JPH0533742B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は組成が未知の気体中における酸素を定
量する方法および装置に関する。この方法はDC
電界の下において固体電解質本体を含む乾燥電解
質電池を横切つて流れる電流を測定することに基
づいており、上記電流は上記電界の影響の下にお
いて上記電解質本体と接触する未知の気体中にお
ける元素状酸素のイオン化から生じるものであ
る。そのような電解質電池は少なくとも２つの電
極によつて生じるDC電界において処理される固
体電解質本体とこの電解質と接触するカソードと
アノードとから成つている。電流は、カソード付
近における電解質と接触する気体中の元素状酸素
のイオン化から生じるO^2-イオンが電解質を移動
することにより生じる。

気体混合物中に含まれる酸素の量を測定する公
知の手段として、一方の側面に多孔性電極を固定
した固体電解質膜から成る装置がある。この膜は
分析すべき気体混合物を対照気体から分離するた
めのものである。この混合物中の酸素含有量が対
照気体中の酸素含有量と相違するならば、電位が
生じ、この電位は２つの気体中における酸素濃度
の差の対数函数である。この電位を測定すること
により、かつ対照気体の酸素含有量を知ることに
より、気体混合物中の酸素含有量の測定すること
ができる。この種の測定において、気体混合物と
電解質およびカソードとの間にできる広い接触領
域を設けることが一般的に行なわれている。従つ
て、気体を透過する多孔性カソードを用いること
が一般的に推奨される。

この種のセンサに用いられる多孔性電極を製造
する方法は米国特許第4372824号に開示されてい
る。この方法の場合、電極は固体電解質上に配置
され、かつ熱処理され、その多孔度を増加する。
この処理の目的は、酸素が固体電解質に浸透する
ことを促進し、センサの感度を改善するためであ
る。

これらのセンサは対数的に作用するので、例え
ば理論量に近い割合の空気／燃料混合物の燃焼か
ら生じる排気ガスにおける少量の酸素濃度（0.5
％未満）を測定するのに大変効果的である。しか
しながらのようなセンサは高濃度の酸素を測定す
るためには充分に適用することができず、さらに
そのようなセンサの感応性は温度によつてかなり
影響される。

これらの欠点を除去するために、「酸素ポンプ」
型と呼ばれているセンサが提案されている。これ
らセンサは上記に述べたように、向かい合う両側
が多孔性電極で被覆されている固体電解質膜によ
つて構成されている。この種のセンサの原理は、
電極が電源に接続されており、この電源によつて
生じるDC電解によりカソードにおいて酸素イオ
ンO^2-の生成が促進され、かつ酸素イオンが上記
膜を横切つて移動するという事実に基づいてい
る。酸素濃度の高い条件の下で実際操作させるた
めに、カソードが素子で被覆され、この素子は上
記膜を横切つて移動することができる酸素含有気
体の流れを制限するように設計されている。

この素子は、特開昭57−48648号に開示されて
いるように、上記カソードと一体的な多孔性セラ
ミツクの層により構成されており、この場合、セ
ラミツク層の多孔度は、センサを使用する通常の
条件下においてカソードと接触可能な気体流を周
知の方法で制限できるように選ばれる。従つて固
体電解質を移動するイオンに変換されるべき分子
状酸素の流量は、膜の両側における酸素の分圧の
差に比例する。従つてこの場合、酸素イオンの移
動の結果、電解質を横切つて流れる電流の値は、
セラミツク層に浸透する気体中の酸素含有量の函
数となる。

さらに、目盛りを付けた孔からなるカプセルの
形を有する酸素の流量を制限する素子は特開昭52
−72286号から公知である。このようなセンサを
用いて性能を高めるために、多孔度が非常に高い
電極を用いて、固体電解質に酸素をできるだけ多
く浸透させることは有益である。

酸素含有気体の流れを制限する「酸素ポンプ」
型のセンサはいくつかの大きな欠点を有する。分
析すべき気体混合物中に多分懸濁している固体粒
子はセラミツク層の細孔を詰まらせる傾向があ
り、また毛管の細孔の断面を変形させる傾向にあ
り、このことはセンサを経由する酸素の流れを制
限する。このため上記細孔の作用は時間と共に変
化する。さらに、そのようなセンサの感応期間は
通常非常に長く、従つて気体中の酸素含有量の急
速な変化を測定することが必要な場合、上記のよ
うなセンサはあまり望ましくない。このように感
応期間が過度に長いことは、主にプローブを通過
する酸素含有気体の流れを制限する素子におい
て、気体流の拡散速度が低いためである。

