JP7831107B2 - gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサに関する。特には、二酸化硫黄による誤検知をなくし、COe感度が優れた、COeガスセンサに関する。 This invention relates to a gas sensor. More particularly, it relates to a COe gas sensor that eliminates false detections due to sulfur dioxide and exhibits excellent COe sensitivity.
従来、測定対象のガス混合物中でガス成分の検知またはガス濃度の決定のために、固体電解質をベースとして構成されかつ混成電位原理により運転されるセンサや、接触燃焼型のガスセンサなど、種々のガスセンサが知られている。 Conventionally, various gas sensors have been known for detecting gas components or determining gas concentrations in a gas mixture, including sensors based on solid electrolytes and operated by the hybrid potential principle, as well as catalytic combustion type gas sensors.
これらのガスセンサにおいては、検知対象ガスに、雑ガスが混入する場合でも、雑ガスの影響を受けずに、検知対象ガスを精確に検知することが求められる。例えば、接触燃焼型のガスセンサにおいて、2つのセンサ部を備え、対象ガスと雑ガスが混合した濃度と、雑ガスのみの濃度とを別個に検知し、混合ガス濃度から雑ガス濃度を減じることによって、対象ガスの濃度を求める技術が知られている(例えば、特許文献1を参照)。 These gas sensors are required to accurately detect the target gas without being affected by impurities, even when impurities are mixed in with the target gas. For example, a known technique involves a catalytic combustion type gas sensor equipped with two sensor units that separately detect the concentration of the mixed target gas and impurities, and the concentration of the impurities alone. The concentration of the target gas is then determined by subtracting the impurities concentration from the mixed gas concentration (see, for example, Patent Document 1).
測定対象ガスに含まれうる雑ガスの組成は、ガスセンサが配置される環境により大きく異なり、誤検知を引き起こす雑ガスも、様々である。例えば、検知対象ガスが、COe(CO equivelent)ガスの場合、二酸化硫黄(SO2)ガスが、雑ガスとして誤検知を引き起こす場合がある。特に、測定対象ガスが石炭などの燃料とする排気ガスである場合、排気ガス中にSO2ガスが2000ppm程度も含まれる場合がある。このような場合、COeガスの検知におけるSO2ガスの雑ガスとしての影響が大きく、正確な測定が難しい場合があった。 The composition of impurities that may be present in the target gas varies greatly depending on the environment in which the gas sensor is placed, and the impurities that cause false detections are also diverse. For example, when the target gas is COe (CO equivalent) gas, sulfur dioxide ( SO₂ ) gas may cause false detections as an impurity gas. In particular, when the target gas is exhaust gas from fuels such as coal, the exhaust gas may contain as much as 2000 ppm of SO₂ gas. In such cases, the influence of SO₂ gas as an impurity gas on the detection of COe gas is significant, and accurate measurement has sometimes been difficult.
混成電位型のガスセンサにより、COeガスを検知するにあたって、SO2ガスの影響を排除し、誤検知を無くしてCOeガス濃度を正確に得ることが求められる。 When detecting COe gas using a mixed potential type gas sensor, it is necessary to eliminate the influence of SO₂ gas, prevent false detections, and accurately obtain the COe gas concentration.
本発明者らは、鋭意検討の結果、COeガス感度及びSO2ガス感度の、膜厚依存性または温度依存性の特性が相違することに着目した。そして、検知電極の膜厚または温度が異なる少なくとも2つのセンサを用いることにより、COe濃度及びSO2濃度の両方が算出可能であり、SO2ガスによるCOeガスの誤検知の低減が可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research, the inventors focused on the fact that the characteristics of COe gas sensitivity and SO₂ gas sensitivity differ in terms of film thickness dependence or temperature dependence. They then discovered that by using at least two sensors with different film thicknesses or temperatures of the detection electrodes, both COe concentration and SO₂ concentration can be calculated, and false detection of COe gas due to SO₂ gas can be reduced, thus completing the present invention.
本発明は、一実施形態によれば、固体電解質基板を介してイオン電導性に接続された第1検知電極と対極とを含む第1センサ部と、固体電解質基板を介してイオン電導性に接続された第2検知電極と対極とを含む第2センサ部とを含むCOeガスセンサであって、
a)前記第1検知電極の膜厚が前記第2検知電極の膜厚と比較して小さい、または、
b)前記第1検知電極の温度を、前記第2検知電極の温度よりも低く保持可能な機構を備える、COeガスセンサに関する。
According to one embodiment, the present invention is a COe gas sensor comprising a first sensor section including a first detection electrode and a counter electrode connected ionically via a solid electrolyte substrate, and a second sensor section including a second detection electrode and a counter electrode connected ionically via a solid electrolyte substrate,
a) The film thickness of the first detection electrode is smaller than the film thickness of the second detection electrode, or
b) The present invention relates to a COe gas sensor equipped with a mechanism capable of maintaining the temperature of the first detection electrode at a lower temperature than the temperature of the second detection electrode.
前記COeガスセンサにおいて、前記第1検知電極及び前記第2検知電極が、白金を含む合金粒子と固体電解質粒子とを含む焼結体であり、前記対極が、白金を含む金属粒子と固体電解質粒子とを含む焼結体であることが好ましい。 In the COe gas sensor described above, it is preferable that the first detection electrode and the second detection electrode are sintered bodies containing platinum-containing alloy particles and solid electrolyte particles, and that the counter electrode is a sintered body containing platinum-containing metal particles and solid electrolyte particles.
前記COeガスセンサにおいて、前記第1検知電極の膜厚が前記第2検知電極の膜厚と比較して、10μm以上薄く構成されることが好ましい。 In the COe gas sensor described above, it is preferable that the film thickness of the first detection electrode is 10 μm or more thinner than the film thickness of the second detection electrode.
前記COeガスセンサにおいて、前記第1検知電極の膜厚が、15μm~90μmであることが好ましい。 In the COe gas sensor described above, the film thickness of the first detection electrode is preferably 15 μm to 90 μm.
前記COeガスセンサにおいて、前記機構が、前記第1検知電極と、前記第2検知電極の温度を独立して制御可能な加熱部であることが好ましい。 In the COe gas sensor described above, it is preferable that the mechanism is a heating unit capable of independently controlling the temperatures of the first detection electrode and the second detection electrode.
本発明は、別の実施形態によればガス検出計であって、解放端を有する管状ケーシング中に、先に記載のCOeガスセンサを内蔵したガス検出計であり、前記第1検知電極と、前記第2検知電極と、前記対極とが、前記解放端から流入する測定対象ガスに接触可能に構成された、ガス検出計に関する。 The present invention relates to a gas detector, according to another embodiment, which incorporates the previously described COe gas sensor in a tubular casing having an open end, wherein the first detection electrode, the second detection electrode, and the counter electrode are configured to be in contact with the target gas flowing in from the open end.
前記ガス検出計において、前記解放端を有する管状ケーシング中に、酸素ガスセンサをさらに備え、当該酸素ガスセンサが、固体電解質基板と、前記固体電解質基板を介してイオン電導性に接続された少なくとも一対の電極とを含み、当該一対の電極が、白金を含む金属粒子と固体電解質粒子とを含む焼結体からなる酸素検知電極と、白金を含む金属粒子と固体電解質粒子とを含む焼結体からなる酸素検知のための対極とを含み、前記酸素検知電極が、前記解放端から流入する測定対象ガスに接触可能に構成され、前記酸素検知のための対極が、前記測定対象ガス雰囲気から遮断されていることが好ましい。 In the gas detector described above, an oxygen gas sensor is further provided within the tubular casing having the open end. The oxygen gas sensor includes a solid electrolyte substrate and at least a pair of electrodes ionically conductively connected via the solid electrolyte substrate. The pair of electrodes preferably includes an oxygen detection electrode made of a sintered body containing platinum-containing metal particles and solid electrolyte particles, and a counter electrode for oxygen detection made of a sintered body containing platinum-containing metal particles and solid electrolyte particles. The oxygen detection electrode is configured to contact the target gas flowing in from the open end, while the counter electrode for oxygen detection is shielded from the target gas atmosphere.
本発明は、また別の実施形態によれば先のガスセンサを用いたCOeガスの検知方法であって、前記第1センサ部の起電力Em1と第2センサ部の起電力Em2を得る工程と、前記第1センサ部について予め求めたパラメータa11、a21、b11、b21と、前記第2センサ部について予め求めたパラメータa12、a22、b12、b22と、Em1、Em2との相関関係に基づき、COeガス濃度Xcoe及びSO2ガス濃度XSO2を算出する工程とを含み、a11、a12は、COeガス起電力の濃度依存性を示す定数であり、b11、b12は、COeガスの感度限界濃度を示す定数であり、a21、a22は、SO2ガス起電力の濃度依存性を示す定数であり、b21、b22は、SO2ガスの感度限界濃度を定数である、検知方法に関する。 The present invention, according to another embodiment, is a method for detecting COe gas using the aforementioned gas sensor, comprising the steps of: obtaining the electromotive force Em 1 of the first sensor unit and the electromotive force Em 2 of the second sensor unit; and calculating the COe gas concentration Xcoe and the SO2 gas concentration XSO2 based on the correlation between parameters a 11 , a 21 , b 11 , b 21 determined in advance for the first sensor unit, parameters a 12 , a 22 , b 12 , b 22 determined in advance for the second sensor unit, and Em 1 , Em 2 , wherein a 11 , a 12 are constants indicating the concentration dependence of the COe gas electromotive force, b 11 , b 12 are constants indicating the sensitivity limit concentration of the COe gas, a 21 , a 22 are constants indicating the concentration dependence of the SO2 gas electromotive force, and b 21 , b 22 are constants indicating the sensitivity limit concentration of the SO2 gas.
前記検知方法において、前記定数が、前記第1検知電極を第1温度とし、前記第2検知電極を第2温度として求めた定数であり、前記起電力を得る工程が、前記第1検知電極を第1温度とし、前記第2検知電極を第2温度として実施され、前記第1温度が580~650℃であり、前記第2温度が前記第1温度より30~100℃高い温度であることが好ましい。 In the detection method described above, the constant is a constant determined by setting the first detection electrode to a first temperature and the second detection electrode to a second temperature. The step of obtaining the electromotive force is preferably performed with the first detection electrode at a first temperature and the second detection electrode at a second temperature, where the first temperature is 580 to 650°C and the second temperature is 30 to 100°C higher than the first temperature.
本発明によれば、SO2ガスの影響を受けることなく、COeガスを高い感度で選択的に検知することができる混成電位型のCOeガスセンサを提供することができる。 According to the present invention, a mixed potential type COe gas sensor can be provided that can selectively detect COe gas with high sensitivity without being affected by SO₂ gas.
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below.
[第1実施形態:COeガスセンサ]
本発明は、第1実施形態よれば、COeガスセンサに関する。本実施形態によるCOeガスセンサは、固体電解質基板を介してイオン電導性に接続された第1検知電極と対極とを含む第1センサ部と、固体電解質基板を介してイオン電導性に接続された第2検知電極と対極とを含む第2センサ部とを含むCOeガスセンサであって、
a)前記第1検知電極の膜厚が前記第2検知電極の膜厚と比較して小さい、または、
b)前記第1検知電極の温度を、前記第2検知電極の温度よりも低く保持可能な機構を備える、COeガスセンサである。
[First Embodiment: COe Gas Sensor]
The present invention relates to a COe gas sensor according to a first embodiment. The COe gas sensor according to this embodiment is a COe gas sensor that includes a first sensor part including a first detection electrode and a counter electrode connected ionically via a solid electrolyte substrate, and a second sensor part including a second detection electrode and a counter electrode connected ionically via a solid electrolyte substrate,
a) The film thickness of the first detection electrode is smaller than the film thickness of the second detection electrode, or
b) A COe gas sensor comprising a mechanism capable of maintaining the temperature of the first detection electrode lower than the temperature of the second detection electrode.
