JP2003254937A - Solid electrolyte type carbon dioxide sensor element - Google Patents

Solid electrolyte type carbon dioxide sensor element

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JP2003254937A
JP2003254937A JP2002053427A JP2002053427A JP2003254937A JP 2003254937 A JP2003254937 A JP 2003254937A JP 2002053427 A JP2002053427 A JP 2002053427A JP 2002053427 A JP2002053427 A JP 2002053427A JP 2003254937 A JP2003254937 A JP 2003254937A
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JP
Japan
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solid electrolyte
carbon dioxide
sensor element
working electrode
electrolyte type
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002053427A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mitsuhiko Matsui
光彦 松井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokuyama Corp
Original Assignee
Tokuyama Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Tokuyama Corp filed Critical Tokuyama Corp
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte type carbon dioxide sensor element for measuring highly accurately even when the operation temperature is lowered to a low temperature, for example, 200°C, with shortened response time, and causing no change of an electromotive force even when left for long hours in the non-heated state. <P>SOLUTION: In this solid electrolyte type carbon dioxide sensor element having a basic structure wherein a working electrode and a reference electrode are bonded onto the surface of a solid electrolyte layer such as NASICON, an alkali metal compound oxide such as Li<SB>2</SB>Ni<SB>8</SB>O<SB>10</SB>or LiLaO<SB>2</SB>is added as well as an electronic conduction material such as platinum or gold included in the working electrode as an indispensable component and an auxiliary electrode material such as an alkali metal carbonate or an alkaline earth metal carbonate. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、雰囲気中の炭酸ガ
ス濃度を測定するための固体電解質型炭酸ガスセンサ素
子に関する。 【0002】 【従来の技術】近年、住環境、特に室内環境に対する関
心が高まっており、例えば室内の炭酸ガス濃度をモニタ
リングし、炭酸ガス濃度が高くなった場合に自動的に換
気を行なうような炭酸ガスセンサ素子を搭載した空気清
浄装置が開発されている。また、公害防止或いはその対
策の観点から、環境中の炭酸ガス濃度変化を常時測定す
るいわゆる環境測定の重要性も高まっている。これら空
気清浄装置等の制御装置或いは警報装置、または環境測
定装置などに組み込まれる炭酸ガスセンサ素子として
は、ガス選択性が高く小型化が容易で作動条件が広く、
更に保守性に優れるという特長を有する固体電解質型炭
酸ガスセンサ素子が適している。 【0003】固体電解質型炭酸ガスセンサ素子は、一般
に、(a)イオン伝導体である“固体電解質層”に、(b)電
子伝導物質、及び被測定ガスである炭酸ガスとの平衡反
応を引き起こすことができる補助電極物質を含む“作用
電極”、並びに(c)電子伝導物質を含む“参照電極”が
接合された基本構造を有している。このような炭酸ガス
センサ素子においては、付属するヒータによって400
℃〜600℃の一定温度に加熱された状態で被測定ガス
を含む雰囲気中に放置されると、作用電極層に含まれる
補助電極物質と被測定ガスである炭酸ガスとの間で解離
平衡反応が平衡に達するまで進行して作用電極層付近で
固体電解質層の可動イオン濃度に変化が生じ、結果とし
て固体電解質層を介して作用電極層と参照電極層との間
に被測定ガス濃度に応じたある一定の起電力が発生する
ので、該起電力を測定することによって被測定ガス濃度
を知ることができる。 【0004】従来、一般的に知られている固体電解質型
炭酸ガスセンサ素子においては、固体電解質層を形成す
る固体電解質としてNASICON(Na1+AZr
Si 3−A12、但し0≦A≦3)、β−Al
等のナトリウムイオン伝導性物質やLiTiSi
、LiTi(PO等のリチウムイオン伝導
性物質などが、作用電極および参照電極に含まれる電子
