JP2013130481A - Hydrogen gas sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen gas sensor capable of detecting hydrogen gas and measuring a hydrogen gas concentration by a simple structure without requiring application of reference gas or voltage, and to provide a coin cell type hydrogen gas sensor using the hydrogen gas sensor.SOLUTION: In the hydrogen gas sensor configured by laminating a first electrode 11 and a second electrode 12 through a solid electrolyte film 13, the first electrode 11 and the second electrode 12 contain metal having catalysis capable of dissociating hydrogen to protons, the film thickness of the first electrode 11 is 1 to 25 nm, and the film thickness of the second electrode 12 is thicker than the film thickness of the first electrode 11.

Description

本発明は、標準ガスや電圧の印加を必要とせず、簡易な構造で水素ガスの検知及び水素ガス濃度の測定をすることが可能な水素ガスセンサ及び該水素ガスセンサを用いたコイン電池型水素ガスセンサに関する。 The present invention relates to a hydrogen gas sensor capable of detecting hydrogen gas and measuring the hydrogen gas concentration with a simple structure without requiring application of a standard gas or voltage, and a coin battery type hydrogen gas sensor using the hydrogen gas sensor. .

近年、電気自動車のエネルギー源等として、燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、水素等の燃料と、酸素等の酸化剤とを供給し続けることで、継続的に電力を取り出すことができる化学電池である。
燃料電池のエネルギー源となる水素分子は、常温で安定であるが、反応性が高く、様々な物質と化学反応を起こしやすい。例えば、水素と酸素とを体積比2:1で混合し、火をつけると、激しく爆発することが知られている。そのため、水素を利用する場所においては、簡便な方法で、水素の濃度を精度良く検出することが可能な水素ガスセンサの必要性は極めて高くなっている。
In recent years, fuel cells have attracted attention as energy sources for electric vehicles. A fuel cell is a chemical cell that can continuously extract electric power by continuously supplying a fuel such as hydrogen and an oxidant such as oxygen.
Hydrogen molecules, which are energy sources for fuel cells, are stable at room temperature, but are highly reactive and easily cause chemical reactions with various substances. For example, it is known that when hydrogen and oxygen are mixed at a volume ratio of 2: 1 and ignited, a violent explosion occurs. Therefore, in a place where hydrogen is used, there is an extremely high need for a hydrogen gas sensor that can accurately detect the hydrogen concentration by a simple method.

このような水素ガスセンサとしては、プロトン伝導体を用いた起電力測定方式のものが従来から知られている。例えば、特許文献1には、第2電極(基準電極)に水素濃度分圧値が既知であるガス(標準ガス)を曝すことで、第1電極に曝されるガス中の水素濃度を、第1電極と第2電極間との間の起電力から算出して測定可能な水素ガスセンサが開示されている。 As such a hydrogen gas sensor, an electromotive force measurement method using a proton conductor is conventionally known. For example, Patent Document 1 discloses that a gas having a known hydrogen concentration partial pressure value (standard gas) is exposed to a second electrode (reference electrode), thereby determining the hydrogen concentration in the gas exposed to the first electrode. A hydrogen gas sensor that can be calculated and measured from an electromotive force between one electrode and a second electrode is disclosed.

また、特許文献2には、絶縁基板上に作用電極、参照電極及び対向電極を設け、上記電極を一体的に覆うガス透過性プロトン導電体膜を形成し、プロトン導電体膜を透過したガスによって作用電極表面で生じたプロトンが対向極で還元される電流を測定することによって、水素濃度を測定可能な水素ガスセンサが開示されている。 Further, in Patent Document 2, a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode are provided on an insulating substrate, a gas permeable proton conductor film that integrally covers the electrode is formed, and a gas that has permeated the proton conductor film is used. A hydrogen gas sensor that can measure the hydrogen concentration by measuring a current at which protons generated on the surface of the working electrode are reduced at the counter electrode is disclosed.

特開2003−270200号公報JP 2003-270200 A 特公平7−31153号公報Japanese Examined Patent Publication No. 7-31153

しかしながら、特許文献1に開示された水素ガスセンサは、標準ガスを要するという問題があった。このような標準ガスを用いる場合は、センサ構造が複雑になり小型化が困難である等の種々の問題を生じることがあった。
また、特許文献2に開示された水素ガスセンサは、検出ガスがプロトン導電体膜を透過した後に作用電極表面でプロトンを生じ、対向電極で再度ガスに還元されたのちにプロトン導電体膜を透過して、外部に排出されなければならず、感度や応答性に問題があった。
さらに、作用電極と対向電極間に電圧を印加しなければならず、電圧の制御のために参照電極も必要であり、検出の回路が複雑になる問題もあった。
本発明は、上記課題を解決するものであり、標準ガスや電圧の印加を必要とせず、簡易な構造で水素ガスの検知及び水素ガス濃度の測定をすることが可能な水素ガスセンサを提供することを目的とする。
However, the hydrogen gas sensor disclosed in Patent Document 1 has a problem of requiring a standard gas. When such a standard gas is used, various problems such as a complicated sensor structure and difficulty in miniaturization may occur.
In addition, the hydrogen gas sensor disclosed in Patent Document 2 generates protons on the surface of the working electrode after the detection gas permeates the proton conductor membrane, and is reduced again to gas at the counter electrode and then permeates the proton conductor membrane. Therefore, it had to be discharged to the outside, and there was a problem in sensitivity and responsiveness.
In addition, a voltage must be applied between the working electrode and the counter electrode, and a reference electrode is required for controlling the voltage, resulting in a problem that the detection circuit is complicated.
The present invention solves the above-described problems, and provides a hydrogen gas sensor capable of detecting hydrogen gas and measuring the hydrogen gas concentration with a simple structure without requiring application of a standard gas or voltage. With the goal.

