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JP2004117123A - Gas sensor - Google Patents

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JP2004117123A
JP2004117123A JP2002279679A JP2002279679A JP2004117123A JP 2004117123 A JP2004117123 A JP 2004117123A JP 2002279679 A JP2002279679 A JP 2002279679A JP 2002279679 A JP2002279679 A JP 2002279679A JP 2004117123 A JP2004117123 A JP 2004117123A
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JP
Japan
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electrode
gas
measured
concentration
catalyst
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002279679A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomonori Kondo
近藤 智紀
Shoji Kitanoya
北野谷 昇治
Norihiko Nadanami
灘浪 紀彦
Noboru Ishida
石田 昇
Takafumi Oshima
大島 崇文
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.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug 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.)
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Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication of JP2004117123A publication Critical patent/JP2004117123A/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

【課題】ヒータ等の回復手段を有することなく、可逆的且つ連続的にCO濃度等のガス濃度を測定できるガスセンサを提供すること。
【解決手段】ガスセンサは、プロトンを伝導するプロトン伝導層(1)と、被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部(21)と、拡散律速部(21)を介して被測定ガス雰囲気に連通する測定室(15)と、測定室(15)内にてプロトン伝導層(1)に接するとともに触媒を含む第1電極(3)と、測定室(15)外にてプロトン伝導層(1)に接する第2電極(5)及び参照電極(7)とを備えている。そして、第1電極(3)と参照電極(7)との間の電位差Vsが一定となるように第1電極(3)と第2電極(5)との間に印加される電圧Vpに基づいて、被測定ガス中の触媒毒ガス(CO)の濃度を求める。
【選択図】 図1
A gas sensor capable of reversibly and continuously measuring a gas concentration such as a CO concentration without a recovery means such as a heater.
A gas sensor communicates with an atmosphere of a gas to be measured via a proton conducting layer (1) that conducts protons, a diffusion-limiting section (21) that controls the diffusion of the gas to be measured, and a diffusion-controlling section (21). A measuring chamber (15), a first electrode (3) in contact with the proton conducting layer (1) in the measuring chamber (15) and containing a catalyst, and a proton conducting layer (1) outside the measuring chamber (15). And a second electrode (5) and a reference electrode (7) that are in contact with the first electrode. Then, based on the voltage Vp applied between the first electrode (3) and the second electrode (5) such that the potential difference Vs between the first electrode (3) and the reference electrode (7) becomes constant. Then, the concentration of the catalyst poison gas (CO) in the gas to be measured is determined.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池において、燃料ガス中のCOや含硫黄物質等の触媒毒ガスの濃度(特にCO濃度)の測定、更には、燃料ガス中の水素濃度の測定に好適なガスセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、地球規模の環境悪化が問題視されるなかで、高効率でクリーンな動力源として、燃料電池の研究が盛んに行われている。その中で、低温作動、高出力密度等の利点により、自動車用や家庭用として固体高分子型燃料電池(PEFC)が期待されている。
【0003】
この燃料電池の場合、燃料ガスとして、メタノール等の改質ガスの使用が有望であるが、温度、圧力等の条件によって改質反応過程で一酸化炭素(CO)が発生するため、改質ガス中にはCOが存在する場合がある。また、原料に含まれる含硫黄物質(例えばHS)が残存することがある。
【0004】
しかし、COや含硫黄物質等の特定の物質は、触媒毒として作用し、燃料電池の燃料極触媒である白金(Pt)等を被毒してしまうため、改質ガス中のCOや含硫黄物質濃度を直接検知できるガスセンサが必要になってくる。また、COや含硫黄物質等の触媒毒ガスを検知するセンサには、水素リッチの雰囲気中での測定が可能であることが求められる。
【0005】
そこで、従来より、このような水素リッチ雰囲気での測定が可能な、一酸化炭素検出装置(COセンサ)が提案されている(特許文献1参照)。この一酸化炭素検出装置は、電解質膜と、この電解質膜を挟持する2つの電極とを備え、一方の電極に被測定ガスを他方の電極に大気を導入し、2つの電極間へ所定の負荷を接続した状態における電極間の電位差からCO濃度を求めるものである。
【0006】
また、これとは別に、検出部を被測定ガス中に配置し、2つの電極間に所定の電圧を印加し、その際に流れる電流値の変化の傾きからCO濃度を求める一酸化炭素センサが提案されている(特許文献2参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開平8−327590号公報  (第2頁、図1)
【特許文献2】
特開2001−099809号公報  (第2頁、図1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、通常、燃料電池の効率を良くするために、被測定ガスである燃料ガスは加圧されているが、上記特許文献1の装置においては、水素リッチの被測定ガスと酸素を含む大気とが電解質膜のみで隔てられているため、電解質膜に圧力が不均等にかかり、長期の使用においては、電解質膜が破損してしまう危険性がある。
【0009】
また、この技術では、被測定ガスが所定の圧力を越えた場合に圧力を逃がす構造を提案しているが、この場合、一時的な圧力の上昇に対しては有効であるが、常に加圧されている条件では電解質膜にかかる圧力は不均等のままである。
一方、特許文献2の技術においては、2つの電極間に流れる電流値の変化の傾きからCO濃度を求めているが、COによる電流値の変化は不可逆的であるため、ヒータを用いた回復手段が必要になり、センサ構造が複雑になるといった問題がある。
【0010】
また、この技術では、測定後の回復に時間を必要とするため、連続的に測定を行うことが困難であるという問題もある。
