JP2000214129A - Carbon dioxide gas sensor - Google Patents
Carbon dioxide gas sensorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、被検ガス中の炭酸
ガスを検出するための炭酸ガスセンサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon dioxide sensor for detecting carbon dioxide in a test gas.
【0002】[0002]
【従来の技術】種々のエネルギー消費活動に伴う炭酸ガ
ス(CO2)の排出量は年々増大しており、近年、地球
温暖化現象等の弊害に対する懸念が、地球規模にて拡大
している。また、これを受けて、炭酸ガス排出に対する
総量規制への動きも急速に進みつつあり、産業界ではさ
まざまな角度から対応が検討されている。例えば、迅速
で簡易な炭酸ガス検出法の確立も大きなテーマの一つと
なっている。2. Description of the Related Art Emissions of carbon dioxide (CO 2 ) due to various energy consumption activities are increasing year by year, and in recent years, concerns about harmful effects such as global warming are increasing on a global scale. In response to this, the movement toward total emission control for carbon dioxide emissions is also rapidly progressing, and the industry is considering measures from various angles. For example, establishment of a quick and simple method for detecting carbon dioxide is also one of the major themes.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】現在、炭酸ガス検出方
法の主流となっているのは、赤外線吸収法等の機器分析
法であるが、この方法は装置が高価である上極めて大型
であり、例えばボイラーや内燃機関(とくに自動車エン
ジンなど)等の、個々の炭酸ガス発生源にてのその場計
測を行うことが事実上不可能であるという、大きな欠点
がある。At present, the mainstream of the method for detecting carbon dioxide gas is an instrumental analysis method such as an infrared absorption method. However, this method is expensive and extremely large. A major drawback is that it is virtually impossible to perform in-situ measurements at individual carbon dioxide sources, such as boilers and internal combustion engines (especially automotive engines, etc.).
【0004】他方、これまでには、固体電解質を使用し
た小型の炭酸ガスセンサの提案も、皆無ではなっかた
が、それらはいずれも実用化する上での種々の問題をは
らんでいた。例えば、濃淡電池方式の炭酸ガスセンサで
は、基準炭酸ガス濃度を与える参照極の設定が必ず必要
であり、センサ構造が複雑化してしまう欠点がある。[0004] On the other hand, there has been no proposal of a small-sized carbon dioxide gas sensor using a solid electrolyte, but all of them have various problems in practical use. For example, in a carbon dioxide gas sensor of a concentration cell type, setting of a reference electrode for giving a reference carbon dioxide gas concentration is always necessary, and there is a disadvantage that the sensor structure becomes complicated.
【0005】この問題を解決するために、特開平4−2
29847号公報には、リチウムイオン伝導体と酸化物
イオン伝導体とを重ね合わせ、リチウムイオン伝導体の
酸化物イオン伝導体側を封止した構造を有する炭酸ガス
センサが提案されている。この場合、リチウムイオン伝
導体側を検出極側、酸化物イオン伝導体側を参照極側と
して、炭酸ガスを含有する被検ガス中に挿入したとき
の、検出極と参照極との間に生ずる起電力を、被検ガス
中の炭酸ガスの検出出力として取り出すようにする。し
かしながら、このセンサは、作動させてから起電力値が
安定するまでに少なくとも10日以上かかり、初期安定
性は十分といえない。加えて、長期安定性にも欠点があ
る。In order to solve this problem, Japanese Patent Laid-Open Publication No.
Japanese Patent Publication No. 29847 proposes a carbon dioxide sensor having a structure in which a lithium ion conductor and an oxide ion conductor are overlapped and the lithium ion conductor is sealed on the oxide ion conductor side. In this case, the electromotive force generated between the detection electrode and the reference electrode when inserted into the test gas containing carbon dioxide with the lithium ion conductor side as the detection electrode side and the oxide ion conductor side as the reference electrode side Is taken out as a detection output of carbon dioxide in the test gas. However, it takes at least 10 days for the sensor to stabilize the electromotive force value after operation, and the initial stability is not sufficient. In addition, long-term stability has disadvantages.
