JP2012042222A - Solid electrolyte-based co sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼排ガスその他のガス中のCO(一酸化炭素)濃度を直接測定するための固体電解質形COセンサであって、ガス機器に内蔵ないし近傍に配置し、ガス機器の性能向上やガス雰囲気の安全性向上を図ることができる固体電解質形COセンサに関する。 The present invention is a solid electrolyte type CO sensor for directly measuring the concentration of CO (carbon monoxide) in combustion exhaust gas and other gases, and is built in or near a gas instrument to improve the performance of the gas instrument The present invention relates to a solid electrolyte CO sensor that can improve the safety of the atmosphere.
従来、ガス器具などの燃焼器が不完全燃焼を起すとCOが発生し、また温度が低下し、さらには炎の大きさが変化したり、酸素濃度が低下したりする。そこでこれらの現象に着目して、COセンサや熱電対、あるいはフレームロッド、酸素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。そのうち熱電対、酸素センサ、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有効である。 Conventionally, when a combustor such as a gas appliance causes incomplete combustion, CO is generated, the temperature is lowered, the size of the flame is changed, and the oxygen concentration is lowered. Therefore, paying attention to these phenomena, a method for detecting incomplete combustion using a CO sensor, a thermocouple, a frame rod, an oxygen sensor, or the like is known. Among them, detection of incomplete combustion by a thermocouple, oxygen sensor, and frame rod is effective for a combustor having a small fluctuation in combustion load such as a small water heater.
しかし、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伴って火炎の形状や火炎中の酸素濃度が大きく変化する。このため、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そ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COを直接検知する方法には、そのような問題がない。 However, for a combustor with a large load fluctuation such as a large water heater, the shape of the flame and the oxygen concentration in the flame change greatly with the load fluctuation. For this reason, there is a possibility that incomplete combustion may be erroneously recognized by the method using a sensor that detects a change in the shape of the flame and the oxygen concentration in the flame. On the other hand, the method of directly detecting CO using a CO sensor does not have such a problem.
ところで、燃焼器からの排ガス中の可燃性ガスであるCOを測定するCOセンサには半導体式、触媒燃焼式、あるいは固体電解質式といったものが知られている。このうち固体電解質式COセンサは、COが無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起電力が発生しないが、可燃性ガスであるCOが存在すると酸化触媒(=CO酸化触媒)が有る側の電極上でCO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。 By the way, as a CO sensor for measuring CO which is a combustible gas in exhaust gas from a combustor, a semiconductor type, a catalytic combustion type, or a solid electrolyte type is known. Among these, the solid electrolyte CO sensor does not generate an electromotive force because there is no difference between the adsorbed substances on the electrodes provided on both sides of the solid electrolyte when there is no CO. This utilizes the principle that an electromotive force is generated by causing an electrochemical reaction between CO and oxygen on the electrode on the side where (= CO oxidation catalyst) is present.
このCOセンサを燃焼器から排出される排ガス中に取付けると、燃焼負荷が変動しても、可燃性ガスであるCO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。
これに対して、不完全燃焼により排ガス中に可燃性ガスであるCOガスが発生した場合には、両電極の吸着物質に差は無いが酸化触媒がある側の電極上ではCOと酸素の反応が生じ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。
When this CO sensor is installed in the exhaust gas discharged from the combustor, even if the combustion load fluctuates, electromotive force is generated because there is no difference in the adsorbed material of both electrodes unless CO, which is a flammable gas, is generated. Absent.
In contrast, when CO gas, which is a flammable gas, is generated in the exhaust gas due to incomplete combustion, there is no difference in the adsorbed material of both electrodes, but the reaction of CO and oxygen on the electrode on the side where the oxidation catalyst is present. Therefore, an electromotive force, that is, a sensor output is generated. Therefore, it can be used as an incomplete combustion detection sensor for exhaust gas.
図12は固体電解質式のCO等の可燃性ガス検知素子(すなわち可燃性ガスがCOであるとCOセンサになる)を説明する図である(特公昭58−4985号公報)。酸素イオン導電性固体電解質11はZrO2−Y2O3からなり、その上下両面には、白金電極12、13が被着されており、そのうち一方の電極12は可燃性ガスを酸化する触媒である白金アルミナ触媒14で覆われている。この素子は、ヒーター15によって200〜700℃に保ち、可燃性ガスを含む空気は矢印17の方向に流入し、両電極12、13間に発生した起電力を指示器16に標示する。
FIG. 12 is a diagram for explaining a combustible gas detecting element such as a solid electrolyte type CO (that is, a CO sensor when the combustible gas is CO) (Japanese Patent Publication No. 58-4985). The oxygen ion conductive
この素子に微量の可燃性ガスを含む空気を接触させると、電極13は可燃性ガス含む空気と直接接触する。一方の電極12は酸化触媒14で覆われているので、空気中に含まれる可燃性ガスは酸化触媒14によって酸化される。このため、空気中に含まれる可燃性ガスは電極12に到達せず、その結果、両電極12、13間には起電力が生じる。
When the element is brought into contact with air containing a small amount of combustible gas, the
すなわち、図12(b)に示すように、例えば可燃性ガスであるCOは、窒素や酸素に比べて、固体電解質21、電極22及びガスからなる3相界面23に、よりよく吸着される。そのために、酸素の吸着が阻害されるのと同時に、下記式(1)で示される電気化学反応が生じる。一方、電極24を覆った酸化触媒25では、空気中に含まれる微量のCOは、当該酸化触媒25で酸化されるので電極24には到達せず、3相界面26には可燃性ガスを含まない、ほぼ空気組成のガスが到達し、反応式(2)で示される反応のみが進行する。
That is, as shown in FIG. 12B, for example, flammable gas CO is better adsorbed to the three-phase interface 23 composed of the
本発明は、燃焼排ガスその他のガス中のCO(一酸化炭素)濃度を直接測定するための固体電解質形COセンサを提供することを目的とし、ガス機器に内蔵ないし近傍に配置し、ガス機器の性能向上やガス雰囲気の安全性向上を図ることができる固体電解質形COセンサを提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a solid electrolyte type CO sensor for directly measuring the CO (carbon monoxide) concentration in combustion exhaust gas and other gases. An object of the present invention is to provide a solid electrolyte type CO sensor capable of improving performance and improving safety of a gas atmosphere.
本発明(1)は、酸素イオン伝導性固体電解質を挟んでCOの酸化に不活性な電極とCOの酸化に活性な電極からなるCOセンサであって、前記酸素イオン伝導性固体電解質がLSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)からなる材料で構成されてなることを特徴とする固体電解質形COセンサである。 The present invention (1) is a CO sensor comprising an electrode inert to CO oxidation and an electrode active to CO oxidation across an oxygen ion conductive solid electrolyte, wherein the oxygen ion conductive solid electrolyte is LSGM 8282 ( la 0. 8 Sr 0. a 2 Ga 0. 8 Mg 0. solid oxide CO sensors, wherein 2 O 3) of a material consisting be configured.
本発明(2)は、酸素イオン伝導性固体電解質を挟んでCOの酸化に不活性な電極とCOの酸化に活性な電極からなるCOセンサであって、前記酸素イオン伝導性固体電解質がLSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)にFe族元素を添加してなる材料で構成されてなることを特徴とする固体電解質形COセンサである。 The present invention (2) is a CO sensor comprising an electrode inactive to CO oxidation and an electrode active in CO oxidation across an oxygen ion conductive solid electrolyte, wherein the oxygen ion conductive solid electrolyte is LSGM 8282 ( la 0. 8 Sr 0. a 2 Ga 0. 8 Mg 0. solid oxide CO sensors, characterized in that formed by a material obtained by adding Fe group element 2 O 3).