伝導物質(該物質は起電力を検出するために必要な物質
である)としては、金や白金など耐熱、耐酸化性に優れ
た貴金属材料が、更に作用電極に含まれる補助電極物質
としてはアルカリ金属炭酸塩やアルカリ土類金属炭酸塩
が一般に用いられている。 【0005】しかし、上記の補助電極物質としてアルカ
リ金属炭酸塩やアルカリ土類金属炭酸塩を用いた固体電
解質型炭酸ガスセンサは、加熱を中断して作動を止めた
状態で高湿度雰囲気や結露雰囲気などのように水分濃度
の高い雰囲気中に放置されると、その後再び作動を開始
した時に起電力が放置前の値に比べて著しく低下する
(以下、このような現象が起こり易いことを非加熱時耐
湿性が低いともいう。)という問題を有していた。 【0006】このような問題点を解決する方法として、
作用極に希土類金属酸化物を添加する方法が知られてお
り(特開平11−174023号公報)、作用極にLa
、Nd、Y、CeO等の希土類金
属酸化物を添加することにより、非加熱の状態で高湿度
の雰囲気中に長時間放置しても起電力が放置前と殆ど変
化しないようにすることが出来、しかも作動開始から起
電力が安定するまでの時間を2時間以内とすることが可
能となっている。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】ところで、固体電解質
型炭酸ガスセンサにおいては、上記非加熱時耐湿性の問
題とは別に、省エネルギーの観点から作動温度を低減す
ることが望まれており、また、特定の用途、例えば炭酸
ガス濃度の変動が激しい環境計測においては雰囲気中の
炭酸ガス濃度が変動した場合に起電力値が素早くその変
動に対応して変化し安定することが望まれている。 【0008】ところが、前記特開平11−174023
号公報に開示されている固体電解質型炭酸ガスセンサに
おいては非加熱時耐湿性の問題は解決されているもの
の、その作動温度及び応答速度は従来の固体電解質型炭
酸ガスセンサと同様であり、必ずしも満足のいくもので
はなかった。例えば、信頼性のある測定を行なうために
作動温度を200℃以下にするのは困難であり、また、
炭酸ガス濃度の変動に追随して起電力が変化し安定する
までの時間(応答時間)は10分以上であった。 【0009】そこで、本発明は、非加熱時耐湿性が高
く、しかも動作温度を下げても高精度での計測が可能
で、更に炭酸ガス濃度変化に対する応答性が良好な(応
答時間が短い)固体電解質型炭酸ガスセンサを提供する
ことを目的とする。 【0010】 【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決すべく研究を重ねた結果、固体電解質層表面に形成
される作用電極に特定の化合物を添加した場合には、上
記の要求性能を全て満足する固体電解質型炭酸ガスセン
サが得られることを見出し、本発明を提案するに至っ
た。 【0011】即ち、本発明は、電子伝導物質、補助電極
物質、及びアルカリ金属複合酸化物を含む作用極、並び
に電子伝導物質を含む参照極が固体電解質層の表面に接
合されてなることを特徴とする固体電解質型炭酸ガスセ
ンサ素子である。 【0012】 【発明の実施の形態】本発明の固体電解質型炭酸ガスセ
ンサ素子においては、アルカリ金属複合酸化物、即ちア
ルカリ金属と他の元素との複合酸化物を含有する作用電
極を使用することが重要である。作用電極層がこのよう
な複合酸化物を含まない場合に作動温度を200℃以下
にすると、起電力および感度の経時的変動が大きくなっ
て炭酸ガス濃度の計測が困難になるうえに、応答時間が
10分以上となり、さらに高湿度環境下で非加熱の状態
で放置されると起電力の値が放置前と比較して著しく低
下してしまう。 【0013】本発明で使用するアルカリ金属複合酸化物
とは、1種もしくは2種以上のアルカリ金属、アルカリ
金属でも酸素でもない1種もしくは2種以上の元素(他
の元素)、及び酸素で構成される酸化物を意味する。効
果の点から、他の元素としては遷移金属又は希土類元
素、特にNi、Ti、又はLaを用いるのが、またアル
カリ金属元素としてはLiを用いるのが好適である。本
発明で使用するアルカリ金属と他の元素との複合酸化物
としては、上記のような条件を満足するものであれば公
知の化合物が特に限定されず使用でき、本発明で好適に
使用できる該複合酸化物を具体的に例示すれば、Li
Ni10、LiLaO、LiTiO、LiC
oO、LiFe、LiNaTiO、Li
NiZrO、NaCrO、NaGeO、N
aNiO、NaTi、NaCoSiO
Ni、KTaO、KWO、KNa
CuO、及びこれらの混合物が挙げられる。 【0014】これらの酸化物のうち、素子の作動温度低
減効果、応答時間短縮効果、及び非加熱時耐湿性向上効
果が特に高いという点から、LiNi10やLi
LaOなどのような金属リチウムと他の元素との複合
酸化物なる群より選ばれる少なくとも1種の酸化物を使
用するのが好適である。 【0015】本発明で使用するアルカリ金属と他の元素
との複合酸化物は、市販のものをそのまま利用できる。
また、一般的な複合酸化物の製造方法に従って容易に得
ることもでき、例えば、Li、Na、Ni、Ti、La
等の構成元素を含み、焼成することによりこれら元素の
酸化物を与える炭酸塩等の化合物、又は酸化リチウム、
酸化チタン等のこれら元素の酸化物を、それぞれ化学量
論的に反応が進行した時に所望の組成となる様な量比で
混合し焼成する方法;又は、Li、Na、Ni、Ti、
La等の構成元素を含む炭酸塩や金属アルコキシドをそ
れぞれ化学量論的に反応が進行した時に所望の組成とな
るような量比で混合し、これをエチレングリコールとク
エン酸の溶液中で加熱する、いわゆるクエン酸塩法によ
り好適に得ることができる。 【0016】作用電極層中に含まれるアルカリ金属と他
の元素との複合酸化物の量は特に制限されないが、効果
の観点から、作用電極中の電子伝導物質及び補助電極物
質の合計重量100重量部に対して、1〜50重量部、
特に2〜30重量部であることが好ましい。 【0017】本発明の固体電解質型炭酸ガスセンサ素子
は、作用電極としてアルカリ金属と他の元素との複合酸
化物を含有する作用電極を用いる他は、従来の固体電解
質型炭酸ガスセンサ素子と特に変わる点はない。即ち、
本発明の固体電解質型炭酸ガスセンサ素子は、従来の固
体電解質型炭酸ガスセンサ素子と同様に、固体電解質層
の表面に作用極及び参照極が接合された基本構造を有す
る。図1に代表的な本発明の固体電解質型ガスセンサ素
子の断面図を示す。該固体電解質型センサ素子では、加
