JP2001174433A - Gas sensor - Google Patents

Gas sensor

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JP2001174433A
JP2001174433A JP35832399A JP35832399A JP2001174433A JP 2001174433 A JP2001174433 A JP 2001174433A JP 35832399 A JP35832399 A JP 35832399A JP 35832399 A JP35832399 A JP 35832399A JP 2001174433 A JP2001174433 A JP 2001174433A
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conductive solid
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a stable output without generating an unstable compound on the interface of a cationic conductive solid electrolyte in a gas sensor using the solid electrolyte. SOLUTION: The gas sensor 1 comprises an auxiliary electrode 2, the cationic conductive solid electrolyte 3 containing a trivalent cation as a conduction seed, an oxide ion conductive solid electrolyte 4 containing an oxide ion as a conduction seed, and a reference electrode 5. The electrode 3 is disposed under the electrode 2, and the electrolyte 4 is disposed under the electrode 3. Thus, the sensor 1 detects a predetermined gas. In the sensor 1, the electrode 2 is made of a metallic acid salt containing anion of the gas to be detected, and the electrode 3 is made of a single crystal.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、カチオン伝導性の
固体電解質を用いたガスセンサに関する。
The present invention relates to a gas sensor using a cation-conductive solid electrolyte.

【0002】[0002]

【従来の技術】地球温暖化の主因ガスである炭酸ガスの
総排出量を効率よく削減するには、大気中に排ガスを放
出する前に、脱硫、脱硝するのと同時に脱炭酸するのが
最も効果的である。そのためには、個々の発生源でその
排出量を監視制御することが最も有効となるため、小型
軽量で、安価なセンサを開発することが必須条件とな
る。
2. Description of the Related Art In order to efficiently reduce the total emission of carbon dioxide, which is a major cause of global warming, it is most preferable to perform desulfurization and denitration simultaneously with decarbonation before releasing the exhaust gas into the atmosphere. It is effective. For that purpose, it is most effective to monitor and control the emission amount of each generation source. Therefore, it is essential to develop a small, lightweight, and inexpensive sensor.

【0003】小型で安価なセンサとしては、半導体等を
用いた可燃性ガスセンサが警報機器類として既に実用化
されているが、共存ガスの影響を原理上必ず受け、選択
性が高くない。
As a small and inexpensive sensor, a flammable gas sensor using a semiconductor or the like has already been put into practical use as an alarm device, but is inevitably affected by a coexisting gas and has a low selectivity.

【0004】炭酸ガスセンサの実装を考えた場合、燃焼
系が中心であり、種々のガス共存下での炭酸ガス測定が
前提となるため、高温多湿の環境下においても耐え得る
材料で、かつ、種々の排ガスが共存するため、高い選択
性も要求される。
When mounting a carbon dioxide sensor, a combustion system is mainly used, and the measurement of carbon dioxide in the presence of various gases is a prerequisite. High selectivity is also required because exhaust gases coexist.

【0005】また、燃焼系では、その雰囲気中の酸素濃
度は常時変動しており、酸素濃度の影響を全く受けない
センシングシステムの構築が必要となる。
In the combustion system, the oxygen concentration in the atmosphere constantly fluctuates, and it is necessary to construct a sensing system that is not affected by the oxygen concentration at all.

【0006】数ある材料の中で、固体電解質は固体中を
1つのイオンのみが移動できる特徴を有しており、可動
イオンが原理的に限定されるため、高いガス選択性が期
待できる。
[0006] Among various materials, a solid electrolyte has a feature that only one ion can move in a solid, and since mobile ions are limited in principle, high gas selectivity can be expected.

【0007】炭酸ガスセンサ用の固体電解質としては、
炭酸イオンを含み、このイオンが可動するか、又はカチ
オンが代わりに移動する炭酸塩が候補にあがる。しか
し、炭酸イオンはかさ高いため、固体中をイオンの形で
動くことはできない。また、炭酸塩は、過酷な環境下に
おいて、それ自体の化学的安定性に問題がある。
As a solid electrolyte for a carbon dioxide sensor,
Candidate carbonates include carbonate ions, in which the ions are mobile or the cations migrate instead. However, carbonate ions are so bulky that they cannot move in solid form as ions. Further, carbonate has a problem in its own chemical stability under severe environment.

