JPH07122626B2

JPH07122626B2 - 電気化学的装置

Info

Publication number: JPH07122626B2
Application number: JP62112728A
Authority: JP
Inventors: 隆生村瀬; 一西澤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1987-05-08
Publication date: 1995-12-25
Anticipated expiration: 2010-12-25
Also published as: JPS63275949A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、電気化学的装置、特に自動車用エンジンの燃
焼制御系或いは各種の工業炉の燃焼制御系に用いて好適
な、排気ガスの酸素濃度測定装置に係り、更に詳しく
は、使用される温度環境によらず、被測定ガス中の測定
成分の濃度を検出する電気化学的セルの温度を安定に保
ち、高精度の測定が出来ると共に、耐久性にも優れた電
気化学的装置に関するものである。

（従来技術）従来より、固体電解質とこの固体電解質に接して設けら
れた少なくとも一対の電極とを有する、少なくとも一つ
の電気化学的セルを含む電気化学的装置は、被測定ガス
中の各種のガス成分の濃度を検出し得るセンサとして、
よく知られており、例えば自動車用内燃機関の排気ガス
中の酸素濃度や工業炉、ボイラー等から排出される燃焼
排ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサ（酸素濃度測
定装置）として、酸素イオン伝導性の固体電解質である
ジルコニア磁器を用いた、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開発されている。そし
て、内燃機関等においては、一般に、空気と燃料とから
構成される混合気の空燃比を、高精度に目標値に制御す
るために、前記の如きセンサを用いて、空燃比と相関関
係を有する排気ガス中の酸素濃度を検知することによ
り、混合気の空燃比を検知して、内燃機関等に供給され
る燃料供給量をフィードバック制御するようにしている
のである。

ところで、このような酸素センサ等の電気化学的装置
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、かかる電気化学
的装置における電気化学的セルを与える電気化学的素子
の少なくとも電極配置部（ガス濃度検知部）を、適当な
ヒータ（加熱手段）によって所定の高温度に加熱せしめ
る必要があるが、従来にあっては、かかる加熱のため
に、有底円筒形状を為す電気化学的素子の内孔内に傍熱
型のヒータを設けたり（特開昭57−142555号公報参
照）、また積層型の電気化学的素子にあっては、その積
層構造内にヒータを一体的に埋設してなる構造のもの
（特開昭55−140145号公報参照）等が明らかにされてい
る。

（問題点）しかしながら、この種の電気化学的装置においては、電
気化学的素子に形成された電気化学的セルを加熱するヒ
ータ（加熱手段）の発熱量、或いはそれに対する供給電
圧が、特に制御されておらず、そのために、かかる電気
化学的装置が使用される環境の変化により、例えば被測
定ガス温度の変化により、かかる電気化学的セルの温度
が変化し、以て被測定ガス中の測定成分濃度に応じた出
力である起電力或いはポンプ電流が変化して、正確な測
定が出来ない問題を内在している。

また、被測定ガス温度の上昇により、電気化学的セルの
温度も上昇し、時として、そこが過熱状態となり、かか
る電気化学的セルやヒータの寿命を著しく短くするとい
う問題も内在していたのである。

（解決手段）ここにおいて、本発明は、上記の問題を解決するために
為されたものであって、その特徴とするところは、固体
電解質と該固体電解質に接して設けられた少なくとも一
対の電極とを有する、少なくとも一つの電気化学的セル
と；該電気化学的セルを所定の温度に加熱するための発
熱部と該発熱部への通電を行なうために該発熱部の両端
部にそれぞれ接続された第一及び第二の通電リード部と
からなるヒータエレメントを有する加熱手段とを含んで
構成される電気化学的装置において、該加熱手段のヒー
タエレメントにおける前記発熱部の第一の通電リード部
側の所定位置或いは該発熱部と該第一の通電リード部と
の接続点に近接した位置に、一つの検出点を設けると共
に、該検出点よりも前記第二の通電リード部側のヒータ
エレメント部分の電気抵抗値と、該検出点よりも前記第
一の通電リード部側のヒータエレメント部分の電気抵抗
値との差に基づいて、前記電気化学的セルの温度を安定
に保つように、前記ヒータエレメントに供給される電力
乃至は電圧を制御せしめる制御手段を設けたことにあ
る。