本発明(3)は、請求項2の固体電解質形COセンサにおいて、前記酸素イオン伝導性固体電解質であるLSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)に添加したFe族元素がFeであることを特徴とする固体電解質形COセンサである。
The present invention (3) is added to the solid oxide CO sensor according to
本発明(4)は、酸素イオン伝導性固体電解質を挟んでCOの酸化に不活性な電極とCOの酸化に活性な電極からなるCOセンサであって、前記酸素イオン伝導性固体電解質が化学式:La0.8Sr0.2Ga1-XFeXO3(x=0.1〜0.3)で示される材料で構成されてなることを特徴とする固体電解質形COセンサである。 The present invention (4) is a CO sensor comprising an electrode inert to CO oxidation and an electrode active to CO oxidation across an oxygen ion conductive solid electrolyte, wherein the oxygen ion conductive solid electrolyte has the chemical formula: la 0. a 8 Sr 0. 2 Ga 1- X Fe X O 3 (x = 0.1~0.3) solid oxide CO sensors, characterized in that formed by a material represented by.
本発明(5)は、酸素イオン伝導性固体電解質を挟んでCOの酸化に不活性な電極とCOの酸化に活性な電極からなるCOセンサであって、前記酸素イオン伝導性固体電解質がLSGFe8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Fe0.2O3)からなる材料で構成されてなることを特徴とする固体電解質形COセンサである。 The present invention (5) is a CO sensor comprising an electrode inert to CO oxidation and an electrode active to CO oxidation across an oxygen ion conductive solid electrolyte, wherein the oxygen ion conductive solid electrolyte is LSGFe8282 ( It is a solid electrolyte type CO sensor characterized by comprising a material made of La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Fe 0.2 O 3 ).
本発明(6)は、酸素イオン伝導性固体電解質を挟んでCOの酸化に不活性な電極とCOの酸化に活性な電極からなるCOセンサであって、前記酸素イオン伝導性固体電解質がLSGFe8273(La0.8Sr0.2Ga0.7Fe0.3O3)からなる材料で構成されてなることを特徴とする固体電解質形COセンサである。 The present invention (6) is a CO sensor comprising an electrode inert to CO oxidation and an electrode active to CO oxidation across an oxygen ion conductive solid electrolyte, wherein the oxygen ion conductive solid electrolyte is LSGFe 8273 ( la 0.8 Sr 0.2 Ga 0.7 Fe 0.3 O 3) of a material consisting be configured is a solid electrolyte CO sensor according to claim.
本発明(7)は、酸素イオン伝導性固体電解質を挟んでCOの酸化に不活性な電極とCOの酸化に活性な電極からなるCOセンサであって、前記酸素イオン伝導性固体電解質がLSGFe828515(La0.8Sr0.2Ga0.85Fe0.15O3)からなる材料で構成されてなることを特徴とする固体電解質形COセンサである。 The present invention (7) is a CO sensor comprising an electrode inert to CO oxidation and an electrode active to CO oxidation across an oxygen ion conductive solid electrolyte, wherein the oxygen ion conductive solid electrolyte is LSGFe828515 ( It is a solid electrolyte type CO sensor characterized by comprising a material made of La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.85 Fe 0.15 O 3 ).
本発明(8)は、酸素イオン伝導性固体電解質を挟んでCOの酸化に不活性な電極とCOの酸化に活性な電極からなるCOセンサであって、前記酸素イオン伝導性固体電解質がLSGFe8291(La0.8Sr0.2Ga0.9Fe0.1O3)からなる材料で構成されてなることを特徴とする固体電解質形COセンサである。 The present invention (8) is a CO sensor comprising an electrode inert to CO oxidation and an electrode active to CO oxidation with an oxygen ion conductive solid electrolyte interposed therebetween, wherein the oxygen ion conductive solid electrolyte is LSGFe 8291 ( la 0.8 Sr 0.2 Ga 0.9 Fe 0.1 O 3) of a material consisting be configured is a solid electrolyte CO sensor according to claim.
本発明(9)は、本発明(1)〜(7)のいずれかの固体電解質形COセンサにおいて、前記COの酸化に不活性な電極がITO+Au10wt%からなる材料で構成されてなることを特徴とする固体電解質形COセンサである。
The present invention (9) is characterized in that, in the solid electrolyte CO sensor according to any one of the present invention (1) to (7), the electrode inactive to the oxidation of CO is made of a material composed of ITO +
ITO+Au10wt%は好ましい例であるが、本発明に係る固体電解質形COセンサにおける「COの酸化に不活性な電極」の構成材料はそれに限定されない。
ITO +
本発明(10)は、本発明(1)〜(8)のいずれかの固体電解質形COセンサにおいて、前記COの酸化に活性な電極がRuO2+LSC64(La0.6Sr0.4Co0.2O3)からなる材料で構成されてなることを特徴とする固体電解質形COセンサである。
The present invention (10), in either solid electrolyte CO sensor of the present invention (1) to (8), active electrodes for the oxidation of the CO is RuO 2 + LSC64 (La 0. 6
本発明(11)は、本発明(1)〜(9)のいずれかの固体電解質形COセンサにおいて、前記COの酸化に活性な電極が「RuO2+LSC64(La0.6Sr0.4Co0.2O3)」にPt及び/又はPdを添加した材料で構成されてなることを特徴とする固体電解質形COセンサである。
The present invention (11), in either solid electrolyte CO sensor of the present invention (1) to (9), wherein the active electrode for the oxidation of CO is "RuO 2 + LSC64 (La 0. 6
それら「RuO2+LSC64(La0.6Sr0.4Co0.2O3)からなる材料」や「RuO2+LSC64(La0.6Sr0.4Co0.2O3)にPt及び/又はPdを添加した材料」は好ましい例であるが、本発明に係る固体電解質形COセンサにおける「COの酸化に活性な電極」の構成材料はそれら材料に限定されない。
They "RuO 2 + LSC64 (La 0. 6
本発明の固体電解質形COセンサによれば、燃焼排ガスその他のガス中のCO濃度を直接測定し、ガス機器の性能向上やガス雰囲気の安全性向上を図る固体電解質形COセンサを得る。本発明の固体電解質形COセンサによれば、ガス機器に内蔵ないし近傍に配置し、燃焼排ガスその他のガス中のCO濃度を直接測定することにより、ガス機器の性能向上やガス雰囲気の安全性向上を図ることができる。 According to the solid electrolyte type CO sensor of the present invention, a solid electrolyte type CO sensor that directly measures the CO concentration in combustion exhaust gas and other gases to improve the performance of gas equipment and the safety of gas atmosphere is obtained. According to the solid electrolyte CO sensor of the present invention, the performance of the gas equipment is improved and the safety of the gas atmosphere is improved by directly measuring the concentration of CO in the combustion exhaust gas and other gases. Can be achieved.