【0006】本発明の課題は、参照極側の設定が不要
で、しかもセンサ出力の初期及び長期安定性にも優れた
炭酸ガスセンサを提供することにある。An object of the present invention is to provide a carbon dioxide gas sensor which does not need to be set on the reference electrode side and has excellent initial and long-term stability of sensor output.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記の課
題を解決するための本発明の炭酸ガスセンサは、主たる
導電イオン種が2価金属カチオンである2価イオン伝導
性固体電解質を主体に構成された2価イオン伝導体層
と、その2価イオン伝導体層に積層形成され、主たる導
電イオン種が酸素イオンである酸素イオン伝導性固体電
解質を主体に構成された酸素イオン伝導体層と、2価イ
オン伝導体層の表面に形成される検出極と、酸素イオン
伝導体の表面に形成される参照極と、を有する検出部を
備え、検出極と参照極とが炭酸ガスを含有する被検ガス
と接するように、検出部を該被検ガス中に挿入したとき
の、それら検出極と参照極との間に生ずる起電力を、被
検ガス中の炭酸ガスの検出出力として取り出すことを特
徴とする。Means for Solving the Problems and Functions / Effects The carbon dioxide sensor of the present invention for solving the above-mentioned problems mainly comprises a divalent ion conductive solid electrolyte in which the main conductive ion species is a divalent metal cation. A divalent ion conductor layer, and an oxygen ion conductor layer mainly formed of an oxygen ion conductive solid electrolyte that is formed on the divalent ion conductor layer and whose main conductive ion species is oxygen ion; A detection unit having a detection electrode formed on the surface of the divalent ion conductor layer and a reference electrode formed on the surface of the oxygen ion conductor is provided, and the detection electrode and the reference electrode contain carbon dioxide. An electromotive force generated between the detection electrode and the reference electrode when the detection unit is inserted into the test gas so as to be in contact with the test gas is taken out as a detection output of carbon dioxide gas in the test gas. Features.
【0008】上記本発明の炭酸ガスセンサによれば、参
照極側の設定の必要なく、加えてセンサ出力の初期及び
長期安定性も十分に確保できるようになる。例えば、リ
チウムイオン伝導体を使用する前記従来のセンサでは、
リチウムイオン伝導体層と酸素イオン伝導体層との間に
形成される酸化リチウム層が比較的不安定であることが
原因となって、起電力値の初期安定性あるいは長期安定
性に問題を生じていたと考えられる。これに対し、本発
明のセンサでは、2価イオン伝導体層と酸素イオン伝導
体層との界面には、酸化リチウム層ではなく、可動2価
イオンの酸化物層が形成される。このような2価イオン
の酸化物層は極めて安定であるため、安定したセンサ出
力が得られるようになると考えられる。According to the carbon dioxide sensor of the present invention, it is not necessary to set the reference electrode, and in addition, the initial and long-term stability of the sensor output can be sufficiently ensured. For example, in the conventional sensor using a lithium ion conductor,
The relatively unstable lithium oxide layer formed between the lithium ion conductor layer and the oxygen ion conductor layer causes problems in the initial stability or long-term stability of the electromotive force value. It is thought that it was. On the other hand, in the sensor of the present invention, not a lithium oxide layer but an oxide layer of movable divalent ions is formed at the interface between the divalent ion conductor layer and the oxygen ion conductor layer. Since such a divalent ion oxide layer is extremely stable, it is considered that a stable sensor output can be obtained.
【0009】本発明のセンサによる炭酸ガス測定メカニ
ズムは、およそ次のようなものと考えている。すなわ
ち、本発明のセンサでは、導電イオン種の異なる2種類
のイオン伝導体を用いており、両イオン伝導体界面でそ
の二種のイオン種が反応する。検出極では化1,両イオ
ン伝導体界面では化2、参照極では化3の反応が起こ
る。The mechanism of measuring carbon dioxide by the sensor of the present invention is considered as follows. That is, in the sensor of the present invention, two types of ion conductors having different conductive ion species are used, and the two ion species react at the interface between both ion conductors. At the detection electrode, the following reactions occur: at the interface between the two ion conductors, at the interface, and at the reference electrode, the following reactions occur.
【0010】[0010]
【化1】MgCO3 → Mg2+ + CO2(I) + 1/
2O2(I) + 2e- ## STR1 ## MgCO 3 → Mg 2+ + CO 2 (I) + 1 /
2O 2 (I) + 2e -
【0011】[0011]
【化2】Mg2+ + O2 - → MgO Embedded image Mg 2+ + O 2 − → MgO
【0012】[0012]
【化3】1/2O2(II) + 2e- → O2 - Embedded image 1 / 2O 2 (II) + 2e − → O 2 −
【0013】センサ全体の反応は、化4で表され、ネル
ンスト式から求まる計算式は数1となる。The reaction of the whole sensor is represented by the following formula (4), and the calculation formula obtained from the Nernst formula is given by the following equation (1).