【0008】一方、炭酸イオンの替わりに、固体中を容
易に可動することができるアルカリ金属イオンを伝導さ
せることにより、炭酸イオンが伝導したのと同様の現象
を生じさせ、炭酸ガスを検出可能とすることができる。
なお、この場合、可動イオンがアルカリ金属イオンであ
り、検出ガスは炭酸ガスであるため、この2種のカチオ
ンとアニオンを組み合わせた補助電極を用いる必要があ
る。さらに、測定雰囲気が上述の種々雑多な雰囲気中な
ので、アルカリ金属炭酸塩自体も雑多雰囲気中で安定で
あることが要求される。
On the other hand, instead of carbonate ions, by conducting alkali metal ions which can easily move in a solid, the same phenomenon as the conduction of carbonate ions occurs, and carbon dioxide gas can be detected. can do.
In this case, since the movable ion is an alkali metal ion and the detection gas is a carbon dioxide gas, it is necessary to use an auxiliary electrode combining these two kinds of cations and anions. Furthermore, since the measurement atmosphere is in the above-mentioned various atmospheres, the alkali metal carbonate itself is required to be stable in the various atmospheres.

【0009】数あるアルカリ金属炭酸塩の中で、炭酸リ
チウムが最も難溶性で、この要求を満足する。そこで、
これまでに、本発明者は、可動アルカリ金属イオンとし
てリチウムイオンを、補助電極には炭酸リチウムを用い
て、炭酸ガスセンシングを実現させ、また、固体電解質
の特徴である1個のイオンのみを可動する特徴を活か
し、酸素のイオン形である酸化物イオンが伝導する固体
電解質を上述固体電解質にさらに組み合わせることによ
り、雰囲気中の酸素濃度の変化の影響を全く受けない選
択性に優れたセンサの構築に成功している。
[0009] Among the many alkali metal carbonates, lithium carbonate is the least soluble and satisfies this requirement. Therefore,
To date, the present inventors have realized carbon dioxide gas sensing using lithium ions as movable alkali metal ions and lithium carbonate as auxiliary electrodes, and have only one ion that is characteristic of solid electrolytes. By taking advantage of the features described above, a solid electrolyte that conducts oxide ions in the form of oxygen ions is further combined with the above-mentioned solid electrolyte to construct a sensor with excellent selectivity that is completely unaffected by changes in oxygen concentration in the atmosphere. Have been successful.

【0010】具体的には、上述1価のアルカリ金属イオ
ンが伝導する固体電解質と2価の酸化物イオンが伝導す
る固体電解質(ここでは、安定化ジルコニア)を用い
る。これらの組み合わせを用いることにより、界面に生
成するアルカリ金属酸化物を安定化ジルコニアが覆うた
め、周りからの種々の雑多ガスの影響を完全に防ぐこと
ができ、出力の安定性につながり、ひいてはメインテナ
ンスフリー型の小型センサが実現するものであった(特
開平4−229847)。
Specifically, a solid electrolyte that conducts the above-mentioned monovalent alkali metal ions and a solid electrolyte that conducts divalent oxide ions (here, stabilized zirconia) are used. By using these combinations, the stabilized zirconia covers the alkali metal oxide generated at the interface, so that the effects of various miscellaneous gases from the surroundings can be completely prevented, leading to stability of the output and, consequently, maintenance. A small free-type sensor has been realized (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 4-229847).

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者は、
かかるセンサを詳細に検討したところ、両固体電解質の
界面に酸化リチウムが生成し、この化合物は雰囲気中極
めて不安定であるため、センサの出力の変動が生じ、素
子に亀裂が入ったり、センサが即座に壊れる等の大きな
欠点があることを突き止めた。
However, the present inventor has
A detailed study of such a sensor revealed that lithium oxide was formed at the interface between the solid electrolytes and that this compound was extremely unstable in the atmosphere, causing fluctuations in the sensor output and causing cracks in the element and damage to the sensor. It was found that there were major drawbacks such as instantaneous breakage.

【0012】本発明は、かかる固体電解質の界面に不安
定な化合物を生成させることなく、安定な出力を示すガ
スセンサを得ることを課題とする。
It is an object of the present invention to provide a gas sensor which shows a stable output without generating an unstable compound at the interface of the solid electrolyte.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明は、補助電極と、
3価カチオンを伝導種とするカチオン伝導性固体電解質
と、酸化物イオンを伝導種とする酸化物イオン伝導性固
体電解質と、参照電極とを備えており、前記カチオン伝
導性固体電解質が前記補助電極の下に配置されており、
前記酸化物イオン伝導性固体電解質が前記カチオン伝導
性固体電解質の下に配置されており、所定のガスを検出
するガスセンサであって、前記補助電極が前記ガスのア
ニオンを含む金属酸塩からなり、前記カチオン伝導性固
体電解質が単結晶からなることを特徴とする、ガスセン
サである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an auxiliary electrode,
A cation conductive solid electrolyte using a trivalent cation as a conductive species, an oxide ion conductive solid electrolyte using an oxide ion as a conductive species, and a reference electrode, wherein the cation conductive solid electrolyte is an auxiliary electrode. Is located under
The oxide ion conductive solid electrolyte is disposed below the cation conductive solid electrolyte, a gas sensor for detecting a predetermined gas, wherein the auxiliary electrode is made of a metal salt containing an anion of the gas, A gas sensor, wherein the cation conductive solid electrolyte is made of a single crystal.