特許CH478463号は固体電解質燃料電池内に用
いることのできる電極を開示している。この電極
はジルコニアのような固体電解質支持体に止着さ
れた電子およびイオン透過性焼結セラミツク材料
から成る基層および良好な電子透過性を有すると
共に上記基層と一体状の多孔性の層によつて構成
されている。

また先行技術であるDE−Ａ−1954663号はアノ
ードおよびカソードからなる酸素測定プローブを
開示しており、このプローブの表面は大部分が固
体電解質本体と電気的に接触しており、この場合
一方の電極は酸素を含む対照気体と接触してお
り、一方他方の電極は分析すべき酸素含有気体と
接触している。さらにこれらの電極は電極自体お
よび電解質本体の間に流れる電流を測定する電流
計を介して電源に接続されている。

DE−Ａ−2906459号は気体中における酸素を測
定するプローブを開示しており、このプローブは
O^2-イオンを透過する固体電解質、これと電気的
に接触している２つの電極、即ち測定電極および
対照の（部分的な）圧力の下で酸素と接触してい
る対照電極とから成つている。対照部分気体圧の
下におけるこの酸素は、力学的手段によつて、即
ち接触すべき酸素含有量気体（空気）の量を制御
することによつて、または対照電極をそのままに
して、対照電極を外部から物理的に分離している
多孔性構造に上記気体を通過させることによつて
生成される。この多孔性構造は電極それ自体（分
子状の気体に対して多孔性の状態にすることもで
きる）または対照電極上に塗布されたシールドか
ら成つている（第１図から第５図参照）。

DE−Ａ−333783号は気体即ち内燃機関の排気
ガス中における酸素の濃度を測定する装置を開示
している。この装置の１つの素子は第１図に例示
され、かつ10〜12頁に述べられている検出プロー
ブである。このプローブは固体電解質の層および
２つの電極４および５から本質的に成つており、
それらの一方４は排気ガスと接触し、他方５は多
孔性シート３を介して大気（対照）と接触してい
る。これら電極はいずれも多孔性構造を有してい
る。

文献FR−Ａ−2358655号は遊離の酸素（分子状
の酸素）および結合している酸素を含む気体中に
おける酸素、即ちCO₂、CO、NO₂などのような
気体化合物中における１成分としての酸素を測定
する装置を開示している。そのような装置の１つ
の具体例は第１図に例示され、かつ７および８頁
に説明されている。上記装置O^2-イオンを透過す
る固体電解質１２、測定電極１３およびカソード
電極１４から成つている。電極１３の回りにおい
て酸素含有気体の存在の下で電極質に酸素イオン
を循環させるのに充分な電圧が印加されると、試
験中の気体の酸素含有量に比例する電流が循環す
る。電極は多孔性であつてもよいが必ずしも多孔
性である必要はない（５頁、21行目参照）。さら
に図面によればDE−Ａ−2906459号の上記具体例
におけるように、試験電極によつて被覆されてお
らず、しかし試験中の気体となお接触している電
解質の領域が存在している。このことは電極と電
解質との接合部に境界線が存在することを暗示し
ており、上記電解質は電極の両側に自由に延びて
おり、この電解質によつてO^2-イオンの電流の流
れが形成されている。

文献US−Ａ−4372824号は酸素含有気体を透過
する電極で一方の側面が被覆された固体電極構造
から成る酸素センサの製造を開示している。

これら電極（実施例および第６欄参照）の少な
くとも１つは平均直径が約５〜6μｍの穴を有す
る厚さ約1μｍの白金層から成つており、上記穴
が形成されているために試験気体は電極を横切つ
て通過し、かつ電解質と接触することができる。

従つて明らかなように、先行技術の具体例にお
いては測定すべき酸素含有気体にさらされる乾燥
固体電解質本体から成る電解槽が用いられてお
り、この電解槽では、あらかじめわかつている量
の酸素を含む対照気体が追加的に必要であり、お
よび／または多孔度の高い電極の使用が必要であ
る。固体電解質本体およびそれと接触している電
極を含む固体電解質プローブ電池が用いられる具
体例はまだ提示されておらず、上記電池において
電極付近における領域中の上記電解質の伝導パラ
メーター、即ち電荷輸送特性は、電解質の上記領
域と接触している気体の酸素含有量の測定に関す
る決定因子でいる。

