JPS6036947A - 湿度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く技術分類・分野〉 開示技術は、ガス中における電解方式による湿度測定技
術分野に属する。

く要旨の解説〉 而【、て−この出願の発明は、大気中等の湿度を湿度セ
ンサの表面電極間に電圧を印加して導通電流により湿度
電流変換で湿度データを得る湿度測定方法と該方法に直
接使用する感湿素子に関する発明であり、特に、１対の
電極触媒間に水素イオン伝導体である高分子固体電解質
膜の１側面に水蒸気及び酸素ガス透過性の陽極触媒を接
合し、他側面に水素ガス透過性の陰極触媒を接合させる
等して通電し、ガス中で通電して水分を電気分解し、通
電々流値をして湿度出力信号とし得るようにした湿度測
定方法及びこれに直接使用する感湿素子に係る発明であ
る。

〈従来技術〉 周知の如く近年、工°業、農業、医療等多くの分野にお
いて、又、これらのうち空調制御を必要とする場合は特
にガス中の湿度の測定１Ｉ１１ｔ１１が必要となってき
てお・す、その動特性、精度等の点から湿度を電気信号
として取り出すための優れた測定技術の開発が望まれて
いる。

而して、これまでガス中の湿度の測定技術の１つとして
は水の電気分解の原理を利用して湿度を測定する方法が
ある。

例えば、ＬＪ　Ｓ　Ｐ　２８３０．９４５号明細書にみ
られるように管状基体の内側に陰陽両極のコイル状線電
極を対置セットし、該管状基体外側に吸湿性の五酸化リ
ンを塗布したセンサを設けて測定する方法がある。

しかしながら、この測定方法では五酸化リンと反応する
ガス雰囲気では測定出来ず、又、高湿度下や高真空下で
長時間センサ露出することは不可能である欠点があった
。

そして、センサの動作範囲は２０００ｐｐｍ以下と限定
され、測定能力にも充分でない難点があった。

又、これに対処してＵ　Ｓ　Ｐ　４．０８３，７６５　
（１９７８）に知られるように上記五酸化リン型センサ
に代えてパーフルオロスルホン酸基を有するフッ素樹脂
製の小径チューブを用い、該チューブの内外に電極とし
てコイル状白金線を接触させたセンサを用いて測定する
方法もある。

さりながら、該種測定方法においては使用センサの耐蝕
性は改良されてはいるものの、水の分解反応が固体電解
質であるフッ素樹脂チューブとコイル状白金線との接触
部でしかおこらず、結果的に出力電流が小さいうえ、両
者の接触点に電流が集中するため接触抵抗が大きいとい
う不都合がある。

又、長期使用において、該電極等によりチューブと電極
線コイルとの接触状態を均一に保つことが困難であり、
したがって、接触抵抗の変化に伴い出力電流も変るので
信頼性に乏しいきらいがあった。

更に、高湿度になると、電流値も大きくなり、その結果
、接触点で抵抗による発熱によって、チューブ劣化する
おそれ°′もあった。

このように、いづれにしても、従来の電気分解式湿度測
定方法は湿度検出域が限定され、加えて、水分解を促進
するためには大電圧を要し、保守点検、管理が容易でな
く高価になる不利点を有していた。

一方、在来一般の湿度測定方法゛に用いられてきた湿度
センサは、感湿素子材として電解質系、有機物系、金属
、及び、金属酸化物系が用いられ、又、検出手段には抵
抗式、誘電率式等多種類のものが採用され、最近では有
機高分子材料やセラミック材料を用いた抵抗式センサが
多く利用されている。

さりながら、いづれのタイプの湿度センサにしても、取
り扱いが簡単で、高精度、広範囲湿度の検出が可能で、
しかも安価にして長寿命等を同時に満たし得るセンサは
ないのが実情である。

〈発明の目的〉 この出願の発明の目的は上述従来技術に基づくガス中に
おける湿分測定の問題点を解決すべき技術的課題とし、
ガス中の湿度を水の電気分解技術を原理的に利用しなが
らも高精度、広温度範囲に検出し得るようにして各種産
業、及び、民生産業における環境管理利用分野に益する
優れた安価で長寿命の電解式の湿度測定方法及びこれに
直接使用する感湿素子を提供せんとするものである。

〈発明の構成〉 上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とするこの出
願の発明の構成は、前述問題点を解決するために水素イ
オン移動可能な高分子固体電解質膜の一面、或は、両面
に直接電極触媒を接合した接合体を有する感湿素子をガ
ス中にセットし、該接合体に設定直流電圧を印加するこ
とによって、接合体に吸着した水分を電気分解し、導通
電流値により湿度を変換検出して両者の比例関係からガ
ス中の湿度を測定するようにした技術的手段を講じたも
のである。

