JP7629172B2 - Hydrogen sensor and method for detecting hydrogen concentration - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質をセンサ素子とする水素センサ、及び、該水素センサを使用する水素濃度の検出方法に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen sensor that uses a solid electrolyte as a sensor element, and a method for detecting hydrogen concentration using the hydrogen sensor.
化学式ABO3で表されるペロブスカイト型の金属複酸化物において、金属Bの一部を、それより低い原子価の金属Mで置換することにより、プロトン伝導性を発現する固体電解質(プロトン伝導性セラミックス)が知られており、これをセンサ素子として高温の環境下で水素分圧(水素濃度)を検出する水素センサが提案されている。また、水素濃度が分かれば、例えば検出対象ガスがアンモニアの場合、その分解により生じた水素ガスの濃度の検出に基づいて、測定雰囲気に残存するアンモニアの濃度を算出することができる。 A solid electrolyte (proton conductive ceramic) that exhibits proton conductivity by replacing a part of metal B with a metal M having a lower valence in a perovskite-type metal double oxide represented by the chemical formula ABO3 is known, and a hydrogen sensor that detects hydrogen partial pressure (hydrogen concentration) in a high-temperature environment using this as a sensor element has been proposed. In addition, if the hydrogen concentration is known, for example, when the gas to be detected is ammonia, the concentration of ammonia remaining in the measurement atmosphere can be calculated based on the detection of the concentration of hydrogen gas generated by its decomposition.
プロトン伝導性セラミックスをセンサ素子とする水素センサは、同一イオンの濃度差により電位差が生じる濃淡電池の原理を利用している。プロトン伝導性セラミックスのセンサ素子で、水素濃度の異なる二つの相を隔てたとき、それぞれの相に接するようにセンサ素子に設けた二つの電極間に生じる起電力と、二つの相それぞれの水素分圧は、ネルンストの式に従う。従って、二つの相のうち一方の相の水素分圧が既知であれば、起電力と温度を測定することにより、他方の相の水素分圧を算出することができる。 Hydrogen sensors that use proton-conductive ceramics as a sensor element utilize the principle of a concentration cell, where a potential difference occurs due to a difference in concentration of the same ion. When two phases with different hydrogen concentrations are separated by a proton-conductive ceramic sensor element, the electromotive force generated between the two electrodes on the sensor element that are in contact with each phase, and the hydrogen partial pressures of each of the two phases follow the Nernst equation. Therefore, if the hydrogen partial pressure of one of the two phases is known, the hydrogen partial pressure of the other phase can be calculated by measuring the electromotive force and temperature.
水素分圧が既知である基準ガスとしては、一般的にアルゴンと水素の混合ガスが使用されている。ところが、水素ガスは、これを供給するためのガスボンベの運搬や保管にスペースを要し、センサ装置全体が大型化する、航空機で水素ガスの輸送ができないため海外で入手しにくい場合はセンサの使用が制限される、水素は酸素の存在下で燃焼・爆発するため取り扱いに細心の注意を払う必要がある、高価である、等の種々の難点があった。 A mixture of argon and hydrogen is generally used as a reference gas with a known hydrogen partial pressure. However, hydrogen gas has various drawbacks, such as the need for space to transport and store the gas cylinders used to supply it, the overall size of the sensor device, the inability to transport hydrogen gas by aircraft and therefore limitations on the use of sensors when it is difficult to obtain overseas, the need to handle hydrogen with great care as it burns and explodes in the presence of oxygen, and its high cost.
基準ガスとして大気を使用することができれば、水素ガスボンベの必要がないばかりか、基準ガスそのものを用意する必要がなく、便利であると共にセンサ装置が簡易な構成となる。しかしながら、大気中の水素分圧は水蒸気分圧の影響を受けて変動し、その水素分圧の変動範囲内で、従来のプロトン伝導性セラミックスではプロトンの輸率が変化する。そのため、従来のプロトン伝導性セラミックスをセンサ素子とした場合は、大気中の水素分圧の変動に起因して測定される起電力が変動してしまい、測定雰囲気の水素濃度を正確に測定することができない。 If air could be used as the reference gas, not only would there be no need for a hydrogen gas cylinder, but there would also be no need to prepare the reference gas itself, which would be convenient and would result in a simpler sensor device configuration. However, the hydrogen partial pressure in the air fluctuates due to the influence of the water vapor partial pressure, and within the range of fluctuations in this hydrogen partial pressure, the transport number of protons changes in conventional proton conductive ceramics. Therefore, when conventional proton conductive ceramics are used as a sensor element, the measured electromotive force fluctuates due to fluctuations in the hydrogen partial pressure in the air, making it impossible to accurately measure the hydrogen concentration in the measurement atmosphere.
本出願人はこのような問題を解決し、基準ガスとして大気を使用することができる水素センサ、及び、そのセンサ素子となる固体電解質を提案している(例えば、特許文献1参照)。これは、化学式AB1-bMbO3-αで表される金属複酸化物において、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Mを金属Bの価数以下の複数の価数を取り得る遷移金属とし、これをセンサ素子としたときに測定電極側となる端部において金属Mの価数を金属Bより小さくプロトン伝導性を示す価数に偏らせると共に、基準電極側となる端部において金属Mの価数を、測定電極側の価数より大きくプロトン伝導性を示さない価数に偏らせたものである。 The present applicant has solved such problems and proposed a hydrogen sensor capable of using air as a reference gas, and a solid electrolyte serving as the sensor element thereof (see, for example, Patent Document 1). In this sensor element, a metal composite oxide represented by the chemical formula AB 1-b M b O 3-α , where A is an alkaline earth metal, B is a metal with a valence of +4, and M is a transition metal that can have multiple valences less than the valence of metal B, is used as the measurement electrode end, and the valence of metal M is biased toward a valence smaller than that of metal B and exhibits proton conductivity, while the valence of metal M is biased toward a valence larger than that of the measurement electrode and does not exhibit proton conductivity, at the end serving as the reference electrode.
