KR20040020904A - 프로톤 도전체 가스 센서 - Google Patents

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나카하라다케시
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휘가로기켄 가부시키가이샤
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Abstract

프로톤 도전체 막을 이용한 MEA6을 금속판14, 15에 삽입하고, 이를 또한 열압착 필름20, 21에 삽입한다. 열압착 필름20과 금속판14에 각각 개구24, 18을 형성하여 전극10을 검지극으로 하고, 전극10은 측정하여야 하는 분위기에 노출시킨다. 열압착 필름21과 금속판15에 각각 개구25, 19를 형성하여 전극11을 대극으로 하고, 워터 팩에서 수증기를 공급한다.

Description

프로톤 도전체 가스 센서{PROTON CONDUCTOR GAS SENSOR}
메탈 캔(metal can) 구조를 이용한 프로톤 도전체 가스 센서가 알려져 있다(USP 5650,054). 센서 본체(sensor 本體)는, 유기합성수지계(有機合成樹脂系)의 프로톤 도전체 막(PEM : polymer electrolyte membrane)을 한 쌍의 전극막(電極膜)으로 샌드위치(sandwitch)하여 MEA(막전극 복합체(膜電極 複合體))로 하고 또한 MEA를 탄소 시트(carbon sheet) 등으로 샌드위치 한 것이다. 그리고 메탈 캔에 물(水)을 축적하고, 물의 상부에 제1금속와셔(first metal washer)를 배치하여 금속와셔 상에 센서 본체를 배치한다. 센서 본체의 다른 면을 제2금속와셔로 덮고, 절연성(絶緣性)의 탄성체(彈性體)에 의하여 제2와셔와 센서 본체를 제1와셔측으로 가압(加壓)한다(USP 5650,054). 제2와셔는 센서의 검지극(檢知極)측의 단자(端子)가 되고, 제1와셔에 도통(導通)한 메탈 캔이 대극(對極)측의 단자가 된다. 그리고 MEA와 와셔 사이의 도통은 탄성체에 의한 가압에 의하여 확보된다. 그러나 이러한 가스 센서는 전지(電池)에 유사한 형상에 한정된다.
본 발명은 프로톤 도전체 가스 센서(proton conductor gas sensor)에 관한 것으로서, 특히 그 실장(實裝) 구조에 관한 것이다.
도1은 실시예의 센서 유닛의 요부 단면도이다.
도2는 실시예의 센서 유닛의 요부 평면도이다.
도3은 도1의 부분 확대도이다.
도4는 센서 본체의 측면도이다.
도5는 실시예에 있어서의 가스 센서의 전체 구조를 나타내는 측면도이다.
도6은 도5에서의 요부의 부분 확대도로서, 필터의 부착과 워터 팩의 부착을 나타내는 도면이다.
도7은 변형예의 가스 센서의 단면도이다.
도8은 비교예의 가스 센서의 단면도이다.
도9는 실시예에 있어서의 가스 센서의 CO 30∼1000ppm 중에서의 응답을 나타내는 파형도이다.
도10은 도8에 있어서의 가스 센서의 CO 30∼1000ppm 중에서의 응답을 나타내는 파형도이다.
도11은 최적 실시예에 있어서의 가스 센서의 측면도이다.
도12는 최적 실시예에 있어서의 가스 센서의 캡부의 확대 단면도이다.
도13은 최적 실시예에서의 MEA와 리드부를 나타내는 확대 단면도이다.
도14는 최적 실시예에서의 리드부를 부착한 MEA의 확대 평면도이다.
도15는 최적 실시예를 변형한 변형예에 있어서의 센서 유닛의 확대 단면도이다.
도16은 도15에서의 센서 유닛의 평면도로서, 상부의 열압착 필름을 제거하여 나타내는 도면이다.
도17은 최적 실시예에서의 워터 컨테이너의 변형예를 나타내는 측면도이다.
도18은 최적 실시예에서의 캡에 필터와 센서 유닛을 부착한 변형을 나타내는 단면도이다.
도19는 최적 실시예에서의 센서 유닛을 워터 팩 내에 수용한 변형예를 나타내는 평면도이다.
도20은 도19의 확대 단면도이다.
도21은 최적 실시예에서의 CO 1000ppm에 대한 센서 출력의 분포를 나타내는 특성도이다.
도22는 도23의 비교예에서의 CO 1000ppm에 대한 센서 출력의 분포를 나타내는 특성도이다.
도23은 비교예에 있어서의 센서의 단면도이다.
도24는 최적 실시예에서의 센서 유닛의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도25는 도24의 변형예에 있어서의 센서 유닛의 부분 절단 평면도이다.
도26은 전극 패턴을 설치한 프로톤 도전체 막으로부터 MEA를 절단한 상태를 나타내는 도면이다.
본 발명의 기본적인 과제는, 프로톤 도전체 가스 센서의 새로운 실장구조를 제공하는 것에 있고, 특히 검지극과 대극을 리드(lead)로 간단하게 접속시킬 수 있어 센서 출력의 오버슈트(overshoot)나 언더슈트(undershoot)를 작게 할 수 있고 또한 센서 출력의 불균일을 작게 할 수 있도록 하는 것에 있다.
본 발명에서의 보조적인 과제는, 검지극의 피독(被毒)을 방지하는 것에 있다.
본 발명에서의 추가 과제는, 가요성(可撓性)의 워터 팩(water pack)을 부착하는 것에 있다.
본 발명에서의 또 다른 보조적인 과제는, 워터 팩 내의 물에 곰팡이가 발생하는 것을 방지하는 것에 있다.
본 발명에서의 추가 과제는, 가요성의 워터 팩으로부터 물이 증발(蒸發)하는 것을 억제 하는 것에 있다.
본 발명에서의 추가 과제는, 센서 유닛(sensor unit)의 손상을 방지하는 것에 있다.
본 발명에서의 추가 과제는, 컨테이너(container) 내의 물을 추가할수 있도록 하는 것에 있다.
본 발명에서의 추가 과제는, 물이 컨테이너의 내부에서 돌아 다니지 않도록 하는 것에 있다.
본 발명의 프로톤 도전체 가스 센서(proton conductor gas sensor)는,
프로톤 도전체 막(proton 導電體 膜)과;
그 프로톤 도전체 막의 적어도 일방(一方)의 표면에 서로 분리되어 접합되는 막(膜) 모양의 검지극(檢知極 : sensing electrode)과 막 모양의 대극(對極 : counter electrode)과;
상기 검지극을 덮도록 설치되고 또한 개구(開口)와 리드부(lead 部)를 구비하는 제1금속판(第一金屬板)과;
상기 대극을 덮도록 설치되고 또한 리드부를 구비하는 제2금속판;
으로 이루어지는 센서 본체(sensor 本體)와,
상기 센서 본체를 샌드위치(sandwich)하고 또한 상기 프로톤 도전체 막, 검지극, 대극, 제1 및 제2금속판의 어느 것보다 사이즈(size)가 큰 제1 및 제2합성수지막으로 이루어지고,
상기 제1 및 제2합성수지막은 서로 접착되고, 이에 따라 제1금속판은 검지극측에, 제2금속판은 대극측에 압착(壓着)되고 그리고 제1금속판과 검지극 사이의 전기적 콘택트(contact)와 제2금속판과 대극 사이의 전기적 콘택트가 얻어지고,
또한 상기 각 리드부는 상기 제1 및 제2합성수지막의 외측까지 돌출되는
센서 유닛(sensor unit)을 구비하는 것이다.