【0014】本発明は、3価A13+イオン伝導体単結
晶と酸化物イオン伝導体である安定化ジルコニアを組み
合わせ、炭酸リチウムを参照極として用いたCOガス
センサが、迅速かつ正確にCOガスを検出し、可逆的
な応答を安定して示すことを明らかにしたことに基づく
ものである。
According to the present invention, a CO 2 gas sensor using a combination of a trivalent A13 + ion conductor single crystal and stabilized zirconia as an oxide ion conductor and using lithium carbonate as a reference electrode can quickly and accurately produce CO 2 gas. Was detected, and it was revealed that a reversible response was stably exhibited.

【0015】本発明者は、安定な出力を示すガスセンサ
を得るため、種々の3価カチオンを伝導する固体電解質
について検討した。
The present inventors have studied solid electrolytes that conduct various trivalent cations in order to obtain a gas sensor that exhibits stable output.

【0016】その結果、本発明者は、3価カチオンを伝
導する多結晶の固体電解質を用いたガスセンサが、長期
耐久性は勿論のこと、初期安定性にも問題があることを
見いだした。この多結晶体の固体電解質を用いたガスセ
ンサの場合、数日後には、起電力値が、約50mV低下
することが明らかとなった。
As a result, the present inventors have found that a gas sensor using a polycrystalline solid electrolyte that conducts trivalent cations has problems not only in long-term durability but also in initial stability. In the case of the gas sensor using the polycrystalline solid electrolyte, it was found that the electromotive force value dropped about 50 mV after several days.

【0017】かかる知見の下、本発明者が、ガスセンサ
の安定性に関して、更に詳細に検討したところ、参照極
として用いたLiCOがA1(WO4多結晶
体中の粒界を通り拡散していたことを解明した。
Based on such knowledge, the present inventors have studied the stability of the gas sensor in more detail. As a result, it was found that Li 2 CO 3 used as a reference electrode was a grain boundary in A1 2 (WO 4 ) 3 polycrystal. It was clarified that it was spreading through.

【0018】かかる知見の下、本発明者は、粒界の存在
しない単結晶を用いることにより、センサの安定性が増
すと考え、センサ用固体電解質として、単結晶の固体電
解質を用いることを試みた。なお、従来、3価カチオン
を伝導する単結晶を用いて、ガスセンサを作製する試み
は全く行われていない。
Based on this finding, the present inventor believes that the use of a single crystal having no grain boundaries will increase the stability of the sensor, and has attempted to use a single crystal solid electrolyte as the solid electrolyte for the sensor. Was. Heretofore, no attempt has been made to fabricate a gas sensor using a single crystal that conducts trivalent cations.

【0019】本発明者は、ここ数年来、Sc(W
型構造を有するタングステン酸塩の一群が3価
イオン伝導することを明らかにした。また、このSc
(WO型構造を有する一連のタングステン酸塩の
単結晶の育成にも数年来、成功している。
The present inventor has been developing Sc 2 (W
It has been clarified that a group of tungstates having an O 4 ) 3- type structure conducts trivalent ions. In addition, this Sc 2
(WO 4 ) A series of tungstate single crystals having a 3- type structure has been successfully grown for several years.

【0020】そこで、本発明者は、近年開発したSc
(WO型構造を有する全く新規な3価イオンを伝
導種とする固体電解質、その中でも可動イオン種を地球
上に大量に存在すアルミニウムイオンに絞り、しかも、
2次元伝導面に伝導制御できる単結晶体をその形態とし
て選び、この単結晶固体電解質と酸化物イオンを伝導種
とする固体電解質を組み合わせたガスセンサを作製し
た。
Therefore, the present inventor has developed a recently developed Sc 2
(WO 4 ) A solid electrolyte that uses a completely new trivalent ion having a three- type structure as a conductive species. Among them, the mobile ionic species are narrowed down to aluminum ions that exist in large quantities on the earth.
A single-crystal body whose conduction can be controlled on a two-dimensional conductive surface was selected as a form thereof, and a gas sensor was produced by combining this single-crystal solid electrolyte and a solid electrolyte using oxide ions as a conductive species.