従って、このような構成を具備する本発明に従う電気化
学的装置にあっては、加熱手段を構成するヒータエレメ
ントの発熱部自体の抵抗温度係数を利用して、その電気
抵抗を測定するようにしたことにより、かかる加熱手段
にて加熱される電気化学的セルの温度を直接的に検知す
ることが出来るのである。しかも、本発明においては、
ヒータエレメントに設けた検出点を通じて取り出される
情報に基づいて、ヒータエレメントの発熱部の電気抵抗
値が、その通電リード部の電位抵抗値が被測定ガス温度
の変化等によって大幅に変わっても、これに影響される
ことなく、正確に把握され、電気化学的セルの温度をよ
り正確に検知することが出来るのである。そして、かか
る加熱手段におけるヒータエレメントの発熱部の電位抵
抗値を一定に保つように、所定の制御手段にて、該ヒー
タエレメントに供給される電力乃至は電圧を制御するこ
とにより、電気化学的セルの温度を安定的に保持し得
て、それを一定に保ち、以て測定精度を著しく向上せし
め得るのである。

ところで、本発明におけるヒータエレメントの発熱部と
は、通電リード部に比べて単位面積当りの発熱量が多く
なるようにした部分であり、具体的には、固有抵抗の増
加、断面積の低減、パターンの蛇行等により、通電リー
ド部に比べて単位面積当りの抵抗を増すようにされたも
のである。

そして、本発明は、電気化学的セルの温度を安定に保つ
ために、かかるヒータエレメントの高温部分である発熱
部の抵抗値を測定するものであり、一つの検出点は、該
発熱部内の所定位置或いは該発熱部と通電リード部との
接続点に近接した位置に設けられなければならない。こ
こで、該発熱部と通電リード部との接続点に近接した位
置とは、実質的に該接続点と同一の電位を得ることが出
来る位置のことであり、発熱部内であっても、通電リー
ド部内であっても良い。

なお、このような電気化学的装置にあっては、前記加熱
手段は、一般に、前記電気化学的セルと一体的に形成さ
れて、一体の電気化学的素子を構成しており、またかか
る加熱手段におけるヒータエレメントの発熱部は、被測
定ガスの測定条件下において、所定の抵抗温度係数、即
ち少なくとも0.1％／℃の正または負の抵抗温度係数を
有するものであることが望ましく、これによって、電気
化学的セルの温度変化を感度よく検出して、その温度制
御をより正確と為し得るのである。

また、本発明の一つの実施態様によれば、前記制御手段
は、前記電気抵抗値の差の、基準値に対する相対値を用
いて、電気化学的セルの温度を安定に保つように、ヒー
タエレメントに供給される電力乃至は電圧を制御するよ
うに構成され、これによって電気化学的装置の個間バラ
ツキが有利に解消乃至は抑制され、以てそれぞれの電気
化学的装置における加熱温度の制御を効果的に均一化し
得るのである。なお、ここで基準値としては、常温抵抗
値、或いはアイドリング、定速運転時等、一定のエンジ
ン運転条件下の如き所定の温度下における抵抗値等が採
用され、この基準値に対する前記電気抵抗値の差や前記
発熱部部分の電気抵抗値の比率に基づいて、上記の如き
電流の制御が行なわれるのである。

ところで、本発明は、外部の被測定ガス存在空間から、
拡散抵抗手段を介して、所定の拡散抵抗の下に拡散、導
入せしめられる被測定ガスに対してポンプ作用を為す電
気化学的ポンプセルを、電気化学的セルの一つとして有
する電気化学的装置に対して、特に、外部の被測定ガス
存在空間から所定の拡散抵抗の下に被測定ガスを拡散、
導入せしめる拡散抵抗手段と、この拡散抵抗手段によっ
て導入された被測定ガスの存在する内部空間におけるガ
ス成分濃度（例えば、酸素濃度）を変化させる電気化学
的ポンプセルと、かかる内部空間における雰囲気中のガ
ス成分濃度を検出する電気化学的センサセルとを含んで
構成される電気化学的装置に対して、好適に適用される
ものである。そのような電気化学的装置の拡散抵抗手段
における被測定ガスの拡散抵抗が、温度の影響を受けて
変化し、電気化学的ポンプセルのポンプ電流（出力）等
を変化せしめて、被測定ガスの酸素濃度等のガス成分濃
度の検知精度を低下せしめるからである。

また、本発明にあっては、前記加熱手段におけるヒータ
エレメントは、好ましくは、、導体として白金を用いて
形成され、また電気化学的セルは、ZrO₂を主成分とする
酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成され、更にかか
る加熱手段のヒータエレメントは、被測定ガスから遮断
されて、直接に晒されないような構造とされていること
が望ましい。

