JPH1026605A - 二酸化炭素センサ - Google Patents
二酸化炭素センサInfo
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- JPH1026605A JPH1026605A JP9093068A JP9306897A JPH1026605A JP H1026605 A JPH1026605 A JP H1026605A JP 9093068 A JP9093068 A JP 9093068A JP 9306897 A JP9306897 A JP 9306897A JP H1026605 A JPH1026605 A JP H1026605A
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Abstract
サ、特にH2Oに対する感応性が低く、CO2に対する感
応性に優れた二酸化炭素センサの提供。 【解決手段】固体電解質1と、固体電解質1の一面に形
成された基準電極2と、基準電極2に対向する面に形成
された検出電極3と、検出電極3に添加又は積層した、
CO2と解離平衡をなす炭酸塩4と、からなる二酸化炭
素センサにおいて、固体電解質が、30〜99重量%の
Li2O・M2O3・(SiO2)2(Mはランタン系列元
素を示す)で表される化合物と、70〜1重量%のアル
ミナ(Al2O3)と、を含む混合物を焼成した焼結体で
ある二酸化炭素センサ。
Description
ス、環境制御、医療技術、施設園芸、発酵工業等におけ
るCO2の検出、濃度測定等広範囲に使用し得る二酸化
炭素センサ、特に湿度の如何にかかわらず極めて正確な
CO2濃度を測定することができる二酸化炭素センサに
関する。
ガラス電極法、非分散赤外吸収法等種々の方式の二酸化
炭素センサが使用されているが、CO2に対する特異
性、応答速度、耐久性、コンパクト性等から、固体電解
質を用いた濃淡電池型二酸化炭素センサに関する研究開
発が幅広く行われている。この型の二酸化炭素センサ
は、イオン伝導性を有する固体電解質を隔壁として用
い、該隔壁の対向する両面に電極を形成し、検出側の電
極に気相中のCO2と解離平衡をなす炭酸塩を添加して
作製されるものが一般的である。このような構造のセン
サがある程度の高温に保持されるとき、基準電極側の固
体電解質はO2と、検出電極側の炭酸塩はCO2並びにO
2と、それぞれ解離平衡をなすため、気相中のCO2並び
にO2の分圧に応じて、固体電解質内に化学ポテンシャ
ルの勾配が生じる。それを相殺するべく、ネルンスト式
に従った濃淡電池起電力が発生する。通常の条件におい
ては、基準電極並びに検出電極付近のO2分圧はほぼ一
定であるため、当センサは検出電極付近のCO2分圧の
みに依存する起電力を発生する。
解質にナトリウムイオン導電性固体電解質を用いたもの
が一般的である。これは、ナトリウムイオン導電性固体
電解質の一方の面にCO2と解離平衡をなす炭酸ナトリ
ウム層を有した検出電極が、これに対向する面に基準電
極が具備され、セラミックヒータ等の加熱手段が取り付
けられたものであり、該ヒータにより加熱された状態で
両電極間の起電力を測定し、CO2濃度を検出するもの
である。
6−265520号公報に開示される、固体電解質とし
てリチウムイオン導電性固体電解質を用いた二酸化炭素
センサがある。該開示においては、固体電解質として化
学式LixAlSiyOx/2+3/2+2yで表されるリチウムイ
オン導電性固体電解質を用い、CO2濃度を測定する旨
が記載されている。
解質としては、特開平5−229865号公報に開示の
同成分でガラス成分のより多いイオン導電体を添加した
イオン導電体や、特開平6−80462号公報に開示の
(Li2O)x(M2O3)y(SiO2)zで表される固体
電解質がある。
ン導電性固体電解質を用いた濃淡電池型二酸化炭素セン
サにおいては、CO2に対する特異性に問題があり、特
にH2Oに対して強い感応性を有するため、湿度の変化
に応じてセンサから出力される起電力が変動し、これが
CO2濃度の誤差として出力され、正確な測定が困難で
あった。
るリチウムイオン導電性固体電解質を用いた二酸化炭素
センサにおいては、前述のナトリウムイオンを用いた二
酸化炭素センサに比べ、H2Oに対する感応性が小さい
ため、湿度の変化に伴う起電力の変動は小さいが、この
