JP7588580B2 - Oxygen sensor and micromechanical electrical device having the same - Google Patents
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Description
本発明は、酸素センサ及びそれを具備する微小機械電気素子に関する。 The present invention relates to an oxygen sensor and a micromechanical electrical element having the same.
酸化物イオン透過性の固体電解質を用いた酸素センサが種々知られている。この種の酸素センサは、起電力式のものと、限界電流式のものに大別される。例えば特許文献1には、電気化学式酸素ポンプ部、密封空間及び電気化学的センサ部から構成される起電力式の酸素センサが記載されている。この酸素センサにおいては、電気化学式酸素ポンプ部の両電極間に外部電圧を印加し、密封空間に存在する酸素ガスを強制的に電気化学式酸素ポンプの原理に従って外部に排出し、基準ガス室内を所定の低酸素分圧に制御している。There are various known oxygen sensors that use oxide ion-permeable solid electrolytes. These types of oxygen sensors are broadly divided into electromotive force type and limiting current type. For example,
特許文献2には、外側電極と内側電極との間に電流を印加して検出ガス中の酸素を内側電極の近傍に導入し、当該導入した酸素を参照ガスとして用いるようにした酸素センサが記載されている。この酸素センサでは、検出ガス中の酸素を内側電極の近傍に導入することを目的として、内側電極の外面に、ジルコニア及びアルミニウムを含む多孔質構造の緩和層を設け、該緩和層中に酸素が進入できるようにしている。 Patent Document 2 describes an oxygen sensor in which a current is applied between an outer electrode and an inner electrode to introduce oxygen in a detection gas into the vicinity of the inner electrode, and the introduced oxygen is used as a reference gas. In this oxygen sensor, in order to introduce oxygen in a detection gas into the vicinity of the inner electrode, a buffer layer having a porous structure containing zirconia and aluminum is provided on the outer surface of the inner electrode, allowing oxygen to enter the buffer layer.
特許文献1の酸素センサは、基準ガス室内の酸素分圧を低い基準に制御することで、被検ガス中の酸素濃度を精度よく測定しようとするものである。しかし、基準ガス室内の酸素分圧を低い値に制御していることに起因して、酸素分圧が僅かに変化するだけでも起電力が大きく影響を受けるので、検出精度を高めることが容易でない。The oxygen sensor in
特許文献2に記載の酸素センサは、内側電極の近傍に導入した酸素の分圧を大気中の酸素分圧よりも高くすることで、該酸素を参照ガスとして用いており、円柱状の素子を形成している。このことに起因して、緩和層を多孔質且つ高強度にする必要がある。しかし、緩和層を多孔質且つ高強度にすることは、酸素センサの小型化の点からは不利である。このような多孔質層の形成や円柱状の素子の製造を、例えばMEMS(MicroElectro Mechanical Systems)と呼ばれる微小機械電気素子に適用することは容易でない。The oxygen sensor described in Patent Document 2 uses oxygen as a reference gas by increasing the partial pressure of oxygen introduced near the inner electrode to be higher than the partial pressure of oxygen in the atmosphere, and forms a cylindrical element. For this reason, it is necessary to make the relaxation layer porous and strong. However, making the relaxation layer porous and strong is disadvantageous in terms of miniaturizing the oxygen sensor. It is not easy to apply the formation of such a porous layer or the manufacture of a cylindrical element to, for example, a micromechanical electrical element called MEMS (MicroElectroMechanical Systems).
本発明の課題は、前述した従来技術が有する種々の欠点を解消し得る酸素センサを提供することにある。 The objective of the present invention is to provide an oxygen sensor that can eliminate the various drawbacks of the conventional technology described above.
本発明は、酸化物イオン伝導性を有する第1固体電解質膜と、該固体電解質膜の一面に配置された第1電極を備えた第1膜電極接合体と、
酸化物イオン伝導性を有する第2固体電解質膜と、該固体電解質膜の一面に配置された第2電極を備えた第2膜電極接合体とを具備し、
第1膜電極接合体における第1固体電解質膜と、第2膜電極接合体における第2固体電解質膜とが間隔を空けて対向するように、第1膜電極接合体と第2膜電極接合体とが配置されており、
第1膜電極接合体における第1固体電解質膜と、第2膜電極接合体における第2固体電解質膜との間に、両固体電解質膜に接するように、中間電極が配置されているとともに、該中間電極を囲繞するように設けた酸素が透過可能な壁部によって基準酸素濃度空間が画成されており、
測定対象雰囲気に第1電極が臨むように第1電極を配置するとともに、前記中間電極を電源の正極に接続し且つ第2電極を電源の負極に接続して、前記基準酸素濃度空間内の酸素濃度を高めた状態下におき、更に第1電極と前記中間電極との間に生じた起電力を測定することで、第1電極が臨む測定対象雰囲気中の酸素濃度を測定するように構成された酸素センサを提供するものである。
The present invention provides a first membrane electrode assembly including a first solid electrolyte membrane having oxide ion conductivity and a first electrode disposed on one surface of the solid electrolyte membrane;
a second membrane electrode assembly including a second solid electrolyte membrane having oxide ion conductivity and a second electrode disposed on one surface of the solid electrolyte membrane;
the first membrane electrode assembly and the second membrane electrode assembly are arranged such that the first solid electrolyte membrane in the first membrane electrode assembly and the second solid electrolyte membrane in the second membrane electrode assembly face each other with a gap therebetween;
an intermediate electrode is disposed between the first solid electrolyte membrane of the first membrane electrode assembly and the second solid electrolyte membrane of the second membrane electrode assembly so as to be in contact with both solid electrolyte membranes, and a reference oxygen concentration space is defined by an oxygen-permeable wall portion provided so as to surround the intermediate electrode;
The present invention provides an oxygen sensor configured to measure the oxygen concentration in the atmosphere to be measured that faces the first electrode by positioning a first electrode so that the first electrode faces the atmosphere to be measured, connecting the intermediate electrode to the positive terminal of a power source and connecting the second electrode to the negative terminal of the power source to create a state in which the oxygen concentration in the reference oxygen concentration space is increased, and measuring the electromotive force generated between the first electrode and the intermediate electrode.