바람직하게는, 상기 제1합성수지막이 제1금속판을 덮는 측에 설치되고,
상기 제1금속판과 제1합성수지막 사이 또는 제1합성수지막의 외측에 피독 물질(被毒物質 : poisoning substance)을 제거하기 위한 필터(filter)가 설치되어 있다.
바람직하게는, 상기 제1합성수지막이 제1금속판을 덮는 측에 설치되고,
상기 센서 유닛이 상기 제2합성수지막측에서 기밀성(氣密性)의 막으로 피복(被覆)되고 또한 응축상(凝縮相)의 물(水)을 수용하는 가요성(可撓性)의 팩(pack)에 부착되고 또한 상기 가요성 팩에는 상기 기밀성 막이 제거된 부분이 형성되고, 상기 제거된 부분이 제2합성수지막에 접촉하는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체 가스 센서.
바람직하게는 상기 제2합성수지막에 개구가 형성되고, 제2합성수지의 개구와 상기 제거된 부분이 연결되어 있다.
바람직하게는, 상기 응축상의 물에 방부제(防腐劑)를 함유시킨다.
특히 바람직하게는, 상기 가요성 팩은 적어도 2층의 합성수지막과 그 사이에 샌드위치되는 기밀성 세라믹 막(ceramic 膜)으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 가요성의 팩의 내측에 상기 센서 유닛을 부착한다.
바람직하게는, 제1금속판보다 두께가 얇고 그리고 제1금속판의 개구와 연결되고 또한 제1금속판의 개구보다 작은 직경의 개구가 형성되는 제3금속판이 더 설치되어 있다.
바람직하게는, 상기 제1합성수지막이 제1금속판을 덮는 측에 설치되고,
상기 센서 유닛이 상기 제2합성수지막측에서 합성수지의 워터 컨테이너(water container)에 부착되어 있다.
바람직하게는, 상기 제2합성수지막에는 개구가 상기 워터 컨테이너 내의 분위기에 접속하도록 형성되어 있다.
특히 바람직하게는, 상기 워터 컨테이너는 합성수지의 병(bottle)과 상기 병에 기밀(氣密)하게 나사결합되고 또한 병과 반대측의 위치에 개구가 형성되는 합성수지의 캡(cap)과 병 내에 축적된 응축상의 물로 이루어지고, 상기 센서 유닛이 상기 캡의 상기 반대측의 위치에 부착되어 있다.
바람직하게는, 상기 센서 유닛이 상기 반대측의 위치에서 캡의 내측에 부착되어 있다.
바람직하게는, 상기 응축상의 물이 수밀(水密 : watertight)하게 수증기 투과성(水蒸氣 透過性)의 내측 백(inner bag)으로 들어가고, 상기 내측 백이 상기 워터 컨테이너에 수납(收納)되어 있다.
본 발명에서는, 제1합성수지막과 제2합성수지막을 접착시키기 때문에 이들 막으로부터 제1 및 제2금속판에 검지극이나 대극측을 향하여 압력이 작용한다. 이 때문에 검지극으로부터 제1금속판을 거쳐 리드부에 이르는 전기적 경로가 형성되고, 마찬가지로 대극으로부터 제2금속판을 거쳐 리드부에 이르는 전기적 경로가 형성된다.
검지극은 측정하여야 하는 분위기(雰圍氣)에 접속되고, 대극은 이와는 다른 분위기에 접속되어야 한다. 이 때문에, 예를 들면 제1 및 제2금속판의 사이즈(size)나 개구 지름 또는 제1 또는 제2합성수지막의 통기성(通氣性)이나 개구 지름이나 워터 컨테이너 등을 이용할 수 있다. 예를 들면 제1금속판에만 개구를 형성하고 제2금속판에는 개구를 형성하지 않더라도 좋다. 또는 대극측을 물을 수용하는 컨테이너 등에 접속하여 측정하여야 하는 분위기로부터 차단하면 좋다.
발명자는, 검지극측의 분위기가 대극측으로 바이패스(bypass)하면 센서 출력에 오버슈트(overshoot)나 언더슈트(undershoot)가 발생한다는 것을 알아내었다. 이 경우에 검지극과 대극과의 사이에 프로톤 도전체 막 등의 통기저항(通氣抵抗)이 있기 때문에 대극의 분위기는 검지극의 분위기에 따라 지체된다. 검지극측에 측정하여야 하는 가스, 예를 들면 CO를 유입(流入)하면 처음에는 대극측에 CO가 없기 때문에 큰 출력을 얻을 수 있고, 이어서 대극측으로 CO가 바이패스함으로써 검지극/대극의 CO농도의 차이가 감소되어 출력이 감소하게 된다. 이 때문에 오버슈트가 발생한다. 한편 검지극측에서 CO를 제거하면 대극측의 CO가 제거될 때까지의 시차(時差) 때문에 언더슈트가 발생한다. 본 발명에서는, 한 쌍의 합성수지막에 프로톤 도전체 막과 검지극, 대극, 제1 및 제2금속판으로 이루어지는 센서 본체를 삽입하여 합성수지막을 서로 접착시킨다. 여기에서, 예를 들면 제1 및 제2합성수지막으로 프로톤 도전체의 측면을 실(seal) 하거나 프로톤 도전체 막의 측면에 O-링(O-ring) 등의 실링부재(sealing 部材)를 배치하면 센서 출력의 오버슈트나 언더슈트를 간단하게 거의 제거할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는, 가스 센서의 구조를 간단하게 할 수 있고 또한 리드를 검지극이나 대극에 간단하게 접속시킬 수 있다. 또한 센서 출력의 오버슈트나 언더슈트를 작게 할 수 있다. 또한 검지극이나 대극에 제1 또는 제2금속판의 위치를 적절하게 결정할 수 있다. 예를 들면 제1 및 제2합성수지막에 센서 본체를 삽입하여 열압착(熱壓着)시키면, 검지극이나 대극의 위치가 제1 또는 제2금속판에 대하여 영향을 끼치는 프로세스(process)가 없게 된다. 이 때문에 검지극이나 대극에 대한 금속판의 위치 등의 불균일을 억제하여 센서 출력의 불균일을 작게 할 수 있다.
활성탄(active carbon), 실리카 겔(silca gel), 제올라이트(zeolite) 등의 필터(filter)를 이용하여 피독물질(被毒物質)을 제거하면 검지극의 피독을 방지할 수 있다.
또 가요성의 팩(pack)에 물을 수용하면 프로톤 도전체 막을 가습(加濕)시키기 위한 물의 리저버(reservoir)의 새로운 구조가 얻어진다.
가요성의 팩 내의 물에 방부제를 가하면, 곰팡이가 발생하는 것을 방지할 수 있어 곰팡이에 의한 대극측 제2금속판의 개구 막힘이나 대극의 오염을 방지할 수 있다.
