JPH0668483B2

JPH0668483B2 - 電気化学的装置

Info

Publication number: JPH0668483B2
Application number: JP60239828A
Authority: JP
Inventors: 俊三間瀬; 繁雄副島
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1985-10-26
Filing date: 1985-10-26
Publication date: 1994-08-31
Anticipated expiration: 2009-08-31
Also published as: EP0227257B1; DE3683360D1; US4769123A; EP0227257A3; EP0227257A2; JPS62100657A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、電気化学的装置に係り、特に平板状の固体電
解質を用いた電気化学的セルを含む、積層構造の電気化
学的装置における改良に関するものである。

（従来技術とその問題点）従来より、固体電解質を用いた電気化学的セルを含む電
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
のような装置の電気化学的セル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
般的であったが、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の容易性等の点か
ら、近年、かかる固体電解質を平板状と為し、そして所
定の電極を該固体電解質の面上に設けて電気化学的セル
を構成した、積層構造の電気化学的装置が検討されてき
ている。

ところで、かかる積層構造の装置における電気化学的セ
ルにあっては、一般に、板状の固体電解質と少なくとも
一対の電極とを組み合わせて構成されており、そしてそ
のようなセル構造を有する電気化学的セルの二つが積層
されて一体化される一方、外部の被測定ガス存在空間に
連通せしめられた、被測定ガスが予め定められた拡散抵
抗の下に導き入れられる内部空所（キャビティ）が、そ
の積層構造内に形成されると共に、かかる内部空所に各
セルの一つの電極がそれぞれ露呈せしめられるようにな
っている。そして、電気化学的セルの一方をポンピング
セルとして用いて、そのポンピング作用によって、かか
る内部空所内の被測定ガス中の測定成分の濃度を制御せ
しめることにより、他方の電気化学的セルをセンシング
セルとして、該内部空所内の雰囲気と所定の基準ガスと
の間における測定成分の濃度差に基づいて発生する起電
力が測定されるようになっている。

而して、そのような積層された電気化学的ポンピングセ
ルと電気化学的センシングセルの電極の一つをそれぞれ
内部空所に露呈せしめた構造の装置にあっては、かかる
内部空所に露呈せしめられる一つの電極と共に、センシ
ングセルの一対の電極を構成する他の一つの電極は基準
ガスに晒されているが、ポンピングセルの一対の電極を
構成する他の一つの電極は、適当な多孔質保護層を介し
て、直接被測定ガスに接するように配置せしめられてい
た。従って、被測定ガスがリッリ雰囲気の場合、かかる
ポンピングセルの一対の電極を構成する他の一つのポン
ピング電極は、リッチ雰囲気中の腐食性乃至は還元性の
ガス、例えばＣＯ，炭化水素等によって劣化される問題
があった。更に例えば、自動車排気ガスの測定において
エンジンより排出されるガス等は化学的に非平衡の状態
にあり、且つ活性であるため、それらのガスが電極に直
接触れると、そのガス成分による溶解作用やその析出等
により電極が劣化させられる傾向があり、また排気ガス
の流速が極めて速く、このために電極として通常用いら
れる白金の蒸発等による劣化も無視できないものであっ
た。また、リッチ雰囲気以外の他の被測定ガスにあって
も、被測定ガス中の微粒子によって、該被測定ガスに接
するポンピング電極が汚れて、劣化する問題を内在して
いるのである。

一方、上述の如き電気化学的ポンピングセルと電気化学
的センシングセルとが積層されて一体的な構造とされた
電気化学的素子にあっては、電気化学的ポンピングセル
におけるポンピング電流に基づく抵抗分極が、電気化学
的センシングセルにおける二つの電極間の電位差をシフ
トせしめて、かかる電位差の測定に悪影響をもたらし、
その検出精度を低下せしめる問題を内在していた。

（解決手段）ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、ポンピング電極の汚れ、還元性のガ
スによる電極の劣化の改善を図ると共に、ポンピング電
流に基づく抵抗分極のセンシングセルへの影響を軽減せ
しめて、精度の高い測定を可能ならしめる、改良された
構造の電気化学的装置を提供するものであり、そのため
に、次のような特徴を備えているのである。

すなわち、本発明に従う電気化学的装置は、（ａ）第一
の板状の固体電解質とこの固体電解質に接して設けられ
且つ該固体電解質を間にして互いに対向するように配置
された第一及び第二の電極とを含む電気化学的ポンピン
グセルと、（ｂ）第二の板状の固体電解質とこの固体電
解質に接して設けられた第三及び第四の電極とを含む電
気化学的センシングセルと、（ｃ）それらセルの固体電
解質を所定の温度に加熱せしめるためのセラミックヒー
ター層とを含んで、一体の積層構造の電気化学的素子を
構成すると共に、かかる電気化学的素子内に、（イ）前
記電気化学的ポンピングセルの第一の電極と前記電気化
学的センシングセルの第三の電極とがそれぞれ実質的に
露呈せしめられる、外部の被測定ガス存在空間に連通せ
しめられ且つ被測定ガスが該被測定ガス存在空間から所
定の拡散抵抗の下に導かれる内部空所と、（ロ）前記電
気化学的ポンピングセルの第二の電極と前記電気化学的
センシングセルの第四の電極とがそれぞれ実質的に露呈
せしめられる基準ガス存在空間と、（ハ）前記電気化学
的ポンピングセルの第二の電極の接する固体電解質部分
と前記電気化学的センシングセルの第四の電極の接する
固体電解質部分とを電気的に区画し、且つ前記電気化学
的ポンピングセルの第一の電極に近接して該二つの固体
電解質部分を接続する開口部が設けられた高抵抗領域と
を設けたことを、特徴とするものである。

