JP2010197074A - Hydrogen gas sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen gas sensor that has improved hydrogen gas selectivity, can be easily handled, and has small power consumption without performing any purge operation. <P>SOLUTION: The substrate-type hydrogen gas sensor 1 includes: a second electrode layer 4b formed on a substrate 10; a proton conductive layer 2 by a solid polymer electrolyte membrane stacked on the second electrode layer 4b; a catalyst layer 3 stacked on the proton conductive layer 2; and a first electrode layer 4a having permeability stacked on the catalyst layer 3. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、気相または液相中の水素ガス濃度を検出する水素ガスセンサに関する。   The present invention relates to a hydrogen gas sensor that detects a hydrogen gas concentration in a gas phase or a liquid phase.

燃料電池に代表される水素エネルギーシステムを構成するうえで、水素の濃度を精度良く検出する水素ガスセンサの必要性は極めて高く、気相中或いは液相中における水素濃度を測定するにあたり、感応部に高温をかける必要がなく、且つ隔膜や電解液を不要としてこれらの劣化を防止すると共に小型軽量化を可能とすることができる水素ガスセンサが望まれている。   In constructing a hydrogen energy system typified by a fuel cell, there is an extremely high need for a hydrogen gas sensor that accurately detects the hydrogen concentration. When measuring the hydrogen concentration in the gas phase or liquid phase, There is a need for a hydrogen gas sensor that does not require application of high temperature and that eliminates the need for a diaphragm and an electrolytic solution to prevent these deteriorations and enables reduction in size and weight.

特許文献1には、このような目的に対応して、水素と接触することにより電気抵抗変化を生じる感応部を備え、感応部が水素吸蔵性の単体金属または合金で形成され、或いは、ナノカーボン材料、水素吸蔵性の単体金属、水素吸蔵性の合金から選択される材料で形成される水素センサが提案されている。   In response to such a purpose, Patent Document 1 includes a sensitive part that changes electrical resistance when it comes into contact with hydrogen, and the sensitive part is formed of a hydrogen-absorbing simple metal or alloy, or nanocarbon. A hydrogen sensor formed of a material selected from a material, a hydrogen-absorbing simple metal, and a hydrogen-absorbing alloy has been proposed.

また、特許文献2には、TiO2、SrTiO3、BaTiO3等の金属酸化物半導体よりなる感応部に電気抵抗測定用の一対の電極を設けた水素ガスセンサが提案されている。 Patent Document 2 proposes a hydrogen gas sensor in which a pair of electrodes for measuring electrical resistance is provided on a sensitive part made of a metal oxide semiconductor such as TiO 2 , SrTiO 3 , or BaTiO 3 .

特開2004−125513号公報JP 2004-125513 A 特開2002-071611号公報JP 2002-071611 A

しかし、特許文献1に記載された水素センサは、水素吸蔵性の単体金属または合金で形成される感応部に水素ガスが吸蔵されることにより変化する電気抵抗値を検出するものであり、感応部に水素が吸蔵された状態が維持されるため、ダイナミックな変動に追随できず、次回の計測時に備えて吸蔵された水素を感応部から放出するためのパージ操作が必要になるという問題があった。   However, the hydrogen sensor described in Patent Document 1 detects an electric resistance value that changes when hydrogen gas is occluded in a sensitive part formed of a hydrogen-absorbing single metal or alloy. Since the state in which hydrogen is occluded is maintained, dynamic fluctuation cannot be followed, and a purge operation is required to release the occluded hydrogen from the sensitive part in preparation for the next measurement. .

また、特許文献2に記載された水素ガスセンサでは、表面に吸着した酸素と水素ガスとの反応に伴う金属酸化物半導体の電気抵抗の変化を検出するものであるため、酸素分子の吸脱着を十分に生起させるべく感応部の素子温度を400℃程度に加熱する加熱素子を設ける必要がある。そのため、消費電力が増加するという問題や、耐熱構造を備える必要があるという問題があり、さらには、水素ガスの他にもメタンガスや一酸化炭素ガス等の可燃性ガスにも応答し、ガス選択性が無いという問題もあった。   In addition, the hydrogen gas sensor described in Patent Document 2 detects changes in the electrical resistance of the metal oxide semiconductor accompanying the reaction between oxygen adsorbed on the surface and hydrogen gas, so that sufficient adsorption and desorption of oxygen molecules is achieved. Therefore, it is necessary to provide a heating element for heating the element temperature of the sensitive part to about 400 ° C. Therefore, there is a problem that power consumption increases and a heat-resistant structure needs to be provided. In addition to hydrogen gas, it responds to flammable gases such as methane gas and carbon monoxide gas, and gas selection There was also a problem of lack of sex.

また、一般的に燃料電池で使用されるMEA(Membrane Electrode Assembly(膜電極接合体))の発電特性を利用して水素ガスセンサを構成することが考えられるが、MEAは固体高分子電解質膜の両面に白金等の高価な金属が用いられた触媒電極が形成されるものであるため、部品コストの抑制等の観点で更なる改良が望まれていた。   In addition, it is conceivable to construct a hydrogen gas sensor using the power generation characteristics of MEA (Membrane Electrode Assembly) generally used in fuel cells. MEA is a double-sided polymer electrolyte membrane. Further, since a catalyst electrode using an expensive metal such as platinum is formed, further improvement has been desired from the viewpoint of suppressing the cost of components.

本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、パージ操作をすることなく、良好な水素ガス選択性を備え、且つ、取扱い容易で消費電力の小さな水素ガスセンサを提供する点にある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a hydrogen gas sensor having good hydrogen gas selectivity, easy handling, and low power consumption without performing a purge operation.

上述の目的を達成するため、本発明による水素ガスセンサの第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項1に記載した通り、プロトン導電層と、プロトン導電層と触媒層を介して接合される第一の電極層と、プロトン導電層と接合される第二の電極層が、基板上に積層形成されている点にある。   In order to achieve the above-mentioned object, the first characteristic configuration of the hydrogen gas sensor according to the present invention includes a proton conductive layer, a proton conductive layer, and a catalyst layer as described in claim 1 of the claims. The first electrode layer to be bonded and the second electrode layer to be bonded to the proton conductive layer are stacked on the substrate.

本願発明者らは、図23に示すように、プロトン導電性を備えた固体高分子電解質で構成される基材2の少なくとも一側面に水素ガスと接触することにより触媒機能を発揮する金属等でなる触媒層3を形成し、基材2と触媒層3を挟むように電極4(4a,4b)を接合することにより、水素ガスに感応して出力が得られる自立膜型の水素ガスセンサが構成できるという知見を得ている。   As shown in FIG. 23, the inventors of the present application are made of a metal or the like that exhibits a catalytic function by contacting hydrogen gas on at least one side surface of a base material 2 composed of a solid polymer electrolyte having proton conductivity. A self-supporting membrane-type hydrogen gas sensor that can output in response to hydrogen gas is formed by forming the catalyst layer 3 and joining the electrodes 4 (4a, 4b) so as to sandwich the substrate 2 and the catalyst layer 3 therebetween. We have the knowledge that we can do it.

このような自立膜型の水素ガスセンサは、基材の原料となる高分子電解質溶液を型枠に流し込んでキャスト製膜する製膜工程と、溶媒を乾燥させた後に型枠から膜を剥離する剥離工程と、剥離した膜の表面に触媒を担持させる触媒担持工程と、触媒が担持された膜を適切なサイズに切断する切断工程と、切断された膜の両面に電極を接合する電極取付工程が必要となる。   Such a self-supporting membrane type hydrogen gas sensor includes a film forming process in which a polymer electrolyte solution, which is a raw material of a base material, is poured into a mold to form a cast film, and a peeling process in which the film is removed from the mold after drying the solvent. A step of supporting the catalyst on the surface of the peeled membrane, a cutting step of cutting the membrane carrying the catalyst into an appropriate size, and an electrode attaching step of joining the electrodes to both sides of the cut membrane Necessary.

しかし、型枠から膜を容易に剥離することができず、膜が損傷するという問題、切断工程で膜が破損しないように膜厚を厚くして機械的強度を確保する必要があり、更なる小型化に制限があるという問題、切断後の膜片に一つずつ電極を取り付ける等、製造工程が複雑で生産性が低くなるという問題等、様々な問題が内在している。   However, the film cannot be easily peeled off from the mold, and there is a problem that the film is damaged. It is necessary to increase the film thickness to ensure the mechanical strength so that the film is not damaged in the cutting process. Various problems are inherent such as a problem that there is a limitation in miniaturization and a problem that the manufacturing process is complicated and productivity is lowered, such as attaching electrodes one by one to the cut film pieces.

また、膜片が機械的振動等によりたわむと電極との接触抵抗が変動して出力が変動する虞もあり、出力安定性と生産性の向上と更なる小型化を図る必要があった。   Further, when the membrane piece bends due to mechanical vibration or the like, the contact resistance with the electrode may fluctuate and the output may fluctuate, and it is necessary to improve output stability and productivity and further reduce the size.

上述した構成によれば、基板上に、プロトン導電層と、プロトン導電層と触媒層を介して接合される第一の電極層と、プロトン導電層と接合される第二の電極層を積層形成されるため、上述した剥離工程や電極取付工程が不要になるばかりか、機械的強度のある基板上に構築されるため、プロトン導電層を薄膜化しても、切断工程で破損するような事態を招くことなく、小型の水素ガスセンサを効率的に生産することができるようになる。   According to the configuration described above, the proton conductive layer, the first electrode layer bonded to the proton conductive layer and the catalyst layer, and the second electrode layer bonded to the proton conductive layer are stacked on the substrate. As a result, the above-described peeling process and electrode mounting process are not required, and since the structure is built on a substrate having mechanical strength, even if the proton conductive layer is thinned, the cutting process may be damaged. A small hydrogen gas sensor can be efficiently produced without incurring.

第一の態様として、このような水素ガスセンサは、基板上に形成された第二の電極層と、第二の電極層に積層されたプロトン導電層と、プロトン導電層に積層された触媒層と、触媒層に積層された第一の電極層を備えて構成することができる。   As a first aspect, such a hydrogen gas sensor includes a second electrode layer formed on a substrate, a proton conductive layer stacked on the second electrode layer, and a catalyst layer stacked on the proton conductive layer. The first electrode layer laminated on the catalyst layer can be provided.

また、第二の態様として、基板上に形成されたプロトン導電層と、プロトン導電層の上面に離隔するように積層された触媒層及び第二の電極層と、触媒層に積層された第一の電極層を備えて構成することができる。   In addition, as a second aspect, the proton conductive layer formed on the substrate, the catalyst layer and the second electrode layer stacked so as to be separated from the upper surface of the proton conductive layer, and the first stacked on the catalyst layer The electrode layer can be provided.

さらに、第三の態様として、基板上に離隔するように形成された第一の電極層及び第二の電極層と、第一の電極層に積層された触媒層と、第二の電極層及び触媒層を覆うように積層されたプロトン導電層を備えて構成することができる。   Furthermore, as a third aspect, a first electrode layer and a second electrode layer formed so as to be separated from each other on the substrate, a catalyst layer laminated on the first electrode layer, a second electrode layer, and A proton conductive layer laminated to cover the catalyst layer can be provided.