特許請求の範囲第１項に述べられているよう
に、本発明の方法はこのような状況を改善するも
のである。即ち本発明の方法は対照気体を必要と
することなく気体混合物中の酸素含有量に従つて
直線的に電気信号を発生することのできるセンサ
を含む特許請求の範囲第２項に述べられた装置に
よつて実施することができる。さらに、対照気体
を使用しなくて済むので、電解質はテスト気体と
参照気体との間でセパレータとして作用する必要
はもはやないのである。従つて本発明のいくつか
の具体例においては、電解質の同じ面においてさ
えアノードおよびカソードの両方を並べて配置す
ることもできる。この場合電解質本体は平坦に形
成されることが好ましく、即ちプレート状である
ことが好ましい。センサの１つの特別な具体例の
場合、固体電解質はまたセンサの支持基板を構成
することもでき、この構造によればセンサ電池の
大きさを著しく減少することができる。電解質の
容積を減少したことおよび電解質の形状を平坦な
スラブ状にしたことは、センサを製造するために
用いられる材料のコストを低下させ、かつ電解質
の操作温度に速やかに到達することができ、従つ
て従来の具体例の場合よりもエネルギーが少なく
て済むという利点がある。

以下図面に従つて本発明を説明する。

添付図面は本発明の装置並びにその操作に関す
るいくつかの具体例を概略的に例示している。

第１図に表わされている装置はカソード１およ
びアノード２を含んでいる。これら電極は支持体
３と一体状になつており、この支持体３は酸素イ
オンを透過するが気体酸素を透過しない固体ジル
コニア電解質で作れており、かつ酸素含有量がわ
かつていない気体混合物にさらされるものであ
る。電極に印加されたDC電解の効果の下で、カ
ソード付近において、かつ電解質の表面上にお
いて、酸素をイオン化（O₂→2O^2-）する接触領
域が形成されている。電極間に生じた電界の効
果の下で、O^2-イオンは電界質内部においてアノ
ード２の方向に向かつて移動し、このアノード２
において上記イオンは電解質の接触領域におい
て陰電荷を失なつて中和される。これにより酸素
イオンは分子状酸素となり、その後周囲の大気中
に戻される。

従つて、このイオン循環により電極１および２
の間に通常の手段によつて測定することのできる
電流が生じる。

すでに上記において述べたように従来のセンサ
電池の場合、各電極間の電流は次の要因によつて
決められている。即ち、カソード付近における酸
素のイオン化速度、固体電解質本体中における酸
素イオン移動流量およびアノードにおける酸素放
出速度である。

本発明の場合、各電極および電解質の配列、即
ちセンサは電池内における電流がカソード付近に
おける酸素のイオン化の速度のみによつて決定さ
れるように行なわれる。電流はカソード付近にお
ける固体電解質の電荷移動特性によつて制限され
るけれども、領域およびの面積がほぼ等しい
時、酸素のイオン化は速度決定因子となることが
認められた。電解質が10％の酸化イツトリウムで
安定化された純粋なイオン導体（ジルコニア）で
ある時、電極１付近に生成された電荷の密度は小
さい。従つて電極１および２の間に印加された電
圧が大きくても、カソード１付近における領域
の範囲は比較的狭い。これに対し電解質が混合伝
導性を有する場合、即ち電解質が同時に電子およ
びイオンの導体（例えば酸化セリウムまたは酸化
ウラニウムでドービングした安定ジルコニア）で
ある時、カソード１の付近に表われる電荷の密度
は大きく、従つて領域はより広くなる。

注目すべきこととして、固体電解質の単位面積
当りの総合交さ抵抗（これは温度と共に指数関数
に減少する）は、電解質中におけるイオンの移動
距離に逆比例する。従つて固体電解質のスラブの
両側に電極が配置される場合（第１図の具体例の
場合におけるように）、イオン抵抗が領域にお
けるカソード／電解質接合領域線の長さの１cm当
り10³オームを越えないようにするため、電解質
の厚さは一定の値を越えてはならない。さらに、
電解はカソードに印加される電圧によつて決定さ
れるけれども、所定の範囲内に調節され、最適の
感度を得ることができ、かつ必要ならば、温度の
影響を補償することもできる。実際、温度を高め
ることは電解質の内部抵抗を減少させる。本発明
の実際において、O^2-イオンの流れに対する電解
質の内部抵抗がO₂のイオン化に伴う抵抗の約10
分の１以下になるような温度で操作することは望
ましいことがわかつた。そのような状態に到達す
る温度範囲は約500〜900℃である。また電極を相
互に短い距離をおいて配置することは電極相互間
の抵抗を減少させる。