このように金属Mの価数を偏らせたセンサ素子は、測定電極側の端部ではプロトン伝導性を示す一方、基準電極側の端部では大気における水素分圧下でプロトン伝導性を示さないため、基準ガスとして大気を使用することができる。 A sensor element in which the valence of metal M is biased in this way exhibits proton conductivity at the end on the measurement electrode side, but does not exhibit proton conductivity at the end on the reference electrode side under atmospheric hydrogen partial pressure, so that atmospheric air can be used as the reference gas.
ところが、このセンサ素子は、起電力が安定し水素センサとして使用できるようになるまでに非常に時間がかかる点で、改善の余地があった。具体的には、上記の化学式AB1-bMbO3-αで表される金属複酸化物をセンサ素子とする場合、酸化雰囲気で焼成することによって金属Mの価数を全体的にプロトン伝導性を示さない価数とした後、基準電極側の端部を基準ガスである大気に接触させる一方、測定電極側の端部を水素を含む還元雰囲気に置いて加熱する処理を行う。このような処理を行うことにより、センサ素子の測定電極側の端部において、金属Mの価数が金属Bより小さくプロトン伝導性を示す価数に変化するのであるが、このように金属Mの価数が変化するまでに、数十時間という長時間を要するものであった。 However, this sensor element has room for improvement in that it takes a very long time until the electromotive force stabilizes and the element can be used as a hydrogen sensor. Specifically, when the metal composite oxide represented by the above chemical formula AB 1-b M b O 3-α is used as a sensor element, the valence of metal M is changed to a valence that does not exhibit proton conductivity as a whole by firing in an oxidizing atmosphere, and then the end of the sensor element on the reference electrode side is brought into contact with air, which is a reference gas, while the end of the sensor element on the measurement electrode side is placed in a reducing atmosphere containing hydrogen and heated. By carrying out such a process, the valence of metal M at the end of the sensor element on the measurement electrode side is changed to a valence that is smaller than that of metal B and exhibits proton conductivity, but it takes a long time, on the order of several tens of hours, for the valence of metal M to change in this way.
そこで、本出願人は更に、化学式AB1-b-cMbNcO3-αで表され、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Mは+4価以下の複数の価数を取り得る遷移金属、Nは+4価より小さい価数のみを取る金属とする金属複酸化物を、センサ素子とする水素センサを提案している(特許文献2参照)。このような固体電解質をセンサ素子とした場合、基準ガスとして大気を使用することができると共に、基準電極及び測定電極間に生じる起電力が安定して測定できるようになるまでの所要時間を、特許文献1のセンサ素子に比べて大きく短縮することができる。そして、このような固体電解質をセンサ素子として基準ガスを大気とした場合、測定ガス(測定雰囲気)の水素分圧(水素濃度)と起電力とは相関関係を有するため、測定ガスにおける水素濃度を正確に測定することができる。
Therefore, the present applicant further proposed a hydrogen sensor using a metal composite oxide represented by the chemical formula AB 1-b-c M b N c O 3-α , where A is an alkaline earth metal, B is a metal with a valence of +4, M is a transition metal that can have multiple valences of +4 or less, and N is a metal that only has a valence less than +4 (see Patent Document 2). When such a solid electrolyte is used as a sensor element, air can be used as the reference gas, and the time required for the electromotive force generated between the reference electrode and the measurement electrode to be stably measured can be greatly shortened compared to the sensor element of
本出願人はその後も、特許文献2の技術とは異なる手段を採用することによって、起電力が安定して水素濃度を正確に検出できる状態となるまでの所要時間を短縮することを課題として、研究を続けて来ている。本発明は、その過程でなされたものである。 The applicant has continued research since then, aiming to shorten the time required for the electromotive force to stabilize and for the hydrogen concentration to be accurately detected by adopting a means different from the technology of Patent Document 2. The present invention was made during that process.
上記のように、本発明は、基準ガスとして大気を使用することができると共に、水素濃度を安定的に検出できる状態となるまでの所要時間が短い水素センサ、及び、該水素センサを使用する水素濃度の検出方法の提供を、課題とするものである。 As described above, the present invention aims to provide a hydrogen sensor that can use air as a reference gas and that requires a short time to reach a state where hydrogen concentration can be stably detected, and a method for detecting hydrogen concentration using the hydrogen sensor.
上記の課題を解決するため、本発明にかかる水素センサは、
「プロトン伝導性を有する固体電解質で形成されたセンサ素子、該センサ素子の表面に設けられた基準電極、及び、該基準電極が接している第一空間と区画されている第二空間において前記センサ素子の表面に設けられた測定電極を備える水素センサであり、
前記センサ素子は、
ペロブスカイト型の結晶構造を有する金属複酸化物であって、化学式AB1-bMbO3-αで表され(ただし、0<b<1)、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Mは+4価以下の複数の価数を取り得る遷移金属である第一固体電解質の焼結体と、
ペロブスカイト型の結晶構造を有する金属複酸化物であって、化学式AB1-cNcO3-αで表され(ただし、0<c<1)、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Nは+4価より小さい価数のみを取る金属である第二固体電解質の焼結体と、を接触させたものであり、
前記第一固体電解質の焼結体に前記基準電極が設けられていると共に、前記第二固体電解質の焼結体に前記測定電極が設けられており、
前記第一空間が大気中に開放されている、または、前記第一空間に基準ガスとして大気を導入する大気導入管を備えている」ものである。
In order to solve the above problems, the hydrogen sensor according to the present invention comprises:
"A hydrogen sensor comprising a sensor element formed of a solid electrolyte having proton conductivity, a reference electrode provided on a surface of the sensor element, and a measurement electrode provided on the surface of the sensor element in a second space partitioned from a first space in contact with the reference electrode,
The sensor element includes:
a sintered body of a first solid electrolyte which is a metal composite oxide having a perovskite-type crystal structure and is represented by a chemical formula of AB 1-b M b O 3-α (where 0<b<1) , where A is an alkaline earth metal, B is a metal with a valence of +4, and M is a transition metal which can have multiple valences of +4 or less;
a sintered body of a second solid electrolyte which is a metal composite oxide having a perovskite-type crystal structure and is represented by a chemical formula of AB1 - cNcO3 -α (where 0<c<1) , where A is an alkaline earth metal, B is a metal whose valence is +4, and N is a metal whose valence is less than +4;
the reference electrode is provided on a sintered body of the first solid electrolyte, and the measurement electrode is provided on a sintered body of the second solid electrolyte;
The first space is open to the atmosphere, or the first space is provided with an atmosphere introduction pipe for introducing atmosphere as a reference gas into the first space.
