KR101851281B1 - 암모니아 센서 - Google Patents
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Abstract
암모니아 농도의 검출응답성을 향상시킬 수 있는 암모니아 센서를 제공한다. 산소 이온 전도성을 갖는 판상의 고체 전해질 1의 표면에, 암모니아에 대한 반응성이 서로 다른 한 쌍의 전극 2가 형성된 판상 센서 소자와, 한 쌍의 전극 2 사이의 전위차 또는 전류 중 적어도 하나를 측정하는 측정 장치 12를 갖추고, 한 쌍의 전극 2 모두가, 측정 대상 가스 E에 노출되게 형성되고, 고체 전해질 1이 다공질로 형성되고, 판상 센서 소자 20의 두께 방향에서, 판상 센서 소자 20의 고체 전해질 1의 한쪽 측면에서 이 한쪽 측면에 대향하는 다른 쪽 측면까지 측정 대상 가스 E가 통류하는 가스통류공이 다수 형성되어 있다.
Description
본 발명은, 산소 이온 전도성을 갖는 판상 고체 전해질의 표면에, 암모니아에 대한 반응성이 서로 다른 한 쌍의 전극이 형성된 판상 센서 소자와, 한 쌍의 전극 사이의 전위차 또는 전류 중 하나를 측정하는 측정 장치를 갖추고, 한 쌍의 전극 모두가, 측정 대상 가스에 노출되도록 형성되어 있는 암모니아 센서에 관한 것이다.
이와 같은 암모니아 센서에서는, 한 쌍의 전극이 측정 대상 가스에 노출된 것에 의하여, 한쪽 전극에서 측정 대상 가스에 포함되는 산소를 이온화하는 반응이 진행되고, 그 반응에 의하여 발생하는 산소 이온이 고체 전해질 내를 이동하며, 다른 쪽의 전극에서 산소 이온이 측정 대상 가스에 포함된 암모니아를 산화하는 반응이 진행된다. 이와 같은 한 쌍의 전극 반응으로, 측정 대상 가스 중의 암모니아 농도에 따른 기전력이 한 쌍의 전극 사이에 발생한다. 따라서, 이러한 기전력을 측정함으로써, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도의 검출이 가능하다.
이러한 암모니아 센서로, 요소 SCR 시스템을 갖춘 자동차 등으로부터 대기 중에 배출되는 배기가스의 암모니아 농도를 검출하는 것이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이 특허문헌 1에는, 암모니아 센서에 의해서 검출된 암모니아 농도에 따라서, 요소 SCR 시스템에서 배기가스 중에 분사하는 요소량을, 암모니아 배출이 억제되는 요소량으로 조정하는 것이 기재되어 있다. 따라서, 이러한 요소 SCR 시스템을 갖춘 자동차 등으로부터 대기 중으로 배출하는 암모니아를 저감하려면 암모니아 센서의 뛰어난 응답성이 필요하다.
최근 환경 보호의 관점에서, 자동차 등에서 배출되는 암모니아에 대한 농도 규제가 강화되고 있다. 이런 농도 규제 강화에 대응하고, 요소 SCR 시스템을 갖춘 자동차 등으로부터 대기 중에 배출되는 암모니아를 저감하기 위해서, 암모니아 센서의 응답성 향상이 요망된다.
본 발명은, 상기 실정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 암모니아 농도 검출 응답성을 향상할 수 있는 암모니아 센서를 제공하는 점에 있다.
본 발명에 관련된 암모니아 센서는,
산소 이온 전도성을 갖는 판상 고체 전해질의 표면에, 암모니아에 대한 반응성이 서로 다른 한 쌍의 전극이 형성된 판상 센서 소자와,
상기 한 쌍의 전극 사이의 전위차 또는 전류 중 하나를 측정하는 측정 장치를 구비하고,
상기 한 쌍의 전극 모두가, 측정 대상 가스에 노출되게 형성되어 있는 암모니아 센서로서, 그 특징적 구성은,
상기 고체 전해질과 상기 한 쌍의 전극이 다공질로 형성되고,
상기 한 쌍의 전극은, 암모니아에 대한 산화 활성을 갖는 제1전극과, 상기 제1전극보다 암모니아에 대한 산화 활성이 낮은 제2전극으로 구성되며,
상기 제1전극은 ZnO, SnO2 및 In2O3 중 적어도 하나 이상을 포함하는 암모니아에 대한 산화 활성이 높은 재질을 50 ~ 90Wt% 포함하고, 유리를 1 ~ 15Wt% 포함하며,
상기 한 쌍의 전극은, 암모니아에 대한 산화 활성을 갖는 제1전극과, 상기 제1전극보다 암모니아에 대한 산화 활성이 낮은 제2전극으로 구성되며,
상기 제1전극은 ZnO, SnO2 및 In2O3 중 적어도 하나 이상을 포함하는 암모니아에 대한 산화 활성이 높은 재질을 50 ~ 90Wt% 포함하고, 유리를 1 ~ 15Wt% 포함하며,
상기 판상 센서 소자의 두께 방향에서, 상기 판상 센서 소자의 고체 전해질의 한쪽 측면에서 상기 한쪽 측면에 마주보는 다른 쪽 측면까지 상기 측정 대상 가스가 통류하는 가스통류공이 다수 형성되어 있다는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 따르면, 측정 대상 가스가 고체 전해질 내를 통과하고, 센서 소자의 고체 전해질의 한쪽 측면에서 다른 쪽 측면까지 통류한다. 이로 인해, 측정 대상 가스가, 측정 대상 가스의 전극 반응이 활발해지는 고체 전해질과 전극의 계면 전체에 신속하게 도달한다. 그 결과, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아의 전극 반응이 진행되므로, 한 쌍의 전극 사이에 암모니아의 농도에 따른 기전력이 신속하게 발생한다. 이처럼 신속하게 발생하는 기전력을 측정 장치에 의해서 측정함으로써, 암모니아 농도를 검출할 수 있기 때문에, 암모니아 농도 검출 응답성을 향상할 수 있다.
예를 들면, 고체 전해질이 치밀질인 경우에는, 고체 전해질이 형성된 전극의 한쪽 표면이, 고체 전해질에 의해서 막힌 상태이므로, 측정 대상 가스의 통류가 저해되는 상태가 된다. 이 경우, 외부에서 새로 유입하는 측정 대상 가스가 고체 전해질과 전극의 계면 전체에 신속하게 도달하는 것이 저해되고, 암모니아 농도 검출 응답성을 향상시킬 수 없다. 이에 대하여, 본 특징적 구성에 따르면, 상술한 것처럼, 측정 대상 가스가, 측정 대상 가스의 전극 반응이 활발하게 되는 고체 전해질과 전극의 계면 전체에 신속하게 도달하기 때문에, 암모니아 농도 검출 응답성을 향상할 수 있다.
또한, 상기 특징적 구성에 따르면,
제1전극에서 암모니아를 산화하는 전극반응이 촉진되기 때문에, 제1전극이 애노드, 제2전극이 캐소드가 되는 상태로, 한 쌍의 전극 사이에 기전력을 발생시키는 것이 가능하다.
또한, 상기 특징적 구성에 따르면, ZnO, SnO2 및 In2O3이, 암모니아에 대한 높은 산화 활성을 갖기 때문에, 애노드가 되는 제1전극으로, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아를 산화하는 전극반응을 촉진시키는 것이 가능하다. 이에 의해서, 한 쌍의 전극 사이에 큰 기전력이 발생하기 때문에, 기전력에 기반하여, 보다 정확히 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도를 검출할 수 있다.
또한, 상기 특징적 구성에 따르면, 제1전극이 유리를 포함하므로, 제1전극의 소결성을 향상시키는 것이 가능하다.
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또한, 상기 특징적 구성에 따르면, ZnO, SnO2 및 In2O3이, 암모니아에 대한 높은 산화 활성을 갖기 때문에, 애노드가 되는 제1전극으로, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아를 산화하는 전극반응을 촉진시키는 것이 가능하다. 이에 의해서, 한 쌍의 전극 사이에 큰 기전력이 발생하기 때문에, 기전력에 기반하여, 보다 정확히 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도를 검출할 수 있다.
또한, 상기 특징적 구성에 따르면, 제1전극이 유리를 포함하므로, 제1전극의 소결성을 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명에 관련된 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 고체 전해질의 한쪽 측면에 상기 한 쌍의 전극 중 하나가 형성되고, 상기 고체 전해질의 한쪽 측면에 대향하는 다른 쪽 측면에 상기 한 쌍의 전극 중 다른 하나가 형성된 상기 센서 소자를 갖춘 점에 있다.
