JP3100764B2 - 電気化学式ガスセンサ - Google Patents

電気化学式ガスセンサ

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JP3100764B2 JP04159522A JP15952292A JP3100764B2 JP 3100764 B2 JP3100764 B2 JP 3100764B2 JP 04159522 A JP04159522 A JP 04159522A JP 15952292 A JP15952292 A JP 15952292A JP 3100764 B2 JP3100764 B2 JP 3100764B2
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祥文 渡部
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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、例えば大気中等における窒素酸化物、あるいは
火災時における一酸化炭素の検知に有用な電気化学式ガ
スセンサに関する。
【0002】電気化学的な酸化還元反応を利用して、雰
囲気中の特定のガス、たとえば、炭酸ガス、一酸化炭
素、水素、アルコール、窒素酸化物等の検知対象ガスを
検知する電気化学式ガスセンサがこれまで数多く提案さ
れている。ここで、電気化学式ガスセンサを構成する公
知のセンサ素子10を示す図4及び図5に基づいて説明
すると、このセンサ素子10は、特開昭64−8835
4号公報に開示されている如く、絶縁基板100に作用
極70と対極90が向かい合うように形成され、この対
極90と作用極70の隣に参照極80が並べられ、さら
に、含水状態に保持される固体電解質膜110でこれら
の電極群を被覆しており、上記作用極70と対極90間
に電圧を印加すると、検知対象ガスが上記作用極70上
で酸化反応あるいは還元反応を起こし、この反応にとも
なって生成されたイオンが含水状態に保持された固体電
解質膜110中を移動して対極90で還元反応あるいは
酸化反応を起こす。この電気化学的な酸化還元反応によ
って、対極90−作用極70間を流れる電流値をセンサ
素子10に接続した電流計等の外部機器で測定すると、
検知対象ガスを検知できるものである。
【0003】このセンサ素子10を用いた電気化学式ガ
スセンサの一例を示す図3に基づいて説明すると、この
電気化学式ガスセンサは内部空間35を有するハウジン
グ30と、ハウジング30に付設された貯水槽40と外
部から検知対象ガスを内部空間35に導入する通気口3
4と、上記のハウジング30と貯水槽40を分断する隔
壁20に形成された、内部空間35と貯水槽40とが連
通する連絡口36を備え、さらに上記のハウジング30
の内部空間35に上述のセンサ素子10を収容して構成
されている。
【0004】しかし、上記のような電気化学式ガスセン
サは、通気口34から、センサ素子10を収容する内部
空間35に導入された検知対象ガスが、内部空間35に
留まらずに連絡口36を通過して貯水槽40の気相部4
5に拡散する結果、内部空間35内のガスが希釈される
ため、実存するガス濃度に達するまでの時間が長くな
る。したがって、センサ素子10に生ずる電気化学反応
に伴って流れる電流値は、内部空間35のガス濃度に相
当した電流値を示し、実存するガス濃度に相当した電流
値になるのには、長く時間がかかり、その結果、検知が
遅延する点に問題がある。
【0005】したがって、この発明の課題は、ハウジン
グと隔壁を介してこのハウジングに付設された貯水槽を
有し、上記ハウジングは検知対象ガスを導入する通気口
と外部から導入された検知対象ガスが拡散する内部空間
を有し、上記ハウジングの内部空間にはセンサ素子が収
容され、上記隔壁には内部空間と貯水槽を連通する連絡
口が形成され、上記センサ素子は、互いに対設された作
用極と対極及びこの作用極と対極を被覆する、含水状態
に保持される固体電解質膜とを備えた電気化学式ガスセ
ンサにおいて、センサ素子を収容した内部空間内の検知
対象ガスの希釈化を防いで検知する応答時間を短縮する
点にある。
【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)ハウジング30と隔壁20を介し
てこのハウジング30に付設された貯水槽40を有し、
(2)上記ハウジング30は検知対象ガスを導入する通
気口34と外部から導入された検知対象ガスが拡散する
内部空間35を有し、(3)上記ハウジング30の内部
空間35にはセンサ素子10が収容され、(4)上記隔
壁20には内部空間35と貯水槽40を連通する連絡口
36が形成され、(5)上記センサ素子10は、互いに
対設された作用極70と対極90及びこの作用極70と
対極90を被覆する、含水状態に保持される固体電解質
膜110とから構成され、さらに(6)一端が上記連絡
口36を塞ぎ、且つ他端が貯水槽40内の水相部46に