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、被測定ガスが大気中に漏洩する等の装置の不具合が発生することなく、また、ヒータ等の回復手段を有することなく、可逆的且つ連続的にCO濃度等のガス濃度を測定できるガスセンサを提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
(1)請求項1の発明は、プロトン(H)を伝導するプロトン伝導層と、被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部と、前記拡散律速部を介して、前記被測定ガス雰囲気に連通する測定室と、前記測定室内にて、前記プロトン伝導層に接するとともに触媒を含む第1電極と、前記測定室外にて、前記プロトン伝導層に接する第2電極及び参照電極と、を備えたガスセンサに関するものであり、特に本発明では、前記第1電極と前記参照電極との間の電位差(例えばVs)が所定値(例えば一定)となるように前記第1電極と前記第2電極との間に印加される電圧(例えばVp)に基づいて、前記被測定ガス中の触媒毒ガス(触媒を被毒するガス)の濃度を求めることを特徴とする。
【0012】
本発明では、第1電極と参照電極との間の電位差が所定値となるように、即ち、第1電極上(従って測定室内)の水素濃度(水素ガス濃度)が常に所定値(例えば一定)となるように、第1電極と第2電極との間に印加される電圧を調節している。
【0013】
よって、第1電極上の水素濃度を、例えば「CO+HO→CO+H」を示す(A)式に従ってCOを反応させるのに十分であるように、第1電極と参照電極との間の電位差を設定しておけば、(A)式に従ってCOが一定に反応できるようになる。
【0014】
つまり、拡散律速部を設けることで、測定室内に導入される被測定ガスの拡散を制限できるとともに、プロトン伝導層を介した測定室からの水素のポンピング(ここでは汲み出し)により、測定室内の水素濃度を低くすることができる。よって、触媒毒ガスがCOである場合には、COのHOによるシフト反応を示す上記(A)式に従って、COを反応させることができる。
【0015】
そして、前記第1電極と第2電極との間に印加される電圧は、COが反応して、その反応物である水素(従ってプロトン)がプロトン伝導層を介してポンピングされることにより上昇するが、反応するCOは、COの拡散が拡散律速部にて制限されているためCO濃度(COガス濃度)に依存する。よって、第1電極と第2電極との間に印加される電圧の変化を検知することにより、CO濃度の測定が可能になる。
【0016】
また、触媒毒ガスによる被毒は、導入されたCO等の触媒毒ガスが、触媒(電極触媒)上に吸着して離脱しないために起こることから、本発明のように、導入されたCO等の触媒毒が、常に反応できるようにしておくことで、不可逆的な被毒を起こらなくすることができる。これにより、ヒータ等の回復の手段を必要とすることなく、可逆的に且つ連続的にCO濃度等の触媒毒ガスの濃度の測定が可能である。
【0017】
更に、本発明では、大気のような酸素を含むガスを導入する必要がなく、加圧された雰囲気中においても、センサ部(プロトン伝導層)にかかる圧力が不均等になることがないため、破損し難く、長期にわたって測定が可能となる。
尚、前記触媒とは、被測定ガス中のうち、特定のガス(ここでは測定対象のCO等の触媒毒ガス、又は水素)の反応に関与する触媒である。
【0018】
(2)請求項2の発明では、前記触媒毒ガスが、CO又は含硫黄物質であることを特徴とする。
本発明は、ガスセンサにより、その濃度を測定できる触媒毒ガスを例示したものである。つまり、本発明のガスセンサにより、CO又は含硫黄物質(例えばHS)のガス濃度を好適に測定することができる。
【0019】
(3)請求項3の発明では、前記第2電極が前記参照電極の機能を兼ね備え、前記第2電極及び前記参照電極が一体となっていることを特徴とする。
本発明では、第2電極が参照電極と一体となっているので、ガスセンサの構造を単純化することができる。
【0020】
(4)請求項4の発明では、前記第1電極と前記参照電極との間の電位差が、400mV以上であることを特徴とする。
本発明のように、第1電極と参照電極との間の電位差を400mV以上に設定することにより、全てのCO等の触媒毒ガスを反応させることができるので、CO等による不可逆的な被毒を起こらないようにできる。
【0021】
(5)請求項5の発明では、前記第1電極と前記第2電極との間に印加される電圧によって流れる電流が、限界電流であることを特徴とする。
本発明では、限界電流まで水素をポンピングすることによって、第1電極上の水素濃度をより低くすることができるので、上記(A)式の反応をより安定して起こすことができる。これにより、触媒毒ガスのガス濃度を、安定して精度良く測定することができる。
【0022】
尚、本発明において電圧を順次増加するように印加した場合に、ある値まで上昇して上限となる電流を、限界電流と称する。
(6)請求項6の発明では、前記限界電流の値から、前記被測定ガス中の水素濃度を求めることを特徴とする。
【0023】
水素濃度により上述した限界電流値が異なるので、限界電流値から水素濃度を測定することができる。
つまり、第1電極と参照電極との間の電位差が所定値となるように、第1電極と第2電極との間に電圧を印加すると、第1電極上で水素はプロトンに解離され、プロトンは、プロトン伝導層を介して第2電極側へ汲み出され、再び水素となって被測定ガス雰囲気に拡散する。その時、第1電極と第2電極との間に流れる電流値(限界電流値)は、水素濃度に比例するため、その電流値を測定することにより、水素濃度の測定が可能になる。
【0024】
(7)請求項7の発明では、前記第1電極に含有されている触媒が、前記被測定ガス中の触媒毒ガスを吸着し、分解、解離、又は含水素物と反応させることにより、水素又はプロトンを生じさせることができる触媒であることを特徴とする。
【0025】
本発明は、触媒を例示したものである。つまり、このような触媒を用いることで、CO等の触媒毒ガスを例えば上記(A)式のように反応させることができ、これにより、CO等による不可逆的な被毒を起こらないようにできる。
(8)請求項8の発明では、前記触媒が、白金及び/又は金を含むことを特徴とする。
【0026】
本発明は触媒を例示したものである。つまり、触媒として白金や金を用いることにより、高いセンサ感度を得ることができ、このうち、金を用いると、特にセンサ感度が高く好適である。
・尚、上述した各請求項の発明において、プロトン伝導層として、固体高分子電解質からなるものを使用できる。この固体高分子電解質を用いることで、低温で作動させることが可能となるため、ヒータ等を必要とせずセンサ構造を簡略化できる。
【0027】
・また、前記ガスセンサは、固体高分子型燃料電池システムに用いることができる。つまり、前記ガスセンサを用いることにより、固体高分子型燃料電池システムにおいて、その燃料ガス中の触媒毒ガスの濃度や水素濃度の測定を、精度良く行うことが可能である。
【0028】
・更に、前記ガスセンサの構成として、プロトン伝導層、第1電極、第2電極、参照電極、及び拡散律速部が、支持体により支持される構成を採用できる。
・また、前記拡散律速部は、被測定ガス雰囲気から測定室内に導入される被測定ガスの拡散を律速する連通部分であり、例えば支持体に開けられた孔(貫通孔)、又はその孔に充填されたガス透過性の多孔体などにより実現することができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のガスセンサの実施の形態の例(実施例)について説明する。
(実施例1)
本実施例では、ガスセンサとして、固体高分子型燃料電池の燃料ガスに含まれる、一酸化炭素(CO)濃度及び水素濃度の測定に用いられるガスセンサを例に挙げる。
【0030】
a)まず、本実施例のガスセンサの構成について、図1に基づいて説明する。尚、図1は、ガスセンサの長手方向の断面図である。
図1に示す様に、本実施例のガスセンサは、プロトン伝導層1の一方の面(同図の上面)に、第1電極3が設けられ、プロトン伝導層1の他方の面(同図の下面)に、第1電極3と対向するように、第2電極5及び参照電極7が設けられ、それらは、第1支持体9及び第2支持体11からなる支持体13中に支持されている。
【0031】
つまり、プロトン伝導層1は、第1支持体9及び第2支持体11に狭持され、第1電極3は、第1支持体9に覆われるとともにその第1凹部(測定室)15内に配置され、第2電極5は、第2支持体11に覆われるとともにその第2凹部17内に配置され、参照電極7は、第2支持体11に覆われるとともにその第3凹部19内に配置されている。
【0032】
尚、前記ガスセンサを一体に構成する方法としては、プロトン伝導層1を第1支持体9及び第2支持体11により狭持した状態で、図示しない固定部材等で固定する構成や、樹脂等により一体に固定する方法を採用できる。
このうち、前記プロトン伝導層1は、一方の面側から他方の面側に、例えば第1電極3側から第2電極5側に、プロトン(H)を移動させることができるものである。そのプロトン伝導層1の材料としては、比較的低温(例えば150℃以下)で作動するものが良く、例えばフッ素樹脂である「Nafion」(デュポン社の商標)等を採用できる。