また本発明は、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質膜と、該固体電解質膜の各面に配置された第1電極及び第2電極とを備えた膜電極接合体を具備し、
第2電極と対向するように電極対向部材が配置されており、
前記固体電解質膜と前記部材との間に、第2電極を囲繞するように設けた壁部によって基準酸素濃度空間が画成されており、
前記部材と、前記壁部の少なくとも一方が酸素を透過可能な材料で構成されており、
測定対象雰囲気に第1電極が臨むように第1電極を配置するとともに、第2電極を電源の正極に接続し且つ第1電極を電源の負極に接続して、前記基準酸素濃度空間内の酸素濃度を高めた状態下におき、第1電極及び第2電極の電源への接続を解除するとともに、更に第1電極と第2電極との間に生じた起電力を測定することで、第1電極が臨む測定対象雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素センサを提供するものである。
The present invention also provides a membrane electrode assembly including a solid electrolyte membrane having oxide ion conductivity, and a first electrode and a second electrode disposed on either side of the solid electrolyte membrane,
an electrode opposing member is disposed to face the second electrode;
a reference oxygen concentration space is defined between the solid electrolyte membrane and the member by a wall portion provided so as to surround a second electrode,
At least one of the member and the wall portion is made of a material that is permeable to oxygen,
The present invention provides an oxygen sensor that measures the oxygen concentration in the atmosphere to be measured that the first electrode faces by positioning a first electrode so that the first electrode faces the atmosphere to be measured, connecting a second electrode to the positive terminal of a power source and connecting the first electrode to the negative terminal of the power source to create a state in which the oxygen concentration in the reference oxygen concentration space is increased, disconnecting the first electrode and the second electrode from the power source, and further measuring the electromotive force generated between the first electrode and the second electrode.
更に本発明は、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質膜と、該固体電解質膜の一面に配置された第1電極及び第2電極、並びに該固体電解質膜の他面に配置された中間電極とを備えた膜電極接合体を具備し、
前記中間電極と対向するように電極対向部材が配置されており、
前記固体電解質膜と前記部材との間に、前記中間電極を囲繞するように設けた壁部によって基準酸素濃度空間が画成されており、
前記部材と、前記壁部の少なくとも一方が酸素を透過可能な材料で構成されており、
測定対象雰囲気に第1電極が臨むように且つ該測定対象雰囲気又は外気に第2電極が臨むように、第1電極及び第2電極を配置するとともに、前記中間電極を電源の正極に接続し、且つ第2電極を電源の負極に接続して、前記基準酸素濃度空間内の酸素濃度を高めた状態下におき、更に第1電極と前記中間電極との間に生じた起電力を測定することで、第1電極が臨む測定対象雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素センサを提供するものである。
The present invention further provides a membrane electrode assembly including a solid electrolyte membrane having oxide ion conductivity, a first electrode and a second electrode disposed on one side of the solid electrolyte membrane, and an intermediate electrode disposed on the other side of the solid electrolyte membrane,
an electrode opposing member is disposed to face the intermediate electrode,
a reference oxygen concentration space is defined between the solid electrolyte membrane and the member by a wall portion provided so as to surround the intermediate electrode,
At least one of the member and the wall portion is made of a material that is permeable to oxygen,
The present invention provides an oxygen sensor that measures the oxygen concentration in a measurement atmosphere facing the first electrode by arranging a first electrode and a second electrode so that the first electrode faces the measurement atmosphere and the second electrode faces the measurement atmosphere or the outside air, connecting the intermediate electrode to the positive terminal of a power source and the second electrode to the negative terminal of the power source to create a state in which the oxygen concentration in the reference oxygen concentration space is increased, and measuring the electromotive force generated between the first electrode and the intermediate electrode.
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図1には、本発明の酸素センサの一実施形態が示されている。同図に示す酸素センサ1は、第1膜電極接合体10と、第2膜電極接合体20とを具備している。The present invention will now be described based on preferred embodiments thereof with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of an oxygen sensor of the present invention. The
第1膜電極接合体10は、酸化物イオン伝導性を有する第1固体電解質膜100と、該固体電解質膜100の一面に配置された第1電極101とを備えている。一方、第2膜電極接合体20は、酸化物イオン伝導性を有する第2固体電解質膜200と、該固体電解質膜200の一面に配置された第2電極102とを備えている。The first
第1固体電解質膜100及び第2固体電解質膜200は、酸化物イオンの伝導性を有する限りにおいて、同種の材料であってもよく、あるいは異種の材料であってもよい。第1電極101及び第2電極102に関しては、それらが導電性を有する限りにおいて同種の材料であってもよく、あるいは異種の材料であってもよい。The first
酸素センサ1においては、第1膜電極接合体10における第1固体電解質膜100の他面(すなわち第1電極101が配置されていない面)と、第2膜電極接合体20における第2固体電解質膜200の他面(すなわち第2電極102が配置されていない面)とが間隔を空けて対向するように、第1膜電極接合体10と第2膜電極接合体20とが配置されている。図1においては、いずれも平板状である第1固体電解質膜100と第2固体電解質膜200とが一定の距離を隔てて略平行に配置されている状態が示されている。第1固体電解質膜100と第2固体電解質膜200との間隔は、本発明において臨界的ではなく、酸素センサ1の大きさや使用場面等に応じて適切な値に設定すればよい。一般的には第1固体電解質膜100と第2固体電解質膜200との間隔を0.05mm以上10mm以下に設定すれば、酸素ガスの濃度を高精度に測定可能である。In the
第1膜電極接合体10における第1固体電解質膜100の他面と、第2膜電極接合体20における第2固体電解質膜200の他面との間には、両固体電解質膜100,200のいずれにも接するように、中間電極120が配置されている。中間電極120は、導電性を有する限りにおいて、先に述べた第1電極101及び第2電極102と同種の材料であってもよく、あるいは異種の材料であってもよい。An
