JP2007240152A - Gas sensor and device of measuring combustible gas - Google Patents
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Description
本発明は、可燃性ガスの濃度に対応する電気信号を出力するガスセンサに関する。本発明はまた、そのセンサを利用して可燃性ガスの濃度を測定する測定装置にも関する。 The present invention relates to a gas sensor that outputs an electrical signal corresponding to the concentration of a combustible gas. The present invention also relates to a measuring apparatus that uses the sensor to measure the concentration of combustible gas.
可燃性ガスの濃度に対応する電圧を出力するガスセンサが開発されており、特許文献1に開示されている。そのガスセンサは、第1処理室と第2処理室を備えている。第1処理室を周囲から区画する壁の少なくとも一部分は、ガス拡散律速層と固体電解質で形成されている。また、第2処理室を周囲から区画する壁の少なくとも一部分は、固体電解質で形成されている。第1処理室と第2処理室はガス拡散律速層を介して隣接している。
第1処理室を区画する固体電解質の第1処理室側に、第1内部電極が形成されている。また、固体電解質を挟んで第1内部電極の反対側に第1外部電極が形成されている。第1内部電極と固体電解質と第1外部電極によって、第1処理室内の酸素を周囲に移送する第1酸素ポンプが構成されている。
さらに、第2処理室を区画する固体電解質の第2処理室側に第2内部電極が形成されている。また、固体電解質を挟んで第2内部電極の反対側に第2外部電極が形成されている。第2外部電極と固体電解質と第2内部電極によって、周囲から第2処理室内に酸素を移送する第2酸素ポンプが構成されている。
A gas sensor that outputs a voltage corresponding to the concentration of combustible gas has been developed, and is disclosed in Patent Document 1. The gas sensor includes a first processing chamber and a second processing chamber. At least a portion of the wall that partitions the first processing chamber from the periphery is formed of a gas diffusion-controlling layer and a solid electrolyte. Further, at least a portion of the wall that partitions the second processing chamber from the periphery is formed of a solid electrolyte. The first processing chamber and the second processing chamber are adjacent to each other through a gas diffusion control layer.
A first internal electrode is formed on the first processing chamber side of the solid electrolyte partitioning the first processing chamber. A first external electrode is formed on the opposite side of the first internal electrode with the solid electrolyte interposed therebetween. The first internal electrode, the solid electrolyte, and the first external electrode constitute a first oxygen pump that transfers oxygen in the first processing chamber to the surroundings.
Furthermore, the 2nd internal electrode is formed in the 2nd process chamber side of the solid electrolyte which divides a 2nd process chamber. A second external electrode is formed on the opposite side of the second internal electrode across the solid electrolyte. The second external electrode, the solid electrolyte, and the second internal electrode constitute a second oxygen pump that transfers oxygen from the surroundings to the second processing chamber.
特許文献1のガスセンサでは、可燃性ガスと酸素を含む被検ガスを第1処理室に導入する。第1処理室では第1酸素ポンプを利用し、被検ガスに含まれている酸素を周囲に排出する。第1処理室で酸素が除去された可燃性ガスは、第2処理室へ導入される。第2処理室には、第2酸素ポンプよって、酸素も導入される。第2処理室では可燃性ガスが酸素と反応する。第2処理室に導入される酸素量は、可燃性ガスが酸素と反応する酸素量に等しい。そこで、第2処理室に導入される酸素量を測定すれば、被検ガスに含まれる可燃性ガス量を検出することができる。第2処理室に導入される酸素量は、第2内部電極と第2外部電極の間を流れる電流に比例する。
特許文献1のガスセンサは、第2内部電極と第2外部電極の間に流れる電流を検出する電流検出手段に接続されて用いられ、被検ガスに含まれる可燃性ガスの濃度を示す電気信号に変換される。
In the gas sensor disclosed in Patent Document 1, a test gas containing a combustible gas and oxygen is introduced into the first processing chamber. In the first processing chamber, the first oxygen pump is used to discharge oxygen contained in the test gas to the surroundings. The combustible gas from which oxygen has been removed in the first processing chamber is introduced into the second processing chamber. Oxygen is also introduced into the second processing chamber by the second oxygen pump. In the second processing chamber, the combustible gas reacts with oxygen. The amount of oxygen introduced into the second processing chamber is equal to the amount of oxygen with which the combustible gas reacts with oxygen. Therefore, if the amount of oxygen introduced into the second processing chamber is measured, the amount of combustible gas contained in the test gas can be detected. The amount of oxygen introduced into the second processing chamber is proportional to the current flowing between the second internal electrode and the second external electrode.
The gas sensor of Patent Document 1 is used by being connected to a current detection means for detecting a current flowing between the second internal electrode and the second external electrode, and an electric signal indicating the concentration of the combustible gas contained in the test gas. Converted.
特許文献1のガスセンサでは、第1内部電極と固体電解質と第1外部電極によって構成している第1酸素ポンプによって、被検ガスから酸素を除去する。特許文献1のガスセンサでは、第1処理室内の酸素濃度は十分に薄いから、第1処理室内で被検ガスに含まれる可燃性ガスが酸素と反応することはないとしている。
しかしながら、第1酸素ポンプを構成する第1内部電極は、触媒作用をも有している。そのために、第1内部電極の近傍では、被検ガスに含まれる可燃性ガスが酸素と反応することが避けられない。第1処理室内で被検ガスに含まれる可燃性ガスが酸素と反応してしまうと、第2処理室に導入される可燃性ガス量が、被検ガスに含まれる可燃性ガス量よりも低下してしまう。そのために、特許文献1のガスセンサでは、可燃性ガスの濃度を正確に検出することができない。
本発明では、第1酸素ポンプを構成する第1内部電極の触媒作用を不活性化し、第1内部電極の近傍で被検ガスに含まれる可燃性ガスが酸素と反応してしまうことを抑制する。それが実現できれば、被検ガスに含まれる可燃性ガスが消費されないで第2処理室に導入されるようにすることができ、可燃性ガスの濃度を正確に検出するガスセンサを実現することができる。
In the gas sensor disclosed in Patent Document 1, oxygen is removed from a test gas by a first oxygen pump configured by a first internal electrode, a solid electrolyte, and a first external electrode. In the gas sensor of Patent Document 1, since the oxygen concentration in the first processing chamber is sufficiently low, the combustible gas contained in the test gas does not react with oxygen in the first processing chamber.
However, the first internal electrode constituting the first oxygen pump also has a catalytic action. Therefore, in the vicinity of the first internal electrode, it is inevitable that the combustible gas contained in the test gas reacts with oxygen. If the combustible gas contained in the test gas reacts with oxygen in the first processing chamber, the amount of combustible gas introduced into the second processing chamber is lower than the amount of combustible gas contained in the test gas. Resulting in. For this reason, the gas sensor of Patent Document 1 cannot accurately detect the concentration of the combustible gas.
In the present invention, the catalytic action of the first internal electrode constituting the first oxygen pump is inactivated, and the combustible gas contained in the test gas is prevented from reacting with oxygen in the vicinity of the first internal electrode. . If this can be realized, the combustible gas contained in the test gas can be introduced into the second processing chamber without being consumed, and a gas sensor for accurately detecting the concentration of the combustible gas can be realized. .
本発明のガスセンサは第1処理室と第2処理室を備えており、下記の特徴を備えている。
第1処理室を周囲から区画する壁の少なくとも一部分にガス拡散律速層と固体電解質を備えており、第2処理室を周囲から区画する壁の少なくとも一部分に固体電解質を備えている。第1処理室と第2処理室はガス拡散律速層を介して隣接している。第1処理室を区画する固体電解質の第1処理室側に第1内部電極が形成されており、固体電解質を挟んで第1内部電極の反対側に第1外部電極が形成されている。第2処理室を区画する固体電解質の第2処理室側に第2内部電極が形成されており、固体電解質を挟んで第2内部電極の反対側に第2外部電極が形成されている。
第1内部電極は、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されており、その金属粒子の表面に偏った状態でビスマスを含み、第1内部電極を構成する金属粒子の総質量に対するビスマス含有率(ビスマスの質量/電極を構成する金属粒子の総質量)が0.01〜10質量%である。
第2内部電極は、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されている。第2内部電極は、ビスマスを含まない。ビスマスを含まないとは、積極的にはビスマスを添加しないという意味であり、微量のビスマスが不純物として混入していることはある。
The gas sensor of the present invention includes a first processing chamber and a second processing chamber, and has the following features.
