JP2017096659A - Hydrogen concentration measurement device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen concentration measurement device using solid electrolyte, capable of acquiring hydrogen concentration with high accuracy even when oxygen is contained.SOLUTION: A hydrogen concentration measurement device comprises: a proton conductor solid electrolyte 11 consisting of proton conductive ceramics; a pair of a first electrode 12 and a second electrode 13 holding therebetween the proton conductor solid electrolyte 11; a first hydrogen chamber 14 having a sealed space closer to the first electrode 12, for introducing or encapsulating hydrogen (reference gas) of the known hydrogen concentration; a second hydrogen chamber 16 arranged closer to the second electrode 13, for introducing oxygen and a measurement target gas 15 containing hydrogen; and a voltmeter 19 connected to the first electrode 12 and the second electrode 13, for detecting a potential difference between both electrodes. An oxygen adsorption suppression processing layer is provided on the surface of the second electrode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、酸素を含む水素ガス中の水素濃度を検出する水素濃度計測装置に関するものである。   The present invention relates to a hydrogen concentration measuring device that detects the hydrogen concentration in hydrogen gas containing oxygen.

水素ガスは、例えばメタンガスのような可燃性ガスと比較した場合、その比重は軽く、漏洩し易く、仮に漏洩した場合には、危険性が高いガスである。よって、従来より、水素ガスの濃度を計測する水素濃度計測装置として、例えば、熱伝導式、接触燃焼式、及び固体電解質型水素濃度計等の提案がある。   Hydrogen gas has a low specific gravity when compared with a combustible gas such as methane gas, and is easily leaked. If leaked, hydrogen gas is highly dangerous. Therefore, conventionally, as a hydrogen concentration measuring device for measuring the concentration of hydrogen gas, for example, there are proposals such as a heat conduction type, a catalytic combustion type, and a solid electrolyte type hydrogen concentration meter.

この固体電解質型水素濃度計として、プロトン伝導体を用いた水素濃度の測定方法が提案されている(特許文献1等)。この特許文献1に開示された水素センサーは、プロトン導電性固体電解質に測定極と参照極とを一対設け、測定極の水素分圧と、水素ガス分圧が既知であって標準極物質となる水素含有ガス体の水素分圧との間の分圧差により起電力が生じることを利用し、水素濃淡電池により水素含有量を求めるものである。   As this solid electrolyte type hydrogen concentration meter, a method of measuring the hydrogen concentration using a proton conductor has been proposed (Patent Document 1, etc.). In this hydrogen sensor disclosed in Patent Document 1, a proton conductive solid electrolyte is provided with a pair of a measurement electrode and a reference electrode, and the hydrogen partial pressure of the measurement electrode and the hydrogen gas partial pressure are known and become a standard electrode material. By utilizing the fact that an electromotive force is generated due to a partial pressure difference from the hydrogen partial pressure of the hydrogen-containing gas body, the hydrogen content is obtained by a hydrogen concentration cell.

特開平1−291155号公報JP-A-1-291155

しかしながら、特許文献1に開示する水素センサーは、一般に電極に白金等の白金族の金属を用いているので、酸素フリーの状態の被計測ガス中の水素濃度の検出に限定されており、例えば酸素、空気、又は酸素が共存する雰囲気中に含まれる水素の濃度を直接計測することはできない、という問題がある。これは、被計測ガス中に、酸素が含有するような場合には、該酸素が白金電極上で水素と反応し、真の水素濃度を精度良く求めることができないことによる。   However, since the hydrogen sensor disclosed in Patent Document 1 generally uses a platinum group metal such as platinum as an electrode, it is limited to the detection of the hydrogen concentration in the measurement gas in an oxygen-free state. There is a problem that the concentration of hydrogen contained in the atmosphere in which air or oxygen coexists cannot be directly measured. This is because when oxygen is contained in the gas to be measured, the oxygen reacts with hydrogen on the platinum electrode, and the true hydrogen concentration cannot be obtained with high accuracy.

よって、例えば酸素を含むガス中の水素濃度を精度良く求めることができる水素濃度計測装置の出現が切望されている。   Therefore, for example, the advent of a hydrogen concentration measuring device that can accurately determine the hydrogen concentration in a gas containing oxygen is desired.

本発明は、前記問題に鑑み、被計測ガス中の水素濃度を計測する際、例えば酸素、空気、又は酸素が共存する雰囲気中においても、水素濃度を精度良く求めることができる水素濃度計測装置を提供することを課題とする。   In view of the above problems, the present invention provides a hydrogen concentration measuring apparatus that can accurately determine a hydrogen concentration even in an atmosphere in which oxygen, air, or oxygen coexists, for example, when measuring the hydrogen concentration in a gas to be measured. The issue is to provide.

上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、プロトン導電性を有するセラミックスからなるプロトン導電体固体電解質と、前記プロトン導電体固体電解質を挟持する一対の第1電極及び第2電極と、前記第1電極側を密閉された空間とし、既知の水素濃度の水素を導入又は封入する第1水素室と、前記第2電極側に、酸素と水素を含む被計測ガスの雰囲気とする第2水素室と、前記第1電極と前記第2電極とに接続され、両者の電位差を検出する電圧計と、を具備すると共に、第2電極の表面に、酸素吸着抑制処理層を有することを特徴とする水素濃度計測装置にある。   A first invention of the present invention for solving the above-described problem is a proton conductor solid electrolyte made of ceramics having proton conductivity, and a pair of first electrode and second electrode sandwiching the proton conductor solid electrolyte And a first hydrogen chamber into which hydrogen having a known hydrogen concentration is introduced or sealed, and an atmosphere of a gas to be measured containing oxygen and hydrogen on the second electrode side. A second hydrogen chamber, a voltmeter connected to the first electrode and the second electrode and detecting a potential difference therebetween, and an oxygen adsorption suppression treatment layer on the surface of the second electrode Is in a hydrogen concentration measuring device characterized by

本発明によれば、酸素吸着抑制処理層の形成により酸素の影響を抑制し、水素選択性が向上して、例えば酸素を含む水素ガス中の水素濃度をより精度良く計測することができる。   According to the present invention, the influence of oxygen can be suppressed by forming the oxygen adsorption suppression treatment layer, the hydrogen selectivity can be improved, and for example, the hydrogen concentration in hydrogen gas containing oxygen can be measured with higher accuracy.

第2の発明は、第1の発明において、前記酸素吸着抑制処理層が、フッ素を含む層であることを特徴とする水素濃度計測装置にある。   A second invention is the hydrogen concentration measuring apparatus according to the first invention, wherein the oxygen adsorption suppression treatment layer is a layer containing fluorine.

本発明によれば、酸素吸着抑制処理層がフッ素を含む層とすることにより、フッ素により酸素の影響を抑制し、水素選択性が向上して、例えば酸素を含む水素ガス中の水素濃度をより精度良く計測することができる。   According to the present invention, when the oxygen adsorption suppression treatment layer is a layer containing fluorine, the influence of oxygen is suppressed by fluorine, the hydrogen selectivity is improved, and for example, the hydrogen concentration in hydrogen gas containing oxygen is further increased. It can measure with high accuracy.

第3の発明は、第1の発明において、前記酸素吸着抑制処理層が、ケイ素を含む層であることを特徴とする水素濃度計測装置にある。   A third invention is the hydrogen concentration measuring apparatus according to the first invention, wherein the oxygen adsorption suppression treatment layer is a layer containing silicon.

本発明によれば、酸素吸着抑制処理層がケイ素を含む層とすることにより、酸素の影響を抑制し、水素選択性が向上して、例えば酸素を含む水素ガス中の水素濃度をより精度良く計測することができる。   According to the present invention, when the oxygen adsorption suppression treatment layer is a layer containing silicon, the influence of oxygen is suppressed, hydrogen selectivity is improved, and for example, the hydrogen concentration in hydrogen gas containing oxygen is more accurately determined. It can be measured.

第4の発明は、第1乃至3のいずれか一つにおいて、前記第2電極が、白金又はパラジウムの単体電極、白金又はパラジウムの少なくとも一つを含む合金電極のいずれかからなることを特徴とする水素濃度計測装置にある。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the second electrode is composed of any one of a single electrode of platinum or palladium and an alloy electrode containing at least one of platinum or palladium. It is in the hydrogen concentration measuring device.

本発明によれば、第2電極に、白金又はパラジウムの単体電極、白金又はパラジウムの少なくとも一つを含む合金電極を用いる場合でも、酸素吸着抑制処理層により、例えば酸素を含む水素ガス中の水素濃度を精度良く計測することができる。   According to the present invention, even when a single electrode of platinum or palladium, or an alloy electrode containing at least one of platinum or palladium is used as the second electrode, the oxygen adsorption suppression treatment layer allows, for example, hydrogen in hydrogen gas containing oxygen. The concentration can be measured with high accuracy.

第5の発明は、第1乃至4のいずれか一つの発明において、前記プロトン導電体固体電解質を所定温度に加熱するヒータを有することを特徴とする水素濃度計測装置にある。   A fifth invention is the hydrogen concentration measuring apparatus according to any one of the first to fourth inventions, further comprising a heater for heating the proton conductor solid electrolyte to a predetermined temperature.

ヒータにより所定の温度雰囲気とし、例えば酸素を含む水素ガス中の水素濃度を精度良く計測することができる。   It is possible to accurately measure the hydrogen concentration in a hydrogen gas containing oxygen, for example, with a heater at a predetermined temperature atmosphere.

本発明の水素濃度計測装置によれば、被計測ガス中において、例えば酸素等を含有する場合においても、水素濃度を精度良く求めることができる。   According to the hydrogen concentration measuring apparatus of the present invention, the hydrogen concentration can be obtained with high precision even when the gas to be measured contains, for example, oxygen.

図1は、実施形態1に係る水素濃度計測装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrogen concentration measuring apparatus according to the first embodiment. 図2は、水素測定の原理説明に係る模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the principle of hydrogen measurement. 図3は、酸素が含まれるガス中の水素検知の電極反応経路の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of an electrode reaction path for detecting hydrogen in a gas containing oxygen. 図4−1は、試験例1−1の白金電極に対してフッ素化処理後の300℃の計測結果図である。FIG. 4-1 is a measurement result diagram at 300 ° C. after fluorination treatment on the platinum electrode of Test Example 1-1. 図4−2は、試験例1−2の白金電極に対してフッ素化処理後の350℃の計測結果図である。FIG. 4-2 is a measurement result diagram at 350 ° C. after the fluorination treatment on the platinum electrode of Test Example 1-2. 図4−3は、試験例1−3の白金電極に対してフッ素化処理後の400℃の計測結果図である。FIG. 4-3 is a measurement result diagram at 400 ° C. after fluorination treatment on the platinum electrode of Test Example 1-3. 図5−1は、比較例1−1の白金電極未処理の300℃の計測結果図である。FIG. 5-1 is a measurement result diagram at 300 ° C. of the platinum electrode untreated in Comparative Example 1-1. 図5−2は、比較例1−2の白金電極未処理の350℃の計測結果図である。FIG. 5-2 is a measurement result diagram of 350 ° C. of the platinum electrode untreated in Comparative Example 1-2. 図5−3は、比較例1−3の白金電極未処理の400℃の計測結果図である。FIG. 5-3 is a measurement result diagram at 400 ° C. of the platinum electrode untreated in Comparative Example 1-3. 図6は、試験例2のシロキサン処理後の計測結果図である。6 is a measurement result diagram after the siloxane treatment of Test Example 2. FIG.

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment, and when there are two or more embodiments, what comprises combining each embodiment is also included.

<実施形態1>
図1は、実施形態1に係る水素濃度計測装置の概略図である。図1に示すように、本実施形態に係る水素濃度計測装置10は、プロトン導電性を有するセラミックスからなるプロトン導電体固体電解質11と、プロトン導電体固体電解質11を挟持する一対の第1電極12及び第2電極13と、第1電極12側を密閉された空間とし、既知の水素濃度の水素(標準ガス)を導入又は封入する第1水素室14と、第2電極13側に、酸素と水素を含む被計測ガス15を導入する第2水素室16と、第1電極12と第2電極13とに接続され、両者の電位差を検出する電圧計19と、を具備している。なお、本実施形態では、第2水素室16には被計測ガス15を導入排出する導入部17及び排出部18が設けられている。なお、第2水素室16を解放状態として、被計測ガス15の雰囲気に曝すようにしてもよい。その場合には、第2水素室16は被計測ガス15の例えば大気空間等となる。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrogen concentration measuring apparatus according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, a hydrogen concentration measuring apparatus 10 according to this embodiment includes a proton conductor solid electrolyte 11 made of ceramics having proton conductivity, and a pair of first electrodes 12 that sandwich the proton conductor solid electrolyte 11. And the second electrode 13 and the first electrode 12 side in a sealed space, a first hydrogen chamber 14 for introducing or enclosing hydrogen (standard gas) having a known hydrogen concentration, and oxygen on the second electrode 13 side. A second hydrogen chamber 16 for introducing a measurement gas 15 containing hydrogen, and a voltmeter 19 connected to the first electrode 12 and the second electrode 13 for detecting the potential difference therebetween are provided. In the present embodiment, the second hydrogen chamber 16 is provided with an introduction part 17 and an exhaust part 18 for introducing and discharging the measurement gas 15. Note that the second hydrogen chamber 16 may be opened and exposed to the atmosphere of the measurement target gas 15. In that case, the second hydrogen chamber 16 becomes, for example, the atmospheric space of the measurement target gas 15.

ここで、プロトン導電体固体電解質11は、水素濃度に応じて起電力を発生させる。プロトン導電体固体電解質11は、プロトン導電性を有するセラミックスである。このプロトン導電性を有するセラミックスとしては、例えばCaZr1-x(M)x3、SrZr1-x(M)x3、BaCe1-x(M)x3等を挙げることができる。ここで、M=Y、Yb、Ndであり、x=0.05−0.1が代表的であるが、プロトン導電性を備えるセラミックスであれば、本発明はこれらに限定されるものではない。 Here, the proton conductor solid electrolyte 11 generates an electromotive force according to the hydrogen concentration. The proton conductor solid electrolyte 11 is a ceramic having proton conductivity. The ceramics having a proton conductivity, may be, for example, CaZr 1-x (M) x O 3, SrZr 1-x (M) x O 3, BaCe 1-x (M) x O 3 and the like. Here, M = Y, Yb, and Nd, and x = 0.05-0.1 is typical, but the present invention is not limited to these as long as the ceramic has proton conductivity. .

第1水素室14は、プロトン導電体固体電解質11の表面との間に密閉された空間を形成する。第1水素室14およびプロトン導電体固体電解質11の表面によって形成される空間には、プロトン導電体固体電解質11が起電力を発生させるための基準となる水素(既知濃度の水素(標準ガス))を含む不活性ガスの流体が封入される。なお、封入以外に基準流体を連続して流入するようにしてもよい。   The first hydrogen chamber 14 forms a sealed space with the surface of the proton conductor solid electrolyte 11. In a space formed by the surfaces of the first hydrogen chamber 14 and the proton conductor solid electrolyte 11, hydrogen serving as a reference for generating an electromotive force by the proton conductor solid electrolyte 11 (hydrogen of a known concentration (standard gas)) An inert gas fluid containing is enclosed. In addition to the enclosure, the reference fluid may be continuously introduced.

第1電極12は、プロトン導電体固体電解質11の第1水素室14側の表面に設けられる。第1電極12は、封入された流体がプロトン導電体固体電解質11の表面に容易に到達できる構造であることが好ましい。第2電極13は、プロトン導電体固体電解質11の反対側の表面に設けられる。第2電極13は、例えば導入部17から導入される被計測ガス15がプロトン導電体固体電解質11の表面に容易に到達できる構造であることが好ましい。電圧計19は、第1電極12と第2電極13の電位差を検出する。電圧計19が出力する電位差は、第2水素室16内の雰囲気の水素濃度を表す。   The first electrode 12 is provided on the surface of the proton conductor solid electrolyte 11 on the first hydrogen chamber 14 side. The first electrode 12 preferably has a structure in which the sealed fluid can easily reach the surface of the proton conductor solid electrolyte 11. The second electrode 13 is provided on the opposite surface of the proton conductor solid electrolyte 11. The second electrode 13 preferably has a structure in which the measurement gas 15 introduced from the introduction unit 17 can easily reach the surface of the proton conductor solid electrolyte 11, for example. The voltmeter 19 detects a potential difference between the first electrode 12 and the second electrode 13. The potential difference output from the voltmeter 19 represents the hydrogen concentration of the atmosphere in the second hydrogen chamber 16.

ヒータ21は、プロトン導電体固体電解質11及び第1電極12及び第2電極13を加熱する。なお、図示しない温度計を設けて、プロトン導電体固体電解質11が一定の温度を保つようにヒータ21を制御するようにしてもよい。   The heater 21 heats the proton conductor solid electrolyte 11, the first electrode 12, and the second electrode 13. A heater (not shown) may be provided to control the heater 21 so that the proton conductor solid electrolyte 11 maintains a constant temperature.

具体的には、ヒータ21による加熱温度の下限値は、第1電極12及び第2電極13の抵抗値により応答性の低下がみられる温度以上(例えば200℃以上)とし、加熱温度の上限値は、水素燃焼により水素濃度計測が適切にできなくなる温度(例えば500℃)よりも低い温度範囲内、例えば200℃〜500℃に保つようにしている。なお、温度が低い場合には、電解質を薄くすることにより応答性の向上を図ることができる。   Specifically, the lower limit value of the heating temperature by the heater 21 is equal to or higher than a temperature at which a decrease in responsiveness is observed depending on the resistance values of the first electrode 12 and the second electrode 13 (eg, 200 ° C. or higher), Is maintained within a temperature range lower than the temperature at which hydrogen concentration cannot be measured properly due to hydrogen combustion (for example, 500 ° C.), for example, 200 ° C. to 500 ° C. When the temperature is low, the response can be improved by thinning the electrolyte.

このような構成の水素濃度計測装置10によって、以下の様に水素濃度が計測される。ヒータ21の加熱によって、プロトン導電体固体電解質11は、水素濃度に応じて起電力を発生させるのに十分に加熱される。プロトン導電体固体電解質11は、第1水素室14内の水素の濃度(分圧)と第2水素室16の雰囲気の水素の濃度(分圧)の差に応じて起電力を発生する。起電力の大きさは、電圧計19によって検出され、雰囲気の水素濃度を示す値として、例えば表示部等により表示される。   The hydrogen concentration measuring apparatus 10 having such a configuration measures the hydrogen concentration as follows. By heating the heater 21, the proton conductor solid electrolyte 11 is sufficiently heated to generate an electromotive force according to the hydrogen concentration. The proton conductor solid electrolyte 11 generates an electromotive force according to the difference between the hydrogen concentration (partial pressure) in the first hydrogen chamber 14 and the hydrogen concentration (partial pressure) in the atmosphere of the second hydrogen chamber 16. The magnitude of the electromotive force is detected by the voltmeter 19 and is displayed on the display unit or the like as a value indicating the hydrogen concentration of the atmosphere.

図2は、水素測定の原理説明に係る模式図である。雰囲気の水素濃度(水素ガス分圧)は、以下の数式(1)に示すネルンストの式から算出することができる。片側の第1水素室14内の水素濃度が既知であれば、水素濃度差による起電力Eを測定することで、第2水素室16内の検出されるべき水素濃度もわかることとなる。   FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the principle of hydrogen measurement. The hydrogen concentration (hydrogen gas partial pressure) in the atmosphere can be calculated from the Nernst equation shown in the following equation (1). If the hydrogen concentration in the first hydrogen chamber 14 on one side is known, the concentration of hydrogen to be detected in the second hydrogen chamber 16 can be determined by measuring the electromotive force E due to the difference in hydrogen concentration.

Figure 2017096659
Figure 2017096659

ここで、Eは、起電力(単位:V)である。Rは、ガス定数(8.314J/K・mol)である。Tは、絶対温度(単位:K)である。Fは、ファラデー定数(96485C/mol)である。PH2(1)は、第2水素室16内の被計測ガス15中の水素ガス分圧(単位:Pa)である。PH2(2)は、第1水素室14の標準ガス中の既知の水素ガス分圧(単位:Pa)である。 Here, E is an electromotive force (unit: V). R is a gas constant (8.314 J / K · mol). T is an absolute temperature (unit: K). F is the Faraday constant (96485 C / mol). PH 2 (1) is a hydrogen gas partial pressure (unit: Pa) in the measurement target gas 15 in the second hydrogen chamber 16. PH 2 (2) is a known hydrogen gas partial pressure (unit: Pa) in the standard gas of the first hydrogen chamber 14.

ここで、水素を含む被計測ガス15中に酸素(又は空気)が含まれる場合には、第2電極13上への酸素の解離吸着が問題となる。これは、酸素が解離吸着された電極表面上の吸着酸素と、吸着水素との反応により、水が生成し、水素選択性が低下されるからである。   Here, when oxygen (or air) is contained in the measurement target gas 15 containing hydrogen, dissociative adsorption of oxygen on the second electrode 13 becomes a problem. This is because water is generated by the reaction between the adsorbed oxygen on the electrode surface on which oxygen is dissociated and adsorbed and the adsorbed hydrogen, and the hydrogen selectivity is lowered.

次に、図3の模式図を用いて、被計測ガス15中に酸素が存在する場合における水素濃度検出の問題を説明する。
図3は、酸素が含まれるガス中の水素検知の電極反応経路の模式図である。
図3に示すように、プロトン導電体固体電解質11の一方の表面には、第2電極13が形成されている。そして、水素と酸素とを含む被計測ガス15中の水素濃度を計測する場合、水素と酸素とは以下の反応挙動を呈する。なお、図3に記載の数値は下記に示す挙動に対応する。
(1)先ず、第2電極13上への水素の解離・吸着がなされる。
(2)この吸着した水素の表面拡散が行われ、アノード反応が起こる。
(3)気相/電極相/電解質相からなる三相界面で電子の授受が行われる。
(4)さらに、第2電極13上への酸素の解離・吸着がなされる。
(5)この吸着した酸素と吸着した水素とのカソード反応により、水素選択性の低下が発生する。
Next, the problem of hydrogen concentration detection when oxygen is present in the measurement target gas 15 will be described using the schematic diagram of FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram of an electrode reaction path for detecting hydrogen in a gas containing oxygen.
As shown in FIG. 3, a second electrode 13 is formed on one surface of the proton conductor solid electrolyte 11. And when measuring the hydrogen concentration in the to-be-measured gas 15 containing hydrogen and oxygen, hydrogen and oxygen exhibit the following reaction behavior. In addition, the numerical value described in FIG. 3 corresponds to the behavior shown below.
(1) First, hydrogen is dissociated and adsorbed on the second electrode 13.
(2) The surface diffusion of the adsorbed hydrogen is performed, and an anodic reaction occurs.
(3) Electrons are exchanged at a three-phase interface comprising a gas phase / electrode phase / electrolyte phase.
(4) Furthermore, oxygen is dissociated and adsorbed onto the second electrode 13.
(5) The cathode selectivity between the adsorbed oxygen and the adsorbed hydrogen causes a decrease in hydrogen selectivity.

すなわち、被計測ガス15中に、水素以外に酸素が存在する場合、第2電極13表面では、下記式(I)に示すアノード反応と、下記式(II)に示すカソード反応との競争反応が生じており、実際の起電力は、その混成電位として現れるものと推察される。
2⇔2H++2e- (アノード反応)・・・(I)
2H++1/2O2+e-⇔H2O (カソード反応)・・・(II)
That is, when oxygen other than hydrogen is present in the gas 15 to be measured, the surface of the second electrode 13 undergoes a competitive reaction between the anode reaction represented by the following formula (I) and the cathode reaction represented by the following formula (II). It is assumed that the actual electromotive force appears as the mixed potential.
H 2 ⇔2H + + 2e (Anode reaction) (I)
2H + + 1 / 2O 2 + e ⇔H 2 O (cathode reaction) (II)

ここで、従来のように、例えば白金のみの白金電極を第2電極13に用いた場合には、反応速度は、(I)<(II)となり、式(I)の反応よりも、式(II)の反応の影響を受けやすくなる。この結果、白金電極を第2電極13に用いた場合には、後述する比較例に示すように、水素濃度が理論値よりも解離したものとなり、精度の高い水素濃度の計測が困難になると考えられる。   Here, as in the conventional case, for example, when a platinum electrode made of only platinum is used for the second electrode 13, the reaction rate is (I) <(II), and the formula (I) It becomes susceptible to the reaction of II). As a result, when the platinum electrode is used for the second electrode 13, as shown in a comparative example described later, the hydrogen concentration is dissociated from the theoretical value, and it is considered difficult to measure the hydrogen concentration with high accuracy. It is done.

そこで、本実施形態においては、第2電極13の表面に、酸素吸着抑制処理層を有するようにしている。この酸素吸着抑制処理層を第2電極13の表面に形成することにより、被計測ガス15中に含まれる酸素の影響を抑制し、水素選択性を向上させることが可能である。これにより、例えば酸素を含む水素ガス中の水素濃度をより正確に計測することができる。また、第2電極13のみならず、プロトン導電体固体電解質11に対しても酸素吸着抑制処理層を形成するようにしても良い。   Therefore, in the present embodiment, an oxygen adsorption suppression treatment layer is provided on the surface of the second electrode 13. By forming this oxygen adsorption suppression treatment layer on the surface of the second electrode 13, it is possible to suppress the influence of oxygen contained in the measurement gas 15 and improve the hydrogen selectivity. Thereby, for example, the hydrogen concentration in hydrogen gas containing oxygen can be measured more accurately. Further, an oxygen adsorption suppression treatment layer may be formed not only on the second electrode 13 but also on the proton conductor solid electrolyte 11.

ここで、酸素吸着抑制処理層としては、フッ素を含む層であることが好ましい。
酸素吸着抑制処理層として、フッ素を含む層とすることにより、フッ素により酸素の影響を抑制し、水素選択性が向上して、例えば酸素を含む水素ガス中の水素濃度をより正確に計測することができる。
Here, the oxygen adsorption suppression treatment layer is preferably a layer containing fluorine.
By using a fluorine-containing layer as the oxygen adsorption suppression treatment layer, the influence of oxygen is suppressed by fluorine, hydrogen selectivity is improved, and hydrogen concentration in hydrogen gas containing oxygen, for example, can be measured more accurately Can do.

また、第2電極13を構成する金属としては、白金又はパラジウムの単体電極としている。また単体電極のみならず、例えば白金又はパラジウムの少なくとも一つを含み、他の金属を配合した合金からなる白金合金電極又はパラジウム合金電極としてもよい。
白金又はパラジウムの少なくとも一つを含む合金としては、白金及びパラジウムからなる白金・パラジウム合金を挙げることができる。また、白金又はパラジウムに対して配合して合金とする他の金属としては、例えば周期律表の第5周期、第6周期で、第8属〜第10属に属する金属、例えばルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)の白金族金属や、周期律表の第5周期、第6周期で、第11属に属する銀(Ag)、金(Au)等の金属を挙げることができる。よって、これらの金属と、白金又はパラジウムとの合金により、第2電極13を構成することができる。配合する金属としては、2成分又はそれ以上としてもよい。
Further, the metal constituting the second electrode 13 is a single electrode of platinum or palladium. Moreover, not only a single electrode but also a platinum alloy electrode or a palladium alloy electrode made of an alloy containing at least one of platinum or palladium and containing other metals may be used.
Examples of the alloy containing at least one of platinum and palladium include platinum / palladium alloys made of platinum and palladium. In addition, as other metals blended with platinum or palladium to form an alloy, for example, metals belonging to Group 8 to Group 10 in the 5th period and 6th period of the periodic table, for example, ruthenium (Ru) , Rhodium (Rh), osmium (Os), iridium (Ir) platinum group metals, and the fifth and sixth periods of the periodic table, such as silver (Ag) and gold (Au) belonging to the eleventh genus Mention may be made of metals. Therefore, the second electrode 13 can be constituted by an alloy of these metals and platinum or palladium. As a metal to mix | blend, it is good also as a 2 component or more.

白金又はパラジウムに対する他の金属成分の配合は、少なくとも他の金属成分が白金又はパラジウムに含まれていればよい。   The compounding of the other metal component with respect to platinum or palladium should just contain at least another metal component in platinum or palladium.

[試験例1]
次に、試験例1を用いて、本発明の優位な効果を説明する。
試験には、プロトン導電体固体電解質11として、厚さ1mmのSrZr0.9Yb0.13を用いた。また、試験例1の第2水素室16内の第2電極として、白金のみの白金単体電極としては、100%白金電極(試験例1−1〜1−3)を用いた。
[Test Example 1]
Next, the advantageous effects of the present invention will be described using Test Example 1.
In the test, SrZr 0.9 Yb 0.1 O 3 having a thickness of 1 mm was used as the proton conductor solid electrolyte 11. Further, as the second electrode in the second hydrogen chamber 16 of Test Example 1, 100% platinum electrodes (Test Examples 1-1 to 1-3) were used as the platinum single electrode made of only platinum.

試験は、第1水素室14内には、常圧で水素(4Vol%)を含む不活性ガス(窒素(N2)又はヘリウム(He)等)を基準ガスとして封入した。また、被計測ガス15として、常圧で空気中に所定濃度の水素を含有させた。所定濃度の水素は、0.3Vol%、1Vol%、3.5Vol%とした。 In the test, an inert gas (such as nitrogen (N 2 ) or helium (He)) containing hydrogen (4 Vol%) at normal pressure was sealed in the first hydrogen chamber 14 as a reference gas. In addition, as the measurement target gas 15, a predetermined concentration of hydrogen was contained in air at normal pressure. The predetermined concentration of hydrogen was 0.3 Vol%, 1 Vol%, and 3.5 Vol%.

試験の動作温度は、300℃、350℃、400℃で各々行った。なお、第1水素室14内の第1電極12としては100%白金電極を用いた。
なお、処理を施さない100%白金電極を比較例とした(比較例1−1〜1−3)。この計測結果を図に示す。
The test operating temperatures were 300 ° C., 350 ° C. and 400 ° C., respectively. A 100% platinum electrode was used as the first electrode 12 in the first hydrogen chamber 14.
In addition, the 100% platinum electrode which does not perform a process was used as a comparative example (Comparative Examples 1-1 to 1-3). The measurement results are shown in the figure.

この得られた第2電極の表面に、フッ素化処理を行った。このフッ素化処理は、乾燥空気中にフッ化水素(HF)を導入して濃度20ppmとなるように調整してフッ素化処理剤を得た。この得られたフッ素化処理剤を第2水素室16内に導入し、第2電極13及びプロトン導電体固体電解質11に対して300℃で32時間フッ素化処理をした。   The surface of the obtained second electrode was subjected to fluorination treatment. This fluorination treatment was adjusted to a concentration of 20 ppm by introducing hydrogen fluoride (HF) into dry air to obtain a fluorination treatment agent. The obtained fluorinating agent was introduced into the second hydrogen chamber 16, and the second electrode 13 and the proton conductor solid electrolyte 11 were fluorinated at 300 ° C. for 32 hours.

図4−1〜図4−3は、試験例1−1〜1−3の100%白金電極の試験結果であり、図4−1は、試験例1−1の白金電極に対してフッ素化処理後の300℃の計測結果図であり、図4−2は、試験例1−2の白金電極に対してフッ素化処理後の350℃の計測結果図であり、図4−3は、試験例1−3の白金電極に対してフッ素化処理後の400℃の計測結果図である。ここで、図中の実線は、ネルンストの式より導かれる理論起電力を示す。   FIGS. 4-1 to 4-3 are test results of 100% platinum electrodes of Test Examples 1-1 to 1-3, and FIG. 4-1 is fluorination of the platinum electrode of Test Example 1-1. FIG. 4-2 is a measurement result diagram of 300 ° C. after the treatment, FIG. 4-2 is a measurement result diagram of 350 ° C. after the fluorination treatment on the platinum electrode of Test Example 1-2, and FIG. It is a measurement result figure of 400 ° C after fluorination processing to the platinum electrode of Example 1-3. Here, the solid line in the figure indicates the theoretical electromotive force derived from the Nernst equation.

図5−1〜図5−3は、比較例1−1〜1−3の100%白金電極未処理の試験結果であり、図5−1は、比較例1−1の白金電極未処理の300℃の計測結果図であり、図5−2は、比較例1−2の白金電極未処理の350℃の計測結果図であり、図5−3は、比較例1−3の白金電極未処理の400℃の計測結果図である。ここで、図中の実線は、ネルンストの式より導かれる理論起電力を示す。   FIGS. 5-1 to 5-3 are test results of 100% platinum electrode untreated in Comparative Examples 1-1 to 1-3, and FIG. 5-1 is an untreated platinum electrode of Comparative Example 1-1. FIG. 5-2 is a measurement result diagram at 300 ° C., FIG. 5-2 is a measurement result diagram at 350 ° C. of the platinum electrode untreated in Comparative Example 1-2, and FIG. It is a measurement result figure of 400 ° C of processing. Here, the solid line in the figure indicates the theoretical electromotive force derived from the Nernst equation.

試験結果を検討すると、図4−1〜図4−3に示すように、白金電極にフッ素化処理を施して第2電極に用いる場合、図5−1〜図5−3の比較例1−1〜1−3で示した未処理のものに比べて、理論起電力に近づく傾向が認められた。   Examining the test results, as shown in FIGS. 4-1 to 4-3, when the platinum electrode is subjected to fluorination treatment and used as the second electrode, Comparative Example 1 in FIGS. A tendency closer to the theoretical electromotive force was recognized as compared with the untreated ones shown in 1-3.

この作用・効果は、電極反応が起こる気相/電極/固体電解質の三相界面近傍の電極表面及び/または固体電解質表面に、予めフッ素イオンを吸着・固定化することにより、酸素を吸着反応や表面拡散を阻害して水素との反応を抑制するものと推察される。   This action / effect is achieved by adsorbing and immobilizing fluorine ions on the electrode surface and / or solid electrolyte surface in the vicinity of the three-phase interface of the gas phase / electrode / solid electrolyte in which the electrode reaction takes place. It is assumed that the surface diffusion is inhibited and the reaction with hydrogen is suppressed.

この酸素抑制作用は、例えば、市販のフッ素系ゴムを例えば100〜200℃加熱した際の揮発成分で処理した場合も同様な作用効果があり、酸素吸着抑制処理層として適用することができる。また、フッ素の代わりに同じハロゲン族である臭素、ヨウ素についても、同様な酸素吸着抑制処理層として適用することができる。   This oxygen suppression effect has the same effect when treated with a volatile component when, for example, commercially available fluorine-based rubber is heated at, for example, 100 to 200 ° C., and can be applied as an oxygen adsorption suppression treatment layer. Further, bromine and iodine, which are the same halogen group instead of fluorine, can be applied as a similar oxygen adsorption suppression treatment layer.

<実施形態2>
次に、本発明の実施形態2に係る水素濃度計測装置について説明する。
本実施形態においては、第2電極13の表面に、酸素吸着抑制処理層としてケイ素を含有するようにしている。
酸素吸着抑制処理層として、ケイ素を含む層とすることにより、ケイ素により酸素の影響を抑制し、水素選択性が向上して、例えば酸素を含む水素ガス中の水素濃度をより正確に計測することができる。
<Embodiment 2>
Next, a hydrogen concentration measuring apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described.
In the present embodiment, the surface of the second electrode 13 contains silicon as an oxygen adsorption suppression treatment layer.
By using a silicon-containing layer as the oxygen adsorption suppression treatment layer, the influence of oxygen is suppressed by silicon, hydrogen selectivity is improved, and for example, the hydrogen concentration in hydrogen gas containing oxygen is measured more accurately. Can do.

ここで、ケイ素を含む酸素吸着抑制処理層を形成するための原料としては、シロキサンを用いるのが好ましい。シロキサンは、メチル基(−CH3)など有機基を持つケイ素(Si)と酸素(O)とが交互に結合(Si−O−Si結合)したポリマーの総称である。特に、環状分子構造骨格を有する環状シロキサンを用いるのが好ましい。 Here, it is preferable to use siloxane as a raw material for forming an oxygen adsorption suppression treatment layer containing silicon. Siloxane is a generic name for polymers in which silicon (Si) and oxygen (O) having an organic group such as a methyl group (—CH 3 ) are alternately bonded (Si—O—Si bond). In particular, it is preferable to use a cyclic siloxane having a cyclic molecular structure skeleton.

シロキサン類(R−Si−O−Si−R)としては、低分子化合物からRがアルキル基などで置換された有機シロキサン、及び環状シロキサン等にあるが、後者の二つが比較的安定な化合物である。   Siloxanes (R-Si-O-Si-R) are low molecular weight compounds such as organic siloxanes in which R is substituted with an alkyl group, and cyclic siloxanes. The latter two are relatively stable compounds. is there.

中でも下記のD3(三量体)、D4(四量体)、D5(五量体)の環状シロキサンを用いることが電極処理剤として好ましい。
D3: ヘキサメチルシクロトリシロキサン(hexamethyl cyclotrisiloxane)C6183Si3 、融点64℃、沸点134℃の固体
D4: オクタメチルシクロテトラシロキサン(octamethyl cyclotetrasiloxane)C8244Si4 、融点18℃、沸点175℃の半固体
D5: デカメチルシクロペンタシロキサン(decamethyl cyclopentasiloxane)C10305Si5 、融点−30℃、沸点210℃の液体
Among them, the following D3 (trimer), D4 (tetramer), and D5 (pentamer) cyclic siloxanes are preferably used as the electrode treatment agent.
D3: hexamethylcyclotrisiloxane C 6 H 18 O 3 Si 3 , melting point 64 ° C., boiling point 134 ° C. solid D4: octamethyl cyclotetrasiloxane C 8 H 24 O 4 Si 4 , melting point 18 ° C., semi-solid with a boiling point of 175 ° C. D5: Decamethyl cyclopentasiloxane C 10 H 30 O 5 Si 5 , liquid with a melting point of −30 ° C. and a boiling point of 210 ° C.

[試験例2]
次に、試験例2を用いて、本発明の優位な効果を説明する。
試験には、プロトン導電体固体電解質11として、厚さ1mmのSrZr0.9Yb0.13を用いた。また、試験例3の第2水素室16内の第2電極として、白金・金合金(Pt(99wt%)−Au(1wt%)の白金・金合金電極を用いた。
この得られた第2電極の表面に、シロキサン処理を行った。このシロキサン処理は、乾燥空気中に環状シロキサン(D4)を導入して濃度20ppmとなるように調整してシロキサン処理剤を得た。この得られたシロキサン処理剤を第2水素室16内に導入し、第2電極13及びプロトン導電体固体電解質11に対して350℃で3時間シロキサンを処理した。シロキサン処理後のケイ素は第2電極13及びプロトン導電体固体電解質11に一様に付着していることを電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe MicroAnalyser)分析により確認した。
[Test Example 2]
Next, the advantageous effect of the present invention will be described using Test Example 2.
In the test, SrZr 0.9 Yb 0.1 O 3 having a thickness of 1 mm was used as the proton conductor solid electrolyte 11. Further, as the second electrode in the second hydrogen chamber 16 of Test Example 3, a platinum / gold alloy electrode of platinum / gold alloy (Pt (99 wt%)-Au (1 wt%)) was used.
Siloxane treatment was performed on the surface of the obtained second electrode. This siloxane treatment was adjusted to a concentration of 20 ppm by introducing cyclic siloxane (D4) into dry air to obtain a siloxane treating agent. The obtained siloxane treating agent was introduced into the second hydrogen chamber 16, and the second electrode 13 and the proton conductor solid electrolyte 11 were treated with siloxane at 350 ° C. for 3 hours. It was confirmed by electron probe microanalyzer (EPMA) analysis that the silicon after the siloxane treatment was uniformly attached to the second electrode 13 and the proton conductor solid electrolyte 11.

図6は、試験例2のシロキサン処理後の計測結果図である。図6中、○印は、シロキサン処理後の350℃の白金・金合金電極の計測結果図であり、□印は、シロキサン処理後の350℃の白金電極の計測結果図である。ここで、図中の実線は、ネルンストの式より導かれる理論起電力を示す。
なお、比較例の未処理の場合としては、白金電極の場合は図5−2に示す比較例1−2の350℃の計測結果である。
図6に示すように、図5−2で示した未処理のものに比べて更に理論起電力に近づく傾向が認められた。また、白金・金合金電極を用いる場合でも、白金電極と同様に大気中の水素濃度計として検出精度を更に向上させることが可能となる。
6 is a measurement result diagram after the siloxane treatment of Test Example 2. FIG. In FIG. 6, ◯ is a measurement result diagram of a 350 ° C. platinum / gold alloy electrode after siloxane treatment, and □ is a measurement result diagram of a 350 ° C. platinum electrode after siloxane treatment. Here, the solid line in the figure indicates the theoretical electromotive force derived from the Nernst equation.
In addition, as an untreated case of a comparative example, in the case of a platinum electrode, it is the measurement result of 350 degreeC of the comparative example 1-2 shown to FIGS. 5-2.
As shown in FIG. 6, a tendency closer to the theoretical electromotive force was recognized as compared with the unprocessed one shown in FIG. Even when a platinum / gold alloy electrode is used, the detection accuracy can be further improved as a hydrogen concentration meter in the atmosphere as in the case of the platinum electrode.

このように、シロキサン処理によっても酸素抑制の作用効果をもたらすが、その効果はフッ素化処理よりも著しく良好であった。
また、シロキサン処理とすることで、試験範囲内において、更に理論起電力に漸近させることができ、精度の高い水素濃度の計測を行うことができることが判明した。
As described above, the siloxane treatment also has the effect of suppressing oxygen, but the effect is significantly better than the fluorination treatment.
Further, it was found that by using siloxane treatment, the theoretical electromotive force can be made asymptotically within the test range, and the hydrogen concentration can be measured with high accuracy.

以上、本発明の固体電解質型水素濃度計は、被計測ガス中において、酸素を含有する場合においても、水素濃度を精度良く求めることができ、例えばロケット液体水素の宇宙航空分野、燃料電池、及び水素製造・貯蔵・輸送等水素エネルギーに関する各種インフラ設備において用いることができる。   As described above, the solid oxide hydrogen concentration meter of the present invention can accurately determine the hydrogen concentration even when oxygen is contained in the gas to be measured. For example, the rocket liquid hydrogen aerospace field, fuel cell, and It can be used in various infrastructure facilities related to hydrogen energy such as hydrogen production, storage and transportation.

10 水素濃度計測装置
11 プロトン導電体固体電解質
12 第1電極
13 第2電極
14 第1水素室
15 被計測ガス
16 第2水素室
19 電圧計
21 ヒータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Hydrogen concentration measuring device 11 Proton conductor solid electrolyte 12 1st electrode 13 2nd electrode 14 1st hydrogen chamber 15 Gas to be measured 16 2nd hydrogen chamber 19 Voltmeter 21 Heater

Claims (5)

プロトン導電性を有するセラミックスからなるプロトン導電体固体電解質と、
前記プロトン導電体固体電解質を挟持する一対の第1電極及び第2電極と、
前記第1電極側を密閉された空間とし、既知の水素濃度の水素を導入又は封入する第1水素室と、
前記第2電極側に、酸素と水素を含む被計測ガスの雰囲気とする第2水素室と、
前記第1電極と前記第2電極とに接続され、両者の電位差を検出する電圧計と、を具備すると共に、
第2電極の表面に、酸素吸着抑制処理層を有することを特徴とする水素濃度計測装置。
A proton conductor solid electrolyte made of ceramics having proton conductivity;
A pair of first and second electrodes sandwiching the proton conductor solid electrolyte;
A first hydrogen chamber in which the first electrode side is a sealed space and hydrogen of a known hydrogen concentration is introduced or sealed;
A second hydrogen chamber on the second electrode side as an atmosphere of a gas to be measured containing oxygen and hydrogen;
A voltmeter connected to the first electrode and the second electrode and detecting a potential difference between the two, and
A hydrogen concentration measuring apparatus comprising an oxygen adsorption suppression treatment layer on a surface of a second electrode.
請求項1において、
前記酸素吸着抑制処理層が、フッ素を含む層であることを特徴とする水素濃度計測装置。
In claim 1,
The hydrogen concentration measuring apparatus, wherein the oxygen adsorption suppression treatment layer is a layer containing fluorine.
請求項1において、
前記酸素吸着抑制処理層が、ケイ素を含む層であることを特徴とする水素濃度計測装置。
In claim 1,
The hydrogen concentration measuring device, wherein the oxygen adsorption suppression treatment layer is a layer containing silicon.
請求項1乃至3のいずれか一つにおいて、
前記第2電極が、白金又はパラジウムの単体電極、白金又はパラジウムの少なくとも一つを含む合金電極のいずれかからなることを特徴とする水素濃度計測装置。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
2. The hydrogen concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the second electrode is formed of any one of a single electrode of platinum or palladium and an alloy electrode containing at least one of platinum or palladium.
請求項1乃至4のいずれか一つにおいて、
前記プロトン導電体固体電解質を所定温度に加熱するヒータを有することを特徴とする水素濃度計測装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
A hydrogen concentration measuring apparatus comprising a heater for heating the proton conductor solid electrolyte to a predetermined temperature.
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