JPH07306176A - Incomplete combustion detecting element for exhaust gas - Google Patents

Incomplete combustion detecting element for exhaust gas

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JPH07306176A
JPH07306176A JP6097110A JP9711094A JPH07306176A JP H07306176 A JPH07306176 A JP H07306176A JP 6097110 A JP6097110 A JP 6097110A JP 9711094 A JP9711094 A JP 9711094A JP H07306176 A JPH07306176 A JP H07306176A
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exhaust gas
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Abstract

PURPOSE:To obtain a high sensitivity incomplete combustion detecting element by forming a pair of cermet electrodes, composed of a platinum based metal and an oxide, on the surface of an oxygen ion conductive solid electrolyte and covering one of them with an oxidation catalyst. CONSTITUTION:A pair of cermet electrodes 2, 3 are formed by applying a mixture paste of Pt powder and ZrO2 powder stabilized by Y2O3 to the opposite sides of a ZrO2 substrate 1 stabilized by an oxygen ion conductive solid electrolyte, i.e., Y2O3. A paste of alumina powder, impregnated with Pt, is then applied while covering the electrode 2 to form a flammable gas oxidation catalyst layer 4. The three-phase interface, where reaction takes place between a flammable gas and the electrode 2, increases between the electrode 2 and the border of the substrate 1 thus preventing growth of Pt particles. When the flammable gas touches the detecting element, chemical reaction takes place between the flammable gas and the electrode 2 on the three-phase interface formed at the border between the electrode 2 and the substrate 1 to generate electromotive force between the electrodes 2, 3. Presence of flammable gas is detected, along with the concentration, by detecting the electromotive force.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は燃焼器の排ガスから燃焼
器の不完全燃焼を検知する不完全燃焼検知素子に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an incomplete combustion detecting element for detecting incomplete combustion of a combustor from exhaust gas of the combustor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、ガス器具などの燃焼器が不完全燃
焼を起こすと、炎の大きさが変化したり、酸素濃度が低
下したり、一酸化炭素(CO)が発生したりするので、
この現象に着目して熱電対、酸素センサ、フレームロッ
ド、COセンサなどを用いて不完全燃焼を検知する方法
が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, when a combustor such as a gas appliance causes incomplete combustion, the size of the flame changes, the oxygen concentration decreases, and carbon monoxide (CO) is generated.
Focusing on this phenomenon, a method of detecting incomplete combustion using a thermocouple, an oxygen sensor, a flame rod, a CO sensor, etc. is known.

【0003】熱電対や酸素センサあるいはフレームロッ
ドによる不完全燃焼の検知は小型の湯沸かし器のような
燃焼負荷変動の小さい燃焼器には有効であるが、大型の
湯沸かし器のような負荷変動の大きい燃焼器については
負荷変動にともなって火炎の形状や火炎中の酸素濃度が
大きく変化するため、火炎の形状や火炎中の酸素濃度の
変化を検知するセンサを用いるこの方法では不完全燃焼
を誤認識するおそれがある。これに対してCOセンサを
用いて一酸化炭素を直接検知する方法にはこのような問
題がなくて有効である。
Although detection of incomplete combustion by a thermocouple, an oxygen sensor, or a flame rod is effective for a combustor such as a small water heater having a small fluctuation in combustion load, a combustor having a large fluctuation in load such as a large water heater. For, the shape of the flame and the oxygen concentration in the flame change significantly with load changes.Therefore, this method that uses a sensor that detects changes in the shape of the flame and the oxygen concentration in the flame may cause false recognition of incomplete combustion. There is. On the other hand, the method of directly detecting carbon monoxide using a CO sensor is effective without such a problem.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで燃焼器の排ガ
ス中の一酸化炭素を測定するCOセンサには半導体式、
接触燃焼式、固体電解質式のものが知られている。
A CO sensor for measuring carbon monoxide in the exhaust gas of a combustor is of a semiconductor type,
Catalytic combustion type and solid electrolyte type are known.

【0005】半導体式COセンサは、半導体であるSn
2 の表面に吸着した酸素が可燃性ガスと反応して半導
体表面の吸着酸素量が変化し、それに伴って半導体中の
電子数が変化することで半導体自体の抵抗値が変化する
という原理を利用するものであり、この抵抗値を検出す
ることにより可燃性ガスすなわち一酸化炭素の濃度を検
知するものであるが、このCOセンサを排ガス中で使う
と正常燃焼時でも燃焼負荷が変化しただけで排ガス中の
酸素濃度が変化するために、センサの抵抗値が変化して
しまい不完全燃焼と誤認識してしまうおそれがある。そ
のために負荷変動の大きい燃焼器には原理的に使えな
い。
The semiconductor type CO sensor is a semiconductor, Sn.
The principle that oxygen adsorbed on the surface of O 2 reacts with combustible gas to change the amount of adsorbed oxygen on the semiconductor surface, and the number of electrons in the semiconductor changes accordingly, thereby changing the resistance value of the semiconductor itself. It is used to detect the concentration of combustible gas, that is, carbon monoxide by detecting this resistance value. However, when this CO sensor is used in exhaust gas, the combustion load changes even during normal combustion. Since the oxygen concentration in the exhaust gas changes, the resistance value of the sensor changes, which may result in erroneous recognition of incomplete combustion. Therefore, it cannot be used in principle for a combustor with large load fluctuations.

