JP2004150811A - Carbon monoxide sensor - Google Patents
Carbon monoxide sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004150811A JP2004150811A JP2002313054A JP2002313054A JP2004150811A JP 2004150811 A JP2004150811 A JP 2004150811A JP 2002313054 A JP2002313054 A JP 2002313054A JP 2002313054 A JP2002313054 A JP 2002313054A JP 2004150811 A JP2004150811 A JP 2004150811A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- oxidation catalyst
- carbon monoxide
- layer
- heater
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば被測定ガス中に含まれる一酸化炭素ガスの濃度を検出するのに好適に用いられる一酸化炭素センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、一酸化炭素は無色、無味、無臭の気体(ガス)であり、空気より軽く毒性が強いために、例えば200ppm(0.02%)程度の低濃度でも2〜3時間にわたって呼吸すると、人体に影響を与えて頭痛等が生じる。また、空気中の一酸化炭素濃度が3000〜6000ppm(0.3〜0.6%)に達したときには、数分間で呼吸が困難となってしまうものである。
【0003】
そして、各種の暖房器具、給湯器等の燃焼機器または内燃機関等から排出される排気ガス中には、このような一酸化炭素ガスが可燃性ガスとしてが含まれており、これらの可燃性ガスのうち、特に一酸化炭素ガスを選択的に検出できるようにした一酸化炭素センサも知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−5876号公報
【0005】
この種の従来技術による一酸化炭素センサは、ヒータによって加熱される固体電解質の表面側に第1の電極と第2の電極とを設け、これらの電極のうち一方の電極を一酸化炭素を酸化する酸化触媒で覆うと共に、前記各電極間に発生する電位差から被測定ガス中の一酸化炭素濃度を検出する構成としている。
【0006】
また、この場合の被測定ガス中に水素ガスが含まれていると、このときの水素ガスが酸化触媒で酸化されることにより、一酸化炭素ガスに対する検出精度が低下してしまう。このため、従来技術の一酸化炭素センサには、前記固体電解質および酸化触媒から離れた位置に水素を選択的に酸化させるための水素酸化手段を別途設ける構成としている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術による一酸化炭素センサは、平板状なすヒータの一側面に平板状の固体電解質を積層化して設けると共に、該固体電解質の一側面上には、第1,第2の電極および酸化触媒をそれぞれ積層化して設ける構成であるため、ヒータの発熱を固体電解質に効率的に伝えることができない上に、センサ全体の体積に対して電極面積を広くすることができず、十分な検出精度を得るためにはセンサ全体が大型化してしまうという問題がある。
【0008】
また、従来技術の一酸化炭素センサは、被測定ガス中に含まれる水素ガスによって一酸化炭素ガスの検出精度が低下するのを防ぐために、前記固体電解質および酸化触媒から離れた位置に水素酸化手段を別途設ける構成としているので、これによってもセンサ全体が大型化し易く、構造が複雑となって製造時の作業性が悪く、製造コストも高くなるという問題がある。
【0009】
また、例えば亜硫酸ガス(SOx )、シリコンガス(接着剤等から空気中に揮散した有機ガス)のように分子量の大きいガスが被測定ガス中に含まれている場合に、これらのガスが被毒物となってセンサ内に侵入すると、被毒物による目詰まり等が発生して一酸化炭素センサが早期に劣化し易くなり、これによっても検出精度が低下するという問題がある。
【0010】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、被測定ガス中の一酸化炭素濃度を高精度に安定して検出することができる上に、製造時の作業性を向上でき、全体を小型化することができるようにした一酸化炭素センサを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項1の発明による一酸化炭素センサは、軸方向に延びるロッド状に形成され、外部からの通電によって発熱するヒータ部と、該ヒータ部の軸方向一側に設けられ、該ヒータ部の発熱温度が軸方向の途中部位よりも軸方向の一側で低くなるように該ヒータ部の発熱温度に温度分布を与える放熱部と、前記ヒータ部の外周側に設けられ、被測定ガス中に含まれる可燃性ガスを酸化して酸素を内部に拡散させる酸化触媒層と、該酸化触媒層を外側から覆って前記ヒータ部の外周側に設けられ、前記ヒータ部からの熱により活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、前記酸化触媒層と固体電解質層との間に位置して該固体電解質層の内周側に設けられた第1の電極と、該第1の電極との間で前記固体電解質層を挟むように該固体電解質層の外周側に設けられた第2の電極と、該第2の電極よりも前記ヒータ部の軸方向一側寄りに位置して前記固体電解質層の外周側に設けられ、被測定ガス中に含まれる可燃性ガスのうち水素を選択的に酸化して残りの可燃性ガスを拡散させる水素酸化触媒層と、該水素酸化触媒層と軸方向で隣接し前記第2の電極を外側から覆うように前記固体電解質層の外周側に設けられ、該水素酸化触媒層から拡散してくる一酸化炭素、酸素を含んだ可燃性ガスが内部を透過する多孔質層と、該多孔質層と前記水素酸化触媒層との外周側に設けられ、被測定ガスに含まれる分子量の大きい被毒物等が該多孔質層と水素酸化触媒層に侵入するのを抑える緻密層とにより構成している。
【0012】
このように構成することにより、細長いロッド形状をなすヒータ部の外周側に曲面印刷等の手段を用いて酸化触媒層、第1の電極、固体電解質層、第2の電極、水素酸化触媒層、多孔質層および緻密層を形成でき、一酸化炭素センサ全体を円形のロッド状をなす構造とすることができる。この結果、一酸化炭素センサの取付け方向や被測定ガスの流れ方向等に影響されることなく、被測定ガス中の一酸化炭素濃度を安定して高精度に検出できる。また、ヒータ部の外周側に酸化触媒層を形成しているので、被測定ガス中に含まれる可燃性ガスを酸化触媒層により酸化でき、酸化後に拡散してくる酸素をほぼ一定分圧として第1の電極に向け供給することができる。
【0013】
また、ヒータ部に設けた放熱部は、水素酸化触媒層の径方向内側位置となる軸方向の一側でヒータ部の発熱温度を下げることにより、水素酸化触媒層の温度を例えば350℃以下に抑えて、被測定ガス中の水素を水素酸化触媒層で効率的に酸化させることができ、被測定ガス中に含まれる一酸化炭素ガス、酸素等を水素酸化触媒層側から多孔質層側に向けて選択性に透過、拡散させることができる。そして、このときに多孔質層内を透過してくる一酸化炭素、酸素は、第2の電極に吸着することにより、第2の電極側で一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる電極反応を起こすことができる。
【0014】
この結果、固体電解質層を挟んで対向した第1,第2の電極間には、被測定ガス中の一酸化炭素濃度に対応した起電力または電流を発生でき、このときの起電力または電流を用いて被測定ガス中の一酸化炭素濃度を検出することができる。また、水素酸化触媒層と多孔質層の外周側に設けた緻密層は、被測定ガス中に含まれる分子量の大きい被毒物(例えば、亜硫酸ガス、シリコンガス等)が水素酸化触媒層と多孔質層に侵入して目詰まり等を起こすのを抑えることができ、被毒物によるセンサの特性劣化を長期にわたり防止できる。
【0015】
また、ヒータ部を心棒部とし、その外周側には全周にわたって酸化触媒層、第1の電極、固体電解質層、第2の電極、水素酸化触媒層、多孔質層および緻密層をそれぞれ形成することにより、ヒータ部を小径に形成した場合でも固体電解質層に対するヒータ部の伝熱面積を大きくでき、該ヒータ部からの熱を固体電解質層等に効率的に伝熱することができる。
【0016】
そして、一酸化炭素センサを円形のロッド形状とすることにより、センサ全体の体積に対して電極面積を広くすることができ、酸素濃淡電池の内部抵抗を小さく抑えることができる。これにより、固体電解質層等の検出部における温度変動に対する測定誤差を低減でき、被測定ガス中の一酸化炭素に対する濃度の検出精度を高めることができる。
【0017】
しかも、水素酸化触媒層の径方向内側部位となるヒータ部の軸方向一側には放熱部を設けることにより、ヒータ部の軸方向で発熱温度に温度勾配を与える構成としているので、水素酸化触媒層を固体電解質層の外周側に曲面印刷等の手段を用いて一体に成形することが可能となり、センサ全体の構造を簡略化して製造工数を減らすことができると共に、センサ全体を小型化して製造コストの低減化等を図ることができる。
【0018】
また、請求項2の発明によると、第1の電極と第2の電極との間には、該各電極間に発生した起電力を被測定ガス中の一酸化炭素濃度に対応した信号として検出する起電力検出手段を設けてなる構成としている。
【0019】
この場合には、固体電解質層を挟んで対向した第1,第2の電極間に発生した起電力を、起電力検出手段により被測定ガス中の一酸化炭素濃度に対応した信号として検出することができる。
【0020】
また、請求項3の発明によると、第1の電極と第2の電極との間には、該各電極間に交番電圧を印加する電圧印加手段と、該各電極間を流れる電流を検出する電流検出手段とを設ける構成としている。
【0021】