〈実施例−構成〉 次に、この発明の実施例を図面を参照して説明すれば以
下の通りである。

この出願の発明の感−素子１は第１図にその構成を示さ
れており、その概略は高分子固体電解質膜２とこの両面
にガス透過性の電極触゛媒としての電極層３．４が直接
一体接合され、接合体５を成しており、該接合体５に直
流電圧を印加する陽極端子６と陰極端子７が同じく一体
接合されている。

而して、上記固体電解質膜２については原理的にはＨ１
イオン伝導体であれば良く、無機系、有機系によらず作
動し、化学的安定性、耐酸化性、機械的強度、耐熱性を
有するものが望ましく、例えば、高分子固体電解質とし
て機能するイオン交換膜が使用可能である。

尚、一般のスチレン系イオン交換膜の使用については耐
酸化性、耐熱性に問題があるので、フッ化炭素重合体を
基体としたイオン交換膜が望ましく、例えば、一般市販
のＮａｆｉｏｎ　（商品名〉があり、これはテトラフル
オロエチレンとスルホニルフロライドビニルエーテルの
共重合物で、スルホン１ｍ基を交換基として有する膜体
である。

そして、この場合、膜の交換基容量によっては湿度検出
時の出力電流値は変わるが、交換基容量や膜厚の相違は
ガス中の湿度検出時に特に支障とはならない。

そして、該スルホン酸基に代えてカルボンＩ！１基、或
は、これらの複合膜でも採用可能であって、安定した状
態でＨ＋伝導が可能であれば、これらの膜に限られるも
のではない。

又、上記の固体電解質膜２に一体化接合される電極触媒
としての電極層３．４の材料は、電気化学的に安定なも
のであれば良く、一般にＨ＋伝導体としての固体電解質
１！　２は酸性であるため、耐酸性と化学的安定性から
、Ｐｔ、Ｒｈ、ｒｒ、Ｒｕ、ｐｄなどの白金族系金属や
これらの合金、及び、酸化物等が好ましい。

但し、陽極側電極層３としてはＲｕ　、Ｐｄ等の単一金
属は長期安定性の点からみると好ましくないが、陰極側
電極層４としてはこの限りではない。

而して、これらの電極触媒としての電極層３．４の材料
を高分子固体電解質膜２に接合する際に要求されるその
性質は、大きな接合強度、好適なガス透過性、及び、良
好な電導性である。

そして、接合手段としては、周知の蒸着スパッタリング
等のドライプレーテング、イヒ′学メッキ、或は、結着
剤を用いての電極材料粉体を接合する等があるが、接合
強度、ガス透過性の点からすると上記化学メッキやＰＴ
ＦＥ　（ポリテトラフルオロエチレン）等を結着剤とし
て用いる方法が好ましい。

尚、上記化学メッキ手段の例としては発明者らによる先
願発明の特公昭５６−３６８７３号、特開昭５７−１３
４５８６号に開示された技術が適用可能である。

又、結着剤利用手段としては、例えば、ＵＳＰ３．４３
２．３５５に開示されている手段が同様可能であるが、
この手段にはＰＴＦＥを結着剤として用いているので電
極層３．４が数＋μ〜１００μと厚く、水蒸気、水素、
酸素のスムーズな拡散が得難く、感湿素子１の応答速度
が遅くなり、そのうえ、良好電導性が得難い傾向がある
。

いづれの手段によるにせよ、接合強度が強く、良好なガ
ス透過性、良好な電導性を有する電極層３．４が作成で
きれば良い。

而して、設計上のことではあるが、形成される電極層３
．４の厚さについては０．１μ〜１０μ、その電極層材
料の量は固体電解質膜２の面積当り　１〜１０ｍ　ｇ　
／ｃｎ＋２程度テ１〜３１Ｉｇ／Ｃ１１２テも性能を損
うことはない。

又、電極端子６．７については導電性材料であれば良い
。

又、上記感湿素子１の接合体５の平面サイズは特に制限
されるものではないが、通常０．０１〜０．５ｃｍ２で
充分であり、過大なサイズのものは経済的にも不利であ
るばかりか、安定な性能にとっても好ましくない。

蓋し、例えば、湿度５０％において流れる単位面積当り
の電流値は５０〜８０ｍ　Ａ　／　ａｍ２にもなる。

したがって、接合体５が大きくなると、それだけ電流が
増加し、水素、酸素発生量が多くなって、感湿素子１の
周囲の水蒸気の平衡を乱すことになり、ガス流速等の影
旨を受け易くなるからである。

そのため、接合体５の大きさは必要最小限に小さくする
のが好ましい。

この点からすると、高分子固体電解質膜２や電極層３．
４の材料は高価ではあるが、接合体５の大きさを可及的
に小さく出来るので、感湿素子１のコストは極めて安価
にすることが可能となる。

