JP4115014B2 - Hydrogen gas sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素ガスの濃淡によりガス中の水素濃度を測定する水素ガスセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
水素ガス濃淡電池式水素ガスセンサの測定原理が「ニューセラミックス(1996)No11」に記載されている。すなわち、同文献には、プロトン導電性を示す固体電解質CaZr0.9In0.1O3-αを隔壁に用いて二つのガス室を設け、一方のガス室に高水素分圧のガスを、他方のガス室に測定すべき低水素分圧ガスを導入するとことにより、高水素ガス分圧側では水素がプロトンと電子に分離する反応が生じ、低水素ガス分圧側では逆の反応が生じる。このときの起電力がネルンストの式でE=(RT/2F)ln〔PH2(1)/PH2(2)〕で与えられる。ここに、Eは起電力(V)、Rは気体定数、Fはファラデー定数、Tは絶対温度(K)、PH2(1)は負極側の高水素分圧、PH2(2)は正極側の低水素分圧である。
【0003】
従って、起電力Eを測定すると固体電解質で隔てられた二つのガス室の水素分圧の比が求まり、そのうち片方のガス室の水素分圧を既知に保っておけば、起電力と温度から他方のガス室に導入された測定ガス等に接する測定ガス中の水素分圧が求められる。この測定原理を利用して溶融金属用の水素センサが既に実用化されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記文献に記載された方法で水素ガスセンサを構成すると、水素分圧が既知である基準水素ガスをタンク等に予め用意し、一方のガス室に供給する必要があり、センサの構成を複雑化する欠点があった。
本発明は、基準水素ガスを必要としない水素ガスセンサを提供することを解決すべき課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく本発明の発明者等は種々検討を重ね、基準水素ガスを測定ガスより生成することにより、測定ガスの水素分圧より水素濃度を測定できると考え、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の水素ガスセンサは、測定されるべき水素を含む測定ガスが接触する第一電極および第二電極と該第一電極と該第二電極との間に形成されプロトン導電性をもつ固体電解質と該第一電極および該第二電極間に接続された直流電圧源とからなる水素ポンプ用電解質部と、測定されるべき水素を含む測定ガスが接触する第三電極および第四電極と該第三電極と該第四電極との間に形成されプロトン導電性をもつ固体電解質とからなり前記水素ポンプ部によってポンピングされた水素分圧と該第三電極に接触する測定ガスの水素分圧との差を該第三電極および第四電極間に起電力として生起する測定用電解質部と、前記第三電極および第四電極間に接続された起電力測定手段とを備え、前記水素ポンプ用電解質部の固体電解質と前記測定用電解質部の固体電解質は、前記第二電極と前記第四電極とが一つの電極として形成された線材を長さ方向に沿って内側に埋設して一体の棒状に形成され、その両端外周に前記第一電極と前記第三電極が形成されていることを特徴とするものである。
【0006】
【作用】
本発明の水素ガスセンサは、水素ポンプ用電解質部によって測定ガス中の水素をポンピングし、ポンピングされた水素は既知の水素分圧をもつ基準ガスとして測定用電解質部の第三電極近傍に集る。測定用電解質部の第三電極には測定ガスが接触しているので、第四電極近傍に集り接触した生成基準ガスの水素分圧と測定ガス中の水素分圧との差に応じた起電力を起電力測定手段で測定することにより、測定ガス中の水素濃度を測定することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
水素ポンプ用電解質部の固体電解質及び測定用電解質部の固体電解質は、SrCeYb0.95O3-α、BaCe0.9Nd0.1O3-α、CaZr0.9In0.1O3-α等の組成を有するペロブスカイト型プロトン導電性固体電解質を用いることが好ましい。
【0008】
各電極は、Pt、Au、Fe、Cu、Zn、Cn、Mo等の電気伝導性に優れた金属が好ましい。第一電極と第2電極間に直流電圧源を接続するリード線および第三電極と第四電極間に起電力測定手段を接続するリード線も同様の金属が使用される。
水素ポンプ用電解質部への第一電極および第二電極の形成並びに測定用固体電解質部への第三電極および第四電極の形成は、各固体電解質をそれぞれ直径15mm、厚さ0.5mm程度の円盤状にプレス成形し、該円盤状固体電解質の表裏面に直径8mm程度の広さでペースト状の電極材料を塗布して焼結すればよい。