この場合には、第1,第2の電極間に交番電圧を印加することにより、例えば第2の電極側で一酸化炭素の吸着、解離を繰返すような電極反応を発生でき、電極表面への炭素析出(コーキング)を抑えて耐久性劣化を防止できると共に、例えば加熱クリーニング等の処理を不要にすることができる。そして、固体電解質層を挟んで対向した第1,第2の電極間には、被測定ガス中の一酸化炭素濃度に対応した電流が流れるようになり、電流検出手段を用いてこのときの電流を被測定ガス中の一酸化炭素濃度として検出することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による一酸化炭素センサを、一酸化炭素濃度検出装置に適用した場合を例に挙げ、添付図面の図1ないし図11に従って詳細に説明する。
【0023】
ここで、図1ないし図9は本発明の第1の実施の形態を示している。図中、1は一酸化炭素濃度検出装置のケーシングで、該ケーシング1は、軸方向の一側外周に取付部としてのおねじ部2Aが形成された段付筒状のホルダ2と、該ホルダ2の軸方向他側に一体的に固着された有底筒状のキャップ3と、該キャップ3内に同軸に配設され、後述のシールキャップ10とホルダ2との間に位置決めされたガイド筒4とにより構成されている。
【0024】
また、ケーシング1の構成部品であるホルダ2、キャップ3およびガイド筒4は、例えばステンレス鋼等の金属材料を用いて形成されている。そして、ケーシング1は、例えば暖房器具、給湯器等の燃焼機器が配置される室内、または車両等の排気ガスが充満し易い地下駐車場(以下、検出対象部という)内に後述の検出素子21を突出状態で取付けるために、ホルダ2のおねじ部2Aが前記検出対象部等に螺着されるものである。
【0025】
5はケーシング1のホルダ2内に金属製のシールリング6を介して取付けられた絶縁支持体を示し、該絶縁支持体5は、例えば酸化アルミニウム(Al2O3 )等のセラミックス材料により筒状に形成され、その内周側には検出素子21が無機接着剤等を用いて固着されている。そして、絶縁支持体5は、ケーシング1内に検出素子21を位置決めすると共に、検出素子21をケーシング1に対して電気的、熱的に絶縁状態に保持するものである。
【0026】
7,8はケーシング1のガイド筒4内に設けられた絶縁筒体を示し、該絶縁筒体7,8は、酸化アルミニウム(以下、アルミナという)等のセラミックス材料により筒状に形成され、後述の各コンタクトプレート13,14等をケーシング1に対して絶縁状態に保持するものである。
【0027】
9はケーシング1内に位置して絶縁支持体5と絶縁筒体7との間に設けられた弾性部材としてのスプリングで、該スプリング9は、絶縁支持体5をホルダ2側に向けて常時付勢し、ケーシング1に外部から作用する振動や衝撃等が検出素子21に直接伝わるのを防止するものである。
【0028】
10はキャップ3の軸方向他側を閉塞したシールキャップを示し、該シールキャップ10は、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性を有する樹脂材料によって段付き筒状に形成され、ケーシング1内に絶縁筒体7,8等をスプリング9を介して位置決めしている。
【0029】
また、シールキャップ10には、検出用のリード線11,11,…と、ヒータ用のリード線12,12(一方のみ図示)とが挿通されている。そして、これらの各リード線11,12は、絶縁筒体8内でそれぞれ検出用のコンタクトプレート13,13,…と、ヒータ用のコンタクトプレート14,14とにそれぞれ個別に接続されている。
【0030】
15はケーシング1のホルダ2に設けられたプロテクタで、該プロテクタ15は、例えば耐熱性の高い金属板等を用いて有蓋筒状に形成されている。そして、プロテクタ15は、後述する検出素子21の軸方向一側部分を外側から覆うように基端側がホルダ2に取付けられ、先端(蓋部)側がホルダ2から軸方向に突出して設けられている。
【0031】
また、プロテクタ15の筒部側には、被測定ガスの流通を許す複数の窓部15A,15A,…が形成されている。そして、これらの窓部15Aは、前記検出対象部内を流れる被測定ガスを検出素子21の一側(先端側)周囲に向け、例えば図2中の矢示A,B方向に導くものである。
【0032】
次に、21は一酸化炭素濃度検出装置のケーシング1に設けられた一酸化炭素センサを構成する検出素子で、該検出素子21は、ケーシング1のホルダ2内に絶縁支持体5を介して取付けられ、先端側がホルダ2から軸方向の一側に突出している。そして、検出素子21は、図2ないし図6に示す如く後述のヒータ部22、酸化触媒層27、固体電解質層28、水素酸化触媒層31、多孔質層32および緻密層33等によって構成されるものである。
【0033】
22は細長いロッド状に形成された心棒部となるヒータ部で、該ヒータ部22は図2ないし図4に示す如く、例えば酸化マグネシウムであるマグネシア(Mg O)等を含有するアルミナ系セラミックス材料により軸方向に延びる小径の中実ロッド状に形成されたヒータコア23と、ヒータパターン24および絶縁性のヒータ被覆層25とにより構成されている。
【0034】
ここで、ヒータコア23は前記アルミナ系セラミックス材料を射出成形することにより、例えば外形寸法が約3〜4mmで、長さ寸法が約40〜60mmとなる円柱状ロッドとして形成されている。また、ヒータコア23には、図3に示すように後述の有底穴23Aと放熱穴26とが軸方向両側に互いに離間して形成されている。
【0035】
一方、ヒータパターン24は、例えば10重量%のαアルミナを混合した白金(Pt )等の発熱性導体材料からなるペースト状物を、図3に示すようにヒータコア23の外周面に曲面印刷することにより形成され、その膜厚は焼成後の状態で10〜15μm程度に設定されるものである。
【0036】
また、ヒータパターン24は、ヒータコア23の軸方向一側(先端側)から他側(基端側)に向けて延びる一対のリード部24A,24Aを有し、これらのリード部24Aは、ヒータコア23の基端側で図1に示すようにヒータ用の各コンタクトプレート14に接続されるものである。
【0037】
そして、ヒータパターン24は、後述のヒータ電源35からヒータ用の各リード線12、各コンタクトプレート14および各リード部24Aを介して外部から給電されることにより、後述の固体電解質層28等を活性化するのに適した温度(例えば、350〜500℃、好ましくは400℃前,後の温度)にヒータ部22を発熱させるものである。
【0038】
また、ヒータ被覆層25は、ヒータパターン24をリード部24Aと一緒に径方向外側から保護するために、例えばαアルミナに微量の酸化珪素(Si O2 )を添加したセラミックス材料をヒータコア23の外周側に厚膜印刷することにより形成され、その膜厚は20μm程度となっている。
【0039】
26はヒータコア23の軸方向一側に設けられた放熱部としての放熱穴で、該放熱穴26は、ヒータコア23の先端側端面から軸方向に延びる有底穴として形成され、その軸方向寸法は図2中に示す距離L1 (例えば、L1 =3.0〜3.5mm程度)となっている。
【0040】
そして、放熱穴26は、ヒータコア23の先端側端面に開口することにより、被測定ガス等の気体(例えば、空気流)を内部に流通させ、図9に示す特性線のようにヒータ部22の発熱温度に温度分布(温度勾配)を与えるものである。
【0041】
即ち、放熱穴26は、後述する水素酸化触媒層31の径方向内側となる位置(ヒータ部22の先端から距離L1 までの位置)でヒータ部22の発熱温度を、他の部位(例えば、ヒータ部22の先端から距離L2 の位置)よりも低下させ、これによって水素酸化触媒層31の温度を、例えば図9中に示す如く350℃以下の温度に抑える機能を有している。
【0042】
また、ヒータコア23の軸方向他側には、図3中に示すように他側端面から軸方向に延びる有底穴23Aが形成され、この有底穴23Aは、ヒータコア23の軸方向で放熱穴26から大きく離間して該放熱穴26とほぼ同様の軸方向長さ(穴深さ)を有している。
【0043】
そして、これらの有底穴23Aと放熱穴26とは、図3、図4に示す如くヒータパターン24、ヒータ被覆層25をヒータコア23の外周側に曲面印刷するとき、さらに後述の酸化触媒層27、固体電解質層28、水素酸化触媒層31、多孔質層32、緻密層33等を曲面印刷するとき等に芯出し穴として用いられるものである。また、有底穴23Aと放熱穴26は、ヒータコア23の容積を減少させることによって、ヒータコア23の熱容量を小さくする熱容量低減穴としても機能する。
【0044】
27はヒータ部22のヒータ被覆層25外周側に曲面印刷等の手段を用いて形成された酸化触媒層で、この酸化触媒層27は、例えばαアルミナとジルコニア(Zr O2 )とからなる複合酸化物の粉体に、白金とパラジウム(Pd )の粉体をそれぞれ0.5重量%程度ずつ添加した多孔質酸化触媒材料により構成されるものである。
【0045】
即ち、酸化触媒層27は、前記多孔質酸化触媒材料からなるペースト状物を、図5に示す如くヒータ被覆層25の外周側に厚膜印刷することにより筒状に形成され、その膜厚は例えば20〜50μm程度の厚さとなっている。なお、前記多孔質酸化触媒材料の素材となる複合酸化物としては、必ずしもジルコニアを用いる必要はなく、例えばαアルミナからなる複合酸化物を用いてもよい。
【0046】
そして、酸化触媒層27は、例えば図2中の矢示A方向から流入してくる被測定ガスに含まれる酸素、水素、一酸化炭素およびメタン(CH4)等のうち、水素、一酸化炭素、メタン等をそれぞれ酸化させ、残った酸素のみを後述の内側電極29側に拡散させる機能を有している。
【0047】
28は酸化触媒層27を外側から覆うようにヒータ部22の外周側に設けられた酸素イオン伝導性の固体電解質層で、該固体電解質層28は、例えば92%モルのジルコニア(Zr O2 )の粉体に対して、8%モルのイットリア(Y2 O3 )の粉体を混合して所謂イットリア安定化ジルコニア(YSZ)からなるペースト状物を調整した後、このペースト状物を図5に示すようにヒータ被覆層25の外周側に曲面印刷等の手段を用いて厚膜印刷することによりほぼ筒状に形成されている。
【0048】
そして、固体電解質層28は、例えば15〜50μm程度の厚さを有し、後述の電極29,30間で酸素イオンを輸送させるものである。これにより、固体電解質層28は、後述する一酸化炭素濃度の検出信号を図7に示す起電力(mV)として発生させる。
【0049】
29は酸化触媒層27と固体電解質層28との間に位置して固体電解質層28の内周面に設けられた第1の電極としての内側電極で、該内側電極29は、例えば90重量%の白金(Pt )の粉体に対し、10重量%のイットリア安定化ジルコニア(YSZ)の粉体を混合してペースト状物を調整した後、このペースト状物を図5に示すように酸化触媒層27の外周側に曲面印刷することにより形成され、そのリード部29Aはヒータ部22の基端側に向けて伸長している。
