JP6164407B2 - 電気化学式ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、筐体の内部に、作用電極と、参照電極と、対向電極と、これら電極に接する電解液と、を備えた電気化学式センサに関する。

電気化学式ガスセンサは、化学反応（酸化還元反応）によって発生するエネルギーを電気エネルギーとして取り出すことによって、ガスを検知するものである。電気化学式ガスセンサは、低消費電力、出力特性がリニア、ガス選択性に比較的優れるなどの特徴を持っていることから、工業用のガス濃度測定機器や、近年では一酸化炭素などの検知警報器などに広く使用されている。

一酸化炭素の場合、作用電極で一酸化炭素の酸化反応がおき、それによって生成する水素イオンと等量の水素イオンが、対向電極で空気中の酸素と反応して水を生成する。この一連の反応によって発生する電流は、作用電極側のガス濃度に対応するため、この電流を測定することでガス濃度を検知することができる。

電気化学式ガスセンサは、開口部を設けた筐体と、小孔が形成された蓋部と、を備え、当該筐体の内部に、作用電極、参照電極、対向電極、電極を押圧固定するＯリング、電解液、ガス透過膜などがそれぞれ収容されている。

上述した電気化学式ガスセンサにおいて、筐体を外側筐体および内側筐体で構成した二重構造とし、電解液を、外側筐体に内包した内側筐体に収容することがあった。この場合、外側筐体および内側筐体の隙間に、作用電極、参照電極および対向電極のそれぞれと各別に接続する導線を挿通させていた。

外側筐体は、底側に設けた孔部および前記底側の反対側に設けた開口部を有し、内側筐体は、当該孔部を挿通して電解液を内側筐体に注入可能な筒状部を有する。

作用電極、参照電極および対向電極は、それぞれを撥水性を有する多孔質のガス透過膜に積層し、それぞれをグラスウール膜などで絶縁した状態でＯリングによって押圧固定されていた。当該Ｏリングは、外側筐体の開口部を封止する蓋部によって押圧されていた。

尚、このような電気化学式ガスセンサは一般的な技術であるため、従来技術は示さない。

このような電気化学式ガスセンサでは、筒状部および当該筒状部が挿通する孔部の隙間と、外側筐体および内側筐体の隙間と、が連通して、筐体の内部に外気が侵入する虞があった。このようにして侵入した外気が、ガス透過膜を経由してそれぞれの電極と接触すれば、被検知ガス取入口からのガス以外のガスが各電極と反応することとなるため、所望の被検知ガスの検知が正確に行い難くなるという問題点があった。

また、筐体の内部に外気が侵入する経路が存在することで、当該経路を経由して筐体内部に収容された電解液が外部に漏洩する虞があった。さらに、このような経路が存在すると、蓋部に形成された小孔以外から筐体の内部に水蒸気が出入りする虞があるため、雰囲気の相対湿度が変化した場合に、電解液収容部に存在する電解液量変化のスピードが大きくなる場合があった。

従って、本発明の目的は、外気の侵入および電解液の漏洩を未然に防止できる電気化学式ガスセンサを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る電気化学式センサの第一特徴構成は、筐体の内部に、作用電極と、参照電極と、対向電極と、これら電極に接する電解液と、を収容し、当該筐体は、外側筐体と、前記外側筐体に内包して前記電解液を収容する内側筐体と、前記外側筐体を封止する蓋部と、によって構成され、前記蓋部には被検知ガスを取り入れる小孔を備え、さらに、前記外側筐体および前記内側筐体の接続部位を熱溶着した溶着部を有する点にある。

本構成のように外側筐体および内側筐体を熱溶着することで、外側筐体および内側筐体に存在していた隙間を無くすことができるため、外側筐体および内側筐体の接続部位における気密性および水密性を確保することができる。従って、外側筐体および内側筐体の接続部位から筐体の内部に外気が侵入すること、および、筐体の内部に収容された電解液が漏洩することを未然に防止することができる。また、電解液の液量変化を抑制することができる。

本発明に係る電気化学式センサの第二特徴構成は、前記接続部位を、前記外側筐体において底側に設けた孔部、および、前記内側筐体において前記孔部を挿通する筒状部とした点にある。

