JP3865498B2 - Limit current type oxygen sensor and oxygen detection method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、排ガス中に存在する酸素ガス濃度を検出する技術に関するものであり、さらに詳細には、従来より知られている固体電解質ガスセンサであって、酸素ガス検出をその用途とする限界電流式酸素センサに関するとともに、このような限界電流式の酸素検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
限界電流式酸素センサは、従来から公知であり、濃淡電池式の酸素センサと比較して、高濃度域での検出精度が高く、参照ガスや固体標準物質が不要で、小型化が可能であり、遊離の酸素ガスを選択的に測定できるなどの利点が知られている。
従来の限界電流式酸素センサは、酸化物イオン導電性の固体電解質層を挟んでその両面に電極を配した構成とされ、センサの検出部の一方の電極(酸素ガスをイオン化する電極)に供給する被測定ガス(酸素を含む複数種のガスが混合したガス)の供給量を制御するために、図4に示すように当該イオン化電極をガス拡散用の細孔(キャピラリー)11を有するセラミックス製キャップ10で覆うか、あるいは図5に示すように当該イオン化電極を多孔質セラミックス12で被服する構造が主であった。
これらの限界電流式酸素センサでは、被測定ガスがセラミックス製のキャップ10の細孔11または多孔質セラミックス12の細孔を通してイオン化電極に供給される。そこで、被測定混合ガス中の酸素ガスは、電極反応によりイオン化されて酸化物イオンとなり、固体電解質層内を通して反対側の電極に至る。この電極上で酸化物イオンは電子を放出し酸素となりガス化して外気に放出される。
ここで、セラミックス製キャップ10の細孔11または多孔質セラミックス12の細孔からの気体の拡散により供給される検出ガスの供給速度よりもセンサの検出部における酸素の排出速度を大きくすることにより限界電流を生じるが、検出する酸素ガスのセンサ検出部への供給はセラミックス製キャップ10内の細孔11(キャピラリー)または多孔質セラミックス12の細孔内の拡散抵抗の微妙な変化により、得られる限界電流値は変化し、ばらつきを生じやすい。
実際には、被測定ガス中には浮遊固体やミストなどが含まれており、この浮遊固体やミストが細孔内に付着し、拡散抵抗を大きくし、測定値を狂わせてしまう。また、被測定混合ガス中に含まれるSOxやNOxなどの腐食性ガスが、細孔内を拡散して酸素センサの検出部のイオン化電極に付着すると電極の活性が低下し、検出する酸素をイオン化しにくくなり限界電流値は低くなり、経時変化を生じてしまう。
【0003】
これらの問題点を解決すべく、細孔を有するセラミックス製キャップや多孔質セラミックスからなるガス拡散律速層の代わりに、固体電解質センサを保持するケーシング13を設け、図6に示すように、酸化物イオン導電製固体電解質層膜14の両面に多孔質導電体を電極15として取り付け、その二つの電極15が検出する酸素ガスの酸化または還元に要する電位を形成するように電気的に接続された構造よりなる検出ガス制御スクリーン70を用いたタイプの限界電流式の酸素センサが開発されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このセンサにおいては、被測定ガス中に含まれる腐食性ガスによるセンサ検出部の電極の腐食と被測定ガス中の浮遊固体やミストによるガス拡散律速層のガス拡散抵抗の変化は防ぐことができたが、新たに設けられた検出ガス制御スクリーン70のイオン化電極が腐食性ガスにより腐食されイオン化活性が劣化するため、検出ガス制御スクリーン70内を透過する酸化物イオンの透過量が時間とともに変化し、結果的に、測定される限界電流値も変化し、測定精度が悪くなるという問題がある。
【0005】
従って、本発明の目的は、上記欠点に鑑み、被測定ガスに浮遊固体やミスト、腐食性ガスが存在している場合でも長時間に亘って被測定ガス中の酸素濃度(または酸素分圧)を正確に測定できる限界電流式酸素センサを提供するとともに、このような酸素検出方法を得ることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明の限界電流式酸素センサは、酸化物イオン導電性の固体電解質層と、この層の両面に別個に備えられる電極を備えた固体電解質センサ(これは従来型の固体電解質ガスセンサの構成と同様である)と、本願独特の酸素拡散律速層とを備えて構成されている。ここで、この酸素拡散律速層は、固体電解質センサのイオン化電極へ供給される酸素量を制限するためのものである。ただし、本願にあっては、イオン化電極が酸素拡散律速層を兼ね、酸素拡散律速機能を発揮しながら、電流検出の機能も果たす。
即ち、限界電流式酸素センサは、酸化物イオン導電性の固体電解質層の両面に別個の電極を有して構成され、酸素の検出をおこなう固体電解質センサを備え、この固体電解質センサの検出部に備えられる一方の前記電極であるイオン化電極が、酸素拡散律速層としても働き、酸素拡散律速層が、酸化物イオンと電子を同時に伝導できる混合導電体から形成されるとともに、酸素拡散律速層の単位時間当りの酸化物イオン透過量が、作動条件下に於ける検出部に備えられる固体電解質層の単位時間当りのイオン透過量よりも小さく構成され、前記固体電解質センサの限界電流値を前記電極により測定可能に構成されている。
