JPH0618475A

JPH0618475A - 電気化学式ガスセンサ

Info

Publication number: JPH0618475A
Application number: JP4177303A
Authority: JP
Inventors: Toru Fujioka; 透藤岡; Yoshifumi Watabe; 祥文渡部
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1994-01-25

Abstract

(57)【要約】【目的】周囲の湿度の影響を受けず、電解質を維持す
るに適度な含水状態に固体電解質膜９を保持することが
できる電気化学式ガスセンサを提供する。【構成】センサ素子６と吸水性を有するシート８とで
構成され、このセンサ素子６は透湿性を有する絶縁基板
１に設けられた作用極２、対極３を含む電極群５と、こ
の電極群５を被覆し、含水状態で電解質となる固体電解
質膜９とから構成され、上記吸水性を有するシート８は
上記絶縁基板１を挟んで固体電解質膜９と反対側に付設
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気化学式ガスセンサ
に関し、詳しくは絶縁基板に作用極と対極を含む複数の
電極が設けられ、さらにこれらの電極を一連に被覆する
固体電解質膜を備え、作用極と対極上で起こるガスの電
気化学反応を利用して、雰囲気中に含まれる、例えば一
酸化炭素、水素、アルコール、窒素酸化物などの被検ガ
スを検知する電気化学式ガスセンサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば特開昭５３−１１５２９３号、さ
らには特開昭６４−８８３５４号公報に開示されている
如く、絶縁基板上に複数の電極を形成し、これらの電極
を固体電解質膜で被覆して構成した電気化学式ガスセン
サは、電極において起こる被検ガス、例えば一酸化炭
素、水素、アルコール、窒素酸化物等の電気化学反応に
ともなって流れる電流をもって、雰囲気中の被検ガスを
検知するもので、火報、工業用、環境保全と広い分野で
利用できる。

【０００３】ここで、具体的に従来の電気化学式ガスセ
ンサを図３に基づいて説明すると、この電気化学式ガス
センサは絶縁基板１の上に作用極２、この作用極２との
間に電流が流れる対極３、および上記作用極２に対する
基準電位として働く参照極４を備え、これら電極群５を
含水状態で電解質となる固体電解質膜９で被覆して構成
され、一酸化炭素、水素、アルコール、窒素酸化物等の
被検ガスが、作用極２を被覆する固体電解質膜９を透過
して作用極２に到達すると、作用極２において電気化学
反応が起きる。対極３においては、この反応と対になる
反応が起き、その結果固体電解質膜９の電解質の作用に
より、電圧を印加した作用極２と対極３との間に電流が
流れる。この場合、参照極４は設定した、作用極２を一
定の電位に維持する。作用極２と対極３との間に流れる
上記の電流が、被検ガスを検知する出力信号として電気
化学式ガスセンサに接続した外部機器に入力すると、こ
の外部機器の光学的、音声的手段、その他の表示手段に
より被検ガスの存在が報知される。

【０００４】上記の固体電解質膜９を用いた電気化学式
ガスセンサは、固体電解質膜９の内部に含有した水分の
働きによって、イオン伝導性を担っている。仮に周囲の
湿度が低下すると固体電解質膜９の含水率が低下するた
め、上記イオン伝導性は減少し、センサの感度が低下
し、また、逆に周囲の湿度が異常に高くなると固体電解
質膜９の含水率が過度に高くなるので、電気化学式ガス
センサが過度に反応し誤報を起こす欠点がある。そこ
で、従来の電気化学式ガスセンサのこの欠点を除去する
使用の一例を図４に示すと、電気化学式ガスセンサ１６
を収容するハウジング１０に、水分補給用として貯水槽
２０を付設し、この貯水槽２０に貯えられ水によりハウ
ジング１０に水分を水蒸気で補給し、ハウジング１０内
を固体電解質膜９の電解質の維持に必要な含水状態に保
持する構成が知られている。しかし、上記電気化学式ガ
スセンサの使用形態でもまだ充分とはいえず、固体電解
質膜９に対する調湿効果を高めることにより周囲の湿度
の影響をより一層軽減し、固体電解質膜９を適度な湿度
に安定して保持する性能が求められる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の事実に
鑑みてなされたもので、その目的とするところは、周囲
の湿度の影響を緩和し、電解質を維持するに適度な含水
状態に固体電解質膜９を保持することができる電気化学
式ガスセンサを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電気化学式
ガスセンサは、（１）透湿性を有する絶縁基板１に設け
られた作用極２、対極３を含む電極群５と、この電極群
５を被覆し、含水状態で電解質となる固体電解質膜９と
から構成されたセンサ素子６と、（２）このセンサ素子
６と一体に形成された吸水性を有するシート８とで構成
され、（３）上記吸水性を有するシート８を上記絶縁基
板１を挟んで固体電解質膜９と反対側に付設しているこ
とを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明によると、周囲の湿度が低下した場合、
絶縁基板１は透湿性を有するので、吸水性を有するシー
ト８に含まれた水分が水蒸気となって、絶縁基板１を透
湿し固体電解質膜９に至り電解質を維持するに適度な含
水状態となる。また固体電解質膜９に過度の水分が吸湿
された場合は、固体電解質膜９の水分が絶縁基板１を透
湿してシート８に吸湿される。いずれの場合も固体電解
質膜９とシート８との間で、水分の移動が絶縁基板１を
通して可逆的に行われ、固体電解質膜９に対する調湿効
果が高まる。