浸る、含水すると気密性が生じる、吸水性の幕50を備
るとともに、(7)上記幕50を基準にして、貯水槽
40内の水相部46の反対側に連絡口36を塞ぐ通気性
と水密性の多孔質層60を備えたことを特徴とする。
【0007】
【0008】
【作用】本発明に係る電気化学式ガスセンサを構成する
センサ素子10は、ハウジング30の内部空間35に収
容することによって、雰囲気中の汚染物質から保護され
る。このハウジング30は雰囲気中の検知対象ガスを内
部空間35に導入する通気口34を有するので、雰囲気
中に検知対象ガスが発生すると通気口34から検知対象
ガスが内部空間35に入る。内部空間35と貯水槽40
とを連通する隔壁20の連絡口36は、他端が貯水槽4
0内の水相部46に浸る、含水すると気密性が生じる、
吸水性の幕50の一端で閉塞されているので、内部空間
35の水蒸気が未飽和状態にある場合、幕50の他端か
ら吸い上げられた水に起因して飽水状態に保持された一
端から水が蒸発し、連絡口36を通過して、内部空間3
5内に拡散する。そして、内部空間35内の水蒸気が内
部空間35に収容されたセンサ素子10の固体電解質膜
110に水添して固体電解質膜110を含水状態に保持
するとともに、通気口34から導入される検知対象ガス
が発生したときには、連絡口36を塞ぐ幕50の一端の
飽水状態によって生じる気密性のために、内部空間35
内に導入された検知対象ガスは連絡口36を通過して貯
水槽40内の水相部46に拡散するのを阻止し、その結
果、内部空間35内の検知対象ガスの希釈を阻止する。
すなわち、内部空間35内に導入された検知対象ガスの
濃度の低下が阻止される。
【0009】また、本発明の電気化学式ガスセンサは、
上記幕50を基準にして、水相部46の反対側に設けら
れた連絡口36を塞ぐ多孔質層60は通気性と水密性を
有するので、貯水槽40内の水相部46から蒸発した水
蒸気は多孔質層60を通過して連絡口36を通り、内部
空間35内に拡散するが、貯水槽40内の水相部46の
水が液体の状態で多孔質層60を通過して連絡口36を
通り、内部空間35内に入るのを阻止する。つまり、セ
ンサ素子10が過度の水濡れから保護され、それに伴っ
て起こるセンサ素子10の出力異常を防止する。
【0010】
【実施例】以下、本発明を実施例に係る図面に基づいて
詳しく説明する。
【0011】図1に示すとおり、本発明の電気化学式ガ
スセンサは、ハウジング30を有する。このハウジング
30は内部空間35を有し、かつ、隔壁20を介してハ
ウジング30の下方には貯水槽40が形成されている。
ハウジング30と貯水槽40全体の形状は、直方体であ
るが、特に問わない。ハウジング30と貯水槽40全体
の材質は、例えばアクリル樹脂等の種々の樹脂やSUS
などの金属を用いることができる。このハウジング30
の上方には内部空間35に連通する検知対象ガスを導入
する通気口34及び隔壁20には貯水槽40とハウジン
グ30を連通する連絡口36が設けられている。
【0012】さらに、本発明に係る電気化学式ガスセン
サは、上記ハウジング30の内部空間35に収容された
センサ素子10を有する。このセンサ素子10は、絶縁
基板100に作用極70と対極90が向かい合うように
形成されている。この絶縁基板100には、アルミナ、
窒化アルミ、シリコン等のセラミックス製基板やエポキ
シ樹脂、フェノール樹脂等の樹脂製基板が使用される。
また、作用極70と対極90は、例えば白金電極を用い
る。この対極90あるいは作用極70の隣に参照極80
が並べられている。参照極80には、例えば金電極を用
いる。電極形成には、真空蒸着やスパッタリング等通常
の薄膜形成手段が利用される。さらに、対極90、作用
極70及び参照極80の電極群を被覆する固体電解質膜
110が設けられている。この固体電解質膜110は、
含水すると、電解質となる性質を持っている。固体電解
質膜110としては、パーフルオロスルホネートポリマ
ー等からなる高分子化合物、あるいは無機化合物が用い
られる。パーフルオロスルホネートポリマーからなる固
体電解質膜は、溶融状態で絶縁基板100上に塗布する
等の手段で形成できる。作用極70に一定の電位をかけ
ると、検知対象ガスが上記作用極70上で酸化反応ある
いは還元反応がおこり、この時生成されたイオンが固体
電解質膜110中を移動して対極90で還元反応あるい
は酸化反応がおこる。この電気化学的な酸化還元反応に
よって、対極90−作用極70間を流れる電流値で検知
対象ガスを検知し、センサ素子10が応答する。つま
り、センサ素子10は外部で検知対象ガスが発生し、ハ
ウジング30の内部空間35に検知対象ガスが流入する
とその濃度に応じた出力が得られる。ハウジング30に
収容されたセンサ素子10の作用極70、対極90、参
照極80の一端を端子5とし、この端子5はハウジング
30の外側に露出し、電流計などの外部機器の接続に用
いられる。
【0013】本発明の電気化学式ガスセンサは、さらに
上記幕50を有する。この幕50は吸水性を有し、含水
すると気密性が生じる材質であって、例えば濾紙や布な