「アルカリ土類金属である金属A」としては、ストロンチウム(Sr)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、バリウム(Ba)を例示することができる。「+4価の金属である金属B」としては、ジルコニウム(Zr)、セリウム(Ce)を例示することができる。 Examples of "metal A, which is an alkaline earth metal" include strontium (Sr), magnesium (Mg), calcium (Ca), and barium (Ba). Examples of "metal B, which is a +4 valent metal" include zirconium (Zr) and cerium (Ce).
「+4価以下の複数の価数を取り得る遷移金属M」は、それぞれ+4価、+3価、及び+2価を取り得るマンガン(Mn)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)や、+2価及び+3価を取り得る鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)を例示することができる。この金属Mは、金属Bと置換した状態で、プロトン伝導性を示す価数と、プロトン伝導性を示さない価数の双方を取るものであり、その価数は金属A,Bによる。例えば、金属MがMnである場合、金属AがSrで金属BがZrのとき、プロトン伝導性を示さない価数は+4価であり、プロトン伝導性を示す価数は+3価及び+2価である。また、金属Mが同じくMnであっても、金属AがCaで金属BがZrのとき、プロトン伝導性を示さない価数は+3価であり、プロトン伝導性を示す価数は+2価である。Mnは価数が減少すると体積膨張するため、結晶構造が異なり格子間の空間の大きさが異なれば、安定して存在できる価数が異なるためである。 Examples of "transition metal M that can have multiple valences of +4 or less" include manganese (Mn), titanium (Ti), vanadium (V), and chromium (Cr), which can have +4, +3, and +2 valences, and iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), which can have +2 and +3 valences. When substituted with metal B, this metal M has both a valence that exhibits proton conductivity and a valence that does not exhibit proton conductivity, and the valence depends on metals A and B. For example, when metal M is Mn, metal A is Sr and metal B is Zr, the valence that does not exhibit proton conductivity is +4, and the valences that exhibit proton conductivity are +3 and +2. Also, even if metal M is also Mn, when metal A is Ca and metal B is Zr, the valence that does not exhibit proton conductivity is +3, and the valence that exhibits proton conductivity is +2. Mn expands in volume when its valence decreases, so if the crystal structure is different and the size of the interstitial spaces is different, the valence that can exist stably will be different.
「+4価より小さい価数のみを取る金属N」としては、Y(イットリウム)、Yb(イッテルビウム)、Al(アルミニウム)、In(インジウム)など、+3価のみを取る金属を例示することができる。この金属Nが金属Bと置換することにより、プロトン伝導性が発現する。 Examples of "metal N that has only a valence of less than +4" include metals that have only a valence of +3, such as Y (yttrium), Yb (ytterbium), Al (aluminum), and In (indium). When this metal N is substituted for metal B, proton conductivity is achieved.
金属A、金属B、金属M及び金属Nの何れも、単一の元素からなるものであっても、複数の元素からなるものであってもよい。なお、化学式AB1-bMbO3-α、及び、化学式AB1-cNcO3-αにおいて、当然ながら0<b<1、0<c<1であり、b及びcはそれぞれ0.01以上0.3以下とすることができる。また、αは酸素欠陥であり、金属A、金属B、金属M及び金属Nそれぞれの原子種、b及びcの値、雰囲気温度と酸素分圧等に応じて変化する値である。 Metal A, metal B, metal M, and metal N may each be composed of a single element or multiple elements. In the chemical formulas AB 1-b M b O 3-α and AB 1-c N c O 3-α , naturally, 0<b<1 and 0<c<1, and b and c can each be 0.01 or more and 0.3 or less. α is an oxygen defect, and is a value that changes depending on the atomic species of metal A, metal B, metal M, and metal N, the values of b and c, the atmospheric temperature, the oxygen partial pressure, and the like.
本構成の水素センサは、金属Mの価数変化によってプロトン伝導性が生じる第一固体電解質の焼結体と、プロトン伝導性を有している第二固体電解質の焼結体とを接触させてセンサ素子とし、第一固体電解質側に基準電極を設け、第二固体電解質側に測定電極を設けたものである。このような構成とすることにより、詳細は後述するように、基準ガスとして大気を使用しても、基準電極及び測定電極間に生じる起電力と第二空間における水素濃度との間に相関関係があるため、第二空間に導入された測定ガス(水素濃度が未知であるガス)の水素濃度を検出することができる。また、特許文献1のセンサ素子とは異なり、水素センサとしての使用に先立って金属Mの価数を変化させるための処理を長時間行う必要がなく、水素センサとしての使用を開始してから短時間で、測定ガスにおける水素濃度を安定的に検出できる状態となる。
The hydrogen sensor of this configuration is a sensor element formed by contacting a sintered body of a first solid electrolyte in which proton conductivity occurs due to a change in the valence of metal M with a sintered body of a second solid electrolyte having proton conductivity, and a reference electrode is provided on the first solid electrolyte side, and a measurement electrode is provided on the second solid electrolyte side. As described in detail below, this configuration makes it possible to detect the hydrogen concentration of a measurement gas (a gas whose hydrogen concentration is unknown) introduced into the second space, even if air is used as a reference gas, since there is a correlation between the electromotive force generated between the reference electrode and the measurement electrode and the hydrogen concentration in the second space. In addition, unlike the sensor element of
なお、本構成では、センサ素子を第一固体電解質と第二固体電解質との二層構造としているが、それぞれを焼結体としてから接触させることが必要である。第一固体電解質の成形体と第二固体電解質の成形体とを積層してから焼成すると、一方の成分が他方に拡散してしまい、二層構造とならない。また、第二固体電解質の焼結体に第一固体電解質の原材料のスラリーを塗布して焼成した場合は、第一固体電解質が多孔質層となってしまい、センサ素子としての挙動は第二固体電解質の焼結体の単層をセンサ素子とした場合と同じであった。 In this configuration, the sensor element has a two-layer structure of the first solid electrolyte and the second solid electrolyte, but it is necessary to sinter each of them before contacting them. If a molded body of the first solid electrolyte and a molded body of the second solid electrolyte are stacked and then fired, the components of one will diffuse into the other, and a two-layer structure will not be formed. In addition, if a sintered body of the second solid electrolyte is coated with a slurry of the raw material of the first solid electrolyte and fired, the first solid electrolyte becomes a porous layer, and the behavior of the sensor element is the same as when a single layer of a sintered body of the second solid electrolyte is used as the sensor element.