상기 특징적 구성에 따르면, 측정 대상 가스가, 한쪽 전극과 고체 전해질의 계면을 통과한 후에, 고체 전해질 내를 통류하고, 다른 쪽 전극과 고체 전해질의 계면에 도달하기 때문에, 측정 대상 가스의 전극 반응이 활발하게 되는 고체 전해질과 한쪽 전극의 계면 및 고체 전해질과 다른 쪽 전극의 계면에 신속하게 도달한다. 이에 의하여, 측정 대상 가스에 포함되는 암모니아의 전극반응이 촉진되기 때문에, 암모니아 농도의 검출응답성을 향상할 수 있다. 또한, 고체 전해질의 한쪽 측면과 다른 쪽 측면의 각각에, 한 개씩 전극이 구비되어 있기 때문에, 고체 전해질의 한쪽 측면 및 다른 측면의 각각에, 전극면적을 넓게 형성할 수 있다. 이에 의하여, 각각의 전극에, 측정 대상 가스에 포함되는 암모니아의 전극반응을 촉진할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 고체 전해질의 한쪽 측면에, 상기 한 쌍의 전극이 형성되어 있는 상기 센서 소자를 구비한다는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 따르면, 고체 전해질의 한쪽 측면에, 한 쌍의 전극의 모든 전극이 형성되어 있기 때문에, 모든 전극이 구비된 고체 전해질의 한쪽 측면에 측정 대상 가스가 도달하는 것에 의하여, 측정대상에 포함된 암모니아의 전극반응에 의한 기전력이 발생한다. 따라서, 측정 대상 가스가 고체 전해질의 다른 쪽 측면에 도달할 필요 없이, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아의 전극반응에 의해서 발생하는 기전력을 측정할 수 있다. 이에 의하여, 암모니아 농도를 신속하게 검출할 수 있다.
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본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 제2전극이, 귀금속을 포함한다는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 따르면, 귀금속이, 산소 분자를 산소 이온으로 분해하는 높은 분해활성을 갖기 때문에, 캐소드가 되는 제2전극에서, 측정 대상 가스에 포함된 산소를 산소 이온화하는 전극반응을 촉진시키는 것이 가능하다. 이에 의하여, 한 쌍의 전극 사이에 큰 기전력이 발생하기 때문에, 그 기전력에 기반하여, 보다 정확하게 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도를 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 제2전극이, 질소산화물 가스에 대한 분해활성을 갖는 재질을 포함한다는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 따르면, 측정 대상 가스에 포함된 질소산화물가스가, 암모니아를 산화하는 전극반응에 작용하여, 한 쌍의 전극 사이에 발생하는 기전력의 저하를 방지할 수 있다.
요컨대, 측정 대상 가스에 질소산화물가스로서의 이산화질소가 포함된 경우, 이 이산화질소가, 애노드인 제1전극에서 암모니아를 산화하는 전극반응에 작용하는 것에 의해서, 한 쌍의 전극 사이에 발생하는 기전력이 저하될 수 있다. 이런 경우에, 본 특징적 구성에 의하면, 캐소드인 제2전극에서, 측정 대상 가스에 포함된 이산화질소로부터 산소 이온을 분해하는 전극반응을 촉진시키는 것이 가능하기 때문에, 한 쌍의 전극 사이에 발생하는 기전력이 증가된다. 따라서, 상술한 기전력 저하를 방지할 수 있다.
그리고 측정 대상 가스에 포함된 이산화질소의 농도가 높아질수록, 이산화질소가 제1전극의 전극반응에 작용하는 것에 의해 발생하는 기전력의 감소량이 커지게 되고, 마찬가지로, 이산화질소가 제2전극의 전극반응에 작용하는 것에 의해 발생하는 기전력의 증가량도 커지게 된다. 따라서, 어느 이산화질소의 농도에도, 이산화질소가 제1전극의 전극반응에 작용하는 것에 의해서 발생하는 기전력의 감소를, 이산화질소가 제2전극의 전극반응에 작용하는 것에 의해 발생하는 기전력의 증가에 의해서 방지할 수 있다. 따라서 측정 대상 가스에 이산화질소가 포함된 경우에도, 한 쌍의 전극 사이에 발생하는 기전력의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 질소산화물가스에 대한 분해활성을 갖는 재질이, NiO, CuO, Cr2O3, WO3, 2CuO-Cr2O3, LaNiO3, LaCoO3, La0 . 6Sr0 . 4Co0 . 8Fe0 . 2O3, La0 . 8Sr0 . 2MnO3 혹은 La0 . 85Sr0 . 15CrO3 중 하나 이상의 재질인 점에 있다.
상기 특징적 구성에 따르면, 상술한 바와 같이, 측정 대상 가스에 포함된 질소산화물가스가, 암모니아를 산화하는 전극반응에 작용하여, 한 쌍의 전극의 사이에 발생하는 기전력의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 한 쌍의 전극의 각각은, 산소 이온 전도성의 고체 전해질, 알루미나, 지르코니아 및 유리 중 하나 이상을 포함한다는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 따르면, 한 쌍의 전극 각각이, 산소 이온 전도성의 고체 전해질을 포함하고 있는 경우에는, 전극 내의 전극반응이 활성화하는 전극재료와 고체 전해질의 계면이 증가된다. 따라서, 한 쌍의 전극의 각각에, 전극반응을 촉진할 수 있다.
또한, 한 쌍의 전극 각각이, 알루미나 혹은 지르코니아를 포함하고 있는 경우에는, 한 쌍의 전극 각각의 전기저항치를 조정할 수 있다. 구체적으로는, 절연체인 알루미나 혹은 지르코니아의 함유량을 조절하는 것에 의하여, 한 쌍의 전극 각각의 전기저항치를, 요망하는 저항치로 조정할 수 있다. 예를 들면, 각각의 전극의 전기 저항치를 조정하는 것에 의해, 측정 대상 가스에 포함된 공존가스인 수분이나 산소가, 한 쌍의 전극 사이에 발생하는 기전력에 미치는 영향을 가능한 한 적게 할 수 있다.
더욱이, 한 쌍의 전극 각각이, 유리를 포함하고 있는 경우에는, 전극의 소결성을 향상할 수 있다. 즉, 소결온도가 높은 알루미나 혹은 지르코니아를 포함하는 것에 의해서, 전극의 소결온도를 고온으로 하는 것이 필요하게 되지만, 글래스를 전극에 포함시키는 것에 의해서, 전극의 소결성을 향상시키는 것이 가능하기 때문에, 알루미나 혹은 지르코니아가 전극에 포함되어 있는 경우에도, 전극의 소결온도가 고온이 되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 고체 전해질은, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마륨이 도핑된 세리아(SDC), 가돌리늄이 도핑된 세리아(GDC) 혹은 이산화토륨(ThO2)중 어느 재질에 의해 형성되어 있다는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 고체 전해질이 양호한 산소 이온 도전성을 갖기 때문에, 캐소드가 되는 전극에서 발생하는 산소 이온을, 효율적으로 고체 전해질 내에 넣고 이동시키는 것이 가능하다. 그리고 양호한 산소 이온의 이동에 동반하여 발생하는 큰 기전력을 측정하는 것에 의해서, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도를 정확히 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 측정 대상 가스에 포함된 일산화탄소 및 탄화수소를 산화하는 미연물(未燃物) 산화 촉매층이, 상기 판상 센서 소자의 상기 한쪽 측면 및 상기 다른 쪽 측면 중 적어도 어느 한쪽에 구비되었다는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 한 쌍의 전극에서 전극반응을 저해하는 가능성이 있는 일산화탄소 및 탄화수소가, 한 쌍의 전극에 유입되기 전에 산화되어 제거되기 때문에, 일산화탄소 및 탄화수소가, 한 쌍의 전극에서 전극반응을 저해하는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 암모니아 농도의 검출정밀도의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 미연물 산화 촉매층이, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru 혹은 Ag 중 하나 이상이 분산 담지된 다공성 세라믹을 포함하는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 일산화탄소 및 탄화수소가, 한 쌍의 전극에서 전극반응을 저해하는 것을 방지하는 것이 가능하기 때문에, 암모니아 농도의 검출정밀도의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 측정 대상 가스에 포함된 암모니아를 산화하는 암모니아 산화 촉매층이, 상기 판상 센서 소자의 상기 한쪽 측면 또는 상기 다른 쪽 측면에 구비된다는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 측정 대상 가스가 한 쌍의 전극에 유입되기 전에, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아의 일부 혹은 전부를 산화하여 제거할 수 있다. 예를 들면, 소정 농도의 암모니아를 산화하여 제거하는 암모니아 산화 촉매층을 구비함으로써, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아가 소정 농도 이하의 경우에는 암모니아를 검출하지 않고, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아가 소정 농도를 초과할 경우에는 암모니아를 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 암모니아 산화 촉매층은, Co3O4, MnO2, V2O5, Ni-Al2O3, Fe-Al2O3, Mn-Al2O3, CuO-Al2O3, Fe2O3-Al2O3, Fe2O3-TiO2, Fe2O3-ZrO2 혹은, 금속 이온교환 제올라이트 중 하나 이상을 포함하는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 상술한 바와 같이, 측정 대상 가스가 한 쌍의 전극에 유입하기 전에, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아의 일부 혹은 전부를 산화하여 제거하는 것이 가능하기 때문에, 예를 들면, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아가 소정 농도 이하인 경우는 암모니아를 검출하지 않고, 소정 농도를 초과하는 경우에 암모니아를 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 판상 센서 소자를 지지하는 지지체가, 상기 판상 센서 소자의 상기 한쪽 측면 혹은 상기 다른 쪽 측면에 구비되며,