【0021】その結果、本発明者は、かかるガスセンサ
が、熱力学的に安定な酸化物(アルミニウムの酸化物、
つまり、アルミナ)を両固体電解質の界面に意図的に生
成させることができ、その酸化物の活量が安定であると
いう特性を有効に利用し得ることを突き止めた。
As a result, the inventor of the present invention has found that such a gas sensor is a thermodynamically stable oxide (aluminum oxide,
That is, it was found that alumina) can be intentionally generated at the interface between the two solid electrolytes, and the property that the activity of the oxide is stable can be effectively used.

【0022】また、本発明者は、かかるガスセンサの単
結晶固体電解質に、酸化物イオン伝導体固体電解質を合
わせて用いて、ハイブリッド(複合)型とすることによ
り、測定雰囲気中の酸素濃度変化に全く影響されない簡
便なセンサが実現可能となり、あらゆる雰囲気中で測定
可能になり、極めて初期特性、長期安定性にすぐれてい
ることを突き止め、本発明を完成させた。
The inventor of the present invention has also proposed a hybrid (composite) type in which a single crystal solid electrolyte of such a gas sensor is used in combination with an oxide ion conductor solid electrolyte, so that a change in oxygen concentration in the measurement atmosphere can be prevented. It has become possible to realize a simple sensor that is not affected at all, and it has become possible to measure in any atmosphere, and has found out that it has excellent initial characteristics and long-term stability, and has completed the present invention.

【0023】本発明のガスセンサでは、補助電極側に、
3価カチオンを伝導種とするカチオン伝導性固体電解質
としての単結晶体を配置する。かかる単結晶体には、多
結晶体のような粒界は存在せず、補助電極の可動カチオ
ンが多結晶体の粒界を通り拡散することがなく、そのた
め、ガスセンサの出力が極めて安定に保持される。
In the gas sensor of the present invention, on the auxiliary electrode side,
A single crystal as a cation conductive solid electrolyte having a trivalent cation as a conductive species is arranged. In such a single crystal, there is no grain boundary unlike a polycrystal, and the movable cations of the auxiliary electrode do not diffuse through the grain boundary of the polycrystal, so that the output of the gas sensor is extremely stably maintained. Is done.

【0024】このように、本発明によれば、3価カチオ
ンを伝導種とする単結晶のカチオン伝導性固体電解質
と、酸化物イオンを伝導種とする酸化物イオン伝導性固
体電解質とを組み合わせてガスセンサの構成とすること
により、熱力学的に安定な酸化物が両固体電解質の界面
に意図的に生成され、その酸化物の活量が安定である特
性が有効に利用され、ガスセンサの出力が著しく安定化
する。
As described above, according to the present invention, a single-crystal cation conductive solid electrolyte using a trivalent cation as a conductive species and an oxide ion conductive solid electrolyte using an oxide ion as a conductive species are combined. By adopting the configuration of the gas sensor, a thermodynamically stable oxide is intentionally generated at the interface between the solid electrolytes and the characteristic that the activity of the oxide is stable is effectively used, and the output of the gas sensor is reduced. Remarkably stabilizes.

【0025】また、本発明によれば、出力が極めて安定
に保持され、メインテナンスフリー型で、しかも、参照
極側の雰囲気の制御が全く不要で、あらゆる雰囲気中で
正確にガスを計測することが可能で、小型でコンパクト
に設計でき、個々のガス排出源に正しく設置することが
可能であり、汎用性に富んだ新型で安価なチップ型の実
用型ガスセンサが実現可能であることから、工業排ガス
の排出ガス制御分野において、近い将来、実用化される
ことが大いに期待される。
Further, according to the present invention, the output can be maintained very stably, the maintenance-free type can be used, and the control of the atmosphere on the reference electrode side is not required at all, and the gas can be accurately measured in any atmosphere. It can be designed to be compact and compact, can be installed correctly at each gas emission source, and can realize a new and inexpensive chip-type practical gas sensor that is versatile and can be used for industrial exhaust gas. It is highly expected that the technology will be put to practical use in the near future in the field of exhaust gas control.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】図面を参照して、本発明の実施の
形態を説明する。図1は、本発明の一例のCOガスセ
ンサセルの断面図である。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a CO 2 gas sensor cell according to an example of the present invention.

【0027】図1に示すように、本発明の一例のガスセ
ンサ1は、補助電極2と、3価カチオンが伝導するカチ
オン伝導性固体電解質3と、酸化物イオンを伝導する酸
化物イオン伝導性固体電解質4と、参照電極5とを備え
ている。補助電極2の表面2a及び酸化物イオン伝導性
固体電解質4の表面4aには、白金ワイヤ等からなる導
線6,7が接続されている。また、補助電極2の表面2
aには、白金ネット8が設けられており、このセンサセ
ル1の周囲には、無機接着剤層9が形成されている。
As shown in FIG. 1, a gas sensor 1 according to an embodiment of the present invention includes an auxiliary electrode 2, a cation-conductive solid electrolyte 3 that conducts trivalent cations, and an oxide ion-conductive solid that conducts oxide ions. An electrolyte 4 and a reference electrode 5 are provided. Conductive wires 6 and 7 made of a platinum wire or the like are connected to the surface 2 a of the auxiliary electrode 2 and the surface 4 a of the oxide ion conductive solid electrolyte 4. The surface 2 of the auxiliary electrode 2
A is provided with a platinum net 8, and an inorganic adhesive layer 9 is formed around the sensor cell 1.

