JP2012032186A - 定電位電解式ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の定電位電解式ガスセンサでは、電解液保持体の周囲に空間を設けたりするため、仮に定電位電解式ガスセンサを横方向に配置した場合、電解液と電解液保持体が離れ、各電極間を電解液を介して接続することができなくなり、センサとしての機能が失われてしまう。
【解決手段】本件発明では、ケース内部に電解液を保持する電解液室を有し、前記電解液室内に検知極と参照極と対極と電解液保持体とを有し、前記電解液保持体の上面側に検知極を、対向する下面側に対極を配置し、前記電解液保持体は、多孔質体で構成され、内部に中空の空間部を有している定電位電解式ガスセンサを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一酸化炭素などのガス濃度を測定する、定電位電解式ガスセンサに関する。

従来の定電位電解式ガスセンサの構造は、図８の（ａ）に示すように、ケース内部に電解液保持体（０８０１）が配置されている。この電解液保持体は、硫酸などの電解液が含浸されている。電解液は、検知極（０８０２）と対極（０８０３）を電気的に結ぶ役割を担っており、電解液保持体は、検知極と対極が電解液に接触するように配置されている。

ここで、測定対象を一酸化炭素とした場合を例に説明する。一酸化炭素を測定対象とした場合、検知極において一酸化炭素は二酸化炭素へと酸化される酸化反応が行われる。一方対極では、酸素が水へと還元される還元反応が行われる。このとき、検知極と対極の間に流れる電流を測定することで一酸化炭素の濃度を測定することが可能となる。

この一酸化炭素濃度を測定する際に用いられる電解液としては、先に述べた硫酸などが一般的である。ケース内部に保持された電解液は、液体の硫酸であるため、ケースは硫酸の流出を防ぐ構造である必要がある。しかし、仮にこの定電位電解式ガスセンサが、高湿度雰囲気に長時間おかれた場合、硫酸は吸湿性を有するため、外部の水蒸気を吸湿するため、内部の電解液量が増加し、ケース内部の圧力が高くなる恐れがある。ケースの内部の圧力が高くなると、ケースのシール部分が耐えられなくなり硫酸が流出する恐れがある。

そこで、特許文献１では、図８の（ｂ）のように硫酸などの電解液の吸湿による体積増加を考慮した空間（０８０４）を電解液保持体の周囲に設けることで、硫酸などの電解液の流出を防ぐ構成となっている。

特開２００１−０９９８１１号公報

しかし、特許文献１に示した定電位電解式ガスセンサでは、電解液保持体の周囲に空間を有するため、仮に定電位電解式ガスセンサを作用極と対極が電解液保持体を介して上下方向ではなく、左右方向に配置された場合、電解液保持体が電解液を保持できなくなる可能性がある。このような場合、作用極と対極が電解液によって導通されないため、センサとしての機能が失われてしまう。

そこで、本件発明では、上記課題に鑑み、以下の定電位電解式ガスセンサを提供する。すなわち第一の発明としては、ケース内部に電解液を保持する電解液室を有し、前記電解液室内に検知極と参照極と対極と電解液保持体とを有し、前記電解液保持体の上面側に検知極を、対向する下面側に対極を配置し、前記電解液保持体は、多孔質体で構成され、内部に中空の空間部を有している定電位電解式ガスセンサを提供する。

第二の発明としては、前記電解液保持体の側面は、前記電解室内壁に接触している第一の発明に記載の定電位電解式ガスセンサを提供する。

第三の発明としては、前記電解液保持体の上部および下部に前記空間部の圧力を調整するための圧力調整孔を有している第一の発明または第二の発明に記載の定電位電解式ガスセンサを提供する。

第四の発明としては、前記電解液保持体の上面側には、電解液保持体から順に保液濾紙、集電体、検知極、多孔性ガス拡散層が配置され、下面側には、電解液保持体から順に保液濾紙、参照極、保液濾紙、集電体、対極、多孔性ガス拡散層が配置されている第一の発明から第三の発明のいずれか一に記載の定電位電解式ガスセンサを提供する。