上記基準の下で構成され、かつ操作する装置は
分析すべき気体混合物中における酸素含有量を表
わす信号を発生し、この信号は酸素含有量に直線
的に従属させうる。

このため電解質に対する電極の配列は、領域
の制御効果が領域の制御効果に勝るように行な
わればならない。このような条件が満たされるの
は、酸素ガスのイオン状酸素への変換速度が、電
極間における電解質の最大イオン流容量およびア
ノードにおける酸素放出の最大出力より著しく低
い時である。従つて、作用的に述べると、領域
は少なくとも領域と同じ「広さ」であり、好ま
しくはそれよりも広くなければならない。

領域に対して領域を広くするためには、第
２図に例示されているような電池構造が望まし
い。アノード２は多孔性電気伝導材料で作られて
いるがカソード１は平滑状である。従つて領域
はアノードによつて被覆されていない電解質の全
領域、即ちアノードにおける各小孔２ａに対応す
る。第１図の具体例において、領域は連続カソ
ード／電解質接合境界線によつて区画されてい
る。第２図、第３図及び第４図の具体例の場合、
領域は複数の不連続孔境界線によつて区画され
ている。本発明において、「多孔性」という用語
はアノード中における各孔を意味しており、従つ
てこれらの孔は10μｍを越えない大きさを有して
いる。明らかに10μｍを越える大きさ、好ましく
は100μｍ以上の大きさを有する開口部は上記の
意味において多孔性構造とは言わず、むしろ
「穴」または不連続性を有する構造を示す。これ
に関連して、本発明の方法および装置の効果的な
実施のために、カソード内における穴の大きさ、
即ち糸のこ切断電極内における向かい合う端縁間
の距離は、測定すべき最も高い酸素濃度に対応す
るカソード電解質境界領域（領域）の幅の約２
倍から３倍以上でなければならない（約20〜50μ
ｍ）。これに対して、アノードに細かい多孔性構
造を有する材料を用いることが好ましい。

すでに理解されるように、正確な結果を得るた
めに、２つの電極間の電流は固体電解質中におけ
る酸素イオン（O^2-）の移動速度からリミツト制
御を受けてはならない。

このことは本発明のシステムにおいて内部抵抗
を低く保つことによつて、即ちセンサを500から
900℃に保持し、かつ両電極間の距離を短かく
（300μｍ以下、好ましくは100〜300μｍ）保持す
ることにより達成される。またカソード／電解質
接合境界線の長さを増加することは電極間の効果
的な通路抵抗を減少させる。従つて、両電極間に
おける固体電解質本体内のオーム抵抗は領域内
におけるカソード／電解質接合境界線の１cm当り
10³オーム未満でなければならず、この場合この
内部抵抗は電流リミツトパラメーターに対して無
視できるものになる。

これらの条件が満たされていると仮定した場
合、単位時間当りに生成される酸素イオンの量は
気体にさらされる領域の有効範囲によつて決ま
つてくる。

第３図に示されている具体例はカソード−電解
質境界線の形状のみが第２図のものと異なつてい
る。即ち図面から明らかなように、境界線は第２
図の具体例の場合直線であるのに対して第３図で
は半円状になつている。実際、第３図は電解質本
体３の上に載置されたカソード１内に円形開口部
を設けることによつて得られた完全に円形なカソ
ード−電解質境界領域の断面を提示している。上
記センサを適切に操作させるために、上記開口部
の大きさは少なくとも直径100μｍが必要であり、
一方アノード（小孔）における各孔の大きさは
10μｍ以下でもよい。本発明の方法および装置を
適切に操作させるために、カソード内における開
口部はアノード内における小孔の大きさの約10倍
であることが好ましい。通常カソード内の開口部
は任意の形状をとることができ、例えば正方形、
三角形、細長形状を有することができる。異なつ
た形状のカソードに関する具体例は第４図に示さ
れている。この図面において、点線はカソード−
電解質境界領域の限界を概略的に区画しており、
かつこの境界（領域）の長さは、特許請求の範
囲第１項に述べられている条件に必要な電圧を印
加する時に考慮すべき長さである。一般的にこの
境界領域の幅は可変的であり、分析すべき気体中
に含まれる酸素の濃度によつて決まつてくる。た
だし本発明の測定における最も高い酸素濃度の場
合、即ち約20〜30％Ｖ／Ｖの場合、この幅は約50
〜100μｍを越えることはない。従つて第４図に
おいて、カソードの糸ノコ切断突出部１ａおよび
１ｂは境界領域の幅の約２倍から３倍、即ち約
100〜150μｍ以上分離されなければならない。し
かしながら、同時に、この境界領域の幅は短かく
保持しなければならない。さもないとカソードは
異常に大きなものになつてしまう。第１図に開示
された構造を含む本発明のセンサの１つの具体例
は第５図に例示されている。このセンサは絶縁性
支持体４を含んでおり、この支持体４′は溝５を
有し、この溝５の内部においては長方形プレート
３が配置されており、このプレート３は例えば安
定化ZrO₂のようなイオン透過性固体電解質から
作られている。上記支持体４または２つの接続電
線８，９を保持する２つの開口部６，７並びに上
記プレート３をセンサの操作温度、即ち約600℃
以上まで加熱する加熱手段１０を含んでいる。カ
ソード１およびアノード２はそれぞれ電子透過性
イオン不透過性の材料から作られており、プレー
ト３の向かい合う両面に固定され、かつ接続電線
８，９によつてD.C.電圧源（図示せず）の端子に
接続されている。