【0007】
この構成の限界電流式酸素センサにおいては、被測定ガス中の酸素ガスを混合導電体の表面(被測定ガスが接触する側の面)でイオン化し、イオン化した酸化物イオンと電子が混合導電体内を移動し、酸化物イオンもしくはこのイオンが電子を放出した酸素ガスが、固体電解質センサの検出部に供給される。
ここで、この供給は、酸素拡散律速層の単位時間当りの酸化物イオン透過量を、作動条件下に於ける検出部に備えられる固体電解質層単独の単位時間当りのイオン透過量よりも小さく設定することにより、酸素ポンプ機能を有する固体電解質センサによる汲み出し速度が、酸素拡散律速層の酸素ガスの供給速度より早くなることで、継続的に発生される。従って、固体電解質センサに於ける限界電流値を測定することで、被測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。
この場合、酸素拡散律速層全体の表裏面間を介して単位時間当たりに透過する酸化物イオン量が、固体電解質層単独で、全体として単位時間当りに透過する酸化物イオン量より小さければよい。
本発明は、従来の限界電流式酸素センサの問題点を解決するものとして、細孔(キャピラリー)を有するセラミックス性キャップまたは多孔質セラミックス等による酸素ガスの拡散速度または拡散量を制御する方式、またはイオン導電性固体電解質層を用いた制御スクリーンにより固体電解質を通して酸素を移動させることにより制限する方式に代わり、酸化物イオンと電子が同時に導電できる混合導電体で、ガスが透過しない層を酸素の拡散律速層として用い、検出する酸素ガスを混合導電体表面でイオン化し、混合導電体の両面間の酸素濃度差を駆動力として酸素イオンを固体電解質ガスセンサの検出部へ移動させることにより酸素の供給量を制限する方式を用いたものである。
この構成を採用する場合は、被測定ガス中の酸素ガスを、細孔内を拡散により移動させることなくセンサ検出部に供給することが可能となるため、浮遊固体やミストの問題を解消できるとともに、センサ検出部の電極は、腐食性ガスにより腐食されセンサ特性が劣化することがなく、長期間の使用による測定値の変動などの少ないセンサが得られる。
また、腐食性ガスにより腐食されない混合導電体を酸素拡散律速層に用いることが可能であるため、酸素ガスをイオン化してその供給量を制御する検出ガス制御スクリーンの電極15が必要でなくなり、腐食性ガスによる劣化が生じない安定した酸素拡散律速層の提供が可能となり、長期間の使用による測定値の変動等の少ないセンサが得られる。
【0008】
【発明の実施の形態】
まず、限界電流式酸素センサについて、図1に基づいて説明する。
図1から分かるように限界電流式酸素センサは、電極4,44間に固体電解質層2を介在させて構成された固体電解質センサの検出部と、酸化物イオンと電子の混合導電体(これの一例が混合導電性酸化物である)からなる緻密質酸素イオン透過層1(この層が本願における酸素拡散律速層となっている)を、備えている。
また、固体電解質センサの検出部40の機構は、従来公知の限界電流式酸素センサの検出部と同じである。即ち、電極4,44間に固体電解質層2が介在し、且つ両電極4,44とはリード線5により電源6と電流計7とが直列に接続されて回路を形成している。電極4は、所謂、イオン化電極であり、電極44を、本願にあっては電子放出電極と呼ぶ。緻密質酸素イオン透過層1とセンサ検出部40とは、周辺部を封止材3により気密にシールされている。封止材3の材質は酸素ガスの不透過性のものであれば特に限定されない。好適な材料を例示すれば、ガラス、無機セメント、低融点セラミックス等が挙げられる。これらの材質のうち、熱膨張係数が混合導電体による緻密質酸素イオン透過層1とセンサの検出部40の固体電解質層と等しいか若干小さいものを用いることが望ましい。用いる
封止材は接合性から粒径が10μm以下の粉末として用いることが望ましい。
図2に示す限界電流式酸素センサは、酸素イオン導電体である板状の固体電解質層2の両面中央部に電極4,44を取り付け、酸素イオン化電極4に接して覆うように通気性の絶縁性多孔体9を取り付け、さらに、この多孔体9に接するように混合導電体の緻密質酸素イオン透過層1を取り付けたセンサである。このセンサの場合、各層を薄膜化することによりセンサを容易に小型化できる。
【0009】
さて、本発明においては、緻密質酸素イオン透過層1に酸化物イオンと電子の混合導電体を用いることを特徴としており、この酸化物イオン透過層は目的とする酸化物イオンが通過する混合導電体で、使用条件下で酸化物イオン輸率が90%以下であればよく、従来公知のものが使用できる。酸化物イオン輸率は、好ましくは50%以下であることが望ましい。酸素の酸化物イオン輸率が90%以上であると混合導電体内で酸素イオンが移動するために流れる電流が小さくなり、拡散する酸素量が少なくなり、酸素濃度検出時に得られるセンサの限界電流値が小さくなり酸素濃度変化に対するセンサの感度が小さくなり、広い濃度範囲で精度良く酸素濃度を検出できない。一方、50%以下だと、酸素の広い濃度範囲で有効に対応できる。
【0010】
【化2】
【0011】
さらに、この混合導電体は、単一の材料から構成されている必要はなく、酸素拡散律速層の表裏面間に亙って、酸化物イオンと電子とが同時に伝導できる回路があればよく、例えば、酸化物イオンの伝導径路を形成する材料と、電子の伝導径路とが別材料からなる径路として構成されていてもよい。このような材料は、Yなどを添加した酸化ジルコニアや酸化セシウム等の酸素イオン導電体と、PtやAu等の電子伝導物質の複合体等を挙げることができる。