【0014】[0014]
【化4】MgCO3 + 1/2O2(II) → MgO
+CO2(I) + 1/2O2(I)Embedded image MgCO 3 + 1 / 2O 2 (II) → MgO
+ CO 2 (I) + 1 / 2O 2 (I)
【0015】[0015]
【数1】E = C(定数) − 0.0992 T log
PCO2(I)E = C (constant) −0.0992 T log
PCO 2 (I)
【0016】以上からも明らかな通り、上記本発明のセ
ンサは、参照極の反応に二酸化炭素を含まないので、濃
淡電池型のセンサと異なり炭酸ガスを含む参照雰囲気を
必要としない。従って、検出極と参照極とを同一の被検
ガス雰囲気中に配することができる。この場合、上記反
応式において、化4と数1とから酸素が消去され、被検
ガス中の酸素濃度の影響が及ばなくなるという、本発明
のセンサ特有の効果を生ずるのである。なお、炭酸ガス
及び酸素を含有した被検ガス雰囲気中に配したときに、
2価イオン伝導体層側において発生した2価金属イオン
と、酸素イオン伝導体層側で発生した酸素イオンとは、
それら2価イオン伝導体層と酸素イオン伝導体層との重
ね合わせ界面にて反応する形となる。As is clear from the above, the sensor of the present invention does not contain carbon dioxide in the reaction of the reference electrode, and therefore does not require a reference atmosphere containing carbon dioxide gas unlike the concentration cell type sensor. Therefore, the detection electrode and the reference electrode can be arranged in the same test gas atmosphere. In this case, in the above reaction formula, oxygen is eliminated from the chemical formula (4) and the formula (1), and the effect of the sensor of the present invention that the influence of the oxygen concentration in the test gas is not exerted is produced. Note that when placed in a test gas atmosphere containing carbon dioxide and oxygen,
The divalent metal ions generated on the divalent ion conductor layer side and the oxygen ions generated on the oxygen ion conductor layer side are:
The reaction takes place at the superposed interface between the divalent ion conductor layer and the oxygen ion conductor layer.
【0017】また、界面には可動2価イオンの酸化物層
が形成され、このものが極めて安定であるため、初期セ
ンサ出力も安定しており、かつ、出力も精度良く得られ
る。Further, an oxide layer of movable divalent ions is formed at the interface and is very stable, so that the initial sensor output is stable and the output can be obtained with high accuracy.
【0018】2価イオン伝導体層は、主たる導電イオン
種がMg2+、Ca2+、Sr2+及びBa2+から選ばれる1
種又は2種以上の2価金属カチオンである2価イオン伝
導性固体電解質を主体に構成することができる。これに
より、センサ出力の初期及び長期安定性を一層良好なも
のとすることができる。その理由は、前記した界面にと
りわけ安定な可動2価イオンの酸化物層が形成されるた
めであると考えられる。このうち特に、酸化マグネシウ
ムが高温でも極めて安定であるため、主たる導電イオン
種がMg2+である2価イオン伝導性固体電解質を、本発
明のセンサの2価イオン伝導体層の構成材質として好ま
しく使用することができる。In the divalent ion conductor layer, the main conductive ionic species is selected from Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ and Ba 2+.
It can be mainly composed of a divalent ion-conductive solid electrolyte that is a kind or two or more kinds of divalent metal cations. Thereby, the initial and long-term stability of the sensor output can be further improved. It is considered that the reason for this is that a particularly stable oxide layer of movable divalent ions is formed at the interface. Among them, particularly, magnesium oxide is extremely stable even at a high temperature. Therefore, a divalent ion conductive solid electrolyte whose main conductive ion species is Mg 2+ is preferable as a constituent material of the divalent ion conductor layer of the sensor of the present invention. Can be used.
【0019】なお、このような2価イオン伝導性固体電
解質としては、具体的に、MgZrP6O24、Mg1+xZ
r4P6O24+x + xZr2O(PO4)2コンポジット
(xは、例えば0から5程度)等を使用でき、また、こ
れらの2種以上を組合せて使用してもよい。Specific examples of such a divalent ion conductive solid electrolyte include MgZrP 6 O 24 and Mg 1 + x Z.
r 4 P 6 O 24 + x + xZr2O (PO 4) 2 Composite (x, for example, from about 0 5) can be used like, may also be used in combination of two or more of these.
【0020】一方、酸素イオン伝導体を構成する酸素イ
オン伝導性固体電解質としては、例えば、ジルコニア
(ZrO2:Y2O3やCaO等、安定化のための酸化物
成分が含有されていてもよい)系固体電解質セラミック
スを使用できる。On the other hand, as the oxygen ion conductive solid electrolyte constituting the oxygen ion conductor, for example, zirconia (ZrO 2 : Y 2 O 3 , CaO or the like) may be used even if an oxide component for stabilization is contained. Good) based solid electrolyte ceramics can be used.