酸素センサ1においては、第1膜電極接合体10における第1固体電解質膜100と、第2膜電極接合体20における第2固体電解質膜200との間に、酸素が透過可能な環状壁部30が設けられている。環状壁部30は、壁部の内外を酸素ガスの流通が可能な構造になっている。環状壁部30は、中間電極120を囲繞するように設けられている。その結果、酸素センサ1においては、環状壁部30によって、第1固体電解質膜100と第2固体電解質膜200との間に、基準酸素濃度空間Sが画成されている。図1においては、環状壁部30と、第1固体電解質膜100と、第2固体電解質膜200と、中間電極120とによって基準酸素濃度空間Sが画成されている。基準酸素濃度空間Sは、酸素が透過可能な材料、例えば多孔質材料からなる環状壁部30を通じて外界と通じている。In the
基準酸素濃度空間Sの体積は、本発明において臨界的ではなく、酸素センサ1の大きさや使用場面等に応じて適切な値に設定すればよい。一般的には基準酸素濃度空間Sの体積を0.01mm3以上1000mm3以下に設定すれば、酸素ガスの濃度を高精度に測定可能である。なお、中間電極120が多孔質材料等からなり空隙を有する場合は、当該空隙を基準酸素濃度空間Sとすることもできる。したがって中間電極120と環状壁部30の間に完全な空間を設けることを要さない。
The volume of the reference oxygen concentration space S is not critical in the present invention, and may be set to an appropriate value depending on the size of the
環状壁部30は、環状である限り、横断面の形状に特に制限はない。例えば横断面が円形や矩形である筒型の環状壁部を用いることができる。どのような形状の環状壁部30を用いるかは、各固体電解質膜100,200の形状や、酸素センサ1の大きさ等に応じて適切に選択すればよい。There are no particular limitations on the cross-sectional shape of the
酸素センサ1においては、第1固体電解質膜100とその各面に配置された第1電極101及び中間電極120とが第1単セルを構成している。同様に、第2固体電解質膜200とその各面に配置された第2電極102及び中間電極120とが第2単セルを構成している。中間電極120は、第1単セルの電極と、第2単セルの電極とを兼ねている。第1単セルは濃淡電池として作用するものである。一方、第2単セルは酸素ポンプとして作用するものである。詳細には図1に示すとおり、第1単セルにおける第1電極101と中間電極120との間に電圧計60が接続され、濃淡電池の両電極間に生じる起電力が測定できるようになっている。第2単セルにおいては、第2電極102と中間電極120との間に直流電源40が接続されて、両電極間に電圧が印加されるようになっている。この場合、中間電極120が直流電源40の正極に接続され、第2電極102が直流電源40の負極に接続される。In the
以上の構成を有する酸素センサ1によって被検ガス中の酸素濃度を測定する方法は次に述べるとおりである。先ず、測定対象雰囲気に第1電極101が臨み且つ第2電極102が外気(一般には大気)に臨むようにこれらの電極を配置する。この状態下に、酸素センサ1の全体を加熱して、第1及び第2固体電解質膜100,200に酸化物イオン伝導性が発現するようにする。加熱温度は、第1及び第2固体電解質膜100,200の構成材料によって異なるが、例えば後述する材料から第1及び第2固体電解質膜100,200を構成した場合には、約600℃未満でも実用可能な酸化物イオン伝導性が発現する。加熱温度は200℃以上が好ましく、中でも300℃以上、その中でも400℃以上であることが好ましい。酸素センサ1の全体を加熱して、第1及び第2固体電解質膜100,200を上記温度以上に到達させることにより、十分な測定精度を得ることができる。なお、この温度は設定温度ではなく、第1及び第2固体電解質膜100,200の実際の温度のことである。The method of measuring the oxygen concentration in the test gas using the
第1及び第2固体電解質膜100,200に酸化物イオン伝導性が発現したら、中間電極120を直流電源40の正極に接続し且つ第2電極102を直流電源40の負極に接続する。これによって、第2単セルの酸素ポンプ作用が発現し、外気に含まれる酸素ガスが還元されて酸化物イオンとなる。該酸化物イオンは第2固体電解質膜200中を移動して中間電極120に達する。中間電極120に達した酸化物イオンは電子を放出して酸素ガスに変化する。このようにして生じた酸素ガスは、基準酸素濃度空間S内に蓄積される。尤も、基準酸素濃度空間Sはその一部が、酸素が透過可能な材料からなる環状壁部30によって画成されており、基準酸素濃度空間Sは外部と連通しているので、基準酸素濃度空間S内の圧力が過度に上昇することはない。その結果、基準酸素濃度空間S内は、ある圧力を維持したまま、酸素ガスの分圧が高い状態となる。この状態の酸素濃度のことを基準酸素濃度という。基準酸素濃度は酸素100vol%とすることが、高精度な測定を行い得る点から好ましい。空間S内の酸素濃度が100vol%であるか否かは、例えば、通常の大気中の酸素濃度20.9%など、既知の被検ガス濃度雰囲気下において、電極間の起電力を計測することによって判断することができる。When the oxide ion conductivity is manifested in the first and second
空間S内が基準酸素濃度に達したら、第1単セルにおける第1電極101と中間電極120との間に生じる起電力を電圧計60によって測定する。測定の間、第2単セルにおける第2電極102と中間電極120との間には直流電圧を印加し続けておき、基準酸素濃度空間S内の酸素濃度を、ある一定の高い状態に維持する。測定された起電力に基づき測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を以下に示すネルンストの式から算出する。
E=(RT/4F)ln(PO2
A/PO2
B)
式中、Eは、第1電極101と中間電極120との間に生じる起電力(V)を表し、Rは気体定数を表し、Tは絶対温度(K)を表し、Fはファラデー定数を表し、PO2
Aは測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を表し、PO2
Bは基準酸素濃度空間S内の酸素ガスの濃度を表す。前記の式において、E、R、T、F及びPO2
Bは既知であることから、PO2
A、すなわち測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を算出することができる。
When the reference oxygen concentration is reached in space S, the electromotive force generated between
E=(RT/4F)ln(P O2 A /P O2 B )
In the formula, E represents the electromotive force (V) generated between the
酸素センサ1において、第2単セルを酸素ポンプとして用い、基準酸素濃度空間Sを高濃度にする利点を、図2を参照しながら説明する。同図は、本実施形態の酸素センサ1について、ネルンストの式に従い酸素ガス濃度と起電力との関係を描いたグラフである。同図中、直線A及びBは、T=600℃、基準酸素濃度を0.010vol%及び0.020vol%に設定したときのシミュレーション結果である。直線AとBとの対比から明らかなとおり、基準酸素濃度が0.010vol%という僅かな値しか異ならない場合であっても、起電力は十数mVも異なり、そのことに起因して、算出される酸素ガスの濃度も大きく異なってしまう。このこととは対照的に、直線CないしEは、T=600℃、基準酸素濃度を80vol%、90vol%及び100vol%に設定したときのシミュレーション結果である。直線CないしEの対比から明らかなとおり、基準酸素濃度が最大で20vol%も相違する場合であっても、起電力にはほとんど相違がないことが理解される。このことに起因して、算出される酸素ガスの濃度もほとんど相違しない。このように本発明によれば、基準酸素濃度を高くした状態で酸素ガスの濃度を測定することで、測定精度を高めることができるという有利な効果が奏される。
The advantage of using the second single cell as an oxygen pump in the
特に、図2から明らかなとおり、本実施形態の酸素センサ1によれば、測定に誤差が生じやすい濃度領域である、被検ガス中の酸素ガスの濃度が低い領域ほど起電力の絶対値が大きくなるので、酸素ガスの濃度が低くても測定に誤差が生じにくいという利点もある。In particular, as is clear from Figure 2, with the
しかも本実施形態の酸素センサ1は、濃淡電池の参照ガスとして、従来と異なり大気を使用しないので、大気中に含まれる不純物の影響を一層受けづらい。このことによっても、酸素ガスの濃度を高精度で測定できる。Moreover, unlike conventional oxygen sensors, the
以上の利点を一層顕著なものとする観点から、基準酸素濃度空間Sの酸素ガスの濃度を好ましくは60vol%以上100vol%以下、更に好ましくは80vol%以上100vol%以下、一層好ましくは90vol%以上100vol%以下に設定した状態下に酸素ガスの濃度を測定することが有利である。基準酸素濃度空間Sの酸素ガスの濃度は、例えば、通常大気中の酸素濃度20.9%など、既知の被検ガス濃度雰囲気下において、電極間の起電力を計測することによって測定される。In order to make the above advantages even more pronounced, it is advantageous to measure the oxygen gas concentration in the reference oxygen concentration space S under conditions in which the oxygen gas concentration is set to preferably 60 vol% or more and 100 vol% or less, more preferably 80 vol% or more and 100 vol% or less, and even more preferably 90 vol% or more and 100 vol% or less. The oxygen gas concentration in the reference oxygen concentration space S is measured by measuring the electromotive force between the electrodes in an atmosphere of a known test gas concentration, such as an oxygen concentration of 20.9% in normal air.