さらに、この材料内に、混合導電性を阻害しない材料が含まれていても、本願の目的を達成できる。即ち、例えば、焼結助剤として普通用いられる、アルミナシリカ、酸化マグネシウム、酸化ナトリウム、酸化カルシウム等が単独、もしくは混合状態で混在していてもよい。アルミナシリカ、酸化マグネシウム、酸化ナトリウムの場合は、ガラス状として結晶界面に晶出させて、混在させることができる。
緻密質酸素イオン透過層1は、基本的に、センサ検出部40において汲み出される酸素ガスの排出速度より少ない量の酸素ガスを供給するように構成される必要がある。この構造を実現するにあっては、緻密質酸素イオン透過層1の混合導電体のイオン輸率は低く、イオン導電率がセンサ検出部40の固体電解質層2よりも小さい物質を用いるか、イオン導電率がほぼ等しい緻密式酸素イオン透過層1では、層の厚みを厚くするか、有効面積を小さくするなどが考えられる。
緻密質酸素イオン透過層1の厚みは、ガスの通り抜けない緻密なバリヤーとなること及び工業的に使用に耐えうるという実用的意義から1〜5000μmが望ましい。また、緻密質酸素イオン透過層1の製造方法は、特に制限されない。一般には、蒸着法、スパッタリング法、粉末焼結法、レーザーアブレーション法等による方法が採用される。
【0012】
センサ検出部40の固体電解質層2の厚みは10〜5000μmが望ましい。
この固体電解質層2の両面に形成される電極4,44は、同種または異種の導電体で構成される。好ましい材質例は、白金、白金パラジウム、銀、ロジウム等の貴金属類及びそれらの酸化物、
【0013】
【化3】
【0014】
のペロブスカイト型酸化物において、Aサイト金属元素が、La,Y,Nd,Pr,Gd,Sc,Ce,Yb,Ca,Sr,Baからなる群からなる少なくとも1種以上の元素が、Bサイト金属元素が、Co,Mn,Fe,Ni,Ti,Crからなる群から少なくとも1種以上の元素が含まれるペロブスカイト型酸化物から伝導性酸化物、上記貴金属と金属酸化物を混合したサーメットが挙げられる。
電極層の形成方法は、特に限定されるものではなく、公知の方法が制限なく採用される。代表的な方法を例示すれば、スクリーン印刷法、真空蒸着法、化学メッキ法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、CVD法等が挙げられる。
【0015】
また、センサの作動する温度が高温である場合には、必要に応じてセンサを加熱すればよい。係るガスセンサの加熱には、センサ外部の熱源からの放熱によっても良いし、あらかじめヒーターをセンサに装着して、ヒーターからの伝熱や放熱を利用してもよい。センサへのヒーターの装着位置は、センサの作動を妨げない位置であれば特に限定されない。
【0016】
本発明の実施形態は、図3に示すように、イオン化電極4に混合導電体を用いて、酸素拡散機能を備えた固体電解質センサとするものである。この場合、本発明は、酸化物イオン導電性の固体電解質層2の両面に別個の電極4、44を有して構成され、限界電流方式で酸素の検出をおこなう固体電解質センサは、以下のように構成される。
即ち、前記固体電解質センサの検出部40に備えられる一方の電極であるイオン化電極4が、酸化物イオンと電子を同時に伝導できる混合導電体から形成される酸素拡散律速層1とされ、この酸素拡散律速層1の単位時間当りの酸化物イオン透過量が、作動条件下に於ける前記検出部40に備えられる固体電解質層2の単位時間当りのイオン透過量よりも小さく構成され、限界電流値を電極4、44により測定可能に構成される(以下、本構成を構成( W )とする。)。
この場合、酸素拡散律速機能を有するイオン化電極全体の表裏面間(被測定ガスが存する外側空間から固体電解質表面間)を介して単位時間当たりに透過する酸化物イオン量が、固体電解質層単独で、全体として単位時間当りに透過する酸化物イオン量より小さければよい。
この構成( W )にあっては、イオン化電極4に、先に説明した酸素拡散律速層の有する機能を備えるのであるが、センサは、先に説明した酸素拡散律速層1(イオン化電極4)と固体電解質層との間に於けるイオン透過量(能力)の関係から、後者の酸素ポンプ機能により、酸素拡散律速層1(イオン化電極4)が拡散律速能を発揮し、限界電流方式の酸素濃度検出をおこなうことができる。ここで、この酸素拡散律速層1(イオン化電極4)に使用される材料としては、これまで説明してきた材料を、ほぼ、そのまま使用できるが、電極として働く状態においてその電気抵抗値が小さいほうが好ましいことから、この材料の比抵抗は、10Ω・cm以下とされることが好ましい。
この構造(構成( W ))の限界電流式酸素センサにあっては、イオン化電極が酸素拡散律速層としても働くため、構造が非常にシンプルになり、性能が安定し、非常に使用がってがよい。
【0017】
【実施例】
以下に図2に示した限界電流式酸素センサの形態例を図面に基づいて説明する。
なお、ガスセンサの限界電流特性の測定は、センサを検知するガス雰囲気内に置き、センサ部の電極4、44に直流電圧を印加した際の電流計7により測定し、レコーダーに記録した。印加する電圧は、0〜0.05V/minの速度で連続的に変化させ、その際に流れる電流の変化を測定した。この結果より、それぞれ検知する酸素濃度において共通に限界電流が得られる電圧を、センサ素子の最適印加電圧とした。
