Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor,
der überlegen ist hinsichtlich Ansprecheigenschaft
und der klein dimensioniert sein kann.
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Ein Sensor für verschiedene Gase wie Sauerstoff,
Wasserstoff, Wasserstoffperoxid, Ammoniak,
Kohlendioxid und dergl. wurde bis jetzt in einem breiten
Bereich technischer Gebiete verwendet. Ein
gewöhnlicher Sensor trennt einen bestimmten
Gasbestandteil aus gemischten Gasen ab, um die Konzentration
des bestimmten Gases mittels einer
Nachweisvorrichtung festzustellen. Für die Abtrennung von den
gemischten Gasen wird eine gasdurchlässige Membran
verwendet, die selektiv das bestimmte Gas
durchtreten läßt, und der Nachweis des bestimmten Gases in
den gemischten Gasen wird z.B. durchgeführt, indem
man elektrische Energie mißt, nachdem die
Konzentration des abgetrennten Gases in die elektrische
Energie umgewandelt wurde. In der französischen
Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2 304 081 ist
ein Gassensor offenbart, der eine poröse,
hydrophile katalytische Schicht verwendet, an der eine
gasdurchlässige hydrophobe Schicht befestigt ist.
Die Oxidationsreaktion findet an der Grenzfläche
zwischen den zwei Schichten statt. In der
europäischen Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr.
0 126 623 ist ein Gassensor offenbart, bei dem ein
poröser, hydrophiler, isolierender Separator (10)
zwischen den zwei Elektroden (5 und C) angeordnet
ist. Im US-Patent Nr. 3 668 101 ist eine
Drei-Kornponenten-Membranelektrode offenbart, die in Folge
eine gasdurchlässige Membran, eine elektrisch
leitfähige Schicht und eine poröse Schutzschicht,
die als eine Diffusionssperre für in dem
Elektrolyten gelöstes Gas wirkt, aufweist.
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Fig. 1 ist ein vertikaler Querschnitt, der ein
Beispiel eines üblichen Gasnachweissensors zeigt.
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Der Sensor besteht aus einer oberen gebogenen
durchlässigen Membran A, die ein spezifisches Gas
durchtreten läßt; einer Platinelektrode E, die
besteht aus einem gebogenen Bereich B, der im
wesentlichen von gleicher Form ist wie die per
meable Membran A, einem horizontalen Bereich C, der
sich vom Basisbereich des gebogenen Bereichs B nach
innen erstreckt, und einem zylindrischen Bereich D,
der mit der inneren Kante des horizontalen Bereichs
C verbunden ist; einem isolierten Bereich F, der an
der äußeren Oberfläche des horizontalen Bereichs C
und des zylindrischen Bereichs D der
Platinelektrode E angeordnet ist; und einer Gegenelektrode G,
die den unteren Bereich des isolierten Bereichs F
umgibt. Ein Elektrolyt H ist in den Raum zwischen
der durchlässigen Membran A und dem gebogenen
Bereich B der Elektrode und in den Raum um den
isolierten Bereich F gefüllt.
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Wenn der übliche Sensor mit dem so erwähnten Aufbau
verwendet wird, werden aus dem oberen Raum, wie
durch die Pfeile gezeigt, gemischte Gase der
durchlässigen Membran A des Sensors zugeführt. Ein
spezifischer Bestandteil des gemischten Gases, z.B.
Wasserstoff, durchdringt selektiv die durchlässige
Membran A, um in dem Elektrolyten H gelöst zu
werden, so daß der gelöste Wasserstoff den gebogenen
Bereich B der Platinelektrode E erreicht, auf der
der Wasserstoff zu einem Wasserstoffion ionisiert
wird. Das Ion erreicht die Gegenelektrode G durch
die Bewegung des Elektrolyten H, und die
Wasserstoffkonzentration in den gemischten Gasen wird
festgestellt, indem man die zwischen der
Platinelektrode E und der Gegenelektrode G erzeugte
Spannung mißt. Der Sensor dieses Typs wird Spannungstyp
genannt. Andererseits ist auch ein gängiger Typ
bekannt, bei dem die Oxidation oder Reduktion des
nachgewiesenen Gases tatsächlich in der
Platinelektrode ausgeführt wird, und die festgestellte
Gaskonzentration durch Messen des während der
Oxidation oder Reduktion erzeugten Stroms bestimmt wird.