本件発明の定電位電解式ガスセンサのように、電解液保持体の内部に空間を設けることで、電解液の体積変化、特に吸湿などによる体積の増加による電解液の漏れを防ぐことが可能となり、さらにセンサを横方向に倒して使用した場合であっても、センサを設置する方向に依存することなく、正確に対象ガスの濃度を測定することが可能である。

さらに本件発明の定電位電解式ガスセンサのように、電解液保持体に電解液保持体外部と空間部を連通する圧力調整孔を設けることで、外部からの吸湿によって生じる水、定電位電解式ガスセンサが配置される環境の変化などによる圧力変化等が生じても、ガス検知性能に影響を与えることなくいち早く対応することが可能となる。

実施形態１の定電位電解式ガスセンサを説明するための断面概念図 実施形態１の定電位電解式ガスセンサを説明するための断面概念図 実施形態１の定電位電解式ガスセンサを説明するための断面概念図 従来の定電位電解式ガスセンサを説明するための断面概念図 実施形態１の定電位電解式ガスセンサを説明するための断面概念図 実施形態１の定電位電解式ガスセンサを説明するための断面概念図 実施形態２の定電位電解式ガスセンサを説明するための断面概念図 従来の定電位電解式ガスセンサを説明するための断面概念図

以下、本件発明の実施の形態について、添付図面を用いて説明する。なお、本件発明は、これら実施形態に何ら限定されるべきものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。

実施形態１は主に請求項１、請求項２、請求項４などに関する。実施形態２は主に請求項３などに関する。実施形態３は主に請求項３などに関する。
＜＜実施形態１＞＞
＜実施形態１ 概要＞

本実施形態は、定電位電解式ガスセンサにおいて、ケース内部に設置されている電解液保持体が内部に空間を有する形状となっていることを特徴としている。電解液保持体内部に空間部を有することで、電解液の体積変化、特に吸湿などによる体積の増加による電解液の漏れを防ぐことが可能となる。さらに、本実施形態によれば、定電位電解式ガスセンサを設置する方向に依存することなく、正確にガス濃度を測定することが可能となる。
＜実施形態１ 構成＞

図１に本実施形態の定電位電解式ガスセンサの断面概念図を示した。本実施形態の定電位電解式ガスセンサは、ケース（０１０１）内部に電解液（図示せず）を貯留する電解液室（０１０２）を有し、電解液室内に検知極（０１０３）と参照極（０１０４）と対極（０１０５）と電解液保持体（０１０６）とを有し、電解液保持体の上面側に検知極を、対向する下面側に対極を配置し、電解液保持体は、多孔質体で構成され、内部に中空の空間部（０１０７）を有している。

また図１に示した定電位電解式ガスセンサにおいて、ケース外側に突出しているピン（０１２１）は、検知極、参照極、対極にそれぞれ接続されたリードピンである。なお図中では図面の関係上２つのリードピンのみが記載されているが、実際にはそれぞれの電極に対応した３本のリードピンが配置されている。

「ケース」は、図１に示したように、内部に電解液室を有している。この電解液室には後述する検知極、参照極、対極などの電極と、電解液保持体を有している。ケースは、一体型で構成されるケースでもよいが、図１に示したように複数の部品が組み合わされることで構成されていてもよい。例えば、図２では、筒状の外ケース（０１０８）に外ケースの上下から内側に挿入される上部内キャップ（０１０９）と下部内キャップ（０１１０）、さらに上部内キャップおよび下部内キャップを覆うように上キャップ（０１１１）と下キャップ（０１１２）を組み合わせることで、ケースが構成されていてもよい。また、ケースはその内部に、電解液を貯留するため、内部の電解液が流出しないような構造とする必要がある。このため図１に示したように、各種シール部材（０１１３）を用いて、密閉させる必要がある。また、ケースには、電解液室へ測定対象となるガスを導くための開口（０１１４）が少なくとも1か所設けられている。この開口は、ケース外部と電解液室内の間で気体の出入りが可能となるように構成されている。