本発明は、固体電解質膜を介して、第1電極及び第2電極が積層された水素ガスセンサであって、前記第1電極及び第2電極は、水素をプロトンに解離できる触媒作用を有する金属を含有し、前記第1電極の膜厚が1〜25nmであり、前記第2電極の膜厚は第1電極の膜厚よりも厚いことを特徴とする水素ガスセンサである。
以下、本発明を詳述する。
The present invention is a hydrogen gas sensor in which a first electrode and a second electrode are laminated via a solid electrolyte membrane, wherein the first electrode and the second electrode are made of a metal having a catalytic action capable of dissociating hydrogen into protons. The hydrogen gas sensor is characterized in that the first electrode has a thickness of 1 to 25 nm, and the second electrode has a thickness greater than that of the first electrode.
The present invention is described in detail below.

本発明者らは、第1電極及び第2電極の材質に水素をプロトンに解離できる触媒作用を有する金属を用いるとともに、第1電極及び第2電極を所定の膜厚とすることにより、標準ガスや電圧の印加を必要とせず、簡易な構造で水素ガスの検知及び水素ガス濃度の測定をすることが可能となることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The inventors use a metal having a catalytic action capable of dissociating hydrogen into protons as the material of the first electrode and the second electrode, and by setting the first electrode and the second electrode to a predetermined film thickness, The present inventors have found that hydrogen gas can be detected and the hydrogen gas concentration can be measured with a simple structure without applying a voltage or voltage, and the present invention has been completed.

本発明の水素ガスセンサの一例を図1に示す。
本発明の水素ガスセンサ10は、第1電極11と第2電極12と固体電解質膜13とを有し,固体電解質膜13を介して、第1電極11及び第2電極12が積層された構成となっている。また、第1電極11の膜厚aは1〜25nmであり、第2電極12の膜厚bは、第1電極11の膜厚aよりも厚くなっている(b>a)。なお、第2電極12の膜厚bと第1電極11の膜厚aとの差(b−a)は、10〜200nmであることが好ましい。
An example of the hydrogen gas sensor of the present invention is shown in FIG.
The hydrogen gas sensor 10 of the present invention includes a first electrode 11, a second electrode 12, and a solid electrolyte membrane 13, and the first electrode 11 and the second electrode 12 are laminated via the solid electrolyte membrane 13. It has become. The film thickness a of the first electrode 11 is 1 to 25 nm, and the film thickness b of the second electrode 12 is larger than the film thickness a of the first electrode 11 (b> a). The difference (b−a) between the film thickness b of the second electrode 12 and the film thickness a of the first electrode 11 is preferably 10 to 200 nm.