〈微量なCOを検出できるCO活性電極、酸素イオン電導膜、CO不活性電極の探索〉
前述特許文献1に記載の固体電解質式のCO等の可燃性ガス検知素子は一例であるが、本発明者らは燃焼排ガス等のガス中の微量なCOを検出できるCO活性電極、酸素イオン伝導性固体電解質膜、CO不活性電極について追求し、良好な特性を有する組成つまり良好な特性を有する組成を持つ材料を見い出した。以下、その経過を含めて順次説明する。
<Search for CO active electrode, oxygen ion conducting film, and CO inactive electrode capable of detecting trace amounts of CO>
The solid-electrolyte type combustible gas detection element such as CO described in
(1)検討のベースとなったCO活性電極、酸素イオン電導膜、CO不活性電極の組み合わせについて
図13に示すとおり、本発明に係る固体電解質形COセンサは、酸素イオン伝導性固体電解質膜の両面にそれぞれ「COの酸化に活性な電極(=CO活性電極)」と「COの酸化に不活性な電極(=CO不活性電極)」とを設ける。そして、酸素イオン伝導性固体電解質膜すなわち酸素イオン伝導体により酸素イオン(O2-)をポンピングし、ポンピングした酸素イオン(O2-)によるCOの酸化を進め、この際に発生する混成電位(または電極過電圧)の差を電流値の変化、電圧値の変化として出力させ、検知するものである。
(1) Combination of CO active electrode, oxygen ion conductive film, and CO inactive electrode, which are the basis of the study As shown in FIG. 13, the solid electrolyte type CO sensor according to the present invention is an oxygen ion conductive solid electrolyte film. “Electrode active for CO oxidation (= CO active electrode)” and “electrode inactive for CO oxidation (= CO inactive electrode)” are provided on both surfaces, respectively. Then, oxygen ions (O 2− ) are pumped by an oxygen ion conductive solid electrolyte membrane, that is, an oxygen ion conductor, and CO is oxidized by the pumped oxygen ions (O 2− ). Alternatively, the difference between the electrode overvoltages) is output as a change in current value and a change in voltage value, and is detected.
図14は試験用COセンサ等について電源に計測器を配置する態様を示す図である。図14(a)は電源に計測器(電圧計または電流計)を配置する態様を示し、図14(a)に示す計測器のうち電源に電流計Aを配置する態様を図14(b)に示している。 FIG. 14 is a diagram showing a mode in which a measuring instrument is arranged in a power source for a test CO sensor or the like. 14A shows a mode in which a measuring instrument (voltmeter or ammeter) is arranged in the power source, and FIG. 14B shows a mode in which the ammeter A is arranged in the power source among the measuring instruments shown in FIG. 14A. It shows.
酸素イオン伝導体である固体電解質として高酸素イオン伝導体であるLSGM9182(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3)を用い、CO不活性電極として金を用い、CO活性電極としてRuO2を用いたところ、CO不活性電極には金にITO系酸化物を添加したもの〔In2O3(酸化第二インジウム)95mol%、SnO2(酸化第二スズ)5mol%にAu(金)を10wt%添加〕、CO活性電極にはRuO2にLSC系酸化物を添加したもの〔LSC64(=La0.6Sr0.4Co0.2O3)にRuO2(二酸化ルテニウム)を添加したもの〕がCO感度が向上した。 LSGM 9182 (La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) which is a high oxygen ion conductor was used as a solid electrolyte which was an oxygen ion conductor, gold was used as a CO inactive electrode, and RuO 2 was used as a CO active electrode. However, a CO inert electrode is obtained by adding an ITO-based oxide to gold [In 2 O 3 (stannic oxide) 95 mol%, SnO 2 (stannic oxide) 5 mol% and Au (gold) 10 wt%. added], those in the CO active electrode with the addition of LSC based oxide RuO 2 [LSC64 (= La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 O 3) to that added RuO 2 (ruthenium dioxide)] has been improved CO sensitivity .
ここで、酸素イオン伝導膜については、LSGM9182(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3)に比べて、LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)の方がCO感度が向上した。そこで、CO不活性電極はITO955+Au10wt%、CO活性電極はLSC64+RuO2とし、酸素イオン伝導膜はLSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)の組成のものを基本にし、さらに高感度な酸素イオン伝導膜の探索を行った。
Here, with respect to the oxygen ion conductive film, the CO sensitivity of LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) was improved compared to LSGM 9182 (La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ). Therefore, the CO inactive electrode is ITO955 +
(2)LSGM8282への金属添加についての検討
LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)と、当該LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)にFe、Co、Ni、Ru、Cuを添加した試料を作製し、CO感度を試験、調査した。その結果、Feを添加したものが最も効果が大きかった。表1はその結果である。
(2) Study on metal addition to LSGM 8282 LSGM 8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) and the LSGM 8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) with Fe, Co, Ni, Ru, Cu A sample to which was added was prepared, and the CO sensitivity was tested and investigated. As a result, the addition of Fe was most effective. Table 1 shows the results.
表1はその結果である。表1には温度400℃での計測値を示している。表1中、CO不活性電極、酸素イオン伝導膜、CO活性電極の構成材料は以下のとおりである。 Table 1 shows the results. Table 1 shows the measured values at a temperature of 400 ° C. In Table 1, the constituent materials of the CO inert electrode, the oxygen ion conductive membrane, and the CO active electrode are as follows.
CO不活性電極として“ITO955+Ag10wt%〔In2O3(酸化第二インジウム)95mol%、SnO2(酸化第二スズ)5mol%にAu(金)を10wt%を添加したもの〕を用いた。CO不活性電極は、ガス中のCO分と反応してCO2に変える機能(触媒作用)を有しない電極である。
As the CO inert electrode, “ITO955 +
酸素イオン伝導膜の構成材料は「LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)、「LSGMCu828155(=La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Cu0.05O3)」、「LSGMRu828155(=La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Ru0.05O3)」、「LSGMCo828155(=La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3)」、「LSGMNi828155(=La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Ni0.05O3)」、「LSGMFe828155(=La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)」である。 The constituent materials of the oxygen ion conductive film are “LSGM 8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 )”, “LSGMCu 828155 (= La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Cu 0.05 O 3 )”, “LSGMru 828155 (= La 0.8 Sr 0.2). Ga 0.8 Mg 0.15 Ru 0.05 O 3 ) ”,“ LSGMCo 828155 (= La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Co 0.05 O 3 ) ”,“ LSGMNi 828155 (= La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Ni 0.05 O 3 ) ”,“ LSGMFe828155 (= La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3) "is.
これら式中、各元素について付している添数字は組成比(モル比)である。一例としてLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3を例に言えば、La:Sr:Ga:Mg:Fe:Oのモル比が0.8:0.2:0.8:0.15:0.05:3であることを意味し、「LSGMFe828155」と略記している。 In these formulas, the suffix attached to each element is the composition ratio (molar ratio). For example, when La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3 is taken as an example, the molar ratio of La: Sr: Ga: Mg: Fe: O is 0.8: 0.2: 0.8: 0.15. : 0.05: 3, which is abbreviated as “LSGMFe828155”.
CO活性電極はRuO2−LSC64、すなわち〔LSC64(=La0.6Sr0.4Co0.2O3)にRuO2を添加したもの〕である。CO活性電極は、ガス中のCO分と反応してCO2に変える機能(触媒作用)を有する電極である。
The CO active electrode is RuO 2 -
表1中、(1)のとおり、CO不活性電極として“ITO955+Au10wt%〔In2O3(酸化第二インジウム)95mol%、SnO2(酸化第二スズ)5mol%にAu(金)を10wt%を添加したもの〕を用い、酸素イオン伝導体である固体電解質として高酸素イオン伝導体であるLSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)を用い、CO活性電極として“RuO2+LSC64”系酸化物を添加したものを用いて作製したCOセンサは、CO感度=90μA(μA=単位濃度変化当たりの電流値)であり、良好な電流値を示している。
In Table 1, as shown in (1), “ITO955 +
CO不活性電極と、CO活性電極については同じくして、酸素イオン伝導体である固体電解質として、高酸素イオン伝導体であるLSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)にそれぞれCu、Ru、Ni、Co、Feを添加したものを用いてCOセンサを作製し、CO感度試験を実施した。以下(2)〜(6)はその結果である。 Similarly, for the CO inactive electrode and the CO active electrode, LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ), which is a high oxygen ion conductor, is used as a solid electrolyte that is an oxygen ion conductor. , Ni, Co, and Fe were added to produce a CO sensor, and a CO sensitivity test was performed. The following (2) to (6) are the results.
