JP2004170101A - プロトン導電体ガスセンサとco検出方法 - Google Patents

プロトン導電体ガスセンサとco検出方法 Download PDF

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智弘 井上
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Abstract

【構成】MEA12に貫通孔36を設け、その周囲をシール部材22でシールする。水溜8側に設けた導電性ガス流路18を介して、COとO2の混合気をMEA12の水溜8側に設けた検知極に分配し、過剰のO2を拡散制御板28側の対極へ回り込ませる。
【効果】プロトン導電体ガスセンサの新規な構造を提供できる。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の利用分野】
この発明は、新規なプロトン導電体ガスセンサと、これを用いたCO検出方法に関する。
【0002】
【従来技術】
【特許文献1】米国特許5650,054号
【特許文献2】米国特許4820,386号
実用的なプロトン導電体COセンサの構造として、特許文献1に記載のものがある。このCOセンサでは、金属缶の下部を水溜とし、上部にくびれ部を介してCOセンサの本体を保持する。COセンサの本体は、プロトン導電体膜とその表裏の電極とからなるMEAと、ガスの拡散と導電性コンタクトとを兼ねた多孔質のカーボンフィルムとで構成されている。そしてカーボンフィルムはMEAの表裏に設けられている。センサ本体の底部を水蒸気導入孔を設けた金属ワッシャに接触させ、上部を拡散制御孔を設けた金属ワッシャに接触させる。また底部のワッシャを金属缶のくびれで支え、上部のワッシャと金属缶との間にガスケットを設け、金属缶の上部をかしめて、上下の金属板(ワッシャ)とその間のセンサ本体を、金属缶に取り付ける。かしめによる加圧でセンサ本体を保持し、また上下の金属板とセンサ本体のカーボンフィルムとの接続を保つ。
【0003】
上記のCOセンサでは、上部ワッシャ側に、言い換えると拡散制御部材側に検知極があり、水溜側に対極がある。対極は必ずしも検知極の反対面に置く必要はなく、例えば検知極の周囲に、検知極からシールするように配置しても良いことが知られている(特許文献2)。しかしながら水溜と拡散制御部材とを用いた従来のプロトン導電体ガスセンサでは、検知極は必ず拡散制御部材側に配置されている。
【0004】
【発明の課題】
この発明の課題は、プロトン導電体ガスセンサの新規な構造とこれを用いたCOの検出方法とを提供することにある(請求項1〜3)。
【0005】
【発明の構成】
この発明のプロトン導電体ガスセンサは、プロトン導電体膜の一面に検知極を他面に対極を設けたMEAを、水溜と周囲雰囲気導入用の拡散制御部材との間に配置したガスセンサにおいて、前記MEAを貫通する通気部を設けると共に、MEAの前記拡散制御部材側に前記通気部の周囲をシールするためのシール手段を設け、かつMEAの水溜側で前記通気部の周囲にガス流路を設けて、プロトン導電体膜の水溜側に検知極を、シール手段側に対極を設けたことを特徴とする(請求項1)。
【0006】
好ましくは、前記通気部をMEAを貫通する第1の貫通孔とし、前記シール手段をMEAに設けた第1の貫通孔と連通する第2の貫通孔を備えたリング状の弾性体とする(請求項2)。
【0007】
またこの発明のCO検出方法は、プロトン導電体膜の一面に検知極を他面に対極を設けたMEAに、水溜から水蒸気を供給して、COを検出する方法において、前記MEAを貫通するように通気部を設けると共に、検知極をMEAの水溜側に設け、対極をMEAの反対面に設け、さらにMEAの対極側で通気部の周囲をシールして、前記通気部から検知極にCOを供給して、COを検出するようにしたことを特徴とする(請求項3)。
【0008】
【発明の作用と効果】
この発明では、MEAの水溜側の電極を検知極とし、拡散制御部材側の電極を対極としてガスを検出でき、新規な電極の配置が可能になる(請求項1〜3)。
【0009】
そしてこのような電極配置では、COの検出などの場合、水蒸気が必要な検知極に水溜から直接水蒸気を供給できる。このため、対極/プロトン導電体膜/検知極の順に水蒸気を供給し、検知極から周囲へ水蒸気を拡散させていた従来例に比べ、水溜の水の消費量を減少させ、センサの寿命を長くできる。
