JP5339754B2 - 酸素ガス濃度測定方法 - Google Patents
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また、本構成によれば、上記の貴金属及び合金は、導電性を有すると共に良好な耐久性を有するため、これらの貴金属または合金を検知極及び対極に用いた酸素ガス検知素子は、長期間安定に使用することができる。
さらに、固体電解質を加熱して動作温度を高くすると、固体電解質のイオン伝導率は向上する。
このため、本構成のように、500〜750℃の範囲の動作温度において酸素ガスを測定する場合には、固体電解質に電流が流れ易くなり、精度良く酸素ガスを検出することができる。
検知極4及び対極5の大きさ、形状、電極間距離等は特に制限はないが、両極間に一定の電圧を印加した時に所定の値の電流が流れるように設定することができる。例えば、電極間距離を大きくした方が固体電解質3によるオーム損が大きくなるため電流値は小さくなる。また、検知極4と対極5との間に流れる電流の電流密度としては、0.01〜100μA/mm2となるように設定することが好ましい。電流密度は、酸素ガス検知素子1をN2ガス雰囲気に曝した時の最も電流が流れなくなる電流値に基づいて0.01μA/mm2以上とすることが好ましく、酸素ガス検知素子1の出力が平衡に達する時間が実用に供する範囲内であることを考慮すると100μA/mm2以下とすることが好ましい。尚、検知極4と対極5との大きさ、形状等は、同一でも異なっていてもよい。
(実施例1)
固体電解質3として、0.75mm×0.75mm、厚み0.2mmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のブロックを用いた。このYSZのブロックに、検知極4及び対極5として、電極間距離0.2mmで、それぞれ市販の金のペースト(純度95%)を塗布し、950℃で30分間焼成して、0.3mm×0.2mm(電極面積0.06mm2)、厚み0.05mmの金の電極を作製した。そして、絶縁基板2として、1.5mm×1.0mm、厚み0.4mmのアルミナセラミックス基板を用い、このアルミナセラミックス基板の一方の面に、検知極4及び対極5を設けたYSZのブロックをセラミック接着剤により接合させ、他方の面に、薄膜ヒータ6として白金の薄膜を蒸着させた。次いで、検知極4及び対極5のそれぞれを、リード線を介してポテンショスタット7に接続した。
Log(A)=αLog[P(O2)]+β (1)
また、実際に電極間に0.8Vの一定の電圧を印加して定常状態にした後、酸素ガスの濃度の対数と電流値の対数との関係を求めたところ、図6に示すように、上記のCV試験によって求めた場合と完全には一致しなかった。これは、電極間に電圧を印加した場合、電圧の値が定常状態になるまでにある程度の時間を要するため、上記のCV試験の掃引速度では定常状態にならないまま測定されたためと推測される。尚、実際に電極間に0.8Vの一定の電圧を印加して定常状態にした後に測定した場合にも、R2=0.992と十分に高い直線性を示しており、この時の近似式から上記(1)式のα,βを算出すると、
Log(A)=0.3624Log{P(O2)}−7.88
A=1.195×10-8×P(O2)0.3624
となり、測定した電流値から酸素濃度を定量的に求めることができる。
実施例1で使用した基板型の酸素ガス検知素子1を用い、動作温度500℃で、電極間に印加する電圧毎の、酸素ガスの濃度の対数と電流値の対数との関係について調べた。その結果、図7に示すように、印加する電圧の値が大きくなるにつれて電流値の変化が小さくなることが確認できた。実用上の観点から、本実施例のような場合には、電流値の変化が大きい0.5〜2Vの範囲の電圧を印加することが好ましい。
実施例1で使用した基板型の酸素ガス検知素子1において、図8に示すように、電極面積を0.01〜2mm2の範囲で変更し、電極間距離を0.1〜0.5mmの範囲で変更して、両極間に印加した電圧に対して流れる電流値を調べた。その結果、電極面積が大きく、かつ電極間距離が短い方が、低電圧で流れる電流値が大きくなることが分かった。
