JP3572356B2 - Chlorine gas sensor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工場などにおける塩素ガス検出器などとして用いることのできる塩素ガスセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
塩素ガス(Cl)は産業的に良く利用されるガスの一つである。しかしながら、塩素ガスは有毒であり、産業設備からのガス漏れは人間だけでなく、環境に対しても深刻な被害をもたらす。大気中へのガス発散を抑制する最も良い方法は、ガス漏出部位を速やかに発見し、さらなるガス漏出を防ぐことである。各設備の各所に塩素ガスセンサを設置し、大気中の塩素ガス濃度を常に検知しておくことにより、ガス漏出部位を速やかに、かつ正確に確定することができる。そのためには、コンパクトで安価な塩素ガス検出器が必要不可欠になる。
【0003】
従来、塩素ガスセンサとしては種々のものが提案されており、特に固体電解質を用いた塩素ガスセンサは、迅速な応答性と高い選択性との観点から極めて有望である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
近年、塩素ガスセンサとして好適に用いることのできる固体電解質として、SrCl、BaCl、及びPbClなどが提案されているが、SrCl及びBaClは、水に対して容易に溶解し、PbClも温水に対して容易に溶解してしまう。また、これらの固体電解質は、様々な雰囲気での耐久性なども十分でない。さらに、Pbは有毒であり、環境問題などの観点から、最近ではこのような有毒物質の使用を避ける傾向にある。
【0005】
本発明は、難水溶性を示す物質からなり、様々な雰囲気中でも使用可能であり、実用に供することのできる塩素ガスセンサを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、アルミニウムイオン、マグネシウムイオン、又は希土類イオンを可動する第1の固体電解質と、この第1の固体電解質に隣接して設けられた希土類オキシ塩化物を含む第2の固体電解質とを具え、酸素イオンの可動を伴うことなく、塩素ガスの濃度を検出するようにしたことを特徴とする、塩素ガスセンサに関する。
【0007】
本発明者らは、固体電解質をセンサに使用した場合において、一般に迅速な応答性と高い選択性を呈することから、塩素ガスセンサを構成する固体電解質として上記SrClなどに代わる難水溶性の新規な固体電解質を得るべく鋭意検討を行なった。その結果、希土類オキシ塩化物(LnOCl:Lnは希土類元素を表す)が高い難水溶性を示すとともに、酸化・還元両雰囲気下でも極めて安定であり、塩素イオンに対して良好な可動性を呈することを見出した。
【0008】
一方、本発明者らは、マグネシウムイオン、アルミニウムイオン、又は希土類イオンを可動し、良好なイオン可動性を有するとともに、高い難水溶性を示し、酸化・還元両雰囲気下でも極めて安定である新規な固体電解質の開発に成功した。
【0009】
前記希土類オキシ塩化物が塩素ガスに接触すると、
Cl+2e→2Cl (1)
なる平衡式に従って塩素イオンとなり、この塩素イオンは前記希土類オキシ塩化物中を可動することが可能となる。
【0010】
また、前記固体電解質内では、例えば、アルミニウムは、
Al→2/3Al3++2e (2)
なる平衡式に従ってアルミニウムイオンの形で存在する。したがって、前記希土類オキシ塩化物と前記固体電解質とを隣接させて配置することにより、前記希土類オキシ塩化物中を可動してきた塩素イオンは、
2Cl+2/3Al3+→2/3AlCl (3)
なる反応式に従ってアルミニウムイオンと反応して塩化アルミニウムを生成するようになり、その生成量に従った起電力が生じるようになる。
【0011】
前記希土類オキシ塩化物内を可動する塩素イオンの量は、検出した塩素ガス量に比例するため、前記起電力も前記塩素ガス量に従った値を示すようになる。したがって、前記第1の固体電解質と前記希土類オキシ塩化物を含む前記第2の固体電解質とを隣接させて配置し、前記希土類オキシ塩化物に塩素ガスが接触した際の、前記固体電解質に生じる起電力を測定することにより、検出した塩素ガス量を定量することができるものである。
【0012】
また、これらの固体電解質は、難水溶性であるとともに、酸化・還元両雰囲気下でも極めて安定であるため、これらの固体電解質を隣接させて配置することにより、塩素ガス検出器などとして実用に足る塩素ガスセンサを提供することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の塩素ガスセンサの一例を示す構成図である。図1に示す塩素ガスセンサ10は、アルミニウムイオン、マグネシウムイオン、又は希土類イオンを可動する第1の固体電解質1と、この第1の固体電解質1に隣接して設けられた希土類オキシ塩化物を含む第2の固体電解質2とを具えている。なお、第1の固体電解質1と第2の固体電解質2とは図示しない無機接着剤で接着固定されている。
【0014】
さらに、第1の固体電解質1及び第2の固体電解質の、それぞれ隣接する主面と反対側の主面上には、金ネット3及び4が設けられ、また、金ネット3及び4を介して、それぞれ金線5及び6が設けられている。
【0015】