〈(2)LSGMCu828155を用いたCOセンサ〉
高酸素イオン伝導体:LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)にCuを添加したLSGMCu828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Cu0.05O3)を用いたCOセンサのCO感度=0μAであり、COセンサとして不適であることを示している。
<(2) CO sensor using LSGMCu828155>
High oxygen ion conductor: LSGM8282 in CO sensitivity = 0 .mu.A of CO sensor using LSGMCu828155 which Cu is added to (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3) (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Cu 0.05 O 3) Yes, indicating that it is not suitable as a CO sensor.
〈(3)LSGMRu828155を用いたCOセンサ〉
高酸素イオン伝導体:LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)にRuを添加したLSGMRu828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Ru0.05O3)を用いて作製し、CO感度試験を実施した。COセンサのCO感度は17μAであり、LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)を用いたCOセンサの感度よりも小さいことを示している。
<(3) CO sensor using LSGMRu 828155>
High oxygen ion conductor: LSGM8282 produced using (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3) in the addition of Ru LSGMRu828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Ru 0.05 O 3), implementing the CO sensitivity test did. The CO sensitivity of the CO sensor is 17 μA, which is lower than the sensitivity of the CO sensor using LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ).
〈(4)LSGMNi828155を用いたCOセンサ〉
高酸素イオン伝導体:LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)にNiを添加したLSGMNi828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Ni0.05O3)を用いたCOセンサのCO感度は88μAであり、LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)を用いたCOセンサの感度とほぼ同等の感度を示している。
<(4) CO sensor using LSGMNi828185>
High oxygen ion conductor: LSGM8282 CO sensitivity of the CO sensor using (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3) to the addition of Ni LSGMNi828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Ni 0.05 O 3) is 88μA In other words, the sensitivity is almost the same as that of the CO sensor using LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ).
〈(5)LSGMCo828155を用いたCOセンサ〉
高酸素イオン伝導体:LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)にCoを添加したLSGMCo828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3)を用いたCOセンサのCO感度は189μAであり、LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)を用いたCOセンサの感度の倍の感度を示している。
<(5) CO sensor using LSGMCo828155>
High oxygen ion conductor: LSGM8282 CO sensitivity of the CO sensor using (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3) to the addition of Co LSGMCo828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Co 0.05 O 3) is 189μA Yes, the sensitivity is twice that of the CO sensor using LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ).
〈(6)LSGMFe828155を用いたCOセンサ〉
高酸素イオン伝導体:LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)にFeを添加したLSGMFe828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)を用いたCOセンサのCO感度は672μAであり、LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)を用いたCOセンサの感度に対して格段に優れた感度を示している。
<(6) CO sensor using LSGMFe828155>
The CO sensitivity of the CO sensor using LSGMFe828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3 ) obtained by adding Fe to the high oxygen ion conductor: LSGM 8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) is 672 μA. In addition, the sensitivity is remarkably superior to the sensitivity of the CO sensor using LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ).
図1は、表1に対応し、酸素イオン伝導膜の構成材料LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)に対してそれぞれCu、Ru、Ni、CoまたはFeを添加した試料についての、試験ガス中CO濃度如何による計測電流値の変化をグラフ化した図である。図1中、横軸は試験ガス中のCO濃度(ppm)であり、縦軸は各試料について計測された電流値(μA)である。
ここで、図1中、横軸は対数目盛で示し、電流値の単位として示す“decade”との記載は“単位濃度当たり”の意味である。この点、他の図における当該記載についても同様である。
FIG. 1 corresponds to Table 1 and shows a sample in which Cu, Ru, Ni, Co, or Fe is added to the constituent material LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) of the oxygen ion conductive film, respectively. It is the figure which made the graph the change of the measured current value by the CO density | concentration in test gas. In FIG. 1, the horizontal axis represents the CO concentration (ppm) in the test gas, and the vertical axis represents the current value (μA) measured for each sample.
Here, in FIG. 1, the horizontal axis indicates a logarithmic scale, and the description “decade” as a unit of current value means “per unit concentration”. This also applies to the description in other drawings.
図1のとおり、構成材料LSGM8282にFeを添加した試料の電流値が試験ガス中CO濃度の増加に伴い大きく増加する。このことは、試験ガス中のCO濃度の増加に応じて電流値が敏感に計測されることを意味している。すなわち、構成材料LSGM8282にFeを添加した試料では、試験ガス中CO濃度如何に対応して特に良好な計測感度を示し、より正確な試験ガス中CO濃度を計測できることを意味している。 As shown in FIG. 1, the current value of the sample obtained by adding Fe to the constituent material LSGM8282 greatly increases as the CO concentration in the test gas increases. This means that the current value is sensitively measured as the CO concentration in the test gas increases. That is, the sample in which Fe is added to the constituent material LSGM8282 exhibits particularly good measurement sensitivity corresponding to the CO concentration in the test gas, which means that the CO concentration in the test gas can be measured more accurately.
〈試験ガス中のCO濃度如何によるCO感度の計測〉
LSGMFe828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)の試料を用いて作製したCOセンサについて、試験ガス中CO濃度如何による計測電流値の変化を計測した。すなわち、酸素イオン伝導膜の構成材料につき、表1中最も高CO感度であった、LSGMFe828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)の試料を用いて作製したCOセンサについて、試験中、試験ガス中のCO濃度を所定時間ごとに50ppm、100ppm、500ppm、1030ppmと変え、各CO濃度の試験ガス雰囲気を所定時間維持し、電流値の変化を計測した。試験ガス雰囲気温度は400℃とした。
<Measurement of CO sensitivity depending on CO concentration in test gas>
For a CO sensor manufactured using a sample of LSGMFe828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3 ), the change in the measured current value depending on the CO concentration in the test gas was measured. That is, a CO sensor manufactured using a sample of LSGMFe828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3 ), which has the highest CO sensitivity in Table 1, with respect to the constituent material of the oxygen ion conductive membrane, is being tested. The CO concentration in the test gas was changed to 50 ppm, 100 ppm, 500 ppm, and 1030 ppm every predetermined time, the test gas atmosphere at each CO concentration was maintained for a predetermined time, and the change in the current value was measured. The test gas atmosphere temperature was 400 ° C.
図2はその結果で、試験ガス中の各CO濃度に対応する計測電流値の変化をグラフ化した図である。試験用の各COセンサは、400℃の各試験ガスの雰囲気中に置かれ、雰囲気中のCO濃度に対応した電流量が計測される。図2のとおり、LSGMFe828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)の試料を用いて作製したCOセンサは、試験ガス中の段階的なCO濃度に対応して計測される電流値も段階的に大きくなり、良好なCO計測感度を示し、電流値に対応してより正確な試験ガス中CO濃度を計測できることを示している。 FIG. 2 is a graph showing changes in the measured current value corresponding to each CO concentration in the test gas. Each test CO sensor is placed in an atmosphere of each test gas at 400 ° C., and the amount of current corresponding to the CO concentration in the atmosphere is measured. As shown in FIG. 2, the CO sensor produced using a sample of LSGMFe 828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3 ) has a current value measured corresponding to the stepwise CO concentration in the test gas. It becomes larger in steps, showing good CO measurement sensitivity, and showing that the CO concentration in the test gas can be measured more accurately according to the current value.
