KR20080090419A - 세라믹 ｈ2ｓ 센서 - Google Patents
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Abstract
센서는 수소 함유 배경에서 황화 수소를 모니터링할 수 있다. 센서는 화학저항 형식의 얇은 필름 또는 두꺼운 필름으로서 증착될 수도 있는 신규한 황화물 민감성 재료를 포함한다. 신규한 황화물 민감성 재료는 단일 구성요소 산화물 재료 또는 두 개 이상의 산화물 재료의 복합물을 포함할 수도 있다. 환원 가스에 존재하는 H2S의 양을 정량화하는데 사용될 수 있는 전기 저항성의 대응하는 변화와 관련하여 환원 가스 환경의 H2S에 가역적으로 반응한다.
황화물 민감성 조성물, 전극, 기판, 환원 가스 스트림, 필름
Description
본 발명은 미국 에너지부에서 재정된 계약 제DE-FC26-02NT41576호에 따라 정부의 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명의 일정 권리를 갖는다.
본 발명은 세라믹계 H2S 센서에 관한 것으로, 특히 환원 가스 스트림 내의 H2S를 검출하는 평면 화학 저항 모드에서 작동하는 모든 세라믹 H2S 센서에 관한 것이다. 본 발명은 석유 정제업과 같이 수소화탈황(hydrodesulfurization) 시스템의 탄화수소 연료(예를 들어, 천연 가스, 프로판, LPG, 디젤 및 석탄)로 작동하는 연료 전지 시스템의 연료 처리 구성요소와, 환원 대기 중에서 H2S의 검출 및 정량화가 요구되는 다른 분야에 유용할 수도 있다.
연료 전지는 현재의 기반시설 내에 존재하는 탄화수소 연료(천연가스, 프로판, LPG, 가솔린, 디젤 등)로부터 전기 및 열을 생성하기 위한 조용하고, 환경적으로 깨끗한 고효율 장치이다. 연료 전지에 이들 탄화수소 연료를 사용하려면, 연료는 고체 산화물(또는 용융 탄산염) 연료 전지에 이송되기 전에 수소와 일산화탄소의 가스 혼합물로 [개질(reforming) 단계를 통해] 처리되고, 양자 교환막(proton exchange membrane, PEM) 연료 전지에 이송되기 전에 수소로 더 정제되는 것이 통 상 요구된다. 개질 단계는 촉매 위에서의 탄화수소 연료와 스트림 및/또는 공기의 반응으로 수행된다. 탄화수소 연료는 황(sulfur)을 필연적으로 포함하기 때문에 상황이 나빠진다. 황 화합물[메르갑탄(mercaptan) 및 티오펜(thiopene)]은 개질 촉매의 활성을 저하시킨다. 이들 황 화합물은 만약 존재한다면, 개질 단계시 H2S로 전환되고, 이 H2S는 니켈계 SOFC 양극에 해롭다. 개질 촉매 및 연료 전지 양극에 황을 장시간 노출시키는 것은 비가역적인 저하를 초래한다. 따라서, 시스템 설계자는 개질기로 진입하기 전에 연료로부터 황이 제거될 수 있도록 연료 탈황(fuel desulfurization) 구성요소를 통상 포함시킨다. 이들 황 흡착 베드는 정기적으로 교체(또는 일부 경우에는 재생성)되어야 한다. H2S 센서의 주 목적은 개질기 및 연료 전지 적층물을 보호하도록 피드백을 제공하는 것이다. 이러한 센서가 없다면, 황 흡착 베드는 유지비용을 매우 증가시키는 매우 보수적인 일정대로 교체될 필요가 있을 것이다.
황화수소 센서는 상용적으로 이용가능하지만, 이들 센서는 대기 중에서 작동하도록(즉, 안전을 목적으로) 설계되었고, 상승된 온도와 연료 전지 분야의 통상적인 환원 환경에서는 작동하지 않는다. 그것들은 하나 이상의 적은 첨가물(금, 팔라듐, 산화구리, 산화니켈 등)을 갖는 잘 알려진 산화주석[피가로(Figaro) 및 타구치(Taguchi)] 기술을 주로 기초로 한다. 이들 종래 기술의 장치는 제한된 범위의 온도 및 농도에 있는 공기 중의 H2S에 노출됨에 따른 필름 저항(film resistance)의 변화 원리를 기초로 작동한다. 예를 들어, 산화주석은 n-형 반도체로 간주되고, n-형 반도체의 감지 방식은 그레인 사이의 네크 구역의 산소의 흡착에 의해 제어되는 것으로 보여진다. 대기로부터의 산소 흡착은 전도대로부터의 전자 발출에 기인하여 필름의 저항을 증가시킨다. 이는 표면 근처에 공간 하전 구역의 생성과 전자의 고갈을 초래한다. 결국, 정상 상태 조건이 달성되고, 흡착된 산소로의 전하 이동은 표면의 정전기장으로 인해 방해된다. (표면에서 흡착된 대전된 산소 종과 반응하는) 환원 가스에서, 전자가 전도대에 제공되어, 전도도가 증가되는 것을 볼 수 있다. 비특정성(non specificity)은 이런 형태의 장치의 주요한 결점이다. 알콜과 같은 휘발성 종류가 그 근접부에 있을 때 조차도 알람이 울린다.
