JP2000501512A - 固体電解質気体分析器のための不活性セル保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 固体電解質気体分析器（４０）は、測定対象の気体中に浸入するためのプローブ（４２）を有する。プローブは、測定対象の気体を熱せられた固体電解質セル（６０）に導く通路（５７）を有する。白金などの触媒物質から成る外側表面を個々に有する球体群（５６ａ）が通路（５７）に配置されている。白金から成る球体群（５６ａ）の外側表面は、測定対象の気体から発生する硫黄およびその他の腐食成分からセルを保護する触媒として機能する。好ましい実施例においては、球体群（５６ａ）はセル（６０）に隣接して配置され、ヒータ（６６）はセル（６０）および球体群（５６ａ）を予め決められた温度まで熱する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 固体電解質気体分析器のための不活性セル保護装置 発明の背景 本発明は概して、気体類を測定するために固体電解質セルの使用を必要とする 気体分析器に関する。より詳細には、本発明は測定される気体内の腐食成分から 固体電解質セルを保護する技術に関する。ここで、固体電解質セルとは、例えば 酸化ジルコニウム−酸化イットリウム（zirconia-yttria）（（ＺｒＯ₂）_(1-X) （Ｙ₂Ｏ₃）_X）のような多数の固体電解質、および通常白金あるいは他の適当な 物質で作られ、そこに接続される多孔性の電気的接触子あるいは電極を意味する 。 気体酸素を測定するための固体電解質セルを備えたプローブを有する気体分析 器はよく知られている。例えば、参照によって本書に組み込まれている米国特許 第３，４００，０５４号および第３，９２８，１６１号を参照の事。もうひとつ の例は、オハイオ州オルビレ（0rrville）のローズマウント アナリティカル インコーポレイテッド（Rosemount Analytical Inc.）が販売する、部品番号４ ８４７Ｂ６１Ｇ０１／０２／０３である交換セルを伴って有効な、ワールド ク ラス（World Class）３０００酸素分析器である。このような分析器は一般に、 煙突などの送気管あるいはダクト内の気体酸素の測定に使用される。固体電解質 セルは、所定の温度に上 昇された時に、そのセルにさらされた酸素（あるいは他の気体）の凝縮の作用で ＥＭＦ Ｖ_cellを発生する。プローブは、固体電解質セルが一定の上昇温度（例 えば、７５０℃）に保たれるように、分離したハウジング内の回路で制御される ヒータあるいは熱電対を伴って形成される。 固体電解質セルがある気体成分にさらされて腐食されることも知られている。 １つの既知の方法は、セルのさらされた電極を耐食性の覆いの中に閉じ込めるこ とである。例えば、米国特許第３，６４５，８７５号を参照の事。もう１つの既 知の方法は、セルと測定される気体との間の通路に白金繊維を詰めることである 。測定される気体内の腐食成分は、これらがセルと接触する前に、その繊維と化 学反応を起こす。 本発明の１つの目的は、比較的に費用のかからない方法で、かつセルの設計を 変更することなく、換言すればセルに保護皮膜を適用することによって、興味の ある気体内の腐食成分にセルがさらされることを低減することである。 本発明の他の目的については、発明の詳細な説明および添付の図面で明らかに なるであろう。 発明の概要 固体電解質気体分析器は、測定される気体内に浸入するのに適するように構成 された遠端を伴うプローブを有する。プローブ中の通路は測定される気体を固体 電解質セルに接続し、該セルは測定され る気体の成分の作用で出力を提供する。さらに、分析器はその通路内に触媒を有 し、その触媒は白金などの触媒物質から成る外側表面を個々に有する球体の集ま りから成る。好ましい実施例においては、その球体群は、完全に同じに凹型に成 形された第１および第２の仕切りの間に挟まれている。 図面の簡単な説明 第１図は、好ましい気体分析器の全体図である。 第２図は、本発明による分析器のプローブの遠端の断面図である。 