A gas diffusion-controlling layer and a solid electrolyte are provided on at least a part of the wall defining the first processing chamber from the periphery, and a solid electrolyte is provided on at least a part of the wall defining the second processing chamber from the periphery. The first processing chamber and the second processing chamber are adjacent to each other through a gas diffusion control layer. A first internal electrode is formed on the first processing chamber side of the solid electrolyte partitioning the first processing chamber, and a first external electrode is formed on the opposite side of the first internal electrode with the solid electrolyte interposed therebetween. A second internal electrode is formed on the second processing chamber side of the solid electrolyte partitioning the second processing chamber, and a second external electrode is formed on the opposite side of the second internal electrode with the solid electrolyte interposed therebetween.
The first internal electrode is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel, and is formed on the surface of the metal particles. The bismuth content (the mass of bismuth / the total mass of the metal particles constituting the electrode) with respect to the total mass of the metal particles constituting the first internal electrode is 0.01 to 10% by mass in a biased state.
The second internal electrode is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel. The second internal electrode does not contain bismuth. The phrase “not containing bismuth” means that bismuth is not actively added, and a trace amount of bismuth may be mixed as an impurity.
上記ガスセンサでは、第1内部電極が、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されている。そのため、第1内部電極と第1外部電極の間に電圧を印加したときに、電流が流れ易く、酸素の移送効率が高い。また、第1内部電極を形成する金属粒子の表面にビスマスを含んでいるために、第1内部電極の触媒作用が不活性化されており、第1内部電極の近傍で、被検ガス(周囲ガスともいう)に含まれる可燃性ガスが酸素と反応することを効果的に抑制する。
被検ガスから酸素が除去された可燃性ガスは、第2処理室へ導入される。第2処理室には、第2内部電極と固体電解質と第2外部電極で構成される第2酸素ポンプが用意されており、酸素も導入される。第2処理室では可燃性ガスが酸素と反応する。第2処理室に導入される酸素量は、可燃性ガスが酸素と反応する酸素量に等しい。そこで、第2処理室に導入される酸素量を測定することによって、被検ガスに含まれる可燃性ガス量を検出することができる。第2処理室に導入される酸素量は、第2内部電極と第2外部電極の間を流れる電流に比例する。
第1処理室に導入される被検ガスには酸素が含まれている。第1処理室から第2処理室に移送されるガスに酸素が残っていると、可燃性ガス量が正確に検出できなくなる。上記ガスセンサでは、第1酸素ポンプの酸素移送効率が高いために、被検ガスに含まれる酸素が第1処理室で効率的に除去される。第1内部電極が触媒作用を備えていると、被検ガスに含まれる可燃性ガスが第1内部電極の近傍で消費されてしまい、可燃性ガス量が正確に検出できなくなる。上記ガスセンサでは、第1内部電極を形成する金属粒子の表面にビスマスを含んでいるために、第1内部電極の触媒作用が不活性化されており、第1内部電極の近傍で、被検ガスに含まれる可燃性ガスを消費してしまうことがない。これらがあいまって、上記ガスセンサは、被検ガスに含まれる可燃性ガスの濃度に正確に対応する電気信号を出力する。
In the gas sensor, the first internal electrode is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel. Therefore, when a voltage is applied between the first internal electrode and the first external electrode, current easily flows and oxygen transfer efficiency is high. Further, since the surface of the metal particles forming the first internal electrode contains bismuth, the catalytic action of the first internal electrode is inactivated, and the test gas (the surroundings) is in the vicinity of the first internal electrode. This effectively suppresses the combustible gas contained in the gas) from reacting with oxygen.
The combustible gas from which oxygen is removed from the test gas is introduced into the second processing chamber. In the second processing chamber, a second oxygen pump including a second internal electrode, a solid electrolyte, and a second external electrode is prepared, and oxygen is also introduced. In the second processing chamber, the combustible gas reacts with oxygen. The amount of oxygen introduced into the second processing chamber is equal to the amount of oxygen with which the combustible gas reacts with oxygen. Therefore, the amount of combustible gas contained in the test gas can be detected by measuring the amount of oxygen introduced into the second processing chamber. The amount of oxygen introduced into the second processing chamber is proportional to the current flowing between the second internal electrode and the second external electrode.
The test gas introduced into the first processing chamber contains oxygen. If oxygen remains in the gas transferred from the first processing chamber to the second processing chamber, the amount of combustible gas cannot be detected accurately. In the gas sensor, since the oxygen transfer efficiency of the first oxygen pump is high, oxygen contained in the test gas is efficiently removed in the first processing chamber. If the first internal electrode has a catalytic action, combustible gas contained in the test gas is consumed in the vicinity of the first internal electrode, and the amount of combustible gas cannot be detected accurately. In the gas sensor, since the surface of the metal particles forming the first internal electrode contains bismuth, the catalytic action of the first internal electrode is inactivated, and the test gas is detected in the vicinity of the first internal electrode. The combustible gas contained in is not consumed. Together, the gas sensor outputs an electrical signal that accurately corresponds to the concentration of the combustible gas contained in the test gas.
本発明のガスセンサは、第1内部電極と第1外部電極の間に第1処理室内の酸素を周囲に移送する向きの電圧を加える第1電源と、第2内部電極と第2外部電極の間に周囲ガスに含まれる酸素を第2処理室内に移送する向きの電圧を加える第2電源と、第2内部電極と第2外部電極の間に流れる電流を検出する電流検出手段を組み合わせて用いることができる。それによって、可燃性ガスの測定装置を実現することができる。 The gas sensor of the present invention includes a first power source for applying a voltage in a direction for transferring oxygen in the first processing chamber to the surroundings between the first internal electrode and the first external electrode, and between the second internal electrode and the second external electrode. And a second power source for applying a voltage for transferring oxygen contained in the surrounding gas into the second processing chamber, and a current detecting means for detecting a current flowing between the second internal electrode and the second external electrode. Can do. Thereby, a measuring device for combustible gas can be realized.
第2内部電極と第2外部電極の間に流れる電流は、第2処理室に導入される酸素量に対応しており、被検ガスに含まれる可燃性ガスの濃度に対応している。第1電源と第1酸素ポンプによって第1処理室から酸素を排出し、第2電源と第2酸素ポンプによって第2処理室に酸素を導入しながら第2内部電極と第2外部電極の間に流れる電流を検出することによって、被検ガスに含まれる可燃性ガスの濃度を正確に測定することができる。 The current flowing between the second internal electrode and the second external electrode corresponds to the amount of oxygen introduced into the second processing chamber, and corresponds to the concentration of the combustible gas contained in the test gas. Oxygen is discharged from the first processing chamber by the first power source and the first oxygen pump, and oxygen is introduced into the second processing chamber by the second power source and the second oxygen pump. By detecting the flowing current, the concentration of the combustible gas contained in the test gas can be accurately measured.
