JPH04344457A - 炭酸ガスセンサ - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、施設園芸、環境衛生、
防災用、工業用などの炭酸ガス濃度を計測し制御する場
所に使用する固体電解質型の炭酸ガスセンサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、空調、農畜産分野を中心に炭酸ガ
スセンサに対するニーズが高まり、種々の方式のセンサ
開発、実用化が進められている。しかし、実用上、その
信頼性に多くの課題が残されている。

【０００３】以下、従来の炭酸ガスセンサの例について
図５を参照しながら説明する。図に示すように、固体電
解質である薄板状のＮＡＸＳ（ナトリウムイオン伝導体
）板１０１は、その両端に１対の電極層１０９である検
知極層１０２、基準極層１０４を備え、検知極層１０２
は、Ａｕを用いた電極層内に金属炭酸塩１０３である炭
酸ナトリウムが分散して添加、形成されており、基準極
層１０４はＡｕを用いた電極層で形成され、ガス感知部
１０６を構成していた。ガス感知部１０６の片面下部に
加熱部１０５が接着剤１０８によって固定され、ガス感
知部１０６を測定温度に加熱している。また、センサ出
力は検知極層１０２、基準極層１０４それぞれから取り
出したリード線１０７ａ、１０７ｂを介して取り出して
いる。

【０００４】上記構成において、ガス感知部１０６は以
下の電池を構成する。すなわち

【０００５】

【化１】

【０００６】このような電池を構成するガス感知部１０
６を加熱部１０５により測定温度に加熱すると、検知極
層１０２および基準極層１０４において以下のような電
池反応が起き

【０００７】

【化２】

【０００８】両電極間には次式で表される起電力が発生
する。

【０００９】

【数１】

【００１０】ここで、Ｅ０は定数、Ｒは気体定数、Ｔは
絶対温度、Ｆはファラデー定数、αＮａ２Ｏ、αＮａ２
ＣＯ３はそれぞれＮａ２ＯおよびＮａ２ＣＯ３の活量、
ＰＣＯ２は空気中のＣＯ２分圧を示す。αＮａ２ＣＯ３
は、通常の安定な状態では１と置くことができ、αＮａ
２ＯはＮＡＸＳの組成によって決定するため定数とみな
すことができる。よって、センサの動作温度であるＴが
一定ならば起電力Ｅ（出力）はＰＣＯ２のみの関数とな
る。よって検知極層１０２、基準極層１０４よりリード
線１０７ａ、１０７ｂを介してこの起電力Ｅ（出力）を
取り出すことによりＣＯ２濃度を求めることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成では以下のような課題を有していた。すなわ
ち測定雰囲気中の水分が存在すると検知極層の（化２）
に示す電極反応に水が関与していた。そのため、測定雰
囲気の湿度が変化するとその変化に応じて起電力すなわ
ちセンサ出力が変化するという出力の温度依存性があっ
た。そのため、正確な炭酸ガス濃度を測定できなかった
。

【００１２】また、雰囲気中に硫化水素等の腐食性ガス
が存在すると基準極層が汚染され劣化の原因となってい
た。

【００１３】さらに、ガス感知部が結露した場合、検知
極層の金属炭酸塩が結露水に溶け出し、その溶液が基準
極に至るとガス感知部は（化１）に示す電池を構成しな
くなり破損していた。

【００１４】本発明は、上記課題を解決するもので、出
力の温度依存性を低減しさらに基準極の劣化を防止し高
い信頼性を有する炭酸ガスセンサを提供するものである
。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を達成する
ための第１の手段は、固体電解質からなるイオン伝導性
セラミックス板の両端に１対の電極層を設け、前記イオ
ン伝導性セラミックス板のいずれか一方の電極層に、炭
酸ガスと解離平衡を形成する金属炭酸塩を添加して検知
層を形成し、他方の基準極層ａに触媒物質を添加して構
成されるガス感知部と、前記ガス感知部を測定温度に加
熱する加熱部とで構成したものである。

【００１６】また、第２の手段は、固体電解質からなる
イオン伝導性セラミックス板の両端に１対の電極層を設
け、前記イオン伝導性セラミックス板のいずれか一方の
電極層に、炭酸ガスと解離平衡を形成する金属炭酸塩を
添加した検知層を形成し、他方の基準極層もしくは、基
準極層を含む前記イオン伝導性セラミックス板の表面の
一部あるいは全部をガス遮断層で被覆して構成されるガ
ス感知部と、前記ガス感知部を測定温度に加熱する加熱
部とで構成したものである。

