JP2017053689A - Electrochemical type oxygen sensor - Google Patents

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直久 北澤
Naohisa Kitazawa
直久 北澤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical type oxygen sensor capable of suppressing occurrence of output fluctuation or output abnormality caused by an electrochemical reaction itself easily affected by a measured value of a detected oxygen concentration.SOLUTION: An electrochemical type oxygen sensor includes a holder 9, and an electrode 8 and electrolytic solution 7 stored in the holder 9. The electrode 8 is constituted of a Pb-Sb alloy.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電極にPb(鉛)を含み、前記電極の電気化学反応により、気体や液体の濃度を測定する電気化学式酸素センサに関する。   The present invention relates to an electrochemical oxygen sensor that contains Pb (lead) in an electrode and measures the concentration of gas or liquid by the electrochemical reaction of the electrode.

酸素センサは、船倉やマンホール等の酸欠状態のチェックや麻酔器、人工呼吸器などの医療機器における酸素濃度の検出等、広い分野で使用されている。   Oxygen sensors are used in a wide range of fields, such as checking for oxygen deficiency in ship holds and manholes, and detecting oxygen concentrations in medical devices such as anesthesia machines and ventilators.

酸素センサには、電気化学式、磁気式、ジルコニア式などの、種々の方式のものが使用されている。これらの酸素センサの中では、安価・手軽で、常温で作動するため、電気化学式が広く利用されている。   Various types of oxygen sensors such as an electrochemical type, a magnetic type, and a zirconia type are used. Among these oxygen sensors, electrochemical methods are widely used because they are inexpensive and easy to operate and operate at room temperature.

電気化学式酸素センサの動作原理は次の通りである。酸素を選択的に透過させかつ透過量を電池反応に見合うように制限する隔膜(図1中4Aに相当)を通ってきた酸素は、酸素を電気化学的に還元することができる触媒電極(図1中4Bに相当)で還元され、電解液(図1中7に相当)を介して電極(図1中では負極8に相当)との間で次のような電気化学反応を起こす。   The operation principle of the electrochemical oxygen sensor is as follows. Oxygen that has passed through a diaphragm (equivalent to 4A in FIG. 1) that selectively allows oxygen to permeate and limits the amount of permeation to match the cell reaction, is a catalyst electrode that can electrochemically reduce oxygen (see FIG. 1). 1) (corresponding to 4B in FIG. 1), and undergoes the following electrochemical reaction with the electrode (corresponding to negative electrode 8 in FIG. 1) via the electrolytic solution (corresponding to 7 in FIG. 1).

電解液が酸性の場合
正極反応:O+4H+4e→2H
負極反応:2Pb+2HO→2PbO+4H+4e
全反応 :2Pb+O →2PbO
電解液がアルカリ性の場合
正極反応:O+2HO+4e→4OH
負極反応:2Pb+4OH→2PbO+2HO+4e
全反応 :2Pb+O→2PbO
When electrolyte is acidic, positive electrode reaction: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
Negative electrode reaction: 2Pb + 2H 2 O → 2PbO + 4H + + 4e
Total reaction: 2Pb + O 2 → 2PbO
When electrolyte is alkaline, positive electrode reaction: O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH
Negative electrode reaction: 2Pb + 4OH → 2PbO + 2H 2 O + 4e
Total reaction: 2Pb + O 2 → 2PbO

電解液(7)が酸性の場合とアルカリ性の場合とでは、電荷の担い手は異なるが、いずれの場合も触媒電極(4B)と電極(8)との間に、酸素濃度に応じた電流が発生する。触媒電極(4B)での正極反応によって生じた電流は、触媒電極(4B)に圧接された正極集電体(図1中5に相当)で集電され、正極リード線(図1中6に相当)によって外部に導かれ、駆動回路(後述)を通して電極(8)に流れ込むことによって電圧信号に変換され、酸素センサ出力として電圧が得られる。その後、得られた出力電圧が周知の方法で酸素濃度に変換され、酸素濃度として検知される。なお、前記負極表面に発生したPbOは電解液中に溶解し、それによって表面に新たなPbが露出し、それが更に酸化されるメカニズムで前記電気化学反応が継続される。   In the case where the electrolyte (7) is acidic and the case where it is alkaline, the charge bearer is different. In either case, a current corresponding to the oxygen concentration is generated between the catalyst electrode (4B) and the electrode (8). To do. The current generated by the positive electrode reaction at the catalyst electrode (4B) is collected by a positive electrode current collector (corresponding to 5 in FIG. 1) in pressure contact with the catalyst electrode (4B), and the positive electrode lead wire (in FIG. 1 at 6) Equivalent) and is converted into a voltage signal by flowing into the electrode (8) through a drive circuit (described later), and a voltage is obtained as an oxygen sensor output. Thereafter, the obtained output voltage is converted into an oxygen concentration by a known method and detected as an oxygen concentration. The PbO generated on the surface of the negative electrode is dissolved in the electrolytic solution, whereby new Pb is exposed on the surface, and the electrochemical reaction is continued by a mechanism in which it is further oxidized.

このような電気化学式酸素センサは、出力変動や出力異常が少ないことが要求されており、熱や衝撃などが加わった場合でもこれらの課題を解決できる技術が開示されている。
例えば、特許文献1には、振動や衝撃、熱などの印加によって正極−負極間に空気層が形成されないように、電解液保持部材を正極集電体および負極室開口部に設ける態様が記載されている。 また、特許文献2には、振動や衝撃が加わった場合に、正極集電体と正極リード線の間の接触状態の変化をしにくくするために、これらを金属製としてかつ溶接等で一体化し、更に、正極集電体に接して電解液保持材を備える態様が記載されている。
また、寿命を長く、陽極表面の酸素還元阻止層の形成を防止するために、陽極表面に銅、鉛、アンチモニーあるいはゲルマニュームの少なくとも一つの金属の合成成分を含む薄い層を保有する態様が記載されている。
Such an electrochemical oxygen sensor is required to have less output fluctuation and output abnormality, and a technology that can solve these problems even when heat, impact, or the like is applied is disclosed.
For example, Patent Document 1 describes an aspect in which an electrolyte solution holding member is provided in the positive electrode current collector and the negative electrode chamber opening so that an air layer is not formed between the positive electrode and the negative electrode due to application of vibration, impact, heat, or the like. ing. Further, in Patent Document 2, in order to make it difficult to change the contact state between the positive electrode current collector and the positive electrode lead wire when vibration or impact is applied, these are made of metal and integrated by welding or the like. Furthermore, the aspect provided with an electrolyte solution holding material in contact with the positive electrode current collector is described.
In addition, in order to extend the life and prevent the formation of an oxygen reduction inhibiting layer on the anode surface, an aspect is described in which a thin layer containing a synthetic component of at least one metal of copper, lead, antimony or germanium is held on the anode surface. ing.

特開2002−350384号公報JP 2002-350384 A 特開2001−296268号公報JP 2001-296268 A 特開平6−88268号公報JP-A-6-88268

しかしながら、特許文献1から3に記載の技術は、検知される酸素濃度の測定値に影響を受けやすい上述した電気化学反応そのものに起因する出力変動や出力異常の発生を抑制するものではなかった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、検知される酸素濃度の測定値に影響を受けやすい電気化学反応そのものに起因する出力変動や出力異常の発生を抑制することができる電気化学式酸素センサを提供することを目的とする。
However, the techniques described in Patent Documents 1 to 3 do not suppress the occurrence of output fluctuations and output abnormalities caused by the above-described electrochemical reaction itself that is easily influenced by the measured value of the detected oxygen concentration.
The present invention has been made to solve such problems, and suppresses the occurrence of output fluctuations and output abnormalities caused by the electrochemical reaction itself that is easily affected by the measured value of the detected oxygen concentration. It is an object of the present invention to provide an electrochemical oxygen sensor capable of performing

本発明に係る電気化学式酸素センサは、ホルダーと、前記ホルダー内に収容された電極及び電解液を備え、前記電極はPb−Sb合金である。   The electrochemical oxygen sensor according to the present invention includes a holder, an electrode accommodated in the holder, and an electrolytic solution, and the electrode is a Pb—Sb alloy.

