(57)【要約】【課題】アンモニアとＮＯXとが並存する被測定ガス中のＮＯX濃度及びアンモニア濃度あるいはいずれか一方を精度良く検出することができる特定ガス濃度センサを提供する。【解決手段】直列に配置された上流側の第１空間及び下流側の第２空間と、固体電解質体の両面に一対の電極が配置されるとともに、一対の電極のうちのいずれか一方の電極が第１空間に面する第１素子と、固体電解質体の両面に一対の電極が配置されるとともに、一対の電極のうちのいずれか一方の電極が第２空間に面する第２素子と、を備えるとともに、第１素子によってＮＯが解離しないように被測定ガス中の酸素を汲み出した後、第２素子によって被測定ガス中のＮＯを解離して酸素を汲み出し、第２素子に流れる電流値を被測定ガス中のＮＯX濃度を示す情報として取出す構成であり、第１空間よりも上流側に、被測定ガス中のアンモニアをＮＯX以外の成分に分解する分解触媒を備える。【選択図】図１
2009288220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中のＮＯX濃度を検出するための特定ガス濃度センサにおいて、
前記被測定ガスが流れ込むように直列に配置された上流側の第１空間及び下流側の第２空間と、
固体電解質体の両面に一対の電極が配置されるとともに、前記一対の電極のうちのいずれか一方の電極が前記第１空間に面する第１素子と、
固体電解質体の両面に一対の電極が配置されるとともに、前記一対の電極のうちのいずれか一方の電極が前記第２空間に面する第２素子と、を備えるとともに、
前記第１素子によってＮＯが解離しないように前記被測定ガス中の酸素を汲み出した後、前記第２素子によって前記被測定ガス中の前記ＮＯを解離して酸素を汲み出し、前記第２素子に流れる電流値を前記被測定ガス中の前記ＮＯX濃度を示す情報として取出すように構成されており、
前記第１空間よりも上流側に、前記被測定ガス中のアンモニアをＮＯX以外の成分に分解する分解触媒を備えることを特徴とする特定ガス濃度センサ。
【請求項２】
被測定ガス中のアンモニア濃度を検出するための特定ガス濃度センサにおいて、
前記被測定ガスが流れ込むように並列に配置された第１空間及び第２空間と、
固体電解質体の両面に一対の電極が配置され、前記一対の電極のうちのいずれか一方の電極が前記第１空間に面する一方、他方の電極が前記被測定ガスとは異なる基準ガスが存在する基準ガス空間に面する第１素子と、
固体電解質体の両面に一対の電極が配置され、前記一対の電極のうちのいずれか一方の電極が前記第２空間に面する一方、他方の電極が前記基準ガス空間に面する第２素子と、を備えるとともに、
前記第１素子及び前記第２素子に流れる電流値の差を、前記被測定ガス中の前記アンモニア濃度を示す情報として取出すように構成されており、
前記第１空間よりも上流側に、前記被測定ガス中のアンモニアをＮＯX以外の成分に分解する分解触媒を備えることを特徴とする特定ガス濃度センサ。
【請求項３】
被測定ガス中のアンモニア濃度及びＮＯX濃度をそれぞれ検出するための特定ガス濃度センサにおいて、
前記被測定ガスが流れ込むように並列に配置された第１空間及び第２空間と、
前記第１空間の下流側に直列に配置された第３空間と、
固体電解質体の両面に一対の電極が配置され、前記一対の電極のうちのいずれか一方の電極が前記第１空間に面する一方、他方の電極が前記被測定ガスとは異なる基準ガスが存在する基準ガス空間に面する第１素子と、
固体電解質体の両面に一対の電極が配置され、前記一対の電極のうちのいずれか一方の電極が前記第２空間に面する一方、他方の電極が前記基準ガス空間に面する第２素子と、
固体電解質体の両面に一対の電極が配置され、前記一対の電極のうちのいずれか一方の電極が前記第３空間に面する第３素子と、を備えるとともに、
前記第１素子によってＮＯが解離しないように前記被測定ガス中の酸素を汲み出した後、前記第３素子によって前記被測定ガス中の前記ＮＯを解離して酸素を汲み出し、前記第３素子に流れる電流値を前記被測定ガス中の前記ＮＯX濃度を示す情報として取出し、前記第１素子及び前記第２素子に流れる電流値の差を、前記被測定ガス中の前記アンモニア濃度を示す情報として取出すように構成されており、
前記第１空間よりも上流側に、前記被測定ガス中のアンモニアをＮＯX以外の成分に分解する分解触媒を備えることを特徴とする特定ガス濃度センサ。
【請求項４】