【0033】
また、前記支持体13は、例えばアルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁体である。尚、支持体13としては、セラミックス等の無機絶縁体以外に、樹脂等からなる有機絶縁体も好ましいが、電気的に絶縁されていればよく、ステンレス等の金属でもよい。
【0034】
この支持体13のうち、第1支持体9には、周囲雰囲気と第1凹部15(従って第1電極3)とを連通する拡散律速部21が設けられている。
つまり、拡散律速部21は、被測定ガスである燃料ガス(従って含まれるCOガス及び水素ガス)を第1電極3側に導入するとともに、その拡散を律速する小さい孔である。尚、拡散律速部21内の内径を設定したり、拡散律速部21内にアルミナ等の多孔質材料を充填することにより、拡散を律速する程度を調節することができる。
【0035】
一方、第2支持体11には、周囲雰囲気と第2凹部17(従って第2電極5)に連通する空孔23が設けられている。
また、前記第1支持体9及び第2支持体11は、セラミックスを含有するシートを積層し焼成して形成されたものであり、そのシート間に例えば白金(Pt)製のリード部(図示せず)が形成されている。
【0036】
前記第1電極3、第2電極5、参照電極7は、例えばカーボンを主成分とする多孔質電極であり、それぞれ前記各凹部15、17、19内に形成されて各リード部と導通している。また、各電極3、5、7には、プロトン伝導層1に接する側にPt等の触媒層(図示せず)が塗布により形成されている。
【0037】
尚、参照電極7は、被測定ガス中の水素濃度による影響が小さくなるように、他の電極3、5とは分離して形成されているが、参照電極7での水素濃度をより安定化させるために、参照電極7を自己生成基準極とするのが好ましい。
特に本実施例では、前記第1電極3、第2電極5、参照電極7は、それぞれリード部を介して図示の回路に接続されており、第1電圧計25によって、第1電極3と参照電極7との間の電位差(Vs)を測定し、電源(電池)27によって、第1電極3と第2電極5との間に電圧を印加し、第2電圧計29によって、第1電極3と第2電極5との間に印加される電圧(Vp)を測定し、電流計31によって、第1電極3と第2電極5との間に流れる電流Ipを測定するように構成されている。
【0038】
そして、本実施例では、第1電極3と参照電極7との間の電位差Vsが、例えば400mV以上の一定値(例えば450mV)となるように、第1電極3と第2電極5との間に印加する電圧を調節し、このときに、第1電極3と第2電極5との間に印加される電圧Vpを測定するとともに、第1電極3と第2電極5との間に流れる電流(限界電流)Ipを測定する。
【0039】
更に、第1電極3と第2電極5との間の電圧VpからCO濃度を求めるとともに、第1電極3と第2電極5との間に流れる限界電流Ipから水素濃度を求める。
尚、第1電極3と第2電極5との間の電圧VpからCO濃度を求める処理や、第1電極3と第2電極5との間に流れる限界電流Ipから水素濃度を求める処理は、それらのデータを入力した周知のマイクロコンピュータを主要部とする電子制御装置により実施することができる。
【0040】
b)次に、本実施例のガスセンサの測定原理及び測定手順について説明する。本実施例のガスセンサを燃料ガスにさらすと、基本的に、ガスセンサ外の周囲雰囲気から拡散律速部21を通って第1電極3に到達した水素は、第1電極3と参照電極7との間に、水素濃度(詳しくは両電極3、7側における水素濃度の差)に応じた起電力を生じさせる。
【0041】
そこで、第1電極3と参照電極7との間の電位差Vsが一定に成るように、電源27により、第1電極3と第2電極5との間に電圧Vpを印加する。
その結果、第1電極3の触媒により、第1凹部(測定室)15内の被測定ガス中の水素はプロトンに解離されるとともに、触媒毒ガスのCOは上記(A)式を介してプロトンに解離され、そのプロトンは、プロトン伝導層1を介して第2電極5側へ汲み出され、再び水素となって被測定ガス雰囲気に拡散する。
【0042】
その時、第1電極3と第2電極5との間に印加される電圧Vpは、CO等の触媒毒ガスの濃度によって変化するため、この電圧Vpにより、CO等の触媒毒ガス濃度の測定が可能になる。
また、CO等の触媒毒ガスの濃度が、水素濃度に比べて十分に低い場合には、CO等の触媒毒ガスがプロトンとなって汲み出されることによる電流値はほぼ無視できるほど小さく、第1電極3と第2電極5との間に流れる電流Ipは、水素濃度に応じて変化するため、この電流値Ipから、水素濃度の測定が可能になる。
【0043】
つまり、第1電極3と第2電極5との間に流れる電流値Ip(即ち、電圧Vpを順次増加するように印加した場合に、ある値まで上昇して上限となる限界電流)は、水素濃度に比例するため、その電流値Ipを測定することにより、水素濃度の測定が可能になる。
【0044】
尚、前記電圧Vpは、第1電極3と第2電極5との間の内部抵抗をRとすると、「Vp=RIp+Vs」を示す(B)式にて表される。つまり、この(B)式において、Ipは限界電流となって一定、また、Vsも第1電極3及び参照電極7間の設定電位のため一定であることから、ここで測定しているVpの変化は、CO等の触媒毒ガスをプロトンにし、プロトン伝導層1を介して汲み出すために変化する内部抵抗Rの上昇を検知していると言える。
【0045】
すなわち、本実施例では、この抵抗値Rの上昇を印加電圧Vpで検知したが、第1電極3及び参照電極7間の電位差Vsを一定にしておき、内部抵抗Rの上昇を交流測定等の手段で直接検知し、これにより触媒毒ガスの濃度を求めることもできる。
【0046】
c)次に、本実施例のガスセンサの製造方法について簡単に説明する。
例えば基台(図示せず)上に、第2支持体11を、その第2凹部17側を上向きにして配置する。
次に、その上に、両側に第1電極3、第2電極5及び参照電極7を配置したプロトン伝導層1を配置する。つまり、第2電極5及び参照電極7が、それぞれ、第2凹部17及び第3凹部19内に収容されるように配置する。
【0047】
次に、第1電極3を第1凹部15で囲むようにして、プロトン伝導層1上に第1支持体9を配置する。
この状態で、即ち、第1支持体9及び第2支持体11でプロトン伝導層1を挟んだ状態で、図示しない固定部材等でガスセンサの厚み方向(同図の上下方向)に押圧して固定し、ガスセンサとする。
【0048】
尚、ガスセンサの側面は、例えば樹脂等により覆われて気密されているが、拡散律速部21以外からの(第1電極3側への)通気ができなければ良いので、この方法に限定されるものではない。
d)次に、本実施例のガスセンサの効果について説明する。
【0049】
本実施例のガスセンサでは、第1電極3と参照電極7との間の電位差Vsが一定となるように、第1電極3と第2電極5との間に印加される電圧Vpを調節している。この電圧VpはCO濃度に依存するので、電圧VpからCO濃度を求めることができる。尚、CO以外の触媒毒ガスの濃度も、本実施例と同様な原理により測定することができる。
【0050】
また、本実施例のように、測定室15内に導入されたCOが、常に反応できるようにしておくことで、不可逆的な被毒を起こらなくすることができる。これにより、ヒータ等の回復の手段を必要とすることなく、可逆的に且つ連続的にCO濃度の測定が可能である。
【0051】
更に、本実施例では、第1電極3と参照電極7との間の電位差Vsが、400mV以上であるので、測定室15内に導入された全てのCOを反応させることができ、この点からも、COによる不可逆的な被毒を起こらないようにできる。
その上、本実施例では、大気のような酸素を含むガスを導入する必要がなく、加圧された雰囲気中においても、センサ部(プロトン伝導層1)にかかる圧力が不均等になることがないため、破損し難く、長期にわたって測定が可能となる。
【0052】
また、本実施例では、第1電極3と第2電極5との間に印加される電圧Vpによって流れる電流が、限界電流であるので、上記(A)式の反応をより安定して起こすことができる。これにより、CO濃度を、安定して精度良く測定することができる。
【0053】
更に、第1電極3と第2電極5との間に流れる限界電流Ipは、測定室15内の水素濃度に比例するので、本実施例では、CO濃度の測定だけでなく、第1電極3と第2電極5との間に流れる限界電流Ipから、被測定ガス中の水素濃度を求めることもできる。
【0054】
e)次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
▲1▼実験例1
本実験例1は、安定してCO濃度を測定できる電位差Vsを設定するためのものである。
【0055】
ここでは、前記図1に示す実施例1のガスセンサを用い、下記の測定条件1のもとで、第1電極と参照電極との間に生じる電位差Vsをモニタしながら、第1電極と第2電極との間に印加する電圧Vpを変化させた場合に、つまり、電位差Vsが順次増加するように電圧Vpを増加させた場合に、第1電極と第2電極との間に流れる電流を測定した。
【0056】
<測定条件1>
・ガス組成:CO=5000ppm、CO=15%、HO=25%、N=bal.