第一の態様及び第二の態様では、第一の電極層が通気性を有する電極層であることが好ましく、水素ガスが通気性を有する電極層を介して効率的に触媒層に接触することができるようになる。   In the first embodiment and the second embodiment, the first electrode layer is preferably a gas permeable electrode layer, and hydrogen gas efficiently contacts the catalyst layer through the gas permeable electrode layer. Will be able to.

第二の態様及び第三の態様では、第一の電極層及び触媒層と、第二の電極層の端縁がそれぞれ櫛歯状に形成され、一方の櫛歯の間隙に他方の櫛歯が位置するように積層されていることが好ましく、触媒層で水素が分解されたプロトンが、プロトン導電層を介して触媒層から第二の電極層へ移動する際に、短く且つ十分な経路が確保できるようになり、感度を著しく向上させることができる。   In the second aspect and the third aspect, the edges of the first electrode layer, the catalyst layer, and the second electrode layer are each formed in a comb tooth shape, and the other comb tooth is formed in the gap between the one comb tooth. It is preferable that the protons are decomposed so that the protons decomposed in the catalyst layer move from the catalyst layer to the second electrode layer through the proton conductive layer, and a short and sufficient path is secured. And the sensitivity can be significantly improved.

プロトン導電層が、固体高分子電解質で構成されていることが好ましい。   The proton conductive layer is preferably composed of a solid polymer electrolyte.

プロトン導電層が、カーボン素材が添加された固体高分子電解質で構成されていることが、出力の安定性を確保する上でさらに好ましい。   It is further preferable that the proton conductive layer is made of a solid polymer electrolyte to which a carbon material is added in order to ensure output stability.

プロトン導電層が、イオン液体と樹脂の混合物を硬化処理した固体イオン導電体で構成されていることが好ましい。   The proton conductive layer is preferably composed of a solid ionic conductor obtained by curing a mixture of ionic liquid and resin.

プロトン導電層が、無機有機ハイブリッド電解質で構成されていることが好ましい。   The proton conductive layer is preferably composed of an inorganic / organic hybrid electrolyte.

触媒層が水素ガスと接触することにより触媒機能を持つ金属または合金、若しくは触媒活性を有する有機金属または有機物で構成されていることが好ましい。   The catalyst layer is preferably made of a metal or alloy having a catalytic function by contacting with hydrogen gas, or an organic metal or organic substance having catalytic activity.

以上説明した通り、本発明によれば、パージ操作をすることなく、良好な水素ガス選択性を備え、且つ、取扱い容易で消費電力の小さな水素ガスセンサを提供することができるようになった。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a hydrogen gas sensor having good hydrogen gas selectivity, easy handling, and low power consumption without performing a purge operation.

本発明による基板縦型の水素ガスセンサの構成図Configuration of a vertical substrate type hydrogen gas sensor according to the present invention 本発明による基板横型の水素ガスセンサの構成図Schematic diagram of substrate-side hydrogen gas sensor according to the present invention 本発明による対電極基板型の水素ガスセンサの構成図Configuration diagram of a counter electrode substrate type hydrogen gas sensor according to the present invention 別実施形態を示す水素ガスセンサの要部の説明図Explanatory drawing of the principal part of the hydrogen gas sensor which shows another embodiment 実験例1による基板縦型の水素ガスセンサの構成図Configuration diagram of vertical substrate hydrogen gas sensor according to Experimental Example 1 実験例1による水素ガスセンサの水素ガス検出特性図Hydrogen gas detection characteristic diagram of the hydrogen gas sensor in Experimental Example 1 実験例2による対電極基板型の水素ガスセンサの構成図Configuration diagram of counter electrode substrate type hydrogen gas sensor according to Experimental Example 2 実験例2による水素ガスセンサの水素ガス検出特性図Hydrogen gas detection characteristic diagram of the hydrogen gas sensor in Experimental Example 2 実験例3による基板横型の水素ガスセンサの構成を示し、(a)は断面斜視模式図、(b)は斜視模式図The structure of the substrate horizontal type | mold hydrogen gas sensor by Experimental example 3 is shown, (a) is a cross-sectional perspective schematic diagram, (b) is a perspective schematic diagram. 実験例3による水素ガスセンサの水素ガス検出特性図Hydrogen gas detection characteristic diagram of hydrogen gas sensor according to Experimental Example 3 実験例4による基板横型の水素ガスセンサの構成を示し、(a)は断面斜視模式図、(b)は斜視模式図The structure of the substrate horizontal type hydrogen gas sensor by Experimental Example 4 is shown, (a) is a schematic cross-sectional perspective view, and (b) is a schematic perspective view. 実験例4による水素ガスセンサの水素ガス検出特性図Hydrogen gas detection characteristic diagram of hydrogen gas sensor according to Experimental Example 4 参考実験例1による自立膜型の水素ガスセンサの構成を示し、(a)は断面図、(b)は斜視模式図The structure of the self-supporting film type hydrogen gas sensor according to Reference Experimental Example 1 is shown, (a) is a sectional view, and (b) is a schematic perspective view. 参考実験例1による水素ガスセンサの水素ガス検出特性図Hydrogen gas detection characteristics diagram of hydrogen gas sensor according to Reference Experiment 1 参考実験例1による水素ガスセンサの水素ガス検出特性図Hydrogen gas detection characteristics diagram of hydrogen gas sensor according to Reference Experiment 1 実験例5による基板縦型の水素ガスセンサの構成を示し、(a)は断面斜視模式図、(b)は斜視模式図The structure of the board | substrate vertical type hydrogen gas sensor by Experimental example 5 is shown, (a) is a cross-sectional perspective schematic diagram, (b) is a perspective schematic diagram. 実験例5による水素ガスセンサの水素ガス検出特性図Hydrogen gas detection characteristics diagram of hydrogen gas sensor in Experimental Example 5 実験例5による水素ガスセンサの水素ガス検出特性図Hydrogen gas detection characteristics diagram of hydrogen gas sensor in Experimental Example 5 参考実験例2による自立膜型の水素ガスセンサの構成を示し、(a)は断面斜視模式図、(b)は斜視模式図The structure of the self-supporting film type hydrogen gas sensor according to Reference Experimental Example 2 is shown, (a) is a schematic cross-sectional perspective view, and (b) is a schematic perspective view. 参考実験例2による水素ガスセンサの水素ガス検出特性図Hydrogen gas detection characteristics diagram of hydrogen gas sensor according to Reference Experiment 2 (a)は実験例6による電極の説明図、(b)は実験例6による基板縦型の水素ガスセンサの構成図(A) is explanatory drawing of the electrode by Experimental example 6, (b) is a block diagram of the board | substrate vertical type hydrogen gas sensor by Experimental example 6. 実験例6による水素ガスセンサの水素ガス検出特性図Hydrogen gas detection characteristic diagram of hydrogen gas sensor according to Experimental Example 6 自立膜型の水素ガスセンサの構成図Configuration diagram of a self-supporting membrane hydrogen gas sensor

以下、本発明による基板形の水素ガスセンサについて説明する。図1から3に示すように、水素ガスセンサ1は、プロトン導電層2と、プロトン導電層2と触媒層3を介して接合される第一の電極層4aと、プロトン導電層2と接合される第二の電極層4bが、基板10上に積層形成されて構成されている。このような水素ガスセンサ1は、複数の態様で構成することができる。   A substrate type hydrogen gas sensor according to the present invention will be described below. As shown in FIGS. 1 to 3, the hydrogen gas sensor 1 is bonded to the proton conductive layer 2, the first electrode layer 4 a bonded via the proton conductive layer 2 and the catalyst layer 3, and the proton conductive layer 2. The second electrode layer 4 b is formed by being laminated on the substrate 10. Such a hydrogen gas sensor 1 can be configured in a plurality of modes.

第一の態様として、図1(a)に示すように、基板10上に形成された第二の電極層4bと、第二の電極層4bに積層されたプロトン導電層2と、プロトン導電層2に積層された触媒層3と、触媒層3に積層された第一の電極層4aを備えて、基板縦型の水素ガスセンサ1を構成することができる。   As a first aspect, as shown in FIG. 1A, a second electrode layer 4b formed on the substrate 10, a proton conductive layer 2 laminated on the second electrode layer 4b, and a proton conductive layer 2 and the first electrode layer 4a laminated on the catalyst layer 3, the substrate vertical hydrogen gas sensor 1 can be configured.

基板10は、その上面に成膜されるプロトン導電層2を安定に保持できるものであれば、ガラス、セラミック、シリコン等の無機材料を用いた基板から樹脂材料を用いた柔軟性のある基板まで様々な材料を用いて構成することができる。   As long as the substrate 10 can stably hold the proton conductive layer 2 formed on the upper surface of the substrate 10, from a substrate using an inorganic material such as glass, ceramic, or silicon to a flexible substrate using a resin material. A variety of materials can be used.

基板10は、プロトン導電層2の成膜時に高温環境に晒されるため、一定の耐熱性が要求される。   Since the substrate 10 is exposed to a high temperature environment when the proton conductive layer 2 is formed, a certain heat resistance is required.

基板を構成する樹脂材料として、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ナイロン、環状オレフィン、ポリエチレンスルフォネート、ポリスルフォン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ウレタン、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、フッ素系樹脂(PTFE,PFA,ETFE,FEP,PVDF等)等を用いることができる。   As resin materials that constitute the substrate, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, nylon, cyclic olefin, polyethylene sulfonate, polysulfone, polyimide, polyamideimide, polycarbonate, polybutylene terephthalate, urethane, acrylic, polyethylene, polystyrene, polypropylene, fluorine Series resins (PTFE, PFA, ETFE, FEP, PVDF, etc.) can be used.

プロトン導電層2として、固体高分子電解質Sを採用することができ、高いプロトン導電性を有するパーフルオロスルフォン酸系、パーフルオロカルボン酸系等のパーフルオロ系高分子や、Poly(styrene-ran-ethylene),sulfonated等のpartially sulfonated styrene-olefin copolymerでなる固体高分子電解質膜を採用することが好ましく、ナフィオン(デュポン社登録商標:NAFION)やアシプレックス(旭化成株式会社登録商標:ACIPLEX)等が好適に使用できる。   As the proton conductive layer 2, a solid polymer electrolyte S can be adopted, and perfluorosulfonic acid-based, perfluorocarboxylic acid-based perfluoropolymer having high proton conductivity, Poly (styrene-ran- It is preferable to use a solid polymer electrolyte membrane made of partially sulfonated styrene-olefin copolymer such as ethylene), sulfonated, etc., and Nafion (registered trademark: NAFION), Aciplex (registered trademark: Asahi Kasei Corporation), etc. are preferable. Can be used for

さらに、固体高分子電解質Sに導電性粒子を分散させることにより、出力の安定性を確保することができる。固体高分子電解質Sに分散される導電性粒子として、導電性樹脂やカーボンC素材等を選択することができる。   Furthermore, by dispersing the conductive particles in the solid polymer electrolyte S, the stability of the output can be ensured. As the conductive particles dispersed in the solid polymer electrolyte S, a conductive resin, a carbon C material, or the like can be selected.