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Da jedoch die Bewegungsgeschwindigkeit des
spezifischen Gases in dem Elektrolyten H zwischen der
durchlässigen Membran A und dem gebogenen Bereich B
ziemlich langsam ist, wenn diese Verfahren
verwendet werden, ist eine relativ lange Zeitdauer
erforderlich, bevor das Gas nachgewiesen wird. Wenn die
Membran A und der gebogene Bereich B näher
zusammengebracht werden, um die erforderliche Zeit
abzukürzen, steigt der Widerstand gegen die Bewegung
des Elektrolyten H aus dem Raum zwischen ihnen zu
der Gegenelektrode G. In jedem Fall hat der Sensor
den Nachteil, hinsichtlich der Ansprecheigenschaft
unterlegen zu sein.
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Weiterhin sind übliche Sensoren einschließlich dem
in der beigefügten Zeichnung gezeigten, im
allgemeinen groß, so daß ein kleiner dimensionierter
Sensor gefordert wird, um den Bedarf nach Abnahme
der Installierungsfläche zu erfüllen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gassensor
zu schaffen, der die oben angegebenen Nachteile des
üblichen Sensors überwindet.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen
Gassensor zu schaffen, der hinsichtlich der
Ansprecheigenschaft überlegen ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen
klein dimensionierten Gassensor zu schaffen.
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Die vorliegende Erfindung ist ein Gassensor, der
eine Membran zum Aufspüren von Gas aufweist, welche
für ein bestimmtes Gas selektiv durchlässige
Membran und eine daran befestigte Reaktionsschicht
aufweist; und eine Gegenelektrode, die von der
Reaktionsschicht der Membran durch einen
Elektrolyten getrennt ist; wobei die Reaktionsschicht die
Funktion einer Elektrode besitzt und dünne
hydrophile Bereiche und dünne hydrophobe Bereiche
aufweist.
Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein vertikaler Teilschnitt, der ein
Beispiel für einen üblichen Gassensor zeigt.
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Fig. 2 ist ein schematischer, vertikaler
Teilschnitt, der eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Gassensors zeigt; und
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Fig. 3 ist ein schematischer, vertikaler
Teilschnitt, der eine andere Ausführungsform zeigt.
Genaue Beschreibung der Erfindung
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Ein Sensor nach vorliegender Erfindung wird für den
Nachweis eines spezifischen Gases in gemischten
Gasen verwendet, z.B. für den Nachweis eines
Verunreinigungsgases in einem im Handel verfügbaren Gas.
Hinsichtlich der Art des Gases ist der Gegenstand
der Erfindung nicht in bestimmter Weise beschränkt,
und die vorliegende Erfindung kann für den Nachweis
eines jeden einer großen Zahl an Gasen wie
Sauerstoff, Wasserstoff, Wasserstoffperoxid, Ammoniak,
Kohlensäuregas oder dergl. verwendet werden.
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Eine für ein bestimmtes Gas selektiv durchlässige
Membran ist eine Membran zum Abtrennen eines
spezifischen, nachzuweisenden Gases aus gemischten
Gasen. Obwohl die für ein selektives Gas
durchlässige Membran aus einer Hauptmembran zur Gastrennung
bestehen kann, kann sie auch eine Kompositmembran
sein, die die Hauptmembran und eine daran
befestigte Hilfsmembran zwecks erhöhter Stärke und
elektrischer Leitfähigkeit aufweist. In diesem Fall ist
die Hauptmembran an der Seite der gemischten Gase
angeordnet, und die Hilfsmembran ist angeordnet in
einer Reaktionsschicht-Seite, die unten beschrieben
wird. Als die Hauptmembran kann irgendeine übliche
Membran, insbesondere eine dünne, aus einem
organischen Polymer hergestellte Membran, verwendet
werden, und sie wird natürlich in Abhängigkeit von
den verwendeten gemischten Gasen und dem
nachgewiesenen spezifischen Gas geeignet ausgewählt. Neofron
(Handelsname von Daikin Kogyo K.K.) kann z.B.