基準酸素濃度空間Sの酸素ガスの濃度を前記の範囲に設定するには、例えば直流電源の電圧を好ましくは0.05V以上3V以下に設定したり、基準酸素濃度空間Sの体積を0.01mm3以上800mm3以下に設定したり、環状壁部30を通じて透過する酸素の量を減らしたりすればよい。
In order to set the concentration of oxygen gas in the reference oxygen concentration space S within the above range, for example, the voltage of the DC power supply may be set preferably to 0.05 V or more and 3 V or less, the volume of the reference oxygen concentration space S may be set to 0.01 mm3 or more and 800 mm3 or less, or the amount of oxygen permeating through the
基準酸素濃度空間Sの酸素ガスの濃度に加えて、基準酸素濃度空間Sの圧力を特定の範囲に維持することが、安定した測定を行い得る点から有利である。この観点から、基準酸素濃度空間Sの圧力(Pa)を、測定対象雰囲気中の気圧(Pa)に比して(つまり、基準酸素濃度空間Sの圧力(Pa)/測定対象雰囲気中の気圧(Pa)の値を)、好ましくは1.0以上3.0以下、更に好ましくは1.0以上2.0以下、一層好ましくは1.0以上1.5以下に設定した状態下に酸素ガスの濃度を測定することが有利である。In addition to the concentration of oxygen gas in the reference oxygen concentration space S, it is advantageous to maintain the pressure of the reference oxygen concentration space S within a specific range in order to perform stable measurements. From this perspective, it is advantageous to measure the concentration of oxygen gas under conditions in which the pressure (Pa) of the reference oxygen concentration space S is set to a value, preferably 1.0 to 3.0, more preferably 1.0 to 2.0, and even more preferably 1.0 to 1.5, relative to the atmospheric pressure (Pa) in the atmosphere to be measured (i.e., the value of the pressure (Pa) of the reference oxygen concentration space S/the atmospheric pressure (Pa) in the atmosphere to be measured).
基準酸素濃度空間Sの圧力を前記の範囲に設定するには、例えば直流電源の電圧を好ましくは1.0V以上3.0V以下に設定したり、基準酸素濃度空間Sの体積を0.01mm3以上1000mm3以下に設定したり、環状壁部30を通じて透過する酸素の量を調整したりすればよい。これら基準酸素濃度空間Sの酸素ガス濃度、及び圧力の調整方法は、後述する酸素センサの別の実施形態にも適応することができる。
In order to set the pressure of the reference oxygen concentration space S within the above range, for example, the voltage of the DC power supply may be set preferably to 1.0 V or more and 3.0 V or less, the volume of the reference oxygen concentration space S may be set to 0.01 mm3 or more and 1000 mm3 or less , or the amount of oxygen permeating through the
図3には、図1に示す酸素センサの別の実施形態が示されている。図3に示す酸素センサ1は、図1に示す酸素センサが備えていた中間電極120が、第1固体電解質膜100にのみ接している第3電極103と、第2固体電解質膜200にのみ接している第4電極104に分かれており互いに独立している点が、図1に示す酸素センサ1と相違している。電極を独立させることにより、電極の劣化が起きにくくなるため、センサ寿命の向上が期待できる。
Figure 3 shows another embodiment of the oxygen sensor shown in Figure 1. The
図3に示す酸素センサ1における第1膜電極接合体10は、第1固体電解質膜100と、該固体電解質膜100の各面に配置された第1電極101及び第3電極103とを備えている。一方、第2膜電極接合体20は、第2固体電解質膜200と、該固体電解質膜200の各面に配置された第2電極102及び第4電極104とを備えている。第1電極101ないし第4電極104は、それらが導電性を有する限りにおいて同種の材料であってもよく、あるいは異種の材料であってもよい。3, the first
酸素センサ1においては、第1膜電極接合体10における第3電極103と、第2膜電極接合体20における第4電極104とが間隔を空けて対向するように、第1膜電極接合体10と第2膜電極接合体20とが配置されている。図1においては、いずれも平板状である第3電極103と第4電極104とが一定の距離を隔てて略平行に配置されている状態が示されている。第3電極103と第4電極104との間隔は、本発明において臨界的ではなく、酸素センサ1の大きさや使用場面等に応じて適切な値に設定すればよい。一般的には第3電極103と第4電極104との間隔を0.05mm以上10mm以下に設定すれば、酸素ガスの濃度を高精度に測定可能である。In the
図3に示す酸素センサ1においては、環状壁部30は、第3電極103及び第4電極104を囲繞するように設けられている。その結果、酸素センサ1においては、環状壁部30によって、第1固体電解質膜100と第2固体電解質膜200との間に、基準酸素濃度空間Sが画成されている。図3においては、環状壁部30と、第1固体電解質膜100と、第2固体電解質膜200と、第3電極103と、第4電極104とによって基準酸素濃度空間Sが画成されている。基準酸素濃度空間Sは、酸素ガスが透過可能な材料からなる環状壁部30を通じて外界と通じている。In the
図3に示す酸素センサ1においては、第1膜電極接合体10が単セルを構成している。同様に、第2膜電極接合体20も単セルを構成している。第1膜電極接合体10は濃淡電池として作用するものである。一方、第2膜電極接合体20は酸素ポンプとして作用するものである。詳細には図3に示すとおり、第1膜電極接合体10における第1電極101と第3電極103との間に電圧計60が接続され、濃淡電池の両電極間に生じる起電力が測定できるようになっている。第2膜電極接合体20においては、第2電極102と第4電極104との間に直流電源40が接続されて、両電極間に電圧が印加されるようになっている。この場合、第4電極104が直流電源40の正極に接続され、第2電極102が直流電源40の負極に接続される。In the
図3に示す酸素センサ1によって被検ガス中の酸素濃度を測定する方法は次に述べるとおりである。先ず、測定対象雰囲気に第1電極101が臨み且つ第2電極102が外気(一般には大気)に臨むようにこれらの電極を配置する。この状態下に、酸素センサ1の全体を加熱して、第1及び第2固体電解質膜100,200に酸化物イオン伝導性が発現するようにする。次いで第4電極104を直流電源40の正極に接続し且つ第2電極102を直流電源40の負極に接続する。これによって、第2膜電極接合体20の酸素ポンプ作用が発現し、外気に含まれる酸素ガスが還元されて酸化物イオンとなる。該酸化物イオンは第2固体電解質膜200中を移動して第4電極104に達して酸素ガスに変化する。このようにして生じた酸素ガスは、基準酸素濃度空間S内に蓄積される。その結果、基準酸素濃度空間S内は、ある圧力を維持したまま、酸素ガスの分圧が高い状態となる。The method of measuring the oxygen concentration in a test gas using the