本発明の他の一つのガスセンサは、ガス検知空間の内部に一対の内部電極を形成する。一対の内部電極のうちの一方については触媒作用が活性なものを用い、他方については触媒作用が不活性なものを用いると、一対の内部電極の間に可燃性ガスの濃度に対応する起電力が生じることを利用する。
この形式のガスセンサは、ガス検知空間と、ガス検知空間の酸素濃度を制御する酸素ポンプ素子と、ガス検知空間の可燃性ガスの濃度を検出する濃度検知素子を備えており、下記の特徴を備えている。
ガス検知空間を周囲から区画する壁は少なくとも一部分にガス拡散律速層と固体電解質を備えている。濃度検知素子は、ガス検知空間を区画する固体電解質のガス検知空間側に第1内部電極と第2内部電極が形成されており、固体電解質を挟んで第1内部電極と第2内部電極の反対側に共通外部電極が形成されている。酸素ポンプ素子は、ガス検知空間を区画する固体電解質のガス検知空間側に第3内部電極が形成されており、固体電解質を挟んで第3内部電極の反対側に外部電極が形成されている。
第1内部電極は、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されている。第1内部電極は、ビスマスを含まない。ビスマスを含まないとは、積極的にはビスマスを添加しないという意味であり、微量のビスマスが不純物として混入していることはある。
第2内部電極は、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されており、その金属粒子の表面に偏った状態でビスマスを含み、第2内部電極を構成する金属粒子の総質量に対するビスマス含有率(ビスマスの質量/電極を構成する金属粒子の総質量)が0.01〜10質量%である。
第3内部電極は、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されており、その金属粒子の表面に偏った状態でビスマスを含み、第3内部電極を構成する金属粒子の総質量に対するビスマス含有率が0.01〜10質量%である。
In another gas sensor according to the present invention, a pair of internal electrodes are formed inside the gas detection space. An electromotive force corresponding to the concentration of the combustible gas between the pair of internal electrodes when one of the pair of internal electrodes is active with catalytic action and the other with inactive catalytic action. Take advantage of what happens.
This type of gas sensor includes a gas detection space, an oxygen pump element that controls the oxygen concentration in the gas detection space, and a concentration detection element that detects the concentration of the flammable gas in the gas detection space. ing.
The wall that divides the gas detection space from the periphery is provided with a gas diffusion control layer and a solid electrolyte at least in part. In the concentration detection element, a first internal electrode and a second internal electrode are formed on the gas detection space side of the solid electrolyte partitioning the gas detection space, and opposite to the first internal electrode and the second internal electrode with the solid electrolyte interposed therebetween. A common external electrode is formed on the side. In the oxygen pump element, a third internal electrode is formed on the gas detection space side of the solid electrolyte that partitions the gas detection space, and an external electrode is formed on the opposite side of the third internal electrode across the solid electrolyte.
The first internal electrode is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel. The first internal electrode does not contain bismuth. The phrase “not containing bismuth” means that bismuth is not actively added, and a trace amount of bismuth may be mixed as an impurity.
The second internal electrode is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel, and is formed on the surface of the metal particles. The bismuth content (the mass of bismuth / the total mass of the metal particles constituting the electrode) with respect to the total mass of the metal particles constituting the second internal electrode including bismuth in a biased state is 0.01 to 10% by mass.
The third internal electrode is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel, and is formed on the surface of the metal particles. The bismuth content with respect to the total mass of the metal particles that contain bismuth and constitute the third internal electrode in a biased state is 0.01 to 10% by mass.
上記のガスセンサの場合、第1内部電極は表面にビスマスを含んでいないために、触媒活性を示す。第1内部電極の近傍では、可燃性ガスと酸素が反応するために、酸素濃度は低下する。その一方において、第2内部電極は表面にビスマスを含んでいるために、触媒作用が不活性である。第2内部電極の近傍では、可燃性ガスと酸素が反応しないために、酸素濃度は低下しない。
この結果、第1内部電極と第2内部電極の間に両電極間の酸素濃度差に対応した起電力が生じる。第1内部電極と第2内部電極の間に生じる起電力は、被検ガスに含まれている可燃性ガスの濃度によく対応する。
このガスセンサは、例えば、ガス拡散律速体を介して、酸素ポンプ素子が形成される第1処理室と濃度検知素子が形成される第2処理室が隣接していてもよい。さらに、第1処理室と第2処理室が共有されているガス検知空間を形成すると、検出の時間的応答性が高く、構造が簡単であり、製造しやすいという特徴も備える。
In the case of the above gas sensor, the first internal electrode does not contain bismuth on the surface, and thus exhibits catalytic activity. In the vicinity of the first internal electrode, the combustible gas and oxygen react with each other, so the oxygen concentration decreases. On the other hand, since the second internal electrode contains bismuth on the surface, the catalytic action is inactive. In the vicinity of the second internal electrode, since the combustible gas and oxygen do not react, the oxygen concentration does not decrease.
As a result, an electromotive force corresponding to a difference in oxygen concentration between the first internal electrode and the second internal electrode is generated. The electromotive force generated between the first internal electrode and the second internal electrode corresponds well to the concentration of the combustible gas contained in the test gas.
In this gas sensor, for example, a first processing chamber in which an oxygen pump element is formed and a second processing chamber in which a concentration detection element is formed may be adjacent to each other via a gas diffusion rate limiting body. Furthermore, if a gas detection space in which the first processing chamber and the second processing chamber are shared is formed, the detection time response is high, the structure is simple, and the manufacturing is easy.
上記のガスセンサは、第3内部電極と外部電極の間にガス検知空間の酸素濃度を制御する為の電源と、第1内部電極または第2内部電極と共通外部電極の間に発生する電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段で検出された電圧が一定値に維持されるように第3内部電極と外部電極の間に加える電圧を制御する装置と、第1内部電極と第2内部電極の間に発生する出力電圧を検出する出力電圧検出手段と組み合わせて用いることが好ましい。それによって、可燃性ガスの測定装置を実現することができる。 The gas sensor detects a voltage generated between the first internal electrode or the second internal electrode and the common external electrode, and a power source for controlling the oxygen concentration in the gas detection space between the third internal electrode and the external electrode. Voltage detecting means for controlling the voltage applied between the third internal electrode and the external electrode so that the voltage detected by the voltage detecting means is maintained at a constant value, and the first internal electrode and the second internal electrode It is preferably used in combination with an output voltage detecting means for detecting an output voltage generated during the period. Thereby, a measuring device for combustible gas can be realized.
第3内部電極と外部電極の間に電源を備えることにより、ガスセンサの周囲からガス検知空間に酸素を移送することもできるし、ガス検知空間からガスセンサの周囲に酸素を移送することもできる。
第1内部電極または第2内部電極と共通外部電極の間に発生する電圧が一定に保たれるように第3内部電極と固体電解質と外部電極で構成される酸素ポンプ素子の能力を調整すると、第1内部電極と第2内部電極の間に生じる起電力は、被検ガスに含まれている可燃性ガスの濃度によく対応する。第1内部電極と第2内部電極の間に生じる起電力を検出することによって、被検ガスに含まれる可燃性ガスの濃度を正確に測定することができる。
By providing a power source between the third internal electrode and the external electrode, oxygen can be transferred from the periphery of the gas sensor to the gas detection space, and oxygen can also be transferred from the gas detection space to the periphery of the gas sensor.
When the capacity of the oxygen pump element composed of the third internal electrode, the solid electrolyte, and the external electrode is adjusted so that the voltage generated between the first internal electrode or the second internal electrode and the common external electrode is kept constant, The electromotive force generated between the first internal electrode and the second internal electrode corresponds well to the concentration of the combustible gas contained in the test gas. By detecting the electromotive force generated between the first internal electrode and the second internal electrode, the concentration of combustible gas contained in the test gas can be accurately measured.
本発明では、ガス検知素子を構成する一対の内部電極のうち、一方の内部電極は触媒作用が活性なものを用い、他方の内部電極は触媒作用が不活性なものを用いる。更に、可燃性ガスを検知する空間の酸素濃度を酸素ポンプによって制御するため、微量な可燃性ガスの濃度を高出力で検知できる。また、可燃性ガスを検知する空間の酸素濃度を正確に管理できるため、可燃性ガスの濃度を正確に検知することができる。 In the present invention, of the pair of internal electrodes constituting the gas detection element, one internal electrode uses an active catalyst and the other internal electrode uses an inactive catalytic function. Furthermore, since the oxygen concentration in the space where the combustible gas is detected is controlled by the oxygen pump, the concentration of a small amount of combustible gas can be detected at a high output. Further, since the oxygen concentration in the space where the combustible gas is detected can be accurately managed, the concentration of the combustible gas can be detected accurately.