便宜上、上記２つの図面の同じ符号を有する部品は、同一あるいは類似の機能 を有するものである。 好ましい実施例の詳細な説明 図１には、好ましい固体電解質分析器４０が示されている。分析器４０は、遠 端部４２ａおよび近端部４２ｂを有するプローブ４２、および遠端部と近端部と の間にあって管状部４６に取り付けられている装着フランジ４４によって構成さ れる。フランジ４４は、送気管あるいはダクトの壁に取付けられるので、遠端部 ４２ａは送気管の中に突き出し、近端部４２ｂは送気管の外側に残る。筒４８内 に収容されている分析回路は、セル出力Ｖ_cellおよびセルの温度を測定し、セル ヒータを制御し、そして測定される気体中の酸素量を算出する。筒４８は、離隔 絶縁体５２を介して近端部４２ｂでプローブ４２に取付けるのが好ましく、その 結果として、結合した分析器／プローブは、分析器回路と連結ケーブルとが分離 して取付けられ ることを要求する現今の分析器と比較して取付け費用を低減できる。さらに、セ ルおよび熱電対（どちらも遠端部４２ａに取付けられる、図２参照）から出る腐 敗物は、連結ケーブルの長さを短くすること、および好ましくは金属製の管状部 ４６、筒４８、および離隔絶縁体５２から成る分析器ハウジングでセルおよび熱 電対をシールドすることによって低減される。 離隔絶縁体５２は、送気管から電子回路装置の筒４８を離して位置させること によって、分析器回路が送気管付近の高温から免れるように機能を果たす。離隔 絶縁体５２はまた、その外側表面上の冷却ファンあるいは隆起部５２ａが熱を周 囲の空気中へ散布するという効力によって、管状部４６と筒４８との間のヒート シンクのとしての機能も果たす。管状部４６の壁の厚さは、管状部に沿って熱伝 導が低減されるように、フランジ４４と離隔絶縁体５２との間では薄くなってい る。管状部４６の壁の厚さは、その外径から、内径から、あるいは両方から材料 を除去して薄くすることが可能である。 離隔絶縁体５２の表面５２ｂは、標準気体の導入口、基準となる気体の導入口 、および排出口である気腔を有する部品５４ａ、５４ｂ、５４ｃを備えている。 離隔絶縁体５２上に気腔を有する部品５４ａ、５４ｂ、および５４ｃを設置する ことによって、気体接続と電気接続は離隔絶縁体５２と導電性の筒４８との間で 分離される。このように分離されることによって、気体接続が電気接続から有効 的に独立し、またその逆も可能になるので、分析器４０の動作 および機能は単純化される。ハウジングおよび分析器回路のさらなる詳細は、前 述の出願に説明されている。 図２はプローブの遠端部４２ａの拡大図であり、ドーム型（dome-shaped）の セラミック フィルタ（celamic filter）２６をも図示している。送気管内の気 体酸素は、固体電解質セルの側面６０ａに接触する前に、フィルタ２６および触 媒５６を通過する。測定の進行中に、ある既知の酸素量を有する基準となる気体 が気管５８を介してフランジ６２を通って供給されると、送気管内の気体は押し 出されてセル６０の面６０ａに達する。セル６０の反対側の面６０ｂは、気管６ ４から供給される、ある酸素部分圧Ｐ（Ｏ₂）_REFを有する標準気体に絶えずさら されている。セル６０はセルヒータ６６内に配置され、その温度が確実に一定な 温度Ｔに保たれるように熱せられている。セルヒータ６６は、従来型で、水晶支 柱シリンダのまわりを螺旋状に覆う長さのニクロム線で作られるのが望ましい。 セル６０が起こすＥＭＦ電圧は、次のネルンスト（Nernst）式によって概算でき る。 Ｖ_cell＝Ｃ＋Ｓ・ｌｏｇ｛Ｐ（Ｏ₂）／Ｐ（Ｏ₂）_REF｝ ここで、Ｃはセル定数であり、ＳはＴの関数であるセル スロープ（cell slope ）であり、Ｐ（Ｏ₂）およびＰ（Ｏ₂）_REFはそれぞれセル６０の両面６０ａおよ び６０ｂにおける酸素部分圧である。現存 の固体電解質セルは、ネルンスト式からはある程度逸脱している。ヒータ６６と セル６０に隣接して配置される熱電対６８は、温度制御の機能を果たす。