場合でさえ、CO2濃度に換算して数十%もの誤差が生
じるため、正確なCO2濃度の測定は不可能であった。
また、特開平5−229865号公報に開示の固体電解
質や特開平6−80462号公報に開示の固体電解質を
用いた二酸化炭素センサにおいても同様であった。
2に対する特異性の高い二酸化炭素センサ、特にH2Oに
対する感応性が低く、CO2に対する感応性に優れた二
酸化炭素センサを開発し、これを提供することを基本的
な目的とする。
に従い鋭意研究を進めた結果、固体電解質と、該固体電
解質の一面に形成された基準電極と、該基準電極に対向
する一面に形成された検出電極と、該検出電極に添加又
は積層した、CO2と解離平衡をなす炭酸塩と、からな
る二酸化炭素センサにおいて、前記固体電解質が、30
〜99重量%のLi2O・M2O3・(SiO2)2(Mは
ランタン系列元素を示す)で表される化合物と、70〜
1重量%のアルミナ(Al2O3)と、を含む混合物を焼
成した焼結体であることを特徴とする二酸化炭素センサ
を開発し、本発明を完成させた。
2O・M2O3・(SiO2)2(Mはランタン系列元素を
示す)のMが、サマリウム(Sm)、ランタン(L
a)、プラセオジム(Pr)、及びネオジム(Nd)か
らなる群から選択されることが好ましい。
CO2に対する特異性に優れ、特にH2Oに対する感応性
が低く、CO2に対する感応性に優れるため、湿度の変
化に対しても極めて正確な二酸化炭素濃度の測定をする
ことができる。
重量%のLi2O・M2O3・(SiO2)2(Mはランタ
ン系列元素を示す)で表される化合物と、70〜1重量
%のアルミナ(Al2O3)と、を含む混合物を焼成した
焼結体であれば、種々のものを用いることができる。L
i2O・M2O3・(SiO2)2(Mはランタン系列元素
を示す)のMとしては、ランタン(La)、セリウム
(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、
プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユーロピ
ウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(T
b)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、
エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウ
ム(Yb)、ルテチウム(Lu)等を用いることができ
るが、ランタン、プラセオジム、ネオジム、サマリウ
ム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホル
ミウム、エルビウム、ツリウム、ルテチウムからなる群
から選択されることが好ましく、更に好ましくはサマリ
ウム、ランタン、プラセオジム、ネオジムからなる群か
ら選択されることであり、特に好ましくはサマリウムで
ある。なお、これらの二種以上を用いてもよい。
(SiO2)2で表される化合物と、アルミナ(Al
2O3)と、を含む混合物を焼成して得られ、該混合物
は、他の化合物、又はバインダー、焼結助剤等の添加物
を含有してもよい。Li2O・M2O3・(SiO2)2で
表される化合物と、アルミナ(Al2O3)と、の混合比
は、好ましくは、Li2O・M2O3・(SiO2)2が3
0〜99重量%、アルミナ(Al2O3)が70〜1重量
%であり、更に好ましくはLi2O・M2O3・(Si
O2)2が30〜70重量%、アルミナ(Al2O3)が7
0〜30重量%であり、特に好ましくはLi2O・M2O
3・(SiO2)2が30〜50重量%、アルミナ(Al2
O3)が70〜50重量%である。最も好ましくはLi2
O・M2O3・(SiO2)2が50重量%、アルミナ(A
l2O3)が50重量%である。
2で表される化合物と、アルミナ(Al2O3)と、の混
合比は、好ましくは、Li2O・M2O3・(SiO2)2
が30〜99重量%、アルミナ(Al2O3)が70〜1
重量%であり、更に好ましくはLi2O・M2O3・(S
iO2)2が30〜90重量%、アルミナ(Al2O3)が
70〜10重量%、さらに好ましくは、Li2O・M2O
3・(SiO2)2が30〜80重量%、アルミナ(Al2
O3)が70〜20重量%、また好ましくは、Li2O・