これを例示すると０．０２ｃｎ＋　２の接合体５を使用
する場合、感湿素子１の１個当りの電極層３．４の材料
、例えば、白金の必要量は陰陽極合わせて、０．１ｍ　
ｇ程度で済むことになる。

〈実施例−作用〉 上述感湿素子１において、大気解放の雰囲気ガスを有す
る実験室に設置し、上記接合体５に電極端子６．７を介
して直流電圧を印加するが直流電圧は、水の理論分解電
圧１，２３　Ｖ　（２５℃）以上の設定電圧とする。

蓋し、該印加直流電圧を１．２３　Ｖ以上上げていくこ
とにより電流が増加するが、それ以上上げて出力電流が
ほとんど増加しない所謂臨界電流密度にし、臨界電流密
度においては、接合体５に吸収される雰囲気ガスからの
水分と電気分解される水分の量が均衡することになり、
したがって、この臨界電流密度が湿度と比例関係をもつ
からである。

そこで、実際には臨界電流密度を与える電圧は通常２Ｖ
以上であるため、印加電圧は？ＶＶ以上好ましくは３Ｖ
以上が良いが、数１０ｖと過大な電圧とするには及ばな
い。

而して、該設定電圧については、例えば、第２図（横軸
湿度ＲＨ，縦軸電流Ｉ）で説明すると、（後述実験例の
ものを用いるが）３．５Ｖで１０−１００％の範囲で良
好な比例直線関係をもっている。

又、１０％以下では再現性がよいものの、直線関係がズ
レる傾向が分る。

そこで、１０％以下の体湿度範囲では印加電圧を、例え
ば、１０ｖに設定すると、０〜６０％で良好な比例関係
が１ｑられることか分る。

いづれにしても、設定電圧を用途に応じて選べば良いが
、通常の場合、感湿素子１に対しては３−５Ｖで充分で
ある。

そして、含湿電極層３に於てＨ２０→２Ｈ１＋１／２＋
２ｅの反応が生じ、生成したＨｌはイオン伝導膜である
高分子固体電解質膜２を通って陰極４に至り、２Ｈ”＋
２８−＋Ｈ２の反応が起り、この時に流れる電流は上述
の如く分解される水分の量に正確に比例し、したがって
、この導通電流を適宜計測することにより変換データと
して感湿素子１周囲のガス雰囲気中の湿度として測定さ
れる。

この場合、上述の如く、比例関係を持っていることから
単純な測定電気回路により湿度が得られる。

次に上述実施例に則す実験例を比較例と共に示す。

［実験例１］ 前記Ｎ　ａｆｉｏｎ１１７　（Ｅ　Ｗ　−１１００、膜
厚０，１８ｍｍ　＞を高分子固体電解質Ｉｌｌ　２に用
い、膜面積５０Ｃ１ｌ１２の両面に電極Ｍ３．４として
のロジウムを接合した。

この場合、接合手段としては、該高分子固体電解質膜２
をロジウムのアンミン釦イオン溶液に浸漬してイオン交
換させ、水洗した後、水素化ホウ素ナトリウム水溶液で
還元し、咳高分子固体電解質膜２の両面に０．７〜０，
８ＩＩＩｇ／Ｃｌ１１２のロジウム金属第１層を得た。

次いで、ロジウムのアンミン錯イオン、ヒドラジン、塩
酸ヒドロキシルアミンの混合浴からなる化学メッキ浴を
用いて該第１層上に電極層３．４としての金属ロジウム
を２．３ｉ＋　ｇ　／ａｍ２成長させ、得られた接合体
５を酸処理によってイオン交換基をＨ＋型とした。

そして、該接合体５を裁断し、２，５ｘ４ｍｍ　（０，
１ｃ＋ｎ２）の感湿素子１を得た。

次に、１ｍｍφの白金線を端子として該感湿素子１の両
面に圧接させ、試験室に設置し通電テストした。

湿度については、飽和含湿空気と乾燥空気とを一定比に
混合調整した。

印加電圧、及び、通電電流値の測定にはポテンシオスタ
ットを用い、温度３０℃、印加各電圧３．５．５．０．
１０．ＯＶのテストでの湿度と電流（単位面積当りの電
流密度に換算）の関係は第２図に示す通りである。

又、３０％、６０％、９０°％と湿度を調整変化させて
、応答速度を測定した。

この場合のデータではいづれも、便化率９０％に達する
時間は数分以内、完全平衡値に達する時間は１０分以内
であり、ヒステリシスは数％以内であった。

［比較例１］ 電極を接合しない前記高分子固体電解質膜のＮａｆｉｏ
ｎ１１７を上）本実験例１と同じ大きさに裁断し、同条
件で湿度と電流の関係をめたところ、各印加電圧５．０
と１０．ＯＶでテストしたが、応答速度が遅く、１時間
以上でも完全平衡に達しなかった。