前記Pb−Sb合金は、Sbが含まれるPb系結晶粒を有する金属組織を備えていることが好ましい。
前記Pb−Sb合金は、Sbが含まれるPb系結晶粒とPb−Sb系共晶組織が混在した金属組織を備えていることが好ましい。
前記Pb−Sb合金は、Pb−Sb系共晶組織のみの金属組織を備えていることが好ましい。
前記Pb−Sb合金は、Sbが含まれるPb系結晶粒、Pb−Sb系共晶組織及びSbの固溶体が混在した金属組織を備えていることが好ましい。
前記Pb−Sb合金は、Al、Ag、As、Bi、Cd、Cu、Fe、Mg、Na、Hg、Sn、Zn、S、Se及びCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素が含まれていることが好ましい。
前記電気化学式酸素センサは、前記電極は負極であり、定電位式電気化学式酸素センサ(以下、定電位式酸素センサという。)であることが好ましい。
The Pb—Sb alloy preferably has a metal structure having Pb-based crystal grains containing Sb.
The Pb-Sb alloy preferably has a metal structure in which Pb-based crystal grains containing Sb and a Pb-Sb-based eutectic structure are mixed.
It is preferable that the Pb—Sb alloy has a metal structure having only a Pb—Sb eutectic structure.
The Pb-Sb alloy preferably has a metal structure in which Pb-based crystal grains containing Sb, a Pb-Sb eutectic structure, and a solid solution of Sb are mixed.
The Pb-Sb alloy is one or more selected from the group consisting of Al, Ag, As, Bi, Cd, Cu, Fe, Mg, Na, Hg, Sn, Zn, S, Se, and Ca. It is preferable that an element is contained.
In the electrochemical oxygen sensor, the electrode is a negative electrode, and is preferably a constant potential electrochemical oxygen sensor (hereinafter referred to as a constant potential oxygen sensor).

本発明によれば、検知される酸素濃度の測定値に影響を受けやすい電気化学反応そのものに起因する出力変動や出力異常の発生を抑制することができる電気化学式酸素センサを提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrochemical oxygen sensor which can suppress generation | occurrence | production of the output fluctuation and output abnormality resulting from the electrochemical reaction itself which is easy to be influenced by the measured value of the detected oxygen concentration can be provided.

本実施形態に係る定電位式酸素センサのセル部分のセルの断面構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cross-section of the cell of the cell part of the constant potential type oxygen sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る定電位式酸素センサに用いられる電極の任意の表面における金属組織を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the metal structure in the arbitrary surfaces of the electrode used for the constant potential type oxygen sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る定電位式酸素センサに用いられる電極の任意の表面における他の金属組織を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the other metal structure | tissue in the arbitrary surfaces of the electrode used for the constant potential type oxygen sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る定電位式酸素センサに用いられる電極の任意の表面における他の金属組織を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the other metal structure | tissue in the arbitrary surfaces of the electrode used for the constant potential type oxygen sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る定電位式酸素センサに用いられる電極の任意の表面における他の金属組織を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the other metal structure | tissue in the arbitrary surfaces of the electrode used for the constant potential type oxygen sensor which concerns on this embodiment. 一般的なPb−Sb二元系合金の平衡状態図である。It is an equilibrium diagram of a general Pb-Sb binary alloy. 出力電圧が安定することを説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating that an output voltage is stabilized. 従来の電極の任意の表面における金属組織を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the metal structure in the arbitrary surfaces of the conventional electrode. 定電位式酸素センサの電位と電流との関係の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the relationship between the electric potential of a constant potential type oxygen sensor and an electric current. 定電位式酸素センサのセル部分と駆動回路の一例である。It is an example of the cell part and drive circuit of a constant potential type oxygen sensor. 本実施形態に係る定電位式酸素センサのセル部分の回路の他の一例である。It is another example of the circuit of the cell part of the constant potential type oxygen sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る定電位式酸素センサのセル部分の回路の他の一例である。It is another example of the circuit of the cell part of the constant potential type oxygen sensor which concerns on this embodiment.

本発明者は、前述した電気化学反応そのものに起因する出力変動や出力異常が発生する課題があることを見出し、更に、その課題を解決することができる手段を見出した。
このような電気化学式酸素センサは、上述したような電気化学反応、すなわち、電極(Pb)を消耗させるメカニズムで測定を行っている。この消耗は、通常、電極(Pb)の表面で発生するが、その程度によっては、電極(Pb)の内部でも発生することが明らかとなった。その場合、電極内部においてその消耗が発生した部分の機械的強度が低下するため、当該部分から電極の欠けが生じ、更に、その欠けた破片が電解液(7)から電解液供給用の穿孔(11)やリード線用の穿孔(12)を通って正極集電体(5)や触媒電極(4B)に接触し、これによって、出力変動や出力異常が発生することが明らかとなった。
そのため、本発明者は電極(Pb)の高硬度化を検討したが、単に高硬度化させて逆に前記電気化学反応を抑制させる結果となる場合は、電極の電極活性が劣化している状態であるため、正確な酸素濃度を検知することが難しくなり、センサとして機能しなくなる恐れがある。従って、前記反応の抑制を抑えつつ、前記電極の欠けも抑制するという相反する課題を解決しなければならなかった。
The present inventor has found that there is a problem in which output fluctuations and output abnormalities are caused by the above-described electrochemical reaction itself, and further has found a means for solving the problem.
Such an electrochemical oxygen sensor performs measurement by the above-described electrochemical reaction, that is, a mechanism that consumes the electrode (Pb). This consumption usually occurs on the surface of the electrode (Pb), but depending on the degree, it has become clear that it also occurs inside the electrode (Pb). In this case, since the mechanical strength of the portion where the wear has occurred inside the electrode is reduced, the electrode is chipped from the portion, and the chipped piece is further perforated for supplying the electrolyte from the electrolyte (7) ( 11) and lead wire perforations (12) and contacted with the positive electrode current collector (5) and the catalyst electrode (4B), which revealed that output fluctuations and output abnormalities occurred.
For this reason, the present inventor has studied to increase the hardness of the electrode (Pb). However, when the hardness is simply increased to suppress the electrochemical reaction, the electrode activity of the electrode is deteriorated. For this reason, it is difficult to detect an accurate oxygen concentration, and the sensor may not function. Therefore, it has been necessary to solve the conflicting problem of suppressing the electrode cracking while suppressing the suppression of the reaction.

そこで、鋭意検討を重ねた結果、本発明者は、前記電極(Pb)をPb−Sb合金とすることで、センサとして機能し、かつ、前記電極の欠けも抑制することができることを見出し、その結果、前記電気化学反応そのものに起因する出力変動や出力異常の発生を抑制でき、また、センサの長寿命化も実現することができることを見出し、本発明を完成するに至った。   Therefore, as a result of intensive studies, the present inventors have found that the electrode (Pb) is made of a Pb—Sb alloy, thereby functioning as a sensor and suppressing the chipping of the electrode. As a result, it has been found that output fluctuations and output abnormalities caused by the electrochemical reaction itself can be suppressed, and that the life of the sensor can be extended, and the present invention has been completed.

以下に、本発明の実施形態を説明する。
本実施形態では、本発明に係る電気化学式酸素センサのうち、好適な一例として、定電位式酸素センサを用いて説明する。
電気化学式酸素センサの一種である定電位式酸素センサは、上述したような電気化学反応が起こるセル部分と、当該セル部分の正極−負極間の電圧を一定に保つための駆動回路とを備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
In this embodiment, a description will be given using a constant potential oxygen sensor as a preferred example of the electrochemical oxygen sensor according to the present invention.
A constant potential oxygen sensor, which is a kind of electrochemical oxygen sensor, includes a cell portion in which an electrochemical reaction as described above occurs, and a drive circuit for keeping a voltage between a positive electrode and a negative electrode of the cell portion constant.