熱用電源7に接続したヒータ6がその裏面に接合されて
いる“アルミナ、窒化アルミニウム等から成るセラミッ
クス基板4”上に、“層状の参照電極3、固体電解質層
2、及び層状の作用電極1がこの順で積層された積層
体”が、該積層体の参照電極3の表面が上記セラミック
基板と接触するようにして接着剤5を用いて接合され、
更に参照電極3及び作用電極1間の電位差を測定するた
めの電圧計8が両電極に電気的に接合された構造を有し
ている。なお、図1に示す構造は一例に過ぎず、ヒータ
及びその電源、電圧計等の付属部品との結合様式を含め
て各種部材の接続様式は図1に示すものに限定されるも
のではない。例えば作用電極及び参照電極の配置は、作
用電極層及び参照電極層に接触していれば特に制限され
ず、固体電解質層の同一表面上に作用電極と参照電極と
が一定の距離をおいて形成されていてもよい。また、ヒ
ータの接続態様についてもセンサの作動を阻害しなけれ
ば特に制限されず、さらに、何らかの方法で素子外部か
らの加熱によって素子の温度を所定の一定温度に保つこ
とが可能であればヒータを用いなくてもよい。 【0018】また、本発明の固体電解質型炭酸ガスセン
サ素子に用いられる作用極、参照極、及びこれら電極を
構成する部材の構造、材質、形状、及び大きさ等も特に
限定されず、従来の固体電解質型ガスセンサ素子におい
て採用されているものが何ら制限されず使用できる。例
えば、前記図1に示されるような構造の本発明の炭酸ガ
スセンサ素子においては以下に示すようなものがこれら
部材として好適に使用できる。 【0019】即ち、作用電極としては、電子伝導物質、
被測定ガスとの平衡反応を引き起こすことができる補助
電極物質及び、アルカリ金属と他の元素との複合酸化物
を含む全層厚が0.001〜0.05mmの層状体から
なるものが使用できる。ここで、電子伝導物質は、後述
する参照電極層に含まれる電子伝導物質と同様に、セン
サ素子の起電力を出力するための物質であり、白金、
金、パラジウム、銀などの貴金属元素及びこれらの合
金、もしくはこれら貴金属元素の2種類以上を混合した
ものが一般的に採用されるが、耐腐食性に優れているこ
とから白金、金、これらの混合物、又はこれらの合金が
特に好適に採用される。また、上記補助電極物質として
は、炭酸ガスが含まれる雰囲気中で炭酸ガスとの平衡反
応を引き起こすことができる物質であれば特に制限され
ず、炭酸ナトリウムや炭酸リチウムなどのアルカリ金属
炭酸塩或いはこれらの混合物、又は炭酸カルシウムや炭
酸マグネシウムなどのアルカリ土類金属炭酸塩或いはこ
れらの混合物が採用されるが、炭酸ガスとの平衡反応を
起こしやすいことから、炭酸ナトリウム及び/又は炭酸
リチウムが好適に採用される。作用電極中に含まれる電
子伝導物質及び補助電極物質の含有割合は特に制限され
ないが、連続使用時におけるセンサ素子の起電力のふら
つきが少ないことから、両物質の合計重量を基準とする
電子伝導物質の重量%で表して、20〜95重量%、特
に40〜90%であることが好ましい。なお、作用電極
の構造も特に限定されず、(i)電子伝導物質、補助電極
物質及び、アルカリ金属と他の元素との複合酸化物が固
体電解質層表面に層状に積み重ねられた構造、(ii)固体
電解質層表面に形成された補助電極物質及び、アルカリ
金属と他の元素との複合酸化物を含む層の一部または全
部を電子伝導物質が被覆する構造、(iii)電子伝導物質
中に補助電極物質及び、アルカリ金属と他の元素との複
合酸化物が分散して存在する構造等の公知の構造を取り
得るが、製造の容易さからは上記(iii)の構造が好まし
い。また、これら構造の作用電極は、電子伝導物質、補
助電極物質及び、アルカリ金属と他の元素との複合酸化
物をそれぞれ単独でもしくは混合した後に溶媒及びバイ
ンダーと混練してペースト化し、該ペーストをスクリー
ン印刷法などによって固体電解質層表面に焼き付ける方
法;電子伝導物質および補助電極物質をスパッタリング
や蒸着などの薄膜形成技術によって形成する方法などの
方法により形成できる。 【0020】参照電極としては、上記したような電子伝
導物質、好適には白金、金、これらの混合物、又はこれ
らの合金からなる厚さ0.001〜0.03mmの層状
体のものが好適に採用される。該参照電極も上記作用極
と同様の方法により形成できる。 【0021】また、固体電解質層としては、前述のNA
SICON、LiTiSiOなどの固体電解質が厚
さ0.02mm〜2.0mmの板状、円筒状、有底円筒
状等の形状に成形されたものが好適に使用できる。な
お、固体電解質層の形成方法も特に限定されず、例え
ば、固体電解質の合成原料を焼成し、成型した後に加熱
する方法;固体電解質の合成原料を成型した後、焼結す
る方法;又は固体電解質の合成原料を溶媒およびバイン
ダーと混練してペースト化し、該ペーストをスクリーン
印刷法などによってセラミックスやガラスの基板上に印
刷して焼き付ける方法などが好適に採用できる。 【0022】本発明の炭酸ガスセンサ素子は、一定の温
度に保たれた条件下で被検出ガスである炭酸ガスを含み
得る雰囲気下に放置することによって使用され、前記電
圧計で測定される起電力に基づいて雰囲気中の炭酸ガス
濃度を測定することができるものであるが、非加熱時耐
湿性が高いばかりでなく、動作温度を200℃程度に下
げても高精度での計測が可能であり省エネルギー運転が
可能である。そして、炭酸ガス濃度が大きく変化したと
きの応答時間も約7〜20秒と非常に短い。このため、
炭酸ガス濃度変化が激しい環境測定用の炭酸ガスセンサ
素子として特に好適に使用できる。 【0023】 【実施例】本発明を具体的に説明するために以下の実施
例を挙げて説明するが、本発明は、これら実施例に制限
されるものではない。 【0024】実施例1〜3 先ず、CONa、Zr(CO)、Si
(OC、(C O)POをモル比で
3:2:2:1となるように混合し、金属アルコキシド
化合物を加水分解した後に100℃で乾燥し、さらに9
00℃で4時間焼成ののちにペレット状に一軸成型し、
1200℃の大気雰囲気で10時間焼結して円盤状のペ
レットとし、NASICONからなる固体電解質層を形
成した。 【0025】次に、5重量%エチルセルロースを溶解し
たテルピネオール30重量部に対して、電子伝導物質と
しての金粉末、補助電極物質としてのLiCO又は
Na CO、及びLiNi10粉末を表1に示
した割合で混練してペーストとし、これを上記固体電解
質層の片面にスクリーン印刷、乾燥した後に650℃の
大気中で30分焼成し、膜厚が0.015mmの作用電
