JP2013217743A - Gas sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor capable of detecting gas and measuring a gas concentration appropriately in a simple construction, a method of manufacturing the gas sensor, and a coin battery type gas sensor using the gas sensor.SOLUTION: In a gas sensor, a sensor element 30 where a pair of electrodes are laminated through a solid electrolyte film is held by a pair of electrode covers through a pair of gas-permeable conductors 37, and the sensor element 30, the gas-permeable conductors 37, and the electrode covers include at least one open hole 34 communicating with them in a vertical direction.

Description

本発明は、簡易な構造で好適にガスの検知及びガス濃度の測定を行うことが可能なガスセンサ、該ガスセンサの製造方法、及び、該ガスセンサを用いたコイン電池型ガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor capable of suitably detecting a gas and measuring a gas concentration with a simple structure, a method for manufacturing the gas sensor, and a coin battery type gas sensor using the gas sensor.

従来から、検出対象ガスを検知するガスセンサとして、起電力測定方式のガスセンサ等が知られている。このようなガスセンサは、一般家庭のみならず、自動車、半導体、食品、流通、医療、製造等の各種の分野において幅広く用いられている。 Conventionally, an electromotive force measurement type gas sensor or the like is known as a gas sensor for detecting a detection target gas. Such gas sensors are widely used not only in general households but also in various fields such as automobiles, semiconductors, food, distribution, medical care, and manufacturing.

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ガスは、空気中での濃度が4〜75%の範囲に達すると、着火により容易に爆発することが知られている。そのため、水素を利用する際には、水素ガスの爆発下限濃度の4%以下の濃度において、簡便な方法で、精度良く検出することができる水素ガスセンサの需要が高まっている。
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.
It is known that hydrogen gas, which is an energy source for fuel cells, easily explodes due to ignition when the concentration in the air reaches a range of 4 to 75%. Therefore, when hydrogen is used, there is an increasing demand for a hydrogen gas sensor that can be accurately detected by a simple method at a concentration of 4% or less of the lower explosion limit concentration of hydrogen gas.

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、固体高分子電解質膜の両面にカーボンクロス電極を取り付けたものを用いる透過水素ガス量測定方法が開示されている。 As such a hydrogen gas sensor, an electromotive force measurement method using a proton conductor is conventionally known. For example, Patent Document 1 discloses a method for measuring the amount of permeated hydrogen gas using a solid polymer electrolyte membrane with carbon cross electrodes attached to both sides.

また、特許文献2には、互いに対向して位置する両側支持部材と、その間にて挟持されたプロトン伝導層とを有し、一方から水素ガスを導入して、他方から水素ガスを流出する水素ガスセンサが開示されている。 Patent Document 2 discloses a hydrogen gas having both side support members positioned opposite to each other and a proton conductive layer sandwiched between the two, and introducing hydrogen gas from one side and flowing out hydrogen gas from the other side. A gas sensor is disclosed.

特開2002−289243号公報JP 2002-289243 A 特開2005−338051号公報JP 2005-338051 A

しかしながら、特許文献1及び2に開示された水素ガスセンサは、プロトン伝導体と直接接するガス透過性導電体(カーボンペーパー)およびその他の支持部材との間に位置ずれが生じることにより、有効に出力を取り出せる対向接触面積(以下、有効接触面積)が小さくなり、実際の支持部材面積当りの出力よりも信号が小さくなるという問題があった。また、複数個生産する場合、個々のセンサ間の電気信号の値が同じにならず、測定値のばらつきが生じる原因ともなっていた。
これに対して、特開2001−215214号公報、特開2003−75403号公報等では、製品設計上必要な有効接触面積を確保することを目的として、位置ずれが生じても出力にずれが生じないように、電極よりもプロトン伝導層を大きく設計している。これと同様に、製品設計上必要な有効接触面積を確保することを目的として、図7に示すように、設計上過大な面積の電解質膜、カーボンペーパーを用いることで、各構成素子の水平方向のずれがあっても有効接触面積の確保を可能とすることもできる。しかし、この方法では、挟み込みによる位置ずれの問題は解消できるが、カーボンペーパー、電解質膜の両材料において、材料の無駄が生じ、各部材を有効に利用しているとはいえなかった。
However, the hydrogen gas sensors disclosed in Patent Documents 1 and 2 effectively output because a positional deviation occurs between the gas permeable conductor (carbon paper) and other supporting members that are in direct contact with the proton conductor. There is a problem that the counter contact area that can be taken out (hereinafter referred to as effective contact area) becomes smaller, and the signal becomes smaller than the actual output per support member area. In addition, when a plurality of products are produced, the electric signal values between the individual sensors are not the same, which causes variations in measured values.
On the other hand, in JP-A-2001-215214, JP-A-2003-75403, and the like, even if a positional deviation occurs, a deviation occurs in output for the purpose of securing an effective contact area necessary for product design. The proton conducting layer is designed to be larger than the electrode so that there is no such problem. Similarly, for the purpose of securing an effective contact area necessary for product design, as shown in FIG. 7, by using an electrolyte membrane and carbon paper having an excessively large area for design, the horizontal direction of each component element is used. Even if there is a deviation, it is possible to ensure an effective contact area. However, this method can solve the problem of misalignment due to pinching, but the materials are wasted in both the carbon paper and the electrolyte membrane, and it cannot be said that each member is effectively used.