〈LSGMへのFeの添加量の最適化の検討〉
LSGMへのFeの添加量の最適化について検討した。酸素イオン伝導膜の組成について、Mgを減らし、Fe添加量を増加させた試料を用いてCOセンサを作製し、CO感度を調査した。表2はその結果である。
<Optimization of Fe addition to LSGM>
The optimization of the addition amount of Fe to LSGM was examined. Regarding the composition of the oxygen ion conductive membrane, a CO sensor was fabricated using a sample in which Mg was reduced and the amount of Fe added was increased, and the CO sensitivity was investigated. Table 2 shows the results.
表2から、以下の事実が明らかである。(a)LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)中のMgの0.05モルをFeに置き換えた(つまり、Mgの0.05モルを減らし、Feを0.05モル添加した)LSGMFe828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)の電流値(CO感度に比例する)は、温度300℃で2μA、温度400℃で18μAであるが、温度500℃で176μAに改善されている。 From Table 2, the following facts are clear. (A) 0.05 mol of Mg in LSGM 8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) was replaced with Fe (that is, 0.05 mol of Mg was reduced and 0.05 mol of Fe was added) The current value of LSGMFe 828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3 ) (proportional to CO sensitivity) is 2 μA at a temperature of 300 ° C. and 18 μA at a temperature of 400 ° C., but is improved to 176 μA at a temperature of 500 ° C. ing.
(b)LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)中のMgの0.1モルをFeに置き換えた(つまり、Mg0.2モルのうち0.1モルに代えて、Feを0.1モル添加した)LSGMFe82811(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.1Fe0.1O3)の電流値は、温度300℃で47μA、温度400℃で90μAであるが、温度500℃では183μAに改善されている。 (B) 0.1 mol of Mg in LSGM 8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) was replaced with Fe (that is, 0.1 mol of 0.2 mol of Mg was replaced with 0.1 mol of Fe). The current value of LSGMFe82811 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.1 Fe 0.1 O 3 ) added at 1 mol was 47 μA at a temperature of 300 ° C. and 90 μA at a temperature of 400 ° C., but improved to 183 μA at a temperature of 500 ° C. .
(c)LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)中のMgの0.15モルをFeに置き換えた(つまり、Mgの0.2モルのうち0.15モルに代えてFeを0.15モル添加した)LSGMFe828515(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.05Fe0.15O3)の電流値は、温度300℃で136μA、温度400℃で138μA、温度500℃で658μAに改善されている。 (C) 0.15 mol of Mg in LSGM 8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) was replaced with Fe (that is, Fe was changed to 0.15 mol out of 0.2 mol of Mg and Fe was changed to 0 The current value of LSGMFe828515 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.05 Fe 0.15 O 3 ) added at .15 mol is improved to 136 μA at a temperature of 300 ° C., 138 μA at a temperature of 400 ° C., and 658 μA at a temperature of 500 ° C.
(d)LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)中のMgの0.2モルをFeに置き換えた(つまり、Mgの0.2モルの全部に代えてFeを0.2モル添加した)LSGFe8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Fe0.2O3)の電流値は、温度300℃で556μA、温度400℃で2342μA、温度500℃で4681μAに改善されている。 (D) 0.2 mol of Mg in LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) was replaced with Fe (that is, 0.2 mol of Fe was added instead of all 0.2 mol of Mg) The current value of LSGFe 8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Fe 0.2 O 3 ) has been improved to 556 μA at a temperature of 300 ° C., 2342 μA at a temperature of 400 ° C., and 4681 μA at a temperature of 500 ° C.
これら(a)〜(d)の結果から、Feの添加量が増加するほど流れる電流値が増え、CO感度が向上している。そのうち(d)、すなわちMgをFeに全置換したものが最も高いCO感度となっている。 From these results (a) to (d), the value of the flowing current increases as the amount of Fe added increases, and the CO sensitivity improves. Among them, (d), that is, the one in which Mg is completely substituted with Fe has the highest CO sensitivity.
〈(その1)LSGMFe828515(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.05Fe0.15O3)の試料を用いて作製したCOセンサ:試験ガス中のCO濃度如何によるCO感度の計測:300〜500℃〉
LSGMFe828515(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.05Fe0.15O3)の試料を用いて作製したCOセンサについて、試験ガス中CO濃度如何による計測電流値の変化を計測した。すなわち、CO不活性電極材料、酸素イオン伝導膜の構成材料、CO活性電極材料につき、表2中(10)〜(12)に示す材料を用いて作製したCOセンサを使用し、温度300〜500℃において、試験中、試験ガス中のCO濃度を所定時間ごとに50ppm、100ppm、500ppm、1030ppmと変え、各CO濃度の試験ガス雰囲気を所定時間維持し、CO濃度を計測した。
<(Part 1) LSGMFe828515 CO sensor sample was prepared using the (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.05 Fe 0.15 O 3): Measurement of the CO sensitivity by CO concentration whether in the test gas: 300 to 500 ° C.>
With respect to a CO sensor manufactured using a sample of LSGMFe828515 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.05 Fe 0.15 O 3 ), the change in the measured current value depending on the CO concentration in the test gas was measured. That is, a CO sensor manufactured using the materials shown in Tables (10) to (12) for the CO inactive electrode material, the constituent material of the oxygen ion conductive membrane, and the CO active electrode material were used, and the temperature was 300 to 500. At 0 ° C., during the test, the CO concentration in the test gas was changed to 50 ppm, 100 ppm, 500 ppm, and 1030 ppm every predetermined time, the test gas atmosphere of each CO concentration was maintained for a predetermined time, and the CO concentration was measured.
図3はその結果で、試験ガス中の各CO濃度に対応する計測電流値の変化をグラフ化した図である。試験用の各COセンサは、300℃、400℃、500℃の各温度の試験ガスの雰囲気中に置かれ、雰囲気中のCO濃度に対応した電流量が計測される。 FIG. 3 is a graph showing the change in the measured current value corresponding to each CO concentration in the test gas. Each test CO sensor is placed in an atmosphere of a test gas at each temperature of 300 ° C., 400 ° C., and 500 ° C., and the amount of current corresponding to the CO concentration in the atmosphere is measured.
図3のとおり、LSGMFe828515(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.05Fe0.15O3)の試料を用いて作製したCOセンサは、300℃、400℃、500℃の各温度で良好な電流値を示し、特に500℃と言う温度で非常に良好な電流値を示し、その電流値は試験ガス中CO濃度の増加に伴い増加している。 As shown in FIG. 3, the CO sensor produced using the sample of LSGMFe828515 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.05 Fe 0.15 O 3 ) shows a good current value at each temperature of 300 ° C., 400 ° C., and 500 ° C. In particular, a very good current value is shown at a temperature of 500 ° C., and the current value increases as the CO concentration in the test gas increases.