極層を形成した。 【0026】LiNi10粉末は、市販のLi
CO粉末とNiCO粉末をモル比で1:4になるよ
うに混合し、600℃の大気雰囲気で2時間焼成するこ
とによって作製した。 【0027】その後、電子伝導物質としての金粉末10
0重量部に、5重量%エチルセルロースを溶解したテル
ピネオール30重量部を加えて混連し、ペースト化した
後にこれを上記固体電解質層の作用電極層を形成した面
とは反対の表面にスクリーン印刷し、乾燥後に650℃
の大気中で30分焼成して膜厚が0.015mmの参照
電極層を形成した。 【0028】次いで、市販の白金ペーストを用いてスク
リーン印刷法によって形成した白金ヒータを搭載するア
ルミナ基板を、ヒータが形成されていない面が接合面に
なるように上記参照電極層上にガラスよりなる接着剤を
用いて接合すると共に、ヒータに外部交流電源を接続
し、更に作用電極及び参照電極間に電圧計を接続し、図
1に示されるような断面構造を有する固体電解質型セン
サ素子を作製した。 【0029】上記の様にして作製した固体電解質型炭酸
ガスセンサ素子について、下記(1)〜(3)に示す様
にして、起電力及び感度の作動温度依存性試験、応答時
間測定、並びに非加熱時耐湿性試験を行った。測定結果
を表2に示す。 【0030】(1)起電力と感度の作動温度依存性試験
方法 固体電解質型炭酸ガスセンサ素子を作製した直後に炭酸
ガス濃度が自由に制御できるチャンバー内に入れ、電源
よりヒータに直流電圧を印加することで素子を作動温度
の200℃に加熱し、センサ素子を該温度に保持したま
ま、チャンバー内の炭酸ガス濃度を350ppmに調整
して起電力を測定した。次いで、チャンバー内の炭酸ガ
ス濃度を2000ppmに調整し、同一温度で起電力を
測定した。その後、素子温度(作動温度)を300℃、
及び450℃に上げて、各温度で同様にして350pp
m及び2000ppmにおける起電力を測定した。ま
た、各温度における350ppmのときと2000pp
mの時の起電力差を求め、この値を各作動温度における
感度とした。 【0031】(2)応答時間測定方法 上記(1)の試験の測定後直ちに、固体電解質型炭酸ガ
スセンサ素子を炭酸ガス濃度が自由に制御できるチャン
バー内に入れ、電源よりヒータに直流電圧を印加するこ
とで素子を450℃に加熱し、センサ素子を450℃に
保持したまま、チャンバー内の炭酸ガス濃度を350p
pmに調整し起電力が一定になったことを確認して炭酸
ガス濃度を2000ppmへ瞬間に変化させ、起電力が
安定するまでの時間(応答時間)を測定した。次にチャ
ンバー内の炭酸ガス濃度を2000ppmから350p
pmへ瞬間的に変化させ、起電力が安定するまでの時間
(応答時間)を測定した。 【0032】(3)非加熱時耐湿性試験方法 上記(2)の試験の測定後直ちに、固体電解質型炭酸ガ
スセンサ素子を炭酸ガス濃度が自由に制御できるチャン
バー内に入れ、電源よりヒータに直流電圧を印加するこ
とで素子を450℃に加熱し、センサ素子の温度を45
0℃に保持したまま、チャンバー内の炭酸ガス濃度を3
50ppmおよび2000ppmに調整し、それぞれの
濃度での起電力を測定して、これを初期の起電力とし
た。また、350ppmの時の起電力値と2000pp
mの時の起電力値との差を求め、これを素子温度450
℃における初期の感度とした。素子温度450℃時にお
ける初期感度を測定後、センサ素子をチャンバー内から
取り出し、これを温度60℃、湿度90%に保持された
恒温槽内に入れて、非加熱の状態で7日間放置した後に
恒温槽から取り出し、素子温度が450℃時における3
50ppmと2000ppmにおける起電力(試験後起
電力)を同様にして測定し、感度(試験後感度)を算出
した。 【0033】 【表1】 【0034】 【表2】【0035】実施例4〜6 作用電極に添加するLiNi10粉末をLiLa
粉末に変更する以外は、実施例1〜3と同様にして
固体電解質型炭酸ガスセンサを作製し、実施例1〜3と
同様にして評価を行なった。LiLaO粉末は、市販
のLiO粉末とLa(CO粉末をモル比で
1:1になるように混合し、600℃の大気雰囲気で2
時間焼成することによって作製した。作用極の組成を表
1に、評価結果を表2にそれぞれ合わせて示す。 【0036】実施例7〜8 作用電極に添加するLiNi10粉末をLi
iO粉末に変更する以外は、実施例1〜3と同様にし
て固体電解質型炭酸ガスセンサを作製し、実施例1〜3
と同様にして評価を行なった。LiTiO粉末は、
市販のものをそのまま用いた。作用極の組成を表1に、
評価結果を表2にそれぞれ合わせて示す。 【0037】比較例1〜4 表1に示す組成の作用極を用いる以外は実施例1〜3と
同様にして固体電解質型炭酸ガスセンサを作製し、実施
例1〜3と同様にして評価を行なった。作用極の組成を
表1に、評価結果を表2にそれぞれ合わせて示す。 【0038】比較例1及び2は、それぞれ実施例2にお
いてLiNi10に替えて希土類酸化物であるL
を使用したものであるが、非加熱時耐湿性は高
いものの応答時間が長く、また200℃という低温では
炭酸ガス濃度の測定を行なうことができなかった。ま
た、比較例3及び4は電子伝導物質および補助電極物質
のみからなる作用電極を用いた例であるが、この場合に
は非加熱時耐湿性も低くなっている。 【0039】 【発明の効果】本発明の固体電解質型炭酸ガスセンサ素
子は、非加熱時耐湿性が高いばかりでなく、動作温度を
例えば200℃に下げても高精度での計測が可能で、さ
らに応答時間7〜20秒と非常に短い。このため、長期
間信頼性の高い測定が可能なばかりでなく、使用時に消
費するエネルギーを低減することができる。さらに、炭
酸ガス濃度変化が激しくなる可能性がある環境測定にも
充分に使用可能である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [0001] BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
Solid oxide carbon dioxide sensor element for measuring gas concentration
About the child. [0002] 2. Description of the Related Art In recent years, there has been a demand for a living environment, particularly an indoor environment.
