JP3435836B2 - Gas sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

Gas sensor and manufacturing method thereof

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JP3435836B2 JP22663894A JP22663894A JP3435836B2 JP 3435836 B2 JP3435836 B2 JP 3435836B2 JP 22663894 A JP22663894 A JP 22663894A JP 22663894 A JP22663894 A JP 22663894A JP 3435836 B2 JP3435836 B2 JP 3435836B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、一般大気中もしくはガ
ス、石油を燃料とする各種燃焼機器の排ガス中の可燃性
ガスとくに一酸化炭素を検出するための電気化学センサ
に関し、触媒を用いた化学センサにおいて最大の課題と
なる耐久性の面で優れた特性を備えてなるガスセンサに
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrochemical sensor for detecting a combustible gas, particularly carbon monoxide, in the general atmosphere or in the exhaust gas of various combustion equipment that uses gas or petroleum as a fuel, and uses a catalyst. The present invention relates to a gas sensor having excellent characteristics in terms of durability, which is the biggest problem in a chemical sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】一酸化炭素(CO)は無色、無味、無臭
の気体で、空気よりやや軽いが毒性が強く200PPMく
らいの低濃度でも2〜3時間呼吸すると頭痛などおこ
し、3000PPM以上になると10分位で、6000PPM
以上では、数分間の呼吸で死亡する。
2. Description of the Related Art Carbon monoxide (CO) is a colorless, tasteless and odorless gas that is slightly lighter than air but highly toxic and causes a headache when breathing for 2-3 hours even at a low concentration of about 200 PPM. 6000 PPM in the quantile
In the above, I die in breathing for several minutes.

【0003】一般家庭でも瞬間湯沸かし器、風呂釜、石
油・ガス暖房器具や炭火から発生することから、これら
の機器に内蔵して用いたり、または室内に設置して用い
るための安価で小型で信頼性の高い一酸化炭素センサが
強く要望されている。
Since it is generated from instant water heaters, bath kettles, oil and gas heating appliances and charcoal fires even in ordinary households, it is cheap, compact and reliable to be used by being built into these devices or installed indoors. There is a strong demand for a high carbon monoxide sensor.

【0004】従来から提案されているガスセンサとくに
一酸化炭素検知センサとしては、電解液に一酸化炭素
(CO)を吸収させて酸化する電極を設けて、CO濃度
に比例する電流値からCO濃度を検知する方式(定電位
電解ガスセンサ)、貴金属などの微量の添加元素で増感
した酸化スズ(Sn02)などの焼結体タイプのn型半導
体酸化物を用いて、これらの半導体が可燃性ガスと接触
した際に電気電導度が変化する特性を利用してガスを検
知する方式(半導体型ガスセンサ)、20μm程度の白金
の細線にアルミナを添着し、貴金属を担持したものと担
持しない一対の比較素子を用いて一定温度に加熱して使
い、可燃性ガスがこの素子に接触して触媒酸化反応を行
った際の発熱差を検出する方式(接触燃焼式ガスセン
サ)などが知られている。これらは例えば[文献1]大
森豊明監修:「センサ実用事典」:フジ・テクノシステ
ム第14章ガスセンサの基礎(春田正毅担当)、P11
2−130(1986)に詳しい記述がある。
As a conventionally proposed gas sensor, especially a carbon monoxide detection sensor, an electrode for absorbing carbon monoxide (CO) to oxidize it is provided in an electrolytic solution, and the CO concentration is determined from a current value proportional to the CO concentration. Using a detection method (constant potential electrolysis gas sensor) and a sintered body type n-type semiconductor oxide such as tin oxide (Sn02) sensitized with a trace amount of additional elements such as precious metals, these semiconductors are treated as flammable gas. A method to detect gas by utilizing the characteristic that electric conductivity changes when contacting (semiconductor type gas sensor), a pair of comparison elements in which alumina is attached to a platinum fine wire of about 20 μm and noble metal is supported It is known that there is a method (catalytic combustion type gas sensor) that detects the difference in heat generation when a combustible gas comes into contact with this element to carry out catalytic oxidation reaction by heating to a constant temperature using These are described in [Reference 1] Toyoaki Omori: "Practical Encyclopedia of Sensors": Fuji Techno System, Chapter 14, Basics of Gas Sensors (Masaki Takeshi Haruta), P11
2-130 (1986) has a detailed description.

【0005】とくに電気化学セルを形成して用いるガス
センサとしては、安定化ジルコニアを電解質として用い
る酸素センサが自動車の排ガス浄化の制御に実用化され
よく知られている。これは酸素の濃淡電池の起電力を利
用する方式である。酸素と同時に一酸化炭素、二酸化炭
素を測定するガスセンサが提案されている。
In particular, as a gas sensor used to form an electrochemical cell, an oxygen sensor using stabilized zirconia as an electrolyte has been put to practical use for controlling exhaust gas purification of automobiles and is well known. This is a method that uses the electromotive force of an oxygen concentration cell. A gas sensor for measuring carbon monoxide and carbon dioxide at the same time as oxygen has been proposed.

【0006】[文献2]特開平4−320955号公
報、[文献3]特開平4−320956号公報。
[Reference 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-320955 and [Document 3] Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-320956.

【0007】ただし、この方法の場合、濃淡電池を形成
するため、一方側の電極に濃度既知の試料ガスを導入す
る必要があり、分析機器としては適用性が高くても、測
定の都度試料ガスを導入することは出来ず、家庭用機器
には不向きである。しかし、この方法は電極の劣化など
をその都度補正することができる。
However, in the case of this method, since a concentration cell is formed, it is necessary to introduce a sample gas with a known concentration into one electrode, and although it is highly applicable as an analytical instrument, the sample gas is required each time it is measured. Can not be introduced and is not suitable for household appliances. However, this method can correct the deterioration of the electrode each time.

【0008】また、本発明と同様に、ジルコニア電気化
学セルを構成して、電極の一方側に触媒層を形成して一
酸化炭素を検出する方法が[文献4]H.OKAMOTO、H.OBA
YASIAND T.KUDO、Solid State Ionics、1、319(1980)
に提案されている。本発明の基本的原理は、文献4と同
じである。但し、文献4では、触媒として、白金/アル
ミナを用いる。
Further, as in the present invention, a method of forming a zirconia electrochemical cell, forming a catalyst layer on one side of an electrode and detecting carbon monoxide is [Reference 4] H.OKAMOTO, H.OBA.
YASIAND T. KUDO, Solid State Ionics, 1, 319 (1980)
Has been proposed to. The basic principle of the present invention is the same as in Reference 4. However, in Reference 4, platinum / alumina is used as the catalyst.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】これらの化学センサは
いずれも以下の欠点を有している。すなわち定電位電解
ガスセンサ、半導体型ガスセンサ、接触燃焼式ガスセン
サとも原理的に還元性ガス(可燃性ガス)に無差別に反
応するため各種工夫をおこなったとしても基本的には、
一酸化炭素(CO)以外の水素、アルコールなども検知
してしまう特性を持っている。つまりCOの選択性が悪
いという欠点を持っている。また、センサおよびセンサ
システムが全般的に高価で、センサの信号処理回路も複
雑になる欠点を持っている。また接触燃焼式を除いて
は、CO濃度に対してセンサの出力が非線形なため制御
性が悪いという欠点もある。
All of these chemical sensors have the following drawbacks. That is, even if a constant potential electrolysis gas sensor, a semiconductor type gas sensor, and a catalytic combustion type gas sensor react indiscriminately to a reducing gas (combustible gas) in principle, even if various measures are taken, basically,
It has the property of detecting hydrogen, alcohol, etc. other than carbon monoxide (CO). That is, it has a drawback that CO selectivity is poor. Further, the sensor and the sensor system are generally expensive, and the signal processing circuit of the sensor is complicated. Further, except for the catalytic combustion type, the controllability is poor because the output of the sensor is non-linear with respect to the CO concentration.