【0028】かかるガスセンサ1では、カチオン伝導性
固体電解質3は、補助電極2の下で補助電極2と接する
ように配置されている。また、酸化物イオン伝導性固体
電解質4は、カチオン伝導性固体電解質3の下でカチオ
ン伝導性固体電解質3に接するように配置されている。
In such a gas sensor 1, the cation conductive solid electrolyte 3 is arranged below the auxiliary electrode 2 so as to be in contact with the auxiliary electrode 2. The oxide ion conductive solid electrolyte 4 is disposed below the cation conductive solid electrolyte 3 so as to be in contact with the cation conductive solid electrolyte 3.

【0029】また、かかるガスセンサ1では、補助電極
2は、検出すべきガスのアニオンを含む金属酸塩からな
る。カチオン伝導性固体電解質3は、単結晶からなる。
酸化物イオン伝導性固体電解質4は、カチオン伝導性固
体電解質3の3価カチオンの伝導軸と所定の角度をもっ
て形成された面3aに接触している。
In the gas sensor 1, the auxiliary electrode 2 is made of a metal salt containing an anion of the gas to be detected. The cation conductive solid electrolyte 3 is made of a single crystal.
The oxide ion conductive solid electrolyte 4 is in contact with the surface 3 a formed at a predetermined angle with the conduction axis of the trivalent cation of the cation conductive solid electrolyte 3.

【0030】このように、本発明は、センサ用固体電解
質として、3価カチオンを伝導種とする単結晶を用いる
ことにより、ガスセンサの安定な出力を得るものであ
る。
As described above, according to the present invention, a stable output of a gas sensor is obtained by using a single crystal having a trivalent cation as a conductive species as a solid electrolyte for a sensor.

【0031】本発明にかかる3価カチオンが伝導するカ
チオン伝導性固体電解質には、種々の固体電解質を用い
ることができる。例えば、タングステン酸スカンジウ
ム、タングステン酸アルミニウム、希土類のタングステ
ン酸塩、モリブデン酸スカンジウム、モリブデン酸アル
ミニウム、希土類のモリブデン酸塩、3価イオンを伝導
種とするβ及びβ″アルミナ、ニオブ酸塩、タンタル酸
塩等である。
Various solid electrolytes can be used as the cation-conductive solid electrolyte according to the present invention through which trivalent cations conduct. For example, scandium tungstate, aluminum tungstate, rare earth tungstate, scandium molybdate, aluminum molybdate, rare earth molybdate, β and β ″ aluminas having trivalent ions as conductive species, niobate, tantalate Salt and the like.

【0032】かかる固体電解質中では、アルミニウム、
ガリウム、インジウム、タリウム、アンチモン、ビスマ
ス及び希土類元素からなる群より選ばれた元素の3価カ
チオンが伝導する。
In such a solid electrolyte, aluminum,
A trivalent cation of an element selected from the group consisting of gallium, indium, thallium, antimony, bismuth and rare earth elements is conducted.

【0033】かかる固体電解質の中でも、タングステン
酸アルミニウム、タングステン酸スカンジウム、希土類
のタングステン酸塩等を用いるのが好ましい。これらの
固体電解質は、安定であり、その伝導種であるアルミニ
ウムイオン、スカンジウムイオン、希土類イオンから形
成される酸化物も安定で、かかる酸化物がカチオン伝導
性固体電解質と酸化物イオン伝導性固体電解質との界面
に形成されても、ガスセンサの出力を低下させることな
く、ガスセンサを破壊することもない。
Among such solid electrolytes, it is preferable to use aluminum tungstate, scandium tungstate, rare earth tungstate, or the like. These solid electrolytes are stable, and oxides formed from their conductive species, aluminum ion, scandium ion, and rare earth ion, are also stable. Such oxides are a cation conductive solid electrolyte and an oxide ion conductive solid electrolyte. Even if the gas sensor is formed at the interface, the output of the gas sensor is not reduced and the gas sensor is not broken.