【0021】次に、2価イオン伝導体層と酸化物イオン
伝導体層との界面部に被検ガスが浸透することを阻止又
は抑制するために、該界面部の縁を封止する封止手段を
設けることができる。2価イオン伝導体層と酸化物イオ
ン伝導体層との界面部に被検ガスが浸透すると、上記界
面部でのセンサ反応が正常に進まなくなり、検出精度の
低下を生じやすくなる場合があるが、上記のような封止
手段を設けることにより、そのような不具合が解消さ
れ、精度高い炭酸ガス検出が可能となる。Next, in order to prevent or suppress the penetration of the test gas into the interface between the divalent ion conductor layer and the oxide ion conductor layer, the sealing of the edge of the interface is sealed. Means can be provided. When the test gas penetrates into the interface between the divalent ion conductor layer and the oxide ion conductor layer, the sensor reaction at the interface does not proceed normally, and the detection accuracy may be easily reduced. By providing the sealing means as described above, such a problem is solved, and carbon dioxide gas detection with high accuracy becomes possible.
【0022】具体的には、2価イオン伝導体層と酸素イ
オン伝導体層との重ね合わせ界面の外縁部を、耐熱性封
止層で覆った構造とすることができる。これにより、高
温においても、界面部への被検ガスの浸透を効果的に阻
止することができる。なお、このような耐熱性封止層と
しては、シリカ、アルミナ、ジルコニア等を主体とした
無機接着剤(例えば商品名:スミセラム(朝日化学工業
(株)))や、その他のセラミックス材料で構成でき
る。また、タルク等の無機材料粉末で界面の外縁部を覆
い、その外側をさらに金属性のケーシングで封止する構
造としてもよい。Specifically, the outer edge of the superposed interface between the divalent ion conductor layer and the oxygen ion conductor layer can be covered with a heat-resistant sealing layer. Thereby, even at a high temperature, penetration of the test gas into the interface can be effectively prevented. In addition, such a heat-resistant sealing layer can be composed of an inorganic adhesive (for example, trade name: Sumiceram (Asahi Chemical Industry Co., Ltd.)) mainly composed of silica, alumina, zirconia, or other ceramic materials. . Alternatively, the outer edge of the interface may be covered with an inorganic material powder such as talc, and the outside may be further sealed with a metallic casing.
【0023】次に、2価イオン伝導体層の、酸素イオン
伝導体層との重ね合わせ界面に面しているのと反対側の
面には、金属炭酸塩化合物層を積層することができる。
例えば、上記炭酸塩化合物層は、カチオン成分の主体が
Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+あるいはLi+、N
a+、K+、Rb+、Cs+から選ばれる1種又は2種以上
である炭酸塩化合物にて構成することができる。これ
は、主たる導電イオン種がMg2+、Ca2+、Sr2+及び
Ba2+から選ばれる1種又は2種以上の2価金属カチオ
ンである、2価イオン伝導性固体電解質を主体に2価イ
オン伝導体層が構成される場合に特に有利である。な
お、炭酸塩化合物層のカチオン成分の主体は、1価や2
価イオンに限定されるわけではなく、たとえば、3価イ
オンも有効に使用できる場合がある。Next, a metal carbonate compound layer can be laminated on the surface of the divalent ion conductor layer opposite to the surface facing the superposed interface with the oxygen ion conductor layer.
For example, in the carbonate compound layer, the main component of the cation component is Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ or Li + , N
It can be composed of one or more carbonate compounds selected from a + , K + , Rb + , and Cs + . This is mainly based on a divalent ion conductive solid electrolyte in which the main conductive ionic species is one or more divalent metal cations selected from Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ and Ba 2+. This is particularly advantageous when a divalent ion conductor layer is formed. The main component of the cation component in the carbonate compound layer is monovalent or bivalent.
It is not limited to a valence ion. For example, a trivalent ion may be effectively used in some cases.
【0024】この炭酸塩化合物層を形成することによ
り、被験ガス中の炭酸ガスと金属炭酸塩化合物との間に
化学反応平衡が存在可能となり、炭酸ガス濃度変化に対
するセンサ出力の追従性や安定性がさらに向上すること
が可能となる。By forming this carbonate compound layer, a chemical reaction equilibrium can exist between the carbon dioxide gas in the test gas and the metal carbonate compound, and the sensor output can follow the change in the carbon dioxide gas concentration and its stability. Can be further improved.