前記第１空間の上流側の前記被測定ガスの流路に拡散律速通路が設けられ、当該拡散律速通路に前記分解触媒を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の特定ガス濃度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定ガス濃度センサに関し、特に、アンモニアとＮＯXが共存する被測定ガス中のアンモニア濃度及びＮＯX濃度あるいはいずれか一方を精度よく検出するための特定ガス濃度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定ガス濃度検出器の一態様として、被測定ガス中のＮＯX（ＮＯやＮＯ2等の窒素酸化物）の濃度を検出するＮＯX濃度検出器や、被測定ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニア濃度検出器、さらには、被測定ガス中のＮＯX濃度及びアンモニア濃度をそれぞれ検出する検出器がある。これらの検出器の中には、被測定ガスの一部をサンプルとして取出すのではなく、被測定ガス中に半導体式センサや固体電解質センサを直接挿入して、ＮＯX濃度やアンモニア濃度を電気信号として取出すようにしたセンサが提案されている。
【０００３】
このうち、ＮＯX濃度検出器の一例として、ＮＯX濃度を精度良く測定できるようにした被測定ガス中のＮＯX濃度検出器が提案されている。より具体的には、固体電解質層に一対の電極を備えた第１ポンプセル及び酸素濃度測定セルを区画面の一部とする第１室と、固体電解質層に一対の電極を備えた第２ポンプセルを区画面の一部とする第２室と、第１室を被測定ガス空間に連通する第１拡散抵抗部と、第１室を第２室に連通する第２拡散抵抗部とを備えた２室直列型のＮＯX濃度検出器であって、酸素濃度測定セルが第２拡散抵抗部近傍に配置されており、第１ポンプセルに流れる電流（第１ポンプ電流）を測定する測定部と、第２ポンプセルに流れる電流（第２ポンプ電流）を測定する測定部と、第１ポンプ電流と第２ポンプ電流とから被測定ガス中のＮＯX濃度を導出する導出部とを備えたＮＯX濃度検出器が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、アンモニア濃度検出器の一例として、低濃度域から高濃度域までの広い範囲でアンモニア検出が可能であり、また被測定ガス中にＮＯXが含有されていても精度良くアンモニアを検出できるアンモニア検出センサが提案されている。より具体的には、対向する酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子との隙間を処理空間とし、処理空間に面する電極をアンモニア酸化反応に対する触媒活性が高い材質で構成し、酸素濃淡電池素子の裏面側（反対空間）の電極をアンモニア酸化反応に対する触媒活性が低い材質で構成したアンモニア検出センサが開示されている。このアンモニア検出センサによれば、処理空間と反対空間とにアンモニアと酸素とを含有した被検出ガスを導入すると、酸素濃淡電池素子の両側でアンモニア酸化による酸素消費量に差が生じ、濃淡電池起電力が発生する。また、酸素ポンプ素子は処理空間に酸素を汲み込み、濃淡電池起電力が一定の目標値となるように制御する。このときの酸素ポンプ素子に流れる電流に基づいて、アンモニア濃度を検出することができる（特許文献２参照）。
【０００５】
また、被測定ガス中のＮＯXとアンモニアとを、同時に、リアルタイムで検知することができるガス分析方法も提案されている。より具体的には、ＮＯX及びアンモニアを含む被測定ガスをアンモニア強酸化触媒に接触させることにより、当該被測定ガス中のアンモニアを酸化してＮＯXに変換し、その変換したＮＯXと当該被測定ガス中に存在しているＮＯXの合計量を検出する第１のＮＯX検出工程と、被測定ガスをアンモニア弱酸化触媒に接触させて、当該被測定ガス中のアンモニアの一部を酸化してＮＯXに変換し、変換したＮＯXと当該被測定ガス中のＮＯXとの合計量を検出する第二のＮＯX検出工程と、第一及び第二のＮＯX検出工程において得られる二つの検出値より、被測定ガス中のＮＯX量及び／又はアンモニア量を演算する工程を含むガス分析方法が開示されている（特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１７１４３８号公報
【特許文献２】特開２０００−１９３６３９号公報
【特許文献３】特開２００１−１３３４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ディーゼルエンジンを備えた車両においては、排出される排気ガス中のＮＯXを除去する排気浄化装置として、アンモニアを還元剤として用いてＮＯXを還元する還元触媒を排気通路に配置し、当該還元触媒の上流側にアンモニアを生成可能な還元剤を供給して、ＮＯXを除去する排気浄化装置が用いられている。このような排気浄化装置における還元剤の供給量の制御を行うために、ＮＯX濃度やアンモニア濃度を検出するセンサ（以下、「ＮＯXセンサ」又は「アンモニアセンサ」と称する。）が排気通路に設けられる場合がある。特に、ＮＯX又はアンモニアが触媒の下流側に流出して、そのまま大気中に放出されることのないように、当該還元触媒の下流側にＮＯXセンサやアンモニアセンサが設けられる場合がある。このように、還元触媒の下流側にＮＯXセンサやアンモニアセンサを備える場合には、比較的濃度が低い領域であるにもかかわらず、正確にＮＯX濃度やアンモニア濃度を検出しなければならず、上記センサには、より高い検出精度が求められている。