【0010】基本的に、触媒を応用する化学センサの場
合、一般に触媒の耐久性と選択性とは相反する面があ
り、選択性をあげるため化学センサの動作を触媒反応の
活性化支配側(低温側)で使うと触媒表面上への種々の
被毒ガスの吸着が起こり易く、触媒の劣化が速く進行し
耐久性が持たない。逆に動作を拡散支配側(高温側)で
使うと選択性が悪くなる面がある。例えば、半導体型ガ
スセンサとしてTi4+をドープしたαFe2O3に金微粒子
を担持した素子を用いるセンサの場合、極めてCOの水
素、アルコールなどに対する選択性は優れているが触媒
の耐久性に欠点がある。
Basically, in the case of a chemical sensor using a catalyst, there is generally a trade-off between durability and selectivity of the catalyst. In order to increase the selectivity, the operation of the chemical sensor is controlled by the activation control side of the catalytic reaction ( When used on the low temperature side, various poisonous gases are likely to be adsorbed on the surface of the catalyst, and the catalyst deteriorates rapidly and has no durability. On the contrary, if the operation is used on the diffusion control side (high temperature side), the selectivity is deteriorated. For example, in the case of a sensor using an element in which fine gold particles are supported on αFe2O3 doped with Ti4 + as a semiconductor type gas sensor, the selectivity of CO to hydrogen and alcohol is extremely excellent, but the durability of the catalyst is defective.

【0011】特に片側の電極を触媒で被覆した固体電解
質を用いて電気化学セルを形成して用いる文献4の方式
の欠点は、触媒劣化である。特に文献4では貴金属系の
触媒を用いているので、格別な工夫がない限り、硫黄系
化合物やシリコーン系化合物で劣化してしまう。とくに
シリコーン化合物は、化粧品をはじめとして建材など我
々の生活空間に満ち溢れているため対策が必要である。
[0011] In particular, a drawback of the method of Document 4 in which an electrochemical cell is formed by using a solid electrolyte in which one electrode is coated with a catalyst is catalyst deterioration. Particularly in Reference 4, since a noble metal-based catalyst is used, it is deteriorated by a sulfur-based compound or a silicone-based compound unless special measures are taken. Especially, since silicone compounds are full of our living space such as cosmetics and building materials, it is necessary to take measures.

【0012】また固体電解質の動作および触媒層の活性
化のために必要な加熱であるが、一般的な手段として、
裏面に白金などの抵抗体のパターンを電極印刷したアル
ミナ基板を用いて、アルミナ基板上にイットリア安定化
ジルコニア皮膜を形成する手段が考えられる。この方法
の場合、アルミナとジルコニアの膨張係数の違いによ
り、ヒータ回路のオンオフに伴って、ジルコニア層にク
ラックが入ったりする懸念があるため耐久性の面で好ま
しくない。
The heating required for the operation of the solid electrolyte and the activation of the catalyst layer is, but as a general means,
A means for forming a yttria-stabilized zirconia film on an alumina substrate by using an alumina substrate having a resistor pattern such as platinum printed on the back surface with electrodes is conceivable. In the case of this method, there is a concern that the zirconia layer may be cracked when the heater circuit is turned on and off due to the difference in expansion coefficient between alumina and zirconia, which is not preferable in terms of durability.

【0013】本発明では、従来からの課題である触媒の
耐久性の面で優れ、小型で消費電力も少ない高感度なガ
スセンサを提供することを目的としている。
An object of the present invention is to provide a highly sensitive gas sensor which is excellent in durability of the catalyst, which has been a problem in the past, and which is small in size and consumes less power.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】前記した従来の課題を解
決し、上記の目的を達成するために、本発明のガスセン
サは、略円筒状の固体電解質の内面側に抵抗加熱ヒータ
を配し、固体電解質の外面上に一対の電極および電極の
一方に多孔質触媒皮膜を他方に触媒能のない多孔質皮膜
形成して用いる。とくに触媒層の形成においてはセラ
ミック繊維中に結合剤を介して酸化触媒を分散させて成
る被覆体を用いる場合、また表面上に白金、パラジウ
ム、ロジウムの群より選定した一種以上の貴金属元素を
担持してなる無機耐熱繊維よりなるファイバーを織って
形成した織布を用いるなどの手段により耐久性の向上を
図る。さらには、多孔質触媒層皮膜をガスの完全酸化に
必要な膜厚より厚く形成し、抵抗加熱ヒータにより設定
するセンサ温度を触媒層の完全酸化に必要な温度よりも
高く設定して用いる。またセンサ温度を初期には、触媒
層の完全酸化に必要な温度よりも高く設定し、経時的に
センサ温度を低下させるプログラムを内蔵して用いる。
In order to solve the above-mentioned conventional problems and achieve the above-mentioned object, the gas sensor of the present invention has a resistance heating heater disposed on the inner surface side of a substantially cylindrical solid electrolyte, A pair of electrodes on the outer surface of the solid electrolyte and a porous catalyst film on one of the electrodes and a non-catalytic porous film on the other
To be used. In particular, in the case of forming the catalyst layer, when using a coating body in which an oxidation catalyst is dispersed in a ceramic fiber through a binder, and on the surface, one or more precious metal elements selected from the group of platinum, palladium, and rhodium are used.
The durability is improved by means such as using a woven fabric formed by weaving fibers made of supported inorganic heat resistant fibers. Further, the porous catalyst layer film is formed thicker than the film thickness required for complete oxidation of gas, and the sensor temperature set by the resistance heater is set higher than the temperature necessary for complete oxidation of the catalyst layer. Further, the sensor temperature is initially set higher than the temperature required for complete oxidation of the catalyst layer, and a program for decreasing the sensor temperature with time is built in and used.

【0015】ガスセンサの基本構造を以下に説明する。
固体電解質層としては、安定化ジルコニアや低温で安定
化ジルコニアより酸素イオン導電率が高いBi2O3ーMOO3、
CeO2ーSm2O3などの酸素イオン導電体もしくは、酸素イオ
ン導電体以外のフッ化物イオン導電体やプロトン導電体
を円筒状に成型して用いることができる。固体電解質を
用いて、表面に一対の電極を形成した電気化学セルにお
いて、電極間の酸素濃度が異なると酸素濃淡電池が形成
され起電力が発生し、酸素センサ素子が構成できる。
The basic structure of the gas sensor will be described below.
As the solid electrolyte layer, Bi2O3-MOO3, which has higher oxygen ion conductivity than stabilized zirconia or stabilized zirconia at low temperature,
An oxygen ion conductor such as CeO2-Sm2O3, or a fluoride ion conductor or a proton conductor other than the oxygen ion conductor can be molded into a cylindrical shape and used. In an electrochemical cell in which a pair of electrodes are formed on the surface using a solid electrolyte, an oxygen concentration cell is formed when an oxygen concentration between the electrodes is different, an electromotive force is generated, and an oxygen sensor element can be configured.

