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JP2000088790A - Oxygen and carbon monoxide composite sensor - Google Patents

Oxygen and carbon monoxide composite sensor

Info

Publication number
JP2000088790A
JP2000088790A JP10259873A JP25987398A JP2000088790A JP 2000088790 A JP2000088790 A JP 2000088790A JP 10259873 A JP10259873 A JP 10259873A JP 25987398 A JP25987398 A JP 25987398A JP 2000088790 A JP2000088790 A JP 2000088790A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon monoxide
oxygen
sensor
gas
selective permeable
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP10259873A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masao Maki
正雄 牧
Takashi Niwa
孝 丹羽
Takahiro Umeda
孝裕 梅田
Kunihiro Tsuruta
邦弘 鶴田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP10259873A priority Critical patent/JP2000088790A/en
Publication of JP2000088790A publication Critical patent/JP2000088790A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、ガス、石油を燃料とする各種燃焼
機器に用いる一酸化炭素複合センサに関するもので、そ
の安定した性能および寿命を実現することを課題とす
る。 【解決手段】 加熱手段を備えたセラミックからなるガ
ス選択透過体2と検出ガスの取り入れに拘わるセンサの
電極部とを接触配置した構成にて用いることで、固体電
解質を駆動させるための熱源の共用化とセンサの耐久性
に関わる電極の被毒劣化を防止しする構成とした。
(57) [Problem] The present invention relates to a carbon monoxide composite sensor used for various combustion devices using gas or petroleum as a fuel, and an object thereof is to realize stable performance and life thereof. SOLUTION: By using a configuration in which a gas selective permeable body 2 made of ceramic provided with a heating means and an electrode part of a sensor related to intake of a detection gas are arranged in contact with each other, a common heat source for driving a solid electrolyte is used. The configuration is designed to prevent electrode poisoning and deterioration related to sensor and sensor durability.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス、石油を燃料
とする各種燃焼機器用いる酸素、一酸化炭素複合センサ
に関し、特に過酷な使用環境でのセンサ動作の安定性お
よび耐久性の優れた酸素、一酸化炭素複合センサに関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen / carbon monoxide composite sensor for use in various types of combustion equipment using gas or petroleum as a fuel, and more particularly to an oxygen sensor having excellent sensor operation stability and durability in a severe use environment. , A carbon monoxide composite sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】一酸化炭素は無色、無味、無臭の気体
で、空気よりやや軽いが毒性が強く200PPMくらいの
低濃度でも2〜3時間呼吸すると頭痛などが生じ、30
00PPM以上の濃度になると10分位で、6000PPM以
上の濃度になると数分間の呼吸で死亡する。
2. Description of the Related Art Carbon monoxide is a colorless, tasteless and odorless gas which is slightly lighter than air but highly toxic and causes headaches when breathing for a few hours at a low concentration of about 200 PPM.
At a concentration of 00 PPM or more, it dies in about 10 minutes, and at a concentration of 6000 PPM or more, it dies by breathing for several minutes.

【0003】一般家庭でも一酸化炭素は、瞬間湯沸かし
器、風呂釜、石油暖房器具およびガス暖房器具などから
発生するので、これらの機器に内蔵して用いることので
きる安価で小型で信頼性の高い一酸化炭素ガス検知セン
サが強く要望されている。
[0003] Even in ordinary households, carbon monoxide is generated from instantaneous water heaters, bath kettles, oil heating appliances, gas heating appliances, and the like, and is inexpensive, small, and highly reliable, which can be built into these appliances. There is a strong demand for a carbon oxide gas detection sensor.

【0004】従来から提案されているガスセンサとくに
一酸化炭素検知センサとしては、電解液に一酸化炭素
(CO)を吸収させて酸化する電極を設けて、CO濃度
に比例する電流値からCO濃度を検知する方式(定電位
電解ガスセンサ)、貴金属などの微量の添加元素で増感
した酸化スズ(SnO2)などの焼結体タイプのn型半導
体酸化物を用いて、これらの半導体が可燃性ガスと接触
した際に電気電導度が変化する特性を利用してガスを検
知する方式(半導体型ガスセンサ)、20μm程度の白
金の細線にアルミナを添着し、貴金属を担持したものと
担持しない一対の比較素子を用いて一定温度に加熱して
使い、可燃性ガスがこの素子に接触して触媒酸化反応を
行った際の発熱差を検出する方式(接触燃焼式ガスセン
サ)などが知られている。
As a conventionally proposed gas sensor, particularly a carbon monoxide detection sensor, an electrode for absorbing and oxidizing carbon monoxide (CO) in an electrolytic solution is provided, and the CO concentration is calculated from a current value proportional to the CO concentration. These semiconductors are combined with a flammable gas by using a sintered body type n-type semiconductor oxide such as tin oxide (SnO2) sensitized with a small amount of an additional element such as a noble metal. A method of detecting gas by using the property that the electric conductivity changes when contacted (semiconductor type gas sensor), a pair of comparative elements in which alumina is attached to a thin platinum wire of about 20 μm and noble metal is supported There is known a method (contact combustion type gas sensor) for detecting the difference in heat generated when a combustible gas comes into contact with this element to perform a catalytic oxidation reaction by using the element by heating it to a certain temperature using a gas. You.

【0005】また、この他に電気化学セルを形成して用
いるガスセンサとしては、安定化ジルコニアを電解質と
して用いる酸素センサがあり、自動車の排ガス浄化の制
御に実用化されよく知られている。この方式ではこれ
は、酸素の濃淡電池の起電力を利用する方式である。酸
素と同時に一酸化炭素、二酸化炭素を測定するガスセン
サが特開平4−320955号公報、および特開平4−
320956号公報に開示されている。
[0005] As another gas sensor used by forming an electrochemical cell, there is an oxygen sensor using stabilized zirconia as an electrolyte, which is practically used for controlling exhaust gas purification of automobiles and is well known. In this system, this is a system utilizing the electromotive force of an oxygen concentration cell. Gas sensors for measuring carbon monoxide and carbon dioxide simultaneously with oxygen are disclosed in JP-A-4-320955 and JP-A-4-32095.
No. 320956.

【0006】ただし、この方式の場合、濃淡電池を形成
するため、一方側の電極に濃度既知の試料ガスを導入す
る必要があり、分析機器としては適用性が高くても、測
定の都度試料ガスを導入することは出来ず、家庭用機器
には不向きである。しかし、この方法は電極の劣化など
をその都度補正することができる。
In this method, however, it is necessary to introduce a sample gas of a known concentration into one of the electrodes in order to form a concentration cell. Can not be introduced and is not suitable for home appliances. However, this method can correct electrode deterioration and the like each time.

【0007】これらのセンサのうち現状で最も信頼性が
高いとされている一酸化炭素センサは、接触燃焼式セン
サである。
[0007] Of these sensors, the carbon monoxide sensor which is currently considered to be the most reliable is a catalytic combustion sensor.

【0008】一方、酸素センサは、ガルバニ電池式など
の電気化学式や、濃淡電池型のジルコニア式や限界電流
式の固体電解質式などが提案されている。濃淡電池型
は、車の3元触媒の空燃比制御の目的で実用化された
が、酸素濃度に対するセンサ出力が対数になり自動車の
排気のように酸素濃度がゼロに近い条件で用いるには良
いが、燃焼機器などの民生用機器で酸素濃度が数%以上
から一般大気の20%強の範囲で用いるには、不向きで
ある。この面で、限界電流式は、酸素濃度に対してリニ
アなセンサ出力が見込まれ、この目的に対しては、適切
である。
On the other hand, as the oxygen sensor, an electrochemical type such as a galvanic cell type, a zirconia type of a concentration cell type, and a solid electrolyte type of a limiting current type have been proposed. The concentration cell type was put to practical use for the purpose of controlling the air-fuel ratio of a three-way catalyst of a car, but it is good for use under conditions where the oxygen concentration is close to zero, as in the case of automobile exhaust, since the sensor output for the oxygen concentration is logarithmic. However, it is not suitable for use in a consumer appliance such as a combustion appliance in which the oxygen concentration is in the range of several percent or more to slightly more than 20% of the general atmosphere. In this respect, the limiting current type is expected to provide a sensor output that is linear with respect to the oxygen concentration, and is suitable for this purpose.

【0009】酸素センサは、燃焼排気ガス中の酸素濃度
を一定値に制御する空燃比制御の目的に用いることを意
図しているが、この目的に用いることのできる酸素セン
サは、上記のように固体電解質を用いる限界電流式が最
有力になる。
The oxygen sensor is intended to be used for the purpose of air-fuel ratio control for controlling the oxygen concentration in the combustion exhaust gas to a constant value, and the oxygen sensor that can be used for this purpose is as described above. The limiting current formula using a solid electrolyte becomes the most prominent.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】これらの酸素センサお
よび一酸化炭素センサは、センサの分類において化学セ
ンサの領域になるが、化学センサはいずれも以下の欠点
を有している。
Although these oxygen sensors and carbon monoxide sensors fall into the category of chemical sensors in the classification of sensors, both chemical sensors have the following disadvantages.

【0011】基本的に、化学センサのセンサとしての動
作原理に触媒あるいは化学吸着現象を応用する場合、一
般的に触媒の耐久性と感度とは相反する面がある。すな
わち、感度をあげるため化学センサの動作を触媒反応の
活性化支配側(低温側)で使うと触媒表面上への種々の
被毒ガスの吸着が起こり易く、触媒の劣化が速く進行し
耐久性が持たない。逆に動作を拡散支配側(高温側)で
使うと感度が悪くなる面がある。
Basically, when a catalyst or a chemical adsorption phenomenon is applied to the operation principle of a chemical sensor as a sensor, there is generally a conflict between durability and sensitivity of the catalyst. In other words, if the operation of the chemical sensor is used on the side that controls the activation of the catalytic reaction (low temperature side) in order to increase sensitivity, adsorption of various poisonous gases on the catalyst surface is likely to occur, and the deterioration of the catalyst proceeds quickly and the durability increases. do not have. Conversely, if the operation is used on the diffusion dominant side (high temperature side), the sensitivity may deteriorate.

【0012】例えば、金属酸化物半導体の抵抗変化を利
用するガスセンサの場合、一般にガス漏れ警報器として
実用化されているが、耐久性は、通常3年程度とされて
いる。
For example, in the case of a gas sensor utilizing a resistance change of a metal oxide semiconductor, it is generally put into practical use as a gas leak alarm, but its durability is usually about three years.

【0013】これは被毒ガスによる半導体酸化物の劣化
が原因である。化学センサを燃焼機器に内蔵する場合、
ガスセンサの耐久性としては、10年程度が必要であ
り、従来技術に対しての大幅な耐久性の向上が求められ
る。
This is due to deterioration of the semiconductor oxide due to the poisoning gas. When a chemical sensor is built into a combustion device,
The durability of the gas sensor is required to be about 10 years, and it is required to greatly improve the durability compared with the conventional technology.

【0014】一酸化炭素センサについて記載すると、一
酸化炭素センサを燃焼機器に搭載して不完全燃焼の検出
の目的に用いる場合、不完全燃焼の危険性が増加するの
は、燃焼機器をかなり使い込んだ後の状態の場合の方が
多いが、そのときには一酸化炭素センサの劣化が進行し
ている危険性があり、一酸化炭素センサの劣化により出
力信号が低下すると不完全燃焼を検出できないという問
題点があった。
[0014] In describing the carbon monoxide sensor, when the carbon monoxide sensor is mounted on a combustion device and used for the purpose of detecting incomplete combustion, the risk of incomplete combustion increases because the combustion device is considerably used. However, there is a risk that the carbon monoxide sensor is deteriorating, and if the output signal decreases due to the deterioration of the carbon monoxide sensor, incomplete combustion cannot be detected. There was a point.