図2に示した固体電解質層2の両面に電極4,44を形成した検出部40とイオン化電極4を被うように通気性絶縁性多孔質体9を取り付け、さらにこの絶縁性多孔質体9を被うように緻密質酸素イオン透過層1を取り付けることにより、図2に示す限界電流式酸素センサを構成した。
これを500℃に加熱した電気炉内にセットし、一定温度に加熱した。電極4,44に直流電圧6を印加し、その際に流れる電流値を測定するために電流計7を電源に直列に接続した。
【0018】
上記限界電流式酸素センサにおいて、固体電解質層2には、酸素イオン導電体である酸化イットリウムを8mol%固溶させた安定化ジルコニアの10mm角で厚さ0.5mmの緻密な板状の固体電解質焼結体を用いた。
電極4,44には、白金ペーストをスクリーン印刷して900℃で焼き付けたものを用いた。イオン化電極4上に形成した絶縁性多孔質体9には酸化アルミニウムを用い、レーザーアブレーション法により通気性を有する多孔質に形成したものを用いた。さらに、緻密質酸素イオン透過層1には、Tb2O3.5 を40mol固溶させた酸化ジルコニウムを用い、レーザーアブレーション法により、50μmの厚みで緻密に形成した。
【0019】
このターゲットとして使用したTb2O3.5 を40mol%固溶させた酸化ジルコニウムは、以下のように作成した。
所定量のTb2O3.5 とZrO2を秤りとり、ジルコニアボールを用いたポットミル内にいれ、更に、溶媒としてエチルアルコールを粉体100g当たり50ml入れて、18時間混合した後、エバポレーターにて、エチルアルコール脱媒し、得られた粉末をペレット状に成形し、1400℃で10時間空気中で焼成した。得られたペレットを、乳鉢で粗粉砕した後、ポットミルでエタノールを溶媒として更に18時間粉砕し、エチルアルコールをエバポレータで除去して原料粉末とした。得られた原料粉末の粒径は、0.1〜5μmであった。この粉末を5×5×3mmの板状に1Ton/cm2の圧力でプレス成形した後、1500℃で10時間空気中で焼成することにより、レーザーアブレーション用の原料ターゲットとした。この場合、シリカ等の助剤を必要に応じて添加してもよい。
【0020】
図7は酸素濃度の異なる被測定ガス中に酸素センサを置き、電極4,44間に印加する電圧を変化させたときの電流値を、印加電圧に対してプロットしたものである。図7において電圧が変化しても電流が変化しないで横軸に対してほぼ平行な変化を示す部分が認められ、各酸素濃度において限界電流値が観測できた。
【0021】
図8は、図7より各酸素濃度において共通に限界電流が得られる電圧700mVにおける限界電流値と酸素濃度の関係を示したものである。縦軸に限界電流値、横軸に酸素濃度の関数−ln(1−Po2/P)(Pは被測定ガスの全圧、Po2は酸素分圧を示す)をとってプロットした。限界電流と酸素濃度の関数の間には良好な直線関係が得られ、広い濃度範囲に亘って良好に酸素濃度を検出できることが分かった。
【0022】
図9は、図2に示す限界電流式酸素センサと従来のピンホール型限界電流式酸素センサをSOx,NOxを1000ppm含む被測定ガス中で5000時間連続で暴露しながら酸素濃度を測定したときの限界電流値の初期値からの変化を限界電流値(I)と初期限界電流値(I0 )の比I/I0 の形で示した。
ピンホール型の限界電流式酸素センサ(図4に示す構成となる)は1000時間を経過したころから急激にI/I0 が低下した。これは、限界電流式酸素センサのピンホールからNOx,SOxが拡散して酸素検出用センサセルの電極材料を腐食し、酸素のイオン化に対する活性が低下したために限界電流値が低下したものである。ところが図2に示す限界電流式酸素センサの、5000時間後の限界電流値は、初期値に対して3%以内の変化で良く一致し、殆ど劣化しておらず、図2に示すセンサの長寿命化を実現できた。
さらに、図6に示す検出ガス制御スクリーンを備えた従来型の限界電流式酸素センサにおいては、その劣化の程度は低いものの、ピンホール型限界電流式酸素センサより早期に劣化が発生する傾向を示した。
なお、図3に示す本発明の上記構造( W )を有する限界電流式酸素センサにおいては、本実施例で示される絶縁性多孔質体9は必要なく、また、電極4と緻密質酸素イオン透過層1とは、兼用される。
【0023】
【発明の効果】
以上の説明により理解されるように、本発明の限界電流式酸素センサは、酸化物イオン−電子混合導電体からなる緻密質酸素イオンの透過層により、被測定混合ガス中の検出ガスを混合導電体表面で生成するイオンとして混合導電体を通して移動させて、センサ検出部への検出する酸素ガスの移動を制限する方式により、従来の限界電流式酸素センサに比べて特性のばらつきが少なく、細孔の目詰まりや電極の腐食劣化によるセンサ特性の劣化が少なく長時間に亘って精度良く酸素濃度を測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 限界電流式酸素センサの基本構成図
【図2】 限界電流式酸素センサの形態を示す図
【図3】 本発明の限界電流式酸素センサの基本構成図
【図4】 従来の限界電流式酸素センサの概念図
【図5】 従来の限界電流式酸素センサの概念図
【図6】 従来の限界電流式酸素センサの概念図
【図7】 本願の限界電流式酸素センサの異なる酸素濃度における印加電圧と電流の関係
を示す図