本発明は、上記課題を解決するものであり、簡易な構造でプロトン伝導体と支持部材との位置ずれにより、(1)有効接触面積が減少することによる出力の低下を防止することができ、(2)センサ組み立て時の製造も容易になり、(3)複数個生産する場合でもばらつきが生じることなくガスの検知及びガス濃度の測定をすることが可能なガスセンサを提供することを目的とする。 The present invention solves the above problems, and can prevent a decrease in output due to a decrease in effective contact area due to a positional shift between the proton conductor and the support member with a simple structure, (2) An object of the present invention is to provide a gas sensor that can be easily manufactured at the time of assembling the sensor, and (3) can detect a gas and measure a gas concentration without variation even when a plurality of sensors are produced. .

本発明は、固体電解質膜を介して一対の電極が積層されたセンサ素子が、一対のガス透過性導電体を介して一対の電極カバーで挟持されており、前記センサ素子、ガス透過性導電体及び電極カバーは、垂直方向に少なくとも1つの連通した貫通孔を有するガスセンサである。
以下、本発明を詳述する。
In the present invention, a sensor element in which a pair of electrodes are stacked via a solid electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode covers via a pair of gas permeable conductors. The electrode cover is a gas sensor having at least one communicating through hole in the vertical direction.
The present invention is described in detail below.

本発明者は、センサ素子に、一対のガス透過性導電体及び電極カバーが積層されたガスセンサにおいて、垂直方向に少なくとも1つの連通した貫通孔を形成することにより、簡易な構造で電極と支持部材(電極カバー)との位置ずれによる出力の低下を防止することができ、製造が容易になり、複数個生産する場合でもばらつきが生じることなくガスの検知及びガス濃度の測定をすることが可能となることを見出した。
また、ガス透過性導電体、固体電解質膜の両材料において、材料の無駄を最小限にできることを見出し、本発明を完成させるに至った。
In the gas sensor in which a pair of gas permeable conductors and an electrode cover are stacked on the sensor element, the inventor forms at least one through-hole in the vertical direction so that the electrode and the support member have a simple structure. It is possible to prevent a decrease in output due to a positional deviation with respect to the (electrode cover), facilitating manufacture, and even when producing a plurality, it is possible to detect a gas and measure a gas concentration without causing variations. I found out that
Further, the present inventors have found that the waste of materials can be minimized in both the gas permeable conductor and the solid electrolyte membrane, and the present invention has been completed.

本発明のガスセンサでは、上記センサ素子、ガス透過性導電体及び電極カバーが、垂直方向に少なくとも1つの貫通孔を有する。
このような貫通孔を有することで、例えば、上記固体電解質膜を介して一対の電極が積層された積層体(センサ素子)の貫通孔に位置決めピン等を挿通して、ガス透過性導電体及び電極カバーを設置することで、上記センサ素子、ガス透過性導電体及び電極カバー間の位置ずれによる出力の低下を防止することができ、センサ組み立て時の製造も容易になり、製造複数個生産する場合でもばらつきが生じることなくガスの検知及びガス濃度の測定をすることが可能なガスセンサとすることができる。
また、本発明のガスセンサは貫通孔を有することで、気流を有する気体についても気流を妨げることなく、ガスの検知及びガス濃度の測定を行うことできる。
更に、貫通孔内にガス管を通すことも可能となり、複数のセンサをガス管に通すことによって、ガス管のどの場所よりガスが漏れているかを把握することも可能である。
加えて、貫通孔を有することにより、固定ピンがあればどこでも容易に設置することも可能となる。
In the gas sensor of the present invention, the sensor element, the gas permeable conductor, and the electrode cover have at least one through hole in the vertical direction.
By having such a through-hole, for example, a positioning pin or the like is inserted into the through-hole of a laminate (sensor element) in which a pair of electrodes are laminated via the solid electrolyte membrane, and the gas-permeable conductor and By installing the electrode cover, it is possible to prevent a decrease in output due to a positional shift between the sensor element, the gas permeable conductor and the electrode cover, and it becomes easy to manufacture at the time of assembling the sensor. Even in this case, it is possible to provide a gas sensor capable of detecting a gas and measuring a gas concentration without causing variations.
Moreover, the gas sensor of the present invention has a through hole, so that it is possible to detect a gas and measure a gas concentration without obstructing the air flow even for a gas having an air flow.
Furthermore, it is possible to pass a gas pipe through the through hole, and it is also possible to grasp from where the gas leaks by passing a plurality of sensors through the gas pipe.
In addition, by having a through hole, it can be easily installed anywhere with a fixing pin.

