JP4540021B2 - ガルバニ電池式酸素センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極と負極と電解液と多孔性膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
正極と負極と電解液と多孔性膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサは、小型、軽量であるとともに常温で作動し、しかも安価であるため船倉やマンホールの酸欠状態のチェックや麻酔器、人工呼吸器などの医療機器における酸素濃度の検出等、広い分野で使用されている。
【０００３】
従来、広く実用に供されているガルバニ電池式酸素センサの一般的な断面構造を図２に示す。図２において、１は中蓋、２はＯ−リング、３は多孔性膜、４は触媒電極、５は正極集電体、６は正極リード線、７は電解液、８は負極、９はホルダー本体、１０はホルダー蓋、１１は電解液供給用の穿孔、１２はリード線用の穿孔、１３は正極集電体保持部であり、触媒電極４と正極集電体５とで正極を構成する。
【０００４】
ガルバニ電池式酸素センサの動作原理は次の通りである。酸素を選択的に透過させかつ透過量を電池反応に見合うように制限する多孔性膜３を通ってきた酸素は、酸素が電気化学的に還元することができる触媒電極４において還元され、電解液７を介して負極８との間で次のような電気化学反応を起こす。
【０００５】
電解液が酸性の場合
正極反応：Ｏ2＋4Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
負極反応：２Ｐｂ＋２Ｈ2Ｏ→２ＰｂＯ＋４Ｈ+＋４ｅ-
全反応 ：２Ｐｂ＋Ｏ2 →２ＰｂＯ
電解液がアルカリ性の場合
正極反応：Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ-
負極反応：２Ｐｂ＋４ＯＨ-→２ＰｂＯ＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-
全反応 ：２Ｐｂ＋Ｏ2 →２ＰｂＯ
電解液が酸性の場合とアルカリ性の場合とでは、電荷の担い手は異なるが、いずれの場合も触媒電極４と負極８との間に、酸素濃度に応じた電流が発生する。触媒電極４での正極反応によって生じた電流は、触媒電極４に圧接された正極集電体５で集電され、正極リード線６によって外部に導かれる。電流は通常温度補正用のサーミスター素子を通して負極に流れ込むことによって、電圧信号に変換され、酸素センサ出力として電圧が得られる。
【０００６】
従来のガルバニ電池式酸素センサにおいては、正極集電体５としてカーボン繊維が使用されていた。そのため、正極集電体５と金属製正極リード線６とを溶接等で接合することは不可能であった。そのため、正極集電体５と金属製正極リード線６との電気的接触は、中蓋１を押圧端板として正極リード線６の張力を利用して圧接されていた。
【０００７】
そのため、従来のガルバニ電池式酸素センサでは、振動や衝撃が加わった場合に、正極集電体５と正極リード線６の間の接触状態が変化しやすく、この部分の接触抵抗分が変動し、センサの出力変動や出力異常が生じるという問題があった。
【０００８】
そこで、正極集電体として、カーボン繊維に変えて金属材料を使用し、金属製正極集電体と金属製正極リード線とを溶接等で一体化することによって、上記問題天を解決する提案がなされた（特願２０００−０２０５５８号）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
金属製正極集電体を使用した場合、カーボン繊維と比較して、電解液の吸収性が悪く、センサ性能が安定しない場合があり、金属製正極集電体に電解液が十分に吸収させるための工夫が求められていた。
【００１０】
また、金属製正極リード線に弛みがなかったために、ガルバニ電池式酸素センサに振動や衝撃が加わった場合に、正極リード線側から発生した振動が正極集電体との接点に伝わるために、正極集電体と正極リード線との接触状態が変化しやすく、センサの出力変動や出力異常が生じる問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、正極と負極と電解液と多孔性膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサにおいて、前記正極は触媒電極と金属材料からなる正極集電体とを備え、前記正極集電体と正極リード線とが一体化されており、正極集電体に接して電解液保持材を備えることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記ガルバニ電池式酸素センサにおいて、正極リード線が張力のかからない状態で保持されていることを特徴とする。すなわち、正極リード線の長さを、正極集電体と正極リード線とを一体化した位置から外部電流取り出し口までの直線距離よりも長くして、リード線に張力のかからない状態とすることによって、正極リード線側から発生した振動が正極集電体に伝わりにくくするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明になるガルバニ電池式酸素センサの断面構造を図１に示す。図１における記号１〜１３は図２と同じものを示しており、１４はＡＢＳ樹脂製台座、１５は電解液保持材である。