【0025】[0025]
【実施例】(実施例1)本発明の炭酸ガスセンサ(検出
部)の一例の断面図を図1に示す。Mg2+イオン伝導体
となるべき固体電解質は、リン酸水素アンモニウム、リ
ン酸水素マグネシウム、硝酸酸化ジルコニウムを非化学
量論比で混合後、300℃で5時間加熱し、さらに12
00℃で12時間加熱することにより得た。得られた試
料を加圧成形後、1200℃で12時間加熱することに
より、センサ特性測定用のMg2+イオン伝導体試料とし
た。Mg2+イオン伝導体試料を粉末X線回折測定により
同定したところ、β−硫酸鉄型構造を有するリン酸ジル
コニウムマグネシウム中に、第二成分としてごく少量の
リン酸酸化ジルコニウムが分散した、コンポジットであ
ることが確認できた。(Embodiment 1) FIG. 1 is a sectional view showing an example of a carbon dioxide sensor (detection section) according to the present invention. The solid electrolyte to be the Mg 2+ ion conductor was prepared by mixing ammonium hydrogen phosphate, magnesium hydrogen phosphate, and zirconium nitrate in a non-stoichiometric ratio and then heating at 300 ° C. for 5 hours.
Obtained by heating at 00 ° C. for 12 hours. The obtained sample was pressed and heated at 1200 ° C. for 12 hours to form an Mg 2+ ion conductor sample for measuring sensor characteristics. When the Mg 2+ ion conductor sample was identified by powder X-ray diffraction measurement, a composite in which only a small amount of zirconium phosphate was dispersed as a second component in magnesium zirconium phosphate having a β-iron sulfate type structure was obtained. It was confirmed that there was.
【0026】一方、ZrO2粉末と Y2O3粉末とをモル
比9:1で混合してペレット成型後、1600℃で仮焼
した。粉末X線回折測定により、仮焼体が酸化物固溶体
になっていることを確認した。得られた仮焼体試料を粉
砕後ペレット成型し、1600℃で6時間焼結すること
により0.1Y2O3−0.9ZrO2焼結体を得た。On the other hand, ZrO 2 powder and Y 2 O 3 powder were mixed at a molar ratio of 9: 1 to form a pellet, and then calcined at 1600 ° C. By powder X-ray diffraction measurement, it was confirmed that the calcined body was an oxide solid solution. The obtained calcined body sample was pulverized after being pulverized and sintered at 1600 ° C. for 6 hours to obtain a 0.1Y 2 O 3 -0.9ZrO 2 sintered body.
【0027】上記のMg2+イオン伝導体試料上にマグネ
シウムカチオン、カルシウムカチオン、ストロンチウム
カチオン、バリウムカチオン等の2価イオンを含む炭酸
塩含有化合物を固定し、このセンサを直接被検ガス中に
挿入することにより、炭酸ガスを検出する。具体的に
は、酸化物イオン伝導体とマグネシウムカチオン、カル
シウムカチオン、ストロンチウムカチオン、バリウムカ
チオン等の2価イオン伝導体との2種の固体電解質を、
各々請求項でいう酸化物イオン伝導体層及び2価イオン
伝導体層として重ね合わせ、側面に無機接着剤などセラ
ミックス材料を塗布することにより、積層界面の外縁を
封止する耐熱性封止層を形成し、両者を固定する。A carbonate-containing compound containing a divalent ion such as a magnesium cation, a calcium cation, a strontium cation, or a barium cation is immobilized on the Mg 2+ ion conductor sample, and the sensor is directly inserted into the gas to be detected. By doing so, carbon dioxide gas is detected. Specifically, two kinds of solid electrolytes of an oxide ion conductor and a divalent ion conductor such as a magnesium cation, a calcium cation, a strontium cation, and a barium cation,
A heat-resistant sealing layer that seals the outer edge of the lamination interface by superimposing the oxide ion conductor layer and the divalent ion conductor layer referred to in the claims respectively and applying a ceramic material such as an inorganic adhesive to the side surface. Form and fix both.
【0028】2価イオン伝導体側表面には可動2価カチ
オン種を含む炭酸塩含有化合物とPt金属網等で構成し
た集電体を、他方、酸化物イオン伝導体側表面には集電
体のみを電極として固定する。ここでは、あらかじめセ
ンサ上に取り付けたBa(OC2H5)2をCO2雰囲気下
で加熱分解して得られる炭酸バリウム層を、前記炭酸塩
含有化合物層として使用している。流通ガスは乾燥空気
と100%CO2ガスもしくは窒素で希釈した1%CO2
ガスを混合することにより合成し、流量は100ml/
min一定とした。650℃においてCO2濃度を20
0ppm−5%に変化させて起電力測定を行った。図2
に650℃での種々の炭酸ガス濃度における起電力測定
結果の一例を示す。起電力値は炭酸ガス濃度の対数に対
して直線的に変化しており、その直線の傾きは−89.