〈(その2)LSGFe8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Fe0.2O3)の試料を用いて作製したCOセンサ:試験ガス中のCO濃度如何によるCO感度の計測:300〜500℃〉
LSGFe8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Fe0.2O3)の試料を用いて作製したCOセンサについて、試験ガス中CO濃度如何による計測電流値の変化を計測した。すなわち、CO不活性電極材料、酸素イオン伝導膜の構成材料、CO活性電極材料につき、表2中(13)〜(15)に示す材料を用いて作製したCOセンサを使用し、温度300〜500℃において、試験中、試験ガス中のCO濃度を所定時間ごとに103ppm、103.3ppm、103.46ppm、103.6ppm、103.7ppmと変え、各CO濃度の試験ガス雰囲気を所定時間維持し、電流値を計測した。
<(Part 2) LSGFe8282 CO sensor sample was prepared using the (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Fe 0.2 O 3): Measurement of the CO sensitivity by CO concentration whether in the test gas: 300 to 500 ° C.>
With respect to a CO sensor manufactured using a sample of LSGFe8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Fe 0.2 O 3 ), the change in the measured current value depending on the CO concentration in the test gas was measured. That is, a CO sensor produced using the materials shown in (13) to (15) in Table 2 with respect to the CO inactive electrode material, the constituent material of the oxygen ion conductive membrane, and the CO active electrode material, and the temperature was 300 to 500. At ℃, during the test, the CO concentration in the test gas was changed to 10 3 ppm, 10 3.3 ppm, 10 3.46 ppm, 10 3.6 ppm, 10 3.6 ppm, 10 3.7 ppm every predetermined time, and the test gas atmosphere at each CO concentration was maintained for a predetermined time. Then, the current value was measured.
図4はその結果で、試験ガス中の各CO濃度に対応する計測電流値の変化をグラフ化した図である。試験用の各COセンサは、300℃、400℃、500℃の各温度の試験ガスの雰囲気中に置かれ、雰囲気中のCO濃度に対応した電流量が計測される。 FIG. 4 is a graph showing changes in the measured current value corresponding to each CO concentration in the test gas. Each test CO sensor is placed in an atmosphere of a test gas at each temperature of 300 ° C., 400 ° C., and 500 ° C., and the amount of current corresponding to the CO concentration in the atmosphere is measured.
図4のとおり、LSGFe8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Fe0.2O3)の試料を用いて作製したCOセンサは、300〜500℃の温度で良好な電流値を示し、特に400〜500℃と言う温度で非常に良好な電流値を示し、その電流値は試験ガス中CO濃度の増加に伴い増加している。 As shown in FIG. 4, the CO sensor produced using a sample of LSGFe8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Fe 0.2 O 3 ) exhibits a good current value at a temperature of 300 to 500 ° C., particularly 400 to 500 ° C. It shows a very good current value at temperature, and the current value increases with an increase in the CO concentration in the test gas.
〈(その3)LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)へのFeの添加含有量如何によるCO感度:400℃〉
LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)に対するFeの添加量如何によるCO感度を試験した。図5に温度400℃での試験結果を示している。
<(Part 3) LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3) CO sensitivity by adding content whether the Fe to: 400 ° C.>
The CO sensitivity depending on the amount of Fe added to LSGM 8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) was tested. FIG. 5 shows the test results at a temperature of 400 ° C.
CO感度について見ると、図5のとおり、LSGMFe828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)では殆どCO感度はなく、LSGMFe82811(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.1Fe0.1O3)でのCO感度は100μAである。これに対して、LSGMFe828515(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.05Fe0.15O3)でのCO感度は200μAとなり、LSGFe8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Fe0.2O3)でのCO感度は1750μAとなる。 Looking at the CO sensitivity, as shown in FIG. 5, LSGMFe828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3 ) has almost no CO sensitivity, and LSGMFe82811 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.1 Fe 0.1 O 3 ) The CO sensitivity is 100 μA. In contrast, the CO sensitivity of LSGMFe828515 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.05 Fe 0.15 O 3 ) is 200 μA, and the CO sensitivity of LSGFe 8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Fe 0.2 O 3 ) is 1750 μA.
このように、LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)中Mgの全量をFeに置き換えることによりCO感度に優れたCOセンサが構成できる。 Thus, a CO sensor having excellent CO sensitivity can be configured by replacing the entire amount of Mg in LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) with Fe.
以上(その1)〜(その3)での検討結果からして、LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)中のMgの一部ないし全部をFeにて置換してなる複合酸化物は、固体電解質形COセンサにおける酸素イオン伝導体である固体電解質として有用であることが明らかである。そのうち特に、Mgの全部をFeにて置換してなる複合酸化物はCO感度の点で優れた特性を備えている。 From the examination results in the above (Part 1) to (Part 3), a composite oxide obtained by substituting part or all of Mg in LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) with Fe Is clearly useful as a solid electrolyte which is an oxygen ion conductor in a solid electrolyte CO sensor. Among them, in particular, a composite oxide obtained by substituting all of Mg with Fe has excellent characteristics in terms of CO sensitivity.
以下(その4)では、LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)中のMgの全部をFeに置換した複合酸化物について、試験ガス中のCO濃度如何によるCO感度についての試験結果を説明する。 In the following (Part 4), the test results on the CO sensitivity depending on the CO concentration in the test gas are shown for the composite oxide in which all of Mg in LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) is substituted with Fe. explain.
酸素イオン伝導膜の組成についてFeの割合を変えた試料を用いて作製したCOセンサについて、試験ガス中CO濃度如何による計測電流値の変化を計測した。表3はその結果である。表3のとおり、〈LSGFe8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Fe0.2O3)〉、〈LSGFe8273(La0.8Sr0.2Ga0.7Fe0.3O3)〉、〈LSGFe828515(La0.8Sr0.2Ga0.85Fe0.15O3)〉、〈LSGFe8291(La0.8Sr0.2Ga0.9Fe0.1O3)〉のいずれの酸素イオン伝導体を用いたCOセンサでも良好なCO感度が得られるが、表3中(7)〜(9)の箇所に示すように、Feの添加量15%(モル%)で最もCO感度の向上が見られた。 With respect to the CO sensor manufactured using the sample in which the proportion of Fe was changed with respect to the composition of the oxygen ion conductive film, the change in the measured current value depending on the CO concentration in the test gas was measured. Table 3 shows the results. As shown in Table 3, <LSGFe8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Fe 0.2 O 3)>, <LSGFe8273 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.7 Fe 0.3 O 3)>, <LSGFe828515 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.85 Fe 0.15 O 3 )> And <LSGFe 8291 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.9 Fe 0.1 O 3 )>, a CO sensor using any oxygen ion conductor can provide good CO sensitivity, but in Table 3, (7) to (9) As shown in the section, the improvement of the CO sensitivity was most observed when the added amount of Fe was 15% (mol%).
〈(その5)LSGFe8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Fe0.2O3)等、Mgの全部をFeに置換した複合酸化物を用いたCOセンサによる試験ガス中のCO濃度如何によるCO感度の計測〉 <(Part 5) LSGFe8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Fe 0.2 O 3) or the like, the measurement of the CO sensitivity by CO concentration whether the test gas by CO sensor using a composite oxide was replaced with Fe all the Mg>
〈GaとFeの組成比が異なるLSGFeについての計測温度とCO感度に係る試験〉
図6は、以上の試験で計測したGaとFeとの組成比が異なる4種類のLSGFeを用いて作製したCOセンサについて、計測温度とCO感度の関係を示した図である。図6のとおり、LSGFe828515(La0.8Sr0.2Ga0.85Fe0.15O3)が300℃、400℃、500℃とも、最も良好なCO感度を示し、LSGFe8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Fe0.2O3)がそれに準じている。
<Test related to measurement temperature and CO sensitivity for LSGFe having different composition ratios of Ga and Fe>
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between measured temperature and CO sensitivity for a CO sensor manufactured using four types of LSGFe having different composition ratios of Ga and Fe measured in the above test. As shown in FIG. 6, LSGFe82815 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.85 Fe 0.15 O 3 ) shows the best CO sensitivity at 300 ° C., 400 ° C. and 500 ° C., and LSGFe 8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Fe 0.2 O 3 ) Is based on that.
