JPH11174024A - Solid electrolyte type carbon dioxide sensor element - Google Patents

Solid electrolyte type carbon dioxide sensor element

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JPH11174024A
JPH11174024A JP9343257A JP34325797A JPH11174024A JP H11174024 A JPH11174024 A JP H11174024A JP 9343257 A JP9343257 A JP 9343257A JP 34325797 A JP34325797 A JP 34325797A JP H11174024 A JPH11174024 A JP H11174024A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
solid electrolyte
electrode layer
carbon dioxide
sensor element
working electrode
Prior art date
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Pending
Application number
JP9343257A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takahaya Iketani
拓速 池谷
Mitsuhiko Matsui
光彦 松井
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Tokuyama Corp
Original Assignee
Tokuyama Corp
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Filing date
Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte type carbon dioxide sensor in which a time from the start of operation to stabilization of electromotive force is shortened and, even if it is left under non-heated condition in an atmosphere high in moisture concentration such as high humidity or dew condensation, an electromotive force stabilizing time is almost kept unchanged. SOLUTION: A solid electrolyte type carbon dioxide sensor element comprises a working electrode layer 1 including electronic conductive substance and auxiliary electrode substance and a reference electrode layer 3 including electronic conductive substance formed on the surface of a fixed electrolyte layer 2. Also the working electrode layer 1 includes a zeolite of 0.1 to 8 wt.% relative to a working electrode of 100 wt.%.

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、空気清浄設備や環境計
測設備などに組み込まれて、雰囲気中の炭酸ガス濃度を
測定するための固体電解質を用いたガスセンサ素子に関
し、特に高湿度環境下での安定性の向上、並びに起電力
の安定化時間の短縮が達成された固体電解質型炭酸ガス
センサ素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas sensor device using a solid electrolyte for measuring the concentration of carbon dioxide in an atmosphere, which is incorporated in an air purifying facility, an environmental measuring facility, and the like. The present invention relates to a solid oxide carbon dioxide sensor element in which the stability of the carbon dioxide sensor is improved and the stabilization time of the electromotive force is shortened.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、環境問題に対する関心が高まって
おり、大気中に放出される炭酸ガス濃度を計測制御する
ためのセンサが注目されている。このようなセンサのな
かで、固体電解質の起電力変化を利用した固体電解質型
炭酸ガスセンサ素子が、小型・簡便・安価であることか
ら、その実用化が熱望されている。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been an increasing interest in environmental issues, and a sensor for measuring and controlling the concentration of carbon dioxide gas released into the atmosphere has attracted attention. Among such sensors, a solid electrolyte type carbon dioxide sensor element utilizing a change in electromotive force of the solid electrolyte is small, simple, and inexpensive, and therefore its practical application is eagerly desired.

【0003】現在、実用化が検討されている固体電解質
型炭酸ガスセンサ素子は、イオン伝導体である固体電解
質層、電子伝導物質および補助電極物質を含む作用電極
層、電子伝導物質を含む参照電極層、ならびにこれらを
加熱するためのヒータより構成されているのが一般的で
ある。
At present, a solid electrolyte type carbon dioxide sensor element which is being considered for practical use includes a solid electrolyte layer which is an ion conductor, a working electrode layer containing an electron conductive material and an auxiliary electrode material, and a reference electrode layer containing an electron conductive material. And a heater for heating them.

【0004】このセンサ素子は、通常100℃〜600
℃の一定温度に加熱されて作動し、炭酸ガスを含む雰囲
気中に放置すると、固体電解質層を介して作用電極層と
参照電極層との間に炭酸ガス濃度に応じたある一定の起
電力が発生する。放置した雰囲気中の炭酸ガス濃度が変
化すると、作用電極層に含まれる補助電極物質と炭酸ガ
スとの間で解離平衡反応が平衡に達するまで進行し、作
用電極層付近で固体電解質層の可動イオン濃度に変化が
生じる。
[0004] This sensor element is usually 100 ° C to 600 ° C.
When it is heated and operated at a constant temperature of ℃ and left in an atmosphere containing carbon dioxide gas, a certain electromotive force according to the carbon dioxide gas concentration is generated between the working electrode layer and the reference electrode layer via the solid electrolyte layer. Occur. When the concentration of carbon dioxide in the atmosphere left undisturbed, the dissociation equilibrium reaction between the auxiliary electrode substance and carbon dioxide contained in the working electrode layer progresses until equilibrium is reached, and the mobile ions of the solid electrolyte layer near the working electrode layer Changes occur in concentration.