・ガス温度:80℃
・ガス流量:10L/min
・印加電圧Vp:0〜1000mV
・第1電極の電極触媒:Pt担持カーボン触媒
・第2電極の電極触媒:Pt担持カーボン触媒
前記測定結果を図2に示す。この図2は、縦軸には流れた電流値Ipをとり、横軸にはモニタした電位差Vsをとったものである。
【0057】
ここで、横軸の電位差Vsは、第1電極と第2電極との間に印加する電圧Vpを増加させることで低くなった第1電極上の水素濃度に起因する値を示し、電位差Vsの値が大きいことは、第1電極上の水素濃度が低いことを示す。
図2から、電位差Vsが大きくなるにつれて、第1電極と第2電極との間に流れる電流が増加してゆき、Vs=400mV以上で、一定(限界電流)になっていることが分かる。
【0058】
この結果は、第1電極上の水素濃度が低くなると、上記(A)式に従って反応が右に進行すること、即ち、COの反応が起こって生成した水素によって電流が流れていることを示している。更に、Vs=400mV以上の領域で限界電流になっていることから、Vs=400mV以上で、導入されたCOが全て反応していることが分かる。
【0059】
また、先述したように、被毒は導入されたCO等の触媒毒ガスが電極触媒上に吸着して離脱しないことにより起こるため、被毒を起こさないためには、導入されたCO等の触媒毒ガスが常に反応できるようにしておけば良いので、本実験例から、Vs=400mV以上に設定すれば全てのCO等が反応することが明らかであり、不可逆的な被毒が起こることなく安定して可逆的にCO濃度の測定が可能であることが分かる。
【0060】
▲2▼実験例2
本実験例2は、前記実施例1のガスセンサを用い、下記測定条件2にて、CO濃度測定を行ったものである。
<測定条件2>
・ガス組成:
CO=0→1000→2000→3000→4000→5000→4000→3000→2000→1000→0ppm
=35%、CO=15%、HO=25%、N=bal.
・ガス温度:80℃
・ガス流量:10L/min
・第1電極〜参照電極間の設定電位(電位差)Vs:900mV
・第1電極の電極触媒:Pt−Au担持カーボン触媒
・第2電極、参照電極の電極触媒:Pt担持カーボン触媒
・センサ出力:第1電極と第2電極との間の印加電圧Vp
前記測定結果を図3に示す。図3から、センサ出力が、CO濃度の変化に応じて、可逆的且つ連続的に変化しており、上述したガスセンサにより、ヒータ等の手段を有することなく、可逆的且つ連続的にCO濃度測定が可能であることが分かる。
【0061】
尚、第1電極に用いた電極触媒は、PtとAuを重量比で1:1として、カーボン粉末に担持したものを用いた。添加した金は、合金化処理されていても良いし、混合物として含まれていてもよい。
また、第1電極に用いられる電極触媒は、被測定ガス中の触媒毒ガスを吸着し、分解、解離、又は含水素物と反応させることにより、水素又はプロトンを生じさせることができる触媒であればよく、本実験例に限定されるものではない。更に、第2電極、参照電極に用いる触媒も本実験例に限定されるものではない。その上、後述するが、第2電極が参照電極の機能を兼ね備え、参照電極と一体になっていてもよい。
【0062】
▲3▼実験例3
本実験例3は、前記実施例1のガスセンサを用い、下記測定条件3にて、第1電極の電極触媒として金を添加することにより、感度が向上することを確認したものである。
【0063】

Figure 2004117123
前記測定結果を図4に示す。図4から、触媒として金を添加したものは、白金のみのものに比べて感度が大きく、金を添加することにより、感度を向上させることができることが分かる。
【0064】
ここで、第1電極に用いた電極触媒は、前記実験例2と同様に、PtとAuを重量比で1:1とし、カーボン粉末に担持したものを用いた。添加した金は、合金化処理されていても良いし、混合物として含まれていてもよい。尚、実験例3においても、前記実験例2と同様に、この実験例3の実施形態に限定されるものではない。
【0065】
▲4▼実験例4
本実験例4は、前記実施例1のガスセンサを用い、下記測定条件4にて、水素濃度測定を行ったものである。つまり、CO濃度が異なる場合における水素濃度を測定したものである。
【0066】
Figure 2004117123
前記測定結果を図5に示す。図5から、水素濃度に応じて、第1電極と第2電極との間に流れる電流値が変化しており、更に、その電流値は、CO濃度によって変化しないことが分かる。
【0067】
すなわち、上述したガスセンサにより、CO濃度と水素濃度とを同時に測定できることが分かる。
尚、実験例4においても、前記実験例2、3と同様に、この実験例4の実施形態に限定されるものではない。
(実施例2)
次に、実施例2について説明するが、前記実施例1と同様な箇所の説明は省略する。
【0068】
本実施例のガスセンサは、前記実施例1と同様に、プロトン伝導層41、第1電極43、第2電極45、拡散律速部47等を備えているが、特に、第2電極45が参照電極の機能を兼ね備え、参照電極と一体になっている点に特徴がある。図6に示す様に、本実施例では、ガスセンサの電気的構成として、第1電圧計59にて、第1電極43と第2電極45との間の電位差Vsを測定し、電源(電池)61にて、第1電極43と第2電極45との間に電圧を印加し、第2電圧計63にて、第1電極43と第2電極45との間に印加される電圧Vpを測定し、電流計65にて、第1電極43と第2電極45との間に流れる電流Ipを測定する回路を備えるとともに、第1電極43側に対して第1電圧計59側又は電流計65側に接続を切り替えるスイッチング素子67を備えている。
【0069】
そして、このスイッチング素子67によって回路を切り替えることにより、第1電極43と第2電極45(このときは参照電極として機能)との間の電位差Vsを測定する工程(スイッチング素子67をS1に接続)と、第1電極43と第2電極45(参照電極の機能)との間の電位差Vsを一定にするように、第1電極43と第2電極45との間に電圧を印加する工程(スイッチング素子67をS2に接続)とを周期的に切り替える。
【0070】
これにより、第1電極43と第2電極45(参照電極の機能)との間の電位差Vsを一定にするように、第1電極43と第2電極45との間に電圧Vpが印加されるため、この電圧Vpを測定することにより、前記実施例1と同様に、被測定ガス中のCO等の触媒毒ガスの濃度の測定が可能になる。また、限界電流Ipにより、水素濃度を測定することもできる。
【0071】
また、本実施例では、第2電極45が参照電極と一体となっているので、ガスセンサの構造を単純化することができるという利点がある。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1のガスセンサを破断して示す説明図である。
【図2】実験例1における電位差Vsと電流値との関係を示すグラフである。
【図3】実験例2におけるCO濃度と印加電圧Vpとの関係を示すグラフである。
【図4】実験例3における触媒の違いによるセンサ感度の違いを示すグラフである。
【図5】実験例4におけるCO濃度と水素濃度と電流値との関係を示すグラフである。
【図6】実施例2のガスセンサを破断して示す説明図である。
【符号の説明】
1、41…プロトン伝導層
3、43…第1電極
5、45…第2電極
7…参照電極
15…測定室(第1凹部)
21、47…拡散律速部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sensor suitable for measuring the concentration of a catalyst poison gas such as CO or sulfur-containing substance (especially, the CO concentration) in a fuel gas, and for measuring the hydrogen concentration in a fuel gas, for example, in a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, as environmental degradation on a global scale has been regarded as a problem, research on fuel cells as a highly efficient and clean power source has been actively conducted. Among them, polymer electrolyte fuel cells (PEFC) are expected for automobiles and homes due to advantages such as low temperature operation and high output density.
[0003]
In the case of this fuel cell, the use of a reformed gas such as methanol as a fuel gas is promising. However, since carbon monoxide (CO) is generated in the reforming reaction process depending on conditions such as temperature and pressure, the reformed gas is used. In some cases, CO may be present. In addition, sulfur-containing substances (eg, H 2 S) may remain.
