JP2013170957A - Electrochemical gas sensor element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス中の検出対象を電気化学的に検出するために用いられる電気化学式ガスセンサ素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an electrochemical gas sensor element used for electrochemically detecting a detection target in a gas and a method for manufacturing the same.
従来、ガス中の検出対象を検出する方法の一つに、電気化学式ガスセンサ素子を用いてガス中の検出対象を電気化学的に検出する方法がある。電気化学式ガスセンサ素子は加熱される必要がないため、半導体型のガスセンサや接触燃焼式のガスセンサと比べると電力消費が少ない。このため、電気化学式ガスセンサ素子は、電池から電力が供給される場合であっても長時間駆動することが可能である。また、電気化学式ガスセンサ素子の出力は、ガス濃度に対してリニアである。このため、電気化学式ガスセンサ素子は、非常に使いやすいセンサであると評価されている。 Conventionally, as a method for detecting a detection target in gas, there is a method for electrochemically detecting a detection target in gas using an electrochemical gas sensor element. Since the electrochemical gas sensor element does not need to be heated, it consumes less power than a semiconductor gas sensor or a catalytic combustion type gas sensor. For this reason, the electrochemical gas sensor element can be driven for a long time even when power is supplied from the battery. The output of the electrochemical gas sensor element is linear with respect to the gas concentration. For this reason, the electrochemical gas sensor element is evaluated as a sensor that is very easy to use.
電気化学式ガスセンサは、基本的に作用極、対極、電解液から構成される。従来、作用極や対極は、例えばカーボンブラックと、貴金属触媒成分として白金黒などの粒子状触媒と、フッ素系バインダーとの混錬体から形成されている。しかし、その場合、ガスとの反応性を高めるために稀少且つ高価な粒子状触媒が多量に使用されるため、製造コスト抑制を図る観点、並びに省資源化を図る観点からは、問題があった。 An electrochemical gas sensor basically includes a working electrode, a counter electrode, and an electrolyte. Conventionally, the working electrode and the counter electrode are formed from a kneaded body of, for example, carbon black, a particulate catalyst such as platinum black as a noble metal catalyst component, and a fluorine-based binder. However, in that case, since a rare and expensive particulate catalyst is used in a large amount in order to increase the reactivity with the gas, there is a problem from the viewpoint of reducing the manufacturing cost and saving resources. .
また特許文献1には、カーボンブラック微粉末とフッ素系樹脂微粉末との混練体膜表面に、電極触媒層を蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング法等で形成することが、開示されている。
しかし、特許文献1に記載の方法では、電極触媒層を形成する条件を調整すれば触媒量を低減することは可能であるが、電気化学式ガスセンサの感度を充分に向上することは困難であった。これは、触媒成分が膜の最表面にしか形成されないため、ガスとの接触反応確率が悪くなるためであると考えられる。また、特許文献1における電極触媒層は、被毒や物理的衝撃に対しても脆弱であるため、寿命の点でも問題があった。
However, in the method described in
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、触媒の使用量を削減しつつ良好な検出性能を維持することができる電気化学式ガスセンサ素子、並びにこのような電気化学式ガスセンサ素子の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and the object thereof is an electrochemical gas sensor element capable of maintaining good detection performance while reducing the amount of catalyst used, and such an electrochemical formula. It is providing the manufacturing method of a gas sensor element.
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1は、電解液と、前記電解液及び検出対象を含むガスに接する第一電極21と、前記電解液に接する第二電極22とを備える電気化学式ガスセンサ素子1であって、
前記第一電極21が、炭素粉末とバインダーとから形成されている第一導電層31と、この第一導電層31に担持されている第一金属触媒とを備え、前記第一金属触媒が、電着法により形成されることで前記第一導電層31に担持されていることを特徴とする。
The electrochemical
The
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1は、前記第一電極21の前記ガスに接触する面に接合されている多孔質層4を更に備えることが好ましい。
The electrochemical
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1は、前記第一電極21の前記電解液に接する面に接合されている多孔質な第一保持層51を更に備え、前記電解液が前記第一保持層51に浸透していることも好ましい。
The electrochemical
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1において、前記第一電極21が単独膜からなることも好ましい。
In the electrochemical
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1において、前記第二電極22が、炭素粉末とバインダーとから形成されている第二導電層と、この第二導電層に担持されている第二金属触媒とを備え、前記第二金属触媒が、電着法により形成されることで前記第二導電層に担持されていることが好ましい。
In the electrochemical
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1は、電解液と、前記電解液及び検出対象を含むガスに接する第一電極21と、前記電解液に接する第二電極22とを備える電気化学式ガスセンサ素子1であって、
前記第二電極22が、炭素粉末とバインダーとから形成されている第二導電層と、この第二導電層に担持されている第二金属触媒とを備え、前記第二金属触媒が、電着法により形成されることで前記第二導電層に担持されていることを特徴としてもよい。
The electrochemical
The
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1が、前記第二電極22に接合されている多孔質な第二保持層52を更に備え、前記電解液が前記第二保持層52に浸透していることも好ましい。
The electrochemical
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1において、前記第二電極22が単独膜からなることも好ましい。
In the electrochemical
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1は、前記第一電極21を覆うキャップ部材6を更に備え、
前記キャップ部材6と前記第一電極21との間にはガスが流通し得る空間61が形成されており、
前記キャップ部材6には前記空間61と外部とを連通するガス供給口62及びガス排出口63が形成されていることも好ましい。
The electrochemical
A
It is also preferable that the
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1は、前記第一電極21の前記ガスと接触する面に重ねられている通気部材7を更に備え、
前記通気部材7には、外部から前記第一電極21へと至る通孔71が形成されていることも好ましい。
The electrochemical
It is also preferable that a through
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1の製造方法は、電解液と、前記電解液及び検出対象を含むガスに接する第一電極21と、前記電解液に接する第二電極22とを備え、前記第一電極21が、炭素粉末とバインダーとから形成されている第一導電層31と、この第一導電層31に担持されている第一金属触媒とを備える電気化学式ガスセンサ素子1を製造する方法であって、
前記第一金属触媒を電着法により形成することで前記第一導電層31に担持させるステップを含むことを特徴とする。
The manufacturing method of the electrochemical
The method includes a step of supporting the first
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1の製造方法において、前記第二電極22が、炭素粉末とバインダーとから形成されている第二導電層と、この第二導電層に担持されている第二金属触媒とを備え、
前記第二金属触媒を電着法により形成することで前記第二導電層に担持させるステップを更に含むことも好ましい。
In the manufacturing method of the electrochemical
It is also preferable to further include the step of supporting the second metal catalyst on the second conductive layer by forming the second metal catalyst by an electrodeposition method.