本実施形態に係るCOeガスセンサは、検知対象ガスであるCOeガスを含み、非検知対象ガスをも含むガスを測定対象ガスとする。ここで、COeガスとは、燃料の不完全燃焼の際に生成するガスであって、一酸化炭素(CO)、及び水素(H2)を含むガスである。したがって、本明細書において、COeガス濃度とは、COガスとH2ガスとの総濃度をいうものとする。本発明によるCOeガスセンサは、COeガス濃度を検知するとともに、COeガスと区別して、二酸化硫黄(SO2)ガス濃度を検知することが可能なガスセンサである。 The COe gas sensor according to this embodiment measures a gas that includes COe gas, which is the gas to be detected, as well as non-detectable gases. Here, COe gas is a gas produced during the incomplete combustion of fuel, and contains carbon monoxide (CO) and hydrogen ( H₂ ). Therefore, in this specification, COe gas concentration refers to the total concentration of CO gas and H₂ gas. The COe gas sensor according to the present invention is a gas sensor that can detect the COe gas concentration and also detect the sulfur dioxide ( SO₂ ) gas concentration separately from COe gas.
本実施形態に係るCOeガスセンサにおいては、検知電極の膜厚が異なる2以上のセンサ部から得られる起電力差に基づきCOeガス濃度とSO2ガス濃度を得る態様(態様a)と、検知電極の温度が異なる2以上のセンサ部から得られる起電力差に基づきCOeガス濃度とSO2ガス濃度を得る態様(態様b)とがありうる。以下、各態様について説明する。 In the COe gas sensor according to this embodiment, there are two possible embodiments: one in which the COe gas concentration and SO₂ gas concentration are obtained based on the electromotive force difference obtained from two or more sensor sections with different detection electrode thicknesses (embodiment a), and another in which the COe gas concentration and SO₂ gas concentration are obtained based on the electromotive force difference obtained from two or more sensor sections with different detection electrode temperatures (embodiment b). Each embodiment will be described below.
[態様a:検知電極の膜厚差を利用するセンサ]
図1は、第1実施形態の態様aによるCOeガスセンサの概略断面図である。態様aによるCOeガスセンサ1は、第1センサ部13と第2センサ部17とから構成される。第1センサ部13は、固体電解質基板10と、第1検知電極11と、対極12とを備える。第2センサ部17は、固体電解質基板14と、第2検知電極15と、対極16とを備える。
[Aspect a: Sensor utilizing the difference in film thickness of the detection electrode]
Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a COe gas sensor according to embodiment a of the first embodiment. The COe gas sensor 1 according to embodiment a consists of a first sensor section 13 and a second sensor section 17. The first sensor section 13 includes a solid electrolyte substrate 10, a first detection electrode 11, and a counter electrode 12. The second sensor section 17 includes a solid electrolyte substrate 14, a second detection electrode 15, and a counter electrode 16.
第1センサ部13について説明する。固体電解質基板10は、第1検知電極11または対極12と、検知対象ガスを含む気相との三相界面を形成し、イオン電導を可能とする部材である。固体電解質基板10の形状は特には限定されず、第1検知電極11及び対極12間をイオン電導可能に結合することができればよい。したがって、例えば図1に示す平板状の固体電解質基板10の他、筒状の基板や、一端が閉鎖された筒状の基板であってもよい。 The first sensor unit 13 will now be described. The solid electrolyte substrate 10 is a component that forms a three-phase interface between the first detection electrode 11 or counter electrode 12 and the gas phase containing the gas to be detected, thereby enabling ion conduction. The shape of the solid electrolyte substrate 10 is not particularly limited; it is sufficient as long as it can connect the first detection electrode 11 and the counter electrode 12 in a way that enables ion conduction. Therefore, in addition to the flat solid electrolyte substrate 10 shown in Figure 1, for example, a cylindrical substrate or a cylindrical substrate with one end closed may also be used.
固体電解質基板10は、安定化ジルコニアが好ましく、例えば、イットリア、セリア等の希土類金属酸化物により安定化したジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア等が挙げられるが、これらには限定されない。イオン電導性の観点から、特にはイットリア安定化ジルコニアを用いることが好ましい。 The solid electrolyte substrate 10 is preferably stabilized zirconia. Examples include, but are not limited to, zirconia stabilized with rare earth metal oxides such as yttria and ceria, calcia-stabilized zirconia, and magnesia-stabilized zirconia. From the viewpoint of ion conductivity, yttria-stabilized zirconia is particularly preferred.
第1検知電極11は、作用電極として機能し、対極12との間で起電力の差を測定可能に構成される。図1においては、第1検知電極11と対極12は、それぞれが固体電解質基板10に接触して形成され、かつ第1検知電極11と対極12とが離間して設けられる。しかし、第1検知電極11と対極12とが、固体電解質基板10を介してイオン電導性に結合していればよく、例えば、第1検知電極11と固体電解質基板10との間に、イオン電導性の他の部材を介していてもよい。また、図1においては、平板状の固体電解質基板10の一方の表面上に、第1検知電極11と対極12とが離間して設けられているが、平板状の固体電解質基板10の一方の表面に検知電極を、他方の表面に対極を配置することもできる。しかしながら、第1検知電極11と対極12とが、同一の気相雰囲気と接触するように構成することが必要であり、固体電解質基板により第1検知電極11と対極12との雰囲気が遮断されない態様にて、第1検知電極11と対極12を配置する。 The first detection electrode 11 functions as the working electrode and is configured to measure the difference in electromotive force between it and the counter electrode 12. In Figure 1, the first detection electrode 11 and the counter electrode 12 are each formed in contact with the solid electrolyte substrate 10, and are spaced apart from each other. However, it is sufficient that the first detection electrode 11 and the counter electrode 12 are ionically conductively coupled via the solid electrolyte substrate 10, and for example, another ionically conductive member may be interposed between the first detection electrode 11 and the solid electrolyte substrate 10. Also, in Figure 1, the first detection electrode 11 and the counter electrode 12 are spaced apart on one surface of the flat solid electrolyte substrate 10, but it is also possible to arrange the detection electrode on one surface of the flat solid electrolyte substrate 10 and the counter electrode on the other surface. However, it is necessary to configure the first detection electrode 11 and the counter electrode 12 to be in contact with the same gas-phase atmosphere, and the first detection electrode 11 and the counter electrode 12 are arranged in such a manner that the atmosphere between the first detection electrode 11 and the counter electrode 12 is not blocked by the solid electrolyte substrate.
第1検知電極11は、白金(Pt)を含む金属もしくはとPtを含む金属合金からなる金属粒子と、固体電解質粒子とを含む焼結体であってよい。Ptを含む金属合金としては、Ptとロジウム(Rh)の合金、やPtと金(Au)の合金等を含んでもよい。Ptを含む合金におけるPtとそれ以外の金属との質量比は、例えば、98:2~85:15程度であってよいが特には限定されない。金属粒子の平均粒子径は、約0.5~2.5μm程度であってよいが、特には限定されない。固体電解質粒子は、安定化ジルコニア粒子であってよく、固体電解質基板10の材料として挙げた任意の安定化ジルコニアから選択される1種以上であってよい。また、固体電解質基板10の主成分となる安定化ジルコニアと同一組成の安定化ジルコニアであってもよく、異なる組成の安定化ジルコニアであってもよい。固体電解質粒子は、特には、イットリア安定化ジルコニア粒子が好ましい。固体電解質粒子の平均粒子径は、約0.1~1μm程度であってよいが、特には限定されない。 The first detection electrode 11 may be a sintered body comprising metal particles made of a metal containing platinum (Pt) or a metal alloy containing Pt, and solid electrolyte particles. The metal alloy containing Pt may include alloys of Pt and rhodium (Rh), or alloys of Pt and gold (Au), etc. The mass ratio of Pt to other metals in the Pt-containing alloy may be, for example, about 98:2 to 85:15, but is not particularly limited. The average particle size of the metal particles may be about 0.5 to 2.5 μm, but is not particularly limited. The solid electrolyte particles may be stabilized zirconia particles, and may be one or more selected from any stabilized zirconia listed as materials for the solid electrolyte substrate 10. Furthermore, the stabilized zirconia may have the same composition as the stabilized zirconia that forms the main component of the solid electrolyte substrate 10, or it may have a different composition. Yttria-stabilized zirconia particles are particularly preferred for the solid electrolyte particles. The average particle size of the solid electrolyte particles may be approximately 0.1 to 1 μm, but is not particularly limited.
このような焼結体は、PtまたはPt合金からなる金属粒子と、固体電解質粒子とを含む混合物を、バインダに溶解させた有機溶剤等の適切な溶剤中に分散して得られたペーストを、固体電解質基板10上に、例えば薄層形状に塗布・成形して、大気中で、1200~1400℃で焼成することにより得ることができる。 Such a sintered body can be obtained by dispersing a mixture containing metal particles made of Pt or a Pt alloy and solid electrolyte particles in a suitable solvent, such as an organic solvent dissolved in a binder, and then applying and shaping the resulting paste onto a solid electrolyte substrate 10, for example, in a thin layer, and firing it in air at 1200 to 1400°C.
対極12の材料は、白金(Pt)を含む金属もしくはとPtからなる金属粒子と、固体電解質粒子とを含む焼結体であってよい。金属粒子、固体電解質粒子の粒径と、好ましい組成範囲は、第1検知電極11と同様であってよく、焼結体の製造方法もまた、第1検知電極11の製造方法と同じであってよい。 The material of the counter electrode 12 may be a sintered body containing a metal containing platinum (Pt) or metal particles composed of platinum and Pt, and solid electrolyte particles. The particle size and preferred composition range of the metal particles and solid electrolyte particles may be the same as those of the first detection electrode 11, and the manufacturing method of the sintered body may also be the same as that of the first detection electrode 11.
第1センサ部は、第1検知電極11及び対極12にそれぞれ接続される図示しない検出部を含む。検出部は、検出回路及び配線を含む。配線は、その一端が第1検知電極11と接続され、他端が検出回路と接続される配線と、その一端が対極12と接続され、他端が検出回路と接続される配線とを含む。検出回路は、第1検知電極11と対極12との間の起電力(電位差)を測定可能な機器であってよく、一般的な電位計であってよい。また、配線は導電性部材からなる配線であってよく、Pt線もしくは、配線が接続される電極材料と同一組成の焼結体で構成された配線であってよい。 The first sensor unit includes detection units (not shown) connected to the first detection electrode 11 and the counter electrode 12, respectively. The detection units include a detection circuit and wiring. The wiring includes a wire with one end connected to the first detection electrode 11 and the other end connected to the detection circuit, and a wire with one end connected to the counter electrode 12 and the other end connected to the detection circuit. The detection circuit may be a device capable of measuring the electromotive force (potential difference) between the first detection electrode 11 and the counter electrode 12, and may be a general-purpose electrometer. The wiring may also be made of a conductive material, and may be made of Pt wire or a sintered body with the same composition as the electrode material to which the wiring is connected.
第2センサ部17について説明する。第2センサ部17の構成は、第1センサ部13と実質的に同一であってよい。したがって、固体電解質基板14の材料及び形状、第2検知電極15と、対極16の材料及び形状、並びにこれらの位置関係も、第1センサ部13と実質的に同一であってよい。図示しない検出部の構成も同一であってよく、第2検知電極15と対極16配線との間の起電力を測定可能な機器から構成される検出回路と、これらを接続する配線を含んでいればよい。 The second sensor unit 17 will now be described. The configuration of the second sensor unit 17 may be substantially identical to that of the first sensor unit 13. Therefore, the material and shape of the solid electrolyte substrate 14, the material and shape of the second detection electrode 15 and the counter electrode 16, and their positional relationship may also be substantially identical to those of the first sensor unit 13. The configuration of the detection unit (not shown) may also be identical, and only requires the inclusion of a detection circuit consisting of equipment capable of measuring the electromotive force between the second detection electrode 15 and the counter electrode 16 wiring, and the wiring connecting them.
