JPH06242061A - 濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサー - Google Patents
濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサーInfo
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- JPH06242061A JPH06242061A JP50A JP4614393A JPH06242061A JP H06242061 A JPH06242061 A JP H06242061A JP 50 A JP50 A JP 50A JP 4614393 A JP4614393 A JP 4614393A JP H06242061 A JPH06242061 A JP H06242061A
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Landscapes
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 雰囲気中の共存ガス（例えば水蒸気）の影響
がなく、低温作動が可能であり、小型、軽量化のほか装
置の消費電力の小さい濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサ
ーを提供する。 【構成】 濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサーにおい
て、センサーのセルを構成する固体電解質材料１は、炭
酸リチウムをマトリックスとし、リチウムの価数と異な
る金属イオンの炭酸塩、また、炭酸基と価数の異なる酸
素酸基をもつリチウム塩を一種あるいは複数種添加した
物質にアルミナを混合したもので構成した。
がなく、低温作動が可能であり、小型、軽量化のほか装
置の消費電力の小さい濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサ
ーを提供する。 【構成】 濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサーにおい
て、センサーのセルを構成する固体電解質材料１は、炭
酸リチウムをマトリックスとし、リチウムの価数と異な
る金属イオンの炭酸塩、また、炭酸基と価数の異なる酸
素酸基をもつリチウム塩を一種あるいは複数種添加した
物質にアルミナを混合したもので構成した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、炭酸ガスや酸素ガス等
のガスの濃度を測定するに好適なガスセンサーに関する
ものであり、さらに詳細には、特殊な固体電解質を用
い、被測定ガスの濃淡電池を構成し、このセルの起電力
からガス濃度を測定、検出できる濃淡電池式ガスセンサ
ーに関するものである。
のガスの濃度を測定するに好適なガスセンサーに関する
ものであり、さらに詳細には、特殊な固体電解質を用
い、被測定ガスの濃淡電池を構成し、このセルの起電力
からガス濃度を測定、検出できる濃淡電池式ガスセンサ
ーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近、各種ガス濃度を測定する技術の開
発が進められているが、このうち特に大気中の二酸化炭
素ガス濃度測定、室内環境制御、農工業プロセス、生体
表面の代謝機能の測定ならびに医療関係など多岐にわた
る分野において、二酸化炭素ガスセンサーの利用が増大
してきている。従来の二酸化炭素ガスセンサーには、赤
外線吸収式（光学的測定法）、湿式（電解法）、半導
体、セラミックス（アルカリイオン導電体、ペロブスカ
イト型酸化物）を用いたものなどがあるが、これらは何
れも一長一短があり、特に水蒸気に対する影響が少ない
二酸化炭素ガスセンサーにはまだ満足すべきものがな
い。
発が進められているが、このうち特に大気中の二酸化炭
素ガス濃度測定、室内環境制御、農工業プロセス、生体