本発明による装置の他の具体例は第６図に例示
されている。この具体例において参照番号２１お
よび２２はそれぞれカソードおよびアノードを表
わしている。参照番号２３は固体電解質から作ら
れた支持体を表わしている。この具体例は第１図
および第２の具体例と同じ基準に従つて構成さ
れ、かつ操作されるが、ただしカソードおよびア
ノードは電解質スラブの同じ側に一緒に配列され
ている。しかしながら、この場合電解質中におけ
るO^2-イオンの流れに対する抵抗は、もはやこの
スラブの厚さのみに依存するのではなくて、電極
２１および２２の間の距離によつて決まるのであ
る。実際、この場合、電解質の厚さは殆んど意味
のないものである。上記両電極間の距離「ｄ」
（約20〜50μｍ）は、装置の操作温度におけるジ
ルコニアのイオン抵抗が領域のカソード／電解
質境界線の長さの１cm当たり10^-3未満であるよう
に設定すべきである。

この具体例はいくつかの点で有益である。実
際、電解質本体の厚さは操作上殆んど重要でない
ので、その電解質本体は装置の適切な操作に悪影
響を及ぼすことなく、第１図の具体例の場合より
もかなり厚い、かつ機械的に強い支持体２３を使
用することが可能である。従つて上記電解質はそ
れほどもろくない。さらに多層支持体（第７図）
とすることも可能であり、その上層２４のみが
O^-2イオンに必要な通路を提供し、一方厚い層２
５は装置に機械的抵抗力を付与する。なお、上記
上層２４は例えばジルコニアまたは酸化スカンジ
ウムのような高性能な固体電解質によつて構成さ
れているので非常に薄くなつている。さらに第８
図に例示されているように、下記においてさらに
説明される抵抗発熱体のような加熱手段２６を支
持体２３に埋設し、本発明の装置を操作温度まで
速やかに加熱することも可能である。

第９図は第６図の実施例の変更例を示してお
り、この場合電気絶縁性でプレート２３と一体状
の気密材から作られた分離帯片２０が電極２１お
よび２２の中間に配置されている。この帯片は分
子状酸素のO^-2イオンへの変換速度を制限するバ
ルブとして作用し、これにより領域（O₂→
20^-2が行なわれるカソード−電解質境界領域；帯
片２０とカソード２１との間に位置する面）の幅
を構造的に限定している。実際、電極２１および
２２の間に印加された電圧は一定の限界値を越え
るやいなや、もはや領域内における電流を制御
せず、上記領域の有効領域、即ちカソードと分
離帯材２０との間の構造上の大きさが操作上決定
的なものとなる。明らかに、上記限界値は所定の
電解質の距離“Ｘ”により構造的に決定される。
通常、限界値の大きさは固体電解質の性質を変更
することにより、即ちそのイオン透過特性を変更
することにより変えることができる。

第１０図は第６図から第８図において例示され
た原理に基づいた具体例を表わしている。それは
溝２８が形成されている絶縁支持体２７（セラミ
ツク）から成り、上記溝２８は加熱手段２６を有
する固体電解質から作られたプレート２９を含ん
でおり（第８図も参照）、かつ上記支持体２７に
は２つの開口部３０，３１が設けらており、これ
ら開口部３０，３１は２つの電極２１および２
２、即ちそれぞれカソードおよびアノードをD.C.
電源（図示せず）の端子に接続させる接続ワイヤ
ー３２，３３を含んでいる。接続素子３５は本体
２７の開口部３４を挿通し、この素子３５は図示
されていない電源に加熱手段２６を接続し電解質
２９を所望の温度まで加熱するものである。使用
中、テスト用気体は溝２８に導入され、電極２
１，２２にさらされる。