【0005】この濃度変化は起電力の変化として現れる
ため、その時の起電力を電圧計で測定し、予め作成して
おいた起電力と炭酸ガス濃度との相関を示す検量線を用
いることで炭酸ガス濃度を知ることができる。
Since this change in concentration appears as a change in electromotive force, the electromotive force at that time is measured with a voltmeter, and a calibration curve showing the correlation between the electromotive force and the carbon dioxide gas concentration is used. You can know the gas concentration.

【0006】このような炭酸ガスセンサの固体電解質層
には、一般にNASICON(Na1+AZr2SiA3-A
12、但し0≦A≦3)、β−Al23などの陽イオン
伝導体が用いられている。
In general, NASICON (Na 1 + A Zr 2 Si A P 3-A) is formed on the solid electrolyte layer of such a carbon dioxide gas sensor.
A cationic conductor such as O 12 , where 0 ≦ A ≦ 3) and β-Al 2 O 3 is used.

【0007】作用電極層に含まれる電子伝導物質は、起
電力を検出するために必要な物質であり、金や白金など
耐熱、耐酸化性に優れた貴金属材料が用いられる。
The electron conductive substance contained in the working electrode layer is a substance necessary for detecting an electromotive force, and a noble metal material having excellent heat resistance and oxidation resistance such as gold and platinum is used.

【0008】作用電極層に含まれる補助電極物質は、炭
酸ガスが含まれる雰囲気中で、炭酸ガスとの平衡反応を
引き起こすことができる物質であり、炭酸ガスとの間で
解離平衡を有するアルカリ金属炭酸塩やアルカリ土類金
属炭酸塩が用いられている。
The auxiliary electrode substance contained in the working electrode layer is a substance capable of causing an equilibrium reaction with carbon dioxide in an atmosphere containing carbon dioxide, and an alkali metal having a dissociation equilibrium with carbon dioxide. Carbonates and alkaline earth metal carbonates are used.

【0009】さらに、参照電極層に含まれる電子伝導物
質には、作用電極層に含まれる電子伝導物質と同様のも
のが用いられている。
Further, as the electron conductive material contained in the reference electrode layer, the same material as the electron conductive material contained in the working electrode layer is used.

【0010】上記の構成で作動する固体電解質型炭酸ガ
スセンサは、雰囲気中に含まれる炭酸ガス濃度を正確に
測定し、さらに、小型で安価に作製できる利点を有して
いるため、汎用性の高いセンサ素子として受け入れられ
ている。
The solid electrolyte type carbon dioxide sensor that operates with the above configuration has an advantage that it can accurately measure the concentration of carbon dioxide contained in the atmosphere and can be made small and inexpensive, so that it has high versatility. Accepted as a sensor element.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
補助電極物質としてアルカリ金属炭酸塩やアルカリ土類
金属炭酸塩を用いた固体電解質型炭酸ガスセンサは、作
動開始から起電力が安定するまでの時間が6〜8時間か
かり、さらに高湿度や結露などのように水分濃度の高い
雰囲気中に非加熱の状態で放置されたものは、20〜4
0時間かかるという問題点を有していた。
However, in the solid electrolyte type carbon dioxide gas sensor using an alkali metal carbonate or an alkaline earth metal carbonate as the auxiliary electrode material, the time from the start of operation until the electromotive force is stabilized is reduced. Those that take 6 to 8 hours and are left unheated in an atmosphere having a high moisture concentration such as high humidity and dew condensation are 20 to 4 hours.
There was a problem that it took 0 hours.

【0012】起電力が安定するまでは計測ができないこ
とから、この問題点は固体電解質型炭酸ガスセンサの実
用化を妨げる要因ともなっている。従って、作動開始か
ら起電力が安定化するまでの時間(以下、安定化時間と
称する。)が短縮され、さらに高湿度や結露などのよう
に水分濃度の高い雰囲気中に非加熱の状態で放置されて
も、安定化時間が通常の状態と変わらない固体電解質型
炭酸ガスセンサの開発が望まれていた。
Since the measurement cannot be performed until the electromotive force is stabilized, this problem is a factor that hinders the practical use of the solid electrolyte type carbon dioxide sensor. Therefore, the time from the start of operation to the stabilization of the electromotive force (hereinafter, referred to as stabilization time) is shortened, and the apparatus is left unheated in an atmosphere having a high moisture concentration such as high humidity or dew. Even so, it has been desired to develop a solid electrolyte type carbon dioxide sensor whose stabilization time does not change from a normal state.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明者は、かかる特性
を有する固体電解質型炭酸ガスセンサを開発すべく研究
を重ねた結果、固体電解質層表面に形成される作用電極
層が、0.1〜8重量%のゼオライトを含むことことに
より、作動開始から起電力が安定化するまでの時間が
0.5時間以内であり、かつ高湿度や結露などのように
水分濃度の高い雰囲気中に非加熱の状態で放置されて
も、起電力の安定化時間がほとんど変わらない固体電解
質型炭酸ガスセンサが得られることを見い出し、本発明
を提案するに至った。
The inventor of the present invention has conducted various studies to develop a solid electrolyte type carbon dioxide gas sensor having such characteristics, and as a result, the working electrode layer formed on the surface of the solid electrolyte layer has a thickness of 0.1 to 0.1%. By containing 8% by weight of zeolite, the time from the start of operation to the stabilization of the electromotive force is within 0.5 hours, and non-heating in an atmosphere with high moisture concentration such as high humidity and dew condensation The present inventors have found that a solid electrolyte type carbon dioxide gas sensor having almost no change in the stabilization time of the electromotive force can be obtained even if the sensor is left in this state, and have come to propose the present invention.