가요성의 팩을 적어도 2층의 합성수지막 사이에 기밀성의 세라믹 막을 샌드위치하는 것으로 하면, 가요성의 팩으로부터 물이 증발하는 것을 억제할 수 있다. 금속막을 합성수지막에 포개어 기밀성을 확보하면, 금속막을 제거하여 센서 유닛에 접속하는 부분에서 금속막의 끝면이 노출되어 산화(酸化)되므로 물의 증발이 빨라진다. 이에 반하여 실리카(silca)나 알루미나(alumina) 등의 증착막(蒸着膜) 등을 기밀막으로 하면, 그 끝면이 물에 노출되더라도 변질되지 않기 때문에 물의 증발을 억제할 수 있다. 이것은 센서의 수명을 연장시키게 된다.
센서 유닛은 가요성 팩의 내측에 부착할 수도 있다. 이렇게 하면 센서 유닛이 팩의 외부에 노출되어 있는 경우와 달리 센서 유닛을 팩에 의하여 보호할 수 있다.
센서 유닛을 확산율속(擴散律速)의 조건에서 사용하면 센서 출력은 검지극에 공급되는 가스의 양에 비례한다. 제1금속판의 개구는 이 가스의 양을 제한하지만, 리드부를 구비하는 제1금속판은 어느 정도의 두께와 강도가 필요하기 때문에 정확한 개구 지름이 얻어지도록 가공하는 것은 어렵다. 이에 반하여 제1금속판보다 얇은 두께의 제3금속판을 설치하고, 이것에 정확한 지름의 구멍을 가공하는 것은 용이하여, 이에 따라 센서 출력의 불균일을 작게 할 수 있다.
물의 용기는 가요성의 팩에 한하지 않고 병 모양이나 통(筒) 모양의 합성수지 컨테이너이더라도 좋다. 여기에서 병 모양의 컨테이너를 이용하여 캡을 병에 기밀(氣密)하게 나사결합시키는 것은 용이하다. 그리고 캡의 상단(병과 반대측)에 센서 유닛을 부착하면 캡을 병으로부터 빼내어 내부의 물을 보충 또는 교환할 수 있다. 이렇게 하면 센서의 수명을 연장시킬 수 있다.
여기에서 센서 유닛을 캡의 내측(병을 향한 측)에 설치하면 센서 유닛이 수송 중이거나 작업 중 등에 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한 물을 수증기 투과성의 내측 백에 수용하면 워터 컨테이너 내에서 물이 이동하는 것을 방지할 수 있다. 물이 이동하면 물이 새게 되어 물이 센서 유닛 내에 침투하는 등의 문제가 발생한다.
도1∼도7에 실시예와 그 변형예를 나타낸다. 도1∼도4에 있어서, 2는 센서 유닛(sensor unit), 4는 센서 본체(sensor 本體), 6은 MEA(막전극 복합체(膜電極複合體 : membrane electrode assembly)), 8은 그 PEM(폴리머 일렉트로라이트 멤브레인(polymer electrolyte membrane))이다. 10은 검지극(檢知極 : sensing electrode), 11은 대극(對極 : counter electrode), 12, 13은 기공(氣孔)이 연속하는 다공질(多孔質)의 탄소 시트(carbon sheet)이다. 14, 15는 디스크(disk) 모양, 예를 들면 원반(圓盤) 모양의 금속판(金屬板)으로서, 금속판14는 검지극10측에 접촉시키고, 금속판15는 대극11측에 접촉시키고, 16, 17은 그 리드부(lead部)이다. 금속판14에는 개구(開口)18을 형성하고, 금속판15에는 개구19를 형성하지만, 금속판15의 개구19는 형성하지 않더라도 좋다. 20, 21은 열압착 필름(熱壓着 film)이고, 24, 25는 그것에 형성한 개구이다.
프로톤 도전체 막(proton 導電體膜)8에는 합성수지계(合成樹脂系)의 막을 이용하고, 여기에서는 재팬 고와(Japan Gore Tex)사 제품의 고와 실렉트 막(Gore Select membrane)을 이용한다. 그 막두께는 약 40μm이고, 고와 실렉트는 고와사의 상품명(商品名)이다. 고와 실렉트 대신에 듀퐁(DuPont)사 제품의 Nafion117(막두께 약 100μm) 등을 사용하더라도 좋고, 그 지름은 예를 들면 5∼13mm로 한다. 검지극10이나 대극11은 예를 들면 프로톤 도전체 막8과 동일한 직경의 막으로 하고, 그 재료는 예를 들면 테플론(Teflon)의 다공질 막(多孔質 膜)에 백금 담지(platinum 擔持 : supporting platinum)의 카본블랙(carbon black) 등을 분산(分散)시킨 것으로 한다. 또한 탄소 시트12, 13에는, 예를 들면 토레이(Toray)사 제품의 토레이카(Torayca)(토레이카는 상품명) 등을 이용한다.
프로톤 도전체 막8을 한 쌍의 막 모양의 전극으로 샌드위치(sandwich)하여 MEA6으로 한다. 이렇게 하는 것은 가스 센서(gas sensor)의 분야에 있어서 이미 주지(周知)된 사항이다. 또한 MEA6을 상하에서 탄소 시트12, 13 등으로 샌드위치하는 것도 이미 주지된 사항이다. 또한 탄소 시트12, 13을 대신하여 도전성(導電性)이 있고 또한 통기성(通氣性)이 있는 것이라면 이용할 수 있어서, 예를 들면 금속Ti의 스크린(screen)을 이용하더라도 좋다. 여기에서는 프로톤 도전체 막8과 검지극10, 대극11, 탄소 시트12, 13을 모두 동일한 지름으로 하였지만, 프로톤 도전체 막8의 지름을 최대로 하고, 다른 것의 지름을 작게 하더라도 좋다.
금속판14, 15에는, 예를 들면 스테인리스강(stainless steel) 또는 니켈로 도금한 강(nickel-plated steel) 등을 이용하고, 두께는 0.1∼0.5mm 정도로 하고, 개구18, 19는 예를 들면 지름을 0.1∼0.5mm 정도로 한다. 개구18, 19의 역할은 MEA6으로의 통기성을 제한하는 것이다. 또한 통기성의 측면에 있어서 탄소 시트12, 13은, 개구18, 19로부터 공급되는 가스를 금속판14, 15의 표면과 평행한 방향으로 확산(擴散)시켜 MEA6에 대하여 넓은 범위에 가스를 공급한다.
열압착 필름20, 21의 재료는 임의이지만, 예를 들면 폴리프로필렌(polypropylene)이나 폴리에스테르(polyester) 등으로 하여 열(熱)에 의하여 서로 기밀(氣密)하게 부착되도록 하고, 막두께는 예를 들면 30μm∼200μm로 한다. 그리고 도2에 나타나 있는 바와 같이 열압착필름20, 21의 지름의 크기를 MEA6의 지름의 크기보다 크게 하여 MEA6의 외측에서 열압착 필름20, 21을 서로 열압착시킬 수 있도록 한다. 또한 열압착 필름20, 21을 이용하는 대신에 다른 필름을 이용하더라도 좋고, 열압착을 대신하여 접착제(接着劑)로 접착시키더라도 좋다.
도2에 나타내는 바와 같이 리드부16, 17은, 열압착 필름20, 21로부터 외측으로 돌출하여 노출되어 있고, 그 단면(斷面)의 형상은 막대 모양 또는 판자(板子) 모양이다. 또한 열압착 필름20에 형성된 개구24는 금속판14에 형성된 개구18과 연결되어 있고, 열압착 필름20의 개구24는 금속판14의 개구18보다 지름의 크기가 크다. 마찬가지로 열압착 필름21의 개구25는 금속판15의 개구19보다 지름의 크기가 크고 또한 개구19, 25는 연결되어 있다.