【0050】
ここで、内側電極29は、後述の化1式による接触分解反応(電極反応)を行うアノード電極を構成している。そして、内側電極29は、前記白金とイットリア安定化ジルコニアからなるサーメットとして形成され、いわゆる三相界面(白金、サーメットおよび大気からなる三相界面)が多く存在することにより、化1の式による電極反応を小さな抵抗をもって発生させるものである。
【0051】
30は固体電解質層28の外周面に形成された第2の電極となる外側電極で、該外側電極30は、前述した内側電極29とほぼ同様に形成され、後述の化1、化2の式で示す電極反応を行うカソード電極を構成している。そして、外側電極30のリード部30Aもヒータ部22の基端側に向けて伸長するものである。
【0052】
また、外側電極30は、内側電極29との間で固体電解質層28を径方向両側から挟むように配置されている。そして、固体電解質層28に対する電極29,30の軸方向位置は、図2に示すようにヒータ部22の先端から距離L2 (例えば、L2 =6〜8mm程度)にほぼ対応した軸方向位置となっている。
【0053】
そして、外側電極30のリード部30Aは、内側電極29のリード部29Aと共に図1に示す検出素子21の基端側でコンタクトプレート13、リード線11に接続され、内側電極29と外側電極30とは、図2に示す後述の電圧計34等に接続されるものである。
【0054】
31は固体電解質層28を後述の多孔質層32と共に外側から覆う水素酸化触媒層を示し、該水素酸化触媒層31は、例えば水素ガスに対して選択性が高い材料(例えば、n型酸化物半導体)からなるペースト状物を、図5に示す如く固体電解質層28の外周側に厚膜印刷(曲面印刷)することにより、例えば20〜50μm程度の厚さをもって筒状に形成されるものである。
【0055】
この場合、n型酸化物半導体は、例えば酸化鉄(Fe2O3)、酸化セレン(Ce O2)、酸化亜鉛(Zn O2)、酸化錫(Sn O2)、酸化インジウム(In2O3)、チタニア(Ti O2)、チタン酸バリウム(Ba Ti O3)、チタン酸ストロンチウム(Sr Ti O3)、錫酸ストロンチウム(Sr Sn O3)、ランタン系酸化物(La0.6Sr0.4CoO3)または他のランタン系酸化物(La0.6Sr0.4MnO3)等のいずれかを主成分とする材料で構成される。
【0056】
ここで、水素酸化触媒層31は、固体電解質層28の外周面のうちヒータ部22の放熱穴26を外側から取囲む位置(ヒータ部22の先端から距離L1 までの位置)に配設され、これによって水素酸化触媒層31の温度は、例えば図9中に示す特性線の如く350℃以下の温度に抑えられるものである。
【0057】
即ち、水素酸化触媒層31は、図2中の矢示B方向から流入してくる被測定ガスのうち、水素ガスを選択的に酸化可能な温度で、かつ一酸化炭素ガスの酸化活性が生じない温度(例えば、350℃以下の温度)にヒータ部22の放熱穴26等を通じて保持される。
【0058】
これにより、水素酸化触媒層31は、被測定ガス中の水素を効率的に酸化することができ、被測定ガス中に含まれる一酸化炭素ガス、酸素等を水素酸化触媒層31側から多孔質層32側に向けて選択性に透過、拡散させるものである。
【0059】
32は水素酸化触媒層31と共に固体電解質層28の外周側に設けた多孔質層で、該多孔質層32は、図2に示す如く外側電極30を外側から覆うように固体電解質層28の外周側に形成され、水素酸化触媒層31とは軸方向で互いに接するように隣接した位置に配置されている。
【0060】
そして、多孔質層32は、例えばαアルミナとジルコニア(Zr O2 )とからなる複合酸化物の粉体に、空孔形成剤としてのカーボン粉を10〜30重量%程度添加してペースト状物を調整し、このペースト状物を図5に示す如く固体電解質層28の外周側に曲面印刷等の手段で厚膜印刷することにより形成され、その膜厚は、例えば20〜50μm程度となっている。
【0061】
この場合、多孔質層32の素材としてはジルコニアを必ずしも用いる必要はなく、例えばαアルミナからなる複合酸化物の粉体にカーボン粉を添加する構成としてもよい。そして、これらのカーボン粉は、後述の如く検出素子21全体を焼成するときに空孔形成剤として焼き飛ばされ、これにより多孔質層32は、内部に連続気泡(連続空孔)を有した多孔質筒状体として形成される。
【0062】
そして、多孔質層32は、図2中の矢示B方向から水素酸化触媒層31内に流入した被測定ガスのうち、水素酸化触媒層31で酸化された水素を除くガス、即ち一酸化炭素ガス、酸素等が内部の空孔を通じて透過し、このときの一酸化炭素ガス、酸素を外側電極30に向けて供給するものである。
【0063】
33は水素酸化触媒層31、多孔質層32の外周側に設けられた緻密層で、この緻密層33は、例えばαアルミナの粉体に酸化珪素(Si O2)の粉体を添加してペースト状物を調整し、このペースト状物を水素酸化触媒層31、多孔質層32、固体電解質層28の外周側に曲面印刷等の手段で厚膜印刷することにより図2に示す如く段付筒状に形成され、その膜厚は、例えば20〜50μm程度となっている。
【0064】
そして、緻密層33は、水素酸化触媒層31、多孔質層32等に比較して緻密な多孔質構造をなすことにより、被測定ガス中に含まれる亜硫酸ガス(SOx )、シリコンガス(接着剤等から空気中に揮散した有機ガス)等のように分子量の大きいガスが被毒物となって水素酸化触媒層31、多孔質層32、固体電解質層28内に侵入するのを抑えるものである。
【0065】
34はケーシング1の外部に設けられる起電力検出手段としての電圧計で、該電圧計34は、図2に示すように内側電極29と外側電極30との間にリード線11等を介して接続され、固体電解質層28により電極29,30間に発生した起電力を、図7に示す特性線の如く一酸化炭素濃度の検出信号として出力するものである。
【0066】
35はケーシング1の外部に設けられるヒータ電源で、該ヒータ電源35は、図2に示すようにリード線12等を介してヒータパターン24に接続されるものである。そして、ヒータ電源35は、ヒータ部22のヒータパターン24に電圧を印加することにより、例えば400℃前,後の温度にヒータ部22を発熱させつつ、この温度を維持するものである。
【0067】
本実施の形態による一酸化炭素濃度検出装置は、上述の如き構成を有するもので、次に検出素子21の製造方法について図3ないし図6を参照して説明する。
【0068】
まず、ヒータ部22を製造するときには、図3に示すようにコア成形工程で、アルミナ系のセラミックス材料からヒータコア23を、軸方向両側に有底穴23Aと放熱穴26を有した円柱状のロッドとして射出成形し、この状態でヒータコア23を仮焼成する。
【0069】
次に、パターン印刷工程では、チャック等の支持軸をヒータコア23の両端側に有底穴23Aと放熱穴26とを介して係合させ、ヒータコア23を回転させつつ、例えば10重量%のαアルミナを混合した白金等の発熱性導体材料からなるヒータパターン24をヒータコア23の外周面に曲面印刷する。また、ヒータパターン24の各リード部24Aをヒータコア23の基端側に向けて伸長するように印刷手段で一体形成する。
【0070】
次に、ヒータ被覆層形成工程では、ヒータパターン24を径方向外側から覆うようにして、例えばαアルミナ等からなるペースト状物を曲面印刷するか、またはαアルミナ等のセラミックスグリーンシートをヒータコア23の外周側に積層化してヒータ被覆層25を形成する。これによって、ヒータコア23、ヒータパターン24およびヒータ被覆層25からなるヒータ部22を、図4に示すように形成する。
【0071】
次に、図5に示す酸化触媒層27の形成工程では、例えばαアルミナ等の複合酸化物からなるペースト状物を、ヒータ被覆層25の外周面に塗布するように曲面印刷して酸化触媒層27を形成し、ヒータ部22を酸化触媒層27によって外側から覆うようにする。
【0072】
そして、酸化触媒層27の形成工程に続いて内側電極29の形成工程を行う。この場合には、前述した白金およびイットリア安定化ジルコニア等からなるペースト状物を、酸化触媒層27の外周面に塗布するように曲面印刷し、筒型電極としての内側電極29を形成する。このとき、内側電極29のリード部29Aをヒータ被覆層25の基端側まで伸長させるように印刷により形成する。
【0073】
また、次なる固体電解質層28の形成工程では、例えばジルコニアとイットリアからなるペースト状物を、ヒータ被覆層25および酸化触媒層27の外周面に塗布するように曲面印刷して酸素イオン伝導性の固体電解質層28を形成し、この固体電解質層28によって酸化触媒層27、内側電極29を外側から覆うようにする。
【0074】
そして、次なる外側電極形成工程では、内側電極29と同様の導電性ペーストを固体電解質層28の外周面に曲面印刷することによって、内側電極29との間で固体電解質層28を径方向から挟むように外側電極30を形成する。また、外側電極30のリード部30Aもヒータ被覆層25の基端側まで伸長させるように印刷により形成する。
【0075】
次に、水素酸化触媒層形成工程では、外側電極30よりもヒータ部22の軸方向一側寄りの位置で固体電解質層28の外周面にn型酸化物半導体等からなるペースト状物を曲面印刷することによって、水素酸化触媒層31を形成する。
【0076】
また、多孔質層32の形成工程では、例えばαアルミナとカーボン粉等からなるペースト状物を図5に示す外側電極30を外側から覆うように固体電解質層28の外周側に、曲面印刷することにより、多孔質層32を形成する。
【0077】
また、これに続く緻密層形成工程では、図5に示す水素酸化触媒層31、多孔質層32および固体電解質層28を径方向外側から覆うように水素酸化触媒層31、多孔質層32等の外周側に、例えばαアルミナ、酸化珪素からなるペースト状物を曲面印刷することにより緻密層33を形成する。
【0078】
そして、次なる焼成工程では、前述の如く形成したヒータコア23、ヒータパターン24、ヒータ被覆層25、酸化触媒層27、固体電解質層28、電極29,30、水素酸化触媒層31、多孔質層32および緻密層33からなる検出素子21の成形品を、例えば1400℃程度の高温度下で2時間程度焼成してこれらを一体的に焼結させる。
【0079】
