JPH09236574A - Mixture electrode for solid electrolyte type gas sensor - Google Patents
Mixture electrode for solid electrolyte type gas sensorInfo
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- JPH09236574A JPH09236574A JP8043208A JP4320896A JPH09236574A JP H09236574 A JPH09236574 A JP H09236574A JP 8043208 A JP8043208 A JP 8043208A JP 4320896 A JP4320896 A JP 4320896A JP H09236574 A JPH09236574 A JP H09236574A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は,CO2 ガス濃度等
を測定する固体電解質型ガスセンサーに好適な混合物電
極(サーメット電極)に関するものであり、さらに詳細
には、電極と固体電解質界面の反応抵抗が小さく、電極
の焼結反応の進行による電極構造の経時変化を抑えるこ
とができ、かつ、センサーの応答速度の向上と測定範囲
の拡大、特性値の経時変化の防止を図ることができる固
体電解質型ガスセンサー用の混合物電極に関するもので
ある。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mixture electrode (cermet electrode) suitable for a solid electrolyte type gas sensor for measuring CO 2 gas concentration and the like, and more specifically to a reaction between an electrode and a solid electrolyte interface. A solid with low resistance that can suppress changes in the electrode structure over time due to the progress of the sintering reaction of the electrodes, improve the response speed of the sensor, expand the measurement range, and prevent changes in characteristic values over time. The present invention relates to a mixture electrode for an electrolytic gas sensor.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、固体電解質の上に一対の電極
を形成し、一方にはアルカリ金属炭酸塩層を設ける事に
よりCO2 ガス感応性電極とし、他方を不感応性電極と
したCO2 ガス検出部を有し、小型のヒータにより自己
加熱することの可能な実用的なCO2 ガスセンサーが知
られている(例えば特開平1−213565号)。上記
のような固体電解質型CO2 ガスセンサーは、通常、C
O2 ガス検出部電極には、主に市販のPtまたはAuペ
ーストを使用している。しかし、固体電解質型CO2 ガ
スセンサーの殆どは、CO2 ガス検出材料として炭酸塩
を用いているため、上述のような市販のPtペーストを
使用した場合には、炭酸塩との間に化合物を形成して経
時変化を生じ、この結果,長時間の安定性に欠けるとい
う問題点がある。Conventionally, a pair of electrodes formed on the solid electrolyte, and CO 2 gas-sensitive electrodes by providing an alkali metal carbonate layer on one, CO 2 and the other was used as a non-sensitive electrode There is known a practical CO 2 gas sensor that has a gas detection portion and can be self-heated by a small heater (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-213565). The solid electrolyte type CO 2 gas sensor as described above is usually C
Commercially available Pt or Au paste is mainly used for the O 2 gas detection electrode. However, since most solid electrolyte type CO 2 gas sensors use carbonate as a CO 2 gas detecting material, when a commercially available Pt paste as described above is used, a compound is formed between the compound and the carbonate. There is a problem that it is formed and changes over time, resulting in a lack of long-term stability.
【0003】また,市販のAuペーストはガスセンサー
に於ける多孔質電極用として製造されておらず、焼き付
け後の緻密さ、滑らかさ等に重点がおかれているため、
ガスセンサーの多孔質電極としては相応しくない。即
ち、CO2 ガス検出部において固体電解質の電極に接触
している面が、金の膜により密に覆われるため、気相と
の接触が少なく、電極反応が円滑に進行しないという問
題がある。さらに、センサー作動温度の300〜600
°Cにおいて,徐々にAuペーストの焼結が起こり,電
極の多孔質性が失われる。このため,電極と固体電解質
界面での電極反応が進みにくくなり,センサーの応答性
が低下,つまり応答時間が長くなってしまうという問題
が生じる。Further, since the commercially available Au paste is not manufactured for the porous electrode in the gas sensor, and the emphasis is placed on the fineness and smoothness after baking,
It is not suitable as a porous electrode for gas sensors. That is, since the surface of the CO 2 gas detecting portion that is in contact with the electrode of the solid electrolyte is densely covered with the gold film, there is little contact with the gas phase and there is a problem that the electrode reaction does not proceed smoothly. Furthermore, the sensor operating temperature of 300 to 600
At ° C, the Au paste is gradually sintered and the porosity of the electrode is lost. For this reason, the electrode reaction at the interface between the electrode and the solid electrolyte becomes difficult to proceed, and the response of the sensor deteriorates, that is, the response time becomes long.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明はAu
ペーストまたはAu粉にNiOあるいはAuと反応しな
い酸化物粉末を混合した電極材料によって固体電解質型
ガスセンサー用の混合物電極を構成し、これによって上
述の諸問題を解決することを目的とする。本発明に係わ
る混合物電極は、多孔質構造を保つことができるため、
電極と電解質界面への被検ガスの拡散がスムーズに起こ
り,電極反応が進みやすくなる。また、この混合物電極
の使用により,長期にわたり電極の微細構造の安定性が
可能になり,センサの応答速度の低下が抑制されるほ
か,センサの応答特性の安定性が得られる。Therefore, according to the present invention, Au is used.
