems, and may also be used as a stacked element structure. For example, the structure shown in FIGS. 2 and 3 may be used.
すなわち、第2図は、第1図に示された酸素セ
ンサにおいて、スペーサー部材10にて形成され
るキヤビテイ8に、所定の多孔性セラミツクス4
0が充填された構造のセンサを示している。この
ような多孔性セラミツクス40のキヤビテイ8内
への充填により、空間部分がなくなり、機械的強
度が強くなると共に、キヤビテイの容積の一定
化、熱伝導性の改善等が図られ得る。この充填せ
しめられる多孔性セラミツクス40は、ガスが入
り込み得る物質であれば良く、例えば多孔質のジ
ルコニア等が好適に用いられることとなる。 That is, FIG. 2 shows that in the oxygen sensor shown in FIG.
A sensor having a structure filled with zeros is shown. By filling the cavity 8 with such porous ceramics 40, there is no space, the mechanical strength is increased, the volume of the cavity is made constant, the thermal conductivity is improved, etc. The porous ceramic 40 to be filled may be any material as long as it can allow gas to enter, and for example, porous zirconia or the like is preferably used.
また、第3図に示される酸素センサは、所謂リ
ーンバーンセンサの一つとして用いられる素子の
例であり、この構造においては、酸素ポンプセル
2を貫通し、またヒーター層6を貫通して、スペ
ーサー部材10にて形成されるキヤビテイ8に達
する二つのガス通気孔42,44が設けられてい
るのである。すなわち、酸素ポンプセル2は、固
体電解質12の外側に形成されたポンプ電極14
を覆うようにして設けられた多孔質の電極保護層
46を有し、この電極保護層46、及び外側ポン
プ電極14、固体電解質12、及び内側ポンプ電
極18を貫通するように、所定大きさのガス通気
孔42,44が形成されているのである。 The oxygen sensor shown in FIG. 3 is an example of an element used as a so-called lean burn sensor, and in this structure, a spacer is inserted through the oxygen pump cell 2 and through the heater layer 6. Two gas vents 42 and 44 are provided that reach the cavity 8 formed by the member 10. That is, the oxygen pump cell 2 includes a pump electrode 14 formed outside the solid electrolyte 12.
A porous electrode protective layer 46 is provided to cover the electrode, and a porous electrode having a predetermined size is formed so as to penetrate through the electrode protective layer 46, the outer pump electrode 14, the solid electrolyte 12, and the inner pump electrode 18. Gas vent holes 42 and 44 are formed therein.
また、ヒーター層6は、前二例とは異なり、幅
の狭い細長な板状の絶縁層36,38によつて、
ヒーター32及びそのリード部34を挟んで一体
的に構成されており、そのヒーター32の配置部
分に、ガス通気孔42,44が貫通して設けられ
ているのである。 Further, unlike the previous two examples, the heater layer 6 is formed by narrow and elongated plate-shaped insulating layers 36 and 38.
It is constructed integrally with the heater 32 and its lead portion 34 sandwiched therebetween, and gas vent holes 42 and 44 are provided to penetrate through the portion where the heater 32 is disposed.
そして、このような酸素ポンプセル2及びヒー
ター層6が、スペーサー部材10上に積層される
ことにより、かかるガス通気孔42,44は、キ
ヤビテイ8を外部雰囲気に連通せしめることとな
るのであり、またヒーター層6は、内側のポンプ
電極18上に位置する部分において、その一方の
側がキヤビテイ8内に露呈せしめられることとな
るのである。なお、このような通気孔42,44
による連通方式に代えて、適当なガス透過層を通
じて該キヤビテイ8を外部雰囲気に連通せしめる
ようにすることも可能である。 By stacking the oxygen pump cell 2 and the heater layer 6 on the spacer member 10, the gas vents 42 and 44 communicate the cavity 8 with the outside atmosphere. The layer 6 is exposed on one side into the cavity 8 in the portion located above the inner pump electrode 18 . Note that such ventilation holes 42, 44
Instead of this communication method, it is also possible to communicate the cavity 8 with the outside atmosphere through a suitable gas permeable layer.
さらに、酸素濃度検出セル4は、その固体電解
質22の上に内側の測定電極26が設けられる一
方、外側の電極は、基準電極48として、一枚の
平板状の固体電解質50上に設けられ、そしてそ
れらがU字形の固体電解質52を介して積層せし
められることによつて、電気化学的セルを構成し
ているのである。なお、このU字形の固体電解質
52の空間が、上下の固体電解質22及び50に
よつて挟まれることにより、空所54が形成さ
れ、この空所54には、標準ガス、例えば大気が
入り込むようになつていて、電極48は、この空
所54に導入される標準ガスに接触せしめられる
ようになつているのである。 Further, in the oxygen concentration detection cell 4, an inner measuring electrode 26 is provided on the solid electrolyte 22, while an outer electrode is provided as a reference electrode 48 on a single plate-shaped solid electrolyte 50, By stacking these with a U-shaped solid electrolyte 52 in between, an electrochemical cell is constructed. Note that a space 54 is formed by sandwiching the U-shaped solid electrolyte 52 between the upper and lower solid electrolytes 22 and 50, and a standard gas, such as the atmosphere, enters the space 54. The electrode 48 is adapted to be brought into contact with the standard gas introduced into this cavity 54.