【0006】接触燃焼式COセンサは、白金(Pt)線
に可燃性ガス酸化触媒を取り付け、その触媒に一酸化炭
素のような可燃性ガスが到達すると触媒燃焼し、白金線
の温度が上昇して白金線の抵抗値が変化するという原理
を利用するものであり、この抵抗値を検出することによ
り一酸化炭素の濃度を検知するものである。このセンサ
を用いれば、正常燃焼時に燃焼負荷が変動し、排ガス中
の酸素濃度が変化しても一酸化炭素がなければ触媒上で
の酸化反応が起きないので白金線の抵抗値は変化せず、
したがって不完全燃焼のみを確実に検知することができ
る。
In the catalytic combustion CO sensor, a combustible gas oxidation catalyst is attached to a platinum (Pt) wire, and when a combustible gas such as carbon monoxide reaches the catalyst, catalytic combustion occurs and the temperature of the platinum wire rises. It utilizes the principle that the resistance value of a platinum wire changes, and the concentration of carbon monoxide is detected by detecting this resistance value. When this sensor is used, the combustion load fluctuates during normal combustion, and even if the oxygen concentration in the exhaust gas changes, no oxidation reaction occurs on the catalyst without carbon monoxide, so the resistance of the platinum wire does not change. ,
Therefore, only incomplete combustion can be reliably detected.

【0007】ところがこの接触燃焼式COセンサは作動
温度が低いために、通常50〜200℃という比較的広
い範囲で温度が変化する燃焼器の排ガスに対してこのセ
ンサを用いると、排ガスの温度が変化するのに伴ってセ
ンサ自体も温度変化する。その際センサ出力も変化して
しまうために温度補正が必要になる。またこのセンサは
低濃度の一酸化炭素に対しては検知感度が低い。さらに
白金線の温度−抵抗変化は非常に小さいために、COセ
ンサのほかに参照用センサを用意して両センサでブリッ
ジ回路を組む必要があり、そのために回路構成が複雑に
なる。白金線の温度−抵抗変化を極力大きくするために
白金線を細く(たとえば線径が数10μm)すると、強
度が非常に弱くなるという問題がある。
However, since the catalytic combustion type CO sensor has a low operating temperature, if the sensor is used for the exhaust gas of the combustor, the temperature of which changes in a relatively wide range of 50 to 200 ° C., the temperature of the exhaust gas becomes high. As the temperature changes, the temperature of the sensor itself also changes. At that time, since the sensor output also changes, temperature correction is necessary. Further, this sensor has low detection sensitivity for low concentrations of carbon monoxide. Furthermore, since the temperature-resistance change of the platinum wire is very small, it is necessary to prepare a reference sensor in addition to the CO sensor and form a bridge circuit with both sensors, which complicates the circuit configuration. If the platinum wire is made thin (for example, the wire diameter is several tens of μm) in order to maximize the temperature-resistance change of the platinum wire, there is a problem that the strength becomes very weak.

【0008】固体電解質式COセンサとして酸素イオン
伝導性固体電解質を利用した可燃性ガス検知素子が知ら
れている(たとえば特公昭58−4985号)。
A flammable gas detection element utilizing an oxygen ion conductive solid electrolyte is known as a solid electrolyte type CO sensor (for example, Japanese Patent Publication No. 58-4985).

【0009】この型式のセンサは、一酸化炭素のような
可燃性ガスがないときは固体電解質の両側に設けられた
電極上の吸着物質に差がないために起電力が発生しない
が、可燃性ガスが存在すると酸化触媒のない側の電極上
で可燃性ガスと酸素との電気化学的な反応を生じて起電
力が発生するという原理を利用するものである。このセ
ンサを燃焼器の排ガス中に取り付ければ、燃焼負荷が変
動しても可燃性ガスが発生しない限り両電極の吸着物質
に差がないために起電力は生じない。不完全燃焼により
排ガス中に一酸化炭素などの可燃性ガスが発生した場合
には両電極の吸着物質に差が出るために起電力すなわち
センサ出力が発生する。したがって排ガス用の不完全燃
焼検知センサとして使える。
This type of sensor does not generate electromotive force when there is no combustible gas such as carbon monoxide because there is no difference in the adsorbed substances on the electrodes provided on both sides of the solid electrolyte. This is based on the principle that in the presence of gas, an electromotive force is generated by causing an electrochemical reaction between the flammable gas and oxygen on the electrode without the oxidation catalyst. If this sensor is installed in the exhaust gas of the combustor, even if the combustion load changes, no electromotive force is generated because there is no difference in the adsorbed substances on both electrodes unless combustible gas is generated. When a combustible gas such as carbon monoxide is generated in the exhaust gas due to incomplete combustion, an electromotive force, that is, a sensor output is generated due to a difference in adsorbed substances on both electrodes. Therefore, it can be used as an incomplete combustion detection sensor for exhaust gas.