【0016】さらにその電極の一方を酸化触媒で被覆す
ると、触媒層中では CO+1/2O2→CO2 ・・・・(1) の化学反応が生じ、厳密には、ガス拡散速度と触媒酸化
反応速度により異なるが、電極表面に到達する一酸化炭
素濃度が減少する。酸化触媒で被覆した側の電極上で
は、もっぱら酸素のみ吸着されるのに対し、触媒の被覆
のない裸の電極の方では、一酸化炭素と酸素が吸着さ
れ、ここに両電極間に化学ポテシャルの差が生じ、触媒
層側の電極で還元反応、裸の電極側では酸化反応が起こ
り、酸素濃淡電池が形成され起電力が得られる。大気中
あるいは、燃焼機器の排ガス条件下でも酸素濃度は最低
でも数%以上存在するのに対して、一酸化炭素は多くて
も1000PPM以下で検出することが必要であり、(1)の
ように一酸化炭素1モルに対し酸素1/2モルであるこ
とからバルクとして評価したときの電極表面上での酸素
の濃度の違いは小さく、起電力においては、専ら一酸化
炭素濃度の影響が支配的になる。これにより一酸化炭素
濃度が高くなるとともに出力が増大する。すなわち、一
酸化炭素検知センサになる。本センサは基本的には触媒
の特性と関係するが、一酸化炭素のみならず可燃性ガス
であれば同様に検知をおこなう。
Further, if one of the electrodes is coated with an oxidation catalyst, a chemical reaction of CO + 1 / 2O2 → CO2 ... (1) occurs in the catalyst layer, and strictly speaking, depending on the gas diffusion rate and the catalytic oxidation reaction rate. Although different, the concentration of carbon monoxide reaching the electrode surface is reduced. Oxygen is exclusively adsorbed on the electrode coated with the oxidation catalyst, whereas carbon monoxide and oxygen are adsorbed on the bare electrode without the catalyst coating, and the chemical potential between both electrodes is absorbed here. Difference occurs, a reduction reaction occurs at the electrode on the catalyst layer side and an oxidation reaction occurs at the bare electrode side, and an oxygen concentration battery is formed to obtain an electromotive force. Even in the atmosphere or under the exhaust gas conditions of combustion equipment, the oxygen concentration is at least several percent or more, whereas carbon monoxide needs to be detected at 1000 PPM or less at most, and as in (1), Since 1 mol of carbon monoxide is 1/2 mol of oxygen, the difference in oxygen concentration on the electrode surface when evaluated as a bulk is small, and the effect of carbon monoxide concentration is dominant in the electromotive force. become. This increases the carbon monoxide concentration and increases the output. That is, it becomes a carbon monoxide detection sensor. Although this sensor is basically related to the characteristics of the catalyst, it can detect not only carbon monoxide but also combustible gas.

【0017】一般に固体電解質の特性によりセンサ素子
の加熱が必要になる。これはセンサが備えた加熱手段で
達成される。すなわち本センサでは円筒状の固体電解質
の内面側に抵抗加熱ヒータを備えているためこれによっ
て行う。また必要に応じて、正確な温度制御の目的でサ
ーミスタなどの温度検知手段を併用して温度制御を実施
してもよい。抵抗加熱ヒータに用いる材料としては、ニ
ッケル系、鉄-クロム系、貴金属系など各種金属および
合金線をもちいることができる。耐久性および制御性な
どの面で白金線が望ましい。
Generally, it is necessary to heat the sensor element due to the characteristics of the solid electrolyte. This is achieved by the heating means provided in the sensor. That is, since this sensor is equipped with a resistance heater on the inner surface side of the cylindrical solid electrolyte, this is done. Further, if necessary, temperature control may be carried out in combination with temperature detection means such as a thermistor for the purpose of accurate temperature control. As the material used for the resistance heater, various metals and alloy wires such as nickel-based, iron-chromium-based and noble metal-based can be used. Platinum wire is desirable in terms of durability and controllability.

【0018】固体電解質表面に形成する電極は白金、
金、銀などを用いることができるが、センサの応答性に
関わる電極への酸素の吸着特性とイオンの電解質への拡
散特性の面と耐熱安定性の面から総合的には、白金が望
ましい。
The electrode formed on the surface of the solid electrolyte is platinum,
Gold, silver, or the like can be used, but platinum is generally preferred from the viewpoints of oxygen adsorption characteristics to the electrodes relating to the response of the sensor, diffusion characteristics of ions into the electrolyte, and heat stability.

【0019】この際の電極形成法としては、ペースト
法、スパッタ法、真空蒸着法、無電解メッキ法などの各
種方法が適用できる。電極特性はセンサの応答性などの
基本性能に加えて、耐久性に深く関わり重要であるが、
この方法の中では特に、電極が安定で、微粒化分散でき
る無電解メッキが望ましい。またペースト法でも電極材
料を十分に微粒化したペーストを用いることにより優れ
た特性が得られる。
As the electrode forming method at this time, various methods such as a paste method, a sputtering method, a vacuum vapor deposition method and an electroless plating method can be applied. In addition to basic performance such as sensor responsiveness, electrode characteristics are deeply related to durability, and are important.
Of these methods, electroless plating is particularly preferable because the electrodes are stable and can be atomized and dispersed. Also, in the paste method, excellent characteristics can be obtained by using a paste in which the electrode material is sufficiently atomized.

【0020】[0020]

【作用】本センサを一般大気中、もしくは燃焼機器の排
ガス流路に配置した状態でのセンサの動作について説明
する。すでにセンサ素子は円筒状の固体電解質の内面側
に配した抵抗加熱体により一定の温度に加熱されている
とする。ここに、一酸化炭素などの可燃性ガスを含まな
い空気を送った場合、固体電解質上の電極において、ガ
ス濃度差はなく、起電力は発生しない。次に、一酸化炭
素を含む空気を送った場合には、触媒層で一酸化炭素は
酸化され触媒層が形成されている電極側には到達しなく
なることにより、固体電解質上の電極間に起電力が発生
する。
The operation of the sensor in the general atmosphere or in the exhaust gas passage of the combustion device will be described. It is assumed that the sensor element has already been heated to a constant temperature by the resistance heating element arranged on the inner surface side of the cylindrical solid electrolyte. When air containing no combustible gas such as carbon monoxide is sent to the electrode on the solid electrolyte, there is no difference in gas concentration and no electromotive force is generated. Next, when air containing carbon monoxide is sent, carbon monoxide is oxidized in the catalyst layer and does not reach the electrode side where the catalyst layer is formed, so that it occurs between the electrodes on the solid electrolyte. Electricity is generated.

【0021】固体電解質の電極間の起電力の出力を増幅
して、空気中の一酸化炭素濃度に関係した信号を取り出
す。これは一酸化炭素濃度が大きくなると増大する。燃
焼機器の排気ガス中では、実使用時には、燃焼制御に関
係して、排気条件が変化する。 すなわち、排気温度お
よび排気ガス組成(酸素濃度、窒素ガス濃度、炭酸ガス
濃度、水蒸気濃度)などが大きく経時的に変化するが、
これらは触媒層では反応しないのでセンサ出力には関係
せず、一酸化炭素など可燃性ガスのみに関係する安定し
た出力が得られる。
The output of the electromotive force between the electrodes of the solid electrolyte is amplified to extract a signal related to the concentration of carbon monoxide in the air. This increases with increasing carbon monoxide concentration. In the exhaust gas of the combustion equipment, the exhaust conditions change in actual use in relation to combustion control. That is, although the exhaust temperature and the exhaust gas composition (oxygen concentration, nitrogen gas concentration, carbon dioxide concentration, water vapor concentration), etc. change greatly over time,
Since these do not react in the catalyst layer, they are not related to the sensor output, and a stable output related to only combustible gas such as carbon monoxide is obtained.

