JPH0763726A - Solid reference-electrode type co2 gas sensor - Google Patents

Solid reference-electrode type co2 gas sensor

Info

Publication number
JPH0763726A
JPH0763726A JP5215745A JP21574593A JPH0763726A JP H0763726 A JPH0763726 A JP H0763726A JP 5215745 A JP5215745 A JP 5215745A JP 21574593 A JP21574593 A JP 21574593A JP H0763726 A JPH0763726 A JP H0763726A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
sensor
solid
reference electrode
solid reference
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP5215745A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3305446B2 (en
Inventor
Ekisan Chiyou
益燦 張
Hidekazu Narita
英和 成田
Hidenori Takeuchi
英典 竹内
Junichiro Mizusaki
純一郎 水崎
Hiroaki Tagawa
博章 田川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Akebono Research and Development Centre Ltd
Original Assignee
Akebono Research and Development Centre Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Akebono Research and Development Centre Ltd filed Critical Akebono Research and Development Centre Ltd
Priority to JP21574593A priority Critical patent/JP3305446B2/en
Publication of JPH0763726A publication Critical patent/JPH0763726A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3305446B2 publication Critical patent/JP3305446B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a solid reference-electrode type CO2 gas sensor which is not affected by a coexisting gas (for example, steam) in an atmosphere, can operate at a low temperature, does not require any reference gas, and is reduced in size, weight, and power consumption. CONSTITUTION:An oxide is formed at the boundary between a solid electrolyte 1 composed of an alkali-ion conductor forming dissociation equilibrium with a CO2 gas and a solid reference electrode 2 which is an electron-ion mixture conductor by directly press-contacting the electrolyte 1 and electrode 2 with each other and lead wires 5 and 8 are respectively connected to the electrolyte 1 and electrode 2. Therefore, the CO2 gas can be detected from an electromotive force generated by a chemical reaction between the oxide and CO2 gas at the boundary.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、CO2 ガスの濃度を測
定するに好適なガスセンサに関するものであり、さらに
詳細には、アルカリイオン導電体の固体電解質と電子・
イオン混合導電体である固体基準極とを用い、CO2
スとの化学反応を利用してCO2 ガス濃度を精度よく測
定、検出できる固体基準極型CO2 ガスセンサに関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas sensor suitable for measuring the concentration of CO 2 gas, and more particularly to a solid electrolyte of an alkali ion conductor and an electronic sensor.
Using a solid reference electrode is an ion mixing conductor, chemical reaction by utilizing the accurate measurement of CO 2 gas concentration and CO 2 gas, to a solid reference electrode type CO 2 gas sensors capable of detecting.

【0002】[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CO2
度の測定、住居空間等の室内環境制御、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、CO2ガスセンサの利用が増
大してきている。従来のCO2 ガスセンサには、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、CO2 ガスセンサにはまだ満足すべきも
のがない。
2. Description of the Related Art Recently, a technique for measuring various gas concentrations has been developed. Among them, in particular, measurement of CO 2 concentration in the atmosphere, control of indoor environment such as living space, agricultural and industrial processes, and biological surface The use of CO 2 gas sensors is increasing in various fields such as measurement of metabolic functions and medical fields. Conventional CO 2 gas sensors include those using infrared absorption (optical measurement method), wet method (electrolysis method), semiconductors, and ceramics (alkali ion conductors, perovskite type oxides). However, there are merits and demerits, and there is still no satisfactory CO 2 gas sensor.

【0003】[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。
For example, since the optical measuring method utilizes infrared absorption, if dust, dirt, oil or the like adheres to the sensor portion for detecting gas and is contaminated, the accurate gas concentration will not be obtained. I can't measure. Therefore, the sensor unit needs a device for removing dust, moisture, etc. in the measurement gas atmosphere, and it is difficult to reduce the size and weight. And the price is expensive.

【0004】また直接CO2 ガスと解離平衡を形成する
固体電解質を用いて濃淡電池型センサを構成し、その起
電力から被検ガス中のCO2 濃度を求める方法もある
(特開平4−24548号公報参照)。この濃淡電池型
センサの構成を(1) 式で示す。 CO2',O2',Au/Li2 CO3 /AuCO2",O2" ・・・(1) 前記(1) で示される構成を有する電池の起電力Eは次式
で示される。 E=−RT/4Fln〔(PCO2')2・PO2' / (PCO2")2・PO2”〕・・(2) ここで、PCO2',PO2' はそれぞれ被検ガス中のCO2,
2 分圧であり、PCO2",PO2" は基準ガス中のC
2 ,O2 分圧であり、さらにRはガス定数、Fはファ
ラデー定数、Tは絶対温度である。したがって、被検ガ
ス中のCO2 濃度は、温度と被検ガス中のPO2及び基準
ガスのPCO2 ,PO2を決めることによって前記(2) 式を
使用して求めることができる。
There is also a method of forming a concentration cell type sensor using a solid electrolyte that directly forms dissociation equilibrium with CO 2 gas, and obtaining the CO 2 concentration in the test gas from the electromotive force thereof (Japanese Patent Laid-Open No. 24548/1992). (See Japanese Patent Publication). The configuration of this concentration cell type sensor is shown in equation (1). CO 2 ', O 2', Au / Li 2 CO 3 / AuCO 2 ", O 2" ··· (1) the electromotive force E of the battery having the structure represented by the (1) is expressed by the following equation. E = -RT / 4Fln [(PCO 2 ') 2 · PO 2 ' / (PCO 2 ") 2 · PO 2 ”] ··· (2) where PCO 2 'and PO 2 ' are in the test gas, respectively. CO 2 ,
O 2 partial pressure, PCO 2 ", PO 2 " is C in the reference gas
O 2 and O 2 are partial pressures, R is a gas constant, F is a Faraday constant, and T is an absolute temperature. Therefore, the CO 2 concentration in the test gas can be obtained by using the above equation (2) by determining the temperature, PO 2 in the test gas, and PCO 2 , PO 2 of the reference gas.