【0010】しかしながらこの型式のセンサも作動温度
が低いので(約300℃が最適)、排ガスの温度が燃焼
負荷の変動により50℃〜200℃程度の範囲で変化す
る燃焼器に使用すると、センサの作動温度が排ガスの温
度によって変化するために、センサ特性が変化してしま
う。このためやはり温度補正が必要になり、システムが
複雑になりコストアップの原因になる。またガス応答性
についても、ガス導入後の出力電圧が一定値になるまで
の時間が極めて遅く、5分以上の時間を必要とし、この
型式のセンサでは不完全燃焼を速やかに検知することが
できない。さらに、電極の材質に白金や金単体を使用し
ているが、これらの金属を排ガス中で長期間使用する
と、粒成長してしまうためにセンサ特性が変化するとい
う問題がある。
However, since this type of sensor also has a low operating temperature (about 300 ° C. is optimum), when it is used in a combustor in which the temperature of exhaust gas changes in the range of 50 ° C. to 200 ° C. due to fluctuations in combustion load, the sensor Since the operating temperature changes depending on the temperature of exhaust gas, the sensor characteristics change. Therefore, temperature correction is still required, which makes the system complicated and causes cost increase. Regarding the gas responsiveness, the time until the output voltage after introducing the gas reaches a constant value is extremely slow and requires a time of 5 minutes or more, and this type of sensor cannot detect incomplete combustion promptly. . Furthermore, although platinum or gold alone is used as the material of the electrode, if these metals are used for a long time in exhaust gas, there is a problem that the sensor characteristics change due to grain growth.

【0011】ところで不完全燃焼時には一酸化炭素のほ
かにほぼ同程度の水素ガスが発生すことが知られてい
る。そこで本発明者はこの点に着目し、上記の従来のC
Oセンサに代表される不完全燃焼検知素子の欠点を解消
するため、燃焼負荷の変動による排ガスの温度の影響を
受けにくく、ガス応答性が速く、簡潔な構成で耐久性に
優れた不完全燃焼検知素子を提供することを目的とす
る。
By the way, it is known that, in addition to carbon monoxide, substantially the same amount of hydrogen gas is generated during incomplete combustion. Therefore, the present inventor pays attention to this point, and
In order to overcome the drawbacks of the incomplete combustion detection element represented by the O sensor, the incomplete combustion is not easily affected by the temperature of the exhaust gas due to changes in the combustion load, the gas responsiveness is fast, and the structure is simple and excellent in durability. It is intended to provide a sensing element.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、酸素イオン伝導性固体電解質の表面上
に、白金族金属と酸化物からなるサーメット電極を一対
形成し、該一対のサーメット電極の一方を酸化触媒で覆
って水素ガスに感度の高い不完全燃焼検知素子を構成し
た。サーメット電極における白金の混合割合を30体積
%〜80体積%とするのが好ましい。
In order to achieve the above object, the present invention forms a pair of cermet electrodes composed of a platinum group metal and an oxide on the surface of an oxygen ion conductive solid electrolyte, and One of the cermet electrodes was covered with an oxidation catalyst to form an incomplete combustion detection element with high sensitivity to hydrogen gas. The mixing ratio of platinum in the cermet electrode is preferably 30% by volume to 80% by volume.

【0013】[0013]

【作用】酸素イオン伝導性固体電解質とサーメット電極
との境界部分およびサーメット電極自体に多くの3相界
面が形成され、水素ガスと電極との間の化学反応が起こ
り易くなり、検知素子の水素ガスに対する感度が向上す
るとともに電極の構成材料である白金の粒成長が抑えら
れる。
[Function] Many three-phase interfaces are formed at the boundary between the oxygen ion-conducting solid electrolyte and the cermet electrode and at the cermet electrode itself, which facilitates the chemical reaction between the hydrogen gas and the electrode. The sensitivity to is improved and grain growth of platinum, which is a constituent material of the electrode, is suppressed.

【0014】[0014]

【実施例】以下本発明を詳細に説明する。The present invention will be described in detail below.

【0015】図1(a)は本発明による不完全燃焼検知
素子の構造を示し、(b)は同検知素子の電極部分の拡
大図である。
FIG. 1A shows the structure of an incomplete combustion detecting element according to the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of an electrode portion of the same detecting element.