불꽃 광도계(flame photometry) 또는 화학 발광(chemiluminescence)을 기초로하는 광학 장치는 단지 용액에서 황을 검출할 수 있는 것 이 외에는 장황하고, 방해되고, 비싸다. H2S를 위한 다른 검출기는 표면 탄성파(surface acoustic wave, SAW) 장치[금 도프된 삼산화 텅스텐(Au doped-WO3)], MOS 장치(Pd│SiO2│Si), 전류-전압 또는 I-V 장치(SnO2│CuO│SnO2), 및 [H2S가 PbS 표면에 흡착되거나 또는 황산에 담궈진 나피온 필름(sulfuric acid soaked Nafion film)과 만날 때 EMF가 변하는] 전기화학 센서를 포함한다. 또한, 이들 기술의 온도 및 농도 범위는 낮고, 이것들은 대기 중에서도 작동한다.
상술된 바와 같이, 연료 전지의 양극에 도달하기 전에 연료로부터 황을 제거할 필요가 있다. 이 공정에서 동일하게 중요한 것은 연료 전지 시스템의 다양한 위치에서 개질된 연료에서 황의 검출 및 지속적인 모니터링이다. 이것은 기계적으 로 견고하고, 광범위한 온도에 걸친 거친 환원 환경을 견딜 수 있는 안정적이고 튼튼한 센서의 개발을 필요로 한다. 우리는 H2 함유 배경의 황화수소를 모니터링할 수 있는 임의의 센서를 알지 못한다.
본 발명은 수소 함유 배경의 황화수소를 모니터링할 수 있는 센서를 제공하는 것이다. 센서는 화학저항 형식의 얇은 필름 또는 두꺼운 필름으로서 증착되는 신규한 황화물 민감성 재료(sulfur sensitive materials)를 포함한다(도1 참조). 센서 필름은 필름 저항의 변화를 통해 환원 가스 내 존재하는 H2S에 대해 가역적으로 반응하고, 이는 환원 가스에 존재하는 H2S의 양을 정량화하는데 사용될 수 있다. 도1에 도시된 장치 지오메트리는 본 발명의 신규한 황화물 민감성 재료와 관련하여 사용될 수도 있는 일 형태의 센서 지오메트리의 예이다. 본 발명의 황화물 민감성 재료의 얇은 필름 또는 두꺼운 필름 코팅의 저항 변화를 허용한다면 다른 장치 지오메트리가 또한 사용될 수도 있다.
두꺼운 필름 조성물은 단일 금속 산화물 또는 적어도 두 개의 산화물의 조성물을 포함한다. 단일 금속 산화물이 센서로서 사용될 때, 금속 산화물의 선택은 환원 가스 스트림의 H2S에 존재하는 황화물을 가역적으로 형성할 수 있는 능력을 기초로 한다. 조성물 공식에 있어서, 산화물은, 하나는 환원 환경에 내성이 있고 안정적인 상으로 존재할 수 있는 것으로 결정되고, 다른 하나는 환원 가스 스트림의 H2S에 존재하는 황화물을 가역적으로 형성할 수 있도록 결정된다.
본 발명은 환원 환경의 황화수소에 대해 가역적으로 반응하는 황화물 민감성 조성물을 제공한다. 조성물은 2원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 3원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 3원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 4원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 4원 금속 산화물과, 그 조합으로부터 선택된다. 2원 금속 산화물은 ZnO, MoO3, WO3, NiO, CoO 및 그 조합으로부터 선택될 수도 있다. 황화수소 센서는 예를 들어 잉크와 같이 전극에 인가되는 황화물 민감성 조성물을 포함할 수도 있다.
본 발명은 환원 환경의 황화수소에 대해 가역적으로 반응하는 황화물 민감성 조성물 재료를 또한 제공한다. 조성물 재료는 2원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 3원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 3원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 4원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 4원 금속 산화물 및, 그 조합과, 산화세륨계 산화물 조성물로부터 선택되는 금속 산화물을 포함한다.
본 발명은 황화수소 센서를 더 제공한다. 일 실시예에서, 센서는 기판과, 황화물 민감성 재료가 한 쌍의 전극에 연결되도록 기판 상에 증착되는 황화물 민감성 조성물을 포함한다. 황화물 민감성 재료는 환원 환경의 황화수소에 대해 가역적으로 반응한다. 이 재료는 2원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 3원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 3원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 4원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 4원 금속 산화물과, 그 조합으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함할 수도 있다. 조성물은 도프되지 않은 산화세륨과 도프된 산화세륨 및 그 조합을 포함할 수도 있는 적어도 하나의 산화세륨계 산화물 조성물을 또한 포함할 수도 있다. 조성물은 1 내지 50 중량%까지의 알루미나, 0.1 내지 10 중량%까지의 루테늄, 로듐, 팔라듐, 백금, 금, 은 및 그 조합으로부터 선택되는 촉진제(prompter)와 또는 알루미나 및 촉진제 양자 모두를 더 포함할 수도 있다.