【0009】
直流電圧源は、ポテンショスタット等の直流安定化電源装置を使用できる。直流電圧源の正極は、水素ポンプ用電解質部の第一電極に接続し、直流電圧源の負極は水素ポンプ用電解質部の第二電極に接続する。これによって、水素ポンプ用電解質部の固体電解質に水素ポンピング作用が生じる。
水素ポンプ用電解質部と測定用電解質部との間に該水素ポンプ用電解質部でポンピングされた水素ガスを蓄積する基準ガス室を設けてもよい。このように基準ガス室にポンピングされた水素ガスを蓄積することにより、基準ガスの水素分圧が安定する利点がある。ただし、ポンピングされた水素ガスを蓄積する基準ガス室は、一定の水素分圧が蓄積するとガス抜きされるように所定の通気手段を設ける必要がある。
【0010】
第二電極と第四電極は一つの電極として形成することができる。すなわち、第二電極と第四電極の機能を果す一つの電極を水素ポンプ用電解質部の固体電解質と測定用電解質部の固体電解質とで挟んだ5層構造とする。
水素ポンプ用電解質部の固体電解質と前記測定用電解質部の固体電解質は、第二電極と第四電極とが一体に形成された線材を長さ方向に沿って内側に埋設した棒状に形成し、その両端外周に第一電極と第三電極を形成してもよい。
【0011】
上記水素ポンプ用電解質部の固体電解質と測定用電解質部の固体電解質とからなる棒状の固体電解質は、直径5mm、長さ30mm程度でよい。また、一体の第二電極と第四電極は、直径0.3mm程度の線材とする。
固体電解質を棒状とした水素ガスセンサでは、ポンピングされた水素が移動する固体電解質の部位と、測定用の水素が移動する固体電解質の部位とが離れているため、印加電圧が起電力測定に影響しにくく、測定精度が正確になる。
【0012】
起電力測定手段は、エレクトロメータ等の電圧計が使われる。
【0013】
【実施例】
本発明の参考例及び実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
(第一参考例)
第一参考例の水素ガスセンサは、図1の断面図に示されるように、アルミナ製でリング状のハウジング1と、該ハウジング1の貫通孔内にそれぞれ嵌合したプロトン導電性を有する円盤状の固体電解質2、3と、該固体電解質2と固体電解質3とが間隔を隔てて重なるように該固体電解質2と固体電解質3との外縁側に介装されたアルミナ製の間隔環4と、図中上側の固体電解質2が外部と接する表面に形成された第一電極5と、該第一電極5と背向した固体電解質2の裏面に形成された第二電極6と、図中下側の固体電解質3が外部と接する表面に形成された第三電極7と、該第三電極7と背向した固体電解質3の裏面に形成された第四電極8と、該第一電極5と第二電極6間にリード線9を介して接続された直流電圧源10と、該第三電極7と第四電極8との間にリード線11を介して接続された起電力測定手段12と、該間隔環4、該固体電解質2および固体電解質3とを一体に支持して該ハウジング1に固定する無機接着剤13と、該無機接着剤13の表面にコーティング、塗布等の手段で付着されたガラスシール14とを具備ししている。
【0014】
上記第一電極5、第二電極6、固体電解質2及び直流電圧源10は本発明の水素ポンプ用電解質部15を構成し、第三電極7、第四電極8、固体電解質3及び起電力測定手段3は測定用電解質部16を構成する。また、固体電解質2と固体電解質3との間に介装された間隔環4によって、該固体電解質2、固体電解質3および間隔環4を壁面とする基準ガス室17が形成される。基準ガス室17は、間隔環4から無機接着剤13を貫通し更にハウジング1を貫通した通気孔17aを通じて外部と連通している。
【0015】
直流電圧源10は、ポテンショスタットを使用し、起電力測定手段12はエレクトロメータを使用した。そして、直流電圧源10の正極は第一電極5に接続し、負極は第二電極6に接続する。また、起電力測定手段12の正極は第三電極7に接続し、負極は第四電極8に接続する。
固体電解質2、3は、ペロブスカイト型プロトン導電性固体電解質であるSrCeYb0.95O3-αを直径15mm、厚さ0.5mmの円盤状にプレス成形したものを使用した。各電極5〜8は、固体電解質2、3の中央部にPtを直径8mmの大きさに焼き付けて形成した。リード線9、11は直径0.3mmのPt線を用いた。
【0016】
