JP2993340B2 - ガスセンサ - Google Patents

ガスセンサ

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JP2993340B2
JP2993340B2 JP5313144A JP31314493A JP2993340B2 JP 2993340 B2 JP2993340 B2 JP 2993340B2 JP 5313144 A JP5313144 A JP 5313144A JP 31314493 A JP31314493 A JP 31314493A JP 2993340 B2 JP2993340 B2 JP 2993340B2
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孝裕 梅田
彪 長井
明雄 福田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、被測定気体中の2種類
の気体、例えば水素および酸素の分圧を検出するガスセ
ンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、様々な固体電解質を用いたガ
スセンサが数多く提案されている。例えば、「材料技
術」(p.296-301,Vol.10,No.9,1992)に図6に示すよう
な限界電流式酸素センサが報告されている。図6におい
てイットリア安定化ジルコニアから成る固体電解質3の
両面には白金から成る陰極4aおよび陽極4bが形成さ
れている。陰極4aおよび陽極4b間には直流電源(図
示せず)により任意の電圧を印加することができる。
【0003】陰極4a側には、シール板8と、隔壁5が
設けられ接着固定されている。被測定気体中の酸素は、
シール板8に形成された拡散孔9より導入され、陰極4
aと接触し、陰極4aおよび陽極4b間に電圧を印加す
ることにより、酸素イオンとなり固体電解質3中を移動
する。そして、酸素イオンは陽極4b上において再び酸
素となり放出される。この際電極間にはイオン電流が発
生するが、小孔7により物理的に酸素供給量が制限され
るため、ある電圧領域でイオン電流は限界値に達する。
この時に流れるイオン電流の値を限界電流値と呼ぶが、
この限界電流値は酸素濃度に比例するため、限界電流値
を測定することにより酸素濃度を求めることができる。
【0004】また、「電気化学」(p.996-999,No.10,19
89)にはストロンチウムセリウム酸化物から成る水素イ
オン導電体が、濃淡電池の起電力から水素分圧を検出す
ることができることを報告しており、この種の水素イオ
ン導電体が水素センサにも応用が可能であることを示唆
している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の技
術では、2種類の気体、例えば水素と酸素が共存する被
測定気体中で水素と酸素の濃度を検出する場合、水素セ
ンサと酸素センサを併用しなければならないため、セン
サを交換する手間がかかり、構成が複雑となり、また水
素センサと酸素センサの動作温度範囲が異なるため温度
制御が困難であるという課題があった。
【0006】さらに限界電流特性を得るために、レーザ
ー加工法などにより、シール板あるいは固体電解質に拡
散孔を形成する必要があり、製造工程が複雑になるとい
う課題があった。
【0007】本発明は上記課題を解決するもので、所定
の温度において1つのセンサで2種類の気体水素および
酸素の濃度を検出でき、シール板などを加工し拡散孔を
形成する必要がなく、製造工程が簡単なガスセンサを提
供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、水素イオン導電性を有する第1固体電解質
前記第1固体電解質と動作温度範囲が等しい酸素イオ
ン導電性を有する第2固体電解質を用い、第1固体電解
質と、前記第1固体電解質の一方の表面に形成された第
1陰極と、前記第1陰極と対向するように他方の表面に
形成された第1陽極と、第2固体電解質と、前記第2固
体電解質の一方の表面に形成された第2陰極と、前記第
2陰極と対向するように他方の表面に形成された第2陽
極と、前記第1陽極と前記第2陰極それぞれの周りを囲
むように配置された螺旋型隔壁と、前記第1固体電解質
と第2固体電解質および前記隔壁で囲まれた空間に被測
定気体を導入する螺旋型拡散孔で構成されるガスセンサ
とした。
【0009】さらに前記螺旋型隔壁は、前記第1陽極の