態様aにおいては、第1検知電極11の膜厚t1は、第2検知電極15の膜厚t2よりも小さく構成する。第1検知電極11の膜厚t1と第2検知電極の膜厚t2との差が、10μm以上であることが好ましく、30μm以上であることがさらに好ましい。また、第1検知電極の膜厚t1が、15μm~90μmであることが好ましい。この膜厚範囲において、COeの起電力特性と、SO2の起電力特性の差異が明確に生じるためである。 In embodiment a, the film thickness t1 of the first detection electrode 11 is smaller than the film thickness t2 of the second detection electrode 15. The difference between the film thickness t1 of the first detection electrode 11 and the film thickness t2 of the second detection electrode is preferably 10 μm or more, and more preferably 30 μm or more. Furthermore, the film thickness t1 of the first detection electrode is preferably 15 μm to 90 μm. This is because a clear difference in the electromotive force characteristics of COe and SO₂ occurs within this film thickness range.
第1検知電極11の膜厚t1と対極12の膜厚の関係は特には限定されない。また、第2検知電極15の膜厚t2と対極16の膜厚の関係も特には限定されない。2つの対極12、16の膜厚の関係も限定されないが、膜厚が同一であることが好ましく、例えば20~50μm程度とすることができる。 The relationship between the film thickness t1 of the first detection electrode 11 and the film thickness of the counter electrode 12 is not particularly limited. Similarly, the relationship between the film thickness t2 of the second detection electrode 15 and the film thickness of the counter electrode 16 is not particularly limited. The relationship between the film thicknesses of the two counter electrodes 12 and 16 is also not limited, but it is preferable that their film thicknesses be the same, for example, they can be about 20 to 50 μm.
図示する形態においては、第1センサ部13と第2センサ部17とが、それぞれ独立して、別個の固体電解質基板と、対極とを備えるが、本発明においては、第1センサ部13と第2センサ部17が、固体電解質基板を共有することができる。その場合には、任意選択的に対極を共有することもできる。すなわち、連続した一つの固体電解質基板上に、第1検知電極と、第2検知電極と、それぞれの検知電極と組み合わせる対極を有してもよく、第1検知電極と、第2検知電極と、単一の対極を有してもよい。 In the illustrated embodiment, the first sensor unit 13 and the second sensor unit 17 each independently comprise separate solid electrolyte substrates and counter electrodes. However, in this invention, the first sensor unit 13 and the second sensor unit 17 can share a solid electrolyte substrate. In this case, the counter electrodes can also be optionally shared. That is, the first detection electrode, the second detection electrode, and the counter electrodes paired with each detection electrode may be located on a single continuous solid electrolyte substrate, or the first detection electrode, the second detection electrode, and a single counter electrode may be located on the same substrate.
本実施形態によるCOeガスセンサは、さらなる任意選択的な要素として、ヒータ(図示せず)を備えていてもよい。ヒータは、必要に応じて固体電解質基板10を所定の温度まで昇温可能な装置であってよく、タングステン(W)薄膜や白金(Pt)薄膜からなる薄層型のヒータであってもよく、セラミックヒータであってもよく、それ以外の任意のヒータであってもよい。図1に示す第1センサ部13がさらにヒータを備える場合、ヒータは、例えば、固体電解質基板10の一方の表面であって、第1検知電極11及び対極12が設けられているのとは反対側の表面に、絶縁膜を設け、第1検知電極11及び対極12とヒータが固体電解質基板10及び絶縁膜を介して対向する位置関係で形成することができる。あるいは、ヒータは、固体電解質基板とは接触せずに固体電解質基板の近傍、例えば固体電解質基板の周囲に設けることもできるが、特定の態様には限定されない。第2センサ部17についても、同様の構成でヒータを設けることができる。第1センサ部13と第2センサ部17が別個のヒータを備えてもよく、両センサ部を加熱する単一のヒータを備えていてもよい。 The COe gas sensor according to this embodiment may also include a heater (not shown) as a further optional element. The heater may be a device capable of raising the solid electrolyte substrate 10 to a predetermined temperature as needed, and may be a thin-layer heater made of a tungsten (W) thin film or a platinum (Pt) thin film, a ceramic heater, or any other heater. If the first sensor unit 13 shown in Figure 1 further includes a heater, the heater can be formed, for example, by providing an insulating film on one surface of the solid electrolyte substrate 10, on the surface opposite to where the first detection electrode 11 and counter electrode 12 are provided, so that the first detection electrode 11 and counter electrode 12 and the heater face each other via the solid electrolyte substrate 10 and the insulating film. Alternatively, the heater may be provided near the solid electrolyte substrate, for example around the solid electrolyte substrate, without contact with the solid electrolyte substrate, but is not limited to any particular embodiment. The second sensor unit 17 can also be provided with a heater in a similar configuration. The first sensor unit 13 and the second sensor unit 17 may be equipped with separate heaters, or they may be equipped with a single heater that heats both sensor units.
次に、このような構成を備えるガスセンサの製造方法について説明する。本実施形態によるガスセンサの製造方法は、第1センサ部13、第2センサ部17ともに、固体電解質基板10、14に検知電極11、15及び対極12、16を形成する工程を含む。 Next, a method for manufacturing a gas sensor having this configuration will be described. The manufacturing method for the gas sensor according to this embodiment includes the step of forming detection electrodes 11 and 15 and counter electrodes 12 and 16 on solid electrolyte substrates 10 and 14 for both the first sensor section 13 and the second sensor section 17.
第1センサ部13の電極形成工程では、固体電解質基板10に第1検知電極11及び対極12を形成する。それぞれの電極の形成方法については先に述べた通りである。第1検知電極11の材料からなるペースト、対極12の材料からなるペーストの両方を固体電解質基板10上に形成し、かつ、第1検知電極11及び対極12のそれぞれと検出回路との間を接続する配線を固体電解質基板10上に配設した後に、これらを焼成することが好ましい。固体電解質基板10は、市販品を用いることもできるし、電極形成工程に先立って、固体電解質材料を所望の形状に成形して製造することもできる。また、任意選択的な構成要素であるヒータを固体電解質基板上に備えるガスセンサにおいては、予めアルミナ等の電気的絶縁層を積層形成した上にPtペーストなどから成るヒータ電極パターンを印刷法などにより形成、焼成しておくことにより、固体電解質基板10上にヒータを形成することができる。電極形成工程により、固体電解質基板10、第1検知電極11及び対極12及び配線を含むガスセンサを得ることができる。第2センサ部17も同様である。単一の固体電解質基板上に、第1検知電極、第2検知電極、対極を形成する場合には、これらを同時に成膜し、焼成することができる。 In the electrode formation process of the first sensor unit 13, a first detection electrode 11 and a counter electrode 12 are formed on the solid electrolyte substrate 10. The method for forming each electrode is as described above. It is preferable to form both a paste made of the material for the first detection electrode 11 and a paste made of the material for the counter electrode 12 on the solid electrolyte substrate 10, and then arrange wiring connecting the first detection electrode 11 and the counter electrode 12 to the detection circuit on the solid electrolyte substrate 10 before firing them. The solid electrolyte substrate 10 can be a commercially available product, or it can be manufactured by molding the solid electrolyte material into a desired shape prior to the electrode formation process. Furthermore, in a gas sensor that includes a heater, which is an optional component, on the solid electrolyte substrate, the heater can be formed on the solid electrolyte substrate 10 by forming an electrically insulating layer such as alumina in advance, and then forming a heater electrode pattern made of Pt paste or the like by printing and firing it. Through the electrode formation process, a gas sensor including the solid electrolyte substrate 10, the first detection electrode 11, the counter electrode 12, and the wiring can be obtained. The same applies to the second sensor unit 17. When forming the first detection electrode, the second detection electrode, and the counter electrode on a single solid electrolyte substrate, these can be deposited and fired simultaneously.
なお、図1は、第1センサ部と、第2センサ部とからなるCOeガスセンサ1を例示したが、COeガスセンサは、追加のセンサ部を備えていてもよい。追加のセンサ部は、追加の検知電極を備えてよく、追加の検知電極の膜厚は、第1検知電極または第2検知電極の好ましい膜厚範囲にあって、かつ、第1検知電極または第2検知電極のいずれかとの関係で、上記所定の好ましい膜厚差を備えることができる。追加のセンサ部の数は、原理上は特に限定されない。追加のセンサ部を設けることで、より正確な演算結果が得られる利点がありうる。 Figure 1 illustrates a COe gas sensor 1 consisting of a first sensor unit and a second sensor unit, but the COe gas sensor may also include additional sensor units. The additional sensor units may include additional detection electrodes, and the film thickness of the additional detection electrodes may be within the preferred film thickness range of the first or second detection electrode, and may have the predetermined preferred film thickness difference in relation to either the first or second detection electrode. The number of additional sensor units is not particularly limited in principle. Providing additional sensor units may offer the advantage of obtaining more accurate calculation results.
次に、態様aによるCOeガスセンサを用いたCOeガス検知方法について説明する。COeガス検知方法は、COeガスセンサの作動方法ともいうことができる。態様aによるCOeガスセンサを用いたCOeガス検知方法は、以下の工程を含む。
(1)第1センサ部の起電力Em1と第2センサ部の起電力Em2を得る工程
(2)第1センサ部について予め求めたパラメータa11、a21、b11、b21と、前記第2センサ部について予め求めたパラメータa12、a22、b12、b22と、Em1、Em2との相関関係に基づき、COeガス濃度Xcoe及びSO2ガス濃度XSO2を算出する工程
Next, a COe gas detection method using a COe gas sensor according to embodiment a will be described. The COe gas detection method can also be called a method for operating the COe gas sensor. The COe gas detection method using a COe gas sensor according to embodiment a includes the following steps.
(1) A step of obtaining the electromotive force Em 1 of the first sensor unit and the electromotive force Em 2 of the second sensor unit. (2) A step of calculating the COe gas concentration Xcoe and the SO2 gas concentration XSO2 based on the correlation between the parameters a 11 , a 21 , b 11 , b 21 determined in advance for the first sensor unit, the parameters a 12 , a 22 , b 12 , b 22 determined in advance for the second sensor unit, and Em 1 , Em 2.
測定対象ガスは、一般的にCOeガスを含む可能性があるガスであってよい。典型的には、ゴミ焼却炉やボイラ等の設備で発生するガスであってよいが、これらには限定されない。設備で発生するガスの温度は、特には限定されないが、例えば-10℃~600℃であってよい。これらのガスが第1センサ部及び第2センサ部に接触する時点で、600℃以上の所定の温度となるように制御することができる。ガスの検知にあたって、このような測定対象ガスが流通する煙道等に第1実施形態の態様aに係るセンサを設置することができる。この場合、第1センサ部13の第1検知電極11及び対極12の両者、並びに第2センサ部17の第2検知電極15及び対極16の両者が、測定対象ガスと接触する態様で、ガスセンサを設置する。 The gas to be measured may generally be a gas that may contain COe gas. Typically, it may be a gas generated in equipment such as waste incinerators or boilers, but is not limited to these. The temperature of the gas generated in the equipment is not particularly limited, but may be, for example, -10°C to 600°C. The temperature of these gases can be controlled to reach a predetermined temperature of 600°C or higher when they come into contact with the first and second sensor units. For gas detection, the sensor according to embodiment a of the first embodiment can be installed in a flue or the like through which such the gas to be measured flows. In this case, the gas sensor is installed such that both the first detection electrode 11 and the counter electrode 12 of the first sensor unit 13, and both the second detection electrode 15 and the counter electrode 16 of the second sensor unit 17, are in contact with the gas to be measured.
予備工程:センサ特性の決定
本実施形態による方法においては、COeガスセンサの稼働の前に、センサ特性を決定する工程を行う。COeガスセンサの個体差を勘案して、この工程は、全てのCOeガスセンサについて、稼働前に個別に実施する必要がある。1つのCOeガスセンサについては、一般的には、使用開始前に特性決定を1回行えばよい。場合により、定期的に特性決定を行い、センサ特性を校正することも可能である。センサ特性の決定は、以下の工程により実施することができる。
1)第1センサ部について、第1検知電極と対極の起電力差(以下、感度という。単位は、-Ewc/mV)のCOeガス濃度(ppm)依存性と、感度のSO2ガス濃度(ppm)依存性を実験により得る工程
2)第2センサ部について、感度(-Ewc/mV)のCOeガス濃度(ppm)依存性と、感度(-Ewc/mV)のSO2ガス濃度(ppm)依存性を実験により得る工程
3)前記実験結果を、X軸がガス濃度、Y軸が感度であり、X軸が片対数表示されたグラフにプロットし、高濃度側の近似直線を得て、近似直線の傾きとX軸切片を得る工程
Preliminary Step: Determination of Sensor Characteristics In the method according to this embodiment, a step to determine the sensor characteristics is performed before the COe gas sensor is put into operation. Taking into account individual differences in COe gas sensors, this step must be performed individually for all COe gas sensors before they are put into operation. Generally, for one COe gas sensor, it is sufficient to determine the characteristics once before putting it into use. In some cases, it is also possible to perform characteristic determination periodically and calibrate the sensor characteristics. The determination of sensor characteristics can be performed by the following steps.
