JP6989448B2 - Constant potential electrolytic oxygen sensor - Google Patents
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Description
本発明は、小型で携帯可能な定電位電解式酸素センサに関する。 The present invention relates to a compact and portable constant potential electrolytic oxygen sensor.
定電位電解式酸素センサは、例えば電解液を収容するケーシングと、このケーシング内において当該ケーシングに形成された被検ガス導入口を塞ぐよう設けられた、被検ガスの透過が可能な撥水性多孔質膜と、この撥水性多孔質膜の内面に形成された作用極と、この作用極から離間して配置された対極と、作用極および対極の間に配置された参照極とを備えてなるものである。この定電位電解式酸素センサにおいては、例えばポテンショスタットにより作用極の電位が酸素の還元反応が生じる一定の電位に制御され、作用極と対極との間に流れる電流の値から酸素の濃度が測定される。 The constant-potential electrolytic oxygen sensor is, for example, a water-repellent porous body capable of permeating the test gas, which is provided so as to close the casing for accommodating the electrolytic solution and the test gas introduction port formed in the casing. It comprises a quality film, a working electrode formed on the inner surface of the water-repellent porous film, a counter electrode arranged apart from the working electrode, and a reference electrode arranged between the working electrode and the counter electrode. It is a thing. In this constant-potential electrolytic oxygen sensor, for example, the potential of the working electrode is controlled to a constant potential at which a reduction reaction of oxygen occurs by a potentiostat, and the oxygen concentration is measured from the value of the current flowing between the working electrode and the counter electrode. Will be done.
また、小型の定電位電解式酸素センサとしては、特許文献1に、作用極、参照極および対極が、電解液が含浸された親水性の不織布よりなる電解液保持部材を介して積層されてなる電極積層構造体を備えてなるものが開示されている。 Further, as a small constant potential electrolytic oxygen sensor, the working electrode, the reference electrode and the counter electrode are laminated in Patent Document 1 via an electrolytic solution holding member made of a hydrophilic non-woven fabric impregnated with an electrolytic solution. The one provided with the electrode laminated structure is disclosed.
このような定電位電解式酸素センサにおいて、電極積層構造体は、作用極と、この作用極上に電解液保持部材を介して積層された参照極と、 この参照極上に電解液保持部材を介して積層された対極と、この対極上に一体的に設けられた圧力調整膜とよりなる。この電極積層構造体の周囲には、円筒状の隔壁が設けられており、この隔壁の周囲には、電解液を収容する電解液室が形成されている。また、参照極と対極との間の電解液保持部材には、それぞれ面方向外方に突出する4つの舌片部が、周方向に等間隔で並ぶよう形成されており、これらの舌片部は、隔壁を介して電解液室に伸びるよう設けられている。これにより、電解液室に収容された電解液が電解液保持部材に供給される。 In such a constant potential electrolytic oxygen sensor, the electrode laminated structure has a working electrode, a reference electrode laminated on the working electrode via an electrolytic solution holding member, and an electrolytic solution holding member on the reference electrode. It consists of a laminated counter electrode and a pressure adjusting film integrally provided on the counter electrode. A cylindrical partition wall is provided around the electrode laminated structure, and an electrolytic solution chamber for accommodating the electrolytic solution is formed around the partition wall. Further, the electrolytic solution holding member between the reference electrode and the counter electrode is formed so that four tongue pieces protruding outward in the plane direction are arranged at equal intervals in the circumferential direction. Is provided so as to extend into the electrolyte chamber via the partition wall. As a result, the electrolytic solution contained in the electrolytic solution chamber is supplied to the electrolytic solution holding member.
また、電解液としては、一般に硫酸が用いられている。硫酸は、定電位電解式酸素センサが使用される環境の湿度によって、水分を吸収したり、水分が蒸発したりする結果、電解液の体積が増減する。このため、定電位電解式酸素センサにおいては、低湿度環境下で使用したときにも、電解液が電解液保持部材の全体にわたって十分に含浸され、高湿度環境下で使用したときでも、吸湿によって増加した電解液が電解液室に収容され得ることが要求される。 Further, sulfuric acid is generally used as the electrolytic solution. Sulfuric acid absorbs water or evaporates water depending on the humidity of the environment in which the constant potential electrolytic oxygen sensor is used, and as a result, the volume of the electrolytic solution increases or decreases. Therefore, in the constant potential electrolytic oxygen sensor, the electrolytic solution is sufficiently impregnated over the entire electrolytic solution holding member even when used in a low humidity environment, and even when used in a high humidity environment, it absorbs moisture. It is required that the increased electrolyte can be accommodated in the electrolyte chamber.
