JP2002350384A - ガルバニ電池式酸素センサ - Google Patents

ガルバニ電池式酸素センサ

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JP2002350384A
JP2002350384A JP2001153759A JP2001153759A JP2002350384A JP 2002350384 A JP2002350384 A JP 2002350384A JP 2001153759 A JP2001153759 A JP 2001153759A JP 2001153759 A JP2001153759 A JP 2001153759A JP 2002350384 A JP2002350384 A JP 2002350384A
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cell type
galvanic cell
negative electrode
oxygen sensor
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Naohisa Kitazawa
直久 北澤
Ryoji Iwanami
良治 岩波
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Japan Storage Battery Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】信頼性および安全性が極めて高く、しかも長寿
命のガルバニ電池式酸素センサを提供する。 【解決手段】正極と負極と電解液と多孔性膜とを備え、
前記正極は触媒電極と正極集電体からなり、前記負極は
負極室内に設けられたガルバニ電池式酸素センサにおい
て、電解液保持材が正極および負極室開口部に接して設
けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、正極と負極と電解
液と多孔性膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサに関
する。
【0002】
【従来の技術】ガルバニ電池式酸素センサは、小型、軽
量であるとともに常温で作動し、しかも安価であるため
船倉やマンホールの酸欠状態のチェックや麻酔器、人工
呼吸器などの医療機器における酸素濃度の検出等、広い
分野で使用されている。
【0003】従来、広く実用に供されているガルバニ電
池式酸素センサは、正極と負極と電解液と多孔性膜とを
備えている。従来のガルバニ電池式酸素センサの一般的
な断面構造を図2に示す。図2において、1は中蓋、2
はO−リング、3は多孔性膜、4は触媒電極、5は正極
集電体、6は正極リード線、7は負極室、8は負極室開
口部、9は電解液、10は負極、11は負極リード線、
12はホルダー本体、13はホルダー蓋、14は電解液
供給用の穿孔、15はリード線用の穿孔、16はホルダ
ー保持部、17は第1の電解液保持部材、18は第2の
電解液保持部材であり、触媒電極4と正極集電体5とで
正極を構成する。
【0004】図2に基づいてガルバニ電池式酸素センサ
の動作原理を述べる。酸素を選択的に透過させかつ透過
量を電池反応に見合うように制限する多孔性膜3を通っ
てきた酸素は、酸素が電気化学的に還元するのに有効な
触媒電極4において還元され、電解液9を介して負極1
0との間で次のような電気化学反応を起こす。
【0005】電解液が酸性の場合 正極反応:O2+4H+4e → 2HO 負極反応:2Pb+2HO → 2PbO+4H+4
全反応 :2Pb+ O2 → 2PbO 電解液がアルカリ性の場合 正極反応:O2+2HO+4e → 4OH 負極反応:2Pb+4OH → 2PbO+2HO+
4e 全反応 :2Pb+ O2 → 2PbO 電解液が酸性の場合とアルカリ性の場合とでは電荷の担
い手は異なるが、いずれの場合も触媒電極4と負極10
との間に酸素濃度に応じた電流が生じる。触媒電極4上
の正極反応によって生じた電流は、中蓋1とそれを締め
付けるホルダー蓋13によって触媒電極4に圧接された
正極集電体5で集電され、正極集電体5と一体化された
正極リード線6によって外部に導かれる。電流は通常温
度補償用のサーミスター素子を通して負極に流れ込むこ
とによって、電圧信号に変換されセンサ出力として電圧
が得られる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来のガルバニ電池式
酸素センサでは、センサの置かれる方向性に依らず、正
負両極の反応を円滑に行わせるために、正極近傍に第1
の電解液保持材17を、負極近傍に第2の電解液保持材
18を別々に配置し、両極間の円滑な電解液流通を計っ
ていた。正極側に配置した第1の電解液保持材17は、
ホルダー保持部16によって支えられているため、第1
の電解液保持材17と第2の電解液保持材18の間の電
解液流通はセンサ容器に設けた電解液供給用の穿孔14
を通して行われていた。
【0007】しかし、振動や衝撃、熱などの印加によっ
てセンサ内部のバッファー空気がセンサ容器に設けた電
解液供給用の穿孔14の内部に入り込む場合があり、そ
