短絡電流式プロトン導電体COセンサの検知原理

開回路状態で、空気と混合されたCOが存在すると、作用電極上では COのアノード酸化反応(2)式と酸素のカソード還元反応(3)式が同じ速度で同時に進行し、局部電池を形成します。

CO + H₂O → CO₂ + 2H⁺ + 2e^-　...(2)

2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^- → H₂O　 ...(3)

その結果、作用電極の電位はE1から混成電位(EM)に変化し、定常状態ではアノード電流 i(2)とカソード電流 i(3)の絶対値が等しくなります(図1)。 作用電極に到達するCOの流入量は、拡散制御システム(例えばTGS5xxxシリーズセンサではガス拡散制御ステンレス板)により制限され、CO濃度に直線的に比例した拡散限界電流(図1)が得られます。対向電極上では(1)式の反応しか起こらないため、対向電極の電位はE1となります。従い、このような電位差式(混成電位式)センサの場合、検出信号はEM―E1となり、このような信号は空気中のCO濃度の対数に比例します。

空気中にCOが存在する雰囲気中で、作用電極と対向電極を外部配線により電気的に接続して短絡状態にすると、図1に示すように、両電極の電位はE1とEMの中間で同じ値(Esc)に変化します。
作用電極の電位は、(3)式の反応が減速する方向に変化するため、作用電極で消費されるプロトンが少なくなります。その結果、余剰なプロトンは作用電極からプロトン導電膜を介して対向電極に移動します。この余剰プロトンの数は、空気中のCO濃度に比例し、対向電極での(3)式の反応により消費されます。この過程では、等価電子が作用電極から外部配線を介して対向電極に短絡電流(センサ出力電流)として流れます。このセンサ出力電流もCO濃度に直線的に比例します(図2)。

センサが清浄空気中に戻されると、作用電極では(1)式の反応のみが起こり、両電極間の電位差がなくなるため、外部配線には電流が流れなくなります。このように、このセンサはCOに対して可逆的なアンペロメトリック反応を示します。

この短絡電流式COセンサは、CO濃度とセンサ出力電流の関係が直線的であるため、空気中のCO濃度の対数に比例して応答する電位差式COセンサに比べ、より正確な濃度測定が可能になります。既知のCO濃度のガスでセンサ出力電流を校正することで、本センサをCO濃度の定量的な測定に使用することができます。

特長

通常の乾電池のように、センサ内部の固体・液体の活物質や電極が消費されることはありません。そのため、本センサは長期安定性に優れ、長期間のメンテナンスフリーな使用が実現可能です。
また本センサは、ヒーターなしで動作し、出力電流を自己生成するため、電池駆動式のCO検知器に最適なセンサです。