【0016】検知素子は、酸素イオン伝導性固体電解質
であるイットリア(Y23 )安定化ジルコニア(Zr
2 )の基板1の両側に、白金(Pt)の粉末とイット
リア安定化ジルコニア(YSZ)の粉末を混合して調製
したペーストを塗布してサーメット電極2、3を形成
し、上側の電極2を覆うように白金を含浸させたアルミ
ナ粉末のペーストを塗布して可燃性ガス酸化触媒層4を
形成したものである。図1(b)はYSZ基板1とサー
メット電極2との境界部分を拡大して示しており、この
図からわかるように、境界部分および電極部分では可燃
性ガスと電極との反応が起こる3相界面が著しく増すと
ともに、白金の粒成長が抑えられる。
The sensing element is a yttria (Y 2 O 3 ) stabilized zirconia (Zr) which is an oxygen ion conductive solid electrolyte.
A paste prepared by mixing platinum (Pt) powder and yttria-stabilized zirconia (YSZ) powder is applied to both sides of the O 2 ) substrate 1 to form cermet electrodes 2 and 3, and the upper electrode 2 Is coated with an alumina powder paste impregnated with platinum to form a combustible gas oxidation catalyst layer 4. FIG. 1B is an enlarged view of the boundary between the YSZ substrate 1 and the cermet electrode 2. As can be seen from this figure, there are three phases in which the combustible gas reacts with the electrode at the boundary and the electrode. The interface is significantly increased and platinum grain growth is suppressed.

【0017】このような検知素子に矢印側から一酸化炭
素のような可燃性ガスが接触すると、サーメット電極2
とYSZ基板1との境界部分に形成される3相界面で可
燃性ガスと電極2との間で化学反応が起こり、両サーメ
ット電極2、3間に起電力が生じる。この起電力を検出
することにより可燃性ガスの有無や濃度を測定すること
ができる。
When a flammable gas such as carbon monoxide comes into contact with such a sensing element from the arrow side, the cermet electrode 2
A chemical reaction occurs between the combustible gas and the electrode 2 at the three-phase interface formed at the boundary between the and the YSZ substrate 1, and an electromotive force is generated between the cermet electrodes 2 and 3. By detecting this electromotive force, it is possible to measure the presence or absence and the concentration of flammable gas.

【0018】実施例 以下で説明する実施例は、酸素イオン伝導性固体電解質
であるYSZ基板の同一面上に一対のサーメット電極を
形成したものであるが、検知素子としては図1(a)に
示したものと同じである。Pt粉末と5モル%のY2
3 安定化ZrO2 粉末とを、Pt粉末が全粉末中の8
0、70、60、55、50、40体積%にそれぞれな
るように秤量し、有機溶媒、バインダー、界面活性剤と
ともに混合し、サーメット電極用のペーストとする。Y
SZ基板となる5モル%のY23安定化ZrO2 グリ
ーンシート(厚さ0.5mm)の同一面に、上で調製し
たペーストを約1mm角で0.3mm間隔離して一対印
刷してサーメット電極を形成する。サーメット電極の厚
さは10μmである。十分に乾燥した後1450℃で焼
成する。センサ出力取出し用のリード線をAuペースト
で印刷して形成し、900℃で焼成する。その後酸化触
媒としてのPtが1.5重量%含浸された触媒用担体と
してのアルミナ粉末を有機溶媒、バインダー、界面活性
剤とともに混合し、ペーストを調製し、これを一対のサ
ーメット電極の一方を覆うように印刷して酸化触媒層を
形成し、900℃で焼成した。こうしてPt粉末の混合
割合が異なる6種類の検知素子が製作された。
Example In the example described below, a pair of cermet electrodes are formed on the same surface of a YSZ substrate which is an oxygen ion conductive solid electrolyte, and the sensing element shown in FIG. It is the same as shown. Pt powder and 5 mol% Y 2 O
3 Stabilized ZrO 2 powder, Pt powder 8
It is weighed so as to be 0, 70, 60, 55, 50, and 40% by volume, and mixed with an organic solvent, a binder, and a surfactant to obtain a cermet electrode paste. Y
On the same surface of a 5 mol% Y 2 O 3 -stabilized ZrO 2 green sheet (thickness 0.5 mm), which will be an SZ substrate, a pair of the above-prepared pastes are separated by about 1 mm square for 0.3 mm. Form a cermet electrode. The thickness of the cermet electrode is 10 μm. After fully dried, it is baked at 1450 ° C. A lead wire for extracting the sensor output is formed by printing with Au paste and baked at 900 ° C. After that, alumina powder as a catalyst carrier impregnated with Pt as an oxidation catalyst in an amount of 1.5% by weight is mixed with an organic solvent, a binder, and a surfactant to prepare a paste, which is covered with one of a pair of cermet electrodes. Then, an oxidation catalyst layer was formed by printing as described above and baked at 900 ° C. In this way, 6 types of sensing elements having different mixing ratios of Pt powder were manufactured.