表面の代謝機能の測定ならびに医療関係など多岐にわた
る分野において、二酸化炭素ガスセンサーの利用が増大
してきている。従来の二酸化炭素ガスセンサーには、赤
外線吸収式（光学的測定法）、湿式（電解法）、半導
体、セラミックス（アルカリイオン導電体、ペロブスカ
イト型酸化物）を用いたものなどがあるが、これらは何
れも一長一短があり、特に水蒸気に対する影響が少ない
二酸化炭素ガスセンサーにはまだ満足すべきものがな
い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】例えば、光学的な測定
方法では赤外線吸収を利用するため、ガスを検知するセ
ンサー部分に塵や埃あるいは油分などが付着し汚染され
ていると正確なガス濃度が測定できない。このため、セ
ンサー部には測定ガス雰囲気中のダスト、水分などを除
去するための装置が必要であり、小型、軽量化が困難で
ある。かつ価格も高価である。ＮＡＳＩＣＯＮのような
炭酸塩以外のアルカリイオン導電体を用いた二酸化炭素
ガスセンサーは、ガス検知に使用している炭酸ナトリウ
ムが雰囲気中の水分を吸収しやすい性質を持っている。
このため、センサーを室温に放置したままにすると、検
知極が加水分解を起こし、正確な二酸化炭素の検知が行
えなくなる欠点がある。また、作動温度が５００℃以上
と高い。
方法では赤外線吸収を利用するため、ガスを検知するセ
ンサー部分に塵や埃あるいは油分などが付着し汚染され
ていると正確なガス濃度が測定できない。このため、セ
ンサー部には測定ガス雰囲気中のダスト、水分などを除
去するための装置が必要であり、小型、軽量化が困難で
ある。かつ価格も高価である。ＮＡＳＩＣＯＮのような
炭酸塩以外のアルカリイオン導電体を用いた二酸化炭素
ガスセンサーは、ガス検知に使用している炭酸ナトリウ
ムが雰囲気中の水分を吸収しやすい性質を持っている。
このため、センサーを室温に放置したままにすると、検
知極が加水分解を起こし、正確な二酸化炭素の検知が行
えなくなる欠点がある。また、作動温度が５００℃以上
と高い。
【０００４】ペロブスカイト型酸化物を用いた容量型Ｃ
Ｏ2 センサ〔第１３回化学センサシンポジウム要旨（１
９９１）１７３−１７６〕は、水蒸気の存在するガス下
よりも乾燥ガス下での使用が望まれている。また、プロ
トン−酸化物イオン混合導電体を用いたＣＯ2 センサ
も、被検ガス中の水蒸気の影響が問題として残されてい
る〔第１４回化学センサシンポジウム要旨（１９９２）
１０５−１０８〕。さらに半導体を用いたものは、二酸
化炭素ガス以外のイオンまで検知することがあり、測定
精度の点で問題が残されている（特開昭５６−２５４６
号公報参照）。そこで、本発明は上記問題を解決するた
めに、雰囲気中の共存ガス（例えば水蒸気）によって影
響を受けず、低温でも作動可能であり、小型、軽量化の
ほか装置の消費電力も少ない二酸化炭素ガス検出に好適
な濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサーを提供するもので
ある。
Ｏ2 センサ〔第１３回化学センサシンポジウム要旨（１
９９１）１７３−１７６〕は、水蒸気の存在するガス下
よりも乾燥ガス下での使用が望まれている。また、プロ
トン−酸化物イオン混合導電体を用いたＣＯ2 センサ
も、被検ガス中の水蒸気の影響が問題として残されてい
る〔第１４回化学センサシンポジウム要旨（１９９２）
１０５−１０８〕。さらに半導体を用いたものは、二酸
化炭素ガス以外のイオンまで検知することがあり、測定
精度の点で問題が残されている（特開昭５６−２５４６
号公報参照）。そこで、本発明は上記問題を解決するた
めに、雰囲気中の共存ガス（例えば水蒸気）によって影
響を受けず、低温でも作動可能であり、小型、軽量化の
ほか装置の消費電力も少ない二酸化炭素ガス検出に好適
な濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサーを提供するもので