かかる本発明に従えば、電気化学的ポンピングセルの第
二の電極は、電気化学的センシングセルの第四の電極
（基準電極）と共に、電気化学的素子内に形成された基
準ガス存在空間に露呈せしめられ、そして内部空所内に
露呈された第一の電極との間において、所定の電気化学
的ポンピング作用が行なわれるものであるところから、
かかる第二の電極が従来の如く被測定ガスに晒されるこ
とはなく、従って該第二の電極の被測定ガスによる汚れ
や劣化の問題は悉く解消され得ることとなったのであ
る。

加えて、かかる本発明の構造にあっては、電気化学的ポ
ンピングセルの第一の電極と第二の電極が、固体電解質
を間にして、相対向するように配置せしめられていると
ころから、そのポンプインピーダンスを効果的に小さく
することが出来、そしてそれによって、前記内部空所内
の雰囲気の制御のために、それら二つの電極間に印加せ
しめられるポンプ電圧を低くすることが出来るところか
ら、かかる電気化学的ポンピングセルの固体電解質（第
一）の劣化が効果的に抑制されることとなり、また電気
化学的センシングセル側への影響を小さくすることが出
来るのである。

また、本発明によれば、電気化学的ポンピングセルと電
気化学的センシングセルとを含んで構成される一体の電
気化学的素子は、該ポンピングセルの第二の電極の接す
る固体電解質部分と該センシングセルの第四の電極の接
する固体電解質部分とを電気的に区画し、且つ該ポンピ
ングセルの第一の電極に近接して該二つの固体電解質部
分を接続する開口部が設けられた高抵抗領域を有するよ
うに構成され、これによって第一の電極と第二の電極と
の間のポンピング電流に基づく抵抗分極が、電気化学的
センシングセル側における第三の電極と第四の電極との
間の電位差の測定に与える影響を効果的に軽減すること
が出来、以て検出精度を効果的に高めることが出来るの
である。

さらに、被測定ガスの温度が低く、電気化学的素子を構
成する電気化学的セルの固体電解質が充分な高温度に保
持されない場合においては、その性能を充分に発揮し得
なくなるところから、本発明にあっては、電気化学的素
子に対して、所定のセラミックヒーター層が一体的に設
けられており、そしてこのようなヒーター層によって、
該固体電解質が加熱せしめられるようになっているので
ある。

なお、かかる本発明に従う電気化学的装置にあっては、
前記内部空所は、一般に、前記第一の板状の固体電解質
及び／又は前記第二の板状の固体電解質の板面に平行な
方向に拡がる平坦な空所として設けられ、またそれら第
一及び第二の板状の固体電解質の間に形成されることと
なる。そしてまた、かかる内部空所は、所定の拡散抵抗
を与える厚みを有する平坦な空所として形成されて、該
内部空所自体が直接に拡散抵抗手段として機能せしめら
れる構造が、本発明においては好適に採用されるのであ
る。なお、この拡散抵抗手段として機能する平坦な内部
空所は、所定のガス導入孔を通じて外部の被測定ガス存
在空間に連通せしめられる他、その一端部において被測
定ガス存在空間に直接に開口せしめられた構造としても
形成され得、それら何れの場合にあっても、電気化学的
センシングセルの第三の電極は、該内部空所の被測定ガ
ス存在空間側の連通部若しくは開口部分より所定距離だ
け奥部に入り込んだ部位に配置せしめられることとな
る。

さらに、内部空所の被測定ガス存在空間側の開口部付近
に所定の拡散抵抗を与える多孔質層を形成し、この多孔
質層を介して第一、第三の電極が被測定ガスに晒される
構造も、本発明において好適に採用される。

また、本発明の好ましい実施態様に従えば、上記の如き
拡散抵抗手段としての平坦な内部空所内には、それを規
定する二つの相対向する内部空所規定面、換言すれば平
坦な該内部空所の平坦面に垂直な方向の相対向する二つ
の平坦空間規定面を橋絡するセラミック支持部材が配置
されて、かかる内部空所の所定の拡散抵抗を与える厚み
が規定されるように構成されている。

さらに、本発明の一つの実施形態にあっては、電気化学
的ポンピングセルの第一の電極と電気化学的センシング
セルの第三の電極とが、それらセルを含んで構成される
一体の電気化学素子内に形成された内部空所に相対向し
て露呈せしめられるようになっており、更に基準ガス存
在空間は一般に大気に連通せしめられることとなる。