열압착 필름20, 21의 통기성이 좋은 경우에 개구24, 25를 형성하지 않더라도 좋다. 또한 개구24, 25는 여기에서는 동일한 지름으로 하였지만, 검지극10측의 개구24의 지름의 크기를 대극11측의 개구25의 지름의 크기보다 작게 하더라도 좋다. 마찬가지로 개구18의 지름의 크기를 개구19의 지름의 크기보다 작게 하더라도 좋다. 이것은 센서 유닛2를 후술하는 워터 팩(water pack)53에 부착하는 경우에 대극11측으로의 산소의 보급을 빠르게 함으로써 대극11로의 산소의 보급이 지체되어 고농도(高濃度)의 CO에 의하여 출력이 저하될 가능성을 방지하기 위한 것이다.
도2 및 도3에 나타나 있는 바와 같이 금속판14, 15의 지름의 크기는, MEA6이나 탄소 시트12, 13의 지름의 크기보다 약간 작게 하는 것이바람직하다. 이렇게 하면, 도3에 나타나 있는 바와 같이 MEA6이나 탄소 시트12, 13의 외측에서 열압착 필름20, 21이 직접 접촉되어 MEA6이나 탄소 시트12, 13의 외측의 오픈 스페이스(open space)를 없앨 수 있다. 30은 열압착 필름20, 21과 MEA6이나 탄소 시트12, 13과의 사이의 접촉부(接觸部)이다.
도4에 센서 유닛2에서 열압착 필름20, 21을 제외한 상태를 나타내었다. MEA6의 상하에 탄소 시트12, 13이 있고, 그 외측에 한 쌍의 금속판14, 15가 있다. 금속판14, 15는 MEA6이나 탄소 시트12, 13보다 지름의 크기가 약간 작게 되어 있고, 리드부16, 17이 외측으로 돌출되어 있다. 검출대상 가스의 예를 들면 CO는, 검지극10측의 개구18에서 탄소 시트12로 들어가고, 금속판14의 표면과 평행한 방향을 따라 탄소 시트 내를 확산하여 MEA6으로 들어간다. 그리고 MEA6의 검지극10과 프로톤 도전체 막8과의 계면(界面)에서는,
CO＋H2O→CO2＋2H+＋2e-(1)
의 반응이 일어난다. 생성된 프로톤은 프로톤 도전체 막 내를 통하여 대극11측으로 확산되고, 대극11에서 개구19로부터 탄소 시트13을 통하여 공급된 산소와 반응하여
2H+＋1/2O2＋2e-→H2O(2)
의 반응이 일어난다.
이와 같이 탄소 시트12, 13의 역할은, MEA6을 가능한 한 넓은 부분에서 사용함으로써 MEA6이 부분적으로 열화(劣化)되더라도 센서 출력으로의 영향을 작게 하는 것에 있다. 반면에 검지극10측의 탄소 시트12는, 대극11측으로의 CO 등의 바이패스(bypass)의 원인이 된다. 그리고 대극11측으로의 CO의 바이패스는, MEA6이나 탄소 시트12, 13에 있어서의 측면 외측의 오픈 스페이스에서 일어나기 때문에 이 부분을 열압착 필름20, 21로 밀봉(密封)하여 CO 등이 대극으로 바이패스 하는 것을 방지한다.
MEA6에서는 프로톤 도전체 막에 검지극이나 대극이 물리적으로도 접합되어 있지만, 탄소 시트12, 13이나 금속판14, 15는 단지 소정의 위치에 배치되어 있는 것 뿐이다. 그리고 열압착 필름20, 21이 센서 본체4의 외측에 서로 접착됨으로써 열압착 필름20, 21로부터 센서 본체에 압축력(壓縮力)이 가해진다. 이 압축력은 금속판14를 탄소 시트12측으로 가압(加壓)하고, 탄소 시트12를 검지극측으로 가압한다. 마찬가지로 금속판15를 탄소 시트13측으로 가압하고, 탄소 시트13을 대극측으로 가압한다. 이 때문에 열압착 필름20, 21로부터의 압력에 의하여 센서 본체4 내에서의 전기적인 도통(導通)이 확보된다.
열압착 필름20, 21에 형성된 개구24, 25의 역할은, 검지극측으로의 CO 등의 공급과 대극측으로의 산소 등의 공급에 있다. 실시예에서는, 센서 유닛2를 도5, 도6에 나타나 있는 워터 팩에 부착하여 사용하였지만, 워터 팩은 특별히 설치하지 않더라도 좋다. 그 경우에는 개구19나 개구25를 제거하고, 대극측에서 필요한 산소는 검지극측으로부터 MEA6 내로 확산시켜 보급하더라도 좋다.
도5, 도6에 워터 팩53을 부착한 가스 센서(gas sensor)52를 나타내었다. 54는 필터(filter)이고, 워터 팩53은 투습 필름(透濕 film)57과 금속 필름 등의 방습(수증기 비투과성(非透過性)) 필름(防濕 film)58을 포갠 필름56의 팩(pack)으로 이루어져 있다. 그리고 워터 팩53에는 액체의 물(水)이나 겔화(gel化)된 물 등을 수용한다. 또한 여기에서 물이라고 하는 의미는 순수(純水)에 한정되지 않고 물과 방부제(防腐劑) 등의 혼합물 등이더라도 좋다. 방습 필름58은 금속막 등으로 이루어지고, 개구25와 연결되도록 홈60을 형성하여 수증기가 이 부분에서 MEA측으로 확산할 수 있도록 한다. 그리고 예를 들면 열압착 필름21을 투습 필름57에 열압착하면 워터 팩53에 센서 유닛2를 고정할 수 있다.
필터54에 대하여 설명하면, 염소(chlorine)나 SO2또는 실리콘 화합물(silicon 化合物) 등은 검지극이나 대극에 대한 피독 물질(poisoning substance)로서, 특히 검지극의 피독이 문제가 된다. 그래서 이들 피독 물질을 흡수(吸收) 또는 흡착(吸着)하기 위하여 필터54를 사용한다. 62는 피독 물질 흡착용의 활성탄 시트(active carbon sheet)로서, 접착 필름64에 의하여 열압착 필름20에 부착된다. 활성탄 시트62를 대신하여 실리카 겔(silica gel) 등의 시트를 사용하더라도 좋고, 도6과 같이 접착 필름64에 의하여접착시키면 주위의 공기는 도6에서의 지면(紙面) 상으로부터 활성탄 시트62로 들어가서 열압착 필름20의 개구24에 도달하게 된다. 이 사이에 긴 가스 유로(gas channel)를 확보할 수 있고 또한 개구24에 최근에 접촉한 부위뿐만 아니라 넓은 범위에서 공기를 공급할 수 있기 때문에 활성탄 시트62의 수명을 길게 할 수 있다. 즉 활성탄 시트62에 특정한 좁은 유로를 형성하지 않기 때문에 활성탄 시트62의 부담이 줄어든다.