【０００８】
一方、アンモニアが高温下に晒されると、熱分解してＮＯXが生成されるおそれがある。そのため、上記特許文献１に記載したようなＮＯX濃度検出器において、第１又は第２ポンプセルに到達する途中でアンモニアが高温に晒されることによってＮＯXが生成された場合には、この生成されたＮＯXも検出されてしまうため、被測定ガス中に含まれているＮＯX濃度を精度良く検出できないおそれがある。
【０００９】
また、特許文献２や特許文献３に記載のセンサは、アンモニア酸化効率の異なる複数の電極や酸化触媒を用いて、それぞれの電極や酸化触媒でのアンモニア酸化効率を考慮して、被測定ガス中のアンモニア濃度や、あるいはＮＯX濃度及びアンモニア濃度を検出するセンサであるが、一旦アンモニアを酸化させてＮＯXにする過程が介在するために、触媒温度やＮＯX濃度測定への依存性が高く、検出結果に誤差を生じるおそれがある。
【００１０】
そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、被測定排気ガス中に含まれるアンモニアを、ＮＯXを生成することなく分解する分解触媒を備えた構成とすることによりこのような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明は、アンモニアとＮＯXとが並存する被測定ガス中のＮＯX濃度及びアンモニア濃度あるいはいずれか一方を精度良く検出することができる特定ガス濃度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、被測定ガス中のＮＯX濃度を検出するための特定ガス濃度センサであって、被測定ガスが流れ込むように直列に配置された上流側の第１空間及び下流側の第２空間と、固体電解質体の両面に一対の電極が配置されるとともに、一対の電極のうちのいずれか一方の電極が第１空間に面する第１素子と、固体電解質体の両面に一対の電極が配置されるとともに、一対の電極のうちのいずれか一方の電極が第２空間に面する第２素子と、を備えるとともに、第１素子によってＮＯが解離しないように被測定ガス中の酸素を汲み出した後、第２素子によって被測定ガス中のＮＯを解離して酸素を汲み出し、第２素子に流れる電流値を被測定ガス中のＮＯX濃度を示す情報として取出すように構成されており、第１空間よりも上流側に、被測定ガス中のアンモニアをＮＯX以外の成分に分解する分解触媒を備えることを特徴とする特定ガス濃度センサ（以下、「第１の特定ガス濃度センサ」と称する場合がある。）が提供され、上述した問題を解決することができる。
【００１２】
また、本発明の別の態様は、被測定ガス中のアンモニア濃度を検出するための特定ガス濃度センサであって、被測定ガスが流れ込むように並列に配置された第１空間及び第２空間と、固体電解質体の両面に一対の電極が配置され、一対の電極のうちのいずれか一方の電極が第１空間に面する一方、他方の電極が被測定ガスとは異なる基準ガスが存在する基準ガス空間に面する第１素子と、固体電解質体の両面に一対の電極が配置され、一対の電極のうちのいずれか一方の電極が第２空間に面する一方、他方の電極が基準ガス空間に面する第２素子と、を備えるとともに、第１素子及び第２素子に流れる電流値の差を、被測定ガス中のアンモニア濃度を示す情報として取出すように構成されており、第１空間よりも上流側に、被測定ガス中のアンモニアをＮＯX以外の成分に分解する分解触媒を備えることを特徴とする特定ガス濃度センサ（以下、「第２の特定ガス濃度センサ」と称する場合がある。）である。
【００１３】
また、本発明のさらに別の態様は、被測定ガス中のアンモニア濃度及びＮＯX濃度をそれぞれ検出するための特定ガス濃度センサであって、被測定ガスが流れ込むように並列に配置された第１空間及び第２空間と、第１空間の下流側に直列に配置された第３空間と、固体電解質体の両面に一対の電極が配置され、一対の電極のうちのいずれか一方の電極が第１空間に面する一方、他方の電極が被測定ガスとは異なる基準ガスが存在する基準ガス空間に面する第１素子と、固体電解質体の両面に一対の電極が配置され、一対の電極のうちのいずれか一方の電極が第２空間に面する一方、他方の電極が基準ガス空間に面する第２素子と、固体電解質体の両面に一対の電極が配置され、一対の電極のうちのいずれか一方の電極が第３空間に面する第３素子と、を備えるとともに、第１素子によってＮＯが解離しないように被測定ガス中の酸素を汲み出した後、第３素子によって被測定ガス中のＮＯを解離して酸素を汲み出し、第３素子に流れる電流値を被測定ガス中のＮＯX濃度を示す情報として取出し、第１素子及び第２素子に流れる電流値の差を、被測定ガス中のアンモニア濃度を示す情報として取出すように構成されており、第１空間よりも上流側に、被測定ガス中のアンモニアをＮＯX以外の成分に分解する分解触媒を備えることを特徴とする特定ガス濃度センサ（以下、「第３の特定ガス濃度センサ」と称する場合がある。）である。