상기 지지체에, 상기 판상 센서 소자를 가열하는 히터가 구비되어 있다는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 판상 센서 소자가 지지체에 의해서 지지되고 있기 때문에, 판상 센서 소자의 기계적 강도를 보강할 수 있다. 또한, 판상 센서 소자를 가열하는 히터가 구비되어 있기 때문에, 판상 센서 소자를 소정의 최적온도로 가열할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 판상 센서 소자의 상기 한쪽 측면에, 상기 판상 센서 소자를 지지하는 지지체가 구비되어, 상기 제1전극이 형성된 상기 판상 센서 소자의 상기 다른 쪽 측면에, 상기 측정 대상 가스에 포함된 일산화탄소와 탄화수소를 산화하는 미연물 산화 촉매층 및 상기 측정 대상 가스에 포함된 암모니아를 산화하는 암모니아 산화 촉매층이 적층상태로 구비되어 있는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 측정 대상 가스가, 판상 센서 소자의 다른 쪽 측면으로부터 유입되는 경우, 미연물 산화 촉매층 및 암모니아 산화 촉매층을 통과하여, 판상 센서 소자에 유입되기 때문에, 암모니아의 전극반응을 저해하는 가능성이 있는 일산화탄소 및 탄화수소가, 제1전극에 유입되기 전에 산화제거 때문에, 암모니아 농도의 검출정밀도 저하를 방지할 수 있다. 게다가, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아의 일부 혹은 전부가, 제1전극에 유입되기 전에 산화되어 제거되기 때문에, 예를 들면, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아가 소정 농도 이하의 경우는 암모니아를 검출하지 않고, 소정 농도를 초과할 경우에 암모니아를 검출할 수 있다. 또한, 판상 센서 소자가 지지체에 의해서 지지되기 때문에, 판상 센서 소자의 기계적 강도를 보강할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 한 쌍의 전극 사이에, 일정 전압 혹은 일정 전류를 인가하는 전원 장치를 구비한다는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 따르면, 한 쌍의 전극 사이에, 일정 전압 혹은 일정 전류를 인가하는 것에 의하여, 한 쌍의 전극에서 전극반응을 촉진할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 암모니아의 전극반응에 의하여 발생하는 기전력이 작고, 그 기전력으로부터 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도를 검출하는 것이 곤란한 경우에도, 한 쌍의 전극 사이에 일정 전압 혹은 일정 전류를 인가하는 것에 의해서, 암모니아의 전극반응이 촉진되기 때문에, 한 쌍의 전극 사이에서 암모니아의 전극반응에 기반한 큰 전위차 혹은 전류가 발생한다. 이 전위차 혹은 전류 중 하나를 측정하는 것에 의해서, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도를 정확히 검출할 수 있다.
본 발명에 관한 암모니아 센서의 추가된 특징적 구성은,
상기 한 쌍의 전극 사이에, 상기 제1전극이 애노드가 되는 상태, 또한, 상기 제2전극이 캐소드가 되는 상태로, 전압 혹은 전류를 인가하는 전원 장치를 구비한다는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 따르면, 제1전극이 애노드, 또한, 제2전극이 캐소드가 되도록 전원 장치에 의해서 전압 혹은 전류를 인가하는 것에 의해, 제1전극에서는 측정 대상 가스에 포함된 암모니아를 산화하는 전극반응이 촉진되고, 제2전극에서는 측정 대상 가스에 포함된 산소를 이온화하는 전극반응이 촉진된다. 따라서, 상술한 바와 같이, 암모니아의 전극반응에 기반하여 발생하는 기전력이 작아서, 그 기전력으로부터 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도를 검출하는 것이 곤란한 듯한 경우에도, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도를 정확히 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 센서는 측정 대상 가스가 고체 전해질 내를 통과하고, 센서 소자의 고체 전해질의 한쪽 측면에서 다른 쪽 측면까지 통류한다. 이로 인해, 측정 대상 가스가, 측정 대상 가스의 전극 반응이 활발해지는 고체 전해질과 전극의 계면 전체에 신속하게 도달한다. 그 결과, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아의 전극 반응이 진행되므로, 한 쌍의 전극 사이에 암모니아의 농도에 따른 기전력이 신속하게 발생한다. 이처럼 신속하게 발생하는 기전력을 측정 장치에 의해서 측정함으로써, 암모니아 농도를 검출할 수 있기 때문에, 암모니아 농도 검출 응답성을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 센서의 개략도
도 2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 센서의 단면도
도 3은 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 센서의 분해사시도
도 4는 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 센서의 전압과 전류의 관계를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 농도 증가시의 암모니아 센서의 응답성을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 농도 감소시의 암모니아 센서의 응답성을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 제1실시형태에 따른 공존가스가 기전력에 미치는 영향을 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 농도와 기전력의 관계를 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 제2실시형태에 따른 암모니아 센서의 분해사시도
도 10은 본 발명의 제2실시형태에 따른 암모니아 센서의 단면도
도 11은 본 발명의 제3실시형태에 따른 암모니아 센서의 분해사시도
도 12는 본 발명의 제3실시형태에 따른 암모니아 센서의 단면도
도 13은 본 발명의 기타실시형태에 따른 암모니아 센서의 개략도
도 2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 센서의 단면도
도 3은 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 센서의 분해사시도
도 4는 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 센서의 전압과 전류의 관계를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 농도 증가시의 암모니아 센서의 응답성을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 농도 감소시의 암모니아 센서의 응답성을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 제1실시형태에 따른 공존가스가 기전력에 미치는 영향을 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 제1실시형태에 따른 암모니아 농도와 기전력의 관계를 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 제2실시형태에 따른 암모니아 센서의 분해사시도
도 10은 본 발명의 제2실시형태에 따른 암모니아 센서의 단면도
도 11은 본 발명의 제3실시형태에 따른 암모니아 센서의 분해사시도
도 12는 본 발명의 제3실시형태에 따른 암모니아 센서의 단면도
도 13은 본 발명의 기타실시형태에 따른 암모니아 센서의 개략도
[제1실시형태]
본 발명에 따른 암모니아 센서의 제1실시형태에 대하여, 이하, 도면에 기반하여 설명한다. 본 실시형태의 암모니아 센서는, 예를 들면, 디젤엔진에 구비된 요소 SCR 시스템에서 배출되는 배기가스를 측정 대상 가스로 하고, 그 배기가스에 포함된 암모니아 NH3의 농도를 검출하기 위하여 사용된다. 또한, 본 실시형태의 암모니아 센서가 측정 대상 가스로 하는 측정 대상 가스는, 요소 SCR 시스템에서부터 배출된 배출가스에 한정되는 것은 아니고, 그 외의 암모니아를 포함한 배출가스를 측정 대상 가스로 할 수 있다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 따른 암모니아 센서 100은, 판상 센서 소자 20을 구비하고 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 판상 센서 소자 20은 산소 이온 전도성을 갖는 판상의 고체 전해질 1과 고체 전해질 1의 표면에 형성된 한 쌍의 전극 2를 포함한다. 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에, 판상 센서 소자 20을 지지하는 지지체 3이 구비되어 있고, 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에, 측정 대상 가스에 포함된 일산화탄소 및 탄화수소를 산화하는 미연물 산화 촉매층 4가 구비되어 있다. 이하, 도 1 및 도 2에서, 판상 센서 소자 20의 두께방향에서, 판상 센서 소자 20으로부터 지지체 3을 향하는 도면 아래 쪽을 한쪽이라고 하며, 지지체 3에서 판상 센서 소자 20을 향하는 도면의 위쪽을 다른 쪽이라고 한다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 암모니아 센서 100에는, 한 쌍의 전극 2의 사이의 전위차 혹은 전류 중 하나를 측정하는 측정장치 12가 구비되어 있다. 이 측정장치 12는, 지지체 3에 구비된 한 쌍의 단자 6에 접속되어 있다. 이 측정장치 12에 의해서, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아의 농도에 대하여 한 쌍의 전극 2 사이에서 발생하는 기전력을 측정한다. 자세한 것은 후술하지만, 한 쌍의 단자 6은 지지체 3에 구비된 리드선 5에 의하여 한 쌍의 전극 2에 접속되어 있다.
암모니아 센서 100은, 한 쌍의 전극 2를 측정 대상 가스에 노출시키면, 배기가스 암모니아 농도의 검출이 가능해진다. 예를 들면, 암모니아 센서 100을 측정 대상 가스가 흐르는 배기관 내 등에 배치하면, 측정 대상 가스의 암모니아 농도가 검출된다.
도 2 및 도 3에 기반하여, 판상 센서 소자 20에 대해 자세히 설명한다. 고체 전해질 1은 직사각형의 판상으로 형성되어 있다. 또한, 고체 전해질 1은 다공질로 형성되고, 그 다공질의 기공률은, 10%에서 80% 사이의 어떠한 기공률이 되도록 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 고체 전해질 1의 기공률은 23%가 되도록 형성되어 있다. 또한, 고체 전해질 1에는, 측정 대상 가스가 고체 전해질 1의 한쪽 측면에서부터 한쪽 측면에 대향하는 다른 쪽 측면에 도달하는 관통공이 다수 형성되어 있다. 이 관통공은, 고체 전해질 1 내의 미세한 기공끼리 접속함으로써 형성되는 것이다.