本発明の水素ガスセンサ10では、第1電極11及び第2電極12は、水素をプロトンに解離できる触媒作用を有する金属を含有する。これにより、第1電極11及び第2電極12表面近傍において水素ガスが存在すると、下記(1)式のように水素がプロトンと電子に解離する。
→2H+2e (1)
解離によって生成したプロトンは第1電極11及び第2電極12内を拡散し、固体電解質膜13に到達する。同時に第1電極11及び第2電極12表面近傍において大気中に存在する酸素により、下記(2)式のようにプロトンが消滅する反応も生じる。
2H+1/2O+2e→HO (2)
よって、本発明の水素ガスセンサ10では、第1電極11及び第2電極12を電気的に接続することで、上記(1)式及び(2)式の反応が第1電極11及び第2電極12内で生ずるため、大気中に含まれる水素分子が電極表面に到達した後、電極表面から内部に拡散するに従って、水素分子あるいはプロトン濃度が減少していく。
この現象により、本発明では、厚さの異なる第1電極11及び第2電極12を固体電解質膜13上に設けることで、固体電解質膜13内にプロトン濃度勾配が形成され、第1電極11側のプロトン濃度が高くなり、第2電極12側へ固体電解質膜13内でプロトンが移動することになる。このような反応が連続的に生じることで、外部回路に水素濃度に応じた電流が流れるため、電流を計測することで水素濃度を測定することができる。
なお、第2電極12側へ移動したプロトンは上記反応(2)式により、外部回路を通じた電子により還元される。
In the hydrogen gas sensor 10 of the present invention, the first electrode 11 and the second electrode 12 contain a metal having a catalytic action capable of dissociating hydrogen into protons. Thus, when hydrogen gas is present in the vicinity of the surfaces of the first electrode 11 and the second electrode 12, hydrogen is dissociated into protons and electrons as shown in the following formula (1).
H 2 → 2H + + 2e (1)
Protons generated by dissociation diffuse in the first electrode 11 and the second electrode 12 and reach the solid electrolyte membrane 13. At the same time, a reaction in which protons disappear due to oxygen present in the atmosphere near the surfaces of the first electrode 11 and the second electrode 12 as shown in the following formula (2).
2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O (2)
Therefore, in the hydrogen gas sensor 10 of the present invention, the reaction of the above formulas (1) and (2) is performed by electrically connecting the first electrode 11 and the second electrode 12 to the first electrode 11 and the second electrode 12. Therefore, after the hydrogen molecules contained in the atmosphere reach the electrode surface, the concentration of hydrogen molecules or protons decreases as they diffuse from the electrode surface to the inside.
Due to this phenomenon, in the present invention, by providing the first electrode 11 and the second electrode 12 having different thicknesses on the solid electrolyte membrane 13, a proton concentration gradient is formed in the solid electrolyte membrane 13, and the first electrode 11 side As a result, the proton concentration in the solid electrolyte membrane 13 moves to the second electrode 12 side. Since such a reaction occurs continuously, a current corresponding to the hydrogen concentration flows in the external circuit, and thus the hydrogen concentration can be measured by measuring the current.
In addition, the proton which moved to the 2nd electrode 12 side is reduce | restored with the electron through an external circuit by said reaction (2) Formula.

上記第1電極及び第2電極は、水素をプロトンに解離できる触媒作用を有する金属を含有する。これにより、上記(1)式及び(2)式の反応を第1電極及び第2電極内で生じさせることが可能となる。
上記金属としては、例えば、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム等の白金族金属が挙げられる。
The first electrode and the second electrode contain a metal having a catalytic action capable of dissociating hydrogen into protons. As a result, the reactions of the above formulas (1) and (2) can be generated in the first electrode and the second electrode.
Examples of the metal include platinum group metals such as platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, and osmium.

上記第1電極及び第2電極としては、水素をプロトンに解離できる触媒作用を有する金属を含有するものであればよく、水素をプロトンに解離できる触媒作用を有する金属を担持した炭素でもよい。具体的には、白金族金属を担持した炭素を用いることが好ましい。
また、第1電極として白金族金属からなるものを用い、第2電極として白金族金属を担持した炭素からなるものを用いることが好ましい。これにより、触媒作用を有する金属が少量であっても、第2電極が大気中の酸素と水素に接する面積が増大するため、上記反応(2)がより促進され固体電解質膜内のプロトン濃度を低くすることができる。
The first electrode and the second electrode only need to contain a metal having a catalytic action capable of dissociating hydrogen into protons, and may be carbon carrying a metal having a catalytic action capable of dissociating hydrogen into protons. Specifically, it is preferable to use carbon carrying a platinum group metal.
Moreover, it is preferable to use what consists of a platinum group metal as a 1st electrode, and use what consists of carbon which carry | supported the platinum group metal as a 2nd electrode. As a result, even if the amount of catalytic metal is small, the area where the second electrode is in contact with oxygen and hydrogen in the atmosphere increases, so that the reaction (2) is further promoted and the proton concentration in the solid electrolyte membrane is reduced. Can be lowered.

本発明では、上記第2電極の膜厚は第1電極の膜厚よりも厚く、上記第2電極の膜厚と上記第1電極の膜厚との差が10〜200nmであることが好ましい。
上記膜厚の差が10nm未満であると、プロトン濃度差が小さくなり水素濃度に応じた電流が小さくなるため感度が低くなることがあり、200nmを超えると、応答速度の低下や固体電解質膜のカール等が発生することがある。
より好ましくは30〜80nmである。
In the present invention, the thickness of the second electrode is preferably larger than the thickness of the first electrode, and the difference between the thickness of the second electrode and the thickness of the first electrode is preferably 10 to 200 nm.
If the difference in film thickness is less than 10 nm, the proton concentration difference becomes small and the current corresponding to the hydrogen concentration becomes small, so the sensitivity may be low. If it exceeds 200 nm, the response speed decreases and the solid electrolyte membrane Curling or the like may occur.
More preferably, it is 30-80 nm.