空間S内が基準酸素濃度に達したら、第1膜電極接合体10における第1電極101と第3電極103との間に生じる起電力を電圧計60によって測定し、上述したネルンストの式に従い測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を算出する。When the reference oxygen concentration is reached in space S, the electromotive force generated between the
図4には、図1に示す酸素センサの更に別の実施形態が示されている。図4に示す酸素センサ1は、図1に示す酸素センサと同様に、第1膜電極接合体10及び第2膜電極接合体20を具備している。第1膜電極接合体10は、第1固体電解質膜100と、該固体電解質膜100の一面に配置された第1電極101を備えている。第2膜電極接合体20は、第2固体電解質膜200と、該固体電解質膜200の一面に配置された第2電極102を備えている。
Figure 4 shows yet another embodiment of the oxygen sensor shown in Figure 1. The
本実施形態の酸素センサは、第1膜電極接合体10及び第2膜電極接合体20の配置の仕方が、図1に示す実施形態と相違している。詳細には、第1固体電解質膜100の2つの面のうち、第1電極101が配置された面と、第2固体電解質膜200の2つの面のうち、第2電極102が配置された面とが間隔を空けて対向するように、第1膜電極接合体10と第2膜電極接合体20とが配置されている。そして、中間電極120は、第1固体電解質膜100における第1電極101が配置された面、及び第2固体電解質膜200における第2電極102が配置された面の双方に接するように配置されている。しかし、第1電極101は第2固体電解質膜200に接しておらず、且つ第2電極102は第1固体電解質膜100に接していない。したがって、第1固体電解質膜100に関しては、該第1固体電解質膜100の同一面に第1電極101と中間電極120が配置されており、第2固体電解質膜200に関しては、該第2固体電解質膜200の同一面に第2電極102と中間電極120が配置されている。なお、図4においては、酸素センサ1の厚み方向、すなわち同図における紙面の上下方向に沿って見たときに第1電極101と第2電極102とが重なるように配置されていないが、これに代えて両電極101,102が重なるように配置されていてもよい。In the oxygen sensor of this embodiment, the first
図4に示す酸素センサ1においては、第1固体電解質膜100並びに第1電極101及び中間電極120が第1単セルを構成している。また、第2固体電解質膜200並びに第2電極102及び中間電極120が第2単セルを構成している。第1単セルは濃淡電池として作用するものである。一方、第2単セルは酸素ポンプとして作用するものである。詳細には図4に示すとおり、第1単セルにおける第1電極101と中間電極120との間に電圧計60が接続され、濃淡電池の両電極間に生じる起電力が測定できるようになっている。第2単セルにおいては、第2電極102と中間電極120との間に直流電源40が接続されて、両電極間に電圧が印加されるようになっている。この場合、中間電極120が直流電源40の正極に接続され、第2電極102が直流電源40の負極に接続される。In the
図4に示す酸素センサ1によって被検ガス中の酸素濃度を測定する方法は次に述べるとおりである。先ず、測定対象雰囲気に第1電極101が臨むように且つ該測定対象雰囲気又は外気(一般には大気)に第2電極102が臨むようにこれらの電極を配置する。この状態下に、酸素センサ1の全体を加熱して、第1及び第2固体電解質膜100,200に酸化物イオン伝導性が発現するようにする。次いで中間電極120を直流電源40の正極に接続し且つ第2電極102を直流電源40の負極に接続する。これによって、第2単セルの酸素ポンプ作用が発現し、酸素ガスが基準酸素濃度空間S内に蓄積される。空間S内が基準酸素濃度に達したら、第1電極101と中間電極120との間に生じる起電力を電圧計60によって測定し、上述したネルンストの式に従い測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を算出する。The method of measuring the oxygen concentration in the test gas using the
本実施形態の酸素センサ1によっても基準酸素濃度を高くした状態で、測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を測定するので、測定精度を高めることができるという有利な効果が奏される。しかも本実施形態の酸素センサ1によれば、第1固体電解質膜100の同一面上に第1電極101と中間電極120とを配置し、また第2固体電解質膜200の同一面上に第2電極102と中間電極120とを配置することから、酸素センサ1の製造工程を簡略化できるという利点もある。The
図1、図3及び図4に示す酸素センサ1において、第1固体電解質膜100及び第2固体電解質膜200としては、酸化物イオン伝導性を有する材料を特に制限なく用いることができる。例えば第1固体電解質膜100及び第2固体電解質膜200の少なくとも一つが、A、M及びO(Aは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。Mは、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Y、Zr、Ta、Nb、B、Si、Ge、Zn、Sn、W及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。)を含む化合物からなることが好ましい。特に、第1固体電解質膜100がA、M及びOを含む化合物からなる場合には、酸化物イオンの輸率を高くすることができ、安定な起電力が得られる点から好ましい。In the
また、第1固体電解質膜100及び第2固体電解質膜200の少なくとも一つが一般式:A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+z(式中のAは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。式中のTは、Si若しくはGe又はその両方を含む元素である。式中のMは、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Y、Zr、Ta、Nb、B、Ge、Zn、Sn、W及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。)で表され、式中のxは-1.33以上1.50以下の数であり、式中のyは0.00以上3.00以下の数であり、式中のzは-5.00以上5.20以下の数であり、Tのモル数に対するAのモル数の比率が1.33以上3.61以下である複合酸化物を含む化合物からなることも好ましい。特に、酸素ポンプとして作用する第2膜電極接合体20に用いられる第2固体電解質膜200が、一般式:A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+zで表される複合酸化物を含む化合物からなる場合には、一層低温で酸素ポンプ作用が顕著に奏されるので好ましい。
At least one of the first
前記一般式:A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+zで表される化合物は、配向性アパタイト型酸化物イオン伝導体であり、ロットゲーリング法で測定した配向度が0.6以上であることが、酸化物イオン伝導度を高める観点から好ましい。 The compound represented by the general formula A9.33 +x [ T6.00-yMy ] O26.0+z is an oriented apatite-type oxide ion conductor, and from the viewpoint of increasing the oxide ion conductivity, it is preferable that the degree of orientation measured by the Lotgering method is 0.6 or more.