It is an object of the present invention to form a mixture electrode for a solid electrolyte type gas sensor by using an electrode material prepared by mixing a paste or Au powder with an oxide powder that does not react with NiO or Au, thereby solving the above-mentioned problems. Since the mixture electrode according to the present invention can maintain a porous structure,
The test gas diffuses smoothly to the interface between the electrode and the electrolyte, facilitating the electrode reaction. Further, by using this mixture electrode, it is possible to stabilize the fine structure of the electrode for a long period of time, suppress the decrease in the response speed of the sensor, and obtain the stability of the response characteristic of the sensor.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】このため、本発明が採用
した課題解決の手段は、Au粉またはAuペーストにN
iO、LiAlO2 等のAl2 O3 を除く酸化物粉末を
混合した後、ペースト化し、これを固体電解質に塗布
し、焼き付けることにより構成したことを特徴とする固
体電解質型ガスセンサー用の混合物電極であり、Au粉
またはAuペーストに炭酸塩を形成可能な酸化物粉末を
混合し、ペースト化し、これを固体電解質に塗布し、焼
き付けることにより構成したことを特徴とする固体電解
質型ガスセンサー用の混合物電極である。Therefore, the means for solving the problem adopted by the present invention is to add Au powder or Au paste to N
A mixture electrode for a solid electrolyte type gas sensor, characterized by being formed by mixing oxide powders other than Al 2 O 3 such as iO and LiAlO 2 , forming a paste, applying this to a solid electrolyte, and baking it. A solid electrolyte type gas sensor characterized in that it is constituted by mixing an Au powder or an Au paste with an oxide powder capable of forming a carbonate, forming a paste, applying the paste to a solid electrolyte, and baking the mixture. It is a mixture electrode.
【0006】[0006]
【実施の形態】以下本発明に係わる混合物電極の作製例
について説明する。なお、固体電解質型ガスセンサーの
構造は従来と同様であるのでそれらの説明は省略する。
平均粒径0.5 〜10μm、望ましくは平均粒径0.5 〜2 μ
mからなるAu粉に対して、平均粒径0.1 〜50μm、望
ましくは平均粒径が約0.5 〜20μmからなるNiO粉末
を混合量が5〜60wt%になるように調整し,エタノ
ールを加えて十分に混合する。混合物からエタノールを
飛ばした後、テレピン油、ヒマシ油等の溶剤を少量加え
てペースト化する。これを固体電解質等に塗布,約40
0°C以上で焼き付けて混合物電極を構成する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An example of producing a mixture electrode according to the present invention will be described below. Since the structure of the solid electrolyte type gas sensor is the same as the conventional one, the description thereof will be omitted.
Average particle size 0.5-10 μm, preferably 0.5-2 μm
m of Au powder of 0.1 to 50 μm, preferably 0.5 to 20 μm of NiO powder is adjusted to a mixed amount of 5 to 60 wt%, and ethanol is added. To mix. After removing ethanol from the mixture, a small amount of a solvent such as turpentine oil or castor oil is added to form a paste. Apply this to solid electrolyte etc., about 40
A mixture electrode is formed by baking at 0 ° C or higher.