かくして、前述した各工程により検出素子21を製造した後には、該検出素子21を一酸化炭素濃度検出装置のケーシング1内に図1に示す如く収納し、各リード部24A,29A,30Aをそれぞれのコンタクトプレート13,14にばね性をもって当接させ、これらを電気的に接続することによって当該一酸化炭素濃度検出装置(一酸化炭素センサ)を完成させる。
【0080】
次に、当該センサによる一酸化炭素濃度の検出動作について説明するに、まず、一酸化炭素濃度検出装置のケーシング1は、ホルダ2のおねじ部2Aを介して検出対象部(例えば、地下駐車場)の壁面等に螺着され、検出素子21の先端側を検出対象部内へと突出させた状態で固定される。
【0081】
そして、検出対象部内の被測定ガス(空気を含む)が検出素子21の周囲にプロテクタ15を介して導入されると、この被測定ガスの一部が図2中の矢示A方向に導かれることにより、酸化触媒層27は、被測定ガス中に含まれる酸素、水素、一酸化炭素およびメタン(CH4)等のうち、水素、一酸化炭素、メタン等をそれぞれ酸化させ、残った酸素のみを内側電極29に向けて供給する。
【0082】
また、このときの被測定ガスは、図2中の矢示B方向で水素酸化触媒層31、多孔質層32内へと取込まれる。そして、水素酸化触媒層31は被測定ガス中の水素のみを酸化し、残りの被測定ガス(例えば、一酸化炭素ガス、酸素等)が多孔質層32の内部に向けて透過する。このため、多孔質層32は、このときの一酸化炭素ガス、酸素を内部の空孔を通じて透過、拡散させつつ、外側電極30の表面に向けて供給する。
【0083】
そして、この状態でヒータ電源35からヒータパターン24に給電を行ってヒータ部22により検出素子21全体を加熱すると、固体電解質層28が活性化されると共に、ヒータ部22の先端から距離L2 の位置にある内側電極29と外側電極30は、図9に示す特性線の如く400℃前,後の温度状態に保持される。
【0084】
一方、ヒータ部22の先端から距離L1 までの位置に配設された水素酸化触媒層31は、固体電解質層28の外周面のうちヒータ部22の放熱穴26を外側から取囲む位置にあるため、水素酸化触媒層31の温度は、図9に例示する特性線の如く350℃以下の温度に抑えられる。
【0085】
このため、図2中の矢示B方向で水素酸化触媒層31、多孔質層32内に取込まれる被測定ガスは、水素酸化触媒層31で全ての水素が酸化され、残りの一酸化炭素ガス、酸素等が水素酸化触媒層31側から多孔質層32側に向けて選択性に透過、拡散される。
【0086】
これにより、アノード側の内側電極29とカソ−ド側の外側電極30との間には、後述の化1、化2で表す反応式により、被測定ガス中の一酸化炭素濃度に基づいた起電力が図7に示す如く発生するものである。
【0087】
即ち、内側電極29側においては、下記の化1による電気化学的な接触分解反応(電極反応)が行われ、被測定ガス中の酸素が内側電極29の表面に吸着されると共に、この吸着酸素(Oad)に電子が付与されて酸素イオンが発生する。
【0088】
【化1】
Oad+2e → O2−
但し、Oad:吸着酸素
e :電子
O2−:酸素イオン
【0089】
そして、このときの酸素イオン(O2−)は、固体電解質層28中の酸素欠陥を介してアノード側の内側電極29からカソード側の外側電極30に向けて輸送される。
【0090】
また、カソード側の外側電極30は、多孔質層32内を透過してくる一酸化炭素(COガス)と酸素が表面に吸着して、例えば下記の化2式で表される電気化学的な接触分解反応(電極反応)が行われることにより、被測定ガス中の一酸化炭素(CO)がこのときの酸素イオン(O2−)と結合して二酸化炭素(CO2 )と電子(e)とに分解される。
【0091】
【化2】
CO+O2−→ CO2 +2e
【0092】
また、外側電極30に吸着した酸素に対しては、前述した内側電極29側とほぼ同様の化1式による接触分解反応が行われ、外側電極30においても吸着酸素(Oad)に電子が付与されて酸素イオンが発生する。しかし、この外側電極30側では、前記化2の式による電極反応が行われる分だけ外側電極30の酸素分圧が下がり、酸素分圧が大の内側電極29と酸素分圧が小の外側電極30との間には酸素濃淡電池が形成されることになる。
【0093】
これにより、検出素子21の内側電極29と外側電極30との間には、化1、化2の反応式による起電力が発生し、このときの起電力を電圧計34等を用いて検出することにより、被測定ガス中の一酸化炭素濃度を図7に示す特性線の如く検出することができる。
【0094】
また、例えば図8に示す特性線のように500ppmの一酸化炭素濃度(ヒータ温度400℃)の条件下で、水素ガスの濃度を0〜1200ppmの範囲にわたり変化させる実験を行った結果、検出素子21からの起電力が約8mV(ミリボルト)でほぼ一定の電圧値となることを確認できた。
【0095】
従って、本実施の形態によれば、被測定ガス中に水素等の可燃性ガスが存在する場合でも、検出素子21により被測定ガス中の一酸化炭素ガスを選択的に検出でき、一酸化炭素濃度の検出精度を高めることができると共に、一酸化炭素センサとしての信頼性を確実に向上することができる。
【0096】
そして、固体電解質層28を挟んで径方向で対向した内側電極29と外側電極30は、小径の円筒形状をなす筒形電極として形成されるので、例えば平板状電極等に比較して小さな体積で電極面積を広くすることができ、酸素濃淡電池の内部抵抗を小さくできると共に、検出素子21の温度変動等による一酸化炭素濃度の測定誤差を小さく抑えることができる。
【0097】
また、ヒータ部22をほぼ全周にわたって外側から固体電解質層28および水素酸化触媒層31、多孔質層32等で覆うことにより、ヒータ部22が直接外気と接触するのを抑えて外気温による影響を低減することができ、ヒータ部22の伝熱面積を大きくして該ヒータ部22からの熱を固体電解質層28等に効率的に伝えることができる。
【0098】
これにより、一酸化炭素ガスの発生し易い地下駐車場、または室内の換気が十分には行われていない空間等において、最終安全装置として用いられる一酸化炭素センサを、消費電力の少ない省エネルギ化したセンサとして提供でき、しかも小型のセンサとして実現することができると共に、一酸化炭素ガスに対する応答性を高めて高感度化を図ることができ、信頼性を向上できる。
【0099】
次に、図10および図11は本発明の第2の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、第1の電極と第2の電極との間に、該各電極間に交番電圧を印加する電圧印加手段と、該各電極間を流れる電流を検出する電流検出手段とを設ける構成としたことにある。なお、本実施の形態では前記第1の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【0100】
図中、41は本実施の形態よる一酸化炭素センサの検出素子で、該検出素子41は、第1の実施の形態で述べた検出素子21とほぼ同様に構成され、ヒータ部22、酸化触媒層27、内側電極29、固体電解質層28、外側電極30、水素酸化触媒層31、多孔質層32および緻密層33を有している。
【0101】
しかし、この場合の検出素子41は、内側電極29と外側電極30との間に後述の電源部42から交番電圧が印加される点で、第1の実施の形態とは異なっているものである。
【0102】
42は内側電極29と外側電極30との間にリード線11等を介して接続された電圧印加手段としての電源部で、該電源部42は、内側電極29と外側電極30との間に並列状態で配置された第1,第2の直流電源43,44と、該直流電源43,44を選択的に切換えて電極29,30間に接続する切換スイッチ45とから構成されている。
【0103】
この場合、直流電源43,44は、その極性が互いに逆向きとなるように配置され、例えば直流電源43が内側電極29から外側電極30に向けて電圧を印加するのに対し、直流電源44は外側電極30から内側電極29に向けて電圧を印加する構成となっている。
【0104】
そして、切換スイッチ45は、例えば2Hz (ヘルツ)程度の切換え周波数で直流電源43,44を電極29,30間に切換接続し、内側電極29と外側電極30との間に交番電圧を印加するものである。
【0105】
46は内側電極29と電源部42との間に位置してリード線11の途中に接続された電流検出手段としての電流検出器で、該電流検出器46は、内側電極29と電源部42との間に流れる電流を、例えば図11中に示す特性線47,48の如く一酸化炭素濃度に対応した測定電流として検出するものである。
【0106】
この場合、図11中に一点鎖線で示す特性線48は、被測定ガス中に一酸化炭素が存在しない場合(一酸化炭素濃度が、0ppm)の印加電圧と測定電流の関係を示している。また、図11中に実線で示す特性線47は、被測定ガス中に一酸化炭素が1000ppmの濃度で存在する場合の印加電圧と測定電流の関係を示している。
【0107】
そして、電源部42の切換スイッチ45が直流電源43に切換えられたときには、例えば正(プラス)の電圧が電極29側に印加され、電流検出器46は図11中の第1象限で表される測定電流を検出する。また、電源部42の切換スイッチ45が直流電源44に切換えられたときには、例えば負(マイナス)の電圧が電極29側に印加され、電流検出器46は図11中の第3象限で表される測定電流を検出するものである。
【0108】
かくして、このように構成される本実施の形態では、電源部42の切換スイッチ45を直流電源43に切換えたときに、例えば内側電極29から外側電極30に向けて定電圧(例えば、図11中に示す0.5Vまたは1.0V)を印加することにより、外側電極30側での前記化1による電極反応を促進させる。
【0109】
このとき、一酸化炭素濃度が増加するに応じて、外側電極30への一酸化炭素の吸着量が増加するため、前記化1による電極反応が抑制される。これにより、電流検出器46を流れる測定電流(mA)は、特性線48(0ppmの特性)から特性線47(1000ppmの特性)側へと、図11中の第1象限内で減少するように負の相関をなして検出される。
【0110】
また、電源部42の切換スイッチ45を直流電源44側に切換えたときには、例えば外側電極30から内側電極29に向けて定電圧(例えば、図11中に示す−0.5Vまたは−1.0V)を印加することにより、内側電極29側での前記化1による電極反応を促進させ、内側電極29から固体電解質層28中の酸素欠陥を介して外側電極30に向けて輸送する酸素イオンを増大させる。
【0111】
