553セラミックス　48（2013）No. 7

1. 背景／目的　地球温暖化防止は身近な社会問題として市民の生活に浸透し，自動車への燃費改善要求が高まっている．燃費改善には車体の軽量化，空気抵抗削減，エンジン排気量のダウンサイジング等の種々の方策があるが，一番効果的なのは燃料噴射量を減らす希薄燃焼化である．希薄燃焼の場合，排気ガス後処理において，過剰な酸素を含んだ排気ガス中のNOx浄化が課題であった．この課題を克服するために選択還元型触媒（Selective Catalytic Reduction: SCR）システムや NOx 吸蔵触媒

（NOx Storage Catalyst: NSC）システムが開発され，欧州車輌を中心に搭載されている．両システムに共通

することは NOx の量に見合った還元成分の注入が必要なことである．このため浄化システムが正常に機能しているか確認するためにシステムから排出されるNOx 濃度を測定することが義務付けられている． 　当社では，自動車に搭載して正確，かつ速い応答時間で NOx 濃度を測定できる実用性に優れた厚膜積層型ジルコニア NOx センサ（以下ジルコニア NOx センサ，図 1）を開発し，2001 年より量産を行っている．

2. ジルコニアNOx センサの動作原理　ジルコニアセラミックスは，酸素濃淡電池機能と酸素ポンプ機能を有している．2 つの機能を組み合わせることにより，センサ素子内部空間内の酸素濃度を測定し，かつ所定の値に制御することが可能となる．当社ジルコニア NOx センサはこれらの技術の組み合わせを工夫し，ジルコニアセラミックスの基体内に互いに連通した 2 つの内部空間（第 1 室，第 2 室）を形成し，その一方を被測定ガス空間に連通させた直列 2 室構造を形成したものである（図 2）．被測定ガス空間と連通している第 1 室は被測定ガス中の酸素濃度を調整する役割を担っており，可燃成分の燃焼，NO2→NOの変換を行いながら被測定ガス中の酸素濃度を所定の値に調整する．可燃成分は CO2 と H2O に酸化され，酸素濃度を調整され，NO2 を NO に変換された被測定ガスは第 2 室へ導入される．第 2 室内では，NO を還元可能な電極によりさらに酸素濃度を下げることでNO を分解し，NO から発生した酸素イオン量をポンプ電流（NOx 出力）として検出する．

3. ジルコニアNOx センサの性能　当社ジルコニア NOx センサの性能をモデルガス中で評価した．NOx センサ出力は被測定ガス中の NO濃度に対して良好な直線性を示しており，前述の動作原理を具現化している（図 3）．また，CO，THC といった可燃成分，SO2，CO2 等の含酸素成分が，NOx

出力にほとんど影響がないことは別に確認している．さらに，第 2 室内に酸素濃度の微調整機能を有する補助ポンプ電極を配置すれば，センサ素子内部の微量な残留酸素（O2）による NO 感度への影響が排除され，より高精度な出力が得られる．図 1　車載用 NOx センサ全景とジルコニアセラミック素子

図 2　NOx センサ基本原理

© 日本セラミックス協会

第 67 回日本セラミックス協会技術賞を受賞して

厚膜積層型ジルコニア NOxセンサの開発と実用化Development and Practical Application of Thick Film Type ZrO2 NOx Sensor

中垣　邦彦・李　相宰・宮下　武也

（日本ガイシ（株）セラミックス事業部）Kunihiko NAKAGAKI, Sange Lee and Takeya MIYASITA

（NGK Insulators, Ltd.）

554 セラミックス　48（2013）No. 7

4. ジルコニアNOx センサの実用例　大型ディーゼルトラック用 SCR システムでのジルコニア NOx センサ用途を図 4に示す．SCR システムでは尿素水を排気ガス内に注入し加水分解させアンモニアを発生させ，アンモニアを還元剤として NOx を分解するものである．本用途においてはジルコニアNOx センサで触媒下流の NOx 濃度をモニタし尿素水の注入量を制御する．SCR 触媒下流でのジルコニアNOx センサによる NOx 濃度測定例を図 5示す．SCRシステムにおいても CLD 分析計とよく一致した出力特性を示していることがわかる．触媒が劣化すると浄化能力が低下するため，SCR 後方の NOx 濃度が増加する．後方に設置したジルコニア NOx センサ出力と尿素注入量を比較することにより，システムの異常検知が可能となる．ジルコニア NOx センサをエンジン

排ガス浄化システムに用いることで，NOx 浄化システムの制御精度が向上し，日米欧で予定されているNOx 排出規制強化や燃費規制強化への対応が可能になると共に，浄化システムに用いる触媒の小型化，触媒量の低減による希少資源の節約に寄与できると考えている．

［連絡先］　中垣　邦彦（なかがき　くにひこ）〒 467-8530　愛知県名古屋市瑞穂区須田町 2-56日本ガイシ（株）

（受賞者の業績，推薦理由等は本誌 4 月号参照）

図 3　NOx センサの NOx 感度特性

図 4　SCR システムでの NOx センサ実用例

図 5　SCR システムでの NOx 測定例