JP3945343B2

JP3945343B2 - 水分検出器

Info

Publication number: JP3945343B2
Application number: JP2002238420A
Authority: JP
Inventors: 四郎山内; 秀木村; 博一寺内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2022-08-19
Also published as: JP2004077301A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はイオン導電性の固体電解質を利用した水分検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、たとえば特開昭６０−３６９４７号公報に記載された水分検出（感湿）素子に関するもので、その構造を示したものである。図５において、１は陽極給電体、２は陽極、５は陰極で、６は陰極給電体である。陽極２と陰極５はそれぞれチタンの多孔質基材Ｐｔメッキを施したものである。４は固体高分子電解質膜である（商品名；ナフィオン１１７：デュポン社製を用いている。）。各電極と固体高分子電解質膜４の間にはＰｔの無電解メッキが施されている。７はリ−ド線、８は直流電源である。１０は電流計である。直流電圧３．５Ｖを両電極間に印加すると、湿度に比例した電流が流れる（図６参照）。これは固体高分子電解質膜が湿度の高さに対応した含有水分を有し、固体高分子膜の導電率が含有水分の増減に対応して変化するからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水分検出器は吸湿して水素イオン導電性を示すイオン交換膜（固体高分子電解質膜）を用いていたため、ｐｐｍレベルの水分を検出しようとしても、固体高分子電解質膜の含有水分がほとんどなくなり、導電率が低下してしまい水分検出を行なうことはできず、実用に用いることができなかった。
また、高湿度の大気に接触して使用する場合、大気中の湿度分と平衡する固体高分子内の含有水分のため、大気から供給される水分（湿度分）の電解より先に固体高分子電解質内に吸湿された水分の電解反応が優先し、大気中の水分（湿度分）を迅速に測定することができなかった。
【０００４】
そこで、本発明においては、水分検出器の固体電解質層に水分を含まないような、大気中の水分がｐｐｍレベルの場合であっても水分検出が可能であり、さらに大気中が高湿度で、固体電解質に含まれる水分が多くなるような状態であっても水分検出が可能となるような、ｐｐｍレベルの低濃度から％レベルの高濃度まで広範囲の大気中の含有水分（湿度）を計測できる水分検出器を提供する事を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る水分検出器は、多孔性の陽極と、多孔性の陰極と、上記陽極と陰極との間で、上記陽極に一方の面が接し、上記陰極に他方の面が接するように設けられ、含有水分のない状態であっても水素イオン導電性を示すアミン - 硫酸塩化合物からなる電解質層と、この電解質層と上記陽極と陰極の間に電圧を印加する電源とを備えたものである。
【０００６】
第２の発明に係る水分検出器において、
固体電解質層は、トリエチレンジアミン硫酸塩（C_６H_１２N_２・xH_２SO_４）であり、
上記分子式のxは、１≦x≦２の間にある化合物であることを特徴とするものである。
【０００７】
第３の発明に係る水分検出器において、
固体電解質層は、ヘキサメチレンテトラミン硫酸塩（C_６H_１２N_４・xH_２SO_４）であり、
上記分子式のxは、１．５≦x≦２．５の間にある化合物であることを特徴とするものである。
【０００８】
第４の発明に係る水分検出器において、
陽極は、固体電解質の一方の面に少なくとも２箇所あり、それぞれの陽極は互いに接することなく配置され、いずれか一つの陽極には撥水層が設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明に係る水分検出器の構成を示す図である。図において、１は陽極給電体、５は陰極給電体であり、それぞれの材質は、ステンレスにＰｔメッキが施されたものである。２は陽極、５は陰極であって、それぞれＰｔスパッタで２０〜４０ｎｍの厚さに成膜されたものである。