図1は、本発明のガスセンサの一例を示したものである。
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とからなるセンサ素子をガス透過性導電体37を介してステンレス製電極板36で挟み込んだ構成となっている。また、ガスセンサ30の中心部付近には、垂直方向に1つの貫通孔34が形成されている。
ステンレス製電極板36は、ガス透過性導電体37を介して第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39を接続することで、ガスセンサとしての機能を発揮することができる。
本発明では、貫通孔を有するガスセンサを用いることで、第1電極31と第2電極32と固体電解質膜33とからなるセンサ素子と、ステンレス製電極板36やガス透過性導電体37との間で位置ずれが生じることがないので、出力の低下を防ぎ、資材の無駄を最小限にしながら、複数個生産する場合でもばらつきが生じることなくガスの検知及びガス濃度の測定をすることが可能なガスセンサを提供することができる。
また、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。
なお、ガスセンサ30の応用として、ガスセンサ30をプリント基板上に設置するような構成としてもよい。
FIG. 1 shows an example of a gas sensor of the present invention.
The gas sensor 30 has a configuration in which a sensor element composed of a first electrode 31, a second electrode 32, and a solid electrolyte membrane 33 is sandwiched between stainless steel electrode plates 36 via a gas permeable conductor 37. Also, one through hole 34 is formed in the vertical direction near the center of the gas sensor 30.
The stainless steel electrode plate 36 is also electrically connected to the first electrode 31 and the second electrode 32 via the gas permeable conductor 37, and thus has a function as an output output electrode. By connecting 39, the function as a gas sensor can be exhibited.
In the present invention, by using a gas sensor having a through hole, the sensor element including the first electrode 31, the second electrode 32, and the solid electrolyte membrane 33, and the stainless steel electrode plate 36 and the gas permeable conductor 37 are used. In this case, it is possible to detect the gas and measure the gas concentration without any variation even when producing multiple products, while preventing the output from decreasing and minimizing the waste of materials. A gas sensor can be provided.
Further, by adopting 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.
As an application of the gas sensor 30, a configuration in which the gas sensor 30 is installed on a printed board may be adopted.

本発明における、センサ素子の形状は特に限定されず、円状、多角形状等の形状であってもよい。特に、センサ素子の形状が長方形、正方形等の四角形の場合は、製造時における、センサ素子の打ち抜き時の歩留まりが高いため、有効に材料を利用することができる。 The shape of the sensor element in the present invention is not particularly limited, and may be a circular shape, a polygonal shape, or the like. In particular, when the shape of the sensor element is a rectangle such as a rectangle or a square, since the yield at the time of punching the sensor element at the time of manufacture is high, the material can be used effectively.

また、本発明において、貫通孔の断面形状は特に限定されることはないが、センサ素子の形状により、貫通孔数、断面の最適形状を決めることができる。例えば、センサ素子の形状が円状の場合は、貫通孔を複数設けて位置決めすることも可能であるが、中心に1つの貫通孔があれば位置決めを決定することができる。この際の貫通孔の断面形状は、円状または多角形状であっても良い。
また、センサ素子の形状が多角形の場合、例えば、センサ素子の形状が正方形の場合においては、1箇所貫通孔を設けて位置決めを行う際は、中心に多角形の断面形状の貫通孔を設けることができ、また、貫通孔を円状の断面形状にしようとした場合は、少なくとも2箇所、貫通孔が必要になる。
このように、貫通孔の数、貫通孔の断面形状は、センサ素子の形状によって設定することができる。
In the present invention, the cross-sectional shape of the through hole is not particularly limited, but the number of through holes and the optimum cross-sectional shape can be determined by the shape of the sensor element. For example, when the shape of the sensor element is circular, positioning can be performed by providing a plurality of through holes, but positioning can be determined if there is one through hole at the center. The cross-sectional shape of the through hole at this time may be circular or polygonal.
In addition, when the sensor element has a polygonal shape, for example, when the sensor element has a square shape, when positioning is performed by providing a single through-hole, a polygonal cross-sectional through-hole is provided at the center. In addition, when the through hole is to have a circular cross-sectional shape, at least two through holes are required.
Thus, the number of through holes and the cross-sectional shape of the through holes can be set according to the shape of the sensor element.

上記貫通孔の、電極カバー面積に対する貫通面積の占める割合は、特に限定されないが、貫通面積が大きすぎると、貫通に伴う廃棄材料も増え、また取り出せる出力も小さくなってしまう。また貫通面積の割合が小さすぎると、製造工程において扱いが困難になってしまう。そこで、上記貫通孔の貫通面積は、電極カバー面積に対して0.5〜15%占めることが好ましい。上記範囲内とすることで、貫通による材料の無駄も防止しつつ、出力の低下を防ぐこともでき、製造工程時も扱い易く、更には複数個製造した際のばらつきも軽減できる。さらに、資材の無駄、及び、出力の低下を防ぐには、貫通孔の面積は、電極カバー面積に対して1〜10%占めることがより好ましい。
また、上記貫通孔は少なくとも1つ形成されていればよいが、1〜5個が好ましい。
The ratio of the through area to the electrode cover area of the through hole is not particularly limited. However, if the through area is too large, the amount of waste material associated with the penetration increases and the output that can be taken out decreases. Moreover, when the ratio of a penetration area is too small, handling will become difficult in a manufacturing process. Therefore, it is preferable that the through area of the through hole occupies 0.5 to 15% with respect to the electrode cover area. By making it within the above-mentioned range, it is possible to prevent a decrease in output while preventing waste of material due to penetration, and it is easy to handle during the manufacturing process, and furthermore, variations in manufacturing a plurality can be reduced. Furthermore, in order to prevent waste of materials and a decrease in output, it is more preferable that the area of the through hole occupies 1 to 10% with respect to the electrode cover area.
Moreover, although the said through-hole should just be formed at least one, 1-5 pieces are preferable.