本発明にかかる水素センサは、上記構成に加え、
「金属Aはストロンチウムである」ものとすることができる。
In addition to the above configuration, the hydrogen sensor according to the present invention further comprises:
"Metal A is strontium."
後述するように、第一固体電解質及び第二固体電解質において金属Aをストロンチウムとすると、測定ガスの水素濃度に対する起電力の値が大きいため、高い精度で水素濃度を検出することができる。 As described below, when metal A in the first solid electrolyte and the second solid electrolyte is strontium, the electromotive force relative to the hydrogen concentration of the measurement gas is large, making it possible to detect the hydrogen concentration with high accuracy.
次に、本発明にかかる水素濃度の検出方法は、
「プロトン伝導性を有する固体電解質で形成されたセンサ素子、該センサ素子の表面に設けられた基準電極、及び、該基準電極が接している第一空間と区画されている第二空間において前記センサ素子の表面に設けられた測定電極を備える水素センサを使用する水素濃度の検出方法であり、
前記センサ素子は、
ペロブスカイト型の結晶構造を有する金属複酸化物であって、化学式AB1-bMbO3-αで表され(ただし、0<b<1)、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Mは+4価以下の複数の価数を取り得る遷移金属である第一固体電解質の焼結体と、
ペロブスカイト型の結晶構造を有する金属複酸化物であって、化学式AB1-cNcO3-αで表され(ただし、0<c<1)、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Nは+4価より小さい価数のみを取る金属である第二固体電解質の焼結体と、を接触させたものであり、
前記第一固体電解質の焼結体に前記基準電極を設けると共に、前記第二固体電解質の焼結体に前記測定電極を設け、
前記第一空間に導入される基準ガスとして大気を使用する」ものである。
Next, the hydrogen concentration detection method according to the present invention includes the steps of:
"A method for detecting a hydrogen concentration using a hydrogen sensor comprising: a sensor element formed of a solid electrolyte having proton conductivity; a reference electrode provided on a surface of the sensor element; and a measurement electrode provided on the surface of the sensor element in a second space partitioned from a first space in contact with the reference electrode,
The sensor element includes:
a sintered body of a first solid electrolyte which is a metal composite oxide having a perovskite-type crystal structure and is represented by a chemical formula of AB 1-b M b O 3-α (where 0<b<1) , where A is an alkaline earth metal, B is a metal with a valence of +4, and M is a transition metal which can have multiple valences of +4 or less;
a sintered body of a second solid electrolyte which is a metal composite oxide having a perovskite-type crystal structure and is represented by a chemical formula of AB1 - cNcO3 -α (where 0<c<1) , where A is an alkaline earth metal, B is a metal whose valence is +4, and N is a metal whose valence is less than +4;
providing the reference electrode on a sintered body of the first solid electrolyte and providing the measurement electrode on a sintered body of the second solid electrolyte;
Atmospheric air is used as the reference gas introduced into the first space.
これは、上記構成の水素センサを使用する水素濃度の検出方法である。 This is a method for detecting hydrogen concentration using a hydrogen sensor with the above configuration.
以上のように、本発明によれば、基準ガスとして大気を使用することができると共に、水素濃度を安定的に検出できる状態となるまでの所要時間が短い水素センサ、及び、該水素センサを使用する水素濃度の検出方法を、提供することができる。 As described above, the present invention provides a hydrogen sensor that can use air as a reference gas and requires a short time to reach a state where hydrogen concentration can be stably detected, and a method for detecting hydrogen concentration using the hydrogen sensor.