第1固体電解質膜100及び第2固体電解質膜200の厚みは、本発明において臨界的ではなく、酸素センサ1の使用に耐え得る強度を有すればよい。これらの電解質膜の厚みは一般に0.1μm以上1.0mm以下とすることができる。これらの電解質膜の厚みは同一でもよく、あるいは異なっていてもよい。The thickness of the first
第1電極101ないし第4電極104及び中間電極120に関しては、これらが金属材料から構成されていてもよいが、これらのうちの少なくとも一つが導電性の酸化物からなることが、酸化物イオンの導電性の向上の点から好ましい。特に、酸化物がMNO3(Mは、Ca、Sr、Ba、La、Pr及びYからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。Nは、Ni、Ti、V、Zr、Cr、Mn、Fe、Co、Mo、Ru、Pd及びReからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。)で表されるペロブスカイト型構造を有することが、固体電解質膜と電極との間での酸化物イオン伝導性を一層高める観点から好ましい。固体電解質膜と電極との間に、SmがドープされたCeO2などの中間層を設けてもよい。
The
第1電極101ないし第4電極104及び中間電極120電極の平面形状としては、円形、多角形等、様々な形状を採用することができる。また、必要に応じて公知の手法で表面積を増加させる加工を施してもよい。例えば電極の表面に凹凸を付ける等して表面積を増加させることができる。この加工によって酸素の移動を更に促進することができる。The planar shapes of the
固体電解質膜の厚みと同様に、第1電極101ないし第4電極104及び中間電極120の厚みは本発明において臨界的ではなく、酸素センサ1の使用に耐え得る強度を有すればよい。これらの電極の厚みは一般に0.01μm以上100μm以下とすることができる。これらの電極の厚みは同一でもよく、あるいは異なっていてもよい。Like the thickness of the solid electrolyte membrane, the thickness of the
酸素が透過可能な環状壁部30は、酸素センサ1の動作温度において安定な材料、例えばセラミックス材料から構成することができる。セラミックス材料としては、例えばアルミナ、ジルコニア、シリカ、ゼオライトなどを用いることができる。酸素センサ1に環状壁部30を組み込むには、例えば環状壁部30の上端面及び下端面に接着剤を塗布したのち、該環状壁部30を第1膜電極接合体10及び第2膜電極接合体20に接合すればよい。接着剤としては、例えばジルコニア系接着剤を用いることができる。The
次に本発明の酸素センサの別の実施形態を、図5ないし図8を参照しながら説明する。これらの実施形態については、先に述べた図1ないし図4に示す実施形態と異なる点について説明し、特に説明しない点については図1ないし図4に示す実施形態に関する説明が適宜適用される。また図5ないし図8において、図1ないし図4と同じ部材には同じ符号を付してある。Next, other embodiments of the oxygen sensor of the present invention will be described with reference to Figures 5 to 8. Regarding these embodiments, differences from the embodiment shown in Figures 1 to 4 described above will be described, and the description of the embodiment shown in Figures 1 to 4 will be applied as appropriate to points not specifically described. Also, in Figures 5 to 8, the same reference numerals are used for the same members as in Figures 1 to 4.
図5に示す酸素センサ1aは、膜電極接合体10aを具備している。この膜電極接合体10aは、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質膜100aと、該固体電解質膜100aの各面に配置された第1電極101a及び第2電極102aとを備えている。膜電極接合体10aは、スイッチ70の切り替えに応じて濃淡電池としても作用し、また酸素ポンプとしても作用する。The
固体電解質膜100aとしては、図1及び図3に示す実施形態の酸素センサ1における第1固体電解質膜100又は第2固体電解質膜200を構成する材料と同様のものを用いることができる。第1電極101a及び第2電極102aに関しては、図1及び図3に示す実施形態の酸素センサ1における第1電極101ないし第4電極104及び中間電極120を構成する材料と同様のものを用いることができる。また、第1電極101aを構成する材料と、第2電極102aを構成する材料とは、同一であってもよく、あるいは異なっていてもよい。As the
酸素センサ1aにおいては、第2電極102aと対向するように電極対向部材50が配置されている。図5においては、電極対向部材50は平板状の部材として表されている。また図5においては、電極対向部材50と第2電極102aとが隙間なく密着している状態が示されているが、これに限られず、電極対向部材50と第2電極102aとが間隔を空けて配置されていてもよい。In the
固体電解質膜100aと電極対向部材50との間には環状壁部31が設けられている。環状壁部31は第2電極102aを囲繞するように設けられている。その結果、酸素センサ1aにおいては、環状壁部31よって、固体電解質膜100aと電極対向部材50との間に、基準酸素濃度空間Sが画成されている。図5においては、環状壁部31と、固体電解質膜100aと、電極対向部材50と、第2電極102aとによって基準酸素濃度空間Sが画成されている。An
電極対向部材50及び環状壁部31は、それらのうちの少なくとも一方が酸素を透過可能な材料で構成されている。そのような材料としては、例えば多孔質材料を用いることができる。したがって基準酸素濃度空間Sは、電極対向部材50及び環状壁部31のうちの少なくとも一方を介して外部と通じている。酸素センサ1aを小型化するときの製造のしやすさの観点からは、環状壁部31のみが酸素を透過可能な材料で構成されていることが好ましい。At least one of the
図1、図3及び図4に示す実施形態の環状壁部30と異なり、本実施形態の酸素センサ1aにおける環状壁部31は、上述のとおり必ずしも酸素が透過可能であることを要さない。環状壁部31は、酸素センサ1aの使用温度に耐え得る材料であればよい。1, 3 and 4, the
以上の構成を有する酸素センサ1aによって被検ガス中の酸素濃度を測定する方法は次に述べるとおりである。先ず、測定対象雰囲気に第1電極101aが臨み且つ電極対向部材50が外気(一般には大気)に臨むようにこれらの部材を配置する。この状態下に、酸素センサ1aの全体を加熱して、固体電解質膜100aに酸化物イオン伝導性が発現するようにする。加熱温度は、図1、図3及び図4に示す実施形態と同様とすることができる。The method for measuring the oxygen concentration in a test gas using the
固体電解質膜100aに酸化物イオン伝導性が発現したら、第2電極102aを直流電源40の正極に接続し且つ第1電極101aを直流電源40の負極に接続する。これによって、酸素ポンプ作用が発現し、測定対象雰囲気に含まれる酸素ガスが還元されて酸化物イオンとなる。該酸化物イオンは固体電解質膜100a中を移動して第2電極102aに達する。第2電極102aに達した酸化物イオンは電子を放出して酸素ガスに変化する。このようにして生じた酸素ガスは、基準酸素濃度空間S内に蓄積される。尤も、基準酸素濃度空間Sはその一部が、酸素が透過可能な材料によって画成されており、基準酸素濃度空間Sは外部と連通しているので、基準酸素濃度空間S内の圧力が過度に上昇することはない。その結果、基準酸素濃度空間S内は、ある圧力を維持したまま、酸素ガスの分圧が高い状態である基準酸素濃度となる。基準酸素濃度は酸素100vol%とすることが、高精度な測定を行い得る点から好ましい。空間S内の酸素濃度が100vol%であるか否かの判断は、上述したとおりである。When oxide ion conductivity is manifested in the