れ以降、振動や衝撃などの印加によって、電解液供給用
の穿孔部14に溜まった空気が電極と直接反応し、外気
の酸素濃度に見合わない出力電圧が検出されることがあ
った。
【0008】また、穿孔の径はホルダーの加工上、比較
的大きいために、穿孔内への電解液充填量が少なくなり
空気層が形成されることがあった。そのため、長期間使
用したセンサでは穿孔内に空間層が形成されやすく、空
気層によって正極−負極間の電解液流通が阻害されるた
めに、出力低下が起こりやすくなったり、応答速度が遅
くなるという問題があった。
【0009】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、その目的は、正極−負極間に空気層を形成
させないようにすることにより、信頼性および安全性が
極めて高く、しかも長寿命のガルバニ電池式酸素センサ
を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、正極
と負極と電解液と多孔性膜とを備え、前記正極は触媒電
極と正極集電体からなり、前記負極は負極室内に設けら
れたガルバニ電池式酸素センサにおいて、電解液保持材
が正極集電体および負極室開口部に接して設けられてい
ることを特徴とする。
【0011】請求項2の発明は、正極と負極と電解液と
多孔性膜とを備え、前記正極は触媒電極と正極集電体か
らなり、前記負極は負極室内に設けられたガルバニ電池
式酸素センサにおいて、電解液保持材が正極集電体およ
び負極に接して設けられていることを特徴とする。
【0012】請求項1または請求項2の発明によれば、
正極−負極間が常に電解液で連絡されており、イオンの
移動がきわめて円滑に行われるため、信頼性および安全
性が極めて高く、しかも長寿命のガルバニ電池式酸素セ
ンサを得ることができる。
【0013】
【発明実施の形態】本発明になるガルバニ電池式酸素セ
ンサの断面構造の一例を図1に示す。図1における記号
1〜13は図2と同じものを示しており、19は電解液
保持材、20は電解液保持材押さえである。
【0014】本発明になるガルバニ電池式酸素センサに
おいては、正極−負極間に空気層を形成させないことを
目的として、センサ容器に設けた電解液供給用の穿孔部
分を取り除き、正極−負極間に空気層を形成させないよ
うにするものである。
【0015】そのひとつの例としては、図1に示したよ
うに、電解液保持材19を正極集電体5および負極室開
口部8に接して設けることを特徴とする。さらに、電解
液保持材19が振動等により正規の位置からずれないよ
うにするために電解液保持材押さえ20を使用する。な
お、電解液保持材19の材質としては、正極集電体5側
と負極開口部8側とで違う材質のものを使用してもよい
し、同じ材質のものを使用してもよい。また、正極集電
体5側と負極開口部8側とで分離していてもよいし、あ
るいは一体型としてもよい。また、正極集電体5側と負
極開口部8側とで大きさが異なっていてもよいし、ある
いは同じであってもよい。
【0016】本発明になるガルバニ電池式酸素センサの
断面構造の他の例を図3に示す。図3における記号1〜
20は図1と同じものを示している。この例では、図3
に示したように、電解液保持材19を正極集電体5およ
び負極10に接して設けることを特徴とする。この場合
も、電解液保持材19としては、正極集電体5側と負極
10側とで違う材質のものを使用してもよいし、同じ材
質のものを使用してもよい。また、正極集電体5側と負
極10側とで分離していてもよいし、あるいは一体型と
してもよい。また、正極集電体5側と負極10側とで大
きさが異なっていてもよいし、あるいは同じであっても
よい。
【0017】本発明の構造とすることにより、ガルバニ
電池式酸素センサが大きく傾いた状態で使用されても、
また、長期間使用された場合においても、常に電解液保
持材には電解液が保持され、正極−負極間に空気層が形
成されず、正極−負極間が常に電解液によって連絡され
ており、イオンの移動がきわめて円滑に行われるもので
ある。
【0018】
【実施例】以下、本発明を好適な実施例を用いて説明す
る。
【0019】[実施例1]電解液保持材が正極集電体お
よび負極室開口部に接して設けられているガルバニ電池
式酸素センサを作製し、これをガルバニ電池式酸素セン
サAとした。
【0020】ガルバニ電池式酸素センサAの断面構造は
図1と同様である。図1において、中蓋1はABS樹脂
製、2はO−リング、多孔性膜3は多孔性四フッ化エチ
レン樹脂膜、触媒電極4は金をスパッタした四フッ化エ
チレン六フッ化プロピレンコポリマー膜からなる隔膜、
正極集電体5はチタン製で、チタン製の正極リード線6
と溶接して一体化されている。
【0021】電解液9は酢酸と酢酸カリウムと酢酸鉛の
混合水溶液、負極10は鉛、ホルダー本体12およびホ
ルダー蓋13はABS樹脂製である。ホルダー本体12
およびホルダー蓋13には、それぞれネジが切られてい
る。中蓋1、O−リング2、多孔性膜3、触媒電極4、
正極集電体5は、ホルダー本体12とホルダー蓋13と
のネジ締めによって押圧され、良好な接触状態が保持さ
れる。中蓋1は押圧端板として機能し、多孔性膜3は触
媒電極4としての金スパッタ隔膜の表面の汚れを防止さ