【００１４】
また、本発明の特定ガス濃度センサを構成するにあたり、第１空間の上流側の被測定ガスの流路に拡散律速通路が設けられ、当該拡散律速通路に分解触媒を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の第１の特定ガス濃度センサによれば、被測定ガス中に含まれるアンモニアが、分解触媒においてＮＯXを生成することなく分解された後、被測定ガスが第１空間及び第２空間に流れ込むようになる。したがって、酸素ポンプとしての第２素子に流れる電流値をもとにして、被測定ガス中のＮＯX濃度を精度良く検出することができる。
【００１６】
また、本発明の第２の特定ガス濃度センサによれば、第２空間には被測定ガスがそのまま流れ込む一方、第１空間では、被測定ガス中に含まれるアンモニアが、分解触媒においてＮＯXを生成することなく分解された後、被測定ガスが第１空間に流れ込むようになる。すなわち、第１空間には、アンモニアの分解に使用された分だけ酸素濃度が減少した被測定ガスが流れ込むようになる。したがって、電池素子としての第１素子及び第２素子に流れる電流値の差をもとにして、被測定ガス中のアンモニア濃度を精度良く検出することができる。
【００１７】
また、本発明の第３の特定ガス濃度センサによれば、第２空間には被測定ガスがそのまま流れ込む一方、第１空間及び第３空間では、被測定ガス中に含まれるアンモニアが、分解触媒においてＮＯXを生成することなく分解された後、被測定ガスが第１空間及び第３空間に流れ込むようになる。したがって、被測定ガス中のＮＯX濃度を検出する場合には、第１素子及び第３素子を酸素ポンプとして使用し、第３素子に流れる電流値をもとにして、被測定ガス中のＮＯX濃度を精度良く検出することができる。また、第１空間及び第３空間には、アンモニアの分解に使用された分だけ酸素濃度が減少した被測定ガスが流れ込むため、被測定ガス中のアンモニア濃度を検出する場合には、第１素子及び第２素子を電池素子として使用して、当該第１素子及び第２素子に流れる電流値の差をもとにして、被測定ガス中のアンモニア濃度を精度良く検出することができる。
【００１８】
また、本発明の特定ガス濃度センサにおいて、分解触媒が拡散律速通路に備えられることにより分解触媒の使用量が抑えられ、コストの増加を抑えることができるとともに、第１空間に流れ込む被測定ガス中のアンモニアを確実に分解させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の特定ガス濃度センサに関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。
【００２０】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態にかかる特定ガス濃度センサは、被測定ガス中のＮＯX濃度を測定するＮＯXセンサとして用いられる第１の特定ガス濃度センサである。
図１は、本実施形態の第１の特定ガス濃度センサ１０の構成を概略的に示す断面図である。この第１の特定ガス濃度センサ１０は、二つの固体電解質体１１、１３によって形成された被測定ガス流路１５を備えており、被測定ガス流路１５の途中には、第１空間１７及び第２空間１９が設けられている。
【００２１】
また、被測定ガス流路１５の第１空間１７の上流側には第１の拡散律速通路２１が設けられ、第１空間１７と第２空間１９との間には第２の拡散律速通路２３が設けられている。第１の拡散律速通路２１及び第２の拡散律速通路２３は、小孔や薄い切込みを形成した固体電解質体を被測定ガス流路１５に配置したり、アルミナ等の多孔質体を被測定ガス流路１５中に充填したりすることによって形成することができる。本実施形態では、小孔や薄い切込みを形成した固体電解質体を被測定ガス流路１５に配置することにより第１及び第２の拡散律速通路２１、２３が形成されている。
これらの第１の拡散律速通路２１及び第２の拡散律速通路２３を通過する被測定ガスＧは、拡散抵抗を受けつつ、下流側の第１空間１７又は第２空間１９に流れ込むようになっている。したがって、第１空間１７及び第２空間１９内での被測定ガスの滞留時間が長くなり、センサ外での被測定ガスの組成が変化した場合であっても、第１空間１７及び第２空間１９内の被測定ガスＧへの影響が少なくなる。その結果、センサでの検出精度が高められるようになっている。
【００２２】
また、被測定ガス流路１５の第１空間１７に面して第１素子３０が設けられ、第２空間１９に面して第２素子４０が設けられている。第１素子３０は、固体電解質体１３の両面に第１の内側電極３１及び第１の外側電極３３が配置されて構成されたものであり、第１の内側電極３１が第１空間１７に面し、第１の外側電極３３が基準ガス空間２５に面している。また、第２素子４０は、固体電解質体１３の両面に第２の内側電極４１及び第２の外側電極４３が配置されて構成されたものであり、第２の内側電極４１が第２空間１９に面し、第２の外側電極４３が基準ガス空間２５に面している。