（実施例）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。

先ず、第１図は、本発明に従う電気化学的装置の一具体
例である酸素センサの一例である積層構造の電気化学的
素子（センサ素子）部分の展開図であり、第２図は、そ
の長手方向の断面を示す図である。それらの図におい
て、１０は、ジルコニア磁器の如き固体電解質からなる
平板状のセル基板（第二の固体電解質）であり、このセ
ル基板１０の内側の面、即ち排気ガス等の被測定ガスに
晒される側とは反対側の面に、例えば白金よりなる第三
の電極（以下、測定電極とする）及び第四の電極（以
下、測定電極とする）が所定距離隔ててそれぞれ設けら
れて、このセル基板１０と測定電極１２と基準電極１４
とによって、電気化学的センシングセル１６が構成され
ているのである。また、電気化学的ポンピングセル１８
は、上記セル基板１０と同様な固体電解質からなる平板
状の２枚のセル基板（第一の固体電解質）２０，２２を
積層し、その積層物の両側の面の相対向する位置に密着
するように、白金などからなる多孔質な第一の電極（以
下、内側ポンプ電極とする）２４及び第二の電極（以
下、外側ポンプ電極とする）２６がそれぞれ配設される
ことによって、構成されている。

そして、かかる電気化学的センシングセル１６と電気化
学的ポンピングセル１８とが、適当なセラミック材料
（ここでは、セル基板１０，２０，２２と同様なジルコ
ニア磁器が用いられている）からなるＨ型スペーサ部材
２８を介して積層せしめられて、それらセル間に、被測
定ガスを所定の拡散抵抗の下に導き入れ得る内部空所と
しての平坦空間３０が形成され、この平坦空間３０に電
気化学的センシングセル１６の測定電極１２及び電気化
学的ポンピングセル１８の内側ポンプ電極２４がそれぞ
れ露呈せしめられている。より詳しくは、平坦空間３０
は、所定の拡散抵抗を与える厚みを有するＨ型スペーサ
部材２８の一方の切欠部３２によって、センシングセル
１６のセル基板１０とポンピングセル１８のセル基板２
０との間に該Ｈ型スペーサ部材２８の厚みに略相当する
厚さで形成され、そしてそれらセル基板１０及び２０の
一端部において、外部の被測定ガス存在空間に直接に開
口せしめられているのである。なお、センシングセル１
６の測定電極１２は、そのような平坦空間３０の奥部に
位置するように配設されている。

また、かかる平坦空間３０内には、その開口部近傍に位
置して、粒子状のセラミック支持体３４が点在せしめら
れ、このセラミック支持体３４によって、第２図に示さ
れる如く、セル基板１０及び２０の相対向する面である
上下の平坦空間規定面３６，３８が橋絡せしめられて、
かかる平坦空間３０の開口部附近における厚みが規定さ
れるようになっている。

さらに、電気化学的ポンピングセル１８を構成する２枚
のセル基板２０，２２の間には、第２図に示される如
く、該ポンピングセル１８の外側ポンプ電極２６に接す
る固体電解質２２部分からセンシングセル１６側の固体
電解質（１０，２８）部分を仕切るように、高抵抗領域
としての、アルミナ等からなる絶縁層４０が層状に設け
られている。この絶縁層４０は、ポンピングセル１８の
外側ポンプ電極２６からスペーサ部材２８を通って直線
的にセンシングセル１６の電極１２，１４に電流が流れ
ないように配設され、そしてポンピングセル１８を構成
する内側ポンプ電極２４と外側ポンプ電極２６との間に
所定距離入り込んだ形態において形成された開口部４２
を有している。そして、この開口部４２が、内側ポンプ
電極２４に対して所定の距離を隔てて近接せしめられて
いるのである。

一方、電気化学的ポンピングセル１８の外側ポンプ電極
２６が設けられた側には、それぞれ、セル基板１０，２
０，２２と同様な固体電解質からなるＵ字型のスペーサ
部材４４及び蓋部材４６が積層一体化せしめられ、以て
前記電気化学的センシングセル１６と共に、一体の電気
化学的素子（センサ素子）２を構成しており、且つその
素子２内部に基準ガス存在空間としての空気通路４８を
形成している。即ち、Ｈ型スペーサ部材２８の他方の切
欠部５０、セル基板２０，２２の切欠部５２，５４、ス
ペーサ部材４４の切欠部５６が上下からセル基板１０及
び蓋部材４６によって覆蓋されることにより、該セル基
板１０と蓋部材４６との間に、それら切欠部５０，５
２，５４，５６を合わせた形状の空気通路４８が形成さ
れているのであり、且つその空気通路４８は、素子２端
部において開口して、大気に連通せしめられるようにな
っているのである。そして、この空気通路４８内に露呈
せしめられた状態において、センシングセル１６の基準
電極１４及びポンピングセル１８の外側ポンプ電極２６
がそれぞれ位置せしめられている。

なお、かかる空気通路４８内には、蓋部材４６の内面に
密着するようにセラミックヒーター層６０が設けられて
いる。このセラミックヒーター層６０は、ヒーターエレ
メント６２を高抵抗ジルコニアやアルミナ等の電気絶縁
性セラミック材料からなる絶縁層６４，６６にて挟んで
なるものであり、スペーサ部材４４のＵ字形状の内側空
間に位置するように配置されて、蓋部材４６上に密着・
一体化せしめられている。

また、本実施例にあっては、ヒーターエレメント６２の
耐久性と各セルに対する絶縁性を両立させるために、絶
縁層６６は多孔質なアルミナで形成され、更に絶縁層６
４は中央にスリットを配した構造の気密質な高抵抗ジル
コニアにて形成されている。