上記構成よりなる第一参考例の水素ガスセンサは、全体を測定ガスの中に曝して測定ガス中の水素濃度を測定するものである。本水素ガスセンサを測定ガス中に曝すと、固体電解質2の第一電極5面側と固体電解質3の第三電極7面側とが測定ガスと接触する。第一電極5には直流電圧源10の正電圧が印加されているため、該第一電極5に測定ガスが接触すると、固体電解質2の第一電極5近傍で測定ガス中の水素がプロトンになり、電子を発生する。プロトンは固体電解質2の中を移動し、第一電極5と背向する第二電極6に達する。一方、電子は第一電極5と第二電極6とをつなぐリード線9の中を通り、直流電圧源10を経て第二電極6に達する。そうすると、第二電極6に達したプロトンと電子とが反応して直流電圧源10の発生する電圧値に比例した既知の水素分圧の水素を発生する。発生した水素は基準ガス室17に蓄積される。この基準ガス室17に蓄積される水素は、通電開始後一定時間経過すると、一定の圧力を超えないように通気孔17aより外部に抜ける。これにより基準ガス室17の水素分圧は一定の状態に保たれる。
【0017】
上記水素分圧をもつ生成基準ガスは第四電極8に接触し、第三電極7に接触している測定ガス中の水素分圧との差によって、高水素分圧側である第四電極8を負極としてネルンストの式で示される起電力が第三電極7との間に発生する。従って、この起電力を起電力測定手段12によって測定することにより、測定ガス中の水素濃度を知ることができる。
【0018】
図2は直流電圧源10の電圧値を2V、3Vおよび5Vに変更し、各電圧値において測定ガスの水素分圧を変化させたときの起電力の特性図である。縦軸は起電力(mV)を表し、横軸は測定ガスの水素分圧の対数を表す。この特性図は、電圧値を上げるほど水素分圧の対数の変化に対する起電力特性の傾斜が大きくなることを示している。この傾斜が点線にて示すネルンストの式で指示される理論起電力特性の傾斜に近いほど正確な測定が可能である。
【0019】
図2に示す実験結果によれば、直流電圧源10の電圧値を2Vより3V、3Vより5と高めることにより、測定ガスの水素分圧に対する生成基準ガスの水素分圧の差がより大きくなり、測定ガスの水素分圧の変化をより大きな起電力の変化としてとらえることができることがわかる。
ただし、直流電圧源10の電圧値は、すべての場合に高ければよいというものではなく、測定ガスの水素濃度に応じて、明瞭な起電力の変化が現出する範囲の電圧値に設定する。
【0020】
(第二参考例)
第二参考例の水素ガスセンサは、図3に示すように、一つの円盤状の固体電解質21と、該固体電解質21の一面に形成された第一電極5と、該第一電極5とは反対の面に形成された第三電極7と、該固体電解質21の厚さ方向の中央位置に、該固体電解質21を水素ポンプ用の固体電解質部18と測定用の固体電解質部19とに二分するように埋込まれた円盤状で多孔質Pt製の中間電極20と、該第一電極5と該中間電極20間にPt製のリード線9を介して接続された直流電圧源10と、該第三電極7と該中間電極20間にPt製のリード線11を介して接続された起電力測定手段12とを具備する。
【0021】
上記中間電極20は第一参考例の第二電極6と第四電極8とが一体的に構成されたものである。すなわち、第二参考例の水素ガスセンサは、第一参考例における水素ポンプ用電解質部15の固体電解質2と測定用電解質部16の固体電解質3が一つの固体電解質21として円盤状に形成され、該固体電解質21の厚み方向の中央位置に中間電極20を挟み込み、一体的に焼結されているものである。
【0022】
本参考例では第一参考例の基準ガス室17に相当する僅かな空隙が、中間電極20と固体電解質21との界面に例えば製造過程で形成され、この空隙は第一参考例と同様の固体電解質21に形成した通気孔21aを介して連通している。
上記水素ガスセンサは以下のように製造した。固体電解質21の素材は第一参考例と同様に、ペロブスカイト型プロトン導電性固体電解質SrCeYb0.95O3−αであり、直径15mm、厚さ3mmの大きさとした。中間電極20は、直径8mmとし、固体電解質21のプレス成形時に該固体電解質21の内部に埋込んだ。その後、固体電解質21に第一電極5と第三電極7を焼結により付着させた。焼結後、水素ガスセンサ全体が冷えるとき、Pt製の中間電極20と固体電解質21との熱膨張率の差により基準ガス室17に相当する空隙が形成されることになる。
【0023】
第二参考例の水素ガスセンサは、直流電圧源9によってポンピングされた水素が、固体電解質部18中を移動し中間電極20の近傍に水素分圧が既知の基準ガスとして集まる。この中間電極20近傍の水素と第三電極7に接触した測定ガス中の水素とのガス分圧差により中間電極20を負極とする起電力が発生する。このような構成の水素ガスセンサにおいても図2と同様の起電力特性が得られた。
【0024】
(実施例)
実施例の水素ガスセンサは、図4に示すように、棒状の固体電解質22と、該固体電解質22の軸心位置に埋設された線状の中間電極23と、固体電解質22の両端外周に形成された第一電極24および第三電極25と、第一電極24と中間電極23間にPt製のリード線9を介して接続された直流電圧源10と、第三電極25と中間電極23間にPt製のリード線11を介して接続された起電力測定手段12とを具備する。