図1は、本実施形態に係る定電位式酸素センサのセル部分のセル(図10でいう「Sensor Cell」)の断面構造を示す概念図である。
図1において、1は第1ホルダー蓋(中蓋)、2はO−リング、3は隔膜へのゴミ、チリの付着あるいは、水膜付着を防止するための保護膜、4Aは隔膜、4Bは触媒電極、5は正極集電体、6は正極リード線、7は電解液、8は負極、9はホルダー、10は第2ホルダー蓋(外蓋)、11は電解液供給用の穿孔、12はリード線用の穿孔、13は正極集電体保持部、14は負極リード線である。触媒電極4Bと正極集電体5とで正極45を構成する。また、第1ホルダー蓋1と第2ホルダー蓋10とでホルダー蓋101を構成する。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a cell (“Sensor Cell” in FIG. 10) of a cell portion of a constant potential oxygen sensor according to the present embodiment.
In FIG. 1, 1 is a first holder lid (inner lid), 2 is an O-ring, 3 is a protective film for preventing dirt, dust or water film from adhering to the diaphragm, 4A is a diaphragm, and 4B is a diaphragm. Catalyst electrode, 5 positive electrode current collector, 6 positive electrode lead wire, 7 electrolyte, 8 negative electrode, 9 holder, 10 second holder lid (outer lid), 11 perforation for electrolyte supply, 12 Is a lead wire perforation, 13 is a positive electrode current collector holding portion, and 14 is a negative electrode lead wire. The catalyst electrode 4B and the positive electrode current collector 5 constitute a positive electrode 45. The first holder lid 1 and the second holder lid 10 constitute a holder lid 101.

本実施形態に係る定電位式酸素センサは、図1に示すように、ホルダー9と、前記ホルダー9内に収容された正極45、負極8及び電解液7と、前記正極45上に設けられた隔膜4Aと、前記隔膜4A上に設けられた保護膜3と、前記ホルダー9の保護膜3上に固着して又は着脱可能に設けられ、隔膜4Aに通ずる酸素供給経路(空間)となる貫通孔16が設けられたホルダー蓋101と、前記正極45及び負極8に連結された図10に示す駆動回路とを備える。   As shown in FIG. 1, the constant potential oxygen sensor according to the present embodiment is provided on a holder 9, a positive electrode 45, a negative electrode 8, an electrolyte solution 7 accommodated in the holder 9, and the positive electrode 45. A diaphragm 4A, a protective film 3 provided on the diaphragm 4A, and a through-hole that is fixedly or detachably provided on the protective film 3 of the holder 9 and serves as an oxygen supply path (space) leading to the diaphragm 4A 16 is provided with a holder lid 101 provided with 16 and a drive circuit shown in FIG. 10 connected to the positive electrode 45 and the negative electrode 8.

図9は、定電位式酸素センサの電位と電流との関係の一例を示す模式図である。
図9において、横軸は正極−負極間に流れる電流、縦軸は負極電位に対する正極電位(以下では単に「電圧」とする)である。図9において、Iは0%酸素ガス中での限界電流値を示し、I21は21%酸素ガス中での限界電流値を示し、I100は100%酸素ガス中の限界電流値を示す。電圧がEより低い領域および電圧がEより高い領域では、電圧によって電流は大きく変化するが、電圧がEとEの間では、電流値は酸素透過膜を透過して正極に達する酸素の量、すなわち酸素濃度に応じるため、電圧をEとEの間の適当な値Eとした場合には、電流はその時の酸素濃度に比例してI、I21、I100となる。
なお、E、Eの値は、正極や負極の材質、電解液の種類、正極の面積、温度などの測定条件によって変化するので、これらの条件に適したEの値を選択する必要がある。
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of the relationship between the potential and current of the constant potential oxygen sensor.
In FIG. 9, the horizontal axis represents the current flowing between the positive electrode and the negative electrode, and the vertical axis represents the positive electrode potential with respect to the negative electrode potential (hereinafter simply referred to as “voltage”). In FIG. 9, I 0 indicates a limit current value in 0% oxygen gas, I 21 indicates a limit current value in 21% oxygen gas, and I 100 indicates a limit current value in 100% oxygen gas. . The voltage is low areas and voltage E 1 is higher than E 2 region, the current varies greatly depending on the voltage, between the voltage of the E 1 and E 2, the current value reaches passes through the oxygen permeable membrane to the positive electrode When the voltage is set to an appropriate value E 0 between E 1 and E 2 in accordance with the amount of oxygen, that is, oxygen concentration, the current is proportional to the oxygen concentration at that time, I 0 , I 21 , I 100 It becomes.
Since the values of E 1 and E 2 vary depending on the measurement conditions such as the material of the positive electrode and the negative electrode, the type of the electrolyte, the area of the positive electrode, and the temperature, it is necessary to select an E 0 value suitable for these conditions. There is.

電圧をEとEの間の適当な電圧Eを外部から印加して、電流値を酸素ガスの限界電流領域に収める定電位式として動作させることができる。 By applying an appropriate voltage E 0 between E 1 and E 2 from the outside, the current value can be operated as a constant potential type in which the current value falls within the limiting current region of oxygen gas.

本発明の電気化学式酸素センサの正極としては、酸素の電気化学的還元に有効な金属を用いる。これらの金属の中で定電位式として動作させる場合には金(Au)、白金(Pt)などの触媒電極を使用することができる。   As the positive electrode of the electrochemical oxygen sensor of the present invention, a metal effective for electrochemical reduction of oxygen is used. When these metals are operated as a constant potential type, a catalyst electrode such as gold (Au) or platinum (Pt) can be used.

定電位式酸素センサのセル部分と駆動回路の一例を図10に示す。図10において、点線で囲んだ部分がセル部分で、残りが駆動回路である。図10に示したセル部分において、Saは負極、Scは正極、Stはサーミスタ端子、IC1、IC2、IC3はいずれも差動増幅器、IC4はシャントレギュレータ、THは温度補償用のサーミスタ素子、RY1、RY2は光学式リレーである。   An example of a cell portion and a driving circuit of the constant potential oxygen sensor is shown in FIG. In FIG. 10, a portion surrounded by a dotted line is a cell portion, and the rest is a drive circuit. In the cell portion shown in FIG. 10, Sa is a negative electrode, Sc is a positive electrode, St is a thermistor terminal, IC1, IC2, and IC3 are all differential amplifiers, IC4 is a shunt regulator, TH is a thermistor element for temperature compensation, RY1, RY2 is an optical relay.

差動増幅器・シャントレギュレータの特性から#3の電位は、駆動回路のアース電位(GND)に対してシャントレギュレータIC4と抵抗R8とR9によって設定された電位に維持される。また、#4の電位は駆動回路のアース電位(GND)と同電位である。よって、酸素センサのセル部分の正極電位は負極電位に対して一定の値に保持される。   Due to the characteristics of the differential amplifier / shunt regulator, the potential # 3 is maintained at the potential set by the shunt regulator IC4 and the resistors R8 and R9 with respect to the ground potential (GND) of the drive circuit. The potential of # 4 is the same as the ground potential (GND) of the drive circuit. Therefore, the positive electrode potential of the cell portion of the oxygen sensor is held at a constant value with respect to the negative electrode potential.

一方、セル部分において酸素の還元によって生じたセンサ電流は、すべて温度補償用のサーミスタ素子THを通って差動増幅器IC2の出力に流れ込むが、その際にサーミスタ素子THの両端に発生する電圧が差動増幅器IC3に入力され、抵抗R2、R3、R4、R5によって設定される増幅度に応じて増幅され、差動増幅器IC3の出力端子に出力され、駆動回路の出力として取り出される。
以上の電気回路動作によって、酸素センサのセル部分の正極電位は負極電位に対して一定の値に保持されると同時に、センサ電流に比例した電圧が出力される。
なお、図10に示す一例の回路図は、正極端子と負極端子はオープン状態である。
On the other hand, all of the sensor current generated by the reduction of oxygen in the cell portion flows into the output of the differential amplifier IC2 through the temperature compensation thermistor element TH, but the voltage generated at both ends of the thermistor element TH at that time is different. The signal is input to the dynamic amplifier IC3, amplified according to the amplification set by the resistors R2, R3, R4, and R5, output to the output terminal of the differential amplifier IC3, and taken out as the output of the drive circuit.
With the above electric circuit operation, the positive electrode potential of the cell portion of the oxygen sensor is held at a constant value with respect to the negative electrode potential, and at the same time, a voltage proportional to the sensor current is output.
In the example circuit diagram shown in FIG. 10, the positive terminal and the negative terminal are in an open state.