塩素ガスセンサ10が所定の塩素ガス含有雰囲気中に配置されると、第2の固体電解質2を構成する前記希土類オキシ塩化物が塩素ガスを検知し、上述したように前記希土類オキシ塩化物内を塩素イオンが可動するようになる。この塩素イオンは、第1の固体電解質1に至り、そこで固体電解質1を構成するアルミニウムイオンなどと反応式(3)で示すように反応する。
【0016】
上述したように、前記起電力は、第2の固体電解質2が接触した塩素ガス量に比例するため、前記起電力の値を計測することによって、前記塩素ガス量、すなわち、塩素ガスセンサ10が配置された雰囲気における塩素ガス量を定量することができる。
【0017】
第1の固体電解質1を構成するアルミニウムイオン可動の固体電解質としては、Al1+XZr6P9O36+3/2X+Zr2O(PO4)2なる組成の複合体又は(AlYZr1-Y)4/(4-Y)Nb(PO4)3(0Y<1)なる組成の固溶体で、ナシコン型又はβ−硫酸鉄型の結晶構造を有するものから構成されていることが好ましい。
【0018】
前記複合体は、例えばAl(OH)、ZrO(NO・2HO、及び(NHHPOなる組成の粉末を所定の割合で混合し、必要に応じて焼成することにより混合粉末を得、この混合粉末を所定の形及び大きさに成形した後、所定の条件下において焼成することによって作製する。前記固溶体は、例えば、Al(OH)、ZrO(NO・2HO、Nb及び(NHHPOなる組成の粉末を所定の割合で混合し、必要に応じて焼成することにより混合粉末を得、この混合粉末を所定の形及び大きさ、例えばペレット状に成形した後、所定の条件下において焼成することによって作製する。
【0019】
また、マグネシウムイオン可動の固体電解質としては、Mg1+XZr4P6O24+X+Zr2O(PO4)2なる組成の複合体又は(MgYZr1-Y)2/(2-Y)Nb(PO4)3(0Y<1)なる組成の固溶体で、ナシコン型又はβ−硫酸鉄型の結晶構造を有するものから構成されていることが好ましい。同様に、希土類イオン可動の固体電解質としては、R1+XZr6P9O36+3/2X+Zr2O(PO4)2なる組成の複合体又は(RYZr1-Y)4/(4-Y)Nb(PO4)3(0Y<1)なる組成の固溶体(R:希土類イオン)で、ナシコン型又はβ−硫酸鉄型の結晶構造を有するものから構成されていることが好ましい。
【0020】
前記複合体は、例えばMgHPO・3HO又はR(R:希土類イオン)、ZrO(NO・2HO、及び(NHHPOなる組成の粉末を所定の割合で混合し、必要に応じて焼成することにより混合粉末を得、この混合粉末を所定の形及び大きさに成形した後、所定の条件下において焼成することによって作製する。前記固溶体は、例えば、MgHPO・3HO又はR(R:希土類イオン)、ZrO(NO・2HO、Nb及び(NHHPOなる組成の粉末を所定の割合で混合し、必要に応じて焼成することにより混合粉末を得、この混合粉末を所定の形及び大きさ、例えばペレット状に成形した後、所定の条件下において焼成することによって作製する。
【0021】
なお、ナシコン型の結晶構造とは、3次元的なトンネルを有し、特定のイオン種がそのトンネル内を容易に可動できるように設計された結晶構造を意味するものである。その名称の起源は、ナトリウムイオン(Na)を可動イオン種として有するNa1+XZr3−3XSi3X12(0<X<3:NASICON)に由来するものである。また、β−硫酸鉄型の結晶構造は、前記ナシコン型の結晶構造と類似の構造を呈し、同じく特定のイオン種を容易に可動できるような3次元的なトンネルを有する。
【0022】
また、第2の固体電解質2を構成する希土類オキシ塩化物は、LnOCl(Ln:希土類元素)なる一般式を有することが好ましい。特に、この希土類オキシ塩化物は、その熱安定性の高さから、希土類LnがLaから構成されたLaOClであることが好ましい。このような希土類オキシ塩化物は、塩素イオンに対して極めて良好な可動性を示し、塩素ガスの量が極めて微量である場合においても、この塩素ガスを検知し、塩素イオンが可動するようになる。したがって、塩素ガスセンサとして構成した場合において、優れた感度を有するようになる。
【0023】
また、前記希土類オキシ塩化物は、ドープ元素としてカルシウムを含有することが好ましい。これによって、前記希土類オキシ塩化物の塩素イオン可動性がさらに向上し、塩素ガスセンサの感度をさらに向上させることができる。
【0024】
図1において、第1の固体電解質1は通常0.3mm〜1.2mmの厚さを有し、その表面積は50mm〜100mmの大きさを有する。また、その形状は円盤状又は矩形の平板状など必要に応じて任意の形状に設定することができる。同様に、第2の固体電解質2は、通常0.3mm〜1.2mmの厚さを有し、その表面積は50mm〜100mmの大きさを有する。また、その形状は固体電解質1の形状に合せて任意の形状に作製することができる。
【0025】
【実施例】
以下、本発明を具体例に基づいて説明する。本実施例においては図1に示すような塩素ガスセンサ10を作製した。
【0026】
(塩素ガスセンサの作製)
最初に、Al(OH)、ZrO(NO・2HO、Nb及び(NHHPOなる組成の粉末を、モル比が8:32:19:114となるように混合し、1000℃で12時間加熱した後、ペレット成型し、乾燥空気流通下、1200℃で12時間加熱焼成した。得られた焼成体試料をめのう乳鉢で粉砕後、ペレット成型し、乾燥空気流通下、1300℃で12時間焼成することにより、(AlZr1−Y4/(4−Y)Nb(PO(Y=0.2)なる組成の固溶体からなる円盤状の第1の固体電解質1を得た。第1の固体電解質1の厚さは0.6mmであり、表面積の大きさは95mmであった。