【0025】
棒状の固体電解質22は、直径5mm、長さ30mmのSrCeYb0.95O3-αを用いた。中間電極23は、多孔質のPt線材であり、棒状の固体電解質22の軸心位置に刺込んだ。第一電極24と第三電極25は、それぞれ幅5mmの帯状で固体電解質22の両端外周に巻付けて焼結した。この実施例の水素ガスセンサでも製造過程で中間電極23と固体電解質22との界面に基準ガス室17に相当する空隙が形成され、該空隙は通気孔22aを通じて外部と連通している。
【0026】
このような構成の水素ガスセンサでも第二参考例と同様に中間電極23と第一電極24との間に印加された電圧により中間電極23の近傍に水素がポンピングされ、このポンピングされた水素と第三電極25に接触した測定ガス中の水素とのガス分圧差によって起電力が発生することがわかった。
図5は実施例の水素ガスセンサで起電力特性を測定したものである。図5によると、直流電圧源10の電圧値を0.25V、0.50Vおよび0.75Vとしたとき、点線にて示す理論起電力特性上に非常によく重なり、水素濃度を正確に測定できることがわかる。
【0027】
図6に実施例の水素ガスセンサで測定ガスの水素濃度を変化させて応答性を測定した結果を示す。測定ガスの水素濃度は、1.2%、4.9%、10.3%、49.9%、100%と変化させた。中間電極20側をマイナスとして印加電圧0.5mVを加えた。縦軸は起電力(単位mV)、横軸は時間(単位sec)である。電圧印加前は電極20と固体電解質21との界面は測定ガスと同じ状態であることを示している。水素濃度1.2%の状態で電圧印加を開始すると起電力は迅速に変化し、ほぼ160mVで安定した。測定ガスの水素ガス濃度を4.9%に上げると、起電力は120mVに低下して安定した。同様に水素濃度を上げていくと、起電力も水素濃度に応じて低下し、起電力式から計算される傾向と一致し、センサとして機能していることが示唆される。
【0028】
特に実施例では、第一参考例や第二参考例に比べ、ポンピングされた水素が移動する固体電解質22の部位と、測定用の水素が移動する固体電解質の部位とが離れているため、印加電圧が起電力測定に影響しにくく、測定精度が正確になる。
【0029】
【発明の効果】
本発明の水素ガスセンサにより、水素分圧が既知の基準ガスを用いる必要がなく、一定の電圧を印加させると、測定ガス中の水素濃度の変化に対し迅速に応答して水素分圧を測定できることがわかった。
また、水素分圧が既知の基準ガスを用いる必要がないため、その供給手段が不要で極めて簡潔な構成となり、測定用の水素が移動する固体電解質の部位とが離れているため、印加電圧が起電力測定に影響しにくく、測定精度が正確になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第一参考例の水素ガスセンサを示す断面図である。
【図2】 第一参考例の水素ガスセンサの起電力特性を示す特性図である。
【図3】 第二参考例の水素ガスセンサを示す断面図である。
【図4】 実施例の水素ガスセンサを示す断面図である。
【図5】 実施例の起電力特性を示す特性図である。
【図6】 測定ガスの水素濃度を変化させて応答性を測定した結果を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen gas sensor that measures the hydrogen concentration in a gas based on the concentration of hydrogen gas.
[0002]
[Prior art]
The measurement principle of the hydrogen gas concentration cell type hydrogen gas sensor is described in “New Ceramics (1996) No. 11”. That is, in this document, two gas chambers are provided using a solid electrolyte CaZr 0.9 In 0.1 O 3 -α exhibiting proton conductivity as a partition, a gas with a high hydrogen partial pressure is provided in one gas chamber, and the other gas is provided. By introducing a low hydrogen