本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子1は、電解液と、前記電解液及び検出対象を含むガスに接する第一電極21と、前記電解液に接する第二電極22とを備え、前記第二電極22が、炭素粉末とバインダーとから形成されている第二導電層と、この第二導電層に担持されている第二金属触媒とを備える電気化学式ガスセンサ素子1を製造する方法であって、
前記第二金属触媒を電着法により形成することで前記第二導電層に担持させるステップを含むことを特徴としてもよい。
The electrochemical
The method may include a step of supporting the second metal catalyst on the second conductive layer by forming the second metal catalyst by an electrodeposition method.
本発明によれば、電気化学式ガスセンサ素子1における触媒の使用量を削減しつつ良好な検出性能を維持することができる。
According to the present invention, good detection performance can be maintained while reducing the amount of catalyst used in the electrochemical
まず、本発明の第一の実施形態について説明する。 First, a first embodiment of the present invention will be described.
本実施形態による電気化学式ガスセンサ素子1は、図1に示されるように、第一電極21、第二電極22、電解液、第一保持層51、第二保持層52、保持材8、容器9、第一導電線231、第二導電線232及びキャップ部材6を備える。
As shown in FIG. 1, the electrochemical
容器9には、この容器9の上面(第一面)で開口する凹所91が形成されている。凹所91内には、第一電極21、第二電極22、電解液、及び保持材8が収容される。容器9には、この容器9の側面(第二面)で開口し、且つ凹所91に連通する孔92も形成されている。容器9の材質は特に制限されず、例えば容器9はポリプロピレン等の適宜のプラスチックから形成される。
The
凹所91内では、この第一面側(開口93側)から順に、第一電極21、第一保持層51、保持材8、第二電極22、第二保持層52が、積層している。第一導電線231は第一電極21に接続され、且つ容器9の上面の開口93から外部に引き出されている。第二導電線232は第二電極22に接続され、且つ孔92から外部に引き出されている。電解液は凹所91内に充填され、このため第二電極22、第一保持層51、第二保持層52、及び保持材8が、電解液に浸漬されている。第一電極21はその厚み方向の一方の面のみが電解液に接している。
In the
第一電極21は、導電層3(第一導電層31)、及びこの第一導電層31に担持されている第一金属触媒を備える。
The
第一導電層31は、炭素粉末とバインダーとから形成されている。炭素粉末としては、特に制限されないが、アセチレンブラック等のカーボンブラック粉末が好ましい。炭素粉末の粒径は特に制限されないが、その平均粒径が10〜100nmの範囲であることが好ましく、更に20〜100nmの範囲であることが好ましい。尚、平均粒径は、動的光散乱層によって測定される。一方、バインダーとしては、特に制限されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂であることが好ましい。第一導電層31は、例えば炭素粉末とバインダーの粉末とを含有するペースト状の組成物101から形成される。例えば、炭素粉末とバインダーの粉末とが配合され、更にイソヘキサノール等の適宜の溶剤が添加され、更にこれらが混練されることで、ペースト状の組成物101が得られる。この場合、炭素粉末100質量部に対するバインダーの割合は100質量部以上400質量部以下の範囲であることが好ましい。この割合が400質量部以下であると第一導電層31に電着により触媒が担持されやすくなる。また、この割合が100質量部以上であることで、第一導電層31の形状が維持されやすくなる。例えば、アセチレンブラック(例えば電気化学工業株式会社製のアセチレンカーボン粉末)10質量部と、PTFE粉末(例えばダイキン工業株式会社製、品番D−201))30質量部とが配合され、これらに適当量のイソヘキサノールが加えられ、更にこれらが3本ロールミル等で例えば10分間混錬されることで、ペースト状の組成物101が得られる。
The first
また、炭素粉末と、バインダーの粉末を含有する水溶液又は水分散液とが配合され、更にイソヘキサノール等の適宜の溶剤が添加され、更にこれらが混練されることで、ペースト状の組成物101が得られてもよい。この場合、炭素粉末100質量部に対するバインダーの割合は5〜30質量部の範囲であることが好ましい。例えばアセチレンブラック(例えば電気化学工業株式会社製のアセチレンカーボン粉末)10質量部と、PTFE水溶液(例えばダイキン工業株式会社製、品番D−210C)2量部とが配合され、これらに適当量のイソヘキサノールが加えられ、更にこれらを3本ロールミル等で例えば10分間混錬されることで、ペースト状の組成物101が得られる。
Also, the paste-
ペースト状の組成物101が加熱成形されることで、第一導電層31が得られる。第一導電層31の厚みは、特に制限されないが、0.1mm以上1mm以下の範囲であることが好ましい。
The first
第一導電層31が第一保持層51上に形成されることで、第一導電層31と第一保持層51とが接合されることが好ましい。第一保持層51は、電気絶縁性を有する多孔質な層であり、例えば多孔質ガラス繊維シートから形成される。第一保持層51の厚みは、特に制限されないが、0.1mm以上3mm以下の範囲であることが好ましい。
It is preferable that the first
本実施形態の一態様では、第一導電層31が作製されるにあたり、まず、図2(a)及び図2(b)に示されるように、転写用の部材102上にペースト状の組成物101が塗布される。転写用の部材102は、離型性の高い材質から形成されることが好ましく、例えばフッ素樹脂シート、シリコン樹脂シート等であることが好ましい。ペースト状の組成物101の塗布方法としては、特に制限されないが、例えばメタルスクリーン103及びスキージ104等を用いるスクリーン印刷法が採用される。
In one aspect of the present embodiment, when the first