どが用いられる。この幕50は垂直片55とこの垂直片
55の上端から水平に延びた水平片56からなり、垂直
片55の下端を貯水槽40内の水相部46に浸し、水平
片56を隔壁20の下面に添接させるとともに、この水
平片56の先端で連絡口36を塞いで配置することによ
り、含水すると気密性が生じる、吸水性の幕50が一端
で上記連絡口36を塞ぎ、且つ他端が貯水槽40内の水
相部46に浸っている。すなわち、貯水槽40内の水相
部46に浸水する幕50の垂直片55の下端から吸い上
げられた水は水平片56を伝わって他端を飽水状態にす
る。したがって、上記連絡口36は飽水状態に保持され
た幕50で塞がれ、内部空間35と貯水槽40内の水相
部46間の通気性は失う。
【0014】以下、本発明の電気化学式ガスセンサの機
能について述べる。まず、雰囲気中に検知対象ガスが発
生すると通気口34から検知対象ガスが内部空間35に
入る。検知対象ガスが内部空間35内に拡散し、そのう
ちに連絡口36に達するが、連絡口36を塞ぐ幕50の
一端の飽水状態によって生じる気密性のために貯水槽4
0内の水相部46に拡散するのを阻止する。つまり、検
知対象ガスは内部空間35内のみで拡散し、内部空間3
5内に導入された検知対象ガスの希釈化が阻止される。
連絡口36により検知対象ガスが希釈されると、検知対
象ガス濃度に応じた出力を得るセンサ素子10は、外部
のガス濃度に達する時間が長くなることから応答が遅れ
るが、幕50があるのでガスの希釈がなく、応答時間を
短縮することができる。センサ素子10からの応答があ
ると、端子5を通じて外部機器がそれに応じて作動す
る。
【0015】図1に示すとおり、本発明の電気化学式ガ
スセンサは、さらに上記幕50を基準にして、水相部4
6の反対側に設けられた連絡口36を塞ぐ、多孔質層6
0を備える。この多孔質層60は通気性と水密性を有す
る。この多孔質層60の一例をあげると、ポリフッ化エ
チレン系繊維の不織布が用いられる。また、多孔質層6
0は先にあげたポリフッ化エチレンの一種であるテトラ
フルオロエチレン(以下TFEと略す)モノマーを用い
たプラズマケミカルベーパーディポジット(プラズマC
VD)により、濾紙や布の表面にTFEの重合体を形成
したものを使用してもよい。この多孔質層60は、上記
幕50の垂直片55の下端から吸い上げられ、水平片5
6を伝わって他端に達した水が液体状態で多孔質層60
を通過して連絡口36を通り、内部空間35内に入るの
を阻止する。内部空間35内に入るのを阻止する理由
は、多孔質層60が水密性を有するからである。また、
内部空間35内が未飽和状態のときは貯水槽40内の水
相部46から上記幕50の垂直片55の下端から吸い上
げられ、水平片56を伝わって他端に達した水が蒸発
し、蒸気が多孔質層60を通過して連絡口36を通り、
内部空間35内に蒸気を拡散させる。内部空間35内に
蒸気が入り拡散する理由は、多孔質層60が通気性を有
するからである。したがって、内部空間35内に収容さ
れているセンサ素子10が過度の水濡れから保護され、
それに伴って起こるセンサ素子10の破壊や出力異常を
防止する。
【0016】
【発明の効果】この発明の電気化学式ガスセンサによる
と、長期の使用や保管によって貯水槽の水が蒸発し、そ
れによって応答時間が遅れていたのを防ぐことができ、
また検知するガス種には制限なく利用することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る電気化学式ガスセンサ
断面図である。
【図2】本発明の従来例に係る電気化学式ガスセンサ
断面図である。
【図3】本発明に係る電気化学式ガスセンサ素子の平面
図である。
【図4】図3に係る電気化学式ガスセンサ素子をX−Y
で切った断面図である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(1)ハウジング30と隔壁20を介して
    このハウジング30に付設された貯水槽40を有し、 (2)上記ハウジング30は検知対象ガスを導入する通
    気口34と外部から導入された検知対象ガスが拡散する
    内部空間35を有し、 (3)上記ハウジング30の内部空間35にはセンサ素
    子10が収容され、 (4)上記隔壁20には内部空間35と貯水槽40を連
    通する連絡口36が形成され、 (5)上記センサ素子10は、互いに対設された作用極
    70と対極90及びこの作用極70と対極90を被覆す
    る、含水状態に保持される固体電解質膜110とから構
    成され、さらに (6)一端が上記連絡口36を塞ぎ、且つ他端が貯水槽
    40内の水相部46に浸る、含水すると気密性が生じ
    る、吸水性の幕50を備えるとともに、 (7)上記幕50を基準にして、貯水槽40内の水相部
    46の反対側に連絡口36を塞ぐ通気性と水密性の多孔
    質層60を備え たことを特徴とする電気化学式ガスセン
    サ。
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