【0010】
また拡散制御部材から検知極までの拡散長を長くできるので、通気部を利用して、検知極への検知対象ガスの拡散をさらに小さくする、あるいは検知極への被毒物の影響をより小さくするなどのことができる。
【0011】
【実施例】
図1〜図5に実施例を示す。これらの図において、2はプロトン導電体ガスセンサで、4は金属缶であり、中間にくびれ部6を設け、その下部8を水溜として水10を収容する。水は液体の水として収容しても良く、あるいはゲル化したり、ポリエチレンやポリプロピレンなどの水蒸気透過性のフィルムに包んで収容したりしても良い。
【0012】
12はMEAで、プロトン導電体膜15の両面に対極14と検知極16とを設けたものである。プロトン導電体膜15にはここでは、NAFIONなどのプロトン導電体ポリマーを用い、対極14や検知極16にはPtやPt−RuO2などの膜を用いる。対極14と検知極16はプロトン導電体膜15の表裏両面に設け、プロトン導電体膜15の全面に設けても良いが、これらの一部の面にのみ設けても良い。18,20は導電性ガス流路で、例えば、カーボンフィルムをフッ素樹脂で表面処理して撥水性を持たせた多孔質の導電性のシートである。22,24はシール部材で、例えばポリウレタンのエラストマーなどを用い、空気透過性の低いものを用いる。
【0013】
26はステンレス板などを用いた金属ワッシャで、28は同様にステンレス板などの金属板を用いた拡散制御板で、30は直径100μm程度の拡散制御孔で、32は直径が例えば0.2〜1mm程度の水蒸気導入孔である。さらにシール部材22とMEA12並びに導電性ガス流路18とには、貫通孔34,36,38を設け、これらを拡散制御孔30と水蒸気導入孔32と連通するように配置する。
【0014】
ここでシール部材22は、MEA12の拡散制御板28側の表面で、貫通孔34の周囲に設けられ、導電性ガス流路20と拡散制御孔30との間を気密に保つようにしている。また貫通孔34,36,38は、拡散制御孔30から導入された周囲空気中のCOと酸素とを、導電性ガス流路18へと供給するためのものである。シール部材24は、MEA12などの外周の周囲をシールし、導電性ガス流路20へのCOの供給を遮断するためのものである。
【0015】
40は金属製の封孔体で、その内部には活性炭やシリカゲル、ゼオライトなどのフィルタ材料を封入し、開口41,42から周囲の雰囲気を拡散制御孔30へと供給するようにしてある。44はガスケットで、封孔体40と金属缶4の内面との間に設け、かしめ部46で金属缶4をかしめることにより、封孔体40を水溜8側へと押圧し、その圧力で各部材間の隙間を無くすと共に、検知極16から導電性ガス流路18,ワッシャ26を介しての金属缶4への電気的接続を確保する。また同様に、対極14から導電性ガス流路20,拡散制御板28を介しての封孔体40への電気的接続を確保する。なおガスケット44は、シール部材24と一体にしても良い。
【0016】
実施例ではガスセンサ2全体のハウジングとして金属缶4を用いたが、これに限るものではない。ガスセンサ2のハウジングとしては、公知のものを適宜に用いることができる。また実施例では拡散制御孔30をMEA12の中央部に対向するように1箇所にのみ設けたが、複数箇所に設けても良い。さらに拡散制御孔30を用いる代わりに、通気性を制限したテフロンフィルム(テフロンは登録商標)などを用いて、拡散制御を行っても良い。導電性ガス流路18,20は、ガスの通気性を確保しながら、ワッシャ26や拡散制御板28との間の電気的コンタクトを確保できる部材であればよく、例えばワッシャ26や拡散制御板28に、孔30,32を中心とする放射状の凹凸を設けて、ガス流路としても良い。
【0017】
図2にCOの検出機構を示す。封孔体を通過した周囲の雰囲気は、拡散制御孔30から貫通孔34,36,38を通過し、導電性ガス流路18に沿ってMEA12の水溜8側に設けた検知極16へと達する。この間に、周囲雰囲気中のCOは、検知極16に吸収され、
CO + 1/2 H2O → CO2 + 2H + 2e