基準酸素濃度空間S内の酸素濃度が高まり、該空間S内が基準酸素濃度に達したら、その状態下に、スイッチ70によって、第1電極101a及び第2電極102aの直流電源40への接続を解除する。これとともに、第1電極101aと第2電極102aとの間に生じる起電力を電圧計60によって測定する。その後は、図1に示す実施形態と同様の手順によって、ネルンストの式に従い、第1電極101aが臨む測定対象雰囲気中の酸素濃度を算出する。When the oxygen concentration in the reference oxygen concentration space S increases and reaches the reference oxygen concentration in the space S, the
本実施形態によっても、基準酸素濃度を高くした状態で、測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を測定するので、測定精度を高めることができるという有利な効果が奏される。しかも本実施形態の酸素センサ1aは、先に述べた特許文献2に記載のものと異なり、高濃度の酸素ガスを基準酸素濃度空間S内に存在させればよいので、電極対向部材50を高強度にする必要がない。
This embodiment also measures the concentration of oxygen gas in the measurement target atmosphere with a high reference oxygen concentration, which has the advantageous effect of improving measurement accuracy. Moreover, unlike the
図6には、酸素センサ1aを用いて第1電極101aと第2電極102aとの間の電圧を測定した結果の一例が示されている。同図に示すとおり、スイッチ70をオンにして、第1電極101aと第2電極102aとの間に直流電源40の電圧を印加すると、両電極間には、直流電源40の電圧であるE1が観察される。電圧E1を印加している間は、酸素ポンプ作用によって、基準酸素濃度空間S内に酸素ガスが蓄積され、酸素ガスの濃度が高まっていく。この間は、酸素センサ1aは、測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を測定していない。
6 shows an example of the result of measuring the voltage between the
基準酸素濃度空間S内に酸素ガスが十分に蓄積され、酸素ガスの濃度が十分に高まったら、スイッチ70をオフにする。この時点から酸素センサ1aによる測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度の測定が開始される。このときの第1電極101aと第2電極102aとの間の電圧、つまり濃淡電池の原理によって生じる起電力は図6に示すとおり、E1よりも低下し、測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度に対応した値を示す。図6に示す起電力は、測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度が一定である場合の例である。酸素センサ1aによる酸素ガスの濃度の測定継続時間、すなわちスイッチ70がオフになっている間の時間は、基準酸素濃度空間S内の酸素ガスの濃度変化に依存する。詳細には、基準酸素濃度空間S内の酸素ガスの濃度が一定である限りは精度の高い測定を継続できる。基準酸素濃度空間S内の酸素ガスの濃度が減少してきたら(酸素ガスは電極対向部材50及び環状壁部31の少なくとも一方を通じて外部に散逸する。)、図6に示すとおりスイッチ70を再びオンにして、基準酸素濃度空間S内に酸素ガスを蓄積させる。その後は、上述の手順によって、測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を測定する。
When oxygen gas is sufficiently accumulated in the reference oxygen concentration space S and the concentration of oxygen gas is sufficiently increased, the
このように、本実施形態の酸素センサ1aは、第1電極101aと第2電極102aとの間に電圧をパルス的に印加することで、基準酸素濃度空間S内への酸素の供給と、起電力の測定とを交互に行っている。スイッチ70の切り替えによって、濃淡電池と酸素ポンプ作用を適宜使い分けることで、センサの省電力化を達成することができるので、本実施形態の酸素センサ1aは、これをポータブル機器へ適用するのに好適である。In this way, the
酸素センサ1aの寸法や、電極対向部材50の多孔質の程度にもよるが、スイッチ70をオンにしている時間は、0.5秒以上10秒以下であることが好ましい。一方、スイッチ70をオフにして、測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を測定し得る持続時間は、一般に3秒以上200秒以下である。Although it depends on the dimensions of the
図7に示す酸素センサ1bは、膜電極接合体10bを具備している。この膜電極接合体10bは、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質膜100bと、該固体電解質膜100bの一面に配置された第1電極101b及び第2電極102b並びに該固体電解質膜100bの他面に配置された中間電極120bとを備えている。膜電極接合体10bは、その一つの構造中に、濃淡電池と酸素ポンプとを具備している。
The
固体電解質膜100bとしては、図1及び図3に示す実施形態の酸素センサ1における第1固体電解質膜100又は第2固体電解質膜200を構成する材料と同様のものを用いることができる。第1電極101b及び第2電極102b並びに中間電極120bに関しては、図1及び図3に示す実施形態の酸素センサ1における第1電極101ないし第4電極104及び中間電極120を構成する材料と同様のものを用いることができる。また、第1電極101b、第2電極102b及び中間電極120bを構成する材料は、同一であってもよく、あるいは異なっていてもよい。As the
酸素センサ1bにおいては、中間電極120bと対向するように電極対向部材50が配置されている。図7においては、電極対向部材50は平板状の部材として表されている。また図7においては、電極対向部材50と中間電極120bとが隙間なく密着している状態が示されているが、これに限られず、電極対向部材50と中間電極120bとが間隔を空けて配置されていてもよい。In the
固体電解質膜100bと電極対向部材50との間には環状壁部31が設けられている。環状壁部31は中間電極120bを囲繞するように設けられている。その結果、酸素センサ1bにおいては、環状壁部31よって、固体電解質膜100bと電極対向部材50との間に、基準酸素濃度空間Sが画成されている。図7においては、環状壁部31と、固体電解質膜100bと、電極対向部材50と、中間電極120とによって基準酸素濃度空間Sが画成されている。
Between the
以上の構成を有する酸素センサ1bによって被検ガス中の酸素濃度を測定する方法は次に述べるとおりである。先ず、測定対象雰囲気に第1電極101b及び第2電極102bが臨み且つ電極対向部材50が外気(一般には大気)に臨むようにこれらの部材を配置する。この状態下に、酸素センサ1bの全体を加熱して、固体電解質膜100bに酸化物イオン伝導性が発現するようにする。別の方法として、第1電極101bが測定対象雰囲気に臨み、且つ第2電極102b及び電極対向部材50が外気(一般には大気)に臨むようにこれらの部材を配置してもよい。The method of measuring the oxygen concentration in the test gas using the
次に、中間電極120bを直流電源40の正極に接続し且つ第2電極102bを直流電源40の負極に接続する。これによって、酸素ポンプ作用が発現し、酸素ガスが基準酸素濃度空間S内に蓄積される。基準酸素濃度空間S内は、ある圧力を維持したまま、酸素ガスの分圧が高い状態である基準酸素濃度となる。この状態下に、第1電極101bと中間電極120bとの間に生じる起電力を電圧計60によって測定する。その後は、図1に示す実施形態と同様の手順によって、ネルンストの式に従い、第1電極101bが臨む測定対象雰囲気中の酸素濃度を算出する。Next, the
本実施形態によっても、基準酸素濃度を高くした状態で、測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を測定するので、測定精度を高めることができるという有利な効果が奏される。しかも本実施形態の酸素センサ1bは、測定精度の向上や酸素ポンピング時間を短縮できるという利点がある。