partial pressure gas to be measured into the chamber, a reaction occurs in which hydrogen is separated into protons and electrons on the high hydrogen gas partial pressure side, and an opposite reaction occurs on the low hydrogen gas partial pressure side. The electromotive force at this time is given by Nernst's equation: E = (RT / 2F) ln [P H2 (1) / P H2 (2)]. Where E is the electromotive force (V), R is the gas constant, F is the Faraday constant, T is the absolute temperature (K), P H2 (1) is the high hydrogen partial pressure on the negative electrode side, and P H2 (2) is the positive electrode The low hydrogen partial pressure on the side.
[0003]
Therefore, when the electromotive force E is measured, the ratio of the hydrogen partial pressures of the two gas chambers separated by the solid electrolyte is obtained, and if the hydrogen partial pressure of one of the gas chambers is kept known, the other is obtained from the electromotive force and the temperature. The hydrogen partial pressure in the measurement gas in contact with the measurement gas introduced into the gas chamber is determined. Using this measurement principle, a hydrogen sensor for molten metal has already been put into practical use.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a hydrogen gas sensor is configured by the method described in the above document, it is necessary to prepare a reference hydrogen gas with a known hydrogen partial pressure in a tank or the like in advance and supply it to one gas chamber, which complicates the sensor configuration. There was a fault to become.
An object of the present invention is to provide a hydrogen gas sensor that does not require reference hydrogen gas.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the inventors of the present invention have made various studies and considered that the hydrogen concentration can be measured from the hydrogen partial pressure of the measurement gas by generating the reference hydrogen gas from the measurement gas, thereby completing the present invention. It came to.