上記貫通孔の形成位置は特に限定されないが、位置決めの容易性からガスセンサの中心部に形成することが好ましい。また、貫通孔を複数形成する場合は周縁部に形成することとしてもよい。 The formation position of the through hole is not particularly limited, but it is preferably formed at the center of the gas sensor for ease of positioning. Further, when a plurality of through holes are formed, they may be formed at the peripheral edge.

本発明のガスセンサを構成するセンサ素子の一例を図2に示す。
センサ素子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、センサ素子10の中心部付近には、垂直方向に1つの貫通孔14が形成されている。
An example of a sensor element constituting the gas sensor of the present invention is shown in FIG.
The sensor element 10 includes a first electrode 11, a second electrode 12, and a solid electrolyte film 13, and the first electrode 11 and the second electrode 12 are stacked via the solid electrolyte film 13. . Also, one through hole 14 is formed in the vertical direction near the center of the sensor element 10.

センサ素子10が水素ガスセンサに用いられる場合の原理について説明する。
センサ素子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、センサ素子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)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)により、外部回路を通じた電子により還元される。
The principle when the sensor element 10 is used for a hydrogen gas sensor will be described.
In the sensor element 10, 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 sensor element 10, the reaction of the above formulas (1) and (2) occurs in the first electrode 11 and the second electrode 12 by electrically connecting the first electrode 11 and the second electrode 12. After 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.
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.
The proton that has moved to the second electrode 12 side is reduced by electrons through an external circuit by the reaction (2).

上記電極(第1電極及び第2電極)としては、貴金属、貴金属化合物、貴金属合金、モリブデン、タングステン、チタン等の重金属、及び重金属化合物、重金属合金等を用いることができる。
特に、本発明のガスセンサを水素ガスセンサとして使用する場合は、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が好ましく、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。これにより、上記(1)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。
水素をプロトンに解離できる触媒作用を有する金属としては、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。
As the electrodes (first electrode and second electrode), noble metals, noble metal compounds, noble metal alloys, heavy metals such as molybdenum, tungsten, and titanium, heavy metal compounds, heavy metal alloys, and the like can be used.
In particular, when the gas sensor of the present invention is used as a hydrogen gas sensor, it preferably contains 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. . As a result, the reactions of the above formulas (1) and (2) can be generated in the first electrode and the second electrode.
As the metal having a catalytic action capable of dissociating hydrogen into protons, for example, a platinum group metal such as platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, osmium is preferably used.
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.

上記第1電極及び第2電極の膜厚は、1〜200nmが好ましい。上記電極の膜厚が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、200nm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。より好ましくは5〜80nmである。 The film thickness of the first electrode and the second electrode is preferably 1 to 200 nm. When the film thickness of the electrode is less than 1 nm, the electric resistance increases and it becomes difficult to take out the current. When the film thickness exceeds 200 nm, the number of protons that reach the solid electrolyte membrane decreases, so the current corresponding to the hydrogen concentration decreases and sensitivity increases. Lower. More preferably, it is 5 to 80 nm.

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.

上述のように第1電極と第2電極とが異なる膜厚を有する場合、上記第1電極の膜厚は、1〜25nmであることが好ましい。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ることがあり、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ことがある。より好ましくは5〜10nmである。 When the first electrode and the second electrode have different film thicknesses as described above, the film thickness of the first electrode is preferably 1 to 25 nm. If the thickness of the first electrode is less than 1 nm, the electrical resistance may increase and current may be difficult to extract. If the thickness exceeds 25 nm, the number of protons that reach the solid electrolyte membrane decreases, so the current according to the hydrogen concentration. May be reduced and the sensitivity may be lowered. More preferably, it is 5-10 nm.

上述のように第1電極と第2電極とが異なる膜厚を有する場合、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。
When the first electrode and the second electrode have different film thicknesses as described above, 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.

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。
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.

上記電極カバーとしては、導電性を有し、かつ、センサ素子、ガス透過性導電体を固定、保護することが可能な部材であれば、特に限定されないが、ステンレス製のものを用いることが好ましい。 The electrode cover is not particularly limited as long as it is a member having conductivity and capable of fixing and protecting the sensor element and the gas permeable conductor, but a stainless steel member is preferably used. .

本発明のガスセンサの製造方法としては、固体電解質膜を介して一対の電極が積層されたセンサ素子、一対のガス透過性導電体、及び、一対の電極カバーの垂直方向に少なくとも1つの貫通孔を形成する工程、及び、前記センサ素子、ガス透過性導電体及び電極カバーの貫通孔に位置決めピンを挿通しながら、前記センサ素子をガス透過性導電体を介して電極カバーで挟持する工程、及び、前記電極カバーを固定する工程を有する方法を用いることができる。
このような方法を用いることで、センサ素子、ガス透過性導電体及び電極カバーの各部材間での位置ずれを防止できるだけでなく、製造工程の簡略化を図ることができる。
As a method for manufacturing a gas sensor according to the present invention, a sensor element in which a pair of electrodes are stacked via a solid electrolyte membrane, a pair of gas permeable conductors, and at least one through hole in the vertical direction of the pair of electrode covers are provided. A step of forming, and a step of sandwiching the sensor element with the electrode cover through the gas permeable conductor while inserting a positioning pin into the through hole of the sensor element, the gas permeable conductor and the electrode cover, and A method having a step of fixing the electrode cover can be used.
By using such a method, it is possible not only to prevent displacement between the sensor element, the gas permeable conductor, and the electrode cover, but also to simplify the manufacturing process.