第１１図はセンサ４０を含むプローブを概略的
に例示しており、このセンサ４０は例えば4Vの
電圧電源４１の陽端子に接続されたアノード２１
を含んでいる。カソードであるもう１つの電極２
２は同じ電源の陰端子に接続されている。プロー
ブはさらに抵抗器４３の両端部に並列に接続され
た電源計４２を含んでおり、この抵抗器４３は電
極−電解質回路中において直列に接続されてい
る。この電圧計（そのインピーダンスは電池回路
のそれよりも数桁高い）は電極２１および２２内
を循環している電流の強さを測定することができ
る。抵抗器４３の端子において測定された電圧は
センサ４０と接続している気体中の酸素含有量の
函数であり、かつこの電圧は上記酸素含有量に従
つて電池の構造、電解質の性質および分析の操作
条件を適切に調節することより直線状とすること
ができる。

また、多分抵抗器４３によれば、測定された電
圧と温度との間に存在する関係が明らかになり、
そのような関係に基づく重要な函数を書き留める
ことも意義のあることである。センサ４０の抵抗
は温度の上昇とともに減少し、従つて電源４１に
よつて与えられた電圧および抵抗器４３の抵抗値
が全く一定状態のままであるという条件の下で
は、両電極間に印加された電圧の差が減少するこ
とが知られている。この効果は抵抗器４３の値を
適切に選ぶことにより最小限に抑えることができ
る。（実施例参照）。また抵抗値が温度と共に増加
する可変抵抗器４３を選ぶならば、上記効果を実
際ゼロにすることもできる。ただしこの場合、変
化率は実際の正の信号または負の信号にかかわら
ず、センサ４０の抵抗の変化率に近似しているこ
とが条件である。本発明の装置が用いられている
設備を例示している第１２図において、温度変化
率の効果は例えばセンサ４０の構造に抵抗器４３
を組込むことにより補正することができる。明ら
かなように、本発明による装置を使用する設備の
この最後の具体例も、抵抗器４３の値が温度の影
響を受けないとしても、適切に作動することがで
きる。

上記の全ての具体例において、加熱手段１０，
２６はどのような性質のものでも良く、例えば簡
単な電気抵抗器によつて構成することもできる。
上記電極は銀、金、白金または金属酸化物のよう
な金属物質から作ることができる。これら電極は
例えばCVD、PVDおよびシルクスクリーン技術
のような公知の技術によつて固体電解質上に止着
することができる。カソードは十分濃密な非孔性
材料から作られている。このカソードは粉末ガラ
スを約850℃で燃焼し、PVDの厚い層または厚い
フイルム状金属ペーストから得ることができる。
カソードの正確な形状は技術を選択することによ
り、または濃密なカソード材料のブロツクを機械
にかけることにより得ることができる。放電加工
およびレーザー機械加工はカソードを造形するた
めに使用することができる。

次の実施例は本発明の実際の態様を例示するも
のである。

実施例 １ ８モル％のEr₂O₃で安定化したZrO₂から作られ
た固体電解質の４×４mmのチツプを、機械研削加
工して１mmの厚さとした。この表面は通常の手段
に従つてマグネトロンスパツターにより充分に濃
密な白金で2μmmの厚さに被覆した。Pt被膜から
アノードおよびカソードを形成するために、機械
にかけてダイヤモンドホイールを用いて金属層に
長さ４mm、幅300μmmの溝を形成した。

白金電線を各電極に接続し、抵抗器（100Ω）
を２つの電極およびそれに接続する電源と直列に
配置した。チツプを電気加熱素子で包囲し、かつ
それを気体サンプリング容器の開口部内に固定
し、電極およびその間の溝が気体および酸素を含
む種種の混合物試料と接触させた。上記混合物は
80％の窒素および20％の可変O₂／CO₂組成物を含
んでいた。試験混合物は次の酸素全含有量（％
Ｖ／Ｖ）、即ち０、１、２、４および６％に分類
した。プローブ素子を内部加熱素子によつて900
℃まで加熱し、2V（＝境界線の5V／cm）の電圧
を電極間に印加し、かつ種々の混合物を連続的に
チツプと接触させた。抵抗器の端子における電圧
インピーダンスの高い電圧計で測定し、電流を上
記電圧降下から算出した。結果は次の通りであ
る：酸素含有量（容量％） 電圧降下（ｍＶ） ０ 581 １ 625 ２ 671 ４ 769 ６ 848 上記値を相互にプロツトすると、44.3ｍＶ／％
酸素の合理的な直線を描いた。プローブのオーム
抵抗は600Ω／cmに相当した。上記範囲内におけ
る未知の気体混合物はその後上記検量線に従つて
測定することが可能であつた。