このようなカーボンC素材として、カーボンナノチューブ(以下、「CNT」とも記す。)、フラーレン、グラファイト、ナノカーボン、カーボンブラック、ナノダイアモンド、ナノポーラスカーボンの何れかを選択することができる。また、カーボンブラックは具体的には、ファーネスブラック、チャンネルブラック、グラフトカーボン等が例示できる。何れの場合にも優れた安定性が示される。   As such a carbon C material, any of carbon nanotubes (hereinafter also referred to as “CNT”), fullerene, graphite, nanocarbon, carbon black, nanodiamond, and nanoporous carbon can be selected. Specific examples of carbon black include furnace black, channel black, and graft carbon. In any case, excellent stability is shown.

カーボンC(CNTやグラファイト等)のサイズ(粒径、または、長さや径)は特に限定されるものではないが、アスペクト比が高い方が好ましく、特に、長さ1μm〜500μm、径5〜200nmが好ましい。   The size (particle diameter, length, or diameter) of carbon C (CNT, graphite, etc.) is not particularly limited, but a higher aspect ratio is preferable, and in particular, the length is 1 μm to 500 μm, and the diameter is 5 to 200 nm. Is preferred.

さらに、固体高分子電解質Sに分散されるカーボンCは、一種類のカーボンに制限されるものではなく、異なる種類のCNTやCNTとグラファイト等、異なる種類のカーボンを混ぜ合わせてもよい。   Furthermore, the carbon C dispersed in the solid polymer electrolyte S is not limited to one type of carbon, and different types of carbon, such as different types of CNT, CNT and graphite, may be mixed.

図1(a)には、固体高分子電解質SにカーボンCが分散されたプロトン導電層2が示されているが、図1(b)に示すように、プロトン導電層2としては、カーボンC等の導電性粒子が分散されていない固体高分子電解質Sのみで構成されるものであってもよい。尚、前者は後者と比較して、水素ガスに接触していないときの出力が安定し、精度よく水素ガスを検出できる。   FIG. 1 (a) shows a proton conductive layer 2 in which carbon C is dispersed in a solid polymer electrolyte S. As shown in FIG. 1 (b), the proton conductive layer 2 includes carbon C It may be composed only of the solid polymer electrolyte S in which conductive particles such as are not dispersed. Compared to the latter, the former has a stable output when not in contact with hydrogen gas, and can detect hydrogen gas with high accuracy.

固体高分子電解質Sまたは固体高分子電解質SにカーボンCが分散された固体高分子電解質Sを用いる場合には、固体高分子電解質溶液またはカーボンCが分散された固体高分子電解質溶液を、基板10上にキャスティングすることによりプロトン導電層2を形成することができる。   When the solid polymer electrolyte S or the solid polymer electrolyte S in which carbon C is dispersed in the solid polymer electrolyte S is used, the solid polymer electrolyte solution or the solid polymer electrolyte solution in which carbon C is dispersed is used as the substrate 10. The proton conductive layer 2 can be formed by casting on the top.

触媒層3は、水素ガスと接触することにより触媒機能を持つ金属等でなる触媒3aがプロトン導電層2の上面に担持されて構成されている。   The catalyst layer 3 is configured such that a catalyst 3 a made of a metal having a catalytic function by being brought into contact with hydrogen gas is supported on the upper surface of the proton conductive layer 2.

触媒3aとして、白金Ptまたは白金合金が好適に用いられるが、その他に、金Au、銀Ag、イリジウムIr、パラジウムPd、ルテニウムRu、オスミウムOs、コバルトCo、ニッケルNi、タングステンW、モリブデンMo、マンガンMn、イットリウムY、バナジウムV、ニオブNb、チタンTi、希土類金属、から選択される少なくとも一種を含む金属を用いることができる。   As the catalyst 3a, platinum Pt or a platinum alloy is suitably used. Besides, gold Au, silver Ag, iridium Ir, palladium Pd, ruthenium Ru, osmium Os, cobalt Co, nickel Ni, tungsten W, molybdenum Mo, manganese A metal containing at least one selected from Mn, yttrium Y, vanadium V, niobium Nb, titanium Ti, and a rare earth metal can be used.

金属触媒に代えてモリブデンカーバイドMoC等の炭化物、ジルコニア酸化物やタンタル酸化物等の酸化物を用いることも可能である。 Instead of the metal catalyst, a carbide such as molybdenum carbide Mo 2 C, or an oxide such as zirconia oxide or tantalum oxide may be used.

これらの触媒3aは一種類を単独で用いてもよいし、複数を併用してもよく、これらの一部または全部を合金形態で使用してもよい。   One kind of these catalysts 3a may be used alone, a plurality of them may be used in combination, or a part or all of them may be used in the form of an alloy.

また、水素ガスと接触することにより触媒活性を有する有機金属または有機物でなる触媒3aを用いることも可能である。このような有機金属触媒として、例えば、N,N’-Bis(salicylidene)ethylene-diamino-metal(=Ni, Fe, Vなど)、N,N’-mono-8-quinoly-σ-phenylenediamino-metal(=Ni, Fe, Vなど)等を用いることができ、有機物としては、例えばピロロピロール赤色顔料、ジピリジル誘導体を用いることができる。   It is also possible to use a catalyst 3a made of an organic metal or an organic substance having catalytic activity by contacting with hydrogen gas. Examples of such organometallic catalysts include N, N'-Bis (salicylidene) ethylene-diamino-metal (= Ni, Fe, V, etc.), N, N'-mono-8-quinoly-σ-phenylenediamino-metal. (= Ni, Fe, V, etc.) can be used, and examples of organic substances include pyrrolopyrrole red pigments and dipyridyl derivatives.

触媒層3は、スパッタリング、真空蒸着、電子照射、CVD、PVD、含浸、スプレーコート、スプレー熱分解、練りこみ、吹き付け、ロールやコテによる塗り付け、スクリーン印刷、混錬法、光電解法、コーティング法、ゾルゲル法、ディップ法等を採用して形成することができる。   The catalyst layer 3 is formed by sputtering, vacuum deposition, electron irradiation, CVD, PVD, impregnation, spray coating, spray pyrolysis, kneading, spraying, coating with a roll or iron, screen printing, kneading method, photoelectrolysis method, coating method. It can be formed by employing a sol-gel method, a dip method or the like.

特に、スパッタリングで触媒層3を形成することが好ましい。スパッタリングの処理時間は90秒未満が好ましく、さらに60秒以下とすることがより好ましい。また、スパッタリングの際のDC、RF出力値は特に制限されないが、1.2W/cm以上とすることが好ましい。 In particular, it is preferable to form the catalyst layer 3 by sputtering. The sputtering treatment time is preferably less than 90 seconds, and more preferably 60 seconds or less. The DC and RF output values during sputtering are not particularly limited, but are preferably 1.2 W / cm 2 or more.

第一電極4aは、水素ガスが触媒層3に接触するように、通気性を備えた材料で構成する必要があり、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布等を好適に用いることができる。さらには、多数の細孔が形成された銅ニッケル合金薄膜や、良好な導電性を備えた金属ポーラス焼結体で構成することも可能である。   The first electrode 4a needs to be made of a gas-permeable material so that hydrogen gas contacts the catalyst layer 3, and carbon paper, carbon fiber nonwoven fabric, or the like can be suitably used. Furthermore, it is also possible to comprise a copper-nickel alloy thin film in which a large number of pores are formed, or a metal porous sintered body having good conductivity.

カーボンペーパー、カーボン繊維不織布等を用いる場合、触媒層3を介してプロトン導電層2と密に接続するために、イオン交換樹脂を塗布することが好ましい。イオン交換樹脂として、デュポン社製の各種ナフィオン(デュポン社登録商標:Nafion)やダウケミカル社製のイオン交換樹脂等を用いることができる。   In the case of using carbon paper, carbon fiber nonwoven fabric or the like, it is preferable to apply an ion exchange resin in order to make a close connection with the proton conductive layer 2 through the catalyst layer 3. As an ion exchange resin, various Nafion (DuPont registered trademark: Nafion) manufactured by DuPont, an ion exchange resin manufactured by Dow Chemical, or the like can be used.

第二電極4bは、特に通気性を必要とせず、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属やカーボン素材を用いることも可能であるが、高湿度下でも腐食しない材料を選択することが望ましい。このような電極層は、塗布、スクリーン印刷、メッキ、スパッタリング、真空蒸着等公知の膜形成法により基板10上に形成することができる。   The second electrode 4b does not require air permeability, and can use a metal such as copper, aluminum, stainless steel, or a carbon material, but it is desirable to select a material that does not corrode even under high humidity. Such an electrode layer can be formed on the substrate 10 by a known film forming method such as coating, screen printing, plating, sputtering, or vacuum deposition.

また、図1(c)に示すように、基板10と第二の電極層4bを兼用して、銅、アルミニウム等の金属製の基板10(4b)で構成することも可能である。   Moreover, as shown in FIG.1 (c), it is also possible to comprise the board | substrate 10 (4b) made from metals, such as copper and aluminum, combining the board | substrate 10 and the 2nd electrode layer 4b.

上述した水素ガスセンサ1は、基板10上にスクリーン印刷等により第二の電極層4bを形成する工程と、その上部にプロトン導電層2を形成する工程と、プロトン導電層2の上部に触媒3aを担持させて触媒層3を形成する工程と、触媒層3の上部に第一の電極層4aを形成する工程と、各工程を経た積層体を所定のサイズに切断する工程により製造される。   The hydrogen gas sensor 1 described above includes a step of forming the second electrode layer 4b on the substrate 10 by screen printing or the like, a step of forming the proton conductive layer 2 thereon, and a catalyst 3a on the proton conductive layer 2. It is manufactured by a step of forming the catalyst layer 3 by carrying it, a step of forming the first electrode layer 4a on the upper portion of the catalyst layer 3, and a step of cutting the laminate through each step into a predetermined size.

プロトン導電層2を形成する工程には、例えば、水‐プロパノール等のアルコール系溶媒に固体高分子電解質を溶かして得られる固体高分子電解質溶液に、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラファイト、ナノカーボン、カーボンブラック、ナノダイアモンド、ナノポーラスカーボンの何れかから選択されるカーボンCを所定量混入する工程と、固体高分子電解質溶液中にカーボンCを分散させる分散処理工程と、分散処理した後に基板10上にキャスティング等により所定形状に成形する成形工程と、成形された基材を加熱乾燥して溶媒を除去する加熱乾燥工程が含まれる。   In the step of forming the proton conductive layer 2, for example, a carbon nanotube, fullerene, graphite, nanocarbon, carbon black is added to a solid polymer electrolyte solution obtained by dissolving a solid polymer electrolyte in an alcohol solvent such as water-propanol. , A step of mixing a predetermined amount of carbon C selected from nanodiamond and nanoporous carbon, a dispersion treatment step of dispersing carbon C in the solid polymer electrolyte solution, casting on the substrate 10 after the dispersion treatment, etc. And a heating step of removing the solvent by heating and drying the molded substrate.

アルコール系の溶媒に代えて、水‐ジメチルホルムアミド(DMF)等の極性を示す有機溶媒を用いることも可能である。何れの場合でも、溶媒と、溶媒に混入されるカーボン素材の組合せによりカーボンCの分散性は異なる。   Instead of the alcohol solvent, an organic solvent having polarity such as water-dimethylformamide (DMF) can be used. In any case, the dispersibility of carbon C differs depending on the combination of the solvent and the carbon material mixed in the solvent.