다른 실시예에서, 황화수소 센서는 기판과, 기판 상에 증착되는 서로 맞물린 전극과, 화학저항 형식의 두꺼운 필름으로서 서로 맞물린 전극 상에 증착되는 황화물 민감성 조성물 재료를 포함한다. 황화물 민감성 조성물 재료는 환원 환경의 황화수소에 대해 가역적으로 반응하고, 5 중량%의 MoO3, 10 중량%의 알루미나 및 GDC 또는 5 중량%의 NiWO4, 10 중량%의 알루미나 및 GDC를 포함한다. 조성물은 0.1 내지 10 중량%의 루테늄, 로듐, 팔라듐, 백금, 금, 은 및 그 조합으로부터 선택되는 촉진제를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 황화수소 센서는 450 내지 600˚C의 온도에서 황화수소 가스를 함유하는 수소 가스 스트림에 노출됨으로써 사전 처리될 수도 있다. 양호하게는, 사전 처리 온도는 600˚C이다.
본 발명은 황화수소 센서를 제조하는 방법을 또한 제공한다. 방법은 산화세륨계 산화물 조성물과, 2원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 3원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 3원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 4원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 4원 금속 산화물과, 그 조합으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 황화물 민감성 조성물 재료를 선택하는 단계와, 화학저항 형식의 두꺼운 필름으로서 기판 상에 황화물 민감성 조성물 재료를 증착시키는 단계와, 황화물 민감성 조성물 재료에 한 쌍의 전극을 연결시키는 단계를 포함한다. 황화물 민감성 조성물은 1 내지 50 중량%까지의 알루미나, 0.1 내지 10 중량%까지의 루테늄, 로듐, 팔라듐, 백금, 금, 은 및 그 조합으로부터 선택되는 촉진제를 더 포함할 수도 있다. 방법은 450 내지 600˚C의 온도에서 황화수소 가스를 함유하는 수소 가스 스트림에 노출됨으로써 센서를 사전 처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 이들 및 다른 목적은 이하 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도1은 평면 센서 제작 및 테스팅에 사용된 상호 맞물린 전극(IDE) 기판의 개략도이다.
도2는 350˚C에서 90% N2와 10% H2 가스 혼합물의 0과 10ppm H2S 사이에서의 순환운동 동안, 5 중량% MoO3 내지 95 중량% GDC 센서의 저항 반응의 그래프이다.
도3은 295˚C에서 90% N2와 10% H2 가스 혼합물의 0과 10ppm H2S 사이에서의 순환운동 동안, 5 중량% MoO3 내지 95 중량% GDC 센서의 저항 반응의 그래프이다.
도4는 420˚C에서 90% N2와 10% H2 가스 혼합물의 0과 10ppm H2S 사이에서의 순환운동 동안, 5 중량% MoO3 내지 95 중량% GDC 센서의 저항 반응의 그래프이다.
도5는 350˚C에서 90% N2와 10% H2 가스 혼합물의 0과 10ppm H2S 사이에서의 순환운동 동안, 5 중량% MoO3 내지 95 중량% GDC 센서의 저항 반응의 그래프이다.
도6은 500˚C에서 90% N2와 10% H2 가스 혼합물의 0과 10ppm H2S 사이에서의 순환운동 동안, 5 중량% MoO3 내지 95 중량% GDC 센서의 저항 반응의 그래프이다.
도7은 400˚C에서 90% N2와 10% H2 가스 혼합물의 0과 10ppm H2S 사이에서의 순환운동 동안, 5 중량% MoO3 내지 95 중량% GDC 센서의 저항 반응의 그래프이다.
도8은 350˚C에서 90% N2와 10% H2 가스 혼합물의 0과 10ppm H2S 사이에서의 순환운동 동안, 5 중량% MoO3 내지 95 중량% GDC 센서의 저항 반응의 그래프이다.
도9는 400˚C에서 90% N2와 10% H2의 0과 10ppm H2S 사이에서의 순환운동 동안, 5 중량% 내지 95 중량% GDC 센서의 저항 반응의 그래프이다.
도10은 60% N2와 27% H2와 10% CO2와 3% H2O로 구성된 가습 가스 혼합물 내에서 500˚C로 2.5와 5ppm H2S에 대한 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC 센서의 정량적인 저항 반응의 그래프이다.
도11은 60% N2와 27% H2와 10% CO2와 3% H2O로 구성된 가습 가스 혼합물 내에서 350˚C로 1ppm H2S에 대한 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC 센서의 저항 반응의 그래프이다.
도12는 60% N2와 27% H2와 10% CO2와 3% H2O로 구성된 가습 가스 혼합물 내에 서 500˚C로 0.5ppm H2S에 대한 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC 센서의 저항 반응의 그래프이다.