しかしながら、上記の構成の定電位電解式酸素センサにおいては、以下のような問題がある。
特許文献1に記載の定電位電解式酸素センサにおいては、作用極と参照極との間、 および参照極と対極との間の各々に電解液保持部材が設けられているので、例えば参照極を設けない構成のものに比較して、2倍の量の電解液が必要となる。そのため、電解液室についても2倍の容積が必要となる。また、電解液保持部材に電解液を供給するために、電解液保持部材の舌片部が、電極積層構造体の周囲に形成された電解液室に伸びるよう形成されているので、電解液保持部材の体積が大きくなる。これに伴って、必要な電解液の量も増加するため、電解液室の容積を大きくすることが必要となる。従って、定電位電解式酸素センサのより一層の小型化を図ることが困難である。
一方、定電位電解式酸素センサの小型化を図るために、電解液室の容積を小さくする場合には、低湿度環境下で使用したときに、電解液を電解液保持部材の全体にわたって十分に含浸させることが困難となったり、高湿度環境下で使用したときに、電解液を電解液室に収容することが困難となったりする、という問題がある。
However, the constant potential electrolytic oxygen sensor having the above configuration has the following problems.
In the constant potential electrolytic oxygen sensor described in Patent Document 1, an electrolytic solution holding member is provided between the working electrode and the reference electrode, and between the reference electrode and the counter electrode, so that, for example, the reference electrode can be used. Twice the amount of electrolytic solution is required as compared with the one without the configuration. Therefore, twice the volume of the electrolytic solution chamber is required. Further, in order to supply the electrolytic solution to the electrolytic solution holding member, the tongue piece portion of the electrolytic solution holding member is formed so as to extend into the electrolytic solution chamber formed around the electrode laminated structure, so that the electrolytic solution holding member is held. The volume of the member increases. Along with this, the amount of the required electrolytic solution also increases, so that it is necessary to increase the volume of the electrolytic solution chamber. Therefore, it is difficult to further reduce the size of the constant potential electrolytic oxygen sensor.
On the other hand, when the volume of the electrolytic solution chamber is reduced in order to reduce the size of the constant potential electrolytic oxygen sensor, the electrolytic solution is sufficiently applied to the entire electrolytic solution holding member when used in a low humidity environment. There is a problem that it becomes difficult to impregnate, or it becomes difficult to store the electrolytic solution in the electrolytic solution chamber when used in a high humidity environment.
そこで、本発明の目的は、小型で、しかも、広い湿度範囲の環境下で使用することができる定電位電解式酸素センサを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a constant potential electrolytic oxygen sensor that is compact and can be used in an environment with a wide humidity range.
本発明の定電位電解式酸素センサは、上壁部に被検ガス導入口を有するケーシング内に、作用極、対極および参照極を有する電極積層構造体が配置されてなる定電位電解式酸素センサであって、
前記電極積層構造体は、前記被検ガス導入口に対向して配置された前記作用極と、この作用極の下方に配置された、前記対極および前記参照極を有する電極複合体と、前記作用極および前記電極複合体の間に配置された、 電解液が含浸されたシート状の電解液保持部材とを備えてなり、
前記電極複合体は、疎水性多孔質材料よりなる圧力調整膜の上面に、前記対極および前記参照極が互いに離間して形成されてなり、
前記ケーシングは、その下壁部から内方に突出して前記圧力調整膜の下面に接するよう設けられた、通気孔を形成する通気管部を有し、
前記電極積層構造体と前記ケーシングの下壁部との間における前記通気管部の周囲には、前記電極積層構造体が配置された空間に通ずる、電解液を収容する電解液室が形成されており、
前記電極複合体は支持板に支持されており、
前記支持板は、前記圧力調整膜における前記対極および前記参照極が形成された電極形成部を支持する電極形成部支持部と、この電極形成部支持部の周囲に、当該支持板の周縁から当該電極形成部支持部に向かうに従って前記上壁部に接近するよう形成されたテーパ部とを有することを特徴とする。
The constant-potential electrolytic oxygen sensor of the present invention is a constant-potential electrolytic oxygen sensor in which an electrode laminated structure having a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode is arranged in a casing having a test gas inlet on the upper wall portion. And,
The electrode laminated structure includes the working electrode arranged facing the test gas inlet, an electrode composite having the counter electrode and the reference electrode arranged below the working electrode, and the action. It comprises a sheet-like electrolyte holding member impregnated with the electrolyte, which is arranged between the pole and the electrode composite.
The electrode complex is formed on the upper surface of a pressure adjusting membrane made of a hydrophobic porous material so that the counter electrode and the reference electrode are separated from each other.
The casing has a ventilation pipe portion that forms a ventilation hole and is provided so as to project inward from the lower wall portion and contact the lower surface of the pressure adjusting membrane.
An electrolytic solution chamber for accommodating the electrolytic solution, which leads to the space in which the electrode laminated structure is arranged, is formed around the ventilation pipe portion between the electrode laminated structure and the lower wall portion of the casing. Ori,
The electrode complex is supported by a support plate and is supported by a support plate.