[0004]
However, specific substances such as CO and sulfur-containing substances act as catalyst poisons and poison platinum (Pt) or the like which is a fuel electrode catalyst of a fuel cell. A gas sensor that can directly detect the substance concentration is required. Further, a sensor that detects a catalyst poison gas such as CO or a sulfur-containing substance is required to be able to perform measurement in a hydrogen-rich atmosphere.
[0005]
Therefore, conventionally, a carbon monoxide detection device (CO sensor) capable of performing measurement in such a hydrogen-rich atmosphere has been proposed (see Patent Document 1). This carbon monoxide detection device includes an electrolyte membrane and two electrodes sandwiching the electrolyte membrane. A gas to be measured is introduced into one electrode and the atmosphere is introduced into the other electrode, and a predetermined load is applied between the two electrodes. Is to determine the CO concentration from the potential difference between the electrodes in the state where is connected.
[0006]
Separately from this, a carbon monoxide sensor for arranging a detection unit in a gas to be measured, applying a predetermined voltage between two electrodes, and calculating a CO concentration from a gradient of a change in a current value flowing at that time is known. It has been proposed (see Patent Document 2).
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-8-327590 (page 2, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP 2001-099809 A (Page 2, FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in general, the fuel gas to be measured is pressurized in order to improve the efficiency of the fuel cell. However, in the apparatus described in Patent Document 1, the hydrogen-rich gas to be measured and the atmosphere containing oxygen are mixed. Are separated only by the electrolyte membrane, pressure is unevenly applied to the electrolyte membrane, and there is a risk that the electrolyte membrane may be damaged in long-term use.
[0009]
Also, this technology proposes a structure in which the pressure is released when the gas to be measured exceeds a predetermined pressure. Under the given conditions, the pressure on the electrolyte membrane remains uneven.
On the other hand, in the technique of Patent Document 2, the CO concentration is obtained from the gradient of the change in the current value flowing between the two electrodes. However, since the change in the current value due to CO is irreversible, the recovery means using a heater is used. Is required, and there is a problem that the sensor structure becomes complicated.
[0010]
In addition, this technique has a problem that it is difficult to perform continuous measurement because time is required for recovery after measurement.
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and has an object to provide a device without a trouble such as a gas to be measured leaking into the atmosphere and to have a recovery unit such as a heater. An object of the present invention is to provide a gas sensor capable of reversibly and continuously measuring a gas concentration such as a CO concentration without a gas sensor.
[0011]
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
(1) The invention of claim 1 is characterized in that the proton (H + ), A diffusion-controlling portion that controls the diffusion of the gas to be measured, a measurement chamber that communicates with the gas-to-be-measured via the diffusion-controlling portion, The present invention relates to a gas sensor including a first electrode in contact with a conductive layer and containing a catalyst, and a second electrode and a reference electrode outside of the measurement chamber and in contact with the proton conductive layer. Based on a voltage (for example, Vp) applied between the first electrode and the second electrode such that a potential difference (for example, Vs) between the electrode and the reference electrode becomes a predetermined value (for example, constant). The concentration of a catalyst poison gas (gas poisoning the catalyst) in the measured gas is obtained.
[0012]
In the present invention, the potential difference between the first electrode and the reference electrode is set to a predetermined value, that is, the hydrogen concentration (hydrogen gas concentration) on the first electrode (and thus the measurement chamber) is always set to a predetermined value (for example, constant). The voltage applied between the first electrode and the second electrode is adjusted so that
[0013]
Therefore, the hydrogen concentration on the first electrode is set to, for example, “CO + H 2 O → CO 2 + H 2 If the potential difference between the first electrode and the reference electrode is set so as to be sufficient for reacting CO according to the formula (A), the CO can react constantly according to the formula (A). become.
[0014]
That is, by providing the diffusion-controlling part, the diffusion of the gas to be measured introduced into the measurement chamber can be limited, and the hydrogen in the measurement chamber is pumped (here, pumped out) from the measurement chamber through the proton conductive layer. The concentration can be reduced. Therefore, when the catalyst poison gas is CO, the H 2 CO can be reacted according to the above formula (A) showing a shift reaction by O.
[0015]
Then, the voltage applied between the first electrode and the second electrode rises as CO reacts and hydrogen (accordingly, protons) as a reaction product is pumped through the proton conductive layer. However, the reacting CO depends on the CO concentration (CO gas concentration) because the diffusion of CO is restricted in the diffusion rate controlling section. Therefore, the CO concentration can be measured by detecting a change in the voltage applied between the first electrode and the second electrode.
[0016]
Further, the poisoning by the catalyst poison gas occurs because the introduced catalyst poison gas such as CO is adsorbed on the catalyst (electrode catalyst) and does not desorb. Therefore, as in the present invention, the catalyst such as the introduced CO is used. By ensuring that the poison can always react, irreversible poisoning can be prevented. This makes it possible to reversibly and continuously measure the concentration of the catalyst poison gas such as the CO concentration without the need for a recovery means such as a heater.
[0017]
Furthermore, in the present invention, it is not necessary to introduce a gas containing oxygen such as the atmosphere, and even in a pressurized atmosphere, the pressure applied to the sensor unit (proton conductive layer) does not become uneven, It is hard to break and can be measured for a long time.
The catalyst is a catalyst involved in the reaction of a specific gas (here, a catalyst poisonous gas such as CO to be measured or hydrogen) in the gas to be measured.
[0018]
(2) The invention of claim 2 is characterized in that the catalyst poison gas is CO or a sulfur-containing substance.
The present invention exemplifies a catalyst poison gas whose concentration can be measured by a gas sensor. That is, the gas sensor of the present invention allows CO or a sulfur-containing substance (for example, H 2 The gas concentration of S) can be suitably measured.
[0019]
(3) The invention according to claim 3 is characterized in that the second electrode also has the function of the reference electrode, and the second electrode and the reference electrode are integrated.
In the present invention, since the second electrode is integrated with the reference electrode, the structure of the gas sensor can be simplified.
[0020]
(4) The invention according to claim 4 is characterized in that a potential difference between the first electrode and the reference electrode is 400 mV or more.
By setting the potential difference between the first electrode and the reference electrode to 400 mV or more as in the present invention, all catalyst poison gases such as CO can be reacted, so that irreversible poisoning by CO or the like is prevented. You can prevent it from happening.
[0021]
(5) The invention according to claim 5 is characterized in that a current flowing by a voltage applied between the first electrode and the second electrode is a limiting current.
In the present invention, since the hydrogen concentration on the first electrode can be further reduced by pumping the hydrogen to the limit current, the reaction of the above formula (A) can be more stably caused. Thereby, the gas concentration of the catalyst poison gas can be measured stably and accurately.
[0022]
In the present invention, when the voltage is applied so as to increase sequentially, the current that rises to a certain value and becomes the upper limit is referred to as a limit current.
(6) The invention of claim 6 is characterized in that the hydrogen concentration in the gas to be measured is obtained from the value of the limiting current.
[0023]
Since the above-described limit current value differs depending on the hydrogen concentration, the hydrogen concentration can be measured from the limit current value.
That is, when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode so that the potential difference between the first electrode and the reference electrode becomes a predetermined value, hydrogen is dissociated into protons on the first electrode, Is pumped to the second electrode side via the proton conductive layer, becomes hydrogen again, and diffuses into the gas atmosphere to be measured. At that time, the current value (limit current value) flowing between the first electrode and the second electrode is proportional to the hydrogen concentration, so that the hydrogen concentration can be measured by measuring the current value.
[0024]
(7) In the invention of claim 7, the catalyst contained in the first electrode adsorbs the catalyst poison gas in the gas to be measured, and decomposes, dissociates, or reacts with the hydrogen-containing substance, thereby producing hydrogen or hydrogen. It is a catalyst capable of generating protons.
[0025]
The present invention exemplifies a catalyst. That is, by using such a catalyst, a catalyst poison gas such as CO can be reacted, for example, as in the above formula (A), thereby preventing irreversible poisoning by CO or the like.