尚、本実施例においては、約10mAより大きな電流値が流れた場合、酸素ガス検知素子1が破壊され、その後に電流が流れなくなった。このような場合には、電流値が10mA以下となる領域で使用することが好ましく、10nA〜10μmとなる領域で使用することがより好ましい。すなわち、0.5〜3.5Vの範囲の電圧を印加した時に所定の値の電流が流れるように、検知極4及び対極5のサイズ、電極間距離、固体電解質3のサイズ等を設計することが好ましい。
実施例1で使用した基板型の酸素ガス検知素子1を用い、動作温度が550℃、650℃、750℃のそれぞれの場合について、酸素ガスの濃度毎の電圧と電流値の対数との関係を調べた。その結果、図9に示すように、動作温度が高くなると、固体電解質3のイオン伝導率が向上し、被測定ガスの酸素ガス濃度及び印加電圧が同じ場合には、流れる電流値が高くなることが分かった。また、動作温度が500℃、550℃、600℃、700℃のそれぞれの場合において、両極間に0.7Vの電圧(数値をご教示下さい)を印加した時の酸素ガスに対する応答特性を調べた。その結果、図10に示すように、いずれの動作温度においても応答特性(90%応答)は良好であることが分かった。
また、実施例1で使用した基板型の酸素ガス検知素子1を用いて両極間に0.8Vの電圧を印加した場合についても、動作温度500℃における酸素ガスに対する応答特性を調べた。その結果、図11に示すように、実用上問題のないレベルの応答特性を示すことが確認できた。
実施例1で使用した基板型の酸素ガス検知素子1を用い、動作温度500℃において、両極間に0.8Vの電圧を印加した場合の大気圧雰囲気下での可燃性ガス(H2,C2H5OH,i−C4H10,CO,CH4)に対する反応性を調べた。その結果、図12に示すように、可燃性ガスに対しては全く感度を示さないことが分かった。
可燃性ガスは、電極表面での触媒燃焼反応と、電極とYSZと気相との三相界面でのYSZ内の酸素イオンによる酸化反応との2つの反応を起こすが、本実施例では、検知極4と対極5とをガスの種類及び濃度が同一の雰囲気に曝しているため、検知極4と対極5とでは同一の反応が進行し、結果的に相殺されて感度を示さないものと考えられる。
実施例1で使用した基板型の酸素ガス検知素子1において、図13に示すように、ポテンショスタット7に代えて、2.0Vの一定の電圧を印加する電源9と10MΩの固定抵抗Rとを直列に接続したものを用い、動作温度600℃で、実施例1と同様の被測定ガスに対する固定抵抗の両端の電圧の変化を調べた。その結果、図14に示すように、0.01〜100%の幅広い濃度範囲の酸素ガスを検知できることが分かった。
上記の実施形態においては、固体電解質3の表面に検知極4と対極5とを並行に配置した例を説明したが、検知極4と対極5との形状等は特に限定されず、例えば、図15に示すように、検知極4及び対極5を一対の櫛型にすることもできる。
2 絶縁基板
3 固体電解質
4 検知極
5 対極
6 薄膜ヒータ
Claims (3)
- 酸化物イオン伝導性を有する固体電解質と、当該固体電解質の同一面に設けた検知極及び対極と、前記固体電解質を加熱する加熱手段とを備え、前記検知極と前記対極とを、白金、金、ロジウム、ルテニウム、パラジウムの群から選ばれる少なくとも1種の貴金属、または当該貴金属を含む合金のうちの同一材料で構成し、前記検知極と前記対極とが同じ濃度の酸素ガスに曝されるように構成した酸素ガス検知素子を用いて、酸素ガスの濃度を測定する酸素ガス濃度測定方法であって、
500〜750℃の範囲で動作温度を一定に保ち、前記検知極と前記対極との間に0.5〜3.5Vの範囲の電圧を印加することで、前記検知極における酸素ガスのイオン化反応によって酸化物イオンが前記固体電解質中に進入する速度を前記固体電解質中の酸化物イオンの移動速度よりも小さくなるようにして、0.5〜3.5Vの範囲において電圧の上昇に伴って増大する特性を有する電流値に基づいて酸素ガスの濃度を測定する酸素ガス濃度測定方法。 - 前記検知極と前記対極との間に流れる電流の電流密度が、0.01〜100μA/mm2の範囲である請求項1に記載の酸素ガス濃度測定方法。
- 前記固体電解質を、安定化ジルコニアを主成分として構成した酸素ガス検知素子を用いる請求項1または2に記載の酸素ガス濃度測定方法。
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