【００１４】
電解液保持材１５としては、ガラス繊維製マットやポリプロピレン製不織布等の、電解液に侵されず、しかも電解液吸収性のよい材料を使用することができる。
【００１５】
本発明のガルバニ電池式酸素センサにおいては、正極集電体５に接して電解液保持材１４が備えられており、電解液７は電解液供給用の穿孔１１を通って電解液保持材１４に達する。そして、電解液保持材１４から正極集電体５に供給され、金属製正極集電体５に電解液７が十分に吸収させることができるために、センサ性能が安定するものである。
【００１６】
また、本発明のガルバニ電池式酸素センサにおいては、正極リード線６の長さは、正極集電体５と正極リード線６とを一体化した位置から外部取り出し口までの直線距離よりも長くし、正極リード線６に張力のかからない状態としているために、ガルバニ電池式酸素センサに振動や衝撃が加わった場合、正極リード線６側から発生した振動が正極集電体５との接点に伝わることがなく、正極集電体５と正極リード線６との接触状態が一定に保たれ、センサの出力が安定するものである。
【００１７】
さらに、触媒電極４と正極集電体５は、中蓋１とＡＢＳ樹脂製台座１４を押圧端板とした圧接のために良好な接触状態を保持している。
【００１８】
なお、正極リード線６の形状についてはバネ型であっても良いし、折り曲げた形状としても良い。また、単に正極リード線６の長さを外部回路に取り出すまでの直線距離よりも長くして張力のかからない状態で保持された形状であっても良い。
【００１９】
正極リード線６の材料としては、電解液に侵されず、しかも導電性のよい、金、チタン等の金属を使用することができる。
【００２０】
また、正極集電体５は中蓋１とＡＢＳ樹脂製台座１４で固定したが、これ以外にも正極集電体５の径を触媒電極４と同じ大きさにしてＯ−リング２とホルダー本体９で固定する構造であっても良い
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。
【００２２】
本発明の一実施例にかかるガルバニ電池式酸素センサの断面構造は図１に示したのと同じである。図１において、中蓋１はＡＢＳ樹脂製、多孔性膜３は四フッ化エチレン樹脂製、触媒電極４は金をスパッタした四フッ化エチレン六フッ化プロピレンコポリマー膜、正極集電体５はチタン製、正極リード線６はチタン製、正極集電体５と正極リード線６は溶接して一体化してある。また、正極リード線６は張力のかからない状態で保持されている。
【００２３】
また、電解液７は酢酸と酢酸カリウムと酢酸鉛の混合水溶液、負極８は鉛製、ホルダー本体９はＡＢＳ樹脂製、ホルダー蓋１０はＡＢＳ樹脂製であり、ホルダー本体９およびホルダー蓋１０には、それぞれネジが切られている。
【００２４】
中蓋１、Ｏ−リング２、四フッ化エチレン樹脂製の多孔性膜３、触媒電極４、正極集電体５、ＡＢＳ樹脂製台座１４は、ホルダー本体９とホルダー蓋１０とのネジ締めによって押圧され良好な接触状態が保持される。中蓋１とＡＢＳ製台座１４は押圧端板として機能し、四フッ化エチレン樹脂製の多孔性膜３は金をスパッタした触媒電極４の表面の汚れを防止させるためのものである。また、Ｏ−リング２によって気密、液密性が確保されている。
【００２５】
１１は正極および隔膜への電解液供給用の穿孔、１２は正極集電体のチタンリード線部分を通すための穿孔、１５は正極集電体５に電解液を円滑に供給するための電解液保持材である。
【００２６】
このようにして得られたガルバニ電池式酸素センサを、本発明になるガルバニ電池式酸素センサＡとした。
【００２７】
次に、比較例として、図２に示したのと同じ構造の、従来のガルバニ電池式酸素センサを作製した。図２において、正極集電体５にはカーボン繊維を使用し、ホルダー本体９とホルダー蓋１０のネジ締めによって正極集電体５とチタン製正極リード線６を圧接し、同時に触媒電極４、正極集電体５の圧接状態が保持される。このようにして得られた従来のガルバニ電池式酸素センサをＢとした。
【００２８】
Ａ、Ｂのガルバニ電池式酸素センサを、４．３Ｈｚ、１．５Ｇの振動を１時間連続で印加して出力の推移を調べたところ、本発明になるガルバニ電池式酸素センサＡは非常に安定した出力を示したが、従来のガルバニ電池式酸素センサＢは出力の変動が大きく、中には急激な出力変動を示すセンサがあった。
【００２９】
次に、リノリューム床の上で１ｍの高さから自然落下させたところ、本発明になるガルバニ電池式酸素センサＡは安定した出力を示し、落下による衝撃印加の瞬間の出力変動も小さかった。従来のガルバニ電池式酸素センサＢでは、落下の瞬間の出力変動が大きく、その後、通常の使用状態に於いても出力異常を示すものがあった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、正極と負極と電解液と多孔性膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサにおいて、正極は触媒電極と金属材料からなる正極集電体とを備え、正極集電体と正極リード線とが一体化されており、正極集電体に接して電解液保持材を備えることにより、電解液を電解液保持材から正極集電体に供給し、金属製正極集電体に電解液が十分に吸収させることができるために、センサ性能が安定するものである。