上記第1電極の膜厚は、1〜25nmである。上記第1電極の膜厚が1nm未満であると、電気抵抗が高くなり電流が取り出しにくくなり、25nmを超えると、固体電解質膜へ到達するプロトンが少なくなるため水素濃度に応じた電流が小さくなり感度が低くなる。
好ましくは5〜10nmである。
The film thickness of the first electrode is 1 to 25 nm. If the film thickness of the first electrode is less than 1 nm, the electric resistance increases and it becomes difficult to take out the current. If the film thickness exceeds 25 nm, the number of protons reaching the solid electrolyte membrane decreases, so the current corresponding to the hydrogen concentration decreases. Sensitivity is lowered.
Preferably it is 5-10 nm.

上記第2電極の膜厚は、30〜200nmであることが好ましい。
上記第2電極の膜厚が30nm未満であると、固体電解質膜へ到達するプロトンが多くなるため水素濃度に応じた電流値が小さくなるため感度が低くなることがあり、200nmを超えると、応答速度の低下や固体電解質膜のカール等が発生することがある。
より好ましくは40〜100nmである。
The film thickness of the second electrode is preferably 30 to 200 nm.
If the film thickness of the second electrode is less than 30 nm, the amount of protons that reach the solid electrolyte membrane increases, so that the current value corresponding to the hydrogen concentration decreases and the sensitivity may decrease. Decrease in speed or curling of the solid electrolyte membrane may occur.
More preferably, it is 40-100 nm.

上記固体電解質膜としては、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からなる固体高分子電解質膜を採用することが好ましい。具体的には、ナフィオン(デュポン社製、登録商標:NAFION)やアシプレックス(旭化成社製、登録商標:ACIPLEX)等が好適に使用できる。更に、固体電解質膜には、導電性粒子を分散させてもよい。 Examples of the solid electrolyte membrane include perfluorinated polymers having high proton conductivity such as perfluorosulfonic acid and perfluorocarboxylic acid, and partially sulfonated styrene-olefins such as Poly (styrene-ran-ethylene) and sulfonated. It is preferable to employ a solid polymer electrolyte membrane made of copolymer. Specifically, Nafion (manufactured by DuPont, registered trademark: NAFION), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei Corporation, registered trademark: ACIPLEX) and the like can be suitably used. Further, conductive particles may be dispersed in the solid electrolyte membrane.

上記固体電解質膜の膜厚は、5〜200μmであることが好ましい。
上記固体電解質膜の膜厚が5μm未満であると、機械的強度が低く破れやすくなったり、ピンホールによる第1電極と第2電極の短絡の発生が生じたりすることがある。200μmを超えると、応答速度の低下が生じることがある。
より好ましくは10〜100μmである。
The thickness of the solid electrolyte membrane is preferably 5 to 200 μm.
If the thickness of the solid electrolyte membrane is less than 5 μm, the mechanical strength may be low and it may be easily broken, or a short circuit may occur between the first electrode and the second electrode due to pinholes. When it exceeds 200 μm, the response speed may be lowered.
More preferably, it is 10-100 micrometers.

図2は、本発明の水素ガスセンサにおいて、電流の取り出し方法及び電極形状の応用の一例を示したものである。
本発明の水素ガスセンサ20は、第1電極21と第2電極22と固体電解質膜23とを有し,第1電極21及び第2電極22に導線24が接続された構成となっている。更に、第1電極21と第2電極22との間に電流電圧変換回路を設置することで電流計測しながら第1電極と第2電極を常に同電位に保つことができる。
また、第1電極21は、外側に形成された厚膜部分25を介して導線24と接続されている。例えば、第1電極21に直接導線を接続した場合、水素ガスが接触する面積を大きくすることができるが、電流を一部から取り出すために電極の抵抗が高い場合には効率よく電流を取り出せなくなる。一方で、このような厚膜部分25を形成することで、水素ガス反応面積が小さくなるが、低抵抗化することで効率を上げることができる。
上記厚膜部分のパターン形状(上面視)としては、例えば、格子状、放射状、葉脈状等が挙げられる。
FIG. 2 shows an example of the method of extracting current and the application of the electrode shape in the hydrogen gas sensor of the present invention.
The hydrogen gas sensor 20 of the present invention includes a first electrode 21, a second electrode 22, and a solid electrolyte membrane 23, and a conductive wire 24 is connected to the first electrode 21 and the second electrode 22. Furthermore, by installing a current-voltage conversion circuit between the first electrode 21 and the second electrode 22, the first electrode and the second electrode can always be kept at the same potential while measuring the current.
The first electrode 21 is connected to the conductive wire 24 via a thick film portion 25 formed on the outside. For example, when a conducting wire is directly connected to the first electrode 21, the area in contact with hydrogen gas can be increased, but when the resistance of the electrode is high in order to extract the current from a part, the current cannot be extracted efficiently. . On the other hand, the formation of such a thick film portion 25 reduces the hydrogen gas reaction area, but the efficiency can be increased by reducing the resistance.
Examples of the pattern shape (in top view) of the thick film portion include a lattice shape, a radial shape, a vein shape, and the like.