従って、このような構造の電気化学的素子２を有する装
置にあっては、電気化学的ポンピングセル１８の内側ポ
ンプ電極２４と外側ポンプ電極２６との間に、それらの
リード部を通じて外部の電源から所定の直流電圧が印加
せしめられることによって、よく知られているように、
その直流の電気量に比例した割合において、平坦空間３
０内の被測定ガス中の酸素を、第一の固体電解質である
セル基板２０，２２を通じて、それらセル基板の積層方
向（面直角方向）に移動せしめて、空気通路４８内に汲
み出したり、或いはその逆に、空気通路４８内の基準ガ
ス（空気）中の酸素を平坦空間３０内に汲み入れたりす
るようにされる。また、一方では、電気化学的センシン
グセル１６の測定電極１２と基準電極１４との間におい
て、平坦空間３０内の雰囲気中の酸素濃度と空気通路４
８内の基準ガス（空気）中の酸素濃度との差に基づいて
惹起される起電力が、それら電極のリード部を通じて、
外部に設けられた所定の機器（図示せず）によって測定
され、これによって、かかる平坦空間３０の開口部から
所定の拡散抵抗の下に導かれる被測定ガス中の酸素濃度
が検出されたり、或いは未燃焼成分濃度が検出されたり
することとなるのである。

そして、このような構造の電気化学的素子２を備えた電
気化学的装置は、理論空燃比の状態での燃焼により発生
せしめられる排気ガス等の中性の雰囲気を被測定ガスと
して、その酸素分圧を検出するために用いられ得ること
は勿論、電気化学的ポンピングセル１８による酸素ポン
プ機能にて、平坦空間３０の奥部に位置する電気化学的
センシングセル１６の測定電極１２の周囲の雰囲気中の
酸素分圧を制御し得るところから、酸素分圧が理論空燃
比の酸素分圧より高いリーン雰囲気の排気ガスを被測定
ガスとする所謂リーンバーンセンサとして、更にはリッ
チ領域、換言すれば燃料が過剰の状態において燃焼せし
めて得られる、酸素分圧が理論空燃比の酸素分圧より低
く、未燃焼成分が多量に存在する領域の排気ガスを被測
定ガスとして、その中の未燃焼成分を検出して、そのよ
うな排気ガスを発生するエンジンの燃焼状態を知るセン
サ、所謂リッチバーンセンサとしても、好適に使用され
得るものである。そして、本発明の効果は、このリッチ
バーンセンサとして使用された場合において、より一層
効果的に発揮されることとなるのである。

なお、このリッチバーンセンサとして使用される場合に
おいて、ポンピング電流（直流電流）は、リーンバーン
センサの場合とは異なり、内側ポンプ電極２４側から外
側ポンプ電極２６側に流され、それによって空気通路４
８内の基準物質、例えばかかる通路４８が連通せしめら
れた大気中の酸素が平坦空間３０側に移動せしめられる
ようにされる。それ故に、内側ポンプ電極２４の近傍に
おいて、平坦空間３０内を所定の拡散抵抗の下に拡散し
てきた被測定ガス中の未燃焼成分が、かかる外側ポンプ
電極２６側から内側ポンプ電極２４側に移動せしめられ
た酸素によって燃焼、反応せしめられ、そしてそのよう
な反応によって変化せしめられた平坦空間３０内の雰囲
気が電気化学的センシングセル１６の二つの電極、すな
わち測定電極１２及び基準電極１４によって求められる
起電力の変化により、目的とする未燃焼成分存在量、ひ
いてはそのような未燃焼成分量を与える燃焼状態（Ａ／
Ｆ値）が検出されることとなる。

特に、このようなリッチバーンセンサとして使用される
場合において、外部の被測定ガスはＣＯ，炭化水素等の
腐食性乃至は還元性のガスとなっているが、電気化学的
ポンピングセル１８の外側ポンプ電極２６はそのような
還元性のガスに晒されることはなく、空気通路４８内に
露呈せしめられるものであるところから、そのようなガ
スによる汚れ乃至は劣化の問題は、全く惹起されること
がないのである。また、電気化学的ポンピングセル１８
の内側ポンプ電極２４や電気化学的センシングセル１６
の測定電極１２が露呈せしめられる平坦空間３０は、外
部の被測定ガス存在空間に連通せしめられてはいるが、
電気化学的ポンピングセル１８のポンピング作動によっ
て、リッチでもリーンでもない略中性の雰囲気に保持さ
れる場合には、それら内側ポンプ電極２４や測定電極１
２が劣化されることもないのである。

また、かかる平坦空間３０内が中性の雰囲気に保持され
ない場合にあっても、内側ポンプ電極２４および測定電
極１２は、平坦空間３０の奥部に配置せしめられて、外
部の被測定ガス存在空間から所定の拡散抵抗の下に導か
れる被測定ガスに対してのみ晒されるようになってお
り、そしてこの平坦空間３０内に導き入れられる被測定
ガスは、壁面等との衝突或いは気体分子相互間の衝突に
より化学平衡の状態になっており、しかも気体の流動も
殆んど無いところから、ガス成分の溶解作用やその析出
或いは電極の蒸発による電極の劣化も効果的に抑制し得
ることとなる。