【００３１】
また本発明は、正極リード線が張力のかからない状態で保持されているために、想定される使用状況において振動や衝撃が印加された場合でも、正極リード線から発生する振動が正極集電体との接点に伝わり難く、触媒電極と正極集電体の接触状態の変化が除去できるため、出力変動が小さく、信頼性、安定性の極めて高い、長寿命のガルバニ電池式酸素センサが得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガルバニ電池式酸素センサの断面構造を示す図。
【図２】従来のガルバニ電池式酸素センサの断面構造を示す図。
【符号の説明】
１ 中蓋
２ Ｏ−リング
３ 多孔性膜
４ 触媒電極
５ 正極集電体
６ 正極リード線
７ 電解液
８ 負極
９ ホルダー本体
１０ ホルダー蓋
１１ 電解液供給用の穿孔
１２ リード線用の穿孔
１３ 正極集電体保持部
１４ ＡＢＳ樹脂製台座
１５ 電解液保持材
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極と負極と電解液と多孔性膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
正極と負極と電解液と多孔性膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサは、小型、軽量であるとともに常温で作動し、しかも安価であるため船倉やマンホールの酸欠状態のチェックや麻酔器、人工呼吸器などの医療機器における酸素濃度の検出等、広い分野で使用されている。
【０００３】
従来、広く実用に供されているガルバニ電池式酸素センサの一般的な断面構造を図２に示す。図２において、１は中蓋、２はＯ−リング、３は多孔性膜、４は触媒電極、５は正極集電体、６は正極リード線、７は電解液、８は負極、９はホルダー本体、１０はホルダー蓋、１１は電解液供給用の穿孔、１２はリード線用の穿孔、１３は正極集電体保持部であり、触媒電極４と正極集電体５とで正極を構成する。
【０００４】
ガルバニ電池式酸素センサの動作原理は次の通りである。酸素を選択的に透過させかつ透過量を電池反応に見合うように制限する多孔性膜３を通ってきた酸素は、酸素が電気化学的に還元することができる触媒電極４において還元され、電解液７を介して負極８との間で次のような電気化学反応を起こす。
【０００５】
電解液が酸性の場合
正極反応：Ｏ2＋4Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
負極反応：２Ｐｂ＋２Ｈ2Ｏ→２ＰｂＯ＋４Ｈ+＋４ｅ-
全反応 ：２Ｐｂ＋Ｏ2 →２ＰｂＯ
電解液がアルカリ性の場合
正極反応：Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ-
負極反応：２Ｐｂ＋４ＯＨ-→２ＰｂＯ＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-
全反応 ：２Ｐｂ＋Ｏ2 →２ＰｂＯ
電解液が酸性の場合とアルカリ性の場合とでは、電荷の担い手は異なるが、いずれの場合も触媒電極４と負極８との間に、酸素濃度に応じた電流が発生する。触媒電極４での正極反応によって生じた電流は、触媒電極４に圧接された正極集電体５で集電され、正極リード線６によって外部に導かれる。電流は通常温度補正用のサーミスター素子を通して負極に流れ込むことによって、電圧信号に変換され、酸素センサ出力として電圧が得られる。
【０００６】
従来のガルバニ電池式酸素センサにおいては、正極集電体５としてカーボン繊維が使用されていた。そのため、正極集電体５と金属製正極リード線６とを溶接等で接合することは不可能であった。そのため、正極集電体５と金属製正極リード線６との電気的接触は、中蓋１を押圧端板として正極リード線６の張力を利用して圧接されていた。
【０００７】
そのため、従来のガルバニ電池式酸素センサでは、振動や衝撃が加わった場合に、正極集電体５と正極リード線６の間の接触状態が変化しやすく、この部分の接触抵抗分が変動し、センサの出力変動や出力異常が生じるという問題があった。
【０００８】
そこで、正極集電体として、カーボン繊維に変えて金属材料を使用し、金属製正極集電体と金属製正極リード線とを溶接等で一体化することによって、上記問題天を解決する提案がなされた（特願２０００−０２０５５８号）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
金属製正極集電体を使用した場合、カーボン繊維と比較して、電解液の吸収性が悪く、センサ性能が安定しない場合があり、金属製正極集電体に電解液が十分に吸収させるための工夫が求められていた。
【００１０】