【0015】また酸素センサについても、ジルコニア固
体電解質を用いる限界電流式の場合、酸素還元機能の中
心を担う電極に被毒ガスが吸着することで、劣化が経時
的に進行するためいかにして長時間耐久性を確保するか
が実用上で最大の課題になる。
In the case of the limiting current method using a zirconia solid electrolyte, the oxygen sensor also adsorbs the poisonous gas to the electrode that plays a central role in the oxygen reduction function, and the deterioration proceeds with time. The biggest challenge in practical use is how to ensure durability.

【0016】これは、化学センサの出力が低下するの
は、すなわち劣化するのは、化学センサの中心的な機能
を担う電極や触媒が反応の進行とともに経時的に劣化す
ることによるものであり、この劣化は、燃焼の排気ガス
中に存在する水素、炭化水素などの還元性ガスで触媒が
還元されたりして触媒活性を低下してしまったり、電極
表面に硫黄系化合物などが強く吸着したりして、一酸化
炭素や酸素の検出の基本になる吸着反応が阻害されるこ
とによる。
The reason why the output of the chemical sensor is reduced, that is, the deterioration is due to the deterioration of the electrode or catalyst which plays a central function of the chemical sensor with time as the reaction proceeds, This deterioration is caused by reduction of the catalyst activity by reducing the catalyst with reducing gas such as hydrogen and hydrocarbons present in the exhaust gas of combustion, and strong adsorption of sulfur-based compounds on the electrode surface. Then, the adsorption reaction which is the basis of the detection of carbon monoxide and oxygen is inhibited.

【0017】これらの化学センサでは、センサ機能の中
心を担う電極または触媒などに貴金属を用いる場合が多
いが、これらの貴金属は、硫黄系化合物やシリコーン系
化合物に弱くて劣化し易く、耐久性の確保が非常に困難
になるという問題点があった。
In these chemical sensors, noble metals are often used for electrodes, catalysts, etc., which play a central role in the sensor function. However, these noble metals are weak to sulfur compounds and silicone compounds and are liable to be deteriorated. There was a problem that securing was very difficult.

【0018】また燃焼機器の排気ガスに共存する炭化水
素は、分子量も大きく、分子のサイズも大きいため、白
金のような貴金属表面に吸着すると、一酸化炭素や酸素
の吸着が阻害され、妨害ガスとして悪影響を及ぼすとい
う問題点もあった。
Since hydrocarbons coexisting in the exhaust gas of combustion equipment have a large molecular weight and a large molecular size, if they are adsorbed on the surface of a noble metal such as platinum, the adsorption of carbon monoxide and oxygen is hindered and the interference gas There was also a problem that it had an adverse effect.

【0019】さらに、本質的にセンサシステムがフェー
ルセーフでないため、これを高い信頼性で実用化できる
ようにするためには、極めて耐久性において信頼度が高
いセンサが求められるが、現在、思想的レベルにおいて
も耐久性の保証をきちんと確立できたセンサシステムは
実現されていないという問題点もあった。
Furthermore, since the sensor system is not essentially fail-safe, a highly reliable sensor with extremely high durability is required in order to be able to put it to practical use with high reliability. Even at the level, there was a problem that a sensor system that could properly establish durability was not realized.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、酸素センサおよび一酸化炭素、センサの個
々の課題を解すると共に、酸素センサおよび一酸化炭素
センサを一体化し、酸素、一酸化炭素複合センサとする
ことにより、幅広く燃焼機器に適用できる耐久性に優れ
たセンサとしたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention solves the individual problems of the oxygen sensor and the carbon monoxide sensor, and integrates the oxygen sensor and the carbon monoxide sensor to form an oxygen sensor. By using a carbon monoxide composite sensor, the sensor has excellent durability that can be widely applied to combustion equipment.

【0021】以下、詳細に説明する。本発明の酸素、一
酸化炭素複合センサは、加熱手段を備えたセラミックガ
ス選択透過体を介して検出ガスと固体電解質式酸素セン
サ素子と固体電解質式一酸化炭素センサ素子のそれぞれ
のガスの取り込みにかかわる電極部が接触するよう構成
するものである。すなわち、セラミックガス選択透過体
によりセンサとしての動作に必要な酸素、一酸化炭素以
外の不要ガスを極力電極などのセンサ機能部分に流入さ
せなくする構成により高耐久性を確保しようというもの
である。
The details will be described below. The oxygen / carbon monoxide composite sensor of the present invention is used for detecting gas and the respective gases of the solid electrolyte type oxygen sensor element and the solid electrolyte type carbon monoxide sensor element via the ceramic gas selective permeable body provided with the heating means. The related electrode portions are configured to be in contact with each other. That is, high durability is ensured by a configuration in which unnecessary gases other than oxygen and carbon monoxide necessary for operation as a sensor are prevented from flowing into a sensor function portion such as an electrode as much as possible by a ceramic gas selective permeable body.

【0022】本発明の基本思想は、センサの劣化は、大
部分が共存ガスによって生じるので、酸素、一酸化炭素
の検出に必要なガス以外の共存ガスは、ガス検出素子に
触れさせないようにすれば、半永久的な耐久性が実現で
き、半永久的な耐久性が実現できれば、実用的には、フ
ェールアウトは問題にはならないという考え方である。
The basic idea of the present invention is that most of the deterioration of the sensor is caused by the coexisting gas, so that the coexisting gas other than the gas necessary for detecting oxygen and carbon monoxide should not touch the gas detecting element. In this case, the idea is that if permanent durability can be achieved, and if permanent durability can be achieved, fail-out will not be a problem in practice.

【0023】すなわち、上記ガス選択透過体を介して、
ガス検知素子に被検出ガスを含む気体が接触する構成に
よって、センサ寿命に悪影響を及ぼす共存ガスのガス検
知素子への到達を規制するものである。
That is, through the gas selective permeable body,
The configuration in which the gas containing the gas to be detected comes into contact with the gas detection element restricts the arrival of the coexisting gas which adversely affects the sensor life to the gas detection element.

【0024】ガス選択透過体は、その細孔を制御した多
孔体を用いて、多孔体中のガスの透過速度の違いを利用
して、被検出ガスと検出に不要な共存ガスとの分離を行
う。
The gas selective permeable body uses a porous body whose pores are controlled, and utilizes the difference in the gas permeation rate in the porous body to separate a gas to be detected from a coexisting gas unnecessary for detection. Do.

【0025】一般に多孔体の細孔内の気体分子の透過機
構は、以下のように変化する。気相での流れは、分子間
の衝突が支配的な粘性流領域から、細孔サイズが小さく
なるとともに、分子−細孔壁間の衝突が支配的なKnudse
n(クヌッセン)拡散領域に移行する。この時、分子の
個々の性質が現れるようになり、透過速度の比は理論的
には、分子量の比の平方根で与えられる。さらに、細孔
が小さくなり、分子のサイズになると、気体分子は流れ
に垂直な方向の運動の自由度を失い、気体として存在す
ることができなくなる。この状態を分子篩と呼んでい
る。また、分子が細孔の壁面に吸着しつつ輸送される表
面拡散が気相流と併存する。とくに、圧力が毛管凝縮圧
を越えると、吸着層が全細孔を覆うため、表面拡散は毛
管凝縮流に移行する。
Generally, the permeation mechanism of gas molecules in the pores of a porous body changes as follows. In the gas phase flow, the pore size decreases from the viscous flow region where the collision between molecules is dominant, and the Knudse where the collision between the molecule and the pore wall dominates.
Move to the n (Knussen) diffusion region. At this time, the individual properties of the molecules appear, and the ratio of the permeation rates is theoretically given by the square root of the ratio of the molecular weights. Furthermore, as the pores become smaller and the size of the molecules becomes smaller, the gas molecules lose their freedom of movement in the direction perpendicular to the flow and cannot exist as a gas. This state is called a molecular sieve. In addition, surface diffusion in which molecules are transported while being adsorbed on the pore wall surface coexists with the gas phase flow. In particular, when the pressure exceeds the capillary condensation pressure, the surface diffusion shifts to the capillary condensation flow because the adsorbent layer covers all pores.

【0026】酸素および一酸化炭素の場合には、ガス検
知素子の動作に必要な一酸化炭素と酸素に対して、悪影
響を及ぼす亜硫酸ガスおよび灯油蒸気などの炭化水素ガ
スなどの共存ガスとは、分子量が異なるので、クヌッセ
ン拡散領域の細孔サイズで、ガス検知素子への流入を規
制することができる。さらに、表面拡散、毛管凝縮流、
分子篩を利用することで、分離能を高めることができ
る。本発明では、とくに、オングストロームオーダーで
の細孔径の制御と、細孔内の表面の化学的な改質を目的
とした細孔内への被膜形成により、有効なガス選択透過
性を多孔体に付与して用いる。
In the case of oxygen and carbon monoxide, coexisting gases such as hydrocarbon gas such as sulfurous acid gas and kerosene vapor which have a bad influence on carbon monoxide and oxygen necessary for the operation of the gas detection element are as follows: Since the molecular weights are different, the flow into the gas detection element can be regulated by the pore size of the Knudsen diffusion region. In addition, surface diffusion, capillary condensation flow,
By using the molecular sieve, the separation ability can be improved. In the present invention, in particular, by controlling the pore diameter on the order of angstrom and forming a film in the pores for the purpose of chemically modifying the surface of the pores, an effective gas selective permeability can be obtained in the porous body. Used by giving.

【0027】とくに、シリカもしくはジルコニアの一種
以上を含む皮膜にて細孔径を制御したガス選択透過体を
通してガス検知素子とガスとを接触させる。細孔径が1
0Å以下のサイズの場合、ガス分子は、分子篩型または
表面拡散型の透過性を示し、ガス分子のサイズにより流
入が規制される特性または、ガス分子と細孔内壁との親
和性により多孔体内部への拡散性が決定される特性を持
つ。
In particular, the gas is brought into contact with the gas detecting element through a gas selective permeable body whose pore diameter is controlled by a film containing at least one of silica and zirconia. 1 pore size
In the case of a size of 0 ° or less, the gas molecules exhibit molecular sieve type or surface diffusion type permeability, and the inflow is regulated by the size of the gas molecules, or the affinity between the gas molecules and the inner wall of the pores causes the inside of the porous body to be in a state. It has properties that determine its diffusivity.

【0028】灯油蒸気やシリコーン系化合物などは、分
子のサイズが大きいため、流入を有効に規制でき、また
二酸化硫黄についても大幅に流入を規制できるが、水蒸
気については、一酸化炭素分子と同レベルの分子サイズ
をもつため通常は、流入の規制ができない上に、条件に
よっては多孔体の細孔内で毛管凝縮を起こし細孔を閉塞
してしまう懸念をもつ。その点についてガス選択透過体
の表面をシリカもしくはジルコニアの一種以上を含む皮
膜にて被覆することで強い疎水性を持たせることがで
き、水蒸気の表面拡散性を阻害し水蒸気の凝縮を防止で
きる。また同様に親水的な二酸化硫黄の表面拡散性も阻
害し、二酸化硫黄の流入をブロックできる。
Since kerosene vapor and silicone compounds have a large molecular size, the inflow can be effectively controlled, and the inflow of sulfur dioxide can be largely controlled, but the water vapor has the same level as carbon monoxide molecules. In general, it is not possible to control the inflow, and depending on the conditions, there is a concern that capillary condensation occurs in the pores of the porous body and the pores are blocked. In this regard, by coating the surface of the gas selective permeable material with a film containing at least one of silica and zirconia, strong hydrophobicity can be imparted, and the surface diffusivity of water vapor can be inhibited to prevent condensation of water vapor. Similarly, it also inhibits hydrophilic surface diffusion of sulfur dioxide and can block the inflow of sulfur dioxide.