この構造にあつては、前例のセンサとは異な
り、被測定ガスは、ガス通気孔42,44を通つ
てキヤビテイ8に達するが、酸素ポンプセル2の
作動によつてキヤビテイ8内の酸素分圧を実際の
被測定ガスの酸素分圧より低く出来るところか
ら、前記二例のセンサと同様に、酸素分圧が理論
空燃比の酸素分圧より高いリーン雰囲気の排気ガ
スを発生するエンジンンを制御するために、好適
に用いられるのである。 In this structure, unlike the previous sensor, the gas to be measured reaches the cavity 8 through the gas vents 42 and 44, but the oxygen partial pressure in the cavity 8 is reduced by the operation of the oxygen pump cell 2. Since the oxygen partial pressure can be lower than the actual oxygen partial pressure of the gas to be measured, similarly to the two sensors described above, the engine is controlled to generate exhaust gas in a lean atmosphere where the oxygen partial pressure is higher than the oxygen partial pressure of the stoichiometric air-fuel ratio. Therefore, it is suitably used.
このようなタイプの酸素にあつても、本発明に
従うヒーター層6は、酸素ポンプセル2と酸素濃
度検出セル4との間に介在せしめられており、こ
れによつて前例と同様な作用効果が奏され得てい
るのである。 Even with this type of oxygen, the heater layer 6 according to the present invention is interposed between the oxygen pump cell 2 and the oxygen concentration detection cell 4, so that the same effects as in the previous example can be achieved. It can be done.
以上、本発明の幾つかの実施例について説明し
てきたが、本発明の電気化学的装置は、そのよう
な例示の具体的構造のみに限定されるものでは決
してなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおい
て、当業者の知識に基づいて、種々なる変形、修
正、改良等を加えた形態において実施され得るも
のであつて、本発明はそのような実施形態のもの
をも含むものであること、言うまでもないところ
である。 Although several embodiments of the present invention have been described above, the electrochemical device of the present invention is by no means limited to such illustrative specific structures, and does not depart from the spirit of the present invention. It goes without saying that the present invention may be implemented in various forms with various modifications, modifications, improvements, etc. based on the knowledge of those skilled in the art, and the present invention also includes such embodiments. By the way.
また、本発明においてヒーター層6のヒーター
32に通電される加熱電流は、交流でも直流でも
良いが、ヒーターと固体電解質との間に絶縁層を
配置することが好ましい直流の場合に、特に有効
に利用出来るものである。一方、交流を用いる場
合においては、絶縁層36,38が存在しない構
造と為すことも可能である。 Further, in the present invention, the heating current applied to the heater 32 of the heater layer 6 may be either alternating current or direct current, but it is particularly effective in the case of direct current, where it is preferable to arrange an insulating layer between the heater and the solid electrolyte. It is something that can be used. On the other hand, when using alternating current, it is also possible to have a structure in which the insulating layers 36 and 38 do not exist.
以上の説明から明らかなように、本発明の電気
化学的装置は、電気化学的ポンプセルと電気化学
的検出セルとを所定のヒーター層を介して積層一
体化して構成されたものであつて、これにより、
加熱の効率化、均一化を図り、熱応力による固体
電解質の亀裂乃至はワレの発生を効果的に防止せ
しめ、また使用電力を少なくし、ヒーター、電極
の断線を防止せしめ、更にはセル積層方向の温度
差をなくして、センサ特性を安定化させる等の優
れた効果を奏せしめ得るものであつて、そこに本
発明の大きな工業的意義を存するものである。 As is clear from the above description, the electrochemical device of the present invention is constructed by laminating an electrochemical pump cell and an electrochemical detection cell in an integrated manner via a predetermined heater layer. According to
It aims to improve the efficiency and uniformity of heating, effectively prevent the occurrence of cracks or cracks in the solid electrolyte due to thermal stress, reduce power consumption, prevent disconnection of heaters and electrodes, and further improve the direction of cell stacking. It is possible to achieve excellent effects such as eliminating the temperature difference between the two and stabilizing the sensor characteristics, and this is where the present invention has great industrial significance.