続いて、図2(c)に示されるように、転写用の部材102上の組成物101に第一保持層51が重ねられる。この場合、第一保持層51と組成物101との間に第一導電線231の端部が配置されることが好ましい。第一導電線231の材質は、特に制限されないが、例えば白金線が挙げられる。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, the
続いて、第一保持層51と組成物101が、加熱・加圧される。この場合、例えば転写用の部材102、組成物101、及び第一保持層51が、一対の熱盤105間に配置され、この熱盤105によって転写用の部材102及び第一保持層51ごと、組成物101が加熱加圧成形される。このように組成物101が加熱加圧されると、組成物101中のバインダーが溶融してから固化することで、シート状で多孔質の第一導電層31が形成される。また、組成物101が第一保持層51に重なっている状態でバインダーが溶融してから固化するため、第一導電層31が第一保持層51に接合される。更に、第一導電線231の端部は第一導電層31と第一保持層51との間に挟まれて固定され、これにより第一導電層31と第一導電線231とが電気的に接続される。成形後は、図2(d)に示すように、第一導電層31から転写用の部材102が剥離される。
Subsequently, the
本実施形態の別の一態様では、第一導電層31が作製されるにあたり、まず、ペースト状の組成物101が加熱されながらロール成形されることで、シート状の成形体が得られる。この成形体は、必要に応じてトムソン型などにより所定の寸法及び形状に打ち抜かれる。この成形体が第一保持層51上に重ねられる。この場合、第一保持層51上に第一導電線231の端部が配置された状態で成形体が重ねられることで、第一保持層51と成形体との間に第一導電線231の端部が挟まれることが好ましい。
In another aspect of the present embodiment, when the first
続いて、第一保持層51上の成形体が、加熱・加圧される。この場合、例えば成形体と第一保持層51が一対の熱盤105間に配置され、この熱盤105によって第一保持層51ごと成形体が加熱加圧成形される。このように成形体が加熱加圧されると、成形体中のバインダーが溶融してから固化することで、シート状で多孔質の第一導電層31が形成される。また、組成物101が第一保持層51に重なっている状態でバインダーが溶融してから固化するため、成形体が第一保持層51に接合される。更に、第一導電線231の端部は第一導電層31と第一保持層51との間に挟まれて固定され、これにより第一導電層31と第一導電線231とが電気的に接続される。
Subsequently, the formed body on the
組成物101又は成形体の加熱加圧条件は、組成物101の組成等に応じて適宜設定されるが、例えば加熱温度は210℃以上250℃以下の範囲であることが好ましく、加圧力は29.4kPa(0.3kg/cm2)以上196.1kPa(2kg/cm2)以下の範囲であることが好ましく、成形時間は10秒以上60秒以下の範囲であることが好ましい。
The heating and pressurizing conditions of the
第一導電層31が形成された後、この第一導電層31に第一金属触媒が担持される。第一金属触媒は、電着法により第一導電層31上で形成され、それにより第一導電層31に担持されている。
After the first
第一金属触媒は、ガス中の検出対象の電気化学的反応を促進する金属であればよい。第一金属触媒は、特に白金であることが好ましい。 The first metal catalyst may be a metal that promotes the electrochemical reaction to be detected in the gas. The first metal catalyst is particularly preferably platinum.
電着法により、第一電極21に第一金属触媒として白金を担持させる方法について、図3を参照して説明する。まず、電解槽107内に電着用電解液108が入れられる。電着用電解液108としては、塩化白金酸6水和物などの白金化合物の水溶液が用いられることが好ましい。電着用電解液108中の塩化白金酸6水和物の濃度は、10g/L以上50g/L以下の範囲であることが好ましい。また、電着用電解液108が第一導電層31と馴染みやすくなるためには、電着用電解液108に界面活性剤、適量のメタノール等のアルコールなどが、添加されることが好ましい。
A method of supporting platinum as the first metal catalyst on the
この電着用電解液108に、第一導電層31と、対極109とが浸漬される。対極109としては、例えば白金電極が用いられる。尚、第一導電層31が第一保持層51に接合している場合には、第一保持層51と共に第一導電層31が電着用電解液108に浸漬され、このため第一導電層31が取り扱いやすくなる。この第一導電層31と対極109との間に、第一導電層31がカソードとなり、且つ対極109がアノードになるように、電源110から電圧が印加される。第一導電層31に第一導電線231が接続されている場合は、第一導電層31への給電のために第一導電線231が利用され得る。電解条件は、電着用電解液108の組成等に応じ、適宜設定される。これにより、第一導電層31上に第一金属触媒が電解反応により析出し、これにより第一金属が第一導電層31に担持される。続いて、電着用電解液108から第一導電層31が引き上げられ、充分に水洗される。これにより、第一導電層31と、この第一導電層31に担持されている第一金属触媒とを備える、第一電極21が得られる。
The first
このように電着法により第一金属触媒が多孔質な第一導電層31に担持されると、第一金属触媒の担持量が少なくても、第一金属触媒は第一電極21上での電極反応の促進に効果的に寄与することになる。これは、電着法により第一金属触媒が形成される際には、電着用電解液108が多孔質な第一導電層31にある程度浸透することにより、第一金属触媒が、第一導電層31の表層近くだけでなく、第一導電層31の内奥にも担持され、更に第一金属触媒は超微粒子状態で担持されるようになるためであると、考えられる。このために、第一金属触媒の担持量が少なくても、第一金属触媒の表面積が非常に大きくなり、且つ第一電極21を通過するガスが第一金属触媒に接触しやすくなり、このために第一金属触媒が第一電極21上での電極反応の促進に効果的に寄与することになると、考えられる。また、電着条件(電圧、電流、電着時間)を選ぶことにより、第一電極21上の第一金属触媒の付着状態及び付着量を制御することができる。
As described above, when the first metal catalyst is supported on the porous first