(8) The invention according to claim 8 is characterized in that the catalyst contains platinum and / or gold.
[0026]
The present invention exemplifies a catalyst. That is, by using platinum or gold as the catalyst, high sensor sensitivity can be obtained, and among them, gold is particularly preferable because the sensor sensitivity is high.
In the above-described inventions, the proton conductive layer may be made of a solid polymer electrolyte. By using this solid polymer electrolyte, it is possible to operate at a low temperature, so that the sensor structure can be simplified without requiring a heater or the like.
[0027]
-The gas sensor can be used for a polymer electrolyte fuel cell system. That is, in the polymer electrolyte fuel cell system, the concentration of the catalyst poison gas and the concentration of hydrogen in the fuel gas can be accurately measured by using the gas sensor.
[0028]
-Further, as the configuration of the gas sensor, a configuration in which the proton conductive layer, the first electrode, the second electrode, the reference electrode, and the diffusion-controlling portion are supported by a support can be adopted.
The diffusion-controlling portion is a communicating portion that controls the diffusion of the gas to be measured introduced from the atmosphere of the gas to be measured into the measurement chamber. For example, a hole (through hole) formed in the support or a hole formed in the support is provided. It can be realized by a filled gas-permeable porous body or the like.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an example (example) of an embodiment of the gas sensor of the present invention will be described.
(Example 1)
In the present embodiment, a gas sensor used for measuring the concentration of carbon monoxide (CO) and the concentration of hydrogen contained in the fuel gas of a polymer electrolyte fuel cell will be described as an example.
[0030]
a) First, the configuration of the gas sensor of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the gas sensor.
As shown in FIG. 1, in the gas sensor of the present embodiment, a first electrode 3 is provided on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the proton conductive layer 1 and the other surface (in FIG. On the lower surface), a second electrode 5 and a reference electrode 7 are provided so as to face the first electrode 3, and they are supported by a support 13 including a first support 9 and a second support 11. I have.
[0031]
That is, the proton conductive layer 1 is sandwiched between the first support 9 and the second support 11, and the first electrode 3 is covered with the first support 9 and in the first recess (measurement chamber) 15. The second electrode 5 is arranged and covered by the second support 11 and arranged in the second recess 17. The reference electrode 7 is covered by the second support 11 and arranged in the third recess 19. Have been.
[0032]
In addition, as a method of integrally configuring the gas sensor, a configuration in which the proton conductive layer 1 is fixed by a fixing member or the like (not shown) while the proton conductive layer 1 is sandwiched between the first support 9 and the second support 11 or a resin is used. A method of integrally fixing can be adopted.
Among these, the proton conductive layer 1 is provided with a proton (H) from one surface side to the other surface side, for example, from the first electrode 3 side to the second electrode 5 side. + ) Can be moved. As a material of the proton conductive layer 1, a material which operates at a relatively low temperature (for example, 150 ° C. or lower) is preferable, and for example, “Nafion” (trademark of DuPont) which is a fluororesin can be used.
[0033]
The support 13 is an insulator made of ceramics containing, for example, alumina as a main component. The support 13 is preferably an organic insulator made of a resin or the like, in addition to an inorganic insulator such as a ceramic, but may be a metal such as stainless steel as long as it is electrically insulated.
[0034]
Among the supports 13, the first support 9 is provided with a diffusion-controlling portion 21 that communicates the surrounding atmosphere with the first recess 15 (therefore, the first electrode 3).
In other words, the diffusion-controlling portion 21 is a small hole that introduces the fuel gas to be measured (accordingly, the contained CO gas and hydrogen gas) to the first electrode 3 and controls the diffusion thereof. The degree of diffusion can be controlled by setting the inner diameter of the diffusion control part 21 or filling the diffusion control part 21 with a porous material such as alumina.
[0035]
On the other hand, the second support 11 is provided with a hole 23 that communicates with the surrounding atmosphere and the second recess 17 (therefore, the second electrode 5).
The first support 9 and the second support 11 are formed by laminating and firing ceramic-containing sheets, and for example, lead portions (for example, platinum (Pt)) between the sheets (not shown). Are formed.
[0036]
The first electrode 3, the second electrode 5, and the reference electrode 7 are, for example, porous electrodes containing carbon as a main component, and are formed in the concave portions 15, 17, 19, respectively, and are electrically connected to the respective lead portions. I have. In each of the electrodes 3, 5, and 7, a catalyst layer (not shown) of Pt or the like is formed on the side in contact with the proton conductive layer 1 by coating.
[0037]
Although the reference electrode 7 is formed separately from the other electrodes 3 and 5 so as to reduce the influence of the hydrogen concentration in the gas to be measured, the hydrogen concentration at the reference electrode 7 is further stabilized. For this purpose, the reference electrode 7 is preferably used as a self-generated reference electrode.
In particular, in the present embodiment, the first electrode 3, the second electrode 5, and the reference electrode 7 are connected to the circuit shown in the drawing via lead portions, respectively, and are connected to the first electrode 3 by the first voltmeter 25. A potential difference (Vs) between the first electrode 3 and the second electrode 5 is measured by a power supply (battery) 27, and a voltage is applied between the first electrode 3 and the second electrode 5 by a power source (battery) 27. A voltage (Vp) applied between the first electrode 3 and the second electrode 5 is measured, and a current Ip flowing between the first electrode 3 and the second electrode 5 is measured by the ammeter 31. .
[0038]
In this embodiment, the potential difference between the first electrode 3 and the reference electrode 7 is, for example, 400 mV or more, so that the potential difference Vs between the first electrode 3 and the second electrode 5 is 450 mV. Is adjusted, and at this time, the voltage Vp applied between the first electrode 3 and the second electrode 5 is measured, and the current flowing between the first electrode 3 and the second electrode 5 is adjusted. (Limit current) Ip is measured.
[0039]
Further, the CO concentration is determined from the voltage Vp between the first electrode 3 and the second electrode 5, and the hydrogen concentration is determined from the limit current Ip flowing between the first electrode 3 and the second electrode 5.
In addition, the processing for obtaining the CO concentration from the voltage Vp between the first electrode 3 and the second electrode 5 and the processing for obtaining the hydrogen concentration from the limit current Ip flowing between the first electrode 3 and the second electrode 5 are as follows. The present invention can be implemented by an electronic control unit mainly including a well-known microcomputer to which those data are input.
[0040]
b) Next, the measurement principle and the measurement procedure of the gas sensor of the present embodiment will be described. When the gas sensor according to the present embodiment is exposed to the fuel gas, basically, the hydrogen that has reached the first electrode 3 from the ambient atmosphere outside the gas sensor through the diffusion-controlling portion 21 is generated between the first electrode 3 and the reference electrode 7. Then, an electromotive force is generated in accordance with the hydrogen concentration (specifically, the difference in hydrogen concentration between the two electrodes 3 and 7).
[0041]
Then, the voltage Vp is applied between the first electrode 3 and the second electrode 5 by the power supply 27 so that the potential difference Vs between the first electrode 3 and the reference electrode 7 becomes constant.
As a result, the catalyst in the first electrode 3 dissociates hydrogen in the gas to be measured in the first concave portion (measurement chamber) 15 into protons, and converts CO of the catalyst poison gas into protons through the above formula (A). The protons are dissociated and pumped out to the second electrode 5 side through the proton conductive layer 1, become hydrogen again, and diffuse into the gas atmosphere to be measured.
[0042]
At this time, since the voltage Vp applied between the first electrode 3 and the second electrode 5 changes depending on the concentration of the catalyst poison gas such as CO, the concentration of the catalyst poison gas such as CO can be measured by the voltage Vp. Become.
When the concentration of the catalyst poison gas such as CO is sufficiently lower than the hydrogen concentration, the current value due to the pumping of the catalyst poison gas such as CO as protons is so small as to be almost negligible. Since the current Ip flowing between the third electrode 3 and the second electrode 5 changes according to the hydrogen concentration, it is possible to measure the hydrogen concentration from the current value Ip.