本発明の電気化学式酸素センサにおいて、測定時の正極−負極間の保つベき電位は、センサの電流電位特性に依存し、セル部分に用いる正極や負極の材質、電解液の種類、正極の面積などによって異なるため、センサの種類や構造に応じて、抵抗やサーミスタの定数を選択する必要がある。   In the electrochemical oxygen sensor of the present invention, the potential to be maintained between the positive electrode and the negative electrode during measurement depends on the current-potential characteristics of the sensor, and the positive electrode and negative electrode materials used in the cell portion, the type of electrolyte, and the area of the positive electrode Therefore, it is necessary to select the resistance and thermistor constants according to the type and structure of the sensor.

図11及び図12は、本実施形態に係る定電位式酸素センサのセル部分の回路の他の一例である。図11及び図12とも、正極端子(Sc)と負極端子(Sa)間に直列に抵抗とサーミスタが設けられている。
なお、図11および図12に示したセル部分の回路では、セル部分の構成(正極、負極、電解液、正極の表面積など)に合わせて抵抗やサーミスタの定数を選択する必要がある。
11 and 12 are other examples of the circuit of the cell portion of the constant potential oxygen sensor according to the present embodiment. 11 and 12, a resistor and a thermistor are provided in series between the positive terminal (Sc) and the negative terminal (Sa).
In the circuit of the cell portion shown in FIGS. 11 and 12, it is necessary to select the resistance and the thermistor constant according to the configuration of the cell portion (positive electrode, negative electrode, electrolyte, surface area of the positive electrode, etc.).

本発明に係る電気化学式酸素センサは、図1に示すような実施形態を一例とするものであって、ホルダー9と、前記ホルダー9内に収容された電極(図1では負極8)及び電解液7を備え、前記電極は、Pb−Sb合金であることを特徴とする。
なお、本発明でいう「Pb−Sb合金」とは、Pb及びSbを主とする合金であるが、本発明の要旨(後述する図2から図5に示す金属組織であること)を逸脱しない限りにおいて、Pb及びSb以外の金属やその他不純物が含まれていてもよい。Pb及びSb以外の金属やその他不純物として、Al、Ag、As、Bi、Cd、Cu、Fe、Mg、Na、Hg、Sn、Zn、S、Se、Ca等が挙げられる。
The electrochemical oxygen sensor according to the present invention is exemplified by an embodiment as shown in FIG. 1, and includes a holder 9, an electrode (a negative electrode 8 in FIG. 1) accommodated in the holder 9, and an electrolytic solution. 7 and the electrode is a Pb—Sb alloy.
The “Pb—Sb alloy” in the present invention is an alloy mainly composed of Pb and Sb, but does not depart from the gist of the present invention (the metal structure shown in FIGS. 2 to 5 described later). As far as it is concerned, metals other than Pb and Sb and other impurities may be contained. Examples of metals and other impurities other than Pb and Sb include Al, Ag, As, Bi, Cd, Cu, Fe, Mg, Na, Hg, Sn, Zn, S, Se, and Ca.

このように、本発明に係る電気化学式酸素センサは、電極(図1では負極8)はPb−Sb合金であるため、センサとして機能し、かつ、前記電極の欠けも抑制することができる。これはPb−Sb合金を用いた場合でも、Pbは合金中に存在するため、電極表面におけるPbの電気化学反応は起こる一方で、電極内部にはSbが存在するため、電極内部での前記反応は抑制されると考えられる。なお、電極内部での前記反応は、電極表面での前記反応よりも反応に寄与する表面積が小さいため、反応規模的には小さいものであると考えられる。
以上より、電極(図1では負極8)をPb−Sb合金とすることで、前記電気化学反応の抑制を抑えつつ、すなわちセンサとして機能し、かつ、前記電極の欠けも抑制することができる。その結果、出力変動や出力異常の発生を抑制でき、また、センサの長寿命化も実現することができる 。
Thus, the electrochemical oxygen sensor according to the present invention has a Pb—Sb alloy as the electrode (the negative electrode 8 in FIG. 1), so that it functions as a sensor and can suppress chipping of the electrode. This is because even when a Pb—Sb alloy is used, Pb is present in the alloy, so that an electrochemical reaction of Pb occurs on the electrode surface, while Sb is present inside the electrode. Is considered to be suppressed. In addition, since the surface area which contributes to the reaction is smaller than the reaction on the electrode surface, the reaction inside the electrode is considered to be small in reaction scale.
From the above, by using a Pb—Sb alloy for the electrode (the negative electrode 8 in FIG. 1), the suppression of the electrochemical reaction can be suppressed, that is, it can function as a sensor and the chipping of the electrode can also be suppressed. As a result, the occurrence of output fluctuations and output abnormalities can be suppressed, and the sensor life can be extended.

図2は、本実施形態に係る定電位式酸素センサに用いられる電極の任意の表面における金属組織を表す概念図であり、図6は、一般的なPb−Sb二元系合金の平衡状態図であり、図8は、従来の電極の任意の表面における金属組織を表す概念図である。
前記Pb−Sb合金は、図2に示すように、内部にSb30が含まれるPb系結晶粒(図6でいうα相、以下同じ。)18を有する金属組織を備えていることが好ましい。また、該Pb結晶粒18の間には結晶粒界20を備えている。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a metal structure on an arbitrary surface of an electrode used in the constant potential oxygen sensor according to the present embodiment, and FIG. 6 is an equilibrium diagram of a general Pb—Sb binary alloy. FIG. 8 is a conceptual diagram showing a metal structure on an arbitrary surface of a conventional electrode.
As shown in FIG. 2, the Pb—Sb alloy preferably has a metal structure having Pb-based crystal grains (α phase in FIG. 6, hereinafter the same) 18 containing Sb30 therein. A crystal grain boundary 20 is provided between the Pb crystal grains 18.

この図2における金属組織となるのは、Pb−Sb合金中のSbの含有量が0.5wt%以上3.5wt%未満(より好ましくは0.5wt%以上3.0wt%以下)の場合である。
なお、本発明において、前記Pb−Sb合金中のSbの含有量は、測定する合金の任意の箇所に対してEDX分析(ビーム径:1mm)を行い、そこで測定される金属元素全体に対するSbの質量%(Pb+Sb+「Pb及びSb以外の金属やその他不純物」=100%とする。)を算出した値である。
The metal structure in FIG. 2 is when the Sb content in the Pb—Sb alloy is 0.5 wt% or more and less than 3.5 wt% (more preferably 0.5 wt% or more and 3.0 wt% or less). is there.
In the present invention, the Sb content in the Pb—Sb alloy is determined by performing EDX analysis (beam diameter: 1 mm) on an arbitrary portion of the alloy to be measured, It is a value calculated by mass% (Pb + Sb + “metal and other impurities other than Pb and Sb” = 100%).

従来の電気化学式酸素センサの負極8はPbであるため、その金属組織は、図8に示すように、内部にSb30が含まれないPb結晶粒18Aと該Pb結晶粒18Aの間の結晶粒界20Aを備えている。
これに対し、本発明は、負極8を図2に示すような金属組織とするため、センサとして機能し、かつ、前記電極(負極8)の欠けも抑制することができる。これはPb系結晶粒18表面においてはPbの電気化学反応が起こる一方で、電極内部にはSbが存在するため、Pb系結晶粒18間の結晶粒界20の金属結合が強化され電極内部(特に、結晶粒界20)での前記反応が抑制されると考えられる。
Since the negative electrode 8 of the conventional electrochemical oxygen sensor is Pb, as shown in FIG. 8, the metal structure thereof is a grain boundary between the Pb crystal grains 18A not containing Sb30 and the Pb crystal grains 18A. 20A.
On the other hand, in the present invention, since the negative electrode 8 has a metal structure as shown in FIG. 2, it functions as a sensor and can suppress chipping of the electrode (negative electrode 8). This is because an electrochemical reaction of Pb occurs on the surface of the Pb-based crystal grains 18, but Sb exists inside the electrodes, so that the metal bonds at the crystal grain boundaries 20 between the Pb-based crystal grains 18 are strengthened, and the inside of the electrodes ( In particular, it is considered that the reaction at the grain boundary 20) is suppressed.

