JPH0315693B2 - - Google Patents

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JPH0315693B2
JPH0315693B2 JP57098374A JP9837482A JPH0315693B2 JP H0315693 B2 JPH0315693 B2 JP H0315693B2 JP 57098374 A JP57098374 A JP 57098374A JP 9837482 A JP9837482 A JP 9837482A JP H0315693 B2 JPH0315693 B2 JP H0315693B2
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JP
Japan
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gas
alumina
electrode
sensor
concentration
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JP57098374A
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English (en)
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JPS58214851A (ja
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Eisuke Sugimoto
Yoshasu Tanizawa
Zensaku Yukitsuka
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Niterra Co Ltd
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NGK Spark Plug Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4073Composition or fabrication of the solid electrolyte
    • G01N27/4074Composition or fabrication of the solid electrolyte for detection of gases other than oxygen

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は二酸化イオウの濃度を測定するための
ガスセンサに関し、更に詳しくは耐熱性、耐久性
に優れた十分に実用に耐える二酸化イオウ用ガス
センサに関するものである。
ガス中のSO2濃度を測定することは公害対策上
必要であるばかりでなく、硫化物製錬を主体とす
る非鉄金属製錬のプロセスを制御するためにも重
要な情報となる。近年、硫酸塩固体電解質を用い
た濃淡電池により混合ガス中のSO2濃度を決定で
きることが明らかにされた。これらの固体電解質
としては、硫酸カリウム(化学式:K2SO4)ある
いは硫酸ナトリウム(化学式:Na2SO4)が使用
されている。しかしこれらの固体電解質はその耐
熱性、耐久性、加工性の低さから、そのガスセン
サとしての利用は実験室的域を出ず、上述したご
とくの非鉄金属製錬といつた工業的用途に耐える
ものではなく、センサの工業的生産も困難であつ
た。
そこで本発明者らは耐熱性、耐久性を向上さ
せ、実用に耐える二酸化イオウガスセンサを実現
すべく鋭意検討の結果、従来Na+イオンの高電導
性固体電解質としてNa+イオン濃度の測定、又は
Na+イオンの介在する電池に利用されていたβ−
アルミナを未だ予想もしなかつた二酸化イオウ用
のガスセンサに採用することにより、工業的生産
が容易でしかも工業上の使用に耐えるセンサが実
現できることを見い出し、本発明を完成するに至
つた。
即ち、本発明の要旨とするところは、固体電解
質の一方の側に参照極の電極を設けるとともに他
方の側に試料極の電極を設け、ガスの濃度差によ
り該両極間に発生する起電力から二酸化イオウガ
ス成分濃度を測定するセンサにおいて、前記固体
電解質としてβ−アルミナを用いた間隔を設け、
該隔壁の一方の側に前記試料極側の電極を設ける
とともに測定する二酸加イオウガスを導入して隔
壁と接触させ、更に前記隔壁の他方の側に前記参
照極側の電極を設けるとともに基準ガスを導入し
て隔壁と接触させることを特徴とする二酸化イオ
ウ用ガスセンサにある。ここで、β−アルミナと