1) For the first sensor unit, the step of experimentally obtaining the dependence of the electromotive force difference between the first detection electrode and the counter electrode (hereinafter referred to as sensitivity; unit: -Ewc/mV) on the COe gas concentration (ppm) and the dependence of the sensitivity on the SO₂ gas concentration (ppm). 2) For the second sensor unit, the step of experimentally obtaining the dependence of the sensitivity (-Ewc/mV) on the COe gas concentration (ppm) and the dependence of the sensitivity (-Ewc/mV) on the SO₂ gas concentration (ppm). 3) The step of plotting the experimental results on a graph where the X-axis is gas concentration, the Y-axis is sensitivity, and the X-axis is displayed on a semi-logarithmic scale, obtaining an approximate straight line on the high-concentration side, and obtaining the slope and X-axis intercept of the approximate straight line.
1)では、既知の濃度のCOeを含み、雑ガスを含まない実験ガスを第1センサ部に接触させて感度を測定する。測定は、ガスセンサ稼働時の測定において予想されるCOe濃度範囲にて、4~10点程度行うことができ、例えば、10ppm~3000ppmの範囲内で行うことが好ましい。ここでいうCOeは、例えば、COとH2の等モル混合物とすることができる。同様に、既知の濃度のSO2ガスを含み、雑ガスを含まない実験ガスを第1センサ部に接触させて感度を測定する。測定するSO2ガスの濃度範囲も、COeガスと同じであってよく、例えば、10ppm~3000ppmとすることができる。また、本工程におけるセンサ温度条件、実験ガスの流速条件は、ガスセンサ稼働時のセンサ温度、測定対象ガス流速について想定される条件とすることが好ましい。態様aによるセンサを用いる場合、一般的には、センサ温度は、600~700℃程度とすることができるが、この条件には限定されない。また、測定対象ガス流速とは、センサに接する際の測定対象ガスの流速をいうものとする。 1) In this step, the sensitivity is measured by bringing an experimental gas containing COe at a known concentration and free from impurities into contact with the first sensor unit. Measurements can be taken at approximately 4 to 10 points within the COe concentration range expected during gas sensor operation, preferably within the range of 10 ppm to 3000 ppm. Here, COe can be, for example, an equimolar mixture of CO and H₂ . Similarly, the sensitivity is measured by bringing an experimental gas containing SO₂ gas at a known concentration and free from impurities into contact with the first sensor unit. The concentration range of the SO₂ gas to be measured may be the same as that of the COe gas, for example, 10 ppm to 3000 ppm. Furthermore, the sensor temperature conditions and experimental gas flow rate conditions in this step are preferably those expected for the sensor temperature and the flow rate of the gas to be measured during gas sensor operation. When using the sensor according to embodiment a, the sensor temperature can generally be around 600 to 700°C, but is not limited to this condition. Furthermore, the measured gas flow velocity refers to the flow velocity of the gas being measured when it comes into contact with the sensor.
2)では、第2センサ部について、1)と同様に測定を行う。1)と2)の測定は、同時に行うことができる。 2) In this step, the second sensor unit is measured in the same manner as in step 1). Measurements in steps 1) and 2) can be performed simultaneously.
3)では、第1センサ部と、第2センサ部のそれぞれについて、プロットを作成する。図2は、第1センサ部について作成したプロットの例である。第1実施形態による三相界面式のガスセンサにおいては、図2に示すように、X軸片対数グラフに感度のガス濃度依存性をプロットすると、一般的に、高濃度側において、傾きが一定の直線関係を示す。ここでいう高濃度とは、センサの特性によっても異なり、特定の数値範囲に限定されるものではない。当業者であれば、プロット結果に基づいて、傾きが一定の直線関係を示す高濃度側領域を抽出することができる。図2中、COeガスの濃度依存性を黒、SO2ガスの濃度依存性を白抜きの丸で表示する。また高濃度側のプロットに対し外挿した直線を破線で表し、外挿した直線のX軸切片も黒、または白抜きの丸で表示する。ここで傾きを表すパラメータをaijとし、感度が0となるX軸切片を表すパラメータをbijとする。i=1はCOeに関するパラメータであり、i=2はSO2に関するパラメータであり、i=mは混合ガスに関するパラメータである。j=1は第1センサ部に関するパラメータであり、j=2は第2センサ部に関するパラメータである。 3) Plots are created for both the first sensor unit and the second sensor unit. Figure 2 shows an example of a plot created for the first sensor unit. In the three-phase interface gas sensor according to the first embodiment, as shown in Figure 2, when the gas concentration dependence of sensitivity is plotted on a semi-logarithmic graph of the x-axis, a linear relationship with a constant slope is generally observed on the high-concentration side. The term "high concentration" here varies depending on the characteristics of the sensor and is not limited to a specific numerical range. Those skilled in the art can extract the high-concentration region showing a linear relationship with a constant slope based on the plot results. In Figure 2, the concentration dependence of COe gas is shown in black, and the concentration dependence of SO₂ gas is shown in white circles. In addition, the line extrapolated to the high-concentration plot is shown as a dashed line, and the x-intercept of the extrapolated line is also shown in black or white circles. Here, the parameter representing the slope is a ij , and the parameter representing the x-intercept where the sensitivity is 0 is b ij . i=1 is a parameter related to COe, i=2 is a parameter related to SO₂ , and i=m is a parameter related to the mixed gas. j=1 is a parameter related to the first sensor unit, and j=2 is a parameter related to the second sensor unit.
図2から、COeグラフの傾きa11、切片b11、SO2グラフの傾きa21、切片b21が得られる。いずれも、第1センサ部に固有の値であり、定数である。同様に、図3から、COeグラフの傾きa12、切片b12、SO2グラフの傾きa22、切片b22が得られる。いずれも、第2センサ部に固有の値であり、定数である。本発明者は、第1センサ部と第2センサ部を、検知電極の膜厚が異なるように構成することで、COeガス、SO2ガスともに、感度のガス濃度依存性の特性を表すX軸切片、グラフの傾きが異なることを見出した。そして、8つのパラメータa11、b11、a21、b21、a12、b12、a22、b22を用いて、COeガス濃度、SO2ガス濃度と、各センサ部の起電力との関係式を導出することに想到した。関係式の導出方法の一例について説明する。 From Figure 2, the slope a 11 and intercept b 11 of the COe graph, and the slope a 21 and intercept b 21 of the SO₂ graph are obtained. All of these are values specific to the first sensor unit and are constants. Similarly, from Figure 3, the slope a 12 and intercept b 12 of the COe graph, and the slope a 22 and intercept b 22 of the SO₂ graph are obtained. All of these are values specific to the second sensor unit and are constants. The inventors have found that by configuring the first and second sensor units to have different film thicknesses of the detection electrodes, the X-axis intercept and graph slopes, which represent the gas concentration dependence characteristics of sensitivity, differ for both COe gas and SO₂ gas. Then, using eight parameters a11 , b11 , a21 , b21, a12 , b12 , a22 , and b22 , we conceived of deriving a relationship between the COe gas concentration, SO2 gas concentration, and the electromotive force of each sensor. An example of the method for deriving the relationship will be explained below.
図2、3から、COeガス濃度を変数XCOe、SO2ガス濃度を変数XSO2、感度の変数Eijとすると、直線関係が成り立っている領域では、ガス濃度と感度の関係は、各パラメータを用いて以下の数式で表すことができる。
混合ガスの場合の感度(起電力Em)を内部抵抗Rと起電力Eの並列回路と仮定して算出すると、第1センサ部のガス感度E11、E21、内部抵抗R1、第2センサ部のガス感度E12、E22、内部抵抗R2の場合に、Em1、Em2、は以下の式で表すことができる。
Em1=1/(1+A) E11 + 1/(1+A-1)E21
Em2=1/(1+A) E12 + 1/(1+A-1)E22
ここでAは電極の内部抵抗比A=R1/R2であるが、同一電極でのガス感度となるため、A=1と仮定すると、第1センサ部、第2センサ部のそれぞれの混合ガスに対する感度(起電力)は以下の式で表すことができる。
2Em1=E11+E21
2Em2=E12+E22
When calculating the sensitivity (electromotive force E m ) in the case of a mixed gas, assuming a parallel circuit of internal resistance R and electromotive force E, E m1 and E m2 can be expressed by the following formulas when the gas sensitivity of the first sensor unit is E 11 , E 21 and internal resistance R 1, and the gas sensitivity of the second sensor unit is E 12 , E 22 and internal resistance R 2 .
E m1 = 1/(1+A) E 11 + 1/(1+A -1 ) E 21
E m2 = 1/(1+A) E 12 + 1/(1+A -1 ) E 22
Here, A is the internal resistance ratio of the electrodes A = R1 / R2 . However, since this is the gas sensitivity at the same electrode, assuming A = 1, the sensitivity (electromotive force) of the first sensor unit and the second sensor unit to the mixed gas can be expressed by the following equation.
2E m1 =E 11 +E 21
2E m2 =E 12 +E 22
2Em1=E11+E21=a11(log(XCOe)-log(b11))+a21(log(XSO2)-log(b21))
2Em2=E12+E22=a12(log(XCOe)-log(b12))+a22(log(XSO2)-log(b22))
2E m1 =E 11 +E 21 =a 11 (log(X COe )-log(b 11 ))+a 21 (log(X SO2 )-log(b 21 ))
2E m2 = E 12 + E 22 = a 12 (log(X COe )-log(b 12 ))+a 22 (log(X SO2 )-log(b 22 ))
log(XCOe)、log(XSO2)でまとめ、
予備工程で求めた本式を用いて、COeガスの検知方法を実施する。なお、式の導出の演算方法は、本明細書に記載の方法には限定されない。図2、3に示す関係式から、COeガス濃度及びSO2ガス濃度を導出できれば、人工知能による演算方法等を用いることも可能である。 The COe gas detection method is carried out using the main formula obtained in the preliminary step. Note that the calculation method for deriving the formula is not limited to the method described herein. If the COe gas concentration and SO₂ gas concentration can be derived from the relational formulas shown in Figures 2 and 3 , it is also possible to use calculation methods such as artificial intelligence.
第1工程:起電力Em1、Em2を得る工程
第1工程では、第1センサ部の起電力Em1と第2センサ部の起電力Em2を得る。起電力を得るに際し、態様aによるCOeガスセンサを用い、第1検知電極11及び第2検知電極15に接触するガスの温度が、ガス流速は、予備工程における特性決定実験と同様とする。
Step 1: Step to obtain electromotive forces Em1 and Em2 In Step 1, the electromotive force Em1 of the first sensor unit and the electromotive force Em2 of the second sensor unit are obtained. When obtaining the electromotive forces, a COe gas sensor according to embodiment a is used, and the temperature of the gas in contact with the first detection electrode 11 and the second detection electrode 15, and the gas flow rate are the same as in the characteristic determination experiment in the preliminary step.
第2工程:ガス濃度の算出工程
第2工程では、予備工程において導出した式と、第1工程で得た起電力Em1、Em2から、COeガス濃度と、SO2ガス濃度を算出する。この算出工程により、SO2ガスをCOeガスとして誤検知することなく、COeガス濃度と、SO2ガス濃度を別個に得ることができ、COeガスの正確な測定が可能になる。
Step 2: Gas Concentration Calculation Step In Step 2, the COe gas concentration and SO₂ gas concentration are calculated from the equation derived in the preliminary step and the electromotive forces Em1 and Em2 obtained in Step 1. This calculation step allows for the separate acquisition of COe gas concentration and SO₂ gas concentration without misdetecting SO₂ gas as COe gas, enabling accurate measurement of COe gas.