That is, the hydrogen gas sensor of the present invention is a solid having proton conductivity formed between the first electrode and the second electrode, and the first electrode and the second electrode, which are in contact with the measurement gas containing hydrogen to be measured. An electrolyte part for a hydrogen pump comprising an electrolyte and a DC voltage source connected between the first electrode and the second electrode; a third electrode and a fourth electrode in contact with a measurement gas containing hydrogen to be measured; and A hydrogen partial pressure pumped by the hydrogen pump unit comprising a solid electrolyte having proton conductivity formed between the third electrode and the fourth electrode, and a hydrogen partial pressure of the measurement gas in contact with the third electrode; A measurement electrolyte portion that generates a difference between the third electrode and the fourth electrode as an electromotive force, and an electromotive force measurement unit connected between the third electrode and the fourth electrode, and the hydrogen pump electrolyte. Front of solid electrolyte The solid electrolyte of the electrolyte part for measurement is formed into an integral rod shape by embedding a wire material in which the second electrode and the fourth electrode are formed as one electrode along the length direction, and the outer periphery of both ends thereof Wherein the first electrode and the third electrode are formed .
[0006]
[Action]
In the hydrogen gas sensor of the present invention, hydrogen in the measurement gas is pumped by the hydrogen pump electrolyte unit, and the pumped hydrogen is collected near the third electrode of the measurement electrolyte unit as a reference gas having a known hydrogen partial pressure. Since the measurement gas is in contact with the third electrode of the measurement electrolyte part, an electromotive force corresponding to the difference between the hydrogen partial pressure of the generated reference gas gathered and contacted in the vicinity of the fourth electrode and the hydrogen partial pressure in the measurement gas Is measured by the electromotive force measuring means, and the hydrogen concentration in the measurement gas can be measured.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The solid electrolyte of the electrolyte part for hydrogen pump and the solid electrolyte of the electrolyte part for measurement are perovskite protons having a composition such as SrCeYb 0.95 O 3 -α, BaCe 0.9 Nd 0.1 O 3 -α, CaZr 0.9 In 0.1 O 3 -α, etc. It is preferable to use a conductive solid electrolyte.
[0008]
Each electrode is preferably a metal having excellent electrical conductivity such as Pt, Au, Fe, Cu, Zn, Cn, and Mo. The same metal is used for the lead wire connecting the DC voltage source between the first electrode and the second electrode and the lead wire connecting the electromotive force measuring means between the third electrode and the fourth electrode.
The formation of the first electrode and the second electrode on the electrolyte part for the hydrogen pump and the formation of the third electrode and the fourth electrode on the solid electrolyte part for measurement are each made of a solid electrolyte of about 15 mm in diameter and about 0.5 mm in thickness. What is necessary is just to press-form into a disk shape, apply | coat and sinter a paste-form electrode material about 8 mm in diameter on the front and back of this disk-shaped solid electrolyte.
[0009]
As the DC voltage source, a DC stabilized power supply device such as a potentiostat can be used. The positive electrode of the DC voltage source is connected to the first electrode of the hydrogen pump electrolyte part, and the negative electrode of the DC voltage source is connected to the second electrode of the hydrogen pump electrolyte part. As a result, a hydrogen pumping action is generated in the solid electrolyte of the electrolyte part for the hydrogen pump.
A reference gas chamber for storing hydrogen gas pumped by the hydrogen pump electrolyte unit may be provided between the hydrogen pump electrolyte unit and the measurement electrolyte unit. By accumulating the hydrogen gas pumped in the reference gas chamber in this way, there is an advantage that the hydrogen partial pressure of the reference gas is stabilized. However, the reference gas chamber for storing the pumped hydrogen gas needs to be provided with a predetermined ventilation means so that the gas is vented when a certain hydrogen partial pressure is accumulated.
[0010]
The second electrode and the fourth electrode can be formed as one electrode. That is, it has a five-layer structure in which one electrode that functions as the second electrode and the fourth electrode is sandwiched between the solid electrolyte in the hydrogen pump electrolyte part and the solid electrolyte in the measurement electrolyte part.