【0027】
次いで、LaOCl粉末とCaCO粉末とをLa:Ca=9:1となるようなモル比で混合し、乾燥空気流通下、900℃で6時間加熱することにより、希土類オキシ塩化物としてCaドープのLaOClを得、円盤状の第2の固体電解質2を得た。第2の固体電解質2の厚さ0.6mmであり、表面積の大きさは95mmであった。
【0028】
次いで、上記のようにして得た第1の固体電解質1と第2の固体電解質2とをスミセラム(登録商標)なる図示しない接着剤を用いて貼り合わせた。その後、第1の固体電解質1の上面及び第2の固体電解質2の下面に金ネット3、金線5、及び金ネット4、金線6を設けて、図1に示すような塩素ガスセンサ10を完成させた。
【0029】
(塩素ガスセンサの評価)
図2は、上記のようにして得た塩素ガスセンサ10の応答曲線を示すグラフであり、図3は、塩素ガスセンサ10の出力値(起電力値)と塩素ガス濃度との相関を示すグラフである。なお、前記出力値は、金線5及び6間の起電力値である。塩素ガスとしては窒素ガスで希釈した1%塩素ガスを用い、これをさらに酸素ガス及び窒素ガスを用いて希釈することにより、塩素ガス濃度が2000ppm〜8000ppmとなるようにした。また、総流量は100ml/minに設定し、酸素濃度が20体積%となるように制御した。
【0030】
図2より、時間とともに塩素ガス濃度を変化させた場合において、金線5及び6間の起電力値も前記塩素ガス濃度変化に追随して変化することが分かる。また、出力変化の90%で定義される応答速度も数分以内であり、良好な応答性を示すことが分かる。
【0031】
図3は、900℃における塩素ガスセンサ10の出力値と塩素ガス濃度との相関を示したものであり、濃度上昇時(黒丸プロット)と濃度下降時(白四角プロット)との間で若干のずれはあるものの、塩素ガスの対数濃度と出力値である起電力値はほぼ1対1に対応し、比例関係にあることが分かる。
【0032】
以上より、本実施例で得た塩素ガスセンサは実用的なセンサとして使用可能であることが分かる。
【0033】
一方、本実施例において、第1の固体電解質はアルミニウムイオン可動性の(AlZr1−Y4/(4−Y)Nb(PO(Y=0.2)なる組成の固溶体から構成されている。したがって、上述した(1)〜(3)式を参照することにより、第1の固体電解質及び第2の固体電解質全体では、

Figure 0003572356
なる反応が生じていることになる。
【0034】
この場合、ネルンスト(Nernst)の式は、
Figure 0003572356
で表される。ここで、Eは起電力、Rは気体定数、nは(4)式で表される反応に寄与する電子数であり、(1)〜(3)式を参照することにより、この場合においては、n=2.0である。また、Fはファラデー定数であり、aAlClなどは、(4)式に出現する各化合物の活量である。
【0035】
(AlZr1−Y4/(4−Y)Nb(PO(Y=0.2)、ZrP、NbPO、及びNbは固体であるから、それらの活量は1となり、加えてAlClは測定温度900℃では安定であり、O濃度は常に20体積%で一定であるため、aAlCl及びpOは一定となる。このため、(5)式は簡略化され、
E=C(定数)+(RT/nF)ln(pCl) (n=2.0) (6)
で表される。
【0036】
(6)式から塩素ガス濃度の対数log(pCl)に対する起電力Eは、図3に示すような直線となるが、黒丸プロット及び白四角プロットで示される実測値は、この理論値と極めて近似した傾向を呈する。したがって、本実施例、すなわち本発明における塩素ガスセンサは、塩素ガス濃度と出力値である起電力とが実質的にネルンストの式に従うことが分かる。
【0037】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、難水溶性であるとともに、酸化・還元両雰囲気下でも極めて安定な固体電解質からなり、実際の環境下において実用可能な新規な塩素ガスセンサを得ることができる。したがって、塩素ガス検出器や環境保全用大気モニターなどの各種用途に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の塩素ガスセンサの一例を示す構成図である。
【図2】本発明の塩素ガスセンサの応答曲線の一例を示すグラフである。
【図3】本発明の塩素ガスセンサの出力値(起電力値)と塩素ガス濃度との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
1 第1の固体電解質
2 第2の固体電解質
3、4 金ネット
5、6 金線
10 塩素ガスセンサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a chlorine gas sensor that can be used as a chlorine gas detector in a factory or the like.
[0002]
[Prior art]