第1図は本発明に係る電気化学的装置の一つで
ある酸素濃度検出器の一例を示すセンサ素子部分
の展開構造を示す斜視説明図であり、第2図及び
第3図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す第1
図に相当する図である。
2……酸素ポンプセル、4……酸素濃度検出セ
ル、6……ヒーター層、8……キヤビテイ、10
……スペーサー部材、12……固体電解質、14
……外側ポンプ電極、18……内側ポンプ電極、
22……固体電解質、24……外側測定電極、2
6……内側測定電極、32……ヒーター、36,
38……絶縁層、40……多孔性セラミツクス、
42,44……ガス通気孔、46……電極保護
層、48……基準電極、50,52……固体電解
質、54……空所。
FIG. 1 is a perspective explanatory view showing the developed structure of a sensor element part showing an example of an oxygen concentration detector which is one of the electrochemical devices according to the present invention, and FIGS. 2 and 3 are respectively The first example shows another example of
FIG. 2... Oxygen pump cell, 4... Oxygen concentration detection cell, 6... Heater layer, 8... Cavity, 10
... Spacer member, 12 ... Solid electrolyte, 14
...Outer pump electrode, 18...Inner pump electrode,
22...Solid electrolyte, 24...Outer measurement electrode, 2
6...Inner measurement electrode, 32...Heater, 36,
38... Insulating layer, 40... Porous ceramics,
42, 44... Gas vent, 46... Electrode protective layer, 48... Reference electrode, 50, 52... Solid electrolyte, 54... Vacant space.
Claims (1)
れた少なくとも一対の電極よりなる電気化学的セ
ルの2個と、該2個の電気化学的セルに挟まれた
キヤビテイと、ヒーター層とにより構成されると
共に、該2個の電気化学的セルのうちの1個が電
気化学的ポンプセル、他の1個が電気化学的検出
セルであり、且つ該電気化学的ポンプセルの電極
の1個及び該電気化学的検出セルの電極の1個が
それぞれ該キヤビテイに露呈せしめられる一方、
該ヒーター層が、ヒーターと該ヒーターを包囲す
るセラミツクス多孔層からなる絶縁層とから構成
されてなり、そして該絶縁層を介して、該ヒータ
ーが前記電気化学的セルに対して電気的に絶縁さ
れていると共に、該ヒーター層が該キヤビテイの
少なくとも三方向を取り囲んでいるか、又は該ヒ
ーター層が該キヤビテイ内に少なくともその一部
を露呈するように配置されていることを特徴とす
る電気化学的装置。 2 前記キヤビテイが、ガス通気孔又はガス透過
層を介して、外部雰囲気に連通されていることを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の電気化学
的装置。 3 前記キヤビテイが、多孔性セラミツクスで充
填されていることを特徴とする特許請求の範囲第
1項又は第2項記載の電気化学的装置。 4 前記固体電解質が、ジルコニア磁器であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第3項
の何れかに記載の電気化学的装置。[Claims] 1. Two electrochemical cells each comprising a solid electrolyte and at least one pair of electrodes provided in contact with the solid electrolyte, a cavity sandwiched between the two electrochemical cells, and a heater. one of the two electrochemical cells is an electrochemical pump cell, the other one is an electrochemical detection cell, and one of the electrodes of the electrochemical pump cell and one of the electrodes of the electrochemical detection cell are each exposed to the cavity;
The heater layer is composed of a heater and an insulating layer made of a ceramic porous layer surrounding the heater, and the heater is electrically insulated from the electrochemical cell via the insulating layer. and the heater layer surrounds the cavity on at least three sides, or the heater layer is arranged in the cavity so that at least a portion thereof is exposed. . 2. The electrochemical device according to claim 1, wherein the cavity is communicated with an external atmosphere via a gas vent or a gas permeable layer. 3. The electrochemical device according to claim 1 or 2, wherein the cavity is filled with porous ceramics. 4. The electrochemical device according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid electrolyte is zirconia porcelain.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58218401A JPS60111151A (en) | 1983-11-18 | 1983-11-18 | Electrochemical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58218401A JPS60111151A (en) | 1983-11-18 | 1983-11-18 | Electrochemical device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60111151A JPS60111151A (en) | 1985-06-17 |
| JPH0417385B2 true JPH0417385B2 (en) | 1992-03-25 |
Family
ID=16719326
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58218401A Granted JPS60111151A (en) | 1983-11-18 | 1983-11-18 | Electrochemical device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60111151A (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6358150A (en) * | 1986-08-28 | 1988-03-12 | Ngk Insulators Ltd | Industrial oxygen concentration measuring apparatus |
| JP3501189B2 (en) * | 1995-06-07 | 2004-03-02 | 株式会社デンソー | Air-fuel ratio sensor element |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58130261U (en) * | 1982-02-26 | 1983-09-02 | 日本特殊陶業株式会社 | oxygen sensor |
| JPS58153155A (en) * | 1982-03-09 | 1983-09-12 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Oxygen sensor |
-
1983
- 1983-11-18 JP JP58218401A patent/JPS60111151A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60111151A (en) | 1985-06-17 |
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