【0029】上記により、固体電解質式素子を構成する
電極への被毒影響を軽減化することができる。なお多孔
体の基材の材質は耐熱性の観点からセラミック製を用い
ることが必要である。
As described above, the poisoning effect on the electrodes constituting the solid electrolyte type device can be reduced. The material of the porous base material must be made of ceramic from the viewpoint of heat resistance.

【0030】加熱手段としては、電熱線、抵抗ヒータ膜
など各種手段が適用でき、抵抗ヒータ膜に用いる材料と
しては、白金など貴金属系のものが耐久性の点では望ま
しく、また電熱線を用いる場合には、鉄−クロム系、ニ
ッケル-クロム系のものを用いることができる。加熱手
段と併用して、必要に応じて、サーミスタ、熱電対など
の温度検知手段を併用して温度制御を実施する。これら
の加熱手段の中で、白金抵抗膜をガス選択透過体上に形
成して用いるのがセンサの均一加熱の面からも望まし
い。白金抵抗膜の形成方法としては、厚膜印刷法、スパ
ッタリングなどの薄膜法、無電解メッキ法などのいずれ
の方法を用いても良い。
As the heating means, various means such as a heating wire and a resistance heater film can be applied. As a material used for the resistance heater film, a noble metal based material such as platinum is preferable in terms of durability. , An iron-chromium type and a nickel-chromium type can be used. The temperature control is carried out in combination with a heating means and, if necessary, with a temperature detecting means such as a thermistor or a thermocouple. Among these heating means, it is desirable to form and use a platinum resistance film on the gas selective permeable body from the viewpoint of uniform heating of the sensor. As a method for forming the platinum resistance film, any method such as a thick film printing method, a thin film method such as sputtering, and an electroless plating method may be used.

【0031】ガス選択透過体のベースとなるセラミック
の多孔体基材について以下に説明する。セラミックの多
孔体基材は、すでに多孔性セラミックまたは多孔性ガラ
スとして市販されているものを用いて作製する。多孔性
セラミックまたは多孔性ガラスはセラミックフィルター
として各種用途に利用されおり、例えば、ビールの酵母
の分離などに利用されていることはよく知られている。
その孔径は0.05μmから数μm程度であるが、このまま
では、ガスの選択透過性は得られないので、その細孔を
埋めて細孔径を制御する必要がある。
The ceramic porous substrate serving as the base of the gas selective permeable body will be described below. The ceramic porous substrate is prepared using a commercially available porous ceramic or porous glass. It is well known that porous ceramic or porous glass is used for various applications as a ceramic filter, for example, for separation of yeast from beer.
Although the pore diameter is about 0.05 μm to several μm, the gas cannot be selectively permeated as it is, so that it is necessary to fill the pores and control the pore diameter.

【0032】細孔径の制御方法としては、細孔表面上に
ゾル−ゲル皮膜を形成して行う方法。
The method for controlling the pore diameter is to form a sol-gel film on the surface of the pores.

【0033】または、熱分解により細孔内に皮膜を形成
して細孔を制御するCVD法などが有力な方法である
が、これまで知られている各種皮膜形成法が適用可能で
ある。
Alternatively, a CVD method in which a film is formed in the pores by thermal decomposition to control the pores is a promising method, but various known film formation methods can be applied.

【0034】この中で、例えば、金属アルコキシドの分
解反応(ゾルゲル法)やCVD反応を利用する方法は有
効で、細孔径をガスの分子拡散領域の孔径まで制御する
ことができる。これらの方法によると孔径は、平均細孔
径で10Å以下の均一な細孔に制御できる。ゾルゲル法
よりは、CVD法の方が細孔径をより細かく均一に制御
することができる。この場合の細孔のサイズは、ガス分
子のサイズまでにする必要があり、多孔体の細孔内のガ
スの移動は、細孔表面の物質とガスとの相互作用の影響
も加わり、現実には複雑な拡散特性をもつが、基本的に
はガス透過過程は、分子篩拡散または表面拡散の領域に
なり、分子のサイズの大きな分子の透過を著しく阻害す
るかまたは、細孔内壁との親和性によって拡散特性が規
制されるような特性をもつようにして、大きなサイズの
分子または細孔内壁との親和性の低い分子は、ガス選択
透過体を通過することができないようにする必要があ
る。
Of these, for example, a method utilizing a metal alkoxide decomposition reaction (sol-gel method) or a CVD reaction is effective, and the pore diameter can be controlled to the diameter of the gas molecular diffusion region. According to these methods, the pore diameter can be controlled to uniform pores having an average pore diameter of 10 ° or less. The CVD method can control the pore diameter finer and more uniformly than the sol-gel method. In this case, the size of the pores must be reduced to the size of the gas molecules, and the movement of gas in the pores of the porous body is affected by the interaction between the gas and the substance on the surface of the pores. Has complex diffusion properties, but basically the gas permeation process is in the region of molecular sieve diffusion or surface diffusion, which significantly impedes the permeation of large molecules or has an affinity with the inner wall of the pore. Therefore, it is necessary to prevent molecules having a large size or molecules having low affinity with the inner wall of the pore from passing through the gas selective permeator so as to have a property such that the diffusion property is regulated by the gas.

【0035】[0035]

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態は、加
熱手段を備えたセラミックガス選択透過体を介して検出
ガスを取り入れるよう、固体電解質式酸素、一酸化炭素
センサのそれぞれのガスを取り入れにかかわる電極部が
セラミックガス選択透過体と接触するよう構成する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention is directed to a method in which a detection gas is taken in through a ceramic gas selective permeable body provided with a heating means, so that each gas of a solid electrolyte type oxygen and carbon monoxide sensor is supplied. Is configured so that the electrode section involved in taking in the ceramic gas comes into contact with the ceramic gas selective permeable body.

【0036】加熱手段により固体電解質式酸素センサ、
および一酸化炭素センサは、固体電解質の酸素イオン導
電性を備え、電極の吸着特性や、また触媒の酸化活性を
備えるなど所定の温度条件下でのセンサとしての動作が
確保される。加熱手段により温度的には、400〜50
0℃にセンサ素子を加熱することが望ましい。
The solid electrolyte type oxygen sensor is heated by heating means,
In addition, the carbon monoxide sensor has oxygen ion conductivity of the solid electrolyte, and the operation as a sensor under a predetermined temperature condition such as the adsorption characteristics of the electrode and the oxidation activity of the catalyst is ensured. The temperature is 400 to 50 by the heating means.
It is desirable to heat the sensor element to 0 ° C.

【0037】固体電解質式酸素センサと固体電解質式一
酸化炭素センサとは、詳細には、構成上の違いはある
が、動作温度は、固体電解質の駆動温度に関係して共通
しているので、共通の熱源で同じ温度環境条件で動作が
可能である。また共通して固体電解質上に配置した電極
が酸素を取り込む機能を担い酸素を取り込む機能が、酸
素、一酸化炭素センサの動作原理そのものと関係してお
り、センサとしてのガス検出の源となるが、この源であ
る電極を加熱手段を備えたセラミックガス選択透過体と
接触配置することで、酸素、一酸化炭素センサへのガス
の取り込みを全てセラミックガス選択透過体を通して行
うことができる。
Although the solid electrolyte type oxygen sensor and the solid electrolyte type carbon monoxide sensor are different in the structure in detail, the operating temperature is common in relation to the driving temperature of the solid electrolyte. Operation is possible under the same temperature environment conditions with a common heat source. In addition, an electrode commonly arranged on the solid electrolyte has a function of taking in oxygen, and the function of taking in oxygen is related to the operating principle of the oxygen and carbon monoxide sensor itself, and is a source of gas detection as a sensor. By arranging the electrode which is the source in contact with the ceramic gas selective permeable body provided with the heating means, all of the gas can be taken into the oxygen and carbon monoxide sensor through the ceramic gas selective permeable body.

【0038】従って、電極に向かうガスは、セラミック
ガス選択透過体により、電極劣化に悪影響を及ぼす亜硫
酸ガスなどのガスの電極への流入が規制されるので、電
極は、被毒劣化から保護され十分な耐久性を持たせられ
る。
Therefore, the gas flowing toward the electrode is restricted by the ceramic gas selective permeable material from flowing into the electrode, such as sulfur dioxide, which adversely affects the electrode deterioration. Durability.

【0039】固体電解質式一酸化炭素センサは、ポテン
シオメトリックで一対の白金電極の上の吸着酸素の比で
起電力出力が得られるのに対し、酸素センサは、クーロ
メトリックで陰極での還元反応(すなわち、酸素ガスを
酸素イオンに還元する反応)および酸化反応(すなわ
ち、酸素イオンを酸素ガスに酸化する反応)を行わせる
ための外部から直流電圧を加える必要がある。従って、
セラミックガス選択透過体とは、一酸化炭素センサの一
対の電極と酸素センサの還元反応を行う電極(陰極)の
3つの電極をそれぞれ接触させて配置することが必要で
ある。これ等の電極は一般的には白金電極が用いられる
が、これに限定されるものではない。
The solid electrolyte type carbon monoxide sensor can obtain an electromotive force output by the ratio of oxygen adsorbed on a pair of platinum electrodes in a potentiometric manner, while the oxygen sensor is a coulometric and reduction reaction in a cathode. It is necessary to apply a DC voltage from the outside for performing (ie, a reaction of reducing oxygen gas into oxygen ions) and an oxidation reaction (ie, a reaction of oxidizing oxygen ions into oxygen gas). Therefore,
It is necessary that the ceramic gas selective permeable member is arranged such that three electrodes of a pair of electrodes of a carbon monoxide sensor and an electrode (cathode) of the oxygen sensor which performs a reduction reaction are brought into contact with each other. These electrodes are generally platinum electrodes, but are not limited thereto.

【0040】また一酸化炭素センサの一対の電極のうち
の片方は、一酸化炭素の酸化能力を備えかつ酸素などの
ガスの透過性を備えた多孔性一酸化炭素酸化触媒が配置
される必要がある。多孔性一酸化炭素酸化触媒は、検出
すべきガスが一対の電極の片側の電極へ拡散できる流路
にあれば良いので、加熱手段を備えたセラミックガス選
択透過体の外側または内側に、あるいは、セラミックガ
ス選択透過体の内部に配置しても良い。多孔性一酸化炭
素酸化触媒は、加熱手段により提供される温度条件下
で、一酸化炭素の酸化触媒能力を備え、かつ酸素ガスの
拡散性を備えた多孔体であれば良い。遷移金属の酸化
物、複合酸化物や白金、パラジウムなどの貴金属を多孔
性セラミック等の各種担体に担持したものを用いること
ができる。耐熱金属焼結体の表面を多孔性セラミックに
て処理したものを担体として用いても良い。また、シリ
カ・アルミナ繊維などのセラミック繊維と粉末状酸化触
媒とを混抄して作製したセラミックシートなどを用いて
も良い。
One of the pair of electrodes of the carbon monoxide sensor needs to be provided with a porous carbon monoxide oxidation catalyst having the ability to oxidize carbon monoxide and the permeability to gases such as oxygen. is there. Since the porous carbon monoxide oxidation catalyst only needs to be in a flow path through which the gas to be detected can diffuse to one of the pair of electrodes, outside or inside the ceramic gas selective permeable body provided with the heating means, or It may be arranged inside the ceramic gas selective permeable body. The porous carbon monoxide oxidation catalyst may be any porous body that has the ability to oxidize carbon monoxide under the temperature conditions provided by the heating means and has the ability to diffuse oxygen gas. Transition metals such as oxides, composite oxides, and noble metals such as platinum and palladium supported on various carriers such as porous ceramics can be used. The heat-resistant metal sintered body whose surface is treated with a porous ceramic may be used as the carrier. Further, a ceramic sheet or the like manufactured by mixing ceramic fibers such as silica / alumina fibers and a powdery oxidation catalyst may be used.