【0005】ところで上記濃淡電池型のセンサは、CO
2 ガスの検出原理は簡単であるが、CO2 ガス測定に当
たっては(2) 式から明らかなように基準ガスを必要とす
るため、センサに基準ガスを供給するシステムや基準ガ
スを封じ込めておくためのガスシールが必要となる。さ
らに固体電解質に金属炭酸塩を用いているため、センサ
はCO2 ガスだけでなく、O2 ガスにも応答を示す。よ
って予め被検ガスと基準ガス中のO2 分圧を同じくする
ことで、CO2 ガスのみの濃淡電池を構成するか、O2
ガスセンサとの組合せが必要となる。このように、この
センサではシステムが複雑となりかつ小型化に限界がで
てくるため、小型機器への装着が困難となることが考え
られる。また、基準ガスの代わりにCO2 (O2 )平衡
分圧を与える CaO+CaCO3 系等の炭酸塩の平衡系を用い
た場合には、平衡CO2 ならびにCO2 →CO+1/2 O
2 系の酸素圧が温度に依存するのでセンサ素子の温度変
化が著しくセンサの起電力に影響を与え、結果としてC
2 の検出精度が悪くなる欠点を持つ。
By the way, the concentration battery type sensor is
The principle of detection of 2 gases is simple, but since the reference gas is required for CO 2 gas measurement as is clear from equation (2), the system for supplying the reference gas to the sensor and the containment of the reference gas are required. Gas seal of is required. Further, since the metal carbonate is used for the solid electrolyte, the sensor shows a response not only to CO 2 gas but also to O 2 gas. Therefore, by advance likewise the O 2 partial pressure of the test gas and reference gas, or constitute a concentration cell of CO 2 gas only, O 2
A combination with a gas sensor is required. As described above, since the system of this sensor becomes complicated and there is a limit to miniaturization, it may be difficult to mount the sensor on a small device. When a carbonate equilibrium system such as CaO + CaCO 3 system that gives a CO 2 (O 2 ) equilibrium partial pressure is used instead of the reference gas, the equilibrium CO 2 and CO 2 → CO + 1/2 O
Since the oxygen pressure of the 2 system depends on the temperature, the temperature change of the sensor element remarkably affects the electromotive force of the sensor, resulting in C
It has a drawback that the detection accuracy of O 2 is deteriorated.

【0006】さらに上記の濃淡電池型のCO2 ガスセン
サに対し、基準ガスを必要としないタイプのセンサがあ
る。このセンサは、ナトリウムイオン導電性の固体電解
質と炭酸ナトリウムとで電池を構成している(特開平3
−134553号)。このセンサの構成を(3) 式に示
す。 CO2 ,O2 ,Au/NaCO3 /NASICON/Au,O2 ・・・(3) 前記(3) で示されるセンサの起電力Eは次式で示され
る。 E=ΔG°(Na2CO3)−RT/2Fln(aNa2O・PCO2 )・・・・(4) ここでΔG°(Na2CO3)は標準生成自由エネルギー、a
Na2OはNa2 Oの活量、PCO2 はCO2 分圧である。R
はガス定数、Fはファラデー定数、Tは絶対温度であ
る。
Further, there is a sensor of the type which does not require a reference gas, in addition to the CO 2 gas sensor of the concentration battery type. This sensor constitutes a battery with a solid electrolyte having sodium ion conductivity and sodium carbonate (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 3).
-134553). The configuration of this sensor is shown in equation (3). CO 2 , O 2 , Au / NaCO 3 / NASICON / Au, O 2 (3) The electromotive force E of the sensor shown in the above (3) is expressed by the following equation. E = ΔG ° (Na 2 CO 3 ) −RT / 2Fln (aNa 2 O · PCO 2 ) ... (4) where ΔG ° (Na 2 CO 3 ) is the standard free energy of formation, a
Na 2 O is the activity of Na 2 O, and PCO 2 is the partial pressure of CO 2 . R
Is a gas constant, F is a Faraday constant, and T is an absolute temperature.