第一金属触媒の好ましい担持量は第一導電層31の投影面積1cm2当たり、0.1mg以上20mg以下の範囲であることが好ましく、1mg以上20mg以下の範囲であれば更に好ましい。このように担持量が少量であっても、第一金属触媒が第一電極21上での電極反応の促進に効果的に寄与することができる。尚、投影面積とは、第一電極21、第一保持層51、保持材8、第二電極22、及び第二保持層52が積層する方向への投影面積である。
A preferred loading amount of the first metal catalyst is preferably in the range of 0.1 mg to 20 mg, more preferably in the range of 1 mg to 20 mg, per 1 cm 2 of the projected area of the first
第二電極22は、第二導電層、及びこの第二導電層に担持されている第二金属触媒を備える。
The
第二導電層は、炭素粉末とバインダーとから形成されている。第二導電層を形成するための材料及び形成方法としては、上述の第一導電層31を形成するための材料及び形成方法が、そのまま採用され得る。
The second conductive layer is formed from carbon powder and a binder. As the material and forming method for forming the second conductive layer, the above-described material and forming method for forming the first
第二導電層が第二保持層52上に形成されることで、第二導電層と第二保持層52とが接合されることが好ましい。第二保持層52は、電気絶縁性を有する多孔質な層であり、例えば多孔質ガラス繊維シートから形成される。第二保持層52の厚みは、特に制限されないが、0.3mm以上3mm以下の範囲であることが好ましい。第二導電層と第二保持層52とが接合されるための手法としては、上記の第一導電層31と第一保持層51とが接合されるための手法が、そのまま採用され得る。この場合、第二導電線232の端部は第二導電層と第二保持層52との間に挟まれて固定され、これにより第二導電層と第二導電線232とが電気的に接続される。
It is preferable that the second conductive layer and the
第二導電層が形成された後、この第二導電層に第二金属触媒が担持される。第二金属触媒は、電着法により第二導電層上で形成され、それにより第二の導電層に担持されている。第二金属触媒は、電解液の電気化学的反応を促進する金属であればよい。第二金属触媒は、特に白金であることが好ましい。電着法により第二電極22に第二金属触媒として白金を担持させる方法としては、上述の第一電極21に第一金属触媒として白金を担持させる方法が、そのまま採用され得る。
After the second conductive layer is formed, the second metal catalyst is supported on the second conductive layer. The second metal catalyst is formed on the second conductive layer by the electrodeposition method, and is thereby supported on the second conductive layer. The second metal catalyst may be a metal that promotes the electrochemical reaction of the electrolytic solution. The second metal catalyst is particularly preferably platinum. As a method of supporting platinum as the second metal catalyst on the
このように電着法により第二電極22上に第二金属触媒が担持されると、第一電極21に第一金属触媒が担持される場合と同じ理由により、第二金属触媒は第二電極22上での電極反応の促進に効果的に寄与することになる。
Thus, when the second metal catalyst is supported on the
第二金属触媒の好ましい担持量は第二導電層の投影面積1cm2当たり、0.1mg以上20mg以下の範囲であることが好ましく、1mg以上20mg以下の範囲であれば更に好ましい。このように担持量が少量であっても、第二金属触媒が第二電極22上での電極反応の促進に効果的に寄与することができる。
The preferred loading amount of the second metal catalyst is preferably in the range of 0.1 mg to 20 mg, more preferably in the range of 1 mg to 20 mg, per 1 cm 2 of the projected area of the second conductive layer. Thus, even if the loading is small, the second metal catalyst can effectively contribute to the promotion of the electrode reaction on the
保持材8は、電解液を第一電極21及び第二電極22に安定的に接するように保持するために用いられる。保持材8は、電解液が毛管現象により浸透し得るような多孔質材から形成されることが好ましい。例えば保持材8が、ガラス繊維材、多孔質塩化ビニル材、多孔質ポリプロピレン材等から形成されることが好ましい。
The holding
図4(a)及び図4(b)に示されるように、容器9の凹所91内に、第二保持層52、第二電極22、保持材8、第一保持層51、及び第一電極21が、この順番に入れられることで、これらの要素が積層して容器9の凹所91内に収容される。尚、本実施形態では、第二保持層52は第二電極22に接合しているため、第二保持層52と第二電極22とは同時に凹所91内に収容され、また第一保持層51は第一電極21に収容されているため、第一保持層51と第一電極21とは同時に凹所91内に収容される。
As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, the