도13은 33% H2와 67% N2의 가습 가스 혼합물 내에서 450˚C로 5% H2S 에 대한 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC 센서의 감도에 있어 사전 처리(600˚C에서 5ppm H2S로 수소에 30분 동안)의 효과를 도시하는 그래프이다.
도14는 33% H2와 64% N2의 가습 가스 혼합물 내에서 450˚C로 500, 100, 50ppb H2S에 대한 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC 센서의 정량적인 저항 반응의 그래프이다.
도15는 33% H2와 67% N2의 가습 가스 혼합물 내에서 450˚C로 250, 100, 50ppb H2S에 대한 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC 센서의 정량적인 저항 반응의 그래프이다.
도16은 33% H2와 67% N2의 가습 가스 혼합물 내에서 450˚C로 50 및 25ppb H2S 에 대한 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC 센서의 정량적인 저항 반응의 그래프이다.
도17은 33% H2와 67% N2의 가습 가스 혼합물 내에서 450˚C로 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC 센서의 H2S에 대한 저항 변화(기준 저항으로 표준화 된)의 그래프이다.
도18은 98%의 CH4와 2% H2로 구성된 건조 가스 혼합물 내에서 250ppb H2S에 대한 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC 센서의 저항 반응 그래프이다.
도19는 33% H2와 67% H2로 구성된 가습 가스 혼합물 내에서 420˚C로 250 및 500ppb H2S에 대한 NiWO4 센서의 정량적인 저항 반응의 그래프이다.
도20은 33% H2와 67% N2로 구성된 가습 기준 가스 내에서 385˚C로 250ppb H2S에 대한 NiWO4 센서의 반응 시간을 도시하는 그래프이다.
도21은 50%의 CH4와 33.6% H2와 16.4% N2로 구성된 가습 기준 가스 내에서 420˚C로 500ppb H2S에 대한 NiWO4 센서의 저항 반응을 도시하는 그래프이다.
본 발명은 화학저항 형식의 얇은 또는 두꺼운 필름으로서 증착되는 신규한 황화물 민감성 재료를 포함한다(도1 참조). 센서 필름은 필름 저항의 변화를 통해 환원 가스(즉, 수소, 수소 농후 및/또는 메탄 농후 가스)의 H2S의 존재에 대해 가역적으로 반응하고, 이는 환원 가스에 존재하는 H2S의 양을 정량화하는데 사용될 수 있다. 이러한 센서는 고형 산화물 연료 전지 시스템, 용융 탄산염 연료 전지 시스템, 인산 연료 전지 시스템 및 PEM 연료 전지 시스템의 연료 처리 구성요소에 적용된다. 환원 가스의 H2S 검출 및 정량화를 위한 다른 적용예는 석유 탐사, 탄광업, 석유 정제업 및 수소 제조업에 있다.
본 발명의 일 실시예의 조성물은 환원 가스 스트림의 H2S에 존재하는 황화물을 가역적으로 형성하는 단일 구성요소 산화물 재료를 포함한다. 본 발명의 제2 실시예는 두 개 이상의 산화물 재료의 복합물을 포함한다. 복합물의 산화물은, 적어도 하나의 산화물이 환원 환경을 견디고 환원 가스 내에서 안정적인 상으로서 존재하고, 적어도 다른 하나가 환원 가스 스트림의 H2S에 존재하는 황화물을 가역적으로 형성하도록 선택된다. 양자 모두의 실시예의 센서는 환원 가스 내에 존재하는 H2S의 양을 정량화하는데 사용될 수 있는 전기 저항의 변화에 대응하여 환원 가스 환경 내에 H2S에 관하여 가역적으로 반응한다.
단일 금속 산화물 또는 금속 산화물의 조합은 환원 가스 내에 H2S를 검출하기 위한 활성상(active phase)을 형성할 수도 있다. 본 발명의 활성 황화물 민감성 상은 거시적으로 포함되는 에너지학의 정확한 열역학적 분석과, H2/H2S 혼합물의 대응 산화물로부터의 금속 황화물의 가역적인 형성을 기초로 식별된다. 이 분석으로부터 식별된 황화물 민감성 상의 예는 ZnO, MoO3, WO3, NiO, CoO와 같은 2원 금속 산화물과, ZnWO4, MgWO4, CoWO4, NiWO4, ZnMoO4, MgMoO4, CoMoO4, NiMoO4와 같은 3원 산화물 및 몰리브덴 및/또는 텅스텐을 포함하는 다른 3원 또는 4원 금속 산화물을 포함한다. 이들 활성 황화물 민감성 상은 (단일 구성요소 센서 코팅으로서) 그들 자체에 의해서, 이하에 설명된 바와 같이 복합물 센서 구조의 다른 상(산화세륨 및 /또는 알루미나)과 관련하여 H2S 센서를 준비하는데 사용될 수도 있다. 본 발명의 H2S 센서를 시험하기 위해, NiWO4는 단일상 센서로서 사용되고, MoO3 및 WO3는 복합물 센서의 구성요소로서 사용되었다.