[0043]
That is, the current value Ip flowing between the first electrode 3 and the second electrode 5 (that is, the limit current that increases to a certain value and becomes the upper limit when the voltage Vp is applied so as to increase sequentially) is hydrogen. Since the concentration is proportional to the concentration, measuring the current value Ip makes it possible to measure the hydrogen concentration.
[0044]
Note that the voltage Vp is represented by an equation (B) showing “Vp = RIp + Vs”, where R is the internal resistance between the first electrode 3 and the second electrode 5. That is, in this equation (B), Ip is constant as the limit current, and Vs is also constant because of the set potential between the first electrode 3 and the reference electrode 7, so that Vp of Vp measured here is constant. It can be said that the change is detecting a rise in the internal resistance R that changes because the catalyst poison gas such as CO is turned into protons and pumped out through the proton conductive layer 1.
[0045]
That is, in the present embodiment, the rise of the resistance value R is detected by the applied voltage Vp. However, the potential difference Vs between the first electrode 3 and the reference electrode 7 is kept constant, and the rise of the internal resistance R is measured by AC measurement or the like. The concentration of the catalyst poison gas can be obtained by directly detecting the concentration of the catalyst poison gas.
[0046]
c) Next, a brief description will be given of a method of manufacturing the gas sensor of the present embodiment.
For example, the second support 11 is disposed on a base (not shown) with the second recess 17 side facing upward.
Next, the proton conductive layer 1 on which the first electrode 3, the second electrode 5, and the reference electrode 7 are disposed on both sides is disposed thereon. That is, the second electrode 5 and the reference electrode 7 are arranged so as to be accommodated in the second recess 17 and the third recess 19, respectively.
[0047]
Next, the first support 9 is disposed on the proton conductive layer 1 so as to surround the first electrode 3 with the first recess 15.
In this state, that is, in a state where the proton conductive layer 1 is sandwiched between the first support 9 and the second support 11, the gas sensor is pressed and fixed in a thickness direction (up and down direction in the figure) of the gas sensor by a fixing member or the like (not shown). And a gas sensor.
[0048]
The side surface of the gas sensor is covered with, for example, a resin or the like, and is airtight. However, it is only necessary to vent the gas from the part other than the diffusion control part 21 (to the first electrode 3 side). Not something.
d) Next, the effect of the gas sensor of the present embodiment will be described.
[0049]
In the gas sensor according to the present embodiment, the voltage Vp applied between the first electrode 3 and the second electrode 5 is adjusted so that the potential difference Vs between the first electrode 3 and the reference electrode 7 becomes constant. I have. Since this voltage Vp depends on the CO concentration, the CO concentration can be obtained from the voltage Vp. Note that the concentration of the catalyst poison gas other than CO can also be measured according to the same principle as in this embodiment.
[0050]
Further, as in the present embodiment, irreversible poisoning can be prevented by allowing the CO introduced into the measurement chamber 15 to always react. Thereby, the CO concentration can be reversibly and continuously measured without requiring a recovery means such as a heater.
[0051]
Further, in this embodiment, since the potential difference Vs between the first electrode 3 and the reference electrode 7 is 400 mV or more, all the CO introduced into the measurement chamber 15 can be reacted, and from this point, Can also prevent irreversible poisoning by CO.
In addition, in the present embodiment, it is not necessary to introduce a gas containing oxygen, such as the air, and the pressure applied to the sensor unit (proton conductive layer 1) may be uneven even in a pressurized atmosphere. Since it is not, it is hard to be damaged and can be measured for a long time.
[0052]
Further, in the present embodiment, the current flowing by the voltage Vp applied between the first electrode 3 and the second electrode 5 is a limiting current, so that the reaction of the above formula (A) can be more stably caused. Can be. Thus, the CO concentration can be measured stably and accurately.
[0053]
Further, since the limit current Ip flowing between the first electrode 3 and the second electrode 5 is proportional to the hydrogen concentration in the measurement chamber 15, in the present embodiment, not only the measurement of the CO concentration but also the first electrode 3 The hydrogen concentration in the gas to be measured can also be determined from the limit current Ip flowing between the second electrode 5 and the second electrode 5.
[0054]
e) Next, an experimental example performed to confirm the effect of the present embodiment will be described.
(1) Experimental example 1
The first experimental example is for setting the potential difference Vs at which the CO concentration can be measured stably.
[0055]
Here, using the gas sensor of Example 1 shown in FIG. 1 and monitoring the potential difference Vs generated between the first electrode and the reference electrode under the following measurement conditions 1, the first electrode and the second electrode were measured. When the voltage Vp applied between the electrodes is changed, that is, when the voltage Vp is increased so that the potential difference Vs is sequentially increased, the current flowing between the first electrode and the second electrode is measured. did.
[0056]
<Measurement condition 1>
-Gas composition: CO = 5000 ppm, CO 2 = 15%, H 2 O = 25%, N 2 = Bal.
・ Gas temperature: 80 ° C
-Gas flow rate: 10 L / min
・ Applied voltage Vp: 0 to 1000 mV
-Electrode catalyst of first electrode: Pt-supported carbon catalyst
-Electrode catalyst of the second electrode: Pt-supported carbon catalyst
FIG. 2 shows the measurement results. In FIG. 2, the vertical axis indicates the value of the flowing current Ip, and the horizontal axis indicates the monitored potential difference Vs.
[0057]
Here, the potential difference Vs on the horizontal axis indicates a value resulting from the hydrogen concentration on the first electrode which has been reduced by increasing the voltage Vp applied between the first electrode and the second electrode. A large value indicates that the hydrogen concentration on the first electrode is low.
From FIG. 2, it can be seen that as the potential difference Vs increases, the current flowing between the first electrode and the second electrode increases, and becomes constant (limit current) at Vs = 400 mV or more.
[0058]
This result indicates that when the hydrogen concentration on the first electrode decreases, the reaction proceeds to the right according to the above equation (A), that is, a current flows by the hydrogen generated by the reaction of CO. I have. Furthermore, since the limiting current is reached in the region where Vs = 400 mV or more, it can be seen that when Vs = 400 mV or more, all of the introduced CO has reacted.
[0059]
In addition, as described above, poisoning occurs because the introduced catalyst poison gas such as CO adsorbs on the electrode catalyst and does not desorb. Therefore, in order to prevent poisoning, the introduced catalyst poison gas such as CO is used. It is evident from this experimental example that if CO is set to Vs = 400 mV or more, all of the CO and the like will react, and it will be stable without irreversible poisoning. It can be seen that the CO concentration can be reversibly measured.
[0060]
(2) Experimental example 2
In Experimental Example 2, CO concentration was measured under the following measurement conditions 2 using the gas sensor of Example 1 described above.
<Measurement condition 2>
・ Gas composition:
CO = 0 → 1000 → 2000 → 3000 → 4000 → 5000 → 4000 → 3000 → 2000 → 1000 → 0ppm
H 2 = 35%, CO 2 = 15%, H 2 O = 25%, N 2 = Bal.
・ Gas temperature: 80 ° C
-Gas flow rate: 10 L / min
-Set potential (potential difference) Vs between the first electrode and the reference electrode: 900 mV
-Electrode catalyst of first electrode: Pt-Au supported carbon catalyst
-Electrode catalyst of second electrode and reference electrode: Pt-supported carbon catalyst
Sensor output: applied voltage Vp between the first electrode and the second electrode
FIG. 3 shows the measurement results. From FIG. 3, the sensor output is reversibly and continuously changed according to the change in the CO concentration, and the above-described gas sensor is used to measure the CO concentration reversibly and continuously without any means such as a heater. It can be seen that is possible.