M2O3・(SiO2)2が50〜80重量%、アルミナ
(Al2O3)が50〜20重量%である。特に好ましく
は、Li2O・M2O3・(SiO2)2が60〜95重量
%、アルミナ(Al2O3)が40〜5重量%である。さ
らに特に好ましくはLi2O・M2O3・(SiO2)2が
約80重量%、アルミナ(Al2O3)が約20重量%で
ある。なお、本発明において数値範囲の記載はいずれ
も、その上下限の値だけでなく任意の中間値も含むもの
である。
て添加すればよいが、アルミナ質の粉砕媒体を用い、そ
の摩耗粉の混入を利用して添加する方法を採ることもで
きる。
加圧焼結、雰囲気加圧焼結、反応焼結等の公知の方法に
より行うことができ、雰囲気は、不活性ガス、酸化性雰
囲気、還元性雰囲気等を用いることができる。特にLi
SmSiO4とAl2O3との混合物を用いる場合にあっ
ては、LiSmSiO4を800〜1000℃にて合成
した後、Al2O3との混合物の焼成を1100℃〜12
00℃、好ましくは1150℃〜1200℃にて行うと
よい。1100℃未満では緻密な焼結体が得られない傾
向があり、一方1200℃を超えると溶融を生じる傾向
があるからである。
体である白金、金、銀、銅、若しくはこれらを含む合金
であることが好ましい。電極は、上記金属若しくはその
化合物又はこれらに有機バインダー等を配合してペース
ト状としたもの等を用いて、電気メッキ、無電解メッ
キ、溶融メッキ、溶射、蒸着、イオンプレーティング、
メカニカルプレーティング、又は印刷法といった公知の
方法により固体電解質の所定の面に金属被膜を形成する
ことにより作製することが好ましい。特に、耐食性の点
から金若しくは白金、又はそれらを含むペーストを用い
ることが好ましい。更にこれら固体電解質、基準電極、
及び検出電極を一体焼成してもよい。また、金属メッシ
ュを用いる、又は金属を含むペーストに有機ビーズ等の
可燃性物質を添加し、塗布後これを焼失させることで、
金属電極を多孔質としてもよい。
チウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等CO2と
解離平衡をなす種々の炭酸塩を用いることができる。炭
酸塩は検出電極上に所定量積層されることが好ましく、
例えば前記炭酸塩を含むペーストを検出電極上に塗布
し、一体焼成することにより形成することができる。ま
た積層しない場合には、検出電極内に所定量添加するこ
とが好ましい。
検出電極との間の電位差を電圧計等を用いて測定するこ
とによりCO2濃度を測定することができる。電圧計と
の接続用リードは、印刷法等により形成された上記各電
極の一端部にリード線の一端を重ねて同時焼成すること
により形成できるが、各電極の形成後にリード線をロー
付によって接続してもよい。或いは、電極の一部をメタ
ライズ処理して電圧計からのリード線をロー付によって
接続され得る。また本発明による二酸化炭素センサは、
セラミックヒータ等に付設してもよいし、その内部に挿
入してもよく、この場合はセラミックヒータ側に二酸化
炭素センサの電極に接続されるリード部を設けておき、
セラミックヒータと二酸化炭素センサとの電気的接続を
行うことができる。セラミックヒータを付設する場合に
は、二酸化炭素センサの基準電極側に敷設するとよい。
また、逆に、二酸化炭素センサ内部にセラミックヒータ
等を設けてもよい。
る。但し、本発明はこれらの実施例に決して限定されな
い。
1に示す。図1の二酸化炭素センサは、アルミナ基板か
らなるセラミックヒータ6と、該セラミックヒータ6の
一面に形成された基準電極2と、該基準電極2の上に敷
設された固体電解質1と、該固体電解質1の上に形成さ
れた格子状の検出電極3と、該検出電極3を覆うように
して設けられた金属炭酸塩膜4と、を基本的な構成と
し、更に、基準電極2と被検ガスとの接触を防止するた
め、固体電解質1の周囲側面を無機系接着剤により密封
したシール部7と、各々基準電極2及び検出電極3の間
に生ずる起電力を測定する電圧計5と、からなる。
に対応する組成となるように秤量し、これらを樹脂ミル
中で混合した後にAl2O3製坩堝中で900℃の温度で
仮焼し、めのう乳鉢で粉砕して平均粒径0.9〜1.0
μmのLiSmSiO4粉末を得た。次に、該LiSm
SiO4粉末に50重量%となるように平均粒径0.9