Chlorine gas (Cl 2 ) is one of the gases often used industrially. However, chlorine gas is toxic, and gas leaks from industrial equipment cause serious damage not only to humans but also to the environment. The best way to control the release of gas into the atmosphere is to find gas leak sites quickly and prevent further gas leaks. By installing chlorine gas sensors at various locations in each facility and constantly detecting the concentration of chlorine gas in the atmosphere, it is possible to quickly and accurately determine a gas leak site. For that purpose, a compact and inexpensive chlorine gas detector is indispensable.
[0003]
Conventionally, various chlorine gas sensors have been proposed. Particularly, a chlorine gas sensor using a solid electrolyte is extremely promising from the viewpoint of quick response and high selectivity.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, SrCl 2 , BaCl 2 , PbCl 2 , and the like have been proposed as solid electrolytes that can be suitably used as a chlorine gas sensor. However, SrCl 2 and BaCl 2 easily dissolve in water, and PbCl 2 Also easily dissolves in warm water. Further, these solid electrolytes have insufficient durability in various atmospheres. Furthermore, Pb is toxic, and recently there is a tendency to avoid using such toxic substances from the viewpoint of environmental problems.
[0005]
An object of the present invention is to provide a chlorine gas sensor which is made of a material having poor water solubility, can be used in various atmospheres, and can be put to practical use.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a first solid electrolyte capable of moving aluminum ions, magnesium ions, or rare earth ions, and a first solid electrolyte including a rare earth oxychloride provided adjacent to the first solid electrolyte. The present invention relates to a chlorine gas sensor comprising a solid electrolyte of No. 2 and detecting the concentration of chlorine gas without involving movement of oxygen ions .
[0007]
The present inventors show that, when a solid electrolyte is used for a sensor, they generally exhibit quick response and high selectivity. Therefore, the solid electrolyte constituting the chlorine gas sensor is a novel, slightly water-soluble alternative to the above SrCl 2 or the like. Intensive studies were conducted to obtain a solid electrolyte. As a result, rare earth oxychloride (LnOCl: Ln represents a rare earth element) exhibits high water solubility, is extremely stable even in both oxidation and reduction atmospheres, and exhibits good mobility for chlorine ions. Was found.