【0034】本発明にかかる酸化物イオンを伝導種とす
る酸化物イオン伝導性固体電解質には、酸化物イオンを
伝導する限り、種々の固体電解質を用いることができ
る。かかる固体電解質の一例としては、安定化ジルコニ
アを用いることができる。
Various solid electrolytes can be used for the oxide ion conductive solid electrolyte according to the present invention using oxide ions as a conductive species, as long as the oxide ions are conducted. As an example of such a solid electrolyte, stabilized zirconia can be used.

【0035】本発明にかかる参照極には、電極として適
切な材質の種々のものを用いることができ、かかる参照
極には、図1に示すような、補助電極上に設けられる白
金ネットを用いることができる。
As the reference electrode according to the present invention, various materials having an appropriate material as an electrode can be used. For such a reference electrode, a platinum net provided on an auxiliary electrode as shown in FIG. 1 is used. be able to.

【0036】本発明のガスセンサでは、炭素酸化物、窒
素酸化物及び硫黄酸化物からなる群より選ばれた少なく
とも一種のガスを検出及び計測することができる。
The gas sensor of the present invention can detect and measure at least one gas selected from the group consisting of carbon oxides, nitrogen oxides, and sulfur oxides.

【0037】かかるガスとしては、炭素酸化物では、二
酸化炭素、一酸化炭素等があり、窒素酸化物では、一酸
化二窒素、一酸化窒素、三酸化二窒素、二酸化窒素等が
あり、硫黄酸化物としては、一酸化二硫黄、一酸化硫
黄、二酸化硫黄等があり、これらのガスは、いずれも検
出及び計測可能である。
Examples of such a gas include carbon oxides such as carbon dioxide and carbon monoxide, and nitrogen oxides include dinitrogen monoxide, nitric oxide, dinitrogen trioxide, and nitrogen dioxide. The substances include disulfur monoxide, sulfur monoxide, sulfur dioxide, and the like, and any of these gases can be detected and measured.

【0038】本発明にかかる補助電極には、検出及び計
測すべきガスとの関係で、種々の材質の金属酸塩を用い
ることができる。
For the auxiliary electrode according to the present invention, various metal salts can be used depending on the gas to be detected and measured.

【0039】かかる金属酸塩には、炭酸塩、硝酸塩、亜
硝酸塩及び硫酸塩からなる群より選ばれた少なくとも一
種の塩を用いることができる。
As such a metal salt, at least one kind of salt selected from the group consisting of carbonate, nitrate, nitrite and sulfate can be used.

【0040】かかる金属酸塩は、検出及び計測すべきガ
スが炭素酸化物である場合には炭酸塩、検出及び計測す
べきガスが窒素酸化物である場合には硝酸塩又は亜硝酸
塩、及び検出及び計測すべきガスが硫黄酸化物である場
合には硫酸塩を用いることができる。
The metal salt is carbonate when the gas to be detected and measured is carbon oxide, nitrate or nitrite when the gas to be detected and measured is nitrogen oxide, and When the gas to be measured is a sulfur oxide, a sulfate can be used.

【0041】[0041]

【実施例】図面を参照して、本発明を実施例及び比較例
に基づいて詳細に説明する。図2は、図1のガスセンサ
について、COガス濃度を変化させたときのセンサ出
力応答曲線である。図3は、図1のガスセンサのCO
ガス圧の対数に対するセンサ出力の図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to the drawings based on examples and comparative examples. FIG. 2 is a sensor output response curve of the gas sensor of FIG. 1 when the CO 2 gas concentration is changed. FIG. 3 shows CO 2 of the gas sensor of FIG.
It is a figure of a sensor output to logarithm of gas pressure.

【0042】実施例 酸化物イオン伝導性固体電解質の一種である安定化ジル
コニアは、ZrO(純度99.9%)とY(純
度99.9%)を9:1のモル比で混合し、1600
℃,12時間で2回焼成することにより得た。
Example Stabilized zirconia, which is a kind of oxide ion conductive solid electrolyte, was prepared by mixing ZrO 2 (purity 99.9%) and Y 2 O 3 (purity 99.9%) in a molar ratio of 9: 1. Mix, 1600
It was obtained by baking twice at 12 ° C. for 12 hours.

【0043】Al3+イオンの伝導方向がb軸に平行で
あるため、図1に示すように、Al 3+イオンを伝導す
るカチオン伝導性固体電解質3としての単結晶体を設置
した。リチウムメトキシド(純度99.9%)のぺレッ
トを、この単結晶体の表面3aに固定し、Airで希釈
した5%COガス中、作動温度である550℃で約1
時間加熱することにより、補助電極2としてのLi
相を形成した。
Al3+The conduction direction of the ions is parallel to the b axis
Therefore, as shown in FIG. 3+Conduct ions
Single crystal as cation conductive solid electrolyte 3
did. Pellet of lithium methoxide (purity 99.9%)
Is fixed to the surface 3a of this single crystal and diluted with Air.
5% CO2Approx. 1 at 550 ° C, the operating temperature, in gas
By heating for a time, Li as the auxiliary electrode 22C
O3A phase formed.