【0041】酸素、一酸化炭素複合センサの動作につい
て説明する。酸素センサ部については、固体電解質の両
面の電極に直流の電圧をかけて用いる。この電圧によ
り、酸素は、セラミックガス選択透過体を通って、陰極
電極に到達し、そこで還元されマイナス電荷を受けて、
酸素イオンになり固体電解質内を移動して陽極に到達
し、そこで酸化されてプラス電荷を受けて、酸素ガスと
して、裏面側に抜けていく。この間に酸素の拡散は、セ
ラミックガス選択透過体を通過するところで規制され、
限界電流が発生する。この限界電流は、センサが置かれ
た環境の酸素濃度に比例することから、限界電流を知る
ことで、酸素濃度が検出される。また一酸化炭素につい
ては、固体電解質上の一対の白金電極上で、片側の電極
には、途中で多孔性一酸化炭素酸化触媒により一酸化炭
素が酸化されて一酸化炭素を全く含まないが、酸素は含
むガスが、また他方の電極には、一酸化炭素と酸素が到
達する。但しこの電極上では、一酸化炭素により還元さ
れて酸素濃度が低い状態になる。すなわち一対の電極間
での酸素濃度が異なった状態になるため、電極間に酸素
濃淡電池による起電力出力が発生する。この起電力出力
は、一酸化炭素濃度と関係することから、一酸化炭素濃
度が検出される。尚、これらの出力信号の取り出しに
は、当然、リード線が必要であるし、増幅器、回路など
も必要になるが、自明の内容として説明を省略してい
る。
The operation of the oxygen / carbon monoxide composite sensor will be described. In the oxygen sensor section, a DC voltage is applied to electrodes on both surfaces of the solid electrolyte. With this voltage, oxygen passes through the ceramic gas selective permeable material and reaches the cathode electrode, where it is reduced and receives a negative charge,
It becomes oxygen ions and moves in the solid electrolyte to reach the anode, where it is oxidized and receives a positive charge, and escapes to the back side as oxygen gas. During this time, the diffusion of oxygen is restricted where it passes through the ceramic gas selective permeable body,
A limiting current occurs. Since this limit current is proportional to the oxygen concentration of the environment where the sensor is placed, the oxygen concentration is detected by knowing the limit current. As for carbon monoxide, on a pair of platinum electrodes on the solid electrolyte, one electrode has no carbon monoxide because carbon monoxide is oxidized by a porous carbon monoxide oxidation catalyst on the way, A gas containing oxygen reaches the other electrode, and carbon monoxide and oxygen reach the other electrode. However, on this electrode, it is reduced by carbon monoxide and the oxygen concentration becomes low. That is, since the oxygen concentration is different between the pair of electrodes, an electromotive force output by the oxygen concentration cell is generated between the electrodes. Since this electromotive force output is related to the carbon monoxide concentration, the carbon monoxide concentration is detected. It is to be noted that a lead wire is necessary for extracting these output signals, and an amplifier, a circuit, and the like are also necessary.

【0042】上記の構成により、電極に悪影響を及ぼす
検出ガスは、ガス選択透過体で、規制されて電極部に到
達するため耐久性に優れた酸素、一酸化炭素複合センサ
が実現する。
According to the above-described structure, the detection gas which has an adverse effect on the electrode is a gas selective permeable member, and is regulated and reaches the electrode portion, thereby realizing an oxygen / carbon monoxide composite sensor having excellent durability.

【0043】本発明の第二の実施の形態は、表面上に加
熱手段およびその一部の領域に多孔性触媒を備えたセラ
ミックガス選択透過体に接して、表裏面に一対の白金電
極を形成してなる酸素イオン導電性固体電解質および片
面に一対の白金電極を備えた酸素イオン導電性固体電解
質とを配した構成を持つ。一酸化炭素センサの動作に必
要な多孔性一酸化炭素酸化触媒をセラミックガス選択透
過体の加熱手段の一部の領域に配したものである。その
領域は、一対の白金電極の片方の電極上にガスが流入す
るのに好ましい位置に配置する。本複合センサの作製方
法としては、独立した酸素、一酸化炭素固体電解質素子
をガラスとか無機接着剤を用いてセラミックガス選択透
過体と接合して作製される。固体電解質は、バルクの焼
結品を用いることになる。
In the second embodiment of the present invention, a pair of platinum electrodes are formed on the front and back surfaces in contact with a ceramic gas selective permeable body having a heating means on the surface and a porous catalyst in a part of the heating means. And an oxygen ion conductive solid electrolyte provided with a pair of platinum electrodes on one surface. A porous carbon monoxide oxidation catalyst required for the operation of the carbon monoxide sensor is arranged in a part of the heating means of the ceramic gas selective permeable body. The region is arranged at a position suitable for gas to flow onto one of the pair of platinum electrodes. The composite sensor is manufactured by bonding an independent oxygen and carbon monoxide solid electrolyte element to a ceramic gas selective permeable material using glass or an inorganic adhesive. As the solid electrolyte, a bulk sintered product is used.

【0044】上記の構成により耐久性に優れた酸素、一
酸化炭素複合センサが得られるのは、第一の実施の形態
の場合と同様である。
As described above, the oxygen / carbon monoxide composite sensor having excellent durability can be obtained by the above configuration.

【0045】本発明の第三の実施の形態は、ヒータ膜を
備えたセラミックガス選択透過体、その表面上に3つの
領域に分離した白金電極層、次いで2つの白金電極層お
よび一つの白金電極層とをそれぞれ被覆して2つの領域
に分離したイットリア安定化ジルコニア層、さらに一つ
の白金電極層を被覆した方のイットリア安定化ジルコニ
ア層の上に形成した白金電極層を備え、ヒータ膜上の一
部に多孔性一酸化炭素酸化触媒を配して構成する。
A third embodiment of the present invention is directed to a ceramic gas selective permeable body provided with a heater membrane, a platinum electrode layer divided into three regions on its surface, and then two platinum electrode layers and one platinum electrode layer. And a platinum electrode layer formed on the yttria-stabilized zirconia layer coated with one platinum electrode layer. A part is provided with a porous carbon monoxide oxidation catalyst.

【0046】本センサは、ヒータ膜を予め形成したセラ
ミックガス選択透過体を基板として、それぞれの所定の
パターンを用いて、例えばスパッタリングなどの薄膜法
を用いて、白金、さらにイットリア安定化ジルコニア、
さらに白金と積層して皮膜形成して複合素子を形成した
後、ヒータ膜上の一部の領域で、一対の白金電極の片側
に対応する部分に多孔性一酸化炭素酸化触媒を接合して
作製される。第二の実施例と比較すると固体電解質層を
薄膜で形成するための技術的課題はあるが、セラミック
ガス選択透過体と白金電極の密着状態は良好になる。
The present sensor uses a ceramic gas selective permeable member on which a heater film has been formed in advance as a substrate, and uses a predetermined pattern, for example, a thin film method such as sputtering to form platinum, yttria-stabilized zirconia,
Furthermore, after forming a composite element by laminating with platinum to form a film, a porous carbon monoxide oxidation catalyst is bonded to a part corresponding to one side of a pair of platinum electrodes in a part of the heater film. Is done. Although there is a technical problem in forming the solid electrolyte layer as a thin film as compared with the second embodiment, the adhesion between the ceramic gas selective permeable body and the platinum electrode is improved.

【0047】上記の構成により耐久性に優れた酸素、一
酸化炭素複合センサが得られるのは、第一、第二の実施
の形態の場合と同様である。
The oxygen / carbon monoxide composite sensor having excellent durability can be obtained by the above-described configuration in the same manner as in the first and second embodiments.

【0048】本発明の第四の実施の形態は、表面上に加
熱手段を備えたセラミックガス選択透過体に接して、表
裏面に一対の白金電極を形成してなる酸素イオン導電性
固体電解質および表裏面に一対の白金電極を形成してな
る酸素イオン導電性固体電解質で対向面に多孔性一酸化
炭素酸化触媒を備えたセラミックガス選択透過体を配し
て構成する。本実施の形態においては、一酸化炭素セン
サの白金電極を酸素イオン導電体固体電解質に対して、
対向型に配置しているため、セラミックガス選択透過体
をそれぞれの電極に2枚配置しているものである。一枚
は、加熱手段を備えたセラミックガス選択透過体で酸素
センサの電極と共通して用い、他方は、一酸化炭素セン
サ専用で用いている。電極へのガスの流入は、全てセラ
ミックガス選択透過体を介して行われるので、本実施の
形態の場合も、第一から第三の実施の形態と同様に優れ
た耐久性を備えた酸素、一酸化炭素複合センサが得られ
る。
The fourth embodiment of the present invention relates to an oxygen ion conductive solid electrolyte having a pair of platinum electrodes formed on the front and back surfaces in contact with a ceramic gas selective permeable body having heating means on the front surface. An oxygen ion conductive solid electrolyte formed by forming a pair of platinum electrodes on the front and back surfaces is provided with a ceramic gas selective permeable body provided with a porous carbon monoxide oxidation catalyst on the opposite surface. In the present embodiment, the platinum electrode of the carbon monoxide sensor with respect to the oxygen ion conductor solid electrolyte,
Since they are arranged in a facing type, two ceramic gas selective permeable members are arranged on each electrode. One is a ceramic gas selective permeable body provided with a heating means and is used in common with the electrode of the oxygen sensor, and the other is used exclusively for the carbon monoxide sensor. Since the gas flow into the electrode is all performed through the ceramic gas selective permeable body, in the case of this embodiment, oxygen having excellent durability as in the first to third embodiments, A carbon monoxide composite sensor is obtained.

【0049】本発明の第五の実施の形態は、セラミック
ガス選択透過体について、シリカもしくは、ジルコニア
の群から選定した一種以上を用いて細孔径の制御を行っ
たものを用いるものである。細孔径制御を行って、例え
ば10Å以下の細孔が形成された場合に、その細孔表面
が親水性材料である場合、水蒸気が凝縮して細孔を閉塞
させる危険性をもつ。また親水性材料の場合は、亜硫酸
ガスなどの酸性ガスも細孔内に侵入し易いため望ましく
ない。これは、細孔径がさらに大きな場合でも同様であ
る。シリカもしくは、ジルコニアの群から選定した一種
以上を用いて細孔径制御を行った場合、皮膜は耐酸性に
優れ、安定した特性を示す。燃焼機器の排気ガスなどの
環境においては、とくに上記処理の効果が有効である。
このように本実施の形態により、耐久性に優れた複合セ
ンサが得られる。
In the fifth embodiment of the present invention, a ceramic gas selective permeable material whose pore size is controlled using at least one selected from the group consisting of silica and zirconia is used. When the pore diameter is controlled and, for example, pores of 10 ° or less are formed, if the pore surface is a hydrophilic material, there is a risk that water vapor will condense and block the pores. In the case of a hydrophilic material, an acid gas such as a sulfurous acid gas is also not desirable because it easily penetrates into the pores. This is the same even when the pore diameter is even larger. When the pore size is controlled using at least one selected from the group consisting of silica and zirconia, the coating has excellent acid resistance and shows stable characteristics. In the environment such as the exhaust gas of the combustion equipment, the effect of the above treatment is particularly effective.
As described above, according to the present embodiment, a composite sensor having excellent durability can be obtained.