이 센서 유닛2는, 반드시 워터 팩53과의 조합에 의하여 사용되는 것은 아니다. 메탈 캔(metal can)71과 조합된 가스 센서72를 도7에 나타내었다. 74는 겔화된 물로서, 폴리비닐아민(polyvinylamine)이나 폴리아크릴아미드(polyacrylamide) 또는 한천(agar)이나 젤라틴(gelatine) 등의 겔화제(gel化劑)에 의하여 물을 겔화시키고, MEA의 오염을 방지하기 위하여 나트륨(sodium) 등의 금속 이온(metal ion)을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 또한 겔화된 물74의 양은, 예를 들면 5∼10g 정도로 한다.
겔화된 물에는 탈이온수(deionized water) 등을 사용하지만 탈이온수는 양이온(cation)이나 음이온(anion)을 포함하고 있지 않더라도 종종 유기물(有機物)을 포함하고 있다. 또한 메탈 캔71의 세정이 충분하지 않은 경우나 도5, 도6의 실시예에 있어서 워터 팩53의 세정이 불완전한 경우에 유기물이 겔화된 물에 혼합되는 경우가 있다. 그리고 겔화된 물이나 액체 상태의 물에 유기물이 혼합되면 종종 곰팡이(mold)가 발생한다. 발생한 곰팡이가 대극까지 들어가면 대극의 활성(活性)을 저하시키고, 금속판15의 개구19에 들어가면 개구를 막는 경우가 있다. 그래서 바람직하게는 겔화된 물이나 액체 상태의 물에 방부제(防腐劑)를 첨가하여 곰팡이의 발생을 방지한다. 방부제로서는, 물 100중량%당 글리세린(glycerin)이나 펜탄올(pentanol) 또는 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 등의 방부제를 1∼30중량%, 예를 들면 10중량% 첨가하면 좋다. 또한 질산은(silver nitrate)의 포화수용액(saturated aqueous solution)을 물의 1/1000용적(容積) 정도 첨가하더라도 방부 효과를 얻을 수 있다.
76은 금속 와셔(metal washer), 78은 그 개구, 80은 금속제(金屬製)의 캡(cap), 82는 캡80의 상측 측면에 형성된 개구이다. 84는 캡80의 바닥부 중앙의 개구로서, 센서 유닛2측의 개구24와 연결되어 있다. 86은, 캡80 내에 수용된 활성탄(active carbon)으로서 실리카 겔 등으로 하더라도 좋고, 필터 재료의 예이다. 88은 절연성(絶緣性)의 개스킷(gasket)으로서, 캡80과 와셔76을 서로 접근하는 방향으로 가압한다. 리드부16, 17은, 예를 들면 도7과 같이 구부려서 리드부16을 캡80의 바닥면에 접촉시키고, 리드부17을 금속 와셔76에 접촉시킨다. 이 상태에서 개스킷88에 의하여 가압시키면 캡80과 리드부16을 접촉시킬 수 있고 또한 리드부17과 와셔76을 접촉시킬 수 있다.
90은 금속 리본(metal ribbon)으로서, 와셔76과 메탈 캔71을 도통(導通)시키기 위한 것이다. 이 결과 도7에서는, 캡80이 검지극에 접속되고, 메탈캔71이 대극에 접속된다. 도7의 경우에 대극측으로의 CO 등의 바이패스에는, 열압착 필름20과 캡80과의 갭(gap)을 통하여 가스가 확산되고, 와셔76과 열압착 필름21과의 갭을 통하여 가스가 다시 확산된다. 이들 갭은, 개스킷88에 의한 가압에 의하여 밀봉되어 있기 때문에 거의 발생하지 않는다.
도8에 비교예의 가스 센서를 나타내었다. 도8의 가스 센서92는, 센서 유닛2를 대신하여 MEA6을 탄소 시트12, 13으로 샌드위치한 것을 사용하고, 이를 와셔76과 캡80과의 사이에 배치한 것 이외에는 도7의 가스 센서72와 동일하다. 도8의 가스 센서에서는, 탄소 시트12, 13의 외측에 오픈 스페이스가 있어 개구84로부터 탄소 시트12로 바이패스된 가스가 이 오픈 스페이스를 통하여 MEA6의 대극측으로 바이패스될 가능성이 있다. 그래서 MEA6의 외측 오픈 스페이스를 통한 바이패스의 효과를 조사하기 위하여 도8의 가스 센서92를 제작하였다.
도1∼도4에 관하여 설명한 바와 같이, 막두께 약 40μm의 프로톤 도전체 막 고와 실렉트(고와 실렉트는 고와사의 상품명)를 5%의 Nafion-IPA용액으로 처리하고, 다공질의 테플론 시트에 백금 담지의 카본블랙을 부착시킨 전극막(電極膜)(막두께 100μm)으로 상하에서 덮고, 130℃, 1×106Pa로 히트 프레스(heat-press)를 하여 MEA6으로 하였다. MEA6을 지름 약 10mm의 원반 모양으로 절단하고, 두께 200μm의 탄소 시트12, 13으로 샌드위치하였다. 이들을 지름 약 0.1mm의 개구를 형성한 한 쌍의 금속판으로 샌드위치하고,두께 약 100μm의 폴리프로필렌 필름으로 상하에서 삽입하고, 약 100℃로 히트 프레스하여 센서 유닛2로 하였다. 그리고 이 가스 센서를 워터 팩에 히트 프레스한 것을 실시예로 하였다.
동일한 MEA6을 동일한 카본 시트12, 13으로 샌드위치하고, 도8에 있어서의 구조의 가스 센서92를 제조하였다. 어느 경우에서도 겔화된 물74는 충전(充塡)하지 않았다.
이들 가스 센서의 CO 30∼1000ppm에 대한 응답파형(應答波形)을 도9, 도10에 나타내었다. CO농도는 최초와 최후가 0ppm으로서, 이 사이에 30ppm, 100ppm, 300ppm, 1000ppm으로 변화시켰다. 세로축은, 센서의 검지극과 대극을 100Ω 정도의 부하저항(負荷抵抗)을 통하여 단락(短絡)시키고, 부하저항으로의 출력을 증폭(增幅)시킨 것으로서 임의의 단위이다. 도9는 도5의 가스 센서의 특성을 나타내고, 도10은 도8의 가스 센서의 특성을 나타낸다. 도면으로부터 분명하게 나타나 있는 바와 같이 열압착 필름을 사용하지 않는 도10의 결과에서는, 현저한 오버슈트(overshoot)와 현저한 언더슈트(undershoot)가 발생하고 있다.
실시예에서는, 검지극과 대극의 2극의 가스 센서를 나타내었지만, 예를 들면 3극의 가스 센서로 하더라도 좋다. 그 경우에는, MEA에 프로톤 도전체 막을 2층 설치하고, 이들 2층의 사이에 금속판을 배치하면 좋다. 또는 실시예에서의 대극을 이분(二分)하여 일방(一方)을 대극, 타방(他方)을 참조극(參照極 : reference electrode)으로 하더라도 좋다.
(최적의 실시예)
도11∼도20에 최적의 실시예와 그 변형을 나타내었다. 최적의 실시예는, 특별하게 말하는 것 이외에는 도1∼도10의 실시예와 동일하다. 또 각 부재(部材)는, 특별하게 말하지 않는 한 도1∼도10의 실시예와 동일한 것을 나타낸다.