[0008]
On the other hand, the present inventors move a magnesium ion, an aluminum ion, or a rare earth ion, have good ion mobility, show high water solubility, and are extremely stable under both oxidation and reduction atmospheres. We have successfully developed a solid electrolyte.
[0009]
When the rare earth oxychloride comes into contact with chlorine gas,
Cl 2 + 2e → 2Cl (1)
According to the equilibrium equation, chloride ions are formed, and the chlorine ions can move in the rare earth oxychloride.
[0010]
In the solid electrolyte, for example, aluminum is
Al → 2 / 3Al 3+ + 2e (2)
It exists in the form of aluminum ions according to the equilibrium equation: Therefore, by arranging the rare earth oxychloride and the solid electrolyte so as to be adjacent to each other, chlorine ions that have been moving in the rare earth oxychloride are:
2Cl + 2 / 3Al 3+ → 2 / 3AlCl 3 (3)
It reacts with aluminum ions according to the following reaction formula to produce aluminum chloride, and an electromotive force is generated according to the amount of the produced aluminum chloride.
[0011]
Since the amount of chlorine ions moving in the rare earth oxychloride is proportional to the detected chlorine gas amount, the electromotive force also shows a value according to the chlorine gas amount. Therefore, the first solid electrolyte and the second solid electrolyte containing the rare earth oxychloride are arranged adjacent to each other, and the solid electrolyte generated when the rare earth oxychloride comes into contact with chlorine gas is generated. By measuring the electric power, the detected chlorine gas amount can be quantified.
[0012]
In addition, since these solid electrolytes are poorly water-soluble and extremely stable under both oxidizing and reducing atmospheres, by arranging these solid electrolytes adjacent to each other, they can be practically used as chlorine gas detectors and the like. A chlorine gas sensor can be provided.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments of the invention.
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of the chlorine gas sensor of the present invention. The chlorine gas sensor 10 shown in FIG. 1 includes a first solid electrolyte 1 that can move aluminum ions, magnesium ions, or rare earth ions, and a first solid electrolyte 1 that is provided adjacent to the first solid electrolyte 1 and that contains a rare earth oxychloride. 2 solid electrolytes 2. The first solid electrolyte 1 and the second solid electrolyte 2 are bonded and fixed with an inorganic adhesive (not shown).
[0014]
Further, gold nets 3 and 4 are provided on the main surfaces of the first solid electrolyte 1 and the second solid electrolyte opposite to the adjacent main surfaces, respectively, and via the gold nets 3 and 4, , Are provided with gold wires 5 and 6, respectively.
[0015]
When the chlorine gas sensor 10 is disposed in a predetermined chlorine gas-containing atmosphere, the rare earth oxychloride constituting the second solid electrolyte 2 detects chlorine gas, and the chlorine in the rare earth oxychloride is detected as described above. The ions become mobile. The chlorine ions reach the first solid electrolyte 1, where they react with aluminum ions and the like constituting the solid electrolyte 1 as shown by the reaction formula (3).
[0016]
As described above, since the electromotive force is proportional to the amount of chlorine gas contacted by the second solid electrolyte 2, the amount of chlorine gas, that is, the chlorine gas sensor 10 is arranged by measuring the value of the electromotive force. The amount of chlorine gas in the set atmosphere can be determined.
[0017]
The solid electrolyte capable of moving aluminum ions constituting the first solid electrolyte 1 is a composite having a composition of Al 1 + X Zr 6 P 9 O 36 + 3 / 2X + Zr 2 O (PO 4 ) 2 or (Al Y Zr 1-Y ) 4 / (4-Y) Nb (PO 4 ) 3 (0 < Y <1) which is a solid solution having a crystal structure of Nasicon type or β-iron sulfate type Is preferred.
[0018]
The composite is prepared by mixing powders having a composition of, for example, Al (OH) 3 , ZrO (NO 3 ) 2 .2H 2 O, and (NH 4 ) 2 HPO 4 at a predetermined ratio, and baking as necessary. To obtain a mixed powder. The mixed powder is formed into a predetermined shape and size, and then fired under predetermined conditions. The solid solution is prepared by mixing powders having a composition of, for example, Al (OH) 3 , ZrO (NO 3 ) 2 .2H 2 O, Nb 2 O 5, and (NH 4 ) 2 HPO 4 at a predetermined ratio. The mixed powder is obtained by sintering to obtain a mixed powder. The mixed powder is formed into a predetermined shape and size, for example, a pellet, and then fired under predetermined conditions.