【0050】本発明の第五の実施の形態は、加熱手段に
より、複合センサを加温した状態において、燃焼機の動
作情報に従って、酸素センサに対して電圧を連続的また
は、周期的に加えるよう変更し、それにより得られる連
続的、または間欠的な酸素濃度信号および連続的な出力
値として得られる一酸化炭素濃度信号とを用いて燃焼特
性を評価判断し、警報信号を出力および燃焼空気量を制
御する手段を備えて構成する。限界電流式酸素センサの
応答性には、電極の特性、電圧なども関係するが、セン
サの拡散流路の容積が関係する。本発明の構成において
は、白金電極とセラミックガス選択透過体とは、密着し
た構成で配置されているため、応答性に関係するのは、
セラミックガス選択透過体の細孔内の容積のみと非常に
微小なため、1秒以内の高速応答性が実現する。民生用
燃焼機で、給湯機と暖房機では、使い方が基本的に異な
るため、要求される耐久性の時間がことなる。すなわ
ち、給湯機では、3,000時間から5,000時間で
あるのに対して、暖房機では、15,000から25,0
00時間と暖房機が長い。但し、燃焼制御に関して、暖
房機と給湯機では、応答性の要求レベルが異なる。すな
わち、暖房機では、給湯機の応答性に対する要求が、1
秒レベルと早い応答性が要求されるのに対して、暖房機
では、30秒レベルと応答性が遅くても支障がない。実
力的に、酸素センサの電として、5,000時間で耐え
る耐久性を備えていたとして、連続的に動作させると、
給湯機で実用化できても、暖房機では、無理なことにな
る。応答性の要求を加味して、暖房用で使う時には、1
0秒に1回、但し1秒間応答する間欠の動作を実施した
とすれば、そのままで5,000時間の10倍の50,
000時間の耐久性が実現することになる。本発明の構
成で、酸素センサの応答性は、1秒以下と高速であるた
め、このような使い方が可能になる。但し、燃焼量の切
り替えのタイミングなどで少し早い応答性が望ましい場
合は、燃焼機から信号を出して動作のタイミングを切り
替えることも可能である。また、一酸化炭素濃度の信号
および酸素濃度の信号の両方を参照することで、燃焼状
態に関係した情報をセンサ単独で用いる場合よりも有効
に把握することができる。このように、本実施の形態に
より、耐久性に優れた複合センサが得られる。
According to the fifth embodiment of the present invention, the voltage is continuously or periodically applied to the oxygen sensor in accordance with the operation information of the combustor in a state where the composite sensor is heated by the heating means. The combustion characteristics are evaluated and determined using the continuous or intermittent oxygen concentration signal obtained as a result thereof and the carbon monoxide concentration signal obtained as a continuous output value, and an alarm signal is output and the combustion air amount is output. Is provided. The responsiveness of the limiting current type oxygen sensor is related to the characteristics of the electrode, the voltage, and the like, but is related to the volume of the diffusion channel of the sensor. In the configuration of the present invention, the platinum electrode and the ceramic gas selective permeable body are arranged in a close contact configuration, so that
Since the volume in the pores of the ceramic gas selective permeable body is very small, high-speed response within 1 second is realized. Since the usage of the water heater and the heater is basically different in a consumer combustion machine, the required durability time is different. That is, in the case of a water heater, the time is from 3,000 hours to 5,000 hours, whereas in the case of a heater, it is 15,000 to 25.0 hours
00 hours and the heater is long. However, regarding the combustion control, the required level of responsiveness differs between the heater and the water heater. That is, in the heater, the demand for the responsiveness of the water heater is 1
While quick response at the second level is required, there is no problem even if the response is slow at the 30-second level in the heater. Possibly, assuming that the oxygen sensor had the durability to withstand 5,000 hours of electricity,
Even if it can be put to practical use with a water heater, it will not be possible with a heater. When used for heating, taking into account the demand for responsiveness, 1
If an intermittent operation that responds once every 0 seconds but responds for 1 second is carried out, 50, which is ten times 5,000 hours as it is
A durability of 000 hours will be realized. In the configuration of the present invention, the response of the oxygen sensor is as fast as 1 second or less, so that such usage is possible. However, if a slightly faster response is desired, for example, at the timing of switching the combustion amount, it is also possible to output a signal from the combustor to switch the operation timing. Further, by referring to both the signal of the carbon monoxide concentration and the signal of the oxygen concentration, it is possible to grasp information related to the combustion state more effectively than when the sensor is used alone. As described above, according to the present embodiment, a composite sensor having excellent durability can be obtained.

【0051】[0051]

【実施例】以下本発明のより具体的な実施例について図
1ないし図5を用いて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A more specific embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0052】(実施例1)図1は、本発明の実施例1の
酸素、一酸化炭素複合センサの断面概念図を示すもので
ある。図1において、1は、加熱手段で例えば、抵抗膜
を形成して用いる。2がセラミックガス選択透過体であ
る。このセラミック製ガス選択透過体2は、アルミナあ
るいはジルコニアなどの焼結法により作製された細孔径
が0.1〜1μmのセラミック製多孔体基材を用いて、
ゾルゲル法もしくは、CVD法により、細孔表面上に細
孔制御皮膜を形成し用いる。セラミック原料粉末をその
まま、もしくは樹脂などの有機物と混合して所定の形状
に成型した後、完全焼結する温度よりも低温側で焼結し
て作製する。焼結法で作製される多孔体の平均細孔径
は、0.1μmが限度である。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a schematic sectional view of an oxygen / carbon monoxide composite sensor according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a heating unit which is formed, for example, of a resistance film. 2 is a ceramic gas selective permeable body. The ceramic gas selective permeable body 2 is formed by using a ceramic porous base material having a pore diameter of 0.1 to 1 μm produced by a sintering method such as alumina or zirconia.
A pore control film is formed on the pore surface by a sol-gel method or a CVD method and used. The ceramic raw material powder is formed as it is or mixed with an organic substance such as a resin, molded into a predetermined shape, and then sintered at a temperature lower than the temperature for complete sintering. The average pore diameter of the porous body produced by the sintering method is limited to 0.1 μm.

【0053】したがって、本発明の目的に用いるために
は、焼結法で作製された多孔性基材を用いて、その細孔
をコーティング膜により処理する必要がある。焼結法で
作製された、多孔体は精密濾過膜として一般に市販され
ているので、本発明においても、セラミック製多孔性基
材は、この市販品を用いることができる。
Therefore, in order to use it for the purpose of the present invention, it is necessary to use a porous substrate produced by a sintering method and treat its pores with a coating film. Since the porous body produced by the sintering method is generally commercially available as a microfiltration membrane, the commercially available ceramic porous substrate can be used in the present invention.

【0054】次に、ゾルゲル法による、細孔制御方法に
ついて、以下で説明する。ジルコニウムイソプロボキシ
ドやテトラエトキシシランなどの金属アルコキシドを加
水分解後、塩酸等の触媒条件下で縮重合させて目的のゾ
ル溶液を作成する。このゾル溶液を貫通する孔をもつ多
孔性セラミックと接触、例えば多孔性セラミックをゾル
中に浸漬すると、毛管力によりゾル溶液が吸引され、こ
のゾルを乾燥させると、多孔性セラミックの細孔内でゾ
ルの濃縮さらにはゲル化が起こる。さらに、加熱を進め
ると、ゲル化から焼結が進みコーティング膜が形成され
る。必要により、ゾル溶液を多孔性セラミックを用いて
濾過する方法も採用できる。この方法を利用して、細孔
径の制御が可能になる。多孔性セラミックの細孔表面の
濡れ性、ゾルの溶剤、ゾルの濃度、浸漬時間、セラミッ
クの引き上げ速度などを調整することで比較的均質な細
孔径を持つガス選択透過体が得られる。
Next, a method for controlling pores by the sol-gel method will be described below. After hydrolyzing a metal alkoxide such as zirconium isopropoxide or tetraethoxysilane, it is subjected to polycondensation under catalytic conditions such as hydrochloric acid to prepare a desired sol solution. When the porous ceramic is contacted with a porous ceramic having pores penetrating the sol solution, for example, when the porous ceramic is immersed in the sol, the sol solution is sucked by capillary force, and when the sol is dried, the sol solution is dried in the pores of the porous ceramic. Concentration of the sol and further gelation occur. Further, when heating is further advanced, sintering proceeds from gelation to form a coating film. If necessary, a method of filtering the sol solution using a porous ceramic can also be adopted. Using this method, the pore size can be controlled. By adjusting the wettability of the pore surface of the porous ceramic, the solvent of the sol, the concentration of the sol, the immersion time, the pulling speed of the ceramic, and the like, a gas selective permeable material having a relatively uniform pore diameter can be obtained.

【0055】ゾル-ゲル法以外にCVD法で、流通系で
化合物を熱分解させながら多孔体の細孔内に酸化物皮膜
を形成成長させることで細孔制御を行っても良い。3が
固体電解質式酸素センサすなわち限界電流式酸素センサ
である。4が、固体電解質式一酸化炭素センサである。
3および4は、そのガスと接触する電極部をセラミック
ガス選択透過体と接触して配置される。いずれも、電極
に吸着してセンサ寿命に悪影響を及ぼすガス成分は、細
孔径を制御したセラミック製ガス選択透過体2により、
電極面への到達を抑制または阻止されるため長寿命化が
図れる。
In addition to the sol-gel method, the pores may be controlled by forming and growing an oxide film in the pores of the porous body while thermally decomposing the compound in a flow system by a CVD method. Reference numeral 3 denotes a solid electrolyte type oxygen sensor, that is, a limiting current type oxygen sensor. 4 is a solid electrolyte type carbon monoxide sensor.
Nos. 3 and 4 are arranged in such a manner that the electrode portion that comes into contact with the gas is in contact with the ceramic gas selective permeable body. In any case, the gas component which is adsorbed on the electrode and adversely affects the sensor life is obtained by the ceramic gas selective permeable body 2 having a controlled pore diameter.
Since the arrival at the electrode surface is suppressed or prevented, the life can be extended.

【0056】(実施例2)図2は本発明の実施例2の酸
素、一酸化炭素複合センサの要部断面概念図を示すもの
である。図2において、表面上に加熱手段1およびその
一部の領域に多孔性一酸化炭素酸化触媒5を備えたセラ
ミックガス選択透過体2に接して、表裏面に一対の白金
電極6を形成してなる酸素イオン導電性固体電解質7お
よび片面に一対の白金電極8を備えた酸素イオン導電性
固体電解質9とを配して構成される。
(Embodiment 2) FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view of a main part of an oxygen / carbon monoxide composite sensor according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 2, a pair of platinum electrodes 6 are formed on the front and back surfaces in contact with a ceramic gas selective permeable body 2 provided with a heating means 1 on a front surface and a porous carbon monoxide oxidation catalyst 5 in a partial area thereof. And an oxygen ion conductive solid electrolyte 9 having a pair of platinum electrodes 8 on one side.