ある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、濃淡
電池式二酸化炭素ガスセンサーにおいて、センサーのセ
ルを構成する固体電解質材料としてアルミナ混合炭酸リ
チウムを用いたことを特徴とするものであり、さらに前
記固体電解質材料は炭酸リチウムをマトリックスとし、
リチウムの価数と異なる金属イオンの炭酸塩、また、炭
酸基と価数の異なる酸素酸基をもつリチウム塩を一種あ
るいは複数種添加した物質にアルミナを混合したもので
ある。
電池式二酸化炭素ガスセンサーにおいて、センサーのセ
ルを構成する固体電解質材料としてアルミナ混合炭酸リ
チウムを用いたことを特徴とするものであり、さらに前
記固体電解質材料は炭酸リチウムをマトリックスとし、
リチウムの価数と異なる金属イオンの炭酸塩、また、炭
酸基と価数の異なる酸素酸基をもつリチウム塩を一種あ
るいは複数種添加した物質にアルミナを混合したもので
ある。
【０００６】
【作用】本発明では、アルカリ炭酸塩をマトリックスと
した物質にアルミナを混合した固体電解質を用いる。そ
の固体電解質の両面に多孔質Ａｕペースト電極２を形成
し、その表面にＡｕメッシュの集電体３とＡｕリード線
４を接続してセルを構成する。このセルをアルミナ管５
に装着し、高温接着剤によってガスシール６する。アル
ミナ管の内側には、基準ガスを流し、外側には被検ガス
を流すことで濃淡電池を構成する。ガス濃度は、両電極
上の二酸化炭素濃度の違いを起電力の差として取り出
し、測定する。
した物質にアルミナを混合した固体電解質を用いる。そ
の固体電解質の両面に多孔質Ａｕペースト電極２を形成
し、その表面にＡｕメッシュの集電体３とＡｕリード線
４を接続してセルを構成する。このセルをアルミナ管５
に装着し、高温接着剤によってガスシール６する。アル
ミナ管の内側には、基準ガスを流し、外側には被検ガス
を流すことで濃淡電池を構成する。ガス濃度は、両電極
上の二酸化炭素濃度の違いを起電力の差として取り出
し、測定する。
【０００７】
【実施例】以下図面を参照して本発明に係わる濃淡電池
式二酸化炭素ガスセンサーを説明をする。 〔センサーの構成〕図１において１は固体電解質（詳細
は後述する）、２はＡｕぺースト、３はＡｕメッシュ、
４はＡｕリード線、５はアルミナ管、６はガスシール材
であり、これらによって濃淡電池式二酸化炭素ガスセン
サーが構成されている。固体電解質１の両面には多孔質
Ａｕペースト電極２が形成され、その表面にＡｕメッシ
ュの集電体３とＡｕリード線４が図のように接続されて
いる。
式二酸化炭素ガスセンサーを説明をする。 〔センサーの構成〕図１において１は固体電解質（詳細
は後述する）、２はＡｕぺースト、３はＡｕメッシュ、
４はＡｕリード線、５はアルミナ管、６はガスシール材
であり、これらによって濃淡電池式二酸化炭素ガスセン
サーが構成されている。固体電解質１の両面には多孔質
Ａｕペースト電極２が形成され、その表面にＡｕメッシ
ュの集電体３とＡｕリード線４が図のように接続されて
いる。
【０００８】このセルをアルミナ管５に装着し、高温接
着剤によってガスシール６する。アルミナ管の内側に
は、酸素ガスと炭酸ガス分圧を制御したガスを流すか、
平衡酸素分圧と、炭酸ガス分圧が一義的に決定される酸
化物混合の炭酸塩を検知電極上に設ける。外側には被検
ガスを流すことで濃淡電池を構成する。ＣＯ2 濃度は、
濃淡電池の原理を利用して上記センサーの起電力から求
めることができる。
着剤によってガスシール６する。アルミナ管の内側に
は、酸素ガスと炭酸ガス分圧を制御したガスを流すか、
平衡酸素分圧と、炭酸ガス分圧が一義的に決定される酸
化物混合の炭酸塩を検知電極上に設ける。外側には被検
ガスを流すことで濃淡電池を構成する。ＣＯ2 濃度は、
濃淡電池の原理を利用して上記センサーの起電力から求
めることができる。
【０００９】〔固体電解質の作製〕本発明では、上記の
構成のセンサーに使用する固体電解質として、アルカリ
炭酸塩をマトリックスとした物質にアルミナを混合した
固体電解質を用いた点に特徴がある。炭酸リチウムは他
