JP7478648B2 - 定電位電解式ガスセンサ - Google Patents
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Description
なお、以下、本明細書中で言う「面積」は、「電解液保持部材、作用極、参照極および対極の積層方向に見た面積」を示す。
電解液が含浸されたシート状の電解液保持部材と、前記電解液保持部材の上面に互いに離間して配置された酸素ガス用作用極および毒性ガス用作用極と、前記電解液保持部材の下面に互いに離間して配置された対極および参照極とを有する電極積層構造体を備え、
前記酸素ガス用作用極の面積S1に対する前記毒性ガス用作用極の面積S2の比S2/S1が1.5~13の範囲にあり、
前記電解液保持部材は、前記酸素ガス用作用極および前記毒性ガス用作用極をカバーする面積を有し、前記酸素ガス用作用極の面積S1および前記毒性ガス用作用極の面積S2の合計の面積S3に対する前記電解液保持部材の面積S4の比S4/S3が3.5以下であることを特徴とする。
前記酸素ガス用作用極の面積S1に対する前記酸素ガス用作用極配置部の面積S5の比S5/S1が5.5以下であることが好ましい。
前記支持板は、前記電解液保持部材における前記酸素ガス用作用極配置部を支持する酸素ガス用作用極配置部支持部を有し、前記酸素ガス用作用極配置部支持部の外周縁には、前記支持板の周縁から前記酸素ガス用作用極配置部支持部の外周縁に向かうに従って前記上壁部に接近する上面テーパ部が形成されていることが好ましい。
また、前記支持板における前記上面テーパ部に続く周面には、当該支持板の上面から下面に向かうに従って当該支持板の中心に接近する周面テーパ部が形成されていることが更に好ましい。
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いることが好ましい。
また、前記ケーシングにおける下壁部の内面には、接着剤が硬化されてなる封止用樹脂材料層が形成されており、この封止用樹脂材料層の上面には、当該封止用樹脂材料層と前記電解液室とを隔てる隔壁板が配置されていることが更に好ましい。
図1は、本発明の定電位電解式ガス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り、図2は、図1に示す定電位電解式ガスセンサの分解斜視図である。
この定電位電解式ガスセンサは、酸素ガスおよび毒性ガスを検出するものであって、酸素ガスを検出する酸素ガス用作用極21、毒性ガスを検出する毒性ガス用作用極22、対極26および参照極27を有する電極積層構造体20と、この電極積層構造体20を収納するケーシング10とを有する。
ここで、検知対象である毒性ガスとしては、一酸化炭素、硫化水素、二酸化硫黄、塩素、アンモニア、二酸化窒素、一酸化窒素、シアン化水素、水素ガス、ホスフィン、オゾンおよび二酸化塩素などが挙げられる。
被検ガス導入口13a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。
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。
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。
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。
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0.15~1.5L/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。
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。
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。
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。
作用極用リード部材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。これらの中では、酸素ガス用作用極21に接続する作用極用リード部材として、タンタル(Ta)線を用い、毒性ガス用作用極22に接続する作用極用リード部材として、白金(Pt)線を用いることが好ましい。
図示の例の電解液保持部材23においては、毒性ガス用作用極22より大きい半径を有する略半円状の毒性ガス用作用極配置部23bが形成され、この毒性ガス用作用極配置部23bの直径部から垂直に突出するよう酸素ガス用作用極配置部23aが形成されている。酸素ガス用作用極21の面積S1に対する酸素ガス用作用極配置部23aの面積S5の比S5/S1は5.5以下であることが好ましく、より好ましくは4.0以下である。比S5/S1が過大である場合には、過剰な電解液が必要となるため、小型化を図ることが困難となることがある。
電解液保持部材23としては、例えば、ガラス繊維濾紙、シリカ濾紙、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。
また、対極26および参照極27を構成する電極触媒層は、同一の材質のものであっても異なる材質のものであってもよいが、単一の工程で対極26および参照極27の両方を形成することが可能な観点から、同一の材質のものであることが好ましい。
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。
対極用リード部材および参照極用リード部材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。
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の周囲に形成された、電解液保持部材23における酸素ガス用作用極配置部23aを支持する酸素ガス用作用極配置部支持部34aおよび毒性ガス用作用極配置部23bを支持する複数(図示の例では3つ)の毒性ガス用作用極配置部支持部34b,34c,34d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。