This embodiment also has the advantageous effect of improving measurement accuracy by measuring the concentration of oxygen gas in the measurement target atmosphere with a high reference oxygen concentration. Moreover, the
図8には、図7に示す酸素センサの別の実施形態が示されている。図8に示す酸素センサ1bは、図7に示す酸素センサが備えていた中間電極120bが、第3電極103bと第4電極104bに分割されており互いに独立している点が、図7に示す酸素センサ1と相違している。第3電極103b及び第4電極104bを構成する材料は、同一であってもよく、あるいは異なっていてもよい。第3電極103b及び第4電極104bは、環状壁部31によって囲繞されている。その結果、酸素センサ1bにおいては図8に示すとおり、環状壁部31と、固体電解質膜100bと、電極対向部材50と、第3電極103bと、第4電極104bとによって基準酸素濃度空間Sが画成されている。
Figure 8 shows another embodiment of the oxygen sensor shown in Figure 7. The
以上の構成を有する酸素センサ1bによって被検ガス中の酸素濃度を測定する方法は次に述べるとおりである。先ず、測定対象雰囲気に第1電極101b及び第2電極102bが臨み且つ電極対向部材50が外気に臨むようにこれらの部材を配置する。この状態下に、酸素センサ1bの全体を加熱して、固体電解質膜100bに酸化物イオン伝導性が発現するようにする。The method for measuring the oxygen concentration in a test gas using the
次に、第4電極104bを直流電源40の正極に接続し且つ第2電極102bを直流電源40の負極に接続する。これによって、酸素ポンプ作用が発現し、酸素ガスが基準酸素濃度空間S内に蓄積される。この状態下に、第1電極101bと第3電極103bとの間に生じる起電力を電圧計60によって測定する。その後は、図1に示す実施形態と同様の手順によって、ネルンストの式に従い、第1電極101bが臨む測定対象雰囲気中の酸素濃度を算出する。本実施形態によっても、基準酸素濃度を高くした状態で、測定対象雰囲気中の酸素ガスの濃度を測定するので、測定精度を高めることができるという有利な効果が奏される。Next, the
上述の各実施形態の酸素センサ1,1a,1bは、その構造に起因して小型化、微小化が可能となり、大幅な消費電力の低減が可能となる。したがって酸素センサ1,1a,1bを、微小機械電気素子(MEMS)に具備させることが可能である。これによって、該酸素センサを例えばパーソナルコンピュータや携帯端末などのモバイル機器に搭載することで微小な空間における酸素ガスの濃度測定が可能となる。The
本発明によれば、被検ガス中の酸素濃度を高精度に測定することが可能な酸素センサが提供される。また本発明によれば、小型化が可能な酸素センサが提供される。According to the present invention, an oxygen sensor capable of measuring the oxygen concentration in a test gas with high accuracy is provided. Also, according to the present invention, an oxygen sensor capable of being miniaturized is provided.
Claims (10)
酸化物イオン伝導性を有する第2固体電解質膜と、該固体電解質膜の一面に配置された第2電極を備えた第2膜電極接合体とを具備し、
第1膜電極接合体における第1固体電解質膜の前記一面と、第2膜電極接合体における第2固体電解質膜の前記一面とが間隔を空けて対向するように、第1膜電極接合体と第2膜電極接合体とが配置されており、
第1膜電極接合体における第1固体電解質膜の前記一面及び第2膜電極接合体における第2固体電解質膜の前記一面の双方に接するように中間電極が配置されているとともに、該中間電極を囲繞するように設けた酸素が透過可能な壁部によって基準酸素濃度空間が画成されており、
測定対象雰囲気に第1電極が臨むように且つ該測定対象雰囲気又は外気に第2電極が臨むようにこれらの電極を配置するとともに、前記中間電極を電源の正極に接続し且つ第2電極を電源の負極に接続して、前記基準酸素濃度空間内の酸素濃度を高めた状態下におき、更に第1電極と前記中間電極との間に生じた起電力を測定することで、第1電極が臨む測定対象雰囲気中の酸素濃度を測定するように構成された酸素センサ。 a first membrane electrode assembly including a first solid electrolyte membrane having oxide ion conductivity and a first electrode disposed on one surface of the solid electrolyte membrane;
a second membrane electrode assembly including a second solid electrolyte membrane having oxide ion conductivity and a second electrode disposed on one surface of the solid electrolyte membrane;
the first membrane electrode assembly and the second membrane electrode assembly are arranged such that the one surface of the first solid electrolyte membrane in the first membrane electrode assembly and the one surface of the second solid electrolyte membrane in the second membrane electrode assembly face each other with a gap therebetween;
an intermediate electrode is disposed so as to be in contact with both the one surface of the first solid electrolyte membrane in the first membrane electrode assembly and the one surface of the second solid electrolyte membrane in the second membrane electrode assembly, and a reference oxygen concentration space is defined by an oxygen-permeable wall portion provided so as to surround the intermediate electrode,
An oxygen sensor configured to measure the oxygen concentration in the atmosphere to be measured facing the first electrode by arranging the first electrode facing the atmosphere to be measured and the second electrode facing the atmosphere to be measured or the outside air, connecting the intermediate electrode to the positive terminal of a power source and connecting the second electrode to the negative terminal of a power source to create a state in which the oxygen concentration in the reference oxygen concentration space is increased, and measuring the electromotive force generated between the first electrode and the intermediate electrode.
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