本発明の実施形態を以下に説明する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態のガスセンサを模式的に図示している。ガスセンサ10は、第1処理室36aと、第2処理室36bを備えている。第1処理室36aは、第1固体電解質層30と、第2固体電解質層16aと、絶縁シート32bと、第2ガス拡散律速層40と、第1固体電解質層30に形成されているガス導入孔34を覆っている第1ガス拡散律速層38で取り囲まれている。
第2処理室36bは、第1固体電解質層30と、第2固体電解質層16aと、絶縁シート32aと、第2ガス拡散律速層40で取り囲まれている。
第1処理室36aと、第2処理室36bは、第2ガス拡散律速層40を介して隣接している。
第2固体電解質層16aの第1処理室36a側に第1内部電極18aが形成されている。第2固体電解質層16aを挟んで第1内部電極18aの反対側に第1外部電極20aが形成されている。第1内部電極18aと第2固体電解質層16aと第1外部電極20aによって、第1酸素ポンプ12aが構成されている。第1内部電極18aと第1外部電極20aは、電流計を備えた電源回路22aに電気的に接続されている。第1内部電極18aは、第1処理室36aに晒されており、第1外部電極20aは、外気口42を通じてガスセンサ10の外部に晒されている。
第2固体電解質層16aの第2処理室36b側に第2内部電極24が形成されている。第2固体電解質層16aを挟んで第2内部電極24の反対側に第2外部電極26が形成されている。第2内部電極24と第2固体電解質層16aと第2外部電極26によって、第2酸素ポンプ14が構成されている。第2内部電極24と第2外部電極26は、電流計を備えた電源回路28に電気的に接続されている。第2内部電極24は、第2処理室36bに晒されており、第2外部電極26は、外気口42を通じてガスセンサ10の外気に晒されている。
図示の32dは絶縁シートであり、内部にヒータ44が形成されている。絶縁シート32dは、絶縁シート32cを介して第2固体電解質層16aに固定されている。
Embodiments of the present invention will be described below.
(First embodiment)
FIG. 1 schematically illustrates the gas sensor of the first embodiment. The
The
The
A first
A second
32d of illustration is an insulating sheet, and the
ガス拡散律速層38は、ガスの拡散速度を制限することができ、ガスセンサ10の外部に存在する被検ガス(周囲ガスともいう)を第1処理室36aに導入することができる。
第1固体電解質層30と、第2固体電解質層16aは、酸素イオンの透過性を有するイットリア安定化ジルコニア(YSZ)板で構成されている。
第1内部電極18aは、白金を主体とする金属粒子から形成されており、その金属粒子の表面に偏った状態でビスマスを含んでいる。第1内部電極18aを構成する金属粒子の総質量に対するビスマス含有率は、1質量%である。白金に代えて、白金族に属する白金以外の金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を用いてもよい。例えば第1内部電極18aは、金を主体とする金属粒子で形成されていても良い。また、金を主体とする金属粒子と白金および/または白金族に属する白金以外の金属の少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されていても良い。
第2内部電極24は、白金を主体とする金属粒子から形成されている。ビスマスは添加されていない。白金に代えて、白金族に属する白金以外の金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を用いてもよい。
第1外部電極20aは、白金を主体とする金属粒子から形成されている。ビスマスは添加されていない。白金に代えて、白金族に属する白金以外の金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を用いてもよい。
第2外部電極26は、白金を主体とする金属粒子から形成されている。ビスマスは添加されていない。白金に代えて、白金族に属する白金以外の金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を用いてもよい。
The gas
The first
The first
The second
The first
The second
ガスセンサ10で可燃性ガスの濃度を測定する方法を説明する。
可燃性ガスと酸素を含む被検ガスが存在する空間にガスセンサ10を設置すると、被検ガスは拡散速度が制限された状態でガス拡散律速層38を通過し、第1処理室36aに導入される。このとき、可燃性ガスと同時に酸素も第1処理室36aに導入される。
第1内部電極18aと第1外部電極20aに接続された電源回路22aをオンすると、第1処理室36aに導入された酸素は、第1内部電極18aから第2固体電解質層16aの内部を通過して第1外部電極20aの側に移動する。即ち、第1処理室36aから酸素が排出される。このとき、第1内部電極18aは触媒作用が不活性なために、可燃性ガスは酸素と反応しない。
A method for measuring the concentration of the combustible gas with the
When the
When the
第1処理室36aで酸素が除去された可燃性ガスは、拡散速度がガス拡散律速層40で制限された状態で、第1処理室36aから第2処理室36bに導入される。後記するように、第2処理室36bに導入された可燃性ガスは第2酸素ポンプ14より供給される酸素と反応して消費される。第1処理室36aから第2処理室36bへの可燃性ガスの移送は、第1処理室36aにおける可燃性ガスの濃度と第2処理室36bにおける可燃性ガスの濃度の差や、第1処理室36a内と第2処理室36b内での可燃性ガスの流れなどによって生じる。
The combustible gas from which oxygen is removed in the
第2処理室36bでは、第2内部電極24の触媒作用によって、可燃性ガスが酸素と反応する。可燃性ガスと反応するための酸素は、周囲ガスから供給される。第2内部電極24と第2外部電極26に接続された電源回路28をオンすると、外気口42から進入した被検ガスに含まれる酸素が、第2固体電解質層16aを通過し、第2処理室36bに導入される。
第2処理室36bに導入される酸素量は、可燃性ガスが酸素と反応する酸素量に等しい。そこで、第2処理室36bに導入される酸素量を測定すれば、被検ガスに含まれる可燃性ガス量を検出することができる。第2処理室36bに導入される酸素量は、第2内部電極24と第2外部電極26の間を流れる電流に比例する。電源回路28に流れる電流値を読み取ることで、被検ガスに含まれる可燃性ガスの濃度を測定することができる。
なお、ヒータ44は、ガスセンサ10の温度を一定に保つ。ガスセンサ10の温度を一定に保つことで、第1処理室36aと第2処理室36bと外気口42から進入した周囲ガスの温度は一定になる。
In the
The amount of oxygen introduced into the
The
(第2実施形態)
図2は、第2実施形態のガスセンサを模式的に図示している。ガスセンサ50は、ガス検知空間58を備えている。ガス検知空間58は、第1固体電解質層16bと、第2固体電解質層48と、絶縁シート56bと、第1固体電解質層16bに形成されているガス導入孔68を覆っているガス拡散律速層66で取り囲まれている。