加熱乾燥工程では、カーボンCの分散状態を維持しながら加熱乾燥させるために、溶媒の組成、固体高分子電解質とカーボンの重量比等に基づいて加熱時間及び加熱温度を調整することが重要である。   In the heating and drying step, in order to heat and dry while maintaining the dispersion state of carbon C, it is important to adjust the heating time and heating temperature based on the composition of the solvent, the weight ratio of the solid polymer electrolyte and carbon, and the like. .

電解質膜中にカーボンCが分散された状態が確保できれば、固体高分子電解質とカーボンの配合比は特に制限されるものではないが、100:1〜10:10が好ましい。   If the state where carbon C is dispersed in the electrolyte membrane can be secured, the blending ratio of the solid polymer electrolyte and carbon is not particularly limited, but is preferably 100: 1 to 10:10.

尚、導電性粒子を分散させない場合には、水‐プロパノール等のアルコール系溶媒に固体高分子電解質を溶かして得られる固体高分子電解質溶液を基板10上にキャスティング等により所定形状に成形する成形工程と、成形された基材を加熱乾燥して溶媒を除去する加熱乾燥工程を経て成膜される。   In the case where the conductive particles are not dispersed, a forming step of forming a solid polymer electrolyte solution obtained by dissolving the solid polymer electrolyte in an alcohol solvent such as water-propanol into a predetermined shape on the substrate 10 by casting or the like. Then, a film is formed through a heating and drying process in which the molded substrate is dried by heating to remove the solvent.

第二の態様として、図2(a)に示すように、基板10上に形成されたプロトン導電層2と、プロトン導電層2の上面に離隔するように積層された触媒層3及び第二の電極層4bと、触媒層3に積層された第一の電極層4aを備えて、基板横型の水素ガスセンサ1を構成することができる。   As a second embodiment, as shown in FIG. 2A, the proton conductive layer 2 formed on the substrate 10, the catalyst layer 3 stacked so as to be separated from the upper surface of the proton conductive layer 2, and the second layer The substrate horizontal hydrogen gas sensor 1 can be configured by including the electrode layer 4 b and the first electrode layer 4 a laminated on the catalyst layer 3.

この場合、第一の電極層4aは通気性を備える必要があるが、第二の電極層4bは通気性を備える必要はない。   In this case, the first electrode layer 4a needs to have air permeability, but the second electrode layer 4b does not need to have air permeability.

図2(b)に示すように、基板10に水素ガスセンサ1の出力を取り出す配線パターン5a,5bを形成して、各電極層4a,4bと配線パターン5a,5bがそれぞれ接続されるように、各電極層4a,4bを構成することも可能である。   As shown in FIG. 2B, wiring patterns 5a and 5b for extracting the output of the hydrogen gas sensor 1 are formed on the substrate 10 so that the electrode layers 4a and 4b are connected to the wiring patterns 5a and 5b, respectively. It is also possible to constitute each electrode layer 4a, 4b.

第三の態様として、図3(a)に示すように、基板10上に離隔するように形成された第一の電極層4a及び第二の電極層4bと、第一の電極層4aに積層された触媒層3と、第二の電極層4b及び触媒層3を覆うように積層されたプロトン導電層2を備えて、対電極基板型の水素ガスセンサ1を構成することができる。   As a 3rd aspect, as shown to Fig.3 (a), it laminates | stacks on the 1st electrode layer 4a and the 1st electrode layer 4a and the 2nd electrode layer 4b which were formed so that it might space apart on the board | substrate 10. FIG. The counter electrode substrate type hydrogen gas sensor 1 can be configured by including the catalyst layer 3 formed and the proton conductive layer 2 laminated so as to cover the second electrode layer 4 b and the catalyst layer 3.

この場合、第一の電極層4aは通気性を有する材料である必要はなく、第二の電極層4bと同じ材料で構成することも可能である。尚、水素ガスはプロトン導電層2を通過して触媒層3に接触する。   In this case, the first electrode layer 4a does not need to be a material having air permeability, and can be composed of the same material as the second electrode layer 4b. The hydrogen gas passes through the proton conductive layer 2 and comes into contact with the catalyst layer 3.

第一の電極層4aと第二の電極層4bの何れかを基板10と兼用することも可能である。この場合、図3(b)に示すように、他方の電極層4bは絶縁層4cを介して基板10上に積層する必要がある。   Either the first electrode layer 4 a or the second electrode layer 4 b can be used also as the substrate 10. In this case, as shown in FIG. 3B, the other electrode layer 4b needs to be laminated on the substrate 10 via the insulating layer 4c.

第二及び第三の態様の水素ガスセンサについても、電極層4a,4b、プロトン導電層2、触媒層3の組成や材料、製造プロセスはほぼ同様である。   The composition and materials of the electrode layers 4a and 4b, the proton conductive layer 2, and the catalyst layer 3 and the manufacturing process are substantially the same for the hydrogen gas sensors of the second and third aspects.

また、電極層4aの表裏何れかの面にカーボンペーパーやカーボン不織布等でなるガス拡散層を設けると、水素ガスが均等に触媒層3と接触できるようになり、感度が向上する。さらに、電極層4aと触媒層3との間、または電極層4bとプロトン導電層との間にカーボンペーパーやカーボン不織布等でなるガス拡散層を介在させることにより、電極層4a,4bの耐食性が向上する。   Further, when a gas diffusion layer made of carbon paper, carbon nonwoven fabric, or the like is provided on either the front or back surface of the electrode layer 4a, hydrogen gas can be brought into contact with the catalyst layer 3 evenly, and the sensitivity is improved. Further, by interposing a gas diffusion layer made of carbon paper, carbon non-woven fabric or the like between the electrode layer 4a and the catalyst layer 3 or between the electrode layer 4b and the proton conductive layer, the corrosion resistance of the electrode layers 4a and 4b is improved. improves.

本発明による水素ガスセンサ1は、触媒層3を電極層4aと兼用することも可能である。例えば、電極層4aを触媒である白金等の触媒金属を用いて構成することができる。この場合、他方の電極層4bは白金とは仕事関数が異なる種類の電極を用いることが好ましい。   In the hydrogen gas sensor 1 according to the present invention, the catalyst layer 3 can also be used as the electrode layer 4a. For example, the electrode layer 4a can be configured using a catalyst metal such as platinum as a catalyst. In this case, the other electrode layer 4b is preferably a type of electrode having a work function different from that of platinum.

本発明による水素ガスセンサ1では、プロトン導電層2を型枠にキャスティングして乾燥させた後に型枠から剥離するような工程等、煩雑な工程を必要としないため、製造工程を簡素化することができるのみならず、保形性を確保して薄膜化した小型の水素ガスセンサを製造することが可能となる。   In the hydrogen gas sensor 1 according to the present invention, since the proton conductive layer 2 is cast on the mold and dried, and does not require complicated processes such as a process of peeling from the mold, the manufacturing process can be simplified. In addition to being able to do so, it is possible to manufacture a small-sized hydrogen gas sensor that secures shape retention and is thinned.

第一の態様及び第二の態様の水素ガスセンサ1では、触媒層3側の電極4aに水素ガスが流入すると、触媒の作用により水素が水素イオンと電子に分解され、電子が留まる電極4aが電極4bに対して負電位になる。また、第三の態様の水素ガスセンサ1では、プロトン導電層2を介して触媒層3に水素ガスが流入すると、触媒の作用により水素が水素イオンと電子に分解され、電子が留まる電極4aが電極4bに対して負電位になる。つまり、触媒層3が形成された側の電極4aが負極となる。このとき水素ガス濃度と相関関係を有する電圧値を外部回路で検出することにより水素ガス濃度を検出することができる。   In the hydrogen gas sensor 1 of the first and second embodiments, when hydrogen gas flows into the electrode 4a on the catalyst layer 3 side, the hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons by the action of the catalyst, and the electrode 4a where the electrons stay is the electrode. Negative potential with respect to 4b. Further, in the hydrogen gas sensor 1 of the third aspect, when hydrogen gas flows into the catalyst layer 3 through the proton conductive layer 2, the electrode 4a in which the hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons by the action of the catalyst and the electrons stay is provided. Negative potential with respect to 4b. That is, the electrode 4a on the side where the catalyst layer 3 is formed becomes a negative electrode. At this time, the hydrogen gas concentration can be detected by detecting a voltage value having a correlation with the hydrogen gas concentration by an external circuit.

触媒層3から第二の電極層4bに移動するプロトンの導電経路となるプロトン導電層2の経路を短くすることにより水素ガス検出能を向上させることができる。そのため、図4に示すように、第二の態様及び第三の態様の水素ガスセンサ1では、第一の電極層4a及び触媒層3と、第二の電極層4bの端縁がそれぞれ櫛歯状に形成され、一方の櫛歯の間隙に他方の櫛歯が位置するように積層されることが好ましい。   Hydrogen gas detection ability can be improved by shortening the path | route of the proton conductive layer 2 used as the conductive path | route of the proton which moves from the catalyst layer 3 to the 2nd electrode layer 4b. Therefore, as shown in FIG. 4, in the hydrogen gas sensor 1 of the second aspect and the third aspect, the edges of the first electrode layer 4a, the catalyst layer 3, and the second electrode layer 4b are comb-like. It is preferable that the layers are laminated so that the other comb tooth is positioned in the gap between the one comb teeth.

上述した水素ガスセンサ1は、何れもプロトン導電層2として固体高分子電解質を用いた例を説明したが、プロトン導電層2として、イオン液体と樹脂の混合物を硬化処理した固体イオン導電体を用いることも可能である。   In each of the hydrogen gas sensors 1 described above, the solid polymer electrolyte is used as the proton conductive layer 2. However, as the proton conductive layer 2, a solid ionic conductor obtained by curing a mixture of an ionic liquid and a resin is used. Is also possible.

固体イオン導電体は、光硬化樹脂、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂の何れかにイオン液体を混合した後に硬化処理されて得られる。   The solid ionic conductor is obtained by mixing an ionic liquid with any one of a photo-curing resin, a thermosetting resin, and a thermoplastic resin, followed by curing treatment.

イオン液体として、イミダゾリウム系イオン、ピリジニウム系イオン、脂肪族アミン系イオン、脂環式アミン系イオン、脂肪族ホスホニウム系イオンの何れかから一種または複数種選択されるカチオン部位と、ハロゲンイオン、ハロゲン系イオン、ホスフォネート系イオン、ホウ酸系イオン、トリフラート系イオンの何れかから一種または複数種選択されるアニオン部位を有するものが好適に選択できる。   As the ionic liquid, a cation moiety selected from one or more of imidazolium ions, pyridinium ions, aliphatic amine ions, alicyclic amine ions, and aliphatic phosphonium ions, a halogen ion, a halogen ion, One having one or more types of anion sites selected from any of system ions, phosphonate ions, borate ions and triflate ions can be suitably selected.

光硬化樹脂としてエポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、不飽和ポリエステル樹脂、ジアゾ樹脂、アジド樹脂等を用いることができる。ここで、光硬化樹脂とは、紫外線硬化樹脂、可視光硬化樹脂、電子ビーム硬化樹脂を含む広い概念を意味するものである。   As the photocurable resin, epoxy acrylate, urethane acrylate, polyester acrylate, unsaturated polyester resin, diazo resin, azide resin, or the like can be used. Here, the photocurable resin means a broad concept including an ultraviolet curable resin, a visible light curable resin, and an electron beam curable resin.