【0044】1%及び200〜2000ppmのCO
ガス濃度は、それぞれCO−Air混合ガス及びAi
rとNで希釈した1%COガスを混合することによ
り調整し、ガスの総流量は100ml/分とした。セン
サ出力はデジタル電圧計によりモニタした。
1% and 200-2000 ppm CO 2
The gas concentrations were CO 2 -Air mixed gas and Ai, respectively.
It was adjusted by mixing r and 1% CO 2 gas diluted with N 2 , and the total gas flow was 100 ml / min. The sensor output was monitored with a digital voltmeter.

【0045】図2に示すように、このガスセンサは、C
ガス濃度の変化に対して理想的に応答し、この応答
は、迅速かつ連続的であり、このガスセンサが実用に適
した性能を有することがわかる。このセンサにおけるネ
ルンスト式は、下式のように簡単に表される。 E=C(constant)−(R/nF)Tln(Pco2)(n=2.00) (式1)
As shown in FIG. 2, this gas sensor
It responds ideally to changes in O 2 gas concentration, and this response is quick and continuous, indicating that the gas sensor has performance suitable for practical use. The Nernst equation in this sensor is simply expressed as the following equation. E = C (constant) − (R / nF) Tln (Pco 2 ) (n = 2.00) (Equation 1)

【0046】図3には、COガス圧の対数に対するセ
ンサ出力を示す。200ppm〜1%のCOガス濃度
において、1対1の直線関係を示すことが分かった。こ
の結果より、このCOガスセンサは、COガスを正
確に検出可能であることが明らかとなった。
FIG. 3 shows the sensor output with respect to the logarithm of the CO 2 gas pressure. It was found that at a CO 2 gas concentration of 200 ppm to 1%, a one-to-one linear relationship was exhibited. From this result, it became clear that this CO 2 gas sensor can accurately detect CO 2 gas.

【0047】図3のプロット(●)より算出されるn値
は、2.03であり、理論値n=2.00(式1)とよ
く一致することが分かる。数日後の起電力値(□)も上
で述べた起電力値(●)とよく一致しており、この結果
より、Al+3イオン伝導体単結晶と酸化物イオン伝導体
とを組み合わせることにより、安定したセンサ出力を得
られることが明らかになった。
The n value calculated from the plot (●) in FIG. 3 is 2.03, and it can be seen that it is in good agreement with the theoretical value n = 2.00 (Equation 1). The electromotive force value (□) several days later is also in good agreement with the above-mentioned electromotive force value (●). From these results, it can be seen that the combination of the Al +3 ion conductor single crystal and the oxide ion conductor It was found that a stable sensor output could be obtained.

【0048】比較例 カチオン伝導性固体電解質として、A1(WO4
多結晶体を用いた場合、COガス圧の対数と起電力値
の直線関係における傾きは、n=2.01であった。し
かし、この多結晶体の場合、数日後には、起電力値は、
約50mV変化し、参照極として用いたLiCO
A1(WO4多結晶体の粒界を通り拡散したこと
が明らかとなった。これは、多結晶中に粒界が存在する
ために生じたことであり、粒界の存在しない単結晶を用
いることによりセンサの安定性が増すことが明らかとな
った。
Comparative Example As a cation conductive solid electrolyte, A1 2 (WO 4 ) 3
When a polycrystalline material was used, the slope in the linear relationship between the logarithm of the CO 2 gas pressure and the electromotive force value was n = 2.01. However, in the case of this polycrystal, after several days, the electromotive force value becomes
About 50mV change, Li 2 CO 3 was used as a reference electrode revealed that the diffuse through the grain boundaries of A1 2 (WO 4) 3 polycrystal. This was caused by the presence of grain boundaries in the polycrystal, and it was clarified that the use of a single crystal having no grain boundaries increased the stability of the sensor.