線７０ 、７２、および７４は、管状部４６および離隔絶縁体５２を通って延びており、 それぞれセル６０、ヒータ６６、および熱電対６８と筒４８内に設置されている 分析器回路とを接続する。 触媒５６は、送気管内の気体中の硫黄および硫黄酸化物などの腐食気体成分が 、面６０ａに達する前にそれらの腐食成分に触媒反応を及ぼすことによって、腐 食成分からセル６０を保護する。触媒５６は、ステンレスの仕切り５６ｂと５６ ｃとの間に挟まれる、ある量の球体群５６ａから成る。仕切り５６ｂおよび５６ ｃは、図示されるように、球体群５６ａの軸方向の深さが一定で、表面積が広く なるように凹面に成形されるのが好ましい。仕切りは、チューブ５７の内側に支 持されており、そのチューブはまた、セル６０をスポット溶接あるいは半田付け してセル６０を保持している。仕切りはその耐腐食性によりステンレス鋼で作ら れることが好ましいが、他の耐腐食性金属でもよい。 球体群５６ａは全て、例えばサウスカロナイナ州セネカ（Seneca）のエンゲル ハード コーポレーション（Engelhard Corp.）製の部品番号Ｃ５０３５のよう に、直径２mmのアルミナ製の球体であることが好ましいが、その他の適当な大き さ、形状、および構成物でもよい。球体の大きさは、球体群の密度が一定である ように、また球体 群の全体に気体が一定に行き渡るのを促進するために同一であることが好ましい 。個々の球体は、好ましくは白金である触媒物質で薄く覆われている。白金の代 わりに、パラジウムのような白金に似た他の触媒物質でもよい。触媒５６は、セ ルヒータ６６の内側に包含されており、セルの温度Ｔの状態に保たれている。 本発明は好ましい実施例に関して記載されているけれども、当業者は、本書に 添付されている特許請求の範囲で定義される本発明の精神および範囲を逸脱しな い限り、形および詳細において本発明が変更できることを認めるであろう。 本発明は固体電解質気体分析器に関するものであり、様々な形態および構成を 有することが可能な固体電解質セルそのものに関するものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スターリン，ジョアンヌ エム. アメリカ合衆国 44645―9764 オハイオ 州、マーシャルビル、カーペンター ボウ ルバード ６ (72)発明者 リトル，マーク アメリカ合衆国 29401―1806 サウスカ ロライナ州、チャールストン ジブス ス トリート 79

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 測定対象の気体の構成物質の作用としてセルＥＭＦを提供する固体電解 質セルを備えるプローブを有する形式の気体分析器において、前記プローブは測 定対象の気体中に浸入するのに適するように構成され、固体電解質セルと測定対 象の気体とを接続する通路を有し、 セル保護装置は上記の通路内に配置され、外側表面を触媒で覆われてい る球体の集まりである触媒を含むことを特徴とする気体分析器。 ２． 前記触媒物質が、白金およびパラジウムを含むグループから選択されて いることを特徴とする請求項１のセル保護装置。 ３． 前記気体分析器はセルを熱して温度上昇させるのに使用可能なヒータを 備え、前記プローブは遠端をもち、前記セルおよび触媒は該ヒータに近接するプ ローブの該遠端に配置されていることを特徴とする請求項１のセル保護装置。 ４． 前記ヒータがセルおよび触媒の双方を包囲することを特徴とする請求項 ３のセル保護装置。 ５． さらに、前記通路内に第１および第２の仕切りを有し、その第１および 第２の仕切りの間に球体の集まりが挟まれていることを特徴とする請求項１のセ ル保護装置。 ６． 前記第１および第２の仕切りが凹型に成形されていることを特徴とする 請求項５のセル保護装置。 ７． 前記第１および第２の仕切りが、全く同じ凹型に成形され、同じ方向に 向けられていることを特徴とする請求項６のセル保護装置。 ８． 前記の個々の球体が触媒の膜で覆われた不活性物質の物体から成ること を特徴とする請求項１のセル保護装置。 ９． 前記不活性物質がアルミナから成ることを特徴とする請求項８のセル保 護装置。