また、かかる構造の電気化学的素子２にあっては、セル
基板２０，２２を間にして、内側ポンプ電極２４と外側
ポンプ電極２６とが相対向して配置せしめられた構造と
なっているところから、ポンプインピーダンスが効果的
に小さく為され得ることとなり、これによって電気化学
的ポンプセル１８をポンプ作動せしめるに要するポンプ
電圧を低くすることができることとなり、以て該ポンピ
ングセル１８を構成する固体電解質、即ちセル基板２
０，２２の劣化を効果的に抑制し得るのである。このポ
ンプ電圧を低くできる効果は、固体電解質の分解電圧以
下になった場合には、より好ましいものとなる。また、
電気化学的センシングセル１６側へのポンプ電圧の影響
を低減して、その検出精度を効果的に高め得ることとな
ったのである。

加えて、かかる実施例の構造にあっては、平坦空間３０
の開口部近傍に位置する部位において、該平坦空間３０
を規定する上下の平坦空間規定面３６，３８が複数個の
セラミック支持体３４によって橋絡せしめられ、それに
よって実質的に平坦空間３０の厚みが規定されていると
ころから、かかる平坦空間３０の変形が効果的に防止さ
れ得て、その拡散抵抗を所定の値に制御出来ることとな
り、以て素子間における拡散抵抗のバラツキを著しく少
なく為し得るのである。換言すれば、セル基板１０とセ
ル基板２０の相対向する平坦空間規定面３６，３８を橋
絡するセラミック支持体３４の大きさによって平坦空間
３０の厚み、特に該平坦空間３０の開口部付近の厚みが
制御せしめられて、目的とする平坦空間３０の厚み、即
ち目的とする所定の拡散抵抗を有する細隙な平坦空間と
して有利に形成され得るのである。

なお、このセラミック支持体３４は、前述した如く粒子
状とされても良いが、所定の大きさで平坦空間３０内に
配置されたり、また、平坦空間開口部付近に拡散抵抗を
示す多孔質層を配置して、セラミック支持体３４或いは
多孔質層を含めた全体で被測定ガス存在空間と平坦空間
３０とを所定の拡散抵抗下に連通しても良い。

また、上記実施例の電気化学的素子２においては、絶縁
層４０によって、電気化学的センシングセル１６が電気
化学的ポンピングセル１８側とは電気的に区画されてい
るところから、電気化学的ポンピングセル１８における
抵抗分極の影響を効果的に排除せしめることが可能であ
る。

さらに、上記実施例の電気化学的素子２においては、セ
ラミックヒーター層６０が一体的に設けられており、こ
れによって電気化学的素子２が所定の温度に加熱せしめ
られるようになっているために、電気化学的装置として
の酸素センサは、被測定ガスの温度が低い場合にあって
も、センシングセル１６やポンピングセル１８のセル基
板１０や２０，２２を効果的に所望の温度に加熱せしめ
得る利点がある他、かかるヒーター層６０が空気通路４
８内に配置せしめられて、電気化学的素子２の外部に露
出せしめられたり或いは被測定ガス雰囲気に直接に晒さ
れるものでないところから、ヒーター層６０の剥離や被
測定ガスによる劣化等の問題を効果的に解消せしめ得る
利点を有している。

なお、かかる電気化学的素子２において、それを構成す
る電気化学的センシングセル１６や電気化学的ポンピン
グセル１８の中心的部材であるセル基板１０，２０，２
２を構成する固体電解質としては、好適に採用される前
述のジルコニア磁器の他、窒化アルミニウム、ＳｒＣｅ
Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３−希土類酸化物系固溶体、Ｌａ_１−ｘ
Ｃａ_ｘＹＯ_３−α等が用いられることとなる。

また、かかる電気化学的素子２の積層、形成に際して
は、所定の固体電解質からなるセル基板１０，２０，２
２の生素地上に、スクリーン印刷手法によって電極１
２，１４，２４，２６及びそのリード部をそれぞれ印刷
せしめ、そして平坦空間形成部材であるＨ型スペース部
材２８の生素地を間にして、目的とする電気化学的素子
を構成するように重ね合わせ、更に空気通路４８を形成
するためのスペーサ部材４４や蓋部材４６の生素地を重
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。

そして、このような同時一体焼結手法によって目的とす
る電気化学的素子２を形成する場合においては、各電極
１２，１４，２４，２６やそれらのリード部も同時に焼
成されるようにすることが望ましく、その場合におい
て、それらの電極やリード部は、白金、パラジウム、ロ
ジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムの如き白
金族金属を主体とする材料を用いて印刷し、その焼成に
よって、電極乃至はリード部が形成されるようにするこ
とが望ましい。なお、そのような電極やリード部の剥
離、断線等が生ずるのを防止するために、それら電極、
リード部中にジルコニア、イットリウム、アルミナ等の
セラミック微粉末を混入せしめて、その焼成時にそれの
接する層との一体化の向上を図ることが望ましい。