本構成であれば、筒状部が孔部を挿通した状態にて、筒状部および孔部の周縁を溶融させることにより、接続部位にて筒状部および孔部を溶着させて溶着部を容易に形成することができる。
本発明に係る電気化学式センサの第三特徴構成は、前記作用電極、前記参照電極および前記対向電極は、それぞれをガス透過膜に積層して構成した点にある。
本構成であれば、各電極が被検知ガスを透過するガス透過膜に積層してあるため、各電極を、小孔から取り入れた被検知ガスに接触させることができる。

本発明の電気化学式センサの外観の概略図である（（ａ）上面視（ｂ）側面視（ｃ）下面視）。 電気化学式センサの断面概略図である。 図２の電気化学式センサの分解概略図である。 各電極の概略図である（（ａ）作用電極（ｂ）参照電極（ｃ）対向電極）。 接続部位および溶着部の要部概略図である（（ａ）接続部位（ｂ）溶着部）。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜５に示したように、本発明の電気化学式センサＸは、筐体１０の内部に、作用電極２１と、参照電極２２と、対向電極２３と、これら電極２１〜２３に接する電解液３１と、を収容している。

当該筐体１０は、外側筐体１１と、外側筐体１１に内包して電解液３１を収容する内側筐体１２と、外側筐体１１を封止する蓋部１３と、によって構成される。

外側筐体１１は、底側に設けた孔部１１ａおよび当該底側の反対側に設けた開口部１１ｂを有し、内側筐体１２は、孔部１１ａを挿通する筒状部１２ａを有する。

さらに、本発明の電気化学式センサＸは、外側筐体１１および内側筐体１２の接続部位４０を熱溶着した溶着部４０’を有する。本実施形態では、接続部位４０を、外側筐体１１において底側に設けた孔部１１ａ、および、内側筐体１２において孔部１１ａを挿通する筒状部１２ａとする場合について説明する。尚、熱溶着する前は、筒状部１２ａより電解液３１を注入可能となっている。

筐体１０を構成する外側筐体１１、内側筐体１２および蓋部１３は、例えばプラスティックなどの樹脂製とする。筐体１０は外側筐体１１および内側筐体１２で構成した二重構造とし、外側筐体１１および内側筐体１２の隙間に、作用電極２１、参照電極２２および対向電極２３のそれぞれと各別に接続するＰｔ線などの導線６０を挿通させている。また、外側筐体１１における端子設置穴１１ｃに、導線６０と接続する電極端子１４を複数備える。
蓋部１３には、小孔１３ａが形成され、当該小孔１３ａより被検知ガスを取り入れる。蓋部１３の外側表面には、公知の防水・防塵用フィルター１３ｂを貼着してある。

電極２１〜２３は筐体１０の内部に形成された電極収容部２０に収容される。
作用電極２１、参照電極２２および対向電極２３は、触媒および疎水性樹脂を含むガス拡散電極からなり、触媒としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ₂）、パラジウム（Ｐｄ）、カーボン（Ｃ）などが好適に用いられ、疎水性樹脂としてはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂などが好適に用いられる。

作用電極２１、参照電極２２および対向電極２３は、それぞれを撥水性を有する多孔質（ＰＴＦＥ製）のガス透過膜５１〜５３に積層し、それぞれを吸水性の絶縁部材（例えばグラスウール膜）５４で絶縁し、撥水性を有する多孔性で環状の多孔質シート部材（例えばＰＴＦＥ製）５５ａ，５５ｂによって電極収容部２０の外周を封止した状態でＯリング５６によって押圧固定してある。当該Ｏリング５６は、外側筐体１１の開口部１１ｂを封止する蓋部１３によって押圧される。作用電極２１の蓋部１３の側にはバッファ用フィルター５７が配置してある。

ガス透過膜５１〜５３は、電解液３１は透過せずに被検知ガスを透過する材質であればよく、例えば４フッ化エチレン６フッ化プロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ膜）等、従来公知のものが適用可能である。

電解液３１は、内側筐体１２および内側筐体蓋部１２ｂで囲まれた電解液収容部３０に収容されている。また、電解液３１には、電解液保持体３２および内圧調整部材５８が浸漬してあり、電解液３１は、吸水性の電解液保持体３２に保持される。電解液保持体３２は、例えばグラスウールにて構成されており、この電解液保持体３２には、電解質として、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）やリン酸（Ｈ₃ＰＯ₄）などの酸性水溶液、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのアルカリ性水溶液、常温溶融塩が充分に含浸されている。電解液保持体３２は、内側筐体蓋部１２ｂに形成した孔部１２ｃを挿通している。