なお、追加のセンサ部を備える場合には、追加のセンサ部を第nセンサ部とすると、第nセンサに対して、さらなるパラメータa1n、b1n、a2n、b2nを予備工程で決定する。そして、ガス濃度と感度の関係式、第nセンサの混合ガスに対する感度(起電力)の関係式を順次導出して、式(1)、(2)と同様に、XCOe、XSO2を、各センサの起電力とパラメータを用いて表す関係式を得ることができる。 Furthermore, if an additional sensor unit is provided, and this additional sensor unit is designated as the nth sensor unit, then further parameters a1n , b1n, a2n , and b2n for the nth sensor are determined in a preliminary step. Then, the relationship between gas concentration and sensitivity, and the relationship between the sensitivity (electromotive force) of the nth sensor to the mixed gas are sequentially derived, and, similar to equations (1) and (2), a relationship can be obtained in which X COe and X SO2 are expressed using the electromotive force and parameters of each sensor.
[態様b:検知電極の温度差を利用するセンサ]
態様bによるCOeガスセンサも、第1センサ部と第2センサ部とから構成され、各センサ部が、固体電解質基板と、検知電極と、対極とを備える点で共通する。固体電解質基板、検知電極、対極の材料や製法、固体電解質基板と対極は、1つであってもよい点も共通する。
[Aspect b: Sensor utilizing the temperature difference of the sensing electrodes]
The COe gas sensor according to embodiment b also consists of a first sensor section and a second sensor section, and each sensor section is common in that it comprises a solid electrolyte substrate, a detection electrode, and a counter electrode. The materials and manufacturing methods of the solid electrolyte substrate, detection electrode, and counter electrode are also common, and the solid electrolyte substrate and counter electrode may be one each.
態様bにおいては、第1検知電極と、第2検知電極の膜厚は同一であってよく、膜厚が異なる必要がない点で、態様aとは異なっている。また、態様bにおいては、第1検知電極と、第2検知電極を、異なる温度に保持可能な機構(以下、温度保持機構という)を備える点で異なっている。温度保持機構は、特には限定されず、検知を行う際に、第1検知電極を第1温度に、第2検知電極を第2温度に保持可能な装置、または保持可能な測定対象ガスとの相対的位置関係であってよい。ここで、第1検知電極の温度とは、第1検知電極の電極パターンのリード部分を除いた部分が長方形の場合は、対角線の交点における温度であって、電気的に絶縁した熱電対や測温抵抗体方式のセンサにより測定した温度をいうものとする。第1温度は、580~650℃であってよく、600~620℃であることが好ましい。また、前記第2温度が前記第1温度より30~100℃高い温度であることが好ましい。 In embodiment b, the film thickness of the first detection electrode and the second detection electrode may be the same, and there is no need for them to be different, which is a difference from embodiment a. Furthermore, embodiment b differs in that it includes a mechanism (hereinafter referred to as the temperature holding mechanism) capable of holding the first detection electrode and the second detection electrode at different temperatures. The temperature holding mechanism is not particularly limited and may be a device capable of holding the first detection electrode at a first temperature and the second detection electrode at a second temperature when detection is performed, or a relative positional relationship with the target gas that can be held at these temperatures. Here, the temperature of the first detection electrode refers to the temperature at the intersection of the diagonals if the part of the electrode pattern of the first detection electrode excluding the lead portion is rectangular, and is the temperature measured by an electrically insulated thermocouple or resistance thermometer type sensor. The first temperature may be 580 to 650°C, and is preferably 600 to 620°C. It is also preferable that the second temperature is 30 to 100°C higher than the first temperature.
温度保持機構の一例としては、第1検知電極と、第2検知電極を、別個に温度制御可能なヒータが挙げられる。態様aに例示したヒータと、温度センサを備え、温度制御を可能にする装置を備える機構であってよい。 An example of a temperature-maintaining mechanism is a heater that allows for separate temperature control of the first detection electrode and the second detection electrode. The mechanism may also include a heater as exemplified in embodiment a, a temperature sensor, and a device that enables temperature control.
温度保持機構の一例としては、固体電解質基板上における、第1検知電極と、第2検知電極との位置関係が挙げられる。本実施形態によるCOeガスセンサは、通常、プラント設備等の測定対象ガスが流通する配管等に配置されて用いられる。その際に、固体電解質基板上で、第2検知電極が、第1検知電極よりも、測定対象ガスの近位に配置されるように、ガスセンサを構成することができる。この場合、各検知電極の温度を検知するための温度センサを備えることができる。 One example of a temperature maintenance mechanism is the positional relationship between the first and second detection electrodes on the solid electrolyte substrate. The COe gas sensor according to this embodiment is typically used in piping or other systems through which the target gas flows, such as in plant equipment. In this case, the gas sensor can be configured such that the second detection electrode is positioned closer to the target gas than the first detection electrode on the solid electrolyte substrate. In this case, a temperature sensor for detecting the temperature of each detection electrode can be provided.
典型的な実施形態によれば、態様bにおいて、第1検知電極と、第2検知電極とは、膜厚、表面積、材料、構造がいずれも同一であってよい。しかし、これらの一以上の特性が異なっていてもよい。 In a typical embodiment, in embodiment b, the first detection electrode and the second detection electrode may have the same film thickness, surface area, material, and structure. However, one or more of these characteristics may differ.
態様bによるCOeガスセンサを用いたCOeガス検知方法も、態様aと同様に、センサ特性を決定する予備工程と、起電力Em1、Em2を得る第1工程と、ガス濃度を算出する第2工程とを含む。 The COe gas detection method using a COe gas sensor according to embodiment b, like embodiment a, includes a preliminary step of determining the sensor characteristics, a first step of obtaining electromotive forces Em1 and Em2 , and a second step of calculating the gas concentration.
予備工程では、第1センサ部と、第2センサ部のそれぞれについて、感度(-Ewc/mV)のCOeガス濃度(ppm)依存性と、感度(-Ewc/mV)のSO2ガス濃度(ppm)依存性を実験により得る。態様bでは、第1センサ部は、第1検知電極の温度を第1温度に保持して感度のガス濃度依存性を取得し、第2センサ部は、第2検知電極の温度を第2温度に保持して感度のガス濃度依存性を取得する。本発明者は、第1センサ部と第2センサ部を、検知電極の温度が異なる条件で稼働することで、COeガス、SO2ガスともに、感度のガス濃度依存性の特性を表すX軸切片、グラフの傾きが異なることを見出した。したがって、態様bにおいても、第1センサ部から図2に示すプロットを得ることができ、第2センサ部から図3に示すプロットを得ることができる。態様aと同様に、傾きを表すパラメータをaijとし、感度が0となるX軸切片を表すパラメータをbijとし、i、jともに態様aと同様に定義する。その結果、第1温度、及び第2温度での各センサ部の稼働について、8つのパラメータa11、b11、a21、b21、a12、b12、a22、b22を用いて、COeガス濃度、SO2ガス濃度と、各センサ部の起電力との関係式を導出することができる。具体的な関係式は態様aの式(1)、(2)と同一となる。 In the preliminary step, the dependence of sensitivity (-Ewc/mV) on COe gas concentration (ppm) and the dependence of sensitivity (-Ewc/mV) on SO₂ gas concentration (ppm) are experimentally obtained for the first sensor unit and the second sensor unit, respectively. In embodiment b, the first sensor unit obtains the gas concentration dependence of sensitivity by maintaining the temperature of the first detection electrode at a first temperature, and the second sensor unit obtains the gas concentration dependence of sensitivity by maintaining the temperature of the second detection electrode at a second temperature. The inventors found that by operating the first sensor unit and the second sensor unit under conditions where the detection electrode temperatures are different, the X-axis intercept and the slope of the graph representing the gas concentration dependence characteristics of sensitivity differ for both COe gas and SO₂ gas. Therefore, in embodiment b as well, the plot shown in Figure 2 can be obtained from the first sensor unit, and the plot shown in Figure 3 can be obtained from the second sensor unit. Similar to embodiment a, the parameter representing the slope is denoted as a ij , and the parameter representing the X-axis intercept where the sensitivity is 0 is denoted as b ij , with both i and j defined in the same way as in embodiment a. As a result, for the operation of each sensor part at the first and second temperatures, a relationship equation between the COe gas concentration, SO₂ gas concentration, and the electromotive force of each sensor part can be derived using the eight parameters a 11 , b 11, a 21, b 21 , a 12 , b 12 , a 22, and b 22. The specific relationship equations are the same as equations (1) and (2) in embodiment a.
態様bでは、予備工程で導出されるパラメータは、COeガスセンサの個体差に鑑みてセンサに固有であり、かつ、第1温度、及び第2温度に固有である。したがって、COeガスセンサを用いる場合であっても、ガスセンサ稼働時の測定条件である第1温度と、第2温度を変更する場合には、予備工程により、特定の第1温度と、第2温度に固有の8つのパラメータの数値を決定し、関係式(1)、(2)を導出する必要がある。また、予備工程において、さらに多くの複数の温度においてパラメータの数値を決定しておくことで、それらから選択される2つの温度における温度差を利用した検知が可能になる。 In embodiment b, the parameters derived in the preliminary step are specific to the COe gas sensor, taking into account individual differences in the sensor, and are specific to the first and second temperatures. Therefore, even when using a COe gas sensor, if the first and second temperatures, which are the measurement conditions when the gas sensor is operating, are changed, it is necessary to determine the numerical values of eight parameters specific to the first and second temperatures in the preliminary step and derive relational equations (1) and (2). Furthermore, by determining the numerical values of the parameters for even more temperatures in the preliminary step, detection becomes possible using the temperature difference between two temperatures selected from those values.
態様bのCOeガスセンサを用いた第1工程は、第1検知電極を第1温度に、第2検知電極を第2温度に保持して起電力Em1、Em2を得ること以外は態様aと同様に実施することができ、第2工程は態様aと同様に実施することができる。 The first step using the COe gas sensor of embodiment b can be carried out in the same manner as in embodiment a, except that the first detection electrode is kept at a first temperature and the second detection electrode is kept at a second temperature to obtain electromotive forces Em1 and Em2 , and the second step can be carried out in the same manner as in embodiment a.
態様bについても、追加のセンサ部を設けることができ、追加の温度条件にて、パラメータを得て、関係式を導出し、XCOe、XSO2を算出することができる。 In embodiment b, an additional sensor unit can be provided, and parameters can be obtained under additional temperature conditions, a relational expression can be derived, and X COe and X SO2 can be calculated.
態様aと、態様bのセンサを、併用して単一のCOeガスセンサとすることも可能である。 It is also possible to use the sensors of embodiment a and embodiment b in combination to create a single COe gas sensor.
本発明の第1実施形態によるCOeガスセンサによれば、態様a、態様bともに、少なくとも2つのセンサ部を備えることで、SO2ガスの影響を受けることなく、COeガス濃度を正確に得ることができる。態様aは、特には、ヒータと電極の位置関係を同様にすることにより、同じセンサ温度とすることが容易な点において優れている。態様bは、特には、電極形成時に薄層形状に塗布・成形する際に膜厚の条件を同一にすることができ、製造条件の簡便化の点において優れている。 According to the COe gas sensor of the first embodiment of the present invention, both embodiment a and embodiment b include at least two sensor units, making it possible to accurately obtain the COe gas concentration without being affected by SO₂ gas. Embodiment a is particularly excellent in that it is easy to achieve the same sensor temperature by making the positional relationship between the heater and the electrode the same. Embodiment b is particularly excellent in that it is possible to make the film thickness conditions the same when coating and molding in a thin layer shape during electrode formation, and it is excellent in that it simplifies the manufacturing conditions.