[0019]
Further, as a solid electrolyte capable of moving magnesium ions, a composite having a composition of Mg 1 + X Zr 4 P 6 O 24 + X + Zr 2 O (PO 4 ) 2 or (Mg Y Zr 1-Y ) 2 / (2 -Y) A solid solution having a composition of Nb (PO 4 ) 3 (0 < Y <1) and preferably having a Nasicon type or β-iron sulfate type crystal structure. Similarly, as a rare earth ion movable solid electrolyte, a composite having a composition of R 1 + X Zr 6 P 9 O 36 + 3 / 2X + Zr 2 O (PO 4 ) 2 or (R Y Zr 1-Y ) 4 / (4-Y) Nb (PO 4 ) 3 (0 < Y <1), which is a solid solution (R: rare earth ion) having a NASICON-type or β-iron sulfate-type crystal structure Is preferred.
[0020]
The composite is prepared by, for example, preparing a powder having a composition of MgHPO 4 .3H 2 O or R 2 O 3 (R: rare earth ion), ZrO (NO 3 ) 2 .2H 2 O, and (NH 4 ) 2 HPO 4 . The mixed powder is obtained by mixing at a ratio and firing if necessary, forming the mixed powder into a predetermined shape and size, and then firing under predetermined conditions. The solid solution, for example, MgHPO 4 · 3H 2 O or R 2 O 3 (R: rare-earth ions), ZrO (NO 3) 2 · 2H 2 O, Nb 2 O 5 and (NH 4) 2 HPO 4 having a composition By mixing the powder at a predetermined ratio and firing if necessary, a mixed powder is obtained, and the mixed powder is formed into a predetermined shape and size, for example, a pellet, and then fired under predetermined conditions. Make it.
[0021]
Note that the NASICON-type crystal structure means a crystal structure that has a three-dimensional tunnel and is designed so that a specific ion species can easily move in the tunnel. The origin of the name, Na 1 + X Zr 2 P 3-3X Si 3X O 12 (0 <X <3: NASICON) with sodium ions (Na +) as a movable ionic species is derived from. The β-iron sulfate type crystal structure has a similar structure to the NASICON type crystal structure, and also has a three-dimensional tunnel capable of easily moving a specific ion species.
[0022]
The rare earth oxychloride constituting the second solid electrolyte 2 preferably has a general formula of LnOCl (Ln: rare earth element). In particular, the rare earth oxychloride is preferably LaOCl in which the rare earth Ln is composed of La because of its high thermal stability. Such a rare earth oxychloride exhibits extremely good mobility with respect to chloride ions, and even when the amount of chlorine gas is extremely small, the chlorine gas is detected and the chlorine ions become movable. . Therefore, when configured as a chlorine gas sensor, it has excellent sensitivity.
[0023]
Preferably, the rare earth oxychloride contains calcium as a doping element. Thereby, the chlorine ion mobility of the rare earth oxychloride is further improved, and the sensitivity of the chlorine gas sensor can be further improved.
[0024]
In Figure 1, the first solid electrolyte 1 has a thickness of usually 0.3Mm~1.2Mm, its surface area has a size of 50 mm 2 100 mm 2. In addition, the shape can be set to any shape as required, such as a disk shape or a rectangular flat plate shape. Similarly, the second solid electrolyte 2 has a thickness of usually 0.3Mm~1.2Mm, its surface area has a size of 50 mm 2 100 mm 2. In addition, the shape can be formed into an arbitrary shape according to the shape of the solid electrolyte 1.
[0025]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples. In this embodiment, a chlorine gas sensor 10 as shown in FIG. 1 was manufactured.
[0026]
(Production of chlorine gas sensor)
First, Al (OH) 3, ZrO (NO 3) 2 · 2H 2 O, the powder of Nb 2 O 5 and (NH 4) 2 HPO 4 having a composition, the molar ratio of 8: 32: 19: the 114 After heating at 1000 ° C. for 12 hours, pellets were formed, and calcined by heating at 1200 ° C. for 12 hours under flowing dry air. The obtained fired body sample is pulverized in an agate mortar, then pelletized, and fired at 1300 ° C. for 12 hours in a stream of dry air to obtain (Al Y Zr 1-Y ) 4 / (4-Y) Nb (PO ) 4 ) A disk-shaped first solid electrolyte 1 made of a solid solution having a composition of 3 (Y = 0.2) was obtained. The thickness of the first solid electrolyte 1 was 0.6 mm, and the size of the surface area was 95 mm 2 .