【0019】図2(a)および(b)はこうして製作さ
れた6種類の検知素子でガスセンサを構成し、センサの
温度を400℃と500℃としたときの水素ガス100
0ppmに対するセンサの感度を示す。
FIGS. 2 (a) and 2 (b) show a hydrogen gas 100 when the gas sensor is composed of the six kinds of sensing elements thus manufactured and the temperature of the sensor is 400.degree. C. and 500.degree.
The sensitivity of the sensor to 0 ppm is shown.

【0020】いずれの場合もセンサのYSZ基板に取り
付けたヒータによりセンサを加熱したものであり、サー
メット電極中のPtの量(体積%)を、図2(a)の場
合(センサ温度が400℃)には約38体積%から約5
8体積%の範囲内で選択すれば約100mV以上の出力
が得られ、図2(b)の場合(センサ温度が500℃)
には30体積%以下の値から約80体積%の範囲内で選
択すれば約100mV以上の出力が得られることがわか
る。センサ温度が400℃〜500℃の範囲に対して
は、比較的簡易な処理回路で十分信号処理ができる感度
を得るには電極中のPtの量(体積%)は30〜80%
が好ましく、40〜60%が好適ということになる。
In each case, the sensor is heated by a heater attached to the YSZ substrate of the sensor, and the amount (volume%) of Pt in the cermet electrode is as shown in FIG. 2A (sensor temperature is 400 ° C.). ) About 38% by volume to about 5
If selected within the range of 8% by volume, an output of about 100 mV or more can be obtained. In the case of FIG. 2B (sensor temperature is 500 ° C.)
It is understood that an output of about 100 mV or more can be obtained by selecting within a range of 30% by volume or less to about 80% by volume. When the sensor temperature is in the range of 400 ° C to 500 ° C, the amount of Pt (volume%) in the electrode is 30 to 80% in order to obtain the sensitivity that allows sufficient signal processing with a relatively simple processing circuit.
Is preferable, and 40 to 60% is preferable.

【0021】次に本発明者は、実施例で製作された検知
素子を用いて構成したガスセンサを大型の給湯器に取り
付け、給湯器の負荷を変えてセンサ出力を求める実験を
行った。
Next, the present inventor conducted an experiment in which the gas sensor constituted by using the sensing element manufactured in the example was attached to a large-sized water heater and the sensor output was obtained by changing the load of the water heater.

【0022】図3はこの実験に用いられた装置の概略を
示しており、10はバーナ10aと熱交換器10bとを
有する大型のガス給湯器であり、ガスセンサ11は熱交
換器10bの排気口に取り付けられ、ガスセンサ11の
出力端子は電圧計(デジボル)12に接続されている。
ガス給湯器10の排気筒11cの先端近くには不完全燃
焼発生用のダンパー13が設けられており、このダンパ
ー13を回転して排気筒11cの一部を塞ぐようにする
と不完全燃焼を発生させることができる。排気筒11c
の先端近くから排ガスを抜き取ってその一酸化炭素成分
を分析する赤外線吸収式CO分析計14が用意されてお
り、電圧計12の出力およびCO分析計14の出力は記
録計15に入力され記録される。
FIG. 3 shows an outline of the apparatus used in this experiment, 10 is a large gas water heater having a burner 10a and a heat exchanger 10b, and a gas sensor 11 is an exhaust port of the heat exchanger 10b. The output terminal of the gas sensor 11 is connected to a voltmeter (digibor) 12.
A damper 13 for generating incomplete combustion is provided near the tip of the exhaust pipe 11c of the gas water heater 10, and when the damper 13 is rotated to block a part of the exhaust pipe 11c, incomplete combustion occurs. Can be made. Exhaust stack 11c
An infrared absorption type CO analyzer 14 for extracting the exhaust gas from near the tip of the CO 2 and analyzing its carbon monoxide component is prepared. The output of the voltmeter 12 and the output of the CO analyzer 14 are input to the recorder 15 and recorded. It

【0023】実験は、ダンパー13を操作することによ
り正常燃焼状態および不完全燃焼状態を作り出し、ガス
給湯器10の燃焼負荷を最小負荷(5、000Kcal
/h)、中負荷(20,000Kcal/h)、最大負
荷(30,000Kcal/h)と変えたときの排ガス
中のCO濃度(ppm)に対するガスセンサ出力(m
V)を測定したもので、その結果を図4に示す。
In the experiment, a normal combustion state and an incomplete combustion state were created by operating the damper 13, and the combustion load of the gas water heater 10 was set to the minimum load (5,000 Kcal).
/ H), medium load (20,000 Kcal / h), maximum load (30,000 Kcal / h), and gas sensor output (m) for CO concentration (ppm) in exhaust gas
V) was measured and the results are shown in FIG.

【0024】図4を見ると、給湯負荷が変動しても同じ
CO濃度に対するセンサ出力はほぼ一定であることがわ
かり、このことはガスセンサの出力が負荷変動の影響を
受けていないことを意味する。そのため従来のガスセン
サのようにセンサ出力を温度補正する必要がない。
It can be seen from FIG. 4 that the sensor output for the same CO concentration is almost constant even if the hot water supply load changes, which means that the output of the gas sensor is not affected by the load change. . Therefore, there is no need to temperature-correct the sensor output as in the conventional gas sensor.