実施例 ２ 10モル％のY₂O₃で安定化したZrO₂から実施例
１と同様なチツプを調製した。ガラス粉末〔デメ
トロン（DEMETRON）Ｍ‐8005〕を含む白金
ペーストを塗布し、かつ800℃で燃焼することに
より、チツプの一方の側面に伝導性白金層を設け
た。次に、白金層の一端から反対側の他端まで曲
線（幅100μｍ）をレーザービームで形成した。
従つて、この曲線（全長４cm）は白金層を２つの
分離状伝導領域（カソードおよびアノード）を設
け、これらの間には自由な電解質領域（幅100μ
ｍ）が形成され、この電解質領域領域および領
域を並列に組み合わせて成り（例えば第６図又
は第７図を参照）、上記領域はカソードの端部
付近にあり、領域はアノードの端部付近にあ
る。次にチツプを上記実施例の場合と同様に形成
および配列し、かつ800℃で同じ酸素含有気体組
成物で処理した。電圧は2V（境界線の0.5V／cm）
であり、かつ電解質の内部抵抗（O₂のO^-2イオン
へのイオン化、オンの移動およびアノードにおけ
る酸素の放出に相当する）は40Ω／cmであつた。
酸素濃度に対する電圧降下（ｍＶ）は次の通りで
ある：酸素含有量（％） 電圧降下（ｍＶ） １ 902 ２ 932 ４ 970 ６ 1010 実施例 ３ 実施例１と同じチツプを用いた。分離幅400μ
ｍ、直線の長さ４mmの２つのスロツトをチツプ
（幅は100μｍを少し越えている）の一方の側面に
形成し、かつ直径100μｍの白金電線を上記各ス
ロツトに挿入してカソードおよびアノードを設け
た。各電線をDC電源（2V＝5V／cm、直列抵抗
器10Ω）に接続し、上記チツプにより900℃の温
度で種々の酸素−気体混合物を処理した。オーム
損失はカソード境界線において62.5Ω／cmであ
り、かつ感度は約15ｍＶ％酸素であつた。結果は
次の通りである：酸素含有量（％） 電圧降下（ｍＶ） ０ 50 １ 77 ２ 98 ４ 123 ６ 142 わずか0.6V／cmの電圧を使用した時、60Ω／cm
の内部抵抗が得られたが、関数の直線性はあまり
良くなかつた。

実施例 ４ 上記実施例におけるように、10％Y₂O₃で安定
化したZrO₂から作つたチツプ（４×20mm；厚さ
0.3mm）を使用した。その一方の側面を白金ペー
スト（DEMETRON Ｍ−8005）で塗布し、かつ
900℃で焼成し、上記チツプを或る多孔度で開放
状態のままにしておいた（孔の大きさを約10μ
ｍ）。実際、もし焼成温度が比較的穏やかな温度
に保持されるならば、残留多孔度（微小ガラスビ
ーズの存在による）は層内に保持される。これに
対して高い温度においては、融合が起こり、内部
に巨大孔を含む充分濃密な非孔性伝導層が生成さ
れる。チツプの他方の側の半分を実施例１におけ
るように白金（カソード）の充分濃密な層で被覆
した（４×10mm；厚さ20μｍ）。チツプには内部
電気ヒーター手段が設けられており、このチツプ
のカソード側により上記実施例におけるように
700℃で気体混合物を処理した（負荷抵抗100Ω；
電圧2V）。配列は第２図に示されている通りであ
つた。結果は次に示されており、この場合感度は
約52ｍＶ／％O₂であつた。電圧はカソード−電
解質境界において5V／cmであり、かつオーム損
失は80Ω／cmであつた。酸素含有量（％） 電圧降下（ｍＶ） １ 460 2.5 495 4.5 730 6.6 850 実施例 ５ 実施例４と同じチツプを選んだ。このチツプの
両側をDEMETRON1308−Ａペーストで塗布し
たが、一方の側面を1400℃で濃密化し、これによ
り大きさが約100μｍの微小孔を有する非孔性濃
密伝導白金層をも設けた（カソード）。チツプの
もう１つの側面を900℃で焼成し、10μｍ未満の
多孔度を得た（アノード）。10Ωの負荷の下で２
種類の電圧を印加した。測定されたカソード−電
解質境界直径（カソード中における穴の合計）は
４×４mmのカソード被膜に対して約６cmであつ
た。従つて電圧は境界線において２／６＝
0.33V／cmであつた。この具体例は、非常に大き
なカソード−電解質境界を有するが全表面が非常
に小さなカソードを用いることにより、プローブ
をいかに小さくすることができるかを示してい
る。このことは感度を高めることができ、この場
合感度は約195ｍＶ／％O₂であつた。オーム損失
は約60Ω／cmであつた。結果は次の通りである：酸素含有量（％） 電圧降下（ｍＶ） ０ 300 １ 490 ２ 620 ４ 1020