또한, 고체 전해질 1은, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마륨이 도핑된 세리아(SDC), 가돌리늄이 도핑된 세리아(GDC) 또는 이산화토륨(ThO2) 중 하나의 재질로 형성되어 있다.
한 쌍의 전극 2에 관하여 설명한다. 본 실시형태에 따른 암모니아 센서 100은, 판상의 고체 전해질 1의 한쪽 측면에 한 쌍의 전극 2 중에서 하나의 전극 2a(한쪽 편 전극이라 한다)가 형성되어, 판상의 고체 전해질 1의 한쪽 측면에 대향하는 다른 쪽 측면에 한 쌍의 전극 2 중에서 다른 하나의 전극 2b(다른 쪽 편 전극이라고 한다)가 형성된 판상 센서 소자 20을 갖춘다. 즉, 한 쌍의 전극 2는, 고체 전해질 1의 한쪽 측면과 다른 쪽 측면의 각각에 1개씩 구비되어 있다. 한쪽 편 전극 2a 및 다른 쪽 편 전극 2b는, 박판 판상으로 형성되고, 동시에, 고체 전해질 1의 두께방향에서 본 평면 시점에서 직사각형으로 형성되어 있다. 또한, 고체 전해질 1의 두께 방향에서 본 평면 시점에서, 고체 전해질 1보다도 약간 작도록 형성되어 있다.
한 쌍의 전극 2의 각각은, 고체 전해질 1과 마찬가지로, 다공질로 형성되어, 측정 대상 가스가 전극 2의 한쪽 측면에서부터 한쪽 측면에 대향하는 다른 쪽 측면에 도달하는 관통공이 다수 형성되어 있다. 이와 같이 한 쌍의 전극 2와 고체 전해질 1은 다공질로 형성되어 있기 때문에, 판상 센서 소자 20의 두께 방향에서, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면과 다른 쪽 측면 사이에 측정 대상 가스가 통류하는 가스통류공이 판상 센서 소자 20에 다수 형성되어 있다. 즉, 측정 대상 가스가, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에서 다른 쪽 측면을 향하고, 다른 쪽 측면부터 한쪽 측면을 향하여 판상 센서 소자 20을 통과할 수 있는 가스통류공이 판상 센서 소자 20에 다수 형성되어 있다. 더욱이, 자세한 것은 후술하지만, 미연물 산화 촉매층 4도, 측정 대상 가스가 통류 가능한 다공질로 형성되어 있다.
도 2에 파선의 화살표로 표시한 바와 같이, 예를 들면, 측정 대상 가스 E는, 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에서 유입되어, 다른 쪽 편 전극 2b, 고체 전해질 1 및 한쪽 편 전극 2a의 내부를 통과하고, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면까지 통류한다. 그리고 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에서 한쪽 측면까지 통류한 측정 대상 가스 E는, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측 측면에서 판상 센서 소자 20의 외부로 유출된다. 이렇게 해서, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면과 다른 쪽 측면에 구비된 한 쌍의 전극 2의 모두가, 측정 대상 가스 E에 노출되도록 형성되어 있다. 또한, 도시하지는 하지만, 측정 대상 가스 E는, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에서 유입하여, 한쪽 편 전극 2a, 고체 전해질 1 및 다른 쪽 편 전극 2b를 통과하고, 판상 센서 소자 20의 다른 측면까지 통류할 수도 있다.
한 쌍의 전극 2는, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아에 대한 산화 활성이 있는 제1전극 C와, 이 제1전극 C보다도 측정 대상 가스에 포함된 암모니아에 대한 산화 활성이 낮은 제2전극 D로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 한쪽 편 전극 2a를 제2전극 D로, 다른 쪽 편 전극 2b를 제1전극 C로 한다.
구체적으로는, 제1전극 C가, 암모니아에 대한 산화 활성이 높은 재질인 ZnO, SnO2 및 In2O3 중 하나 이상을 포함하고, 제2전극 D가, 이들 암모니아에 대한 산화 활성이 높은 재질보다도, 암모니에 대한 산화 활성이 낮은 귀금속으로 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 제1전극 C가, ZnO를 포함하여 형성되어 있고, 제2전극 D가, 백금으로 형성되어 있다.
제1전극 C 및 제2전극 D에 일어나는 전극반응에 대하여 자세히 설명한다. 캐소드인 제2전극 D와 고체 전해질 1의 계면에는, 측정 대상 가스에 포함된 산소가스가 산소 이온으로 되는 캐소드반응이 일어난다.
애노드인 제1전극 C와 고체 전해질 1의 계면에서는, 측정 대상 가스에 포함된 산소 이온이 산소가스가 되는 애노드반응이 일어난다. 또한, 암모니아가 측정 대상 가스에 포함되는 경우는, 이하의 화학식2에 나타낸 바와 같이, 암모니아에 의한 애노드반응이 일어난다.
따라서 암모니아 센서 100의 한 쌍의 전극 2 모두가 측정 대상 가스에 노출되어도, 제1전극 C 및 제2전극 D에 상술한 전극반응이 일어나기 때문에, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아의 농도에 따른 기전력이 한 쌍의 전극 2의 사이에서 발생한다. 이 기전력을 측정장치 12에 의해서 측정하면, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도를 검출할 수 있다.
또한, 제1전극 C는, 산소 이온 전도성의 고체 전해질, 알루미나, 지르코니아, 및 유리 중 하나 이상을 포함하여 형성되어 있다. 본 실시형태에는, 제1전극 C가, 산소 이온 전도성의 고체 전해질, 알루미나, 및 유리를 포함하여 형성되어 있다.
제1전극 C가, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 포함하고 있는 것에 의하여, 제1전극 C 내에서, 전극재료와 고체 전해질의 계면이 증가하기 때문에, 전극반응이 활성화된다. 이에 의하여, 제1전극 C에 있어서, 전극반응이 촉진된다. 산소 이온 전도성의 고체 전해질은, 제1전극 C에 5~30Wt%의 범위로 함유되어 있는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서, 산소 이온 전도성 고체 전해질은, 고체 전해질 1과 동일하게 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)이다.
또한, 제1전극 C가, 알루미나를 포함한 것에 의하여, 제1전극 C 의 각각의 상기 저항치를, 원하는 저항치로 조정할 수 있다. 이에 의하여, 측정 대상 가스에 포함된 공존가스인 수분과 산소가, 암모니아 농도 검출에 주는 악영향을 가능한 적게 되도록, 제1전극 C의 상기 저항치를 조정할 수 있다. 알루미나는, 제1전극 C에 1~30Wt% 의 범위로 함유되어 있는 것이 바람직하다.
게다가, 일부 실시예에서는, 제1전극 C가, 유리를 포함하고 있는 것에 의하여, 암모니아 센서 100을 만들 때, 제1전극 C의 소결성을 향상시키는 것이 가능하다. 유리는, 제1전극 C에 있어 1~15Wt%의 범위로 함유되어 있는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서, 유리는, 이산화규소를 주성분으로 한다.
또한, 제1전극 C에 있어, 암모니아에 대한 산화 활성이 높은 재질은, 50~90Wt%의 범위로 함유되어 있는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서, 제1전극 C에는, 암모니아에 대한 산화 활성이 높은 재질로 ZnO, 이트리아 안정화 지르코니아, 알루미나 및 유리가 65:27:6:2의 중량비율로 함유되어 있다.
이러한 암모니아 센서 100에 의한 암모니아 농도 검출방법은, 예를 들면, 암모니아 센서 100에 의해서 측정 대상 가스의 암모니아 농도를 검출하기 전에, 이미 알고 있는 암모니아 농도의 암모니아 혼합가스를 사용하여, 암모니아 센서 100의 한 쌍의 전극 2 사이에서 발생하는 기전력을 측정한다. 다음은, 그러한 측정결과를 바탕으로, 암모니아 농도와 기전력의 관계곡선을 작성한다. 그리고 암모니아 센서 100에 의한 측정 대상 가스의 암모니아 농도를 검출할 때, 작성한 암모니아 농도와 기전력의 관계곡선을 참조하여, 측정장치 12에 의하여 측정한 기전력에 대응하는 암모니아 농도를 검출할 수 있다.
이러한 암모니아 농도의 검출방법을 실시하기 위하여, 암모니아 농도를 검출하기 위한 검출장치(도시하지 않음)를 구비할 수 있다. 즉, 측정장치 12에 의하여 측정된 기전력이 입력되고, 동시에, 암모니아 농도와 기전력의 관계곡선이 기억되도록 구성되어, 입력된 가전력과 기억된 관계곡선으로부터 암모니아 농도를 검출하는 검출장치를 구비하는 것으로, 암모니아 농도를 검출할 수 있다.