【0025】図5は、図3に示した同じ装置を用いて本
発明によるガスセンサの最大燃焼負荷に対する正常燃焼
時および不完全燃焼時におけるセンサ出力を時間の経過
に対して示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the sensor output with respect to the maximum combustion load of the gas sensor according to the present invention at the time of normal combustion and at the time of incomplete combustion using the same apparatus shown in FIG.

【0026】図中、Aはガスセンサの出力(mV)を示
し、Bは図3の赤外線吸収式CO分析計14の出力であ
るCO濃度(ppm)を示す。図5において、出力Bは
出力Aよりやや時間遅れがあることに気が付くが、これ
は、図3においてわかるように、ガスセンサ11は排気
筒11cの上流端近くに設けられているのに対してCO
分析計14の排ガス取込み口は排気筒11cの下流端近
くに設けられているために、排ガスが排気筒11c内を
上流端から下流端まで流れるのにある時間を要するため
であると考えられる。それにしても本発明によるガスセ
ンサの応答性が優れていることがわかる。上記実施例で
は酸素イオン伝導性固体電解質としてY23 で安定化
したZrO2 を、電極としてPt−ZrO2 サーメット
電極を、酸化触媒としてPtを、触媒用担体としてAl
23 を用いたが、本発明はこれらの物質に限定される
ものではなく、次に列記するような物質を使用しても同
様な効果が期待できる。
In the figure, A indicates the output (mV) of the gas sensor, and B indicates the CO concentration (ppm) which is the output of the infrared absorption CO analyzer 14 of FIG. In FIG. 5, it is noticed that the output B has a slight time delay from the output A. This is because the gas sensor 11 is provided near the upstream end of the exhaust pipe 11c as shown in FIG.
It is considered that this is because the exhaust gas intake port of the analyzer 14 is provided near the downstream end of the exhaust pipe 11c, so that it takes a certain time for the exhaust gas to flow from the upstream end to the downstream end in the exhaust pipe 11c. Even so, it can be seen that the gas sensor according to the present invention has excellent responsiveness. In the above examples, ZrO 2 stabilized with Y 2 O 3 was used as the oxygen ion conductive solid electrolyte, Pt-ZrO 2 cermet electrode was used as the electrode, Pt was used as the oxidation catalyst, and Al was used as the catalyst carrier.
Although 2 O 3 was used, the present invention is not limited to these substances, and similar effects can be expected even when the substances listed below are used.

【0027】(1)酸素イオン伝導性固体電解質として
は、ZrO2 、CeO2 、ThO2、Bi23 の一種
を主成分とし、アルカリ土類元素または希土類元素の酸
化物を添加したものを用いる。例えば、 CaO、MgO、M23 (MはY、Laなどの希土
類元素)で安定化したZrO2 CaOまたはM23 (MはGd、Laなどの希土類
元素)とCeO2 との混合物 ThO2 とM23 (MはY、Laなどの希土類元
素)との混合物 Y23 、Gd23 、Nb25 、WO3 、Sr
O、BaO、またはLa23 とBi23 との混合物 (2)サーメット電極としては、白金族金属としてP
t、Ru、Rh、Pd、Os、Irの一種または二種以
上と、酸化物としてZr2 O、CeO2 、ThO2 、B
23 の一種との混合物を用いる。例えば、Pt−Z
rO2 、Pt−Bi23 、Pt−CeO2 、Pt−T
hO2 (3)酸化触媒としては Co、Cr、Mn、Cu、Ce、Fe、V、Agの酸化
物、Pt、Ru、Rh、Pd、AuまたはLaCoO
3 、ZnCo24 、FeCo24 などの複合酸化物
の単独あるいは2以上の組み合わせ (4)触媒用担体としては SiO2 、TiO2 、SnO2 、MgO
(1) As the oxygen ion conductive solid electrolyte, one containing ZrO 2 , CeO 2 , ThO 2 , or Bi 2 O 3 as a main component and an oxide of an alkaline earth element or a rare earth element is added. To use. For example, a mixture of CeO 2 and ZrO 2 CaO or M 2 O 3 (M is a rare earth element such as Gd and La) stabilized with CaO, MgO, and M 2 O 3 (M is a rare earth element such as Y and La). Mixture of ThO 2 and M 2 O 3 (M is a rare earth element such as Y or La) Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Nb 2 O 5 , WO 3 , Sr
O, BaO, or a mixture of La 2 O 3 and Bi 2 O 3 (2) As the cermet electrode, P as a platinum group metal
One or more of t, Ru, Rh, Pd, Os and Ir, and Zr 2 O, CeO 2 , ThO 2 and B as oxides.
A mixture with one of i 2 O 3 is used. For example, Pt-Z
rO 2, Pt-Bi 2 O 3, Pt-CeO 2, Pt-T
As the hO 2 (3) oxidation catalyst, oxides of Co, Cr, Mn, Cu, Ce, Fe, V and Ag, Pt, Ru, Rh, Pd, Au or LaCoO
A single compound oxide or a combination of two or more compound oxides such as 3 , ZnCo 2 O 4 and FeCo 2 O 4 (4) As a catalyst carrier, SiO 2 , TiO 2 , SnO 2 , MgO