第二保持層52と第二電極22とが凹所91内に収容される際、第二導電線232は凹所91内から孔92を通じて外部に引き出される。また、第一保持層51と第一電極21とが凹所91内に収容される際、第一導電線231は凹所91の上面側の開口93から外部に引き出される。
When the
尚、第二導電線232の端部が予め第二導電層と第二保持層52との間に挟まれて固定されていない場合には、適宜の手法により第二電極22に第二導電線232の端部が接続される。例えば第二電極22と保持材8との間に第二導電線232の端部が挟まれて固定されることで、第二電極22に第二導電線232の端部が接続される。また、第一導電線231の端部が予め第一導電層31と第一保持層51との間に挟まれて固定されていない場合にも、適宜の手法により第一電極21に第一導電線231の端部が接続される。
In addition, when the edge part of the 2nd
容器9の凹所91内に、第二保持層52、第二電極22、保持材8、第一保持層51、及び第一電極21が、入れられる際、電解液が、適宜のタイミングで容器9の凹所91内に供給される。電解液としては、硫酸水溶液、リン酸水溶液、硫酸ナトリウム水溶液、硝酸カリウム水溶液等の、電気化学式ガスセンサ素子1に適用され得る適宜の電解液が使用されてよい。
When the
電解液は、凹所91内で保持材8、第一保持層51、及び第二保持層52に浸透することで、これら保持材8、第二保持材82、第一保持層51、及び第二保持層52に保持される。これにより、電解液が第一電極21及び第二電極22に安定的に接するようになる。
The electrolytic solution penetrates into the holding
続いて、キャップ部材6により容器9の開口93が覆われるように、キャップ部材6が容器9に接着、溶着等により固定される。キャップ部材6の底面図を図5に示す。キャップ部材6内には、凹所64が形成されている。また、キャップ部材6における容器9の開口93に対向する面には、凹所91に連通する開口65が形成されている。この凹所64内には複数の壁体66が設けられ、これにより、凹所64には蛇行状の流路が形成されている。また、キャップ部材6には凹所64内と外部とを連通するガス供給口62及びガス排出口63が形成されている。このガス供給口62及びガス排出口63は、流路の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ連通している。キャップ部材6の材質は特に制限されず、例えばキャップ部材6は適宜のプラスチックから形成される。特にキャップ部材6が、塩酸水溶液等の電解液に対する耐久性の高いポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂等から形成されることが好ましい。
Subsequently, the
このキャップ部材6の開口65と容器9の開口93とが重なるようにして、容器9の開口93がキャップ部材6により覆われ、これにより第一電極21がキャップ部材6に覆われる。そうすると、キャップ部材6と第一電極21との間には、凹所64から成る空間61が形成され、この空間61がガス供給口62及びガス排出口63を通じて外部と連通している。また、このようにキャップ部材6により容器9の開口93が覆われると、キャップ部材6の壁体66が第一電極21に突き当たり、これにより容器9の凹所91内で第二保持層52、第二電極22、保持材8、第一保持層51、及び第一電極21が固定される。
The
このように構成される電気化学式ガスセンサ素子1では、検出対象を含むガスがガス供給口62から空間61内へ供給されると、このガスが第一電極21に接し、それに応じて第一電極21と第二電極22との間に起電力が発生する。この場合に、第一電極21と第二電極22との間の電位差、第一電極21と第二電極22の間に流れる電流等が、第一導電線231及び第二導電線232を介して検出されることで、それに基づいて、ガス中の検出対象が検出され、或いは更にこの検出対象の濃度が測定される。
In the electrochemical
尚、本実施形態において、第一電極21は第一保持層51に接合していなくてもよく、またこの場合は電気化学式ガスセンサ素子1は第一保持層51を備えなくてもよい。第一電極21が第一保持層51に接合されずに作製される場合、すなわち第一電極21が単独膜として形成される場合には、例えばまず、ペースト状の組成物101が加熱されながらロール成形されることで、シート状の成形体が得られる。この成形体は、必要に応じてトムソン型などにより所定の寸法及び形状に打ち抜かれる。この成形体が加熱・加圧される。この場合、例えば成形体が一対の熱盤間に配置され、この熱盤によって成形体が加熱加圧成形される。このように成形体が加熱加圧されると、成形体中のバインダーが溶融してから固化することで、シート状で多孔質の第一導電層の単独膜が形成される。
In the present embodiment, the
また、本実施形態において、図6に示されるように、電気化学式ガスセンサ素子1が、キャップ部材6に代えて、通気部材7を備えてもよい。この場合、通気部材7により容器9の開口93が覆われるように、通気部材7が容器9に接着、溶着等により固定され、これにより第一電極21が通気部材7に覆われる。
In this embodiment, as shown in FIG. 6, the electrochemical
通気部材7により容器9の開口93が覆われると、通気部材7が第一電極21を押さえつけ、これにより容器9の凹所91内で第二保持材82、第二保持層52、第二電極22、保持材8、第一保持層51、及び第一電極21が固定される。また、通気部材7には複数の通孔71が形成されている。これらの通孔71は、外部から前記第一電極21へと至るように形成されている。通気部材7の材質は特に制限されず、例えば通気部材7は適宜のプラスチックから形成される。
When the
電気化学式ガスセンサ素子1が通気部材7を備えると、通気部材7によって第一電極21へ供給されるガスの量が制限されるため、電気化学式ガスセンサ素子1によるガス測定時の測定レンジが大きくなる。
When the electrochemical
尚、電気化学式ガスセンサ素子1が通気部材7を備える場合に、更にキャップ部材6を備えてもよい。
In addition, when the electrochemical
電気化学式ガスセンサ素子1の検出対象は、電気化学的手法により検出され得るのであれば、特に制限されない。検出対象の例としては、アルコール、一酸化炭素、水素等が、挙げられる。
The detection target of the electrochemical
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described.