【0049】実施例に示すように、3価のA13+イオン
伝導体単結晶と酸化物イオン伝導体である安定化ジルコ
ニアを組み合わせ、炭酸リチウムを参照極として用いた
CO ガスセンサは、迅速かつ正確にCOガスを検出
し、可逆的な応答を安定して示すことがわかった。
As shown in the examples, trivalent A13+ion
Conductor single crystal and stabilized zircon as oxide ion conductor
And lithium carbonate as a reference electrode
CO 2The gas sensor quickly and accurately2Detect gas
And a stable reversible response was found.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明によれば、3価カチオンを伝導種
とする単結晶のカチオン伝導性固体電解質と、酸化物イ
オンを伝導種とする酸化物イオン伝導性固体電解質とを
組み合わせてガスセンサの構成とすることにより、熱力
学的に安定な酸化物が両固体電解質の界面に意図的に生
成され、その酸化物の活量が安定である特性が有効に利
用され、ガスセンサの出力が著しく安定化する。
According to the present invention, there is provided a gas sensor comprising a combination of a single-crystal cation conductive solid electrolyte having a trivalent cation as a conductive species and an oxide ion conductive solid electrolyte having an oxide ion as a conductive species. With this configuration, a thermodynamically stable oxide is intentionally generated at the interface between the two solid electrolytes, and the property that the activity of the oxide is stable is effectively used, and the output of the gas sensor is remarkably stable. Become

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の一例のCOガスセンサセルの断面
図である。
FIG. 1 is a sectional view of a CO 2 gas sensor cell according to an example of the present invention.

【図2】 図1のガスセンサについて、COガス濃度
を変化させたときのセンサ出力応答曲線である。
FIG. 2 is a sensor output response curve when the CO 2 gas concentration is changed for the gas sensor of FIG. 1;

【図3】 図1のガスセンサのCOガス圧の対数に対
するセンサ出力を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a sensor output with respect to a logarithm of a CO 2 gas pressure of the gas sensor of FIG. 1;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ガスセンサ 2 補助電極 2a 補助電極の表面 3 カチオン伝導性固体電解質 3a カチオン伝導性固体電解質の面 4 酸化物イオン伝導性固体電解質 4a 酸化物イオン伝導性固体電解質の表面 5 参照電極 6,7 導線 8 白金ネット 9 無機接着剤層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas sensor 2 Auxiliary electrode 2a Surface of auxiliary electrode 3 Cation conductive solid electrolyte 3a Surface of cation conductive solid electrolyte 4 Oxide ion conductive solid electrolyte 4a Surface of oxide ion conductive solid electrolyte 5 Reference electrode 6,7 Conducting wire 8 Platinum net 9 Inorganic adhesive layer

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 補助電極と、3価カチオンを伝導種とす
るカチオン伝導性固体電解質と、酸化物イオンを伝導種
とする酸化物イオン伝導性固体電解質と、参照電極とを
備えており、前記カチオン伝導性固体電解質が前記補助
電極の下に配置されており、前記酸化物イオン伝導性固
体電解質が前記カチオン伝導性固体電解質の下に配置さ
れており、所定のガスを検出するガスセンサであって、
前記補助電極が前記ガスのアニオンを含む金属酸塩から
なり、前記カチオン伝導性固体電解質が単結晶からなる
ことを特徴とする、ガスセンサ。
An auxiliary electrode, a cation-conductive solid electrolyte having a trivalent cation as a conductive species, an oxide ion-conductive solid electrolyte having oxide ions as a conductive species, and a reference electrode; A cation conductive solid electrolyte is disposed under the auxiliary electrode, the oxide ion conductive solid electrolyte is disposed under the cation conductive solid electrolyte, and a gas sensor for detecting a predetermined gas. ,
The gas sensor, wherein the auxiliary electrode is made of a metal salt containing an anion of the gas, and the cation conductive solid electrolyte is made of a single crystal.
【請求項2】 前記3価カチオンが、アルミニウム、ガ
リウム、インジウム、タリウム、アンチモン、ビスマス
及び希土類元素からなる群より選ばれた元素のイオンで
あることを特徴とする、請求項1記載のガスセンサ。
2. The gas sensor according to claim 1, wherein the trivalent cation is an ion of an element selected from the group consisting of aluminum, gallium, indium, thallium, antimony, bismuth, and a rare earth element.
【請求項3】 前記カチオン伝導性固体電解質が、タン
グステン酸アルミニウムであることを特徴とする、請求
項1記載のガスセンサ。
3. The gas sensor according to claim 1, wherein the cation conductive solid electrolyte is aluminum tungstate.
【請求項4】 前記ガスが、炭素酸化物、窒素酸化物及
び硫黄酸化物からなる群より選ばれた少なくとも一種の
ガスであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか
一項記載のガスセンサ。
4. The gas according to claim 1, wherein the gas is at least one gas selected from the group consisting of carbon oxides, nitrogen oxides, and sulfur oxides. Gas sensor.
【請求項5】 前記金属酸塩が、炭酸塩、硝酸塩、亜硝
酸塩及び硫酸塩からなる群より選ばれた少なくとも一種
の塩であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか
一項記載のガスセンサ。
5. The metal salt according to claim 1, wherein the metal salt is at least one selected from the group consisting of carbonate, nitrate, nitrite and sulfate. A gas sensor as described.
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