熱硬化性樹脂として、イオン液体と熱硬化樹脂と反応剤を攪拌混合した後に膜状に成形して加熱処理することにより膜状の固体イオン導電体1が得られる。熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、尿素樹脂、フラン樹脂、シリコーン樹脂、アリル樹脂等を用いることができる。   As the thermosetting resin, the ionic liquid, the thermosetting resin, and the reactant are stirred and mixed, and then formed into a film shape and subjected to heat treatment, whereby the film-shaped solid ionic conductor 1 is obtained. As the thermosetting resin, phenol resin, epoxy resin, urea resin, melamine resin, unsaturated polyester resin, polyurethane, polyimide, urea resin, furan resin, silicone resin, allyl resin, or the like can be used.

熱可塑性樹脂として、イオン液体と高温で溶融状態にある熱可塑性樹脂とを攪拌混合した後に膜状に成形して冷却処理することにより膜状の固体イオン導電体1が得られる。熱可塑性樹脂としてポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタラート等の汎用樹脂の他にポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド等のエンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック等を用いることができる。   As the thermoplastic resin, the ionic liquid and the thermoplastic resin in a molten state at a high temperature are stirred and mixed, and then molded into a film shape and cooled to obtain the film-shaped solid ionic conductor 1. In addition to general-purpose resins such as polyethylene, polypropylene, polystyrene, and polyethylene terephthalate, engineering plastics such as polycarbonate, polyamide, and polyimide, and super engineering plastics can be used as the thermoplastic resin.

固体イオン導電体を用いたプロトン導電層2は、光硬化樹脂、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂の何れかから選択される樹脂にイオン液体を混合して攪拌する混合工程と、前記混合工程で攪拌混合処理されたイオン導電体を基板10上に滴下してキャスティングする工程と、キャスティングされたイオン導電体を硬化させる硬化処理工程により成膜される。   The proton conductive layer 2 using a solid ionic conductor comprises a mixing step of mixing and stirring an ionic liquid in a resin selected from a photo-curing resin, a thermosetting resin, or a thermoplastic resin, and the mixing step. A film is formed by a step of dropping and casting the ion conductor subjected to the stirring and mixing treatment onto the substrate 10 and a hardening treatment step of hardening the cast ion conductor.

さらに、プロトン導電層2として、有機無機ハイブリッド電解質を採用することも可能である。有機無機ハイブリッド電解質は、ゾルゲル法等により、シリカ、チタニア、ジルコニア、アルミナ等のセラミック中に、有機系の電解質や高分子電解質をナノ分散させたものを用いることができる。特に、ゾルゲル法により尿素とシリカアルコキシドから作製される尿素系シリカハイブリッド電解質等が好適であるが、その他の有機無機ハイブリッド電解質を用いることも可能である。   Furthermore, an organic-inorganic hybrid electrolyte can be employed as the proton conductive layer 2. As the organic-inorganic hybrid electrolyte, a material obtained by nano-dispersing an organic electrolyte or a polymer electrolyte in a ceramic such as silica, titania, zirconia, or alumina by a sol-gel method or the like can be used. In particular, a urea-based silica hybrid electrolyte produced from urea and silica alkoxide by a sol-gel method is suitable, but other organic-inorganic hybrid electrolytes can also be used.

以上説明した水素ガスセンサは、大気中のみならず、酸素が存在しない環境下であっても、選択的に水素ガスを適切に検出することができる。   The hydrogen gas sensor described above can selectively detect hydrogen gas not only in the atmosphere but also in an environment where oxygen is not present.

以下、実施例を説明する。
〔実験例1〕
<白金対電極基板の形成>
上面に電極となる白金をスパッタリング成膜したポリイミドフィルム(東レデュポン製 厚み30μm)を1mm幅に短冊状にカットし、カットした短冊状のポリイミドフィルム2本を、厚み188μmの白PET(東レ ルミラーU2)フィルム基板の上に、0.5mm間隔に粘着材で貼り付け固定した。
Examples will be described below.
[Experimental Example 1]
<Formation of platinum counter electrode substrate>
A polyimide film (thickness 30 μm, manufactured by Toray DuPont) with platinum as an electrode formed on the upper surface by sputtering was cut into a strip of 1 mm width, and two strip-shaped polyimide films were cut into white PET (Toray mirror U2 with a thickness of 188 μm). ) Affixed and fixed on the film substrate with an adhesive material at intervals of 0.5 mm.

<触媒層の形成>
片方の白金電極自体を触媒層と兼用し、他方の白金電極の上に、カーボンペースト(アサヒ化学研究所製 FTU-30)を専用溶剤で希釈して塗布し、熱風循環オーブンで100℃、1時間乾燥してカーボン電極を形成した。
<Formation of catalyst layer>
One platinum electrode itself is also used as the catalyst layer, and carbon paste (FTU-30 manufactured by Asahi Chemical Research Laboratories) is applied on the other platinum electrode by diluting with a special solvent. A carbon electrode was formed by drying for a period of time.

<電解質膜の形成>
固体高分子電解質としてスルホン化スチレンエチレン共重合体の膜を形成した。スルホン化スチレンエチレン共重合体溶液(Aldrich製 Poly(styrene-ran-ethylene)、sulfonated、5wt% solution in 1-propanol)を対電極基板の中央部に1μL滴下し、膜が2つの電極を覆うように塗布し、熱風循環オーブンで80℃1時間乾燥して成膜した。その結果、図5に示す対電極基板型の水素ガスセンサが得られた。
<Formation of electrolyte membrane>
A sulfonated styrene ethylene copolymer film was formed as a solid polymer electrolyte. 1 μL of sulfonated styrene ethylene copolymer solution (Aldrich Poly (styrene-ran-ethylene), sulfonated, 5 wt% solution in 1-propanol) is dropped on the center of the counter electrode substrate so that the membrane covers the two electrodes. And dried in a hot air circulating oven at 80 ° C. for 1 hour to form a film. As a result, a counter electrode substrate type hydrogen gas sensor shown in FIG. 5 was obtained.

<水素ガス応答性の評価>
センサ基板の白金電極とカーボン電極の電位差を、デジタルマルチメータ(岩通製 VOAC7411)で電圧測定した。センサ表面に4000ppm濃度(空気ベース)の水素ガスを10L/min流量で30秒間照射、30秒間停止を交互に繰り返して、水素ガスの接触による電圧変化を測定した。
<Evaluation of hydrogen gas responsiveness>
The potential difference between the platinum electrode and the carbon electrode on the sensor substrate was measured with a digital multimeter (VOAC7411 manufactured by Iwatatsu). The sensor surface was irradiated with 4000 ppm concentration (air-based) hydrogen gas at a flow rate of 10 L / min for 30 seconds and stopped for 30 seconds alternately, and the change in voltage due to contact with hydrogen gas was measured.

次に、1%濃度(空気ベース)の水素ガスに代えて、同様に30秒間の照射と停止を繰り返し、電圧を測定した。さらに、窒素ガスを同流量で同様に30秒間ずつ照射と停止を繰り返して、電圧を測定した。   Next, instead of hydrogen gas of 1% concentration (air base), irradiation and stop for 30 seconds were repeated in the same manner, and the voltage was measured. Further, the voltage was measured by repeating the irradiation and stopping of nitrogen gas at the same flow rate for 30 seconds.

図6に示すように、センサの出力電圧は、水素ガスと接触すると上昇し、水素ガスが停止すると低下する。センサの出力電圧は、水素ガス濃度が高いほど高くなる。センサの出力電圧は、窒素ガスとの接触では変化せず、水素による反応と判別できる。   As shown in FIG. 6, the output voltage of the sensor increases when it comes into contact with hydrogen gas and decreases when the hydrogen gas stops. The sensor output voltage increases as the hydrogen gas concentration increases. The output voltage of the sensor does not change by contact with nitrogen gas, and can be determined as a reaction due to hydrogen.

〔実験例2〕
<銀対電極基板の形成>
厚み188μmの白PET(東レ ルミラーU2)フィルム基板の上に、銀ペースト(アサヒ化学研究所製 LS-415-M)を1mm幅、0.5mm間隔でスクリーン印刷して、銀の対電極基板を作成した。
[Experimental example 2]
<Formation of silver counter electrode substrate>
A silver paste (LS-415-M, manufactured by Asahi Chemical Research Laboratories) is screen printed at 1 mm width and 0.5 mm intervals on a white PET (Toray mirror U2) film substrate with a thickness of 188 μm to form a silver counter electrode substrate. Created.

<触媒層の形成>
片方の銀電極の上に、幅1mm長さ5mmの開口部を設けてマスキングした後、白金ターゲットを用いてアルゴンガス中で300Wの電力で、30秒間、RFスパッタリングして白金薄膜を成膜した。他方の銀電極の上に、幅1mm、長さ5mmの開口部を設けてマスキングした後、カーボンペースト(アサヒ化学研究所製 FTU-30)を専用溶剤で希釈して塗布し、熱風循環オーブンで100℃、1時間乾燥してカーボン電極を形成した。
<Formation of catalyst layer>
On one silver electrode, an opening having a width of 1 mm and a length of 5 mm was provided and masked, and then a platinum thin film was formed by RF sputtering for 30 seconds in an argon gas at a power of 300 W using a platinum target. . On the other silver electrode, an opening with a width of 1 mm and a length of 5 mm is provided for masking, and then carbon paste (FTU-30 manufactured by Asahi Chemical Research Laboratories) is diluted with a special solvent and applied. A carbon electrode was formed by drying at 100 ° C. for 1 hour.

<電解質膜の形成>
固体高分子電解質としてスルホン化スチレンエチレン共重合体の膜を形成した。スルホン化スチレンエチレン共重合体溶液(Aldrich製 Poly(styrene-ran-ethylene)、sulfonated、5wt% solution in 1-propanol)を対電極基板の中央部に10μL滴下し、膜が2つの電極を覆うように塗布し、熱風循環オーブンで80℃1時間乾燥して成膜した。その結果、図7に示す対電極基板型の水素ガスセンサが得られた。
<Formation of electrolyte membrane>
A sulfonated styrene ethylene copolymer film was formed as a solid polymer electrolyte. 10 μL of sulfonated styrene ethylene copolymer solution (Aldrich Poly (styrene-ran-ethylene), sulfonated, 5 wt% solution in 1-propanol) is dropped on the center of the counter electrode substrate so that the membrane covers the two electrodes. And dried in a hot air circulating oven at 80 ° C. for 1 hour to form a film. As a result, a counter electrode substrate type hydrogen gas sensor shown in FIG. 7 was obtained.