verwendet werden, um O&sub2;-Gas aus den aus dem O&sub2;-Gas und
N&sub2;-Gas bestehenden gemischten Gasen nachzuweisen.
Die Hilfsmembran ist bevorzugt aus einem
hydrophoben Material ähnlich dem des hydrophoben
Bereichs einer unten angeführten Reaktionsschicht
hergestellt. Darüber hinaus ist sie bevorzugt
porös, um nicht die Bewegung des spezifischen Gases
zu verhindern.
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Die an der für ein bestimmtes Gas selektiv
durchlassigen Membran (der Hilfsmembran-Seite im Falle
der Kompositmembran) befestigte Reaktionsschicht
weist feine hydrophile Bereiche und hydrophobe
Bereiche auf. Die hydrophilen Bereiche der
Reaktionsschicht weisen z.B. Platin, hydrophilen Ruß,
Polytetrafluorethylen (im folgenden bezeichnet als
PTFE) und dergl. auf, und die hydrophoben Bereiche
weisen hydrophoben Ruß, PTFE und dergl. auf. Um die
Reaktionsschicht herzustellen können, z.B. nachdem
jedwede feine Partikel gemischt und hin- und
herbewegt sind, die hin- und herbewegten Partikel
druckgeformt werden durch Heißpressen und dergl. Obwohl
wünschenswerterweise Platinpartikel in der
Reaktionsschicht als Elektrodenmaterial eingebettet
sind, weil die Reaktionsschicht auch die Rolle
spielt, die derjenigen einer Elektrode entspricht,
die der für ein bestimmtes Gas selektiv
durchlässigen Membran eines herkömmlichen Sensors nahe ist,
sind die Partikel nicht unentbehrlich, weil der Ruß
oder dergl. auch die Elektroden-Katalysatorfunktion
besitzt.
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Eine Gegenelektrode zur Reaktionsschicht kann eine
aus irgendeinem Material hergestellte Elektrode
sein, aber eine übliche Elektrode wie eine in einem
üblichen Sensor verwendete Silberelektrode und
dergl. wird bevorzugt verwendet.
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Wenn der Sensor mit der dergestalt angeführten
Zusammensetzung für den Nachweis eines spezifischen
Gases in gemischten Gasen verwendet wird,
durchdringt nur das spezifische Gas in den gemischten
Gasen die für ein bestimmtes Gas selektiv
gasdurchlässige Membran, um die Reaktionsschicht zu
erreichen, und dringt in deren hydrophobe Bereiche
ein. Andererseits dringt ein Elektrolyt in die
hydrophoben Bereiche der Reaktionsschicht ein.
Daher wird das spezifische Gas leicht in dem
Elektrolyten an der Grenzfläche zwischen den
hydrophilen Bereichen und den hydrophoben Bereichen der
Reaktionsschicht gelöst, und wird ionisiert. Das
Ion in dem Elektrolyten bewegt sich zu der
Gegenelektrode nahe an der Reaktionsschicht, da zwischen
der Gegenelektrode und der Reaktionsschicht eine
Spannungsdifferenz erzeugt wird. Das spezifische
Gas, das die Reaktionsschicht erreicht hat, und
daher die Konzentration des spezifischen Gases in
den gemischten Gasen, kann nachgewiesen werden,
indem man die Spannungsdifferenz mittels einer
geeigneten Einrichtung feststellt.