【0022】本発明では、とくに触媒層の形成において
はセラミック繊維中に結合剤を介して酸化触媒を分散さ
せて成る被覆体を用いる。また表面上に白金、パラジウ
ム、ロジウムの群より選定した一種以上の貴金属元素を
担持してなる無機耐熱繊維よりなるファイバーを織って
形成した織布を用いるなどにより、従来の厚膜印刷など
で形成した触媒層と比較して、圧倒的に触媒能力が高い
ため十分に余裕のある状態で触媒を用いる。すなわち、
従来技術の触媒層が高々50μm程度であるのに対して
本発明では触媒層は少なくとも500μm以上で用いる
ので、初期反応的には触媒層の表面層しか使わず、表面
触媒層の劣化とともに徐々に内部の触媒層が使われるこ
とになるため、極めて長寿命になる。
In the present invention, particularly in the formation of the catalyst layer, a coating body in which an oxidation catalyst is dispersed in a ceramic fiber through a binder is used. In addition, one or more precious metal elements selected from the group of platinum, palladium and rhodium on the surface.
By using a woven fabric formed by weaving fibers made of supported inorganic heat resistant fibers, compared with the catalyst layer formed by conventional thick film printing, etc. The catalyst is used in a certain state. That is,
In contrast to the conventional catalyst layer having a thickness of about 50 μm, the present invention uses the catalyst layer with a thickness of at least 500 μm. Since the internal catalyst layer is used, the life is extremely long.

【0023】また経年的には、劣化とともに抵抗加熱ヒ
ータの能力が低下し、触媒層温度が低下するが、触媒的
には固体電解質の能力に関係して、触媒層温度を触媒活
性温度よりもはるかに高温側で拡散支配域で用いている
ため、触媒能力は逆に経時的に殆ど変化しない。
Over time, the capacity of the resistance heater decreases with deterioration, and the catalyst layer temperature decreases. However, catalytically, the catalyst layer temperature is lower than the catalyst activation temperature due to the capacity of the solid electrolyte. On the other hand, since the catalyst is used in the diffusion control region on the much higher temperature side, the catalytic ability, on the contrary, hardly changes with time.

【0024】またセンサ温度を初期に高温側に設定する
ことで、触媒層被覆のない電極表面上での一酸化炭素の
酸化触媒反応を僅かに生成させることでセンサ出力を少
し低下させて用いることにより抵抗加熱ヒータの能力を
経時的に低下させる制御プログラムを通して、センサ感
度を逆に向上させることも可能となる。これは一種のフ
ェールセーフ的機能でセンサの耐久性の面で有利に用い
ることになる。
Further, by setting the sensor temperature to the high temperature side at the initial stage, the sensor output is slightly lowered to be used by slightly generating the oxidation catalytic reaction of carbon monoxide on the electrode surface not covered with the catalyst layer. Therefore, the sensor sensitivity can be improved conversely through a control program that decreases the capacity of the resistance heating heater with time. This is a kind of fail-safe function and is advantageously used in the durability of the sensor.

【0025】[0025]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1は本発明の1実施例の斜視図である。図1に
おいて、1が抵抗加熱ヒータであり、2が円筒状の固体
電解質、3、4が一対の電極、片側の4の電極上に多孔
性触媒層5が形成されている。1の抵抗加熱ヒータにつ
いては、各種耐熱抵抗加熱線や貴金属コイル線などを用
いるが、図1ではその外観の記載を省略している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a resistance heater, 2 is a cylindrical solid electrolyte, 3 and 4 are a pair of electrodes, and a porous catalyst layer 5 is formed on 4 electrodes on one side. For the resistance heater of No. 1, various heat resistance resistance heating wires, noble metal coil wires, etc. are used, but the appearance thereof is omitted in FIG. 1.

【0026】図2は本発明の一実施例の斜視図である。
図1と異なる点は電極3の表面上に多孔性皮膜6が形成
されている。多孔性皮膜6は、酸化反応に対して触媒活
性のない材料より形成される被覆である。各種の被毒物
質が電極3に拡散する抵抗となり、電極3の劣化を防止
する。触媒活性の無い、多孔性皮膜としてはシリコン、
アルミニウムなど各種典型元素の酸化物または複合酸化
物などからなる皮膜が望ましい。ナフテン酸塩、オクチ
ル酸塩などの有機金属塩を用いて、これを溶剤、メチル
セルローズ等の結合剤とともにペースト化して、電極表
面上に塗布し、焼成することで作製することができる。
有機物が分解した部分が空隙となり多孔性が得られる。
これ自体は、ガスセンサ素子を実装した際にガラスウー
ル、シリカ・アルミナ繊維などの耐熱性繊維を電極の外
周部に配置することで、これが触媒の被毒成分の物理的
な濾材になるため代用することもできる。
FIG. 2 is a perspective view of an embodiment of the present invention.
The difference from FIG. 1 is that a porous film 6 is formed on the surface of the electrode 3. The porous film 6 is a coating formed of a material having no catalytic activity for the oxidation reaction. Various poisonous substances serve as a resistance that diffuses to the electrode 3, and prevents the electrode 3 from being deteriorated. Silicon as a porous film with no catalytic activity,
A film made of an oxide or a complex oxide of various typical elements such as aluminum is desirable. It can be prepared by using an organic metal salt such as naphthenate and octylate, forming a paste together with a solvent and a binder such as methylcellulose, applying the paste onto the electrode surface, and baking.
The decomposed portion of the organic substance becomes voids, and porosity is obtained.
By itself, by disposing heat-resistant fibers such as glass wool and silica / alumina fibers on the outer periphery of the electrode when the gas sensor element is mounted, this acts as a physical filter medium for poisoning components of the catalyst, and is therefore used as a substitute. You can also

【0027】ガスセンサとしての応答性などの面で電極
材料の特性が重要になる。白金を微粒化して分散させた
皮膜を形成することが望ましい。電極面での電気化学反
応の活性を向上させるため、円筒状の固体電解質の外表
面上をエッチングして凹面を形成することで特性が改善
される。図3は、円筒状の固体電解質の外表面の展開図
である。固体電解質の外表面2レーザーを用いて後加工
する方法などでこのような凹パターン7を形成した上に
電極を形成することでガスセンサとしての応答性などに
関わる電気化学特性が向上する。
The characteristics of the electrode material are important in terms of responsiveness as a gas sensor. It is desirable to form a film in which platinum is atomized and dispersed. In order to improve the activity of the electrochemical reaction on the electrode surface, the characteristics are improved by etching the outer surface of the cylindrical solid electrolyte to form a concave surface. FIG. 3 is a development view of the outer surface of the cylindrical solid electrolyte. The outer surface of the solid electrolyte 2 By forming the electrode on the concave pattern 7 by a post-processing method using a laser or the like, the electrochemical characteristics relating to the responsiveness as a gas sensor are improved.

【0028】本発明の円筒状の固体電解質外表面上に電
極を形成する方法として、従来から公知のフィルム上に
電極パターンを印刷または蒸着またはスパッタリングな
どの方法で形成して、これを固体電解質上に転写して、
電極を形成する方法が採用可能であるが、本発明の場合
には複雑なパターンは必要ないことから、円筒形状を利
用して、固体電解質を治具により回転させて、図4に示
すように一種のローラー印刷のような形で電極を製造す
ることが可能である。生産性に優れコストも安価であ
る。
As a method for forming an electrode on the outer surface of a cylindrical solid electrolyte of the present invention, an electrode pattern is formed on a conventionally known film by printing, vapor deposition, sputtering or the like, and this is formed on the solid electrolyte. Transfer to
Although a method of forming electrodes can be adopted, in the case of the present invention, since a complicated pattern is not required, the solid electrolyte is rotated by a jig by using a cylindrical shape, and as shown in FIG. It is possible to manufacture the electrodes in a form like roller printing. High productivity and low cost.