せるためのものである。また、O−リング2によって気
密、液密性が確保される。
【0022】電解液保持材19は正極集電体5および負
極室開口部8に接して設けられている。そのため、電解
液保持材19によって、負極室7の内部に多く存在する
電解液9を正極側の触媒電極4である金スパッタ隔膜に
円滑に流通させ、常に触媒電極4と負極10間の電解液
による連絡が保たれている。電解液保持材19の位置を
固定するための電解液保持材押さえ20はABS樹脂製
である。
【0023】[実施例2]電解液保持材が正極集電体お
よび負極に接して設けられているガルバニ電池式酸素セ
ンサを作製し、これをガルバニ電池式酸素センサBとし
た。
【0024】ガルバニ電池式酸素センサBの断面構造は
図3と同様である。それぞれの部品の材料は、ガルバニ
電池式酸素センサAと同じものを使用した。ガルバニ電
池式酸素センサBにおいては、電解液保持材19は正極
集電体5および負極10に接して設けられている。その
ため、電解液保持材19によって、負極室7の内部に多
く存在する電解液9を正極側の触媒電極4である金スパ
ッタ隔膜に円滑に流通させ、常に触媒電極4と負極10
間の電解液による連絡を保たれている。
【0025】[比較例]比較例としての、従来のガルバ
ニ電池式酸素センサの断面構造は図2に示したのと同じ
であり、それぞれの部品の材料はガルバニ電池式酸素セ
ンサAと同じものを使用し、これをガルバニ電池式酸素
センサCとした。ガルバニ電池式酸素センサCにおいて
は、正極側に第1の電解液保持材17および負極側に第
2の電解液保持材18が設けられ、電解液保持材17お
よび18は、ホルダー保持部16に支えられており、正
極集電体5側と負極10側との電解液流通を行うための
穿孔14を設けている。15は正極集電体のリード線部
分をはめ込むための穿孔である。
【0026】実施例1で得られた本発明によるガルバニ
電池式酸素センサをA、実施例2で得られた本発明によ
るガルバニ電池式酸素センサBおよび比較例で得られた
ガルバニ電池式酸素センサCを、温度40℃中、100
%酸素ガスを通気して加速的寿命試験をおこなった。4
0℃では室温時の約2倍、100%酸素ガス通気で大気
中での約5倍の電気化学反応が進行するため大気中、室
温放置時の約10倍のスピードで寿命判断が可能であ
る。
【0027】加速寿命試験で出力の推移を調べたとこ
ろ、本発明のガルバニ電池式酸素センサAおよびBは試
験開始後6ヶ月経過したセンサでも出力の低下が小さ
く、センサを大気中に戻した場合でも安定した特性を示
した。一方、比較例のガルバニ電池式酸素センサCは、
加速寿命試験中の出力低下がセンサAおよびBと比較し
て早期であり、それに伴って大気中で出力不安定を示す
センサや振動試験で出力上昇するセンサがあった。
【0028】これらの結果は本発明によるガルバニ電池
式酸素センサAおよびBにおいては、正極集電体−負極
間の電解液流通が良好であり、正極集電体−負極間が常
に電解液によって連絡されているために、長期間使用後
でも初期と同等出力の安定したセンサ出力を取り出せて
いること示している。
【0029】
【発明の効果】本発明にかかるガルバニ電池式酸素セン
サは、想定される使用状況において、長期間使用された
場合でも、正極−負極間に空気層が形成されず、常に電
解液保持材には電解液が保持され、正極−負極間が常に
電解液によって連絡されており、イオンの移動がきわめ
て円滑に行われるもの電解液流通が円滑に行われ、信頼
性、安定性の極めて高い長寿命のガルバニ電池式酸素セ
ンサが得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガルバニ電池式酸素センサの断面構造
の一例を示す図。
【図2】従来のガルバニ電池式酸素センサの一般的な断
面構造を示す図。
【図3】本発明のガルバニ電池式酸素センサの断面構造
の他の例を示す図。
【符号の説明】
1 中蓋 2 O−リング 3 多孔性膜 4 触媒電極 5 正極集電体 6 正極リード線 7 負極室 8 負極室開口部 9 電解液 10 負極 11 負極リード線 12 ホルダー本体 13 ホルダー蓋 14 電解液供給用の穿孔 15 リード線用の穿孔 16 ホルダー保持部 17 第1の電解液保持部材 18 第2の電解液保持部材 19 電解液保持材 20 電解液保持材押さえ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極と負極と電解液と多孔性膜とを備
    え、前記正極は触媒電極と正極集電体からなり、前記負
    極は負極室内に設けられたガルバニ電池式酸素センサに
    おいて、電解液保持材が正極集電体および負極室開口部
    に接して設けられていることを特徴とするガルバニ電池
    式酸素センサ。
  2. 【請求項2】 正極と負極と電解液と多孔性膜とを備
    え、前記正極は触媒電極と正極集電体からなり、前記負
    極は負極室内に設けられたガルバニ電池式酸素センサに
    おいて、電解液保持材が正極集電体および負極に接して
    設けられていることを特徴とするガルバニ電池式酸素セ
    ンサ。
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