For example, monitor the concentration of carbon dioxide in the room
Rings and automatically changes when the carbon dioxide concentration rises.
Air cleaner equipped with a carbon dioxide sensor element
Purification equipment has been developed. Pollution prevention or countermeasures
From the viewpoint of measures, always measure the change in carbon dioxide concentration in the environment.
The so-called environmental measurement has become increasingly important. These sky
Control device or alarm device such as air purifier, or environmental measurement
As a carbon dioxide sensor element to be built in
Has high gas selectivity, easy miniaturization, wide operating conditions,
Solid electrolyte type charcoal with superior maintainability
Acid gas sensor elements are suitable. A solid electrolyte type carbon dioxide sensor element is generally used.
In addition, (a) the “solid electrolyte layer”, which is an ion conductor,
Equilibrium reaction between the proton conducting material and carbon dioxide as the gas to be measured.
"Action involving auxiliary electrode material that can cause response
Electrode "and (c) a" reference electrode "containing an electron conducting material.
It has a joined basic structure. Such carbon dioxide
For the sensor element, 400
The gas to be measured while being heated to a constant temperature of
Contained in the working electrode layer when left in an atmosphere containing
Dissociation between the auxiliary electrode material and the gas to be measured, carbon dioxide
Equilibrium reaction proceeds until equilibrium is reached and near the working electrode layer
A change occurs in the mobile ion concentration of the solid electrolyte layer, resulting in a change.
Between the working electrode layer and the reference electrode layer via the solid electrolyte layer
A certain electromotive force is generated according to the measured gas concentration
So, by measuring the electromotive force,
You can know. Conventionally, a generally known solid electrolyte type
In a carbon dioxide sensor element, a solid electrolyte layer is formed.
NASICON (Na1 + AZr2
Si AP3-AO12Where 0 ≦ A ≦ 3), β-Al2
O3Such as sodium ion conductive material and Li2TiSi
O5, LiTi2(PO4)3Lithium ion conduction
Substances contained in the working electrode and the reference electrode
Conductive material (the material is necessary to detect electromotive force
Is excellent in heat resistance and oxidation resistance such as gold and platinum
Noble metal material is further included in the working electrode
As alkali metal carbonate or alkaline earth metal carbonate
Is generally used. However, the above-mentioned auxiliary electrode substance is
Solid state electricity using lithium metal carbonate and alkaline earth metal carbonate
Dissolved carbon dioxide sensor stopped operation by interrupting heating
Moisture concentration such as high humidity atmosphere or dew condensation atmosphere
If it is left in a high atmosphere, it will start operating again
Electromotive force is significantly lower than before leaving
(Hereafter, it is assumed that such a phenomenon is likely to occur.
It is also called low humidity. ). As a method for solving such a problem,
A method of adding a rare earth metal oxide to a working electrode is known.
(Japanese Unexamined Patent Publication No. H11-174023), the working electrode is La
2O 3, Nd2O3, Y2O3, CeO2Rare earth gold
High humidity in non-heated state by adding metal oxide
Electromotive force is almost the same as before
Can be prevented from starting
The time until the power stabilizes can be within 2 hours
Noh. [0007] SUMMARY OF THE INVENTION A solid electrolyte
Type carbon dioxide gas sensor,
Separately from the above, reduce the operating temperature from the viewpoint of energy saving.
For certain applications, such as carbonic acid
In environmental measurement where gas concentration fluctuates drastically,
When the carbon dioxide concentration fluctuates, the electromotive force value changes quickly.
It is desired to change and stabilize in response to movement. [0008] However, Japanese Patent Application Laid-Open No.
Of the solid electrolyte type carbon dioxide sensor disclosed in
The problem of moisture resistance during non-heating has been solved
The operating temperature and response speed of conventional solid electrolyte type
It is the same as the acid gas sensor, and it is not always satisfactory.
There was no. For example, to make reliable measurements
It is difficult to keep the operating temperature below 200 ° C,
The electromotive force changes and stabilizes following the fluctuation of carbon dioxide concentration
Time (response time) was 10 minutes or more. Therefore, the present invention has a high moisture resistance when not heated.
And high-precision measurement is possible even when the operating temperature is lowered
Response to changes in carbon dioxide concentration
Provide a solid electrolyte type carbon dioxide sensor with short response time
The purpose is to: [0010] The present inventor has solved the above-mentioned problems.
As a result of repeated research to solve it, formed on the surface of the solid electrolyte layer
If a specific compound is added to the working electrode
Solid electrolyte type carbon dioxide gas that satisfies all of the above required performance
Have been found to lead to the present invention.