常温溶融塩としては、常温において液体状態となる、主に窒素含有芳香族カチオンもしくは脂肪族オニウムカチオンとフッ素含有アニオンとから構成される溶融塩が用いられる。当該窒素含有芳香族カチオンとしては、例えばアルキルイミダゾリウムイオンまたはアルキルピリジニウムイオンが用いられる。また上記フッ素含有アニオンは、例えばホウフッ化物イオン、リンフッ化物イオンまたはトリフルオロメタンスルホン酸イオンが用いられる。

本実施形態では、図３に示したように、電解液保持体３２および内圧調整部材５８をそれぞれコ字状に形成し、電解液保持体３２および内圧調整部材５８を電解液収容空間３０の外部（内側筐体蓋部１２ｂの上部）で交差させている。電解液保持体３２の両端部３２ａは電解液３１に浸漬させ、中間部３２ｂを絶縁部材５４に接触させている。
本構成では、吸水性の電解液保持体３２が電解液３１を毛管現象によって吸い上げ、当該電解液３１が中間部３２ｂに到達する。中間部３２ｂは吸水性の絶縁部材５４に接触しており、中間部３２ｂまで吸い上げられた電解液３１は、絶縁部材５４によって毛管現象により吸い上げられて対向電極２３に達する。このようにして電解液３１は、毛管現象によって、順次、参照電極２２および作用電極２１に到達する。

本発明の電気化学式センサＸは、外側筐体１１および内側筐体１２の接続部位４０を熱溶着した溶着部４０’を有する。
筐体１０を構成する外側筐体１１および内側筐体１２は樹脂製であるため、外側筐体１１および内側筐体１２はそれぞれの所望の部位を溶融して容易に熱溶着することができる。本実施形態では接続部位４０を、外側筐体１１における孔部１１ａ、および、内側筐体１２における筒状部１２ａとするため、孔部１１ａの周縁および筒状部１２ａを熱溶着することができる。すなわち、図５に示したように、筒状部１２ａが孔部１１ａを挿通した状態にて、高温の熱溶着ヒートチップ７０によって筒状部１２ａおよび孔部１１ａの周縁を溶融させることにより、接続部位４０にて筒状部１２ａおよび孔部１１ａを溶着させて溶着部４０’を容易に形成することができる。

このように外側筐体１１および内側筐体１２を熱溶着することで、外側筐体１１および内側筐体１２に存在していた隙間を無くすことができるため、外側筐体１１および内側筐体１２の接続部位４０における気密性および水密性を確保することができる。従って、外側筐体１１および内側筐体１２の接続部位から筐体の内部に外気が侵入すること、および、筐体１０の内部に収容された電解液が漏洩することを未然に防止することができる。

本発明は、筐体の内部に、作用電極と、参照電極と、対向電極と、これら電極に接する電解液と、を備えた電気化学式センサに利用することができる。

Ｘ 電気化学式センサ
１０ 筐体
１１ 外側筐体
１１ａ 孔部
１２ 内側筐体
１２ａ 筒状部
１３ 蓋部
２１ 作用電極
２２ 参照電極
２３ 対向電極
３１ 電解液
４０ 接続部位
４０’ 溶着部

Claims (3)

1. 筐体の内部に、作用電極と、参照電極と、対向電極と、これら電極に接する電解液と、を収容し、
   当該筐体は、外側筐体と、前記外側筐体に内包して前記電解液を収容する内側筐体と、前記外側筐体を封止する蓋部と、によって構成され、前記蓋部には被検知ガスを取り入れる小孔を備え、さらに、
   前記外側筐体および前記内側筐体の接続部位を熱溶着した溶着部を有する電気化学式センサ。
2. 前記接続部位は、前記外側筐体において底側に設けた孔部、および、前記内側筐体において前記孔部を挿通する筒状部である請求項１に記載の電気化学式センサ。
3. 前記作用電極、前記参照電極および前記対向電極は、それぞれをガス透過膜に積層して構成してある請求項１または２に記載の電気化学式センサ。

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