The support plate is formed from the peripheral edge of the support plate around the electrode forming portion support portion that supports the electrode forming portion on which the counter electrode and the reference electrode are formed in the pressure adjusting film and the electrode forming portion support portion. It is characterized by having a tapered portion formed so as to approach the upper wall portion toward the electrode forming portion supporting portion.
本発明の定電位電解式酸素センサにおいては、前記圧力調整膜は、電極形成部の周縁から突出する、少なくとも3つ以上の舌片部を有し、
前記支持板は、前記舌片部に対応して形成された、当該舌片部を支持する複数の舌片部支持部を有し、
前記舌片部支持部の各々には、対応する舌片部が進入する舌片部用貫通孔が形成されており、
前記舌片部の各々は、前記舌片部用貫通孔に進入し、当該舌片部の先端部が前記電解液室内に位置するよう形成されていることが好ましい。
In the constant potential electrolytic oxygen sensor of the present invention, the pressure adjusting film has at least three or more tongue pieces protruding from the peripheral edge of the electrode forming portion.
The support plate has a plurality of tongue piece support portions that support the tongue piece portion, which are formed corresponding to the tongue piece portion.
Each of the tongue piece support portions is formed with a through hole for the tongue piece portion into which the corresponding tongue piece portion enters.
It is preferable that each of the tongue pieces is formed so as to enter the through hole for the tongue piece and the tip of the tongue piece is located in the electrolytic solution chamber.
また、本発明の定電位電解式酸素センサにおいては、前記作用極は、疎水性を有するガス透過性フィルムと、このガス透過性フィルムの下面に形成された電極触媒層とを有してなり、
前記ガス透過性フィルムは、前記ケーシングにおける前記上壁部に前記被検ガス導入口を塞ぐよう配置され、当該被検ガス導入口を取り囲むよう当該上壁部に溶着されており、
前記圧力調整膜は、前記通気孔を取り囲むよう前記通気管部の先端面に溶着されていることが好ましい。
Further, in the constant potential electrolytic oxygen sensor of the present invention, the working electrode includes a gas permeable film having hydrophobicity and an electrode catalyst layer formed on the lower surface of the gas permeable film.
The gas permeable film is arranged on the upper wall portion of the casing so as to close the test gas introduction port, and is welded to the upper wall portion so as to surround the test gas introduction port.
It is preferable that the pressure adjusting membrane is welded to the tip surface of the ventilation pipe portion so as to surround the ventilation hole.
また、本発明の定電位電解式酸素センサにおいては、前記電解液保持部材の径は、前記作用極の径の1〜5倍であることが好ましい。 Further, in the constant potential electrolytic oxygen sensor of the present invention, the diameter of the electrolytic solution holding member is preferably 1 to 5 times the diameter of the working electrode.
本発明において、「上」および「下」とは、本発明の定電位電解式酸素センサを、ケーシングにおける被検ガス導入口が形成された面が上向きとなる姿勢で配置したときに、当該定電位電解式酸素センサにおける方向を示すものである。従って、例えば定電位電解式酸素センサを、ケーシングにおける被検ガス導入口が形成された面が下向きとなる姿勢で配置したときには、「上」および「下」は、実際にはそれぞれ逆の方向すなわち「下」および「上」の方向を示し、定電位電解式酸素センサを、ケーシングにおける被検ガス導入口が形成された面が左向きとなる姿勢で配置したときには、「上」および「下」は、実際にはそれぞれ「左」および「右」の方向を示す。 In the present invention, "upper" and "lower" are defined when the constant potential electrolytic oxygen sensor of the present invention is arranged in a posture in which the surface of the casing on which the test gas introduction port is formed faces upward. It indicates the direction in the potential electrolysis type oxygen sensor. Therefore, for example, when the constant potential electrolytic oxygen sensor is arranged in a posture in which the surface of the casing on which the test gas inlet is formed faces downward, the "upper" and "lower" are actually in opposite directions, that is, When the constant potential electrolytic oxygen sensor is placed in the casing so that the surface on which the test gas inlet is formed faces to the left, the "up" and "down" indicate the "down" and "up" directions. , Actually indicate the "left" and "right" directions, respectively.
本発明の定電位電解式酸素センサにおいては、電解液保持部材は、作用極と電極複合体との間にのみ設けられていればよく、これにより、電解液の量を少なくすることができる。
また、電極複合体を支持する支持板は、当該支持板の周縁から電極形成部支持部に向かうに従ってケーシングの上壁部に接近するよう形成されたテーパ部を有することにより、電解液が支持板の周縁から電極形成部支持部に向かって集まりやすいため、径の小さい電解液保持部材を用いても、当該電解液保持部材に十分な量の電解液を含浸させることができる。
また、電解液室が電極積層構造体とケーシングの下壁部との間に形成されているため、ケーシングの径が小さくても容積の大きい電解液室を設計することが可能である。
また、電極複合体が、圧力調整膜上に対極および参照極が形成されてなるものであることにより、別個に圧力調整膜を設けることが不要で、部品数が少なく、ケーシングの内部のスペースを効率的に利用することかできる。
従って、本発明の定電位電解式酸素センサによれば、小型なものでありながら、容積の大きい電解液室を確保することができるので、広い湿度範囲の環境下で使用することができる。
In the constant potential electrolytic oxygen sensor of the present invention, the electrolytic solution holding member need only be provided between the working electrode and the electrode composite, whereby the amount of the electrolytic solution can be reduced.
Further, the support plate that supports the electrode composite has a tapered portion formed so as to approach the upper wall portion of the casing from the peripheral edge of the support plate toward the electrode forming portion support portion, so that the electrolytic solution can be supported by the support plate. Since it is easy to collect from the peripheral edge of the electrode forming portion toward the support portion of the electrode forming portion, the electrolytic solution holding member having a small diameter can be impregnated with a sufficient amount of the electrolytic solution.
Further, since the electrolytic solution chamber is formed between the electrode laminated structure and the lower wall portion of the casing, it is possible to design an electrolytic solution chamber having a large volume even if the diameter of the casing is small.
Further, since the electrode composite is formed by forming a counter electrode and a reference electrode on the pressure adjusting film, it is not necessary to separately provide the pressure adjusting film, the number of parts is small, and the space inside the casing is reduced. It can be used efficiently.
Therefore, according to the constant potential electrolytic oxygen sensor of the present invention, it is possible to secure an electrolytic solution chamber having a large volume in spite of its small size, so that it can be used in an environment of a wide humidity range.
以下、本発明の定電位電解式酸素センサの実施の形態について説明する。
図1は、本発明の定電位電解式酸素センサの一例における構成の概略を示す説明用断面図である。図2は、図1に示す定電位電解式酸素センサの分解斜視図である。
この定電位電解式酸素センサは、作用極21、対極26および参照極27を有する電極積層構造体20を収納するケーシング10を有する。
Hereinafter, embodiments of the constant potential electrolytic oxygen sensor of the present invention will be described.
FIG. 1 is an explanatory sectional view showing an outline of a configuration in an example of a constant potential electrolytic oxygen sensor of the present invention. FIG. 2 is an exploded perspective view of the constant potential electrolytic oxygen sensor shown in FIG.
This constant potential electrolytic oxygen sensor has a casing 10 that houses an electrode
このケーシング10は、下端が閉塞された円筒状のケーシング本体11と、ケーシング本体11の上端の開口を塞いで上壁部14を形成する円板状の蓋部材12とにより構成されている。ケーシング本体11および蓋部材12は、それぞれポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂によって形成されている。
The casing 10 is composed of a cylindrical casing
上壁部14を形成する蓋部材12の上面における中央領域には、円形の第1凹所18が形成され、この第1凹所18の底面における中央領域には、円形の第2凹所19が形成されている。第2凹所19の底面における中央位置には、被検ガスをケーシング10の内部に導入する被検ガス導入口13が、上壁部14を厚み方向に貫通して伸びるよう形成されている。
A circular
被検ガス導入口13により形成された内部空間は、後述するガス供給制限手段50のピンホール51を介して導入される被検ガスの拡散空間として機能する。
被検ガス導入口13により形成された内部空間の体積は、例えば約0.1〜10mm3 であることが好ましい。このような構成とされていることにより、導入された被検ガスを十分に拡散させることができると共に電源オフ後にセンサ内部に残留する酸素ガスの量を低減させことができる。
The internal space formed by the test
The volume of the internal space formed by the test
ケーシング本体11の底壁部すなわちケーシング10の下壁部15の中央位置には、断面円形の通気管部16が、ケーシング本体12の軸方向に沿って下壁部15から上方(内方)に突出して後述する圧力調整膜28の下面に接するよう形成されている。この通気管部16によって、下壁部15の外面から圧力調整膜28の下面に通ずる通気孔Vが形成されている。
At the center position of the bottom wall portion of the casing
ケーシング10の下壁部15における通気管部16の周囲には、作用極端子40、対極端子42および参照極端子43が、円周方向に互いに離間して並ぶよう配設されている。 電極積層構造体20とケーシング10の下壁部15との間における通気管部16の周囲には、電解液を収容する電解液室Sが形成されている。この電解液室Sは、ケーシング10の周壁部17と後述する支持板30との間の間隙Kを介して、電極積層構造体20が配置された空間に通じている。
Around the
また、下壁部15の内面(上面)には、エポキシ樹脂接着剤などの接着剤が硬化されてなる封止用樹脂材料層45が、作用極端子40、対極端子42および参照極端子43を覆うよう形成されている。この封止用樹脂材料層45が設けられることにより、電解液室Sが、電解液によって作用極端子40、対極端子42および参照極端子43が腐食されない液密封止構造とされている。
Further, on the inner surface (upper surface) of the
蓋部材12における第2凹所19には、当該第2凹所19の形状に適合する円板状のガス供給制限手段50が収容されて配置されている。
このガス供給制限手段50には、厚み方向に伸びるピンホール51が蓋部材12の被検ガス導入口13に連通するよう形成されている。被検ガスがピンホール51を通過することにより、被検ガス導入口13からケーシング10内に導入される被検ガスの供給量が制限される。
In the
The gas
ピンホール51は、軸方向において均一な大きさの内径を有する。ピンホール51の内径の大きさは、1.0〜200μmであることが好ましく、例えば50μmである。また、ピンホール51の長さは、例えば0.1mm以上である。
The
第1凹所18には、円形の緩衝膜55が収容されて配置されている。
この例の緩衝膜55は、被検ガスが外周面から流入されるガス拡散層56と、ガス不透過性かつ撥水性を有する保護層57とを有する積層体によって構成されており、全体が円板状に形成されている。
A
The
ガス拡散層56は、蓋部材12の第1凹所18の底面およびガス供給制限手段50の上面に、ピンホール51に連通する貫通孔58aが形成された両面粘着テープ58によって接着されて固定されている。
ガス拡散層56は、例えばPTFEフィルムなどのフッ素樹脂フィルムにより構成することができる。
ガス拡散層56は、空気透過率が0.05〜0.5L/dayであるものが好ましく、厚み、外径寸法、空隙率およびその他の具体的構成は、空気透過率が前記数値範囲内となるよう設定することができる。
The
The
The
両面粘着テープ58の貫通孔58aの内径の大きさは、例えば0.05〜5mmであることが好ましい。また、両面粘着テープ58の厚みは、例えば0.5〜5mmであることが好ましい。
このような構成とされていることにより、ガス応答性を大幅に低下させることなく、外部環境に対する十分な耐久性を得ることができ、安定した指示値を確実に得ることができる。
The size of the inner diameter of the through
With such a configuration, it is possible to obtain sufficient durability against the external environment without significantly deteriorating the gas responsiveness, and it is possible to surely obtain a stable indicated value.
保護層57は、ガス拡散層56の上面に両面粘着テープ59によって接着されて固定されている。
保護層57は、例えばPETなどの樹脂フィルムにアルミニウム箔を積層した複合フィルムにより構成することができる。
The
The
電極積層構造体20は、それぞれ被検ガス導入口13に対向して互いに離間して配置された円形のシート状の作用極21と、この作用極21の下方に配置された電極複合体25と、作用極21および電極複合体25の間に配置された、 電解液が含浸された円形のシート状の電解液保持部材23とにより構成されている。
The electrode laminated
作用極21は、図3に示すように、それぞれ疎水性を有するガス透過性フィルム21a上に、電極触媒層21bが形成されて構成されており、電極触媒層21bが電解液保持部材23に接するよう配置されている。また、作用極21におけるガス透過性フィルム21aは、被検ガス導入口13を塞ぐよう配置されている。また、ガス透過性フィルム21aの上面は、被検ガス導入口13を取り囲むよう上壁部14の下面(内面)に熱溶着されている。ガス透過性フィルム21aが上壁部14に熱溶着されていることにより、電解液が、ガス透過性フィルム21aと上壁部14との間から漏出することを防止することができる。
As shown in FIG. 3, the working
作用極21は、作用極用リード部材46の一端に電気的に接続され、この作用極用リード部材46の他端には、作用極端子40が電気的に接続されている。
作用極用リード部材46を構成する材料としては、金(Au)、タングステン(W)、ニオブ(Nb)およびタンタル(Ta)などの金属を用いることができる。また、作用極用リード部材46としては、樹脂被覆された白金(Pt)線を用いることもできる。
The working
As the material constituting the
ガス透過性フィルム21aとしては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂よりなる多孔質膜を用いることができる。
多孔質膜は、ガーレー数が3〜3000秒であるものが好ましい。多孔質膜の厚みおよび空隙率は、ガーレー数が上記数値範囲内の大きさとなるよう設定することができ、例えば、空隙率は10〜70%とされ、厚みは0.01〜1mmとされることが好ましい。
As the gas
The porous membrane preferably has a Garley number of 3 to 3000 seconds. The thickness and void ratio of the porous membrane can be set so that the number of garleys is within the above numerical range. For example, the void ratio is 10 to 70% and the thickness is 0.01 to 1 mm. Is preferable.
電極触媒層21bは、電解液に対して不溶性の触媒金属の微粒子、当該触媒金属の酸化物の微粒子、当該触媒金属の合金の微粒子、またはこれらの微粒子の混合物などの触媒微粒子によって形成されている。電解液に対して不溶性の触媒金属としては、例えば白金(Pt)、金(Au)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)などを用いることができる。このような電極触媒層21bは、触媒微粒子およびバインダーを含有するペーストを調製し、このペーストを、スクリーン印刷などによってガス透過性フィルム21aの表面に塗布して焼成することにより、形成することができる。
The
電極複合体25は、疎水性多孔質材料よりなる圧力調整膜28と、それぞれ圧力調整膜28の上面に互いに離間して形成された半円形の触媒層よりなる対極26および参照極27とにより構成されている。この電極複合体25における圧力調整膜28は、ケーシング10における通気管部16の上端面に通気孔Vを塞ぐよう配置されている。これにより、ケーシング10の内部空間が、圧力調整膜28および通気孔Vを介して外部の大気に解放された状態となる。また、圧力調整膜28の下面は、通気孔Vを取り囲むよう通気管部16の上端面に熱溶着されている。圧力調整膜28が通気管部16の上端面に熱溶着されていることにより、電解液が、圧力調整膜28と通気管部16の上端面との間から漏出することを防止することができる。
The
対極26および参照極27は、対極用リード部材48および参照極用リード部材49の一端に電気的に接続され、対極用リード部材48および参照極用リード部材49の他端には、対極端子42および参照極端子43が電気的に接続されている。
対極用リード部材48および参照極用リード部材49を構成する材料としては、金(Au)、白金(Pt)、タングステン(W)、ニオブ(Nb)およびタンタル(Ta)などの金属を用いることができる。
The
As a material constituting the counter
圧力調整膜28としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂よりなる多孔質膜を用いることができる。
多孔質膜は、ガーレー数が3〜3000秒であるものが好ましい。多孔質膜の厚みおよび空隙率は、ガーレー数が上記数値範囲内の大きさとなるよう設定することができ、例えば、空隙率は10〜70%とされ、厚みは0.01〜1mmとされることが好ましい。
As the
The porous membrane preferably has a Garley number of 3 to 3000 seconds. The thickness and void ratio of the porous membrane can be set so that the number of garleys is within the above numerical range. For example, the void ratio is 10 to 70% and the thickness is 0.01 to 1 mm. Is preferable.
対極26および参照極27を構成する触媒層は、電解液に対して不溶性の触媒金属の微粒子、当該触媒金属の酸化物の微粒子、当該触媒金属の合金の微粒子、またはこれらの微粒子の混合物などの触媒微粒子によって形成されている。電解液に対して不溶性の触媒金属としては、例えば白金(Pt)、金(Au)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)などを用いることができる。対極26および参照極27を構成する触媒層は、触媒微粒子およびバインダーを含有するペーストを調製し、このペーストを、スクリーン印刷などによって圧力調整膜28の表面に塗布して焼成することにより、形成することができる。
The catalyst layer constituting the
圧力調整膜28は、対極26および参照極27が形成された円形の電極形成部28aと、それぞれ電極形成部28aの外周縁から径方向外方に突出して伸びる3つ以上(図示の例では4つ)の矩形の舌片部28bとにより構成されている。舌片部28bの各々は、電極形成部28aの周方向に等間隔で並ぶよう形成されている。
The
電解液保持部材23の径は、作用極21の径の1〜5倍であることが好ましく、より好ましくは1.2〜2倍である。電解液保持部材23の径が過小である場合には、電解液中の水分が蒸発して電解液の体積が減少したときに、ケーシング10の内部の空気が作用極21に接触して反応が生じることにより、測定指示値が上昇する虞があるため、測定精度が低下するという問題がある。一方、電解液保持部材23の径が過大である場合には、用いられる電解液の液量を増やさないと、電解液保持部材23に十分な量の電解液が吸収されず、ケーシング10の内部の空気が作用極21に接触して反応が生じるという問題がある。また、電解液の量を増やすときには、電解液室Sの容積も増やさなければならないため、定電位電解式酸素センサの小型化を図ることが困難となるという問題が生じる。
The diameter of the electrolytic
電解液保持部材23の厚みは、十分な量の電解液を含浸させることができるものでありながら、電解液保持部材23の体積が可及的に小さくなる大きさとされ、具体的には、例えば0.5mm程度とされる。このような構成とされることにより、高湿度環境下においても信頼性の高いガス検知を行うことができる。
電解液保持部材23としては、例えば、ガラス繊維濾紙、あるいはガラス繊維、PP繊維、PP/PE複合繊維もしくはセラミックス繊維からなる不織布などを用いることができる。
The thickness of the electrolytic
As the electrolytic
通気管部16の上端部分には、複合電極体25を支持する支持板30が設けられている。支持板30の斜視図を図4に示し、支持板30上面図を図5に示す。
この支持板30は、圧力調整膜28における電極形成部28aを支持する電極形成部支持部31と、この電極形成部支持部31の周囲に、当該支持板30の周縁から当該電極形成部支持部31に向かうに従って上壁部14に接近するよう形成されたテーパ部33と、圧力調整膜28における舌片部28bの各々に対応して形成された、当該舌片部28bを支持する舌片部支持部35とを有する。
A
The
図示の例では、支持板30の上面には、電極形成部支持部31とテーパ部33との間に段部が形成されている。これにより、電極形成部支持部31上には、圧力調整膜28における電極形成部28aを受容して支持する略円形の凹所Rが形成されている。
In the illustrated example, a step portion is formed on the upper surface of the
また、電極形成部支持部31の中央位置には、ケーシング10における通気管部16の外径に適合する内径を有する通気管部用貫通孔32が形成されている。この通気管部用貫通孔32には、通気管部16の先端部分が嵌合されている。
Further, at the central position of the electrode forming
支持板30の厚み方向に垂直な平面とテーパ部33の表面とのなす角度は、5〜30°であることが好ましい。この角度が過小である場合には、テーパ部33の内周縁における上壁部14との距離と、テーパ部33の外周縁における上壁部14との距離との差が小さすぎるため、電解液が支持板30の中央に集まり難くなり、電解液保持部材23に電解液が供給されなくなる虞がある。一方、この角度が過大である場合には、支持板30と上壁部14との間における両者の距離が大きい領域では、電解液が移動し難くなり、電解液を有効に活用することが困難となる。
The angle formed by the plane perpendicular to the thickness direction of the
舌片部支持部35の各々は、凹所Rから支持板30の外周面に向かって半径方向に伸びる溝Gによって形成されている。
舌片部支持部35には、溝Gの各々の底面位置に舌片部用貫通孔36が形成されている。そして、圧力調整膜28における舌片部28bの各々は、舌片部用貫通孔36に進入し、当該舌片部28bの先端部が電解液室S内に位置するよう形成されている。このような構成によれば、定電位電解式酸素センサの姿勢に拘わらず、ケーシング10の内部に対する外気の通気によって、ケーシング10の内部圧力を一定に保持することができる。
Each of the tongue
The tongue
この定電位電解式酸素センサにおいては、作用極21および参照極27が、例えばポテンショスタット回路(図示省略)などによって、一定の電位に保たれる。そして、ケーシング10の被検ガス導入口13から導入された被検ガスが、作用極21におけるガス透過性フィルム21aを透過し、当該被検ガスに含まれる酸素(O2)が電極触媒層21bに接触すると、当該電極触媒層21bにおいて酸素(O2)の還元反応が生じると共に、対極26において水(H2O)の分解反応が生じる。
In this constant potential electrolytic oxygen sensor, the working
このとき、作用極21と対極26との間に生じる電流の値は、被検ガス中の酸素の濃度に比例するため、作用極21と対極26との間に流れる電流を測定することによって、被検ガス中の酸素の濃度を測定することができる。
また、対極26においては、水の電気分解が生じることによって酸素(O2)が発生するが、圧力調整膜28によってケーシング10の内部の圧力が調整される。
At this time, since the value of the current generated between the working
Further, in the
本発明の定電位電解式酸素センサにおいては、電解液保持部材23は、作用極21と電極複合体25との間にのみ設けられていればよく、これにより、電解液の量を少なくすることができる。
また、電極複合体25を支持する支持板30は、当該支持板30の周縁から電極形成部支持部31に向かうに従ってケーシング10の上壁部14に接近するよう形成されたテーパ部33を有することにより、電解液が支持板30の周縁から電極形成部支持部31に向かって集まりやすいため、径の小さい電解液保持部材23を用いても、当該電解液保持部材23に十分な量の電解液を含浸させることができる。
また、電解液室Sが電極積層構造体20とケーシング10の下壁部15との間に形成されているため、ケーシング10の径が小さくても容積の大きい電解液室Sを設計することが可能である。
また、電極複合体25が、圧力調整膜28上に対極26および参照極27が形成されてなるものであることにより、別個に圧力調整膜28を設けることが不要で、部品数が少なく、ケーシング10の内部のスペースを効率的に利用することかできる。
従って、本発明の定電位電解式酸素センサによれば、小型なものでありながら、容積の大きい電解液室Sを確保することができるので、広い湿度範囲の環境下で使用することができる。
In the constant potential electrolytic oxygen sensor of the present invention, the electrolytic
Further, the
Further, since the electrolytic solution chamber S is formed between the electrode laminated
Further, since the
Therefore, according to the constant potential electrolytic oxygen sensor of the present invention, it is possible to secure an electrolytic solution chamber S having a large volume in spite of its small size, so that it can be used in an environment with a wide humidity range.
10 ケーシング
11 ケーシンク本体
12 蓋部材
13 被検ガス導入口
14 上壁部
15 下壁部
16 通気管部
17 周壁部
18 第1凹所
19 第2凹所
20 電極積層構造体
21 作用極
21a ガス透過性フィルム
21b 電極触媒層
23 電解液保持部材
25 電極複合体
26 対極
27 参照極
28 圧力調整膜
28a 電極形成部
28b 舌片部
30 支持板
31 電極形成部支持部
32 通気管部用貫通孔
33 テーパ部
35 舌片部支持部
36 舌片部用貫通孔
40 作用極端子
42 対極端子
43 参照極端子
45 封止用樹脂材料層
46 作用極用リード部材
48 対極用リード部材
49 参照極用リード部材
50 ガス供給制限手段
51 ピンホール
55 緩衝膜
56 ガス拡散層
57 保護層
58a 貫通孔
58 両面粘着テープ
59 両面粘着テープ
G 溝
K 間隙
R 凹所
S 電解液室
V 通気孔
10
Claims (4)
前記電極積層構造体は、前記被検ガス導入口に対向して配置された前記作用極と、この作用極の下方に配置された、前記対極および前記参照極を有する電極複合体と、前記作用極および前記電極複合体の間に配置された、 電解液が含浸されたシート状の電解液保持部材とを備えてなり、
前記電極複合体は、疎水性多孔質材料よりなる圧力調整膜の上面に、前記対極および前記参照極が互いに離間して形成されてなり、
前記ケーシングは、その下壁部から内方に突出して前記圧力調整膜の下面に接するよう設けられた、通気孔を形成する通気管部を有し、
前記電極積層構造体と前記ケーシングの下壁部との間における前記通気管部の周囲には、前記電極積層構造体が配置された空間に通ずる、電解液を収容する電解液室が形成されており、
前記電極複合体は支持板に支持されており、
前記支持板は、前記圧力調整膜における前記対極および前記参照極が形成された電極形成部を支持する電極形成部支持部と、この電極形成部支持部の周囲に、当該支持板の周縁から当該電極形成部支持部に向かうに従って前記上壁部に接近するよう形成されたテーパ部とを有することを特徴とする定電位電解式酸素センサ。 A constant-potential electrolytic oxygen sensor in which an electrode laminated structure having a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode is arranged in a casing having a test gas introduction port on an upper wall portion.
The electrode laminated structure includes the working electrode arranged facing the test gas inlet, an electrode composite having the counter electrode and the reference electrode arranged below the working electrode, and the action. It comprises a sheet-like electrolyte holding member impregnated with the electrolyte, which is arranged between the pole and the electrode composite.
The electrode complex is formed on the upper surface of a pressure adjusting membrane made of a hydrophobic porous material so that the counter electrode and the reference electrode are separated from each other.
The casing has a ventilation pipe portion that forms a ventilation hole and is provided so as to project inward from the lower wall portion and contact the lower surface of the pressure adjusting membrane.
An electrolytic solution chamber for accommodating the electrolytic solution, which leads to the space in which the electrode laminated structure is arranged, is formed around the ventilation pipe portion between the electrode laminated structure and the lower wall portion of the casing. Ori,
The electrode complex is supported by a support plate and is supported by a support plate.
The support plate is formed from the peripheral edge of the support plate around the electrode forming portion support portion that supports the electrode forming portion on which the counter electrode and the reference electrode are formed in the pressure adjusting film and the electrode forming portion support portion. A constant potential electrolytic oxygen sensor having a tapered portion formed so as to approach the upper wall portion toward the electrode forming portion supporting portion.
前記支持板は、前記舌片部に対応して形成された、当該舌片部を支持する複数の舌片部支持部を有し、
前記舌片部支持部の各々には、対応する舌片部が進入する舌片部用貫通孔が形成されており、
前記舌片部の各々は、前記舌片部用貫通孔に進入し、当該舌片部の先端部が前記電解液室内に位置するよう形成されていることを特徴とする請求項1に記載の定電位電解式酸素センサ。 The pressure adjusting film has at least three or more tongue pieces protruding from the peripheral edge of the electrode forming portion.
The support plate has a plurality of tongue piece support portions that support the tongue piece portion, which are formed corresponding to the tongue piece portion.
Each of the tongue piece support portions is formed with a through hole for the tongue piece portion into which the corresponding tongue piece portion enters.
The first aspect of claim 1, wherein each of the tongue pieces enters the through hole for the tongue piece and the tip of the tongue piece is formed so as to be located in the electrolytic solution chamber. Constant potential electrolytic oxygen sensor.
前記ガス透過性フィルムは、前記ケーシングにおける前記上壁部に前記被検ガス導入口を塞ぐよう配置され、当該被検ガス導入口を取り囲むよう当該上壁部に溶着されており、
前記圧力調整膜は、前記通気孔を取り囲むよう前記通気管部の先端面に溶着されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の定電位電解式酸素センサ。 The working electrode has a gas permeable film having hydrophobicity and an electrode catalyst layer formed on the lower surface of the gas permeable film.
The gas permeable film is arranged on the upper wall portion of the casing so as to close the test gas introduction port, and is welded to the upper wall portion so as to surround the test gas introduction port.
The constant potential electrolytic oxygen sensor according to claim 1 or 2, wherein the pressure adjusting membrane is welded to the tip surface of the ventilation pipe portion so as to surround the ventilation hole.
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