ガスセンサー(固体電解質)の原理とは?ネルンストの式との関係は?

ガスセンサー(固体電解質)の原理とは?ネルンストの式との関係は?

 

電気化学はさまざまな分野の製品に利用されており、その一つにセンサーがあります。

 

センサーといっても種類は多く、「pHセンサー(pHメーター) 」「イオンセンサー」「ガスセンサー」などがあります。

 

この中でも、ここではガスセンサーに関する以下の内容を解説していきます。

 

・ガスセンサー(固体電解質)の原理や構成材料は?酸素濃淡電池とは?

 

というテーマで解説していきます。

 

 

ガスセンサー(固体電解質)の原理や構成材料は?酸素濃淡電池とは?

 

ガスセンサーは主に半導体ガスセンサーと固体電解質ガスセンサーに大きく分けられます。

 

固体電解質ガスセンサーでは、言葉の通り部材に固体電解質を使用しています(全固体電池でも同様に種類は違うものの固体電解質が使用されています)。

 

基本的に電解質という言葉をきくと水などの溶媒の中に塩が溶け、イオンになっている状態をイメージするかもしれません。

 

一方、固体電解質はイオンを伝導することが可能な固体であり、ガスセンサーとしては安定化ジルコニアと呼ばれる材料を使用することが多いです。安定化ジルコニアには言葉の通り、ジルコニアZrO2を主な構成材料とし、そこに酸化カルシウムや酸化イットリウムを組み込んだものです。

 

液体電解質と固体電解質の違いのイメージは以下の通りです(リチウムイオン電池と電固体電池の違いの例)。

 

 

これらの添加剤をドープさせ、ZrイオンがCaイオンやYイオンに置き換わると酸素O2-の伝導パス(空孔)が形成されるために、酸素イオンを通す材料となります。

 

そのため、この固体電解質ガスセンサーでは主に酸素の検出に使用されます。

 

固体電解質ガスセンサーの仕組みは、酸素濃淡電池のメカニズムと同等になります。

 

つまり、酸素濃度が一方で濃くなると、酸素伝導が起こると同時に、起電力が発生することを原理としています。ここで、酸素濃度が濃くなる現象とは、酸素のガスもれが起きたときなどに相当します。

 

高濃度側の電極電位を「V濃」として、低濃度側の電極電位を「V薄」とすると、V濃の方が電位が高くなります。つまり、起電力E = V濃 - V薄 である酸素濃淡電池となります。

 

 

そして、高濃度側の電極の反応式は、 O2 + 4e- → 2O2- という反応が起こり、低濃度側に酸素イオンが固体電解質を介して伝わります。

 

この起電力の大きさは、ネルンストの式によって求めることができます。
以下の通りです。

 


ここで、Pは各々分圧を示しており、起電力から酸素濃度を計算できます。この仕組みを利用して、起電力を測定し、薄い方の酸素濃度が安定するところに配置しておけば、濃くなったの酸素濃度の検知ができるという具合です。

 

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