【0007】上記のようにして構成したAu/NiO混
合物電極の界面導電率とNiO組成の関係を図1に示
す。この図から明らかなように例えば400°CではN
iO混合量が多くなるにつれて、界面導電率が大きくな
っている(抵抗が小さくなっている)ことが判る。ま
た、電極界面抵抗は混合するNiOの平均粒径によって
も変化するが、電極界面抵抗は小さければ小さいほどよ
い(望ましくは50Ω以下が望ましい)ため、例えば図
2に示すように600°Cの場合にはNiOの平均粒径
は30μm以下とすることが望ましい。FIG. 1 shows the relationship between the interfacial conductivity and the NiO composition of the Au / NiO mixture electrode constructed as described above. As is clear from this figure, at 400 ° C, N
It can be seen that the interfacial conductivity increases (the resistance decreases) as the amount of iO mixed increases. Further, the electrode interface resistance changes depending on the average particle size of the mixed NiO, but the smaller the electrode interface resistance, the better (preferably 50Ω or less). For example, in the case of 600 ° C. as shown in FIG. For this reason, it is desirable that the average particle size of NiO be 30 μm or less.
【0008】なお、本例においてNiOの混合量が多く
なり,混合物電極の固体電解質に対する密着強度が著し
く低下する場合は,ガラスフリット等の添加によって強
度を保たせても良い。ガラスフリットを用いる場合,電
極の多孔性を失わず,かつ密着強度を得る、またガラス
フリットと電極、電解質等の構成材料との間で余計な反
応を起こさせないためできるだけ少ない方がよい(フリ
ット添加は0〜10wt%以下が良好である)。また,
テレピン油のみでのペースト化は,ペーストの粘性,流
動性の調整が難しいので,Au粉とNiO粉末粒子が分
離しやすく,焼き付け後の電極にAuとNiOのムラが
できる原因となる。したがってこうした不都合を解消す
るために有機バインダーを使用してAuとNiO粉末の
分散が均一なペーストにし,焼付けをして混合物電極を
構成することもできる。あるいは,Au粉の代わりに市
販のAuペーストを使用し、このAuペーストにNiO
粉末を混合しても同様の混合物電極を構成することがで
きる。ところで、上記のようなAu+NiOの混合電極
の場合、例えば、固体電解質のLi2 CO3 とNiOと
が反応を起こしLiNiO2 を生成することが予測され
るが、この反応によって生成した化合物LiNiO
2 は、CO2 ガスに対する活性が高く、また高い導電性
を持つ故に電極特性の向上が期待され、さらに、電極性
能の安定を図ることもできる。In this example, when the amount of NiO mixed is large and the adhesion strength of the mixture electrode to the solid electrolyte is remarkably reduced, glass frit or the like may be added to maintain the strength. When using a glass frit, it is preferable to use as few as possible because the porosity of the electrode is not lost and adhesion strength is obtained, and an unnecessary reaction does not occur between the glass frit and the constituent materials such as the electrode and the electrolyte. Is 0 to 10 wt% or less). Also,
Since it is difficult to adjust the viscosity and fluidity of the paste when the paste is formed using only turpentine oil, the Au powder and NiO powder particles are easily separated, which causes unevenness of Au and NiO on the electrode after baking. Therefore, in order to eliminate such inconvenience, it is possible to form a mixture electrode by using an organic binder to form a paste in which Au and NiO powder are uniformly dispersed and baking the paste. Alternatively, a commercially available Au paste is used in place of the Au powder, and NiO is added to this Au paste.
A similar mixture electrode can be constructed by mixing powders. By the way, in the case of the Au + NiO mixed electrode as described above, for example, it is expected that Li 2 CO 3 and NiO of the solid electrolyte react to produce LiNiO 2 , but the compound LiNiO produced by this reaction
Since 2 has a high activity for CO 2 gas and has high conductivity, it is expected that the electrode characteristics will be improved, and the electrode performance can be stabilized.