도 1 내지 3에 나타낸 미연물 산화 촉매층 4는, 상술한 바와 같이, 측정 대상 가스가 통류가능한 다공질에 형성되고, 측정 대상 가스에 포함된 일산화탄소 및 탄화수소를 산화하기 위하여, Pt, Au, Pd, Rh, Ir, Ru 혹은 Ag 등의 귀금속, 이들 귀금속이 분산담지된 다공성 세라믹 등으로부터 선택된 하나 이상의 재질로 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 백금이 분산담지된 다공성 세라믹으로 미연물 산화 촉매층 4이 형성되어 있다.
미연물 산화 촉매층 4는, 고체 전해질 1의 두께 방향에서 본 평면 시점에서, 고체 전해질 1과 동등한 치수로 형성되어 있다. 따라서, 미연물 산화 촉매층 4는, 고체 전해질 1의 다른 쪽 측면에 형성된 다른 쪽 편 전극 2b의 다른 쪽 측 표면의 전체를 덮는 상태, 동시에, 미연물 산화 촉매층 4의 주변부가 고체 전해질 1의 주변부에 밀착된 상태로 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에 적층되어 있다.
도 2 및 도 3에 기반하여, 지지체 3에 대해 설명한다. 지지체 3은, 긴 형상으로 형성된 제1지지판 3a와 제2지지판 3b가 적층되어 형성되어 있다. 제1지지판 3a의 길이방향의 선단 측 부분의 다른 쪽 측면에 판상 센서 소자 20이 구비되어 있다. 판상 센서 소자 20은, 고체 전해질 1과 지지체 3의 사이에, 한쪽 편 전극 2a가 끼어 있는 상태, 더불어, 고체 전해질 1의 주변부가 지지체 3에 밀착된 상태로, 제1지지판 3a의 다른 쪽 측면에 적층되어 있다.
제1지지판 3a의 길이방향의 후단 측 부분의 다른 쪽 측면에 한 쌍의 단자 6이 구비되어 있다. 한 쌍의 단자 6은 측정장치 12에 접속되어 있다. 또한, 제1지지판 3a의 다른 쪽 측면에는, 판상 센서 소자 20의 한 쌍의 전극 2를 한 쌍의 단자 6에 접속하는 리드선 5가 구비되어 있다. 리드선 5는 백금으로 형성되어 있다.
제1지지판 3a와 제2지지판 3b의 사이에는 판상 센서 소자 20을 가열하는 히터 8이 구비되어 있다. 히터 8은, 제1지지판 3a와 제2지지판 3b의 사이에 위치하고, 동시에, 제1지지판 3a 및 제2지지판 3b의 길이방향의 선단 측 부분에 있어, 고체 전해질 1의 두께 방향에서 본 평면 시점에서 판상 센서 소자 20에 겹치는 위치에 구비되어 있다. 또한, 제2지지판 3b의 길이방향의 후단 측 부분에는, 한 쌍의 히터단자 9가 구비되어 있다. 히터 8과 한 쌍의 히터단자 9는 히터접속선 10으로 접속되어 있다. 한 쌍의 히터단자 9는 제2지지판 3b의 한쪽 측면에 구비되어 있어, 도시하지 않은 히터용 전원에 접속되어 있다. 이 히터용 전원에 의하여, 히터 8을 소정 온도로 가열할 수 있다.
제1지지판 3a와 제2지지판 3b는, 치밀질의 알루미나 및 이트리아 안정화 지르코니(YSZ)로 형성되어 있다. 더불어, 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ)로 형성된 경우는, 제1지지판 3a와 히터 8의 사이 및 제2지지판 3b와 히터 8의 사이에 도시하지 않은 알루미나 혹은 지르코니아 등의 절연층이 형성된다.
도 4는 본 실시형태의 암모니아 센서 100의 전압과 전류의 관계를 나타낸다. 도면에서, 횡축의 전압은, 한 쌍의 전극 2의 사이에 인가한 인가전압이고, 종축의 전류는, 인가전압에 의한 한 쌍의 전극 2 사이에 발생하는 전류이다. 이 전압과 전류의 관계는, 산소 21%, 질소 79%의 건조혼합가스에서, 암모니아 센서 100을 700℃로 가열한 상태에서, 한 쌍의 전극 2 사이에, -5V에서 5V 사이의 전압을 소정 전압간격의 인가에 의하여 얻어진 전압과 전류의 관계이다. 또한, 고체 전해질 1의 두께는 50㎛이다.
도 4에는, 인가전압을 -5V에서 5V 사이에서 왕복한 경우의 전류의 변화가 표시되어 있으나, 도면에 표시된 전압과 전류의 관계는, 히스테리시스(hysteresis)를 나타내지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도가 변화하는 경우에도, 암모니아 농도를 정확히 검출할 수 있다.
도 5 및 도 6에 나타낸 기전력(EMF)의 변화는, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아 농도가 변화한 때에, 암모니아 센서 100으로부터 출력된 기전력의 변화를 나타낸 것으로, 본 실시형태의 암모니아 센서 100의 응답성을 나타낸 것이다. 또한, 도 5 및 도 6에 나타낸 기전력은, LP가스의 연소에 의해서 발생한 산소 13%를 포함하는 연소가스에 암모니아를 혼합한 혼합가스를 측정 대상 가스로 하여, 또한, 암모니아 센서 100을 측정 대상 가스가 흐르는 배기관에 배치하고, 암모니아 센서 100을 700℃로 가열한 상태에서 얻어진 기전력이다. 또한, 연소가스의 온도는 250℃이고, 연소가스에 혼합한 암모니아의 양을 조절한 것에 의하여, 측정 대상 가스의 암모니아 농도를 변화시켰다.
도 5에 나타낸 암모니아 센서 100의 기전력의 변화는, 측정 대상 가스의 암모니아 농도를, 0ppm에서 42ppm으로 증가시켰을 때의 기전력 변화이며, 도 6에 나타낸 전압 변화는, 측정 대상 가스의 암모니아 농도가, 208ppm에서 0ppm으로 감소시켰을 때의 기전력의 변화이다.
또한, 도 5 및 도 6에, 종래의 치밀질 고체 전해질으로 구성된 암모니아 센서로부터 출력된 기전력의 변화를 합하여 나타낸다. 도면에서, 본 실시형태의 암모니아 센서 100의 기전력을 실선으로 나타내고, 종래의 암모니아 센서의 기전력을 파선으로 나타냈다. 또한, 도 5 및 도 6에는, 측정 대상 가스의 암모니아 농도의 변화에 의하여, 암모니아 센서 100으로부터 출력된 기전력의 상승 혹은 저하의 개시가 확인된 시각을, 횡축에 0sec로 나타냈다.
도 5 및 도 6에 나타낸 기전력의 변화로부터, 본 실시형태의 암모니아 센서 100은, 상술한 바와 같이, 고체 전해질 1이 다공질로 형성되어서, 측정 대상 가스가 측정 대상 가스의 전극반응이 활발해진 고체 전해질 1과 전극 2의 계면을 포함한 전극 전체에 신속하게 도달하기 때문에, 암모니아 농도 증가 시 및 암모니아 농도 감소 시의 모두에 있어서, 종래의 암모니아 센서에 비하여 암모니아 센서농도에 따른 기전력이 신속하게 출력되었다. 따라서, 종래의 암모니아 센서에 비하여 암모니아 센서 100의 응답성이 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 측정장치 12에 의해, 도 5 및 도 6에 나타낸 기전력이 측정되고, 이 기전력으로부터 상술한 검출장치에 의하여 암모니아 농도가 검출된다.
도 7에, 측정 대상 가스에 포함된 수분 및 산소가, 본 실시형태의 암모니아 센서 100의 기전력에 미치는 영향을 조사한 결과를 나타낸다. 도 7에 나타낸 기전력(EMF)은, 암모니아 센서 100을 측정 대상 가스가 흐르는 배기관에 배치하고, 암모니아 센서 100을 700℃로 가열한 상태에서, 측정 대상 가스의 수분농도 및 산소농도를 변화시킨 것에 의하여 얻어진 기전력이다.
구체적으로, 도 7에 나타낸 기간 a~d의 각 기간에서, 측정대상 가스의 암모니아 농도가 250ppm이 되도록, 측정 대상 가스에 암모니아가스를 첨가하였다. 또, 기간 a 및 기간 b가 포함된 기간 P1에서는, 산소농도 21%, 수분농도 1% 및 질소 밸런스의 측정 대상 가스를 사용하고, 기간 c 및 기간 d를 포함하는 기간 P2에서는, 산소농도 15%, 수분농도 3% 및 질소 밸런스의 측정 대상 가스를 사용하였다. 또한, 기간 a~d 이외의 기간에서는, 측정 대상 가스에 암모니아를 포함하지 않았다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 기간 a~d에서, 동일한 크기의 기전력이 얻어진 것을 알 수 있다. 따라서, 적어도 상기의 농도범위에서 수분농도 및 산소농도가 변화한 경우에도, 암모니아 센서 100이 암모니아 농도에 대하여 발생하는 기전력에 영향을 미치지 않은 것을 알 수 있다. 이에 의하여, 측정대상 가스에 포함된 수분농도 및 산소농도가 변화한 경우에도, 측정 대상 가스의 암모니아 농도를 정확히 검출할 수 있다. 또한, 도 7에 나타낸 기전력은, 도 5 및 도 6에 나타낸 기전력보다도 작은 유량의 측정 대상 가스를 측정 대상 가스로 하여 얻어진 기전력이다. 따라서, 도 7에 나타낸 암모니아 센서 100의 응답성은, 도 5 및 도 6에 나타낸 암모니아 센서 100의 응답성과 다르다.