【0007】このタイプのセンサは、Na2 Oの活量が
一定であることが必要条件とされるが、Na2 Oの活量
を一定にすることが難しい。この結果、Na2 Oの活量
が変化するとCO2 ガス濃度に依存するセンサの起電力
が変動を起こし、CO2 ガス濃度を正確に測定すること
ができない場合がある。またNa2 CO3 は大気中の水
分を吸収し、潮解するため、センサ素子の保存管理が面
倒であることが短所である。
[0007] This type of sensor, although activity of Na 2 O is a prerequisite be constant, it is difficult to make constant the activity of Na 2 O. As a result, when the Na 2 O activity changes, the electromotive force of the sensor that depends on the CO 2 gas concentration fluctuates, and the CO 2 gas concentration may not be accurately measured. Further, Na 2 CO 3 absorbs water in the atmosphere and deliquesces, so that the storage management of the sensor element is troublesome.

【0008】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固体基準極型CO2 ガスセン
サを提供するものである。また、基準ガスを必要としな
い、より簡単な構成のセンサにすることで、より小型の
CO2 ガスセンサを提供するものである。さらにセンサ
の起電力の安定性を改善させることができる固体基準極
型CO2 ガスセンサを提供するものである。
In order to solve the above problems, the present invention is not affected by a coexisting gas (for example, water vapor) in the atmosphere, can operate at low temperature, is small and lightweight, and consumes little power for the device. A solid reference electrode type CO 2 gas sensor is provided. In addition, a sensor having a simpler structure that does not require a reference gas is provided, thereby providing a smaller CO 2 gas sensor. Further, the present invention provides a solid reference electrode type CO 2 gas sensor capable of improving the stability of the electromotive force of the sensor.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】このため本発明の固体基
準極型CO2 ガスセンサは、直接CO2 ガスと解離平衡
を形成するアルカリイオン導電体の固体電解質と電子・
イオン混合導電体である固体基準極とを圧着させて両者
の界面に酸化物を形成し、さらに前記固体電解質と固体
基準極のそれぞれにリード線を取り付け、前記界面にお
ける酸化物とCO2 ガスとの間の化学反応によって生ず
る起電力によりCO2 ガスを検知できることを特徴とす
るものであり、また、前記電子・イオン混合導電体に前
記アルカリイオン導電体と同じ導電種の金属を添加し固
体基準極としたことを特徴とするものである。
Therefore, in the solid reference electrode type CO 2 gas sensor of the present invention, a solid electrolyte of an alkali ion conductor and an electron / electron electrode which directly forms a dissociation equilibrium with CO 2 gas.
A solid reference electrode, which is an ionic mixed conductor, is pressure-bonded to form an oxide at the interface between the two, and a lead wire is attached to each of the solid electrolyte and the solid reference electrode so that the oxide and CO 2 gas at the interface CO 2 gas can be detected by an electromotive force generated by a chemical reaction between the two . Further, a metal of the same conductive species as the alkali ion conductor is added to the mixed electron / ion conductor to obtain a solid standard. It is characterized by being a pole.

【0010】[0010]

【作用】本発明では、アルカリイオン導電体の固体電解
質と電子・酸素イオン導電体である固体基準極を組み合
わせて、両者の界面に酸化物を形成させ、この界面での
化学反応を利用し、酸化物の活量を基準にしてCO2
度を求める。このセンサはセンサ素子を350〜600
℃に加熱することで作動させる。センサの起電力は界面
における酸化物生成反応が安定した後には変動はほとん
ど無い。なお、センサの応答速度は固体電解質および固
体基準極材料の組み合わせにより異なる。また、前記電
子・イオン混合導電体に前記アルカリイオン導電体と同
じ導電種の金属を添加することにより酸化物の活量を一
定に保持し、より安定したCO2ガス濃度を検知するこ
とができる。
In the present invention, a solid electrolyte of an alkali ion conductor and a solid reference electrode of an electron / oxygen ion conductor are combined to form an oxide at the interface between the two, and the chemical reaction at this interface is utilized. The CO 2 concentration is calculated based on the activity of the oxide. This sensor has a sensor element of 350 to 600.
Operate by heating to ℃. The electromotive force of the sensor hardly changes after the oxide formation reaction at the interface stabilizes. The response speed of the sensor differs depending on the combination of the solid electrolyte and the solid reference electrode material. Further, by adding a metal of the same conductive species as the alkali ion conductor to the mixed electron / ion conductor, the activity of the oxide can be kept constant, and a more stable CO 2 gas concentration can be detected. .

【0011】[0011]

【実施例】以下図面を参照して本発明に係わる固体基準
極型CO2 ガスセンサの構成、作動を説明をする。 〔センサの構成〕図1において1はディスク状のアルカ
リイオン導電体としての固体電解質(詳細は後述す
る)、2は電子・酸素イオンの混合導電体である固体基
準極、3は多孔質Au電極、4は集電体としてのAu
網、5はAuリード線、6は高温接着材、7は集電体と
してのPt網、8はPtリード線、10は電位差計であ
り、これらによって固体基準極型CO2 ガスセンサが構
成されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure and operation of a solid reference electrode type CO 2 gas sensor according to the present invention will be described below with reference to the drawings. [Structure of Sensor] In FIG. 1, 1 is a solid electrolyte as a disk-shaped alkali ion conductor (details will be described later), 2 is a solid reference electrode which is a mixed conductor of electrons and oxygen ions, and 3 is a porous Au electrode. 4 is Au as a current collector
A mesh, 5 is an Au lead wire, 6 is a high temperature adhesive, 7 is a Pt mesh as a current collector, 8 is a Pt lead wire, and 10 is a potentiometer, which constitute a solid reference electrode type CO 2 gas sensor. There is.