[0027]
Next, the LaOCl powder and the CaCO 3 powder were mixed at a molar ratio such that La: Ca = 9: 1, and heated at 900 ° C. for 6 hours under a flow of dry air to obtain a Ca-doped rare earth oxychloride. LaOCl was obtained, and a disk-shaped second solid electrolyte 2 was obtained. The thickness of the second solid electrolyte 2 was 0.6 mm, and the size of the surface area was 95 mm 2 .
[0028]
Next, the first solid electrolyte 1 and the second solid electrolyte 2 obtained as described above were bonded together using an unillustrated adhesive such as Sumiceram (registered trademark) . Thereafter, a gold net 3, a gold wire 5, a gold net 4, and a gold wire 6 are provided on the upper surface of the first solid electrolyte 1 and the lower surface of the second solid electrolyte 2, and a chlorine gas sensor 10 as shown in FIG. Completed.
[0029]
(Evaluation of chlorine gas sensor)
FIG. 2 is a graph showing a response curve of the chlorine gas sensor 10 obtained as described above, and FIG. 3 is a graph showing a correlation between an output value (electromotive force) of the chlorine gas sensor 10 and a chlorine gas concentration. . Note that the output value is an electromotive force value between the gold wires 5 and 6. As the chlorine gas, a 1% chlorine gas diluted with a nitrogen gas was used, and this was further diluted with an oxygen gas and a nitrogen gas so that the chlorine gas concentration was 2,000 to 8,000 ppm. The total flow rate was set at 100 ml / min, and the oxygen concentration was controlled to be 20% by volume.
[0030]
FIG. 2 shows that when the chlorine gas concentration is changed with time, the electromotive force between the gold wires 5 and 6 also changes following the change in the chlorine gas concentration. Further, the response speed defined by 90% of the output change is also within several minutes, and it can be seen that good response is exhibited.
[0031]
FIG. 3 shows the correlation between the output value of the chlorine gas sensor 10 at 900 ° C. and the chlorine gas concentration, and shows a slight difference between the concentration increase (solid circle plot) and the concentration decrease (white square plot). However, it can be seen that the logarithmic concentration of chlorine gas and the electromotive force value, which is the output value, approximately correspond to one to one and are in a proportional relationship.
[0032]
From the above, it can be seen that the chlorine gas sensor obtained in this example can be used as a practical sensor.
[0033]
On the other hand, in the present embodiment, the first solid electrolyte is a solid solution having a composition of (Al Y Zr 1-Y ) 4 / (4-Y) Nb (PO 4 ) 3 (Y = 0.2) having aluminum ion mobility. It is composed of Therefore, by referring to the above-described equations (1) to (3), the first solid electrolyte and the second solid electrolyte as a whole
Figure 0003572356
That is, a certain reaction has occurred.
[0034]
In this case, the Nernst equation is:
Figure 0003572356
It is represented by Here, E is an electromotive force, R is a gas constant, n is the number of electrons contributing to the reaction represented by the equation (4), and by referring to the equations (1) to (3), in this case, , N = 2.0. F is a Faraday constant, and aAlCl 3 and the like are activities of each compound appearing in the equation (4).
[0035]
(Al Y Zr 1-Y) 4 / (4-Y) Nb (PO 4) 3 (Y = 0.2), ZrP 2 O 7, NbPO 5, and Nb 2 O 5 is from a solid, their The activity becomes 1, and in addition, since AlCl 3 is stable at a measurement temperature of 900 ° C. and the O 2 concentration is always constant at 20% by volume, aAlCl 3 and pO 2 are constant. Therefore, equation (5) is simplified,
E = C 2 (constant) + (RT / nF) ln (pCl 2 ) (n = 2.0) (6)
It is represented by
[0036]
From the equation (6), the electromotive force E with respect to the logarithm of the chlorine gas concentration log (pCl 2 ) is a straight line as shown in FIG. 3, but the measured values shown by the black circle plot and the white square plot are extremely different from this theoretical value. It shows an approximate tendency. Therefore, in the present embodiment, that is, in the chlorine gas sensor of the present invention, the chlorine gas concentration and the electromotive force as the output value substantially follow the Nernst equation.