Was. That is, the present invention provides an electron conductive material, an auxiliary electrode
Working electrode containing substance and alkali metal composite oxide, and
The reference electrode, which contains an electron conductive material, is in contact with the surface of the solid electrolyte layer.
Solid electrolyte type carbon dioxide gas
Sensor element. [0012] BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The solid electrolyte type carbon dioxide gas
In a sensor element, an alkali metal composite oxide,
Working electricity containing complex oxides of rukari metal and other elements
It is important to use poles. The working electrode layer
Operating temperature below 200 ° C when no complex oxides are contained
, The fluctuations of the electromotive force and sensitivity with time increase.
Measurement of carbon dioxide concentration becomes difficult and response time
10 minutes or more, and no heating in a high humidity environment
Value is significantly lower than before
I will drop it. The alkali metal composite oxide used in the present invention
Means one or more alkali metals, alkalis
One or more elements that are neither metals nor oxygen (others
And an oxide composed of oxygen. Effect
From the point of view, other elements are transition metals or rare earth elements.
The use of element, especially Ni, Ti or La,
It is preferable to use Li as the potassium metal element. Book
Composite oxide of alkali metal and other elements used in the invention
As long as the above conditions are satisfied,
Known compounds can be used without particular limitation, and are suitably used in the present invention.
Specific examples of the composite oxide that can be used include Li2
Ni8O10, LiLaO2, Li2TiO3, LiC
oO2, Li2Fe3O4, Li3NaTiO4, Li
2NiZrO4, Na2CrO4, Na4GeO4, N
aNiO2, Na2Ti3O7, Na2CoSiO4,
K9Ni2O7, K3TaO4, K2WO4, KNa2
CuO2, And mixtures thereof. Among these oxides, the operating temperature of the device is low.
Reduction effect, response time reduction effect, and non-heating moisture resistance improvement effect
Because the fruit is particularly high, Li2Ni8O10And Li
LaO2Composite of metallic lithium and other elements such as
At least one oxide selected from the group consisting of oxides
It is preferably used. Alkali metal and other elements used in the present invention
Commercially available compounds can be used as they are.
In addition, it can be easily obtained according to a general manufacturing method of a composite oxide.
For example, Li, Na, Ni, Ti, La
Etc., and by firing, these elements
Compounds such as carbonates that give oxides, or lithium oxide,
Oxides of these elements such as titanium oxide
Theoretically, when the reaction has proceeded,
Mixing and firing; or Li, Na, Ni, Ti,
Use carbonates and metal alkoxides containing constituent elements such as La
The desired composition is obtained when the reaction proceeds stoichiometrically.
Mix in a volume ratio such that
Heating in a solution of enic acid, by the so-called citrate method
More preferably, it can be obtained. Alkali metal contained in the working electrode layer and other
The amount of the composite oxide with the element is not particularly limited, but the effect
From the viewpoint of the electron conducting material and the auxiliary electrode material in the working electrode
1 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total quality,
In particular, the amount is preferably 2 to 30 parts by weight. The solid electrolyte type carbon dioxide sensor element of the present invention
Is a complex acid of alkali metal and other elements as a working electrode
Other than using a working electrode containing
There is no particular difference from the quality type carbon dioxide sensor element. That is,
The solid electrolyte type carbon dioxide sensor element of the present invention is
As with the solid electrolyte type carbon dioxide sensor element, the solid electrolyte layer
Has a basic structure in which the working electrode and reference electrode are joined to the surface of
You. FIG. 1 shows a typical solid electrolyte gas sensor element of the present invention.
FIG. In the solid electrolyte sensor element,
The heater 6 connected to the heating power supply 7 is
Ceramics made of alumina, aluminum nitride, etc.
A reference electrode 3 having a layered shape and a solid electrolyte layer
2 and a lamination in which the laminar working electrodes 1 are laminated in this order.
The surface of the reference electrode 3 of the laminate
Bonded with an adhesive 5 so as to be in contact with the substrate,
Further, the potential difference between the reference electrode 3 and the working electrode 1 was measured.
Voltmeter 8 is electrically connected to both electrodes
ing. It should be noted that the structure shown in FIG.
And its connection with the power supply, voltmeter, etc.
The connection styles of the various members are limited to those shown in FIG.
Not. For example, the working electrode and reference electrode
Is particularly limited as long as it is in contact with the electrode layer for use and the reference electrode layer.
The working electrode and the reference electrode on the same surface of the solid electrolyte layer.
May be formed at a certain distance. Also,
The operation of the sensor must also be inhibited
Is not particularly limited, and if the
To maintain the temperature of the element at a predetermined constant temperature.
If it is possible, the heater need not be used. The solid electrolyte type carbon dioxide gas sensor of the present invention
The working electrode, reference electrode, and these electrodes used for the
Especially the structure, material, shape, size, etc. of the constituent members
Not limited to conventional solid electrolyte gas sensor elements
What is adopted is not restricted at all and can be used. An example
For example, the carbon dioxide gas of the present invention having a structure as shown in FIG.
These are the following types of sensor elements.
It can be suitably used as a member. That is, as the working electrode, an electron conductive material,
Aid that can trigger an equilibrium reaction with the gas to be measured
Electrode materials and composite oxides of alkali metals and other elements
From a layered body with a total thickness of 0.001 to 0.05 mm including
Can be used. Here, the electron conductive material is described later.
As with the electron conductive material contained in the reference electrode layer
Pt is a substance that outputs the electromotive force of
Noble metal elements such as gold, palladium, silver, etc.
Gold or a mixture of two or more of these noble metal elements
Are generally used, but they must have excellent corrosion resistance.
From platinum, gold, their mixtures, or their alloys
It is particularly preferably employed. Also, as the auxiliary electrode material,
Is the equilibrium reaction with carbon dioxide in an atmosphere containing carbon dioxide.