しかし、この場合には、一酸化炭素の濃度が増加しても、内側電極29側への一酸化炭素の吸着がないため、前記化1による電極反応が抑制されず、電流検出器46は、検出素子41の温度で決められる測定電流(mA)を、図11中の第3象限で表される電流値として検出するものである。
【0112】
従って、本実施の形態による検出素子41は、固体電解質層28を挟んで対向した内側電極29と外側電極30との間を通じて、被測定ガス中の一酸化炭素濃度に対応した電流が流れるようになり、電流検出器46を用いてこのときの測定電流を被測定ガス中の一酸化炭素濃度として検出することができ、前記第1の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。
【0113】
しかし、本実施の形態にあっては、電源部42から内側電極29と外側電極30とに向けて、例えば2Hz 程度の周波数をもった交番電圧を印加することにより、外側電極30側での電極反応を間欠的に変化(促進)させ、例えば一酸化炭素の吸着、解離を繰返すような電極反応を生起させることができる。
【0114】
これにより、一酸化炭素センサとしての長時間の稼働に対しても外側電極30表面への炭素析出(コーキング)を良好に抑えることができ、当該センサの耐久性劣化を防止して長寿命化を図ることができると共に、例えば加熱クリーニング等の処理を不要にでき、メンテナンス性を向上することができる。
【0115】
また、電源部42から交番電圧を印加することにより、電流検出器46を両方向に流れる電流量の絶対値を差し引くような演算処理を行えば、検出素子41の温度変動による測定誤差を相殺することが可能となり、被測定ガス中の一酸化炭素濃度をより高精度に検出することができる。
【0116】
なお、前記各実施の形態では、ヒータ部22の心棒部となるヒータコア23を射出成形等の手段により形成するものとして説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えばヒータコア23を押出し成形等の手段を用いて形成してもよいものである。
【0117】
また、前記各実施の形態では、例えば暖房器具、給湯器等の燃焼機器が配置される室内、または地下駐車場等の検出対象部に一酸化炭素センサを設ける場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えば暖房器具、給湯器等の燃焼機器、または内燃機関等に一酸化炭素センサを直接的に取付ける構成としてもよいものである。
【0118】
次に、上記各実施の形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
【0119】
(1).請求項1に記載の一酸化炭素センサにおいて、前記放熱部はヒータ部の一側端面から軸方向に予め決められた長さをもって延びる有底の放熱穴により構成し、前記水素酸化触媒層は、該放熱穴の径方向外側となる位置で前記固体電解質層の外周側に曲面印刷等の手段を用いて形成してなる一酸化炭素センサ。
【0120】
これにより、ヒータ部に設けた放熱穴は、内部に被測定ガス等を流通させることにより、水素酸化触媒層の径方向内側となる軸方向一側の位置でヒータ部の発熱温度を、水素を酸化するのに適した温度で、かつ一酸化炭素の酸化活性がない温度に下げることができ、被測定ガス中の水素を水素酸化触媒層で効率的に酸化させることができる。
【0121】
(2).請求項1,2または3に記載の一酸化炭素センサにおいて、前記水素酸化触媒層は、水素ガスに対して選択性が高いn型酸化物半導体材料を用いて形成してなる一酸化炭素センサ。
【0122】
これにより、水素酸化触媒層は、被測定ガス中に含まれる水素ガスを選択的に酸化することができ、被測定ガス中の残りのガス(例えば、水素を除いた一酸化炭素ガス、酸素等)が多孔質層の空孔内に向けて拡散、透過するのを許すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による一酸化炭素センサが適用された一酸化炭素濃度検出装置を示す縦断面図である。
【図2】図1中の検出素子を拡大して示す縦断面図である。
【図3】図2中のヒータ部を形成する各工程を示す斜視図である。
【図4】ヒータ部を形成した状態を示す斜視図である。
【図5】図4中のヒータ部に対して酸化触媒層、固体電解質層、電極および水素酸化触媒層、多孔質層等を形成する各工程を示す斜視図である。
【図6】ヒータ部の外周側に固体電解質層、水素酸化触媒層、多孔質層および緻密層等を形成した状態を示す検出素子の斜視図である。
【図7】一酸化炭素濃度とセンサ起電力の関係を示す特性線図である。
【図8】被測定ガス中の水素濃度とセンサ起電力の関係を示す特性線図である。
【図9】ヒータ部による検出素子の発熱温度を温度分布として示す特性線図である。
【図10】第2の実施の形態による一酸化炭素濃度の検出素子を示す縦断面図である。
【図11】電極間に印加する電圧と測定電流との関係を示す特性線図である。
【符号の説明】
1 ケーシング
11,12 リード線
13,14 コンタクトプレート
21,41 検出素子(一酸化炭素センサ)
22 ヒータ部
23 ヒータコア
24 ヒータパターン
24A,29A,30A リード部
25 ヒータ被覆層
26 放熱穴(放熱部)
27 酸化触媒層
28 固体電解質層
29 内側電極(第1の電極)
30 外側電極(第2の電極)
31 水素酸化触媒層
32 多孔質層
33 緻密層
34 電圧計(起電力検出手段)
35 ヒータ電源
42 電源部(電圧印加手段)
43,44 直流電源
45 切換スイッチ
46 電流検出器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon monoxide sensor suitably used for detecting, for example, the concentration of carbon monoxide gas contained in a gas to be measured.
[0002]
[Prior art]
In general, carbon monoxide is a colorless, tasteless, and odorless gas (gas), and is lighter and more toxic than air. Therefore, when breathing at a low concentration of, for example, about 200 ppm (0.02%) over a period of two to three hours, the human body is not affected. Headaches. When the concentration of carbon monoxide in the air reaches 3000 to 6000 ppm (0.3 to 0.6%), breathing becomes difficult within a few minutes.
[0003]
Exhaust gas discharged from various heating appliances, combustion equipment such as a water heater, or an internal combustion engine contains such a carbon monoxide gas as a flammable gas. Among them, a carbon monoxide sensor capable of selectively detecting a carbon monoxide gas is also known (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-5876
[0005]
This type of prior art carbon monoxide sensor has a first electrode and a second electrode provided on the surface side of a solid electrolyte heated by a heater, and one of these electrodes oxidizes carbon monoxide. And the concentration of carbon monoxide in the gas to be measured is detected from the potential difference generated between the electrodes.
[0006]
In addition, if hydrogen gas is contained in the gas to be measured in this case, the hydrogen gas at this time is oxidized by the oxidation catalyst, so that the detection accuracy for carbon monoxide gas is reduced. For this reason, the conventional carbon monoxide sensor has a configuration in which a hydrogen oxidizing unit for selectively oxidizing hydrogen is separately provided at a position away from the solid electrolyte and the oxidation catalyst.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the carbon monoxide sensor according to the prior art described above is provided with a flat solid electrolyte layered on one side of a flat heater and a first and a second electrode on one side of the solid electrolyte. And the oxidation catalyst are stacked and provided, so that the heat generated by the heater cannot be efficiently transmitted to the solid electrolyte, and the electrode area cannot be increased with respect to the volume of the entire sensor. In order to obtain the detection accuracy, there is a problem that the entire sensor becomes large.