【0028】[0028]

【発明の効果】本発明による検知素子を用いて不完全燃
焼検知用ガスセンサを構成したとき、可燃性ガスでも特
に水素ガスに対する感度が大きく、ガス応答性の速い、
作動温度が比較的高いセンサが得られる。これはセンサ
の電極としてサーメット電極を用いているので、水素ガ
スとの反応に関与する3相界面が増加するためであると
考えられる。そのため、本発明によるガスセンサを約5
0℃〜200℃の温度範囲で変化する燃焼器の排ガスに
対して使用したときセンサ出力は排ガスの温度の影響す
なわち燃焼負荷の影響を受けず、したがってセンサ出力
の温度補正は必要がない。このことはセンサ出力が比較
的大きいことと相まって、その後の処理回路やシステム
が比較的簡潔になり、コスト上有利になる。さらにサー
メット電極を使用したことにより、電極の構成成分であ
る白金の粒成長が抑えられるので、電極の耐久性も向上
する。またサーメット電極によりガス応答性を極めて速
くすることができる。
When a gas sensor for detecting incomplete combustion is formed by using the detection element according to the present invention, even a combustible gas has a large sensitivity to hydrogen gas and a high gas responsiveness.
A sensor with a relatively high operating temperature is obtained. It is considered that this is because the cermet electrode is used as the electrode of the sensor, and the number of three-phase interfaces involved in the reaction with hydrogen gas increases. Therefore, the gas sensor according to the present invention has about 5
When used for the exhaust gas of a combustor that changes in the temperature range of 0 ° C. to 200 ° C., the sensor output is not affected by the temperature of the exhaust gas, that is, the combustion load, so that the temperature correction of the sensor output is not necessary. This, coupled with the relatively large sensor output, makes the subsequent processing circuits and systems relatively simple, which is advantageous in terms of cost. Further, by using the cermet electrode, grain growth of platinum, which is a constituent component of the electrode, is suppressed, so that the durability of the electrode is also improved. Further, the gas responsiveness can be made extremely fast by the cermet electrode.

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

【図1】(a)は本発明による不完全燃焼検知素子の一
例の概略構造を示し、(b)は(a)に示した検知素子
の電極部分の拡大図である。
FIG. 1A shows a schematic structure of an example of an incomplete combustion detection element according to the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of an electrode portion of the detection element shown in FIG.

【図2】(a)は本発明による不完全燃焼検知素子でガ
スセンサを構成したときのセンサ温度が400℃のとき
のサーメット電極中の白金の混合割合とセンサ出力との
関係を示すグラフ、(b)はセンサ温度が500℃のと
きのサーメット電極中の白金の混合割合とセンサ出力と
の関係を示すグラフである。
FIG. 2 (a) is a graph showing the relationship between the mixing ratio of platinum in the cermet electrode and the sensor output when the gas temperature is 400 ° C. when a gas sensor is composed of the incomplete combustion detection element according to the present invention, b) is a graph showing the relationship between the mixing ratio of platinum in the cermet electrode and the sensor output when the sensor temperature is 500 ° C.

【図3】本発明による不完全燃焼検知素子で構成したガ
スセンサの出力を調べる実験に用いた装置の概略線図で
ある。
FIG. 3 is a schematic diagram of an apparatus used in an experiment for examining the output of a gas sensor including an incomplete combustion detection element according to the present invention.

【図4】本発明による不完全燃焼検知素子で構成したガ
スセンサを取り付けた大型ガス給湯器の燃焼負荷を変え
たときのセンサ出力を示す。
FIG. 4 shows a sensor output when a combustion load of a large-sized gas water heater equipped with a gas sensor including an incomplete combustion detection element according to the present invention is changed.

【図5】本発明による不完全燃焼検知素子で構成したガ
スセンサを取り付けた大型ガス給湯器の正常燃焼時およ
び不完全燃焼時におけるセンサ出力を時間の経過に対し
て示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the sensor output with respect to time as to the normal combustion and the incomplete combustion of the large-sized gas water heater equipped with the gas sensor constituted by the incomplete combustion detection element according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 YSZ基板 2、3 サーメット電極 4 酸化触媒 10 大型ガス給湯器 11 ガスセンサ 11c 排気筒 12 電圧計 13 不完全燃焼発生用ダンパー 14 赤外線吸収式CO分析計 15 記録計 1 YSZ substrate 2, 3 Cermet electrode 4 Oxidation catalyst 10 Large gas water heater 11 Gas sensor 11c Exhaust pipe 12 Voltmeter 13 Incomplete combustion generation damper 14 Infrared absorption CO analyzer 15 Recorder