【0012】このセンサは固体電解質としてリチウムイ
オン導電体を使用しており、具体的には、リチウムイオ
ン導電体(Li2CO3−5mol%Li3PO4− 10mol%Al2O3 )1
の固体電解質と電子・酸素イオンの混合導電体(La2-X
Srx CuO4)である固体基準極2とを張り合わせ、両者を
高温接着剤6で固定及びガスシールして構成されてい
る。固体電解質側1の一方の面には多孔質Au電極3と
集電体のAu網4を設け、Auリード線5をとる。一
方、固体基準極としての複合酸化物2側の面には集電体
としてのPt網7を設け、Ptリード線8をとる。前記
各リード線は電位差計10に結線する。以上のように形
成したセンサ素子をヒーターによって加熱し、測定した
いガス雰囲気中に設置すると、CO2 ガス濃度に比例し
た起電力が得られ、この起電力から以下の検出原理によ
りCO2 ガス濃度が求められる。
This sensor uses a lithium ion conductor as a solid electrolyte, and specifically, a lithium ion conductor (Li 2 CO 3 -5 mol% Li 3 PO 4 -10 mol% Al 2 O 3 ) 1
Mixed conductor of solid electrolyte and electron / oxygen ion (La 2-X
A solid reference electrode 2 which is Sr x CuO 4 ) is adhered to each other, and both are fixed with a high temperature adhesive 6 and gas-sealed. A porous Au electrode 3 and an Au net 4 as a current collector are provided on one surface of the solid electrolyte side 1 and an Au lead wire 5 is provided. On the other hand, a Pt net 7 as a current collector is provided on the surface of the composite oxide 2 side as a solid reference electrode, and a Pt lead wire 8 is taken. The lead wires are connected to the potentiometer 10. When the sensor element formed as described above is heated by a heater and installed in a gas atmosphere to be measured, an electromotive force proportional to the CO 2 gas concentration is obtained, and from this electromotive force, the CO 2 gas concentration is determined by the following detection principle. Desired.

【0013】前記センサの構成は(5) 式で示される。 CO2 ,O2 ,Au/リチウムイオン導電体/固体基準極/Au,O2 ・・(5) そしてこのセンサの各界面イ、ロ、ハでの反応を(6) 、
(7) 、(8) で示す。界面イ
The configuration of the sensor is expressed by equation (5). CO 2 , O 2 , Au / lithium ion conductor / solid reference electrode / Au, O 2 ··· (5) And the reaction at each interface (a), (b) and (c) of this sensor is (6),
Shown by (7) and (8). Interface a