<水素ガス応答性の評価>
作製したセンサ基板の白金電極とカーボン電極の電位差を、デジタルマルチメータ(岩通製VOAC7411)で電圧測定した。センサ表面に4000ppm濃度(空気ベース)の水素ガスを10L/min流量で30秒間照射、30秒間停止を交互に繰り返して、水素ガスの接触による電圧変化を測定した。
<Evaluation of hydrogen gas responsiveness>
The potential difference between the platinum electrode and the carbon electrode of the fabricated sensor substrate was measured with a digital multimeter (VOAC7411 manufactured by Iwatatsu). The sensor surface was irradiated with 4000 ppm concentration (air-based) hydrogen gas at a flow rate of 10 L / min for 30 seconds and stopped for 30 seconds alternately, and the change in voltage due to contact with hydrogen gas was measured.

次に、1%濃度(空気ベース)の水素ガスに代えて、同様に30秒間の照射と停止をくり返し、電圧を測定した。さらに、窒素ガスを同流量で同様に30秒間ずつ照射と停止を繰り返して、電圧を測定した。   Next, instead of hydrogen gas of 1% concentration (air base), irradiation and stop for 30 seconds were repeated, and the voltage was measured. Further, the voltage was measured by repeating the irradiation and stopping of nitrogen gas at the same flow rate for 30 seconds.

図8に示すように、水素ガス接触によるセンサの信号電圧の上昇と、水素ガス停止による信号電圧の低下を確認した。   As shown in FIG. 8, it was confirmed that the signal voltage of the sensor increased due to hydrogen gas contact and the signal voltage decreased due to hydrogen gas stoppage.

〔実験例3〕
<電解質膜の形成>
厚さ188μmのPETフィルムの上に、固体高分子電解質としてスルホン化スチレンエチレン共重合体の膜を形成した。内側20×50mmの金型枠の下に、PETフィルムを敷いて、スルホン化スチレンエチレン共重合体溶液(Aldrich製 Poly(styrene-ran-ethylene)、sulfonated、5wt% solution in 1-propanol)を4ml流し込み、熱風循環オーブンで80℃、4時間乾燥して電解質膜を成膜した。
[Experimental Example 3]
<Formation of electrolyte membrane>
A film of sulfonated styrene ethylene copolymer was formed as a solid polymer electrolyte on a 188 μm thick PET film. Under the inner 20 × 50 mm mold frame, a PET film is laid and 4 ml of sulfonated styrene-ethylene copolymer solution (Aldrich Poly (styrene-ran-ethylene), sulfonated, 5 wt% solution in 1-propanol) is placed. Poured and dried in a hot air circulating oven at 80 ° C. for 4 hours to form an electrolyte membrane.

<触媒層の形成>
電解質膜の上面の半分に、白金ターゲットを用いてアルゴンガス中で300Wの電力で、30秒間、RFスパッタリングして白金薄膜を成膜した。電解質膜の上にマスキングテープを貼り、幅19mm、長さ25mmの開口部を設けた。
<Formation of catalyst layer>
A platinum thin film was formed on the upper half of the electrolyte membrane by RF sputtering using a platinum target in an argon gas at a power of 300 W for 30 seconds. A masking tape was applied on the electrolyte membrane, and an opening having a width of 19 mm and a length of 25 mm was provided.

<測定電極の形成>
電解質膜の白金面上にカーボンペーパーを敷いて、カーボン膜付きアルミ電極板で上下から挟み、他方の電解質膜の上にカーボンペーパーを敷いて、上下からカーボン膜付きアルミ電極板で挟み込んだ。白金膜の露出長さは3mm、白金膜と電極間距離は4mmである。このようにして図9(a),(b)に示す基板横型の水素ガスセンサが得られた。
<Formation of measurement electrode>
Carbon paper was laid on the platinum surface of the electrolyte membrane and sandwiched between the aluminum electrode plates with the carbon membrane from above and below, and carbon paper was laid on the other electrolyte membrane and sandwiched between the aluminum electrode plates with the carbon membrane from above and below. The exposed length of the platinum film is 3 mm, and the distance between the platinum film and the electrode is 4 mm. In this way, a horizontal substrate type hydrogen gas sensor shown in FIGS. 9A and 9B was obtained.

<水素ガス応答性の評価>
センサ基板の白金電極とカーボン電極の電位差を、デジタルマルチメータ(岩通製VOAC7411)で電圧測定した。センサ表面に4000ppm濃度(空気ベース)の水素ガスを10L/min流量で30秒間照射、30秒間停止を交互に繰り返して、水素ガスの接触による電圧変化を測定した。
<Evaluation of hydrogen gas responsiveness>
The potential difference between the platinum electrode and the carbon electrode on the sensor substrate was measured with a digital multimeter (VOAC7411 made by Iwatatsu). The sensor surface was irradiated with 4000 ppm concentration (air-based) hydrogen gas at a flow rate of 10 L / min for 30 seconds and stopped for 30 seconds alternately, and the change in voltage due to contact with hydrogen gas was measured.

その結果、図10に示すように、水素ガス接触によるセンサ信号電圧の上昇と水素ガス停止による信号電圧の低下を確認した。   As a result, as shown in FIG. 10, it was confirmed that the sensor signal voltage increased due to hydrogen gas contact and the signal voltage decreased due to hydrogen gas stoppage.

〔実験例4〕
<電解質膜の形成>
厚さ188μmのPETフィルムの上に、固体電解質として尿素系シリカハイブリッド膜を形成した。
<尿素シリカハイブリッドゾル液の作製>
TMSU(1-3-(Trimethoxysilyl)propyl)urea)0.75M/LとHTFSI(Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)0.25M/Lと尿素0.25M/Lと水4M/Lと塩酸0.01M/Lのメタノール溶液30gを作製し、スターラーで3時間攪拌した。
[Experimental Example 4]
<Formation of electrolyte membrane>
A urea-based silica hybrid film was formed as a solid electrolyte on a 188 μm thick PET film.
<Preparation of urea silica hybrid sol solution>
TMSU (1-3- (Trimethoxysilyl) propyl) urea) 0.75M / L, HTFSI (Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) 0.25M / L, urea 0.25M / L, water 4M / L and hydrochloric acid 0.01M / 30 g of a methanol solution of L was prepared and stirred with a stirrer for 3 hours.

<キャスト成膜>
内側20×50mmの金型枠の下に、厚さ1mmのシリコーンゴムシートを敷き、尿素シリカハイブリッドゾル液10mlを流し込んで、一晩室温放置し乾燥させた。それを60℃の真空オーブンで一晩乾燥した後、80℃の熱風循環オーブンで1時間乾燥した。厚み300μmの尿素シリカハイブリッド膜が得られた。
<Cast film formation>
A silicone rubber sheet having a thickness of 1 mm was laid under the inner 20 × 50 mm mold frame, and 10 ml of urea silica hybrid sol solution was poured into the mold frame. It was dried in a 60 ° C. vacuum oven overnight and then dried in a hot air circulating oven at 80 ° C. for 1 hour. A urea silica hybrid membrane having a thickness of 300 μm was obtained.

<触媒層の形成>
電解質膜の上面の半分に、白金ターゲットを用いてアルゴンガス中で300Wの電力で、30秒間、RFスパッタリングして白金薄膜を成膜した。電解質膜の上にマスキングテープを貼り、幅19mm、長さ25mmの開口部を設けた。
<Formation of catalyst layer>
A platinum thin film was formed on the upper half of the electrolyte membrane by RF sputtering using a platinum target in an argon gas at a power of 300 W for 30 seconds. A masking tape was applied on the electrolyte membrane, and an opening having a width of 19 mm and a length of 25 mm was provided.

<測定電極の形成>
電解質膜の白金面上にカーボンペーパーを敷いて、カーボン膜付きアルミ電極で上下から挟み込んだ。他方の電解質膜の上にカーボンペーパーを敷いて、カーボン膜付きアルミ電極板で上下から挟み込んだ。カーボン膜は、カーボンペースト(アサヒ化学研究所製FTU-30)を専用溶剤で希釈してアルミ板に塗布し乾燥して作製した。白金膜の露出長さは3mm、白金膜と電極間距離は1mmである。その結果、図11に示す基板横型の水素ガスセンサが得られた。
<Formation of measurement electrode>
Carbon paper was laid on the platinum surface of the electrolyte membrane, and sandwiched from above and below by an aluminum electrode with a carbon membrane. Carbon paper was laid on the other electrolyte membrane and sandwiched from above and below by an aluminum electrode plate with a carbon membrane. The carbon film was prepared by diluting a carbon paste (FTU-30 manufactured by Asahi Chemical Research Laboratories) with a special solvent, applying it to an aluminum plate, and drying it. The exposed length of the platinum film is 3 mm, and the distance between the platinum film and the electrode is 1 mm. As a result, a horizontal substrate type hydrogen gas sensor shown in FIG. 11 was obtained.

<水素ガス応答性の評価>
得られたセンサ基板の白金電極とカーボン電極の電位差を、デジタルマルチメータ(岩通製VOAC7411)で電圧測定した。センサ表面に4000ppm濃度(空気ベース)の水素ガスを10L/min流量で30秒間照射、30秒間停止を交互に繰り返して、水素ガスの接触による電圧変化を測定した。
<Evaluation of hydrogen gas responsiveness>
The potential difference between the platinum electrode and the carbon electrode of the obtained sensor substrate was measured with a digital multimeter (VOAC7411 made by Iwatatsu). The sensor surface was irradiated with 4000 ppm concentration (air-based) hydrogen gas at a flow rate of 10 L / min for 30 seconds and stopped for 30 seconds alternately, and the change in voltage due to contact with hydrogen gas was measured.

図12に示すように、水素ガス接触によるセンサ信号電圧の上昇と水素ガス停止による信号電圧の低下を確認した。   As shown in FIG. 12, it was confirmed that the sensor signal voltage increased due to hydrogen gas contact and the signal voltage decreased due to hydrogen gas stoppage.

〔参考実験例1〕
<電解質膜の形成>
実験例4の参考例として、固体高分子電解質膜として尿素系シリカハイブリッド膜の自立膜を形成した。
<尿素シリカハイブリッドゾル液の作製>
TMSU(1-3-(Trimethoxysilyl)propyl)urea)0.75M/LとHTFSI(Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)0.25M/Lと尿素0.25M/Lと水4M/Lと塩酸0.01M/Lのメタノール溶液30gを作製し、スターラーで3時間攪拌した。
[Reference Experimental Example 1]
<Formation of electrolyte membrane>
As a reference example of Experimental Example 4, a self-supporting membrane of urea-based silica hybrid membrane was formed as a solid polymer electrolyte membrane.
<Preparation of urea silica hybrid sol solution>
TMSU (1-3- (Trimethoxysilyl) propyl) urea) 0.75M / L, HTFSI (Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) 0.25M / L, urea 0.25M / L, water 4M / L and hydrochloric acid 0.01M / 30 g of a methanol solution of L was prepared and stirred with a stirrer for 3 hours.

<キャスト成膜>
内側50×50mmの金型枠の下に、テフロンシート(デュポン社登録商標:テフロン)を敷き、尿素シリカハイブリッドゾル液8mlを流し込んで、一晩室温放置し乾燥させた。それを60℃の真空オーブンで一晩乾燥した後、80℃の熱風循環オーブンで1時間乾燥した。乾燥した膜を金型から剥離し、厚み100μmの尿素シリカハイブリッド自立膜を得た。
<Cast film formation>
A Teflon sheet (DuPont registered trademark: Teflon) was laid under the inner 50 × 50 mm mold frame, 8 ml of urea silica hybrid sol solution was poured in, and allowed to stand overnight at room temperature to dry. It was dried in a 60 ° C. vacuum oven overnight and then dried in a hot air circulating oven at 80 ° C. for 1 hour. The dried membrane was peeled from the mold to obtain a urea silica hybrid free-standing membrane having a thickness of 100 μm.