本発明を応用した一例を図3〜5に示す。
水素ガスセンサ30は、第1電極31と第2電極32と固体電解質膜33とからなる積層体を、端部に接合穴を有し、第1電極31と第2電極32を露出させるための開口を有するSUS電極板36で挟み込んだ構成となっている。また、SUS電極板36は、第1電極31及び第2電極32と電気的に接続されることで、出力取り出し用の電極としての機能も有しており、導線34を接続することで、水素ガスセンサとしての機能を発揮することができる。このような構成とすることで、水素ガス測定に重要な第1電極31、第2電極32、固体電解質膜33を保護しつつ、正確な水素ガス測定を行うことが可能となる。
An example to which the present invention is applied is shown in FIGS.
The hydrogen gas sensor 30 has an opening for exposing the first electrode 31 and the second electrode 32 having a bonding hole at an end portion of the laminated body including the first electrode 31, the second electrode 32, and the solid electrolyte membrane 33. It has the structure inserted | pinched between the SUS electrode plates 36 which have. Further, the SUS electrode plate 36 also has a function as an output output electrode by being electrically connected to the first electrode 31 and the second electrode 32, and by connecting the conducting wire 34, The function as a gas sensor can be exhibited. With such a configuration, it is possible to perform accurate hydrogen gas measurement while protecting the first electrode 31, the second electrode 32, and the solid electrolyte membrane 33 that are important for hydrogen gas measurement.

水素ガスセンサ40は、第1電極41と第2電極42と固体電解質膜43とからなる積層体を、端部に接合穴を有し、中央部に開口部を有するSUS電極板46で挟み込んだ構成となっている。また、SUS電極板46は、ガス透過性導電体47を介して第1電極41及び第2電極42と電気的に接続されることで、出力取り出し用の電極としての機能も有しており、導線44を接続することで、水素ガスセンサとしての機能を発揮することができる。このような構成とすることで、水素ガス測定に重要な第1電極41、第2電極42へ水素を供給しつつ、全面で電流を取り出すことができる。さらに、異物の付着を防いで、水素ガス測定を行うことが可能となる。
なお、水素ガスセンサ40の応用として、水素ガスセンサ40をプリント基板上に設置するような構成としてもよい。
The hydrogen gas sensor 40 has a configuration in which a laminated body composed of a first electrode 41, a second electrode 42, and a solid electrolyte membrane 43 is sandwiched between SUS electrode plates 46 having a joining hole at an end and an opening at the center. It has become. In addition, the SUS electrode plate 46 is electrically connected to the first electrode 41 and the second electrode 42 through the gas permeable conductor 47, and thus has a function as an electrode for taking out the output. By connecting the lead wire 44, a function as a hydrogen gas sensor can be exhibited. With such a configuration, current can be taken out from the entire surface while supplying hydrogen to the first electrode 41 and the second electrode 42 which are important for hydrogen gas measurement. Furthermore, it is possible to measure the hydrogen gas while preventing adhesion of foreign matters.
As an application of the hydrogen gas sensor 40, the hydrogen gas sensor 40 may be installed on a printed circuit board.

水素ガスセンサ50は、本発明をコイン電池型水素ガスセンサとして用いる場合の一例である。
水素ガスセンサ50は、第1電極51と第2電極52と固体電解質膜53とからなる積層体を、一対のSUS電極カバー56で挟み込んだ構成となっている。また、SUS電極カバー56は、ガス透過性導電体57を介して第1電極51及び第2電極52と電気的に接続されることで、電極としての機能も有している。更に、一対のSUS電極カバー56は、絶縁スペーサ58を介して電気的に絶縁されている。このように電極をかしめて固定する構成にすることでセンサが強固になり、またネジ止めのゆるみや配線の断線等が起こらないため、水素ガスセンサ自体を容易に持ち運び可能となり、検知部交換型の水素ガスセンサ装置にも使用することができる。
The hydrogen gas sensor 50 is an example when the present invention is used as a coin battery type hydrogen gas sensor.
The hydrogen gas sensor 50 has a configuration in which a laminated body including a first electrode 51, a second electrode 52, and a solid electrolyte membrane 53 is sandwiched between a pair of SUS electrode covers 56. The SUS electrode cover 56 also has a function as an electrode by being electrically connected to the first electrode 51 and the second electrode 52 via the gas permeable conductor 57. Further, the pair of SUS electrode covers 56 are electrically insulated via insulating spacers 58. In this way, the electrode is clamped and fixed, so that the sensor becomes strong, and there is no loosening of screws or disconnection of the wiring, so the hydrogen gas sensor itself can be easily carried, and the detector replacement type It can also be used for a hydrogen gas sensor device.