４はアミン−硫酸塩の固体電解質で、水素イオン導電性のトリエチレンジアミン硫酸塩（C_６H_１２N_２・xH_２SO_４）からなり、ｘ＝１．５の値のものである。ｘ＝１．５としたのは、図２に示すように、トリエチレンジアミン硫酸塩（C_６H_１２N_２・xH_２SO_４）の導電率は、ｘ（アミン１に対する硫酸塩のモル組成比ｘ）の値に依存し、ｘ＝１．５のとき、もっとも高い導電率を示すからである。
【００１０】
また、図２に示す導電率のデータは、合成プロセスに水分を含まない固体電解質に、電極を設けて電気化学素子を形成した後に、さらに五酸化リン存在下で乾燥雰囲気を保ち、十分に吸湿水分を除いたあとのデータであり、吸湿水分がなくとも水素イオン導電性を示すことが確認できる。
【００１１】
次に動作について説明する。
陽極２、陰極５間に直流電源８から電圧を印加すると、Ｈ_２Ｏは陽極２で、
Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ ・・・（１）
の反応がおきてＨ^＋イオンを生成し、固体電解質４中を陰極に向かって移動し、陰極５で
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２・・・（２）
の反応が起こる。この素子を低湿度雰囲気におき、水分濃度と出力電流の関係を、印加電圧をパラメ−タにして示したものが図４である。この図４に示すグラフからこの素子（水分検出器）は、従来、固体高分子電解質を用いた素子では測定できなかった数１０ｐｐｍから数千ｐｐｍレベルの比較的低湿度域の水分濃度の検出に有効であることが分かる。
【００１２】
実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２について説明する。図３は、本発明に係る水分検出器の構成を示す図である。図において、２は陽極で、固体電解質４の上に、陽極２ａ，２ｂの２つが設けられている。陽極２ａ、陽極２ｂは互いに接することなく配置され、一方の陽極２ａは撥水層９を備えており、他方の陽極２ｂは撥水層を備えていない。ここで、撥水層９にはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を含有した、接触角１５０°以上の超撥水性を示す分散材（商品名ハイレック110；ＮＴＴアドバンステクノロジ社製)がスプレ−噴霧されている。
【００１３】
以下、動作について説明する。
撥水層を備えていない陽極２ｂを流れる電流値ｉ_２を電流計１１ｂで測定し、撥水層を備えている陽極２ａを流れる電流値ｉ_１を電流計１１ａで測定する。電流値ｉ_２は、もともと電解質に吸湿されていた水分が電極反応（１）を起こすことにより生じた水素イオン電流と、大気中の水分が通電開始後に陽極２ｂにおいて電極反応（１）を起こすことにより生じた水素イオン電流とを足し合わせたものである。
通電を開始したあと、電流値ｉ_２と電流値ｉ_１の差は徐々に小さくなっていく。これは、電流値ｉ_２を構成する電流成分のうち、電解質にもともと吸湿されていた水分に起因する水素イオン電流が経時的に減少していくため、電流値ｉ_２は時間の経過とともに減少していくことになる。
【００１４】
時間が経過すると、電流値ｉ_２は減少していくので、電流値（ｉ_２−ｉ_１）の値がほぼ一定になり、ほぼ一定になったときに、電解質にもともと吸湿されていた水分の影響がなくなった状態での電流値と気相水分の関係を求めることができる。
水分検出器は、固体電解質の上に２つ以上の陽極を備え、そのうちの一つは陽極の上に撥水層を備えているので、高湿度の状態であっても、電解質にもともと含まれていた吸湿水分による影響が除かれた状態で、大気中の水分検出を行なうことができる。したがって、低湿度（数ｐｐｍ）から高湿度下（数％）まで広範囲にわたる気中水分濃度を測定することが可能となった。
【００１５】
なお、本実施の形態では固体電解質はトリエチレンジアミン硫酸塩（C_６H_１２N_２・xH_２SO_４）により構成されており、左記分子式で、ｘが１．５の場合について説明したが、ｘが１≦ｘ≦２の間にあれば同様の効果を示す。
また、固体電解質としてはヘキサメチレンテトラミン硫酸塩（C_６H_１２N_４・xH_２SO_４）ｘが１．５≦ｘ≦２．５の間にある化合物であっても同様な効果を示す。
【００１６】
実施の形態１、２によれば、固体電解質は、固体電解質自体が含有水分無しの状態であっても水素イオン導電性を示す物質を用いて、水分検出を行なっている。