<触媒層の形成>
電解質膜の自立膜の片面に、白金ターゲットを用いてアルゴンガス中で300Wの電力で、30秒間、RFスパッタリングして白金薄膜を成膜した。
<素子の組み立て>
電解質膜の自立膜をφ13mmの丸型にカットし、φ12の丸型にカットしたカーボンペーパーで両面を挟んだ。中央部にφ6mmの穴があるφ20のSUS電極板で、その両側を挟み込んで出力取り出し用に電極とした(その際、白金膜面側を負極、反対側を正極とした)。その結果、図13に示すような自立膜型の水素ガスセンサが得られた。
<Formation of catalyst layer>
A platinum thin film was formed on one side of the self-supporting membrane of the electrolyte membrane by RF sputtering for 30 seconds in an argon gas with a power of 300 W using a platinum target.
<Element assembly>
The self-supporting membrane of the electrolyte membrane was cut into a φ13 mm round shape, and both sides were sandwiched with carbon paper cut into a φ12 round shape. A φ20 SUS electrode plate with a φ6 mm hole in the center was sandwiched on both sides to serve as an electrode for output extraction (in this case, the platinum film surface side was the negative electrode and the opposite side was the positive electrode). As a result, a self-supporting film type hydrogen gas sensor as shown in FIG. 13 was obtained.

<水素ガス応答性の評価>
得られたセンサ素子の白金側電極基板と対抗電極基板の電位差を、デジタルマルチメータ(岩通製VOAC7411)で電圧測定した。センサ表面に4000ppmと4%濃度(空気ベース)の水素ガス、窒素ガスをそれぞれ0.5L/min流量で30秒間照射、30秒間停止を交互に繰り返して、水素ガスの接触による電圧変化を測定した。
<Evaluation of hydrogen gas responsiveness>
The potential difference between the platinum side electrode substrate and the counter electrode substrate of the obtained sensor element was measured with a digital multimeter (VOAC7411 manufactured by Iwatatsu Corporation). The sensor surface was irradiated with hydrogen gas and nitrogen gas of 4000 ppm and 4% concentration (air base) at a flow rate of 0.5 L / min for 30 seconds and stopped for 30 seconds alternately, and the voltage change due to contact with hydrogen gas was measured. .

図14、図15に示すように、水素ガス接触によるセンサ信号電圧の上昇と水素ガス停止による信号電圧の低下が確認された。   As shown in FIGS. 14 and 15, it was confirmed that the sensor signal voltage increased due to hydrogen gas contact and the signal voltage decreased due to hydrogen gas stoppage.

図12及び図15は、4000ppm濃度(空気ベース)の水素ガスに対する出力特性である。感度は異なるが、共に水素ガスを検知できることが判明した。   12 and 15 show the output characteristics for 4000 ppm concentration (air-based) hydrogen gas. Although the sensitivity is different, it was found that both can detect hydrogen gas.

〔実験例5〕
<電解質膜の形成>
アルミ電極板の上に、固体高分子電解質としてCNT含有スルホン化スチレンエチレン共重合体の膜を形成した。スルホン化スチレンエチレン共重合体溶液(Aldrich製 Poly(styrene-ran-ethylene)、sulfonated、5wt% solution in 1-propanol)をエバポレータで溶媒を揮発させ、DMF(ジメチルホルムアミド)で溶媒置換した。スルホン化スチレンエチレン共重合体溶液(DMF溶媒、固形分5wt%)の8mlにCNT0.03gを混合し、超音波ホモジナイザーで10分間攪拌した。
[Experimental Example 5]
<Formation of electrolyte membrane>
On the aluminum electrode plate, a CNT-containing sulfonated styrene ethylene copolymer film was formed as a solid polymer electrolyte. A sulfonated styrene ethylene copolymer solution (poly (styrene-ran-ethylene), sulfonated, 5 wt% solution in 1-propanol manufactured by Aldrich) was volatilized with an evaporator, and the solvent was replaced with DMF (dimethylformamide). 0.08 g of CNT was mixed with 8 ml of a sulfonated styrene ethylene copolymer solution (DMF solvent, solid content 5 wt%), and stirred for 10 minutes with an ultrasonic homogenizer.

その後、スターラーで1時間攪拌して、CNT含有スルホン化スチレンエチレン共重合体溶液を作成した。内側50×50mmの金型枠の下に、アルミ板(厚み1mm)を敷いて、上記の溶液を8ml流し込み、熱風循環オーブンで110℃4時間乾燥して、厚み100μmのカーボン分散固体高分子電解質膜を形成した。   Thereafter, the mixture was stirred for 1 hour with a stirrer to prepare a CNT-containing sulfonated styrene ethylene copolymer solution. An aluminum plate (thickness 1 mm) is laid under an inner 50 × 50 mm mold frame, 8 ml of the above solution is poured, dried in a hot air circulating oven at 110 ° C. for 4 hours, and a carbon-dispersed solid polymer electrolyte having a thickness of 100 μm. A film was formed.

<触媒層の形成>
電解質膜の片面に、白金ターゲットを用いてアルゴンガス中で300Wの電力で、30秒間、RFスパッタリングして白金薄膜を成膜した。
<Formation of catalyst layer>
A platinum thin film was formed on one surface of the electrolyte membrane by RF sputtering using a platinum target in an argon gas at a power of 300 W for 30 seconds.

<素子の組み立て>
電解質膜の付いたアルミ板を□10mmの角型にカットし、φ12の丸型にカットしたカーボンペーパーで両面を挟んだ。中央部にφ6mmの穴があるφ20のSUS電極板で、その両側を挟み込んで出力取り出し用の電極とした(その際、白金膜面側を負極、反対側を正極とした)。その結果、図16に示す基板縦型の水素ガスセンサが得られた。
<Element assembly>
An aluminum plate with an electrolyte membrane was cut into a square shape of 10 mm, and both sides were sandwiched with carbon paper cut into a round shape of φ12. A SUS electrode plate of φ20 with a φ6 mm hole in the center was sandwiched between the sides to form an output output electrode (in this case, the platinum film surface side was the negative electrode and the opposite side was the positive electrode). As a result, a vertical substrate type hydrogen gas sensor shown in FIG. 16 was obtained.

<水素ガス応答性の評価>
得られたセンサ素子の白金側電極基板と対抗電極基板の電位差を、デジタルマルチメータ(岩通製VOAC7411)で電圧測定した。センサ表面に4000ppmと4%濃度(空気ベース)の水素ガス、窒素ガスをそれぞれ0.5L/min流量で30秒間照射、30秒間停止、30秒間照射を繰り返して、水素ガスの接触による電圧変化を測定した。
<Evaluation of hydrogen gas responsiveness>
The potential difference between the platinum side electrode substrate and the counter electrode substrate of the obtained sensor element was measured with a digital multimeter (VOAC7411 manufactured by Iwatatsu Corporation). The sensor surface is irradiated with hydrogen gas and nitrogen gas of 4000 ppm and 4% concentration (air base) at a flow rate of 0.5 L / min for 30 seconds, stopped for 30 seconds, and repeatedly irradiated for 30 seconds to change the voltage due to contact with hydrogen gas. It was measured.

図17、図18に示すように、水素ガス接触によるセンサ信号電圧の上昇と水素ガス停止による信号電圧の低下を確認した。   As shown in FIGS. 17 and 18, it was confirmed that the sensor signal voltage increased due to hydrogen gas contact and the signal voltage decreased due to hydrogen gas stoppage.

〔参考実験例2〕
<電解質膜の形成>
実験例5の参考例として、固体高分子電解質としてカーボンナノチューブ(以下、「CNT」と記す。)含有スルホン化スチレンエチレン共重合体の自立膜を形成した。スルホン化スチレンエチレン共重合体溶液(Aldrich製 Poly(styrene-ran-ethylene)、sulfonated、5wt% solution in 1-propanol)をエバポレータで溶媒を揮発させ、DMF(ジメチルホルムアミド)で溶媒置換した。スルホン化スチレンエチレン共重合体溶液(DMF溶媒、固形分5wt%)の8mlにCNT0.03gを混合し、超音波ホモジナイザーで10分間攪拌した。その後、スターラーで1時間攪拌して、CNT含有スルホン化スチレンエチレン共重合体溶液を作成した。
[Reference Experiment Example 2]
<Formation of electrolyte membrane>
As a reference example of Experimental Example 5, a self-supporting film of a sulfonated styrene-ethylene copolymer containing carbon nanotubes (hereinafter referred to as “CNT”) was formed as a solid polymer electrolyte. A sulfonated styrene ethylene copolymer solution (poly (styrene-ran-ethylene), sulfonated, 5 wt% solution in 1-propanol manufactured by Aldrich) was volatilized with an evaporator, and the solvent was replaced with DMF (dimethylformamide). 0.08 g of CNT was mixed with 8 ml of a sulfonated styrene ethylene copolymer solution (DMF solvent, solid content 5 wt%), and stirred for 10 minutes with an ultrasonic homogenizer. Thereafter, the mixture was stirred for 1 hour with a stirrer to prepare a CNT-containing sulfonated styrene ethylene copolymer solution.

内側50×50mmの金型枠の下に、テフロンシート(デュポン社登録商標:テフロン)を敷いて、上記の溶液を8ml流し込み、熱風循環オーブンで110℃、4時間乾燥して、金型から剥離して、厚み100μmの電解質膜の自立膜を得た。   Place a Teflon sheet (DuPont registered trademark: Teflon) under the inner 50 × 50 mm mold frame, pour 8 ml of the above solution, dry it at 110 ° C. for 4 hours in a hot air circulating oven, and peel off from the mold Thus, a self-supporting membrane having a thickness of 100 μm was obtained.

<触媒層の形成>
電解質膜の自立膜の片面に、白金ターゲットを用いてアルゴンガス中で300Wの電力で、30秒間、RFスパッタリングして白金薄膜を成膜した。
<Formation of catalyst layer>
A platinum thin film was formed on one side of the self-supporting membrane of the electrolyte membrane by RF sputtering for 30 seconds in an argon gas with a power of 300 W using a platinum target.

<素子の組み立て>
電解質膜の自立膜をφ13mmの丸型にカットし、φ12の丸型にカットしたカーボンペーパーで両面を挟んだ。中央部にφ6mmの穴があるφ20のSUS電極板で、その両側を挟み込んで出力取り出し用の電極とした(その際、白金膜面側を負極、反対側を正極とした。)。その結果、図19に示す自立膜型の水素ガスセンサが得られた。
<Element assembly>
The self-supporting membrane of the electrolyte membrane was cut into a φ13 mm round shape, and both sides were sandwiched with carbon paper cut into a φ12 round shape. A SUS electrode plate of φ20 with a φ6 mm hole in the center was sandwiched on both sides to form an output output electrode (in this case, the platinum film surface side was the negative electrode and the opposite side was the positive electrode). As a result, the self-supporting film type hydrogen gas sensor shown in FIG. 19 was obtained.