【図面の簡単な説明】

第１図から第１０図は本発明の装置の特別な具
体例を例示している模式的な斜視図および断面図
である。第１１図および第１２図は本発明の装置
を含む設備を表わす説明図である。 １……カソード、２……アノード、３……電解
質本体、４……支持体、１０……加熱手段、４０
……センサ、４３……抵抗器、，……接触領
域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１つのアノードと、少なくとも１
   つの非孔質カソードと、これらに電気的に接続
   し、上記カソードおよび上記アノード付近の接触
   領域内における未知の気体中のO^2-イオンを透過
   するが気体酸素を透過しない固体電解質本体とか
   ら成り、かつ両電極間にDC電源からの電圧を印
   加することにより、上記接触領域における気体中
   の元素状酸素のイオン化速度に比例した強さで電
   流が流れる乾燥電解質プローブ電池を横切る電流
   を読み取ることより未知の気体中の酸素含有量を
   定量する方法において、両電極間のO^2-イオンの
   通過に対する上記電解質本体の電気抵抗がカソー
   ド電界質接合境界線の１cm当たり10³Ωを越えな
   いように、電解質に対して電極を配列し、かつ上
   記境界線の１cm当たり0.2から12Vの電極間電圧
   の下で作動することを特徴とする方法。 ２ 酸素イオンを透過する固体電解質本体と、
   DC電源に接続された少なくとも２つの電極、即
   ち上記電解質本体と一体状であつて、かつ電子を
   透過するがイオンを透過しない材料から作られた
   非孔質カソードおよびアノードと、電解質本体を
   少なくとも600℃の温度まで加熱する加熱手段と
   から成り、電解質が上記気体混合物にさらされ、
   かつその後電極に電圧を加えた時、カソード／電
   解質接合境界線の少なくとも一部分によつて区画
   された第１領域と、アノード／電解質接合部付近
   の電解質の第２領域との間において電解質にイオ
   ン電流が生じるように、上記各電極が相互に配列
   されており、気体混合物中の酸素含有量を表わす
   電流信号を発生させるセンサまたはプローブ装置
   において、両電極間に印加される電圧とカソー
   ド／電解質接合境界線の長さとの比が0.2〜
   12V／cmの範囲内にあり、かつ上記境界線の長さ
   に対して、電極間のイオン電流の流れに対する固
   体電解質の抵抗の比が10³Ω／cmを越えず、これ
   により酸素含有量に応じた直線上の電気信号が得
   られることを特徴とする装置。 ３ アノードおよびカソードが電解質の向かい合
   う両側に配置され、かつ上記電解質の厚さが50〜
   500μｍの範囲内にある特許請求の範囲第２項記
   載の装置。 ４ 上記アノードおよびカソードが上記電解質の
   一方の面上に並んで配列され、かつ両電極間の間
   隔が20〜500μｍの範囲内にある特許請求の範囲
   第２項記載の装置。 ５ 固体電解質と一体状であつて一定の幅を有す
   る絶縁帯材２０が２つの電極間の中央に、かつ１
   〜10μｍの間隔をあけて配置されている特許請求
   の範囲第２項記載の装置。 ６ 装置のアノードを構成している電極が多孔性
   である特許請求の範囲第２項記載の装置。 ７ カソードと電源との間に直列に接続された抵
   抗器および上記抵抗器と並列に接続された電圧計
   によつて構成された電気信号の強度を測定する手
   段をさらに含む特許請求の範囲第２項記載の装
   置。 ８ カソードが電解質支持部材上に塗布された電
   気伝導性フイルムによつて構成されている特許請
   求の範囲第７項記載の装置。