周りを囲むように配置された第1螺旋型隔壁と、前記第
2陰極の周りを囲むように配置された第2螺旋型隔壁か
ら成り、前記第1螺旋型隔壁と前記第2螺旋型隔壁の中
間には加熱体が配置されおり、さらに前記加熱体には、
小孔が形成されており、前記小孔の断面積/長さは、前
記拡散孔の断面積/長さより大きいガスセンサとした。
【0010】
【作用】本発明は上記した手段により、水素イオン導電
性を有する第1固体電解質と前記第1固体電解質と動作
温度範囲が等しい酸素イオン導電性を有する第2固体電
解質を用い、所定の温度において1つのセンサで2種類
の気体を検出できるガスセンサと成り、例えば水素と酸
素が共存する被測定気体中において、動作温度範囲の違
う水素センサと酸素センサを併用しなくても水素と酸素
の濃度を同時に検出することができるため、構成および
温度制御が簡単となり、シール板あるいは固体電解質に
拡散孔を形成する必要がないため製造工程が簡単とな
り、コストの安いガスセンサが得られる。
【0011】
【実施例】以下本発明の実施例を図を参照しながら説明
する。
【0012】(実施例1)図1に本発明の一実施例であ
るガスセンサの断面図を示す。図1において第1固体電
解質1は、動作温度範囲が約400〜700℃である水
素イオン導電性を有するストロンチウムセリウム酸化物
(SrCeO3)である。第1固体電解質1は実施した
ストロンチウムセリウム酸化物以外の例えばバリウムセ
リウム酸化物(BaCeO3 )などのアルカリ土類金属
と希土類元素の複合酸化物あるいはこの種の複合酸化物
にガドリニウムなどの希土類元素をドープした酸化物で
もよい。
【0013】第2固体電解質3は、第1固体電解質1と
動作温度範囲が等しい酸素イオン導電性を有する酸化イ
ットリウムを8モル%添加した安定化酸化ジルコニウム
(8Y23・92ZrO2)である。第2固体電解質3
は、実施した安定化酸化ジルコニウム以外に酸化ビスマ
ス(Bi23)、酸化セリウム(CeO2)などの酸素
イオン導電性固体電解質でもよい。第1および第2固体
電解質1および3は、厚さ0.5ミリ、直径13ミリの
ディスク状に成型し、さらに第1および第2固体電解質
1および3の両面にそれぞれ白金ペーストをスクリーン
印刷した後、820℃で10分間焼成し、第1陰極2
a、第1陽極2b、第2陰極4aおよび第2陽極4bを
形成した。さらに金ペーストで各電極に白金リード線
(図示せず)を取り付けた。
【0014】次に硝子製螺旋型隔壁5を第1固体電解質
1と第2固体電解質体3で挟み、第1陽極2bおよび第
2陰極4aの周りを囲むように配置し、接着固定した。
螺旋型隔壁を用いることにより、従来のようにシール板
などに拡散孔を加工する必要がなくなるため、製造工程
が簡単になる。
【0015】さらに各電極間に電圧を印加するための直
流電源(図示せず)と、各電極間を流れる電流を測定す
るための電流計(図示せず)をそれぞれ接続した。
【0016】このようにして得られたガスセンサを外部
加熱体(図示せず)によりセンサ温度が約600℃にな
るよう保持し、被測定気体存在空間に配置した。被測定
気体存在空間に水素と酸素の混合ガスを導入した。水素
および酸素は螺旋型隔壁5を経て、それぞれ第1陽極2
bおよび第2陰極4a上へ拡散する。
【0017】しかし、螺旋型隔壁5によりそれぞれ供給
量が物理的に制限されるため各電極間2aと2bおよび
4aと4bに所定の電圧を印加すると、それぞれにおい
て限界電流特性が得られた。そこで水素および酸素それ
ぞれの濃度を変化させ、それぞれの限界電流値との関係
を調べた。測定結果を図2および図3に示す。図2は、
水素濃度の限界電流特性を示す図である。図2より、水
素濃度と限界電流値は酸素濃度に関係なく、比例してい
る事が判る。同じく図3は、酸素濃度の限界電流特性を
示す図である。図3より、酸素濃度も水素濃度とは関係
なく限界電流値と比例していることが判った。したがっ
て水素と酸素はお互いに干渉する事なく同時に水素濃度
および酸素濃度を求めることができることが判った。
【0018】(実施例2)図3に本発明の一実施例であ
るガスセンサの断面図を示す。図3において、フォルス
テライト基板の両面に白金ペーストによりヒーターパタ
ーンがスクリーン印刷された加熱体6は、第1螺旋型隔
壁5aと第2螺旋型隔壁5bで挟まれ、第1固体電解質
1と第2固体電解質3の中間に配置され、接着固定され
ている。それ以外は実施例1と同様の構成であるガスセ