【0014】即ち、本発明は、固体電解質層表面に電子
伝導物質と補助電極物質とを含む作用電極層及び電子伝
導物質を含む参照電極層が形成されてなる固体電解質型
炭酸ガスセンサ素子において、該作用電極層が0.1〜
8重量%のゼオライトを含むことを特徴とする固体電解
質型炭酸ガスセンサ素子である。
That is, the present invention provides a solid electrolyte type carbon dioxide sensor element comprising a working electrode layer containing an electron conductive material and an auxiliary electrode material and a reference electrode layer containing an electron conductive material formed on the surface of the solid electrolyte layer. 0.1 to working electrode layer
A solid electrolyte type carbon dioxide sensor element comprising 8% by weight of zeolite.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の固体電解質型炭
酸ガスセンサ素子の構成について詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the structure of a solid oxide carbon dioxide sensor element of the present invention will be described in detail.

【0016】本発明においては、作用電極層が0.1〜
8重量%のゼオライト、好ましくは0.5〜5重量%の
ゼオライトを含むことが重要である。
In the present invention, the working electrode layer has a thickness of 0.1 to
It is important to include 8% by weight of zeolite, preferably 0.5 to 5% by weight of zeolite.

【0017】作用電極層中に含まれるゼオライトが、作
用電極の全重量100重量%中に占める割合で0.1重
量%より少ない場合、起電力の安定化時間はゼオライト
が含まれていない作用電極層を有する固体電解質型炭酸
ガスセンサ素子の安定化時間と変わらず、本発明の目的
を達成することができない。また、作用電極層中に含ま
れるゼオライトが、8重量%よりも多い場合、通常時の
起電力の安定化時間は短縮されるものの、高湿度や結露
などのように水分濃度の高い雰囲気中に非加熱の状態で
放置されると、ゼオライトが含まれていない作用電極層
を有する固体電解質型炭酸ガスセンサ素子と同様に、起
電力の安定化に長時間を有し、本発明の目的を達成する
ことができない。
When the amount of zeolite contained in the working electrode layer is less than 0.1% by weight based on 100% by weight of the total weight of the working electrode, the stabilization time of the electromotive force is reduced in the working electrode containing no zeolite. The object of the present invention cannot be achieved without changing the stabilization time of the solid electrolyte type carbon dioxide sensor element having the layer. Further, when the amount of zeolite contained in the working electrode layer is more than 8% by weight, the stabilization time of the electromotive force at normal time is shortened, but in an atmosphere having a high moisture concentration such as high humidity or dew. When left unheated, like the solid electrolyte type carbon dioxide sensor element having a working electrode layer containing no zeolite, it has a long time to stabilize the electromotive force and achieves the object of the present invention. Can not do.

【0018】本発明において使用されるゼオライトは、
公知のものが何ら制限なく用いられる。例えば、A型、
X型、Y型、USY、ZSM−5などに加え、これらの
ゼオライトに含まれる陽イオンを他の陽イオンと交換し
たものを挙げることができる。
The zeolite used in the present invention is:
Known ones are used without any limitation. For example, type A,
In addition to X-type, Y-type, USY, ZSM-5, and the like, those obtained by exchanging cations contained in these zeolites with other cations can be mentioned.

【0019】上記のゼオライトのうち、Na+を含むU
SY(以下、Na−USYと略す。)およびNa−US
Yに含まれるNa+を、Li+やK+で置き換えたものが
本発明の効果をより発揮しやすいことから好ましく、特
にNa−USYに含まれるNa+をLi+で置き換えたも
の(以下、Li−USYと略す。)が好ましい。
Among the above zeolites, U containing Na +
SY (hereinafter abbreviated as Na-USY) and Na-US
It is preferable that Na + contained in Y is replaced with Li + or K + , because the effect of the present invention is more easily exerted. In particular, Na + contained in Na-USY is replaced with Li + (hereinafter, referred to as “Li +”) . Li-USY) is preferred.