また、平坦空間３０の厚みを規定するセラミック支持体
３４としては、二つの平坦空間規定面３６，３８を橋絡
するために、それら平坦空間規定面を形成するセル基板
１０や２０と同一の材質からなるものを用いることが望
ましく、また平坦空間３０の目的とする厚さと同一若し
くはそれよりもやや大きめの粒子径のものが好適に用い
られることとなる。また、このセラミック支持体は、粒
子形状のものに限られるものではなく、帯状等の他の形
状のものであっても何等差支えなく、何れの場合におい
ても、平坦空間３０の拡散抵抗を所定の大きさにするよ
うに、該平坦空間内３０に配置せしめられることとな
る。

なお、本発明に従う電気化学的装置は、以上の構造に限
定されるものでは決してなく、その他の構造のものにも
有効に適用され得るものであり、例えば、第３図及び第
４図に示されるような構造であっても良いのである。

すなわち、それらの図には、内部に設けられた所定の拡
散抵抗を有する平坦空間３０をガス導入孔７０にて外部
の被測定ガス存在空間に連通せしめた構造の酸素センサ
素子（電気化学的素子２）が示されている。このガス導
入孔７０は、電気化学的センシングセル１６を構成する
セル基板１０を貫通する細長な矩形孔であり、平坦空間
３０を二等分するように素子２の長手方向に位置せしめ
られている。そして、かかるガス導入孔７０に対する平
坦空間３０の開口部近傍に位置して、第４図に示される
如く、上下の平坦空間規定面を橋絡するセラミック支持
体３４，３４が配置せしめられて、かかる平坦空間３０
の厚みを規定するようになっている。

また、電気化学的センシングセル１６の基準電極１４
は、セル基板１０の内側の面にそれぞれ設けられた、空
気通路４８に露呈せしめられる板状電極部分１４ａと、
該板状電極部分１４ａから素子２先端に向かって、平坦
空間３０を挟むようにそれぞれ延びる、該板状電極部分
１４ａとは同電位となる二本の線状電極部分１４ｂ，１
４ｂとからなっている。また、かかるセンシングセル１
６の測定電極１２は、電気化学的ポンピングセル１８の
内側ポンプ電極２４と共通極とされ、該ポンピングセル
１８のセル基板２０上に分割配置せしめられている。な
お、このような測定電極１２の分割配置は、中央部にお
いてガス導入孔７０に連通する平坦空間３０の奥部に該
測定電極を位置せしめるためである。また、かかる測定
電極１２の上には、適当なセラミック材料からなる多孔
質な電極保護層７２が設けられている。

従って、本実施例においては、電気化学的センシングセ
ル１６は、それぞれ固体電解質からなるセル基板１０及
びスペーサ部材２８と、二分割された測定電極１２と、
基準電極１４（板状電極部分１４ａ＋線状電極部分１４
ｂ）とから構成されることとなり、また電気化学的ポン
ピングセル１８は、かかるセンシングセル１６の測定電
極１２との共通極である内側ポンプ電極２４と、二分割
された該内側ポンプ電極２４に相対向して配置された二
分割の外側ポンプ電極２６と、それらポンプ電極２４，
２６間に位置せしめられた二枚のセル基板２０，２２と
から構成されている。

なお、ポンピングセル１８の外側、即ち外側ポンプ電極
２６が設けられた側には、前記実施例と同様に、スペー
サ部材４４と蓋部材４６とが一体化された構造の蓋部材
７４が積層・一体化せしめられ、これによって、電気化
学的素子２内に基準ガス空間としての空気通路４８が形
成されて、この空気通路４８にポンピングセル１８の外
側ポンプ電極２６及びセンシングセル１６の板状電極部
分１４ａがそれぞれ露呈せしめられているのである。ま
た、この空気通路４８内に位置するように、蓋部材７４
の内面には、前記実施例と同様な構造のセラミックヒー
ター層６０が一体的に密着、配置せしめられている。

このような構造の電気化学的素子にあっては、前例の素
子と同様な効果が達成され得ると共に、センシングセル
１６の測定電極１２とポンピングセル１８の内側ポンプ
電極２４とが共通極とされているところから、一つの電
極を省略することが出来、以て素子構造を簡略化せしめ
得る利点があり、また基準電極１４を構成する線状電極
部分１４ｂが測定電極１２に近接配置せしめられること
となるため、それら電極間のインピーダンスを低くする
ことが出来、以て検出精度を高め得る利点もある。

加えて、本実施例の如き構造の電気化学的素子２におい
ては、ポンプ電極でもある測定電極１２と基準電極１４
との間において起電力が測定されるものであるために、
ポンピングセル１８の二つの電極２４，２６間の抵抗分
極の影響を受け易いが、該ポンピングセル１８の外側ポ
ンプ電極２６側の固体電解質部分２２に対して、センシ
ングセル１６の固体電解質部分（１０，２８，２０）が
絶縁層４０にて電気的に区画せしめられているところか
ら、そのような抵抗分極の影響を極力回避して、起電力
を検出することが出来、以て検出精度を、かかる観点か
らも高めることが出来るのである。

また、本実施例にあっては、ガス導入孔７０を所定の拡
散抵抗を示す拡散抵抗手段として利用でき、その場合
は、平坦空間の拡散抵抗に加えて、或いは平坦空間の拡
散抵抗より大きくすることにより平坦空間の拡散抵抗を
無視するように形成することができる。