6(n=2.05)と数1から求まる計算値(−91.
6)(n=2.0)とほぼ一致する。この例では炭酸ガ
ス濃度2000 ppmから5%までネルンスト式の傾
きに一致し、精度良く炭酸ガスを検出できることがわか
る。A current collector composed of a carbonate-containing compound containing a movable divalent cation species and a Pt metal net is provided on the surface of the divalent ion conductor, and only a current collector is provided on the surface of the oxide ion conductor. Fix as an electrode. Here, a barium carbonate layer obtained by thermally decomposing Ba (OC 2 H 5 ) 2 previously mounted on the sensor in a CO 2 atmosphere is used as the carbonate-containing compound layer. The flowing gas is dry air and 100% CO 2 gas or 1% CO 2 diluted with nitrogen.
It is synthesized by mixing gas, and the flow rate is 100 ml /
min. At 650 ° C., a CO 2 concentration of 20
The electromotive force was measured while changing to 0 ppm-5%. FIG.
Fig. 1 shows an example of the measurement results of the electromotive force at various carbon dioxide gas concentrations at 650 ° C. The electromotive force value changes linearly with the logarithm of the carbon dioxide gas concentration, and the slope of the straight line is −89.
6 (n = 2.05) and the calculated value (−91.
6) (n = 2.0). In this example, the carbon dioxide concentration from 2000 ppm to 5% matches the slope of the Nernst equation, and it can be seen that carbon dioxide can be detected with high accuracy.
【0029】(実施例2)2価イオン伝導体層として組
成Mg1.4Zr4P6O24.4+0.4Zr2O(PO 4)2を
有する固体電解質焼結体と、酸素イオン伝導体層として
組成0.1Y2O3−0.9ZrO2を有する固体電解質
焼結体を使用し、前記炭酸塩含有化合物層としてLi2
CO3を用いることにより、図1と同様の構造を有する
センサを作り、550℃におけるCO2応答曲線を測定
した。結果を図3に示す。応答時間は約2分と迅速であ
り、濃度を変化させたのち元の濃度に戻すと起電力値も
元の値に戻ることから可逆的に測定できることがわかっ
た。(Example 2) Set as a divalent ion conductor layer
Mg1.4ZrFourP6O24.4+ 0.4ZrTwoO (PO Four)TwoTo
With solid electrolyte sintered body and oxygen ion conductor layer
Composition 0.1YTwoOThree-0.9ZrOTwoSolid electrolyte having
Using a sintered body, Li is used as the carbonate-containing compound layer.Two
COThreeHas the same structure as that of FIG.
Make a sensor, CO at 550 ℃TwoMeasure response curve
did. The results are shown in FIG. The response time is as fast as about 2 minutes
If the density is changed and then returned to the original density, the electromotive force
Returning to the original value shows that it can be measured reversibly
Was.
【0030】図4に、上記センサの、550℃における
起電力のCO2濃度依存性を示す。200ppm−5%
のCO2濃度に対する起電力値のプロットの傾きから求
めた反応電子数は2.05となり、理論的な応答を示す
ことがわかった。さらに図4から、センサを500℃で
作動させてから数日経過後もCO2濃度に対する起電力
値はほぼ一定であり、初期安定性がかなり優れているこ
とがわかる。図5に、従来のLi+イオン伝導体を用い
たセンサとMg2+イオン伝導体を用いたセンサとの初期
安定性を比較した結果を示す。ここで縦軸(ΔEMF)
は、2000ppmのCO2に対する起電力値の作動開
始時からの増加分を表す。Li+イオン伝導体を用いた
場合、3日間で50mV以上の起電力値の増加がみられ
るが、Mg 2+イオン伝導体を用いた場合には起電力値の
増大がほとんどみられない。これは、Li+イオン伝導
体を用いた場合の界面生成物であるLi2Oは不安定で
あり活量が変化しやすいのに対し、Mg2+イオン伝導体
を用いた場合の界面生成物であるMgOは安定であり、
活量がほとんど変化しないためと考えられる。FIG. 4 shows the above sensor at 550 ° C.
Electromotive force COTwoShows concentration dependence. 200ppm-5%
COTwoFrom the slope of the plot of electromotive force against concentration
The number of reaction electrons obtained was 2.05, indicating a theoretical response.
