JP2006194708A - 電気化学式酸素センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ケース内部に正極、負極、電解液、酸素透過膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサにおいて、前記正極が銀(Ag)を含み、前記負極が亜鉛(Zn)を含み、電解液のpHが7〜12であることを特徴とする。また、電解液として、KOHまたはNaOHの少なくとも1種とKClまたはNaClの少なくとも1種とを含む水溶液を用いることを特徴とする。
【選択図】図7
Description
負極反応:
電解液のpHが7から9.21のとき
2Zn→2Zn2++4e−・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
2Zn2++4OH−→2Zn(OH)2・・・・・・・・・・・・・・(3)
2Zn(OH)2→2ZnO+2H2O・・・・・・・・・・・・・・(4)
電解液のpHが9.21から12のとき
2Zn+6OH−→2HZnO2 −+2H2O+4e−・・・・・・・(5)
2HZnO2 −→2ZnO+2OH−・・・・・・・・・・・・・・(6)
負極の全反応
2Zn+4OH−→2ZnO+2H2O+4e−・・・・・・・・・(7)
全反応:O2+2Zn=2ZnO・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(8)
電気化学式酸素センサをガルバニ電池式として動作させる場合、正極4では(1)式による還元反応が進行する。一方、負極8の電極反応は電解液のpHによって異なり、電解液のpHが7から9.21のときは(2)の酸化反応および(3)(4)の化学反応が起こり、また電解液のpHが9.21を超えてから12までのときは(5)の酸化反応および(6)の化学反応が起こることから、いずれにしても負極全反応としては(7)の反応が進行する。従って全反応としては(8)の反応が進行する。
[実施例1]
以下、本発明の電気化学式酸素センサを、実施例1を用いて説明する。実施例1の電気化学酸素センサの断面構造は図1に示したものと同じである。1はABS樹脂からなる中蓋、2はO−リング、酸素透過膜3は四フッ化エチレン樹脂からなる。なお、O−リングの材質は、電解液が酸性の場合には耐酸性のフッ素ゴムなどを、また、電解液がアルカリ性の場合は耐アルカリ性のエチレンプロピレンゴムなどを使用する。
電解液として、pH11の水酸化カリウム(KOH)水溶液100mlに5.84gの塩化ナトリウム(NaCl)を加えた、pH10.67(25.9℃)、電気伝導度90.5mS/cm(24.8℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、pH11の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液100mlに7.46gの塩化カリウム(KCl)を加えた、pH10.65(19.5℃)、電気伝導度113mS/cm(18.3℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例3の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、pH11の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液100mlに5.84gの塩化ナトリウム(NaCl)を加えた、pH10.87(25.5℃)、電気伝導度89.2mS/cm(24.0℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例4の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、pH9の水酸化カリウム(KOH)水溶液100mlに7.46gの塩化カリウム(KCl)を加えた、pH9.03(19.8℃)、電気伝導度113mS/cm(18.6℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例5の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、pH10の水酸化カリウム(KOH)水溶液100mlに7.46gの塩化カリウム(KCl)を加えた、pH9.91(21.2℃)、電気伝導度114mS/cm(20.0℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例6の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、0.5Mの炭酸ナトリウム(Na2CO3)水溶液と0.5Mの炭酸水酸ナトリウム(NaHCO3)水溶液とを体積比9:1で混合した、pH10.87(22.4℃)、電気伝導度54.6mS/cm(21.2℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例7の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、6mol/lの酢酸(CH3COOH)水溶液に3mol/lになるように酢酸カリウム(CH3COOK)を加えたpH5.05(25.5℃)、電気伝導度72.0mS/cm(24.0℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、比較例1の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、pH13の水酸化カリウム(KOH)水溶液100mlに7.46gの塩化カリウム(KCl)を加えた、pH13.04(19.6℃)、電気伝導度128mS/cm(17.8℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、比較例2の電気化学式酸素センサを作製した。
実施例1の電気化学式酸素センサの、25℃において21%酸素ガスを通気した場合の電流−電圧曲線を測定した結果を図6に示す。図6から、正極電位が負極電位に対して+0V〜+0.5Vの範囲内で変化した場合でも、電流はほぼ一定となり、酸素ガスの拡散律速領域が確認できた。図2と対比した場合、E1=+0.V、E2=+0.5Vとなる。
ここで酸素ガスに対して拡散律速領域を示す電圧になるよう適当なサーミスタや抵抗を、正極リードと負極リードとの間に繋ぐことでガルバニ電池式酸素センサとして機能させることができる。
[実施例8]
正極に銀(Ag)、負極に錫(Sn)を用い、電解液として、実施例1で用いた、pH11の水酸化カリウム(KOH)水溶液100mlに7.46gの塩化カリウム(KCl)を加えた、pH11.13(18.1℃)、電気伝導度115.4mS/cm(17.7℃)の水溶液を用い、その他はすべて実施例1と同様にして、実施例8の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、実施例2で用いた、pH11の水酸化カリウム(KOH)水溶液100mlに5.84gの塩化ナトリウム(NaCl)を加えた、pH10.67(25.9℃)、電気伝導度90.5mS/cm(24.8℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例8と同様にして、実施例9の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、実施例3で用いた、pH11の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液100mlに7.46gの塩化カリウム(KCl)を加えた、pH10.65(19.5℃)、電気伝導度113mS/cm(18.3℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例8と同様にして、実施例10の