【0057】なお10は、電極とセラミックガス選択透
過体との密閉構造を実現するためのシールである。シー
ルは、各種無機接着剤やガラス組成物を用いて両者を接
合する。多孔性一酸化炭素酸化触媒体は、ガスの透過特
性を備えた上で一酸化炭素含有ガスがその間を透過する
際に一酸化炭素を酸化する特性を備えたものであればよ
く、各種の耐熱性多孔体に酸化触媒を担持したものを用
いることができる。例えば、多孔性一酸化炭素酸化触媒
体は、酸化触媒粒子をセラミック繊維とともに混抄して
なるセラミックペーパーを用いても良い。当セラミック
ペーパーは、鉄、マンガン、銅、ニッケル、コバルト、
クロムなどの遷移金属酸化物触媒粉末、または、アルミ
ナなどの多孔質担体上に貴金属元素とともに担持した酸
化触媒粉末をシリカ・アルミナ繊維などのセラミック繊
維とアルミナゾルやコロイダルシリカなどの無機結合材
とともに水中に分散させた状態から濾過、圧縮、乾燥し
て作製する。本実施例の多孔性一酸化炭素酸化触媒被膜
は、機能を担う酸化触媒がマトリックス中に均一に分散
した状態を保持していると同時に酸素の拡散性に優れて
いるため、極めて特長のある多孔性一酸化炭素酸化触媒
被膜を形成することができる。
Reference numeral 10 denotes a seal for realizing a sealed structure between the electrode and the ceramic gas selective permeable body. The seal joins both using various inorganic adhesives and glass compositions. The porous carbon monoxide oxidizing catalyst may be any one having a property of oxidizing carbon monoxide when a gas containing carbon monoxide permeates between the gas and the gas. What carried the oxidation catalyst in the porous body can be used. For example, as the porous carbon monoxide oxidation catalyst, ceramic paper obtained by mixing oxidation catalyst particles together with ceramic fibers may be used. This ceramic paper is made of iron, manganese, copper, nickel, cobalt,
A transition metal oxide catalyst powder such as chromium, or an oxidation catalyst powder supported on a porous carrier such as alumina together with a noble metal element in water together with ceramic fibers such as silica / alumina fibers and an inorganic binder such as alumina sol or colloidal silica. It is prepared by filtering, compressing and drying from the dispersed state. The porous carbon monoxide oxidation catalyst film of this example has an excellent porous property because the oxidation catalyst having a function is maintained in a state of being uniformly dispersed in the matrix and has excellent oxygen diffusibility. The catalytic carbon monoxide oxidation catalyst film can be formed.

【0058】本実施例の複合センサの作製法は、独立し
て作製した酸素、一酸化炭素固体電解質素子をガラスも
しくは、無機接着剤等を用いてセラミックガス選択透過
体と接合して作製される。イットリア安定化ジルコニア
などの2枚の固体電解質を用いて、片方は、その片側の
表面上に一対の白金電極を形成し、他方はその両面に白
金電極を形成した状態にて、ヒータ膜などの加熱手段を
形成し、すでに細孔制御を実施したセラミックガス選択
透過体と無機接着剤等で接合して、複合センサ素子が形
成される。さらに、加熱手段の上の一対の白金電極の片
方に対応する位置に、多孔性一酸化炭素酸化触媒体を形
成して、複合センサが得られる。
The composite sensor of this embodiment is manufactured by bonding an independently manufactured oxygen and carbon monoxide solid electrolyte element to a ceramic gas selective permeable material using glass or an inorganic adhesive. . Using two solid electrolytes such as yttria-stabilized zirconia, one formed a pair of platinum electrodes on one surface and the other formed platinum electrodes on both surfaces, and then used a heater film or the like. A composite sensor element is formed by forming a heating means and joining with a ceramic gas selective permeable body whose pore control has already been performed with an inorganic adhesive or the like. Further, a porous carbon monoxide oxidation catalyst is formed at a position corresponding to one of the pair of platinum electrodes on the heating means to obtain a composite sensor.

【0059】本実施例においても、電極に吸着してセン
サ寿命に悪影響を及ぼすガス成分は、細孔径を制御した
セラミック製ガス選択透過体2により、電極面への到達
を抑制または阻止されるため長寿命化が図れる。
Also in this embodiment, the gas component adsorbed on the electrode and adversely affecting the sensor life is prevented or prevented from reaching the electrode surface by the ceramic gas selective permeable body 2 having a controlled pore diameter. Long life can be achieved.

【0060】(実施例3)図3は本発明の実施例3の酸
素、一酸化炭素複合センサの要部断面概念図を示すもの
である。構成は、先の図2の実施例2とよく似ており、
図2と同一の構成部品には同一の符号を符している。図
2との相異点は酸素イオン導電性固体電解質7、9がセ
ラミックガス選択透過体2と密着している点である。基
本的にセンサの作製法が異なるために構成も異なる。す
なわち、実施例3の場合は、本センサは、ヒータ膜を予
め形成したセラミックガス選択透過体を基板として、そ
れぞれの所定のパターンを用いて、例えばスパッタリン
グなどの薄膜法を用いて、白金、さらにイットリア安定
化ジルコニア、さらに白金と積層して皮膜形成して複合
素子を形成した後、ヒータ膜上の一部の領域で、一対の
白金電極の片側に対応する部分に多孔性一酸化炭素酸化
触媒を無機接着剤等を用いて、接合して作製される。白
金電極は、後からリード線が取り出せるように、一部が
酸素イオン導電性固体電解質からはみ出した状態で形成
される。セラミックガス選択透過体に密着して電極を形
成しているため、セラミックガス選択透過体のみを通し
てのガスの電極への到達が約束される。また、酸素セン
サの応答性も拡散容積が、セラミックガス選択透過体の
細孔容積のみになるため高速応答性が実現する。その他
の基本的な動作は、実施例1、2の場合と同様である。
本実施例においても、電極に吸着してセンサ寿命に悪影
響を及ぼすガス成分は、細孔径を制御したセラミック製
ガス選択透過体2により、電極面への到達を抑制または
阻止されるため長寿命化が図れる。
(Embodiment 3) FIG. 3 is a conceptual sectional view of a main part of an oxygen / carbon monoxide composite sensor according to Embodiment 3 of the present invention. The configuration is very similar to that of Embodiment 2 in FIG.
The same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. The difference from FIG. 2 is that the oxygen ion conductive solid electrolytes 7 and 9 are in close contact with the ceramic gas selective permeable body 2. Basically, the configuration is also different because the manufacturing method of the sensor is different. That is, in the case of the third embodiment, the present sensor uses a ceramic gas selective permeable body on which a heater film has been formed in advance as a substrate, uses a predetermined pattern, and uses, for example, a thin film method such as sputtering to form platinum, After forming a composite element by laminating yttria-stabilized zirconia and further platinum to form a composite element, a porous carbon monoxide oxidation catalyst is applied to a part of the heater film corresponding to one side of a pair of platinum electrodes. Are bonded by using an inorganic adhesive or the like. The platinum electrode is formed with a part thereof protruding from the oxygen ion conductive solid electrolyte so that a lead wire can be taken out later. Since the electrode is formed in close contact with the ceramic gas selective permeable body, it is guaranteed that the gas will reach the electrode only through the ceramic gas selective permeable body. In addition, since the diffusion volume of the oxygen sensor is only the pore volume of the ceramic gas selective permeable body, high-speed response is realized. Other basic operations are the same as those in the first and second embodiments.
Also in the present embodiment, the gas component adsorbed on the electrode and adversely affecting the sensor life is prevented or prevented from reaching the electrode surface by the ceramic gas selective permeable body 2 whose pore diameter is controlled, thereby extending the life. Can be achieved.

【0061】(実施例4)図4は本発明の実施例4の酸
素、一酸化炭素複合センサの要部断面概念図を示すもの
である。本実施例においては、固体電解質9に対して一
酸化炭素センサ部の白金電極8を、対向型に配置してい
るため、セラミックガス選択透過体2をあらたに追加し
て配置しているものである。一枚目のセラミックガス選
択透過体は、加熱手段1を備えたセラミックガス選択透
過体2で酸素センサ用の白金電極6の片面と接触させて
用い、他方のセラミックガス選択透過体は、一酸化炭素
センサの対向側の白金電極8専用で用いている。本実施
例の酸素、一酸化炭素複合センサは、個別の素子をそれ
ぞれ作製した後、シール剤11を用いて、大きなサイズ
のセラミックガス選択透過体2と接合シールされて形成
される。
(Embodiment 4) FIG. 4 is a conceptual sectional view of a main part of an oxygen / carbon monoxide composite sensor according to Embodiment 4 of the present invention. In the present embodiment, since the platinum electrode 8 of the carbon monoxide sensor section is arranged to face the solid electrolyte 9, the ceramic gas selective permeable body 2 is additionally provided. is there. The first ceramic gas selective permeable member is used in contact with one surface of a platinum electrode 6 for an oxygen sensor by a ceramic gas selective permeable member 2 provided with a heating means 1, and the other ceramic gas selective permeable member is monoxide. It is used exclusively for the platinum electrode 8 on the opposite side of the carbon sensor. The oxygen / carbon monoxide composite sensor of the present embodiment is formed by separately forming individual elements and then bonding and sealing with the large size ceramic gas selective permeable body 2 using the sealing agent 11.

【0062】本実施例の複合センサの作製法は、実施例
2の場合と同様に、独立して作製した酸素、一酸化炭素
固体電解質素子をガラスもしくは、無機接着剤等を用い
て大きなサイズのセラミックガス選択透過体と接合して
作製される。イットリア安定化ジルコニアなどの2枚の
固体電解質を用いて、両方とも対向する両面上に一対の
白金電極を形成して用いる。酸素センサに相当する片方
は、そのままで、一酸化炭素センサに相当する他方は、
片面の白金電極上に小さなサイズのセラミックガス選択
透過体を接合し、さらにその表面上に多孔性一酸化炭素
酸化触媒体5を形成する。このような状態の素子を大き
なサイズの加熱手段1を備えたセラミックガス選択透過
体2に接合して完成する。本実施例においても、電極に
吸着してセンサ寿命に悪影響を及ぼすガス成分は、細孔
径を制御したセラミック製ガス選択透過体2により、電
極面への到達を抑制または阻止されるため長寿命化が図
れる。
The method of manufacturing the composite sensor of this embodiment is similar to that of the second embodiment, except that the independently manufactured oxygen and carbon monoxide solid electrolyte elements are made of a large size using glass or an inorganic adhesive. It is manufactured by bonding with a ceramic gas selective permeable body. Using a pair of solid electrolytes such as yttria-stabilized zirconia, a pair of platinum electrodes are formed on both surfaces facing each other. One corresponding to the oxygen sensor is as it is, and the other corresponding to the carbon monoxide sensor is
A small sized ceramic gas selective permeable body is bonded on one side of the platinum electrode, and a porous carbon monoxide oxidation catalyst body 5 is formed on the surface thereof. The element in such a state is joined to a ceramic gas selective permeable body 2 provided with a heating means 1 of a large size to complete. Also in the present embodiment, the gas component adsorbed on the electrode and adversely affecting the sensor life is prevented or prevented from reaching the electrode surface by the ceramic gas selective permeable body 2 whose pore diameter is controlled, thereby extending the life. Can be achieved.