도 8은, 본 실시형태의 암모니아 센서 100의, 암모니아 농도와 기전력(EMF)의 관계를 나타낸다. 도 8에 나타낸 암모니아 농도와 기전력의 관계는, LP가스의 연소로 발생한 산소농도 13%를 포함한 연소가스에 암모니아를 혼합한 혼합가스를 측정 대상 가스로 하여, 또한, 암모니아 센서 100을 측정 대상 가스가 흐르는 배기관에 배치하고, 암모니아 센서 100을 700℃로 가열한 상태에서 얻어진 암모니아 농도와 기전력과의 관계이다. 또한, 연소가스의 온도는 135℃이고, 연소가스에 혼합된 암모니아의 양을 조절하는 것에 의하여, 측정 대상 가스의 암모니아 농도를 변화시켰다. 도 8에서, 암모니아 농도의 증가와 함께, 기전력이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 도면에 나타낸 암모니아 농도와 기전력의 관계는, 암모니아 농도와 기전력의 관계곡선의 일례로, 이 관계곡선을 참조함으로써, 측정장치 12에 의하여 측정한 기전력에 대응하는 암모니아 농도를 검출할 수 있다.
[제2실시형태]
이하, 본 발명에 따른 암모니아 센서의 제2실시형태를, 도 9 및 도 10에 기반하여 설명한다. 이러한 제2실시형태에 따른 암모니아 센서 100은, 고체 전해질 1의 한쪽 측면에, 한 쌍의 전극 2가 형성되어 있는 판상 센서 소자 20을 갖는 점에서 상술한 제1실시형태와 다르다. 도 9에, 본 실시형태에 따른 암모니아 센서 100의 분해사시도를 나타내고, 도 10에, 본 실시형태에 따른 암모니아 센서 100의 길이방향에 판상 센서 소자 20이 구비된 부분의 단면도를 나타낸다.
제2실시형태에는, 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 전극 2가, 지지체 3의 길이방향으로 직행하는 짧은 방향으로 늘어선 상태로, 고체 전해질 1과 지지체 3의 사이에 구비되어 있다. 그리고 한 쌍의 전극 2는, 지지체 3의 길이방향의 후단 측에서 선단 측을 향하여, 우측에 구비된 우측전극 2c와, 좌측에 구비된 좌측전극 2d로 구성되어 있다. 이러한 제2실시형태에는, 우측전극 2c를 제1전극 C로, 좌측전극 2d를 제2전극 D로 한다.
우측전극 2c 및 좌측전극 2d는, 박판 형태로 형성되고, 더불어, 고체 전해질 1의 두께방향에서 본 평면도에서, 지지체 3의 길이방향에 장변을 갖는 장방형상으로 형성되어 있다.
또한, 상기 제1실시형태와 동일하게, 한 쌍의 전극 2와 고체 전해질 1이 관통공을 갖는 다공질로 형성되어 있기 때문에, 판상 센서 소자 20의 두께방향에서, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면과 다른 쪽 측면의 사이에 측정 대상 가스가 통류하는 가스 통류공이 판상 센서 소자 20에 다수 형성되어 있다.
예를 들면, 도 10에서 파선의 화살표로 표시한 바와 같이, 측정 대상 가스 E는, 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에서 유입되어, 고체 전해질 1, 우측전극 2c 및 좌측전극 2d를 통과하고, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면까지 통류한다. 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에서 한쪽 측면까지 통류한 측정 대상 가스 E는, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측 측면으로부터 판상 센서 소자 20의 외부로 유출된다. 이렇게, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면과 다른 쪽 측면에 구비된 한 쌍의 전극 2 모두가, 측정 대상 가스 E에 노출되도록 형성되어 있다. 또한, 도시하지는 않지만, 측정 대상 가스 E는, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면으로 유입되어, 우측전극 2c, 좌측전극 2d 및 고체 전해질 1을 통과하고, 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면까지 통류할 수 있다.
판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에, 다공질로 형성된 미연물 산화 촉매층 4이 구비되어 있다. 구체적으로, 미연물 산화 촉매층 4는, 고체 전해질 1의 두께방향에서 본 평면 시점에서, 고체 전해질 1과 동등한 치수로 형성되어 있다. 그리고 미연물 산화 촉매층 4의 한쪽 측면이 고체 전해질 1의 다른 쪽 측면에 밀착한 상태로, 미연물 산화 촉매층 4이 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에 적층되어 있다.
또한, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에, 판상 센서 소자 20을 지지하는 지지체 3이 구비되어 있다. 구체적으로, 판상 센서 소자 20이, 고체 전해질 1과 지지체 3의 사이에, 우측전극 2c 및 좌측전극 2d가 끼어있는 상태로, 더불어, 고체 전해질 1의 한쪽 측면의 주변부가 제1지지판 3a의 다른 쪽 측면에 밀착한 상태로, 제1지지판 3a에 적층되어 있다.
[제3실시형태]
이하, 본 발명에 따른 암모니아 센서의 제3실시형태를, 도 11 및 도 12에 기반하여 설명한다. 제3실시형태에 따른 암모니아 센서 100은, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아를 산화하는 암모니아 산화 촉매층 7이 판상 센서 소자 20에 구비되어 있다는 점에서 상술한 제1실시형태와 다르다. 도 11에, 본 실시형태에 따른 암모니아 센서 100의 분해사시도를 나타내고, 도 12에, 본 실시형태에 따른 암모니아 센서 100의 길이방향에 판상 센서 소자 20을 구비한 부분의 단면도를 나타낸다.
제3실시형태에 따른 암모니아 센서 100은, 도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에, 판상 센서 소자 20을 지지하는 지지체 3이 구비되고, 제1전극 C가 형성된 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에, 미연물 산화 촉매층 4 및 암모니아 산화 촉매층 7이 적층상태로 구비되어 있다. 구체적으로는, 암모니아 산화 촉매층 7은, 고체 전해질 1의 두께 방향에서 본 평면 시점에서, 미연물 산화 촉매층 4와 동등한 치수가 되도록 형성되어, 미연물 산화 촉매층 4의 다른 쪽 측면에 적층되어 있다. 또한, 암모니아 산화 촉매층 7은, 미연물 산화 촉매층 4와 마찬가지로, 측정대상 가스가 통류 가능한 다공질로 형성되어 있다. 따라서, 도 12에 나타낸 바와 같이, 측정 대상 가스 E는, 암모니아 산화 촉매층 7의 한쪽 측면에서 유입하여, 암모니아 산화 촉매층 7 및 미연물 산화 촉매층 4를 통과하고, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에 도달한다.
또한, 암모니아 산화 촉매층 7은, Co3O4, MnO2, V2O5, Ni-Al2O3, Fe-Al2O3, Mn-Al2O3, CuO-Al2O3, Fe2O3-Al2O3, Fe2O3-TiO2, Fe2O3-ZrO2 또는, 금속 이온교환 제올라이트로 중 적어도 하나 이상의 재질로 형성되어 있다.
이와 같이, 암모니아 산화 촉매층 7을 구비하는 것으로, 측정 대상 가스가 한 쌍의 전극 2에 유입되기 전에, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아의 일부 혹은 전부를 산화하여 제거할 수 있다. 예를 들면, 암모니아 산화 촉매층 7의 재질이나, 암모니아 산화 촉매층의 두께를 조정하는 것으로, 암모니아 산화 촉매층 7을 통과하는 측정 대상 가스로부터, 소정 농도의 암모니아를 산화하여 제거할 수 있다. 따라서, 암모니아 산화 촉매층 7을 구비한 암모니아 센서 100에 의해, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아가 소정 농도 이하일 경우에는 암모니아를 검출하지 않고, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아가 소정 농도를 초과한 경우에 암모니아를 검출할 수 있다.
[제4실시형태]
이하, 본 발명에 따른 암모니아 센서의 제4실시형태를 설명한다. 제4실시형태에 따른 암모니아 센서 100은, 제2전극 D가, 질소산화물가스에 대한 분해활성을 갖는 재질을 포함하여 형성된다는 점에서 상술한 제1실시형태와 다르다.
제2전극 D에 포함되는 질소산화물 가스에 대한 분해활성을 갖는 재질은, 구체적으로는, NiO, CuO, Cr2O3, WO3, 2CuO-Cr2O3, LaNiO3, LaCoO3, La0 . 6Sr0 . 4Co0 . 8Fe0 . 2O3, La0 . 8Sr0 . 2MnO3 혹은 La0 . 85Sr0 . 15CrO3 중 적어도 하나 이상의 재질이다.