【0020】ゼオライトに含まれる陽イオンを他の陽イ
オンと交換する方法は特に制限されるものではないが、
代表的な方法を例示すると、イオン交換される前のゼオ
ライト粉末を、交換しようとする陽イオンを含んだ水溶
液中に浸漬、撹拌した後、乾燥、焼成する方法を挙げる
ことができる。
The method of exchanging cations contained in zeolite for other cations is not particularly limited,
As a typical method, there may be mentioned a method in which the zeolite powder before ion exchange is immersed in an aqueous solution containing a cation to be exchanged, stirred, dried, and fired.

【0021】本発明において、ゼオライトに含まれる陽
イオンが他の陽イオンに交換される割合は特に制限され
るものではないが、本発明の効果をより発揮させるため
には、交換前の陽イオン100%に対して、70%以上
が交換されることが好ましい。
In the present invention, the rate at which the cations contained in the zeolite are exchanged for other cations is not particularly limited. It is preferable that 70% or more is exchanged with respect to 100%.

【0022】本発明において、作用電極層に含まれる補
助電極物質は、炭酸ガスが含まれる雰囲気中で、炭酸ガ
スとの平衡反応を引き起こすことができる物質であり、
公知の材料が制限なく使用される。例えば、炭酸ナトリ
ウム、炭酸リチウムなどのアルカリ金属炭酸塩およびこ
れらの混合物、もしくは炭酸カルシウム、炭酸マグネシ
ウムなどのアルカリ土類金属炭酸塩およびこれらの混合
物などが採用されるが、炭酸ガスとの平衡反応を起こし
やすいことからアルカリ金属炭酸塩、特に、炭酸ナトリ
ウムや炭酸リチウムを用いることが好ましい。
In the present invention, the auxiliary electrode substance contained in the working electrode layer is a substance capable of causing an equilibrium reaction with carbon dioxide in an atmosphere containing carbon dioxide.
Known materials are used without limitation. For example, alkali metal carbonates such as sodium carbonate and lithium carbonate and mixtures thereof, or alkaline earth metal carbonates such as calcium carbonate and magnesium carbonate and mixtures thereof are employed. It is preferable to use an alkali metal carbonate, particularly sodium carbonate or lithium carbonate, because it easily occurs.

【0023】作用電極層中の補助電極物質の含有量は特
に制限されないが、作用電極の全重量100重量%中に
占める割合で1〜70重量%であることが好ましく、特
に3〜50重量%であることがセンサ素子の起電力を安
定に出力させやすいことから好ましい。
The content of the auxiliary electrode substance in the working electrode layer is not particularly limited, but is preferably 1 to 70% by weight, more preferably 3 to 50% by weight based on 100% by weight of the total weight of the working electrode. Is preferable because it is easy to stably output the electromotive force of the sensor element.

【0024】本発明において、作用電極層に含まれる電
子伝導物質は、後述する参照電極層に含まれる電子伝導
物質と同様に、センサ素子の起電力を出力するために必
要な物質であり、公知の材料が制限なく使用される。例
えば、白金、金、パラジウム、銀などの貴金属元素およ
びこれらの合金、もしくは上記の貴金属元素の2種類以
上を混合したものが採用されるが、特に、白金、金およ
びこれらの混合物や合金が耐腐食性に優れていることか
ら好適である。
In the present invention, the electron conductive material contained in the working electrode layer is a substance necessary for outputting an electromotive force of the sensor element, similarly to the electron conductive material contained in the later-described reference electrode layer. Material is used without restriction. For example, noble metal elements such as platinum, gold, palladium, and silver and alloys thereof, or a mixture of two or more of the above noble metal elements are employed. In particular, platinum, gold, and mixtures and alloys thereof are resistant. It is suitable because of its excellent corrosiveness.

【0025】本発明において、電子伝導物質、補助電極
物質およびゼオライトを含む作用電極層の構造は、特に
制限されるものではない。代表的な構造を例示すると、
作用電極層の電子伝導物質中に補助電極物質およびゼオ
ライトが分散して存在する構造、電子伝導物質が固体電
解質層表面に形成された補助電極物質およびゼオライト
の混合物層の一部または全部を被覆する構造、補助電極
物質およびゼオライトの混合物層が固体電解質層表面に
形成された電子伝導物質の層の一部又は全部を被覆する
構造などが挙げられるが、特に、電子伝導物質中に補助
電極物質およびゼオライトが分散して存在する構造が作
用電極層を簡便に形成できることから好ましい。
In the present invention, the structure of the working electrode layer including the electron conductive material, the auxiliary electrode material and the zeolite is not particularly limited. To illustrate a typical structure,
A structure in which the auxiliary electrode material and zeolite are dispersed in the electron conductive material of the working electrode layer, and the electron conductive material covers part or all of the mixture layer of the auxiliary electrode material and zeolite formed on the surface of the solid electrolyte layer. The structure includes a structure in which a mixture layer of the auxiliary electrode material and the zeolite covers part or all of the layer of the electron conductive material formed on the surface of the solid electrolyte layer.In particular, the auxiliary electrode material and the The structure in which the zeolite is dispersed is preferred because the working electrode layer can be easily formed.