[0008]
Further, in order to prevent the detection accuracy of the carbon monoxide gas from being lowered by the hydrogen gas contained in the gas to be measured, the conventional carbon monoxide sensor is provided with a hydrogen oxidizing unit at a position away from the solid electrolyte and the oxidation catalyst. Is provided separately, which also causes a problem that the whole sensor is easily increased in size, the structure becomes complicated, the workability at the time of manufacturing is deteriorated, and the manufacturing cost is increased.
[0009]
Further, when a gas having a high molecular weight is contained in the gas to be measured, such as a sulfurous acid gas (SOx) or a silicon gas (an organic gas volatilized into the air from an adhesive or the like), these gases become poisonous substances. When the carbon monoxide sensor enters the sensor as described above, the carbon monoxide sensor is liable to be deteriorated early due to clogging or the like by a poisoning substance, which also causes a problem that the detection accuracy is reduced.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems of the related art, and an object of the present invention is to provide a method for stably detecting the concentration of carbon monoxide in a gas to be measured with high accuracy, and a work at the time of manufacturing. It is an object of the present invention to provide a carbon monoxide sensor capable of improving the performance and reducing the overall size.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, a carbon monoxide sensor according to the invention of
[0012]
With this configuration, the oxidation catalyst layer, the first electrode, the solid electrolyte layer, the second electrode, the hydrogen oxidation catalyst layer, A porous layer and a dense layer can be formed, and the entire carbon monoxide sensor can have a circular rod-like structure. As a result, the concentration of carbon monoxide in the gas to be measured can be detected stably and with high accuracy without being affected by the mounting direction of the carbon monoxide sensor, the flow direction of the gas to be measured, and the like. Further, since the oxidation catalyst layer is formed on the outer peripheral side of the heater section, the combustible gas contained in the gas to be measured can be oxidized by the oxidation catalyst layer, and oxygen diffused after the oxidation is reduced to a substantially constant partial pressure. It can be supplied to one electrode.
[0013]
Further, the heat radiating section provided in the heater section reduces the temperature of the hydrogen oxidation catalyst layer to, for example, 350 ° C. or lower by lowering the heat generation temperature of the heater section on one side in the axial direction which is the radially inner position of the hydrogen oxidation catalyst layer. The hydrogen in the gas to be measured can be efficiently oxidized by the hydrogen oxidation catalyst layer while suppressing the carbon monoxide gas and oxygen contained in the gas to be measured from the hydrogen oxidation catalyst layer side to the porous layer side. It can be selectively transmitted and diffused toward. At this time, carbon monoxide and oxygen permeating through the porous layer are adsorbed to the second electrode, thereby causing an electrode reaction to oxidize carbon monoxide to carbon dioxide on the second electrode side. be able to.
[0014]
As a result, an electromotive force or current corresponding to the concentration of carbon monoxide in the gas to be measured can be generated between the first and second electrodes facing each other with the solid electrolyte layer interposed therebetween. It can be used to detect the concentration of carbon monoxide in the gas to be measured. In addition, the dense layer provided on the outer peripheral side of the hydrogen oxidation catalyst layer and the porous layer includes a poisoning substance having a high molecular weight (for example, sulfurous acid gas, silicon gas, etc.) contained in the gas to be measured. It is possible to suppress the occurrence of clogging or the like due to intrusion into the layer, and it is possible to prevent deterioration of sensor characteristics due to poisons for a long time.