上記ガス透過性導電体としては、カーボンペーパー、発泡金属等を使用することができる。
上記カーボンペーパーは、炭素繊維と炭素とからなる多孔質体であり、燃料電池のガス拡散層等にも使われていることから、ガス透過性と導電性に優れている。発泡金属は、電池の電極材料やフィルタ等に使用されており、気孔率90%以上のものは、特にガス透過性もよく、また、金属であるので抵抗も低い。
上記コイン電池型水素ガスセンサに使用される電極としては、CR2032やCR2016等の規格サイズにプレス成型された電極を使用できが、水素センサ用に使用する場合はガス透過用に通気孔を設ける。上記絶縁スペーサとしては、ポリプロピレン製等の電池ケースの形状と合うように成形したものを使用する。
As the gas permeable conductor, carbon paper, foam metal or the like can be used.
The carbon paper is a porous body made of carbon fiber and carbon, and is also used for a gas diffusion layer of a fuel cell, etc., and therefore has excellent gas permeability and conductivity. Foam metal is used for battery electrode materials, filters, and the like, and those having a porosity of 90% or more have particularly good gas permeability, and also have low resistance because they are metal.
As an electrode used for the coin battery type hydrogen gas sensor, an electrode press-molded to a standard size such as CR2032 or CR2016 can be used, but when used for a hydrogen sensor, a vent hole is provided for gas permeation. As the insulating spacer, a molded one that matches the shape of the battery case made of polypropylene or the like is used.

本発明の水素ガスセンサの製造方法としては、例えば、固体電解質膜の両側に、所定の厚みを有する第1電極及び第2電極を形成する工程と、得られ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。 As a method for manufacturing the hydrogen gas sensor of the present invention, for example, a step of forming a first electrode and a second electrode having a predetermined thickness on both sides of a solid electrolyte membrane, and the obtained laminate is cut into a predetermined size. Manufactured by a process.

上記第1電極及び第2電極を形成する方法としては、例えば、スパッタリング法、蒸着、レーザーアブレーション等の薄膜形成が可能な方法が挙げられる。 Examples of the method for forming the first electrode and the second electrode include methods capable of forming a thin film such as sputtering, vapor deposition, and laser ablation.

本発明によれば、標準ガスや電圧の印加を必要とせず、簡易な構造で水素ガスの検知及び水素ガス濃度の測定をすることが可能な水素ガスセンサ及び該水素ガスセンサを用いたコイン電池型水素ガスセンサを提供することができる。 According to the present invention, a hydrogen gas sensor capable of detecting hydrogen gas and measuring a hydrogen gas concentration with a simple structure without requiring application of a standard gas or voltage, and a coin battery type hydrogen using the hydrogen gas sensor A gas sensor can be provided.

本発明の水素ガスセンサの一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the hydrogen gas sensor of this invention. 本発明の水素ガスセンサの一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the hydrogen gas sensor of this invention. 本発明の水素ガスセンサの一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the hydrogen gas sensor of this invention. 本発明の水素ガスセンサの一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the hydrogen gas sensor of this invention. 本発明の水素ガスセンサの一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the hydrogen gas sensor of this invention. 実施例1で得られたセンサの出力電流を示すグラフである。3 is a graph showing the output current of the sensor obtained in Example 1. 実施例1で得られたセンサの水素濃度に対する出力電流の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship of output current to hydrogen concentration of the sensor obtained in Example 1. 実施例1で得られたセンサの出力電流を示すグラフである。3 is a graph showing the output current of the sensor obtained in Example 1.

以下に実施例を掲げて本発明の態様を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。 Examples of the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
固体電解質として、厚さ50μmのパーフルオロスルホン酸高分子膜(デュポン社製)を用いた。このパーフルオロスルホン酸高分子膜の片面に、スパッタリング法(Arガス0.4Pa中投入電力0.5KW)により、第1電極として膜厚10nmの白金膜を積層した。また、第1電極を積層した面の他方側に、スパッタリング法により、第2電極として膜厚70nmの白金膜を積層した。その後、直径13mmの円形状に打ち抜いた。
得られた積層体を挟み込むようにカーボンペーパー(東レ社製、直径11mmの円形状、厚さ約0.2mm)を配置し、更に、その両側から直径20mmのステンレス板で挟み込んだ後、ステンレス板同士を樹脂性のネジで締結し、全体を固定することにより、図4に示すようなセンサを得た。
Example 1
A perfluorosulfonic acid polymer membrane (manufactured by DuPont) having a thickness of 50 μm was used as the solid electrolyte. A platinum film having a thickness of 10 nm was laminated as a first electrode on one surface of the perfluorosulfonic acid polymer film by sputtering (input power of 0.5 KW in Ar gas 0.4 Pa). Further, a platinum film having a thickness of 70 nm was stacked as the second electrode on the other side of the surface on which the first electrode was stacked by a sputtering method. Thereafter, it was punched into a circular shape having a diameter of 13 mm.
A carbon paper (Toray, 11 mm diameter circular shape, about 0.2 mm thickness) is placed so as to sandwich the obtained laminate, and further sandwiched between 20 mm diameter stainless steel plates from both sides, and then a stainless steel plate The sensors as shown in FIG. 4 were obtained by fastening them together with resin screws and fixing the whole.