【0026】上記の作用電極層の形成方法としては、公
知の方法が特に制限なく使用される。例えば、上記の電
子伝導物質、補助電極物質およびゼオライトを単独で、
もしくは混合した後に溶媒およびバインダーと混練して
ペースト化し、該ペーストをスクリーン印刷法などによ
って固体電解質表面に焼き付ける方法、電子伝導物質、
補助電極物質およびゼオライトをスパッタリングや蒸着
などの薄膜形成技術によって形成する方法が好適に採用
される。
As a method for forming the working electrode layer, a known method is used without any particular limitation. For example, the above electron conductive material, auxiliary electrode material and zeolite alone,
Or a method of kneading with a solvent and a binder after mixing to form a paste, and baking the paste on a solid electrolyte surface by a screen printing method or the like, an electron conductive material,
A method in which the auxiliary electrode material and zeolite are formed by a thin film forming technique such as sputtering or vapor deposition is suitably adopted.

【0027】作用電極層の厚みは特に制限されないが、
一般には0.001〜0.03mmの範囲から採用され
る。
Although the thickness of the working electrode layer is not particularly limited,
Generally, it is adopted from the range of 0.001 to 0.03 mm.

【0028】本発明において、参照電極層に含まれる電
子伝導物質は、前述の作用電極層に含まれる電子伝導物
質と同様に、センサ素子の起電力を出力するために必要
な物質であり、公知の材料が制限なく使用される。例え
ば、白金、金、パラジウム、銀などの貴金属元素および
これらの合金、もしくは上記の貴金属元素の2種類以上
を混合したものが採用されるが、特に、白金、金および
これらの混合物や合金が耐腐食性に優れていることから
好適である。
In the present invention, the electron conductive material contained in the reference electrode layer is a substance necessary for outputting an electromotive force of the sensor element, similarly to the above-mentioned electron conductive material contained in the working electrode layer. Material is used without restriction. For example, noble metal elements such as platinum, gold, palladium, and silver and alloys thereof, or a mixture of two or more of the above noble metal elements are employed. In particular, platinum, gold, and mixtures and alloys thereof are resistant. It is suitable because of its excellent corrosiveness.

【0029】上記の参照電極層の形成方法としては、公
知の方法が特に制限なく使用される。例えば、既述の作
用電極層の製造方法で示したような方法を用いることが
できる。 参照電極層の厚みは特に制限されないが、一
般には0.001〜0.03mmの範囲から採用され
る。
As a method for forming the above-mentioned reference electrode layer, a known method is used without any particular limitation. For example, the method as described in the method for manufacturing the working electrode layer described above can be used. The thickness of the reference electrode layer is not particularly limited, but is generally adopted in the range of 0.001 to 0.03 mm.

【0030】本発明において、上記作用電極層および参
照電極層の配置は、作用電極層および参照電極層が固体
電解質層に接触していれば、特に制限されない。例え
ば、固体電解質層の片方の表面に作用電極層、他方の面
に参照電極層が形成されている構造を有するもの、固体
電解質の片方の表面に作用電極層と参照電極層の両層が
一定の距離をおいて形成されている構造を有するもので
も良い。
In the present invention, the arrangement of the working electrode layer and the reference electrode layer is not particularly limited as long as the working electrode layer and the reference electrode layer are in contact with the solid electrolyte layer. For example, a structure in which a working electrode layer is formed on one surface of a solid electrolyte layer and a reference electrode layer is formed on the other surface, and both the working electrode layer and the reference electrode layer are fixed on one surface of the solid electrolyte layer. May have a structure formed at a distance of.

【0031】本発明において、固体電解質層には、公知
の固体電解質が制限なく使用される。例えば、前述のN
ASICON、β―Al23などが挙げられる。
In the present invention, a known solid electrolyte is used for the solid electrolyte layer without any limitation. For example, N
ASICON, β-Al 2 O 3 and the like.