の金属炭酸塩（例えばＮａ2 ＣＯ3 ，Ｋ2 ＣＯ3 等）に
比べて水との親和性が小さいため、水蒸気存在下におい
ても炭酸塩として融点近くまで安定に存在することがで
きる。また炭酸塩を電解質とするため酸素以外の共存ガ
スの影響を受けにくく、二酸化炭素ガス濃度の変化を的
確に捕らえることができる。さらに、請求項２の金属塩
とアルミナを炭酸リチウムに添加することによって、固
体電解質自身の抵抗を小さくすることができるので、二
酸化炭素ガスセンサーの低温作動化が可能となる。ま
た、アルミナを均一に分散させることによって、固体電
解質の機械的強度を高めることができるので、センサー
素子の小型化が可能になる等々の優れた特性を有してい
る。
構成のセンサーに使用する固体電解質として、アルカリ
炭酸塩をマトリックスとした物質にアルミナを混合した
固体電解質を用いた点に特徴がある。炭酸リチウムは他
の金属炭酸塩（例えばＮａ2 ＣＯ3 ，Ｋ2 ＣＯ3 等）に
比べて水との親和性が小さいため、水蒸気存在下におい
ても炭酸塩として融点近くまで安定に存在することがで
きる。また炭酸塩を電解質とするため酸素以外の共存ガ
スの影響を受けにくく、二酸化炭素ガス濃度の変化を的
確に捕らえることができる。さらに、請求項２の金属塩
とアルミナを炭酸リチウムに添加することによって、固
体電解質自身の抵抗を小さくすることができるので、二
酸化炭素ガスセンサーの低温作動化が可能となる。ま
た、アルミナを均一に分散させることによって、固体電
解質の機械的強度を高めることができるので、センサー
素子の小型化が可能になる等々の優れた特性を有してい
る。
【００１０】上記センサーで使用する固体電解質の作製
方法を説明すると、乾燥したＬｉ2ＣＯ3 ，Ｌｉ3 ＰＯ
4 ，Ａｌ2 Ｏ3 各粉末を準備し、それぞれ秤量後、アル
ミナ乳鉢で混合する。これをアルミナるつぼに入れ、溶
融させたのち、内径１１mm、高さ１０mmのセラミックス
容器に流し込み、急冷固化させる。大気中で放冷後、容
器から電解質を取出し、厚さ３mm以下に切出す。その
後、所望の形状に加工する。これを１０００番のエメリ
ー紙で研磨、エタノールで洗浄し、固体電解質とする。
方法を説明すると、乾燥したＬｉ2ＣＯ3 ，Ｌｉ3 ＰＯ
4 ，Ａｌ2 Ｏ3 各粉末を準備し、それぞれ秤量後、アル
ミナ乳鉢で混合する。これをアルミナるつぼに入れ、溶
融させたのち、内径１１mm、高さ１０mmのセラミックス
容器に流し込み、急冷固化させる。大気中で放冷後、容
器から電解質を取出し、厚さ３mm以下に切出す。その
後、所望の形状に加工する。これを１０００番のエメリ
ー紙で研磨、エタノールで洗浄し、固体電解質とする。
【００１１】〔二酸化炭素ガスの測定例）図２に上記セ
ンサーの起電力のＣＯ2 ガス濃度依存性及び温度依存性
を示す。固体電解質はＬｉ2 ＣＯ3 −５ｍｏｌ％Ｌｉ3
ＰＯ4 ＋２５ｗｔ％Ａｌ2 Ｏ3 を用いた。センサーの作
動温度は摂氏４００度および５００度、アルミナ管の内
側に基準ガスとしてＮ2 −２１％Ｏ2 −９７４ｐｐｍＣ
Ｏ2 の乾燥ガスを導入した。被検ガスはＮ2 −２１％Ｏ
2 −９７４ｐｐｍＣＯ2 ガスをＮ2 −２１％Ｏ2 で希釈
して用いた。起電力は、被検ガス中のＣＯ2 ガス濃度が
低くなるに従って増加する。作動温度が高ければ起電力
はさらに増加する。なお、基準のＣＯ2 ガス濃度を変え
ることによって、センサーのＣＯ2 ガス濃度測定精度、
ＣＯ2 ガス濃度検出領域を設定することが可能である。
ンサーの起電力のＣＯ2 ガス濃度依存性及び温度依存性
を示す。固体電解質はＬｉ2 ＣＯ3 −５ｍｏｌ％Ｌｉ3
ＰＯ4 ＋２５ｗｔ％Ａｌ2 Ｏ3 を用いた。センサーの作
動温度は摂氏４００度および５００度、アルミナ管の内
側に基準ガスとしてＮ2 −２１％Ｏ2 −９７４ｐｐｍＣ
Ｏ2 の乾燥ガスを導入した。被検ガスはＮ2 −２１％Ｏ
2 −９７４ｐｐｍＣＯ2 ガスをＮ2 −２１％Ｏ2 で希釈
して用いた。起電力は、被検ガス中のＣＯ2 ガス濃度が
低くなるに従って増加する。作動温度が高ければ起電力
はさらに増加する。なお、基準のＣＯ2 ガス濃度を変え