また、検知極の上方であって、上部内キャップと上キャップの間に設けられた空間（０１１５）は、ガスフィルターなどを配置するための空間である。この空間に配置されるフィルタとしては、検知するガスを選択するガス選択フィルタや、埃や油分など、定電位電解式ガスセンサに悪影響を与える物質を除去するためのフィルタなどである。

「電解液」は、測定対象となるガスに応じて変化させる。例えば、一酸化炭素を検知対象とする場合には電解液として硫酸水溶液を用いる。この電解液の種類については、測定対象や想定される測定環境に応じて適宜決定し用いる。従って本明細書中において特に限定されるものではない。

「電解液室」は、前記ケース内部に配置され、前述の電解液が封入された空間であって、後述する検知極、参照極、対極、電解液保持体が配置されている。電解液はこの電解液室に封入され、電解液室から外へ流出しないような構成がされている。仮に、電解液室から電解液が流出すると、ケース外部へ電解液が流出する恐れがある。このため、電解液はシーリング材等によって密閉されている。電解液の増減によって生じる、電解室内部と外部の圧力差を相殺することがかのうとなる。

「検知極」、「参照極」、「対極」は、それぞれ電解液を介して導通可能に配置されている。図１に示した定電位電解式ガスセンサでは、検知極に対する参照極および対極が、上下に積層されて配置された例である。また、それぞれの電極は、保液濾紙（０１１６、０１１７、０１１８）や集電体（０１１９、０１２０）、多孔性ガス拡散層（０１２２、０１２３）に挟まれるように配置されている。具体的には、図１において、電解液保持体の上面側に電解液保持体から順に保液濾紙（０１１６）、集電体（０１１９）、検知極が配置され、下面側に電解液保持体から順に保液濾紙（０１１７）、参照極、保液濾紙（０１１８）、集電体（０１２０）、対極が配置されている。これに対して図２では、検知極（０２０１）に対峙する参照極（０２０２）および対極（０２０３）が並んで配置された例である。これらの参照極および対極の配置位置については、図１および図２のどちらであってもよい。

「電解液保持体」は、多孔質材料からなり、前述の電解液を保持する。電解液保持体が電解液を保持することで、前述の検知極と参照極および対極は電解液を介して接続される。電解液保持体を構成する材料としては、多孔質の材料であって、電解液を保持でき、電解液によって劣化しない材料であればよい。セラミックス、ガラス材料等の多孔質材料であってもよいが、望ましくは破損の恐れが少なく、またセラミックス材料に比べて安価なアクリル材料などの樹脂等であってもよい。尚、電解液保持体は、内部に設けられた空間と電解液保持体の外部との間で、液体の出入りが可能な材料で構成されていることが必要である。

図１では、電解液保持体は、一体の形状で示されているが、複数の部品組み合わせて構成されてもよい。特に後述するように本実施形態の電解液保持体は、内部に空間部を有している構造であるため、この空間部を形成するために複数の部品から電解液保持体を構成することが、コストや製作工程で有利である。例えば、図３のように、上下分離可能に構成した電解液保持体（０３０１、０３０２）において、上下が分離される個所に参照極（０３０３）を配置するように構成してもよい。この場合、検知極（０３０４）と対極（０３０５）の間に電解液保持体が配置され、さらに電解液保持体の略中央に参照極が配置されるような構成となる。