また、第５図に示された、酸素センサに用いられる電気
化学的素子２は、素子両側部にそれぞれ開口する二つの
平坦空間３０，３０を有しているところに特徴があり、
前記二つの実施例のものに比べて、平坦空間３０の入口
面積（合計量）が大きくされているところから、レスポ
ンスが早い特徴がある。即ち、平坦空間３０を形成する
ためのスペーサ部材７６がその両側部においてそれぞれ
切り欠かれ、そしてこのスペーサ部材７６が、センシン
グセル１６とポンピングセル１８との間に介在せしめら
れて一体化されることにより、かかるスペーサ部材７６
の両側部の切欠部７８，７８によって、素子側方に開口
する二つの平坦空間３０，３０が形成されているのであ
る。そして、この二つの平坦空間３０，３０のそれぞれ
の奥部に位置するように、センシングセル１６の分割さ
れた二つの測定電極１２，１２が配置され、更にポンピ
ングセル１８の内側ポンプ電極２４も二分割されてそれ
ぞれ配置せしめられ、それら平坦空間３０，３０のそれ
ぞれの開口部から所定の拡散抵抗の下に導き入れられる
被測定ガスに接触せしめられるようになっている。

なお、このような電気化学的素子２を用いた構造の酸素
センサ（電気化学的装置）においても、センシングセル
１６の測定電極１２や基準電極１４及びポンピングセル
１８の内側ポンプ電極２４や外側ポンプ電極２６は、そ
れぞれ平坦空間３０内及び空気通路４８内に配置せしめ
られて、外部の被測定ガスに対して、直接に接触せしめ
られない構造となっているところから、本発明に従う有
用な効果を享受し得ることは言うまでもないところであ
る。また、本実施例にあっても、セラミックヒーター層
６０がセンシングセル１６の外側に密着されて一体的に
形成されているところから、電気化学的素子２の有効な
加熱が為され得る特徴も備えている。

更に図示はされていないが、本発明は、特願昭５８−２
１８４００号などに示される如き、電気化学的素子内に
形成された内部空所（キャビティ）が、所定の拡散抵抗
を有するピンホール等のオリフィスを通じて外部の被測
定ガス存在空間に連通せしめられるようにされた構造を
有する電気化学的装置にも、有利に適用されるものであ
る。

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
的構造のみに限定して解釈されるものでは決してなく、
本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識
に基づいて種々なる変形、修正、改良等を加えた形態に
おいて実施され得るものであって、本発明は、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。

また、本発明に係る電気化学的装置は、特にリッチバー
ンセンサに好適に適用され得るものであるが、前述の如
く、理論空燃比の付近で燃焼せしめて得られる排ガスを
被測定ガスとするセンサにも適用できることは勿論、リ
ーン領域の排ガスを被測定ガスとするリーンバーンセン
サにも好適に適用され得、更にその他の構造の酸素セン
サにも適用され得るものである。更には、酸素以外の窒
素、炭酸ガス、水素等の流体中の電極反応に関与する成
分の検出器或いは制御器等にも適用され得るものであ
る。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明に従う電気化学
的装置は、電気化学的ポンピングセルと電気化学的セン
シングセルとを含んで構成される一体的な電気化学的素
子内に形成された、被測定ガスが所定の拡散抵抗の下に
導き入れられる内部空所内に、該ポンピングセルの第一
の電極及び該センシングセルの第三の電極を露呈せしめ
る一方、同様に、電気化学的素子内に形成された基準ガ
ス存在空間内に、該ポンピングセルの第二の電極と該セ
ンシングセルの第四の電極とを配置せしめ、更に該ポン
ピングセルの第一の電極と第二の電極とを固体電解質を
間にして相対向して配置せしめるようにしたものであっ
て、特に、ポンピングセルの第二の電極が従来の如く外
部の被測定ガスに晒されるものではないところから、か
かる第二の電極の被測定ガスによる汚れや劣化を効果的
に防止せしめ得ると共に、ポンピングセルにおけるポン
プインピーダンスを小さくして、所定の電気化学的ポン
ピング作用を為すためのポンプ電圧を効果的に低減せし
めることにより、固体電解質の劣化を抑制せしめ、また
センシングセル側へのポンプ電圧の影響を小さく為し得
るようにしたものであり、しかも、電気化学的ポンピン
グセルと電気化学的センシングセルとを含んで構成され
る一体の電気化学的素子には、該ポンピングセルの第二
の電極の接する固体電解質部分と該センシングセルの第
四の電極の接する固体電解質部分とを電気的に区画し、
且つ該ポンピングセルの第一の電極に近接して該二つの
固体電解質部分を接続する開口部が設けられた高抵抗領
域が存在するように構成されていることによって、第一
の電極と第二の電極との間のポンピング電流に基づく抵
抗分極の、電気化学的センシングセル側における第三の
電極と第四の電極との間の電位差の測定に与える影響
が、効果的に軽減され得、以て検出精度を効果的に高め
ることが出来るのであり、また電気化学的素子内へのセ
ラミックヒーター層の一体的な配設によって、被測定ガ
スの温度が低く、電気化学的素子を構成する電気化学的
セルの固体電解質が充分な高温度に保持されない場合に
おいても、その性能を充分に発揮し得ることとなったも
のであって、そこに本発明の大きな工業的意義が存する
ものである。