〜1.0μmのアルミナ(Al2O3)の粉末を添加し、
バインダーを加えて樹脂ミル中で混合した。得られた粉
末をプレス成形した後にCIP成形を施し、1150℃
の温度で焼成して固体電解質1の焼結体を得た。
用いて厚膜印刷により基準電極2を形成した。その上に
(1)で作製された固体電解質1を敷設し、該固体電解
質の上面に金ペーストを用いて厚膜印刷によって格子状
の検出電極3及びリード線接続用配線を形成した。その
後、基準電極2と被検ガスとの接触、又は固体電解質1
の側面と被検ガスとの接触を遮断するため、固体電解質
1の側全周囲を無機系接着剤によりシール7した。次に
炭酸リチウムからなるペーストを調製し、該ペーストを
固体電解質1の検出電極3が形成された側の面に塗布
し、乾燥させた後、550℃で焼成して金属炭酸塩膜4
を形成した。
LiSmSiO4粉末に70重量%となるようアルミナ
(Al2O3)の粉末を添加し、1150℃で焼成した他
は実施例1と同様にして二酸化炭素センサを作製した。
Al2O3製坩堝中で仮焼した後、アルミナ製ボールミル
中で粉砕してLiSmSiO4粉末を得た。このLiS
mSiO4粉末を蛍光X線分析により組成分析したとこ
ろ、20重量%のAl2O3が含まれていることが確認さ
れた。得られた粉末をプレス成形した後にCIP成形を
施し、1100℃の温度で焼成して固体電解質1の焼結
体を得た。その後は実施例1の(2)と同様にして二酸
化炭素センサを作製した。
50℃の温度で焼成した他は実施例3と同様にして二酸
化炭素センサを作製した。
00℃の温度で焼成した他は実施例3と同様にして二酸
化炭素センサを作製した。
て、LiSmSiO4粉末にアルミナの粉末を添加しな
かったもの(アルミナ0重量%)を比較例1、LiSm
SiO4粉末に80重量%となるようアルミナの粉末を
添加したものを比較例2として二酸化炭素センサを作製
した。
較例1〜2の二酸化炭素センサの湿度に対する感応性を
調べるため、湿度特性測定試験を行った。実施例1〜5
及び比較例1〜2の二酸化炭素センサをCO2濃度50
0ppmの雰囲気で表面温度450℃とし、相対湿度0
%の時及び相対湿度90%の時の両電極間の起電力を測
定し、これらの差を計算した。更に、経時的な劣化を調
べるために、本二酸化炭素センサ作製後から24日後
に、同一の測定を行った。
比較例1〜2の二酸化炭素センサのCO2に対する感応
性を調べるため、CO2特性測定試験を行った。実施例
1〜5及び比較例1〜2の二酸化炭素センサをCO2濃
度50〜5000ppmの範囲内で雰囲気を変化させ、
表面温度450℃として、二酸化炭素センサの起電力の
変化を測定した。
測定試験の結果を次の表1及び図2に示す。
定試験における図2に示すようなネルンスト式の傾き
(mV/decade)を示し、応答性とは、CO2特
性測定試験における比較例1の応答時間を1とした時の
相対的な応答時間であり、湿度の影響(初期)とは、湿
度特性測定試験における作製直後を、湿度の影響(24
日目)とは、湿度特性測定試験における24日後を、各
々示す。また、図2はCO2特性測定試験における実施
例1及び比較例1〜2の結果をグラフにしたものであ
り、横軸はCO2濃度(ppm,対数目盛)を、縦軸は起
電力(mV)を示す。
度に対して敏感であり、結果的にCO2濃度の測定時に
大きな誤差となる。湿度特性測定試験の結果、表1に示
すように比較例1が湿度の影響(初期)の起電力差が
8.4、湿度の影響(24日目)の起電力差が13.1
と大きな値を示しているのに対して、実施例1〜5及び
比較例2においてはこの値が極めて小さく、特に実施例
1、2及び4においては比較例1の半分以下となってお
り、湿度の影響を受けにくくなっていることがわかる。
また、CO2特性測定試験の結果、表1の直線性及び応
答性の欄に示す通り、比較例2においてネルンスト式の
傾きが低くかつ応答性も悪いのに対して、実施例1〜5
及び比較例1の二酸化炭素センサは、実用上問題のない
優れたCO2応答性を示していた。また、焼成温度のみ
を変えて作製した実施例3〜5の中では、特に1150
℃で焼成した実施例4において湿度の影響が極めて小さ
く良好であった。以上より、本発明の実施例1〜5の二
酸化炭素センサは、湿度の影響を受けず、かつCO2に
対する感応性に優れたセンサであることがわかる。
ば、特にH2Oに対する感応性が低く、CO2に対する感