〈La0.8Sr0.2Ga1-XFeXO3(x=0.1、0.15、0.2、0.3)を用いて作製したCOセンサのCO感度:400℃〉
LSGFeにおけるFeの添加量すなわちLa0.8Sr0.2Ga1-XFeXO3(x=0.1、0.15、0.2、0.3)を用いて作製したCOセンサにおけるCO感度を試験した。図7に温度400℃での試験結果を示している。
<La 0.8 Sr 0.2 Ga 1- X Fe X O 3 (x = 0.1,0.15,0.2,0.3) CO sensor CO sensitivity produced using: 400 ° C.>
Tested CO sensitivity in CO sensors manufactured using the additive amount i.e. La 0.8 Sr 0.2 Ga 1-X
CO感度について見ると、図7のとおり、LSGFe8291(La0.8Sr0.2Ga0.9Fe0.1O3)を用いたCOセンサのCO感度は6.9mAであるが、LSGFe828515(La0.8Sr0.2Ga0.85Fe0.15O3)を用いたCOセンサのCO感度は12.9mAとなり、LSGFe8273(La0.8Sr0.2Ga0.7Fe0.3O3)を用いたCOセンサのCO感度は7.0mAとなる。 Looking at the CO sensitivity, as shown in FIG. 7, the CO sensitivity of the CO sensor using LSGFe 8291 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.9 Fe 0.1 O 3 ) is 6.9 mA, but LSGFe 828515 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.85 Fe 0.15 The CO sensitivity of the CO sensor using O 3 ) is 12.9 mA, and the CO sensitivity of the CO sensor using LSGFe 8273 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.7 Fe 0.3 O 3 ) is 7.0 mA.
図7の事実を基に、酸素イオン伝導性固体電解質であるLSGFeについて7mA前後以上のCO感度を得る範囲の組成を化学式で示すとLa0.8Sr0.2Ga1-XFeXO3(x=0.1〜0.3)と記載することができる。 Based on the facts of Fig. 7, indicating the oxygen-ion conductive solid electrolyte LSGFe the composition ranges for obtaining a CO sensitivity over longitudinal 7mA by the chemical formula La 0. 8 Sr 0. 2 Ga 1-X Fe X O 3 (X = 0.1 to 0.3).
このように、LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)その他、La、Sr、Ga、Mgを含む複合酸化物のうち、Mgの全量をFeに置き換えることによりCO感度に優れたCOセンサが構成できる。 Thus, among the LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) and other complex oxides containing La, Sr, Ga, and Mg, a CO sensor with excellent CO sensitivity by replacing the entire amount of Mg with Fe Can be configured.
〈COに活性な電極の最適化について〉
本発明に係るCOセンサは、酸素イオン伝導性固体電解質を挟んでCOの酸化に活性な電極とCOの酸化に不活性な電極とで構成される。
以上では、COの酸化に不活性な電極としてITO+Au10wt%を使用し、COに活性な電極としてRuO2+LSC64(La0.6Sr0.4Co0.2O3)を使用する態様について説明したが、以下において、COに活性な電極の最適化について説明する。
<Optimization of CO active electrode>
The CO sensor according to the present invention includes an electrode that is active in oxidizing CO and an electrode that is inactive in oxidizing CO with an oxygen ion conductive solid electrolyte interposed therebetween.
In the above, by using the ITO + Au10wt% as an inactive electrode for the oxidation of CO, it has been described embodiments using RuO 2 + LSC64 (La 0. 6
COに不活性な電極:ITO+Au10wt%、酸素イオン伝導性固体電解質:LSGMFe828155において、COに活性な電極:LSC64+RuO2に貴金属を添加した試料を作製し、CO感度を調査した。表4において、COに不活性な電極:ITO+Au10wt%と酸素イオン伝導性固体電解質:LSGMFe828155とCOに活性な電極との組み合わせにおいて、COに活性な電極の構成材料について各種選んで構成したCOセンサについての試験結果を示している。
A sample in which a noble metal was added to a CO active electrode: LSC64 + RuO 2 in an electrode inactive to CO: ITO +
表4中(1)〜(3)のとおり、COに活性な電極としてLSC64+RuO2を用いたCOセンサのCO感度は300℃で2μA、400℃で18μA、500℃で176μAである。これに対して、表4中(4)のとおり、COに活性な電極としてLSC64+RuO2にPdとPtを添加したものを用いたCOセンサのCO感度は400℃で56μAであり、より良好である。 As shown in Tables (1) to (3), the CO sensitivity of the CO sensor using LSC64 + RuO 2 as an active electrode for CO is 2 μA at 300 ° C., 18 μA at 400 ° C., and 176 μA at 500 ° C. On the other hand, as shown in Table 4 (4), the CO sensitivity of the CO sensor using LSC64 + RuO 2 with Pd and Pt added as an active electrode for CO is 56 μA at 400 ° C., which is better. .
表4中(5)〜(7)のとおり、COに活性な電極としてLSC64+RuO2にPtを添加したものを用いたCOセンサのCO感度は300℃で5μA、400℃で50μA、500℃で98μAであり、より良好である。表4中(8)〜(10)のとおり、COに活性な電極としてLSC64+RuO2にAgを添加したものを用いたCOセンサのCO感度は300℃で2μA、400℃で14μA、500℃で27μAであり、LSC64+RuO2を用いたCOセンサに対して改善効果はないと解される。 As shown in Table 5 (5) to (7), the CO sensitivity of the CO sensor using LSC64 + RuO 2 with Pt added as an active electrode for CO is 5 μA at 300 ° C., 50 μA at 400 ° C., and 98 μA at 500 ° C. And better. As shown in Tables (8) to (10), the CO sensitivity of the CO sensor using LSC64 + RuO 2 with Ag added as an active electrode for CO is 2 μA at 300 ° C., 14 μA at 400 ° C., and 27 μA at 500 ° C. Therefore, it is understood that there is no improvement effect for the CO sensor using LSC64 + RuO 2 .
〈(その一)COに活性な電極としてLSC64+RuO2にPtを添加した電極を用いたCOセンサについて、試験ガス中のCO濃度如何によるCO感度の計測〉では(a)COに活性な電極としてRuO2−Pt1wt%/LSC64(La0.6Sr0.4Co0.2O3)を用いたのに対して、〈(その二)COに活性な電極としてLSC64+RuO2にAgを添加した電極を用いたCOセンサについて、試験ガス中のCO濃度如何によるCO感度の計測〉では(a)COに活性な電極としてRuO2−Ag1wt%/LSC64(La0.6Sr0.4Co0.2O3)を用いた点で異なる。
RuO <for CO sensor using the electrode obtained by adding Pt to LSC64 + RuO 2 as active electrode (Part 1) CO, measurement of CO sensitivity by CO concentration whether in the test gas> as active electrodes in (a) CO 2 -Pt1wt% / LSC64 (La 0 . 6
計測電流値は、〈(その一)COに活性な電極(=COの酸化に活性な電極)としてLSC64+RuO2にPtを添加した電極を用いたCOセンサについて、試験ガス中のCO濃度如何によるCO感度の計測〉のように(a)COに活性な電極として「RuO2−Pt1wt%」を用いたCOセンサの方が大きいが、「RuO2−Ag1wt%」を使用した〈(その二)COに活性な電極としてLSC64+RuO2にAgを添加した電極を用いたCOセンサについて、試験ガス中のCO濃度如何によるCO感度の計測〉のCOセンサの方も、「RuO2−Pt1wt%」を用いたCOセンサよりも下回るが、良好な計測電流値を示している。 The measured current value is as follows. (Part 1) For a CO sensor using an electrode in which Pt is added to LSC64 + RuO 2 as an electrode active to CO (= electrode active to CO oxidation), CO depending on the CO concentration in the test gas. (A) CO sensor using “RuO 2 —Pt 1 wt%” as an active electrode for CO is larger, but “RuO 2 —Ag 1 wt%” is used (Part 2) As for a CO sensor using an electrode obtained by adding Ag to LSC64 + RuO 2 as an active electrode, “RuO 2 -Pt 1 wt%” was also used for the CO sensor of “Measurement of CO sensitivity depending on CO concentration in test gas> Although it is lower than the CO sensor, it shows a good measured current value.