[第2実施形態:ガス検出計]
本発明は、第2実施形態よれば、ガス検出計に関する。本実施形態によるガス検出計は、解放端を有する管状ケーシング中に、第1実施形態のCOeガスセンサを内蔵したガス検出計であって、前記第1検知電極と、前記第2検知電極と、前記対極とが、前記解放端から流入する測定対象ガスに接触可能に構成された、ガス検出計である。
[Second Embodiment: Gas Detector]
The present invention relates to a gas detector according to a second embodiment. The gas detector according to this embodiment is a gas detector in which the COe gas sensor of the first embodiment is built into a tubular casing having an open end, wherein the first detection electrode, the second detection electrode, and the counter electrode are configured to be in contact with the gas to be measured flowing in from the open end.
ガス検出計は、COeガスセンサを備え、任意選択的に酸素ガスセンサを備えてもよい。ガス検出計は、固体電解質基板の構造、並びに複数の電極の配置が異なる複数の態様が可能である。以下、各態様について、例示する図面を参照して説明する。 The gas detector is equipped with a COe gas sensor and may optionally be equipped with an oxygen gas sensor. The gas detector can have multiple configurations with different solid electrolyte substrate structures and arrangements of multiple electrodes. Each configuration will be described below with reference to the illustrative drawings.
[態様1]
図4、5は、第2実施形態によるガス検出計の一例を示す概念図であり、図4は、試験管状の固体電解質基板の側面図であり、図5は、固体電解質基板の中心軸を通るその断面図である。態様1によるガス検出計2は、第1実施形態の態様aによるCOeガスセンサと、酸素ガスセンサとが一体となった構造体を内蔵した直接挿入式のガス検出計である。図4、5を参照すると、ケーシング28内に、試験管状の固体電解質基板21、第1検知電極22、第2検知電極24、対極/酸素検知電極23、酸素検知対極25を備える。また、第1検知電極22、第2検知電極24と対極/酸素検知電極23に接続されたCOe検出部26、29、並びに対極/酸素検知電極23と酸素検知対極25に接続された酸素検出部をさらに備える。
[Aspect 1]
Figures 4 and 5 are conceptual diagrams showing an example of a gas detector according to the second embodiment. Figure 4 is a side view of a test tube-shaped solid electrolyte substrate, and Figure 5 is a cross-sectional view of the solid electrolyte substrate passing through its central axis. The gas detector 2 according to embodiment 1 is a direct insertion type gas detector that incorporates a structure in which a COe gas sensor and an oxygen gas sensor, according to embodiment a of the first embodiment, are integrated. Referring to Figures 4 and 5, the casing 28 contains a test tube-shaped solid electrolyte substrate 21, a first detection electrode 22, a second detection electrode 24, a counter electrode/oxygen detection electrode 23, and an oxygen detection counter electrode 25. It further includes COe detection units 26 and 29 connected to the first detection electrode 22, the second detection electrode 24 and the counter electrode/oxygen detection electrode 23, and an oxygen detection unit connected to the counter electrode/oxygen detection electrode 23 and the oxygen detection counter electrode 25.
固体電解質基板21は、一端が閉塞した管状構造体である。より具体的には、固体電解質基板21は、一定径でもって所定長さで伸びる細長い筒状に形成されており、その長手方向の基端部が開口すると共に、長手方向の先端部が閉塞した、試験管形状をなしている。第1検知電極22、第2検知電極24、対極/酸素検知電極23は、固体電解質基板21の外壁部に設けられる。 The solid electrolyte substrate 21 is a tubular structure with one end closed. More specifically, the solid electrolyte substrate 21 is formed in an elongated cylindrical shape with a constant diameter and a predetermined length, having an open base end in the longitudinal direction and a closed tip end in the longitudinal direction, thus forming a test tube shape. The first detection electrode 22, the second detection electrode 24, and the counter electrode/oxygen detection electrode 23 are provided on the outer wall of the solid electrolyte substrate 21.
第1検知電極22、第2検知電極24は、固体電解質基板21の先端から実質的に等距離に離間して配置される。これにより、温度制御装置の有無にかかわらず、第1検知電極22と、第2検知電極24とを実質的に同じ温度に保持することができる。 The first detection electrode 22 and the second detection electrode 24 are positioned substantially equidistant from the leading edge of the solid electrolyte substrate 21. This allows the first detection electrode 22 and the second detection electrode 24 to be maintained at substantially the same temperature, regardless of the presence or absence of a temperature control device.
対極/酸素検知電極23は、試験管形状の先端部にあたる固体電解質基板21の外壁に、第1検知電極22及び第2検知電極24と離間して設けられる。第1検知電極22及び第2検知電極24と対極/酸素検知電極23は、固体電解質基板21を介してイオン電導性に接続される。対極/酸素検知電極23は、COe検知のための、第1検知電極22及び第2検知電極24に共通する対極として機能するとともに、酸素検知のための測定対象ガスと接触する作用電極としても機能する。 The counter electrode/oxygen detection electrode 23 is provided on the outer wall of the solid electrolyte substrate 21, which is located at the tip of the test tube shape, spaced apart from the first detection electrode 22 and the second detection electrode 24. The first detection electrode 22, the second detection electrode 24, and the counter electrode/oxygen detection electrode 23 are ionically conductively connected via the solid electrolyte substrate 21. The counter electrode/oxygen detection electrode 23 functions as a common counter electrode for COe detection, shared with the first detection electrode 22 and the second detection electrode 24, and also functions as a working electrode that comes into contact with the target gas for oxygen detection.
検出回路26は、第1検知電極22と対極/酸素検知電極23との間の起電力Em1を測定し、検出回路29は、第2検知電極24と対極/酸素検知電極23との間の起電力Em2を測定する。 Detection circuit 26 measures the electromotive force Em1 between the first detection electrode 22 and the counter electrode/oxygen detection electrode 23, and detection circuit 29 measures the electromotive force Em2 between the second detection electrode 24 and the counter electrode/oxygen detection electrode 23.
第1検知電極22、第2検知電極24、及び対極/酸素検知電極23の材料及び形成方法は第1実施形態において説明したとおりであってよい。態様1によるガス検出計は、第1検知電極22、第2検知電極24、及び対極/酸素検知電極23を図示する配置とすることで、第1検知電極22と第2検知電極24の膜厚差に起因するセンサ特性により、COe濃度とSO2濃度を別個に、正確に測定することができる。 The materials and forming methods of the first detection electrode 22, the second detection electrode 24, and the counter electrode/oxygen detection electrode 23 may be as described in the first embodiment. In the gas detector according to embodiment 1, by arranging the first detection electrode 22, the second detection electrode 24, and the counter electrode/oxygen detection electrode 23 as shown in the figure, the COe concentration and SO2 concentration can be measured separately and accurately due to the sensor characteristics resulting from the difference in film thickness between the first detection electrode 22 and the second detection electrode 24.
次に本実施形態によるガス検出計の任意構成要素である、酸素ガスセンサについて説明する。酸素ガスセンサは、固体電解質基板21と、対極/酸素検知電極23と、酸素検知対極25と、検出回路27を含む検出部を含む。対極/酸素検知電極23の材料及び構造は、第1実施形態の対極と同様であってよい。酸素検知対極25の材料及び構造も、第1実施形態の対極と同様であってよい。検出回路27は、対極/酸素検知電極23と酸素検知対極25との間の起電力を測定する。酸素検知対極25は、試験管形状の先端部にあたる固体電解質基板21の内壁部に設けられ、対極/酸素検知電極23と概ね対向する位置関係にある。すなわち、酸素検知対極25は、固体電解質基板21を介して対極/酸素検知電極23とイオン電導性に接続され、酸素検知のために校正用ガスと接触する電極として機能する。酸素検知対極25は、固体電解質基板21により、対極/酸素検知電極23が接する雰囲気、すなわち測定対象ガス雰囲気から遮断されるように構成される。酸素検出部は、対極/酸素検知電極23が接する雰囲気の酸素濃度と、酸素検知対極25が接する酸素濃度の差に起因する起電力を測定し、酸素を検知することができる。酸素ガスセンサは、COeガスセンサと同一ケーシング内にあって、別個に独立して機能することができる。そのため、本実施形態によるガス検出計は、酸素ガスセンサを備えてもよく、備えなくてもよい。 Next, an oxygen gas sensor, which is an optional component of the gas detector according to this embodiment, will be described. The oxygen gas sensor includes a detection unit comprising a solid electrolyte substrate 21, a counter electrode/oxygen detection electrode 23, an oxygen detection counter electrode 25, and a detection circuit 27. The material and structure of the counter electrode/oxygen detection electrode 23 may be the same as that of the counter electrode in the first embodiment. The material and structure of the oxygen detection counter electrode 25 may also be the same as that of the counter electrode in the first embodiment. The detection circuit 27 measures the electromotive force between the counter electrode/oxygen detection electrode 23 and the oxygen detection counter electrode 25. The oxygen detection counter electrode 25 is provided on the inner wall of the solid electrolyte substrate 21, which corresponds to the tip of the test tube shape, and is positioned approximately opposite to the counter electrode/oxygen detection electrode 23. That is, the oxygen detection counter electrode 25 is ionically conductively connected to the counter electrode/oxygen detection electrode 23 via the solid electrolyte substrate 21 and functions as an electrode that comes into contact with a calibration gas for oxygen detection. The oxygen detection counter electrode 25 is configured to be isolated from the atmosphere to which the counter electrode/oxygen detection electrode 23 is in contact, i.e., the atmosphere of the gas being measured, by a solid electrolyte substrate 21. The oxygen detection unit can detect oxygen by measuring the electromotive force resulting from the difference between the oxygen concentration in the atmosphere to which the counter electrode/oxygen detection electrode 23 is in contact and the oxygen concentration to which the oxygen detection counter electrode 25 is in contact. The oxygen gas sensor is located within the same casing as the COe gas sensor and can function independently. Therefore, the gas detector according to this embodiment may or may not include an oxygen gas sensor.
ケーシング28の内壁部には任意選択的にヒータ(図示せず)を備えていてもよい。ヒータは固体電解質基板21の周囲に、固体電解質基板21を加熱可能な態様で設けることができ、外部電源に接続することができる。 The inner wall of the casing 28 may optionally be equipped with a heater (not shown). The heater can be positioned around the solid electrolyte substrate 21 in a manner capable of heating the substrate 21, and can be connected to an external power source.
本態様によるガス検出計によるガス検知方法について説明する。本態様によるガス検出計は、高温の測定対象ガスが流通する煙道などに直接挿入してCOe、SO2、及び任意選択的に酸素濃度を測定することができる。この場合、一般的に、固体電解質基板21の先端部、すなわち対極/酸素検知電極23が設けられる位置が最も高温となり、基端部へ近づくほど温度が低くなり、その温度分布は概ね、先端部からの距離に依存する。測定対象ガスは、ケーシング28内の固体電解質基板21の外周に導入され、校正用のガス、例えば空気を固体電解質基板21の内周に導入される。両者の雰囲気が混合することがないように、これらの導入経路は気密的に遮断される。そして、ヒータにより第1検知電極22及び第2検知電極24を所定温度に加熱することで、先の第1実施形態に説明した第1検知電極22及び第2検知電極24と、対極との間の起電力が測定可能になり、測定対象ガス中のCOe及びSO2濃度が得られる。また、対極/酸素検知電極23に接する測定対象ガスと、酸素検知対極25に接する校正用のガスとの酸素分圧の差により、固体電解質基板21に起電力が発生し、この起電力を測定することにより、測定対象ガス中の酸素濃度が得られる。本実施形態によるガス検出計によれば、COe及びSO2検知の対極を、酸素検知極としても用いることができるため、少ない電極数で、正確かつ簡便な測定が可能になるという利点がある。 A gas detection method using a gas detector according to this embodiment will be described. The gas detector according to this embodiment can be directly inserted into a flue or the like through which a high-temperature target gas flows to measure COe, SO₂ , and optionally oxygen concentration. In this case, generally, the tip of the solid electrolyte substrate 21, i.e., the position where the counter electrode/oxygen detection electrode 23 is provided, is the hottest, and the temperature decreases as you approach the base end, and the temperature distribution generally depends on the distance from the tip. The target gas is introduced to the outer circumference of the solid electrolyte substrate 21 inside the casing 28, and a calibration gas, such as air, is introduced to the inner circumference of the solid electrolyte substrate 21. These introduction paths are hermetically sealed to prevent the atmospheres of the two from mixing. Then, by heating the first detection electrode 22 and the second detection electrode 24 to a predetermined temperature with a heater, the electromotive force between the first detection electrode 22 and the second detection electrode 24, as described in the first embodiment above, and the counter electrode can be measured, and the COe and SO₂ concentrations in the target gas can be obtained. Furthermore, the difference in oxygen partial pressure between the gas to be measured in contact with the counter electrode/oxygen detection electrode 23 and the calibration gas in contact with the oxygen detection counter electrode 25 generates an electromotive force in the solid electrolyte substrate 21. By measuring this electromotive force, the oxygen concentration in the gas to be measured can be obtained. According to this gas detector, the counter electrodes for COe and SO2 detection can also be used as oxygen detection electrodes, which has the advantage of enabling accurate and simple measurements with a small number of electrodes.