또한, 제2전극 D는, 산소 이온 전도성 고체 전해질, 알루미나, 지르코니아, 및, 유리 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성되어 있다. 즉, 한 쌍의 전극 2의 각각은, 산소 이온 전도성 고체 전해질, 알루미나, 지르코니아 및 유리 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성되어 있다. 구체적으로는, 제2전극 D는, 산소 이온 전도성의 고체 전해질, 알루미나, 및, 유리를 포함하여 형성되어 있다. 제2전극 D에 있어, 산소 이온 전도성 고체 전해질은, 2~25Wt%의 범위로 함유된 것이 바람직하며, 알루미나는, 5~60Wt%의 범위로 함유된 것이 바람직하다. 또한, 유리는, 1~15Wt％의 범위로 함유된 것이 바람직하며, 질소산화물가스에 대해 분해활성을 갖는 재질은, 50~90Wt%의 범위로 함유된 것이 바람직하다. 본 실시형태에는, 제2전극 D에 있어서, 질소산화물가스에 대하여 분해활성을 갖는 재질로서 LaCoO3, 이트리아 안정화 지르코니아, 알루미나 및 유리가 60:10:25:5의 중량비율로 함유되어 있다.
제4실시형태에 따른 암모니아 센서 100에는, 측정 대상 가스에 포함된 질소산화물 가스로서의 이산화질소가, 암모니아를 산화하는 전극반응에 의해서 발생하는 기전력이 저하하는 것을 방지하여, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아의 농도를 정확히 검출할 수 있다.
즉, 측정 대상 가스에 이산화질소가 포함된 경우, 이 이산화질소가, 애노드가 되는 제1전극 C에서 암모니아를 산화하는 전극반응에 작용하여, 한 쌍의 전극 2의 사이에 발생하는 기전력을 감소시킬 수 있지만, 캐소드가 되는 제2전극 D가, 질소산화물가스인 이산화질소에 대한 분해활성을 갖는 재질을 포함하고 있기 때문에, 측정 대상 가스에 포함된 이산화질소로부터 산소 이온을 분해하는 전극반응이 촉진된다. 이러한 제2전극 D 전극반응에서 발생한 산소 이온에 의해, 한 쌍의 전극 2의 사이에 발생하는 기전력이 증가한다.
그리고 제1전극 C의 전극반응에 이산화질소가 작용하여 발생하는 기전력의 감소와, 제2전극 D의 전극반응에서 이산화질소가 작용하여 발생하는 기전력의 증가는, 측정 대상 가스에 포함된 이산화질소의 농도에 따른 증가량 또는 감소량이 된다. 즉, 측정 대상 가스에 포함된 이산화질소의 농도가 높을수록, 이산화질소가 제1전극 C의 전극반응에 작용에 의해 발생하는 기전력의 감소량이 커지고, 마찬가지로, 이산화질소가 제2전극 D의 전극반응 작용에 의해 발생하는 기전력의 증가량도 커진다. 따라서, 예를 들면, 제1전극 C에서 단위농도의 이산화질소가 작용하여 발생하는 기전력의 감소량과, 제2전극 D에서 단위농도의 이산화질소가 작용하여 발생하는 기전력의 증가량이 동일하게 되도록, 제2전극 D에 대한 이산화질소질소에 대한 분해활성을 갖는 재질의 혼합률을 미리 조정하는 것에 의해서, 어느 질소산화물의 농도에 대하여서도, 이산화질소가 제1전극 C의 전극반응의 작용에 따라 발생하는 기전력의 감소를, 이산화질소가 제2전극 D의 전극 반응의 작용에 의하여 발생하는 기전력의 증가에 의해서 상쇄할 수 있다.
따라서 제2전극 D에, 질소산화물가스에 대한 분해활성을 갖는 재질을 적절하게 포함시키는 것에 의해서, 측정 대상 가스에 이산화질소가 포함된 경우에도, 한 쌍의 전극 2의 사이에 발생하는 기전력이 저하되는 것을 방지하면서, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아의 농도를 정확히 검출할 수 있다.
[별도 실시형태]
이하, 별도 실시형태를 열거한다.
(1) 상기 실시형태에서는, 한 쌍의 전극 2의 사이에, 한 쌍의 전극 사이의 전위차 혹은 전류 중 적어도 하나를 측정하는 측정장치 12를 구비하였으나, 도 13에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 전극 2의 사이에, 측정장치 12에 더하여, 한 쌍의 전극 2의 사이에 일정의 전류 혹은 전압을 인가하는 전원 장치를 구비할 수 있다. 이 경우, 제1전극 C가 애노드가 되는 상태, 동시에, 제2전극 D가 캐소드가 되는 상태로, 전원 장치 11을 구비할 수 있다.
(2) 상기 실시형태에 있어서, 제1전극 C가, 암모니아에 대하여 산화 활성이 높은 재질인 ZnO, SnO2 및 In2O3의 적어도 하나 이상의 재질에, 산소 이온 전도성 고체 전해질, 알루미나 및 유리를 포함하여 형성되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 제1전극 C를, 암모니아에 대하여 산화 활성이 높은 재질인 ZnO, SnO2 및 In2O3 중 적어도 하나 이상의 재질만으로 형성될 수 있다.
(3) 상기 제1실시형태에 있어서, 제2전극 D가, 귀금속만으로 형성되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 제2전극 D가, 귀금속에 더하여, 산소 이온 전도성 고체 전해질, 알루미나, 지르코니아 및 유리의 적어도 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
(4) 상기 제1실시형태에 있어서, 미연물 산화 촉매층 4가, 측정 대상 가스에 포함된 일산화탄소 및 탄화수소를 산화하는 Pt, Au, Pd, Rh, Ir, Ru 또는 Ag 등의 귀금속, 이들 귀금속이 분산담지된 다공성 세라믹 등에서 선택된 하나이상의 재질로 형성되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 미연물 산화 촉매층 4에, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아를 산화하는 재질이 포함될 수 있다. 또한, 암모니아를 산화하는 재질로 Co3O4, MnO2, V2O5, Ni-Al2O3, Fe-Al2O3, Mn-Al2O3, CuO-Al2O3, Fe2O3-Al2O3, Fe2O3-TiO2, Fe2O3-ZrO2 또는, 귀금속 이온교환 제올라이트 중 적어도 하나 이상의 재질을 사용할 수 있다. 이에 의하여, 미연물 산화 촉매층 4에 의해, 측정 대상 가스에 포함된 일산화탄소 및 탄소수소에 더하여, 측정 대상 가스에 포함되는 암모니아를 산화할 수 있다.
(5) 상기 제1실시형태에는, 한쪽 편 전극 2a를 제2전극 D로 하고, 다른 쪽 편 전극 2b를 제1전극 C로 하였으나, 이에 한정되지 않고, 한쪽 편 전극 2a를 제1전극 C로 하고, 다른 쪽 편 전극 2b를 제2전극 D로 할 수 있다.
(6) 상기 제2실시형태는, 우측전극 2c를 제1전극 C로 하고, 좌측전극 2d를 제2전극 D로 하였으나, 이에 한정하지 않고, 우측전극 2c를 제2전극 D로 하고, 좌측전극 2d를 제1전극 C로 할 수 있다. 또한, 우측전극 2c 및 좌측전극 2d를, 고체 전해질 1의 한쪽 측면에 구비하였으나, 이에 한정하지 않고, 우측전극 2c 및 좌측전극 2d를, 고체 전해질 1의 다른 쪽 측면에 구비할 수 있다.
(7) 상기 제3실시형태는, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에, 판상 센서 소자 20을 지지하는 지지체 3가 구비되며, 제1전극 C가 형성된 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에, 미연물 산화 촉매층 4 및 암모니아 산화 촉매층 7이 적층상태로 구비되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 미연물 산화 촉매층 4 및 암모니아 산화 촉매층 7을, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에 구비할 수 있다. 이 경우, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면과 지지체 3의 사이에 미연물 산화 촉매층 4 및 암모니아 산화 촉매층 7이 끼어 있는 상태로, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에 지지체 3을 구비할 수 있다.
(8) 상기 제3실시형태는, 판상 센서 소자 20에 구비된 미연물 산화 촉매층 4에 암모니아 산화 촉매층 7이 적층되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 판상 센서 소자 20에 암모니아 산화 촉매층 7을 구비하고, 그 암모니아 산화 촉매층 7에 미연물 산화 촉매층 4를 적층할 수 있다.
(9) 상기 제3실시형태는, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에, 미연물 산화 촉매층 4와 암모니아 산화 촉매층 7이 적층상태로 구비되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 미연물 산화 촉매층 4를 구비하지 않고, 암모니아 산화 촉매층 7을, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에 구비할 수 있다. 이 경우, 암모니아 산화 촉매층 7에, 측정 대상 가스에 포함된 일산화탄소 및 탄화수소를 산화하는 재질이 포함될 수 있다. 또한, 탄화수소를 산화하는 재질로서, Pt, Au, Pd, Rh, Ir, Ru 또는 Ag 등의 귀금속, 이들 귀금속이 분산담지된 다공성 세라믹 등으로부터 선택된 하나 이상의 재질을 사용할 수 있다. 이에 따라, 암모니아 산화 촉매층 7에 의해, 측정 대상 가스에 포함된 암모니아에 더하여, 측정 대상 가스에 포함된 일산화탄소 및 탄화수소를 산화할 수 있다.