【0029】また、図5に示すように、プラズマ溶射な
どの方法で材料微粉末を電極表面上に噴霧塗布すること
で、電極3、4および多孔性触媒皮膜層5も形成するこ
とができる。触媒層を形成する皮膜の一時粒子径として
は触媒活性の観点から、細かな触媒粒子が望ましいが、
これを用いて事前に造粒して、二次粒子径を粗くするこ
とでむしろ溶射処理時の粒子の供給はよりスムースにな
り、触媒活性に優れ、多孔度も高い触媒皮膜が形成でき
る。またこの方法の場合、かなり膜厚が厚い皮膜形成が
可能である。すなわち従来の印刷などによる場合には、
高々皮膜は数十ミクロンであるのに対し、本方法ではmm
レベルの厚膜が形成可能である。一般に加熱面で、異種
材料を接合して用いることは望ましくないが、本発明の
触媒層に関しては多孔質で空隙が熱膨張率差を吸収する
ため、このような問題は解消される。
Further, as shown in FIG. 5, the electrodes 3 and 4 and the porous catalyst film layer 5 can also be formed by spraying the material fine powder onto the electrode surface by a method such as plasma spraying. From the viewpoint of catalytic activity, fine catalyst particles are desirable as the temporary particle diameter of the coating forming the catalyst layer,
By using this to granulate in advance and coarsen the secondary particle size, the supply of particles during the thermal spraying process becomes smoother, and a catalyst film having excellent catalytic activity and high porosity can be formed. Further, in the case of this method, it is possible to form a film having a considerably large film thickness. That is, in the case of conventional printing,
At most, the film is several tens of microns, but in this method mm
A thick film of level can be formed. Generally, it is not desirable to use different materials by bonding them on the heating surface, but such a problem is solved because the catalyst layer of the present invention is porous and the voids absorb the difference in thermal expansion coefficient.

【0030】とくに多孔性触媒皮膜層に関しては、数種
類の触媒元素を組成を変化させて送り塗布することで、
触媒層の表面から内部に向けて、組成を変えて触媒層を
形成することができる。この場合、触媒層の表面側から
電極側に向けて低活性から高活性に組成を変化させるこ
とができる。これにより、触媒層で表面から劣化が進行
した際に劣化の進行とともに活性の高い触媒層内部が使
われるためむしろ触媒活性があがり、ガスセンサ性能を
経時的に良化させることができる。
With respect to the porous catalyst film layer, in particular, several kinds of catalyst elements having different compositions are fed and applied,
The catalyst layer can be formed by changing the composition from the surface to the inside of the catalyst layer. In this case, the composition can be changed from low activity to high activity from the surface side of the catalyst layer toward the electrode side. As a result, when deterioration progresses from the surface of the catalyst layer, the inside of the catalyst layer, which has high activity, is used as the deterioration progresses, rather the catalytic activity rises and the gas sensor performance can be improved over time.

【0031】図6に経時変化とともに触媒活性が向上す
る多孔質触媒皮膜の一実施例の断面概念図を示す。二酸
化マンガン、酸化第二銅よりなる複合酸化物は高い酸化
触媒活性を示すが、二酸化マンガンと酸化第二銅の配合
比が7/3の時に最大の活性を示す。そこで、プラズマ
溶射により皮膜形成する際に、皮膜形成の初期に丁度配
合比が7/3でこれから表面に向けて酸化第二銅の供給
量を減少させ、表面でゼロになるように設定すると図6
の多孔質触媒皮膜が形成できる。二酸化マンガン単独と
いっても高い触媒活性があるので、初期には触媒層の表
面の上層部のみが酸化触媒反応に用いられ、被毒などに
より経時的に表面の触媒活性が低下してくると、より触
媒活性の高い内部が次々と用いられることになる。これ
は、触媒の劣化に対して、センサとしての長寿命化を達
成する思想になる。二酸化マンガン、酸化第二銅の混合
物の例を記載したが、触媒の種類を任意に変えても同様
に触媒組成を変化させることで、酸化活性を図6のよう
に変化させることが可能である。
FIG. 6 shows a conceptual cross-sectional view of an embodiment of a porous catalyst film whose catalytic activity is improved with time. The composite oxide composed of manganese dioxide and cupric oxide exhibits a high oxidation catalytic activity, but exhibits the maximum activity when the compounding ratio of manganese dioxide and cupric oxide is 7/3. Therefore, when forming a film by plasma spraying, the composition ratio should be 7/3 at the beginning of film formation, and the amount of cupric oxide supplied should be reduced toward the surface so that the surface becomes zero. 6
The porous catalyst film can be formed. Since manganese dioxide alone has a high catalytic activity, only the upper layer of the surface of the catalyst layer is used for the oxidation catalytic reaction in the initial stage, and if the surface catalytic activity decreases over time due to poisoning, etc. , The interiors with higher catalytic activity are used one after another. This is an idea to achieve a long life as a sensor against deterioration of the catalyst. Although the example of the mixture of manganese dioxide and cupric oxide is described, the oxidizing activity can be changed as shown in FIG. 6 by changing the catalyst composition in the same manner even if the kind of the catalyst is arbitrarily changed. .

【0032】二酸化マンガン、酸化第二銅の場合の例を
上記で説明したが、本発明の円筒状の固体電解質の外表
面上に形成した一対の電極のうち、片方の電極上に形成
する多孔質触媒皮膜としては、各種酸化触媒の適用が可
能である。本発明の長寿命化の思想およびコスト面のバ
ランスから、遷移元素の酸化物もしくは複合酸化物から
なる酸化触媒が望ましい。とくに、マンガン、鉄、銅、
コバルト、ニッケル、銀の群から選んだ酸化物は酸化活
性が高い。触媒としては、これらを主成分として含有し
ておれば、十分な効果が認められ、触媒毒にならない共
存化合物の存在は関係がない。また白金属元素は、優れ
た酸化触媒であるが、本発明で用いる場合には、白金属
元素の量を少なく、最大の活性を発揮させる構成上の工
夫が必要である。このような例を以下で示す。
Although examples of manganese dioxide and cupric oxide have been described above, of the pair of electrodes formed on the outer surface of the cylindrical solid electrolyte of the present invention, the porosity formed on one of the electrodes. Various oxidation catalysts can be applied as the high quality catalyst film. From the viewpoint of the idea of extending the life of the present invention and the balance of cost, an oxidation catalyst composed of an oxide of a transition element or a composite oxide is desirable. Especially, manganese, iron, copper,
Oxides selected from the group of cobalt, nickel and silver have high oxidative activity. As for the catalyst, if these are contained as the main components, a sufficient effect is recognized, and the presence of a coexisting compound which does not become a catalyst poison is irrelevant. Further, the white metal element is an excellent oxidation catalyst, but when it is used in the present invention, it is necessary to reduce the amount of the white metal element and devise a constitution for exhibiting the maximum activity. Such an example is shown below.

【0033】本発明のガスセンサの長寿命化の論理は、
極めてシンプルで基本的に多量の触媒を高活性で用いる
ことにある。従来技術では、この点、触媒皮膜形成を薄
膜、厚膜技術の範囲で試みているため、触媒寿命の壁に
あたっていたものかと推定される。
The logic of extending the life of the gas sensor of the present invention is as follows.
It is very simple and basically uses a large amount of catalyst with high activity. In the prior art, in this respect, the catalyst film formation is attempted within the range of thin film and thick film technologies, and it is presumed that this has hit the wall of the catalyst life.

【0034】本発明では、従来の部品としてのガスセン
サの常識の範囲からすると圧倒的に多量の触媒を用いる
ことで、ガスセンサの長寿命化の解決を図ろうとするも
のである。
The present invention intends to solve the problem of prolonging the service life of the gas sensor by using an overwhelmingly large amount of catalyst in view of the common sense of the conventional gas sensor.