第2固体電解質層48のガス検知空間58側に、第1内部電極60と第2内部電極62が形成されている。第2固体電解質層48を挟んで第1内部電極60と第2内部電極62の反対側に共通外部電極64が形成されている。共通電極64は、外気口54を通じてガスセンサ50の外部(例えば大気)に晒されている。または、共通外部電極64に大気を導入するための大気室を設置してもよい。第2固体電解質48と、第1内部電極60と、第2内部電極62と、共通外部電極64によりガス検知セル46が形成されている。 第1内部電極60と第2内部電極62の間には、両者間に生じる起電力を検出する電圧計V3が設けられている。第1内部電極60と共通外部電極64の間には、両者間に生じる起電力を検出する電圧計V1が設けられている。第2内部電極62と共通外部電極64の間には、両者間に生じる起電力を検出する電圧計V2が設けられている。
第1固体電解質層16bのガス検知空間58側に、第3内部電極18bが形成されている。第1固体電解質層16bを挟んで第3内部電極18bの反対側に外部電極20bが形成されている。第3内部電極18bと外部電極20bによって、酸素ポンプが構成されている。外部電極20bは、ガスセンサ50の外部(例えば被検ガス)に晒されている。
第3内部電極18bと外部電極20bは、電流計を備えた電源回路22bに電気的に接続されている。
図示の56dは絶縁シートであり、内部にヒータ53が形成されている。絶縁シート56dは、絶縁シート56cを介して第2固体電解質層48に固定されている。
(Second Embodiment)
FIG. 2 schematically illustrates the gas sensor of the second embodiment. The
A first
A third
The third
56d of illustration is an insulation sheet, and the
ガス拡散律速層66は、ガスの拡散速度を制限することができ、ガスセンサ50の外部に存在する被検ガス(周囲ガスともいう)をガス検知空間58に導入することができる。
第1固体電解質層16bと、第2固体電解質層48は、酸素イオンの透過性を有するイットリア安定化ジルコニア(YSZ)板で構成されている。
第1内部電極60は、白金を主体とする金属粒子から形成されている。ビスマスは添加されていない。白金に代えて、白金族に属する白金以外の金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を用いてもよい。
第2内部電極62と第3内部電極18bは、白金を主体とする金属粒子から形成されており、その金属粒子の表面に偏った状態でビスマスを含んでいる。第2内部電極62と第3内部電極18bを構成する金属粒子の総質量に対するビスマス含有率は、0.6質量%である。白金に代えて、白金族に属する白金以外の金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を用いてもよい。例えば第2内部電極62と第3内部電極18bは、金を主体とする金属粒子で形成されても良い。また、金を主体とする金属粒子と白金および/または白金族に属する白金以外の金属の少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されても良い。
共通外部電極64と、外部電極20bは、白金を主体とする金属粒子から形成されている。ビスマスは添加されていない。白金に代えて、白金族に属する白金以外の金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を用いてもよい。
The gas diffusion
The first
The first
The 2nd
The common
ガスセンサ50で可燃性ガスの濃度を測定する方法を説明する。
可燃性ガスと酸素を含む被検ガスが存在する空間にガスセンサ50を設置すると、被検ガスはガス拡散律速層66によって拡散速度が制限された状態で移動し、ガス検知空間58に導入される。このとき、可燃性ガスと同時に酸素もガス検知空間58に導入される。
第3内部電極18bと外部電極20bに接続された電源回路22bをオンすると、ガス検知空間58に導入された酸素は、第3内部電極18bから第1固体電解質層16bを通過し、外部電極20b側に移動する。即ち、第3内部電極18bは、触媒作用が不活性なため、ガス検知空間58から可燃性ガスに影響を与えることなく酸素を排出できる。
A method for measuring the concentration of the combustible gas with the
When the
When the
ガス検知空間58に導入された可燃性ガスは、第1内部電極60の触媒作用によってガス検知空間58に導入された酸素と反応する。そのため、第1内部電極60の表面付近の酸素濃度は、ガス検知空間58の平均酸素濃度よりも低くなる。
一方、第2内部電極62は触媒作用が不活性なために、第2内部電極62の近傍では可燃性ガスと酸素の反応が起こらない。そのため、第2内部電極62の表面付近の酸素濃度はガス検知空間58の平均酸素濃度に等しい。したがって、第1内部電極60と第2内部電極62の間には酸素濃度差が生じ、酸素濃淡起電力が発生する。両電極に生じる酸素濃度差は、燃焼する可燃性ガスの量と相関があるため、起電力より可燃性ガスの濃度を検知できる。
酸素ポンプ12bによって、ガス検知空間58の酸素濃度が所望する濃度に制御される。即ち、ガス検知空間58から周囲ガスへ酸素を排出する場合や、周囲ガスからガス検知空間58へ酸素を導入する場合もある。
The combustible gas introduced into the
On the other hand, since the catalytic action of the second
The oxygen concentration in the
本実施形態では、電圧計V1または電圧計V2の検出値を一定に保つように酸素ポンプ12bの酸素排出能力を調整する。即ち、第1内部電極60または第2内部電極62の表面付近の酸素濃度を一定に保つように酸素ポンプ12bの酸素排出能力を調整する。例えば、ガス検知空間58の酸素濃度が高くなると、酸素ポンプ12bを制御しなければ第1内部電極60と共通外部電極64の間の起電力V1は小さくなる。そのため、電圧計V1の検出値を一定に保つように酸素ポンプ12bを制御する。即ち、酸素ポンプ12bの酸素排出能力を高めて、ガス検知空間58の酸素濃度を低くする。
In the present embodiment, the oxygen discharge capacity of the
図面を参照して以下に実施例を詳細に説明する。
(第1実施例)
図1に示す形態のガスセンサ10を製造した。即ち、薄片状(70mm×6mm×1mm)に成形したイットリア安定化ジルコニア(ZrO2−6mol%Y203:以下YSZと称す。)板(固体電解質)16aの両面の2箇所ずつに電気的に接しないように、白金(Pt)粉90質量%、YSZ10質量%(但しビヒクル等の有機成分を除く)の組成の白金電極形成用ペーストをスクリーン印刷した。
次いで、YSZ板16aの上面のPt電極(第1内部電極)18aとPt電極(第2内部電極)24の間にガス拡散律速層40を形成した。次いで、アルミナを主成分とする薄膜状(70mm×6mm×2mm)の絶縁シート32a,32b(図示32a,32bは実質的に同一のシート)を形成するためのアルミナシートを置き、アルミナシートとYSZ板(固体電解質)30を貼りあわせた。
次いで、YSZ板16aの下面に薄膜状(70mm×6mm×2mm)の絶縁シート32cを介して、ヒータ44が内部に形成されている絶縁シート32dを貼りあわせた。その後、1500℃で2時間の焼成を行った。
さらに、Pt電極18aに0.01mol/Lの硝酸ビスマス水溶液を30μL滴下した。Pt電極18aのビスマス含有率は1質量%になる。
硝酸ビスマス水溶液を塗布した後、850℃で熱処理を行った。さらにPt電極18aの金属表面にビスマスを偏在化させるために、1%の水素を含む窒素ガス中で通電処理を行った。さらに、YSZ板30の上面にガス導入孔34を塞ぐようにガス拡散律速層38を形成し、電源回路22aをPt電極18a,20a間に接続し、電源回路28をPt電極24,26間に接続した。
Embodiments will be described in detail below with reference to the drawings.