【００２３】
これらの第１素子３０及び第２素子４０を構成する固定電解質体１３は、例えば、ＺｒＯ2を含むセラミック体が代表的な例であるが、酸素ポンプ素子を構成する従来公知の固体電解質体であれば好適に用いることができる。
また、固体電解質体１３の両面に配置される第１及び第２の内側電極３１、４１及び第１及び第２の外側電極３３、４３は、それぞれ酸素分子を解離可能な多孔質電極からなり、固体電解質体と同様、従来公知の多孔質電極であれば好適に用いることができる。
【００２４】
本実施形態の第１の特定ガス濃度センサ１０において、第１素子３０及び第２素子４０はともに酸素ポンプ素子として利用されるものであり、第１素子３０及び第２素子４０を構成する第１の内側電極３１と第１の外側電極３３、及び第２の内側電極４１と第２の外側電極４３はそれぞれ外部接続回路２７に接続され、一対の電極間に電圧を印加することができるようになっている。
【００２５】
このうち、第１素子３０では、被測定ガスＧ中のＮＯXのうち、ＮＯが解離しないようにして酸素のみを汲み出すように、電圧の印加が行われる。このとき、第１空間１７内では、下記式（１）で示すように、ＮＯ2が解離してＮＯ及び酸素が生成されるようになっている。
２ＮＯ2  →  ２ＮＯ＋Ｏ2  …（１）
したがって、第１空間１７からは、被測定ガスＧにもともと含まれていた酸素と、第１空間１７内で生成された酸素とが、第１素子３０によって汲み出されるようになっている。
【００２６】
また、第２素子４０では、被測定ガスＧ中のＮＯを解離して酸素を汲み出すように、電圧の印加が行われる。すなわち、第２空間内では、下記式（２）で示すように、ＮＯが解離して窒素及び酸素が生成されるようになっている。
２ＮＯ  →  Ｎ2＋Ｏ2  …（２）
したがって、第２空間１９からは、第２空間１９内で生成された酸素が第２素子４０によって汲み出されるようになっている。
【００２７】
このとき、第２素子４０に流れる電流値は、第２空間１９から汲み出された酸素濃度に応じた電流値を示し、この酸素濃度はすなわちＮＯX濃度を示すことから（上記式（２）参照）、この電流値を測定することによって、被測定ガス中のＮＯX濃度を検出することができる。
【００２８】
ここで、本実施形態の第１の特定ガス濃度センサ１０では、第１の拡散律速通路２１を形成する固体電解質体に、ＮＯXを生成しないでアンモニアを分解する機能を有する分解触媒が塗布されている。この分解触媒でのアンモニアの分解反応は、下記式（３）のように行われる。
４ＮＨ3＋３Ｏ2  →  ２Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ  …（３）
【００２９】
すなわち、アンモニアの分解触媒の機能を併せ持つ第１の拡散律速通路２１の上流側及び下流側でのＮＯX濃度に変化が生じないようになっている。さらに、第１の拡散律速通路２１を通過した被測定ガスＧ中からアンモニアが除去されるため、被測定ガスＧが第１の拡散律速通路２１より下流側の第１空間１７又は第２空間１９に到達するまでの間に、被測定ガスＧ中に含まれるアンモニアが熱分解を生じてＮＯXが生成されることもない。したがって、本実施形態の第１の特定ガス濃度センサ１０によれば、上述のように第１素子３０及び第２素子４０から酸素を汲み出すとともに、第２素子４０に流れる電流値をもとにして、被測定ガスＧ中のＮＯX濃度を精度良く検出することができる。
【００３０】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態にかかる特定ガス濃度センサは、被測定ガス中のアンモニア濃度を測定するアンモニアセンサとして用いられる第２の特定ガス濃度センサである。
図２は、本実施形態の第２の特定ガス濃度センサ５０の構成を概略的に示す断面図である。この第２の特定ガス濃度センサ５０は、三つの固体電解質体５１、５２、５３によって形成された第１の被測定ガス流路５４及び第２の被測定ガス流路５５を備えており、第１の被測定ガス流路５４の途中には第１空間５７が設けられ、第２の被測定ガス流路５５の途中には第２空間５９が設けられている。
【００３１】
また、第１の被測定ガス流路５４の第１空間５７の上流側には第１の拡散律速通路６１が設けられ、第２の被測定ガス流路５５の第２空間５９の上流側には第２の拡散律速通路６３が設けられている。これらの第１の拡散律速通路６１及び第２の拡散律速通路６３は、基本的には、第１の実施の形態で説明した拡散律速通路と同様に形成されている。
【００３２】
また、第１の被測定ガス流路５４の第１空間５７に面して第１素子７０が設けられ、第２の被測定ガス流路５５の第２空間５９に面して第２素子８０が設けられている。第１素子７０は、固体電解質体５１の両面に第１の内側電極７１及び第１の外側電極７３が配置されて構成されたものであり、第１の内側電極７１が第１空間に面している。また、第２素子８０は、固体電解質体５３の両面に第２の内側電極８１及び第２の外側電極８３が配置されて構成されたものであり、第２の内側電極８１が第２空間５９に面している。