は酸化ナトリウム(化学式:Na2O)と酸化アル
ミニウム(化学式:Al2O3)との1:11〜1:5
程度の化合物である。このβ−アルミナは硬度、
強靭性、折り曲げ強度、引張り強度、耐熱性、耐
摩耗性ともにNa2SO4あるいはK2SO4の焼結体の
みならず他の固体電解質に比しても優れた部類に
属しており、これをセンサの中心部である固体電
解質に採用した本発明のセンサはβ−アルミナの
融点が約2000℃でNa2SO4の融点884℃、K2SO4
の融点1069℃と比べて十分高く又、Na2SO4
K2SO4と比べて、湿気に対して強く、取扱いが容
易であり、非鉄金属の製錬等においても実用的セ
ンサとして十分活用されうるものである。又、β
−アルミナは工業的生産におても既に確立されて
いるところであるので、需要に十分にこたえるこ
とができる。
次に本発明を図に基づいて説明してゆく。第1
図は本発明二酸加イオウ(化学式:SO2)用ガス
センサの実施例を表わす。ここにおいて1はSO2
用ガスセンサ、2は閉鎖壁2aを有する円筒径β
−アルミナ管、3はβ−アルミナ管と同径の閉鎖
壁を有さないα−アルミナ管である。これら2つ
の管2,3は、β−アルミナ管の方の閉鎖壁縁部
2aとα−アルミナ管3の端部3aとをその接触
面4で耐熱ガラスを用いて溶着させて一体として
いる。
β−アルミナ管2の中にはα−アルミナ製のガ
ス流入管9が設けられており、その先端はβ−ア
ルミナに接触し、一部開口して流出口9aを形成
している。この流出口9aを中心としてその周辺
と該流出口9aを完全に埋める形で接触用の白金
ウール7が充填され、該白金ウール7中に、流入
管9中を通して白金リード線5が挿入され、その
先端部は閉鎖壁2aに平行に屈曲して密着し電極
5aを形成している。α−アルミナ管3の中には
温度測定のための白金−白金・ロジウム熱電対1
1が挿入されており更に熱電対11は他部分との
絶縁のためα−アルミナ保護管10に装填されて
いる。該管10の先端周辺にβ−アルミナ管2の
閉鎖壁2a面を完全に覆うように白金ウール8が
充填され、α−アルミナ管3と管10との間を通
して白金リード線6が挿入され、その先端部は閉
鎖壁2aに平行に屈曲して密着し電極6aを形成
している。又、閉鎖壁2aの近傍のa−アルミナ
管3の側壁にはガス流出口12が外部に開口して
いる。上記電極5a及び6aは閉鎖壁2aに対
し、通常固体電解質へ電極を取り付ける常套手段
である白金ペーストによる焼付固定処理をしても
よいし、又、単に接触するのでもよい。
このような構成のSO2用ガスセンサはβ−アル
ミナ管2側を参照極、α−アルミナ管3側を試料
極として参照極側に標準ガスを導通させることに
より試料極側へ導通されている試料ガス中のSO2
濃度が、各々の電極5a,6a間に生ずる起電力
により測定される。標準ガスは例えば、空気でバ
ランスさせた9740ppmのSO2を含む混合ガスが使
用され、流入管9の上流方向から白金ウール7中
へ流入して流出口9aを抜け、付いで白金ウール
7の中から抜け出てβ−アルミナ管2と流入管9
との間を流出する。
一方、試料ガスはβ−アルミナ管3と熱電対1
1が挿入されているα−アルミナ保護管10との
間を通つて白金ウール8に流入し、付いで白金ウ
ール8を抜け出たガスはガス流出口12より排出
される。このとき、 Pt|SO2、O2、SO3|β−Al2O3|SO3′、O2′、
SO′2|Ptなる濃淡電池が形成される。この起電
力はβ−Al2O3(β−アルミナ)の表面に生成し
たNa2SO4を介して生ずるものと考えられる。
β−アルミナ固体電解質中ではNa+のイオン輪
率が1であることから、上記電池の起電力は次式
(1)で表わすことができる。
E=(RT/F)In(a′Na/aNa) ……(1) ここでE:起電力、R:気体定数、T:絶対温
度、F:フアラデー定数、a′Na、aNa:各極側の
Naの活動度をあらわす。
又、次に示すように式(2)の平衡関係から式(3)が
導かれ、更に式(4)の平衡関係から式(3)を式(5)の形
に導くことができる。
Na2SO4=2Na+SO3+1/202 ……(2) E=(RT/2F)In〔(Po21/2・Pso3/ (Po2′)1/2・Pso3′〕 ……(3) SO3=SO2+1/202 ……(4) E=(RT/2F)In(Po2・Pso2/ Po2′・Pso2′) ……(5) ここでPo2、Po2′、Pso3、Pso3′、Pso2及び
Pso′は各極における各成分の平衡分圧を表わす。
更に、混合ガスのSO2濃度が本実施例のごとく
1%以下と低くかつ空気でバランスしたものであ
るから各種の平衡酸素分圧はほぼ0.21気圧で一定
とみなすことができ、式(5)は次式(6)のように表わ
すことができる。