実施例1で得られたセンサをガラス管内に配置し、水素濃度を変化させた空気を供給した場合の電流値の変化を、電流電圧変換回路を介して測定した。図6は応答波形、図7は水素濃度に対する出力電流の関係を示す。
図6及び図7から、出力電流と水素濃度とが直線(一次関数)の関係にあり、電流値から水素濃度を測定可能であることが分かる。
The sensor obtained in Example 1 was placed in a glass tube, and the change in the current value when air with changed hydrogen concentration was supplied was measured via a current-voltage conversion circuit. FIG. 6 shows the response waveform, and FIG. 7 shows the relationship between the output current and the hydrogen concentration.
6 and 7, it can be seen that the output current and the hydrogen concentration have a straight line (linear function) relationship, and the hydrogen concentration can be measured from the current value.

また、実施例1に用いたセンサに、水素1%を含む窒素を供給した場合の出力、及び、水素1%を含む空気を供給した場合の出力電流(応答波形)を図8に示す。
図8に示すように、水素1%を含む空気(空気中水素1%)を供給した場合は、定常電流が確認されているのに対して、水素1%を含む窒素(窒素中水素濃度1%)を供給した場合は、定常電流が流れず、供給切り替え時の濃度変化によって僅かに電流が流れるだけあった。これは、水素1%を含む窒素に酸素がないことで、第2電極に到達したプロトンを消費する上記(2)式が定常的に進行しないためであると考えられた。
FIG. 8 shows an output when nitrogen containing 1% hydrogen is supplied to the sensor used in Example 1 and an output current (response waveform) when air containing 1% hydrogen is supplied.
As shown in FIG. 8, when air containing 1% hydrogen (1% hydrogen in the air) was supplied, steady current was confirmed, whereas nitrogen containing 1% hydrogen (hydrogen concentration in nitrogen 1 %), A steady current did not flow, and a slight current flowed due to a change in concentration when the supply was switched. This was thought to be because the above formula (2), which consumes protons reaching the second electrode, does not proceed steadily due to the absence of oxygen in nitrogen containing 1% hydrogen.

(実施例2〜4)
第1電極の膜厚を表1に示すように変更し、第2電極の膜厚を55nmとした以外は実施例1と同様にしてセンサを得た。
(Examples 2 to 4)
A sensor was obtained in the same manner as in Example 1 except that the film thickness of the first electrode was changed as shown in Table 1 and the film thickness of the second electrode was changed to 55 nm.

(実施例5〜8)
第1電極の膜厚を8nmとし第2電極の膜厚を表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にしてセンサを得た。
(Examples 5 to 8)
A sensor was obtained in the same manner as in Example 1 except that the film thickness of the first electrode was 8 nm and the film thickness of the second electrode was changed as shown in Table 1.

(実施例9)
ケッチンブラックカーボンに60重量%白金が担持された固体高分子形燃料電池用触媒(田中貴金属工業製、品番 TEC10E60TPM)2.5gに、水8mL加えて、ボールミルで1分間撹拌した。そこに、パーフルオロスルホン酸高分子膜(デュポン社製)1.2g、イソプロピルアルコール8mL、ノーマルプロピルアルコール8mLを加え、ボールミルで50分間撹拌した。その後、5℃の冷蔵庫で3日間放置して、触媒溶液を調製した。
得られた触媒溶液を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シート上にバーコーターで塗布し、60℃のオーブンで15分乾燥することで電極層を形成した。得られた電極層の厚みは12μmであった。
次に、固体電解質としての厚さ50μmのパーフルオロスルホン酸高分子膜(デュポン社製)の片面に、スパッタリング法により、第1電極として膜厚10nmの白金膜を積層したものを用意し、第1電極を形成していない面と電極層(PTFEシートを積層していない側)とを重ね合わせ、電極層を120℃でホットプレスすることで転写して第2電極を積層した。その後、PTFEシートは剥離した。
得られた積層体を用い、実施例1と同様にして図4に示すようなセンサを得た。
Example 9
8 mL of water was added to 2.5 g of a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell (product number: TEC10E60TPM, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which 60% by weight of platinum was supported on Kettin black carbon, and the mixture was stirred for 1 minute with a ball mill. Thereto were added 1.2 g of a perfluorosulfonic acid polymer membrane (manufactured by DuPont), 8 mL of isopropyl alcohol, and 8 mL of normal propyl alcohol, and the mixture was stirred with a ball mill for 50 minutes. Then, it was left to stand in a refrigerator at 5 ° C. for 3 days to prepare a catalyst solution.
The obtained catalyst solution was applied onto a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet with a bar coater and dried in an oven at 60 ° C. for 15 minutes to form an electrode layer. The obtained electrode layer had a thickness of 12 μm.
Next, a 50-μm thick perfluorosulfonic acid polymer film (manufactured by DuPont) as a solid electrolyte was prepared by laminating a platinum film having a thickness of 10 nm as the first electrode by sputtering. The surface where one electrode was not formed and the electrode layer (side where the PTFE sheet was not laminated) were overlapped, and the electrode layer was transferred by hot pressing at 120 ° C. to laminate the second electrode. Thereafter, the PTFE sheet was peeled off.
Using the obtained laminate, a sensor as shown in FIG. 4 was obtained in the same manner as in Example 1.