また、金属製正極リード線に弛みがなかったために、ガルバニ電池式酸素センサに振動や衝撃が加わった場合に、正極リード線側から発生した振動が正極集電体との接点に伝わるために、正極集電体と正極リード線との接触状態が変化しやすく、センサの出力変動や出力異常が生じる問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、正極と負極と電解液と多孔性膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサにおいて、前記正極は触媒電極と金属材料からなる正極集電体とを備え、前記正極集電体と正極リード線とが一体化されており、正極集電体に接して電解液保持材を備えることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記ガルバニ電池式酸素センサにおいて、正極リード線が張力のかからない状態で保持されていることを特徴とする。すなわち、正極リード線の長さを、正極集電体と正極リード線とを一体化した位置から外部電流取り出し口までの直線距離よりも長くして、リード線に張力のかからない状態とすることによって、正極リード線側から発生した振動が正極集電体に伝わりにくくするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明になるガルバニ電池式酸素センサの断面構造を図１に示す。図１における記号１〜１３は図２と同じものを示しており、１４はＡＢＳ樹脂製台座、１５は電解液保持材である。
【００１４】
電解液保持材１５としては、ガラス繊維製マットやポリプロピレン製不織布等の、電解液に侵されず、しかも電解液吸収性のよい材料を使用することができる。
【００１５】
本発明のガルバニ電池式酸素センサにおいては、正極集電体５に接して電解液保持材１４が備えられており、電解液７は電解液供給用の穿孔１１を通って電解液保持材１４に達する。そして、電解液保持材１４から正極集電体５に供給され、金属製正極集電体５に電解液７が十分に吸収させることができるために、センサ性能が安定するものである。
【００１６】
また、本発明のガルバニ電池式酸素センサにおいては、正極リード線６の長さは、正極集電体５と正極リード線６とを一体化した位置から外部取り出し口までの直線距離よりも長くし、正極リード線６に張力のかからない状態としているために、ガルバニ電池式酸素センサに振動や衝撃が加わった場合、正極リード線６側から発生した振動が正極集電体５との接点に伝わることがなく、正極集電体５と正極リード線６との接触状態が一定に保たれ、センサの出力が安定するものである。
【００１７】
さらに、触媒電極４と正極集電体５は、中蓋１とＡＢＳ樹脂製台座１４を押圧端板とした圧接のために良好な接触状態を保持している。
【００１８】
なお、正極リード線６の形状についてはバネ型であっても良いし、折り曲げた形状としても良い。また、単に正極リード線６の長さを外部回路に取り出すまでの直線距離よりも長くして張力のかからない状態で保持された形状であっても良い。
【００１９】
正極リード線６の材料としては、電解液に侵されず、しかも導電性のよい、金、チタン等の金属を使用することができる。
【００２０】
また、正極集電体５は中蓋１とＡＢＳ樹脂製台座１４で固定したが、これ以外にも正極集電体５の径を触媒電極４と同じ大きさにしてＯ−リング２とホルダー本体９で固定する構造であっても良い
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。
【００２２】
本発明の一実施例にかかるガルバニ電池式酸素センサの断面構造は図１に示したのと同じである。図１において、中蓋１はＡＢＳ樹脂製、多孔性膜３は四フッ化エチレン樹脂製、触媒電極４は金をスパッタした四フッ化エチレン六フッ化プロピレンコポリマー膜、正極集電体５はチタン製、正極リード線６はチタン製、正極集電体５と正極リード線６は溶接して一体化してある。また、正極リード線６は張力のかからない状態で保持されている。
【００２３】
また、電解液７は酢酸と酢酸カリウムと酢酸鉛の混合水溶液、負極８は鉛製、ホルダー本体９はＡＢＳ樹脂製、ホルダー蓋１０はＡＢＳ樹脂製であり、ホルダー本体９およびホルダー蓋１０には、それぞれネジが切られている。
【００２４】
中蓋１、Ｏ−リング２、四フッ化エチレン樹脂製の多孔性膜３、触媒電極４、正極集電体５、ＡＢＳ樹脂製台座１４は、ホルダー本体９とホルダー蓋１０とのネジ締めによって押圧され良好な接触状態が保持される。中蓋１とＡＢＳ製台座１４は押圧端板として機能し、四フッ化エチレン樹脂製の多孔性膜３は金をスパッタした触媒電極４の表面の汚れを防止させるためのものである。また、Ｏ−リング２によって気密、液密性が確保されている。
【００２５】
１１は正極および隔膜への電解液供給用の穿孔、１２は正極集電体のチタンリード線部分を通すための穿孔、１５は正極集電体５に電解液を円滑に供給するための電解液保持材である。
【００２６】
このようにして得られたガルバニ電池式酸素センサを、本発明になるガルバニ電池式酸素センサＡとした。
【００２７】
次に、比較例として、図２に示したのと同じ構造の、従来のガルバニ電池式酸素センサを作製した。図２において、正極集電体５にはカーボン繊維を使用し、ホルダー本体９とホルダー蓋１０のネジ締めによって正極集電体５とチタン製正極リード線６を圧接し、同時に触媒電極４、正極集電体５の圧接状態が保持される。このようにして得られた従来のガルバニ電池式酸素センサをＢとした。