【0032】固体電解質層の形成方法は、公知の方法が
特に制限なく採用される。代表的な形成方法としては、
固体電解質の合成原料を焼成後、成形した後加熱する方
法、固体電解質の合成原料を成型した後、焼結する方
法、及び、固体電解質の合成原料を溶媒およびバインダ
ーと混練してペースト化し、該ペーストをスクリーン印
刷法などによってセラミックスやガラスの基板上に印刷
して焼き付ける方法などが挙げられる。
As a method for forming the solid electrolyte layer, a known method is employed without any particular limitation. As a typical forming method,
After sintering the solid electrolyte synthesis raw material, molding and heating, forming the solid electrolyte synthesis raw material, sintering, and kneading the solid electrolyte synthesis raw material with a solvent and a binder to form a paste, A method in which the paste is printed on a ceramic or glass substrate by a screen printing method or the like and baked is used.

【0033】固体電解質層の厚みは特に制限されない
が、一般には0.02mm〜2.0mmの範囲から採用
される。
Although the thickness of the solid electrolyte layer is not particularly limited, it is generally adopted in the range of 0.02 mm to 2.0 mm.

【0034】固体電解質型炭酸ガスセンサ素子は、補助
電極物質と炭酸ガスとの間で解離平衡反応を起こさせる
ため、通常100℃〜600℃の一定温度に加熱して使
用される。上記センサ素子を加熱する方法としては、セ
ンサ素子の外部の熱源からの加熱によっても良いし、ヒ
ータが形成されたセラミックスやガラス基板をセンサ素
子に接合し、該ヒータに直流または交流電圧を印加して
加熱してもよい。センサ素子に接合するヒータの装着位
置は、参照電極層の上のように、センサ素子の作動を阻
害しない位置であれば特に制限されない。
The solid electrolyte type carbon dioxide sensor element is usually heated to a constant temperature of 100 to 600 ° C. in order to cause a dissociation equilibrium reaction between the auxiliary electrode substance and carbon dioxide. As a method for heating the sensor element, heating from a heat source external to the sensor element may be used, or a ceramic or glass substrate on which a heater is formed is joined to the sensor element, and a DC or AC voltage is applied to the heater. May be heated. The mounting position of the heater joined to the sensor element is not particularly limited as long as it does not hinder the operation of the sensor element, such as on the reference electrode layer.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明の固体電解質型炭酸ガスセンサ素
子は、作用電極層に該作用電極に0.1〜8重量%のゼ
オライトを用いることにより、作動開始から起電力が安
定化するまでの時間を0.5時間以内とすることが可能
になった。さらに、高湿度や結露などのように水分濃度
の高い雰囲気中に非加熱の状態で放置されても、起電力
の安定化時間が通常時とほとんど変わらない。従って、
本発明は、どのような環境下においても、炭酸ガスを素
早く測定することが可能になった点において技術的な意
義は大きい。
According to the solid electrolyte type carbon dioxide sensor element of the present invention, by using 0.1 to 8% by weight of zeolite for the working electrode in the working electrode layer, the time from the start of operation until the electromotive force is stabilized is obtained. Within 0.5 hours. Furthermore, even if the apparatus is left unheated in an atmosphere having a high moisture concentration such as high humidity or dew condensation, the stabilization time of the electromotive force is almost the same as that in the normal state. Therefore,
The present invention has great technical significance in that carbon dioxide gas can be quickly measured under any environment.

【0036】[0036]

【実施例】本発明を具体的に説明するために以下の実施
例を挙げて説明するが、本発明は、これら実施例に制限
されるものではない。
EXAMPLES The present invention will be described specifically with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0037】(1)通常時の起電力安定化時間の測定 センサ素子を温度25℃、湿度40%に保持された恒温
槽内に入れて、非加熱のまま7日間連続で放置した。
(1) Measurement of electromotive force stabilization time during normal operation The sensor element was placed in a constant temperature bath maintained at a temperature of 25 ° C. and a humidity of 40%, and was left unheated for seven consecutive days.

【0038】センサ素子を恒温槽から取り出した後、直
ちに炭酸ガス濃度が350ppmに保たれたチャンバー
内に入れ、電源よりヒータに直流電圧を印加して、セン
サ素子を450℃に加熱した。加熱開始から、センサ素
子の起電力の値が±4mVの範囲で安定になるまでの時
間を測定し、これを通常時のセンサ素子の安定化時間と
した。
Immediately after the sensor element was taken out of the thermostat, the sensor element was immediately placed in a chamber in which the concentration of carbon dioxide was maintained at 350 ppm, and a DC voltage was applied from a power source to a heater to heat the sensor element to 450 ° C. The time from the start of heating until the value of the electromotive force of the sensor element became stable in the range of ± 4 mV was measured, and this was defined as the normal stabilization time of the sensor element.

【0039】(2)高湿度雰囲気非加熱放置後の起電力
安定化時間の測定 センサ素子を温度60℃、湿度90%に保持された恒温
槽内に入れて、非加熱のまま7日間連続で放置した。
(2) Measurement of electromotive force stabilization time after leaving high-humidity atmosphere unheated The sensor element was placed in a thermostat maintained at a temperature of 60 ° C. and a humidity of 90%, and was continuously heated for 7 days without heating. I left it.