(10) 상기 제4실시형태에 있어서, 제2전극 D가, 질소산화물가스에 대하여 분해활성을 갖고 있는 재질에 더하여, 산소 이온 전도성 고체 전해질, 알루미나, 지르코니아 및 유리를 포함하여 형성되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 제2전극 D를, 질소산화물가스에 대하여 분해활성을 갖는 재질만으로 형성할 수 있다.
(11) 상시 실시형태는, 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에 미연물 산화 촉매층 4를 구비하였으나, 이에 한정하지 않고, 미연물 산화 촉매층 4를 구비하지 않아도 좋다. 또한, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면 및 다른 쪽 측면에 미연물 산화 촉매층을 구비할 수 있다.
(12) 상기 실시형태는, 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에 미연물 산화 촉매층 4를 구비하였으나, 이에 한정하지 않고, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에 미연물 산화 촉매층 4를 구비할 수 있다. 이 경우, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면과 지지체 3의 사이에 미연물 산화 촉매층 4이 끼어 있는 상태로, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에 지지체 3을 구비할 수 있고, 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에 지지체 3을 구비할 수 있다.
(13) 상기 실시형태는, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에 지지체 3을 구비하였으나, 이에 한정하지 않고, 판상 센서 소자 20의 다른 쪽 측면에 지지체 3을 구비할 수 있다.
(14) 상기 실시형태는, 판상 센서 소자 20의 한쪽 측면에 지지체 3을 구비하였으나, 이에 한정하지 않고, 지지체 3을 구비하지 않아도 좋다. 이 경우, 한 쌍의 전극 2와 측정장치 12를 접속하기 위하여 리드선 5과 히터단자 9는, 고체 전해질 1에 구비할 수 있다.
(15) 상기 실시형태는, 고체 전해질 1이 평판상태로 형성되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 고체 전해질 1이 곡판상태로 형성될 수 있다.
(16) 상시 실시형태는, 한 쌍의 전극 2의 각각이, 산소 이온 전도성의 고체 전해질, 알루미나, 및, 유리를 포함하여 형성되었으나, 이에 한정하지 않고, 한 쌍의 전극의 각각이, 산소 이온 전도성 고체 전해질, 알루미나, 지르코니아, 및, 유리의 적어도 하나 이상을 포함하여 형성할 수 있다. 예를 들면, 산소 이온 전도성 고체 전해질만 포함할 수 있고, 산소 이온 전도성 고체 전해질과 알루미나만을 포함할 수 있다. 그 외, 산소 이온 전도성 고체 전해질, 지르코니아, 및, 유리를 포함할 수 있다.
(17) 상기 실시형태는, 한 쌍의 전극 2의 각각에 포함된 산소 이온 전도성 고체 전해질이, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)이나, 이에 한정하지 않고, 한 쌍의 전극 2에 포함된 산소 이온 전도성 고체 전해질이, 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마륨이 도핑된 세리아(GDC) 혹은 이산화토륨(ThO2) 중 어느 것이어도 좋다.
또한, 상기 실시 형태(다른 실시 형태를 포함, 이하 동일)에서 개시되는 구성은, 모순이 발생하지 않는 한, 다른 실시 형태로 개시되는 구성과 조합하여 적용할 수 있으며, 또한, 본 명세서에서 개시된 실시 형태는 예시이며, 본 발명의 실시 형태는 이에 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 일탈하지 않는 범위 내에서 적절히 수정할 수 있다.
이상 설명한 것처럼, 암모니아 농도 검출응답성을 향상할 수 있는 암모니아센서를 제공할 수 있다.
１ 고체 전해질
２ 전극
３ 지지체
４ 미연물 산화 촉매층
７ 암모니아 산화 촉매층
８ 히터
１１ 전원 장치
１２ 측정장치
２０ 판상 센서 소자
１００ 암모니아 센서
Ｃ 제１전극
Ｄ 제２전극
Ｅ 측정 대상 가스
２ 전극
３ 지지체
４ 미연물 산화 촉매층
７ 암모니아 산화 촉매층
８ 히터
１１ 전원 장치
１２ 측정장치
２０ 판상 센서 소자
１００ 암모니아 센서
Ｃ 제１전극
Ｄ 제２전극
Ｅ 측정 대상 가스
Claims (18)
- 산소 이온 전도성을 갖는 판상의 고체 전해질의 표면에, 암모니아에 대한 반응성이 서로 다른 한 쌍의 전극이 형성된 판상 센서 소자와,
상기 한 쌍의 전극 사이의 전위차 또는 전류 중 적어도 하나를 측정하는 측정 장치를 구비하고,
상기 한 쌍의 전극 모두가 측정 대상 가스에 노출되도록 형성된 암모니아 센서로서,
상기 고체 전해질은 다공질로 형성되고,
상기 한 쌍의 전극은, 암모니아에 대한 산화 활성을 갖는 제1전극과, 상기 제1전극보다 암모니아에 대한 산화 활성이 낮은 제2전극으로 구성되며,
상기 제1전극은 ZnO, SnO2 및 In2O3 중 적어도 하나 이상을 포함하는 암모니아에 대한 산화 활성이 높은 재질을 50 ~ 90Wt% 포함하고, 유리를 1 ~ 15Wt% 포함하며,
상기 판상 센서 소자의 두께 방향에서, 상기 판상 센서 소자의 고체 전해질의 한쪽 측면에서 상기 한쪽 측면에 대향하는 다른 쪽 측면까지 상기 측정 대상 가스가 통류하는 가스통류공이 다수 형성되어 있는 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 고체 전해질의 한쪽 측면에 상기 한 쌍의 전극 중 하나가 형성되고, 상기 고체 전해질의 한쪽 측면에 대향하는 다른 쪽 측면에 상기 한 쌍의 전극 중 다른 하나가 형성된 상기 판상 센서 소자를 구비한 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 고체 전해질의 한쪽 측면에, 상기 한 쌍의 전극이 형성된 상기 센서 소자를 구비한 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제2전극이, 귀금속을 포함하는 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제2전극이, 질소산화물 가스에 대한 분해 활성을 갖는 재질을 포함하는 암모니아 센서. - 제5항에 있어서,
상기 질소 산화물 가스에 대한 분해 활성을 가진 재질이 NiO, CuO, Cr2O3, WO3, 2CuO-Cr2O3, LaNiO3, LaCoO3, La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3, La0.8Sr0.2MnO3, La0.85Sr0.15CrO3중 하나 이상의 재질인 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 전극의 각각이, 산소 이온 전도성의 고체 전해질, 알루미나, 지르코니아 및 유리 중 하나 이상을 포함하는 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 고체 전해질은 이트리아안정화지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마륨이 도핑된 세리아(SDC), 가돌리늄이 도핑된 세리아(GDC) 또는 이산화토륨(ThO2)의 중 하나로 형성된 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 측정 대상 가스에 포함되는 일산화탄소 및 탄화수소를 산화하는 미연물 산화 촉매층이, 상기 판상 센서 소자의 상기 한쪽 측면 및 상기 다른 쪽 측면 중 적어도 한쪽에 구비된 암모니아 센서. - 제9항에 있어서,
상기 미연물 산화 촉매층이, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru 또는 Ag 중 하나 이상이 분산담지된 다공성세라믹을 포함하는 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 측정 대상 가스에 포함되는 암모니아를 산화하는 암모니아 산화 촉매층이, 상기 판상 센서 소자의 상기 한쪽 측면 또는 상기 다른 쪽 측면에 구비된 암모니아 센서. - 제11항에 있어서,
상기 암모니아 산화 촉매층은, Co3O4, MnO2, V2O5, Ni-Al2O3, Fe-Al2O3, Mn-Al2O3, CuO-Al2O3, Fe2O3-Al2O3, Fe2O3-TiO2, Fe2O3-ZrO2, 또는, 금속이온 교환 제올라이트 중 하나 이상의 재질을 포함하는 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 판상 센서 소자를 지지하는 지지체가, 상기 판상 센서 소자의 한쪽 측면 또는 상기 다른 쪽 측면에 구비되고,
상기 지지체에, 상기 판상 센서 소자를 가열하는 히터가 구비되어 있는 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 판상 센서 소자의 상기 한쪽 측면에, 상기 판상 센서 소자를 지지하는 지지체가 구비되고, 상기 제1전극이 형성된 상기 판상 센서의 상기 다른 쪽 측면에, 상기 측정 대상 가스에 포함되는 일산화탄소와 탄화수소를 산화하는 미연물 산화 촉매층 및 상기 측정 대상 가스에 포함되는 암모니아를 산화하는 암모니아 산화 촉매층이 적층상태로 구비되어 있는 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 전극 사이에, 일정한 전압 또는 일정한 전류를 인가하는 전원 장치를 구비한 암모니아 센서. - 제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 전극 사이에, 상기 제1전극이 애노드가 되는 상태 및 상기 제2전극이 캐소드가 되는 상태로, 일정한 전압 또는 전류를 인가하는 전원 장치를 구비하고 있는 암모니아 센서. - 삭제
- 삭제
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