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ジルコニア方式酸素センサーの作動原理

  • 管理者 (nanoionicsjp)
  • 2019-04-03 11:51:00
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イットリア安定化ジルコニア(Yttria-stabilized zirconia, YSZ)は高い温度で酸素イオン伝導体であり、高い化学的安全性を持っており、燃料電池、酸素センサー、断熱コーティングなど多くの分野で使われる物質です。
イットリア(Y2O3)はジルコニア(ZrO2)にドーピングされながら酸素イオン空孔(Oxygen ion vacancy)を生成してジルコニアの酸素イオン電導度を高める役割をします(図 1)。

 

 

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(図 1) YSZ의 Unit cell structure ( J. Phys.: Condens. Matter 25, 2013, 395001)

 

 

弊社ではイットリアが8mol%ドーピングされたジルコニアを使って酸素分圧センサーを製作します。

 

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(図2) YSZを利用したジルコニア方式酸素センサーの構造

 

図2に図示されているように、ジルコニア方式酸素センサーは基準電極(Reference electrode)と作動電極(Working electrode)が互いに隔離されている構造です。
基準電極は周辺の大気に露出しており、常に酸素分圧 21%を維持し、作動電極には酸素分圧を測定するガスが循環されます。
気体状態の酸素分子は YSZの表面で次のような反応式によって酸素イオン空孔を満たすようになり、この時に電子が消滅します。

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質量作用の法則(Mass action law)によって固定された温度で各電気化学種(electrochemical species)の濃度は以下のような数式で表現されます。
酸素イオン空孔の濃度はイットリアのドーピング濃度によって決定されるので、電子の濃度は酸素分圧に比例するようになります。

 

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したがって基準電極と作動電極の酸素分圧差によって YSZの両電極間に電位差が発生するようになります。
両電極間の電位差は Nernst 式によって次のように定義されます。

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即ち、基準電極での酸素分圧(空気、21%)が分かっているので、両電極間の電位差を測定すれば気体の酸素分圧を算出することができます。
上記のようなジルコニア方式の酸素センサーはジルコニアが持っている物理化学的特性(高い耐化学性、耐腐食性) のために多様な条件のガス雰囲気で安定的な測定が可能で、一般的に実現できる全ての酸素分圧を測定することができ、多様な分野に適用が可能です。

 

 

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