【0040】センサ素子を恒温槽から取り出した後、直
ちに炭酸ガス濃度が350ppmに保たれたチャンバー
内に入れ、電源よりヒータに直流電圧を印加して、セン
サ素子を450℃に加熱した。加熱開始から、センサ素
子の起電力の値が±4mVの範囲で安定になるまでの時
間を測定し、これを高湿度雰囲気非加熱放置後センサ素
子の安定化時間とした。
Immediately after the sensor element was taken out of the constant temperature bath, the sensor element was placed in a chamber in which the concentration of carbon dioxide was maintained at 350 ppm, and a DC voltage was applied from a power source to a heater to heat the sensor element to 450 ° C. The time from the start of heating until the value of the electromotive force of the sensor element was stabilized in the range of ± 4 mV was measured, and this was defined as the stabilization time of the sensor element after leaving it in a high-humidity atmosphere without heating.

【0041】実施例1〜15固体電解質型炭酸ガスセン
サとして、図1に示されるような断面構造を有する素子
を作製した。この固体電解質型ガスセンサ素子は、固体
電解質層2の片面に作用電極層1が、反対面に参照電極
層3が形成され、参照電極層3の上にはセラミックス板
4が接着剤5によって接合されている。さらに、参照電
極層3が接合している面とは反対側のセラミックス板4
の表面にはヒータ6が形成されおり、電源7から電気の
供給を受けている。また、作用電極層1および参照電極
層3からはリード線が引き出されており、電圧計8に接
続して起電力が測定されている。
Examples 1 to 15 Elements having a sectional structure as shown in FIG. 1 were produced as solid electrolyte type carbon dioxide sensors. In this solid electrolyte type gas sensor element, a working electrode layer 1 is formed on one surface of a solid electrolyte layer 2 and a reference electrode layer 3 is formed on the other surface, and a ceramic plate 4 is bonded on the reference electrode layer 3 with an adhesive 5. ing. Furthermore, the ceramic plate 4 on the opposite side to the surface to which the reference electrode layer 3 is bonded
A heater 6 is formed on the surface of the device, and is supplied with electricity from a power supply 7. Further, lead wires are drawn out from the working electrode layer 1 and the reference electrode layer 3, and connected to a voltmeter 8 to measure the electromotive force.

【0042】固体電解質層を形成するための固体電解質
粉末は、ケイ酸ジルコニウムとリン酸ナトリウムをNa
3Zr2SiPO12の組成になるように混合し、1100
℃の大気雰囲気で6時間、焼成することによって得た。
The solid electrolyte powder for forming the solid electrolyte layer is made of zirconium silicate and sodium phosphate.
3 Zr 2 SiPO 12 was mixed to give a composition of 1100
It was obtained by baking for 6 hours in an air atmosphere at a temperature of ° C.

【0043】固体電解質層2は、上記固体電解質粉末を
一軸成形後、1200℃の大気雰囲気で10時間焼結し
て円盤状のペレットとした。
The solid electrolyte layer 2 was formed into a disk-shaped pellet by uniaxially molding the above-mentioned solid electrolyte powder and then sintering at 1200 ° C. in an air atmosphere for 10 hours.

【0044】作用電極層は、5重量%エチルセルロース
を溶解したテルピネオールに、電子伝導物質としての金
粉末、補助電極物質およびゼオライトを表1に示す割合
で混練してペーストとし、これを上記固体電解質層の片
面にスクリーン印刷、乾燥、650℃の大気中で30分
焼成して形成した。このようにして、膜厚が0.015
mmの作用電極層を得た。
The working electrode layer was kneaded with terpineol in which 5% by weight of ethylcellulose was dissolved and gold powder as an electron conductive material, an auxiliary electrode material and zeolite at a ratio shown in Table 1 to form a paste. Was formed by screen printing, drying, and baking for 30 minutes in the air at 650 ° C. Thus, when the film thickness is 0.015
mm of working electrode layer was obtained.

【0045】ゼオライトのうち、Li−USYは、Na
−USYを25℃の硝酸リチウム水溶液中で12時間撹
拌して水洗した後、500℃の大気中で8時間焼成する
ことによって得た。この処理により、Na−USY中の
Na+の90%がLi+に交換されたLi−USYが得ら
れていることが、蛍光X線分析装置によって確認され
た。
Of the zeolites, Li-USY is Na
-USY was stirred for 12 hours in an aqueous solution of lithium nitrate at 25 ° C, washed with water, and then calcined in the air at 500 ° C for 8 hours. By this processing, it was confirmed by a fluorescent X-ray analyzer that Li-USY in which 90% of Na + in Na-USY was replaced with Li + was obtained.