[0037]
As described above, the present invention has been described in detail based on the embodiments of the present invention with specific examples. However, the present invention is not limited to the above contents, and any modifications or changes may be made without departing from the scope of the present invention. Changes are possible.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a novel chlorine gas sensor which is hardly water-soluble and is made of a solid electrolyte which is extremely stable even in both oxidation and reduction atmospheres, and which can be used in an actual environment. it can. Therefore, it can be used for various applications such as a chlorine gas detector and an air monitor for environmental protection.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a chlorine gas sensor of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing an example of a response curve of the chlorine gas sensor of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a correlation between an output value (electromotive force value) of a chlorine gas sensor of the present invention and a chlorine gas concentration.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st solid electrolyte 2 2nd solid electrolyte 3, 4 Gold net 5, 6 Gold wire 10 Chlorine gas sensor

Claims (6)

アルミニウムイオン、マグネシウムイオン、又は希土類イオンを可動する第1の固体電解質と、この第1の固体電解質に隣接して設けられた希土類オキシ塩化物を含む第2の固体電解質とを具え、酸素イオンの可動を伴うことなく、塩素ガスの濃度を検出するようにしたことを特徴とする、塩素ガスセンサ。A first solid electrolyte that can move aluminum ions, magnesium ions, or rare earth ions; and a second solid electrolyte containing a rare earth oxychloride provided adjacent to the first solid electrolyte , A chlorine gas sensor characterized by detecting the concentration of chlorine gas without moving . アルミニウムイオンを可動する前記第1の固体電解質は、Al1+XZr6P9O36+3/2X+Zr2O(PO4)2なる組成の複合体又は(AlYZr1-Y)4/(4-Y)Nb(PO4)3(0Y<1)なる組成の固溶体で、ナシコン型又はβ―硫酸鉄型の結晶構造を有する化合物から構成されることを特徴とする、請求項1に記載の塩素ガスセンサ。The first solid electrolyte capable of moving aluminum ions is a composite having a composition of Al 1 + X Zr 6 P 9 O 36 + 3 / 2X + Zr 2 O (PO 4 ) 2 or (Al Y Zr 1-Y ) 4 / (4-Y) Nb (PO 4 ) 3 (0 < Y <1), which is a solid solution composed of a compound having a Nasicon type or β-iron sulfate type crystal structure, The chlorine gas sensor according to claim 1. マグネシウムイオンを可動する前記第1の固体電解質は、Mg1+XZr4P6O24+X+Zr2O(PO4)2なる組成の複合体又は(MgYZr1-Y)2/(2-Y)Nb(PO4)3(0Y<1)なる組成の固溶体で、ナシコン型又はβ−硫酸鉄型の結晶構造を有するものから構成されることを特徴とする、請求項1に記載の塩素ガスセンサ。The first solid electrolyte capable of moving magnesium ions is a composite having a composition of Mg 1 + X Zr 4 P 6 O 24 + X + Zr 2 O (PO 4 ) 2 or (Mg Y Zr 1-Y ) 2 / (2-Y) Nb (PO 4 ) 3 (0 < Y <1), which is a solid solution having a crystal structure of Nasicon type or β-iron sulfate type. 2. The chlorine gas sensor according to 1. 希土類イオンを可動する前記第1の固体電解質は、R1+XZr6P9O36+3/2X+Zr2O(PO4)2なる組成の複合体又は(RYZr1-Y)4/(4-Y)Nb(PO4)3(0Y<1)なる組成の固溶体(R:希土類イオン)で、ナシコン型又はβ―硫酸鉄型の結晶構造を有する化合物から構成されることを特徴とする、請求項1に記載の塩素ガスセンサ。The first solid electrolyte that moves rare earth ions is a composite having a composition of R 1 + X Zr 6 P 9 O 36 + 3 / 2X + Zr 2 O (PO 4 ) 2 or (R Y Zr 1-Y ) 4 / (4-Y) Nb (PO 4 ) 3 (0 < Y <1), a solid solution (R: rare earth ion) composed of a compound having a Nasicon type or β-iron sulfate type crystal structure The chlorine gas sensor according to claim 1, wherein: 前記第2の固体電解質は、カルシウムを含むことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一に記載の塩素ガスセンサ。The chlorine gas sensor according to claim 1, wherein the second solid electrolyte contains calcium. 塩素濃度に関するセンサ出力が、実質的にネルンストの式に従った起電力として表されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一に記載の塩素ガスセンサ。The chlorine gas sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the sensor output regarding the chlorine concentration is expressed as an electromotive force substantially according to the Nernst equation.
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