복합물 센서를 위한 양호한 2상 재료 중 하나는 산화세륨계 산화물이다. 산화세륨은 우수한 산소 저장 능력(oxygen storage capacity, OSC)을 갖고, 산소 부족 대기에 산소 빈자리를 형성하여 이들 빈자리를 산소 농후 대기로 채울 수 있는 것으로 공지되어 있다. 화학량론적으로 산화된 형태(CeO2)와 비화학량론적으로 환원된 형태(CeO2 -x)는 광범위한 온도 및 산소 분압에 대해 안정적이다. 본 발명은 H2S 민감성 재료가 제1 상에 존재할 때 H2S 센서의 가역성을 용이하게 하는 산화세륨의 특성을 이용한다. 도프되지 않은 산화세륨(CeO2)과, Zr 도프된 산화세륨(ZDC), La 도프된 산화세륨(LDC), Sm 도프된 산화세륨(SDC), Gd 도프된 산화세륨(GDC)와 같은 도프된 산화세륨을 비제한적으로 포함하는 다수의 산화세륨 조성물이 복합물 센서 공식으로 H2S를 감지하기 위해 사용될 수 있다. 복합물 재료의 제2 상으로서 사용될 때, 산화물계 산화세륨이 1 내지 99 중량 퍼센트 범위의 양으로 활성 금속 산화물 상에 추가될 수도 있다. 복합물 H2S 센서의 산화세륨계 상의 최적량은 특정 H2S 감지 적용예(즉, 기준 가스 조성물, 기준 가스의 온도 및, 검출되고 정량화될 필요가 있는 소정 범위의 H2S 내용물)에 의존적이다. 본 발명의 복합 물 H2S 센서를 시험하기 위해, GDC가 복합물 센서 공식의 제2 상으로서 사용된다.
본 발명의 H2S 센서에 이롭도록 단일 구성요소 또는 복합물 센서 공식 중 하나에 추가된 다른 제2 상이 또한 제공될 수도 있다. 예를 들어, H2S의 민감도가 더 높은 온도에서 요구되는 적용예를 위해서, 센서의 기준 저항을 증가시키도록 알루미나(Al2O3)가 불활성 및 절연 상으로서 추가될 수도 있다. Al2O3의 최적 추가량은 H2S 감지 적용예에 따라 1 내지 50 중량% 범위일 수도 있다. 최적의 황 민감도, 반응 시간 및 회복 시간을 위해 요구되는 황 흡착 및 비흡착(desorption) 반응의 촉매 작용(또는 촉진 작용)을 용이하게 하도록 신규한 금속 도펀트(dopant)가 또한 고려될 수도 있다. 신규한 금속 촉진제의 예는 루테늄, 로듐, 팔라듐, 백금, 금 및 은을 포함하고, 그 최적량은 특정 적용예에 따라 0.1 내지 10중량% 범위일 것이다. 제2 상 추가물의 조합이 필요에 따라 사용될 수도 있다.
이하의 예에서, 도1에 도시된 바와 같이, 평면 화학 저항 필름이 그들 상에 인쇄된 서로 맞물린 금 전극으로 알루미나 기판 상에 증착되었다. 전구 물질 분말은 산화 몰리브덴(MoO3)의 제2 상이 균질하게 분산되는 나노스케일 GDC (Ce0.90Gd0.10O2-x) 분말로 구성되었다. 필름의 테스팅은 295 내지 500˚C의 온도 범위에서 수행되었다. 체적비 90:10의 N2/H2 혼합물이 배경 가스(background gas)로 사용되었고, 이 스트림의 필름 저항이 기준으로서 취급되었다. 센서 반응은 10ppm H2S에 노출시킴에 따라 변화되는 필름 저항으로 측정되었다. 명확한 응답 시간은 센서 테스팅 장치의 대형 "불용 체적(dead volume)"에 영향받았다. 센서는 4일의 기간 동안의 연속 테스팅 동안 상기 온도 범위 내에서 여러 번 순환되었다. 도2 내지 도8은 295 내지 500˚C의 다양한 온도에서 N2/H2 배경의 10ppm H2S에 대한 5 중량% MoO3-95% 중량% GDC 센서의 반응을 도시한다. 이들 데이터는 수집된 순서로 표시되었다. 테스트 결과에 도시된 바와 같이, 센서의 특징은 다음을 포함한다.
1. 센서 공식은 10체적% H2를 함유하는 가스 스트림의 H2S에 대해 반응한다.
2. 센서는 가역적이고, 신호는 주어진 작동 동안, 또는 여러 번의 작동 사이에 순환 운동함에 따라 희미해지거나 감쇄되지 않는다.