【0035】触媒の長寿命化の方法として、先に記載し
たプラズマ溶射等の例に加えて触媒層の厚膜形成の例を
以下に示す。
As a method for extending the life of the catalyst, an example of forming a thick film of the catalyst layer will be shown in addition to the above-described examples of plasma spraying and the like.

【0036】図7に円筒状の固体電解質2の外表面上に
形成した一対の電極のうちの片方の電極4上に耐熱性の
セラミック繊維8中に結合材を介して、酸化触媒9を含
有させた皮膜5を形成した断面の概念図を示す。簡単に
いうと、触媒含有のセラミックペーパーである。これ
は、概略、以下の工程で作製する。シリカ・アルミナ繊
維やガラス繊維などの耐熱性のセラミックウールを触媒
微粉末および分散剤(界面活性剤)およびコロダルシ
リカまたはアルミナゾルなどの結合剤とともに水中に懸
濁分散させた状態から、濾過抄紙することで、上記の触
媒含有のセラミックペーパーが得られる。これをコロイ
ダルシリカやアルミナゾルなどの無機接着剤を用いて電
極上に巻き付け、加熱硬化させることで作製される。セ
ラミックペーパーとしての膜厚は、少なくとも0.5mm
以上の数mmから10mm程度までの膜厚で作製可能で、含
有させる触媒量(目付け量)の設定および多孔度の設定
と併せて、幅広く作製することができる。
In FIG. 7, an oxidation catalyst 9 is contained in a heat-resistant ceramic fiber 8 through a binder on one electrode 4 of a pair of electrodes formed on the outer surface of a cylindrical solid electrolyte 2. The conceptual diagram of the cross section which formed the film 5 made to show is shown. Briefly, it is a ceramic paper containing a catalyst. This is roughly manufactured by the following steps. The heat resistance of the ceramic wool, such as silica-alumina fibers or glass fibers from the state of being suspended and dispersed in water together with a binder such as a catalyst powder and a dispersing agent (surfactant) and roller b Darushirika or alumina sol, filtered papermaking As a result, the above-mentioned catalyst-containing ceramic paper is obtained. It is produced by winding this on an electrode using an inorganic adhesive such as colloidal silica or alumina sol, and curing by heating. The thickness of the ceramic paper is at least 0.5mm
It can be produced with a film thickness of several mm to about 10 mm as described above, and can be widely produced in combination with the setting of the amount of catalyst to be contained (basis weight) and the setting of porosity.

【0037】図8に無機耐熱長繊維を用いて、これを布
状に織り上げ(この場合は平織りの例を示した)、その
繊維セラミックファイバーの表面上に触媒を担持した状
態の繊維織布の概念図を示す。約10μmのファイバー
を1000本から2000本単位で糸として用いる。ア
ルミナ繊維、あるいは耐熱ガラス繊維、SiC繊維、S
iーTiーCーO繊維などを本用途に用いることができ
る。
Inorganic heat-resistant long fibers are used in FIG. 8 to woven them into a cloth (in this case, an example of plain weave is shown), and a fiber woven cloth in which a catalyst is supported on the surface of the fiber ceramic fiber. A conceptual diagram is shown. About 10 to 2000 fibers of about 10 μm are used as a yarn. Alumina fiber, heat resistant glass fiber, SiC fiber, S
i-Ti-CO fiber or the like can be used for this purpose.

【0038】約10μmのファイバー上に約5μm程度の
膜厚でシリカ、アルミナのウオッシュコート処理を行っ
て比表面積を向上させた上に、主として白金、パラジウ
ム、ロジウムなど貴金属を担持して触媒とする。このよ
うにして作製した触媒体では、高活性になるが、貴金属
使用量としては、極めて少なくて済む。
A silica or alumina washcoat treatment was performed on a fiber of about 10 μm to a thickness of about 5 μm to improve the specific surface area, and a precious metal such as platinum, palladium or rhodium was mainly carried to form a catalyst. . The catalyst body produced in this manner has high activity, but the amount of precious metal used is extremely small.

【0039】円筒状の固体電解質の外表面上に形成した
一対の電極の片方の電極の上に上記触媒を担持した織布
または糸を巻き付けて多孔質触媒被覆層を形成する。こ
の際、織布の密度や被覆層の厚みは、任意に設定でき
る。無機接着剤により、一部を固定しても良い。
A woven cloth or thread carrying the above catalyst is wound around one electrode of a pair of electrodes formed on the outer surface of a cylindrical solid electrolyte to form a porous catalyst coating layer. At this time, the density of the woven cloth and the thickness of the coating layer can be set arbitrarily. A part may be fixed with an inorganic adhesive.

【0040】イットリア安定化(8Y)ジルコニアで、
外径が#1.2mmで、内径が0.6mmで、長さが7mmの
寸法の円筒状の固体電解質を用いて、外周表面上の2mm
幅で両端にリング状にペースト塗布し焼成して約5μm
の膜厚の白金電極を形成した。これにリード線を付けた
状態のサンプルを多数試作して、処理する触媒の種類お
よび構成を変えて以下の試験を実施した。
With yttria-stabilized (8Y) zirconia,
2mm on the outer surface using a cylindrical solid electrolyte with an outer diameter of # 1.2mm, an inner diameter of 0.6mm and a length of 7mm
Width is about 5 μm after applying paste in a ring shape on both ends and baking.
A platinum electrode having a film thickness of was formed. A large number of samples with lead wires attached thereto were made as prototypes, and the following tests were carried out by changing the type and configuration of the catalyst to be treated.

【0041】触媒を500℃に加熱した試験槽のなかに
配置し、500PPMの一酸化炭素含有空気を送り、セン
サ出力を評価した。代表例を以下に示す。
The catalyst was placed in a test tank heated to 500 ° C., 500 ppm of carbon monoxide-containing air was blown, and the sensor output was evaluated. Representative examples are shown below.

【0042】(1)未処理:出力0 (2)ZnO/CuO=1/1:有機金属塩熱分解:出力約5
mV (3)MnO2/CuO=7/3:有機金属塩熱分解:出力約
2mV (4)LaCoO3粉末/シリカアルミナ系セラミックファイ
バー中:出力約2mV (5)Pt0.1wt%シリカクロス中:出力約3mV (6)Au/α-Fe2O3-Ti4+/シリカアルミナ系セラミッ
クファイバー中:出力約5mV (7)MnO2/Fe2O3/CuO=1/1/1/シリカアルミナ
系セラミックファイバー中:出力約5mV (8)Rh0.1wt%シリカクロス中:出力約4mV 上記(7)について、一酸化炭素濃度を変えて、センサ
出力との関係を評価した結果を図9に示す。図9に見る
ように極めて良好な濃度依存性が確認された。
(1) Untreated: Output 0 (2) ZnO / CuO = 1/1: Organometallic salt thermal decomposition: Output about 5
mV (3) MnO2 / CuO = 7/3: Pyrolysis of organic metal salt: Output approx. 2 mV (4) LaCoO3 powder / silica-alumina ceramic fiber: Output approx. 2 mV (5) Pt 0.1 wt% in silica cloth: Output approx. 3 mV (6) In Au / α-Fe2O3-Ti4 + / silica-alumina ceramic fiber: Output approx. 5 mV (7) MnO2 / Fe2O3 / CuO = 1/1/1 / Silica-alumina ceramic fiber: output approx. 5 mV (8) Rh 0.1 wt% silica cloth: Output about 4 mV FIG. 9 shows the results of evaluating the relationship between the sensor output and the carbon monoxide concentration for the above (7). As shown in FIG. 9, extremely good concentration dependence was confirmed.