【0063】(実施例5)図5は本発明の実施例3の酸
素、一酸化炭素複合センサのセラミックガス選択透過体
の細孔部の断面概念図を示すものである。図5におい
て、12は、セラミックガス選択透過体の基材であり、
13がその表面皮膜で、シリカ、もしくは、ジルコニア
の群から選定した一種以上の皮膜により、細孔制御が行
われている。
(Embodiment 5) FIG. 5 is a schematic sectional view of a pore portion of a ceramic gas selective permeable body of an oxygen / carbon monoxide composite sensor according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 5, reference numeral 12 denotes a substrate of a ceramic gas selective permeable body,
Reference numeral 13 denotes a surface film, and pore control is performed by one or more films selected from the group consisting of silica and zirconia.

【0064】セラミックガス選択透過体を特に、10Å
以下の平均細孔径に処理して用いる場合に、本実施例の
皮膜形成による細孔制御は、有効になる。10Å以下の
細孔は、セラミックガス選択透過体の外部より内部に流
れるガス流において高分子量のガスは通過させない有効
な分子篩効果を示す。また孔の内部に生成しているゲル
皮膜すなわち細孔制御処理被膜との相互作用により、ガ
ス透過性に選択性がでる。すなわち、ガス分子とゲル分
子との分子間力は、永久双曲子間の相互作用による配向
力および永久双曲子と誘起双曲子間の誘起力およびファ
ンデルワールス相互作用などに基づく分散力によるガス
透過の選択性、すなわち表面拡散性をもつが、シリカも
しくはジルコニアの一種以上を含む疎水性の細孔制御皮
膜は、10Å以下の領域の細孔径を持つ多孔体を適用す
る上で課題となる水蒸気の毛管凝縮による細孔閉塞の問
題がなく、SO2などの白金電極を劣化させるガスの進
入を完全にブロックすることができ、複合センサの電極
の長寿命化に寄与する。
In particular, the ceramic gas selective permeable material is preferably set at 10 °
In the case where the film is processed to have the following average pore diameter, the control of the pores by the film formation of the present example becomes effective. Pores of 10 ° or less show an effective molecular sieving effect that does not allow passage of high molecular weight gas in the gas flow flowing from the outside to the inside of the ceramic gas selective permeable body. In addition, the interaction with the gel film formed inside the pores, that is, the pore control treatment film, increases selectivity in gas permeability. That is, the intermolecular force between the gas molecule and the gel molecule is determined by the orientation force due to the interaction between the permanent hyperboloids, the induced force between the permanent hyperboloid and the induced hyperboloid, and the gas permeation due to the dispersion force based on the van der Waals interaction. Has a selectivity, that is, a surface diffusivity, but a hydrophobic pore control film containing one or more of silica and zirconia is a problem in applying a porous body having a pore diameter of a region of 10 ° or less. There is no problem of clogging of pores due to capillary condensation, and it is possible to completely block the entry of a gas that degrades a platinum electrode such as SO2, thereby contributing to a longer life of the electrode of the composite sensor.

【0065】(実施例6)以下に本発明の効果に関わる
実験結果を記載する。
(Example 6) Hereinafter, experimental results relating to the effects of the present invention will be described.

【0066】セラミックガス選択透過体は、以下の手順
で作製した。ドクターブレード法にて、粒度分布および
焼成温度を調整して作製したジルコニア多孔体基板(平
均細孔径が0.2μmで寸法が12mm×5mm×0.5mmに切断し
たもの)を用いて、ジルコニアイソプロポキシドを主成
分とするアルコキシド溶液に浸漬処理して細孔制御を行
った。細孔制御は、アルコキシドの20Wt%溶液を用い
て、塗り重ねることでより細かい細孔を作製するように
した。なお、平均細孔径は、ポロシメータを用いて水銀
圧入法で評価した。平均細孔径は、塗り重ね回数1回で
0.1μm、3回で0.08μmとなったので3回塗り重ねたもの
をサンプルとして用いた。本セラミックガス選択透過体
を基材として、厚膜印刷法にて塗布、乾燥、焼成してパ
ターン化した白金抵抗膜を形成した。抵抗値は、約5Ω
であった。
The ceramic gas selective permeable body was manufactured in the following procedure. Using a zirconia porous substrate (average pore diameter of 0.2 μm, cut into dimensions of 12 mm × 5 mm × 0.5 mm) prepared by adjusting the particle size distribution and firing temperature by the doctor blade method, zirconia isopropoxide is used. The pores were controlled by immersion treatment in an alkoxide solution containing as a main component. The fine pores were controlled by applying a 20 Wt% solution of alkoxide and applying the same again. The average pore diameter was evaluated by a mercury porosimetry using a porosimeter. The average pore size is
Since the thickness was 0.1 μm and the thickness was 0.08 μm in three coats, three coats were used as a sample. Using this ceramic gas selective permeable material as a substrate, a patterned platinum resistance film was formed by applying, drying and firing by a thick film printing method. Resistance value is about 5Ω
Met.

【0067】次に、寸法が5mm×5mm×0.35mmの2枚の日
本ファインセラミックス社製のイットリア安定化ジルコ
ニア(YSZと略称)基材を用いて、一枚には、その片
面にマスキング治具を用いて、3mm×1.5mmの一対の白金
電極をスパッタリング法にて形成した。
Next, two yttria-stabilized zirconia (YSZ) substrates manufactured by Nippon Fine Ceramics Co., Ltd., each having a size of 5 mm × 5 mm × 0.35 mm, were used. Was used to form a pair of 3 mm × 1.5 mm platinum electrodes by a sputtering method.

【0068】また他方のYSZには、同じくスパッタリ
ング法にて、その両面に3mm×3mmの白金電極を形成し
た。いずれも、白金電極からは、0.1mmの径の白金リー
ド線を接合部を白金ペーストを用いて焼成し、固定した
状態で取り出した。以上の固体電解質素子を市販の無機
接着剤の「スミセラム」(商品名)を用いて、焼成し、
先のセラミックガス選択透過体と接合した。
On the other YSZ, platinum electrodes of 3 mm × 3 mm were formed on both surfaces by the same sputtering method. In each case, a platinum lead wire having a diameter of 0.1 mm was taken out of the platinum electrode in a state where the joint was baked using a platinum paste and fixed. The above solid electrolyte element was fired using a commercially available inorganic adhesive "Sumiceram" (trade name),
It was joined with the above-mentioned ceramic gas selective permeator.

【0069】次に多孔性一酸化炭素酸化触媒体は、以下
の手順で作製した。先ず触媒については、粒径が40/
60メッシュのγアルミナに0.1wt%の白金およびパラジ
ウムを坦持して(塩化白金酸、塩化パラジウムの硝酸、
塩酸水溶液を吸着させた後、水素化ホウ素ナトリウム水
溶液にて還元)酸化触媒粉末を作製した。
Next, a porous carbon monoxide oxidation catalyst was prepared in the following procedure. First, the catalyst has a particle size of 40 /
0.1wt% platinum and palladium supported on 60 mesh γ alumina (chloroplatinic acid, nitric acid of palladium chloride,
After adsorbing the aqueous hydrochloric acid solution, reduction with an aqueous sodium borohydride solution) an oxidation catalyst powder was produced.

【0070】この酸化触媒粉末をコロイダルシリカを結
合材にして、500g/m2の坪量にてシリカ・アルミ
ナ繊維とともに混抄して30cm角で厚み1mmのシートを
得た。
The oxidation catalyst powder was mixed with silica-alumina fiber at a basis weight of 500 g / m 2 using colloidal silica as a binder to obtain a 30 cm square sheet having a thickness of 1 mm.

【0071】次にこのシートを、2.5mm×5mmに切断して
用いた。この多孔性一酸化炭素酸化触媒体を無機接着剤
を用いて、白金抵抗膜を形成したセラミックガス選択透
過体の一酸化炭素素子の片方の電極に相当する位置に白
金抵抗膜の上から接着した。
Next, this sheet was cut into 2.5 mm × 5 mm for use. The porous carbon monoxide oxidation catalyst was bonded from above the platinum resistance film to the position corresponding to one electrode of the carbon monoxide element of the ceramic gas selective permeable body formed with the platinum resistance film using an inorganic adhesive. .

【0072】比較センサとして、先に試作した固体電解
質系と全く同じ5mm角の素子を試作し、片方には、その
まま、多孔性一酸化炭素触媒を接合し、セラミックガス
選択透過体および面ヒータを含まない固体電解質式一酸
化炭素センサを試作した。また酸素センサの対応する部
分の素子には、5mm×5mm×0.5mmのアルミナ基板にレー
ザーにて、30μmの径の貫通する孔を空けた基材と接
合して、ピンホール式の限界電流式酸素センサを試作し
た。
As a comparative sensor, a 5 mm square element exactly the same as the previously manufactured solid electrolyte system was prototyped, and a porous carbon monoxide catalyst was directly bonded to one side, and a ceramic gas selective permeable body and a surface heater were provided. A solid electrolyte type carbon monoxide sensor containing no carbon monoxide was prototyped. The element of the corresponding part of the oxygen sensor is bonded to a 5 mm × 5 mm × 0.5 mm alumina substrate with a laser and a base material with a 30 μm diameter through hole, and a pinhole type limiting current type An oxygen sensor was prototyped.

【0073】流通型の試験装置を用いて、各センサの基
本特性を評価した。複合センサの酸素センサ部およびピ
ンホール型の酸素センサは、いずれも酸素濃度に対して
限界電流特性を示した。印可電圧0.8Vで、いずれも
大気中で、ピンホール式の約95μAに対して、複合セン
サは、約60μAの限界電流値を示した。また酸素濃度を
10%から大気に変化させた時の応答性は、ピンホール
式が、13秒であるのに対して、複合センサは、0.2
秒と良好な応答特性を示した。また、一酸化炭素センサ
については、セラミックガス選択透過体を含まないセン
サの場合、約1000ppmの一酸化炭素に対して、53
mVに対して、本複合センサの一酸化炭素センサ部は、
約11mVと感度は、低下していたが、応答性は、両者
とも約30秒で差がなかった。
The basic characteristics of each sensor were evaluated using a flow-through test apparatus. Both the oxygen sensor portion of the composite sensor and the pinhole type oxygen sensor showed limiting current characteristics with respect to oxygen concentration. At an applied voltage of 0.8 V, the composite sensor showed a limit current value of about 60 μA in contrast to about 95 μA of the pinhole type in the atmosphere in all cases. The response when the oxygen concentration was changed from 10% to the atmosphere was 13 seconds in the pinhole method, whereas the response was 0.2 seconds in the composite sensor.
Seconds and good response characteristics. In the case of a sensor that does not include a ceramic gas selective permeator, about 53 ppm for carbon monoxide,
For mV, the carbon monoxide sensor section of the present composite sensor
Although the sensitivity was reduced to about 11 mV, the responsiveness was not different between both in about 30 seconds.