本実施形態による電気化学式ガスセンサ素子1は、図7(b)に示されるように、第一電極21、第二電極22、電解液、第二保持層52、保持材8、多孔質層4、容器9、第一導電線231、及び第二導電線232を備える。すなわち、本実施形態による電気化学式ガスセンサ素子1は、第一の実施形態における第一保持層51及びキャップ部材6を備えず、且つ多孔質層4を備える。
As shown in FIG. 7B, the electrochemical
容器9には、この容器9の上面(第一面)で開口する凹所91が形成されている。凹所91内には、第二電極22、電解液、及び保持材8が収容される。容器9には、この容器9の側面(第二面)で開口93し、且つ凹所91に連通する孔92も形成されている。
The
凹所91内では、この第一面側(開口93側)から順に、保持材8、第二電極22、第二保持層52、及び第一電極21が、積層している。更に、多孔質層4が第一電極21に重ねられている。この多孔質層4は、容器9に凹所91の開口93を閉塞するように重ねられている。第一導電線231は第一電極21に接続され、且つ外部に引き出されている。第二導電線232は第二電極22に接続され、且つ孔92から外部に引き出されている。電解液は凹所91内に充填され、このため第二電極22、第二保持層52、及び保持材8が電解液に浸漬されている。第一電極21はその厚み方向の一方の面のみが電解液に接している。
In the
第一電極21は、第一の実施形態の場合と同様に、第一導電層31、及びこの第一導電層31に担持されている第一金属触媒を備える。第一導電層31は、第一の実施形態の場合と同様に炭素粉末とバインダーとから形成されている。また、第一の実施形態の場合と同様に、第一導電層31は、例えば炭素粉末とバインダーの粉末とを含有するペースト状の組成物101から形成される。
As in the case of the first embodiment, the
第一導電層31が多孔質層4上に形成されることで、第一導電層31と多孔質層4とが接合されることが好ましい。多孔質層4は、電気絶縁性を有する多孔質な層である。また、多孔質層4は撥水性を有することが好ましい。多孔質層4は、例えば多孔質のフッ素樹脂シートから形成される。尚、市場においては各種のガス透過性を有する多孔質のフッ素樹脂シートが提供されており、これらを多孔質層4として利用することができる。
It is preferable that the first
本実施形態における第一導電層31の形成方法としては、第一の実施形態における第一導電層31の形成方法が、そのまま採用され得る。また、本実施形態における第一導電層31が多孔質層4上に形成されることで、第一導電層31と多孔質層4とが接合されるための方法としては、第一の実施形態における第一導電層31が第一保持層上に形成されることで、第一導電層31と第一保持層とが接合されるための方法が、そのまま採用され得る。尚、本実施形態では、第一導電層31の平面視寸法は第一導電層31が凹所91内に収まるように形成され、多孔質層4の平面視寸法は、多孔質層4が開口93を閉塞し得るように第一導電層31よりも大きく形成される。
As a method for forming the first
第一導電層31が形成された後、この第一導電層31に第一金属触媒が、電着法により担持される。本実施形態における第一導電層31に第一金属触媒が担持する方法としては、第一の実施形態における第一導電層31に第一金属触媒が担持する方法が、そのまま採用され得る。電着法により第一電極21に第一金属触媒を担持させるにあたり、第一導電層31が多孔質層4に接合している場合には、多孔質層4と共に第一導電層31が電着用電解液に浸漬される。このため第一導電層31が取り扱いやすくなる。
After the first
第二電極22は、第二導電層、及びこの第二導電層に担持されている第二金属触媒を備える。この第二電極22の構成及び作製方法は、第一の実施形態の場合と同じである。また、保持材8の構成も、第一の実施形態の場合と同じである。
The
図7(a)及び図7(b)に示されるように、容器9の凹所91内に第二保持層52、第二電極22、及び保持材8が、この順番に入れられることで、これらの要素が積層して容器9の凹所91内に収容される。尚、本実施形態では、第二保持層52は第二電極22に接合しているため、第二保持層52と第二電極22とは同時に凹所91内に収容される。
As shown in FIGS. 7A and 7B, the
第二保持層52と第二電極22とが凹所91内に収容される際、第二導電線232は凹所91内から孔92を通じて外部に引き出される。尚、第二導電線232の端部が予め第二導電層と第二保持層52との間に挟まれて固定されていない場合には、適宜の手法により第二電極22に第二導電線232の端部が接続される。例えば第二電極22と保持材8との間に第二導電線232の端部が挟まれて固定されることで、第二電極22に第二導電線232の端部が接続される。
When the
容器9の凹所91内に、第二保持材82、第二保持層52、第二電極22、及び保持材8が入れられる際、電解液が、適宜のタイミングで容器9の凹所91内に供給される。電解液としては、硫酸水溶液、リン酸水溶液、硫酸ナトリウム水溶液、硝酸カリウム水溶液等の、電気化学式ガスセンサ素子1に適用され得る適宜の電解液が使用されてよい。
When the second holding material 82, the
続いて、容器9に、凹所91の開口93を閉塞するように第一電極21が重ねられ、この第一電極21に多孔質層4が重ねられる。第一電極21に多孔質層4が接合している場合には、第一電極21と多孔質層4が同時に容器9に重ねられる。また、第一導電線231が外部に引き出される。尚、第一導電線231の端部が予め第一導電層31と多孔質層4との間に挟まれて固定されていない場合には、適宜の手法により第一電極21に第一導電線231の端部が接続される。例えば第一電極21と保持材8との間に第二導電線232の端部が挟まれて固定されることで、第一電極21に第一導電線231の端部が接続される。
Subsequently, the
このように構成される電気化学式ガスセンサ素子1では、電解液は、凹所91内で保持材8、第二保持材82、及び第二保持層52に浸透することで、これら保持材8、第二保持材82、第一保持層51、及び第二保持層52に保持される。これにより、電解液が第一電極21及び第二電極22に安定的に接するようになる。
In the electrochemical
このように構成される電気化学式ガスセンサ素子1では、検出対象を含むガスが多孔質層4に接すると、ガスが多孔質層4を介して第一電極21に達する。このガスが第一電極21に接すると、それに応じて第一電極21と第二電極22との間に起電力が発生する。この場合に、第一電極21と第二電極22との間の電位差、第一電極21と第二電極22の間に流れる電流等が、第一導電線231及び第二導電線232を介して検出されることで、それに基づいて、ガス中の検出対象が検出され、或いは更にこの検出対象の濃度が測定される。
In the electrochemical
また、本実施形態では、多孔質層4によって電解液の蒸発が抑制される。また、多孔質層4によって第一電極21へ供給されるガスの量が制限されるため、電気化学式ガスセンサ素子1によるガス測定時の測定レンジが大きくなる。
In the present embodiment, evaporation of the electrolyte is suppressed by the
尚、本実施形態において、第一の実施形態のように電気化学式ガスセンサ素子1が更にキャップ部材6を備えてもよい。
In this embodiment, the electrochemical
また、本実施形態において、図8に示すように、多孔質層4に重ねて、図6に示す場合と同様に通気部材7が設けられてもよい。この場合、通気部材7によって第一電極21へ供給されるガスの量が更に制限されるため、電気化学式ガスセンサ素子1によるガス測定時の測定レンジが更に大きくなる。
Moreover, in this embodiment, as shown in FIG. 8, the
[導電層の作製]
アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製、平均粒径20nm)10gと、PTFE粉末(ダイキン工業株式会社製、品番F104)30gとを配合し、これらに適当量のイソヘキサノールを加えた。これにより得られた混合物を三本ロールミルにより10分間混練した。これにより、ペースト状の組成物を得た。
[Preparation of conductive layer]
10 g of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., average particle size 20 nm) and 30 g of PTFE powder (manufactured by Daikin Kogyo Co., Ltd., product number F104) were blended, and an appropriate amount of isohexanol was added thereto. The resulting mixture was kneaded with a three roll mill for 10 minutes. Thereby, a paste-like composition was obtained.