【化1】 界面ロ[Chemical 1] Interface

【化2】 界面ハ[Chemical 2] Interface

【化3】 よって全反応は[Chemical 3] So the whole reaction is

【化4】 となる。このことから、このセンサの起電力Eは次式(1
0)で示される。 E=ΔG°(Li2CO3)−RT/2Fln(aLi2O・PCO2 ) (10) ここでΔG°(Li2CO3)は標準生成自由エネルギー、a
Li2OはLi2 Oの活量、PCO2 はCO2 分圧である。R
はガス定数、Fはファラデー定数、Tが絶対温度であ
る。そしてこのセンサでは上記の反応式から明らかなよ
うにLi2 Oの活量が一定となれば、PCO2 以外の値は
いづれも既知であるため、(10)式から簡単にPCO2(即
ちCO2 濃度)を求めることができる。ところで、本発
明では、上記のように固体電解質と固体基準極との界面
に生成するLi2 Oの活量(aLi2O)が一定であること
が必要条件とされるが、このセンサでは以下の理由によ
りLi2 Oの活量を一定にできると考えられる。即ち、
ここで用いている固体電解質はリチウムイオンが動くこ
とができ、固体基準極の混合導電体では、電子と酸素イ
オンが動くことができる。これらの両者で図1のように
構成したセンサを加熱すると、固体電解質中のリチウム
イオンと固体基準極中の酸素イオンは界面に拡散する。
そこでLi2 Oが形成される。しかし、このままではL
2 Oの活量は一定とはならない。固体基準極にリチウ
ムが添加されていない場合、固体電解質と固体基準極の
リチウムの化学ポテンシャルが等しくなるまで、固体基
準極側にリチウムイオンが拡散しようとする。この拡散
が起こっているうちは、Li2 Oの活量は定まらず、セ
ンサの起電力は変動を起こしつづけると考えられる。し
かし拡散が行き渡りLi2 Oの活量(aLi2O)が一定に
なるとセンサの起電力は安定し、この結果、このセンサ
でCO2 濃度を正確に測定することができる。また、予
め固体基準極中にある程度のリチウムを添加しておくと
センサの起電力を早く安定させることができる。これ
は、固体基準極のLa2-X Srx CuO4にLi2Oを混合すること
で、固溶体(La2-X-Y SrX LiY CuO4)が形成される。こ
の固溶体中のLi2Oの活量はLa2-X Srx CuO4とLi2Oの組成
比で決まり、これを固体電解質に取付けることによっ
て、界面で生成するLi2Oの活量が一義的に決まる。よっ
て、前述のように界面に生成するLi2Oの活量が一定にな
るまで待つ必要がなくなる。したがって、固体基準極へ
のリチウムの添加はセンサの起電力を早く安定させる効
果がある。
[Chemical 4] Becomes From this, the electromotive force E of this sensor is
It is indicated by 0). E = ΔG ° (Li 2 CO 3 ) −RT / 2Fln (aLi 2 O · PCO 2 ) (10) where ΔG ° (Li 2 CO 3 ) is the standard free energy of formation, a
Li 2 O is the activity of Li 2 O, and PCO 2 is the CO 2 partial pressure. R
Is a gas constant, F is a Faraday constant, and T is an absolute temperature. In this sensor, as is clear from the above reaction formula, if the activity of Li 2 O is constant, all values other than PCO 2 are known. Therefore, PCO 2 (that is, CO 2 2 concentration) can be obtained. By the way, in the present invention, it is a necessary condition that the activity (aLi 2 O) of Li 2 O generated at the interface between the solid electrolyte and the solid reference electrode is constant as described above. Therefore, it is considered that the activity of Li 2 O can be made constant. That is,
In the solid electrolyte used here, lithium ions can move, and in the mixed conductor of the solid reference electrode, electrons and oxygen ions can move. When the sensor configured as shown in FIG. 1 is heated by both of these, lithium ions in the solid electrolyte and oxygen ions in the solid reference electrode diffuse to the interface.
There, Li 2 O is formed. However, as it is, L
The activity of i 2 O is not constant. When lithium is not added to the solid reference electrode, lithium ions try to diffuse to the solid reference electrode side until the chemical potentials of lithium in the solid electrolyte and the solid reference electrode become equal. While this diffusion is occurring, the activity of Li 2 O is not determined, and it is considered that the electromotive force of the sensor continues to fluctuate. However, when the diffusion spreads and the Li 2 O activity (aLi 2 O) becomes constant, the electromotive force of the sensor becomes stable, and as a result, the CO 2 concentration can be accurately measured by this sensor. Further, by adding a certain amount of lithium to the solid reference electrode in advance, the electromotive force of the sensor can be stabilized quickly. This is by mixing Li 2 O in La 2-X Sr x CuO 4 solid reference electrode, solid solution (La 2-XY Sr X Li Y CuO 4) is formed. The activity of Li 2 O in this solid solution is determined by the composition ratio of La 2-X Sr x CuO 4 and Li 2 O, and by attaching this to the solid electrolyte, the activity of Li 2 O formed at the interface is unique. Decided. Therefore, it is not necessary to wait until the activity of Li 2 O generated at the interface becomes constant as described above. Therefore, the addition of lithium to the solid reference electrode has the effect of quickly stabilizing the electromotive force of the sensor.

【0014】なお、実験においても上記構成のセンサに
よりCO2 ガス濃度を正確に測定できることが確認で
き、このことからも上記構成のセンサではLi2 Oの活
量が一定となることが明らかとなった。上記構成のセン
サによるCO2 濃度測定結果を図2に示す。作製したセ
ンサは数日間起電力の変動を示すものの、その後、界面
における酸化物生成反応が安定した後はCO2 濃度に比
例した安定な起電力が得られた(図2参照)。また、従
来型のセンサに比べて、低CO2 ガス分圧まで起電力は
log(PCO2 )との直線的な関係が得られた。さら
に、あらかじめ電子・酸素イオン導電体である固体基準
極にアルカリイオン導電体の導電種と同じ元素を添加
(固体基準極にLiを添加)した場合(La2- X-Y SrX Li
Y CuO4)、起電力の変動はさらに小さくなることが確認
された。なお、センサの応答速度は固体電解質および固
体基準極材料の組み合わせにより異なる。
In the experiments, it was confirmed that the CO 2 gas concentration can be accurately measured by the sensor having the above-mentioned structure. From this, it is clear that the Li 2 O activity becomes constant in the sensor having the above structure. It was FIG. 2 shows the result of measuring the CO 2 concentration by the sensor having the above structure. Although the manufactured sensor showed fluctuations in electromotive force for several days, a stable electromotive force proportional to the CO 2 concentration was obtained after the oxide formation reaction at the interface stabilized thereafter (see FIG. 2). Further, as compared with the conventional sensor, the electromotive force has a linear relationship with log (PCO 2 ) even at a low CO 2 gas partial pressure. Furthermore, when the same element as the conductive species of the alkali ion conductor is added to the solid reference electrode which is an electron / oxygen ion conductor (Li is added to the solid reference electrode) (La 2- XY Sr X Li
It was confirmed that the fluctuation of Y CuO 4 ) and electromotive force was even smaller. The response speed of the sensor differs depending on the combination of the solid electrolyte and the solid reference electrode material.