【0009】さらに、NiO粉末の代わりに,Auと反
応しない酸化物、例えばAl2 O3を除くLiAlO2,
BaO、MgO、SrO、MnO等の酸化物を使用する
こともできる。ここでAuと反応しない酸化物の中から
Al2 O3 を除く理由を簡単に説明しておくと、本発明
では、固体電解質に炭酸塩(例えばLi2 CO3 、Na
2 CO 3 、K2 CO3 )を用いているため、炭酸塩とA
l2 O3 とが反応して次式のように化合物を作る。 Li2 CO3 +Al2 O3 →2LiAlO2 +CO2 こうして電極の経時変化が起こり、電極の多孔質構造の
維持が出来なくなる。これに対して、LiAlO2 の場
合には、予めLi2 CO3 とAl2 O3 とを反応させた
物質LiAlO2 を用いているため、余計な反応は起こ
らず、多孔質構造が維持でき、長期に渡り電極の性能が
安定する。また、BaO、MgO、SrO、MnO等の
酸化物は、炭酸塩の形成が可能なため、電極の多孔質構
造を作る役目を果たすほか、CO2 ガスへの活性を高く
する役目が期待できる。Further, instead of NiO powder, Au and
Incompatible oxides such as AlTwoOThreeExcluding LiAlO2,
Use oxides such as BaO, MgO, SrO, MnO
You can also. Among the oxides that do not react with Au,
AlTwoOThreeExplaining briefly the reason excluding, the present invention
Then, a carbonate (for example, LiTwoCOThree, Na
TwoCO Three, KTwoCOThree) Is used, so carbonate and A
lTwoOThreeReact with and form a compound as shown in the following formula. LiTwoCOThree+ AlTwoOThree→ 2 LiAlOTwo+ COTwo In this way, the aging of the electrode occurs and the porous structure of the electrode
I can't maintain. On the other hand, LiAlOTwoPlace
In case ofTwoCOThreeAnd AlTwoOThreeReacted with
Material LiAlOTwoSince the use of
Instead, the porous structure can be maintained and the performance of the electrode can be maintained for a long time.
Stabilize. In addition, BaO, MgO, SrO, MnO, etc.
Oxides are capable of forming carbonates, so the porous structure of the electrode
In addition to playing the role of making structures, COTwoHigh activity for gas
You can expect a role to play.
【0010】上記のようにして構成した混合物電極によ
れば、電極と電解質界面への被検ガスの拡散がスムーズ
に起こり,電極反応が進みやすくなるため、センサーの
応答速度の向上と測定範囲の拡大,特性値の経時変化の
防止を図ることができる。また、炭酸塩の形成が可能な
酸化物を使用すると、電極のCO2 ガスに対する活性が
高められ、応答性が向上する。この特性の向上は,電極
界面抵抗の低減として観測され,センサの応答速度の向
上につながる。複素インピーダンス測定法による混合物
の電極の界面抵抗値は市販のAuペーストに比べて1/
10〜1/50まで低減することやその抵抗値が経時変
化を起こしにくいことが確認されている。図3に従来の
Auペーストを使用した電極と、本発明による混合物電
極との経時変化を比較したグラフを示す。このグラフか
らも判るように混合物電極の方がAuペースト電極に比
較して経時変化が少ないことが明らかである。また,こ
の電極材料を固体電解質型CO2 ガスセンサーに適用し
た場合、CO 2 濃度に比例した起電力は,電極の応答特
性向上に伴い,ネルンストの理論式にしたがう値が得ら
れるほか,CO2 濃度検出範囲が広がる。なお、上記混
合物電極はCO2 ガスセンサーに限らず、O2 ,N
OX ,SOX,CO等の濃度を測定する電気化学ガスセ
ンサーの電極にも使用することができることは当然であ
る。With the mixture electrode constructed as described above,
Smooths the diffusion of the test gas to the interface between the electrode and the electrolyte.
Occurs in the sensor and the electrode reaction easily proceeds,
Improvement of response speed, expansion of measurement range, change of characteristic value over time
It can be prevented. It is also possible to form carbonates
If oxide is used, the COTwoActivity against gas
It is enhanced and the responsiveness is improved. This improvement in characteristics is due to the electrode
Observed as a reduction in interfacial resistance, the response speed of the sensor
Connected to the top. Mixture by complex impedance measurement
The interfacial resistance of the electrode is 1 / compared to the commercially available Au paste
Decrease to 10 to 1/50 and its resistance value changes with time.
It has been confirmed that it is unlikely to occur. Figure 3
An electrode using Au paste and a mixture electrode according to the present invention
The graph which compared the time-dependent change with a pole is shown. This graph
As can be seen from the authors, the mixture electrode is better than the Au paste electrode.
It is clear that the change with time is small in comparison. Also,
Electrode material of solid electrolyte type COTwoApplied to gas sensor
If the CO TwoThe electromotive force proportional to the concentration is the response characteristic of the electrode.