(First embodiment)
A
Next, a gas diffusion
Next, an insulating
Further, 30 μL of 0.01 mol / L bismuth nitrate aqueous solution was dropped onto the
After applying the bismuth nitrate aqueous solution, heat treatment was performed at 850 ° C. Furthermore, in order to make bismuth unevenly distributed on the metal surface of the
次に、ガスセンサ10をヒータ44で700℃に加熱し、1%の酸素を含む窒素ガス(以下「第1基準被検ガス」と称す。)雰囲気下に可燃性ガスを添加して、ガスセンサ10のガス検知性能を評価した。可燃性ガスはプロパンガス(C3H8)、水素ガス(H2)、一酸化炭素ガス(CO)の3種類について濃度を0〜1000ppmに変化させて用意した。
第1酸素ポンプ12aには、電源回路22aによって0.6Vの電圧が印加され、第1処理室36aから外気口42に酸素が排出された。
図5は、ガスセンサ10の電源回路28に流れた電流値と、可燃性ガスの濃度の関係を示している。縦軸は電源回路28に流れた電流値(μA)を示し、横軸は可燃性ガスの濃度(ppm)を示している。カーブ90は可燃性ガスがプロパンガスの場合を示し、カーブ92は可燃性ガスが水素ガスの場合を示し、カーブ94は可燃性ガスが一酸化炭素ガスの場合を示している。
カーブ90から明らかなように、プロパンガスの濃度が高くなると、電源回路28に流れる電流は比例して大きくなっている。ガスセンサ10はプロパンガスの濃度を測定することができることが確認された。
また、カーブ92とカーブ94から明らかなように、可燃性ガスが水素ガスや一酸化炭素ガスの場合、ガス濃度が高くなっても電源回路28にはほとんど電流が流れない。即ち、ガスセンサ10は水素ガスや一酸化炭素ガスの濃度に影響されないことが確認された。
Next, the
A voltage of 0.6 V was applied to the
FIG. 5 shows the relationship between the current value flowing through the
As is apparent from the
Further, as is apparent from the
(第2実施例)
図2に示す形態のガスセンサ50を製造した。即ち、ガス導入孔68が形成されたYSZ板16bの両面に、実施例1で使用した組成の白金電極形成用ペーストをスクリーン印刷した。その後1500℃で2時間の焼成を行い、YSZ板16bの両面にPt粒子が焼結して成る薄膜状のPt電極18b,20bを形成した。次いで、YSZ板(固体電解質)48の上面の2箇所に電気的に接しないように、実施例1で使用した組成の白金電極形成用ペーストをスクリーン印刷し、YSZ板48の下面に、実施例1で使用した組成の白金電極形成用ペーストをスクリーン印刷した。その後1500℃で2時間の焼成を行い、YSZ板48の両面にPt粒子が焼結して成る薄膜状のPt電極60,62,64を形成した。
次いで、Pt電極(第3内部電極)18bとPt電極62に0.01mol/Lの硝酸ビスマス水溶液を10μL滴下した。Pt電極18bとPt電極62のビスマス含有率は0.6質量%になる。硝酸ビスマス水溶液を塗布した後、850℃で熱処理を行った。さらにPt電極18bとPt電極62の金属表面にビスマスを偏在化させるために、1%水素を含む窒素ガス中で通電処理を行った。
次いで、YSZ板16bの上面にガス導入孔68を塞ぐようにガス拡散律速層66を形成した。次いで、YSZ板16bとYSZ板48を絶縁シート56bを介して接着し、YSZ板48とヒータ53が内部に形成されている絶縁シート56dを絶縁シート56cを介して接着した。その後、600℃で1時間の焼成を行った。
次いで、電源回路22bをPt電極18b,20b間に接続し、Pt電極(第1内部電極)60と、Pt電極(第2内部電極)62と、Pt電極(共通外部電極)64の間に電圧制御回路52を形成した。
(Second embodiment)
A
Next, 10 μL of 0.01 mol / L bismuth nitrate aqueous solution was dropped onto the Pt electrode (third internal electrode) 18 b and the
Next, a gas
Next, the
次に、ガスセンサ50をヒータ53で加熱し、第1基準被検ガス雰囲気下に可燃性ガスを添加してガスセンサ50のガス検知性能を評価した。
ガス検知性能の評価は、外気口54に大気を導入して評価した。即ち、Pt電極64は可燃性ガスに晒されず、大気に晒されている。可燃性ガスはプロパンガス(C3H8)、水素ガス(H2)、一酸化炭素ガス(CO)の3種類について濃度を0〜1000ppmに変化させて用意した。
Pt電極60とPt電極64の間に発生する起電力が110mVで一定になるように、電圧制御回路52の電圧計V1からの電気信号によって、可変電源回路22bに流れる電流値を変化させた。
図6は、ガスセンサ50の電圧制御回路52の電圧計V3の値と、可燃性ガスの濃度の関係を示している。縦軸は電圧計V3の値(mV)を示し、横軸は可燃性ガスの濃度(ppm)を示している。カーブ96は可燃性ガスがプロパンガスの場合を示し、カーブ98は可燃性ガスが水素ガスの場合を示し、カーブ100は可燃性ガスが一酸化炭素ガスの場合を示している。
カーブ96から明らかなように、プロパンガスの濃度が高くなると、電圧計V3の値は大きくなっている。ガスセンサ50は、プロパンガスの濃度を測定できることが確認された。
また、カーブ98とカーブ100から明らかなように、可燃性ガスが水素ガスや一酸化炭素ガスの場合、ガス濃度が高くなっても電圧計V3の値はほとんど変化しない。即ち、ガスセンサ50は水素ガスや一酸化炭素ガスの濃度に影響されないことが確認された。
Next, the
The gas detection performance was evaluated by introducing the atmosphere into the
The value of the current flowing through the variable
FIG. 6 shows the relationship between the value of the voltmeter V3 of the
As apparent from the
Further, as is apparent from the
(第3実施例)
実施例1又は実施例2では、内部電極の表面にビスマスを添加した電極を用いている。本実施例では、ビスマスの添加量とその効果について調査した。
図3に示すガスセンサ80であって、内部電極86のビスマス含有率がそれぞれ異なる12種類のガスセンサ80を製造した。
即ち、薄板状(直径17mm、高さ1mm)に成形したYSZ板82の両面に、実施例1で使用した組成の白金電極形成用ペーストをスクリーン印刷した。その後、1500℃で1時間の焼成を行い、YSZ板82の両面にPt粒子を焼結させて、薄膜状のPt電極86,88を形成した。得られたPt電極86,88の物性を次に示す。(厚さ:10μm、面積:約0.5cm2、空隙率:約40%、密度:21.45g/cm3、Pt質量:約6.4mg)
次いで、Pt電極86に表1に示すいずれかの濃度の硝酸ビスマス水溶液を適量(表1参照)滴下した。硝酸ビスマス水溶液滴下後、そのPt電極86上に所定形状(直径17mm、高さ0.5mm)のアルミナから成るガス拡散律速体84を接着させた。次いで、大気中で800℃の熱処理を行った。この方法によって、ガス拡散律速体84により包囲された空間85に配置された内部電極86を構成するPt粒子の表面にビスマス(酸化ビスマス)を含有させた。次いでPt電極86,88に電圧を印加することができる電源回路81をPt電極86,88間に形成した
このようにして、表1に示す計12種類のガスセンサ80(サンプル1〜サンプル12)を製造した。表1には、各サンプルの製造に使用した硝酸ビスマスの濃度、滴下量、ビスマス添加量、及び、ビスマスを添加した内部電極86における電極構成金属元素の総質量に対するビスマス質量含有率((ビスマスの質量/白金粒子の質量+ビスマスの質量)×100)を示す。
(Third embodiment)
In Example 1 or Example 2, an electrode in which bismuth is added to the surface of the internal electrode is used. In this example, the amount of bismuth added and its effect were investigated.
12 types of
That is, a platinum electrode forming paste having the composition used in Example 1 was screen-printed on both surfaces of a
Next, an appropriate amount (see Table 1) of an aqueous bismuth nitrate solution having any concentration shown in Table 1 was dropped onto the
次に、サンプル1〜12を700℃に加熱し、0.1%の酸素を含む窒素ガス(以下「第2基準被検ガス」と称す。)中における限界電流と、第2基準被検ガスに対して濃度が200ppmとなるようにプロパンを導入したプロパン含有第2被検ガス中における限界電流を求めた。そして、プロパン含有第2被検ガス中における限界電流値がプロパンを含まない第2基準被検ガス中における限界電流値の80%を保持した場合は、ビスマス含有の効果があるとして表1中に○で示した。限界電流値の差が80%以下になった場合は、ビスマス含有の実質的な効果がないとして表1中に×で示した。
表1から明らかなように、内部電極に0.0016質量%以上のビスマスを含有したサンプル3〜12において限界電流値が可燃性ガス(ここではプロパン)の影響を受けずに、プロパン含有第2被検ガス中における限界電流値がプロパンを含まない第2基準被検ガス中における限界電流値の80%を保持した。その一方、詳細なデータを示していないが、内部電極のビスマス含有率が10質量%を越えるサンプル11〜12では抵抗値が上昇してしまった(図中の△)。従って、本発明によって提供されるガスセンサを酸素センサとして用いる場合は、内部電極のビスマス含有率は0.002〜10質量%程度が適当であり、0.01〜10質量%程度が好ましいことが認められた。
Next, the samples 1 to 12 are heated to 700 ° C., the limiting current in the nitrogen gas containing 0.1% oxygen (hereinafter referred to as “second reference test gas”), and the second reference test gas. The limit current in the propane-containing second test gas into which propane was introduced so that the concentration was 200 ppm was obtained. When the limit current value in the propane-containing second test gas is 80% of the limit current value in the second reference test gas that does not contain propane, it is shown in Table 1 that there is an effect of containing bismuth. ○ indicates. When the difference between the limit current values was 80% or less, it was indicated by x in Table 1 because there was no substantial effect of containing bismuth.