【0015】上記構成に使用する固体電解質、固体基準
極およびセンサセルの作製方法を説明する。 〔固体電解質の作製〕具体例として、アルカリイオン導
電体の固体電解質として、リチウムイオン導電体(Li2C
O3−5mol%Li3PO4− 10mol%Al2O3 )を用いる。前記の
組成になるようにLi2CO3,Li3PO4,Al2O3 の各粉末を乳
鉢によって混合した後、アルミナルツボ中で750℃で
溶解させる。これをφ10×10mmの容器に流し込み固化、
放冷する。その後、φ8×2mmのディスク状に切り出し
て、その両面を研磨、平滑にし固体電解質とする。
A method for producing the solid electrolyte, the solid reference electrode and the sensor cell used in the above structure will be described. [Production of Solid Electrolyte] As a specific example, as a solid electrolyte of an alkali ion conductor, a lithium ion conductor (Li 2 C
O 3 -5mol% Li 3 PO 4 - 10mol% Al 2 O 3) is used. Li 2 CO 3 , Li 3 PO 4 , and Al 2 O 3 powders were mixed in a mortar so as to have the above composition, and then melted at 750 ° C. in an alumina crucible. Pour this into a container of φ10 × 10 mm and solidify,
Allow to cool. Then, it is cut into a disk shape of φ8 × 2 mm, and both surfaces thereof are polished and smoothed to obtain a solid electrolyte.

【0016】〔固体基準極の作製〕電子・イオン混合導
電体である固体基準極は、La2-X SrX CuO4の一部をLiで
置換したLa2-X-Y SrX LiY CuO4焼結体を用いる。出発物
質としてLaCO3,SrCO3,Li2CO3,CuO の各粉末を用意し、
粉末混合法或いはフリーズドライ法等の方法を用いて、
所定比に調整した酸化物粉末を得る。この粉末をプレス
器を用い形成し、1100℃で焼成することで、φ7×
0.5mm の緻密な焼結体を得る。その後、ディスク状の両
面を研磨、平滑にし固体基準極とする。
[Preparation of Solid Reference Electrode] The solid reference electrode, which is an electron / ion mixed conductor, is a La 2-XY Sr X Li Y CuO 4 layer obtained by substituting a part of La 2 -X Sr X CuO 4 with Li. Use ties. Prepare powders of LaCO 3, SrCO 3, Li 2 CO 3, CuO as starting materials,
Using a powder mixing method or freeze drying method,
An oxide powder adjusted to a predetermined ratio is obtained. This powder was formed using a press machine and fired at 1100 ° C. to obtain φ7 ×
A dense sintered body of 0.5 mm is obtained. Then, the disk-shaped both surfaces are polished and smoothed to form a solid reference electrode.

【0017】〔セルの作製〕上記の方法で作製したそれ
ぞれの固体電解質および固体基準極を隙間ができないよ
うに圧着すると共に、接合外周面に高温接着剤を塗布、
乾燥させる。その後650℃で加熱し高温接着剤を焼付
け一体化して固定およびガスシールを行う。次に固体電
解質側の面にAuペーストを塗布し乾燥させる。以上の
操作の後、図1に示したようにセンサを構成する。な
お、固体電解質1側に多孔質Au電極3とAu網4を、
また、固体基準極2側にPt網7を使用したのは、被検
ガス中のO2 ガスが孔や網の目を通って固体基準電極お
よび固体電解質に接触し易くするためであり、網以外に
ガスを通過させることができかつリード線を固定できる
構造のものを使用すればよい。
[Production of Cell] The solid electrolyte and the solid reference electrode produced by the above method are pressure-bonded so that no gaps are formed, and a high-temperature adhesive is applied to the outer peripheral surface of the joint,
dry. After that, it is heated at 650 ° C. and the high temperature adhesive is baked and integrated to fix and gas seal. Next, Au paste is applied to the surface of the solid electrolyte side and dried. After the above operation, the sensor is constructed as shown in FIG. A porous Au electrode 3 and an Au net 4 are provided on the solid electrolyte 1 side.
The reason why the Pt mesh 7 is used on the side of the solid reference electrode 2 is to facilitate the contact of the O 2 gas in the test gas with the solid reference electrode and the solid electrolyte through the holes and meshes. Other than that, it is possible to use a structure that allows gas to pass therethrough and can fix the lead wire.