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Bei dem üblichen Sensor bewegt sich das spezifische
Gas im Gaszustand in dem Elektrolyten H zwischen
der durchlässigen Membran A und dem gebogenen
Bereich B (Gasbewegung in Flüssigkeit erzeugt
extremen Widerstand), und der Nachweis kann nur
ausgeführt werden, nachdem der das Ion lösende
Elektrolyt H sich durch den engen Raum bewegt, um die
Seite der Gegenelektrode G zu erreichen, so daß
natürlicherweise die Ansprechgeschwindigkeit
bemerkenswert abnimmt. Da andererseits das spezifische
Gas, das die für ein bestimmtes Gas selektiv
durchlässige Membran in vorliegender Erfindung
durchdrungen hat, in dem Elektrolyten in der
Reaktionsschicht, die in Kontakt mit der für ein bestimmtes
Gas selektiv durchlässigen Membran ist, gelöst
wird, um ionisiert zu werden, und der das Ion
lösende Elektrolyt leicht die benachbarte
Gegenelektrode erreichen kann, kann die Ansprechzeit
stark abgesenkt werden und die Maße der Vorrichtung
können leicht kleiner gemacht werden, weil extra
Ausrüstung und Raum nicht erforderlich sind.
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Die Erfindung wird nun durch ein Beispiel
erläutert, das jedoch lediglich beispielhaft für die
Durchführung der Erfindung und nicht als sie
beschränkend betrachtet werden soll.
Beispiel
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Nachdem hydrophiler Ruß, der einen mittleren
Partikeldurchmesser von 420 Ä hatte und 10%
Platinpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von
50 Å trug, PTFE-Partikel mit einem mittleren
Partikeldurchmesser von 0,3 µ und hydrophober Ruß mit
einem mittleren Partikeldurchmesser von 420 Å im
Verhältnis von 4:3:3 gemischt waren, wurde die
Mischung bei dem Druck von 200 kg/cm² und bei 320ºC
heißgepreßt, um eine Reaktionsschicht 1 mit einer
Dicke von etwa 0,1 mm herzustellen. Dann wurde
Neofron-Membran mit einer Dicke von 25 µ von Daikin
Kogyo K.K. als eine selektiv gasdurchlässige
Membran verwendet, so daß die beiden bei dem Druck von
100 kg/cm² und 300ºC zusammengebracht wurden, um
eine Sensormembran 3 herzustellen.
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Eine Silberelektrode 4 wurde als eine
Gegenelektrode nahe der Sensormembran 3 eingerichtet, und ein
Elektrolyt 5 wurde zwischen die Reaktionsschicht 1
und die Silberelektrode 4 eingefüllt, um einen
Gassensor zu bilden. Wenn ein vorher hergestelltes
Stickstoffgas, das 100 ppm Wasserstoffgas enthielt,
zu der Seite des Sensors mit der selektiv
gasdurchlässigen Membran 2 zugeführt wurde, so daß die
Konzentration an Wasserstoffgas mittels der
erzeugten Spannungdifferenz nachgewiesen wurde, wurde das
Vorhandensein von 100 ppm des Wasserstoffgases an
der Nachweisseite nach 2,6 Sekunden angezeigt. Die
selektiv gasdurchlässige Membran 2 dieses Beispiels
ist nicht eine in Fig. 1 gezeigte Einzelmembran,
sondern kann eine Kornpositmembran sein, die eine
Hauptmembran 6 mit der gleichen Funktion wie der
der selektiv gasdurchlässige Membran 2 und eine
Hilfsmembran 7 zum Erhöhen der Stärke aufweist, wie
in Fig. 3 gezeigt.
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Wenn dann der Nachweis des Wasserstoffgases in den
gleichen gemischten Gasen unter Verwendung des in
Fig. 1 gezeigten Sensors durchgeführt wurde, wurde
das Vorhandensein von 100 ppm des Wasserstoffgases
an der Nachweisseite nach 46 Sekunden angezeigt.