【図8】 本願の限界電流式酸素センサの酸素分圧の関数と限界電流の関係を示す図
【図9】 本発明の限界電流式酸素センサとピンホール型限界電流式酸素センサの長寿命
特性の差を示す図
【符号の説明】
1 緻密質酸素イオン透過層(酸素拡散律速層)
2 固体電解質層
3 封止材
4,44 電極
5 リード線
6 直流電源
7 電流計
8 間隙部
9 通気性を有する絶縁性多孔質体
10 セラミックスキャップ
11 ガス拡散孔(キャピラリー)
12 多孔質セラミックス(ガス拡散層)
13 ケーシング 14 イオン透過層(固体電解質層)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for detecting the concentration of oxygen gas present in, for example, exhaust gas. More specifically, the present invention relates to a conventionally known solid electrolyte gas sensor, which limits oxygen gas detection to its application. In addition to the current type oxygen sensor, the present invention also relates to such a limiting current type oxygen detection method.
[0002]
[Prior art]
Limit current type oxygen sensors have been known in the past, and have higher detection accuracy in a high concentration range than a concentration cell type oxygen sensor, and do not require a reference gas or solid standard substance, and can be miniaturized. Advantages such as the ability to selectively measure free oxygen gas are known.
A conventional limiting current type oxygen sensor has a structure in which electrodes are arranged on both sides of an oxide ion conductive solid electrolyte layer, and is supplied to one electrode (electrode for ionizing oxygen gas) of the sensor. to order to control the supply amount of the gas to be measured (a plurality of kinds of gases are mixed gas containing oxygen), a ceramic having pores (capillary) 11 for a gas diffusion the ionization electrode as shown in FIG. 4 or covered with a
In these limiting current oxygen sensors, the gas to be measured is supplied to the ionization electrode through the
Here, the oxygen discharge rate at the detection part of the sensor is made larger than the supply rate of the detection gas supplied by the diffusion of the gas from the
Actually, the gas to be measured contains suspended solids and mist, and these suspended solids and mist adhere to the pores, increasing the diffusion resistance and deviating the measured value. Also, if corrosive gas such as SOx or NOx contained in the gas mixture to be measured diffuses in the pores and adheres to the ionization electrode of the detection part of the oxygen sensor, the activity of the electrode decreases, and the oxygen to be detected is ionized. And the limit current value becomes low, and a change with time occurs.