【0018】〔CO2 ガスの測定例)図2に上記構成に
係わる固体基準極型CO2 ガスセンサを適宜手段で摂氏
400〜500度に加熱し作動させた時の、CO2 濃度
に対する固体基準極型CO2ガスセンサの起電力を示
す。このグラフからも明らかなようにこのセンサはCO
2 濃度に比例した安定な起電力が得られることがわかっ
た。
[CO2Example of gas measurement)
Related solid reference pole type CO2Use a gas sensor with appropriate means
CO when heated to 400-500 degrees and activated2concentration
Solid reference electrode type CO2Indicates the electromotive force of the gas sensor
You As is clear from this graph, this sensor is CO
2It was found that a stable electromotive force proportional to the concentration was obtained.
It was

【0019】次に本発明に係わる他の実施例としてのセ
ンサの構成を示す。図3、図4はセンサをより一層使用
し易くするためにセンサを作動温度に加熱するためのヒ
ータを内蔵した実施例であり、CO2 ガス濃度検出原理
は第1実施例と同じである。図3のものは第1実施例の
Pt網7の外側にヒータ9を設けている。図4のもの
は、ヒータ9の周囲に固体基準極2を巻付けさらにその
上に固体電解質1を巻付け、固体電解質1側には多孔質
Au電極3とAu網4を、また、ヒータ9の端部側の固
体基準極2にPt網7を設けている。上記第2、第3実
施例のものはいづれもセンサにヒータが組み込まれてい
るため、このヒータを利用してセンサ作動温度(摂氏4
00〜500度)に簡単に加熱することができる。上記
のように、本発明の固体基準極型CO2 ガスセンサは、
固体電解質にLi 2 Oの活量が一定である固体基準極を
取付けることによってセンサの起電力の安定化を図った
点が特徴である。固体基準極はLa2-X SrX CuO4にLi2
Oを混合することで、固溶体(La2-X-Y SrX LiY CuO4
を形成させた。この固溶体中のLi 2 Oの活量はLa2-X
SrX CuO4とLi2 Oの組成比できまるので、これを固体
基準極として用いた。よってリチウムを添加したLa2-X
SrX CuO4は、安定なCO2 濃度検出を可能にする効果が
ある。
Next, another embodiment of the present invention will be described.
The configuration of the sensor is shown. 3 and 4 use the sensor more
To heat the sensor to operating temperature to facilitate
In this embodiment, a CO2Gas concentration detection principle
Is the same as in the first embodiment. FIG. 3 is the same as that of the first embodiment.
A heater 9 is provided outside the Pt net 7. Figure 4
Wraps the solid reference electrode 2 around the heater 9 and
The solid electrolyte 1 is wound on the top, and the solid electrolyte 1 side is porous.
Connect the Au electrode 3 and the Au net 4 to the heater 9 on the end side of the heater 9.
A Pt mesh 7 is provided on the body reference electrode 2. 2nd and 3rd real
All of the examples have a heater built into the sensor.
Therefore, using this heater, the sensor operating temperature (4 degrees Celsius
(0 to 500 degrees) can be easily heated. the above
Like the solid reference electrode type CO of the present invention.2The gas sensor is
Li as solid electrolyte 2A solid reference electrode with a constant O activity
Stabilized the electromotive force of the sensor by mounting
The feature is the point. Solid reference electrode is La2-XSrXCuOFourTo Li2
By mixing O, a solid solution (La2-XYSrXLiYCuOFour)
Was formed. Li in this solid solution 2O activity is La2-X
SrXCuOFourAnd Li2Since the composition ratio of O can be determined, this is a solid
It was used as a reference electrode. Therefore, La containing lithium2-X
SrXCuOFourIs a stable CO2The effect that enables concentration detection
is there.

【0020】[0020]

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、アルカリイオン導電体の固体電解質と電子・イオン
混合導電体の固体基準極とを組み合わせてセンサを構成
にすることで、濃淡電池式のCO2 ガスセンサのような
基準ガスを用いる必要がなくなった。従ってセンサの構
成が簡単になった。また、センサ素子の構成が単純であ
るため、小型化をさらに図ることができる。さらに、電
子・イオン混合導電体の酸化物にアルカリイオン導電種
と同じ元素を添加することで、CO2 濃度に依存するセ
ンサの起電力の安定性を図ることができた。等々の優れ
た効果を奏することができる。
As described in detail above, according to the present invention, a sensor is constructed by combining a solid electrolyte of an alkali ion conductor and a solid reference electrode of an electron / ion mixed conductor to form a concentration cell. It is no longer necessary to use a reference gas such as a CO 2 gas sensor of the formula. Therefore, the structure of the sensor is simplified. Further, since the sensor element has a simple structure, it is possible to further reduce the size. Furthermore, by adding the same element as the alkali ion conductive species to the oxide of the mixed electron / ion conductor, it was possible to stabilize the electromotive force of the sensor depending on the CO 2 concentration. It is possible to obtain excellent effects such as.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1実施例の固体基準極型CO2 ガスセンサの
構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a solid reference electrode type CO 2 gas sensor of a first embodiment.

【図2】固体基準極型CO2 ガスセンサの起電力とCO
2 濃度との関係を示す図である。
FIG. 2 is an electromotive force and CO of a solid reference electrode type CO 2 gas sensor.
It is a figure which shows the relationship with 2 density.

【図3】第2実施例の固体基準極型CO2 ガスセンサの
構成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a solid reference electrode type CO 2 gas sensor according to a second embodiment.