3. H2S의 저항에 대한 기준 저항으로부터의 저항 퍼센트 변화로서 정의되는 민감도는 뚜렷하다.
4. 반응은 온도, 즉 낮은 온도에서는 더 높고 높은 온도에서는 더 낮은 온도에 관하여 선형적이다. 이는, 관심 대상인 가스 상태의 향상된 비흡착률로 인한 온도의 증가와 함께 감퇴하는 많은 형태의 저항성 센서의 민감도에 있어서도 일관되었다.
5. 시간이 지남에 따라, 주어진 온도에서 센서의 반응은 뚜렷하게 향상된 것으로 나타난다(예를 들어, 도2, 도5 및 도8).
감지 방식은 MoO3 함유 복합물에 제한적이지 않고, 이는 5 중량% MoO3-95% 중량% GDC 복합물에서만 볼 수 있는 것도 아니다. 1 내지 10 중량%까지 범위의 MoO3, WO3, TiO2, Sb2O3로부터 선택되는 제2 상을 갖는 GDC의 복합물은 N2/H2 혼합물의 10ppm H2S에 대한 반응을 또한 도시하였다. 5 중량% WO3-95% 중량% GDC 센서의 통상의 반응이 도9에 도시된다.
본 발명의 센서는 낮은 수소 내용물의 수소 질소 배경에서 초기 테스트되었다. 더 높은 수소 농도 환경에서의 테스트는 전반적인 센서 기구의 변경을 시사한다. GDC의 전도도가 산소 분압에 매우 의존적이라는 점을 고려하는 것은 의외가 아니다. 심지어 4배의 수소 농도에서도, 센서는 수소의 존재에 대해 여전히 민감하였지만, 그러나 저항은 황화수소의 존재에 대해 감소가 아닌 증가하는 것으로 보여진다. 이론에 구속되지 않아도, 이것은 그레인 경계 이동도/에너지에 관한 그레인 전자 에너지/이동도의 변화를 야기하는 산화세륨의 기본적인 본래의 전도도의 변경으로부터 야기할 수 있으므로(낮은 pO2의 결과로서 더 많은 전자가 그레인 내 평균 전자 에너지의 변경을 야기할 것임), 전도에 대한 쇼트키 장벽(Schottky barrier) 높이의 수정을 야기할 수 있다.
재료 조성물은 이산화 탄소(CO2)가 또한 포함되는 H2 농후 가스 스트림의 H2S을 모니터링하기 위해 서로 맞물린 전극의 화학저항 형식의 두꺼운 필름으로서 증착된다. 이 모드(화학 저항)에서, 센서 필름은 필름 저항의 변경을 통해 H2S의 존재에 대해 가역적으로 반응한다. 전구 물질 분말은 제2(및 제3) 상이 균질하게 분 산되는 나노스케일 GDC 분말로 구성된다. 테스팅은 295 내지 500˚C의 온도 범위에서 수행되었다. 센서 반응은 1 내지 10 ppm H2S에 노출됨에 따라 변경되는 필름 저항으로서 측정되었다. 센서는 4일의 기간에 걸친 연속 테스팅 동안에 상기 온도 범위 내에서 여러 번 순환되었다.
도10은 60% H2와, 27% H2와, 10% CO2와, 3% H2O로 구성된 가습 기준 가스에서 500˚C로 2.5와 5ppm H2S에 대한 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC 센서의 대표적인 반응을 도시한다. (알루미나는 상승된 온도에서 기준 저항을 증가시키도록 제3 상으로서 추가된다.) WO3, TiO2, Sb2O3를 포함하는 다른 제2 상 추가물이 H2S의 민감도를 위해 평가되었지만, MoO3가, 평가된 제2 상 추가물 중 최고 성능을 도시하였다. 도11 및 도12는 1ppm과 0.5ppm 각각의 H2S에 대한 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC 센서의 저항 반응을 도시한다.
상승된 온도에서 H2S 함유 수소 가스에 대한 MoO3-Al2O3-GDC 센서 필름의 사전 처리는 그 H2S 민감도에 매우 긍정적인 영향을 준다는 것이 발견되었다. 이 이로운 효과는 다른 온도(450 내지 600˚C 범위)에서 5 중량% MoO3-10% 중량% Al2O3-85 중량% GDC의 조성물을 갖는 센서를 5 ppm H2S에 30분동안 어닐링하고, 그후 더 낮은 온도(350 내지 450˚C 범위)에서 5 ppm H2S에 대한 센서의 민감도를 측정함으 로써 관찰되었다. 민감도 테스트를 위한 기준 가스는 3% H20로 가습된 33% H2와 67% N2의 가스 혼합물로 구성된다. 더 낮은 온도(350 내지 450˚C 범위)에서 5% H2S에 대한 사전 처리된 센서의 민감도가 그 후 측정되었다. 민감도에 있어 가장 명백한 개선점은 600˚C에서 사전 처리할 때 관찰되었다. 도13은 5ppm H2S로 H2에 600˚C에서 어닐링하기 전과 후, 450˚C에서 테스트된 5 중량% MoO3-15% 중량% Al2O3-80 중량% GDC 센서에 대한 민감도의 변화를 도표식으로 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 어닐링 사전 처리는 H2S 민감도를 30 내지 600퍼센트 증가시켰다.
