JPH07167833A - ガスセンサ - Google Patents

ガスセンサ

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JPH07167833A
JPH07167833A JP5313151A JP31315193A JPH07167833A JP H07167833 A JPH07167833 A JP H07167833A JP 5313151 A JP5313151 A JP 5313151A JP 31315193 A JP31315193 A JP 31315193A JP H07167833 A JPH07167833 A JP H07167833A
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hydrogen
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Takahiro Umeda
孝裕 梅田
Takeshi Nagai
彪 長井
Akio Fukuda
明雄 福田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は1つのセンサで水素の濃度も酸素の
濃度も検出でき、製造工程が簡単で、コストが安く、拡
散孔が目詰まりしないガスセンサを提供することを目的
としたものである。 【構成】 両面に第1陰極2aおよび陽極2bが形成さ
れた水素イオン導電性を有する第1固体電解質1と、第
2陰極4aおよび陽極4bが形成された酸素イオン導電
性を有する第2固体電解質3と、多孔質体5と、加熱体
6で構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、被測定気体中の水素お
よび酸素の濃度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。陰
極4a側には、シール板7と、隔壁5が設けられ、無機
系接着剤により密閉されている。被測定気体中の酸素
は、シール板7に形成された小孔8より導入され、陰極
4aと接触し、陰極4aおよび陽極4b間に所定の電圧
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8により物理的に酸素供給量が
制限されるため、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。
【0003】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。
【0004】
【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、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、構成が複雑でコストがかか
り、また限界電流を得るために、シール板あるいは固体
電解質に加工を施し、小孔を形成する必要があるため、
製造工程が複雑になるだけでなく、小孔が目詰まりする
という課題があった。
【0005】本発明は上記課題を解決するもので、1つ
のセンサで水素と酸素の濃度を検出することができ、シ
ール板などを加工し小孔を形成する必要がなく、目詰ま
りのしないガスセンサを提供することを目的としてい
る。
【0006】
【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、第1の手段を、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、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陰極それぞれの周りを囲むように配置さ
れた多孔質隔壁とで構成されるガスセンサとした。さら
に、前記第1陽極の周りを囲むように配置された第1多
孔質隔壁と、前記第2陰極の周りを囲むように配置され
た第2多孔質隔壁と、前記第1多孔質隔壁と前記第2多
孔質隔壁の間に配置された加熱体とで構成されるガスセ
ンサとした。
【0007】また第2の手段を、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、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陰極に挟まれ、前記第1陽極および
前記第2陰極を覆うように配置された多孔質体とで構成
されるガスセンサとした。さらに、前記多孔質体の内部
に形成された加熱体とで構成されるガスセンサとした。
【0008】
【作用】本発明は上記した第1、第2、第3および第4
の技術手段により、1つのセンサで水素と酸素の濃度を
検出できるガスセンサと成り、水素と酸素が共存する被
測定気体中において、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検出することができるた
め、構成が簡単となり、拡散孔を加工する必要がないた
め製造工程が簡単となり、目詰まりの起こらないガスセ
ンサが得られる。
【0009】
【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。
【0010】(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、水素イオン導電性を有するバリウムセリウム
ガドリウム酸化物(BaCe1-xGdx3-δ,0≦x<
1,0<δ<1)である。実施した第1固体電解質1に
はx=0.2であるBaCe0.8Gd0.23-δを用い
た。第1固体電解質1は実施したバリウムセリウムガド
リウム酸化物以外の例えばストロンチウムセリウム酸化
物(SrCeO3)などのアルカリ土類金属と希土類元
素の複合酸化物でもよい。バリウムセリウムガドリウム
酸化物は、硝酸バリウム、酸化セリウムおよび酸化ガド
リウムより調製し、大気中で約1650℃で10時間焼
成した。また、第2固体電解質3は、酸素イオン導電性
を有する酸化イットウムアを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、酸化セリウムなどの固体電解質でも
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1
0分間焼成し、第1陰極2a、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。
【0011】次に管状のアルミナ多孔質隔壁5を第1固