なお、前述したように電極内部での前記反応は規模的には小さいものであると考えられる。従って、負極8を図2に示すような金属組織とすることで、前記電気化学反応の抑制を抑えつつ、すなわちセンサとして機能し、かつ、前記電極の欠けも抑制することができる。また、その結果、出力変動や出力異常の発生を抑制でき、更に、センサの長寿命化も実現することができる 。   As described above, the reaction inside the electrode is considered to be small in scale. Therefore, by making the negative electrode 8 have a metal structure as shown in FIG. 2, the suppression of the electrochemical reaction can be suppressed, that is, it can function as a sensor and the chipping of the electrode can also be suppressed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of output fluctuations and output abnormalities, and further to extend the life of the sensor.

図3は、本実施形態に係る定電位式酸素センサに用いられる電極の任意の表面における他の金属組織を表す概念図である。
前記Pb−Sb合金は、図3に示すように、内部にSb30が含まれるPb系結晶粒18、Pb−Sb系共晶組織50が混在した金属組織を備えることが好ましい。
この図3における金属組織となるのは、Pb−Sb合金中のSbの含有量が3.5wt%以上11.1wt%未満(より好ましくは4.0wt%以上10.0wt%以下)の場合である。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing another metal structure on an arbitrary surface of the electrode used in the constant potential oxygen sensor according to the present embodiment.
As shown in FIG. 3, the Pb—Sb alloy preferably has a metal structure in which Pb-based crystal grains 18 containing Sb 30 and Pb—Sb-based eutectic structure 50 are mixed.
The metal structure in FIG. 3 is when the Sb content in the Pb—Sb alloy is 3.5 wt% or more and less than 11.1 wt% (more preferably 4.0 wt% or more and 10.0 wt% or less). is there.

このように、Pb−Sb合金を図3に示すような金属組織とするため、センサとして機能し、かつ、前記電極(負極8)の欠けも抑制することができる。
これはPb系結晶粒18の表面においてはPbの電気化学反応が起こる一方で、電極内部にはSbが存在するため、結晶粒界20の金属結合が強化されると考えられる。よって、電極内部(特に、結晶粒界20)での前記反応が抑制されると考えられる。なお、Pb−Sb系共晶組織50はその結晶幅が前記Pb系結晶粒18よりも微細化されているため、電解液と接する粒界面積が増加する。従って、Pb−Sb系共晶組織50の電極内部への溶解は低減されると考えられる。
Thus, since the Pb—Sb alloy has a metal structure as shown in FIG. 3, the Pb—Sb alloy functions as a sensor, and chipping of the electrode (negative electrode 8) can be suppressed.
This is presumably because the electrochemical reaction of Pb occurs on the surface of the Pb-based crystal grain 18, while Sb is present inside the electrode, so that the metal bond at the crystal grain boundary 20 is strengthened. Therefore, it is considered that the reaction inside the electrode (particularly, the grain boundary 20) is suppressed. Since the crystal width of the Pb—Sb eutectic structure 50 is finer than that of the Pb crystal grains 18, the grain interface area in contact with the electrolytic solution increases. Therefore, it is considered that the dissolution of the Pb—Sb eutectic structure 50 inside the electrode is reduced.

従って、負極8を図3に示すような金属組織とすることで、前記電気化学反応の抑制を抑えつつ、すなわちセンサとして機能し、かつ、前記電極の欠けも抑制することができる。また、その結果、出力変動や出力異常の発生を抑制でき、更に、センサの長寿命化も実現することができる 。   Therefore, by making the negative electrode 8 have a metal structure as shown in FIG. 3, the suppression of the electrochemical reaction can be suppressed, that is, it can function as a sensor and the chipping of the electrode can also be suppressed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of output fluctuations and output abnormalities, and further to extend the life of the sensor.

図4は、本実施形態に係る定電位式酸素センサに用いられる電極の任意の表面における他の金属組織を表す概念図である。
前記Pb−Sb合金は、図4に示すように、Pb−Sb系共晶組織のみの金属組織を備えていることが好ましい。
この図4における金属組織となるのは、Pb−Sb合金中のSbの含有量が11.1wt%の場合である。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing another metal structure on an arbitrary surface of an electrode used in the constant potential oxygen sensor according to the present embodiment.
As shown in FIG. 4, the Pb—Sb alloy preferably has a metal structure having only a Pb—Sb eutectic structure.
The metal structure in FIG. 4 is obtained when the Sb content in the Pb—Sb alloy is 11.1 wt%.

このように、Pb−Sb合金を図4に示すような金属組織とするため、センサとして機能し、かつ、前記電極(負極8)の欠けも抑制することができる。
これは、微細化されたPb−Sb系共晶組織50により電極内部においては前記反応は抑制されるが、その表面においては電解液と接する粒界面積が増加するもののPbの電気化学反応は従来のPb負極の場合と同じと考えられる。
従って、負極8を図4に示すような金属組織とすることで、前記電気化学反応の抑制を押さえつつ、すなわちセンサとして機能し、かつ、前記電極の欠けも抑制することができる。また、その結果、出力変動や出力異常の発生を抑制でき、更に、センサの長寿命化も実現することができる 。
Thus, since the Pb—Sb alloy has a metal structure as shown in FIG. 4, the Pb—Sb alloy functions as a sensor and can suppress chipping of the electrode (negative electrode 8).
This is because the above-described reaction is suppressed inside the electrode by the refined Pb—Sb-based eutectic structure 50, but the interfacial area in contact with the electrolytic solution increases on the surface, but the electrochemical reaction of Pb has been conventional. This is considered to be the same as that of the Pb negative electrode.
Therefore, by making the negative electrode 8 have a metal structure as shown in FIG. 4, the suppression of the electrochemical reaction can be suppressed, that is, it can function as a sensor and the chipping of the electrode can also be suppressed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of output fluctuations and output abnormalities, and further to extend the life of the sensor.

図5は、本実施形態に係る定電位式酸素センサに用いられる電極の任意の表面における他の金属組織を表す概念図である。
前記Pb−Sb合金は、図5に示すように、内部にSb30が含まれるPb系結晶粒、Pb−Sb系共晶組織50及びSbの固溶体60(図6でいうβ相、以下同じ。)が混在した金属組織を備えていることが好ましい。
この図5における金属組織となるのは、Pb−Sb合金中のSbの含有量が11.1wt%を超える場合である。
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating another metal structure on an arbitrary surface of an electrode used in the constant potential oxygen sensor according to the present embodiment.
As shown in FIG. 5, the Pb—Sb alloy has a Pb-based crystal grain containing Sb30 therein, a Pb—Sb-based eutectic structure 50, and a solid solution 60 of Sb (β phase in FIG. 6, the same applies hereinafter). It is preferable to have a metal structure in which is mixed.
The metal structure in FIG. 5 is when the Sb content in the Pb—Sb alloy exceeds 11.1 wt%.

このように、Pb−Sb合金を図5に示すような金属組織とするため、センサとして機能し、かつ、前記電極(負極8)の欠けも抑制することができる。
これはPb系結晶粒18の表面においてPbの電気化学反応は起こる一方で、電極内部にはSbが存在するため、結晶粒界20の金属結合が強化され電極内部(特に、結晶粒界20)での前記反応が抑制され、また、Sbの固溶体60表面では前記反応は起らないが、Pb−Sb系共晶組織50の表面は、従来のPb負極の場合と同じように前記反応が進行するためと考えられる。
Thus, since the Pb—Sb alloy has a metal structure as shown in FIG. 5, the Pb—Sb alloy functions as a sensor and can suppress chipping of the electrode (negative electrode 8).
This is because an electrochemical reaction of Pb occurs on the surface of the Pb-based crystal grain 18, but Sb exists inside the electrode, so that the metal bond of the crystal grain boundary 20 is strengthened and the inside of the electrode (particularly, the crystal grain boundary 20). In addition, the reaction does not occur on the surface of the solid solution 60 of Sb, but the reaction proceeds on the surface of the Pb—Sb eutectic structure 50 as in the case of the conventional Pb negative electrode. It is thought to do.