の反応により、プロトンが発生する。この反応に水が必要であるが、これは水蒸気導入孔から供給される。周囲雰囲気中の酸素濃度はCO濃度に比べてはるかに高く、酸素は導電性ガス流路18に沿って拡散し、シール部材24との隙間などを介して、導電性ガス流路20へと入り込み、対極14へと達する。なおこれ以外の酸素の供給路として、シール部材22と拡散制御板28との間の隙間や、シール部材22とMEA12との隙間などが考えられる。酸素は、対極14側の導電性ガス流路20へのシールが不完全な場所から供給され、酸素の消費量はごく僅かなので、対極14には常にプロトンを酸化できるだけの酸素があることになる。そして対極14では、
2H + 1/2 O2 + 2e → H2O
の反応が生じる。
【0018】
COの検出反応において、水蒸気が必要なのは検知極である。そして実施例では検知極側に水蒸気を導入するので、対極側に水蒸気を導入して、検知極16までプロトン導電体膜15を介して水蒸気を供給する場合に比べ、水蒸気の供給量を小さくできる。また対極14は周囲をシールしているので、水蒸気の損失は僅かである。このためプロトン導電体ガスセンサ2の寿命を長くできる。さらに貫通孔34,36,38のため、検知極16までのガス流路を長くでき、拡散の制限や被毒物質の除去などに利用できる。
【0019】
図3,図4に、MEAの周囲の配置を示す。図3の例では、カーボンフィルムからなる導電性ガス流路20はリング状にし、リングの孔に弾性体からなるシール部材22を設ける。また電極14,16もリング状にして、シール部材22に対向する位置には電極を設けない。これに対して図4の例では、対極14bと検知極16bとには、貫通孔36と同径の孔を設け、カーボンフィルムからなるガス流路18bには貫通孔を設けず、水溜からの水が侵入しないようにし、かつ検知対象ガスが水溜に拡散しにくくする。この他に、プロトン導電体膜15の貫通孔36を通気性フィルムで被覆しても良い。
【0020】
図5に、実施例のプロトン導電体ガスセンサ2での、COの検出特性を示す。プロトン導電体膜15には膜厚20μm程度の固体高分子プロトン導電体を用い、検知極16,対極14の膜厚は約10μmで、ガス流路18,20の膜厚は約40μmである。図5の縦軸はガスセンサ2の出力を示すが、増幅回路で増幅後の電圧なので、実際には任意単位の値である。そしてCO濃度を30ppmから1000ppmへと段階的に増加させると、それに応じてCO濃度にほぼ比例する出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例のガスセンサの断面図
【図2】実施例のガスセンサでのMEAの付近を示す部分断面図
【図3】実施例のガスセンサのMEAの周囲の分解状態を示す図
【図4】変形例のガスセンサのMEAの周囲の分解状態を示す図
【図5】実施例のガスセンサのCO検出特性を示す特性図
【符号の説明】
2 プロトン導電体ガスセンサ
4 金属缶
6 くびれ部
8 水溜
10 水
12 MEA
14 対極
15 プロトン導電体膜
16 検知極
18,20 導電性ガス流路
22,24 シール部材
26 ワッシャ
28 拡散制御板
30 拡散制御孔
32 水蒸気導入孔
34,36,38 貫通孔
40 封孔体
41,42 開口
44 ガスケット
46 かしめ部

Claims (3)

  1. プロトン導電体膜の一面に検知極を他面に対極を設けたMEAを、水溜と周囲雰囲気導入用の拡散制御部材との間に配置したガスセンサにおいて、
    前記MEAを貫通する通気部を設けると共に、MEAの前記拡散制御部材側に前記通気部の周囲をシールするためのシール手段を設け、かつMEAの水溜側で前記通気部の周囲にガス流路を設けて、
    プロトン導電体膜の水溜側に検知極を、シール手段側に対極を設けたことを特徴とする、プロトン導電体ガスセンサ。
  2. 前記通気部がMEAを貫通する第1の貫通孔であり、前記シール手段がMEAに設けた第1の貫通孔と連通する第2の貫通孔を備えたリング状の弾性体であることを特徴とする、請求項1のプロトン導電体ガスセンサ。
  3. プロトン導電体膜の一面に検知極を他面に対極を設けたMEAに、水溜から水蒸気を供給して、COを検出する方法において、
    前記MEAを貫通するように通気部を設けると共に、検知極をMEAの水溜側に設け、対極をMEAの反対面に設け、さらにMEAの対極側で通気部の周囲をシールして、
    前記通気部から検知極にCOを供給して、COを検出するようにしたことを特徴とする、CO検出方法。
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