一般的にガスセンサは、設置される方向が使用用途や使用環境に応じて多々変化する。このため、本実施形態の定電位電解式ガスセンサもどのような方向で設置されても正しく測定されなければならない。図８の（ａ）に説明した先行技術においては、空間部を全く設けていないため、電解液の体積に変化が生じると、電解液室内部の圧力が高まり、電解液が電解液室およびケースから漏れ出してしまう可能性がある。これを防ぐために図８の（ｂ）のように、電解液保持体の周囲に体積変化を少なくするための空間が設けられている。しかし、図８の（ｂ）に示した電解液保持体の周囲に空間部を設けた定電位電解式ガスセンサを、仮に図４に示したように、横に倒した状態で使用すると、硫酸水溶液などの電解液の吸湿による体積膨張に対しては対応可能であるが、低温低湿環境下では、逆に硫酸水溶液中の水分が放出されることにより電解液の体積が減少し、電解液（０４０１）と電解液保持体（０４０２）が離れてしまい、各電極（０４０３、０４０４、０４０５）間を電解液で接続することができなくなってしまう可能性がある。

そこで、本実施形態の定電位電解式ガスセンサでは、図５に示したように、電解液保持体（０５０１）を電解液室（０５０２）の内壁（０５０３）に接触するように構成してもよい。このように、電解液保持体を電解液室内壁に接触するように構成することで、仮に電解液の量が電解液室の体積に対して少ない場合でも電解液が電解液保持体に接触することが可能である。仮に、電解液の量が十分であれば、図８の（ｂ）の構成であってもよいが、電解液の量が後述するように吸湿等によって変化することを考慮すると、電解液保持体が電解室内壁に接触するか、もしくは図１に示したように出来るだけ内壁に近づけた位置になるように構成することが望ましい。

また、本実施形態の定電位電解式ガスセンサでは、電解液保持体を電解液室の内壁に接触させる際に、電解液保持体の外側全体ではなく、図６の（ａ）や（ｂ）に示すように電解液保持体の外側面の一部が電解液室の内壁に接触するように構成してもよい。図６の（ａ）や（ｂ）の例では、電解液保持体の外側に電解液室の内壁と接触するための突起部分を設けている。この突起が電解液室の内壁に接触することで、図５と同様の効果をもたらすことが可能となる。

また、電解液保持体は、各電極（検知極、参照極、対極）を押さえ支持する役割を担っている。一般的に各電極は、その電極の面積が大きいほど出力が大きくなるため、精度および感度が向上する。仮に、図８の（ｂ）に示したような、電解液保持体の周囲に空間を有する定電位電解式ガスセンサの場合、電解液保持体の断面積より小さい電極とするか、電極を押さえ支持するための部材が別途必要となる。しかし、本実施形態に示した定電位電解式ガスセンサでは、電極の大きさが電解液保持体の大きさに制限されたり、別途電極を押さえ支持するための部材を設けたりすることなく、図８の（ｂ）に示した定電位電解式ガスセンサより大きな電極を配置することが可能である。

「空間部」は、前述の電解液保持体内部に設けられた空間である。この空間は前述のように、電解液の測定環境の変化等に伴う体積変化を、吸収するために設けられた空間である。つまり、例えば電解液が吸湿によって体積が膨張した場合、仮に空間が存在しないと電解液は、体積が膨張した分、電解液室外へ流出する恐れがある。これを防ぐために電解液の体積増加分の空間を電解液保持体内部に有している。具体的には、一酸化炭素センサの場合、電解質として一般的に４０ｗｔ％の硫酸を用いた例で考えると、４０ｗｔ％-硫酸の体積に対して、２から４倍の空間部の体積があればよい。尚、この空間部は、前述したように、電解液保持体が多孔質の材料で構成されているため、電解液保持体外部と空間部の間で電解液（液体）の出入りが可能になるように構成されている。
＜実施形態１ 効果＞

本実施形態の定電位電解式ガスセンサのように、電解液保持体の内部に空間を設けることで、電解液の体積変化、特に吸湿などによる体積の増加による電解液の漏れを防ぐことが可能となり、さらにセンサを横方向に倒して使用した場合であっても、センサを設置する方向に依存することなく、正確に対象ガスの濃度を測定することが可能である。
＜＜実施形態２＞＞
＜実施形態２ 概要＞