応性に優れるため、湿度の変化に対する起電力の変動が
極めて小さく、精密な二酸化炭素濃度の測定をすること
ができる。
ンサの概略断面図である。
果に係り、CO2濃度変化に対して、電極間に発生する
起電力の変化を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】固体電解質と、該固体電解質の一面に形成
された基準電極と、該基準電極に対向する一面に形成さ
れた検出電極と、該検出電極に積層された、CO2と解
離平衡をなす炭酸塩と、からなる二酸化炭素センサにお
いて、 前記固体電解質が、30〜99重量%のLi2O・M2O
3・(SiO2)2(Mはランタン系列元素を示す)で表
される化合物と、70〜1重量%のアルミナ(Al
2O3)と、を含む混合物を焼成した焼結体であることを
特徴とする二酸化炭素センサ。 - 【請求項2】前記Li2O・M2O3・(SiO2)2(M
はランタン系列元素を示す)のMが、サマリウム(S
m)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、及び
ネオジム(Nd)からなる群から選択されることを特徴
とする請求項1に記載の二酸化炭素センサ。 - 【請求項3】前記固体電解質が、60〜95重量%のL
i2O・M2O3・(SiO2)2(Mはランタン系列元素
を示す)で表される化合物と、40〜5重量%のアルミ
ナ(Al2O3)と、を含む混合物を焼成した焼結体であ
ることを特徴とする請求項1又は2に記載の二酸化炭素
センサ。 - 【請求項4】前記固体電解質が、1100〜1200℃
の温度範囲で焼成した焼結体であることを特徴とする請
求項1ないし3に記載の二酸化炭素センサ。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP09306897A JP3845490B2 (ja) | 1996-03-27 | 1997-03-27 | 二酸化炭素センサ |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9749496 | 1996-03-27 | ||
JP8-97494 | 1996-03-27 | ||
JP09306897A JP3845490B2 (ja) | 1996-03-27 | 1997-03-27 | 二酸化炭素センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1026605A true JPH1026605A (ja) | 1998-01-27 |
JP3845490B2 JP3845490B2 (ja) | 2006-11-15 |
Family
ID=26434510
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP09306897A Expired - Fee Related JP3845490B2 (ja) | 1996-03-27 | 1997-03-27 | 二酸化炭素センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3845490B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100344965C (zh) * | 1999-06-22 | 2007-10-24 | 日本特殊陶业株式会社 | 气体传感器含陶瓷的固体电解质和其制造方法 |
-
1997
- 1997-03-27 JP JP09306897A patent/JP3845490B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100344965C (zh) * | 1999-06-22 | 2007-10-24 | 日本特殊陶业株式会社 | 气体传感器含陶瓷的固体电解质和其制造方法 |
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Publication number | Publication date |
---|---|
JP3845490B2 (ja) | 2006-11-15 |
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