ることによって、センサーのＣＯ2 ガス濃度測定精度、
ＣＯ2 ガス濃度検出領域を設定することが可能である。
【００１２】図３に被検ガスが乾燥ガスと水分を含むガ
スとにおけるセンサーの応答速度を示す。乾燥ガスでは
定常起電力の９０％まで達するのにかかる時間は、ガス
を導入してから１分以内である。被検ガス中に水分が含
まれると応答時間は乾燥ガスに比べて遅くなる。しかし
ながら、起電力は殆ど変化しない。このため、応答時間
の遅れを見込んで被検ガスを測定すれば、被検ガス中の
水分には影響を受けずにＣＯ2 ガス濃度を測定できる。
スとにおけるセンサーの応答速度を示す。乾燥ガスでは
定常起電力の９０％まで達するのにかかる時間は、ガス
を導入してから１分以内である。被検ガス中に水分が含
まれると応答時間は乾燥ガスに比べて遅くなる。しかし
ながら、起電力は殆ど変化しない。このため、応答時間
の遅れを見込んで被検ガスを測定すれば、被検ガス中の
水分には影響を受けずにＣＯ2 ガス濃度を測定できる。
【００１３】図４に水蒸気分圧依存性を示す。この図か
ら明らかなように、本実施例では被検ガス中の水蒸気分
圧が変化しても起電力には変化がなかった。これより、
被検ガス中の水蒸気の影響を受けないセンサーとなって
いる。なお、本発明では、基準ガスおよび被検ガス中の
Ｏ2 ガス濃度を一致させることによって、ＣＯ2 ガス濃
度を測定しているが、同じ構成のセンサーで酸素ガス濃
淡電池を構成すれば酸素ガスセンサーとしても機能を果
たす。
ら明らかなように、本実施例では被検ガス中の水蒸気分
圧が変化しても起電力には変化がなかった。これより、
被検ガス中の水蒸気の影響を受けないセンサーとなって
いる。なお、本発明では、基準ガスおよび被検ガス中の
Ｏ2 ガス濃度を一致させることによって、ＣＯ2 ガス濃
度を測定しているが、同じ構成のセンサーで酸素ガス濃
淡電池を構成すれば酸素ガスセンサーとしても機能を果
たす。
【００１４】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、アルカリ炭酸塩をマトリックスとした物質にアルミ
ナを混合した固体電解質を用い、被検出ガスの濃淡電池
を構成し、このセルの起電力からガス濃度を測定、検出
するものである。このため耐水蒸気性の小型、低温作動
型濃淡電池式ガスセンサーを作製することが可能であ
る。特に本発明において使用する炭酸リチウムは、他の
金属炭酸塩（例えばＮａ2ＣＯ3 ，Ｋ2 ＣＯ3 等）に比
べて水との親和性が小さいため、水蒸気存在下におても
炭酸塩として融点近くまで安定に存在することができ、
さらに炭酸塩を電解質とするため酸素以外の共存ガスの
影響を受けにくく、二酸化炭素ガス濃度の変化を的確に
捕らえることができる。固体電解質自身の抵抗を小さく
することもできるので、濃淡電池式二酸化炭素ガスセン
サーの低温作動化が可能となる。また、アルミナを均一
に分散させることによって、固体電解質の機械的強度を
高めることができるので、センサー素子の小型化が可能
になる。等々のすぐれた効果を上げることができる。
ば、アルカリ炭酸塩をマトリックスとした物質にアルミ
ナを混合した固体電解質を用い、被検出ガスの濃淡電池
を構成し、このセルの起電力からガス濃度を測定、検出
するものである。このため耐水蒸気性の小型、低温作動
型濃淡電池式ガスセンサーを作製することが可能であ
る。特に本発明において使用する炭酸リチウムは、他の
金属炭酸塩（例えばＮａ2ＣＯ3 ，Ｋ2 ＣＯ3 等）に比
べて水との親和性が小さいため、水蒸気存在下におても
炭酸塩として融点近くまで安定に存在することができ、
さらに炭酸塩を電解質とするため酸素以外の共存ガスの
影響を受けにくく、二酸化炭素ガス濃度の変化を的確に
捕らえることができる。固体電解質自身の抵抗を小さく
することもできるので、濃淡電池式二酸化炭素ガスセン
サーの低温作動化が可能となる。また、アルミナを均一
に分散させることによって、固体電解質の機械的強度を
高めることができるので、センサー素子の小型化が可能