고온의 사전 처리 단계를 사용함으로써, GDC-MoO3-Al2O3 센서의 민감도가 증가되고, 따라서, 도14 내지 도16에 도시된 바와 같이, 수소의 H2S의 정량적인 측정이 달성될 수 있었다. 25ppb만큼 낮은 H2S 내용물에 대한 민감도는 0 내지 100ppb H2S 범위 내에 선형적인 민감도로 달성되었다(도17 참조).
탄화수소계 연료로부터 에너지를 얻는 많은 연료 전지 시스템에 있어서는, 수소 농후 가스 스트림과는 다른 가스 스트림에서 황을 검출하는 것이 중요할 수도 있다. 예를 들어, 메탄 농후 가스 스트림에서 H2S를 검출하는 것이 유리할 것이다. MoO3-Al2O3-GDC 센서는 도18에 도시된 바와 같이, 98% CH4와, 2% H2로 구성된 건조 기준 가스에서 250ppb H2S에 대해 민감도가 있는 것이 발견되었다.
ABO4 구조(여기서, A=Ni, Cu 및 Zn)를 기초로 하는 텅스텐산염(tungstates) 및 몰리브덴산염(molybdates)이 단일 상 센서 재료로서 또는 산화세륨계 재료(예를 들어, GDC, 도프되지 않은 CeO2과, Zr 도프된 산화세륨, La 도프된 산화세륨)에 대한 제2 상 추가물로서 H2S 센서 조성물로 유용할 수도 있다. 실험은 NiWO4 화학 저항 센서로 수행되었다. NiWO4 조성물의 분말을 합성하기 위해, 75.63 그램의 WO3(Alfa-Aesar, 99.8%)와, 24.37 그램의 NiO(Novamet, 타입 A)이 500ml 날진 병(Nalgene bottle)의 이소프로페놀(isopropanol) 100ml와 3mm 둥근 지르코니아 미디어 200 그램으로 12시간 동안 볼 밀가공(ball milled) 되었다. 그 후, 재료는 100˚C에서 건조되었다. 건조된 분말은 100ml 고 알루미나 도가니에 배치되고 4시간 동안 1000˚C까지 하소된다(calcined). 분말은 부숴지고, 60 메쉬로 체질된 다음에 분말은 다시 밀가공되고 건조된다.
NiWO4 잉크는 8그램의 테르피네올계 잉크 용액과 30 그램의 분말을 조합시킴으로써 준비된다. 소형 초음파 탐침이 잉크 용액에 분말을 분산하는데 사용되었다. 추가의 분말이 약 8000cp의 점도로 잉크가 걸쭉해지도록 잉크에 천천히 추가된다. 잉크는 상호 맞물린 전극에 스크린 인쇄되었고, 센서 필름은 약 800 내지 900˚C 사이의 온도에서 어닐링되었다. 도19는 33% H2와 67% N2로 구성된 가습 기준 가스의 250 및 500ppb H2S에 대한 NiWO4 센서의 반응을 도시한다. 응답 시간이 꽤 긴 것처럼 보이지만, 이는 실제로 테스트에 사용된 비실용적인 센서 테스트 체 적의 결과이다. 반응 시간이 더 정확하게 평가되도록 수정된 테스팅 장치가 사용되었다. 도20은 니켈 텅스텐 센서의 반응 시간을 도시한다. 더 낮은 체적 기준으로부터의 반응 시간은 1분 미만이다. 활성 코팅으로서 NiWO4로 만들어진 센서는 50% CH4와 34% H2와 16% N2로 구성된 가습 기준 가스의 500ppb 수준에서 황을 또한 검출하였다(도21 참조).
장착된 히터는 환경에 관계없이 선택된 온도로 센서를 유지시키도록 사용될 수도 있다. 양호하게는, 히터는 알루미나계 접합제로 알루미나 기판의 후방측에 장착된다. 히터 필라멘트는 NiCr 코일이 아닌 백금, 루테늄 코일이고, 또는 다른 적절한 재료가 허용가능한 결과를 또한 산출할 수도 있다. 다른 센서 장치 지오메트리는 개시된 H2S 민감성 재료의 화학 저항 특성을 이용하는데 사용될 수도 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 기판의 그룹 또는 조건의 범위는 본 발명의 특정 특성(예를 들어, 테스팅 온도, 조성물 센서 공식의 중량 퍼센트 구성, 테스팅에 사용된 가스 구성의 퍼센트 등)으로 정의되고, 본 발명은 모든 특정 멤버 및 하위범위 또는 그 하위그룹의 조합에 관한 것이고 그것을 명백하게 병합한다. 임의의 특정 범위 또는 그룹은 모든 가능한 하위범위 및 그것을 포함하는 하위그룹뿐 아니라, 개별적인 범위 또는 그룹의 모든 멤버를 지칭하는 약칭으로 그리고, 임의의 하위범위 또는 그 하위그룹에 관하여 유사한 것으로 이해될 것이다.