(比較例1)
第2電極として膜厚70nmの白金膜に代えて、膜厚100nmの金膜をスパッタリング法(Arガス0.4Pa中投入電力0.5KW)により積層した以外は実施例1と同様にしてセンサを得た。
(Comparative Example 1)
Instead of the 70 nm-thick platinum film as the second electrode, the sensor was formed in the same manner as in Example 1 except that a 100 nm-thick gold film was laminated by sputtering (input power of 0.5 kW in Ar gas 0.4 Pa). Obtained.

(比較例2〜4)
第2電極の膜厚を表1に示すように変更した以外は比較例1と同様にしてセンサを得た。
(Comparative Examples 2 to 4)
A sensor was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the film thickness of the second electrode was changed as shown in Table 1.

(比較例5、6)
第1電極の膜厚を表1に示すように変更し、第2電極の膜厚を55nmとした以外は実施例1と同様にしてセンサを得た。
(Comparative Examples 5 and 6)
A sensor was obtained in the same manner as in Example 1 except that the film thickness of the first electrode was changed as shown in Table 1 and the film thickness of the second electrode was changed to 55 nm.

(評価)
実施例及び比較例で得られたセンサについて、以下の評価を行った。結果を表1に示した。
(Evaluation)
The following evaluation was performed about the sensor obtained by the Example and the comparative example. The results are shown in Table 1.

(1)出力電流
得られたセンサについて、水素濃度1%の空気中における出力電流値を測定した。
なお、比較例1〜4で得られたセンサでは、定常電流が流れず、空気の供給切り替え時の濃度変化した時にわずかに電流が流れるだけであったため、「測定不可」とした。
これは、金電極では触媒作用低いため、第2電極に到達したプロトンを消費する反応が定常的に進行しないためであると考えられた。
(1) Output current About the obtained sensor, the output current value in the air of hydrogen concentration 1% was measured.
In the sensors obtained in Comparative Examples 1 to 4, a steady current did not flow, and only a small amount of current flowed when the concentration changed at the time of air supply switching.
This is considered to be because the reaction that consumes the protons that reached the second electrode does not proceed steadily because the gold electrode has low catalytic action.

Figure 2013130481
Figure 2013130481

本発明によれば、標準ガスや電圧の印加を必要とせず、簡易な構造で水素ガスの検知及び水素ガス濃度の測定をすることが可能な水素ガスセンサ及び該水素ガスセンサを用いたコイン電池型水素ガスセンサを提供することができる。 According to the present invention, a hydrogen gas sensor capable of detecting hydrogen gas and measuring a hydrogen gas concentration with a simple structure without requiring application of a standard gas or voltage, and a coin battery type hydrogen using the hydrogen gas sensor A gas sensor can be provided.

Claims (5)

固体電解質膜を介して、第1電極及び第2電極が積層された水素ガスセンサであって、
前記第1電極及び第2電極は、水素をプロトンに解離できる触媒作用を有する金属を含有し、
前記第1電極の膜厚が1〜25nmであり、前記第2電極の膜厚は第1電極の膜厚よりも厚いことを特徴とする水素ガスセンサ。
A hydrogen gas sensor in which a first electrode and a second electrode are stacked via a solid electrolyte membrane,
The first electrode and the second electrode contain a metal having a catalytic action capable of dissociating hydrogen into protons,
The film thickness of the said 1st electrode is 1-25 nm, The film thickness of the said 2nd electrode is thicker than the film thickness of a 1st electrode, The hydrogen gas sensor characterized by the above-mentioned.
第2電極の膜厚と前記第1電極の膜厚との差が10〜200nmであることを請求項1記載の特徴とする水素ガスセンサ。 The hydrogen gas sensor according to claim 1, wherein a difference between a film thickness of the second electrode and a film thickness of the first electrode is 10 to 200 nm. 水素をプロトンに解離できる触媒作用を有する金属は、白金族金属であることを特徴とする請求項1又は2記載の水素ガスセンサ。 The hydrogen gas sensor according to claim 1 or 2, wherein the metal having a catalytic action capable of dissociating hydrogen into protons is a platinum group metal. 第1電極が白金族金属からなり、第2電極が白金族金属を担持した炭素からなることを特徴とする請求項1、2又は3記載の水素ガスセンサ。 4. The hydrogen gas sensor according to claim 1, wherein the first electrode is made of a platinum group metal, and the second electrode is made of carbon carrying the platinum group metal. 請求項1、2、3又は4記載の水素ガスセンサを用いてなることを特徴とするコイン電池型水素ガスセンサ。 5. A coin cell type hydrogen gas sensor comprising the hydrogen gas sensor according to claim 1, 2, 3 or 4.
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