The solid electrolyte of the electrolyte part for the hydrogen pump and the solid electrolyte of the measurement electrolyte part are formed in a rod shape in which the second electrode and the fourth electrode are integrally formed along the length direction, You may form a 1st electrode and a 3rd electrode in the outer periphery of the both ends.
[0011]
The rod-shaped solid electrolyte composed of the solid electrolyte in the hydrogen pump electrolyte part and the measurement electrolyte part may have a diameter of about 5 mm and a length of about 30 mm. The integrated second electrode and fourth electrode are wires having a diameter of about 0.3 mm.
In a hydrogen gas sensor with a solid electrolyte as a rod, the portion of the solid electrolyte where the pumped hydrogen moves away from the portion of the solid electrolyte where the measurement hydrogen moves, so the applied voltage affects the electromotive force measurement. Difficult to measure accuracy.
[0012]
As the electromotive force measuring means, a voltmeter such as an electrometer is used.
[0013]
【Example】
Reference examples and examples of the present invention will be shown to describe the present invention more specifically.
(First reference example)
As shown in the cross-sectional view of FIG. 1, the hydrogen gas sensor of the first reference example has a ring-
[0014]
The
[0015]
The DC voltage source 10 used a potentiostat, and the electromotive force measuring means 12 used an electrometer. The DC voltage source 10 has a positive electrode connected to the
As the
[0016]
The hydrogen gas sensor of the first reference example having the above configuration measures the hydrogen concentration in the measurement gas by exposing the whole to the measurement gas. When the hydrogen gas sensor is exposed to the measurement gas, the
[0017]
The production reference gas having the hydrogen partial pressure is in contact with the
[0018]
FIG. 2 is a characteristic diagram of electromotive force when the voltage value of the DC voltage source 10 is changed to 2 V, 3 V, and 5 V, and the hydrogen partial pressure of the measurement gas is changed at each voltage value. The vertical axis represents the electromotive force (mV), and the horizontal axis represents the logarithm of the hydrogen partial pressure of the measurement gas. This characteristic diagram shows that the slope of the electromotive force characteristic with respect to the logarithmic change of the hydrogen partial pressure increases as the voltage value increases. The closer the slope is to the slope of the theoretical electromotive force characteristic indicated by the Nernst equation indicated by the dotted line, the more accurate measurement is possible.
[0019]
According to the experimental results shown in FIG. 2, the difference in the hydrogen partial pressure of the generated reference gas with respect to the hydrogen partial pressure of the measurement gas is increased by increasing the voltage value of the DC voltage source 10 from 2V to 3V and 3V to 5. It can be seen that a change in the hydrogen partial pressure of the measurement gas can be considered as a larger change in electromotive force.
However, the voltage value of the DC voltage source 10 is not necessarily high in all cases, and is set to a voltage value in a range where a clear electromotive force change appears according to the hydrogen concentration of the measurement gas.
[0020]
(Second reference example)
As shown in FIG. 3, the hydrogen gas sensor of the second reference example has one disk-shaped solid electrolyte 21, a
[0021]
The
[0022]
In the present embodiment a slight gap corresponding to the
The hydrogen gas sensor was manufactured as follows. The material of the solid electrolyte 21 was a perovskite type proton conductive solid electrolyte SrCeYb 0.95 O 3-α as in the first reference example, and had a diameter of 15 mm and a thickness of 3 mm. The
[0023]
In the hydrogen gas sensor of the second reference example, the hydrogen pumped by the
[0024]
( Example )
As shown in FIG. 4, the hydrogen gas sensor of the embodiment is formed on a rod-shaped solid electrolyte 22, a linear
[0025]
As the rod-shaped solid electrolyte 22, SrCeYb 0.95 O 3- α having a diameter of 5 mm and a length of 30 mm was used. The
[0026]
Also in the hydrogen gas sensor having such a configuration, hydrogen is pumped in the vicinity of the
FIG. 5 shows the electromotive force characteristics measured by the hydrogen gas sensor of the example . According to FIG. 5, when the voltage value of the DC voltage source 10 is set to 0.25 V, 0.50 V, and 0.75 V, the theoretical electromotive force characteristic indicated by the dotted line overlaps very well and the hydrogen concentration can be measured accurately. I understand.