以下、本発明の一実施形態である水素センサ1、及び、水素センサ1を使用する水素濃度の検出方法について、図面を用いて説明する。
Below, the
まず、水素センサ1の構成について、図8を用いて説明する。水素センサ1は、固体電解質で形成されたセンサ素子10と、センサ素子10の表面に設けられた基準電極21と、基準電極21が接している第一空間S1と区画されている第二空間S2においてセンサ素子10の表面に設けられた測定電極22と、基準電極21及び測定電極22間の起電力を測定する電位計30と、を備えている。
First, the configuration of the
センサ素子10は、第一固体電解質の焼結体11と、第二固体電解質の焼結体12とを接触させることにより形成されている。ここでは、基準電極21が接している第一空間S1と測定電極22が接している第二空間S2とが区画されている態様として、それぞれディスク状の焼結体11と焼結体12とを重ね合わせたセンサ素子10が、筒状のホルダ51の一端を封止していると共に、他の筒状のホルダ52の一端を封止している態様、すなわち、ホルダ51,52によって形成されるホルダ50の中途をセンサ素子10が閉塞している態様を例示している。この例では、焼結体11と焼結体12とは、ホルダ51,52によって挟み込まれることにより圧接されている。
The
第一固体電解質は、化学式AB1-bMbO3-αで表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する金属複酸化物であり、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Mは+4価以下の複数の価数を取り得る遷移金属である。このような第一固体電解質の焼結体11は、金属A、金属B、金属Mそれぞれの酸化物等の原料粉末を、目的のモル比となるようにバインダ等の添加剤と共に混合した混合原料を成形し、成形体を焼成することにより得ることができる。焼成の際の雰囲気を、大気等の酸化雰囲気とすることにより、金属Mの価数は固体電解質の全体において、プロトン伝導性を示さない価数となる。
The first solid electrolyte is a metal composite oxide having a perovskite-type crystal structure represented by the chemical formula AB 1-b M b O 3-α , where A is an alkaline earth metal, B is a metal with a valence of +4, and M is a transition metal that can have multiple valences of +4 or less. Such a
第二固体電解質は、化学式AB1-cNcO3-αで表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する金属複酸化物であり、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Nは+4価より小さい価数のみを取る金属である。このような第二固体電解質の焼結体12は、金属A、金属B、金属Nそれぞれの酸化物等の原料粉末を、目的のモル比となるようにバインダ等の添加剤と共に混合した混合原料を成形し、成形体を酸化雰囲気で焼成することにより得ることができる。第二固体電解質の焼結体12は、プロトン伝導性を有している。
The second solid electrolyte is a metal composite oxide having a perovskite-type crystal structure represented by the chemical formula AB 1-c N c O 3-α , where A is an alkaline earth metal, B is a metal with a valence of +4, and N is a metal that has only a valence smaller than +4. The
なお、水素センサ1を組み立てる際に、第一固体電解質の焼結体11と第二固体電解質の焼結体12とが接触している状態を安定させるために、両者を有機接着剤で接着しておいてもよい。有機接着剤は、数百度以上である水素センサ1の使用温度で焼失するため、最初に使用温度まで昇温した後は、焼結体11と焼結体12とは互いに物理的に圧接されている状態となる。
When assembling the
そして、第一固体電解質の焼結体11と第二固体電解質の焼結体12とが接触している状態であるセンサ素子10について、焼結体11において焼結体12と接触している側とは反対側の端面に基準電極21を設けると共に、焼結体12において焼結体11と接触している側とは反対側の端面に測定電極22を設ける。
For the
このような構成の水素センサ1では、基準電極21及び測定電極22の間に生じる起電力と、第二空間S2における水素濃度との関係はネルンストの式に従わないが、第一空間S1に導入される基準ガスが大気のとき、第二空間S2における水素分圧(水素濃度)と起電力とは相関関係にある。より具体的には、第二空間S2における水素分圧(水素濃度)の対数と起電力とは、線形の関係にある。
In a
そこで、水素センサ1を用いて測定ガスにおける水素濃度を検出する際は、予め、第一空間S1に基準ガスとして大気を導入すると共に、第二空間S2に水素濃度の異なる複数種類のガスをそれぞれ導入したときの起電力を測定することにより、第二空間S2における水素濃度と起電力との関係を示す検量線を作成しておく。これにより、第一空間S1に基準ガスとして大気を導入すると共に、第二空間S2に水素濃度が未知である測定ガスを導入したときの起電力を測定し、作成しておいた検量線における、その起電力値のときの水素濃度として、測定ガスにおける水素濃度を求めることができる。
When detecting the hydrogen concentration in the measurement gas using the
本実施形態の水素センサ1では、特許文献1の水素センサとは異なり、第二空間S2に導入された測定ガスにおける水素濃度の検出を開始するのに先立ち、金属Mの価数を偏らせるための処理を長時間行う必要がなく、上記のように製造された水素センサ1の使用を直ちに開始しても、非常に短い時間で起電力が安定する。
In the
これは、測定電極22側の固体電解質(第二固体電解質)が、そもそも最初からプロトン伝導性を有していることが大きく影響していると考えられる。金属Nは、金属Bより小さい価数のみを取る金属であるため、金属Bとの置換により電気的な中性を保つために酸素イオン空孔が導入され、プロトン伝導性が発現している。そして、基準電極21側の固体電解質(第一固体電解質)において、第二固体電解質との境界付近では、第二固体電解質からプロトンが移動して来ることにより、金属Mの価数が低下する。その結果、第一固体電解質では、水素センサ1の使用に伴い、第二固体電解質との境界から基準電極21側の端部に向かって減少するように、プロトンの輸率が傾斜する。
This is believed to be largely due to the fact that the solid electrolyte (second solid electrolyte) on the
一方、第一固体電解質において基準電極21側の端部では、金属Mがプロトン伝導性を示さない価数を取っており、大気における水素分圧下でプロトンの輸率がほぼゼロである。そのため、基準ガスとして大気を使用し、大気における水素分圧が変動したとしても、測定される起電力はその変動の影響を受けない。ここで、「大気における水素分圧」は、水と、水素及び酸素との平衡反応の平衡定数から算出することができる。平衡定数は温度依存性を示し、平衡は高温であるほど水から水素及び酸素が生成される側に傾く。本実施形態の水素センサ1の使用温度範囲として想定される温度400℃~800℃まで、室温において水蒸気が飽和した大気が加熱されたものとして計算すると、大気における水素分圧は1×10-18atm~5×10-11atm(1×10-13Pa~5×10-6Pa)である。
On the other hand, at the end of the first solid electrolyte on the side of the
更に、測定ガスには必ずしも水素が含まれているとは限らない。そのため、特許文献1の固体電解質では、金属Mの価数を偏らせる処理によって測定電極側にプロトン伝導層が形成されていても、水素を含まない測定ガスとの接触により、金属Mの価数が変化して非プロトン伝導性の表層ができてしまうことがあった。更にその後、水素を含有する測定ガスに接触すると、再び金属Mの価数が変化してプロトン伝導性の表層が形成されるなど、固体電解質において測定電極側がプロトン伝導性層と非プロトン伝導性層との積層状態となることがあり、正確に水素濃度を検出できないおそれがあった。これに対し、本実施形態の水素センサ1では、測定電極22側の第二固体電解質は、価数が変化しない金属Nを金属Bと置換することによってプロトン伝導性を発現させたものであるため、仮に測定ガスに水素が含まれていないことがあっても、測定電極22側に非プロトン伝導性層が形成されることがなく、安定的に水素ガス濃度を検出することができる。