図8は、以上の試験で400℃で計測した、COに活性な電極としての「LSC64+RuO2」と、これに添加金属としてPt、Pd、Agをそれぞれ、または併用して添加した電極を用いて作製したCOセンサについて、試験ガス中のCO濃度とCO感度の関係を示した図である。本COセンサは、酸素イオン伝導性固体電解質としてLSGMFe828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)を用い、COに不活性な電極(=COの酸化に不活性な電極)としてITO+Au10wt%を使用している。
FIG. 8 shows the measurement using the above test, measured at 400 ° C., using “LSC64 + RuO 2 ” as an active electrode for CO, and an electrode added with Pt, Pd, and Ag as additive metals. It is the figure which showed the relationship between CO density | concentration in test gas, and CO sensitivity about the produced CO sensor. This CO sensor uses LSGMFe828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3 ) as an oxygen ion conductive solid electrolyte, and ITO +
図8のとおり、試験ガス中いずれのCO濃度でも「RuO2−(Pt1wt%)LSC64」を用いたCOセンサが良好な計測電流値を示している。「RuO2−(Pd10wt%+Pt5wt%)LSC64」、「RuO2−(Ag1wt%)LSC64」、「RuO2−LSC64」は試験ガスが低濃度CO域ではほぼ同等であるが、高濃度CO域では「RuO2−(Pd10wt%+Pt5wt%)LSC64」を用いたCOセンサが良好な計測電流値を示している。
As shown in FIG. 8, the CO sensor using “RuO 2 — (Pt1 wt%) LSC64” shows a good measured current value at any CO concentration in the test gas. “RuO 2 − (
図9は、COに活性な電極としての「LSC64+RuO2」にPt、Pd、Niをそれぞれ添加した電極を用いて作製したCOセンサについて、温度400〜500℃とCO感度の関係を示した図である。これら各COセンサは、酸素イオン伝導性固体電解質としてLSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3)を用い、COに不活性な電極(=COの酸化に不活性な電極)としてITO+Au10wt%を使用している。
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the temperature of 400 to 500 ° C. and the CO sensitivity of a CO sensor manufactured using electrodes in which Pt, Pd, and Ni are added to “LSC64 + RuO 2 ” as an electrode active for CO. is there. Each of these CO sensors uses LSGM8282 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 ) as an oxygen ion conductive solid electrolyte, and ITO +
図9のとおり、温度400〜500℃において、Ptを添加した電極を用いて作製したCOセンサのCO感度が最も大きく、Pd、Niをそれぞれ添加した電極を用いて作製したCOセンサについても、添加無しの「RuO2−LSC64」を用いて作製したCOセンサに対して改善されている。
As shown in FIG. 9, at a temperature of 400 to 500 ° C., the CO sensitivity of the CO sensor manufactured using the electrode added with Pt is the largest, and the CO sensor manufactured using the electrode added with Pd and Ni is also added. This is an improvement over a CO sensor fabricated with no “RuO 2 -
図10は、500℃、400℃の各温度において、COに活性な電極としてのPtを添加しない「LSC64+RuO2」を用いて作製したCOセンサと、「LSC64+RuO2」にPtを添加した電極を用いて作製したCOセンサについて実測した、CO感度の関係を示した図である。各COセンサは、酸素イオン伝導性固体電解質としてLSGMFe828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)を用い、COに不活性な電極(=COの酸化に不活性な電極)としてITO+Au10wt%を使用している。
FIG. 10 shows a CO sensor manufactured using “LSC64 + RuO 2 ” without adding Pt as an active electrode to CO at temperatures of 500 ° C. and 400 ° C., and an electrode obtained by adding Pt to “
図10のとおり、500℃、400℃の各温度において、いずれも、Ptを添加した電極を用いて作製したCOセンサのCO感度が大きく、COに活性な電極としての「LSC64+RuO2」からなる電極に対するPtの添加効果が認められる。 As shown in FIG. 10, at each temperature of 500 ° C. and 400 ° C., the CO sensor produced using the electrode added with Pt has a large CO sensitivity, and is an electrode made of “LSC64 + RuO 2 ” as an electrode active in CO. The effect of addition of Pt to is observed.
〈LSGMFe828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)を電解質として作製したCOセンサの400℃におけるCO、H2、CH4、CO2に対する応答特性〉
LSGMFe828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)を電解質として作製したCOセンサの400℃におけるCO、H2、CH4、CO2に対する応答特性を計測した。COに活性な電極として「LSC64+RuO2」にPtを添加した電極を用い、COに不活性な電極(=COの酸化に不活性な電極)としてITO+Au10wt%を使用している。
<Response characteristics of CO sensor produced using LSGMFe828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3 ) as an electrolyte to CO, H 2 , CH 4 and CO 2 at 400 ° C.>
Response characteristics with respect to CO, H 2 , CH 4 , and CO 2 at 400 ° C. of a CO sensor manufactured using LSGMFe 828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3 ) as an electrolyte were measured. An electrode obtained by adding Pt to “LSC64 + RuO 2 ” is used as an electrode active in CO, and ITO +
図11はその結果で、試験ガス中の各Gas濃度に対応する計測電流値の変化をグラフ化した図である。試験用のCOセンサは、400℃の各試験ガスの雰囲気中に置かれ、各雰囲気中のCO濃度に対応した電流量が計測される。図11のとおり、LSGMFe828155(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3)を電解質として作製したCOセンサは、試験ガス中のCOに対する選択応答性が高い。これに対して、H2、CH4、CO2については、H2に対する応答性が僅かにあるだけで、CH4、CO2については殆ど応答しない。このように、本発明に係る固体電解質形COセンサは、ガス中のCOに対する選択性が高く、良好なCO計測感度を有している。 FIG. 11 is a graph showing the change in the measured current value corresponding to each Gas concentration in the test gas. The test CO sensor is placed in each test gas atmosphere at 400 ° C., and the amount of current corresponding to the CO concentration in each atmosphere is measured. As shown in FIG. 11, the CO sensor produced using LSGMFe828155 (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Fe 0.05 O 3 ) as an electrolyte has high selective response to CO in the test gas. On the other hand, H 2 , CH 4 , and CO 2 are only slightly responsive to H 2 , and hardly respond to CH 4 and CO 2 . Thus, the solid electrolyte type CO sensor according to the present invention has high selectivity for CO in gas and has good CO measurement sensitivity.
11 酸素イオン導電性固体電解質
12、13 白金電極
14 白金アルミナ触媒
15 ヒーター
16 起電力指示器
17 可燃性ガスを含む空気の方向
21 固体電解質
22、24 電極
23 3相界面
25 電極24を覆った酸化触媒
11 Oxygen ion conductive
Claims (11)
In the solid electrolyte CO sensor according to any one of claims 1 to 10, active electrodes for the oxidation of the CO is "RuO 2 + LSC64 (La 0. 6 Sr 0. 4 Co 0. 2 O 3) " A solid electrolyte type CO sensor characterized by comprising a material obtained by adding Pt and / or Pd to.
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