本態様は、主として第1実施形態の態様aによるCOeガスセンサを備えるガス検出計に用いられる配置である。しかし、第1検知電極22と第2電極24の温度を個別に制御可能なヒータを設けることにより、第1実施形態の態様bによるCOeガスセンサを備えるガス検出計にも適用することができる。 This embodiment is primarily used in a gas detector equipped with a COe gas sensor according to embodiment a of the first embodiment. However, by providing heaters that allow for individual temperature control of the first detection electrode 22 and the second electrode 24, it can also be applied to a gas detector equipped with a COe gas sensor according to embodiment b of the first embodiment.
[態様2]
図6~8は、第2実施形態によるガス検出計の別の例を示す概念図である。図6は、試験管状の固体電解質基板の側面図であり、図7は、固体電解質基板の中心軸を通るその断面図であり、図8は、図6のA-A線による断面図である。態様2によるガス検出計3も、第1実施形態の態様aによるCOeガスセンサと、酸素ガスセンサとを内蔵した直接挿入式のガス検出計である。図6~8を参照すると、ケーシング37内に、試験管状の固体電解質基板31、第1検知電極32、第1検知電極の対極38、第2検知電極39、第2検知電極の対極40を備える。また、酸素検知電極33、酸素検知対極34を備える。また、第1検知電極32と第1検知電極の対極38に接続されたCOe検出回路35、第2検知電極39と第2検知電極の対極40に接続されたCOe検出回路(図示せず)、並びに酸素検知電極33と酸素検知対極34に接続された酸素検出回路36をさらに備える。
[Aspect 2]
Figures 6 to 8 are conceptual diagrams showing another example of a gas detector according to the second embodiment. Figure 6 is a side view of a test tube-shaped solid electrolyte substrate, Figure 7 is a cross-sectional view of the solid electrolyte substrate passing through its central axis, and Figure 8 is a cross-sectional view taken along line A-A in Figure 6. The gas detector 3 according to embodiment 2 is also a direct insertion type gas detector that incorporates a COe gas sensor and an oxygen gas sensor according to embodiment a of the first embodiment. Referring to Figures 6 to 8, the casing 37 contains a test tube-shaped solid electrolyte substrate 31, a first detection electrode 32, a counter electrode 38 for the first detection electrode, a second detection electrode 39, and a counter electrode 40 for the second detection electrode. It also includes an oxygen detection electrode 33 and an oxygen detection counter electrode 34. The system further includes a COe detection circuit 35 connected to the first detection electrode 32 and its counter electrode 38, a COe detection circuit (not shown) connected to the second detection electrode 39 and its counter electrode 40, and an oxygen detection circuit 36 connected to the oxygen detection electrode 33 and its oxygen detection counter electrode 34.
態様2においては、態様1と以下の点において異なっている。第1検知電極の対極38と、第2検知電極の対極40は別個に設けられる。また、第1検知電極32、第1検知電極の対極38、第2検知電極39、第2検知電極の対極40が、いずれも固体電解質基板31の外壁面であって、固体電解質基板31の先端部から実質的に等距離の位置に設けられる。図8を参照すると、4つの電極はまた、固体電解質基板31の外周に沿って等距離に、かつ、イオン電導性に接続される一組の検知電極と対極とは隣接して配置される。任意選択的な構成要素である酸素検知電極33と酸素検知対極34は、COe検知のための電極とは別個に設けられ、異なる検出回路間で電極を共有しない態様である。 In embodiment 2, the following points differ from embodiment 1: The counter electrode 38 of the first detection electrode and the counter electrode 40 of the second detection electrode are provided separately. Furthermore, the first detection electrode 32, the counter electrode 38 of the first detection electrode, the second detection electrode 39, and the counter electrode 40 of the second detection electrode are all provided on the outer wall surface of the solid electrolyte substrate 31, at substantially equidistant positions from the leading edge of the solid electrolyte substrate 31. Referring to Figure 8, the four electrodes are also arranged equidistant along the outer circumference of the solid electrolyte substrate 31, and a pair of detection electrodes and counter electrodes connected ionically are positioned adjacent to each other. The optional components, the oxygen detection electrode 33 and the oxygen detection counter electrode 34, are provided separately from the electrodes for COe detection, and the electrodes are not shared between different detection circuits.
態様2においても、ガス検知の方法については、態様1と実質的に同じであり、同様の効果を得ることができる。また、態様2も、態様1と同様に、ヒータ等を設けることにより、第1実施形態の態様bによるCOeガスセンサを備えるガス検出計にも適用することができる。 In Embodiment 2, the gas detection method is substantially the same as in Embodiment 1, and the same effects can be obtained. Furthermore, Embodiment 2, like Embodiment 1, can also be applied to a gas detector equipped with a COe gas sensor according to Embodiment b of the First Embodiment by providing a heater or the like.
態様2は、特には、酸素検知電極とCOe検知電極で異なる温度に制御する場合に、例えばヒータからの距離で設定するという簡便な方法を用いることが可能となる点で有利である。 Embodiment 2 is particularly advantageous in that, when controlling the oxygen detection electrode and the COe detection electrode to different temperatures, it allows for the use of a simple method, such as setting the temperature by the distance from the heater.
[態様3]
図9は、第2実施形態によるガス検出計のさらに別の例を示す概念図である。ガス検出計4は、解放端を有する管状ケーシング49中に、第1実施形態の態様aによるCOeガスセンサ40と、酸素ガスセンサ46とが別個の構造体として内蔵された直接挿入式のガス検出計である。
[Appearance 3]
Figure 9 is a conceptual diagram showing yet another example of a gas detector according to the second embodiment. The gas detector 4 is a direct insertion type gas detector in which a COe gas sensor 40 according to aspect a of the first embodiment and an oxygen gas sensor 46 are built as separate structures in a tubular casing 49 having an open end.
COeガスセンサ40は、平板状の固体電解質基板41上に、第1検知電極42、第1検知電極の対極43、第2検知電極44、第2検知電極の対極45が、固体電解質基板41の先端部から実質的に等距離の位置に設けられる。平板状の固体電解質基板41の先端とは、ケーシング49の解放端に近い端部をいうものとする。酸素ガスセンサ47は、試験管状の固体電解質基板47の外壁面先端部に酸素検知電極48が、内壁面先端部に酸素検知対極(図示せず)が設けられ、態様1、態様2と同様の構造である。また、各電極を接続する図示しない検出回路も備えている。 The COe gas sensor 40 has a first detection electrode 42, a counter electrode 43 for the first detection electrode, a second detection electrode 44, and a counter electrode 45 for the second detection electrode, all positioned substantially equidistant from the leading edge of the plate-shaped solid electrolyte substrate 41. The leading edge of the plate-shaped solid electrolyte substrate 41 refers to the end closest to the open end of the casing 49. The oxygen gas sensor 47 has an oxygen detection electrode 48 at the leading edge of the outer wall surface of a test-tube-shaped solid electrolyte substrate 47, and an oxygen detection counter electrode (not shown) at the leading edge of the inner wall surface, and has the same structure as in Embodiments 1 and 2. It also includes a detection circuit (not shown) connecting each electrode.
態様3においては、COe検知のための電極が設けられる固体電解質基板41が平板状に構成され、酸素ガスセンサ47とは別個の構造体として設けられる点で、態様2と異なっている。このように構成することで、特には、酸素センサとCOeセンサを独立に製作することが可能で、センサ特性も独立に評価可能で、酸素検知とCOe検知を組み合わせた分析計の製造良品率を高く保つことができる点で有利である。 In embodiment 3, the solid electrolyte substrate 41 on which the electrode for COe detection is provided is configured in a flat plate shape and is provided as a separate structure from the oxygen gas sensor 47, which is different from embodiment 2. This configuration is advantageous in that it allows for the independent manufacturing of the oxygen sensor and the COe sensor, enables independent evaluation of sensor characteristics, and maintains a high yield rate for analyzers combining oxygen detection and COe detection.
態様3においても、ガス検知の方法については、態様1と実質的に同じであり、同様の効果を得ることができる。また、態様3も、態様1と同様に、ヒータ等を設けることにより、第1実施形態の態様bによるCOeガスセンサを備えるガス検出計にも適用することができる。 In Embodiment 3, the gas detection method is substantially the same as in Embodiment 1, and the same effects can be obtained. Furthermore, Embodiment 3, like Embodiment 1, can also be applied to a gas detector equipped with a COe gas sensor according to Embodiment b of the First Embodiment by providing a heater or the like.
[態様4]
図10は、第2実施形態によるガス検出計のさらにまた別の例を示す概念図である。ガス検出計5は、解放端を有する管状ケーシング61中に、第1実施形態の態様bによるCOeガスセンサの第1センサ部50、第2センサ部54と、酸素ガスセンサ58とが別個の構造体として内蔵された直接挿入式のガス検出計である。
[Aspect 4]
Figure 10 is a conceptual diagram showing yet another example of a gas detector according to the second embodiment. The gas detector 5 is a direct insertion type gas detector in which the first sensor section 50 and the second sensor section 54 of the COe gas sensor according to aspect b of the first embodiment and the oxygen gas sensor 58 are built in as separate structures within a tubular casing 61 having an open end.
COeガスセンサは、平板状の固体電解質基板51上に、第1検知電極53、第1検知電極の対極52が設けられた第1センサ部50と、同じく平板状の固体電解質基板55上に、第2検知電極57、第2検知電極の対極56が設けられた第2センサ部54とが別個の構造体として形成される。第1センサ部50と、第2センサ部54は、図示しないヒータを備え、独立して温度制御可能に構成される。酸素ガスセンサ58は、試験管状の固体電解質基板59の外壁面先端部に酸素検知電極60が、内壁面先端部に酸素検知対極(図示せず)が設けられ、態様3と同一の構造である。また、各電極を接続する図示しない検出回路も備えている。 The COe gas sensor is formed as a separate structure from a first sensor section 50, which has a first detection electrode 53 and a counter electrode 52 for the first detection electrode provided on a flat solid electrolyte substrate 51, and a second sensor section 54, which has a second detection electrode 57 and a counter electrode 56 for the second detection electrode provided on a similarly flat solid electrolyte substrate 55. The first sensor section 50 and the second sensor section 54 are equipped with heaters (not shown) and are configured to be independently temperature-controllable. The oxygen gas sensor 58 has the same structure as in embodiment 3, with an oxygen detection electrode 60 provided at the tip of the outer wall surface of a test tube-shaped solid electrolyte substrate 59 and an oxygen detection counter electrode (not shown) provided at the tip of the inner wall surface. It also includes a detection circuit (not shown) connecting each electrode.
態様4においては、第1センサ部50、第2センサ部54が異なる固体電解質基板上に設けられる点で、態様3と異なっている。第1センサ部50、第2センサ部54を独立した別個の固体電解質基板上に設けることで、第1検知電極53を第1温度に、第2検知電極57を第2温度に正確に制御し、保持することが可能になり、態様bによる、電極の温度差特性を利用したCOe検知を正確に行うことができる。態様4においても、測定対象ガスの流れや、酸素ガス検知の方法については、態様1と実質的に同じであり、同様の効果を得ることができる。 Embodiment 4 differs from Embodiment 3 in that the first sensor unit 50 and the second sensor unit 54 are provided on different solid electrolyte substrates. By providing the first sensor unit 50 and the second sensor unit 54 on separate, independent solid electrolyte substrates, it becomes possible to accurately control and maintain the first detection electrode 53 at a first temperature and the second detection electrode 57 at a second temperature, enabling accurate COe detection using the temperature difference characteristics of the electrodes, as in Embodiment b. In Embodiment 4, the flow of the gas to be measured and the method of oxygen gas detection are substantially the same as in Embodiment 1, and similar effects can be obtained.
