高温型プロトン導電性セラミックスを用いた起電力式炭化水素センサの開発

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高温型プロトン導電性セラミックスとしてCaZr_<0.9>In_<0.1>O_<3-alpha>を用いて、一辺8mm角、厚さ0.5mmの板状試料に加工した。その片面にパラジウム電極、もう片面に金電極を焼き付け、またこれらの上に集電体として金線の付いた金ネットを取り付けることによって、テストセルを構成した。被検ガスには、空気で希釈したCH_4,C_2H_6またはC_3H_8ガス(1%以下)を用い、150mlmin^<-1>でセル内に流通した。起電力応答は、700℃でエレクトロメーターにより測定した。いずれの炭化水素を含む被検ガスをセル内に導入しても、パラジウム電極が負となる方向に起電力が発生し、それらの90%応答時間は10秒以内とかなり速かった。また起電力の値は、炭化水素濃度に対してほぼ直線的に増加し、検出感度はC_3H_8>C_2H_6>CH_4の順であった。さらに空気中の水素や一酸化炭素にはほとんど応答せず、炭化水素に対する選択性が極めて高かった。起電力の応答機構としては、以下の通りであった。空気中の炭化水素は、パラジウム電極上では燃焼し水蒸気と二酸化炭素を生成したが、金電極上では何等反応しなかった。その結果、均一ガス雰囲気内であるにもかかわらず両電極間で水蒸気分圧差が生じ、水蒸気濃淡電池に基づく起電力を発生した。本センサ素子は、起電力式であるため応答速度が速くしかも安定性に優れており、さらに参照極室を必要としないため装置が簡略化できる特徴を持つ。また同様の原理を用いることにより、均一ガス雰囲気内で作動する高温型燃料電池も構成することができ、現在その開発を進めている。