[0027]
FIG. 6 shows the result of measuring the responsiveness by changing the hydrogen concentration of the measurement gas with the hydrogen gas sensor of the example . The hydrogen concentration of the measurement gas was changed to 1.2%, 4.9%, 10.3%, 49.9%, and 100%. An applied voltage of 0.5 mV was applied with the
[0028]
In particular embodiments, compared with the first reference example and the second reference example, since the sites of the solid electrolyte 22 pumping hydrogen is moved, a portion of the solid electrolyte in which hydrogen is moved for measurement are separated, applied The voltage hardly influences the electromotive force measurement, and the measurement accuracy becomes accurate.
[0029]
【The invention's effect】
With the hydrogen gas sensor of the present invention, it is not necessary to use a reference gas whose hydrogen partial pressure is known, and when a constant voltage is applied, the hydrogen partial pressure can be measured in quick response to changes in the hydrogen concentration in the measurement gas. I understood.
In addition, since it is not necessary to use a reference gas with a known hydrogen partial pressure, the supply means is unnecessary, and the configuration is extremely simple, and the portion of the solid electrolyte where the hydrogen for measurement moves is separated from the applied voltage. Is less affected by electromotive force measurement and the measurement accuracy is accurate .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a hydrogen gas sensor of a first reference example.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing electromotive force characteristics of the hydrogen gas sensor of the first reference example.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a hydrogen gas sensor of a second reference example.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a hydrogen gas sensor of an example .
FIG. 5 is a characteristic diagram showing electromotive force characteristics of an example .
FIG. 6 shows the results of measuring the responsiveness by changing the hydrogen concentration of the measurement gas.
Claims (2)
測定されるべき水素を含む測定ガスが接触する第三電極および第四電極と該第三電極と該第四電極との間に形成されプロトン導電性をもつ固体電解質とからなり前記水素ポンプ用電解質部によってポンピングされた水素分圧と第三電極に接触する測定ガスの水素分圧との差を該第三電極および第四電極間に起電力として生起する測定用電解質部と、
前記第三電極および第四電極間に接続された起電力測定手段とを備え、
前記水素ポンプ用電解質部の固体電解質と前記測定用電解質部の固体電解質は、前記第二電極と前記第四電極とが一つの電極として形成された線材を長さ方向に沿って内側に埋設して一体の棒状に形成され、その両端外周に前記第一電極と前記第三電極が形成されていることを特徴とする水素ガスセンサ。A solid electrolyte having proton conductivity formed between the first electrode and the second electrode, the first electrode, and the second electrode that are in contact with the measurement gas containing hydrogen to be measured, the first electrode, and the first electrode An electrolyte part for a hydrogen pump comprising a DC voltage source connected between two electrodes;
The hydrogen pump electrolyte comprising a third electrode and a fourth electrode that are in contact with a measurement gas containing hydrogen to be measured, and a solid electrolyte having proton conductivity formed between the third electrode and the fourth electrode. An electrolyte part for measurement that generates a difference between a hydrogen partial pressure pumped by the part and a hydrogen partial pressure of a measurement gas contacting the third electrode as an electromotive force between the third electrode and the fourth electrode;
Electromotive force measuring means connected between the third electrode and the fourth electrode ,
In the solid electrolyte of the hydrogen pump electrolyte part and the solid electrolyte of the measurement electrolyte part, a wire material in which the second electrode and the fourth electrode are formed as one electrode is embedded inside along the length direction. The hydrogen gas sensor is characterized in that the first electrode and the third electrode are formed on the outer periphery of both ends .
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