Furthermore, the measurement gas does not necessarily contain hydrogen. Therefore, in the solid electrolyte of
金属Aをストロンチウム、金属Bをジルコニウム、金属Mをマンガンとし、それぞれの化合物としてSrCO3、ZrO2、MnCO3を使用し、SrZr1-bMnbO3-αにおいてb=0.1となるモル比で混合し、第一の出発原料を調製した。第一の出発原料を1200℃でか焼し、か焼後の粉末を粉砕した後、バインダと混合してディスク状に成形した。焼成炉に成形体を収容し、温度1500℃の酸化雰囲気下で焼成することにより、第一固体電解質の焼結体11を得た。一方、金属Aをストロンチウム、金属Bをジルコニウム、金属Nをイットリウムとし、それぞれの化合物としてSrCO3、ZrO2、Y2O3を使用し、SrZr1-cYcO3-αにおいてc=0.1となるモル比で混合し、第二の出発原料を調製した。第二の出発原料を1200℃でか焼し、か焼後の粉末を粉砕した後、バインダと混合してディスク状に成形した。焼成炉に成形体を収容し、温度1500℃の酸化雰囲気下で焼成することにより、第二固体電解質の焼結体12を得た。焼結体11と焼結体12とを重ね合わせて圧接させ、実施例1のセンサ素子10とした。
The metal A was strontium, the metal B was zirconium, and the metal M was manganese. The respective compounds SrCO 3 , ZrO 2 , and MnCO 3 were used, and they were mixed in a molar ratio such that b = 0.1 in SrZr 1-b Mn b O 3-α to prepare a first starting material. The first starting material was calcined at 1200 ° C., and the calcined powder was pulverized, and then mixed with a binder and molded into a disk shape. The molded body was placed in a sintering furnace and sintered in an oxidizing atmosphere at a temperature of 1500 ° C. to obtain a
金属Aをストロンチウム、金属Bをジルコニウム、金属Mをマンガンとし、それぞれの化合物としてSrCO3、ZrO2、MnCO3を使用し、SrZr1-bMnbO3-αにおいてb=0.05となるモル比で混合し、第一の出発原料を調製した。実施例1と同様の工程により、第一固体電解質の焼結体11を得た。一方、金属Aをストロンチウム、金属Bをジルコニウム、金属Nをイットリウムとし、それぞれの化合物としてSrCO3、ZrO2、Y2O3を使用し、SrZr1-cYcO3-αにおいてc=0.1となるモル比で混合し、第二の出発原料を調製した。実施例1と同様の工程により、第二固体電解質の焼結体12を得た。焼結体11と焼結体12とを重ね合わせて圧接させ、実施例2のセンサ素子10とした。
The metal A was strontium, the metal B was zirconium, and the metal M was manganese. The respective compounds SrCO 3 , ZrO 2 , and MnCO 3 were used, and they were mixed in a molar ratio of b=0.05 in SrZr 1-b Mn b O 3-α to prepare a first starting material. The
金属Aをカルシウム、金属Bをジルコニウム、金属Mをマンガンとし、それぞれの化合物としてCaO、ZrO2、MnCO3を使用し、CaZr1-bMnbO3-αにおいてb=0.05となるモル比で混合し、第一の出発原料を調製した。実施例1と同様の工程により、第一固体電解質の焼結体11を得た。一方、金属Aをカルシウム、金属Bをジルコニウム、金属Nをインジウムとし、それぞれの化合物としてCaO、ZrO2、In2O3を使用し、CaZr1-cIncO3-αにおいてc=0.1となるモル比で混合し、第二の出発原料を調製した。実施例1と同様の工程により、第二固体電解質の焼結体12を得た。焼結体11と焼結体12とを重ね合わせて圧接させ、実施例3のセンサ素子10とした。
The metal A was calcium, the metal B was zirconium, and the metal M was manganese. The respective compounds were CaO, ZrO 2 , and MnCO 3 , and the mixture was mixed in a molar ratio of b=0.05 in CaZr 1-b Mn b O 3-α to prepare a first starting material. The
実施例1~3のセンサ素子10それぞれにおいて、市販の電極用白金ペーストを塗布し焼き付けることにより、第一固体電解質の焼結体11の端部に基準電極21を形成すると共に、第二固体電解質の焼結体12の端部に測定電極22を形成した。
In each of the
実施例1~3それぞれのセンサ素子を使用し、上記構成とした水素センサについて、第一空間に基準ガスとして大気を導入し、第二空間に水素濃度の異なる複数のガスをそれぞれ導入したときの起電力を、800℃~500℃の範囲における所定温度で測定した。起電力は、同一のセンサ素子について温度800℃で測定してから、温度700℃での測定、温度600℃での測定、温度500℃での測定と、順に行った。 The hydrogen sensor configured as described above using each of the sensor elements of Examples 1 to 3 was used to measure the electromotive force at a predetermined temperature range of 800°C to 500°C when air was introduced as a reference gas into the first space and multiple gases with different hydrogen concentrations were introduced into the second space. The electromotive force was measured for the same sensor element at a temperature of 800°C, followed by measurements at a temperature of 700°C, 600°C, and 500°C.
また、実験室の環境では大気中の水素分圧はあまり変化しない。そこで、自然環境下で基準ガスとしての大気において水素分圧が変動したときに起電力に及ぼす影響の有無を調べる目的で、第一空間に導入する基準ガスを、一時的に大気(酸素濃度20%)から酸素1%を含むアルゴンガスに切り替え、再び大気に戻す操作を行った。このような基準ガスの切り替えによって生じる水素分圧の変動は、自然環境下で生じる大気中の水素分圧の変動に比べて非常に大きい。 In addition, the partial pressure of hydrogen in the atmosphere does not change much in a laboratory environment. Therefore, in order to investigate whether there is an effect on the electromotive force when the partial pressure of hydrogen fluctuates in the atmosphere used as the reference gas in a natural environment, the reference gas introduced into the first space was temporarily switched from air (oxygen concentration 20%) to argon gas containing 1% oxygen, and then switched back to air. The fluctuation in hydrogen partial pressure caused by such a switch in the reference gas is much larger than the fluctuation in hydrogen partial pressure in the atmosphere that occurs in a natural environment.