도11∼도14의 프로톤 도전체 가스 센서100에 있어서, 102는 센서 유닛이고, 104는 합성수지제(合成樹脂製)의 병(bottle)이고, 106은 캡이고, 병104에 나사에 의하여 기밀(氣密)하게 부착되어 있다. 병104는 제1수지108과 제2수지109의 2층으로 이루어지고, 제1수지108은 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN : polyethylenenaphthalate)나 포발(poval) 또는 사이클릭·올레핀·폴리머(cylic·olefin·polymer)로 이루어지는 제오놀(zeonor)(일본 제온(Zeon)사의 상품명) 등 치밀(緻密)하여 통기성이 극단적으로 낮은 수지를 이용한다. 그리고 제2수지109는 폴리프로필렌(PP)이나 폴리에틸렌(PE) 등 저렴한 범용(汎用) 수지를 사용한다. 통기성이 낮은 제1수지108을 사용하는 것은, 병104의 통기성을 저하시켜서 병104 내의 물을 효과적으로 사용하기 위함이다.
110은 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 적당한 합성수지 필름을 이용한 내측 백(inner bag)으로서, 수밀성(水密性)은 있지만 수증기 투과성(水蒸氣 透過性)이 있어 내부에 축적된 물을 서서히 방출한다. 111은 발포 폴리스티렌(發泡 polystyrene) 등을 이용한 쿠션(cushion)으로서, 가스 센서100이 낙하 등을 하였을 경우에 내측 백110이 이동되어 파손되는 것을 방지하기 위한 것이다. 또 내측 백110이나 쿠션111은 설치하지 않아도 좋고, 물은 액체의 물 또는 겔화된 물 등으로서 축적되더라도 좋다. 또한 내측 백110 내의 물에는, 예를 들면 글리세린 등을 첨가하여 곰팡이의 발생을 방지하는 것이 바람직하다.
112는 캡106에 형성된 나사 홈으로서, 병104에 대응하도록 형성된 볼트(bolt)의 산(山) 부분과 피트(fit)되어 캡106과 병104와의 사이에서 수증기가 새는 것을 방지한다. 114는 캡106의 정상부에 형성된 개구로서, 센서 유닛102는 캡106의 정상면에 접착제 등으로 부착되어 열압착 필름21에 형성된 개구25나 제2금속판에 형성된 개구와 연결된다.
도13에 나타나 있는 바와 같이 최적의 실시예에서는, MEA120의 프로톤 도전체 막8은 예를 들면 막두께 약 20μm로 되어 있고, 검지극10이나 대극11은 각각 막두께 약 10μm로 되어 있다. 탄소 시트12는 소수성(疏水性)으로서, 예를 들면 80μｍ 정도의 두께를 가지며, 개구19, 118로부터 바이패스된 외부의 분위기(雰圍氣)를 검지극10의 전체 면에 균일하게 분배한다. 대극11측에서는 탄소 시트를 설치하더라도 설치하지 않더라도 좋다.
금속판14, 15는 두께 예를 들면 0.25mm의 스테인레스 판으로 이루어지고, 개구19, 19는 모두 지름이 0.2mm 정도이다. 116은 스테인레스 필름으로서, 여기에서는 막두께 100μm의 스테인레스를 사용하고, 개구19와 통하도록 지름 100μm의 개구118을 형성하였다. 그리고 개구118은, 스테인레스 필름116이 프레스 가공(press 加工)에 의하여 얇게 형성되는 것이 용이하기 때문에 프레스 등에 의하여 일정한 지름으로 용이하게 형성할 수 있다. 필름116은 스테인레스 이외의 금속이더라도 좋다. 그리고 실시예에서는 가스 센서100을 확산율속(擴散律速)으로 이용하기 때문에 개구118로부터의 검지대상인 CO 등의 공급속도가 센서 출력을 결정하고, 따라서 개구118의 지름을 균일하게 할 수 있다면 센서 출력의 불균일을 작게 할 수 있다.
도14에 금속판14 측에서 본 MEA120의 모습을 나타내었다. 도15, 도16은 MEA의 변형예를 나타내는 도면으로서, 대극122를 프로톤 도전체 막8의 전체 면이 아니라 대략 반 정도를 덮도록 설치한다. 프로톤 도전체 막8의 나머지 반 정도의 표면에 액체의 물 또는 수증기를 개구128로부터 접촉시킨다. 또 프로톤 도전체 막8의 표면은 액체의 물을 반발시키는 성질(property of repelling liquid water)이 있다. 이에 따라 리드부124를 구비한 금속판127의 측에서는, 개구128의 부분에 구멍을 형성하고, 여기로부터 프로톤 도전체 막8의 노출면에 액체의 물이나 수증기를 접촉시킬 수 있도록 한다. 또 대극122의 위치를 프로톤 도전체 막8의 중심으로부터 치우치게 함에 따라 개구118, 19, 24의 위치를 치우치게 할 수 있다. 126은 금속판127측의 열압착 필름으로서, 여기에서는 개구128의 부분에서 열압착 필름126이 금속판127의 끝면을 덮도록 되어 있지만, 개구128의 부분에서 금속판127의 끝면이 노출되더라도 좋다.
병104와 캡106의 조합을 이용하면, 캡106을 병104에서 빼내어 내부의 물을 교환 또는 재충전(再充塡)할 수 있다. 실시예에서는 내측 백110과 쿠션111을 사용하고 있으므로 쿠션111을 꺼내고 물이 감소한 내측 백110을 꺼내어 새로운 내측 백으로 교환하고 쿠션을 채워서 캡106을 체결하면 된다.
도17에 나타나 있는 바와 같이 바닥면이 있는 튜브(tube)130을 워터 컨테이너(water container)로서 이용하고, 그 상부에 플랜지(flange)132를 형성하여 플랜지132의 정상면의 평탄부에 센서 유닛102를 예를 들면 접착제 등으로 부착하더라도 좋다. 이 경우에도 센서 유닛102와 플랜지132 사이를 기밀하게 함으로써 물의 소모를 방지한다. 또 튜브130도 제1수지108과 제2수지109로 구성하여 수증기가 새는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
도11, 도12에서는 필터54와 센서 유닛102를 캡106의 정상면 외측에 설치한다. 이에 대하여 도18에 나타나 있는 바와 같이 센서 유닛102를 또는 센서 유닛102와 필터54를 캡106의 내측에 부착하더라도 좋다. 이렇게 하면, 필터54에는 예를 들면 소수성이 필요하게 되기 때문에 필터54의 주위를 폴리에틸렌 필름 등의 수밀성 막으로 피복(被覆)하는 것이 바람직하다.
도19, 도20에 투과성(透過性)이 있는 워터 팩153을 이용한 가스 센서140을 나타내었다. 센서 유닛102는 최적의 실시예에서 이용한 것이고, 워터 팩153은 한 쌍의 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 수지필름154, 154로 이루어지고, 그 사이에 수증기 비투과성 막(水蒸氣 非透過性 膜)155를 샌드위치한다. 수증기 비투과성 막155는 마찬가지로 기밀막(氣密膜)으로 하고, 재질로는 실리카(silica)나 알루미나(alumina) 등의 세라믹 박막(ceramic 薄膜)(막두께 1μｍ 이하)을 사용하여 일방(一方)의 수지필름154 상에 증착(蒸着) 등에 의하여 형성한다. 수증기 비투과성 막155에 금속막을 사용하면, 수증기를 센서 유닛102로 인도하기 위한 개구를 형성한 부분에서 금속막의 끝면이 노출되고, 이 부분이 물에 젖어 산화(酸化)되어 수증기의 소모를 빠르게 하는 경우가 있다. 이에 반하여 세라믹제(ceramic 製)의 수증기 비투과성 막은 물에 젖더라도 열화되지 않아, 이 때문에 워터 팩153의 수명을 길게 할 수 있다.