（実施例）以下、本発明に従う幾つかの実施例を、図面に基づいて
詳細に説明すると共に、本発明の構成について更に具体
的に明らかにすることとする。

先ず、第１図（ａ）は、本発明に従う電気化学的装置に
おける、電気化学的セルと加熱手段とが一体的に形成さ
れてなる電気化学的素子の一例を示す展開構造図であ
り、酸素濃度測定装置の酸素検知素子として用いられる
ものである。この電気化学的素子は、狭幅な板状の長手
形状を為しており、その先端部に酸素濃淡電池の原理を
利用した酸素濃度検知部が形成されている。

そして、この電気化学的素子は、かかる第１図（ａ）か
ら明らかなように、積層構造とされているのである。即
ち、高温において酸素イオン伝導性を示す安定化ジルコ
ニアからなる板状の固体電解質体２と、同様な固体電解
質材料から形成されたスペーサ部材４と、更に同様な固
体電解質材料から形成された二枚の板状のヒータプレー
ト6,8とを積層せしめて、一体的な構造とされていると
共に、スペーサ部材４の切欠き部によって、それら固体
電解質体２と一枚のヒータプレート６との間に、大気に
連通せしめられる空気通路10が形成されているのであ
る。また、固体電解質体２の外側面には、被測定ガスに
接触せしめられる測定電極12が設けられており、そして
この測定電極12に対向するように、固体電解質体２の空
気通路10に面する内側面には基準電極14が設けられて、
空気通路10を通じて導かれる基準ガスとしての空気が、
かかる基準電極14に接触せしめられるようになってい
る。

また、ヒータプレート6,8の間には、ヒータエレメント1
6が配置されて、一体的なヒータ層（加熱手段）が構成
されるようになっている。なお、このヒータエレメント
16は、固体電解質体２と測定電極12と基準電極14とから
構成される電気化学的セル部分を加熱するために、該基
準電極14に対応する部位に配置された、所定パターンの
線状乃至は帯状の発熱部18と、この発熱部18への通電を
行なうために、その両端部にそれぞれ接続された通電リ
ード部20a、20bとから構成されている。そして、このヒ
ータエレメント16の通電リード部20a,20bに対して、外
部のヒータ電源（ここでは交流電源）22が接続されてお
り、またこのヒータ電源22にて流される電流は電流計24
にて検出されるようになっている。従って、かかるヒー
タエレメント16の発熱部18に対する外部電源22からの給
電によって、電気化学的セルを構成する測定電極12、基
準電極14及びそれら電極の配置された固体電解質体２部
分が、所定の温度に加熱せしめられ得るようになってい
るのである。

そして、かかるヒータエレメント16には、更に、その発
熱部18の一方の通電リード20a側の所定位置に一つの検
出点26が設けられていると共に、この検出点26に対し
て、電気抵抗値を検出するための検出リード部28が接続
されている。なお、ここでは、検出点26は、発熱部18の
最も加熱温度の高い部位の温度を検出するために発熱部
18の中央部に近い位置に設定されているが、その配置位
置は、発熱部18のヒータパターンの形態により適宜に選
定され、場合により発熱部18と通電リード部20a、20bの
境界領域に位置せしめられることがある。

また、この検出リード部28と一方の通電リード部20aに
対する接続路との間には、第二の電位差計32が設けら
れ、また他方の通電リード部20bに対する接続路との間
には、第一の電位差計30が設けられており、この第一の
電位差計30によって、検出点26と他方の通電リード部20
b端部との間の電位差:V₁が検出され、また第二の電位差
計32によって、検出点26と前記一方の通電リード部20a
端部との間の電位差:V₂が検出されるようになってい
る。

ところで、このようなヒータエレメント16における回路
構成は、例えば、第１図（ｂ）のように、模式的に示す
ことが出来る。即ち、そこにおいて、R_Lは検出点26から
一方の通電リード部20a端部までのヒータエレメント16
部分の電気抵抗値であり、R_L′は、そのような一方の通
電リード部20a端部から検出点26に至る長さに相当す
る。他方の通電リード部20bの端部からのヒータエレメ
ント16部分の電気抵抗値であり、R_Hは、それらR_L,R_L′
を与えるヒータエレメント16の両端側の長さ部分を除
く、発熱部18の中央の所定長さ部分のみの電気抵抗値で
あり、更に、V₁は検出点26と他方の通電リード部20b端
部との間の電位差であり、V₂は検出点26と一方の通電リ
ード部20a端部との間の電位差であり、そして電源22か
ら供給される電流値をＡとすると、第一及び第二の電位
差計30,32にて検出される電位差:V₁,V₂は、それぞれ下
記（１）及び（２）式にて表わされることとなる。