<水素ガス応答性の評価>
得られたセンサ素子の白金側電極基板と対抗電極基板の電位差を、デジタルマルチメータ(岩通製VOAC7411)で電圧測定した。センサ表面に4000ppm濃度(空気ベース)の水素ガスを0.5L/min流量で30秒間照射、30秒間停止を交互に繰り返して、水素ガスの接触による電圧変化を測定した。
<Evaluation of hydrogen gas responsiveness>
The potential difference between the platinum side electrode substrate and the counter electrode substrate of the obtained sensor element was measured with a digital multimeter (VOAC7411 manufactured by Iwatatsu Corporation). The sensor surface was irradiated with hydrogen gas at a concentration of 4000 ppm (air base) at a flow rate of 0.5 L / min for 30 seconds and stopped for 30 seconds alternately, and the change in voltage due to contact with hydrogen gas was measured.

図20に示すように、水素ガス接触によるセンサ信号電圧の上昇と水素ガス停止による信号電圧の低下を確認した。   As shown in FIG. 20, it was confirmed that the sensor signal voltage increased due to hydrogen gas contact and the signal voltage decreased due to hydrogen gas stoppage.

図18及び図20は、4000ppm濃度(空気ベース)の水素ガスに対する出力特性である。感度は異なるが、共に水素ガスを検知できることが判明した。   18 and 20 show output characteristics with respect to hydrogen gas having a concentration of 4000 ppm (air base). Although the sensitivity is different, it was found that both can detect hydrogen gas.

〔実験例6〕
<櫛歯状銀対電極基板の形成>
図21(a)に示すように、厚み188μmの白PET(東レ ルミラーU2)フィルム基板の上に、銀ペースト(アサヒ化学研究所製 LS-415-M)を1mm幅、0.5mm間隔で3本ずつの櫛歯状のパターンでスクリーン印刷して、櫛歯状の銀対電極基板を作成した。
[Experimental Example 6]
<Formation of comb-teeth silver counter electrode substrate>
As shown in FIG. 21 (a), a silver paste (LS-415-M, manufactured by Asahi Chemical Research Laboratories) is placed on a white PET (Toray mirror U2) film substrate having a thickness of 188 μm at a 1 mm width and 0.5 mm intervals. A comb-like silver counter electrode substrate was prepared by screen printing with a comb-like pattern for each book.

<触媒層の形成>
片方の銀電極の上に、櫛歯の形状に合わせた開口部を設けてマスキングした後、白金ターゲットを用いてアルゴンガス中で300Wの電力で、30秒間、RFスパッタリングして白金薄膜を成膜した。
他方の銀電極の上に、櫛歯の形状に合わせた開口部を設けてマスキングした後、カーボンペースト(アサヒ化学研究所製 FTU-30)を専用溶剤で希釈して塗布し、熱風循環オーブンで100℃、1時間乾燥してカーボン電極を形成した。
<Formation of catalyst layer>
On one silver electrode, an opening corresponding to the shape of the comb teeth is provided for masking, and then a platinum thin film is formed by RF sputtering for 30 seconds in an argon gas at a power of 300 W using a platinum target. did.
On the other silver electrode, an opening matching the shape of the comb teeth is provided for masking, and then carbon paste (FTU-30 manufactured by Asahi Chemical Research Laboratories) is diluted with a special solvent and applied. A carbon electrode was formed by drying at 100 ° C. for 1 hour.

<電解質膜の形成>
紫外線硬化樹脂(スリーボンド製3130B)とイオン液体(第一工業製薬製IL110)を重量比1:1で混合し、上記の電極基板上に厚み2mm程度に塗布し、60秒間紫外線照射して硬化させて成膜した。その結果、図21(b)に示す対電極基板型の水素ガスセンサが得られた。
<Formation of electrolyte membrane>
Ultraviolet curable resin (3Bond 3130B) and ionic liquid (Daiichi Kogyo Seiyaku IL110) are mixed at a weight ratio of 1: 1, applied to the electrode substrate to a thickness of about 2 mm, and cured by UV irradiation for 60 seconds. To form a film. As a result, a counter electrode substrate type hydrogen gas sensor shown in FIG. 21B was obtained.

<水素ガス応答性の評価>
作製したセンサ基板の白金電極とカーボン電極の電位差を、デジタルマルチメータ(岩通製VOAC7411)で電圧測定した。
センサ表面に4%濃度(空気ベース)の水素ガスを0.5L/min流量で30秒間照射、30秒間停止を交互に繰り返して、水素ガスの接触による電圧変化を測定した。
<Evaluation of hydrogen gas responsiveness>
The potential difference between the platinum electrode and the carbon electrode of the fabricated sensor substrate was measured with a digital multimeter (VOAC7411 manufactured by Iwatatsu).
The sensor surface was irradiated with hydrogen gas at a concentration of 4% (air base) at a flow rate of 0.5 L / min for 30 seconds and stopped alternately for 30 seconds, and the change in voltage due to contact with hydrogen gas was measured.

図22に示すように、水素ガス接触によるセンサの信号電圧の上昇と、水素ガス停止による信号電圧の低下を確認した。   As shown in FIG. 22, it was confirmed that the sensor signal voltage increased due to hydrogen gas contact and the signal voltage decreased due to hydrogen gas stoppage.

さらに、上述の各水素ガスセンサを用いて、被検出ガスとしてメタンガス及び一酸化炭素ガスに対して同様の実験を行なったが、何れも出力の変化が現れなかった。このことから、ガス選択性も備えていることが確認された。   Furthermore, the same experiment was performed on methane gas and carbon monoxide gas as the gas to be detected using each of the hydrogen gas sensors described above, but no change in output appeared. From this, it was confirmed that the gas selectivity was also provided.

本発明による水素ガスセンサは、水素ガスをエネルギー源とする燃料電池システムに極めて有用で、水素ガスタンクや水素ガス供給管内の水素濃度の検出や漏洩検出等、酸素ガスの非存在下で水素ガス濃度を検知する必要がある場合に好適に用いることができる。   The hydrogen gas sensor according to the present invention is extremely useful for a fuel cell system using hydrogen gas as an energy source, and detects the hydrogen gas concentration in the absence of oxygen gas, such as detection of hydrogen concentration in a hydrogen gas tank or a hydrogen gas supply pipe or detection of leakage. It can be suitably used when it is necessary to detect.

また、半導体製造プラントの熱処理装置での水素濃度監視や水素ガスの漏洩検知にも好適に用いることができる。例えば、水素ガス或は水素ガスと窒素ガスの混合ガスを用いた界面処理のための熱処理工程等で水素ガス濃度の監視等に用いることができる。   Moreover, it can be suitably used for hydrogen concentration monitoring and hydrogen gas leak detection in a heat treatment apparatus of a semiconductor manufacturing plant. For example, it can be used for monitoring the hydrogen gas concentration in a heat treatment process for interfacial treatment using hydrogen gas or a mixed gas of hydrogen gas and nitrogen gas.

1:水素ガスセンサ
2:プロトン導電層
3:触媒層
3a:触媒
4,4a,4b:電極
6:計測器(電圧検出回路)
10:基板
C:カーボン
S:固体高分子電解質
1: Hydrogen gas sensor 2: Proton conductive layer 3: Catalyst layer 3a: Catalysts 4, 4a, 4b: Electrode 6: Measuring instrument (voltage detection circuit)
10: Substrate C: Carbon S: Solid polymer electrolyte

Claims (11)

プロトン導電層と、プロトン導電層と触媒層を介して接合される第一の電極層と、プロトン導電層と接合される第二の電極層が、基板上に積層形成されている水素ガスセンサ。   A hydrogen gas sensor in which a proton conductive layer, a first electrode layer joined via a proton conductive layer and a catalyst layer, and a second electrode layer joined to the proton conductive layer are laminated on a substrate. 基板上に形成された第二の電極層と、第二の電極層に積層されたプロトン導電層と、プロトン導電層に積層された触媒層と、触媒層に積層された第一の電極層を備えている請求項1記載の水素ガスセンサ。   A second electrode layer formed on the substrate; a proton conductive layer laminated on the second electrode layer; a catalyst layer laminated on the proton conductive layer; and a first electrode layer laminated on the catalyst layer. The hydrogen gas sensor according to claim 1 provided. 基板上に形成されたプロトン導電層と、プロトン導電層の上面に離隔するように積層された触媒層及び第二の電極層と、触媒層に積層された第一の電極層を備えている請求項1記載の水素ガスセンサ。   A proton conductive layer formed on the substrate, a catalyst layer and a second electrode layer stacked so as to be separated from the upper surface of the proton conductive layer, and a first electrode layer stacked on the catalyst layer. Item 2. The hydrogen gas sensor according to Item 1. 基板上に離隔するように形成された第一の電極層及び第二の電極層と、第一の電極層に積層された触媒層と、第二の電極層及び触媒層を覆うように積層されたプロトン導電層を備えている請求項1記載の水素ガスセンサ。   The first electrode layer and the second electrode layer formed on the substrate so as to be separated from each other, the catalyst layer laminated on the first electrode layer, and the second electrode layer and the catalyst layer are laminated. The hydrogen gas sensor according to claim 1, further comprising a proton conductive layer. 第一の電極層が通気性を有する電極層である請求項2または3記載の水素ガスセンサ。   The hydrogen gas sensor according to claim 2 or 3, wherein the first electrode layer is a gas permeable electrode layer. 第一の電極層及び触媒層と、第二の電極層の端縁がそれぞれ櫛歯状に形成され、一方の櫛歯の間隙に他方の櫛歯が位置するように積層されている請求項3または4記載の水素ガスセンサ。   The first electrode layer, the catalyst layer, and the edge of the second electrode layer are each formed in a comb-like shape, and are laminated so that the other comb-teeth is positioned in the gap between the one comb-teeth. Or the hydrogen gas sensor of 4. プロトン導電層が、固体高分子電解質で構成されている請求項1から6の何れかに記載の水素ガスセンサ。   The hydrogen gas sensor according to claim 1, wherein the proton conductive layer is made of a solid polymer electrolyte. プロトン導電層が、カーボン素材が添加された固体高分子電解質で構成されている請求項1から6の何れかに記載の水素ガスセンサ。   The hydrogen gas sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the proton conductive layer is made of a solid polymer electrolyte to which a carbon material is added. プロトン導電層が、イオン液体と樹脂の混合物を硬化処理した固体イオン導電体で構成されている請求項1から6の何れかに記載の水素ガスセンサ。   The hydrogen gas sensor according to claim 1, wherein the proton conductive layer is composed of a solid ionic conductor obtained by curing a mixture of an ionic liquid and a resin. プロトン導電層が、無機有機ハイブリッド電解質で構成されている請求項1から6の何れかに記載の水素ガスセンサ。   The hydrogen gas sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the proton conductive layer is made of an inorganic / organic hybrid electrolyte. 触媒層が水素ガスと接触することにより触媒機能を持つ金属または合金、若しくは触媒活性を有する有機金属または有機物で構成されている請求項1から10の何れかに記載の水素ガスセンサ。   The hydrogen gas sensor according to any one of claims 1 to 10, wherein the catalyst layer is made of a metal or alloy having a catalytic function by contacting with hydrogen gas, or an organic metal or organic substance having catalytic activity.
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