【０００８】以下、本発明を詳細に説明する。図１は本
発明に係る電気化学式ガスセンサを示した断面図で有
る。

【０００９】本発明の電気化学式ガスセンサはセンサ素
子６を有する。このセンサ素子６は透湿性を有する絶縁
基板１と、絶縁基板１に設けられた作用極２、対極３、
及び参照極４を含む電極群５と、この電極群５を被覆
し、含水状態で電解質となる固体電解質膜９とで構成さ
れている。この透湿性を有する絶縁基板１は、例えば、
表裏に渡って連通する透気孔を備えた多孔質基板が用い
られる。この多孔質基板はアルミナ等のセラミックス基
板、酸化処理したシリコン基板、その他樹脂を硬化した
基板等に後加工により表裏に微細な通気孔を設けて構成
された基板でも良いし、木綿や紙等の多孔質の基材に多
孔質を消失しない程度に樹脂をラミネートした基板でも
良い。上記電極群５は、白金や金その他の電極材料が用
いられ、例えばスパッタリングや蒸着等種々の方法によ
って形成することができる。上記固体電解質膜９として
は、ポリスチレンスルホネート、ポリビニルスルホネー
ト、パーフルオロスルホネートポリマー、パーフルオロ
カルボキシレートポリマー等が用いられ、中でも電解質
として安定なパーフルオロスルホネートポリマー（デュ
ポン社製の商標ナフィオン）が適当である。

【００１０】上記固体電解質膜９を透過した一定量以上
の被検ガスが作用極２に到達すると、作用極２と対極３
において電気化学反応が起きる。その結果、作用極２と
参照極４間の印加電圧に従い、作用極２と対極３に電流
が流れる。この電流がセンサ素子６の信号として外部機
器に入力される。なお、感度の低下を引き起こす固体電
解質膜９の経時的劣化を防止するために、この固体電解
質膜９の表面にフッ素系樹脂等の保護膜、例えばテトラ
フルオロエチレンのプラズマ重合体を形成してもよい。

【００１１】本発明の電気化学式ガスセンサは上記セン
サ素子６と吸水性を有するシート８で構成される。この
吸水性を有するシート８は絶縁基板１を挟んで固体電解
質膜９と反対側に付設されている。上記吸水性を有する
シート８は、例えば吸水性を有するポリマーを基材に定
着して構成する。この吸水性を有するポリマーとして
は、澱粉やセルロース等の多糖類、ポリアクリル酸塩、
ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド等のポリマ
ーが用いられ、これらポリマーを定着する基材として
は、ガラス等の無機繊維やポリエステル等の有機合成繊
維や天然繊維からなる織布、不織布、あるいはマット等
が用いられる。上記シート８は、このシート８に含まれ
るポリマーに対し重量比で数１００〜数１０００倍の多
量の水分を保持させ、固体電解質膜９への補水効果を上
げる為には、必要に応じてシートに含まれるポリマーを
増量することによって可能になる。

【００１２】吸水性を有するシート８の働きについてさ
らに詳しく説明すると、センサ素子６の周囲の湿度が低
下し固体電解質膜９の水分が不足の場合、上記絶縁基板
１は透湿性を有するので、吸水性を有するシート８に含
まれた水分が水蒸気となって、絶縁基板１を透湿し固体
電解質膜９に到達し、固体電解質膜９は電解質を維持す
るに適度な含水状態となる。またセンサ素子６の周囲の
湿度が過湿となり固体電解質膜９の水分が過剰な場合
は、固体電解質膜９の水分が絶縁基板１を透湿してシー
ト８に到達し、固体電解質膜９は適度な湿度に保持され
る。いずれの場合も固体電解質膜９とシート８との間
で、水分の移動が絶縁基板１を通して可逆的に行われ、
固体電解質膜９に対する調湿効果が高まる。その結果、
周囲の湿度の影響を一層軽減し、固体電解質膜９を適度
な湿度に安定し保持する。