実施例1~3のセンサ素子を使用した水素センサの何れについても、温度800℃での起電力の測定を開始してから300秒~500秒で起電力が安定した。これは、特許文献1の水素センサで、起電力が安定して正常な測定ができるようになるまで数十時間を要していたのに比べると、非常に短い時間である。このように短時間で起電力が安定した後は、第二空間における水素濃度の変化に応じて起電力は応答性良く変化し、水素濃度が一定に保持されている間の起電力は安定して一定であった。また、第二空間に水素を含まないアルゴンガスを導入した後で、水素濃度が98.1%と高濃度であるガスを導入することにより、水素濃度を大きく変化させたときも、非常に応答性良く起電力が変化した。
For all of the hydrogen sensors using the sensor elements of Examples 1 to 3, the electromotive force stabilized 300 to 500 seconds after starting measurement of the electromotive force at a temperature of 800°C. This is an extremely short time compared to the several tens of hours required for the electromotive force to stabilize and enable normal measurement with the hydrogen sensor of
加えて、第二空間に水素濃度が98.1%のガスを導入した状態のまま、第一空間に導入する基準ガスを大気から酸素1%を含むアルゴンガスに切り替えることにより、基準ガスにおける水素分圧を故意に大きく変化させた際も、起電力はほとんど変化しなかった。特に、実施例1センサ素子では、基準ガスにおける水素分圧を変化させても起電力は全く変化しなかった。上述したように、基準ガスを大気から酸素1%を含むアルゴンガスに切り替えたときの水素分圧の変化は、自然環境下で生じる大気中の水素分圧の変動に比べて非常に大きいことから、これら実施例のセンサ素子を使用した水素センサでは、基準ガスとして問題なく大気を使用することができることが確認された。 In addition, even when the hydrogen partial pressure in the reference gas was intentionally changed significantly by switching the reference gas introduced into the first space from air to argon gas containing 1% oxygen while gas with a hydrogen concentration of 98.1% was introduced into the second space, the electromotive force hardly changed at all. In particular, in the sensor element of Example 1, the electromotive force did not change at all even when the hydrogen partial pressure in the reference gas was changed. As described above, the change in hydrogen partial pressure when the reference gas was switched from air to argon gas containing 1% oxygen was much larger than the fluctuation in hydrogen partial pressure in the air that occurs in the natural environment, so it was confirmed that air can be used as the reference gas without any problems in hydrogen sensors using the sensor elements of these examples.
以上のことは、測定温度を変化させても同様であった。例として、実施例1の水素センサについて、測定温度800℃、700℃、600℃、及び500℃で起電力を測定した結果を、それぞれ図1(a)、図1(b)、図2(a)、及び、図2(b)に示す。また、実施例2の水素センサについて、測定温度800℃及び600℃で起電力を測定した結果を図3(a)及び図3(b)に示すと共に、実施例3の水素センサについて、測定温度800℃及び600℃で起電力を測定した結果を図4(a)及び図4(b)に示す。これらの図では、基準ガスとして大気を導入した時間帯を「ref:Air」で、基準ガスとして酸素1%を含むアルゴンガスを導入した時間帯を「ref:1%O2-Ar」で示している。 The above was the same even when the measurement temperature was changed. As an example, the results of measuring the electromotive force of the hydrogen sensor of Example 1 at measurement temperatures of 800°C, 700°C, 600°C, and 500°C are shown in Figures 1(a), 1(b), 2(a), and 2(b), respectively. The results of measuring the electromotive force of the hydrogen sensor of Example 2 at measurement temperatures of 800°C and 600°C are shown in Figures 3(a) and 3(b), and the results of measuring the electromotive force of the hydrogen sensor of Example 3 at measurement temperatures of 800°C and 600°C are shown in Figures 4(a) and 4(b). In these figures, the time period when air was introduced as the reference gas is shown as "ref: Air", and the time period when argon gas containing 1% oxygen was introduced as the reference gas is shown as "ref: 1% O 2 -Ar".
そして、実施例1~3の水素センサの何れにおいても、第二空間に導入したガスにおける水素分圧の対数と起電力とは、線形の関係を示した。実施例1~3の水素センサについて、第二空間のガスにおける水素分圧の対数を横軸にとり起電力を縦軸としたグラフを、それぞれ図5、図6、及び、図7に示す。従って、予め、第二空間に水素濃度の異なる複数種類のガスを導入して起電力を測定し、水素分圧(水素濃度)と起電力との相関関係を調べておくことにより、水素濃度が未知である測定ガスを第二空間に導入したときの起電力から、測定ガスの水素濃度を検出することができる。 In each of the hydrogen sensors of Examples 1 to 3, a linear relationship was observed between the logarithm of the hydrogen partial pressure in the gas introduced into the second space and the electromotive force. Graphs of the hydrogen sensors of Examples 1 to 3, with the logarithm of the hydrogen partial pressure in the gas in the second space on the horizontal axis and the electromotive force on the vertical axis, are shown in Figures 5, 6, and 7, respectively. Therefore, by previously introducing multiple types of gases with different hydrogen concentrations into the second space and measuring the electromotive force to investigate the correlation between the hydrogen partial pressure (hydrogen concentration) and the electromotive force, it is possible to detect the hydrogen concentration of the measurement gas, whose hydrogen concentration is unknown, from the electromotive force when the measurement gas is introduced into the second space.