E=(RT/2F)In(Po2/Pso2′) ……(6) 上記の式(6)により、一方の極の標準ガスのSO2
濃度(分圧)と起電力Eにより試料ガスの濃度
(分圧)を求めることが可能となる。
次に具体的なセンサによるSO2濃度測定実験例
をしめす。
実験例 外径10mm、内径7mm、長さ100mmのβ−アルミ
ナの円筒形のルツボ(日本特殊陶業株式会社製)
を閉鎖壁2aを有する円筒形β−アルミナ管2と
し、同径同長のα−アルミナ管を閉鎖壁を有しな
いα−アルミナ管3として、第1実施例のガスセ
ンサ1を組み立て、SO2ガス濃度の測定を行なつ
た。参照極には空気でバランスさせた9740ppmの
SO2を含んだ混合ガスを使用し、試料極には同じ
く空気でバランスさせた各種濃度のSO2を含む混
合ガスを使用し、1173Kにおいて測定した起電力
値と試料極中の平衡SO2濃度の関係を第3図に示
した。ここで直線は式(6)による理論値を示し、白
丸印がβ−Al2O3についての実測値である。この
ように、通常Naのセンサあるいは電池用として
使用され、SO2用のガスセンサとしては今まで予
想もしなかつたβ−Al2O3を使用しての測定起電
力は論理値とよく一致する濃度依存性を示し、ガ
ス中のSO2に決定にこのβ−Al2O3固体電解質の
使用は非常に有効であることが確認された。又、
参考例として第2図に示すSO2用センサ21を製
造した。即ち、Na2SO4ペレツト22の両側にα
−アルミナ管26を配置するとともに、両α−ア
ルミナ管26の端部およびNa2SO4ペレツト22
の外周を覆つて外筒27を設け、α−アルミナ管
26と外筒27と隙間を各々耐熱ガラスシール2
3やアルミナセメント24で充填したものであ
る。このNa2SO4ペレツト22のみを固体電解質
として使用したガスセンサの1100Kにおける起電
力の実測値及び理論値も第3図に黒丸印及び直線
として併記した。β−Al2O3はNa2SO4と同様な
直線性を示し、その優れた物理的性能とともにセ
ンサとして十分な性能を有していることがわか
る。又、参照極には空気でバランスさせた
9740ppmのSO2を含んだ混合ガスを使用し、試料
極には、同じく空気でバランスさせた920ppmの
SO2を含む混合ガスを使用し、各温度での起電力
を測定し第4図に示した。ここで直線は式(6)によ
る理論値を示し、白丸印が実測値である。その結
果、1023K以上の温度領域において理論値と非常
によく一致する結果を得た。ただ平衡到達時間が
K2SO4固体電解質を使用した場合と比較して長
く、30分程度を要した。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のSO2用ガスセンサの実施例の
要部縦断面図、第2図は参考用センサの要部縦断
面図、第3図は実施例のガスセンサにおけるSO2
濃度と起電力との関係を表わすグラフ、第4図は
温度と起電力との関係を表わすグラフを示す。 1……実施例、2……β−Al2O3製ルツボ(参
照側)、3……α−アルミナ管(試料側)、5,6
……白金リード線、5a,6a……電極、7,8
……白金ウール、11……熱電対。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 固体電解質の一方の側に参照極の電極を設け
    るとともに他方の側に試料極の電極を設け、ガス
    の濃度差により該両電極間に発生する起電力から
    二酸化イオウガス成分濃度を測定するセンサにお
    いて、 前記固体電解質としてβ−アルミナを用いた完
    壁を設け、該隔壁の一方の側に前記資料極側の電
    極を設けるとともに測定する二酸化イオウガスを
    導入して隔壁と接触させ、更に前記隔壁の他方の
    側に前記参照極側の電極を設けるとともに基準ガ
    スを導入して隔壁と接触させることを特徴とする
    二酸化イオウ用ガスセンサ。
JP57098374A 1982-06-08 1982-06-08 二酸化イオウ用ガスセンサ Granted JPS58214851A (ja)

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US06/474,882 US4855034A (en) 1982-06-08 1983-03-14 Gas sensor for sulfur dioxide

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JPS58214851A JPS58214851A (ja) 1983-12-14
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