Any substance that can cause a reaction is particularly restricted.
And alkali metals such as sodium carbonate and lithium carbonate
Carbonates or mixtures thereof, or calcium carbonate or charcoal
Alkaline earth metal carbonates such as magnesium acid
These mixtures are used, but the equilibrium reaction with carbon dioxide is
Sodium carbonate and / or carbonic acid
Lithium is preferably employed. The voltage contained in the working electrode
The proportions of proton conductive material and auxiliary electrode material are particularly limited.
There is no fluctuation in the electromotive force of the sensor element during continuous use.
Based on the total weight of both substances due to low stickiness
20 to 95% by weight, expressed in terms of% by weight of electron conductive material,
It is preferably 40 to 90%. The working electrode
The structure of (i) electron conductive material, auxiliary electrode
Substances and composite oxides of alkali metals and other elements
Structure stacked in layers on the surface of the body electrolyte layer, (ii) solid
Auxiliary electrode material formed on the surface of the electrolyte layer and alkali
Part or all of a layer containing a composite oxide of a metal and another element
(Iii) electron conductive material
The auxiliary electrode material and the complex of alkali metal and other elements
Use a known structure such as a structure in which
However, the structure of (iii) above is preferable from the viewpoint of ease of production.
No. The working electrodes of these structures are composed of an electron conductive material,
Auxiliary electrode material and complex oxidation of alkali metal and other elements
Solvents and biomass
Into a paste, and paste the
Baking on the solid electrolyte layer surface by the printing method
Method; Sputtering electron conductive material and auxiliary electrode material
And methods of forming by thin film forming technology such as evaporation
It can be formed by a method. As the reference electrode, the above-described electronic transmission is used.
A conductive material, preferably platinum, gold, a mixture thereof, or
0.001-0.03mm layer made of these alloys
The body thing is suitably adopted. The reference electrode is also the working electrode
It can be formed by the same method as described above. Further, as the solid electrolyte layer, the aforementioned NA
SICON, Li2TiSiO5Thick solid electrolyte
0.02mm to 2.0mm plate, cylinder, bottomed cylinder
What was shape | molded in the shape, such as a shape, can be used conveniently. What
The method for forming the solid electrolyte layer is not particularly limited, either.
For example, the solid electrolyte synthesis raw material is fired, molded and then heated.
Method: sintering after shaping the raw material for solid electrolyte synthesis
Or a solid electrolyte synthesis raw material with a solvent and a binder.
Into a paste by kneading
Printing on ceramic or glass substrates by printing method etc.
A method of printing and printing can be suitably employed. The carbon dioxide sensor element of the present invention has a constant temperature.
Contains carbon dioxide, which is the gas to be detected,
Used by leaving it in an atmosphere
Carbon dioxide in the atmosphere based on the electromotive force measured by a manometer
Although it can measure the concentration,
Not only high humidity, but also lower operating temperature to about 200 ℃
Measurement can be performed with high accuracy even when
It is possible. And when the carbon dioxide concentration changed greatly
Response time is very short, about 7 to 20 seconds. For this reason,
Carbon dioxide sensor for environmental measurement where the carbon dioxide concentration changes drastically
It can be particularly suitably used as an element. [0023] DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to specifically explain the present invention, the following examples
The present invention will be described by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.
It is not done. Examples 1 to 3 First, C2H5ONa, Zr (C4H9O)4, Si
(OC2H5)4, (C 2H5O)3PO in molar ratio
3: 2: 2: 1 mixture and metal alkoxide
After hydrolyzing the compound, it was dried at 100 ° C.
After firing at 00 ° C for 4 hours, it is uniaxially formed into pellets,
Sinter in an air atmosphere at 1200 ° C for 10 hours.
And a solid electrolyte layer made of NASICON
Done. Next, 5% by weight of ethyl cellulose is dissolved.
30 parts by weight of terpineol
Gold powder, Li as auxiliary electrode material2CO3Or
Na 2CO3, And Li2Ni8O10The powder is shown in Table 1.
Kneaded at the same ratio to form a paste,
Screen printing on one side of the porous layer, after drying
Baking in air for 30 minutes, working voltage of 0.015mm
An extreme layer was formed. Li2Ni8O10The powder is commercially available Li2
CO3Powder and NiCO31: 4 powder molar ratio
And fired in an air atmosphere at 600 ° C for 2 hours.
And produced. Then, the gold powder 10 as an electron conductive material
0% by weight of 5% by weight ethyl cellulose dissolved in ter
30 parts by weight of pinoeol were added and mixed to form a paste.
Later, this is the surface of the solid electrolyte layer on which the working electrode layer was formed.
Screen printing on the opposite surface to 650 ° C after drying
Fired in the air for 30 minutes and the thickness is 0.015mm
An electrode layer was formed. Next, using a commercially available platinum paste,
An electrode with a platinum heater formed by lean printing
The surface where the heater is not formed should be
Adhesive made of glass on the reference electrode layer so that
And connect an external AC power supply to the heater
And a voltmeter connected between the working electrode and the reference electrode.
Solid electrolyte type sensor having a sectional structure as shown in FIG.
A device was manufactured. The solid electrolyte type carbonic acid prepared as described above
For gas sensor elements, see (1) to (3) below.
And the operating temperature dependency test of the electromotive force and sensitivity
Measurement and a non-heating moisture resistance test were performed. Measurement result
Are shown in Table 2. (1) Dependence test on operating temperature of electromotive force and sensitivity
Method Immediately after producing the solid electrolyte type carbon dioxide sensor element,
Put in a chamber where gas concentration can be controlled freely, and supply power
By applying a DC voltage to the heater, the operating temperature of the element
To 200 ° C. and maintain the sensor element at that temperature.