又、電流値は、例えば、６０％において上述実験例１の
約１０％と小さかった。

［実験例２］ 高分子固体電解質膜２のＮ　ａｆｉｏｎ１２５　（Ｅ　
Ｗ　＝　１２００、膜厚０，１３ｍｍ　）を用いて、膜
面積５０ｃｍ２の両面に電極層３．４として白金とイリ
ジウム合金を接合した。

この接合手段については、膜２をはさんで水素化ホウ素
ナトリウム水溶液の還元剤を片側に、塩化白金酸水溶液
を他側に配置し、還元剤の膜透過によって金属塩溶液側
に２−３Ｂ　／　ａｍ２の電極層の金属白金層を得た。

又、同様な操作で無接合側に電極層４のイリジウム合金
層（２−釦ｇ　／ｃｔａ２）を得た。

このようにして得られた接合体５をＨ十型とし、所定に
裁断して５Ｘ５１１１１１１　（０，２５ｃｍ　”、）
の感湿素子１を得、これを用いる上述実験例１と同様に
測定を行った。

その結果、水蒸気吸着はＩＩ！　２の交換基Ｗｊ１１１
１（Ｎａｆｉｏｎ１１７＞　Ｎ　ａｆｉｏｎ１２５）に
依存するので出力電流値は上述実験例１の約８０％と小
さくなるが、良好な直線関係が得られた。

［実験例３］ 前述実験例１と同じ接合体５を用い５×５１（０，２５
ＣＩＩｌ　２）の感湿素子１を得、温度４０℃、印加電
圧３．５ｖで導通電流を測定した。

この場合の応答速度はやや速くなり、ｒｆＪａ５−１０
０％において良好な直線関係を得た。

〈発明の効果〉 以上この出願の発明によれば、この出願の発明の感湿素
子を用いることによってｏ＝−１ｏｏ％の全湿度域で精
度良くガス中の湿度を検出す゛ることが出来、しかも、
出力電流と湿度が良好な直線関係を有することに基づい
て安定した湿度測定が出来る優れた効果が奏される。

このことは従来一般の湿度センサが交流作動で抵抗や誘
電率などを検出する方法であるのに比し、直流作動で簡
単な電気回路で済み、経済性、信頼性においても優位と
なる効果が秦される。

而して、高分子固体電解質膜のすくな（とも片面、或は
、両面に電極触媒が強固に接合され、且つ、電極層が良
好なガス透過性、電導性を有しているので、先述の如き
在来態様の接触抵抗もなく、高分子固体電解質膜中の電
流分布も均一で該高分子固体電解質膜の劣化も生じない
優れた効果が秦される。

又、使用する咳高分子固体電解質膜の面積がそのまま電
極面積となるため、一般に高価な電解質膜を必要最小限
に節約できることになるばかりでなく、センサとしての
感湿素子の超小型化をも可能にする効果も秦される。

更に、上記高分子固体電解質膜に電極触媒を強固に接合
させているために感湿素子は安定した機能を発揮するこ
とが出来る効果があり、優れた湿度センサ特性を具備さ
せるばかりか、長寿命化においても大きく寄与する優れ
た効果が秦される。

而して、該感湿素子の＠造においても、セラミックセン
サ等と比較して加工性、均一性、量産性に優れ、又、感
湿素子構造が単純で、その大きさも小さくて済むために
安価に製造できる利点もある。

更に又、適当な素子材料を選定することにより耐熱性、
耐食性、耐久性に優れた感湿素子の作製が可能であり、
例えば、前述実施例の如く、高分子固体電解質としてフ
ッ化炭素重合体を骨格としたイオン交換膜を用いること
により、１５０℃まで安定に使用可能となり、腐蝕性ガ
ス中での水分も測定できる効果がある。

以上の如くこの出願の発明による感湿素子、及び、測定
方法は、従来の電気分解式湿度センサのみならず、一般
の湿度センサと比較Ｃても多くの長所をもっている。

【図面の簡単な説明】

図面はこの出願の発明の詳細な説明図であり、第１図は
感湿素子の斜視図、第２図は実験データ説明グラフ図で
ある。 ２・・・高分子固体電解質膜、 ３．４・・・電極触媒、　１・・・感湿素子出願人　工
　業　技　術　院　長 石福金属興業株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電解式湿度測定方法において、感湿素子表面の電
   極に所定の直流定電圧を印加し、該感湿素子に吸着した
   水を電気分解して導通する電流値を湿度変換出力信号と
   して電気化学的湿度データとして得るようにしたことを
   特徴とする湿度測定方法。
2. （２）電解式湿度測定用感湿素子において、水素イオン
   伝導機能を有する高分子固体電解質膜の少（とも一方の
   膜面にガス透過性の電極触媒が接合されであることを特
   徴とする電解式感湿素子。