ンサを得た。このガスセンサを加熱体6に所定の電圧を
印加することにより約600℃に保持し、実施例1と同
様の実験を行ったところ同じ結果が得られた。したがっ
て、外部加熱体が不要となり、比較的コンパクトな構成
でコストが安くなることが判った。
【0019】(実施例3)図4に本発明の一実施例であ
るガスセンサの断面図を示す。図4において、中央に約
2ミリの小孔7が形成されたフォルステライト基板に、
白金ペーストによりヒーター膜がスクリーン印刷された
加熱体6は、第1螺旋型隔壁5aと螺旋型でない第2隔
壁5bで挟まれ、第1固体電解質1と第2固体電解質3
に接着固定されている。被測定気体中の水素および酸素
は第1螺旋型隔壁5aより導入され、水素は第1陽極2
b上へと拡散し、酸素はさらに加熱体6に設けられた小
孔7を通って第2陰極4a上へと拡散する。それ以外の
構成は実施例1と同様であり、同様の実験を行ったとこ
ろ、ほぼ同じ結果が得られた。小孔7の断面積/長さは
拡散孔9の断面積/長さより大きいため、小孔7による
拡散抵抗はほとんど無視できると思われる。したがっ
て、加工に手間のかかる螺旋型隔壁の使用する数を減ら
すことができ、コストが安くなることが判った。
【0020】なお螺旋型でない第1隔壁と、第2螺旋型
隔壁で加熱体6を挟み、第1および第2固体電解質に接
着固定する構成でもよい。
【0021】
【発明の効果】以上述べたように本発明のガスセンサに
よれば、水素イオン導電性を有する第1固体電解質と前
記第1固体電解質と動作温度範囲が等しい酸素イオン導
電性を有する第2固体電解質を用い、所定の温度におい
て1つのセンサで2種類の気体を同時に検出でき、固体
電解質やシール板等に小孔を形成する必要がないため、
構造と温度制御が簡単になるという効果が得られる。
【0022】さらに加熱体を一体化することにより、電
気炉などの外部加熱体が不要となり、コンパクトな構成
でコストが安くなるという効果が得られる。
【0023】また加熱体に、断面積/長さが拡散孔より
大きい小孔を形成することにより、加工の難しい螺旋型
隔壁の数を減らすことができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のガスセンサの断面図
【図2】水素の限界電流特性を示す図
【図3】酸素の限界電流特性を示す図
【図4】本発明の他の実施例のガスセンサの断面図
【図5】本発明の他の実施例のガスセンサの断面図
【図6】従来の限界電流式酸素センサの断面図
【符号の説明】
1 第1固体電解質 2a 第1陰極 2b 第1陽極 3 第2固体電解質 4a 第2陰極 4b 第2陽極 5 螺旋型隔壁 6 加熱体 7 小孔 8 シール板 9 拡散孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−24445(JP,A) 特開 平4−164246(JP,A) 特開 平7−167833(JP,A) 実開 平5−59303(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/416 G01N 27/41

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水素イオン導電性を有する第1固体電解質
    と、前記第1固体電解質の一方の表面に形成された第1
    陰極と、前記第1陰極と対向するように他方の表面に形
    成された第1陽極と、前記第1固体電解質と動作温度範
    囲が等しい酸素イオン導電性を有する第2固体電解質
    と、前記第2固体電解質の一方の表面に形成された第2
    陰極と、前記第2陰極と対向するように他方の表面に形
    成された第2陽極と、前記第1陽極と前記第2陰極のそ
    れぞれの周りを囲むように配置された隔壁と、前記第1
    固体電解質と第2固体電解質および前記隔壁で囲まれた
    空間に被測定気体を導入する拡散孔で構成されるガスセ
    ンサ。
  2. 【請求項2】隔壁は、第1陽極の周りを囲むように配置
    された第1隔壁と、第2陰極の周りを囲むように配置さ
    れた第2隔壁とから成り、前記第1隔壁と前記第2隔壁
    の中間に小孔を有する加熱体を配置し、前記小孔の断面
    積/長さ、拡散孔の断面積/長さより大きくした請求
    項1記載のガスセンサ。
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