I understand. Further, from FIG.
Even after several days of operation, COTwoElectromotive force against concentration
The value is almost constant and the initial stability is fairly good.
I understand. FIG. 5 shows the conventional Li+Using ionic conductor
Sensor and Mg2+Early days with sensors using ionic conductors
The result of comparing the stability is shown. Where the vertical axis (ΔEMF)
Is 2000 ppm COTwoActivation of the electromotive force
Indicates the increase from the start. Li+Using ionic conductor
In this case, an increase in the electromotive force value of 50 mV or more was observed in three days.
But Mg 2+When an ionic conductor is used, the
There is almost no increase. This is Li+Ionic conduction
Li which is an interface product when using a bodyTwoO is unstable
Although the activity is easy to change, Mg2+Ion conductor
MgO, which is an interface product when is used, is stable,
This is probably because the activity hardly changed.
【0031】ところで、燃焼制御用としてセンサを用い
る場合には、検出特性へのNOxの影響が懸念される。
そこで、CO2濃度を一定にし、NOおよびNO2をそれ
ぞれ0−500ppmに変化させて起電力測定を行っ
た。図6に、2000ppmのCO2に対する起電力値
のNOx濃度依存性を示すが、センサ出力である起電力
値はNO、NO2双方の影響をほとんど受けないことが
わかる。Incidentally, when a sensor is used for combustion control, there is a concern that the influence of NOx on the detection characteristics.
Therefore, the electromotive force was measured while keeping the CO 2 concentration constant and changing NO and NO 2 to 0 to 500 ppm, respectively. FIG. 6 shows the dependence of the electromotive force value on the NOx concentration with respect to CO 2 of 2000 ppm. It can be seen that the electromotive force value as the sensor output is hardly affected by both NO and NO 2 .
【図1】一端封止型炭酸ガスセンサの断面図の一例であ
る。FIG. 1 is an example of a cross-sectional view of a one-end sealed type carbon dioxide sensor.
【図2】一端封止型炭酸ガスセンサを用いて炭酸ガス濃
度測定した結果である。FIG. 2 shows the result of measuring the concentration of carbon dioxide using a one-end sealed carbon dioxide sensor.
【図3】固体電解質としてMg1.4Zr4P6O24.4+
0.4Zr2O(PO4)2と0.1Y2O3−0.9Zr
O2を組み合わせた素子と、検出極としてLi2CO3を
用いたセンサの、550℃におけるCO2応答曲線であ
る。FIG. 3 shows Mg 1.4 Zr 4 P 6 O 24.4 + as a solid electrolyte
0.4Zr 2 O (PO 4) 2 and 0.1Y 2 O 3 -0.9Zr
A device that combines the O 2, the sensor using the Li 2 CO 3 as a detection electrode, a CO 2 response curve at 550 ° C..
【図4】同じく、550℃における起電力のCO2濃度
依存性であるる。FIG. 4 shows the dependence of the electromotive force at 550 ° C. on the CO 2 concentration.
【図5】Li+イオン伝導体を用いたセンサとMg2+イ
オン伝導体を用いたセンサの初期安定性を比較した図で
ある。FIG. 5 is a diagram comparing the initial stability of a sensor using a Li + ion conductor and a sensor using a Mg 2+ ion conductor.
【図6】2000ppmのCO2に対する起電力値のN
Ox濃度依存性の図である。FIG. 6 shows N of an electromotive force value for 2000 ppm of CO 2 .
It is a figure of Ox concentration dependence.
Claims (8)
である2価イオン伝導性固体電解質を主体に構成された
2価イオン伝導体層と、その2価イオン伝導体層に積層
形成され、主たる導電イオン種が酸素イオンである酸素
イオン伝導性固体電解質を主体に構成された酸素イオン
伝導体層と、前記2価イオン伝導体層の表面に形成され
る検出極と、前記酸素イオン伝導体の表面に形成される
参照極と、を有する検出部を備え、前記検出極と前記参
照極とが炭酸ガスを含有する前記被検ガスと接するよう
に、前記検出部を該被検ガス中に挿入したときのそれら
検出極と参照極との間に生ずる起電力を、前記被検ガス
中の炭酸ガスの検出出力として取り出すことを特徴とす
る炭酸ガスセンサ。1. A divalent ion conductor layer mainly composed of a divalent ion conductive solid electrolyte in which a main conductive ion species is a divalent metal cation, and a divalent ion conductor layer is formed by lamination on the divalent ion conductor layer. An oxygen ion conductive layer mainly composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte whose conductive ion species is oxygen ion, a detection electrode formed on the surface of the divalent ion conductor layer, A detection part having a reference electrode formed on the surface, and inserting the detection part into the test gas such that the detection electrode and the reference electrode are in contact with the test gas containing carbon dioxide. An electromotive force generated between the detection electrode and the reference electrode when the detection is performed is extracted as a detection output of carbon dioxide in the test gas.