【0074】本試作センサについて、流通型の試験装置
を用いて、100ppmの亜硫酸ガスを通しての加速試験
により、本試作複合センサの耐久性を評価した。試験
は、一般大気に100ppmの濃度の亜硫酸ガスを添加し
た空気を連続通気し、間欠的に亜硫酸ガスと止め、酸素
センサについては、一般大気に対する限界電流値の確認
と一酸化炭素センサについて、約1000ppmの一酸
化炭素含有空気を送気してのセンサ出力を確認した。た
だし、酸素センサについては、試験中も継続的に0.8
Vの電圧をかけ続けている。対比サンプルとして同時に
試作したセラミックガス選択透過体を含まない一酸化炭
素センサの場合には、約13時間でゼロ点が150mV
もずれると共に、出力がなくなったのに対し、上記複合
試作センサの場合、約650時間経過後も、センサ出力
は、約10mVと安定した出力を維持していた。また、
酸素センサも、ピンホール式の場合、限界電流値が、約
35時間で、出力が低下したのに対し、複合センサの場
合は、約650時間経過後も52μAと2割弱、電流値
が低下したものの安定した特性を維持していた。特に、
酸素センサの使い方として、電極へのガスの流入量は、
通電した電流総量により決まるので電極への被毒ガスの
流入を電流総量を押さえることで、長寿命化を図る観点
から、酸素センサへの印可電圧を間欠的に、例えば、3
0秒に2秒などON−OFFし、その間の限界電流値を
ホールドした状態で用いることで長寿命化を図ることが
できる。とくに民生用機器で、長寿命が要求される暖房
機の場合、応答性に対しては、高速性が必要でないため
上記のことが可能となる。このような使い方は、本複合
センサの細孔特性により、酸素センサ部の応答性が早い
ためである。また燃焼機より提供される動作情報に従っ
て、酸素センサに対して過渡変化が予想されるような場
合は、電圧を周期的から連続的に加えるよう変更するな
どのきめ細かい動作が可能になる。また、酸素センサと
一酸化炭素センサが一体化していることで、両方の信号
情報を組み合わせて、燃焼異常などの的確な燃焼状態の
把握も可能になる。
The durability of the prototype composite sensor was evaluated by an acceleration test using a flow-type test device through 100 ppm of sulfur dioxide gas. The test was conducted by continuously ventilating air containing sulfur dioxide at a concentration of 100 ppm into the general atmosphere and stopping intermittently with the sulfur dioxide gas. The sensor output when air containing 1000 ppm of carbon monoxide was supplied was confirmed. However, for the oxygen sensor, 0.8
V voltage is continuously applied. In the case of a carbon monoxide sensor that does not include a ceramic gas selective permeator produced at the same time as a comparative sample, the zero point is 150 mV in about 13 hours.
While the output was lost and the output was lost, in the case of the composite prototype sensor, the sensor output was maintained at a stable output of about 10 mV even after about 650 hours had elapsed. Also,
In the case of the pinhole type oxygen sensor, the output decreased when the limit current value was about 35 hours, whereas in the case of the composite sensor, the current value decreased to 52 μA, which was slightly less than 20% after about 650 hours. However, stable characteristics were maintained. In particular,
As the usage of the oxygen sensor, the amount of gas flowing into the electrode is
Since the flow of the poisoning gas into the electrode is suppressed by controlling the total amount of the current, the voltage applied to the oxygen sensor is intermittently increased by, for example, 3
It is possible to extend the life by turning on and off such as 2 seconds at 0 seconds and using the battery while holding the limit current value during that time. In particular, in the case of a heater for a consumer appliance that requires a long life, the above-described operation can be performed because high-speed response is not required. This usage is due to the rapid response of the oxygen sensor due to the pore characteristics of the present composite sensor. Further, when a transient change is expected for the oxygen sensor according to the operation information provided by the combustor, fine operations such as changing the voltage from periodic to continuous can be performed. In addition, since the oxygen sensor and the carbon monoxide sensor are integrated, it is possible to grasp an accurate combustion state such as abnormal combustion by combining both signal information.

【0075】[0075]

【発明の効果】本発明の酸素、一酸化炭素複合センサは
以上説明したような形態で実施され、次の効果が得られ
る。
The oxygen / carbon monoxide composite sensor of the present invention is implemented in the form described above, and the following effects can be obtained.

【0076】(1)酸素および一酸化炭素の検出に関
し、セラミックガス選択透過体の電極保護効果により、
極めて長寿命化が実現するためフェールアウトの弱点を
カバーすることが出来、実用上のフェールセーフが見込
める。したがって、これらのセンサ機能を一体化した酸
素、一酸化炭素複合センサは信頼性が高く燃焼機器等に
設置するのに好適である。
(1) Regarding the detection of oxygen and carbon monoxide, the effect of protecting the electrode of the ceramic gas selective permeator is
The extremely long service life can cover the weak points of fail-out, and practical fail-safe can be expected. Therefore, an oxygen / carbon monoxide composite sensor integrating these sensor functions has high reliability and is suitable for installation in a combustion device or the like.

【0077】(2)センサを複合化することで、電極に
到達する被毒ガスの流入を規制するためのセラミックガ
ス選択透過体および固体電解質式センサを動作させるた
めの加熱手段を共用化することができる。
(2) By combining the sensors, it is possible to share the ceramic gas selective permeable body for controlling the inflow of the poisoning gas reaching the electrodes and the heating means for operating the solid electrolyte type sensor. it can.

【0078】(3)全体的にコンパクトなセンサ系が構
成でき、燃焼機器の排気ガス流路に簡単に設置できると
ともに動作モードを連続および間欠と使い分けること
で、給湯機、暖房機と制約されず幅広く燃焼機器に適用
できる。
(3) A compact sensor system can be configured as a whole, can be easily installed in the exhaust gas flow path of the combustion equipment, and the operation mode can be used continuously or intermittently. Widely applicable to combustion equipment.

【0079】(4)複合センサのそれぞれのセンサ情報
を総合化することで、燃焼状態に関する的確な把握を長
期間に亘って行うことが可能になる。
(4) By integrating the respective sensor information of the composite sensor, it is possible to accurately grasp the combustion state over a long period of time.

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

【図1】本発明の実施例1に係わる酸素、一酸化炭素の
複合センサを示す断面概念図
FIG. 1 is a conceptual sectional view showing a composite sensor of oxygen and carbon monoxide according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例2に係わる酸素、一酸化炭素の
複合センサを示す断面概念図
FIG. 2 is a conceptual sectional view showing a composite sensor of oxygen and carbon monoxide according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施例3に係わる酸素、一酸化炭素の
複合センサを示す断面概念図
FIG. 3 is a conceptual sectional view showing a composite sensor of oxygen and carbon monoxide according to a third embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例4に係わる酸素、一酸化炭素の
複合センサを示す断面概念図
FIG. 4 is a conceptual sectional view showing a composite sensor of oxygen and carbon monoxide according to a fourth embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施例5に係わるセラミックガス選択
透過体の要部断面図
FIG. 5 is a sectional view of a main part of a ceramic gas selective permeable body according to a fifth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 加熱手段 2 セラミックガス選択透過体 3 固体電解質式酸素センサ 4 固体電解質式一酸化炭素センサ 5 多孔性一酸化炭素酸化触媒 6、8 白金電極(電極) 7、9 酸素イオン導電性固体電解質 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heating means 2 Ceramic gas selective permeable body 3 Solid electrolyte type oxygen sensor 4 Solid electrolyte type carbon monoxide sensor 5 Porous carbon monoxide oxidation catalyst 6, 8 Platinum electrode (electrode) 7, 9 Oxygen ion conductive solid electrolyte

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梅田 孝裕 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 鶴田 邦弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Takahiro Umeda 1006 Kadoma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Kunihiro Tsuruta 1006 Odaka Kadoma Kadoma City Osaka Pref.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】加熱手段を備えたセラミックガス選択透過
体を介して検出ガスとそれぞれの素子のガス取り入れに
かかわる電極部が接触する構成を備えた固体電解質式酸
素、一酸化炭素複合センサ。
1. A solid electrolyte type oxygen / carbon monoxide composite sensor having a configuration in which a detection gas and an electrode portion for taking in gas of each element come into contact with each other via a ceramic gas selective permeable body provided with a heating means.
【請求項2】表面上に加熱手段およびその一部の領域に
多孔性一酸化炭素酸化触媒を備えたセラミックガス選択
透過体に接して、表裏面に一対の電極を形成してなる酸
素イオン導電性固体電解質および片面に一対の電極を備
えた酸素イオン導電性固体電解質とを配した酸素、一酸
化炭素複合センサ。
2. An oxygen ion conductive material comprising a pair of electrodes formed on the front and back surfaces in contact with a ceramic gas selective permeable member having a heating means on its surface and a porous carbon monoxide oxidation catalyst in a part of the heating means. An oxygen / carbon monoxide composite sensor comprising a conductive solid electrolyte and an oxygen ion conductive solid electrolyte having a pair of electrodes on one surface.
【請求項3】ヒータ膜を備えたセラミックガス選択透過
体、その表面上に3つの領域に分離した電極層、次いで
2つの電極層および一つの電極層とをそれぞれ被覆して
2つの領域に分離したイットリア安定化ジルコニア層、
さらに一つの電極層を被覆した方のイットリア安定化ジ
ルコニア層の上に形成した電極層を備え、ヒータ膜上の
一部に多孔性一酸化炭素酸化触媒を配した酸素、一酸化
炭素複合センサ。
3. A ceramic gas selective permeable body provided with a heater membrane, an electrode layer separated into three regions on the surface thereof, and then two electrode layers and one electrode layer, respectively, and are separated into two regions. Yttria stabilized zirconia layer,
An oxygen / carbon monoxide composite sensor comprising an electrode layer formed on a yttria-stabilized zirconia layer coated with one electrode layer, and a porous carbon monoxide oxidation catalyst disposed on a part of the heater film.
【請求項4】表面上に加熱手段を備えたセラミックガス
選択透過体に接して、表裏面に一対の電極を形成してな
る酸素イオン導電性固体電解質および表裏面に一対の電
極を形成してなる酸素イオン導電性固体電解質で対向面
に多孔性一酸化炭素酸化触媒を備えたセラミックガス選
択透過体を配した酸素、一酸化炭素複合センサ。
4. An oxygen ion conductive solid electrolyte comprising a pair of electrodes formed on the front and back surfaces in contact with a ceramic gas selective permeable body provided with a heating means on the front surface, and a pair of electrodes formed on the front and back surfaces. An oxygen / carbon monoxide composite sensor comprising a ceramic gas selective permeable body provided with a porous carbon monoxide oxidation catalyst on the opposing surface using an oxygen ion conductive solid electrolyte.
【請求項5】シリカもしくは、ジルコニアの群から選定
した一種以上を用いて細孔径の制御を行ったセラミック
ガス選択透過体を用いた請求項1ないし4記載の酸素、
一酸化炭素複合センサ。
5. The oxygen gas according to claim 1, wherein a ceramic gas selective permeator whose pore diameter is controlled using at least one selected from the group consisting of silica and zirconia is used.
Carbon monoxide composite sensor.
【請求項6】加熱手段により、複合センサを加温した状
態において、燃焼機の動作情報に従って、酸素センサに
対して電圧を連続的または、周期的に加えるよう変更
し、それにより得られる連続的、または間欠的な酸素濃
度信号および連続的な出力値として得られる一酸化炭素
濃度信号とを用いて燃焼特性を評価判断し、警報信号を
出力および燃焼空気量を制御する手段を備えた請求項1
記載の酸素、一酸化炭素複合センサ。
6. In a state where the composite sensor is heated by the heating means, the voltage is continuously or periodically applied to the oxygen sensor in accordance with the operation information of the combustor, and the continuous sensor is obtained. Or means for evaluating and determining combustion characteristics using an intermittent oxygen concentration signal and a carbon monoxide concentration signal obtained as a continuous output value, outputting a warning signal and controlling the amount of combustion air. 1
An oxygen-carbon monoxide composite sensor according to claim 1.
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