[0003]
To solve these problems, instead of the gas diffusion barrier layer made of ceramic cap or a porous ceramic having pores, a
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this sensor, it is possible to prevent the corrosion of the electrode of the sensor detection unit due to the corrosive gas contained in the gas to be measured and the change in the gas diffusion resistance of the gas diffusion rate limiting layer due to the suspended solid or mist in the gas to be measured. Although the ionization electrode of the newly provided detection
[0005]
Therefore, in view of the above-mentioned drawbacks, the object of the present invention is to provide an oxygen concentration (or oxygen partial pressure) in the gas to be measured over a long period of time even when floating gas, mist, or corrosive gas is present in the gas to be measured. Is to provide a limiting current type oxygen sensor capable of accurately measuring the oxygen concentration, and to obtain such an oxygen detection method.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
To achieve this object, the limiting current oxygen sensor of the present invention is a solid electrolyte sensor (conventional type) having an oxide ion conductive solid electrolyte layer and electrodes separately provided on both sides of this layer. And the oxygen diffusion rate-determining layer unique to the present application. Here, the oxygen diffusion limiting layer is for limiting the amount of oxygen supplied to the ionization electrode of the solid electrolyte sensor. However, in the present application, the ionization electrode also serves as an oxygen diffusion rate limiting layer, and also exhibits a function of current detection while exhibiting an oxygen diffusion rate limiting function.
That is, the limiting current type oxygen sensor is configured to have separate electrodes on both surfaces of the oxide ion conductive solid electrolyte layer, and includes a solid electrolyte sensor that detects oxygen, and the detection unit of the solid electrolyte sensor includes while the electrode is a ionisation electrode provided are also acts as an oxygen diffusion barrier, together with the oxygen diffusion barrier is formed from a mixed conductor oxide ions and electrons can be simultaneously conducting, the unit of the oxygen diffusion barrier The oxide ion permeation amount per time is configured to be smaller than the ion permeation amount per unit time of the solid electrolyte layer provided in the detection unit under the operating conditions, and the limit current value of the solid electrolyte sensor is determined by the electrode. It is configured to be measurable.
[0007]
In the limiting current type oxygen sensor having this configuration, the oxygen gas in the gas to be measured is ionized on the surface of the mixed conductor (the surface on the side in contact with the gas to be measured), and the ionized oxide ions and electrons are mixed in the mixed conductor. , And oxide gas or oxygen gas from which these ions have released electrons is supplied to the detection unit of the solid electrolyte sensor.
Here, this supply sets the oxide ion permeation amount per unit time of the oxygen diffusion rate controlling layer to be smaller than the ion permeation amount per unit time of the solid electrolyte layer alone provided in the detection section under the operating conditions. As a result, the pumping speed of the solid electrolyte sensor having an oxygen pump function is continuously generated by being faster than the oxygen gas supply speed of the oxygen diffusion rate controlling layer. Therefore, the oxygen concentration in the gas to be measured can be measured by measuring the limit current value in the solid electrolyte sensor.
In this case, the amount of oxide ions that permeate per unit time through the front and back surfaces of the entire oxygen diffusion rate limiting layer may be smaller than the amount of oxide ions that permeate per unit time as a whole by the solid electrolyte layer alone.
In order to solve the problems of the conventional limiting current type oxygen sensor, the present invention controls a diffusion rate or amount of oxygen gas by a ceramic cap having a pore (capillary) or porous ceramics, or the like, or Instead of limiting oxygen by moving oxygen through the solid electrolyte through a control screen using an ion conductive solid electrolyte layer, oxygen is diffused in a layer that does not allow gas to pass through a mixed conductor that can conduct oxide ions and electrons simultaneously. Use as a rate-limiting layer, ionize the oxygen gas to be detected on the surface of the mixed conductor, and move oxygen ions to the detection part of the solid electrolyte gas sensor using the oxygen concentration difference between the two sides of the mixed conductor as the driving force. Is used.
When this configuration is adopted, the oxygen gas in the gas to be measured can be supplied to the sensor detection unit without being moved through the pores by diffusion, so that the problem of floating solids and mist can be solved. The electrode of the sensor detection unit is not corroded by corrosive gas and the sensor characteristics are not deteriorated, and a sensor with little variation in measured value due to long-term use can be obtained.
In addition, since a mixed conductor that is not corroded by corrosive gas can be used for the oxygen diffusion rate-determining layer, the
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, a limiting current type oxygen sensor will be described with reference to FIG.
As can be seen from FIG. 1, the limiting current type oxygen sensor includes a detection unit of a solid electrolyte sensor configured by interposing a
The mechanism of the
The limiting current type oxygen sensor shown in FIG. 2 has
[0009]
In the present invention, a mixed conductor of oxide ions and electrons is used for the dense oxygen ion
[0010]
[Chemical 2]
[0011]
Furthermore, this mixed conductor does not need to be composed of a single material, and only needs to have a circuit capable of conducting oxide ions and electrons simultaneously across the front and back surfaces of the oxygen diffusion-controlling layer. For example, the material forming the conduction path of oxide ions and the conduction path of electrons may be configured as a path made of different materials. Examples of such a material include a composite of an oxygen ion conductor such as zirconia oxide or cesium oxide to which Y or the like is added and an electron conductive substance such as Pt or Au.
Furthermore, even if a material that does not inhibit the mixed conductivity is included in this material, the object of the present application can be achieved. That is, for example, alumina silica, magnesium oxide, sodium oxide, calcium oxide and the like, which are usually used as sintering aids, may be present alone or in a mixed state. In the case of alumina silica, magnesium oxide, and sodium oxide, they can be crystallized at the crystal interface as glassy and mixed.