これらの第１素子７０及び第２素子８０の構成は、基本的には第１の実施の形態で説明した第１素子及び第２素子と同様とすることができる。
【００３３】
また、本実施形態の第２の特定ガス濃度センサ５０では、第１素子７０を挟んだ第１の被測定ガス流路５４の反対側には第１の基準ガス空間６５が形成され、第１素子７０を構成する第１の外側電極７３が第１の基準ガス空間６５に面するようになっている。同様に、第２素子８０を挟んだ第２の被測定ガス流路５５の反対側には第２の基準ガス空間６７が形成され、第２素子８０を構成する第２の外側電極８３が第２の基準ガス空間６７に面するようになっている。これらの第１及び第２の基準ガス空間６５、６７には、大気等の共通の基準ガスが流れ込むようになっている。第１の基準ガス空間６５及び第２の基準ガス空間６７は別々の空間として構成されるのではなく、一つの空間として構成されていても構わない。
【００３４】
本実施形態の第２の特定ガス濃度センサ５０において、第１素子７０及び第２素子８０はともに電池素子として利用されるものであり、第１素子７０及び第２素子８０を構成する第１の内側電極７１と第１の外側電極７３、及び第２の内側電極８１と第２の外側電極８３はそれぞれ外部接続回路６９に接続されている。そして、第１空間５７と第１の基準ガス空間６５との酸素濃度の差によって第１素子７０に生じる起電力に応じた電流値、及び第２空間５９と第２の基準ガス空間６７との酸素濃度の差によって第２素子８０に生じる起電力に応じた電流値が測定されるように構成されている。
【００３５】
ここで、本実施形態の第２の特定ガス濃度センサ５０では、第２の拡散律速通路６３を形成する固体電解質体に、ＮＯXを生成しないでアンモニアを分解する機能を有する分解触媒が塗布されている。この分解触媒でのアンモニアの分解反応は、下記式（４）のように行われる。
４ＮＨ3＋３Ｏ2  →  ２Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ  …（４）
【００３６】
そのため、第１の被測定ガス流路５４の第１空間５７には、含まれるアンモニアがそのままの状態で被測定ガスＧ´中が流れ込む一方、第２の被測定ガス流路５５の第２空間５９には、分解触媒においてアンモニアが分解除去された状態で被測定ガスＧが流れ込む。すなわち、第１空間５７に流れ込む被測定ガスＧ´と、第２空間５９に流れ込む被測定ガスＧとは、アンモニア濃度が異なるとともに、アンモニアの分解に使用された酸素濃度を反映して、酸素濃度が異なるようになっている。
【００３７】
したがって、本実施形態の第２の特定ガス濃度センサ５０では、第１空間５７と第２空間５９との酸素濃度の違いに起因して、第１素子７０に生じる起電力と第２素子８０に生じる起電力との間に差が生じるようになっている。そのため、測定された第２素子８０に流れる電流値と第１素子７０に流れる電流値との差から酸素濃度の差が求められる。この酸素濃度の差はすなわちアンモニアの分解に用いられた酸素濃度を示すことから、この電流値の差を測定することによって、下記式（５）から被測定ガスＧ中のアンモニア濃度を導出することができる。
［ＮＨ3］＝［Ｏ2］×４／３  …（５）
【００３８】
このように、本実施形態の第２の特定ガス濃度センサ５０によれば、第１素子７０及び第２素子８０に流れる電流値の差をもとにして、アンモニアの分解に用いられた酸素濃度が求められるため、被測定ガスＧ中のアンモニア濃度を精度良く検出することができる。
【００３９】
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態にかかる第３の特定ガス濃度センサは、被測定ガス中のＮＯX濃度を測定するＮＯXセンサ及び被測定ガス中のアンモニア濃度を測定するアンモニアセンサの機能を併せ持った第３の特定ガス濃度センサである。本実施形態の第３の特定ガス濃度センサは、基本的には、第１の特定ガス濃度センサ及び第２の特定ガス濃度センサを組み合わせて構成されたものである。
【００４０】
図３は、本実施形態の第３の特定ガス濃度センサ１００の構成を概略的に示す断面図である。この第３の特定ガス濃度センサ１００は、三つの固体電解質体１０１、１０２、１０３によって形成された第１の被測定ガス流路１０４及び第２の被測定ガス流路１０５を備えており、第１の被測定ガス流路１０４の途中には第１空間１０７が設けられ、第２の被測定ガス流路１０５の途中には第２空間１０８及び第３空間１０９が設けられている。
【００４１】
また、第１の被測定ガス流路１０４の第１空間１０７の上流側には第１の拡散律速通路１１１が設けられている。同様に、第２の被測定ガス流路１０５の第２空間１０８の上流側には第２の拡散律速通路１１２が設けられ、第２空間１０８と第３空間１０９との間には第３の拡散律速通路１１３が設けられている。これらの第１〜第３の拡散律速通路１１１、１１２、１１３は、第１の実施の形態で説明した拡散律速通路と同様の構成とすることができる。