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、定電位電解式ガス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。
そして、ケーシング10の被検ガス導入口13aから導入された被検ガスが、酸素ガス用作用極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。
また、例えば検知対象である毒性ガスが硫化水素(H2 S)である場合には、毒性ガス用作用極22における電極触媒層21bにおいて、H2S+4H2O→H2SO4+8H++8e-の酸化反応が生じ、一方、対極26において、2O2+8H++8e-→4H2Oの還元反応が生じる。
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。
また、酸素ガス用作用極の面積S1に対する電解液保持部材23における酸素ガス用作用極配置部23aの面積S5の比S5/S1が5.5以下であることにより、電解液の使用量をより少なくすることができ、更に小型化を図ることができる。
また、上面テーパ部33を有する支持板30が設けられているため、電解液が支持板30の周縁から酸素ガス用作用極配置部支持部34aに向かって集まりやすいため、サイズの小さい酸素ガス用作用極配置部支持部34aを有する電解液保持部材23を用いても、当該電解液保持部材23全体にわたって十分な量の電解液を含浸させることができ、従って、いわゆる液枯れが、酸素ガス用作用極配置部支持部34aに局所的に生ずることを防止することができる。
例えば電解液保持部材の上面に、それぞれ異なる種類の毒性ガスを検出する複数の毒性ガス用作用極を配置することができる。
また、支持板においては、毒性ガス用作用極配置部支持部に続く周面に、当該支持板の上面から下面に向かうに従って当該支持板の中心に接近する周面テーパ部が形成されていてもよい。
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 酸素ガス用作用極
21a ガス透過性フィルム
21b 電極触媒層
22 毒性ガス用作用極
22a ガス透過性フィルム
22b 電極触媒層
23 電解液保持部材
23a 酸素ガス用作用極配置部
23b 毒性ガス用作用極配置部
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 上面テーパ部
34a 酸素ガス用作用極配置部支持部
34b,34c,34d 毒性ガス用作用極配置部支持部
35 舌片部支持部
36 舌片部用貫通孔
37 周面テーパ部
40 酸素ガス用作用極端子
41 毒性ガス用作用極端子
42 対極端子
43 参照極端子
45 封止用樹脂材料層
46 隔壁板
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
91,92 作用極
93 電解液保持部材
G 溝
K 間隙
R 凹所
S 電解液室
V 通気孔
Claims (6)
- 酸素ガスおよび毒性ガスを検出する定電位電解式ガスセンサであって、
電解液が含浸されたシート状の電解液保持部材と、前記電解液保持部材の上面に互いに離間して配置された酸素ガス用作用極および毒性ガス用作用極と、前記電解液保持部材の下面に互いに離間して配置された対極および参照極とを有する電極積層構造体を備え、
前記酸素ガス用作用極の積層方向に見た面積S1に対する前記毒性ガス用作用極の積層方向に見た面積S2の比S2/S1が1.5~13の範囲にあり、
前記電解液保持部材は、前記酸素ガス用作用極および前記毒性ガス用作用極をカバーする面積を有し、前記酸素ガス用作用極の面積S1および前記毒性ガス用作用極の面積S2の合計の面積S3に対する前記電解液保持部材の積層方向に見た面積S4の比S4/S3が3.5以下であることを特徴とする定電位電解式ガスセンサ。 - 前記電解液保持部材は、前記酸素ガス用作用極が配置される酸素ガス用作用極配置部と、前記毒性ガス用作用極が配置される毒性ガス用作用極配置部とよりなり、
前記酸素ガス用作用極の面積S1に対する前記酸素ガス用作用極配置部の積層方向に見た面積S5の比S5/S1が5.5以下であることを特徴とする請求項1に記載の定電位電解式ガスセンサ。 - 前記電解液保持部材は、前記酸素ガス用作用極が配置される酸素ガス用作用極配置部と、前記毒性ガス用作用極が配置される毒性ガス用作用極配置部とよりなり、
前記電極積層構造体を収容するケーシングと、このケーシング内において前記電極積層構造体を支持する支持板とを備え、
前記ケーシングは、内部空間の上面を構成する上壁部に酸素ガス検出用の被検ガス導入口および毒性ガス検出用の被検ガス導入口が形成され、
前記支持板は、前記電解液保持部材における前記酸素ガス用作用極配置部を支持する酸素ガス用作用極配置部支持部を有し、前記酸素ガス用作用極配置部支持部の外周縁には、前記支持板の周縁から前記酸素ガス用作用極配置部支持部の外周縁に向かうに従って前記上壁部に接近する上面テーパ部が形成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ガスセンサ。 - 前記支持板における前記上面テーパ部に続く周面には、当該支持板の上面から下面に向かうに従って当該支持板の中心に接近する周面テーパ部が形成されていることを特徴とする請求項3に記載の定電位電解式ガスセンサ。
- 前記対極および前記参照極は、疎水性多孔質材料よりなる圧力調整膜の上面に形成されており、
前記ケーシングは、内部空間の下面を構成する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いることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の定電位電解式ガスセンサ。 - 前記ケーシングの下壁部の内面には、接着剤が硬化されてなる封止用樹脂材料層が形成されており、この封止用樹脂材料層の上面には、当該封止用樹脂材料層と前記電解液室とを隔てる隔壁板が配置されていることを特徴とする請求項5に記載の定電位電解式ガスセンサ。
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