このペースト状の組成物を、厚み1mm、開口径20mmのメタルスクリーン103を用いて、シリコン樹脂シート上に、スクリーン印刷法により塗布した。
This paste-like composition was applied on a silicon resin sheet by a screen printing method using a
このシリコン樹脂シート上の組成物の上に、多孔質ガラス繊維シート(厚み1mm)を重ねると共に、この組成物と多孔質ガラス繊維シートとの間に長さ20mm、直径60μmの白金線の端部を挟み込んだ。これらを加熱温度220℃、加圧力49.0kPa(0.5kg/cm2)、成形時間30秒間の条件で加熱加圧成形した。これにより、組成物を成形して導電層を形成すると共に、この導電層に多孔質ガラス繊維シートを接合し、更に導電層に白金線を接続した。
A porous glass fiber sheet (
[金属触媒の担持]
2gの塩化白金酸6水和物を、100cm3の蒸留水に溶解させ、更に的当量の界面活性剤及びメタノールを加えることで、電着用電解液を得た。
[Supporting metal catalyst]
An electrolytic solution for electrodeposition was obtained by dissolving 2 g of chloroplatinic acid hexahydrate in 100 cm 3 of distilled water and adding an equivalent amount of a surfactant and methanol.
100cm3の電着用電解液をガラス製ビーカーに入れ、更に、この電着用電解液内に、長さ50mm、幅10mm、厚み50μmの白金電極と、導電層とを浸漬し、直流電源の陽極を白金電極に、この直流電源の陰極を導電層に接続した。電着用電解液の温度を35℃に保持しながら、直流電源から白金電極と導電層との間に電圧を印加することで、50mAの電流を4分間通電させた。続いて、導電層を蒸留水で洗浄してから風乾した。これにより、導電層と、この導電層に担持されている金属触媒とを備える電極を得た。 A 100 cm 3 electrodeposition electrolytic solution is placed in a glass beaker, and further, a 50 mm long, 10 mm wide, 50 μm thick platinum electrode and a conductive layer are immersed in the electrodeposition electrolytic solution, and an anode of a DC power source is provided. The cathode of this direct current power source was connected to the conductive layer to the platinum electrode. While maintaining the temperature of the electrodeposition electrolytic solution at 35 ° C., a current of 50 mA was applied for 4 minutes by applying a voltage between the platinum electrode and the conductive layer from a DC power source. Subsequently, the conductive layer was washed with distilled water and then air-dried. Thereby, an electrode provided with a conductive layer and a metal catalyst supported on the conductive layer was obtained.
この方法により、第一電極と第二電極とを得た。 By this method, a first electrode and a second electrode were obtained.
[電気化学式ガスセンサ素子の組立]
開口径20mm、深さ3mmの寸法の凹所を備え、且つ側面に凹所に連通する孔が形成されている容器を用意した。この容器の凹所内に第二電極を、この第二電極に重ねられている多孔質ガラス繊維シートが下側に配置されるように、配置し、この第二電極に接続されている白金線を容器の孔から外側へ引き出した。続いて、凹所内に厚み1mmのガラス繊維材を入れた。続いて、凹所内に、電解液として硫酸水溶液を入れた。続いて、凹所内に第一電極を、この第一電極に重ねられている多孔質ガラス繊維シートが下側に配置されるように、配置した。更に、キャップ部材により容器の開口を覆った。これにより、図1に示す構造を有する電気化学式ガスセンサ素子を得た。
[Assembly of electrochemical gas sensor element]
A container provided with a recess having an opening diameter of 20 mm and a depth of 3 mm and having a side surface formed with a hole communicating with the recess was prepared. Place the second electrode in the recess of this container so that the porous glass fiber sheet superimposed on this second electrode is placed on the lower side, and connect the platinum wire connected to this second electrode The container was pulled out from the hole of the container. Subsequently, a glass fiber material having a thickness of 1 mm was placed in the recess. Subsequently, an aqueous sulfuric acid solution was placed as an electrolytic solution in the recess. Then, the 1st electrode was arrange | positioned so that the porous glass fiber sheet piled up on this 1st electrode might be arrange | positioned below in a recess. Furthermore, the opening of the container was covered with a cap member. Thus, an electrochemical gas sensor element having the structure shown in FIG. 1 was obtained.
[評価]
(バッチ測定)
電気化学式ガスセンサ素子を、エタノールを含むガスで満たされた雰囲気中に配置した場合の、電気化学式ガスセンサ素子の出力を測定した。その結果を図9のグラフに示す。このグラフにおいて、横軸は雰囲気中のエタノールの濃度を示す。また、このグラフにおいて、縦軸は電気化学式ガスセンサ素子の出力を示す。尚、この出力は増幅回路によって増幅されており、更にこの出力のベースラインは1Vに調整されている。
[Evaluation]
(Batch measurement)
The output of the electrochemical gas sensor element was measured when the electrochemical gas sensor element was placed in an atmosphere filled with a gas containing ethanol. The result is shown in the graph of FIG. In this graph, the horizontal axis indicates the concentration of ethanol in the atmosphere. In this graph, the vertical axis represents the output of the electrochemical gas sensor element. This output is amplified by an amplifier circuit, and the baseline of this output is adjusted to 1V.