【００１７】また、第３の手段は、前記基準極層ｂに酸
素イオン伝導性物質を添加して構成したものである。

【００１８】

【作用】本発明は上記した第１の手段の構成により、基
準極層ａに触媒物質を添加することにより、その触媒作
用により（化２）に示す電極反応における基準極層ａに
対する雰囲気中の水分の影響を小さくし、さらに腐食性
ガスを分解するため、出力の雰囲気湿度依存性、および
腐食性ガスによる基準極層ａの劣化を低減することがで
きるものである。

【００１９】また、第２の手段の構成により、基準極を
ガス遮断層で被覆することにより、基準極を測定雰囲気
から遮断し、雰囲気中の水分の影響による雰囲気湿度依
存性、また、腐食性ガス、結露水等による基準極層の劣
化を防止する事ができるものである。

【００２０】また、第３の手段の構成により、基準極層
ｂに酸素イオン伝導性物質を添加することにより基準極
層ｂの酸素分圧を安定化し長期に渡り安定した出力が得
られるものである。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の第１実施例について、図１〜
図２を参照しながら説明する。

【００２２】なお、従来例の同一の部分には同一番号を
つけて説明は省略する。図１に示すように、ナトリウム
イオン伝導性セラミックスであるＮＡＸＳ板１０１の両
端に１対の電極層１０９である検知極層１０２と基準極
層ａ１が形成されている。基準極層ａ１は電極材料であ
るＡｕペーストに酸化触媒であり、酸素イオンと電子の
両方に対して伝導性を持つ混合伝導性セラミックスでペ
ロブスカイト型酸化物Ｌａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０３の
粉末、即ち触媒物質２を１０重量％程度添加し、混合し
てペースト状にしたものをスクリーン印刷もしくは塗布
し、乾燥後焼成したものである。

【００２３】以上のように構成された炭酸ガスセンサ１
１０について以下その動作について説明する。上記構成
において、基準極層ａ１に添加した触媒物質２の触媒作
用により従来例で示した（化２）に及ぼす雰囲気中の水
分の影響が暖和される。その結果、出力の雰囲気湿度依
存性が低減する。図２に測定結果を示す。縦軸は、出力
変化量（ΔＥｍｆ）横軸は測定雰囲気の湿度（露点）を
示している。また、触媒物質２は基準極層ａ１に接触す
る腐食性ガス（例えば、Ｈ２Ｓ，Ｃ１２）を分解するた
め腐食性ガスによる基準極層ａ１の劣化を防止すること
が出来る。

【００２４】このように本発明の第１の実施例の炭酸ガ
スセンサ１１０によれば、基準極層ａ１への水分の影響
を低減することができ、出力の湿度依存性を小さくする
ことが出来る。また、基準極層ａ１の腐食性ガスによる
劣化を防止することが出来る。

【００２５】なお、本実施例では触媒物質２をＬａ０．
５Ｓｒ０．５Ｃｏ０３としたが、酸化触媒で（化２）に
示す基準極層ａ１での反応を阻害しない物質であればど
の様な物質でもよい。次に、本発明第２実施例について
、図３を参照しながら説明する。なお、従来例と同一の
部分には同一番号をつけて説明は省略する。

【００２６】図に示すように、基準極層１０４およびＮ
ＡＸＳ板１０１の一部を覆う形でガス遮断層３が被覆さ
れている。ガス遮断層３はペースト状の非晶質ガラスシ
ール材を塗布後、乾燥・焼成して形成された非晶質ガラ
ス層である。

【００２７】上記構成において、基準極層１０４は、ガ
ス遮断層３によって雰囲気から完全に遮断されている。 そのため、基準極層１０４は測定雰囲気の水分の影響を
受けず、出力の雰囲気湿度依存性は防止でき、同時に腐
食性ガス等も遮断されるため基準極層１０４の劣化を防
止することが出来る。また、結露水により検知極層１０
２の金属炭酸塩１０３が溶出した場合においてもその溶
液はガス遮断層４により基準極層１０４に達しないため
金属炭酸塩１０３が基準極層１０４に付着することによ
るセンサ劣化を防止することが出来る。

【００２８】このように、本発明第２実施例の炭酸ガス
センサ１１０によれば出力の湿度依存性を防止し、基準
極層１０４の劣化を防ぐことが出来る。

【００２９】なお、本実施例ではガス遮断層３を非晶質
ガラス層としたがセンサの動作温度で安定な物質でガス
を通さないものであればガラス層、樹脂層でもよい。

【００３０】次に、本発明第３実施例について図４を参
照しながら説明する。なお、従来例と同一の部分には同
一番号をつけて説明は省略する。

【００３１】図に示すように、基準極層ｂ４は酸素イオ
ン伝導性物質５としてイットリウムを添加した安定ジル
コニアであるＹＳＺが添加され、基準極層ｂ４およびＮ
ＡＸＳ板１０１の一部を覆う形でガス遮断層３が被覆さ
れている。