The value according to Nernst's theoretical formula was obtained as
COTwoThe concentration detection range is expanded. Note that the above
Compound electrode is COTwoNot limited to gas sensors, OTwo, N
OX, SOX, Gas for measuring the concentration of CO, etc.
Of course, it can also be used as a sensor electrode.
You.
【0011】[0011]
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、A
uペーストまたはAu粉とNiOあるいはAuと反応し
ないアルミナを除く酸化物粉末を混合した混合物を電極
材料としたため、作製された混合物電極は多孔質構造を
保つことができる。この結果、電極と電解質界面への被
検ガスの拡散がスムーズに起こり,電極反応が進みやす
くなる。つまり、この混合物電極の使用により,長期に
わたり電極の微細構造の安定性が可能になり,センサの
応答速度の低下が抑制されるほか,センサの応答特性の
安定性が得られる等の優れた効果を奏することができ
る。As described in detail above, according to the present invention, A
Since the electrode material is a mixture of u paste or Au powder and oxide powders other than alumina that does not react with NiO or Au, the prepared mixture electrode can maintain a porous structure. As a result, the diffusion of the test gas to the interface between the electrode and the electrolyte occurs smoothly, and the electrode reaction easily proceeds. In other words, by using this mixture electrode, it is possible to stabilize the fine structure of the electrode for a long period of time, suppress the decrease in the response speed of the sensor, and obtain excellent effects such as the stability of the response characteristic of the sensor. Can be played.
【図1】 Au/NiO混合物電極の界面導電率とNi
O組成の関係を示すグラフである。FIG. 1 Interfacial conductivity and Ni of Au / NiO mixture electrode
It is a graph which shows the relationship of O composition.
【図2】 NiO平均粒径と電極界面抵抗との関係を示
すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between NiO average particle size and electrode interface resistance.
【図3】 従来のAuペーストを使用した電極と、本発
明による混合物電極との経時変化を比較したグラフであ
る。FIG. 3 is a graph comparing changes over time between an electrode using a conventional Au paste and a mixture electrode according to the present invention.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 張 益燦 埼玉県羽生市東5丁目4番71号 株式会社 曙ブレーキ中央技術研究所内 (72)発明者 小林 滋彬 埼玉県羽生市東5丁目4番71号 株式会社 曙ブレーキ中央技術研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Zhang Masui 5-4-71 East, Hanyu City, Saitama Prefecture, Akebono Brake Central Technical Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor Shigeaki Kobayashi 5-4-171 East, Hanyu City, Saitama Prefecture No. Akebono Brake Central Technology Research Institute
Claims (2)
AlO2 等のAl2 O3 を除く酸化物粉末を混合した
後、ペースト化し、これを固体電解質に塗布し、焼き付
けることにより構成したことを特徴とする固体電解質型
ガスセンサー用の混合物電極。1. Au powder or Au paste containing NiO, Li
A mixture electrode for a solid electrolyte type gas sensor, characterized by being formed by mixing oxide powders such as AlO 2 excluding Al 2 O 3 , forming a paste, applying this to a solid electrolyte, and baking it.
可能な酸化物粉末を混合し、ペースト化し、これを固体
電解質に塗布し、焼き付けることにより構成したことを
特徴とする固体電解質型ガスセンサー用の混合物電極。2. A solid electrolyte type gas sensor, characterized in that an Au powder or an Au paste is mixed with an oxide powder capable of forming a carbonate, made into a paste, applied to a solid electrolyte and baked. Mixture electrode for.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8043208A JPH09236574A (en) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | Mixture electrode for solid electrolyte type gas sensor |
US08/802,098 US5766433A (en) | 1996-02-22 | 1997-02-19 | Solid electrolyte type gas sensor |
DE19706975A DE19706975A1 (en) | 1996-02-22 | 1997-02-21 | A solid state carbon di:oxide gas sensor with rapid response time |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8043208A JPH09236574A (en) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | Mixture electrode for solid electrolyte type gas sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09236574A true JPH09236574A (en) | 1997-09-09 |
Family
ID=12657511
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8043208A Withdrawn JPH09236574A (en) | 1996-02-22 | 1996-02-29 | Mixture electrode for solid electrolyte type gas sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09236574A (en) |
-
1996
- 1996-02-29 JP JP8043208A patent/JPH09236574A/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20030506 |