[0015]
Further, the heater portion is a mandrel portion, and an oxidation catalyst layer, a first electrode, a solid electrolyte layer, a second electrode, a hydrogen oxidation catalyst layer, a porous layer, and a dense layer are formed on the outer peripheral side over the entire circumference. Accordingly, even when the heater portion is formed to have a small diameter, the heat transfer area of the heater portion with respect to the solid electrolyte layer can be increased, and the heat from the heater portion can be efficiently transferred to the solid electrolyte layer and the like.
[0016]
And, by making the carbon monoxide sensor into a circular rod shape, the electrode area can be increased with respect to the volume of the entire sensor, and the internal resistance of the oxygen concentration cell can be reduced. As a result, a measurement error with respect to a temperature change in the detection unit such as the solid electrolyte layer can be reduced, and the detection accuracy of the concentration of carbon monoxide in the gas to be measured can be improved.
[0017]
In addition, since a heat radiating portion is provided on one side in the axial direction of the heater portion, which is a radially inner portion of the hydrogen oxidation catalyst layer, a temperature gradient is given to the heat generation temperature in the axial direction of the heater portion. The layer can be integrally formed on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer using means such as curved surface printing, so that the structure of the entire sensor can be simplified and the number of manufacturing steps can be reduced. Cost reduction can be achieved.
[0018]
According to the second aspect of the present invention, between the first electrode and the second electrode, the electromotive force generated between the electrodes is detected as a signal corresponding to the concentration of carbon monoxide in the gas to be measured. And an electromotive force detecting means.
[0019]
In this case, the electromotive force generated between the first and second electrodes facing each other with the solid electrolyte layer interposed therebetween is detected by the electromotive force detection means as a signal corresponding to the concentration of carbon monoxide in the gas to be measured. Can be.
[0020]
According to the invention of
[0021]
In this case, by applying an alternating voltage between the first and second electrodes, for example, an electrode reaction such as repeated adsorption and dissociation of carbon monoxide on the second electrode side can be generated, and the electrode surface Carbon deposition (caulking) can be suppressed to prevent deterioration in durability, and processing such as heating cleaning can be eliminated. A current corresponding to the concentration of carbon monoxide in the gas to be measured flows between the first and second electrodes opposed to each other with the solid electrolyte layer interposed therebetween. Can be detected as the concentration of carbon monoxide in the gas to be measured.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a case where the carbon monoxide sensor according to the embodiment of the present invention is applied to a carbon monoxide concentration detecting device will be described as an example, and the details will be described with reference to FIGS. 1 to 11 of the accompanying drawings.
[0023]
Here, FIGS. 1 to 9 show a first embodiment of the present invention. In the figure,
[0024]
The
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
Also, lead
[0030]
[0031]
Further, a plurality of
[0032]
Next,
[0033]
[0034]
Here, the
[0035]
On the other hand, the
[0036]
In addition, the
[0037]
The
[0038]
Further, the
[0039]
[0040]
The
[0041]
That is, the
[0042]
On the other side of the
[0043]
When the
[0044]
[0045]
That is, the
[0046]
The
[0047]
[0048]
The
[0049]
[0050]
Here, the
[0051]
[0052]
The
[0053]
Then, the
[0054]
[0055]
In this case, the n-type oxide semiconductor is, for example, iron oxide (Fe2O3), Selenium oxide (Ce 2 O)2), Zinc oxide (ZnO)2), Tin oxide (Sn 2 O 3)2), Indium oxide (In)2O3), Titania (TiO 2)2), Barium titanate (BaTiO 3)3), Strontium titanate (SrTiO 3)3), Strontium stannate (SrSnO)3), Lanthanum-based oxides (La0.6Sr0.4CoO3) Or other lanthanum-based oxides (La0.6Sr0.4MnO3) And the like.
[0056]
Here, the hydrogen
[0057]
That is, the hydrogen
[0058]
Thereby, the hydrogen
[0059]
[0060]
The
[0061]
In this case, it is not always necessary to use zirconia as the material of the
[0062]
The
[0063]
[0064]
The
[0065]
[0066]
[0067]
The apparatus for detecting the concentration of carbon monoxide according to the present embodiment has the above-described configuration. Next, a method for manufacturing the
[0068]
First, when the
[0069]
Next, in the pattern printing step, a support shaft such as a chuck is engaged with both ends of the
[0070]
Next, in the heater coating layer forming step, a paste-like material made of, for example, α-alumina is printed on the surface of the
[0071]
Next, in the step of forming the
[0072]
Then, following the step of forming the
[0073]
In the subsequent step of forming the
[0074]
In the next outer electrode forming step, the same conductive paste as the
[0075]
Next, in the hydrogen oxidation catalyst layer forming step, a paste made of an n-type oxide semiconductor or the like is printed on the outer peripheral surface of the
[0076]
In the step of forming the
[0077]
In the subsequent dense layer forming step, the hydrogen
[0078]
Then, in the next firing step, the
[0079]
Thus, after the
[0080]
Next, the operation of detecting the carbon monoxide concentration by the sensor will be described. First, the
[0081]
Then, when the gas to be measured (including air) in the detection target portion is introduced around the
[0082]
At this time, the gas to be measured is taken into the hydrogen
[0083]
In this state, when power is supplied from the
[0084]
On the other hand, the hydrogen
[0085]
For this reason, in the gas to be measured taken into the hydrogen
[0086]
Thus, a reaction between the anode-side
[0087]
That is, on the
[0088]
Embedded image
Oad + 2e → O2-
However, Oad: adsorbed oxygen
e: Electronic
O2-: Oxygen ion
[0089]
Then, the oxygen ions (O2-) Are transported from the
[0090]
In addition, the
[0091]
Embedded image
CO + O2-→ CO2 + 2e
[0092]
Further, the oxygen adsorbed on the
[0093]
Thereby, an electromotive force is generated between the
[0094]
Also, as shown in the characteristic line of FIG. 8, an experiment was conducted in which the concentration of hydrogen gas was changed over a range of 0 to 1200 ppm under a condition of a carbon monoxide concentration of 500 ppm (a heater temperature of 400 ° C.). It was confirmed that the electromotive force from 21 became a substantially constant voltage value at about 8 mV (millivolt).
[0095]
Therefore, according to the present embodiment, even when a flammable gas such as hydrogen is present in the gas to be measured, the
[0096]
The
[0097]
Further, by covering the
[0098]
As a result, a carbon monoxide sensor used as a final safety device in an underground parking lot where carbon monoxide gas is likely to be generated or in a space where ventilation is not sufficiently performed is reduced in energy consumption with low power consumption. In addition, the sensor can be provided as a compact sensor, and can be realized as a small-sized sensor. In addition, the responsiveness to carbon monoxide gas can be increased, the sensitivity can be increased, and the reliability can be improved.
[0099]
Next, FIGS. 10 and 11 show a second embodiment of the present invention. The feature of this embodiment is that an alternating voltage is provided between the first electrode and the second electrode and between the respective electrodes. And voltage detecting means for detecting a current flowing between the electrodes. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0100]
In the figure,
[0101]
However, the
[0102]
[0103]
In this case, the DC power supplies 43 and 44 are arranged so that their polarities are opposite to each other. For example, while the
[0104]
The
[0105]
A
[0106]
In this case, a
[0107]
When the
[0108]
Thus, in the present embodiment configured as above, when the
[0109]
At this time, as the concentration of carbon monoxide increases, the amount of carbon monoxide adsorbed on the
[0110]
When the
[0111]
However, in this case, even if the concentration of carbon monoxide increases, there is no adsorption of carbon monoxide on the
[0112]
Therefore, the
[0113]
However, in the present embodiment, an alternating voltage having a frequency of, for example, about 2 Hz is applied from the
[0114]
As a result, carbon deposition (caulking) on the surface of the
[0115]
In addition, by applying an alternating voltage from the
[0116]
In each of the above embodiments, the
[0117]
Further, in each of the above embodiments, the case where the carbon monoxide sensor is provided in a detection target portion such as a room in which a combustion device such as a heating appliance or a water heater is arranged, or an underground parking lot has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, a configuration may be employed in which a carbon monoxide sensor is directly attached to a combustion device such as a heating device or a water heater, or an internal combustion engine.
[0118]
Next, technical ideas other than the claims that can be grasped from the above embodiments will be described below together with their effects.