本実施形態は、実施形態１に示した定電位電解式ガスセンサの電解液保持体に、空間部の圧力を調整するための圧力調整孔を有していることを特徴とした定電位電解式ガスセンサである。電解液保持体に空間部の圧力を調整する圧力調整孔を設けることで、定電位電解式ガスセンサ外部の圧力変化などに対応することが可能となる。
＜実施形態２ 構成＞

図７に本実施形態の定電位電解式ガスセンサを説明するための断面概念図を示した。本実施形態は、実施形態１に説明した、ケース（０７０１）、電解液（図示せず）、電解液室（０７０２）、検知極（０７０３）、参照極（０７０４）、対極（０７０５）、電解液保持体（０７０６）、空間部（０７０７）からなる定電位電解式ガスセンサにさらに、電解液保持体の上部および下部の少なくともどちらか一方に前記空間部の圧力を調整するための圧力調整孔（０７０８）を有している。

実施形態１に説明した定電位電解式ガスセンサの電解液保持体には、空間部の圧力を調整するための圧力調整孔は設けられていないが、実施形態１にも述べたように、電解液保持体を構成する材料の密度小さくし、空孔を増やすことで電解液保持体外部と空間部の間で液体（電解液）の出入りは可能であるため、圧力の調整は可能である。しかし、多孔質材料で構成された電解液保持体は、液体の出入りが遅く、圧力変化への応答が遅くなってしまう。そこで、図７のように、空間部と電解液保持体外部とを連通する圧力調整孔を設けることで、圧力変化に対する応答を改善することが可能となる。

空間部と電解液保持体外部との圧力変化が起こる例としては、例えば電解液である硫酸が吸湿した場合や、定電位電解式ガスセンサが設置される環境が急激に変化し、圧力が変化した場合などである。電解液である硫酸が吸湿した場合などは、水が圧力調整孔を介して空間部へ入る。また、対極において反応によって生じた水が圧力調整孔を介して空間部へ入る。このような原因による圧力の変化に対して本実施形態の定電位電解式ガスセンサでは、圧力調整孔を設けることでスムーズに圧力変化に対応することが可能となる。
＜実施形態２ 効果＞

本実施形態の定電位電解式ガスセンサのように、電解液保持体に電解液保持体外部と空間部を連通する圧力調整孔を設けることで、外部からの吸湿、反応によって生じる水、定電位電解式ガスセンサが配置される環境の変化などによる圧力変化等が生じても、ガス検知に影響を与えることなくいち早く対応することが可能となる。

０１０１ ケース
０１０２ 電解液室
０１０３ 検知極
０１０４ 参照極
０１０５ 対極
０１０６ 電解液保持体
０１０７ 空間部
０１０８ 外ケース
０１０９ 上部内キャップ
０１１０ 下部内キャップ
０１１１ 上キャップ
０１１２ 下キャップ
０１１３ シール部材
０１１４ 開口
０１１５ 空間
０１１６、０１１７、０１１８ 保液濾紙
０１１９、０１２０ 集電体
０１２１ ピン
０１２２、０１２３ 多孔性ガス拡散層

Claims (4)

1. ケース内部に電解液を保持する電解液室を有し、
   前記電解液室内に検知極と参照極と対極と電解液保持体とを有し、
   前記電解液保持体の上面側に検知極を、対向する下面側に対極を配置し、
   前記電解液保持体は、多孔質体で構成され、内部に中空の空間部を有している定電位電解式ガスセンサ。
2. 前記電解液保持体の側面は、前記電解液室内壁に接触している請求項１に記載の定電位電解式ガスセンサ。
3. 前記電解液保持体の上部および下部の少なくともどちらか一方に前記空間部の圧力を調整するための圧力調整孔を有している請求項１または２に記載の定電位電解式ガスセンサ。
4. 前記電解液保持体の上面側には、電解液保持体から順に保液濾紙、集電体、検知極、多孔性ガス拡散層が配置され、下面側には、電解液保持体から順に保液濾紙、参照極、保液濾紙、集電体、対極、多孔性ガス拡散層が配置されている請求項１から３のいずれか一に記載の定電位電解式ガスセンサ。