体電解質1と第2固体電解質体3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。多孔質隔壁を用いることにより、従来のように小
孔を加工する必要がなくなるため、製造工程が簡単にな
るばかりでなく、目詰まりを起こすことがなくなる。
【0012】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、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。
【0013】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
気体存在空間にアルゴンと水素あるいは酸素の混合ガス
を導入し、水素および酸素は多孔質隔壁5を経て、それ
ぞれ第1陽極2bおよび第2陰極4a上へ拡散する。
【0014】しかし、多孔質隔壁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に示す。図2より水素濃度お
よび酸素濃度はそれぞれ各限界電流値と比例関係にある
ことが判った。
【0015】(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多孔質隔
壁5aと第2多孔質隔壁5bで挟まれ、第1固体電解質
と第2固体電解質の間に配置され、無機系接着剤により
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。
【0016】(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、アルミナ
から成る多孔質体5は、電極が形成された第1および第
2固体電解質1および3で挟まれ、無機系接着剤により
固定されている。それ以外は実施例1と同じ構成である
ガスセンサを得た。このガスセンサを約600℃に保持
し、実施例1と同様に水素および酸素濃度と各限界電流
値との関係を調べた。実施例1と同じ結果が得られ、多
孔質体の構造が管状でなくても同じように水素および酸
素の濃度を検出でき、多孔質体を管状に加工する必要が
なくなり製造コストが安くなるだけでなく、強度が増
し、管状構造に比べ素子が割れにくくなることが判っ
た。
【0017】なお多孔質体5にスパッタリングにより、
電極および固体電解質を薄膜化する方法でガスセンサを
得てもよい。
【0018】(実施例4)図5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5において白金線から
成る加熱体6は多孔質体5に挟まれている。それ以外は
実施例3と同じ構成であるガスセンサを得た。加熱体6
に電圧を印加することによりセンサ温度を約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コスト
が安くなることが判った。
【0019】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の第1の
手段によれば、被測定気体の拡散手段として多孔質体を
用いるため、従来のように固体電解質やシール板等に小
孔を形成する必要がなく、加工と構造が簡単になり、目
詰まりしなくなり、2種類の固体電解質を用いることに
より同時に水素と酸素の濃度を検出できるという効果が
得られる。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。
【0020】また、第2の手段によれば、多孔質体を管
状に加工する必要がないためさらに構造が簡単となるだ
けでなく、製造コストが安くなり、また強度が増すため
多少の外部の衝撃にも耐えうるという効果が得られる。
また、多孔質体内部に加熱体が形成されているため、比
較的簡単な構成により、外部加熱体を必要としない素子
になり、コストが安くな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】限界電流値の水素および酸素濃度依存性を示す
【図3】本発明の他の実施例のガスセンサの断面図
【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 多孔質体 6 加熱体 7 小孔

Claims (4)

    【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、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
    陰極それぞれの周りを囲むように配置された多孔質隔壁
    とで構成されるガスセンサ。
  2. 【請求項2】前記多孔質体は、前記第1陽極の周りを囲
    むように配置された第1多孔質隔壁と、前記第2陰極の
    周りを囲むように配置された第2多孔質隔壁から成り、
    前記第1多孔質隔壁と前記第2多孔質隔壁の間には加熱
    体が配置されている請求項1記載のガスセンサ。
  3. 【請求項3】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、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
    陰極に挟まれ、前記第1陽極および前記第2陰極を覆う
    ように配置された多孔質体とで構成されるガスセンサ。
  4. 【請求項4】前記多孔質体の内部には加熱体が形成され
    ている請求項3記載のガスセンサ。
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Cited By (5)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5720864A (en) * 1995-09-28 1998-02-24 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Electrochemical device
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RU189090U1 (ru) * 2019-02-21 2019-05-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в инертных, защитных и окислительных газовых смесях

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