上記固体電解質膜を介して一対の電極が積層されたセンサ素子、一対のガス透過性導電体、及び、一対の電極カバーの垂直方向に少なくとも1つの貫通孔を形成する工程としては、例えば、上記センサ素子、ガス透過性導電体及び電極カバーに個別に貫通孔を形成する方法や、同時に貫通孔を形成する方法等を用いることができる。
なお、上記貫通孔を形成する方法としては、例えば、トムソン刃、エッチング刃、彫刻刃、レーザー、金型での打ち抜き等が挙げられる。
Examples of the step of forming at least one through hole in the vertical direction of the sensor element, the pair of gas permeable conductors, and the pair of electrode covers in which the pair of electrodes are stacked via the solid electrolyte membrane include, for example, A method of individually forming through holes in the sensor element, the gas permeable conductor, and the electrode cover, a method of simultaneously forming through holes, or the like can be used.
Examples of the method for forming the through hole include a Thomson blade, an etching blade, an engraving blade, a laser, and punching with a mold.

上記センサ素子を作製する方法としては、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と、貫通孔を形成する工程を行う方法等が挙げられる。特に、所定のサイズに切断する工程と、貫通孔を形成する工程とを同時に行うことで、製造工程が増えることが無く、製造工程を簡略化することが可能となる。 As a method for producing the sensor element, for example, a step of forming a first electrode and a second electrode having a predetermined thickness on both sides of the solid electrolyte membrane, and a step of cutting the obtained laminated body into a predetermined size And a method of performing a step of forming a through hole. In particular, by simultaneously performing the step of cutting to a predetermined size and the step of forming the through-hole, the number of manufacturing steps does not increase and the manufacturing steps can be simplified.

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.

本発明の製造方法では、次いで、上記センサ素子、ガス透過性導電体及び電極カバーの貫通孔に位置決めピンを挿通しながら、上記センサ素子をガス透過性導電体を介して電極カバーで挟持する工程を行う。このような工程を行うことにより、上記センサ素子、ガス透過性導電体及び電極カバーを挟持して組み合わせる際にずれが生じることがなくなり、ハンドリング性を向上させることが可能となる。 Next, in the manufacturing method of the present invention, the sensor element is sandwiched between the sensor element, the gas permeable conductor, and the electrode cover through the gas permeable conductor while inserting a positioning pin into the through hole of the electrode cover. I do. By performing such a process, the sensor element, the gas permeable conductor, and the electrode cover are not sandwiched when they are combined, and handling properties can be improved.

図3は、本発明の製造方法において、位置決めピンを挿通しながらセンサ素子をガス透過性導電体を介して電極カバーで挟持する方法の一例を示したものである。
第1電極41と第2電極42と固体電解質膜43とからなるガスセンサの中心部付近には、垂直方向に1つの貫通孔が形成されている。
ガスセンサの上下にガス透過性導電体47、ステンレス製電極板46を設置する際に、予め位置決めピン48をガスセンサの貫通孔に挿入しておき、その後一対のガス透過性導電体47及びステンレス製電極板46を設置する。
これにより、第1電極41と第2電極42と固体電解質膜43とからなるガスセンサと、ステンレス製電極板46やガス透過性導電体47との間で位置ずれが生じることなく、複数個生産する場合でもばらつきが生じることなくガスの検知及びガス濃度の測定をすることが可能なガスセンサを提供することができる。
FIG. 3 shows an example of a method of clamping a sensor element with an electrode cover through a gas permeable conductor while inserting a positioning pin in the manufacturing method of the present invention.
A through hole is formed in the vertical direction near the center of the gas sensor including the first electrode 41, the second electrode 42, and the solid electrolyte membrane 43.
When the gas permeable conductor 47 and the stainless steel electrode plate 46 are installed above and below the gas sensor, a positioning pin 48 is inserted into the through hole of the gas sensor in advance, and then the pair of gas permeable conductor 47 and the stainless steel electrode. A plate 46 is installed.
As a result, a plurality of gas sensors are produced without any displacement between the gas sensor including the first electrode 41, the second electrode 42, and the solid electrolyte membrane 43, and the stainless steel electrode plate 46 and the gas permeable conductor 47. Even in this case, it is possible to provide a gas sensor capable of detecting a gas and measuring a gas concentration without causing variations.

本発明の製造方法では、次いで、上記電極カバーを固定する工程を行う。上記固定の方法は特に限定されず、ねじ止め等の方法を用いることができる。 Next, in the manufacturing method of the present invention, a step of fixing the electrode cover is performed. The fixing method is not particularly limited, and a method such as screwing can be used.

本発明のガスセンサを用いてなるコイン電池型ガスセンサも本発明の1つである。
本発明をコイン電池型ガスセンサに応用した一例を図4に示す。
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、一対のステンレス製電極カバー56で挟み込んだ構成となっている。また、ステンレス製電極カバー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、一対のステンレス製電極カバー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。
A coin battery type gas sensor using the gas sensor of the present invention is also one aspect of the present invention.
An example in which the present invention is applied to a coin battery type gas sensor is shown in FIG.
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 stainless steel electrode covers 56. Further, the stainless steel electrode cover 56 is also electrically connected to the first electrode 51 and the second electrode 52 through the gas permeable conductor 57, thereby also having a function as an electrode. Further, the pair of stainless steel 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.

上記コイン電池型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るが、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 an electrode used for the coin battery type 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.

本発明のガスセンサは、水素ガス 、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、メタンガス 、一酸化窒素、二酸化窒素ガス、二酸化硫黄ガス等の検知及びガス濃度の測定に使用することができる。なかでも、水素ガスの検知及びガス濃度の測定に使用することが好ましい。 The gas sensor of the present invention can be used to detect hydrogen gas, carbon monoxide gas, carbon dioxide gas, methane gas, nitrogen monoxide, nitrogen dioxide gas, sulfur dioxide gas, and the like and to measure the gas concentration. Among these, it is preferable to use for detection of hydrogen gas and measurement of gas concentration.

本発明によれば、センサ素子、ガス透過性導電体及び電極カバーを積層して形成する構成のガスセンサにおいて、簡単な構造でと各部材間のずれを解消でき、ずれにより生じる接触面積減少に起因する出力信号の減少を解消することができる。
また、本発明の製造方法を用いることで、ガスセンサの組み立てが容易となり、製造後のガスセンサ間のばらつきが低減させて、安定したガスの検知及びガス濃度の測定をすることが可能なガスセンサを提供することができる。
According to the present invention, in a gas sensor having a configuration in which a sensor element, a gas permeable conductor, and an electrode cover are stacked, the displacement between each member can be eliminated with a simple structure, and the contact area caused by the displacement is reduced. It is possible to eliminate the decrease in output signal.
In addition, by using the manufacturing method of the present invention, it is possible to easily assemble a gas sensor, reduce variations among manufactured gas sensors, and provide a gas sensor capable of stable gas detection and gas concentration measurement. can do.

本発明の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 gas sensor of this invention. 本発明のガスセンサを構成するセンサ素子の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the sensor element which comprises the gas sensor of this invention. 本発明のガスセンサを用いた位置決め方法の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the positioning method using the gas sensor of this invention. 本発明の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 gas sensor of this invention. 実施例2のガスセンサの作製過程を図示した模式図である。6 is a schematic diagram illustrating a manufacturing process of a gas sensor of Example 2. FIG. 実施例3のガスセンサの作製過程を図示した模式図である。6 is a schematic diagram illustrating a manufacturing process of the gas sensor of Example 3. FIG. 従来のガスセンサの技術を適用した場合の模式図である。It is a schematic diagram at the time of applying the technology of the conventional gas sensor.

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、エッチング刃を用いて直径10.5mmの円形状に打ち抜くと同時に、円形状の中心に直径3mmの貫通孔を打ち抜いた。
得られた積層体を挟み込むように直径3mmの貫通孔を有する一対のカーボンペーパー(東レ社製、直径10.0mmの円形状、厚さ約0.2mm)を配置し、更に、その両側から直径3mmの貫通孔を有する一対のステンレス板(直径20mmの円形状)で挟み込んだ。この際、図3に示すように、直径3mmの円柱状の位置決めピンを積層体、カーボンペーパー、ステンレス板の貫通孔に挿通して位置合わせを行い、その後、ステンレス板同士を樹脂製のネジで締結し、全体を固定することにより、図1に示すようなセンサを得た。
得られたセンサをガラス管内に配置し、水素濃度1%の空気中における出力電流値を測定したところ、電流値は40.8μA(計算値よる有効接触面積87.92mm)であった。
また、実施例1と同様の方法でガスセンサを計10個作製した。これらのガスセンサについて、水素濃度1%の空気中における出力電流値を測定したところ、電流値は40.8μA、39.72μA、39.91μA、40.5μA、40.1μA、39.88μA、39.90μA、40.8μA、40.4μA、40.0μAであり、最大値と最小値の差は1.08μAであることから出力電流値のばらつきが小さいことが確認できた。
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, the etching blade was used to punch a circular shape having a diameter of 10.5 mm, and at the same time, a through hole having a diameter of 3 mm was punched in the center of the circular shape.
A pair of carbon paper having a through hole with a diameter of 3 mm (made by Toray Industries, Inc., circular shape with a diameter of 10.0 mm, thickness of about 0.2 mm) is arranged so as to sandwich the obtained laminate, and the diameter is further measured from both sides. The sample was sandwiched between a pair of stainless plates (circular shape with a diameter of 20 mm) having 3 mm through holes. At this time, as shown in FIG. 3, a cylindrical positioning pin having a diameter of 3 mm is inserted into the laminated body, the carbon paper, and the through hole of the stainless steel plate for alignment, and then the stainless steel plates are joined with resin screws. The sensor as shown in FIG. 1 was obtained by fastening and fixing the whole.
When the obtained sensor was placed in a glass tube and the output current value in air with a hydrogen concentration of 1% was measured, the current value was 40.8 μA (effective contact area of 87.92 mm 2 according to the calculated value).
In addition, a total of 10 gas sensors were produced by the same method as in Example 1. For these gas sensors, when the output current value in the air with a hydrogen concentration of 1% was measured, the current values were 40.8 μA, 39.72 μA, 39.91 μA, 40.5 μA, 40.1 μA, 39.88 μA, 39. It was 90 μA, 40.8 μA, 40.4 μA, 40.0 μA, and the difference between the maximum value and the minimum value was 1.08 μA, so it was confirmed that the variation in the output current value was small.

(実施例2)
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、エッチング刃を用いて直径10.5mmの円形状に打ち抜くと同時に、円形状の直径上の端縁から3.5mm離れた位置に、直径1mmの貫通孔を2つ同時に打ち抜いた。
得られた積層体を挟み込むように、円形状の直径上の端縁から2.5mm離れた位置に直径1mmの貫通孔を2つ有する一対のカーボンペーパー(東レ社製、直径10.0mmの円形状、厚さ約0.2mm)を配置し、更に、中心に直径3mmの貫通孔を有し、円形状の直径上の端縁から8mm離れた位置に直径1mmの貫通孔を2つ有する一対のステンレス板(直径20mmの円形状)で挟み込んだ。この際、図5に示すように、直径1mmの円柱状の位置決めピンを2本、積層体、カーボンペーパー、ステンレス板の貫通孔に挿通して位置合わせを行い、その後、ステンレス板同士を樹脂製のネジで締結し、全体を固定することによりセンサを得た。なお、図5(a)は、実施例2における作製過程を示す側面図であり、図5(b)は上面図である。実施例2では、2本の位置決めピン68を貫通孔に挿通することでガスセンサの作製を行う。
得られたセンサを、水素濃度1%の空気中における出力電流値を測定したところ、電流値は37.8μAであった。
(Example 2)
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, punching into a circular shape with a diameter of 10.5 mm was performed using an etching blade, and at the same time, two through-holes with a diameter of 1 mm were simultaneously punched at a position 3.5 mm away from the edge on the circular diameter.
A pair of carbon paper having two through-holes with a diameter of 1 mm at a position 2.5 mm away from the edge on the diameter of the circle so as to sandwich the obtained laminate (Toray, Inc., circle with a diameter of 10.0 mm A pair having a through-hole with a diameter of 3 mm at the center and two through-holes with a diameter of 8 mm at a position 8 mm away from the edge on the circular diameter. Of stainless steel plates (circular shape with a diameter of 20 mm). At this time, as shown in FIG. 5, two cylindrical positioning pins having a diameter of 1 mm are inserted through the through holes of the laminate, the carbon paper, and the stainless plate, and then the stainless plates are made of resin. The sensor was obtained by fastening with screws and fixing the whole. FIG. 5A is a side view showing a manufacturing process in Example 2, and FIG. 5B is a top view. In Example 2, the gas sensor is manufactured by inserting the two positioning pins 68 into the through hole.
When the output current value of the obtained sensor in air with a hydrogen concentration of 1% was measured, the current value was 37.8 μA.

(実施例3)
固体電解質として、縦50mm×横50mm×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、エッチング刃を用いて、10mm×10mmの正方形に打ち抜くと同時に、その中心に2mm×2mmの正方形の貫通孔を打ち抜いた。
得られた積層体を挟み込むように、中心に2mm×2mmの正方形の貫通孔を有する一対のカーボンペーパー(東レ社製、9mm×9mmの正方形状、厚さ約0.2mm)を配置し、更に、中心に2mm×2mmの正方形の貫通孔を有する一対のステンレス板(20mm×20mmの正方形状)で挟み込んだ。この際、図6に示すように、1.8mm×1.8mmの断面正方形の位置決めピンで、積層体、カーボンペーパー、ステンレス板の貫通孔に挿通して位置合わせを行い、その後、ステンレス板同士を樹脂製のネジで締結し、全体を固定することによりセンサを得た。なお、図6(a)は、実施例3における作製過程を示す側面図であり、図6(b)は上面図である。実施例3では、断面正方形の位置決めピン78を貫通孔に挿通することでガスセンサの作製を行う。
得られたセンサを、水素濃度1%の空気中における出力電流値を測定したところ、電流値は43.4μAであった。
(Example 3)
As the solid electrolyte, a perfluorosulfonic acid polymer membrane (manufactured by DuPont) having a length of 50 mm × width of 50 mm × thickness of 50 μm was used. 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, a 10 mm × 10 mm square was punched out using an etching blade, and at the same time, a 2 mm × 2 mm square through hole was punched out in the center thereof.
A pair of carbon papers (made by Toray Industries Inc., 9 mm × 9 mm square, about 0.2 mm thick) having a 2 mm × 2 mm square through-hole at the center are arranged so as to sandwich the obtained laminate. And sandwiched between a pair of stainless steel plates (20 mm × 20 mm square shape) having a 2 mm × 2 mm square through hole in the center. At this time, as shown in FIG. 6, with a positioning pin having a square section of 1.8 mm × 1.8 mm, the laminated body, the carbon paper, and the stainless steel plate are inserted and aligned, and then the stainless steel plates are aligned with each other. Was fastened with a resin screw and the whole was fixed to obtain a sensor. FIG. 6A is a side view showing the manufacturing process in Example 3, and FIG. 6B is a top view. In Example 3, the gas sensor is manufactured by inserting the positioning pin 78 having a square cross section into the through hole.
When the output current value of the obtained sensor in air with a hydrogen concentration of 1% was measured, the current value was 43.4 μA.

(比較例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一対のカーボンペーパー(東レ社製、直径11mmの円形状、厚さ約0.2mm)を配置し、更に、その両側から一対のステンレス板(直径20mmの円形状)で挟み込み、樹脂性のネジで締結し、全体を固定することによりセンサを得た。
得られたセンサをガラス管内に配置し、水素濃度1%の空気中における出力電流値を測定したところ、電流値は25μAであった。
ここで、比較例1での電流値(25μA)が、実施例のものより低いのは、ガス透過性導電体(カーボンペーパー)と支持部材(ステンレス板)のずれによるものと考えられた。
また、比較例1と同様の方法でガスセンサを計10個作製した。これらのガスセンサについて、水素濃度1%の空気中における出力電流値を測定したところ、電流値は30.2μA、27.8μA、25.0μA、33.1μA、34.5μA、35.8μA、26.3μA、29.9μA、32.2μA、32.9μAであり、最大値と最小値の差は10.8μAであることから出力電流値のばらつきが大きいことが確認できた。
(Comparative 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 sputtering. Thereafter, it was punched into a circular shape having a diameter of 13 mm.
A pair of carbon papers (manufactured by Toray Industries, Inc., circular shape with a diameter of 11 mm, thickness of about 0.2 mm) are arranged so as to sandwich the obtained laminate, and a pair of stainless steel plates (circular shape with a diameter of 20 mm) from both sides. ), And was fastened with resin screws, and the whole was fixed to obtain a sensor.
When the obtained sensor was placed in a glass tube and the output current value in air having a hydrogen concentration of 1% was measured, the current value was 25 μA.
Here, the reason why the current value (25 μA) in Comparative Example 1 was lower than that in the Example was considered to be due to the deviation between the gas-permeable conductor (carbon paper) and the support member (stainless plate).
In addition, a total of 10 gas sensors were produced by the same method as in Comparative Example 1. For these gas sensors, when the output current value in the air with a hydrogen concentration of 1% was measured, the current values were 30.2 μA, 27.8 μA, 25.0 μA, 33.1 μA, 34.5 μA, 35.8 μA, 26. 3 μA, 29.9 μA, 32.2 μA, and 32.9 μA, and the difference between the maximum value and the minimum value was 10.8 μA, so it was confirmed that the variation in the output current value was large.

本発明によれば、簡易な構造で各部材間での位置ずれを防止することができ、複数個生産する場合でもばらつきが生じることなくガスの検知及びガス濃度の測定をすることが可能なガスセンサ、該ガスセンサの製造方法、及び、該ガスセンサを用いたコイン電池型ガスセンサを提供することができる。 According to the present invention, a gas sensor capable of preventing displacement between members with a simple structure and capable of detecting a gas and measuring a gas concentration without variation even when a plurality of members are produced. The gas sensor manufacturing method and the coin battery type gas sensor using the gas sensor can be provided.

Claims (6)

固体電解質膜を介して一対の電極が積層されたセンサ素子が、一対のガス透過性導電体を介して一対の電極カバーで挟持されており、
前記センサ素子、ガス透過性導電体及び電極カバーは、垂直方向に少なくとも1つの連通した貫通孔を有することを特徴とするガスセンサ。
A sensor element in which a pair of electrodes are stacked via a solid electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode covers via a pair of gas permeable conductors,
The sensor element, the gas permeable conductor, and the electrode cover have at least one through hole that communicates in the vertical direction.
貫通孔は中心部に形成されていることを請求項1記載の特徴とするガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, wherein the through hole is formed in a central portion. 水素ガス検知用に用いられるものであり、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からなることを特徴とする請求項1又は2記載のガスセンサ。 3. The gas sensor according to claim 1, wherein the gas sensor is used for detecting hydrogen gas, and the electrode is made of a metal having a catalytic action capable of dissociating hydrogen into protons. 水素をプロトンに解離できる触媒作用を有する金属は、白金であることを特徴とする請求項3記載のガスセンサ。 The gas sensor according to claim 3, wherein the metal having a catalytic action capable of dissociating hydrogen into protons is platinum. 請求項1、2、3又は4記載のガスセンサを製造する方法であって、
固体電解質膜を介して一対の電極が積層されたセンサ素子、一対のガス透過性導電体、及び、一対の電極カバーの垂直方向に少なくとも1つの貫通孔を形成する工程、及び、
前記センサ素子、ガス透過性導電体及び電極カバーの貫通孔に位置決めピンを挿通しながら、前記センサ素子をガス透過性導電体を介して電極カバーで挟持する工程、及び、前記電極カバーを固定する工程を有することを特徴とするガスセンサの製造方法。
A method for producing the gas sensor according to claim 1, 2, 3, or 4,
Forming a sensor element in which a pair of electrodes are stacked via a solid electrolyte membrane, a pair of gas permeable conductors, and at least one through hole in a vertical direction of the pair of electrode covers; and
A step of clamping the sensor element with the electrode cover through the gas permeable conductor while inserting a positioning pin through the through hole of the sensor element, the gas permeable conductor and the electrode cover, and fixing the electrode cover A process for producing a gas sensor, comprising a step.
請求項1、2、3又は4記載の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ガスセンサ。 A coin battery type gas sensor using the gas sensor according to claim 1, 2, 3 or 4.
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