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、実施例4で用いた、pH11の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液100mlに5.84gの塩化ナトリウム(NaCl)を加えた、pH10.87(25.5℃)、電気伝導度89.2mS/cm(24.0℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例8と同様にして、実施例11の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、比較例1で用いた、6mol/lの酢酸(CH3COOH)水溶液に3mol/lになるように酢酸カリウム(CH3COONa)を加えたpH5.05(25.5℃)、電気伝導度72.0mS/cm(24.0℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例8と同様にして、実施例12の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、pH14(25℃)、電気伝導度123.9mS/cm(26.6℃)の9.24mol/lKOH水溶液を用いたこと以外は実施例8と同様にして、実施例13の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、pH14(24℃)、電気伝導度105mS/cm(25℃)の9.24mol/lNaOH水溶液を用いたこと以外は実施例8と同様にして、実施例14の電気化学式酸素センサを作製した。
実施例8〜14の電気化学式酸素センサについて、実施例1と同様の条件で電流−電圧曲線を測定した。その結果、+0V〜0.50Vの範囲内で、酸素ガスの拡散律速領域が確認できた。
[実施例15]
正極に金(Au)、負極に錫(Sn)を用い、電解液として実施例1で用いた、pH11の水酸化カリウム(KOH)水溶液100mlに7.46gの塩化カリウム(KCl)を加えた、pH11.13(18.1℃)、電気伝導度115.4mS/cm(17.7℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例15の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、実施例2で用いた、pH11の水酸化カリウム(KOH)水溶液100mlに5.84gの塩化ナトリウム(NaCl)を加えた、pH10.67(25.9℃)、電気伝導度90.5mS/cm(24.8℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例15と同様にして、実施例16の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、実施例3で用いた、pH11の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液100mlに7.46gの塩化カリウム(KCl)を加えた、pH10.65(19.5℃)、電気伝導度113mS/cm(18.3℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例15と同様にして、実施例17の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、実施例4で用いた、pH11の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液100mlに5.84gの塩化ナトリウム(NaCl)を加えた、pH10.87(25.5℃)、電気伝導度72.0mS/cm(24.0℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例15と同様にして、実施例18の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、実施例7で用いた、0.5Mの炭酸ナトリウム(Na2CO3)水溶液と0.5炭酸水酸ナトリウム(NaHCO3)水溶液とを体積比9:1で混合した、pH10.87(22.4℃)、電気伝導度54.6mS/cm(21.2℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例15と同様にして、実施例19の電気化学式酸素センサを作製した。
電解液として、比較例1で用いた、6mol/lの酢酸(CH3COOH)水溶液に3mol/lになるように酢酸カリウム(CH3COONa)を加えたpH5.05(25.5℃)、電気伝導度72.0mS/cm(24.0℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例15と同様にして、実施例20の電気化学式酸素センサを作製した。
正極に白金(Pt)を用いたこと以外は実施例15と同様にして、実施例21の電気化学式酸素センサを作製した。
実施例15〜21の電気化学式酸素センサについて、実施例1と同様の条件で電流−電圧測定を測定した。その結果、実施例15〜20の電気化学式酸素センサでは、0.20V〜+0.40Vの範囲内で、酸素ガスの拡散律速領域が確認でき、また実施例21の電気化学式酸素センサでは、0.25V〜0.40Vの範囲内で、酸素ガスの拡散律速領域が確認できた。
正極に金(Au)、負極に鉛(Pb)、電解液に、pH5.21(26.9℃)、電気伝導度54.2mS/cm(24.3℃)の6mol/l酢酸−3mol/l酢酸カリウム−0.1mol/l酢酸鉛の混合水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして、比較例3の電気化学式酸素センサを作製した。
正極に金(Au)、負極に亜鉛(Zn)、電解液に45wt%の塩化亜鉛(ZnCl2)を水に溶解した、pH2.74(28.6℃)、電気伝導度73.2mS/cm(24.0℃)の水溶液を用いたこと以外は実施例1と同様にして電気化学式酸素センサを作製したが、センサ組立後、負極の直接溶解によりセンサが液漏れした。
4 正極
5 正極集電体
7 電解液
8 負極
15 保護膜
16 差動増幅器IC1の非反転端子
17 差動増幅器IC1の反転端子
18 差動増幅器IC1の出力端子
19 差動増幅器IC2の非反転端子
20 差動増幅器IC2の反転端子
IC1 差動増幅器
IC4 シャントレギュレーター
R1 安定用の抵抗
R3 増幅率設定用の抵抗
VR1 可変抵抗
C3 電圧安定用のコンデンサ
TH 温度補償用のサーミスタ素子
Claims (5)
- ケース内部に正極、負極、電解液、酸素透過膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサにおいて、前記正極が銀(Ag)を含み、前記負極が亜鉛(Zn)を含み、電解液のpHが7〜12であることを特徴とするガルバニ電池式酸素センサ。
- 電解液として、KOHまたはNaOHの少なくとも1種とKClまたはNaClの少なくとも1種とを含む水溶液を用いることを特徴とする請求項1記載のガルバニ電池式酸素センサ。
- ケース内部に正極、負極、電解液、酸素透過膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサにおいて、前記正極が銀(Ag)を含み、前記負極が錫(Sn)を含むことを特徴とするガルバニ電池式酸素センサ。
- ケース内部に正極、負極、電解液、酸素透過膜とを備えたセル部と、センサ駆動回路とを備えた定電位式酸素センサにおいて、前記正極に酸素の電気化学的還元に有効な触媒金属を含み、前記負極に錫(Sn)を含むことを特徴とする定電位式酸素センサ。
- 電解液として、KOHまたはNaOHの少なくとも1種とKClまたはNaClの少なくとも1種とを含む水溶液、酢酸と酢酸カリウムを含む水溶液のいずれかを用いることを特徴とする請求項4記載の定電位式酸素センサ。
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