【００３２】上記構成において、基準極層ｂ４はガス遮
断層３により雰囲気から遮断されているため雰囲気湿度
の影響を受けず、さらに腐食性ガスから保護されている
。そのため、出力の雰囲気湿度依存性および腐食性ガス
による基準極層ｂ４の劣化は防止される。

【００３３】また、基準極層ｂ４に添加された酸素イオ
ン伝導性物質５により基準極層ｂ４内の酸素分圧は酸素
イオン伝導性物質５が持つ固有の値で安定する。そのた
め、基準極層の電位は一定に保たれ、安定した出力が得
られる。

【００３４】このように、本発明第３実施例の炭酸ガス
センサ１１０によれば、出力の湿度依存性を防止し、基
準極層１０４の劣化を防ぐことが出来るだけでなく長期
に渡って安定した出力が得られる。

【００３５】なお、本実施例では酸素イオン伝導性物質
５をＹＳＺとしたが、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０３ま
たはカルシウムを含有した安定化ジルコニアであるＣＳ
Ｚ、または白金、白金黒でもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば基準極層
に触媒物質を添加することにより雰囲気湿度に対する出
力の依存性を低減し、さらに腐食性ガスによる劣化を防
止することが出来る。

【００３７】また、基準極層もしくは基準極層を含むイ
オン伝導性セラミックス板の表面の一部あるいは全部を
ガス遮断層で被覆することにより、従来のガス感知部に
ガス遮断層を加えるだけで簡単に検知極雰囲気と遮断さ
れるため、検知極が原因となる出力の湿度依存性を防止
することができ、さらにガス遮断層により雰囲気中の腐
食性ガスなどから遮断されるため基準極の劣化を防止す
ることが出来る。また、結露水によるセンサの劣化を防
止することができる。

【００３８】また、基準極層に酸素イオン伝導性物質を
添加することにより検知極層の酸素分圧が一定となり長
期に渡って安定した出力を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の炭酸ガスセンサの構成を
示す縦断面図

【図２】同炭酸ガスセンサと従来の炭酸ガスセンサの出
力の雰囲気湿度依存性を示すグラフ

【図３】本発明の第２実施例の炭酸ガスセンサの構成を
示す縦断面図

【図４】本発明の第３実施例の炭酸ガスセンサの構成を
示す縦断面図

【図５】従来の炭酸ガスセンサの構成を示す縦断面図

【符号の説明】

１　　　　基準極層ａ ２　　　　触媒物質 ３　　　　ガス遮断層 ４　　　　基準極層ｂ ５　　　　酸素イオン伝導性物質 １０１　　　　イオン伝導性セラミックス板（ＮＡＸＳ
板）１０２　　　　検知極層 １０３　　　　金属炭酸塩 １０４　　　　基準極層 １０５　　　　加熱部 １０６　　　　ガス感知部 １０９　　　　１対の電極層 １１０　　　　炭酸ガスセンサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　固体電解質からなるイオン伝導性セラ
   ミックス板の両端に１対の電極層を設け、前記イオン伝
   導性セラミックス板のいずれか一方の電極層に、炭酸ガ
   スと解離平衡を形成する金属炭酸塩を添加して検知極層
   を形成し、他方の電極層に触媒物質を添加して基準極層
   ａを形成し、構成されるガス感知部と、前記ガス感知部
   を測定温度に加熱する加熱部とを備えてなる炭酸ガスセ
   ンサ。
2. 【請求項２】　　固体電解質からなるイオン伝導性セラ
   ミック板の両端に１対の電極層を設け、前記イオン伝導
   性セラミックス板のいずれか一方の電極層に、炭酸ガス
   と解離平衡を形成する金属炭酸塩を添加して検知層を形
   成し、他方の基準極層もしくは、基準極層を含む前記イ
   オン伝導性セラミックス板の表面の一部あるいは全部を
   ガス遮断層で被覆して構成されるガス感知部と、前記ガ
   ス感知部を測定温度に加熱する加熱部とを備えてなる炭
   酸ガスセンサ。
3. 【請求項３】　　前記基準極層ｂに酸素イオン伝導性物
   質を添加して構成してなる請求項２記載の炭酸ガスセン
   サ。