本実施形態によるガス検出計は、単一の装置で、COe、SO2、及び任意選択的に酸素を高い感度で検知することが可能であり、産業用のガス計測に有利に用いることができる。 The gas detector according to this embodiment can detect COe, SO₂ , and optionally oxygen with high sensitivity using a single device, and can be advantageously used for industrial gas measurement.
(実施例1)
本発明の第1実施形態の態様aによるCOeガスセンサを製造した。固体電解質基板として、イットリア安定化ジルコニア基板を用い、当該基板上に、第1検知電極、第2検知電極及び対極を形成した。固体電解質基板、第1検知電極、第2検知電極及び対極の配置は、図6~8に示す実施形態と同様とした。第1検知電極、第2検知電極及び対極は、いずれも、Pt合金粒子とイットリア安定化ジルコニア粒子の混合物を溶剤中に分散したペーストを用いて成形した同一の組成とした。また、配線としてPt線を用い、それぞれの電極材料で電極上に固定した。次いで、これらを大気中1300℃で焼成することにより、第1センサ部及び第2センサ部を備えるCOeガスセンサを作製した。焼成後の各電極の膜厚は、以下の表1の通りであった。
(Example 1)
A COe gas sensor was manufactured according to embodiment a of the first embodiment of the present invention. An yttria-stabilized zirconia substrate was used as the solid electrolyte substrate, and a first detection electrode, a second detection electrode, and a counter electrode were formed on the substrate. The arrangement of the solid electrolyte substrate, the first detection electrode, the second detection electrode, and the counter electrode was the same as in the embodiments shown in Figures 6 to 8. The first detection electrode, the second detection electrode, and the counter electrode all had the same composition, formed using a paste in which a mixture of Pt alloy particles and yttria-stabilized zirconia particles was dispersed in a solvent. Pt wire was used as wiring and fixed to the electrodes with the respective electrode materials. Next, a COe gas sensor comprising a first sensor section and a second sensor section was manufactured by firing these at 1300°C in air. The film thickness of each electrode after firing was as shown in Table 1 below.
予備工程では、製造したCOeガスセンサを、管状炉で加熱した炉心管中に配置し、ガスを流通させてセンサ特性を測定した。内径28mmの炉心管に300ccmで測定対象ガスを流し、流速は、8.1mm/sとした。センサ特性の測定に用いるCOeガスは、水素ガスとCOガスのモル比1:1の混合物とした。雰囲気温度は、650℃とした。図2、3に沿ってプロットを作成した結果、8つのパラメータを以下の表1の通りに決定し、関係式(1)、(2)が得られた。 In the preliminary step, the manufactured COe gas sensor was placed in a furnace core heated in a tubular furnace, and the sensor characteristics were measured by flowing gas through it. The target gas was flowed through a furnace core with an inner diameter of 28 mm at a rate of 300 ccm, with a flow velocity of 8.1 mm/s. The COe gas used for measuring the sensor characteristics was a mixture of hydrogen gas and CO gas in a molar ratio of 1:1. The ambient temperature was 650°C. Based on the plots created according to Figures 2 and 3, eight parameters were determined as shown in Table 1 below, and relational equations (1) and (2) were obtained.
本実施例のCOeガスセンサを用い、センサ特性の測定条件と同じ条件にて、COeガス及びSO2ガスの濃度既知の測定対象ガスについて、第1センサ部の起電力Em1と、第2センサ部の起電力Em2を測定した。次いで、導出した関係式にてガス濃度を算出した。その結果、算出した濃度と、既知の濃度との差は、許容範囲の誤差であった。 Using the COe gas sensor of this embodiment, the electromotive force Em1 of the first sensor and the electromotive force Em2 of the second sensor were measured for COe gas and SO2 gas, both of known concentrations, under the same conditions as the measurement conditions for the sensor characteristics. Next, the gas concentration was calculated using the derived relational equation . The result showed that the difference between the calculated concentration and the known concentration was within the acceptable error range.
(実施例2)
本発明の第1実施形態の態様bによるCOeガスセンサを製造した。電極の材料及び製造方法は実施例1と同様とした、固体電解質基板、第1検知電極、第2検知電極及び対極の配置は、図10に示す実施形態と同様とし、温度保持機構としては、第1検知電極、第2検知電極を個別に加熱するヒータを設置して、第1センサ部及び第2センサ部を備えるCOeガスセンサを作製した。焼成後の各電極の膜厚は、以下の表2の通りであった。予備工程では、実施例1と同じ条件でガスを流し、第1検知電極及び第2検知電極を表2に記載の所定の温度に加熱してセンサ特性を測定した。図2、3に沿ってプロットを作成した結果、8つのパラメータを以下の表2の通りに決定し、関係式(1)、(2)が得られた。
(Example 2)
A COe gas sensor was manufactured according to embodiment b of the first embodiment of the present invention. The electrode material and manufacturing method were the same as in Example 1. The arrangement of the solid electrolyte substrate, first detection electrode, second detection electrode, and counter electrode was the same as in the embodiment shown in Figure 10. As a temperature holding mechanism, heaters were installed to individually heat the first detection electrode and the second detection electrode, thereby fabricating a COe gas sensor comprising a first sensor section and a second sensor section. The film thickness of each electrode after firing was as shown in Table 2 below. In the preliminary step, gas was flowed under the same conditions as in Example 1, and the first detection electrode and the second detection electrode were heated to the predetermined temperatures shown in Table 2 to measure the sensor characteristics. As a result of plotting according to Figures 2 and 3, eight parameters were determined as shown in Table 2 below, and relational equations (1) and (2) were obtained.
本実施例のCOeガスセンサを用い、センサ特性の測定条件と同じ条件にて、COeガス及びSO2ガスの濃度既知の測定対象ガスについて、第1センサ部の起電力Em1と、第2センサ部の起電力Em2を測定した。次いで、導出した関係式にてガス濃度を算出した。その結果、実施例1と同様に、算出した濃度と、既知の濃度との差は、許容範囲の誤差であった。 Using the COe gas sensor of this embodiment, the electromotive force Em1 of the first sensor and the electromotive force Em2 of the second sensor were measured for target gases with known concentrations of COe gas and SO2 gas, under the same conditions as the measurement conditions for the sensor characteristics. Next, the gas concentration was calculated using the derived relational equation . As a result, similar to Embodiment 1, the difference between the calculated concentration and the known concentration was within the acceptable error range.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these specific embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist of the invention as described in the claims.
本発明に係るCOeガスセンサは、ボイラなどの煙道に挿入し燃焼排気中のCOe濃度の正確なモニタリングを可能にする。特に、石炭燃料等、硫黄含有量の多い原料を用いるシステムに好適である。さらに、既存の酸素濃度センサと組み合わせることによりボイラなどの燃焼制御システムを構築することが可能となり、省エネルギーに貢献することができる。 The COe gas sensor according to the present invention can be inserted into the flue of a boiler or the like to enable accurate monitoring of the COe concentration in the combustion exhaust. It is particularly suitable for systems using raw materials with high sulfur content, such as coal fuel. Furthermore, by combining it with existing oxygen concentration sensors, it becomes possible to construct a combustion control system for boilers and the like, contributing to energy conservation.
1 COeガスセンサ
10 固体電解質基板、11 第1検知電極、12 対極、13 第1センサ部
14 固体電解質基板、15 第2検知電極、16 対極、17 第2センサ部
1 COe gas sensor 10 Solid electrolyte substrate, 11 First detection electrode, 12 Counter electrode, 13 First sensor unit 14 Solid electrolyte substrate, 15 Second detection electrode, 16 Counter electrode, 17 Second sensor unit
Claims (9)
固体電解質基板を介してイオン電導性に接続された第2検知電極と対極とを含む第2センサ部と
を含むCOeガスセンサであって、
a)前記第1検知電極の膜厚が前記第2検知電極の膜厚と比較して小さい、または、
b)前記第1検知電極の温度を、前記第2検知電極の温度よりも低く保持可能な機構を備える、
COeガスセンサ。 A first sensor unit including a first detection electrode and a counter electrode connected ionically via a solid electrolyte substrate,
A COe gas sensor comprising a second sensor section including a second detection electrode and a counter electrode connected ionically via a solid electrolyte substrate,
a) The film thickness of the first detection electrode is smaller than the film thickness of the second detection electrode, or
b) A mechanism is provided that can maintain the temperature of the first detection electrode lower than the temperature of the second detection electrode.
COe gas sensor.
当該酸素ガスセンサが、固体電解質基板と、前記固体電解質基板を介してイオン電導性に接続された少なくとも一対の電極とを含み、
当該一対の電極が、白金を含む金属粒子と固体電解質粒子とを含む焼結体からなる酸素検知電極と、白金を含む金属粒子と固体電解質粒子とを含む焼結体からなる酸素検知のための対極とを含み、
前記酸素検知電極が、前記解放端から流入する測定対象ガスに接触可能に構成され、前記酸素検知のための対極が、前記測定対象ガス雰囲気から遮断されている、請求項6に記載のガス検出計。 The tubular casing having the open end further comprises an oxygen gas sensor,
The oxygen gas sensor includes a solid electrolyte substrate and at least a pair of electrodes that are ionically conductively connected via the solid electrolyte substrate.
The pair of electrodes includes an oxygen-sensing electrode made of a sintered body containing platinum-containing metal particles and solid electrolyte particles, and a counter electrode for oxygen detection made of a sintered body containing platinum-containing metal particles and solid electrolyte particles.
The gas detector according to claim 6, wherein the oxygen sensing electrode is configured to be in contact with the gas to be measured flowing in from the open end, and the counter electrode for oxygen detection is isolated from the atmosphere of the gas to be measured.
前記第1センサ部の起電力Em1と第2センサ部の起電力Em2を得る工程と、
前記第1センサ部について予め求めたパラメータa11、a21、b11、b21と、前記第2センサ部について予め求めたパラメータa12、a22、b12、b22と、Em1、Em2との相関関係に基づき、COeガス濃度Xcoe及びSO2ガス濃度XSO2を算出する工程と
を含み、
a11、a12は、COeガス起電力の濃度依存性を示す定数であり、
b11、b12は、COeガスの感度限界濃度を示す定数であり、
a21、a22は、SO2ガス起電力の濃度依存性を示す定数であり、
b21、b22は、SO2ガスの感度限界濃度を示す定数である、
検知方法。 A method for detecting COe gas using the gas sensor described in claim 1,
A step of obtaining the electromotive force Em 1 of the first sensor unit and the electromotive force Em 2 of the second sensor unit,
The process includes a step of calculating the COe gas concentration Xcoe and the SO2 gas concentration XSO2 based on the correlation between the parameters a11 , a21 , b11 , b21 obtained in advance for the first sensor unit, the parameters a12 , a22 , b12 , b22 obtained in advance for the second sensor unit , and Em1 , Em2 .
a11 and a12 are constants that show the concentration dependence of the COe gas electromotive force.
b 11 and b 12 are constants that indicate the sensitivity limit concentration of COe gas.
a21 and a22 are constants that show the concentration dependence of the SO2 gas electromotive force.
b21 and b22 are constants that indicate the sensitivity limit concentration of SO₂ gas.
Detection method.
前記起電力を得る工程が、前記第1検知電極を第1温度とし、前記第2検知電極を第2温度として実施され、
前記第1温度が580~650℃であり、前記第2温度が前記第1温度より30~100℃高い温度である、請求項8に記載の方法。
The aforementioned constant is a constant obtained by setting the first detection electrode to a first temperature and the second detection electrode to a second temperature.
The process of obtaining the electromotive force is carried out with the first detection electrode at a first temperature and the second detection electrode at a second temperature.
The method according to claim 8, wherein the first temperature is 580 to 650°C and the second temperature is 30 to 100°C higher than the first temperature.
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