排ガス水分（湿度）のオンラインモニタリング技術の応用 -2

イオンフロー（ジルコニア）

綿密な理論研究と多数の実験に基づき、イオンフローセンサーが正確な湿度測定を実現できることが検証された。湿度測定は、センサーの陰極と陽極に印加する電圧を調整することで可能となる。この発見は、従来の湿度センサーが高温環境（例えば100℃以上）では効果的に動作できないという課題を解決するものである。

安定化ZrO2の両面に白金電極がコーティングされている。陰極側にはガス拡散孔を備えたカバーが取り付けられ、陰極空洞が形成される。一定の温度で、ZrO2の陽極と陰極間に特定の動作電圧を印加すると、空洞内の酸素分子が陰極で電子を受け取り、酸素イオン（O2-）を生成する。O2-はZrO2中の酸素空孔を通って陽極に移動し、電子を放出して酸素分子に変換され、外部に放出される。この現象は電気化学ポンプとして知られている。このようにして、陰極空洞内の酸素はZrO2電解質によって空洞から連続的に排出され、酸素イオンは陰極からZrO2を通って陽極へと流れ、酸素イオン電流が形成される。測定対象雰囲気中の酸素濃度が一定になると、ジルコニアセンサーの出力電流は印加電圧の増加に伴って増加せず、一定値に達する。この定電流値は、その酸素濃度における限界電流値と呼ばれ、これを第1限界電流値と呼びます（図1-A参照）。この動作原理に基づき、測定対象雰囲気中に水蒸気が含まれている場合、印加動作電圧を上げると水蒸気が酸素イオンに電離されます。同様に、測定対象雰囲気中の水蒸気濃度が一定の場合、ジルコニアセンサーは定電流値を出力します。これを第2限界電流値と呼びます（図1-B参照）。第1段階の電流値I1と第2段階の電流値I2は、それぞれ酸素分圧と水蒸気を含む雰囲気中の酸素分圧に比例します。

排ガス中の酸素濃度は第1限界電流に基づいて算出でき、排ガス中の湿度は第2限界電流と第1限界電流の差に基づいて算出できます。そのため、限界電流ジルコニア方式を採用した湿度計は、他の方式を採用したものに比べて明確な利点があります。酸素検出が主機能であり、湿度測定には酸素測定が必須であるため、別途酸素分析計を設置する必要がありません。1台の湿度計で両方の測定データを同時に取得できます。

吸引式高温湿度計は、中国国内の複数の企業によって製造されている。ここでは、例としてChang Ai社の製品を紹介する。

腐食性雰囲気によるセンサー電極への影響に対処するため、Chang Aiはジルコニア-白金触媒電極材料を改良し、ナノ化学合成技術を用いて新規電解質材料を採用しました。この手法により、廃棄物焼却プラント、鉱石焼成プラント、セラミック工場、発電所などから排出される高SO2排ガスにおける電極腐食と短い耐用年数という課題を解決しました。さらに、電流制限型センサーの基盤の上に、Chang Aiは2つの酸素センサーを1つのチップ上に同時焼成するという大胆なイノベーションを実現し、単一の酸素センサーでは動的酸素と電解湿潤酸素を同時に測定できないという課題を完全に解決しました。

3Dイオンフローデバイスは、デュアルイオンフローセンシングユニットを採用しています。一方のユニットは水蒸気と酸素の含有量を測定し、もう一方のユニットは純粋な酸素の含有量を測定します。異なる電圧を印加して酸素イオンをイオン化し、水蒸気と混合することで、電流測定によって酸素イオンと水蒸気の含有量を取得できます。このセンサーは、高温耐性と耐汚染性を備えており、過酷なガス環境下でも安定して動作します。その原理と構造を図4に示します。

図（4）イオンフロー湿度センサーの構造

CI-PC196 3Dイオンフロー湿度計は、高温サンプリングプローブと装置制御ユニットで構成されています（図5参照）。制御ユニットは、自動逆洗機能と自動校正機能をサポートしています。プローブには、内部での結露を防ぐためのヒートトレース機能が搭載されており、先端には焼結ステンレス鋼またはセラミック製のフィルターが取り付けられています。

図（５）CI-PC196高温湿度計

このプローブは、煙道内に挿入される一次フィルター、サンプリングチューブ、パージ実行ユニット、および煙道外の常温端に配置されたセンサーを備えています。高温の排ガスは、圧縮空気で駆動されるエジェクターポンプによって煙道から抽出されます。排ガスはセンサー入口から流入し、空気出口から排出されます。圧縮空気の圧力と流量を制御することで、吸引されるガスの流量を調整できます。このプローブは、直接挿入型の濃度測定式ジルコニアプローブとは異なる動作原理を持つ電流式酸素センサーです。高温条件下では、酸素イオンの移動によりジルコニア（ZrO2）材料が導電性になります。温度が650℃を超えると酸素イオンが移動し、酸素濃度が増加すると、イオン流量の増加に比例して電流が増加します。

従来のポリマー、電解質、セラミック湿度センサーと比較して、本装置は構造設計、試験方法、動作原理において全く異なり、優れた耐熱性と耐腐食性（600℃を超える温度でも動作）を備えているため、200℃以上の高温環境でも使用可能です。また、分解電圧下での水蒸気の分解量に基づいて水分含有量を測定するため、優れた選択性を実現しています。さらに、この原理により、湿度と出力酸素濃度を同時に測定できます。環境保護、染色、木材、建材、製紙、化学、繊維、製薬業界、食品、タバコ、野菜、穀物の加工・保管分野など、幅広い用途で活用されています。