この結果から示されるとおり、電気化学式ガスセンサ素子を検出対象を含むガス雰囲気に配置した場合、電気化学式ガスセンサ素子の出力はリニアであり、且つ感度が良好であった。 As shown from this result, when the electrochemical gas sensor element was placed in a gas atmosphere including the detection target, the output of the electrochemical gas sensor element was linear and the sensitivity was good.
(吹き込み測定)
電気化学式ガスセンサ素子におけるキャップのガス供給口へ、エタノールを含む0.5cm3のガスを吹き込んだ場合の、電気化学式ガスセンサ素子の最大出力を測定した。その結果を図10のグラフに示す。このグラフにおいて、横軸はガス供給口へ吹き込んだガス中のエタノールの濃度を示す。また、このグラフにおいて、縦軸は電気化学式ガスセンサ素子の出力を示す。尚、この出力は増幅回路によって増幅されており、更にこの出力のベースラインは1Vに調整されている。
(Blow measurement)
The maximum output of the electrochemical gas sensor element was measured when 0.5 cm 3 of gas containing ethanol was blown into the gas supply port of the cap in the electrochemical gas sensor element. The result is shown in the graph of FIG. In this graph, the horizontal axis indicates the concentration of ethanol in the gas blown into the gas supply port. In this graph, the vertical axis represents the output of the electrochemical gas sensor element. This output is amplified by an amplifier circuit, and the baseline of this output is adjusted to 1V.
この結果から示されるとおり、電気化学式ガスセンサ素子のガス供給口へ、検出対象を含むガスを吹き込んだ場合にも、電気化学式ガスセンサ素子の出力はリニアであり、且つ感度が良好であった。 As shown from this result, even when the gas including the detection target was blown into the gas supply port of the electrochemical gas sensor element, the output of the electrochemical gas sensor element was linear and the sensitivity was good.
1 電気化学式ガスセンサ素子
21 第一電極
22 第二電極
31 第一導電層
4 多孔質層
51 第一保持層
52 第二保持層
6 キャップ部材
61 空間
62 ガス供給口
63 ガス排出口
7 通気部材
71 通孔
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記第一電極が、炭素粉末とバインダーとから形成されている第一導電層と、この第一導電層に担持されている第一金属触媒とを備え、前記第一金属触媒が、電着法により形成されることで前記第一導電層に担持されていることを特徴とする電気化学式ガスセンサ素子。 An electrochemical gas sensor element comprising: an electrolytic solution; a first electrode in contact with the detection target in the electrolytic solution and gas; and a second electrode in contact with the electrolytic solution,
The first electrode includes a first conductive layer formed of carbon powder and a binder, and a first metal catalyst supported on the first conductive layer, and the first metal catalyst is an electrodeposition method. The electrochemical gas sensor element, wherein the electrochemical gas sensor element is carried by the first conductive layer.
前記第二電極が、炭素粉末とバインダーとから形成されている第二導電層と、この第二導電層に担持されている第二金属触媒とを備え、前記第二金属触媒が、電着法により形成されることで前記第二導電層に担持されていることを特徴とする電気化学式ガスセンサ素子。 An electrochemical gas sensor element comprising an electrolytic solution, a first electrode in contact with the detection target in the electrolytic solution and gas, and a second electrode in contact with the electrolytic solution,
The second electrode includes a second conductive layer formed of carbon powder and a binder, and a second metal catalyst supported on the second conductive layer, and the second metal catalyst is an electrodeposition method. The electrochemical gas sensor element, wherein the electrochemical gas sensor element is carried by the second conductive layer.
前記キャップ部材と前記第一電極との間にはガスが流通し得る空間が形成されており、
前記キャップ部材には前記空間と外部とを連通するガス供給口及びガス排出口が形成されている請求項1乃至8のいずれか一項に記載の電気化学式ガスセンサ素子。 A cap member covering the first electrode;
A space through which gas can flow is formed between the cap member and the first electrode,
The electrochemical gas sensor element according to any one of claims 1 to 8, wherein the cap member is formed with a gas supply port and a gas discharge port for communicating the space with the outside.
前記通気部材には、外部から前記第一電極へと至る通孔が形成されている請求項1乃至8のいずれか一項に記載の電気化学式ガスセンサ素子。 A ventilation member superimposed on a surface of the first electrode that contacts the gas;
The electrochemical gas sensor element according to any one of claims 1 to 8, wherein a through-hole extending from the outside to the first electrode is formed in the ventilation member.
前記第一金属触媒を電着法により形成することで前記第一導電層に担持させるステップを含むことを特徴とする電気化学式ガスセンサ素子の製造方法。 A first electrode in contact with the electrolytic solution and a detection target in the gas; and a second electrode in contact with the electrolytic solution, wherein the first electrode is formed of carbon powder and a binder. A method for producing an electrochemical gas sensor element comprising a conductive layer and a first metal catalyst supported on the first conductive layer,
A method for producing an electrochemical gas sensor element, comprising the step of supporting the first conductive layer by forming the first metal catalyst by an electrodeposition method.
前記第二金属触媒を電着法により形成することで前記第二導電層に担持させるステップを更に含むことを特徴とする請求項11に記載の電気化学式ガスセンサ素子の製造方法。 The second electrode includes a second conductive layer formed of carbon powder and a binder, and a second metal catalyst supported on the second conductive layer,
The method for producing an electrochemical gas sensor element according to claim 11, further comprising a step of supporting the second conductive catalyst on the second conductive layer by forming the second metal catalyst by an electrodeposition method.
前記第二金属触媒を電着法により形成することで前記第二導電層に担持させるステップを含むことを特徴とする電気化学式ガスセンサ素子の製造方法。 A second electrode comprising an electrolytic solution, a first electrode in contact with the electrolytic solution and a detection target in the gas, and a second electrode in contact with the electrolytic solution, wherein the second electrode is formed of carbon powder and a binder. A method for producing an electrochemical gas sensor element comprising a conductive layer and a second metal catalyst supported on the second conductive layer,
A method for producing an electrochemical gas sensor element, comprising the step of supporting the second conductive layer on the second conductive layer by forming the second metal catalyst by an electrodeposition method.
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