[0061]
The electrode catalyst used for the first electrode was Pt and Au in a weight ratio of 1: 1 and supported on carbon powder. The added gold may be alloyed or may be contained as a mixture.
The electrode catalyst used for the first electrode is a catalyst that can generate hydrogen or proton by adsorbing a catalyst poison gas in a gas to be measured and decomposing, dissociating, or reacting with a hydrogen-containing substance. Well, it is not limited to this experimental example. Further, the catalyst used for the second electrode and the reference electrode is not limited to this experimental example. In addition, as will be described later, the second electrode may also function as a reference electrode, and may be integrated with the reference electrode.
[0062]
(3) Experimental example 3
In Experimental Example 3, it was confirmed that the sensitivity was improved by adding gold as an electrode catalyst of the first electrode under the following measurement conditions 3 using the gas sensor of Example 1 described above.
[0063]
Figure 2004117123
FIG. 4 shows the measurement results. From FIG. 4, it can be seen that the sensitivity of the catalyst to which gold was added was higher than that of the catalyst to which only platinum was added, and the sensitivity could be improved by adding gold.
[0064]
Here, as the electrode catalyst used for the first electrode, a Pt and Au were used in a weight ratio of 1: 1 and supported on carbon powder, as in Experimental Example 2. The added gold may be alloyed or may be contained as a mixture. Note that, in Experimental Example 3, as in Experimental Example 2, the embodiment is not limited to the embodiment of Experimental Example 3.
[0065]
(4) Experimental example 4
In Experimental Example 4, hydrogen concentration was measured under the following measurement conditions 4 using the gas sensor of Example 1 described above. That is, the hydrogen concentration is measured when the CO concentration is different.
[0066]
Figure 2004117123
FIG. 5 shows the measurement results. FIG. 5 shows that the value of the current flowing between the first electrode and the second electrode changes according to the hydrogen concentration, and that the current value does not change according to the CO concentration.
[0067]
That is, it is understood that the CO concentration and the hydrogen concentration can be measured simultaneously by the above-described gas sensor.
The experimental example 4 is not limited to the embodiment of the experimental example 4, as in the experimental examples 2 and 3.
(Example 2)
Next, a second embodiment will be described, but the description of the same parts as in the first embodiment will be omitted.
[0068]
The gas sensor according to the present embodiment includes the proton conductive layer 41, the first electrode 43, the second electrode 45, the diffusion-controlling portion 47, and the like, similarly to the first embodiment. It is characterized in that it has the function of (1) and is integrated with the reference electrode. As shown in FIG. 6, in the present embodiment, as an electrical configuration of the gas sensor, a first voltmeter 59 measures a potential difference Vs between the first electrode 43 and the second electrode 45 and supplies a power (battery). At 61, a voltage is applied between the first electrode 43 and the second electrode 45, and at the second voltmeter 63, a voltage Vp applied between the first electrode 43 and the second electrode 45 is measured. In addition, the ammeter 65 includes a circuit for measuring the current Ip flowing between the first electrode 43 and the second electrode 45, and the first voltmeter 59 or the ammeter 65 with respect to the first electrode 43. A switching element 67 for switching the connection is provided on the side.
[0069]
Then, the circuit is switched by the switching element 67 to measure the potential difference Vs between the first electrode 43 and the second electrode 45 (in this case, functioning as a reference electrode) (connecting the switching element 67 to S1). And applying a voltage between the first electrode 43 and the second electrode 45 (switching) so as to make the potential difference Vs between the first electrode 43 and the second electrode 45 (function of the reference electrode) constant. (The element 67 is connected to S2) periodically.
[0070]
Thereby, the voltage Vp is applied between the first electrode 43 and the second electrode 45 so that the potential difference Vs between the first electrode 43 and the second electrode 45 (function of the reference electrode) is constant. Therefore, by measuring the voltage Vp, it becomes possible to measure the concentration of the catalyst poison gas such as CO in the gas to be measured, as in the first embodiment. Also, the hydrogen concentration can be measured by the limit current Ip.
[0071]
Further, in this embodiment, since the second electrode 45 is integrated with the reference electrode, there is an advantage that the structure of the gas sensor can be simplified.
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment at all, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view of a gas sensor according to a first embodiment, which is cut away.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a potential difference Vs and a current value in Experimental Example 1.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a CO concentration and an applied voltage Vp in Experimental Example 2.
FIG. 4 is a graph showing a difference in sensor sensitivity due to a difference in catalyst in Experimental Example 3.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a CO concentration, a hydrogen concentration, and a current value in Experimental Example 4.
FIG. 6 is an explanatory view showing the gas sensor of the second embodiment in a cutaway manner.
[Explanation of symbols]
1, 41 ... proton conductive layer
3, 43 ... first electrode
5, 45 ... second electrode
7 ... Reference electrode
15 Measurement chamber (first recess)
21, 47 ... diffusion controlling part

Claims (8)

プロトンを伝導するプロトン伝導層と、
被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部と、
前記拡散律速部を介して、前記被測定ガス雰囲気に連通する測定室と、
前記測定室内にて、前記プロトン伝導層に接するとともに触媒を含む第1電極と、
前記測定室外にて、前記プロトン伝導層に接する第2電極及び参照電極と、
を備えるとともに、
前記第1電極と前記参照電極との間の電位差が所定値となるように前記第1電極と前記第2電極との間に印加される電圧に基づいて、前記被測定ガス中の触媒毒ガスの濃度を求めることを特徴とするガスセンサ。
A proton conducting layer that conducts protons,
A diffusion-controlling part that controls the diffusion of the gas to be measured;
Via the diffusion-controlling unit, a measurement chamber communicating with the measured gas atmosphere,
A first electrode in contact with the proton conductive layer and including a catalyst in the measurement chamber;
Outside the measurement chamber, a second electrode and a reference electrode in contact with the proton conductive layer,
With
Based on a voltage applied between the first electrode and the second electrode such that a potential difference between the first electrode and the reference electrode becomes a predetermined value, a catalyst poison gas in the gas to be measured is A gas sensor characterized by obtaining a concentration.
前記触媒毒ガスが、CO又は含硫黄物質であることを特徴とする前記請求項1に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 1, wherein the catalyst poison gas is CO or a sulfur-containing substance. 前記第2電極が前記参照電極の機能を兼ね備え、前記第2電極及び前記参照電極が一体となっていることを特徴とする前記請求項1又は2に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 1, wherein the second electrode has a function of the reference electrode, and the second electrode and the reference electrode are integrated. 前記第1電極と前記参照電極との間の電位差が、400mV以上であることを特徴とする前記請求項1〜3のいずれかに記載のガスセンサ。4. The gas sensor according to claim 1, wherein a potential difference between the first electrode and the reference electrode is 400 mV or more. 5. 前記第1電極と前記第2電極との間に印加される電圧によって流れる電流が、限界電流であることを特徴とする前記請求項1〜4のいずれかに記載のガスセンサ。The gas sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein a current flowing by a voltage applied between the first electrode and the second electrode is a limit current. 前記限界電流の値から、前記被測定ガス中の水素濃度を求めることを特徴とする前記請求項5に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 5, wherein a hydrogen concentration in the gas to be measured is obtained from the value of the limit current. 前記第1電極に含有されている触媒が、前記被測定ガス中の触媒毒ガスを吸着し、分解、解離、又は含水素物と反応させることにより、水素又はプロトンを生じさせることができる触媒であることを特徴とする前記請求項1〜6のいずれかに記載のガスセンサ。The catalyst contained in the first electrode is a catalyst that can generate hydrogen or protons by adsorbing a catalyst poison gas in the gas to be measured and decomposing, dissociating, or reacting with a hydrogen-containing substance. The gas sensor according to claim 1, wherein: 前記触媒が、白金及び/又は金を含むことを特徴とする前記請求項7に記載のガスセンサ。The gas sensor according to claim 7, wherein the catalyst includes platinum and / or gold.
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