【0046】また、A型およびZSM−5のゼオライト
は、市販のものをそのまま用いた。
As the A-type and ZSM-5 zeolites, commercially available zeolites were used as they were.

【0047】参照電極層は、電子伝導物質としての金粉
末と5重量%エチルセルロースを溶解したテルピネオー
ルとを混練してペーストとし、これを上記固体電解質層
の作用電極層を形成した面とは反対の表面にスクリーン
印刷、乾燥、650℃の大気中で30分焼成して形成し
た。このようにして、膜厚が0.015mmの参照電極
層を得た。
The reference electrode layer is obtained by kneading gold powder as an electron conductive material and terpineol in which 5% by weight of ethylcellulose is dissolved to form a paste, which is opposite to the surface of the solid electrolyte layer on which the working electrode layer is formed. It was formed by screen printing, drying, and baking for 30 minutes in the air at 650 ° C. on the surface. Thus, a reference electrode layer having a thickness of 0.015 mm was obtained.

【0048】上記の参照電極層の上には、市販の白金ペ
ーストでスクリーン印刷法によって形成した白金ヒータ
を搭載するアルミナ基板を、ヒータが形成されていない
面が接合面になるようにガラスよりなる接着剤で接合し
た。
On the above-mentioned reference electrode layer, an alumina substrate mounted with a platinum heater formed by a screen printing method using a commercially available platinum paste is made of glass such that the surface on which the heater is not formed becomes a bonding surface. Bonded with adhesive.

【0049】以上の方法によって作製した固体電解質型
炭酸ガスセンサ素子に対し、通常時および高湿度雰囲気
非加熱放置後の起電力安定化時間の測定を行った。
With respect to the solid electrolyte type carbon dioxide sensor element manufactured by the above-described method, the electromotive force stabilization time was measured at normal time and after non-heating and leaving in a high humidity atmosphere.

【0050】その結果を表1に示した。The results are shown in Table 1.

【0051】比較例1〜8 比較例1〜8の固体電解質型炭酸ガスセンサ素子は、実
施例1〜15と同様の方法で作製した。
Comparative Examples 1 to 8 The solid electrolyte type carbon dioxide sensor elements of Comparative Examples 1 to 8 were produced in the same manner as in Examples 1 to 15.

【0052】比較例1〜8の作用電極層は、5重量%エ
チルセルロースを溶解したテルピネオールに、電子伝導
物質としての金粉末、補助電極物質および実施例と同様
のゼオライトとを表1に示した割合で混練してペースト
とし、これを固体電解質層の片面にスクリーン印刷、乾
燥、650℃の大気中で30分焼成して形成した。
The working electrode layers of Comparative Examples 1 to 8 were prepared by mixing terpineol in which 5% by weight of ethylcellulose was dissolved with gold powder as an electron conductive material, an auxiliary electrode material, and the same zeolite as in the examples shown in Table 1. To form a paste, which was formed on one surface of the solid electrolyte layer by screen printing, drying, and baking for 30 minutes in the air at 650 ° C.

【0053】作製したセンサ素子に対し、通常時および
高湿度雰囲気非加熱放置後の起電力安定化時間の測定を
行った。その結果を表1に示した。
The electromotive force stabilization time of the fabricated sensor element was measured at normal time and after leaving it in a high humidity atmosphere without heating. The results are shown in Table 1.

【0054】[0054]

【表1】 [Table 1]

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

【図1】 図1は、固体電解質型炭酸ガスセンサ素子の
代表的な態様を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a typical embodiment of a solid oxide carbon dioxide sensor element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1.作用電極層 2.固体電解質層 3.参照電極層 4.セラミックス板 5.接着剤 6.ヒータ 7.電源 8.電圧計 1. Working electrode layer 2. Solid electrolyte layer 3. 3. Reference electrode layer Ceramic plate 5. Adhesive 6. Heater 7. Power supply 8. voltmeter

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体電解質層表面に電子伝導物質と補助
電極物質とを含む作用電極層及び電子伝導物質を含む参
照電極層が形成されてなる固体電解質型炭酸ガスセンサ
素子において、該作用電極層が0.1〜8重量%のゼオ
ライトを含むことを特徴とする固体電解質型炭酸ガスセ
ンサ素子。
1. A solid electrolyte type carbon dioxide sensor element in which a working electrode layer containing an electron conducting material and an auxiliary electrode material and a reference electrode layer containing an electron conducting material are formed on the surface of a solid electrolyte layer. A solid oxide carbon dioxide sensor element comprising 0.1 to 8% by weight of zeolite.
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