イオン種がMg2+、Ca2+、Sr2+及びBa2+から選ば
れる1種又は2種以上の2価金属カチオンである、2価
イオン伝導性固体電解質を主体に構成されるものである
請求項1記載の炭酸ガスセンサ。2. The divalent ion conductor layer is one or more divalent metal cations whose main conductive ionic species is selected from Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ and Ba 2+. The carbon dioxide sensor according to claim 1, wherein the carbon dioxide sensor is mainly composed of a divalent ion conductive solid electrolyte.
ガス雰囲気中に配されることにより、前記起電力に、被
検ガス中の酸素濃度の影響が及ばないようにした請求項
1又は2に記載の炭酸ガスセンサ。3. The detection electrode and the reference electrode are arranged in the same test gas atmosphere so that the electromotive force is not affected by the oxygen concentration in the test gas. 3. The carbon dioxide gas sensor according to 1 or 2.
囲気中に配したときに、前記2価イオン伝導体層側にお
いて発生した2価金属イオンと、前記酸素イオン伝導体
層側で発生した酸素イオンとを、それら2価イオン伝導
体層と酸素イオン伝導体層との重ね合わせ界面にて反応
させる請求項1ないし3のいずれかに記載の炭酸ガスセ
ンサ。4. A divalent metal ion generated on the divalent ion conductor layer side and a divalent metal ion generated on the oxygen ion conductor layer side when arranged in a test gas atmosphere containing carbon dioxide gas and oxygen. The carbon dioxide sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein oxygen ions are reacted at an overlapping interface between the divalent ion conductor layer and the oxygen ion conductor layer.
オン伝導体層との界面部に被検ガスが浸透することを阻
止又は抑制するために、該界面部の縁を封止する封止手
段が設けられている請求項1ないし4のいずれかに記載
の炭酸ガスセンサ。5. A seal for sealing an edge of the interface between the divalent ion conductor layer and the oxide ion conductor layer in order to prevent or suppress the penetration of the test gas into the interface. The carbon dioxide sensor according to any one of claims 1 to 4, further comprising a stopping means.
ン伝導体層との重ね合わせ界面の外縁部を、耐熱性封止
層で覆った構造を有する請求項5記載の炭酸ガスセン
サ。6. The carbon dioxide sensor according to claim 5, wherein the outer edge of the superposed interface between the divalent ion conductor layer and the oxygen ion conductor layer is covered with a heat-resistant sealing layer.
オン伝導体層との重ね合わせ界面に面しているのと反対
側の面には、金属炭酸塩化合物層が積層されている請求
項2ないし6のいずれかに記載の炭酸ガスセンサ。7. A metal carbonate compound layer is laminated on a surface of the divalent ion conductor layer opposite to a surface facing an overlapping interface with the oxygen ion conductor layer. Item 7. The carbon dioxide sensor according to any one of Items 2 to 6.
成分の主体が、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビ
ジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシ
ウム、ストロンチウム及びバリウムから選ばれる1種又
は2種以上であるものが使用される請求項7記載の炭酸
ガスセンサ。8. The metal carbonate compound wherein the main component of the cation component is one or more selected from lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, beryllium, magnesium, calcium, strontium and barium. The carbon dioxide sensor according to claim 7, which is used.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11029834A JP2000214129A (en) | 1998-11-17 | 1999-02-08 | Carbon dioxide gas sensor |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32640698 | 1998-11-17 | ||
JP10-326406 | 1998-11-17 | ||
JP11029834A JP2000214129A (en) | 1998-11-17 | 1999-02-08 | Carbon dioxide gas sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000214129A true JP2000214129A (en) | 2000-08-04 |
Family
ID=26368087
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11029834A Pending JP2000214129A (en) | 1998-11-17 | 1999-02-08 | Carbon dioxide gas sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000214129A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114787619A (en) * | 2019-12-25 | 2022-07-22 | 三井金属矿业株式会社 | Carbon dioxide sensor |
-
1999
- 1999-02-08 JP JP11029834A patent/JP2000214129A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114787619A (en) * | 2019-12-25 | 2022-07-22 | 三井金属矿业株式会社 | Carbon dioxide sensor |
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