【００４２】
また、第１の被測定ガス流路１０４の第１空間１０７に面して第１素子１２０が設けられている。第１素子１２０は、固定電解質１０１体の両面に第１の内側電極１２１及び第１の外側電極１２３が配置されて構成されたものであり、第１の内側電極１２１が第１空間１０７に面している。
同様に、第２の被測定ガス流路１０５の第２空間１０８に面して第２素子１３０が設けられ、第３空間１０９に面して第３素子１４０が設けられている。第２素子１３０は、固体電解質体１０３の両面に第２の内側電極１３１及び第２の外側電極１３３が配置されて構成されたものであり、第２の内側電極１３１が第２空間１０８に面している。また、第３素子１４０は、固体電解質体１０３の両面に第３の内側電極１４１及び第３の外側電極１４３が配置されて構成されたものであり、第３の内側電極１４１が第３空間１０９に面している。
【００４３】
また、本実施形態の第３の特定ガス濃度センサ１００では、第１素子１２０を挟んだ第１の被測定ガス流路１０４の反対側には第１の基準ガス空間１１５が形成され、第１素子１２０を構成する第１の外側電極１２３が第１の基準ガス空間１１５に面するようになっている。同様に、第２素子１３０を挟んだ第２の被測定ガス流路１０５の反対側には第２の基準ガス空間１１７が形成され、第２素子１３０を構成する第２の外側電極１３３及び第３素子１４０を構成する第３の外側電極１４３が第２の基準ガス空間１１７に面するようになっている。これらの第１の基準ガス空間１１５及び第２の基準ガス空間１１７には、大気等の共通の基準ガスが流れ込むようになっている。第１の基準ガス空間１１５及び第２の基準ガス空間１１７は別々の空間として構成されるのではなく、一つの空間として構成されていても構わない。
これらの第１素子〜第３素子１２０、１３０、１４０の構成は、基本的には第１の実施の形態で説明した第１素子及び第２素子と同様である。
【００４４】
本実施形態の第３の特定ガス濃度センサ１００において、第１素子１２０は電池素子として利用され、第２素子１３０は酸素ポンプ素子及び電池素子として利用され、さらに第３素子１４０は酸素ポンプ素子として利用されるものである。これらの第１素子１２０を構成する第１の内側電極１２１と第１の外側電極１２３、第２素子１３０を構成する第２の内側電極１３１と第２の外側電極１３３、及び第３素子１４０を構成する第３の内側電極１４１と第３の外側電極１４３はそれぞれ外部接続回路１２７に接続されている。
このうち、第１素子１２０及び第２素子１３０が電池素子として利用される場合には、第１空間１０７と第１の基準ガス空間１１５との酸素濃度の差によって第１素子１２０に生じる起電力に応じた電流値が測定され、第２空間１０８と第２の基準ガス空間１１７との酸素濃度の差によって第２素子１３０に生じる起電力に応じた電流値が測定されるように構成されている。また、第２素子１３０及び第３素子１４０が酸素ポンプ素子として利用される場合には、それぞれの一対の電極間に所定の電圧が印加され、被測定ガスＧ中の酸素が汲み出されるように構成されている。
【００４５】
ここで、本実施形態の第３の特定ガス濃度センサ１００では、第２の拡散律速通路１１２を形成する固体電解質体に、ＮＯXを生成しないでアンモニアを分解する機能を有する分解触媒が塗布されている。この分解触媒でのアンモニアの分解反応は、下記式（６）のように行われる。
４ＮＨ3＋３Ｏ2  →  ２Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ  …（６）
【００４６】
そのため、第１の被測定ガス流路１０４の第１空間１０７には、含まれるアンモニアがそのままの状態で被測定ガスＧ´が流れ込む一方、第２の被測定ガス流路１０５の第２空間１０８及び第３空間１０９には、分解触媒においてアンモニアが分解除去された状態で被測定ガスＧが流れ込む。すなわち、第１空間１０７に流れ込む被測定ガスＧ´と、第２空間１０８に流れ込む被測定ガスＧとは、アンモニア濃度が異なるとともに、アンモニアの分解に使用された酸素濃度を反映して、酸素濃度が異なるようになっている。その際、第２の拡散律速通路１１２の上流側及び下流側でのＮＯX濃度に変化が生じないようになっている。
【００４７】
したがって、本実施形態の第３の特定ガス濃度センサ１００では、第１素子１２０及び第２素子１３０を電池素子として利用した場合に、第１空間１０７と第２空間１０８との酸素濃度の違いに起因して、第１素子１２０に生じる起電力と第２素子１３０に生じる起電力との間に差が生じるようになっている。そのため、測定された第２素子１３０に流れる電流値と第１素子１２０に流れる電流値との差から酸素濃度の差が求められる。この酸素濃度の差はすなわちアンモニアの分解に用いられた酸素濃度を示すことから、この電流値の差を測定することによって、下記式（７）から被測定ガスＧ中のアンモニア濃度を導出することができる。