なお、第二空間に導入したガスの水素分圧に対する起電力の値は、第一固体電解質及び第二固体電解質の金属Aとしてストロンチウムを使用した実施例1,2の方が、金属Aとしてカルシウムを使用した実施例3に比べて大きいものであった。起電力の値が大きい方が、測定ガスの水素濃度を高い精度で検出することができる。また、基準ガスの水素分圧を故意に大きく変化させたときの起電力の変化も、第一固体電解質及び第二固体電解質の金属Aとしてストロンチウムを使用した実施例1,2の方が、金属Aとしてカルシウムを使用した実施例3に比べて小さいものであった。これらのことから、第一固体電解質及び第二固体電解質の金属Aとしては、カルシウムよりストロンチウムの方が望ましいと考えられた。 The electromotive force value for the hydrogen partial pressure of the gas introduced into the second space was larger in Examples 1 and 2, in which strontium was used as metal A in the first and second solid electrolytes, than in Example 3, in which calcium was used as metal A. The larger the electromotive force value, the more accurately the hydrogen concentration of the measured gas can be detected. In addition, the change in electromotive force when the hydrogen partial pressure of the reference gas was intentionally changed significantly was smaller in Examples 1 and 2, in which strontium was used as metal A in the first and second solid electrolytes, than in Example 3, in which calcium was used as metal A. From these findings, it was considered that strontium is more preferable than calcium as metal A for the first and second solid electrolytes.
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。 The present invention has been described above with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various improvements and design changes are possible without departing from the spirit of the present invention, as described below.
例えば、上記の実施形態では、センサ素子10を構成する第一固体電解質の焼結体11及び第二固体電解質の焼結体12の形状をディスク状とし、ホルダ51,52によって形成されるホルダ50の中途をセンサ素子10が閉塞していることにより、第一空間S1と第二空間S2とが区画されている態様を例示した。第一固体電解質の焼結体及び第二固体電解質の焼結体は、ある程度の面積で接触させることができれば形状はディスク状に限定されず、柱状や筒状とすることができる。また、センサ素子の形状によらず、センサ素子でホルダの一端を封止することにより、或いは、ホルダの中途でその内部空間をセンサ素子で閉塞することにより、第一空間と第二空間とを区画することができる。
For example, in the above embodiment, the shape of the first solid electrolyte sintered
1 水素センサ
10 センサ素子
11 焼結体(第一固体電解質の焼結体)
12 焼結体(第二固体電解質の焼結体)
21 基準電極
22 測定電極
S1 第一空間
S2 第二空間
1
12 Sintered body (sintered body of second solid electrolyte)
21
Claims (3)
前記センサ素子は、
ペロブスカイト型の結晶構造を有する金属複酸化物であって、化学式AB1-bMbO3-αで表され(ただし、0<b<1)、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Mは+4価以下の複数の価数を取り得る遷移金属である第一固体電解質の焼結体と、
ペロブスカイト型の結晶構造を有する金属複酸化物であって、化学式AB1-cNcO3-αで表され(ただし、0<c<1)、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Nは+4価より小さい価数のみを取る金属である第二固体電解質の焼結体と、を接触させたものであり、
前記第一固体電解質の焼結体に前記基準電極が設けられていると共に、前記第二固体電解質の焼結体に前記測定電極が設けられており、
前記第一空間が大気中に開放されている、または、前記第一空間に基準ガスとして大気を導入する大気導入管を備えている
ことを特徴とする水素センサ。 A hydrogen sensor comprising: a sensor element formed of a solid electrolyte having proton conductivity; a reference electrode provided on a surface of the sensor element; and a measurement electrode provided on the surface of the sensor element in a second space partitioned from a first space in contact with the reference electrode,
The sensor element includes:
a sintered body of a first solid electrolyte which is a metal composite oxide having a perovskite-type crystal structure and is represented by a chemical formula of AB 1-b M b O 3-α (where 0<b<1) , where A is an alkaline earth metal, B is a metal with a valence of +4, and M is a transition metal which can have multiple valences of +4 or less;
a sintered body of a second solid electrolyte which is a metal double oxide having a perovskite-type crystal structure and is represented by a chemical formula of AB1 - cNcO3 -α (where 0<c<1) , where A is an alkaline earth metal, B is a metal whose valence is +4, and N is a metal whose valence is less than +4;
the reference electrode is provided on a sintered body of the first solid electrolyte, and the measurement electrode is provided on a sintered body of the second solid electrolyte;
A hydrogen sensor characterized in that the first space is open to the atmosphere, or that an atmosphere inlet pipe is provided for introducing atmosphere as a reference gas into the first space.
ことを特徴とする請求項1に記載の水素センサ。 2. The hydrogen sensor according to claim 1, wherein the metal A is strontium.
前記センサ素子は、
ペロブスカイト型の結晶構造を有する金属複酸化物であって、化学式AB1-bMbO3-αで表され(ただし、0<b<1)、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Mは+4価以下の複数の価数を取り得る遷移金属である第一固体電解質の焼結体と、
ペロブスカイト型の結晶構造を有する金属複酸化物であって、化学式AB1-cNcO3-αで表され(ただし、0<c<1)、Aはアルカリ土類金属、Bは価数が+4価の金属、Nは+4価より小さい価数のみを取る金属である第二固体電解質の焼結体と、を接触させたものであり、
前記第一固体電解質の焼結体に前記基準電極を設けると共に、前記第二固体電解質の焼結体に前記測定電極を設け、
前記第一空間に導入される基準ガスとして大気を使用する
ことを特徴とする水素濃度の検出方法。 A method for detecting a hydrogen concentration using a hydrogen sensor including a sensor element formed of a solid electrolyte having proton conductivity, a reference electrode provided on a surface of the sensor element, and a measurement electrode provided on the surface of the sensor element in a second space partitioned from a first space in contact with the reference electrode,
The sensor element includes:
a sintered body of a first solid electrolyte which is a metal composite oxide having a perovskite-type crystal structure and is represented by a chemical formula of AB 1-b M b O 3-α (where 0<b<1) , where A is an alkaline earth metal, B is a metal with a valence of +4, and M is a transition metal which can have multiple valences of +4 or less;
a sintered body of a second solid electrolyte which is a metal double oxide having a perovskite-type crystal structure and is represented by a chemical formula of AB1 - cNcO3 -α (where 0<c<1) , where A is an alkaline earth metal, B is a metal whose valence is +4, and N is a metal whose valence is less than +4;
providing the reference electrode on a sintered body of the first solid electrolyte and providing the measurement electrode on a sintered body of the second solid electrolyte;
A method for detecting a hydrogen concentration, comprising the steps of: introducing atmospheric air into the first space as a reference gas;
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