そして、ヒータエレメント16において、 R_L′≒R_Lとすることにより、上記（１）式から（２）式
を減算することによって、下記（３）式を求めることが
出来るのである。

従って、かかる（３）式から明らかなように、電気化学
的セル（2,12,14）部分の温度に対応するヒータエレメ
ント16の発熱部18中央部分の電気抵抗値:R_Hは、実質的
に、検出点26の両側のヒータエレメント部分の電気抵抗
値の差によって表わされ、（V₁−V₂）/Aの値に基づい
て、電流値:Aを与える電源22の電力乃至は電圧を制御す
ることによって、前記R_Hが一定となるようにすることが
出来るのである。そして、このR_Hが一定となるようにコ
ントロールされることによって、ヒータエレメント16に
て加熱される電気化学的セル（2,12,14）の温度が一定
となるように制御することが可能となるのである。

ここにおいて、R_LとR_L′は、抵抗値が常に等しいことが
好ましく、従って両者の抵抗温度係数、パターン形状が
実質的に等しいことが好ましい。

なお、かくの如き構造の電気化学的素子にあっては、よ
く知られているように、固体電解質体２と被測定ガスに
晒される測定電極12と基準ガスに晒される基準電極14と
から構成される電気化学的セルからなる酸素濃度検知部
によって、酸素濃度差に基づくところの、ネルンストの
式に従う起電力が出力信号として取り出され、そしてそ
のような出力信号に基づいて、かかる被測定ガス（排気
ガス）を発生せしめる内燃機関等の燃焼制御が行なわれ
るのである。

そして、その際、本発明の構成によれば、ヒータエレメ
ント16、特にその発熱部18の温度分布幅の小さい中央部
のみの電気抵抗値に基づいて、かかるヒータエレメント
16に供給される電力乃至は電圧が制御されることとなる
ところから、かかる発熱部18に近接して設けられた酸素
濃度検知部が所定の温度に常に保持され、その温度変化
が小さくなるのであり、それ故に、仮に被測定ガスの温
度が変化しても、かかる酸素濃度検知部から安定な出力
を得ることが出来、それによって高精度の測定が可能と
なるのである。また、そのような酸素濃度検知部の温度
が制御されることにより、該酸素濃度検知部やヒータエ
レメント16の加熱の危険がなく、その寿命も効果的に永
続化せしめ得るのである。

しかも、上例の如く、電気化学的セルの温度をヒータエ
レメント16全体の電気抵抗値を用いて制御するものでは
なく、かかる電気化学的セルの温度に最もよく対応する
加熱部18の所定部分のみの電気抵抗値を用いて、かかる
電気化学的セルの加熱温度を制御しているところから、
ヒータエレメント16の通電リード部20a,20bの電気抵抗
値の大小に拘らず、電気化学的セルの温度をより正確に
制御することが出来るのである。

ところで、電気化学的装置には、上記の如き基本的構造
を有するものの他、電気化学的セルを、外部の被測定ガ
ス存在空間から所定の拡散抵抗の下に拡散、導入せしめ
られる被測定ガスに対して、ポンプ作用を為す電気化学
的ポンプセルとして機能させるようにしたものがある
が、特に後者のものにあっては、その被測定ガスの拡散
抵抗（拡散定数）が温度によって大きく影響を受けると
ころから、本発明が有利に適用され、以てその検知精度
が効果的に高められ得るものである。

なお、以上の実施例において、電気化学的セルを構成す
る固体電解質体は安定化ジルコニアにて構成され、本発
明では、そのようなZrO₂を主成分とする酸素イオン伝導
性の固体電解質が、酸素濃度検知装置として電気化学的
装置を使用する場合において有利に用いられ得るもので
あるが、またその他の酸素イオン伝導性の固体電解質、
例えばSrCeO₃、Bi₂O₃−希土類酸化物系固溶体等の材料
を用いて形成されたものであっても、何等差支えなく、
また酸素以外の他のガス成分を検出する場合にあって
は、それぞれのガス成分に対応する公知の固体電解質が
適宜に用いられることとなる。