도21∼도23에 스테인레스 필름116을 설치하는 것에 대한 효과를 나타내었다. 도21은 도11의 최적 실시예의 가스 센서에서의 CO 1000ppm에 대한 출력분포를 나타내는 그래프로서, 센서의 개수는 120개이다. 또한 여기에서는 두께 0.1mm의 스테인레스 필름116을 이용하여 프레스에 의한 펀칭가공(punching 加工)에 의하여 지름 0.1mm의 개구118을 형성하였다. 도22는 도23의 비교예의 가스 센서에서의 출력분포를 나타내는 그래프로서, 센서의 개수는 480개이고, CO 1000ppm 중에서의 출력을 나타내고 있다. 도23에 있어서, 180은 센서 본체이고, 182는 그 복합체(複合體)이고, MEA120(도13)의 상하에 탄소 시트를 포갠 것이다. 184, 185는 금속판으로서 이들은 모두 0.25mm 두께의 스테인레스 판으로 이루어지고, 검지극측의 금속판184에는 지름 0.1mm의 개구186을 에칭(etching)에 의하여 형성하였고,대극측의 금속판185에서는 지름 0.2mm의 개구187을 프레스에 의한 펀칭가공에 의하여 형성하였다. 검지극측의 금속판에 에칭에 의하여 지름 0.1mm의 개구186을 형성한 것은, 개구의 지름보다 금속판의 판의 두께가 크기 때문에 펀칭가공이 곤란하기 때문이다. 그리고 개스킷88을 이용하여 메탈 캔71의 상단을 코킹(caulking)하여 센서 본체180을 와셔76과 캡80의 사이에 삽입하였다.
도21과 도22를 비교하면, 도22의 비교예에서는 센서 출력의 분포가 넓다. 이는 센서 본체로의 디퓨전 컨트롤(diffusion control)이 도22에서는 곤란하다는 것을 나타내고, 에칭에 의하여 개구 지름을 제어하면 개구 지름의 불균일이 커진다는 것을 나타낸다. 또 도22에서는 출력이 3V 정도에서 이상한 피크(peak)가 있고, 이는 코킹할 때에 캡80으로부터 센서 본체180에 가하여지는 압력이 불균일하여 탄소 시트의 위치가 어긋나는 등의 경우가 발생하기 때문이라고 추측된다.
도24∼도26에 최적 실시예에서의 센서 유닛의 변형예를 나타내었다. 도24에 있어서, 160, 161은 열압착 필름이고, 162는 열압착 필름160측에 형성된 개구이고, 열압착 필름161측에는 개구128이 있다. 8은 상기의 프로톤 도전체 막으로서, 그 동일한 면 상에 검지극168과 대극169를 설치하고, 검지극168과 대극169의 갭에서 열압착 필름160이 프로톤 도전체 막8에 밀착된다. 164, 165는 두께 0.25mm의 스테인레스 판 등의 금속판으로서, 검지극측의 금속판165에는 예를 들면 지름 0.2mm의 개구19를 형성하고, 두께0.1mm의 스테인레스 필름166에는 예를 들면 지름 0.1mm의 개구118을 형성한다. 170, 171은 탄소 시트에 설치하지 않더라도 좋다.
도24의 경우에 개구118에서 디퓨전 컨트롤이 된 CO 등의 가스는, 탄소 시트170에서 검지극168의 전체 면에 분배되고, 병104(도11) 등의 워터 컨테이너로부터 개구128을 통하여 프로톤 도전체 막8에 공급된 수증기와 검지극168에서 반응한다. 검지극168에서 발생한 프로톤은, 프로톤 도전체 막8 내를 대극169측으로 확산시키고, 여기에서 제조할 때에 탄소 시트171에 갇혀 있던 공기 중의 산소와 반응하여 수증기로 변화된다. 대극에서 필요한 산소는, 제조할 때에 탄소 시트171에 갇혀 있던 공기 중의 산소 이외에 열압착 필름160이나 프로톤 도전체 막8의 미미한 산소 투과성 및 열압착 필름160과 프로톤 도전체 막8 사이의 미세한 갭 등을 통하여 공급된다.
도25에 도24의 센서 유닛에서 열압착 필름160, 161을 제거한 모습을 나타내었다. 프로톤 도전체 막8에서 보아서 동일한 면에 한 쌍의 금속판164, 165가 배치되고, 대극으로의 디퓨전 컨트롤은 개구118에 의하여 이루어지고, 검지극에서 발생한 프로톤은 도25의 우측으로부터 좌측으로 확산되어 대극까지 운반된다. 검지극168은, 개구118에 의한 디퓨전 컨트롤이 이루어지고 있기 때문에 대극169에서의 산소 소비량은 매우 조금이어서 제조할 때에 탄소 시트171에 봉쇄된 공기나 열압착 필름160, 161 등으로부터 매우 조금 공급되는 산소에 의하여 동작할 수 있다.
도26에 도24, 도25의 변형예에서 사용한 MEA의 제조과정을 나타내었다. 200은 프로톤 도전체 막으로서, 예를 들면 스트라이프(stripe) 모양으로 전극202를 설치하고, 이로부터 원형 또는 직사각형 형상 등으로 펀칭(punching)하여 MEA204, 205 등을 제조한다.
실시예에서는, 한 쌍의 열압착 필름의 내측에 한 쌍의 금속판과 MEA를 배치하여 열압착 필름의 수축력(收縮力)에 의하여 금속판과 MEA 사이의 전기적 접속을 확보한다. 센서 유닛의 조립에 있어서, 큰 충격을 가하는 공정이 없기 때문에 금속판이나 탄소 시트가 전극에 대하여 어긋나는 등의 경우는 없고, 이에 따라 센서 출력의 불균일이 감소된다. 또한 금속판에 정확하게 일정한 사이즈의 개구를 형성하는 대신에 얇은 스테인레스의 필름에 개구를 형성하기 때문에, 개구 지름의 불균일을 억제하여 센서 출력의 불균일을 작게 할 수 있다. 병과 캡을 이용한 워터 컨테이너를 이용하면 물을 교환할 수 있어 센서의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한 병이나 워터 팩의 재질을 선택함으로써 수증기가 새는 것을 방지하여 센서의 수명을 연장시킬 수 있다. 내측 백이나 쿠션을 이용하면 센서가 어떤 자세를 취하더라도 물이 새는 경우는 없다. 또 쿠션을 배치하면 센서가 낙하 등을 하였을 때에 내측 백이 파손되는 경우는 없다. 또한 센서 유닛을 워터 팩이나 병의 내측에 수용하면 수송 중이나 작업 중에 센서 유닛이 손상되는 경우는 없다.