従って、負極8を図5に示すような金属組織とすることで、前記電気化学反応の抑制を抑えつつ、すなわちセンサとして機能し、かつ、前記電極の欠けも抑制することができる。また、その結果、出力変動や出力異常の発生を抑制でき、更に、センサの長寿命化も実現することができる 。   Therefore, by making the negative electrode 8 have a metal structure as shown in FIG. 5, it is possible to suppress the electrochemical reaction, that is, to function as a sensor and to suppress the chipping of the electrode. As a result, it is possible to suppress the occurrence of output fluctuations and output abnormalities, and further to extend the life of the sensor.

なお、Pb−Sb合金中のSbの含有量が高ければ高いほど、電極を製造する際の加工性が低下する。従って、本観点を考慮する場合は、図5に示す金属組織におけるSbの含有量は11.1wt%を超え40.0wt%以下であることが好ましく、より好ましくは11.1wt%を超え14.0wt%以下であり、更に好ましくは図3及び図4に示す金属組織(Sbの含有量が3.5wt%以上11.1wt%以下(より好ましくは、4.0wt%以上11.1wt%以下))、更に好ましくは図3に示す金属組織(Sbの含有量が3.5wt%以上11.1wt%未満(より好ましくは、4.0wt%以上10.0wt%以下))、更に好ましくは、図2に示す金属組織(Sbの含有量が0.5wt%以上3.5wt%未満(より好ましくは、0.5wt%以上3.0wt%以下))である。   In addition, the workability at the time of manufacturing an electrode falls, so that content of Sb in a Pb-Sb alloy is high. Therefore, when considering this viewpoint, the Sb content in the metal structure shown in FIG. 5 is preferably more than 11.1 wt% and not more than 40.0 wt%, more preferably more than 11.1 wt%. The metal structure shown in FIGS. 3 and 4 (Sb content is not less than 3.5 wt% and not more than 11.1 wt% (more preferably not less than 4.0 wt% and not more than 11.1 wt%)) More preferably, the metal structure shown in FIG. 3 (the Sb content is 3.5 wt% or more and less than 11.1 wt% (more preferably 4.0 wt% or more and 10.0 wt% or less)), more preferably, FIG. 2 (Sb content is 0.5 wt% or more and less than 3.5 wt% (more preferably 0.5 wt% or more and 3.0 wt% or less)).

前記「Pb−Sb合金」は、Al、Ag、As、Bi、Cd、Cu、Fe、Mg、Na、Hg、Sn、Zn、S、Se及びCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素が含まれていることが好ましい。
このように、上記元素が含まれていることで、センサとして機能し、かつ、前記電極(負極8)の欠けを更に抑制することができる。
また、上記元素が含まれていることで、PbにSbが含まれることによる加工性の低下も抑制することができる。
なお、前記「Pb−Sb合金」に含まれる元素はAsであることが好ましく、より好ましくはAs及びSであることが好ましい。
The “Pb—Sb alloy” is one or two selected from the group consisting of Al, Ag, As, Bi, Cd, Cu, Fe, Mg, Na, Hg, Sn, Zn, S, Se, and Ca. It is preferable that the above elements are contained.
Thus, by including the above elements, it can function as a sensor and can further suppress chipping of the electrode (negative electrode 8).
Moreover, the deterioration of workability due to the inclusion of Sb in Pb can be suppressed by including the above elements.
The element contained in the “Pb—Sb alloy” is preferably As, more preferably As and S.

前記電気化学式酸素センサは定電位式酸素センサであることが好ましい。
本発明に係る電気化学式酸素センサをこのような用途に用いることで好適な効果を得ることができる。
The electrochemical oxygen sensor is preferably a constant potential oxygen sensor.
A suitable effect can be obtained by using the electrochemical oxygen sensor according to the present invention for such an application.

電解液7は、前記電極を溶解させて前記電気化学反応を起こすものであれば特に限定されない。電解液7が酸性である場合は、酢酸と酢酸カリウムの混合水溶液が好適に用いられる。また、電解液7がアルカリ性である場合は、水酸化カリウム水溶液又は水酸化ナトリウム水溶液が用いられ、特に、水酸化カリウム水溶液が好適に用いられる。   The electrolytic solution 7 is not particularly limited as long as it dissolves the electrode and causes the electrochemical reaction. When the electrolytic solution 7 is acidic, a mixed aqueous solution of acetic acid and potassium acetate is preferably used. Further, when the electrolytic solution 7 is alkaline, an aqueous potassium hydroxide solution or an aqueous sodium hydroxide solution is used, and an aqueous potassium hydroxide solution is particularly preferably used.

なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、図1における記号1〜14、16は、これに限定されることなく、電気化学式酸素センサとしての機能及び前述した酸素供給経路を備えていれば、各種設計変更が可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea.
For example, the symbols 1 to 14 and 16 in FIG. 1 are not limited thereto, and various design changes can be made as long as they have a function as an electrochemical oxygen sensor and the oxygen supply path described above.

また、前記Pb−Sb合金は、電極全体がそれぞれ図2〜図5の一種類の金属組織となっている必要はなく、これらの金属組織が混在したものとなっていてもよい。
更に、本発明は、定電位式酸素センサを一例として説明したが、電極が消耗する電気化学反応を有するセンサであれば、他の用途でも適用することができる。
Further, the Pb—Sb alloy does not have to have a single type of metal structure in each of the electrodes shown in FIGS. 2 to 5, and may be a mixture of these metal structures.
Furthermore, although the present invention has been described by taking a constant potential oxygen sensor as an example, it can be applied to other applications as long as the sensor has an electrochemical reaction that consumes electrodes.

次に、本発明を実施例に基づいて更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1から4)
図1に示す1年寿命の定電位式酸素センサを作製した。なお、図1において、中蓋1はABS樹脂製、保護膜3は多孔性の四フッ化エチレン樹脂製シート、隔膜4Aは四フッ化エチレン六フッ化プロピレンコポリマー膜、触媒電極4Bは金、正極集電体5はチタン製、正極リード線6及び負極リード線14はチタン製、正極集電体5と正極リード線6及び負極8と負極リード線14は溶接して一体化してある。
Next, the present invention will be described more specifically based on examples, but the present invention is not limited thereto.
(Examples 1 to 4)
A constant potential oxygen sensor having a one-year life shown in FIG. 1 was produced. In FIG. 1, the inner lid 1 is made of ABS resin, the protective film 3 is a porous tetrafluoroethylene resin sheet, the diaphragm 4A is a tetrafluoroethylene hexafluoropropylene copolymer film, the catalyst electrode 4B is gold, and the positive electrode The current collector 5 is made of titanium, the positive electrode lead wire 6 and the negative electrode lead wire 14 are made of titanium, and the positive electrode current collector 5 and the positive electrode lead wire 6 and the negative electrode 8 and the negative electrode lead wire 14 are integrated by welding.

また、電解液7は酢酸と酢酸カリウムの混合水溶液(酢酸:6mol/L、酢酸カリウム:3mol/L、pH:5.05(25.5℃))を、負極8はPb−Sb合金製(Sb含有量は後述)、ホルダー本体9はABS樹脂製、外蓋10はABS樹脂製であり、ホルダー本体9および外蓋10には、それぞれネジが切られている。   The electrolyte solution 7 is a mixed aqueous solution of acetic acid and potassium acetate (acetic acid: 6 mol / L, potassium acetate: 3 mol / L, pH: 5.05 (25.5 ° C.)), and the negative electrode 8 is made of a Pb—Sb alloy ( The Sb content will be described later), the holder body 9 is made of ABS resin, the outer lid 10 is made of ABS resin, and the holder body 9 and the outer lid 10 are each screwed.