［ＮＨ3］＝［Ｏ2］×４／３  …（７）
【００４８】
このように、本実施形態の第３の特定ガス濃度センサ１００においては、第１素子１２０及び第２素子１３０に流れる電流値の差をもとにして、アンモニアの分解に用いられた酸素濃度が求められるため、被測定ガスＧ中のアンモニア濃度を精度良く検出することができる。
【００４９】
一方、本実施形態の第３の特定ガス濃度センサ１００では、第２素子１３０及び第３素子１４０を酸素ポンプ素子として利用した場合に、第２素子１３０では、被測定ガスＧ中のＮＯXのうち、ＮＯが解離しないようにして、酸素のみを汲み出すように、電圧の印加が行われる。このとき、第２空間１０８内では、下記式（８）に示すように、ＮＯ2が解離してＮＯ及び酸素が生成されるようになっている。
２ＮＯ2  →  ２ＮＯ＋Ｏ2  …（８）
したがって、第２空間１０８からは、被測定ガスＧにもともと含まれていた酸素と、第２空間１０８内で生成された酸素とが、第２素子１３０によって汲み出されるようになっている。
【００５０】
また、第３素子１４０では、被測定ガスＧ中のＮＯを解離して酸素を汲み出すように、電圧の印加が行われる。すなわち、第３空間１０９内では、下記式（９）に示すように、ＮＯが解離して窒素及び酸素が生成されるようになっている。
２ＮＯ  →  Ｎ2＋Ｏ2  …（９）
したがって、第３空間１０９からは、第３空間１０９内で生成された酸素が第３素子１４０によって汲み出されるようになっている。
【００５１】
このとき、第３素子１４０に流れる電流値は、第３空間１０９から汲み出された酸素濃度に応じた電流値を示し、この酸素濃度はすなわちＮＯX濃度を示すことから（上記式（９）参照）、この電流値を測定することによって、被測定ガスＧ中のＮＯX濃度を検出することができる。
このとき、第２の拡散律速通路１１２において、被測定ガスＧ中のアンモニアが分解されて除去されているため、第２の拡散律速通路１１２より下流側の第２空間１０８又は第３空間１０９に到達するまでの間に、被測定ガスＧ中に含まれるアンモニアが熱分解を生じてＮＯXが生成されることがないため、被測定ガスＧ中のＮＯX濃度を精度良く検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上説明した特定ガス濃度センサによれば、ＮＯXを生成しないでアンモニアを分解する分解触媒を備えているために、被測定ガス中にアンモニア及びＮＯXが並存している場合であっても、アンモニア濃度及びＮＯX濃度あるいはいずれか一方を精度良く検出することができる。したがって、ディーゼルエンジンを搭載した車両の排気系に備えられて、排気浄化制御に利用されるセンサとして好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる第１の特定ガス濃度センサの構成を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態にかかる第２の特定ガス濃度センサの構成を説明するための断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態にかかる第３の特定ガス濃度センサの構成を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０：第１の特定ガス濃度センサ（ＮＯXセンサ）、１１・１３：固体電解質体、１５：被測定ガス流路、１７：第１空間、１９：第２空間、２１：第１の拡散律速通路、２３：第２の拡散律速通路、２７：外部接続回路、３０：第１素子、３１：第１の内側電極、３３：第２の内側電極、４０：第２素子、４１：第２の内側電極、４３：第２の内側電極、５０：第２の特定ガス濃度センサ（アンモニアセンサ）、５１・５２・５３：固体電解質体、５４：第１の被測定ガス流路、５５：第２の被測定ガス流路、５７：第１空間、５９：第２空間、６１：第１の拡散律速通路、６３：第２の拡散律速通路、６９：外部接続回路、７０：第１素子、７１：第１の内側電極、７３：第２の内側電極、８０：第２素子、８１：第２の内側電極、８３：第２の内側電極、１００：第３の特定ガス濃度センサ（ＮＯX及びアンモニアセンサ）、１０１・１０２・１０３：固定電解質体、１０４：第１の被測定ガス流路、１０５：第２の被測定ガス流路、１０７：第１空間、１０８：第２空間、１０９：第３空間、１１１：第１の拡散律速通路、１１２：第２の拡散律速通路、１１３：第３の拡散律速通路、１１５：第１の基準ガス空間、１１７：第２の基準ガス空間、１２０：第１素子、１２１：第１の内側電極、１２３：第１の外側電極、１２７：外部接続回路、１３０：第１素子、１３１：第１の内側電極、１３３：第１の外側電極、１４０：第１素子、１４１：第１の内側電極、１４３：第１の外側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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