본 발명의 특정 실시예가 상세히 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 기술사상 내에서 변경이 이루어질 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (19)
- 환원 환경에서 황화수소에 가역적으로 반응하는 황화물 민감성 조성물이며, 조성물은 2원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 3원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 3원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 4원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 4원 금속 산화물과, 그 조합으로부터 선택되는 황화물 민감성 조성물.
- 제1항에 있어서, 2원 금속 산화물은 ZnO, MoO3, WO3, NiO, CoO 및 그 조합으로부터 선택되는 황화물 민감성 조성물.
- H2S 센서이며,전극과,전극에 인가되는 제1항의 황화물 민감성 조성물을 포함하는 H2S 센서.
- 제3항에 있어서, 황화물 민감성 조성물은 잉크로서 전극에 인가되는 H2S 센서.
- 환원 환경에서 황화수소에 가역적으로 반응하는 황화물 민감성 조성물 재료이며, 조성물 재료는 2원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 3원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 3원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 4원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 4원 금속 산화물과, 그 조합으로부터 선택되는 금속 산화물과,산화세륨계 산화물 조성물을 포함하는, 환원 환경에서 황화수소에 가역적으로 반응하는 황화물 민감성 조성물 재료.
- H2S 센서이며,기판과,환원 환경에서 황화수소에 가역적으로 반응하는 황화물 민감성 조성물 재료를 포함하고,황화물 민감성 재료는 황화물 민감성 재료가 한 쌍의 전극에 연결되도록 기판 상에 증착되는 H2S 센서.
- 제6항에 있어서, 황화물 민감성 조성물은 2원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 3원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 3원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 4원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 4원 금속 산화물과, 그 조합으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 H2S 센서.
- 제6항에 있어서, 황화물 민감성 조성물은 적어도 하나의 산화세륨계 산화물 조성물과,2원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 3원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 3원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 4원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 4원 금속 산화물과, 그 조합으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 H2S 센서.
- 제8항에 있어서, 적어도 하나의 산화세륨계 산화물 조성물은 도프되지 않은 산화세륨과, 도프된 산화세륨 및 그 조합으로부터 선택되는 H2S 센서.
- 제6항에 있어서, 1 내지 50 중량%까지의 알루미나를 더 포함하는 H2S 센서.
- 제10항에 있어서, 0.1 내지 10 중량%까지의 루테늄, 로듐, 팔라듐, 백금, 금, 은 및 그 조합으로부터 선택되는 촉진제를 더 포함하는 H2S 센서.
- H2S 센서이며,기판과,기판 상에 증착되는 서로 맞물린 전극과,화학저항 형식의 두꺼운 필름으로서 서로 맞물린 전극 상에 증착되는 황화물 민감성 조성물 재료를 포함하고,황화물 민감성 조성물 재료는 (1) 5 중량%의 MoO3, 10 중량%의 알루미나, 및 GDC와, (2) 5 중량%의 NiWoO4, 10 중량%의 알루미나, 및 GDC로부터 선택되는 조성물을 포함하는 H2S 센서.
- 제6항 또는 제12항에 있어서, 0.1 내지 10 중량%까지의 루테늄, 로듐, 팔라듐, 백금, 금, 은 및 그 조합으로부터 선택되는 촉진제를 더 포함하는 H2S 센서.
- 제6항 또는 제12항에 있어서, 센서는 450 내지 600˚C의 온도에서 황화수소 가스를 함유하는 수소 가스 스트림에 노출됨으로써 사전 처리되는 H2S 센서.
- 제14항에 있어서, 사전 처리 온도는 600˚C인 H2S 센서.
- H2S 센서 제조 방법이며,2원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 3원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 3원 금속 산화물과, 몰리브덴을 함유하는 4원 금속 산화물과, 텅스텐을 함유하는 4원 금속 산화물과, 그 조합으로부터 선택되는 금속 산화물과, 산화세륨계 산화물 조성물을 포함하는 황화물 민감성 조성물 재료를 선택하는 단계와,화학저항 형식의 두꺼운 필름으로서 기판 상에 황화물 민감성 조성물 재료를 증착시키는 단계와,황화물 민감성 조성물 재료에 한 쌍의 전극을 연결시키는 단계를 포함하는, H2S 센서 제조 방법.
- 제16항에 있어서, 황화물 민감성 조성물은 1 내지 50 중량%까지의 알루미나를 더 포함하는, H2S 센서 제조 방법.
- 제16항 또는 제17항에 있어서, 0.1 내지 10 중량%까지의 루테늄, 로듐, 팔라듐, 백금, 금, 은 및 그 조합으로부터 선택되는 촉진제를 더 포함하는, H2S 센서 제조 방법.
- 제16항에 있어서, 450 내지 600˚C의 온도에서 황화수소 가스를 함유하는 수소 가스 스트림에 노출됨으로써 센서를 사전 처리하는 단계를 더 포함하는, H2S 센서 제조 방법.
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