【0043】一般的な酸化触媒を用いると、本発明のガ
スセンサの動作温度を450℃以上に設定すれば、多孔
質触媒層の膜厚が数μmあれば、500PPM程度の一酸化
炭素に対してセンサ出力が得られるが、この場合触媒の
劣化は避けられず、実用上のネックとなっていた。本発
明では、触媒層を貫通(電極まで空気が拡散できる)構
造のまま、触媒層の厚みを100〜1000倍としてい
るので、一酸化炭素の酸化能力は十分余裕を持った状態
となっている。酸化反応においては、温度が完全酸化に
必要な温度よりも高いため、触媒層の表面層のみ反応に
用いられ、劣化も表面層に限定される。仮に表面層が劣
化したとしても内部が十分に活性を持った状態であるた
め、ガスセンサの機能には全く支障がない。従って、ガ
スセンサとして長期間にわたり極めて高信頼に使用する
ことができる。また初期にセンサの温度を高温に設定
し、触媒被覆のない電極面での一酸化炭素の酸化反応を
少し行わせ、見かけのセンサ出力を低下させた状態に設
定し、経時的にセンサ温度を下げるように、マイコンな
どによりプログラムすることで、触媒活性を初期よりも
向上させることができる。これは、化学センサの致命的
課題の一つの経時劣化に対して、センサの信頼感をあげ
ることになる。すでに記載したように、十分厚い触媒被
覆層を採用することにより、触媒層表面から内部に向け
て触媒活性を向上させることも可能である。以上の方法
によりガスセンサとしての信頼性は著しく改善される。
When a general oxidation catalyst is used, if the operating temperature of the gas sensor of the present invention is set to 450 ° C. or higher, if the thickness of the porous catalyst layer is several μm, it will be about 500 PPM of carbon monoxide. Although sensor output can be obtained, in this case, deterioration of the catalyst is unavoidable, which is a practical bottleneck. In the present invention, since the thickness of the catalyst layer is 100 to 1000 times as it is while the structure penetrates the catalyst layer (air can diffuse to the electrode), the oxidation capacity of carbon monoxide has a sufficient margin. . In the oxidation reaction, since the temperature is higher than the temperature required for complete oxidation, only the surface layer of the catalyst layer is used for the reaction, and deterioration is limited to the surface layer. Even if the surface layer is deteriorated, the function of the gas sensor is not hindered because the inside is in a sufficiently active state. Therefore, it can be used as a gas sensor for a long period of time with extremely high reliability. In addition, the temperature of the sensor is set to a high temperature in the initial stage, the oxidation reaction of carbon monoxide on the electrode surface without the catalyst coating is carried out a little, and the apparent sensor output is set to a low state. The catalyst activity can be improved from the initial level by programming it with a microcomputer or the like so as to lower it. This raises the reliability of the sensor against deterioration with time, which is one of the fatal problems of the chemical sensor. As already described, by adopting a sufficiently thick catalyst coating layer, it is possible to improve the catalytic activity from the surface of the catalyst layer toward the inside. The reliability of the gas sensor is remarkably improved by the above method.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上のように本発明のガスセンサによれ
ば、次の効果が得られる。
As described above, according to the gas sensor of the present invention, the following effects can be obtained.

【0045】(1)一酸化炭素の検出に関し、高感度で
小型のガスセンサが得られる。安定性が高く燃焼機器等
に設置するのに好適である。また、円筒形で内部に抵抗
加熱ヒータを持っているので、温度分布などの面で対称
的で熱的なオンオフの繰り返しに対しても極めて高信頼
である。また全体的に低消費電力にもなる。
(1) Regarding detection of carbon monoxide, a highly sensitive and small gas sensor can be obtained. It is highly stable and suitable for installation in combustion equipment. Further, since it has a cylindrical shape and has a resistance heater inside, it is highly reliable even with respect to repeated thermal on / off, which is symmetrical in terms of temperature distribution and the like. In addition, the overall power consumption is low.

【0046】(2)一般に化学センサで課題となる触媒
層の劣化に対して極めて強く、長期間高信頼性で用いる
ことができる。従来ガスセンサの寿命は、触媒の信頼性
の面で機器寿命の1/10〜1/3程度の寿命のためア
ンバランスで機器に搭載が難しかったのであるが、本セ
ンサは長寿命で燃焼機器の安全センサとして信頼性高く
用いることができる。
(2) It is extremely strong against deterioration of the catalyst layer, which is generally a problem in chemical sensors, and can be used with high reliability for a long period of time. The life of conventional gas sensors is about 1/10 to 1/3 of the life of the equipment in terms of reliability of the catalyst, so it was unbalanced and difficult to install in equipment. It can be used as a safety sensor with high reliability.

【0047】(3)センサ製造の面でもコスト的にも安
価で、量産性に富み、極めて実用的なセンサである。
(3) It is an extremely practical sensor that is inexpensive in terms of sensor manufacturing and has high mass productivity.

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

【図1】本発明の1実施例に係わるガスセンサを示した
一部切欠斜視図
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の1実施例に係わる第二のガスセンサを
示した一部切欠斜視図
FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing a second gas sensor according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の1実施例に係わる第三のガスセンサ
の、円筒状の固体電解質の外表面の展開図で電極形成部
のエッチングパターンを示す図
FIG. 3 is a development view of an outer surface of a cylindrical solid electrolyte of a third gas sensor according to an embodiment of the present invention, showing an etching pattern of an electrode forming portion.

【図4】本発明のガスセンサの製造法に関する一実施例
を示す斜視図
FIG. 4 is a perspective view showing an embodiment relating to a method for manufacturing a gas sensor of the present invention.

【図5】本発明のガスセンサの第二の製造法に関する一
実施例を示す斜視図
FIG. 5 is a perspective view showing an embodiment relating to a second manufacturing method of the gas sensor of the present invention.

【図6】本発明の1実施例に係わるガスセンサの断面の
概念図
FIG. 6 is a conceptual diagram of a cross section of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

【図7】本発明の1実施例に係わるガスセンサのセラミ
ック繊維中に酸化触媒を分散した触媒被覆を中心とした
断面の概念図
FIG. 7 is a conceptual diagram of a cross section centered on a catalyst coating in which an oxidation catalyst is dispersed in a ceramic fiber of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

【図8】(a)本発明の1実施例に係わるガスセンサの
耐熱繊維の織布上にシリカアルミナ等のプレコート処理
をして貴金属元素を担持させた織布の概念図 (b)同織布の繊維の断面の概念図
FIG. 8 (a) is a conceptual diagram of a woven fabric in which a noble metal element is carried by precoating silica alumina or the like on a woven fabric of heat-resistant fibers of a gas sensor according to one embodiment of the present invention (b) The same woven fabric Conceptual diagram of fiber cross section

【図9】本発明の1実施例に係わるガスセンサの一酸化
炭素濃度とセンサ出力との関係を示すグラフ
FIG. 9 is a graph showing the relationship between carbon monoxide concentration and sensor output according to one embodiment of the present invention.

