JPS6394148A - 固体電解質を用いた酸素濃度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は気体中に含まれる酸素濃度を測定する方法に関
するものである。

（従来の技術） 気体中の酸素濃度を測定する方法は種々実用されている
が１、その一つとして固体電解質を用いた限界電流式酸
素センサを利用する方法がしられている。この酸素セン
サの酸素センサ素子は第５図に示すように、ペロプスカ
イト型酸化物よりなる酸素イオン伝導性の固体電解質１
　（例えば安定化ジルコニア）の両面に白金等の多孔質
電極を設け、その一方をアノード２、他方をカソード３
とし、限界電流特性を発現させるための手段として、例
えばカソード３を蔽うように微小孔４を有するアルミナ
あるいは安定化ジルコニア等のセラミックからなる酸素
拡散制御ｌＩＪとしてのキャンプ５を設けてなるもので
ある０両電極間に直流電圧を印加すると気体中の酸素を
酸素イオン伝導性固体電解質１を介して電流が流れ、印
加電圧を高（するとＴ４流が大きくなるが、微小孔４に
よって酸素のとり込みが制限されるので、ある電圧に達
すると電流は飽和する。この飽和した電流は限界電流と
呼ばれるが、この限界電流値と酸素濃度とは比例関係に
あるので、限界電流値を測定することによって酸素濃度
を知ることができるものである。

（発明が解決しようとする問題点） ペロプスカイト型酸化物よりなる固体電解質は従来例に
おいて使用される如き酸素イオン輸率が１で水素イオン
輸率がＯなる酸素イオン伝導性のものは数が少なく、は
とんど大部分のものは酸素イオンと水素イオンの両方の
伝導性を有するものであるので、材料選択の容易さの点
から酸素イオンと水素イオンの両方の伝導性をもつ固体
電解質を用いることが望ましい、しかし、このような固
体電解質を用いた場合、酸素を含む被測定気体なかに、
水素原子を有する水（Ｈ！Ｏ）、水素（■２）、エタノ
ール（ＣＪｓＯＨ）等が存在するときは、これらがアノ
ード上にて電気分解して水素イオン（Ｈ゛）が発生し、
固体電解質が水素イオン及び酸素イオンの両方の伝導性
を有するために水素イオンをキャリヤとする電流と酸素
イオンをキャリヤとする電流とが混在して流れ、また、
従来例の酸素センサ素子の如くカソード側に酸素拡散制
御層としての微小孔を有するキャップが設けられている
場合は酸素のとり込みが制限され、アノード側にはキャ
ップがないために水素原子を含む気体のとり込みが制限
されないので水素イオンをキャリヤとする電流が大部分
を占めることになり、限界電流が水素イオンの影響を強
く受は酸素濃度と比例しなくなるので酸素濃度が測定で
きなくなる。

（問題点を解決するための手段及び作用）本発明は上記
のような実状に迄みてなされたもので、例えばＢａＣｅ
Ｑ、の如きペロプスカイト型酸化物よりなる水素イオン
伝導性と酸素イオン伝導性とを合わせ持つ固体電解質を
用い、酸素イオン伝導性のみを選択利用するためにアノ
ード側に気体拡散制御層を設けた酸素センサを用いて酸
素濃度を測定する方法を提供するものである。このよう
に酸素イオン伝導性のみを選択利用するので水素イオン
をキャリヤとする電流は無視できるほど少なくなり、は
とんど酸素イオンをキャリヤとする電流のみとなり、こ
のときの限界電流は酸素濃度に比例するので限界電流の
測定によって酸素濃度を知ることができる。

（実施例） 第１図は、本発明による酸素濃度測定に用いる酸素濃度
センサ素子の断面図であり、同図において、１１は水素
イオン伝導性と酸素イオン伝導性とを合わせ持つ、例え
ばＢａＣｅＯｓの如きペロブスカイト型酸化物からなる
固体電解質であり、この両面に多孔質白金電極を設け、
その一方をアノード１２、他方をカソード１３とし、気
体拡散制御層として微小孔１４が形成されたキャップ１
５がアノード１２を蔽うように固体電解質１１に接合さ
れたものであり、本発明による酸素濃度測定方法は上記
の如き酸素センサを用いて酸素濃度を測定するものであ
る。