The dense oxygen ion
The thickness of the dense oxygen ion
[0012]
As for the thickness of the
The
[0013]
[Chemical 3]
[0014]
In the perovskite oxide, the A-site metal element is at least one element selected from the group consisting of La, Y, Nd, Pr, Gd, Sc, Ce, Yb, Ca, Sr, and Ba. Examples include perovskite oxides containing at least one element from the group consisting of Co, Mn, Fe, Ni, Ti, and Cr, conductive oxides, and cermets in which the above precious metals and metal oxides are mixed. .
The formation method of an electrode layer is not specifically limited, A well-known method is employ | adopted without a restriction | limiting. Examples of typical methods include screen printing, vacuum deposition, chemical plating, ion plating, sputtering, and CVD.
[0015]
Moreover, what is necessary is just to heat a sensor as needed, when the temperature which the sensor act | operates is high temperature. The gas sensor may be heated by heat radiation from a heat source outside the sensor, or a heater may be attached to the sensor in advance to use heat transfer or heat radiation from the heater. The mounting position of the heater on the sensor is not particularly limited as long as it does not hinder the operation of the sensor.
[0016]
As shown in FIG. 3, the embodiment of the present invention uses a mixed conductor for the
That is, the
In this case, the amount of oxide ions per unit time passing between the front and back surfaces of the entire ionization electrode having an oxygen diffusion rate limiting function (between the outer space where the gas to be measured exists and the surface of the solid electrolyte) is determined by the solid electrolyte layer alone. As a whole, it should be smaller than the amount of oxide ions permeating per unit time.
In this configuration ( W ) , the
In the limiting current type oxygen sensor of this structure (configuration ( W )) , since the ionization electrode also functions as an oxygen diffusion rate controlling layer, the structure becomes very simple, the performance is stable, and it is very used. Is good.
[0017]
【Example】
An embodiment of the limiting current type oxygen sensor shown in FIG. 2 will be described below with reference to the drawings.
The limit current characteristics of the gas sensor were measured in the gas atmosphere for detecting the sensor, measured by the
Mounting breathable insulating
This was set in an electric furnace heated to 500 ° C. and heated to a constant temperature. A
[0018]
In the limiting current type oxygen sensor, the
As the
[0019]
Zirconium oxide in which 40 mol% of Tb 2 O 3.5 used as the target was dissolved was prepared as follows.
A predetermined amount of Tb 2 O 3.5 and ZrO 2 were weighed and placed in a pot mill using zirconia balls. Further, 50 ml of ethyl alcohol was added as a solvent per 100 g of powder and mixed for 18 hours. Ethyl alcohol was removed, and the resulting powder was formed into pellets and fired at 1400 ° C. for 10 hours in air. The obtained pellets were coarsely pulverized in a mortar and then further pulverized in a pot mill using ethanol as a solvent for 18 hours, and ethyl alcohol was removed by an evaporator to obtain a raw material powder. The particle size of the obtained raw material powder was 0.1 to 5 μm. This powder was press-molded into a 5 × 5 × 3 mm plate at a pressure of 1 Ton / cm 2 and then fired in air at 1500 ° C. for 10 hours to obtain a raw material target for laser ablation. In this case, an auxiliary such as silica may be added as necessary.
[0020]
FIG. 7 plots the current value when the voltage applied between the
[0021]
Figure 8 is a graph showing the relationship between the limiting current value and the oxygen concentration in the voltage 700mV the limiting current is obtained common to the oxygen concentration than FIG. The vertical axis represents the limiting current value, and the horizontal axis represents the oxygen concentration function −ln (1-Po 2 / P) (P represents the total pressure of the gas to be measured and Po 2 represents the oxygen partial pressure). It was found that a good linear relationship was obtained between the limiting current and the oxygen concentration function, and the oxygen concentration could be detected well over a wide concentration range.
[0022]
FIG. 9 shows the oxygen concentration measured when the limiting current type oxygen sensor shown in FIG. 2 and the conventional pinhole type limiting current type oxygen sensor are exposed continuously in a gas to be measured containing 1000 ppm of SOx and NOx for 5000 hours. The change of the limit current value from the initial value is shown in the form of the ratio I / I 0 between the limit current value (I) and the initial limit current value (I 0 ).
In the pinhole type limiting current type oxygen sensor (having the configuration shown in FIG. 4 ), the I / I 0 suddenly decreased after 1000 hours. This is because NOx and SOx diffuse from the pinhole of the limiting current type oxygen sensor to corrode the electrode material of the sensor cell for oxygen detection, and the activity against ionization of oxygen decreases, so that the limiting current value decreases. However, the limit current value after 5000 hours of the limit current type oxygen sensor shown in FIG. 2 agrees well with a change within 3% with respect to the initial value, hardly deteriorates, and the length of the sensor shown in FIG. Realized long life.