As can be seen from Table 1, in Samples 3 to 12 containing 0.0016% by mass or more of bismuth in the internal electrode, the limit current value was not affected by the flammable gas (propane in this case), and the propane-containing second The limit current value in the test gas was maintained at 80% of the limit current value in the second reference test gas not containing propane. On the other hand, although detailed data are not shown, the resistance value increased in Samples 11 to 12 in which the bismuth content of the internal electrode exceeded 10 mass% (Δ in the figure). Accordingly, when the gas sensor provided by the present invention is used as an oxygen sensor, it is recognized that the bismuth content of the internal electrode is suitably about 0.002 to 10% by mass, and preferably about 0.01 to 10% by mass. It was.
(第4実施例)
ビスマスが添加されている電極は、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成され、その金属粒子の表面に硝酸ビスマス水溶液を塗布して、その金属粒子の表面にビスマスを偏った状態で含ませることが好ましい。
上記実施例では、電極の表面にビスマスを含ませる方法として、硝酸ビスマス水溶液を塗布する方法を採用している。ガスセンサで利用する電極にビスマスを含ませるためには、水溶液を塗布する方法が他の方法よりも高い酸素ポンプ性能が得られるからである。
図4は、ガスセンサに利用する電極のイオン透過性を検証するために作製した構成部品70を示している。薄片状(直径17mm、高さ1mm)に成形したYSZ板72を用意して、YSZ板72の片面に実施例1で使用した組成の白金電極形成用ペーストをスクリーン印刷して1500℃で1時間焼成してPt電極88を形成した。その後、YSZ板72の他方の面に以下に示す2種類のPt/Bi電極74を作製した。
条件1:白金粉75mol%、ビスマス25mol%の組成のPt/Bi電極形成用ペーストをスクリーン印刷して、次いで酸素雰囲気中で850℃の熱処理を行った。
条件2:実施例1で使用した組成の白金電極形成用ペーストをスクリーン印刷し、1500℃で1時間焼成した後、0.002mol/Lの硝酸ビスマス水溶液を塗布して、次いで酸素雰囲気中で850℃の熱処理を実施し、その後水素雰囲気下で800℃で1時間の熱処理を実施した。次いで、Pt電極74,88に電圧を印加することができる電源回路81をPt電極74,88間に形成した
(Fourth embodiment)
The electrode to which bismuth is added is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel, and the surface of the metal particles It is preferable to apply an aqueous bismuth nitrate solution to the surface of the metal particles so that bismuth is included in a biased state.
In the said Example, the method of apply | coating bismuth nitrate aqueous solution is employ | adopted as a method of including bismuth on the surface of an electrode. This is because, in order to include bismuth in the electrode used in the gas sensor, the method of applying an aqueous solution can provide higher oxygen pump performance than other methods.
FIG. 4 shows a
Condition 1: A Pt / Bi electrode forming paste having a composition of 75 mol% platinum powder and 25 mol% bismuth was screen-printed, and then heat-treated at 850 ° C. in an oxygen atmosphere.
Condition 2: A platinum electrode forming paste having the composition used in Example 1 was screen-printed and baked at 1500 ° C. for 1 hour, and then a 0.002 mol / L bismuth nitrate aqueous solution was applied, and then 850 in an oxygen atmosphere. Then, heat treatment was performed at 800 ° C. for 1 hour in a hydrogen atmosphere. Next, a
得られた本実施例の構成部品について、第2基準被検ガス中で700℃に加熱して電源回路81の電圧を変化させ、そのときの電流値を測定した。
図7に示すグラフは、縦軸は電流値(mA)を示し、横軸は電源回路81の電圧(V)を示している。曲線104は、Pt/Bi電極74を条件1で作製した結果を示し、曲線102は、Pt/Bi電極74を条件2で作製した結果を示している。
曲線104は、電源回路81の電圧を高くしてもあまり電流値は高くならない。即ち、電圧を高くしても電極間を通過する酸素イオンの量はあまり増えないことを示している。曲線102は、電圧を高くすると電流値も比例して高くなる。即ち、電圧を高くすると、電極間を通過する酸素イオンの量が比例して増えることを示している。電極間に電圧を1Vかけた場合、条件1でPt/Bi電極74を作製した構成部品70と条件2でPt/Bi電極74を作製した構成部品70は、Pt電極74,88間の流れる電流は約10倍の差がみられた。
ガスセンサに利用される酸素ポンプは、酸素イオン透過性が高い方が、より低い電圧でより多くの酸素イオンを内部電極から外部電極(又は外部電極から内部電極)へ移動させることが可能となるため、ガスセンサで利用する電極にビスマスを含ませるためには、溶液を塗布し、表面にビスマスを偏在化させる方法が他の方法よりも高い酸素ポンプ性能が得られる。
また、条件1のPt/Bi電極74の表面には約26質量%のビスマスが使用されており、条件2のPt/Bi電極74の表面には約0.5質量%のビスマスが使用されている。
溶液を塗布する方法でPt/Bi電極74を作製すると、少ないビスマス添加量で高い酸素ポンプ性能が得られることが確認された。
About the obtained component of this Example, it heated at 700 degreeC in 2nd reference | standard test gas, the voltage of the
In the graph shown in FIG. 7, the vertical axis represents the current value (mA), and the horizontal axis represents the voltage (V) of the
The
An oxygen pump used for a gas sensor has a higher oxygen ion permeability, and can move more oxygen ions from an internal electrode to an external electrode (or from an external electrode to an internal electrode) at a lower voltage. In order to include bismuth in the electrode used in the gas sensor, a method in which a solution is applied and bismuth is unevenly distributed on the surface provides higher oxygen pump performance than other methods.
Further, about 26% by mass of bismuth is used on the surface of the Pt /
It was confirmed that when the Pt /
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記実施例では、ガスセンサにヒータを設置したが、ガスセンサが加熱されさえすればよく、必ずしもガスセンサにヒータを設置しなくてもよい。その場合は、ガスセンサを加熱することができる領域にガスセンサを配置すればよい。
実施例1では、ガス拡散律速体を介して第1処理室と第2処理室が隣接しているが、第1処理室と第2処理室の間のガスの拡散速度が制限されていればよく、必ずしも区画されている必要はない。例えば第1処理室と第2処理室の空間体積を小さくすることで、ガスの拡散速度を制限してもよい。
また、実施例1では、焼成前のYSZ板と焼成前のアルミナシートと焼成前の絶縁シートを貼り付けた後に焼成を行ったが、YSZ板とアルミナシートと絶縁シートをそれぞれ事前に焼成して、最後に接着してもよい。
実施例2では、YSZ板と絶縁シートをそれぞれ事前に焼成して、最後に接着したが、YSZ板と絶縁シートを接着した後に焼成してもよい。
また、実施例2では、ガスセンサ全体が被検ガス中に晒されており、外気口に大気を導入したが、酸素ポンプの外部電極側を区画してその区画内のみを被検ガスに晒し、ガス検知セルの共通外部電極側を区画してその区画内のみを大気に晒してもよい。
例えば、実施例2では、電圧計V1の検出値を一定に保つように酸素ポンプの動作を制御したが、電圧計V2の検出値を一定に保つように酸素ポンプの動作を制御してもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In the above embodiment, the heater is installed in the gas sensor. However, it is only necessary that the gas sensor is heated, and the heater is not necessarily installed in the gas sensor. In that case, the gas sensor may be arranged in a region where the gas sensor can be heated.