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成6年7月7日[Submission date] July 7, 1994

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図2[Name of item to be corrected] Figure 2

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図2】 [Fig. 2]

フロントページの続き (72)発明者 田中 智 鹿児島県国分市山下町1−1 京セラ株式 会社鹿児島国分工場内Front page continued (72) Inventor Satoshi Tanaka 1-1 Yamashita-cho, Kokubun-shi, Kagoshima Prefecture Kyocera Kokubun Plant

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸素イオン伝導性固体電解質の表面上
に、白金族金属と酸化物からなるサーメット電極を一対
形成し、該一対のサーメット電極の一方を酸化触媒で覆
ったことを特徴とする排ガス用不完全燃焼検知素子。
1. An exhaust gas characterized in that a pair of cermet electrodes composed of a platinum group metal and an oxide is formed on the surface of an oxygen ion conductive solid electrolyte, and one of the pair of cermet electrodes is covered with an oxidation catalyst. Incomplete combustion detection element.
【請求項2】 前記サーメット電極における白金の混合
割合が30体積%〜80体積%である請求項1に記載の
排ガス用不完全燃焼検知素子。
2. The incomplete combustion detection element for exhaust gas according to claim 1, wherein a mixing ratio of platinum in the cermet electrode is 30% by volume to 80% by volume.
【請求項3】 前記一対のサーメット電極が前記酸素イ
オン伝導性固体電解質の同一面に形成された請求項1ま
たは2に記載の排ガス用不完全燃焼検知素子。
3. The exhaust gas incomplete combustion detection element according to claim 1, wherein the pair of cermet electrodes are formed on the same surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte.
【請求項4】 前記一対のサーメット電極が前記酸素イ
オン伝導性固体電解質の異なる面に形成された請求項1
または2に記載の排ガス用不完全燃焼検知素子。
4. The pair of cermet electrodes are formed on different surfaces of the oxygen ion conductive solid electrolyte.
Alternatively, the incomplete combustion detection element for exhaust gas as described in 2.
【請求項5】 前記酸素イオン伝導性固体電解質が、C
aO、MgOまたはM23 (MはY、Laなどの希土
類元素)で安定化されたZrO2 である請求項1または
2に記載の排ガス用不完全燃焼検知素子。
5. The oxygen ion conductive solid electrolyte is C
The incomplete combustion detection element for exhaust gas according to claim 1 or 2, which is ZrO 2 stabilized with aO, MgO or M 2 O 3 (M is a rare earth element such as Y or La).
【請求項6】 前記サーメット電極を構成する酸化物
が、ZrO2 、Bi23 、CeO2 、ThO2 から選
ばれた1以上からなる請求項1または2に記載の排ガス
用不完全燃焼検知素子。
6. The exhaust gas incomplete combustion detection according to claim 1 or 2, wherein the oxide constituting the cermet electrode is one or more selected from ZrO 2 , Bi 2 O 3 , CeO 2 and ThO 2. element.
【請求項7】 前記酸化触媒が、Co、Cr、Mn、C
u、Ce、Fe、V、Agの酸化物、Pt、Ru、R
h、Pd、AuまたはLaCoO3 、ZnCo24
FeCo24 などの複合酸化物の単独あるいは2以上
の組み合わせからなり、触媒用担体がSiO2 、TiO
2 、SnO2 、MgO、Al23 からなる請求項1ま
たは2に記載の排ガス用不完全燃焼検知素子。
7. The oxidation catalyst is Co, Cr, Mn, C
u, Ce, Fe, V, Ag oxides, Pt, Ru, R
h, Pd, Au or LaCoO 3 , ZnCo 2 O 4 ,
A composite oxide such as FeCo 2 O 4 is used alone or in combination of two or more, and the catalyst carrier is SiO 2 , TiO 2 .
The exhaust gas incomplete combustion detection element according to claim 1 or 2, which is composed of 2 , SnO 2 , MgO, and Al 2 O 3 .
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JPH10239276A (en) * 1996-12-27 1998-09-11 Ngk Insulators Ltd Carbon monoxide gas sensor and measuring device using it
JP2001281206A (en) * 2000-03-29 2001-10-10 Kyocera Corp Detecting element
JP2003504617A (en) * 1999-07-09 2003-02-04 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング Sensor for measuring the concentration of gaseous components in gas mixtures

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10239276A (en) * 1996-12-27 1998-09-11 Ngk Insulators Ltd Carbon monoxide gas sensor and measuring device using it
JP2003504617A (en) * 1999-07-09 2003-02-04 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング Sensor for measuring the concentration of gaseous components in gas mixtures
JP4690617B2 (en) * 1999-07-09 2011-06-01 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング Sensor for measuring the concentration of gaseous components in a gas mixture
JP2001281206A (en) * 2000-03-29 2001-10-10 Kyocera Corp Detecting element

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