【図4】第3実施例の固体基準極型CO2 ガスセンサの
構成を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a solid reference electrode type CO 2 gas sensor according to a third embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体電解質 2 固体基準極 3 多孔質Au電極 4 Au網 5 Auリード線 6 高温接着剤 7 Pt網 8 Ptリード線 9 ヒータ 1 Solid Electrolyte 2 Solid Reference Electrode 3 Porous Au Electrode 4 Au Net 5 Au Lead Wire 6 High Temperature Adhesive 7 Pt Net 8 Pt Lead Wire 9 Heater

フロントページの続き (72)発明者 水崎 純一郎 千葉県船橋市西船2丁目20番地 西船グリ ーンハイツ7−204 (72)発明者 田川 博章 神奈川県川崎市宮前区東有馬3丁目14番地 5号(72) Inventor Junichiro Mizusaki 2-20 Nishifune, Funabashi-shi, Chiba Nishifune Green Heights 7-204 (72) Inventor Hiroaki Tagawa 3-14-5 Higashi-Arima, Miyamae-ku, Kanagawa Prefecture

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 直接CO2 ガスと解離平衡を形成するア
ルカリイオン導電体の固体電解質と電子・イオン混合導
電体である固体基準極とを圧着させて両者の界面に酸化
物を形成し、さらに前記固体電解質と固体基準極のそれ
ぞれにリード線を取り付け、前記界面における酸化物と
CO2 ガスとの間の化学反応によって生ずる起電力によ
りCO2 ガスを検知できることを特徴とする固体基準極
型CO 2 ガスセンサ。
1. Direct CO2Forming a dissociation equilibrium with the gas
Solid electrolyte and electron / ion mixed conduction of Lucari ion conductor
Oxidize at the interface between the solid reference electrode, which is an electric body, by pressure bonding
Of the solid electrolyte and that of the solid reference electrode.
Attach a lead wire to each of the
CO2The electromotive force generated by the chemical reaction with the gas
Ri CO2Solid reference electrode characterized by being able to detect gas
Type CO 2Gas sensor.
【請求項2】 前記電子・イオン混合導電体に前記アル
カリイオン導電体と同じ導電種の金属を添加し固体基準
極としたことを特徴とする請求項1に記載の固体基準極
型CO2 ガスセンサ。
2. The solid reference electrode type CO 2 gas sensor according to claim 1, wherein a metal of the same conductive species as the alkali ion conductor is added to the mixed electron / ion conductor to form a solid reference electrode. .
JP21574593A 1993-08-31 1993-08-31 Solid reference electrode type CO2 gas sensor Expired - Fee Related JP3305446B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP21574593A JP3305446B2 (en) 1993-08-31 1993-08-31 Solid reference electrode type CO2 gas sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP21574593A JP3305446B2 (en) 1993-08-31 1993-08-31 Solid reference electrode type CO2 gas sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0763726A true JPH0763726A (en) 1995-03-10
JP3305446B2 JP3305446B2 (en) 2002-07-22

Family

ID=16677511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP21574593A Expired - Fee Related JP3305446B2 (en) 1993-08-31 1993-08-31 Solid reference electrode type CO2 gas sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3305446B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010064868A3 (en) * 2008-12-05 2010-08-26 주식회사 시오스 Carbon dioxide measuring device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010064868A3 (en) * 2008-12-05 2010-08-26 주식회사 시오스 Carbon dioxide measuring device
KR101029873B1 (en) * 2008-12-05 2011-04-18 한국과학기술원 CO2 measuring device

Also Published As

Publication number Publication date
JP3305446B2 (en) 2002-07-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPS63738B2 (en)
JP3305446B2 (en) Solid reference electrode type CO2 gas sensor
JPH0131586B2 (en)
KR101020756B1 (en) Electrochemical Carbon Dioxide Sensor with Long-term Stability
JPS62138748A (en) Solid battery for measuring oxygen partial pressure
JPH07167833A (en) Gas sensor
JPH03120456A (en) oxygen sensor
JP4263116B2 (en) Carbon dioxide detector
JPH06242061A (en) Concentration cell type carbon dioxide gas sensor
JPH04329353A (en) Carbon dioxide and humidity sensor
JP3572356B2 (en) Chlorine gas sensor
JP2004170230A (en) Co2 sensor and its manufacturing method
JPH06186199A (en) Carbon dioxide sensor element of solid-electrolyte type
JPH08220063A (en) Carbon dioxide sensor
JP3109020B2 (en) Carbon dioxide detection element
JP3984347B2 (en) CO2 gas sensor
CA1293023C (en) Unitary self-referencing combined dual gas sensor
JP3266645B2 (en) Carbon dioxide gas sensor
JPH09292366A (en) Carbon dioxide sensor and manufacturing method thereof
JPH02232557A (en) Co2 sensor
JPH08220064A (en) Carbon dioxide sensor
JPH07167829A (en) Gas sensor
JP2898730B2 (en) Moisture sensitive element
JPH03276056A (en) Insertion type sensor probe
Tagawa Yi Can Zhang, Miroru Kaneko, Kiyoshi Uchida

Legal Events

Date Code Title Description
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20020416

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110510

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110510

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120510

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130510

Year of fee payment: 11

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees