JP2004053507A - Concentration-cell-type hydrogen sensor for hydrocarbonaceous cracked gas - Google Patents

Concentration-cell-type hydrogen sensor for hydrocarbonaceous cracked gas Download PDF

Info

Publication number
JP2004053507A
JP2004053507A JP2002213632A JP2002213632A JP2004053507A JP 2004053507 A JP2004053507 A JP 2004053507A JP 2002213632 A JP2002213632 A JP 2002213632A JP 2002213632 A JP2002213632 A JP 2002213632A JP 2004053507 A JP2004053507 A JP 2004053507A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
electrode
solid electrolyte
hydrocarbon
hydrogen sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2002213632A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4137546B2 (en
Inventor
Satoshi Haneki
羽木 敏
Moriyoshi Tamura
田村 守淑
Koji Katahira
片平 幸司
Takashi Iwamoto
岩元 孝史
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toho Gas Co Ltd
TYK Corp
Original Assignee
Toho Gas Co Ltd
TYK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toho Gas Co Ltd, TYK Corp filed Critical Toho Gas Co Ltd
Priority to JP2002213632A priority Critical patent/JP4137546B2/en
Publication of JP2004053507A publication Critical patent/JP2004053507A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4137546B2 publication Critical patent/JP4137546B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a concentration-cell-type hydrogen sensor for a hydrocarbonaceous cracked gas for improving accuracy in the measurement of gaseous hydrogen when measuring hydrogen in a cracked gas forming by cracking a hydrocarbonaceous gas. <P>SOLUTION: The concentration-cell-type hydrogen sensor for the hydrocarbonaceous cracked gas is a concentration-cell-type hydrogen sensor 1 used for measuring the concentration of gaseous hydrogen in the cracked gas of a hydrocarbonaceous gas. The concentration-cell-type hydrogen sensor 1 comprises a solid electrolyte 11 having proton conductivity; a first electrode 12 to be in contact with a reference substance arranged on the side of one surface of the solid electrolyte 11; and a second electrode 13 arranged on the side of the other surface of the solid electrolyte 11 and having carbon, as a base material, to be in contact with the cracked gas of a hydrocarbonaceous gas. For the solid electrolyte 11, it is preferable to use α alumina, as a base material, in which an oxide of an alkali earth material is doped. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はメタンガス等の炭化水素系ガスの分解ガスにおける水素の測定に使用される炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型水素センサに関し、例えば、浸炭処理に使用される濃淡型水素センサに利用できる。
【0002】
【従来の技術】
浸炭処理を例にとって説明する。浸炭処理として、炭化水素系ガスを分解させた分解ガスを浸炭ガスとして用いる技術が知られている。このものによれば、炭化水素系ガスを分解させて分解ガスを生成する。この分解ガスは炭素と水素とを主要成分とする。そして浸炭ガスである分解ガスに含まれている炭素を、高温に加熱した鉄系の処理材の表面層に吸着させて表面層の内部に浸透させて浸炭処理する。浸炭処理では、大気圧未満の炉内で、分解ガスと処理材とを接触させる真空浸炭処理がある。
【0003】
上記した浸炭処理では、近年、炭化水素系ガスの分解ガスにおける水素ガスの水素分圧(水素濃度)を濃淡電池型水素センサで測定し、水素分圧(水素濃度)に基づいて浸炭ガスの炭素ポテンシャルを求める試みがなされている。上記した水素センサは、プロトン導電性をもつ固体電解質と、固体電解質の片面側に配置された基準物質が接触する第1電極と、固体電解質の他の片面側に配置され炭化水素系ガスの分解ガスが接触する第2電極とを有する。第1電極及び第2電極は共に白金で形成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記した水素センサによれば、炭化水素系ガスを分解させて形成した分解ガスにおける水素分圧(水素濃度)を測定するにあたり、測定精度の向上には限界があった。このため浸炭ガスの炭素ポテンシャルの把握には限界があり、浸炭処理の炭素ポテンシャルの制御には限界があった。
【0005】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、炭化水素系ガスを分解させて形成した分解ガスにおける水素を測定するにあたり、水素ガスの測定精度の向上を図り得る炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型水素センサを提供することを課題とするにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記した課題のもとに炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型水素センサについて鋭意開発を進めている。そして、プロトン導電性をもつ固体電解質と、固体電解質の片面側に配置された基準物質が接触する第1電極と、固体電解質の他の片面側に配置され炭化水素系ガスの分解ガスが接触する炭素を基材とする第2電極とを有する水素ガスセンサとすれば、水素ガスの測定精度の向上を図り得ることを知見した。その理由としては、次のように推察される。即ち、上記した水素センサにおいて、炭化水素系ガスを分解させて形成した分解ガスにおける水素濃度の測定精度の向上には限界があった原因としては、分解ガス側に配置される第2電極の材質が白金系であったため、炭化水素系ガスの分解ガスが平衡状態以上に過剰に分解されてしまい、分解ガスにおける水素ガスの測定精度の向上には限界があるものと推察される。そこで炭化水素系ガスの分解ガス側に配置される第2電極の基材を炭素系とすれば、上記したように炭化水素系ガスの分解ガスが平衡状態を過剰に越えて分解し過ぎることを抑え得、分解ガスにおける水素ガスの測定精度を向上させ得ることを知見し、本発明に係る炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型の水素センサを開発した。
【0007】
即ち、本発明に係る炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型水素センサは、炭化水素系ガスの分解ガスにおける水素ガスの濃度の測定に使用される濃淡電池型水素センサであって、プロトン導電性をもつ固体電解質と、固体電解質の片面側に配置された基準物質が接触する第1電極と、固体電解質の他の片面側に配置され炭化水素系ガスの分解ガスが接触する炭素を基材とする第2電極とを有することを特徴とするものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
水素センサを構成する固体電解質として、水素センサにおいて従来より使用されているSrCeOまたはCaZrOを母体とするペロブスカイト型のプロトン導電性の固体電解質を用いることができる。また、水素センサを構成する固体電解質としては、アルカリ土類金属の酸化物がドープされているαアルミナを基材とする形態を採用することができる。このようなαアルミナを基材とする固体電解質は、高温領域において、水素が弱いO−H結合を形成してαアルミナに溶解し、プロトン導電性を示すことができる。このプロトン導電性により、αアルミナを基材とする固体電解質をもつ水素センサは高温領域において動作することができる。従って高温領域(一般的には700〜1200℃)において生成した起電力に基づいて、測定対象物である炭化水素系ガスの分解ガスの水素分圧(水素濃度)を測定することができる。従って、水素センサを構成する固体電解質として、アルカリ土類金属の酸化物がドープされているαアルミナを基材とする場合には、水素センサにおいて従来より使用されているSrCeOまたはCaZrOを母体とするペロブスカイト型のプロトン導電性の固体電解質を基材として用いた場合よりも、強還元雰囲気での水素濃度の測定に適することができる。
【0009】
好ましい実施形態について説明を加える。プロトン導電性をもつ固体電解質は、アルカリ土類金属の酸化物がドープされているαアルミナを基材とすることができる。即ち、固体電解質は、αアルミナと、アルカリ土類金属(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Raの少なくとも1種)の酸化物とを含むことができる。アルカリ土類金属の酸化物の含有量は、一般的には0.01〜2.0mol%、0.01〜1.0mol%とすることができ、殊に0.02〜0.9mol%、0.03〜0.8mol%、0.03〜0.6mol%とすることができるが、これらに限定されるものではない。従ってアルカリ土類金属の酸化物の含有量の上限値としては、2.0mol%、1.5mol%、1.0mol%、0.5mol%等を例示でき、上限値と対応する下限値としては0.02mol%、0.03mol%、0.04mol%、0.05mol%等を例示できる。なおドープは公知のドープ形態を採用することができ、自然的な含有も含むことができる。
【0010】
固体電解質の製造方法の例として、プロトン導電性をもつ固体電解質は、アルカリ土類金属の酸化物が所定量(一般的には0.01〜2.0mol%,または0.01〜1.0mol%)含まれているαアルミナを、プレス成形して圧粉体とした後に、圧粉体を燒結し、その後、高温領域(一般的には700〜1300℃、殊に1200〜1300℃)に、水素雰囲気あるいは水蒸気雰囲気中において当該αアルミナを加熱して熱処理することで形成することができる。アルカリ土類金属、または、これの酸化物がαアルミナに固溶する固溶量が一層安定化するためと推察される。
【0011】
固体電解質の製造方法の他の例として、アルカリ土類金属(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)からなる群から選択された少なくとも1種の元素の粉末をドープし、空気中などの酸化雰囲気中で燒結しても良い。酸化雰囲気中でアルカリ土類金属が酸化され、アルカリ土類金属の酸化物がαアルミナにドープされたことと実質的に等価になるからである。
【0012】
上記した熱処理の時間は一般的にαアルミナの純度に依存する。本発明者らの実験によれば、αアルミナの純度がモル比で99.6%のとき、熱処理時間は10〜40hr、殊に20〜35hr、なかでも21hrとすることができる。αアルミナの純度が99%以下になると、熱処理時間は100hr以上とすることができる。熱処理時間が長いと、生産コスト的に不利となる。上記した熱処理は水素センサの高精度化に有効である。但し、水素センサの高精度化があまり要請されないときには、上記した熱処理を廃止したり短時間にできる。従って上記した熱処理の時間としては一般的に5hr未満、1hr未満とすることができるが、これに限定されるものではない。なお、ドープされるアルカリ土類金属の酸化物が酸化マグネシウムである場合には、特に水素センサとしての感度が高いことも本発明者らの実験で明らかになった。
【0013】
第1電極は導電性を有し、一般的には金属で形成されている。第1電極は、Ni、Pt、Au、Pd等の少なくとも1種を主要成分とすることができる。第1電極はガス透過性を有するように多孔質であることが好ましい。好ましい水素センサにおいては、プロトン導電性を示す固体電解質の表面にNi、Pt、Au、Pd等の少なくとも1種を主要成分とする膜を形成し、この膜を第1電極とすることができる。第1電極としては、通常の塗布法、PVD法、CVD法でも形成できる。また第1電極は、Ni、Pt、Au、Pd等の少なくとも1種を主要成分とするペーストを固体電解質の表面に塗布し、還元性雰囲気中で高温(例えば800℃以上)で焼き付けて電極を設ける方法(ペースト塗布法)で形成することもできる。この場合には、電極が多孔質膜になって第1電極への水素の侵入が容易になるので望ましい。なお、PtやAuのように酸化しにくい金属の場合は空気中で焼き付けてもよい。なお、場合によっては第1電極は炭素系とすることもできる。
【0014】
第2電極は第1電極の相手電極であり、固体電解質の他の片面側に配置されており、炭化水素系ガスの分解ガスが接触する炭素を基材とするものであり、導電性を有している。第2電極は、ガス透過性を有するように多孔質であることが好ましい。第2電極としては、炭素粉末または炭素繊維を基材として形成することができる。具体的には、炭素系の塊体を擦り付けて形成しても良いし、あるいは、炭素粉末及び炭素繊維のうちの双方または一方と有機系または無機系のバインダとを含む混合材を塗布して形成しても良いし、あるいは、炭素繊維を基材とするシートを貼り付けて形成しても良い。第2電極を形成する炭素材料に、炭素以外の別の物質を配合しても良い。炭素は黒鉛、活性炭も含む。
【0015】
固体電解質の第1電極及び第2電極が設けられている水素センサで水素含有ガスの水素濃度を測定するとき、第2電極に、高温(例えば700℃以上)の水素含有ガス(炭化水素系ガスの分解ガス)が接触すると、水素がプロトンになり電子を発生する。このため、前記プロトンは固体電解質の中を移動し、前記第2電極と背向する第1電極に達することができる。一方、電子は、第1電極と第2電極とをつなぐリード線を通り、第1電極に達する。第1電極に達したプロトンと電子とが結合して水素が生成される。この一連の反応で第2電極側から第1電極側に電子が移動し、移動に必要なエネルギーが水素ガス分圧に基本的には比例するので、リード線に起電力測定手段(電圧計等)を繋いで起電力を測定することにより、測定対象物である炭化水素系ガスの分解ガス(水素含有ガス)における水素ガス分圧、すなわち水素濃度を検出することができる。従って本発明に係る水素センサは、第1電極と第2電極との間で発生した起電力を測定する起電力測定手段が設けられていることが好ましい
【0016】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図1〜図4を参照して説明する。本実施例は真空浸炭処理に適用した場合である。図1は真空浸炭処理のシステムの全体構成を示す。図1において、100は炉室101をもつ真空浸炭処理用の熱処理炉、110は炉室101を吸引させて炉室101の真空度を維持する真空ポンプ、120は炭化水素系ガスである原料ガスを炉室101に導入させるガス導入路、130は炉室10の圧力を測定する圧力計、140は熱処理炉100を加熱するヒータ、1は炉室10の水素ガス濃度を測定する水素センサを示す。炉室101には、浸炭焼入可能な炭素鋼系の処理材150が収容されている。
【0017】
本実施例に係る水素センサ1は図2に示されている。図2に示すように、水素センサ1は、一端が閉鎖された有底円筒形状をなす空洞11xを有する保護管形状のプロトン導電性をもつ固体電解質11と、その固体電解質11の空洞11xを区画する内面に形成された第1電極12と、固体電解質11の外面に第1電極12に背向するように形成された第2電極13と、一端がリード線15で第1電極12に他端がリード線14で第2電極13に接続された起電力測定手段16と、第1電極12側の水素分圧の一定化を図るための蓋部材19と、蓋部材19に固定されている吸気管17及び排気管18とからなる。吸気管17及び排気管18は水素センサに設けられており、基準物質を固体電解質11の第1電極12側に供給する供給手段として機能することができる。
【0018】
固体電解質11は、アルカリ土類金属の酸化物が含まれているαアルミナ(約0.15モル%のMgO)を焼結して焼結体を得る工程と、焼結体を水素または水蒸気の存在下(体積比で2%HO+1%Hの大気雰囲気)において700〜1300℃で0.05〜5時間熱処理をする工程を経て形成されている。なお場合によっては、水素センサの種類によっては、製造コストを考慮し、当該熱処理を無くすこともできる。固体電解質11の厚みは0.3mm〜3mm、殊に0.5mm〜2mmを例示することができるが、これらに限定されるものではない。
【0019】
第1電極12は多孔質膜状の白金で形成されており、厚みは0.1〜20マイクロメートル程度とされており、導電性及びガス透過性を有する。第1電極12を多孔質電極とするため、この固体電解質11の内面にPtペーストを塗布した後、1300℃の酸化雰囲気で焼き付けることにより、第1電極12は形成されている。相手電極である第2電極13は、炭素系の板状体を固体電解質11の外面に炭素系の塊体を擦り付けることにより形成されており、厚みは0.1〜20マイクロメートル程度とされており、導電性及びガス透過性を有する。導電経路として機能できるリード線14,15は共にPt線(白金)である。リード線14の一端14aは半田ペーストで第2電極13に接続されている。リード線15の一端15aは第1電極12に接続されている。リード線14,15の他端14c,15cは、起電力測定手段16としての電圧計に接続されている。電圧計は第1電極12と第2電極13との間の起電力を測定する。吸気管17、排気管18及び蓋部材19はセラミックス材で形成されている。
【0020】
図2に示すように、水素センサ1を構成する固体電解質11の先端は、測定ガスとしての炭化水素系ガスの分解ガスが流れる熱処理炉100の炉室101に挿入されている。水素センサ1は、熱処理炉100に図略の取り付け具により固着されている。吸気管17の上端から、図示しないマスフローコントローラと水蒸気飽和装置で制御された基準ガス17aが空洞11x内に一定量供給され、そして、排気管18から排気ガス18aとして排気される。基準ガス17aは、濃淡電池の基準物質として機能できるものであり、一定の水素分圧をもつHと水蒸気(HO)からなる。
【0021】
浸炭処理の際には、熱処理炉100の真空ポンプ110により炉室101の真空度(10〜5000Pa)が高く維持されると共に、炉室101の温度はA1変態点以上の高温領域(例えば約900〜1000℃)に維持される。炭化水素系ガスで形成された原料ガスがガス導入路120からこの炉室101に導入される。炭化水素系ガスは、メタンを主成分(体積比で80%以上)とすると共に、エタン、プロパン、ブタンなどを含んでいる。炭化水素系ガスは炉室101内で速やかに分解されて分解ガスとなる。メタンの分解は次式で示される。CH4 →[C]+2H
このように分解ガスは炭素と水素とを主要成分とする。そして浸炭ガスである分解ガスに含まれている炭素は、高温に加熱した処理材150(低炭素鋼系,900〜1000℃)の表面層に吸着され、表面層の内部に浸透し、これにより浸炭処理が行われる。浸炭処理が行われた処理材150は、A1変態点以上の温度から焼入れ媒体(一般的には油または水、場合によっては急冷用ガス)に接触され、焼入れ処理が行われる。
【0022】
図3は真空浸炭処理の代表的な条件を示す。図3において特性線A10は炉室101の炉内温度を示す。特性線A20は炉室101の炉内圧力を示す。特性線A10に示すように、昇温工程、浸炭工程、拡散工程、焼入れ工程が順に実行される。昇温工程では、炉内温度を室温から約930℃まで昇温させる。これにより処理材150も同様に昇温する。浸炭工程では、浸炭温度(A1変態点以上,約930度)に炉内温度を維持しつつ、分解ガスに含まれている炭素を処理材150の表面層に浸透させる。拡散工程では、炉内温度を約930℃を維持することにより、浸透させた炭素を処理材150の内部に更に拡散させる。焼入れ工程では、浸炭後の処理材150を焼入れ媒体に接触させることにより80℃(A1変態点未満)まで急冷させる。図3の特性線A20に示すように、昇温工程の実施に伴い炉室101内の真空度が高められる(約10Pa)。浸炭工程においては、炭化水素系の原料ガスの導入と真空引きとが交互に繰り返される。炭化水素系のガスが炉室101内の導入されると、炉内圧力は3000Pa程度となる。真空引きが行われると、炉内圧力は10Pa程度となる。拡散工程では、炉内圧力が約13kPaまで次第に増加される。なお昇温工程、浸炭工程、拡散工程はそれぞれ1時間ずつ実施しているが、各工程における必要時間は処理材150の材質やサイズ等に応じて変更され、上記した値に限定されるものではない。図4は浸炭工程において熱処理炉100の炉室101の水素分圧を示す。M1は原料ガスの導入を示す。図4に示すように、炭化水素系の原料ガスは間欠的に炉室101内に導入される。原料ガスが導入されると、M2に示すように分解により水素ガスが発生するため、水素ガスの分圧が増加する。
【0023】
以上説明したように本実施例によれば、炉室101内に供給された炭化水素系の原料ガスが分解した分解ガスにおける水素分圧(水素濃度)を水素センサ1により精度良く測定することができる。その理由としては、炭化水素系の原料ガスが分解した分解ガスに接触する第2電極13は、触媒活性に富む白金で形成されているのではなく、炭素系材料で形成されているため、触媒活性が過剰でなく、第2電極13側の炭化水素系ガスが平衡以上に過剰に分解しにくいたためであると推察される。殊に本実施例によれば、水素センサ1の固体電解質11がアルカリ土類金属の酸化物がドープされたαアルミナを基材とするため、水素センサにおいて従来より使用されているSrCeOまたはCaZrOを母体とするペロブスカイト型のプロトン導電性の固体電解質を用いた場合に比較して、浸炭温度領域(一般的には750〜1100℃,殊に850〜1000℃)での使用に適する。
【0024】
(試験例)
本発明者らは、酸化マグネシウムを含むαアルミナ(0.3mol%MgO)で形成された固体電解質11に白金系の第1電極12を形成すると共に、炭素系の第2電極13を形成し、第1実施例に基づく水素センサを作成した。そしてこの水素センサを用いて、炭化水素系の原料ガスが分解した分解ガスにおける水素分圧(水素濃度)を測定した。空洞11xに供給する基準ガスとしては、体積比で1.02%の水素ガスを含むアルゴンガスとした。そして、約3000Paに維持した炉室101(930℃)に炭化水素系ガスを100cc/分間の割合で導入した。炉室101には処理材は配置しなかった。試験結果を図5に示す。図5の横軸は時間を示し、右側の縦軸は水素分圧[atm]を示し、左側の縦軸は炉内圧力[Pa]を示す。特性線B1は炉内圧力を示し、特性線B2は炭化水素系の原料ガスが分解した分解ガス水素分圧を示す。図5の特性線B2に示すように、測定開始から1000秒近く経過すると、特性線B2には平坦部が発現され、分解ガスの水素分圧(水素濃度)を良好に測定することができた。
【0025】
更に、比較例に係る水素センサについても同様に試験を行った。比較例に係る水素センサは、上記した試験例に係る水素センサと同様であり、但し第1電極及び第2電極の双方が白金で形成されている。比較例に係る水素センサに係る特性線は、極大値を示し、水素濃度を測定する精度としては充分ではなかった。
【0026】
更に本発明者らは、上記した酸化マグネシウムを含むαアルミナについてプロトン導電性を調べるべく、酸化マグネシウムを含むαアルミナについてIR分析を行った。同様に、酸化ストロンチウムを含むαアルミナ(0.1mol%SrO)を形成した。そして、酸化ストロンチウムを含むαアルミナ、酸化マグネシウムがドープされていないαアルミナについてもIR分析した。図6はその試験結果を示す。図6の縦軸は赤外線の透過率(transmittance(%))を示す。図6の横軸は赤外線の波数(Wave Number)を示す。図6において、特性線C1は、酸化マグネシウムをドープしていないαアルミナの試験結果を示す。特性線C2は、酸化マグネシウムをドープしたαアルミナ(0.3mol%MgO)の試験結果を示す。特性線C3は、酸化ストロンチウムをドープしたαアルミナ(0.1mol%SrO)の試験結果を示す。波数(Wave Number)が3000付近で、特性線C2は大きく下降している。これは、プロトン導電性が発現されることを意味する。また波数(Wave Number)が3000付近で、特性線C3の下降は認められるため、酸化ストロンチウムをドープしたαアルミナ(0.1mol%SrO)においても、プロトン導電性が発現されることを意味する。酸化マグネシウムのドープ量、酸化ストロンチウムのドープ量を変化させたときにも、プロトン導電性が発現された。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではない。プロトン導電性をもつ固体電解質の形状は有底円筒形状をなすものに限定されるものではなく、板状でも良い等、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【0027】
(付記)
上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
(付記項1)炉内温度を昇温させる昇温工程、炭化水素系の原料ガスの導入と真空引きとが繰り返されると共に、炭化水素系ガスが分解した分解ガスに含まれている炭素を炉内の処理材の表面層に浸透させる浸炭工程、浸炭後の処理材を焼入れ媒体に接触させて急冷させる焼入れ工程が順に実行される浸炭焼入れ方法であって、プロトン導電性をもつ固体電解質と、固体電解質の片面側に配置された基準物質が接触する第1電極と、固体電解質の他の片面側に配置され炭化水素系ガスの分解ガスが接触する炭素を基材とする第2電極とを有する炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型水素センサを用い、当該水素センサにより、炉内の炭化水素系ガスが分解した分解ガスの水素分圧を測定しつつ行うことを特徴とする浸炭焼入れ方法。この場合、炭化水素系ガスを分解させて形成した分解ガスにおける水素分圧(水素濃度)を測定するにあたり、水素ガスの測定精度の向上を図り得る。
[付記項2]付記項1において、濃淡電池型水素センサの固体電解質は、アルカリ土類金属の酸化物がドープされたαアルミナを基材とすることを特徴とする浸炭焼入れ方法。固体電解質がアルカリ土類金属の酸化物がドープされたαアルミナを基材としているため濃淡電池型水素センサは浸炭温度領域(一般的には750〜1100℃,殊に850〜1000℃)での使用に適し、浸炭温度領域において水素分圧(水素濃度)を良好に測定することができる。
[付記項3]浸炭処理に使用される炭化水素系ガスの分解ガスにおける水素ガスの測定に使用される濃淡電池型水素センサであって、プロトン導電性をもつ固体電解質と、固体電解質の片面側に配置された基準物質が接触する第1電極と、固体電解質の他の片面側に配置され炭化水素系ガスの分解ガスが接触する炭素を基材とする第2電極とを有する浸炭処理用の濃淡電池型水素センサ。第2電極が炭素系であるため、浸炭処理に使用される炭化水素系ガスの分解ガスにおける水素ガスの濃度,分圧を良好に測定することができる。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、炭化水素系ガスを分解させて形成した分解ガスにおける水素濃度を測定するにあたり、水素ガスの測定精度の向上を図り得る濃淡電池型水素センサを提供することができる。殊に固体電解質がアルカリ土類金属の酸化物がドープされたαアルミナを基材とする場合には、浸炭温度領域(一般的には750〜1100℃,殊に850〜1000℃)での使用に適する濃淡電池型水素センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】真空浸炭処理で用いる熱処理炉の全体システムを示すシステム図である。
【図2】真空浸炭処理で用いる水素センサを模式的に示す断面図である。
【図3】真空浸炭処理の過程を示すグラフである。
【図4】真空浸炭処理における時間と炉内の水素分圧との関係を示すグラフである。
【図5】本実施例に係る水素センサを用いて測定した時間と水素分圧との関係を示すグラフである。
【図6】酸化マグネシウム、酸化ストロンチウムを含むαアルミナのIR分析結果、ドープされていないαアルミナのIR分析結果を示すグラフである。
【符号の説明】
図中、100は熱処理炉、101は炉室、150は処理材、1は水素センサ、11は固体電解質、12は第1電極、13は第2電極、16は起電力測定手段を示す。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a concentration cell type hydrogen sensor for hydrocarbon-based decomposition gas used for measuring hydrogen in a decomposition gas of a hydrocarbon-based gas such as methane gas, and can be used for a concentration-type hydrogen sensor used for carburizing, for example. .
[0002]
[Prior art]
A description will be given of a carburizing process as an example. As a carburizing treatment, a technique using a decomposed gas obtained by decomposing a hydrocarbon-based gas as a carburizing gas is known. According to this, a hydrocarbon-based gas is decomposed to generate a decomposed gas. This cracked gas contains carbon and hydrogen as main components. Then, the carbon contained in the decomposed gas, which is the carburizing gas, is adsorbed on the surface layer of the iron-based treatment material heated to a high temperature and penetrated into the inside of the surface layer to perform carburizing treatment. In the carburizing treatment, there is a vacuum carburizing treatment in which a decomposition gas and a treatment material are brought into contact in a furnace at a pressure lower than the atmospheric pressure.
[0003]
In the above-mentioned carburizing treatment, in recent years, the hydrogen partial pressure (hydrogen concentration) of hydrogen gas in the hydrocarbon-based gas decomposition gas is measured by a concentration cell type hydrogen sensor, and based on the hydrogen partial pressure (hydrogen concentration), Attempts have been made to find potential. The above-described hydrogen sensor is composed of a solid electrolyte having proton conductivity, a first electrode contacted with a reference substance disposed on one side of the solid electrolyte, and a hydrocarbon-based gas disposed on the other side of the solid electrolyte. A second electrode with which the gas contacts. The first electrode and the second electrode are both formed of platinum.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the hydrogen sensor described above, there is a limit in improving the measurement accuracy in measuring the hydrogen partial pressure (hydrogen concentration) in a cracked gas formed by cracking a hydrocarbon-based gas. Therefore, there is a limit in grasping the carbon potential of the carburizing gas, and there is a limit in controlling the carbon potential of the carburizing process.
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and in measuring hydrogen in a cracked gas formed by decomposing a hydrocarbon-based gas, a hydrocarbon-based cracked gas capable of improving the measurement accuracy of the hydrogen gas. It is an object of the present invention to provide a concentration cell type hydrogen sensor.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has been diligently developing a concentration cell type hydrogen sensor for hydrocarbon-based cracked gas based on the above-mentioned problems. Then, the solid electrolyte having proton conductivity, the first electrode contacted with the reference substance disposed on one side of the solid electrolyte, and the decomposition gas of the hydrocarbon-based gas disposed on the other side of the solid electrolyte come in contact with the first electrode. It has been found that a hydrogen gas sensor having a second electrode made of carbon as a base material can improve the measurement accuracy of hydrogen gas. The reason is presumed as follows. That is, in the above-described hydrogen sensor, there is a limit to the improvement of the measurement accuracy of the hydrogen concentration in the cracked gas formed by decomposing the hydrocarbon-based gas because of the material of the second electrode disposed on the cracked gas side. Is platinum-based, the decomposition gas of the hydrocarbon-based gas is excessively decomposed more than the equilibrium state, and it is presumed that there is a limit to the improvement of the measurement accuracy of the hydrogen gas in the decomposition gas. Therefore, if the base material of the second electrode disposed on the decomposition gas side of the hydrocarbon-based gas is carbon-based, it is possible to prevent the decomposition gas of the hydrocarbon-based gas from excessively decomposing beyond the equilibrium state as described above. The inventors have found that the concentration can be suppressed and the measurement accuracy of hydrogen gas in the cracked gas can be improved, and the concentration cell type hydrogen sensor for hydrocarbon-based cracked gas according to the present invention has been developed.
[0007]
That is, the concentration-cell-type hydrogen sensor for a hydrocarbon-based decomposition gas according to the present invention is a concentration-cell-type hydrogen sensor used for measuring the concentration of hydrogen gas in a decomposition gas of a hydrocarbon-based gas, and includes a proton-conductive hydrogen sensor. A solid electrolyte having a first electrode contacted with a reference substance disposed on one side of the solid electrolyte, and a base material composed of carbon contacted with a decomposition gas of a hydrocarbon-based gas disposed on the other side of the solid electrolyte. And a second electrode to be used.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
SrCeO conventionally used in hydrogen sensors as a solid electrolyte constituting a hydrogen sensor3Or CaZrO3A perovskite-type proton-conductive solid electrolyte whose base material is, can be used. In addition, as the solid electrolyte constituting the hydrogen sensor, a form using α-alumina doped with an alkaline earth metal oxide as a base material can be adopted. In such a solid electrolyte based on α-alumina, in a high temperature region, hydrogen forms a weak O—H bond and dissolves in α-alumina, thereby exhibiting proton conductivity. Due to this proton conductivity, a hydrogen sensor having a solid electrolyte based on α-alumina can operate in a high temperature region. Therefore, based on the electromotive force generated in a high temperature region (generally 700 to 1200 ° C.), it is possible to measure the hydrogen partial pressure (hydrogen concentration) of the decomposition gas of the hydrocarbon-based gas that is the measurement target. Therefore, when the solid electrolyte constituting the hydrogen sensor is based on α-alumina doped with an alkaline earth metal oxide, the SrCeO 2 conventionally used in the hydrogen sensor is used.3Or CaZrO3It is more suitable for the measurement of the hydrogen concentration in a strong reducing atmosphere than when a perovskite-type proton-conductive solid electrolyte whose base material is is used as a base material.
[0009]
The preferred embodiment will be described. The proton conductive solid electrolyte can be based on alpha alumina doped with alkaline earth metal oxide. That is, the solid electrolyte can include α-alumina and an oxide of an alkaline earth metal (at least one of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra). The content of the alkaline earth metal oxide can be generally from 0.01 to 2.0 mol%, from 0.01 to 1.0 mol%, particularly from 0.02 to 0.9 mol%, It can be 0.03 to 0.8 mol% and 0.03 to 0.6 mol%, but is not limited thereto. Accordingly, the upper limit of the content of the oxide of the alkaline earth metal can be exemplified by 2.0 mol%, 1.5 mol%, 1.0 mol%, 0.5 mol%, etc., and the lower limit corresponding to the upper limit is Examples thereof include 0.02 mol%, 0.03 mol%, 0.04 mol%, and 0.05 mol%. In addition, the dope can adopt a well-known dope form, and can also include natural doping.
[0010]
As an example of a method for producing a solid electrolyte, a solid electrolyte having proton conductivity contains a predetermined amount (generally 0.01 to 2.0 mol%, or 0.01 to 1.0 mol) of an oxide of an alkaline earth metal. %) And press-molding the contained α-alumina to form a green compact, and thereafter sintering the green compact, and thereafter, in a high-temperature region (generally 700 to 1300 ° C, particularly 1200 to 1300 ° C). , Can be formed by heating and heat-treating the α-alumina in a hydrogen atmosphere or a steam atmosphere. It is presumed that the amount of the alkaline earth metal or its oxide dissolved in α-alumina is further stabilized.
[0011]
As another example of the method for producing a solid electrolyte, a powder of at least one element selected from the group consisting of alkaline earth metals (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) is doped, It may be sintered in an oxidizing atmosphere. This is because the alkaline earth metal is oxidized in an oxidizing atmosphere, which is substantially equivalent to the case where the oxide of the alkaline earth metal is doped into α-alumina.
[0012]
The time of the above heat treatment generally depends on the purity of α-alumina. According to experiments by the present inventors, when the purity of α-alumina is 99.6% in molar ratio, the heat treatment time can be 10 to 40 hr, particularly 20 to 35 hr, and particularly 21 hr. When the purity of α-alumina is 99% or less, the heat treatment time can be 100 hours or more. A long heat treatment time is disadvantageous in terms of production cost. The heat treatment described above is effective for improving the accuracy of the hydrogen sensor. However, when high accuracy of the hydrogen sensor is not required much, the above-described heat treatment can be eliminated or shortened. Therefore, the time of the above-mentioned heat treatment can be generally less than 5 hr and less than 1 hr, but is not limited thereto. The experiments by the present inventors have also revealed that the sensitivity as a hydrogen sensor is particularly high when the alkaline earth metal oxide to be doped is magnesium oxide.
[0013]
The first electrode has conductivity and is generally formed of a metal. The first electrode can include at least one of Ni, Pt, Au, Pd, and the like as a main component. The first electrode is preferably porous so as to have gas permeability. In a preferred hydrogen sensor, a film containing at least one of Ni, Pt, Au, Pd and the like as a main component is formed on the surface of the solid electrolyte exhibiting proton conductivity, and this film can be used as the first electrode. The first electrode can also be formed by a usual coating method, PVD method, or CVD method. The first electrode is formed by applying a paste containing at least one of Ni, Pt, Au, and Pd as a main component to the surface of the solid electrolyte and baking the electrode at a high temperature (for example, 800 ° C. or higher) in a reducing atmosphere. It can also be formed by a method of providing (paste coating method). In this case, it is desirable because the electrode becomes a porous film and hydrogen can easily enter the first electrode. In the case of a metal that is hardly oxidized such as Pt or Au, the metal may be baked in the air. In some cases, the first electrode may be carbon-based.
[0014]
The second electrode is a counter electrode of the first electrode, is disposed on the other side of the solid electrolyte, and is made of carbon as a base material with which a decomposition gas of a hydrocarbon-based gas comes into contact, and has conductivity. are doing. The second electrode is preferably porous so as to have gas permeability. The second electrode can be formed using carbon powder or carbon fiber as a base material. Specifically, it may be formed by rubbing a carbon-based lump, or by applying a mixed material containing both or one of a carbon powder and a carbon fiber and an organic or inorganic binder. It may be formed, or may be formed by attaching a sheet made of carbon fiber as a base material. Another substance other than carbon may be blended with the carbon material forming the second electrode. Carbon includes graphite and activated carbon.
[0015]
When measuring the hydrogen concentration of a hydrogen-containing gas with a hydrogen sensor provided with a first electrode and a second electrode of a solid electrolyte, a high-temperature (for example, 700 ° C. or higher) hydrogen-containing gas (hydrocarbon-based gas) is applied to the second electrode. When the gas comes into contact, hydrogen becomes a proton and generates an electron. For this reason, the protons can move through the solid electrolyte and reach the first electrode facing the second electrode. On the other hand, the electrons pass through a lead connecting the first electrode and the second electrode, and reach the first electrode. The protons and electrons that reach the first electrode combine to generate hydrogen. In this series of reactions, electrons move from the second electrode side to the first electrode side, and the energy required for the movement is basically proportional to the hydrogen gas partial pressure. ) To measure the electromotive force, it is possible to detect the hydrogen gas partial pressure in the decomposition gas (hydrogen-containing gas) of the hydrocarbon-based gas to be measured, that is, the hydrogen concentration. Therefore, the hydrogen sensor according to the present invention is preferably provided with an electromotive force measuring means for measuring an electromotive force generated between the first electrode and the second electrode.
[0016]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment is a case where the present invention is applied to vacuum carburizing. FIG. 1 shows the overall configuration of a vacuum carburizing system. In FIG. 1, reference numeral 100 denotes a heat treatment furnace for vacuum carburization having a furnace chamber 101; 110, a vacuum pump for sucking the furnace chamber 101 to maintain the degree of vacuum in the furnace chamber 101; 120, a raw material gas as a hydrocarbon-based gas Is introduced into the furnace chamber 101, 130 is a pressure gauge for measuring the pressure in the furnace chamber 10, 140 is a heater for heating the heat treatment furnace 100, 1 is a hydrogen sensor for measuring the hydrogen gas concentration in the furnace chamber 10. . The furnace chamber 101 accommodates a carbon steel-based processing material 150 that can be carburized and quenched.
[0017]
The hydrogen sensor 1 according to the present embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the hydrogen sensor 1 divides a protective tube-shaped proton-conductive solid electrolyte 11 having a closed-end cylindrical cavity 11 x with one end closed, and a cavity 11 x of the solid electrolyte 11. A first electrode 12 formed on the inner surface of the solid electrolyte 11, a second electrode 13 formed on the outer surface of the solid electrolyte 11 so as to face the first electrode 12, and one end connected to the first electrode 12 by the lead wire 15. Is an electromotive force measuring means 16 connected to the second electrode 13 by a lead wire 14, a lid member 19 for stabilizing the hydrogen partial pressure on the first electrode 12 side, and an intake air fixed to the lid member 19. It comprises a pipe 17 and an exhaust pipe 18. The intake pipe 17 and the exhaust pipe 18 are provided in the hydrogen sensor, and can function as a supply unit that supplies a reference substance to the first electrode 12 side of the solid electrolyte 11.
[0018]
The solid electrolyte 11 includes a step of sintering α-alumina (about 0.15 mol% MgO) containing an oxide of an alkaline earth metal to obtain a sintered body, and a step of sintering the sintered body with hydrogen or steam. In the presence (2% H by volume)2O + 1% H2(Air atmosphere) at 700 to 1300 ° C. for 0.05 to 5 hours. In some cases, depending on the type of the hydrogen sensor, the heat treatment can be eliminated in consideration of the manufacturing cost. The thickness of the solid electrolyte 11 can be, for example, 0.3 mm to 3 mm, particularly 0.5 mm to 2 mm, but is not limited thereto.
[0019]
The first electrode 12 is formed of platinum in the form of a porous film, has a thickness of about 0.1 to 20 micrometers, and has conductivity and gas permeability. In order to make the first electrode 12 a porous electrode, the first electrode 12 is formed by applying a Pt paste to the inner surface of the solid electrolyte 11 and baking it in an oxidizing atmosphere at 1300 ° C. The second electrode 13, which is a counter electrode, is formed by rubbing a carbon-based plate with a carbon-based lump on the outer surface of the solid electrolyte 11, and has a thickness of about 0.1 to 20 micrometers. And has conductivity and gas permeability. The lead wires 14 and 15 that can function as conductive paths are both Pt wires (platinum). One end 14a of the lead wire 14 is connected to the second electrode 13 with a solder paste. One end 15 a of the lead wire 15 is connected to the first electrode 12. The other ends 14 c and 15 c of the lead wires 14 and 15 are connected to a voltmeter as the electromotive force measuring means 16. The voltmeter measures the electromotive force between the first electrode 12 and the second electrode 13. The intake pipe 17, the exhaust pipe 18, and the lid member 19 are formed of a ceramic material.
[0020]
As shown in FIG. 2, the tip of the solid electrolyte 11 constituting the hydrogen sensor 1 is inserted into a furnace chamber 101 of a heat treatment furnace 100 in which a decomposition gas of a hydrocarbon-based gas as a measurement gas flows. The hydrogen sensor 1 is fixed to the heat treatment furnace 100 by a fixture (not shown). A fixed amount of a reference gas 17a controlled by a mass flow controller (not shown) and a water vapor saturator is supplied into the cavity 11x from the upper end of the intake pipe 17, and is exhausted from the exhaust pipe 18 as exhaust gas 18a. The reference gas 17a can function as a reference material of the concentration cell, and has a constant hydrogen partial pressure.2And steam (H2O).
[0021]
During the carburizing process, the vacuum degree (10 to 5000 Pa) of the furnace chamber 101 is maintained high by the vacuum pump 110 of the heat treatment furnace 100, and the temperature of the furnace chamber 101 is set to a high temperature region equal to or higher than the A1 transformation point (for example, about 900). 10001000 ° C.). A source gas formed of a hydrocarbon-based gas is introduced into the furnace chamber 101 from a gas introduction passage 120. The hydrocarbon-based gas contains methane, propane, butane, and the like in addition to methane as a main component (80% or more by volume ratio). The hydrocarbon-based gas is quickly decomposed in the furnace chamber 101 to become a decomposed gas. The decomposition of methane is shown by the following equation. CH4→ [C] + 2H2
Thus, the cracked gas contains carbon and hydrogen as main components. Then, carbon contained in the decomposition gas, which is a carburizing gas, is adsorbed on the surface layer of the processing material 150 (low-carbon steel, 900 to 1000 ° C.) heated to a high temperature and penetrates into the surface layer, thereby Carburizing is performed. The treated material 150 that has been carburized is brought into contact with a quenching medium (generally oil or water, and in some cases, a quenching gas) at a temperature equal to or higher than the A1 transformation point to perform quenching.
[0022]
FIG. 3 shows typical conditions of the vacuum carburizing process. In FIG. 3, a characteristic line A10 indicates the furnace temperature of the furnace chamber 101. A characteristic line A20 indicates the furnace pressure in the furnace chamber 101. As shown by a characteristic line A10, a temperature raising step, a carburizing step, a diffusion step, and a quenching step are sequentially performed. In the temperature raising step, the temperature in the furnace is raised from room temperature to about 930 ° C. As a result, the temperature of the processing material 150 similarly rises. In the carburizing step, carbon contained in the decomposition gas is permeated into the surface layer of the processing material 150 while maintaining the furnace temperature at the carburizing temperature (A1 transformation point or higher, about 930 ° C.). In the diffusion step, the infiltrated carbon is further diffused into the processing material 150 by maintaining the furnace temperature at about 930 ° C. In the quenching step, the carburized treatment material 150 is quenched to 80 ° C. (below the A1 transformation point) by contact with a quenching medium. As shown by the characteristic line A20 in FIG. 3, the degree of vacuum in the furnace chamber 101 is increased (about 10 Pa) with the execution of the temperature raising step. In the carburizing step, introduction of a hydrocarbon-based source gas and evacuation are alternately repeated. When a hydrocarbon-based gas is introduced into the furnace chamber 101, the furnace pressure becomes about 3000 Pa. When the evacuation is performed, the pressure in the furnace becomes about 10 Pa. In the diffusion step, the furnace pressure is gradually increased to about 13 kPa. The temperature raising step, the carburizing step, and the diffusion step are each performed for one hour, but the required time in each step is changed according to the material and size of the processing material 150, and is not limited to the above value. Absent. FIG. 4 shows the hydrogen partial pressure in the furnace chamber 101 of the heat treatment furnace 100 in the carburizing step. M1 indicates the introduction of the source gas. As shown in FIG. 4, the hydrocarbon-based source gas is intermittently introduced into the furnace chamber 101. When the source gas is introduced, hydrogen gas is generated by decomposition as indicated by M2, and the partial pressure of the hydrogen gas increases.
[0023]
As described above, according to this embodiment, the hydrogen sensor 1 can accurately measure the hydrogen partial pressure (hydrogen concentration) in the cracked gas obtained by decomposing the hydrocarbon-based source gas supplied into the furnace chamber 101. it can. The reason is that the second electrode 13 that comes into contact with the decomposed gas obtained by decomposing the hydrocarbon-based source gas is not formed of platinum having a high catalytic activity but is formed of a carbon-based material. This is presumed to be because the activity was not excessive, and the hydrocarbon gas on the second electrode 13 side was not easily decomposed excessively beyond the equilibrium. In particular, according to the present embodiment, since the solid electrolyte 11 of the hydrogen sensor 1 is made of α-alumina doped with an alkaline earth metal oxide, the SrCeO 2 conventionally used in the hydrogen sensor is used.3Or CaZrO3It is more suitable for use in the carburizing temperature range (generally 750 to 1100 ° C., especially 850 to 1000 ° C.), as compared with the case where a perovskite-type proton conductive solid electrolyte whose main component is is used.
[0024]
(Test example)
The present inventors formed a platinum-based first electrode 12 and a carbon-based second electrode 13 on a solid electrolyte 11 formed of α-alumina (0.3 mol% MgO) containing magnesium oxide, A hydrogen sensor based on the first embodiment was created. Then, using this hydrogen sensor, the hydrogen partial pressure (hydrogen concentration) in the cracked gas obtained by decomposing the hydrocarbon-based raw material gas was measured. The reference gas supplied to the cavity 11x was an argon gas containing 1.02% by volume of hydrogen gas. Then, a hydrocarbon-based gas was introduced at a rate of 100 cc / min into the furnace chamber 101 (930 ° C.) maintained at about 3000 Pa. No processing material was placed in the furnace chamber 101. The test results are shown in FIG. In FIG. 5, the horizontal axis indicates time, the right vertical axis indicates hydrogen partial pressure [atm], and the left vertical axis indicates furnace pressure [Pa]. The characteristic line B1 indicates the pressure in the furnace, and the characteristic line B2 indicates the hydrogen partial pressure of the cracked gas obtained by decomposing the hydrocarbon-based raw material gas. As shown by the characteristic line B2 in FIG. 5, when nearly 1000 seconds have passed since the start of the measurement, a flat portion was developed on the characteristic line B2, and the hydrogen partial pressure (hydrogen concentration) of the decomposition gas could be measured favorably. .
[0025]
Further, the same test was performed on the hydrogen sensor according to the comparative example. The hydrogen sensor according to the comparative example is similar to the hydrogen sensor according to the above-described test example, except that both the first electrode and the second electrode are formed of platinum. The characteristic line of the hydrogen sensor according to the comparative example showed a local maximum value, which was not sufficient for measuring the hydrogen concentration.
[0026]
Further, the present inventors conducted IR analysis on α-alumina containing magnesium oxide in order to examine proton conductivity of α-alumina containing magnesium oxide. Similarly, α-alumina (0.1 mol% SrO) containing strontium oxide was formed. IR analysis was also performed on α-alumina containing strontium oxide and α-alumina not doped with magnesium oxide. FIG. 6 shows the test results. The vertical axis in FIG. 6 indicates the transmittance (transmittance (%)) of infrared rays. The horizontal axis in FIG. 6 indicates the wave number of infrared rays (Wave @ Number). In FIG. 6, a characteristic line C1 shows a test result of α-alumina not doped with magnesium oxide. A characteristic line C2 shows a test result of α-alumina (0.3 mol% MgO) doped with magnesium oxide. A characteristic line C3 shows a test result of α-alumina (0.1 mol% SrO) doped with strontium oxide. When the wave number (Wave @ Number) is around 3000, the characteristic line C2 drops significantly. This means that proton conductivity is developed. In addition, since the wave number (Wave @ Number) is around 3000 and a decrease in the characteristic line C3 is observed, it means that α-alumina (0.1 mol% SrO) doped with strontium oxide also exhibits proton conductivity. When the doping amount of magnesium oxide and the strontium oxide were changed, proton conductivity was also exhibited. In addition, the present invention is not limited to the embodiment described above and shown in the drawings. The shape of the solid electrolyte having proton conductivity is not limited to a cylindrical shape having a bottom, and may be a plate shape or the like, and may be appropriately changed and implemented without departing from the gist of the present invention. .
[0027]
(Note)
The following technical idea can be understood from the above description.
(Supplementary item 1) The heating process of increasing the furnace temperature, the introduction and evacuation of the hydrocarbon-based source gas are repeated, and the carbon contained in the cracked gas obtained by decomposing the hydrocarbon-based gas is removed from the furnace. A carburizing and quenching method in which a carburizing step of infiltrating the surface layer of the inside of the treatment material, a quenching step of rapidly cooling the carburized treatment material by contacting the treatment material with a quenching medium, and a solid electrolyte having proton conductivity, A first electrode contacted with a reference substance disposed on one side of the solid electrolyte, and a second electrode having carbon as a base material disposed on another side of the solid electrolyte and contacting with a decomposition gas of a hydrocarbon-based gas. Using a concentration cell type hydrogen sensor for hydrocarbon-based cracked gas having a hydrogen sensor and measuring the hydrogen partial pressure of the cracked gas in which the hydrocarbon-based gas in the furnace has been cracked. . In this case, when measuring the hydrogen partial pressure (hydrogen concentration) in the cracked gas formed by decomposing the hydrocarbon-based gas, the measurement accuracy of the hydrogen gas can be improved.
[Additional Item 2] The carburizing and quenching method according to Additional Item 1, wherein the solid electrolyte of the concentration cell type hydrogen sensor is made of α-alumina doped with an alkaline earth metal oxide. Since the solid electrolyte is based on α-alumina doped with an alkaline earth metal oxide, the concentration cell type hydrogen sensor is used in a carburizing temperature range (generally 750 to 1100 ° C., particularly 850 to 1000 ° C.). It is suitable for use and can measure hydrogen partial pressure (hydrogen concentration) well in the carburizing temperature range.
[Appendix 3] A concentration cell type hydrogen sensor used for measuring hydrogen gas in a decomposition gas of a hydrocarbon-based gas used for carburizing treatment, comprising: a solid electrolyte having proton conductivity; and one side of the solid electrolyte. A first electrode contacted with a reference substance disposed on the other side, and a second electrode having carbon as a base material disposed on the other side of the solid electrolyte and contacting a decomposition gas of a hydrocarbon-based gas for carburizing treatment. Concentration cell type hydrogen sensor. Since the second electrode is carbon-based, the concentration and partial pressure of hydrogen gas in the hydrocarbon-based gas decomposition gas used for carburizing can be measured well.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a concentration cell type hydrogen sensor capable of improving the measurement accuracy of hydrogen gas when measuring the hydrogen concentration in a decomposition gas formed by decomposing a hydrocarbon gas. Can be. Particularly in the case where the solid electrolyte is based on α-alumina doped with an alkaline earth metal oxide, use in the carburizing temperature range (generally 750 to 1100 ° C., particularly 850 to 1000 ° C.) And a concentration cell type hydrogen sensor suitable for the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing an entire system of a heat treatment furnace used in a vacuum carburizing process.
FIG. 2 is a sectional view schematically showing a hydrogen sensor used in vacuum carburizing.
FIG. 3 is a graph showing a process of a vacuum carburizing process.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a time in a vacuum carburizing process and a hydrogen partial pressure in a furnace.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the time measured using the hydrogen sensor according to the present embodiment and the hydrogen partial pressure.
FIG. 6 is a graph showing an IR analysis result of α-alumina containing magnesium oxide and strontium oxide, and an IR analysis result of undoped α-alumina.
[Explanation of symbols]
In the figure, 100 is a heat treatment furnace, 101 is a furnace chamber, 150 is a processing material, 1 is a hydrogen sensor, 11 is a solid electrolyte, 12 is a first electrode, 13 is a second electrode, and 16 is an electromotive force measuring means.

Claims (6)

炭化水素系ガスの分解ガスにおける水素ガスの測定に使用される濃淡電池型水素センサであって、プロトン導電性をもつ固体電解質と、固体電解質の片面側に配置された基準物質が接触する第1電極と、固体電解質の他の片面側に配置され炭化水素系ガスの分解ガスが接触する炭素を基材とする第2電極とを有する炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型水素センサ。What is claimed is: 1. A concentration cell type hydrogen sensor used for measuring hydrogen gas in a decomposition gas of a hydrocarbon-based gas, wherein a solid electrolyte having proton conductivity is brought into contact with a reference substance disposed on one side of the solid electrolyte. A concentration cell type hydrogen sensor for a hydrocarbon-based decomposed gas, comprising: an electrode; and a second electrode disposed on the other side of the solid electrolyte and having a base material of carbon in contact with the decomposed gas of the hydrocarbon-based gas. 請求項1において、固体電解質は、アルカリ土類金属の酸化物がドープされたαアルミナを基材とすることを特徴とする炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型水素センサ。2. The concentration cell type hydrogen sensor for hydrocarbon-based cracked gas according to claim 1, wherein the solid electrolyte is based on α-alumina doped with an oxide of an alkaline earth metal. 請求項1または請求項2において、固体電解質は、アルカリ土類金属の酸化物を0.01〜2.0mol%含むαアルミナを基材とすることを特徴とする炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型水素センサ。3. The concentration for a hydrocarbon-based cracked gas according to claim 1, wherein the solid electrolyte is based on α-alumina containing 0.01 to 2.0 mol% of an oxide of an alkaline earth metal. Battery type hydrogen sensor. 請求項1〜請求項3のいずれか一項において、固体電解質は、アルカリ土類金属の酸化物を含むαアルミナを焼結して焼結体を得る工程と、前記焼結体を水素または水蒸気の存在下において700〜1300℃の温度領域において加熱して熱処理をする工程とを経て形成されていることを特徴とする炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型水素センサ。The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid electrolyte is a step of sintering α-alumina containing an oxide of an alkaline earth metal to obtain a sintered body; And performing a heat treatment in a temperature range of 700 to 1300 ° C. in the presence of water to form a concentration cell type hydrogen sensor for hydrocarbon-based cracked gas. 請求項2〜請求項4のいずれか一項において、前記アルカリ土類金属の酸化物は酸化マグネシウムであることを特徴とする炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型水素センサ。The concentration cell type hydrogen sensor according to any one of claims 2 to 4, wherein the alkaline earth metal oxide is magnesium oxide. 請求項1〜請求項5のいずれか一項において、第1電極と第2電極との間で発生した起電力を測定する起電力測定手段が設けられていることを特徴とする炭化水素系分解ガス用の濃淡電池型水素センサ。The hydrocarbon decomposition according to any one of claims 1 to 5, further comprising an electromotive force measuring means for measuring an electromotive force generated between the first electrode and the second electrode. Concentration cell type hydrogen sensor for gas.
JP2002213632A 2002-07-23 2002-07-23 Concentration cell type hydrogen sensor for hydrocarbon cracking gas Expired - Fee Related JP4137546B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002213632A JP4137546B2 (en) 2002-07-23 2002-07-23 Concentration cell type hydrogen sensor for hydrocarbon cracking gas