Furthermore, the conventional limit current oxygen sensor having the detection gas control screen shown in FIG. 6 shows a tendency to deteriorate earlier than the pinhole type limit current oxygen sensor although the degree of deterioration is low. It was.
In the limiting current type oxygen sensor having the above-described structure ( W ) of the present invention shown in FIG. 3, the insulating
[0023]
【The invention's effect】
As can be understood from the above description, the limiting current type oxygen sensor of the present invention is configured such that a detection gas in a mixed gas to be measured is mixed and conductive by a dense oxygen ion transmission layer made of a mixed oxide ion-electron conductor. By moving the mixed gas through the mixed conductor as ions generated on the body surface and limiting the movement of oxygen gas to be detected to the sensor detector, there is less variation in characteristics compared to conventional limiting current oxygen sensors, and pores Therefore, it is possible to measure the oxygen concentration with high accuracy over a long period of time with little deterioration of sensor characteristics due to clogging of the electrodes and corrosion deterioration of the electrodes.
[Brief description of the drawings]
[1] Basic configuration diagram Figure 2 of the limiting current type oxygen sensor limiting current type oxygen basic configuration diagram of a limiting current type oxygen sensor of Figure 3 the present invention showing the embodiment of a
1 Dense oxygen ion permeation layer (oxygen diffusion controlled layer)
DESCRIPTION OF
12 Porous ceramics (gas diffusion layer)
13
Claims (5)
前記固体電解質センサの検出部に備えられる一方の前記電極であるイオン化電極が、酸化物イオンと電子を同時に伝導できる混合導電体から形成される酸素拡散律速層とされ、前記酸素拡散律速層の単位時間当りの酸化物イオン透過量が、作動条件下に於ける前記検出部に備えられる固体電解質層の単位時間当りのイオン透過量よりも小さく構成され、
限界電流値を前記電極により測定可能に構成されている限界電流式酸素センサ。A solid electrolyte sensor configured to have separate electrodes on both surfaces of an oxide ion conductive solid electrolyte layer and detect oxygen by a limiting current method,
The ionization electrode, which is one of the electrodes provided in the detection unit of the solid electrolyte sensor, is an oxygen diffusion rate limiting layer formed of a mixed conductor capable of conducting oxide ions and electrons simultaneously, and is a unit of the oxygen diffusion rate limiting layer The oxide ion permeation amount per time is configured to be smaller than the ion permeation amount per unit time of the solid electrolyte layer provided in the detection unit under operating conditions,
A limiting current type oxygen sensor configured such that a limiting current value can be measured by the electrode.
または一般式(MO2)1-X(N2O3)X で表される螢石型構造の酸化物で、M元素が少なくともZrまたはCeの1種以上からなり、N元素が少なくともTb,Pr,Er,Y,Feのうちから1種以上からなる酸化物である請求項1又は2記載の限界電流式酸素センサ。The mixed conductor is
Or an oxide of a fluorite structure represented by the general formula (MO 2 ) 1-X (N 2 O 3 ) X , wherein the M element is composed of at least one of Zr or Ce, and the N element is at least Tb, The limiting current type oxygen sensor according to claim 1 or 2, which is an oxide composed of one or more of Pr, Er, Y, and Fe.
前記固体電解質センサが有する酸素ポンプ機能により、酸素を前記固体電解質センサのイオン化電極から電子放出電極に移動させて、外部に放出させる作動状態において、
被測定ガス中の酸素ガスを前記イオン化電極としての酸素拡散律速層の前記被測定ガスが接触する面でイオン化し、生成される酸化物イオンを前記酸素拡散律速層が前記固体電解質センサの固体電解質と接触する面に、層内にある電子を前記酸素拡散律速層と被測定ガスが接触する面に移動させるとともに、酸素を前記固体電解質センサに導いて、 前記固体電解質センサの前記イオン化電極と電子放出電極間に流れる限界電流値を測定して、前記被測定ガスの酸素濃度を検出する限界電流式酸素検出方法。The ionization electrode provided in the detection part of the solid electrolyte sensor that detects oxygen is an oxygen diffusion rate-determining layer formed from a mixed conductor capable of conducting oxide ions and electrons simultaneously,
In the operating state in which oxygen is moved from the ionization electrode of the solid electrolyte sensor to the electron emission electrode by the oxygen pump function of the solid electrolyte sensor and released to the outside.
Oxygen gas in the gas to be measured is ionized on the surface of the oxygen diffusion rate limiting layer serving as the ionization electrode that is in contact with the gas to be measured, and the oxide diffusion is controlled by the oxygen diffusion rate limiting layer in the solid electrolyte of the solid electrolyte sensor. The surface of the solid electrolyte sensor is moved to the surface where the oxygen diffusion rate-determining layer and the gas to be measured are in contact with each other, and oxygen is guided to the solid electrolyte sensor. A limit current type oxygen detection method for measuring a limit current value flowing between discharge electrodes and detecting an oxygen concentration of the gas to be measured.
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