中蓋1、O−リング2、四フッ化エチレン樹脂製シート(保護膜)3、四フッ化エチレン六フッ化プロピレンコポリマー膜の隔膜4A、触媒電極4B、正極集電体5は、ホルダー本体9と外蓋10とのネジ締めによって押圧され良好な接触状態が保持される。中蓋1は押圧端板として機能し、また、O−リング2によって気密、液密性が確保されている。
11は正極および隔膜への電解液供給用の穿孔、12は正極集電体のチタンリード線部分を通すための穿孔である。
Inner lid 1, O-ring 2, tetrafluoroethylene resin sheet (protective membrane) 3, tetrafluoroethylene hexafluoropropylene copolymer membrane 4A, catalyst electrode 4B, positive electrode current collector 5 are holder main body 9 And the outer lid 10 are pressed by screw tightening to maintain a good contact state. The inner lid 1 functions as a pressing end plate, and air-tightness and liquid-tightness are secured by the O-ring 2.
11 is a perforation for supplying an electrolyte solution to the positive electrode and the diaphragm, and 12 is a perforation for passing the titanium lead wire portion of the positive electrode current collector.

前記Pb−Sb合金製の負極8は下記の方法で作製した。
Pb−Sb合金中のSb(アンチモン)の含有量を、0.5wt%(実施例1)、1.0wt%(実施例2)、2.0wt%(実施例3)、3.0wt%(実施例4)となるように、それぞれPb原料、Sb原料を調整して、630℃以上の温度で溶融後、常温まで冷却して、図2に示すような金属組織を有する負極8を作製した。
The negative electrode 8 made of the Pb—Sb alloy was produced by the following method.
The content of Sb (antimony) in the Pb—Sb alloy is 0.5 wt% (Example 1), 1.0 wt% (Example 2), 2.0 wt% (Example 3), 3.0 wt% ( Example 4) Each of the Pb raw material and the Sb raw material was adjusted so as to be the same, and after melting at a temperature of 630 ° C. or higher, it was cooled to room temperature to produce a negative electrode 8 having a metal structure as shown in FIG. .

(実施例5から9)
Pb−Sb合金中のSbの含有量が4.0wt%(実施例5)、5.0wt%(実施例6)、10.0wt%(実施例7)、11.1wt%(実施例8)、14.0wt%(実施例9)となるように、金属Sb原料を調整して630℃以上の温度で溶融後、常温まで冷却して、図3から図5に示すような金属組織を有する負極8を各々作製した。
その後、実施例1と同様に、各々の負極8において図1に示す1年寿命の定電位式酸素センサを作製した。
(Examples 5 to 9)
The content of Sb in the Pb—Sb alloy is 4.0 wt% (Example 5), 5.0 wt% (Example 6), 10.0 wt% (Example 7), 11.1 wt% (Example 8). 14.0 wt% (Example 9), the metal Sb raw material is adjusted and melted at a temperature of 630 ° C. or higher, and then cooled to room temperature, and has a metal structure as shown in FIGS. Each of the negative electrodes 8 was produced.
Thereafter, similarly to Example 1, a constant potential oxygen sensor having a one-year life shown in FIG.

(比較例1)
負極8をPb−Sb合金ではなく、Pb金属(図8に示すような金属組織を有する金属)として、その後、実施例1と同様に、図1に示す1年寿命の定電位式酸素センサを作製した。
(Comparative Example 1)
The negative electrode 8 is not a Pb—Sb alloy, but a Pb metal (metal having a metal structure as shown in FIG. 8), and then the constant potential oxygen sensor having a one-year life shown in FIG. Produced.

[特性比較]
前記作製した複数の酸素センサ(実施例1〜9、比較例1)の各々について、25℃、21%酸素ガスを通気した場合の電流−電圧曲線を測定し、図9と対比して得られたE、Eの範囲内で一定電圧となるようにEを固定した。
次に、前記作製した複数の酸素センサ(実施例1〜9、比較例1)を、360日間、常温(25℃)で放置し、その後、解体して、電解液中の電極の破片(塊)の大きさ(塊の最も長くなる辺の長さと最も短くなる辺の長さを実測して平均した値:以下同じ)が0.1mm以上のものの有無を目視で確認した。
[Characteristic comparison]
With respect to each of the produced oxygen sensors (Examples 1 to 9, Comparative Example 1), current-voltage curves in the case of flowing 21% oxygen gas at 25 ° C. were measured and obtained in comparison with FIG. Further, E 0 was fixed so as to be a constant voltage within the range of E 1 and E 2 .
Next, the produced oxygen sensors (Examples 1 to 9, Comparative Example 1) were left at room temperature (25 ° C.) for 360 days, then disassembled, and electrode fragments (lumps) in the electrolytic solution. ) (The value obtained by measuring and averaging the length of the longest side and the length of the shortest side of the lump: the same shall apply hereinafter) was visually confirmed to be present.

また、酸素センサを静置し、大気を流したときに出力電圧が安定しているかを評価した。
なお、ここでいう出力電圧が安定するとは、図7に示すように、横軸を測定時間、縦軸を出力電圧として、測定時間における出力電圧の傾向をプロットした場合に、図7に示すような直線を描く場合をいう(以下、同じ)。
表1にその結果を示す。
In addition, it was evaluated whether the output voltage was stable when the oxygen sensor was left standing and air was passed.
Here, the output voltage is stable as shown in FIG. 7 when the horizontal axis is the measurement time and the vertical axis is the output voltage, and the tendency of the output voltage in the measurement time is plotted as shown in FIG. When drawing a straight line (hereinafter the same).
Table 1 shows the results.

Figure 2017053689
Figure 2017053689

表1からわかるように、比較例1以外は、電極の一部が塊の状態でかけるのを抑制することができる。また、図2から図5に示すどの金属組織であっても、出力電圧が安定していることがわかる。   As can be seen from Table 1, except for Comparative Example 1, it is possible to prevent a part of the electrode from being applied in a lump state. Further, it can be seen that the output voltage is stable in any metal structure shown in FIGS.

(実施例10から13)
Pb−Sb合金中のSbの含有量が、0.5wt%(実施例10)、1.0wt%(実施例11)、2.0wt%(実施例12)、3.0wt%(実施例13)となるように、それぞれPb原料、Sb原料を調整して、630℃以上の温度で溶融後、常温まで冷却して、図2に示すような金属組織を有する負極8を作製した。
(Examples 10 to 13)
The Sb content in the Pb—Sb alloy was 0.5 wt% (Example 10), 1.0 wt% (Example 11), 2.0 wt% (Example 12), 3.0 wt% (Example 13). 2), the Pb raw material and the Sb raw material were prepared, respectively, melted at a temperature of 630 ° C. or higher, and then cooled to room temperature, to prepare a negative electrode 8 having a metal structure as shown in FIG.

(実施例14から18)
Pb−Sb合金中のSbの含有量が4.0wt%(実施例14)、5.0wt%(実施例15)、10.0wt%(実施例16)、11.1wt%(実施例17)、14.0wt%(実施例18)となるように、金属Sb原料を調整して630℃以上の温度で溶融後、常温まで冷却して、図3から図5に示すような金属組織を有する負極8を各々作製した。
その後、電解液7を水酸化カリウム水溶液(9.24mol/L、pH15(26.0℃))として、それ以外は実施例1と同様に、各々の負極8において図1に示す1年寿命の定電位式酸素センサを作製した。
(Examples 14 to 18)
The content of Sb in the Pb—Sb alloy is 4.0 wt% (Example 14), 5.0 wt% (Example 15), 10.0 wt% (Example 16), 11.1 wt% (Example 17). 14.0 wt% (Example 18), the metal Sb raw material was adjusted and melted at a temperature of 630 ° C. or higher, and then cooled to room temperature to have a metal structure as shown in FIGS. Each of the negative electrodes 8 was produced.
Thereafter, the electrolytic solution 7 was a potassium hydroxide aqueous solution (9.24 mol / L, pH 15 (26.0 ° C.)), and other than that, in the same manner as in Example 1, each negative electrode 8 had a one-year life shown in FIG. A constant potential oxygen sensor was fabricated.

(比較例2)
負極8をPb−Sb合金ではなく、Pb金属(図8に示すような金属組織を有する金属)として、その後、電解液7を水酸化カリウム水溶液(9.24mol/L、pH15(26.0℃))として、それ以外は実施例1と同様に、図1に示す1年寿命の定電位式酸素センサを作製した。
(Comparative Example 2)
The negative electrode 8 is not a Pb—Sb alloy, but a Pb metal (metal having a metal structure as shown in FIG. 8), and then the electrolytic solution 7 is an aqueous potassium hydroxide solution (9.24 mol / L, pH 15 (26.0 ° C.)). 1) Other than that, a constant potential oxygen sensor having a one-year life shown in FIG.