【符号の説明】 1 抵抗加熱ヒータ 2 円筒状の固体電解質 3、4 一対の電極 5 多孔性触媒被覆層[Explanation of symbols] 1 Resistance heating heater 2 Cylindrical solid electrolyte 3, 4 pairs of electrodes 5 Porous catalyst coating layer

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】略円筒状の固体電解質の内面側に抵抗加熱
ヒータを配し、前記固体電解質の外表面上に一対の電極
および前記電極の何れか一方に多孔質触媒皮膜を他方に
触媒能のない多孔質皮膜を形成して成るガスセンサ。
1. A resistance heater is provided on the inner surface side of a substantially cylindrical solid electrolyte, and a porous catalyst film is provided on one of the pair of electrodes and the electrode on the outer surface of the solid electrolyte and the other is provided with catalytic performance. A gas sensor formed by forming a porous coating without
【請求項2】略円筒状の固体電解質の内面側に抵抗加熱
ヒータを配し、前記固体電解質の外表面上の一部を一対
の電極パターンに対応してエッチングし、そこに一対の
電極および前記電極の一方に多孔質触媒皮膜を他方に多
孔質皮膜を形成して成るガスセンサ。
2. A resistance heater is arranged on the inner surface side of a substantially cylindrical solid electrolyte, and a part of the outer surface of the solid electrolyte is etched corresponding to a pair of electrode patterns, and a pair of electrodes and A gas sensor comprising a porous catalyst film formed on one of the electrodes and a porous film formed on the other.
【請求項3】略円筒状の固体電解質を回転させ、一対の
電極およびその表面上に形成する皮膜層をペーストを用
いて外周にパターンを印刷して形成するガスセンサの製
造方法。
3. A method for manufacturing a gas sensor, which comprises rotating a substantially cylindrical solid electrolyte and printing a pattern on the outer periphery of a pair of electrodes and a coating layer formed on the surface of the electrodes using a paste.
【請求項4】略円筒状の固体電解質を回転させ、一対の
電極およびその上に形成する皮膜層をプラズマ溶射法に
て外周にパターンを形成するガスセンサの製造方法。
4. A method of manufacturing a gas sensor, wherein a substantially cylindrical solid electrolyte is rotated to form a pattern on the outer periphery of a pair of electrodes and a coating layer formed thereon by plasma spraying.
【請求項5】略円筒状の固体電解質の内面側に抵抗加熱
ヒータを配し、前記固体電解質の外表面上に一対の電極
および前記電極の一方に多孔質触媒皮膜を形成し、多孔
質触媒皮膜の内部組成を外表面側から、電極側に向けて
触媒活性を向上させるよう組成を傾斜して皮膜形成して
成るガスセンサ。
5. A resistance heating heater is arranged on the inner surface side of a substantially cylindrical solid electrolyte, and a pair of electrodes and a porous catalyst film are formed on one of the electrodes on the outer surface of the solid electrolyte to form a porous catalyst. A gas sensor in which a coating is formed by grading the internal composition of the coating from the outer surface side toward the electrode side so as to improve the catalytic activity.
【請求項6】固体電解質としてイットリウム安定化ジル
コニアを用い、抵抗加熱ヒータとして白金線コイル、一
対の電極材料として白金を主成分とする材料を用い、多
孔質皮膜として典型元素の有機金属塩を、多孔質触媒皮
膜として遷移元素の有機金属塩を用いて熱分解させて形
成した皮膜を用いて成る請求項記載のガスセンサ。
6. A yttrium-stabilized zirconia is used as a solid electrolyte, a platinum wire coil is used as a resistance heater, a material containing platinum as a main component is used as a pair of electrode materials, and an organic metal salt of a typical element is used as a porous film. the gas sensor of claim 1, wherein an organic metal salt of a transition element as the porous catalyst film made using a film formed by pyrolysis.
【請求項7】固体電解質としてイットリウム安定化ジル
コニアを用いた円筒状の固体電解質の外表面に一対の電
極を形成し、前記一対の電極の片方の電極を被覆する被
覆体としてセラミック繊維中に結合剤を介して酸化触媒
を分散させて成る被覆体を用い他方の電極を多孔質ガラ
スで被覆して成るガスセンサ。
7. A pair of electrodes are formed on the outer surface of a cylindrical solid electrolyte using yttrium-stabilized zirconia as a solid electrolyte, and the pair of electrodes is bonded to a ceramic fiber as a coating for coating one electrode. A gas sensor in which the other electrode is coated with porous glass by using a coating body in which an oxidation catalyst is dispersed via an agent.
【請求項8】前記セラミック繊維としてシリカ・アルミ
ナ繊維、結合剤としてシリカもしくはアルミナ化合物を
用い、酸化触媒として、マンガン、銅、鉄、コバルト、
ニッケル、銀の群から選定してなる一種以上の酸化物、
もしくは複合酸化物を用いてなる請求項記載のガスセ
ンサ。
8. A silica / alumina fiber as the ceramic fiber, silica or an alumina compound as a binder, and manganese, copper, iron, cobalt as an oxidation catalyst,
One or more oxides selected from the group of nickel and silver,
Alternatively, the gas sensor according to claim 7, which comprises a composite oxide.
【請求項9】前記セラミック繊維としてシリカ・アルミ
ナ繊維、結合剤としてシリカもしくはアルミナ化合物を
用い、酸化触媒として、微粒子状の金を担持してなるチ
タニウムイオンをドープした鉄酸化物を含有する請求項
記載のガスセンサ。
9. A silica / alumina fiber as the ceramic fiber, silica or an alumina compound as a binder, and an iron oxide doped with titanium ions carrying gold in the form of fine particles as an oxidation catalyst.
7. The gas sensor according to 7 .
【請求項10】固体電解質としてイットリウム安定化ジ
ルコニアを用いた円筒状の固体電解質の外表面に一対の
電極を形成し、前記一対の電極の片方の電極を被覆する
被覆体として、表面上に白金、パラジウム、ロジウムの
群より選定した一種以上の貴金属元素を担持してなる無
機耐熱繊維よりなるファイバーを織って形成した織布層
を形成し、他方の電極を多孔質ガラスで被覆して成るガ
スセンサ。
10. A pair of electrodes are formed on the outer surface of a cylindrical solid electrolyte using yttrium-stabilized zirconia as the solid electrolyte, and platinum is provided on the surface as a coating for coating one electrode of the pair of electrodes. , A palladium, rhodium, a gas sensor formed by forming a woven fabric layer formed by weaving fibers made of inorganic heat-resistant fibers carrying one or more precious metal elements selected from the group, and coating the other electrode with porous glass. .
【請求項11】略円筒状の固体電解質の内面側に抵抗加
熱ヒータを配し、前記固体電解質の外面上に一対の電極
および前記電極の一方に多孔質触媒皮膜を他方に多孔質
皮膜を形成し、多孔質触媒層皮膜をガスの完全酸化に必
要な膜厚より厚く形成し、抵抗加熱ヒータにより設定す
るセンサ温度を触媒層の完全酸化に必要な温度よりも高
く設定してなるガスセンサ。
11. A resistance heating heater is arranged on the inner surface side of a substantially cylindrical solid electrolyte, and a pair of electrodes and a porous catalyst film on one of the electrodes and a porous film on the other are formed on the outer surface of the solid electrolyte. Then, the porous catalyst layer film is formed thicker than the film thickness required for complete oxidation of gas, and the sensor temperature set by the resistance heater is set higher than the temperature required for complete oxidation of the catalyst layer.
【請求項12】略円筒状の固体電解質の内面側に抵抗加
熱ヒータを配し、前記固体電解質の外面上に一対の電極
および前記電極の一方に多孔質触媒皮膜を他方に多孔質
皮膜を形成し、前記多孔質触媒層皮膜をガスの完全酸化
に必要な膜厚より厚く形成し、前記抵抗加熱ヒータによ
り設定するセンサ温度を初期には、触媒層の完全酸化に
必要な温度よりも高く設定し、経時的にセンサ温度を低
下させるプログラムを内蔵してなるガスセンサ。
12. A resistance heating heater is arranged on the inner surface side of a substantially cylindrical solid electrolyte, and a pair of electrodes and a porous catalyst film on one of the electrodes and a porous film on the other are formed on the outer surface of the solid electrolyte. Then, the porous catalyst layer film is formed thicker than the film thickness required for complete oxidation of gas, and the sensor temperature set by the resistance heater is initially set higher than the temperature required for complete oxidation of the catalyst layer. A gas sensor with a built-in program that lowers the sensor temperature over time.
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