上記の酸素センサ素子の両電極間に直流電圧を印加する
と、各電極上では次の反応が起こる。

気体中に水素が含まれている場合 カソード　　１八Ｏｚ＋２ｅ−−’　Ｏ”−ｉｌｌアノ
ード　　Ｈｚ→２）１”　＋　２ｅ−（２１しかし、ア
ノード側に設けられたキャップ１５の微小孔１４によっ
て水素の気体拡散が制御されるので水素イオンをキャリ
ヤとする電流は無視できるほど少なくなり、第２図に示
す如き電流特性をもち、このときの限界電流は第３図に
示す如く酸素濃度に比例する。従ってこの限界電流を測
定することによって酸素濃度を知ることができる。

また、気体中に水分あるいはアルコール例えばエタノー
ルが含まれている場合は反応＋１１に加えて次のような
反応がおこる。

気体中に水分がふくまれている場合 カソード　　ＨＪ＋２ｅ−＝　Ｏ”−＋　Ｈｚ　　　　
　（３１アノード　　ＬＯ−２１Ｍ″＋１八０　ｚ　＋
　２　ｅ　−（４１気体中にエタノールが含まれている
場合カソード　　ＣＪ５０１１　＋　２ｅ−＝ＣｔＨａ
＋ｌＩｚ＋０”−（５１アノード　　ＣｚＨｓＯＨ−Ｃ
１１３ＣＩＩＯ＋２）１”　＋　２ｅ−ｆ６１従って、
この場合は第４図の如く二段の平坦部をもつ電流特性を
もち、（１）の領域ではこの反応＋１１による電流で（
ＩＩ）の領域では水あるいはアルコールが分解して反応
（３）〜（６）による電流が加わる領域であり、反応（
３）〜（６）は印加電圧かり９以上でないと起こらない
ので、ＶＤ以下の電圧を印加したときの！、は被測定気
体中の酸素濃度にのみ比例する。従ってこのＩ、を限界
電流として測定すれば第３図に示す関係から酸素の濃度
を知ることができる。

本発明による酸素濃度の測定は上記の如き酸素センサ素
子を用い酸素をとり込むカソード側には気体拡散制御層
を設けていないので限界電流特性が得られるのは多孔質
電極の電極能力以下における比較的低濃度の場合であり
、数％以下の酸素濃度の測定に適している。なお、限界
電流特性を発現させるための手段としては、前述のキャ
ップ被冠以外に、例えば多孔質セラミック被覆など各種
の実施例が存在する。

（発明の効果） ペロブスカイト型酸化物よりなる固体電解質はほとんど
大部分のものが水素イオンと酸素イオン両方の伝導性を
有するものが多く、本発明においてはこのような固体電
解質を用いるので材料の選択が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による酸素２１度測定に用いる酸素セン
サ素子の断面図、第２図は水素を含む気体中での本発明
に係る酸素センサ素子の印加電圧と出力電流との関係を
示すグラフ、第３図は同じく限界電流と酸素濃度との関
係を示すグラフ、第４図は水分あるいはアルコールを含
む気体中での同じく酸素センサ素子の印加電圧と出力電
流との関係を示すグラフ、第５図は従来例の酸素センサ
素子の断面図である。 １１：水素イオン伝導性と酸素イオン伝導性を合わせ持
つ固体電解質、１２ニアノード、１３：カソード、１４
：微小孔、１５：水素拡散制御層としてのキャップ。 代理人　　弁理士　　竹　内　　９ 第１　図 第２図 印カロ斬 第３図 第４図 Ｖ。 Ｆ１７カロ電ＩＥ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水素イオン伝導性と酸素イオン伝導性とを合わせ持った
   固体電解質の両面に多孔質電極を設け、その一方をアノ
   ード、他方をカソードとし、アノードを蔽う水素拡散制
   御層を設けて、両電極間に直流電圧を印加し、酸素イオ
   ン（Ｏ＾２＾−）をキャリヤとする出力電流により気体
   中の酸素を検出することを特徴とする固体電解質を用い
   た酸素濃度測定方法。