[特性比較]
前記作製した複数の酸素センサ(実施例10〜18、比較例2)を、360日間、常温(25℃)で放置し、その後、解体して、実施例1と同様の大きさの電解液中の電極の破片(塊)の有無を目視で確認した。また、酸素センサを静置し、大気を流したときに出力電圧が安定しているかを評価した。
表2にその結果を示す。
[Characteristic comparison]
The produced oxygen sensors (Examples 10 to 18 and Comparative Example 2) are allowed to stand at room temperature (25 ° C.) for 360 days, and then disassembled in an electrolytic solution having the same size as that of Example 1. The presence or absence of broken pieces (lumps) of the electrode was visually confirmed. In addition, it was evaluated whether the output voltage was stable when the oxygen sensor was left standing and air was passed.
Table 2 shows the results.

Figure 2017053689
Figure 2017053689

表2からわかるように、比較例2以外は、電極の一部が塊の状態でかけるのを抑制することができる。また、図2から図5に示すどの金属組織であっても、出力電圧が安定していることがわかる。   As can be seen from Table 2, except for Comparative Example 2, it is possible to prevent a part of the electrode from being applied in a lump state. Further, it can be seen that the output voltage is stable in any metal structure shown in FIGS.

(実施例19、20)
Pb−Sb合金中にAsを少量(0.5wt%未満)含みその他は実施例5と同一である負極8を作製した(実施例19)。
Pb−Sb合金中に、As、S(硫黄)の2元素を少量(合計:0.5wt%未満)含みその他は実施例6と同一である負極8を作製した(実施例20)。
その後、実施例5及び6と同様に、図1に示す1年寿命の定電位式酸素センサを作製した。
(Examples 19 and 20)
A negative electrode 8 containing a small amount of As (less than 0.5 wt%) in the Pb—Sb alloy and the others being the same as in Example 5 was produced (Example 19).
A negative electrode 8 containing a small amount (total: less than 0.5 wt%) of two elements of As and S (sulfur) in the Pb—Sb alloy was the same as in Example 6 (Example 20).
Thereafter, similarly to Examples 5 and 6, a constant potential oxygen sensor having a one-year life shown in FIG. 1 was produced.

前記作製した複数の酸素センサ(実施例19、20)を、360日間、常温(25℃)で放置し、その後、解体して、実施例1と同様の大きさの電解液中の電極の破片(塊)の有無を目視で確認した。また、酸素センサを静置し、大気を流したときに出力電圧が安定しているかを評価した。
表3にその結果を示す。
The produced oxygen sensors (Examples 19 and 20) were allowed to stand at room temperature (25 ° C.) for 360 days, then disassembled, and electrode fragments in an electrolyte solution having the same size as in Example 1. The presence or absence of (lumps) was confirmed visually. In addition, it was evaluated whether the output voltage was stable when the oxygen sensor was left standing and air was passed.
Table 3 shows the results.

Figure 2017053689
Figure 2017053689

表3からわかるように、実施例19、20は、電極の一部が塊の状態でかけるのを抑制することができる。また、出力電圧が安定していることがわかる。
また、実施例5、6、19、20に関し、電解液中の電極の破片(塊)の大きさが0.1mm未満のもの(以下、粉状塊という)の有無を目視で確認した。
その結果、実施例5と6は同レベルで、実施例5(又は6)、19、20の順で粉状塊の発生が抑制されていることが確認された。
なお、この傾向は、Pb−Sb合金中のSbの含有量を変化させても又は/及び電解液7を水酸化カリウム水溶液としても同様であった。
As can be seen from Table 3, in Examples 19 and 20, it is possible to prevent a part of the electrodes from being applied in a lump state. It can also be seen that the output voltage is stable.
Moreover, regarding Examples 5, 6, 19, and 20, the presence or absence of an electrode fragment (lumb) in the electrolyte solution having a size of less than 0.1 mm (hereinafter referred to as a powdery chunk) was visually confirmed.
As a result, Examples 5 and 6 were at the same level, and it was confirmed that the occurrence of powdery lumps was suppressed in the order of Examples 5 (or 6), 19 and 20.
This tendency was the same even when the Sb content in the Pb—Sb alloy was changed and / or the electrolytic solution 7 was an aqueous potassium hydroxide solution.

1 第1ホルダー蓋(中蓋)
2 O−リング
3 保護膜
4A 隔膜
4B 触媒電極
5 正極集電体
6 正極リード線
7 電解液
8 負極
9 ホルダー
10 第2ホルダー蓋(外蓋)
11 電解液供給用の穿孔
12 リード線用の穿孔
13 正極集電体保持部
14 負極リード線
16 貫通孔
18 Pb系結晶粒
18A Pb結晶粒
20 結晶粒界
20A 結晶粒界
30 Sb
45 正極
50 PbとSbの共晶体
60 Sb
101 ホルダー蓋
1 First holder lid (inner lid)
2 O-ring 3 Protective film 4A Diaphragm 4B Catalyst electrode 5 Positive electrode current collector 6 Positive electrode lead wire 7 Electrolyte
8 Negative electrode 9 Holder 10 Second holder lid (outer lid)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Electrolyte supply perforation 12 Lead wire perforation 13 Positive electrode collector holding part 14 Negative electrode lead wire 16 Through hole 18 Pb crystal grain 18A Pb crystal grain 20 Crystal grain boundary 20A Crystal grain boundary 30 Sb
45 Positive electrode 50 Pb and Sb eutectic 60 Sb
101 Holder lid

Claims (7)

ホルダーと、
前記ホルダー内に収容された電極及び電解液を備え、
前記電極はPb−Sb合金である電気化学式酸素センサ。
With a holder,
Comprising an electrode and an electrolyte contained in the holder,
The electrochemical oxygen sensor, wherein the electrode is a Pb-Sb alloy.
前記Pb−Sb合金は、Sbが含まれるPb系結晶粒を有する金属組織を備えている請求項1に記載の電気化学式酸素センサ。   2. The electrochemical oxygen sensor according to claim 1, wherein the Pb—Sb alloy has a metal structure having a Pb-based crystal grain containing Sb. 前記Pb−Sb合金は、Sbが含まれるPb系結晶粒とPb−Sb系共晶組織が混在した金属組織を備えている請求項1に記載の電気化学式酸素センサ。   2. The electrochemical oxygen sensor according to claim 1, wherein the Pb—Sb alloy has a metal structure in which a Pb crystal grain containing Sb and a Pb—Sb eutectic structure are mixed. 前記Pb−Sb合金は、Pb−Sb系共晶組織のみの金属組織を備えている請求項1に記載の電気化学式酸素センサ。   2. The electrochemical oxygen sensor according to claim 1, wherein the Pb—Sb alloy has a metal structure including only a Pb—Sb eutectic structure. 前記Pb−Sb合金は、Sbが含まれるPb系結晶粒、Pb−Sb系共晶組織及びSbの固溶体が混在した金属組織を備えている請求項1に記載の電気化学式酸素センサ。   2. The electrochemical oxygen sensor according to claim 1, wherein the Pb—Sb alloy has a metal structure in which a Pb crystal grain containing Sb, a Pb—Sb eutectic structure, and a solid solution of Sb are mixed. 前記Pb−Sb合金は、Al、Ag、As、Bi、Cd、Cu、Fe、Mg、Na、Hg、Sn、Zn、S、Se及びCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素が含まれている請求項1乃至5のいずれかに記載の電気化学式酸素センサ。   The Pb-Sb alloy is one or more selected from the group consisting of Al, Ag, As, Bi, Cd, Cu, Fe, Mg, Na, Hg, Sn, Zn, S, Se, and Ca. The electrochemical oxygen sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein an element is contained. 前記電極は負極であり、
前記電気化学式酸素センサは、定電位式酸素センサである請求項1乃至6のいずれかに記載の電気化学式酸素センサ。
The electrode is a negative electrode;
The electrochemical oxygen sensor according to claim 1, wherein the electrochemical oxygen sensor is a constant potential oxygen sensor.
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