[0119]
(1). 2. The carbon monoxide sensor according to
[0120]
Thereby, the heat radiation hole provided in the heater portion allows the gas to be measured to flow therethrough, thereby increasing the heat generation temperature of the heater portion at a position on one axial side inside the hydrogen oxidation catalyst layer in the radial direction, and allowing hydrogen to flow therethrough. The temperature can be lowered to a temperature suitable for oxidation and to a temperature at which carbon monoxide has no oxidation activity, and hydrogen in the gas to be measured can be efficiently oxidized by the hydrogen oxidation catalyst layer.
[0121]
(2). 4. The carbon monoxide sensor according to
[0122]
This allows the hydrogen oxidation catalyst layer to selectively oxidize the hydrogen gas contained in the gas to be measured, and to allow the remaining gas in the gas to be measured (for example, carbon monoxide gas excluding hydrogen, oxygen, etc.). ) Can be allowed to diffuse and permeate into the pores of the porous layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a carbon monoxide concentration detecting device to which a carbon monoxide sensor according to a first embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view showing a detection element in FIG. 1;
FIG. 3 is a perspective view showing each step of forming a heater unit in FIG. 2;
FIG. 4 is a perspective view showing a state where a heater unit is formed.
5 is a perspective view showing each step of forming an oxidation catalyst layer, a solid electrolyte layer, an electrode, a hydrogen oxidation catalyst layer, a porous layer, and the like for the heater section in FIG.
FIG. 6 is a perspective view of the detection element showing a state where a solid electrolyte layer, a hydrogen oxidation catalyst layer, a porous layer, a dense layer, and the like are formed on the outer peripheral side of the heater section.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a relationship between a carbon monoxide concentration and a sensor electromotive force.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a relationship between a hydrogen concentration in a gas to be measured and a sensor electromotive force.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a heat generation temperature of a detection element by a heater section as a temperature distribution.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view showing a carbon monoxide concentration detecting element according to a second embodiment.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing a relationship between a voltage applied between electrodes and a measurement current.
[Explanation of symbols]
1 casing
11,12 Lead wire
13,14 Contact plate
21, 41 detecting element (carbon monoxide sensor)
22 heater section
23 heater core
24 Heater pattern
24A, 29A, 30A Lead
25 Heater coating layer
26 Heat dissipation hole (heat dissipation part)
27 Oxidation catalyst layer
28 Solid electrolyte layer
29 inner electrode (first electrode)
30 outer electrode (second electrode)
31 Hydrogen oxidation catalyst layer
32 porous layer
33 dense layer
34 voltmeter (electromotive force detection means)
35 Heater power supply
42 power supply section (voltage application means)
43,44 DC power supply
45 Changeover switch
46 Current detector
Claims (3)
該ヒータ部の軸方向一側に設けられ、該ヒータ部の発熱温度が軸方向の途中部位よりも軸方向の一側で低くなるように該ヒータ部の発熱温度に温度分布を与える放熱部と、
前記ヒータ部の外周側に設けられ、被測定ガス中に含まれる可燃性ガスを酸化して酸素を内部に拡散させる酸化触媒層と、
該酸化触媒層を外側から覆って前記ヒータ部の外周側に設けられ、前記ヒータ部からの熱により活性化される酸素イオン伝導性の固体電解質層と、
前記酸化触媒層と固体電解質層との間に位置して該固体電解質層の内周側に設けられた第1の電極と、
該第1の電極との間で前記固体電解質層を挟むように該固体電解質層の外周側に設けられた第2の電極と、
該第2の電極よりも前記ヒータ部の軸方向一側寄りに位置して前記固体電解質層の外周側に設けられ、被測定ガス中に含まれる可燃性ガスのうち水素を選択的に酸化して残りの可燃性ガスを拡散させる水素酸化触媒層と、
該水素酸化触媒層と軸方向で隣接し前記第2の電極を外側から覆うように前記固体電解質層の外周側に設けられ、該水素酸化触媒層から拡散してくる一酸化炭素、酸素を含んだ可燃性ガスが内部を透過する多孔質層と、
該多孔質層と前記水素酸化触媒層との外周側に設けられ、被測定ガスに含まれる分子量の大きい被毒物等が該多孔質層と水素酸化触媒層に侵入するのを抑える緻密層とにより構成してなる一酸化炭素センサ。A heater portion which is formed in a rod shape extending in the axial direction and generates heat when energized from the outside;
A heat radiating portion provided on one side in the axial direction of the heater portion and providing a temperature distribution to the heat generation temperature of the heater portion such that the heat generation temperature of the heater portion is lower on one side in the axial direction than a portion in the axial direction. ,
An oxidation catalyst layer provided on the outer peripheral side of the heater unit, for oxidizing a combustible gas contained in the gas to be measured and diffusing oxygen inside,
An oxygen ion-conductive solid electrolyte layer provided on the outer peripheral side of the heater section so as to cover the oxidation catalyst layer from the outside, and activated by heat from the heater section;
A first electrode provided between the oxidation catalyst layer and the solid electrolyte layer and provided on an inner peripheral side of the solid electrolyte layer;
A second electrode provided on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer so as to sandwich the solid electrolyte layer between the first electrode and the first electrode;
It is provided on the outer peripheral side of the solid electrolyte layer at a position closer to one side in the axial direction of the heater section than the second electrode, and selectively oxidizes hydrogen of the combustible gas contained in the gas to be measured. A hydrogen oxidation catalyst layer that diffuses the remaining flammable gas,
The solid electrolyte layer is provided adjacent to the hydrogen oxidation catalyst layer in the axial direction so as to cover the second electrode from outside, and contains carbon monoxide and oxygen diffused from the hydrogen oxidation catalyst layer. A porous layer through which flammable gas permeates;
A dense layer provided on the outer peripheral side of the porous layer and the hydrogen oxidation catalyst layer, for suppressing a poisoning substance having a high molecular weight contained in the gas to be measured from entering the porous layer and the hydrogen oxidation catalyst layer. A carbon monoxide sensor configured.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002313054A JP2004150811A (en) | 2002-10-28 | 2002-10-28 | Carbon monoxide sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002313054A JP2004150811A (en) | 2002-10-28 | 2002-10-28 | Carbon monoxide sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004150811A true JP2004150811A (en) | 2004-05-27 |
Family
ID=32457778
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002313054A Pending JP2004150811A (en) | 2002-10-28 | 2002-10-28 | Carbon monoxide sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004150811A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006275950A (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | New Cosmos Electric Corp | Semiconductor gas detecting element and manufacturing method of the same |
JP2009265002A (en) * | 2008-04-28 | 2009-11-12 | Denso Corp | Gas sensor element |
-
2002
- 2002-10-28 JP JP2002313054A patent/JP2004150811A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006275950A (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | New Cosmos Electric Corp | Semiconductor gas detecting element and manufacturing method of the same |
JP2009265002A (en) * | 2008-04-28 | 2009-11-12 | Denso Corp | Gas sensor element |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3544437B2 (en) | Gas sensor | |
JP3782031B2 (en) | Air-fuel ratio detection device | |
EP0949505B1 (en) | Hydrocarbon sensor | |
JPH09274011A (en) | Nitrogen oxide detector | |
JPS6029065B2 (en) | Air-fuel ratio control signal generator | |
JP2004226171A (en) | Oxygen concentration detector | |
US10996193B2 (en) | Gas sensor element and gas sensor | |
JP3966805B2 (en) | Air-fuel ratio detection device | |
JPS5965758A (en) | Electrochemical device and cell | |
JP4241993B2 (en) | Hydrocarbon sensor | |
JP4204773B2 (en) | Air-fuel ratio detection device | |
JP2009052973A (en) | Gas sensor | |
JP3589384B2 (en) | Carbon monoxide sensor and its aging method | |
JP2004150811A (en) | Carbon monoxide sensor | |
JPH05180798A (en) | Solid electrolyte gas sensor | |
JP2004177165A (en) | Hydrogen sensor | |
JP2004138551A (en) | Hydrogen sensor | |
JPH01201149A (en) | Composite gas sensor | |
JP4015569B2 (en) | Air-fuel ratio detection device | |
JP4465677B2 (en) | Hydrogen gas detector | |
JP7114701B2 (en) | Gas sensor element and gas sensor | |
JP2002005883A (en) | Nitrogen oxide gas sensor | |
JP3696494B2 (en) | Nitrogen oxide sensor | |
JP2004170136A (en) | Hydrogen sensor | |
TW200525146A (en) | Electrochemical sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20041217 |