Adjust the concentration of carbon dioxide in the chamber to 350ppm
And the electromotive force was measured. Next, carbon dioxide gas in the chamber
The concentration of the gas to 2000 ppm, and the electromotive force at the same temperature.
It was measured. After that, the element temperature (operating temperature) is set to 300 ° C.
And 450 ° C., and at the same temperature, 350 pp
The electromotive force at m and 2000 ppm was measured. Ma
In addition, 350 ppm at each temperature and 2000 pp
m, and calculate the difference between the electromotive forces at each operating temperature.
Sensitivity. (2) Response time measuring method Immediately after the measurement in the above test (1), the solid electrolyte type carbon dioxide
A sensor that can freely control the carbon dioxide concentration
Insert the battery into the bar and apply DC voltage to the heater from the power supply.
To heat the element to 450 ° C and heat the sensor element to 450 ° C.
While holding, the concentration of carbon dioxide in the chamber
pm and confirm that the electromotive force is constant
The gas concentration is instantaneously changed to 2000ppm,
The time until stabilization (response time) was measured. Then cha
The concentration of carbon dioxide in the chamber is increased from 2000ppm to 350p
pm until the electromotive force stabilizes
(Response time) was measured. (3) Moisture resistance test method without heating Immediately after the measurement in the above test (2), the solid electrolyte type carbon dioxide
A sensor that can freely control the carbon dioxide concentration
Insert the battery into the bar and apply DC voltage to the heater from the power supply.
And the element is heated to 450 ° C. and the temperature of the sensor element is set to 45 ° C.
While maintaining the temperature at 0 ° C., the concentration of carbon dioxide in the chamber was adjusted to 3
Adjusted to 50 ppm and 2000 ppm, and
Measure the electromotive force at the concentration and use this as the initial electromotive force.
Was. The electromotive force at 350 ppm and 2000 pp
m and the difference between the electromotive force value at the time of
Initial sensitivity at ° C. When the device temperature is 450 ° C
After measuring the initial sensitivity, remove the sensor element from the chamber.
It was taken out and kept at a temperature of 60 ° C. and a humidity of 90%.
After putting in a thermostat and leaving it unheated for 7 days
Take out of the thermostat, 3 when the element temperature is 450 ° C
Electromotive force at 50 ppm and 2000 ppm (
Power) in the same way and calculate the sensitivity (sensitivity after test)
did. [0033] [Table 1] [0034] [Table 2]Examples 4 to 6 Li added to the working electrode2Ni8O10LiLa powder
O2Except for changing to powder, the same as in Examples 1-3
A solid electrolyte type carbon dioxide sensor was produced, and
Evaluation was performed in the same manner. LiLaO2Powder is commercially available
Li2O powder and La2(CO3)3Powder in molar ratio
Mix so that the mixture becomes 1: 1 and mix in air at 600 ° C.
It was produced by firing for an hour. Table of composition of working electrode
1 and Table 2 show the evaluation results. Examples 7 and 8 Li added to the working electrode2Ni8O10Li powder2T
iO3Same as Examples 1 to 3 except that the powder is changed.
To produce a solid electrolyte type carbon dioxide sensor, Examples 1-3
Evaluation was performed in the same manner as described above. Li2TiO3The powder is
A commercially available product was used as it was. Table 1 shows the composition of the working electrode.
Table 2 shows the evaluation results. Comparative Examples 1-4 Examples 1 to 3 except that the working electrode having the composition shown in Table 1 was used.
Prepare a solid electrolyte type carbon dioxide sensor in the same way
Evaluation was performed in the same manner as in Examples 1 to 3. Working electrode composition
Table 1 shows the evaluation results together with Table 2. Comparative Examples 1 and 2 correspond to Example 2 respectively.
And Li2Ni8O10Is a rare earth oxide, L
a2O3But the moisture resistance when not heated is high
Response time is long, and at low temperatures of 200 ° C
The carbon dioxide concentration could not be measured. Ma
Comparative Examples 3 and 4 are electron conductive materials and auxiliary electrode materials.
This is an example using a working electrode consisting only of
Has a low moisture resistance when not heated. [0039] The solid electrolyte type carbon dioxide sensor element of the present invention
Not only has high moisture resistance when not heated, but also
For example, high-precision measurement is possible even if the temperature is lowered to 200 ° C.
Furthermore, the response time is as short as 7 to 20 seconds. For this reason, long term
Not only enables reliable measurement during
Energy expenditure can be reduced. Furthermore, charcoal
For environmental measurement where acid gas concentration change may be severe
It is fully usable.

【図面の簡単な説明】 【図1】 本図は、代表的な本発明の固体電解質型炭酸
ガスセンサ素子の断面図である。 【符号の説明】 1.作用電極 2.固体電解質層 3.参照電極 4.セラミックス板 5.接着剤 6.ヒータ 7.電源 8.電圧計
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view of a typical solid oxide carbon dioxide sensor element of the present invention. [Explanation of reference numerals] Working electrode 2. 2. solid electrolyte layer Reference electrode4. Ceramic plate5. Adhesive 6. Heater 7. Power supply 8. voltmeter

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 電子伝導物質、補助電極物質、及びアル
カリ金属複合酸化物を含む作用極、並びに電子伝導物質
を含む参照極が固体電解質層の表面に接合されてなるこ
とを特徴とする固体電解質型炭酸ガスセンサ素子。
Claims 1. A working electrode including an electron conductive material, an auxiliary electrode material, and an alkali metal composite oxide, and a reference electrode including an electron conductive material are bonded to a surface of a solid electrolyte layer. A solid electrolyte type carbon dioxide sensor element characterized by the above-mentioned.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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