【００２８】
Ａ、Ｂのガルバニ電池式酸素センサを、４．３Ｈｚ、１．５Ｇの振動を１時間連続で印加して出力の推移を調べたところ、本発明になるガルバニ電池式酸素センサＡは非常に安定した出力を示したが、従来のガルバニ電池式酸素センサＢは出力の変動が大きく、中には急激な出力変動を示すセンサがあった。
【００２９】
次に、リノリューム床の上で１ｍの高さから自然落下させたところ、本発明になるガルバニ電池式酸素センサＡは安定した出力を示し、落下による衝撃印加の瞬間の出力変動も小さかった。従来のガルバニ電池式酸素センサＢでは、落下の瞬間の出力変動が大きく、その後、通常の使用状態に於いても出力異常を示すものがあった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、正極と負極と電解液と多孔性膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサにおいて、正極は触媒電極と金属材料からなる正極集電体とを備え、正極集電体と正極リード線とが一体化されており、正極集電体に接して電解液保持材を備えることにより、電解液を電解液保持材から正極集電体に供給し、金属製正極集電体に電解液が十分に吸収させることができるために、センサ性能が安定するものである。
【００３１】
また本発明は、正極リード線が張力のかからない状態で保持されているために、想定される使用状況において振動や衝撃が印加された場合でも、正極リード線から発生する振動が正極集電体との接点に伝わり難く、触媒電極と正極集電体の接触状態の変化が除去できるため、出力変動が小さく、信頼性、安定性の極めて高い、長寿命のガルバニ電池式酸素センサが得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガルバニ電池式酸素センサの断面構造を示す図。
【図２】従来のガルバニ電池式酸素センサの断面構造を示す図。
【符号の説明】
１ 中蓋
２ Ｏ−リング
３ 多孔性膜
４ 触媒電極
５ 正極集電体
６ 正極リード線
７ 電解液
８ 負極
９ ホルダー本体
１０ ホルダー蓋
１１ 電解液供給用の穿孔
１２ リード線用の穿孔
１３ 正極集電体保持部
１４ ＡＢＳ樹脂製台座
１５ 電解液保持材
Claims (2)
- 正極と負極と電解液と多孔性膜とを備えたガルバニ電池式酸素センサにおいて、前記正極は触媒電極と金属材料からなる正極集電体とを備え、前記正極集電体と正極リード線とが一体化されており、正極集電体に接して電解液保持材を備えることを特徴とするガルバニ電池式酸素センサ。
- 正極リード線が張力のかからない状態で保持されていることを特徴とする請求項１記載のガルバニ電池式酸素センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000112686A JP4540021B2 (ja) | 2000-04-13 | 2000-04-13 | ガルバニ電池式酸素センサ |
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| JP2001296268A JP2001296268A (ja) | 2001-10-26 |
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|---|---|
| JP (1) | JP4540021B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210322709A1 (en) * | 2020-04-21 | 2021-10-21 | GE Precision Healthcare LLC | Methods and system for oxygen sensor prognostics in a medical gas flow device |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6004040B2 (ja) | 2014-05-26 | 2016-10-05 | 株式会社Ｇｓユアサ | ガルバニ電池式酸素センサ |
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| JPH06130026A (ja) * | 1992-10-15 | 1994-05-13 | Japan Storage Battery Co Ltd | ガルバニ電池式酸素センサ |
| JPH0949823A (ja) * | 1995-08-07 | 1997-02-18 | Japan Storage Battery Co Ltd | 電気化学式ガスセンサ |
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2000
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