また、水分含有率が％レベルの比較的高湿度域で（大気中の）水分検出を行なうにあたって、
水分検出器の固体電解質を構成するアミン−硫酸塩化合物の吸湿量が無視できないような大きさになった場合でも測定できるように、
固体電解質中の吸水分によって起こる電気分解により生じる水素イオン電流と、供試ガス中に含まれる水分によって陽極で起こる電気分解により生じる水素イオン電流とを区別できるようにしてある。
【００１７】
このために、陽極には固体電解質上の一方の面に２箇所以上設けられており、これらの陽極は互いに接することなく配置されている。さらに、いずれか一つの陽極には撥水層が設けられている。この撥水層が設けられた陽極によって、固体電解質中の吸湿分により生じる水素イオン電流の影響を無くすことができる。
水分検出器の陽極と陰極間に電圧印加開始後、撥水層を有していない陽極と陰極間を流れる電流と、撥水層を有する陽極と陰極間を流れる電流の差がほぼ一定になった時点から、電解質層に含まれる水分の影響を受けることなく、供試ガス中における水分検出を行なうことができる。
【００１８】
【発明の効果】
第１の発明によれば、多孔性の陽極と、多孔性の陰極と、上記陽極と陰極との間で、上記陽極に一方の面が接し、上記陰極に他方の面が接するように設けられ、含有水分のない状態であっても水素イオン導電性を示すアミン - 硫酸塩化合物からなる電解質層と、この電解質層と上記陽極と陰極の間に電圧を印加する電源とを備えているので、吸湿していなくても水素イオン導電性を示す固体電解質によって、数ｐｐｍの低水分濃度域での水分濃度を測定することが可能となった。
【００１９】
第２の発明によれば、固体電解質層は、トリエチレンジアミン硫酸塩（C_６H_１２N_２・xH_２SO_４）であり、
上記分子式のxは、１≦x≦２の間にある化合物であるので、
数ｐｐｍの低水分濃度域での水分濃度測定が可能となった。
【００２０】
第３の発明によれば、固体電解質層は、ヘキサメチレンテトラミン硫酸塩（C_６H_１２N_４・xH_２SO_４）であり、
上記分子式のxは、１．５≦x≦２．５の間にある化合物であるので、
数ｐｐｍの低水分濃度域での水分濃度測定が可能となった。
【００２１】
第４の発明によれば、陽極は、固体電解質の一方の面に少なくとも２箇所あり、それぞれの陽極は互いに接することなく配置され、いずれか一つの陽極には撥水層が設けられているので、
陽極に設けられた撥水層によって、固体電解質層にもともと含まれる吸湿水分により発生する電流の影響を取り除くことができ、
高湿度域であっても水分濃度の検出を正確に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水分検出器の構成を示した図である。
【図２】本発明の水分検出器に用いられる固体電解質層の導電率を示した図である。
【図３】本発明の水分検出器の構成を示した図である。
【図４】本発明の水分検出器における水分濃度と電流の関係を示した図である。
【図５】従来の水分検出器の構成を示した図である。
【図６】従来の水分検出器における相対湿度と電流密度の関係を示したものである。
【符号の説明】
１陽極給電体、２陽極、４固体電解質、５陰極、
６陰極給電体、７リード線、８電源。

Claims

多孔性の陽極と、多孔性の陰極と、上記陽極と陰極との間で、上記陽極に一方の面が接し、上記陰極に他方の面が接するように設けられ、含有水分のない状態であっても水素イオン導電性を示すアミン - 硫酸塩化合物からなる電解質層と、この電解質層と上記陽極と陰極の間に電圧を印加する電源とを備えたことを特徴とする水分検出器。
固体電解質層は、トリエチレンジアミン硫酸塩（C_６H_１２N_２・xH_２SO_４）であり、上記分子式のxは、１≦x≦２の間にある化合物であることを特徴とする請求項１記載の水分検出器。
固体電解質層は、ヘキサメチレンテトラミン硫酸塩（C_６H_１２N_４・xH_２SO_４）であり、上記分子式のxは、１．５≦x≦２．５の間にある化合物であることを特徴とする請求項１記載の水分検出器。
陽極は、固体電解質の一方の面に少なくとも２箇所あり、それぞれの陽極は互いに接することなく配置され、いずれか一つの陽極には撥水層が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の水分検出器。