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002213632A JP4137546B2 (en) 2002-07-23 2002-07-23 Concentration cell type hydrogen sensor for hydrocarbon cracking gas

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004053507A true JP2004053507A (en) 2004-02-19
JP4137546B2 JP4137546B2 (en) 2008-08-20

Family

ID=31936179

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002213632A Expired - Fee Related JP4137546B2 (en) 2002-07-23 2002-07-23 Concentration cell type hydrogen sensor for hydrocarbon cracking gas

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4137546B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008102684A1 (en) 2007-02-23 2008-08-28 Ihi Corporation Carburizing apparatus and carburizing method
CN103822962A (en) * 2014-02-21 2014-05-28 东北大学 Apparatus for measuring PCT curve of material by using solid state proton conductor, and method thereof
JP2019132756A (en) * 2018-02-01 2019-08-08 東京窯業株式会社 Gas concentration detection method and gas concentration detection device

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008102684A1 (en) 2007-02-23 2008-08-28 Ihi Corporation Carburizing apparatus and carburizing method
CN103822962A (en) * 2014-02-21 2014-05-28 东北大学 Apparatus for measuring PCT curve of material by using solid state proton conductor, and method thereof
JP2019132756A (en) * 2018-02-01 2019-08-08 東京窯業株式会社 Gas concentration detection method and gas concentration detection device
JP7025232B2 (en) 2018-02-01 2022-02-24 東京窯業株式会社 Gas concentration detection method and gas concentration detection device

Also Published As

Publication number Publication date
JP4137546B2 (en) 2008-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fontana et al. Metallic interconnects for solid oxide fuel cell: Effect of water vapour on oxidation resistance of differently coated alloys
Medvedev et al. Structural, thermomechanical and electrical properties of new (1− x) Ce0. 8Nd0. 2O2− δ–xBaCe0. 8Nd0. 2O3− δ composites
Kek et al. Effect of electrode material on the oxidation of H2 at the metal–Sr0. 995Ce0. 95Y0. 05O2. 970 interface
JP4583810B2 (en) Proton conductive ceramics and method for producing the same
Siebert et al. Oxido-reduction properties of La0. 7Sr0. 3Co0. 8Fe0. 2O3− δ perovskite oxide catalyst
JP2016026987A (en) Proton-conducting oxide
Andoralov et al. Oxygen reduction reaction on polycrystalline gold. Pathways of hydrogen peroxide transformation in the acidic medium
Chang et al. Effect of ultra-thin SnO 2 coating on Pt catalyst for energy applications
JP6752184B2 (en) Gas sensor element and gas sensor
JP4137546B2 (en) Concentration cell type hydrogen sensor for hydrocarbon cracking gas
JP2006513403A5 (en)
Fu et al. Electrochemical properties of A-site deficient SOFC cathodes under Cr poisoning conditions
JP6442366B2 (en) Oxygen permeable membrane
JPWO2002082068A1 (en) Concentration cell type hydrogen sensor and method for producing solid electrolyte having proton conductivity
Wang et al. Electrical conduction in dense Mg2+-doped SnP2O7–SnO2 composite ceramic for intermediate temperature fuel cell
JP7329236B2 (en) COMPOSITION FOR HYDROGEN SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME
JP2008053194A (en) One-chamber type solid oxide fuel cell using lower hydrocarbon as fuel
US9437999B2 (en) Method for manufacturing oxygen sensor
Shan et al. Improving the stability of an amperometric ammonia sensor based on BaZr0. 8Y0. 2O3-δ electrolyte with a volatile B2O3 sintering additive
KR20120092334A (en) Solid oxidee fuel cell cathode comprising materials coated with silver nano particle and method for manufacturing the same
Montenegro-Hernández et al. Validation of Nd2NiO4+ δ as oxygen electrode material for intermediate temperature solid oxide cells with LSGM electrolyte
JPH06103988A (en) Solid electrolyte type fuel cell
Farnoush et al. A fluid-flow approach in oxidation evaluation of SUS 430 steels coated by Fe/Mn-modified MnCo2O4 for solid oxide fuel cell application
JP4213939B2 (en) Gas detector
JPH03216546A (en) Activation treatment of oxygen sensor element

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050510

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20061205

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080313

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080502

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20080527

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20080604

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4137546

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110613

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110613

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120613

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120613

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130613

Year of fee payment: 5

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140613

Year of fee payment: 6

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees