JP3310832B2 - ガスセンサおよびこれを備えたガス絶縁開閉装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスセンサに関す
るものであり、さらに詳しくは本発明は、複数の被検ガ
スを一つのガスセンサで同時に検出でき、とくにＧＩＳ
への利用を考慮した場合、副生物の影響を受けず、かつ
低濃度まで検出できるガスセンサーに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスセンサとしては例えば臼井ら
が発表した学術論文「クヌーセン拡散領域においてジル
コニア電解質を用いたガスポーラログラフの酸素ガスセ
ンサの出力特性」ＪＪＡＰ，２６，Ｎｏ.９２(１９８
７)）に記載されたものが知られている。しかし、この
ガスセンサは、単一の被検ガス成分を検出して定量でき
るに過ぎず、複数のガス成分をそれぞれ定量することが
できないなどという課題があった。また、ガス検出過程
で生じる副反応生成物がセンサ雰囲気を汚染するおそれ
があるという課題もあった。

【０００３】そこで本発明者らは、複数のガス成分を分
離定量することができ、しかも雰囲気を汚染するおそれ
のないガスセンサを見いだし、提案した（特願平５−７
５７７４号）。

【０００４】このガスセンサの概要を図４に示す。図４
において、１２は被検ガスに接触する検出電極、１５は
対向電極、４はこれら両電極１２、１５間に介在するイ
オン導電性の固体電解質である。前記検出電極１２およ
び対向電極１５は、多孔性電極である。７はリード線６
を介して接続された直流電源、１０はこの直流電源７か
ら電極への電流をオン、オフするスイッチ、９はスイッ
チ１０を介してセンサに流れる電流を測定する電流計で
ある。

【０００５】次にＧＩＳ（Gas Insulated Switchgear：
ガス絶縁開閉装置）内ＳＦ₆ガスの放電分解生成物であ
るＨＦガスの検出を例に、上記センサの動作について説
明する。まず、ＧＩＳ内で部分放電や短絡事故等の異常
が発生すると以下の反応が起こる。

【０００６】

【化１】 ＳＦ₆ ＋ Ｃｕ → ＣｕＦ₂＋ ＳＦ₄ （１） ＳＦ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＳＯＦ₂＋ ２ＨＦ （２） ＳＯＦ₂＋ Ｈ₂Ｏ → ＳＯ₂ ＋ ２ＨＦ （３）

【０００７】ここで式（１）におけるＣｕは、ＧＩＳの
構成要素の成分、式（２）および（３）におけるＨ₂Ｏ
はＧＩＳ内の水分吸着剤に吸着されずＳＦ₆中に拡散し
ているものである。

【０００８】続いて、被検ガスのうちＨＦガスが、セン
サの例えばＡｕで作成された検出電極１２に到達し、こ
こでスイッチ１０をオンすると、検出電極１２で以下の
反応が起こる。

【０００９】

【化２】 ２ＨＦ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂ ＋ ２Ｆ^- （４）

【００１０】上記反応で生成したフッ素イオンは、例え
ばＰｂＦ₂、ＬａＦ₃等からなるフッ素イオン導電性の固
体電解質４中を移動して、例えばＡｕで作成された対向
電極１５に到達し、ここでは上記反応式の場合とは逆の
反応が起こる。

【００１１】

【化３】２Ｆ^- → Ｆ₂＋２ｅ^-

【００１２】このようにして、直流電源７で適当な印加
電圧を設定することで、電流計９はＨＦガス濃度に対応
した電流値を示し、ガスセンサとしての機能を発揮す
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来のガスセンサは、単一の被検ガス成分しか検
出できず（複数の被検ガスの分離定量を目的とする場合
はガス分離体（図示せず）が必要である）、またとくに
ＧＩＳへの利用を考慮した場合、反応に際して副反応と
して生成するガス（副生物）を処理する機構がなく、微
量な被検ガス成分を検出するには、その濃度に限界があ
るなどの問題点があった。

【００１４】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、複数の被検ガスを一つのガスセン
サで同時に検出でき、とくにＧＩＳへの利用を考慮した
場合、副生物の影響を受けず、かつ低濃度まで検出でき
るガスセンサーを提供することを目的とするものであ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは鋭意検討の
結果、上記のような従来の課題を解決することができ
た。すなわち本発明の請求項１に記載のガスセンサは、
イオン導電性を有する固体電解質と、前記固体電解質の
一方の面に分離して設けられた少なくとも１つの検出電
極および第１対向電極と、前記固体電解質の他方の面に
設けられた第２対向電極と、前記検出電極の１つと前記
第１対向電極との間、および前記検出電極の１つと前記
第２対向電極との間に直流電圧を印加する電源とを備え
ているものである。

【００１６】本発明の請求項２に記載のガスセンサは、
固体電解質が、フッ素イオン導電性であるものである。

【００１７】本発明の請求項３に記載のガスセンサは、
検出電極近傍に水素フィルターが設けられているもので
ある。

【００１８】本発明の請求項４に記載のガスセンサは、
対向電極近傍に銀材料が設けられているものである。

【００１９】本発明の請求項５に記載のガスセンサは、
被検ガスを濃縮する手段が設けられているものである。

【００２０】本発明の請求項６に記載のガスセンサは、
被検ガスを濃縮する手段が冷熱素子を有するガス濃縮器
を備えている。

【００２１】本発明の請求項７に記載のガスセンサは、
検出電極の少なくとも１つが金の多孔性薄膜電極である
ものである。

【００２２】本発明の請求項８に記載のガス絶縁開閉装
置は、前記いずれかに記載のガスセンサを備えているも
のである。

【００２３】本発明の請求項９に記載のガス絶縁開閉装
置は、前記いずれかに記載のガスセンサが、ガス絶縁開
閉装置内の水分吸着剤容器のガス導入口付近に備えられ
ているものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。なお下記の実施の形態は、本発明の態様を説明す
るためのものであり、本発明はこれらに限定されるもの
ではない。 実施の形態１． （本発明のガスセンサの構成） 本発明のガスセンサの構成例を図１に示す。図１におい
て、本発明のガスセンサ１は、イオン導電性を有する固
体電解質４の一方の面の上部に、検出電極２および第１
対向電極３が設けられている。この検出電極は、例えば
金の多孔性薄膜電極から構成することができる。これに
より、電極への水分、酸素等の吸着を最小限に抑制する
ことができる。検出電極２および第１対向電極３の距離
は、目的に応じて種々変更することができる。また固体
電解質４は、フッ素イオン導電性の固体電解質でＰｂＦ
₂に２モル％ＫＦをドーピングしたものが例示される。
固体電解質４の下部の他方の面には、第２対向電極５が
設けられ、これは金の多孔性薄膜電極であることができ
る。上記各電極の厚さは、とくに制限されないが、例え
ば２５ｎｍであることができる。直流電源７は０〜３Ｖ
まで可変である。またリード線６、検出回路８、電流計
９、スイッチ１０が設けられている。

【００２５】次に被検ガスとしてＳＦ₆ガス中に放電分
解生成物として生じたＨＦと、外部から混入してきたＯ
₂が存在する場合について説明する。検出電極２と第１
対向電極３との間に０.４Ｖの直流電圧が印加されてい
る。被検物質の一つであるＨＦは検出電極２上で

【００２６】

【化４】ＨＦ ＋ ｅ^- → Ｆ^- ＋ １／２Ｈ₂

【００２７】なる反応がおき、生じたＦ^-は第１対向電
極３上で

【００２８】

【化５】Ｆ^- ＋ １／２Ｈ₂ → ＨＦ ＋ ｅ^-

【００２９】なる反応を生じ、検出電極２と第１対向電
極３に流れる電流は検出電極２に存在するＨＦの分圧に
比例する。

【００３０】一方、もう一つの被検ガスであるＯ₂につ
いて説明する。この場合、ＳＦ₆ガス中のＯ₂分圧に応じ
た量が検出電極２に吸着されている。吸着されたＯ₂は
固体電解質４および検出電極２間の界面で還元され、Ｆ
^-イオンを生成し、生じたＦ^-イオンは第２対向電極５上
でＦ₂に酸化され、そのとき検出電極２と第２対向電極
５の間に流れる電流は、被検ガスのＯ₂分圧により決定
される。

【００３１】ここで、上記のように被検ガスＨＦとＯ₂
との電極上での反応は異なるため、印加する電圧も両者
では異なる。すなわちＯ₂の検出反応はＨＦの検出反応
よりも高い印加電圧となる。したがって、固体電解質上
に少なくとも１つの検出電極を、さらに固体電解質を介
して対向電極を設け、各電極間に直流電圧を印加すれ
ば、あらかじめ印加する電圧を調整しておくことによ
り、複数の物質を同時に一つのセンサで検出することが
可能となった。

【００３２】実施の形態２．次に、ＧＩＳにおいて被検
ガスをサンプリングし濃縮し、対向電極で生成された副
生物を効率的に除去する例について説明する（図２参
照）。図２において、１６は濃縮器、１７は冷熱素子で
あるペル圧素子、１８は三方バルブ、１９は配管であ
る。ここで本発明のガスセンサ１は、センサ箱２１内に
格納されている。２６は、被検ガスと検出電極が接触す
る検出空間、２７は対向電極の面する対向空間である。

【００３３】冷熱素子１７を−３８℃にセットする（な
お、ＳＦ₆は−４０℃で結露する）。三方バルブ１８
を、センサ箱２１に被検ガスが導入されない向きにセッ
トしておく。ＳＦ₆よりも結露し易い被検ガス物質、例
えばＳ₂Ｆ₁₀は濃縮器１６中にトラップされる。十分に
トラップしたのち三方バルブ１２をセンサ箱２１側に切
り替える。同時に、冷熱素子１７を加熱状態にセット
し、検出空間２６へ被検ガスを導入する。このガス中に
は濃縮されたＳ₂Ｆ₁₀がＳＦ₆中に含まれている。濃縮さ
れた被検ガスはセンサ箱８内で上記の実施の形態１．と
同様に電気化学的に検出される。

【００３４】ここで、対向空間２７に面する部位に銀材
料２８、例えば銀繊維または銀粉末を設ければ、これは
対向電極で生成された副生物、例えばＦ₂を銀繊維上で

【００３５】

【化６】Ｆ₂ ＋ ２Ａｇ → ２ＡｇＦ

【００３６】として固体化し、対向空間２７での副生物
の濃度上昇を抑制し、出力への影響を最小限にすること
ができる。

【００３７】さらに、検出空間２６内においても混入ガ
スまたは副生物を除去するために、フィルター２９を設
けることができる。例えば、Ｈ₂を除去するための水素
フィルター（例えば水素吸蔵合金）や、Ｏ₂を除去する
ための酸素フィルター等が挙げられる。

【００３８】実施の形態３． 次に本発明のガスセンサをＧＩＳ内に用いた別の例を図
３を参照しながら説明する。図３は、ＧＩＳ内の内部放
電の検出に、本発明のガスセンサを適用した例を示すた
めのものである。図３において、３６はＧＩＳ、３７は
外被（シース）、３８は導体、３９はスペース、４０は
吸着剤箱である。ＧＩＳ内は絶縁ガスとしてＳＦ₆が充
填されているが、外部からＧＩＳのパッキン等を通じて
微量の水分が混入し、経時的にこれが増加することが知
られている。そこで、この水分を除くため、ＧＩＳ内に
は、通常水分吸着剤が備えられている。この水分吸着剤
の種類によっては、導体３８上で生成されるＳＦ₆分解
ガスである被検ガスもまた吸着される場合があるので、
本発明のガスセンサは、水分吸着剤容器のガス導入口に
設けるのがよい。このようにしてＧＩＳの内部放電の有
無を正確に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のガスセンサの構成を説明するための
図である。

【図２】 ＧＩＳにおいて被検ガスをサンプリングし濃
縮し、対向電極で生成された副生物を効率的に除去する
例を示す図である。

【図３】 ＧＩＳ内の内部放電の検出に、本発明のガス
センサを適用した例を示す図である。

【図４】 従来のガスセンサの構成を説明するための図
である。

【符号の説明】

１ ガスセンサ、２，１２ 検出電極、３ 第１対向電
極、４ 固体電解質、５ 第２対向電極、６ リード
線、７ 直流電源、８ 検出回路、９ 電流計、１０
スイッチ、１５ 対向電極、１６ 濃縮器、１７ 冷熱
素子、 １８ 三方バルブ、１９ 配管、２１ センサ
箱、２６ 検出空間、２７ 対向空間、２８ 銀材料、
２９ フィルター、３６ ＧＩＳ、３７ 外被、３８
導体、３９スペース、４０ 吸着剤箱

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−258278（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/416

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン導電性を有する固体電解質と、前
   記固体電解質の一方の面に分離して設けられた少なくと
   も１つの検出電極および第１対向電極と、前記固体電解
   質の他方の面に設けられた第２対向電極と、前記検出電
   極の１つと前記第１対向電極との間、および前記検出電
   極の１つと前記第２対向電極との間に直流電圧を印加す
   る電源と、を備えたガスセンサ。
2. 【請求項２】 固体電解質が、フッ素イオン導電性であ
   る請求項１に記載のガスセンサ。
3. 【請求項３】 検出電極近傍に水素フィルターが設けら
   れている請求項１または２に記載のガスセンサ。
4. 【請求項４】 対向電極近傍に銀材料が設けられている
   請求項２または３に記載のガスセンサ。
5. 【請求項５】 ガスセンサに導入される前の被検ガスを
   濃縮する手段が設けられている請求項１ないし４のいず
   れか１項に記載のガスセンサ。
6. 【請求項６】 被検ガスを濃縮する手段が冷熱素子を有
   するガス濃縮器である請求項５に記載のガスセンサ。
7. 【請求項７】 検出電極の少なくとも１つが金の多孔性
   薄膜電極である請求項１ないし６のいずれか１項に記載
   のガスセンサ。
8. 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれか１項に記載
   のガスセンサを備えたガス絶縁開閉装置。
9. 【請求項９】 ガスセンサが、ガス絶縁開閉装置内の水
   分吸着剤容器のガス導入口付近に備えられている請求項
   ８に記載のガス絶縁開閉装置。