In the first embodiment, the first processing chamber and the second processing chamber are adjacent to each other via the gas diffusion rate limiting body. However, if the gas diffusion rate between the first processing chamber and the second processing chamber is limited. Well, it does not necessarily have to be partitioned. For example, the gas diffusion rate may be limited by reducing the space volume of the first processing chamber and the second processing chamber.
In Example 1, firing was performed after the YSZ plate before firing, the alumina sheet before firing, and the insulating sheet before firing were attached, but the YSZ plate, the alumina sheet, and the insulating sheet were fired in advance. Finally, it may be glued.
In Example 2, the YSZ plate and the insulating sheet were fired in advance and bonded last, but may be fired after the YSZ plate and insulating sheet are bonded.
Further, in Example 2, the entire gas sensor was exposed to the test gas, and the atmosphere was introduced to the outside air port, but the external electrode side of the oxygen pump was partitioned, and only the section was exposed to the test gas. The common external electrode side of the gas detection cell may be partitioned and only the inside of the partition may be exposed to the atmosphere.
For example, in the second embodiment, the operation of the oxygen pump is controlled so as to keep the detection value of the voltmeter V1 constant. However, the operation of the oxygen pump may be controlled so as to keep the detection value of the voltmeter V2 constant. .
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing.
10:ガスセンサ
12:酸素ポンプ
14:第2酸素ポンプ
16、30、48:固体電解質
18:内部電極
20:外部電極
22、28、81:電源回路
24:内部電極
26:外部電極
32、56:絶縁シート
34、68:ガス導入孔
36:処理室
42、54:外気口
38、40、66:ガス拡散律速体
44、53:ヒータ
46:ガス検知セル
50:ガスセンサ
52:電圧制御回路
58:ガス検知空間
60:内部電極
62:内部電極
64:共通外部電極
10: gas sensor 12: oxygen pump 14:
Claims (4)
第1処理室を周囲から区画する壁の少なくとも一部分にガス拡散律速層と固体電解質を備えており、
第2処理室を周囲から区画する壁の少なくとも一部分に固体電解質を備えており、
第1処理室と第2処理室はガス拡散律速層を介して隣接しており、
第1処理室を区画する固体電解質の第1処理室側に第1内部電極が形成されており、
固体電解質を挟んで第1内部電極の反対側に第1外部電極が形成されており、
第2処理室を区画する固体電解質の第2処理室側に第2内部電極が形成されており、
固体電解質を挟んで第2内部電極の反対側に第2外部電極が形成されており、
第1内部電極は、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されており、その金属粒子の表面に偏った状態でビスマスを含み、第1内部電極を構成する金属粒子の総質量に対するビスマス含有率(ビスマスの質量/電極を構成する金属粒子の総質量)が0.01〜10質量%であり、
第2内部電極は、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されていることを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor comprising a first processing chamber and a second processing chamber;
A gas diffusion control layer and a solid electrolyte are provided on at least a part of a wall defining the first processing chamber from the surroundings;
A solid electrolyte is provided on at least a part of a wall defining the second processing chamber from the surroundings;
The first processing chamber and the second processing chamber are adjacent to each other through a gas diffusion control layer,
A first internal electrode is formed on the first processing chamber side of the solid electrolyte partitioning the first processing chamber;
A first external electrode is formed on the opposite side of the first internal electrode across the solid electrolyte;
A second internal electrode is formed on the second processing chamber side of the solid electrolyte partitioning the second processing chamber;
A second external electrode is formed on the opposite side of the second internal electrode across the solid electrolyte;
The first internal electrode is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel, and is formed on the surface of the metal particles. The bismuth content (mass of bismuth / total mass of metal particles constituting the electrode) with respect to the total mass of the metal particles constituting the first internal electrode is 0.01 to 10% by mass, including bismuth in a biased state,
The gas sensor, wherein the second internal electrode is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel.
第1内部電極と第1外部電極の間に、第1処理室内の酸素を周囲に移送する向きの電圧を加える第1電源と、
第2内部電極と第2外部電極の間に、周囲ガスに含まれる酸素を第2処理室内に移送する向きの電圧を加える第2電源と、
第2内部電極と第2外部電極の間に流れる電流を検出する電流検出手段を有する可燃性ガスの測定装置。 A gas sensor according to claim 1;
A first power source for applying a voltage in a direction to transfer oxygen in the first processing chamber to the surroundings between the first internal electrode and the first external electrode;
A second power source for applying a voltage in a direction to transfer oxygen contained in the surrounding gas into the second processing chamber between the second internal electrode and the second external electrode;
A combustible gas measuring device having current detection means for detecting a current flowing between a second internal electrode and a second external electrode.
ガス検知空間を周囲から区画する壁の少なくとも一部分にガス拡散律速層と固体電解質を備えており、
ガス検知空間を区画する固体電解質のガス検知空間側に第1内部電極と第2内部電極が形成されており、
固体電解質を挟んで第1内部電極と第2内部電極の反対側に共通外部電極が形成されており、
ガス検知空間を区画する固体電解質のガス検知空間側に第3内部電極が形成されており、
固体電解質を挟んで第3内部電極の反対側に外部電極が形成されており、
第1内部電極は、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されており、
第2内部電極は、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されており、その金属粒子の表面に偏った状態でビスマスを含み、第2内部電極を構成する金属粒子の総質量に対するビスマス含有率(ビスマスの質量/電極を構成する金属粒子の総質量)が0.01〜10質量%であり、
第3内部電極は、白金族に属するいずれかの金属、金、銀、ニッケルから成る群から選択される少なくとも一種の金属元素を主体とする金属粒子から形成されており、その金属粒子の表面に偏った状態でビスマスを含み、第3内部電極を構成する金属粒子の総質量に対するビスマス含有率が0.01〜10質量%であることを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor having a gas detection space,
A gas diffusion control layer and a solid electrolyte are provided on at least a part of the wall that divides the gas detection space from the surroundings,
A first internal electrode and a second internal electrode are formed on the gas detection space side of the solid electrolyte partitioning the gas detection space;
A common external electrode is formed on the opposite side of the first internal electrode and the second internal electrode across the solid electrolyte,
A third internal electrode is formed on the gas detection space side of the solid electrolyte partitioning the gas detection space;
An external electrode is formed on the opposite side of the third internal electrode across the solid electrolyte,
The first internal electrode is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel,
The second internal electrode is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel, and is formed on the surface of the metal particles. The bismuth content (the mass of the bismuth / the total mass of the metal particles constituting the electrode) with respect to the total mass of the metal particles constituting the second internal electrode is 0.01 to 10% by mass, including bismuth in a biased state,
The third internal electrode is formed of metal particles mainly composed of at least one metal element selected from the group consisting of any metal belonging to the platinum group, gold, silver, and nickel, and is formed on the surface of the metal particles. A gas sensor comprising bismuth in a biased state and having a bismuth content of 0.01 to 10% by mass relative to the total mass of metal particles constituting the third internal electrode.
第3内部電極と外部電極の間にガス検知空間内の酸素濃度を制御する電圧を加える電源と、
第1内部電極または第2内部電極と共通外部電極の間に発生する電圧を検出する電圧検出手段と、
電圧検出手段で検出された電圧が一定値に維持されるように第3内部電極と外部電極の間に加える電圧を制御する装置と、
第1内部電極と第2内部電極の間に発生する出力電圧を検出する出力電圧検出手段を有する可燃性ガスの測定装置。 A gas sensor according to claim 3;
A power source for applying a voltage for controlling the oxygen concentration in the gas detection space between the third internal electrode and the external electrode;
Voltage detecting means for detecting a voltage generated between the first internal electrode or the second internal electrode and the common external electrode;
A device for controlling the voltage applied between the third internal electrode and the external electrode so that the voltage detected by the voltage detection means is maintained at a constant value;
A combustible gas measuring device having output voltage detection means for detecting an output voltage generated between a first internal electrode and a second internal electrode.
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