이상과 같이 본 발명에서는, 가스 센서의 구조를 간단하게 할 수 있고 또한 리드를 검지극이나 대극에 간단하게 접속시킬 수 있다. 또한 센서 출력의 오버슈트나 언더슈트를 작게 할 수 있다. 또한 검지극이나 대극에 제1 또는 제2금속판의 위치를 적절하게 결정할 수 있다. 예를 들면 제1 및 제2합성수지막에 센서 본체를 삽입하여 열압착시키면, 검지극이나 대극의 위치가 제1 또는 제2금속판에 대하여 영향을 끼치는 프로세스가 없게 된다. 이 때문에 검지극이나 대극에 대한 금속판의 위치 등의 불균일을 억제하여 센서 출력의 불균일을 작게 할 수 있다.
활성탄, 실리카 겔, 제올라이트 등의 필터를 이용하여 피독물질을 제거하면 검지극의 피독을 방지할 수 있다.
또 가요성의 팩에 물을 수용하면 프로톤 도전체 막을 가습시키기 위한 물의 리저버의 새로운 구조가 얻어진다.
가요성의 팩 내의 물에 방부제를 가하면, 곰팡이가 발생하는 것을 방지할 수 있어 곰팡이에 의한 대극측 제2금속판의 개구 막힘이나 대극의 오염을 방지할 수 있다.
가요성의 팩을 적어도 2층의 합성수지막 사이에 기밀성의 세라믹 막을 샌드위치하는 것으로 하면, 가요성의 팩으로부터 물이 증발하는 것을 억제할 수 있다. 금속막을 합성수지막에 포개어 기밀성을 확보하면, 금속막을 제거하여 센서 유닛에 접속하는 부분에서 금속막의 끝면이 노출되어 산화되므로 물의 증발이 빨라진다. 이에 반하여 실리카나 알루미나 등의증착막 등을 기밀막으로 하면, 그 끝면이 물에 노출되더라도 변질되지 않기 때문에 물의 증발을 억제할 수 있다. 이것은 센서의 수명을 연장시키게 된다.
센서 유닛은 가요성 팩의 내측에 부착할 수도 있다. 이렇게 하면 센서 유닛이 팩의 외부에 노출되어 있는 경우와 달리 센서 유닛을 팩에 의하여 보호할 수 있다.
센서 유닛을 확산율속의 조건에서 사용하면 센서 출력은 검지극에 공급되는 가스의 양에 비례한다. 제1금속판의 개구는 이 가스의 양을 제한하지만, 리드부를 구비하는 제1금속판은 어느 정도의 두께와 강도가 필요하기 때문에 정확한 개구 지름이 얻어지도록 가공하는 것은 어렵다. 이에 반하여 제1금속판보다 얇은 두께의 제3금속판을 설치하고, 이것에 정확한 지름의 구멍을 가공하는 것은 용이하여, 이에 따라 센서 출력의 불균일을 작게 할 수 있다.
물의 용기는 가요성의 팩에 한하지 않고 병 모양이나 통 모양의 합성수지 컨테이너이더라도 좋다. 여기에서 병 모양의 컨테이너를 이용하여 캡을 병에 기밀하게 나사결합시키는 것은 용이하다. 그리고 캡의 상단(병과 반대측)에 센서 유닛을 부착하면 캡을 병으로부터 빼내어 내부의 물을 보충 또는 교환할 수 있다. 이렇게 하면 센서의 수명을 연장시킬 수 있다.
여기에서 센서 유닛을 캡의 내측(병을 향한 측)에 설치하면 센서 유닛이 수송 중이거나 작업 중 등에 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한 물을 수증기 투과성의 내측 백에 수용하면 워터 컨테이너 내에서 물이 이동하는 것을 방지할 수 있다. 물이 이동하면 물이 새게 되어 물이 센서 유닛 내에 침투하는 등의 문제가 발생한다.

Claims (11)

  1. 프로톤 도전체 막(proton 導電體 膜)과;
    그 프로톤 도전체 막의 적어도 일방(一方)의 표면에, 서로 분리되어 접합되는 막(膜) 모양의 검지극(檢知極 : sensing electrode)과 막 모양의 대극(對極 : counter electrode)과;
    상기 검지극을 덮도록 설치되고 또한 개구(開口)와 리드부(lead 部)를 구비하는 제1금속판(第一金屬板)과;
    상기 대극을 덮도록 설치되고 또한 리드부를 구비하는 제2금속판;
    으로 이루어지는 센서 본체(sensor 本體)와,
    상기 센서 본체를 샌드위치(sandwich)하고 또한 상기 프로톤 도전체 막, 검지극, 대극, 제1 및 제2금속판의 어느 것보다 사이즈(size)가 큰 제1 및 제2합성수지막으로 이루어지고,
    상기 제1 및 제2합성수지막은 서로 접착되고, 이에 따라 제1금속판은 검지극측에, 제2금속판은 대극측에 압착(壓着)되고 그리고 제1금속판과 검지극 사이의 전기적 콘택트(contact)와 제2금속판과 대극 사이의 전기적 콘택트가 얻어지고,
    또한 상기 각 리드부는 상기 제1 및 제2합성수지막의 외측까지 돌출되는
    센서 유닛(sensor unit)을 구비하는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체가스 센서(proton conductor gas sensor).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1합성수지막이 제1금속판을 덮고,
    상기 제1금속판과 제1합성수지막 사이 또는 제1합성수지막의 외측에 피독 물질(被毒物質 : poisoning substance)을 제거하기 위한 필터(filter)가 설치되는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체 가스 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1합성수지막이 제1금속판을 덮고,
    상기 센서 유닛이 상기 제2합성수지막측에서 기밀성(氣密性)의 막으로 피복(被覆)되고 또한 응축상(凝縮相)의 물(水)을 수용하는 가요성(可撓性)의 팩(pack)에 부착되고 또한 상기 가요성 팩에는 상기 기밀성 막이 제거된 부분이 형성되고,
    상기 제거된 부분이 제2합성수지막에 접촉하는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체 가스 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 응축상의 물에 방부제(防腐劑)를 함유시키는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체 가스 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가요성 팩은 적어도 2층의 합성수지막과 그 사이에 샌드위치되는 기밀성 세라믹 막(ceramic 膜)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체 가스 센서.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 가요성의 팩의 내측에 상기 센서 유닛을 부착하는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체 가스 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    제1금속판보다 두께가 얇고 그리고 제1금속판의 개구와 연결되고 또한 제1금속판의 개구보다 작은 직경의 개구가 형성되는 제3금속판이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체 가스 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1합성수지막이 제1금속판을 덮고,
    상기 센서 유닛이 상기 제2합성수지막측에서 합성수지의 워터 컨테이너(water container)에 부착되는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체 가스 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 워터 컨테이너는 합성수지의 병(bottle)과 상기 병에 기밀(氣密)하게 나사결합되고 또한 병과 반대측의 위치에 개구가 형성되는 합성수지의 캡(cap)과 병 내에 축적된 응축상의 물로 이루어지고, 상기 센서 유닛이 상기 캡의 상기 반대측의 위치에 부착되는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체 가스 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 센서 유닛이 상기 반대측의 위치에서 캡의 내측에 부착되는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체 가스 센서.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 응축상의 물이 수밀(水密 : watertight)하게 수증기 투과성(水蒸氣 透過性)의 내측 백(inner bag)으로 들어가고, 상기 내측 백이 상기 워터 컨테이너에 수납(收納)되는 것을 특징으로 하는 프로톤 도전체 가스 센서.
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