【００１３】本発明の電気化学式ガスセンサの使用例を
図２に示す。本発明の電気化学式ガスセンサはハウジン
グ１０に収容され、被検ガスの検知機能を最適に発揮す
る。すなわち、固体電解質膜９に外気の汚染物質が付着
するのをハウジング１０によって防止し、被検ガスはハ
ウジング１０に設けられた通気孔１１から導入される。
この被検ガスが作用極２に到達すると、作用極２と対極
３において電気化学反応が起き、作用極２と対極３間の
印加電圧と被検ガス量に従い、作用極２と対極３に電流
が流れる。電極群５にリード線７を介して接続され、こ
の電流は電気化学式ガスセンサの出力信号として報告等
を含む外部機器に入力する。吸水性を有するシート８へ
の水の人工的補給が必要な場合は、例えば、ハウジング
１０に設けられた水分補給口からなされたり、その他種
々の方法が採用される。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例および比較例を挙げ
る。

【００１５】実施例１絶縁基板１として多孔質性ガラス基板を用い、この絶縁
基板１の上にスパッタリングで白金からなる作用極２、
対極３、及び金からなる参照極４を形成し、電極群５と
した。この電極群５の上に、パーフルオロスルホネート
ポリマを５重量％含む溶液をキャステングすることによ
り、固体電解質膜９を一連に被覆してセンサ素子６とし
た。吸水性を有するシート８として、分散した澱粉系吸
水ポリマーをガラス不織布に約１mg/cm²定着しポリマー
を基準にして約１０００倍の水分を含ませた。この吸水
性を有するシート８を上記絶縁基板１の固体電解質膜９
と反対側に付設し、これを電気化学式ガスセンサとして
ハウジング１０内に収容した。

【００１６】上記作用極２の電位を参照極４に対して
０．４０Ｖに設定し、相対湿度２０％、４０％、６０
％、８０％、および９５％の５点について、ＣＯガス１
００ｐｐｍに対する感度を定電位電解法で測定した。そ
の結果は表１のとおり、作用極２と対極３間は最大９
１．６ｎＡから最小８８．４ｎＡの電流値を示した。

【００１７】実施例２絶縁基板１として多孔質アルミナ基板を用い、実施例１
と同様にセンサ素子６を作製した。吸水性を有するシー
ト８として、分散したポリアクリル酸塩ポリマーをガラ
ス不織布に約２．５mg/cm²定着しポリマーを基準にして
約３００倍の水分を含ませた。以下、実施例１と同様
に、吸水性を有するシート８を上記絶縁基板１の固体電
解質膜９と反対側に付設し、これを電気化学式ガスセン
サとしてハウジング１０内に収容した。さらに、作用極
２の電位を参照極４に対して０．４０Ｖに設定し、相対
湿度２０％、４０％、６０％、８０％、および９５％の
５点について、ＣＯガス１００ｐｐｍに対する感度を定
電位電解法で測定した。その結果は表１のとおり、作用
極２と対極３間は最大９３．８ｎＡから最小８９．５ｎ
Ａの電流値を示した。

【００１８】

【比較例】

比較例１絶縁基板１として実施例２と同一の多孔質アルミナ基板
を用い、実施例１と同様にセンサ素子６を作製した。こ
のセンサ素子６を電気化学式ガスセンサとしてハウジン
グ１０内に収容し、実施例１と同様に作用極２の電位を
参照極４に対して０．４０Ｖに設定し、相対湿度２０
％、４０％、６０％、８０％、および９５％の５点につ
いて、ＣＯガス１００ｐｐｍに対する感度を定電位電解
法で測定した。その結果は表１のとおり、作用極２と対
極３間は最大１２０．４ｎＡから最小１０．５ｎＡの電
流値を示した。

【００１９】上記実施例１、２、及び比較例から明らか
なように、比較例に係る電気化学式ガスセンサの感度は
周囲の湿度の高低による影響が強大に受けたのに対し、
本発明に係る電気化学式ガスセンサの感度は周囲の湿度
の影響が緩和され、安定していた。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【発明の効果】本発明はセンサ素子６に吸水性を有する
シート８を付設したことにより、周囲の湿度の影響を緩
和し、電解質を維持するに適度な含水状態に固体電解質
膜９を保持することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電気化学式ガスセンサの一実施例
を示す断面図である。

【図２】本発明に係る電気化学式ガスセンサの一使用例
を示した断面図である。

【図３】従来の電気化学式ガスセンサを示す断面図であ
る。

【図４】図３の電気化学式ガスセンサの従来の使用例を
示した断面図である。

【符号の説明】

１絶縁基板２作用極３対極４参照極５電極群６センサ素子７リード線８シート９固体電解質膜１０ハウジング１１通気口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（１）透湿性を有する絶縁基板１に設けら
れた作用極２、対極３を含む電極群５と、この電極群５
を被覆し、含水状態で電解質となる固体電解質膜９とか
ら構成されたセンサ素子６と、（２）このセンサ素子６
と一体に形成された吸水性を有するシート８とで構成さ
れ、（３）上記吸水性を有するシート８を上記絶縁基板
１を挟んで固体電解質膜９と反対側に付設していること
を特徴とする電気化学式ガスセンサ。
【請求項２】（１）上記吸水性を有するシート８は基材
と、基材に定着した吸水性を有するポリマーから成る請
求項１記載の電気化学式ガスセンサ。