【図面の簡単な説明】

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
センサの一例における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図は第１図におけるII−II断面
図である。第３図及び第５図は、それぞれ、本発明に従
う電気化学的装置としての酸素センサにおけるセンサ素
子の異なる例を示す第１図に相当する図であり、第４図
及び第６図は、それぞれ、第３図及び第５図におけるIV
−IV断面図及びVI−VI断面図である。２：電気化学的素子１０：セル基板（第二の固体電解質）１２：測定電極（第三の電極）１４：基準電極（第四の電極）１６：電気化学的センシングセル１８：電気化学的ポンピングセル２０，２２：セル基板（第一の固体電解質）２４：内側ポンプ電極（第一の電極）２６：外側ポンプ電極（第二の電極）２８：Ｈ型スペーサ部材、３０：平坦空間３４：セラミック支持体３６，３８：平坦空間規定面４０：絶縁層、４２：開口部４４：スペーサ部材、４６：蓋部材４８：空気通路６０：セラミックヒーター層６２：ヒーターエレメント６４，６６：絶縁層７０：ガス導入孔、７２：電極保護層７４：蓋部材、７６：スペーサ部材７８：切欠部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の板状の固体電解質とこの固体電解質
に接して設けられ且つ該固体電解質を間にして互いに対
向するように配置された第一及び第二の電極とを含む電
気化学的ポンピングセルと、第二の板状の固体電解質とこの固体電解質に接して設け
られた第三及び第四の電極とを含む電気化学的センシン
グセルと、それらセルの固体電解質を所定の温度に加熱せしめるた
めのセラミックヒーター層と、を含んで、一体の積層構造の電気化学的素子を構成する
と共に、かかる電気化学的素子内に、前記電気化学的ポンピングセルの第一の電極と前記電気
化学的センシングセルの第三の電極とがそれぞれ実質的
に露呈せしめられる、外部の被測定ガス存在空間に連通
せしめられ且つ被測定ガスが該被測定ガス存在空間から
所定の拡散抵抗の下に導かれる内部空所と、前記電気化学的ポンピングセルの第二の電極と前記電気
化学的センシングセルの第四の電極とがそれぞれ実質的
に露呈せしめられる基準ガス存在空間と、前記電気化学的ポンピングセルの第二の電極の接する固
体電解質部分と前記電気化学的センシングセルの第四の
電極の接する固体電解質部分とを電気的に区画し、且つ
前記電気化学的ポンピングセルの第一の電極に近接して
該二つの固体電解質部分を接続する開口部が設けられた
高抵抗領域と、を設けたことを特徴とする電気化学的装置。
【請求項２】前記内部空所が、前記第一の板状の固体電
解質及び／又は前記第二の板状の固体電解質の板面に平
行な方向に拡がる平坦な空所である特許請求の範囲第１
項記載の電気化学的装置。
【請求項３】前記内部空所が、前記第一の板状の固体電
解質と前記第二の板状の固体電解質との間に形成される
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。
【請求項４】前記内部空所の被測定ガス存在空間側の開
口部付近に、所定の拡散抵抗を与える多孔質層を設けた
特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れかに記載の電気
化学的装置。
【請求項５】前記内部空所が、所定の拡散抵抗を与える
厚みを有する平坦な空所として形成され、該内部空所自
体が直接に拡散抵抗手段として機能せしめられている特
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。
【請求項６】前記内部空所が、所定のガス導入孔を通じ
て前記被測定ガス存在空間に連通されている特許請求の
範囲第４項又は第５項記載の電気化学的装置。
【請求項７】前記内部空所が、その端部において前記被
測定ガス存在空間に直接に開口せしめられており、且つ
前記電気化学的センシングセルの第三の電極が、該内部
空所の開口部分より所定距離だけ奥部に入り込んだ部位
に配置せしめられている特許請求の範囲第４項又は第５
項記載の電気化学的装置。
【請求項８】前記内部空所の厚みが、該内部空所を規定
する二つの相対向する内部空所規定面を橋絡するセラミ
ック支持部材にて規定されている特許請求の範囲第６項
又は第７項記載の電気化学的装置。
【請求項９】前記第一の電極と前記第三の電極とが、前
記内部空所に相対向して露呈せしめられている特許請求
の範囲第１項乃至第８項の何れかに記載の電気化学的装
置。
【請求項１０】前記内部空所と前記基準ガス存在空間と
が、略同一の平面上に位置せしめられている特許請求の
範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の電気化学的装
置。
【請求項１１】前記基準ガス存在空間が、大気に連通せ
しめられている特許請求の範囲第１項乃至第１０項の何
れかに記載の電気化学的装置。
【請求項１２】前記電気化学的ポンピングセルの第一の
電極と前記電気化学的センシングセルの第三の電極と
が、共通極とされている特許請求の範囲第１項乃至第１
１項の何れかに記載の電気化学的装置。
【請求項１３】前記電気化学的センシングセルの第三の
電極及び第四の電極が、互いに、前記第二の固体電解質
の同一の平面上に若しくは同一の平面内に実質的に配置
されている特許請求の範囲第１項乃至第１２項の何れか
に記載の電気化学的装置。