になる。等々のすぐれた効果を上げることができる。
【図１】本発明に係わる実施例としての濃淡電池式二酸
化炭素ガスセンサーの概略図である。
化炭素ガスセンサーの概略図である。
【図２】本発明に係わる実施例としての濃淡電池式二酸
化炭素ガスセンサーのＣＯ2 ガス濃度依存性及び温度依
存性を示す作動特性図である。
化炭素ガスセンサーのＣＯ2 ガス濃度依存性及び温度依
存性を示す作動特性図である。
【図３】本発明に係わる実施例としての濃淡電池式二酸
化炭素ガスセンサーの応答速度を示す作動特性図であ
る。
化炭素ガスセンサーの応答速度を示す作動特性図であ
る。
【図４】本発明に係わる実施例としての濃淡電池式二酸
化炭素ガスセンサーの水蒸気分圧依存性を示す作動特性
図である。
化炭素ガスセンサーの水蒸気分圧依存性を示す作動特性
図である。
１ 固体電解質 ２，２’ Ａｕぺースト ３，３’ Ａｕメッシュ ４，４’ Ａｕリード線 ５ アルミナ管 ６，６’ ガスシール材
Claims (2)
- 【請求項１】 濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサーにお
いて、センサーのセルを構成する固体電解質材料１とし
てアルミナ混合炭酸リチウムを用いたことを特徴とする
ガスセンサー。 - 【請求項２】 前記固体電解質材料１は炭酸リチウムを
マトリックスとし、リチウムの価数と異なる金属イオン
の炭酸塩、また、炭酸基と価数の異なる酸素酸基をもつ
リチウム塩を一種あるいは複数種添加した物質にアルミ
ナを混合したものであることを特徴とする請求項１に記
載のガスセンサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP50A JPH06242061A (ja) | 1993-02-12 | 1993-02-12 | 濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP50A JPH06242061A (ja) | 1993-02-12 | 1993-02-12 | 濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサー |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06242061A true JPH06242061A (ja) | 1994-09-02 |
Family
ID=12738752
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50A Withdrawn JPH06242061A (ja) | 1993-02-12 | 1993-02-12 | 濃淡電池式二酸化炭素ガスセンサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06242061A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5766433A (en) * | 1996-02-22 | 1998-06-16 | Akebono Brake Industry Co., Ltd. | Solid electrolyte type gas sensor |
-
1993
- 1993-02-12 JP JP50A patent/JPH06242061A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5766433A (en) * | 1996-02-22 | 1998-06-16 | Akebono Brake Industry Co., Ltd. | Solid electrolyte type gas sensor |
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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: 20000509 |