また、加熱手段を構成するヒータエレメントは、電気化
学的セルの温度変化を、その電気抵抗値の変化として出
力するものであるところから、被測定ガスの検出条件下
において、少なくとも0.1％／℃の正または負の抵抗温
度係数を有するものであることが望ましく、それによっ
てヒータエレメントの電気抵抗値の読取り誤差が、かか
るヒータエレメントによる加熱温度に与える影響を少な
くして、電気化学的セルの温度変化を精度よく検出する
ことが出来るのであり、以てかかる電気化学的セルの温
度制御がより一層効果的に行なわれるのである。

なお、そのようなヒータエレメントは、電気化学的セル
を構成する電極と同様に、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
金属等の導電性金属や炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、
ホウ化ジルコニウム、ホウ化チタン、窒化ジルコニウ
ム、ケイ化モリブデン、ケイ化タングステン等の導電性
化合物等の公知の導電性材料から構成されることとなる
が、特に好ましくは、媒体として白金を用いて形成され
ていることが望ましい。また、そのようなヒータエレメ
ントは、基地との密着一体化の向上を図るために、上記
の如き導電性金属にセラミックスの微粉末を混入せしめ
て、その焼成を行なうことにより形成するようにするこ
とも可能である。

以上、本発明に従う電気化学的装置の構成について、幾
つかの一体的な構造の電気化学的素子に基づいて説明し
てきたが、その他の構造の電気化学的素子、ひいては電
気化学的装置にも、本発明が好適にに適用されるもので
あることが、理解されるべきである。

要するに、本発明は、上記例示の具体例のみに限定して
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、本発明が、そのような実施形態のものをも
含むものであることが、言うまでもないところである。

（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、その電気化学的セルを加熱するための加熱手
段におけるヒータエレメントの発熱部自体の電気抵抗値
に基づいて、該電気化学的セルの温度を安定に保つよう
に、かかる加熱手段に供給される電流を制御するように
したものであって、ヒータエレメントのリード部の電気
抵抗値の如何に拘わらず、電気化学的セルの温度が直接
的に正確に検出されて、制御されるものであるところか
ら、電気化学的装置の使用条件により、例えば被測定ガ
スの温度の変化等により、かかる電気化学的セルの温度
は変化せしめられず、安定な出力による高精度の測定が
可能となり、また電気化学的セルの温度を制御するもの
であるところから、電気化学的セル及び加熱手段の過熱
の危険がなく、その寿命を有利に永続化せしめ得て、長
期間に亘って使用可能である等の優れた効果を奏するも
のであり、そこに、本発明の大きな工業的意義が存する
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明に従う電気化学的装置の電気化学
的素子の一例を示す展開構造図であり、第１図（ｂ）
は、第１図（ａ）におけるヒータエレメントに対する電
力供給回路の一例を示す回路図である。 2:固体電解質体 4:スペーサ部材 6,8:ヒータプレート 10:空気通路、12:測定電極 14 基準電極 16:ヒータエレメント 18:発熱部 20a,20b:通電リード部 22:ヒータ電源 24:電流計、26:検出点 28:検出リード部 30:第一の電位差計、32:第二の電位差計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質と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とを有する、少なくとも一つ
の電気化学的セルと；該電気化学的セルを所定の温度に
加熱するための発熱部と該発熱部への通電を行なうため
に該発熱部の両端部にそれぞれ接続された第一及び第二
の通電リード部とからなるヒータエレメントを有する加
熱手段とを含んで構成される電気化学的装置において、該加熱手段のヒータエレメントにおける前記発熱部の第
一の通電リード部側の所定位置或いは該発熱部と該第一
の通電リード部との接続点に近接した位置に、一つの検
出点を設けると共に、該検出点よりも前記第二の通電リ
ード部側のヒータエレメント部分の電気抵抗値と、該検
出点よりも前記第一の通電リード部側のヒータエレメン
ト部分の電気抵抗値との差に基づいて、前記電気化学的
セルの温度を安定に保つように、前記ヒータエレメント
に供給される電力乃至は電圧を制御せしめる制御手段を
設けたことを特徴とする電気化学的装置。
【請求項２】前記電気化学的セルと前記加熱手段とが一
体的に形成されてい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】前記ヒータエレメントの発熱部が、少なく
とも0.1％／℃の正または負の抵抗温度係数を有する特
許請求の範囲第１項または第２項記載の電気化学的装
置。
【請求項４】前記制御手段が、前記電気抵抗値の差の、
基準値に対する相対値を用いて、前記電気化学的セルの
温度を安定に保つように、前記ヒータエレメントに供給
される電力乃至は電圧を制御するものである特許請求の
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。