JP2988040B2 - Electrochemical gas sensor - Google Patents
Electrochemical gas sensorInfo
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Description
【0001】[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
解質膜とからなる電気化学式ガスセンサに関し、電極上
で起こるガスの電気化学反応を利用して、例えば大気中
の特定の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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrochemical gas sensor, and more particularly to an electrochemical gas sensor comprising an insulating substrate provided with a plurality of electrodes including a working electrode, and a solid electrolyte membrane covering these electrodes in series. The present invention relates to an electrochemical gas sensor that detects, for example, a specific gas in the atmosphere by utilizing an electrochemical reaction of a gas occurring on an electrode.
【0002】[0002]
【従来の技術】電気化学反応を利用したガスセンサの基
本は、複数の電極を電解質でつなぎ、電極において電気
化学的な反応を起こさせるものである。ここで電解質と
しては、液体やゲル状電解質を用いていたが、機器から
の液漏れや溶媒の蒸発などが生じるために、センサの耐
久性や信頼性に劣る問題がある。このために無機物ある
いは有機の固体電解質が採用されるに到った。無機物と
しては、β−アルミナ、ナシコン、リシコン、安定化ジ
ルコニア等が用いられ、これらの無機物を用いた場合
は、常温におけるインピーダンスが高いため、常温では
イオンが伝導しがたい状態にある。したがって、一般に
は前記のような無機物の固体電解質は、加熱してインビ
ーダンスが低い状態に保持する必要があり、その結果、
消費電力が大きくなる。2. Description of the Related Art The basic principle of a gas sensor utilizing an electrochemical reaction is to connect a plurality of electrodes with an electrolyte to cause an electrochemical reaction at the electrodes. Here, as the electrolyte, a liquid or gel electrolyte is used, but there is a problem that the durability and reliability of the sensor are inferior because the liquid leaks from the device and the solvent evaporates. For this reason, inorganic or organic solid electrolytes have been adopted. As the inorganic substance, β-alumina, nasicon, lithicon, stabilized zirconia, or the like is used. When these inorganic substances are used, the impedance at room temperature is high, so that ions are difficult to conduct at room temperature. Therefore, generally, the inorganic solid electrolyte as described above needs to be heated to maintain a low impedance state, and as a result,
Power consumption increases.
【0003】一方有機物としては、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
ー等のカチオン交換樹脂に属するポリマが用いられる。
これらの樹脂は、無機物に比べて、常温でのカチオン解
離度が大きいために、インピーダンスが小さく、したが
って消費電力が小さい点で有利である。中でもパーフル
オロスルホネートポリマーは、カチオン解離度が他に比
べて大きく、かつ熱的に、ならびに電気化学的にも安定
である上に溶媒に可溶であるため絶縁基板とこの絶縁基
板に形成された複数の電極の上にキャステングすること
により成膜することができるので、製造上の利点も見逃
せない。On the other hand, polymers belonging to cation exchange resins such as polystyrene sulfonate, polyvinyl sulfonate, perfluorosulfonate polymer and perfluorocarboxylate polymer are used as organic substances.
These resins are advantageous in that they have low impedance and therefore low power consumption because they have a high degree of cation dissociation at room temperature compared to inorganic substances. Among them, the perfluorosulfonate polymer has a higher degree of cation dissociation than others, and is thermally and electrochemically stable, and is soluble in a solvent. Since a film can be formed by casting on a plurality of electrodes, a manufacturing advantage cannot be overlooked.
【0004】ところで、この様に利点を有する有機物を
用いた固体電解質膜を備えた電気化学式ガスセンサは、
この固体電解質膜の電気的特性あるいはガスの透過性が
経時的に変化するために、センサの感度の経時的変化を
誘発し、信頼性に欠ける問題がある。By the way, an electrochemical gas sensor provided with a solid electrolyte membrane using an organic substance having such an advantage,
Since the electrical characteristics or gas permeability of the solid electrolyte membrane changes over time, the sensitivity of the sensor changes over time, and there is a problem of lack of reliability.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
が解決する課題は、固体電解質膜の電気的特性あるいは
ガスの透過性など複雑な原因によって引き起こされる、
対象ガスを検知する感度が正常に保持されていることを
検知することにより、信頼性を高めた電気化学式ガスセ
ンサを提供するものである。Therefore, the problem to be solved by the present invention is caused by complicated factors such as the electrical characteristics of the solid electrolyte membrane or gas permeability.
An object of the present invention is to provide an electrochemical gas sensor with improved reliability by detecting that the sensitivity for detecting a target gas is normally maintained.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】この発明に係る電気化学
式ガスセンサは、絶縁基板10、この絶縁基板10に設
けられた作用極20、対極30、参照極40及びこれら
の電極20、30、40を一連に被覆する固体電解質膜
80とからなる対象ガスを検知する対象ガス検知部A、
この対象ガス検知部Aと同一の構成を有する、使用環境
に一定の濃度で存在する基準ガスを検知する基準ガス検
知部B、及びこの基準ガス検知部Bには検知出力が一定
値以下になると信号を発する寿命告知手段を備えたこと
を特徴とするものである。An electrochemical gas sensor according to the present invention comprises an insulating substrate 10, a working electrode 20, a counter electrode 30, a reference electrode 40, and these electrodes 20, 30, 40 provided on the insulating substrate 10. A target gas detector A for detecting a target gas comprising the solid electrolyte membrane 80 to be coated in a series;
A reference gas detection unit B having the same configuration as the target gas detection unit A and detecting a reference gas present at a constant concentration in the use environment, and when the detection output of the reference gas detection unit B falls below a certain value. It is characterized by having a life notifying means for issuing a signal.
【0007】[0007]
【作用】この発明にかかる電気化学式ガスセンサによる
と、絶縁基板10に設けられた作用極20、対極30、
参照極40及びこれらの電極10,20,30を一連に
被覆する固体電解質膜80とからなる対象ガスを検知す
る対象ガス検知部A、及びこの対象ガス検知部Aと同一
の構成を有する、使用環境に一定の濃度で存在する基準
ガスを検知する基準ガス検知部B、及びこの基準ガス検
知部Bには検知出力が一定値以下になると信号を発する
寿命告知手段を備えることにより、使用環境に一定の濃
度で存在する基準ガスを検知する基準ガス検知部Bの感
度特性は、基準ガス検知部Bが対象ガスを検知する対象
ガス検知部Aと同一の構成を備えているので、対象ガス
検知部Aの感度特性と同一乃至同等の経時変化をたどる
ので、基準ガス検知部Bの検知出力が一定値以下になる
と信号を発する寿命告知手段の信号により検知すること
ができるのである。According to the electrochemical gas sensor of the present invention, the working electrode 20, the counter electrode 30, and the
A target gas detecting section A for detecting a target gas comprising a reference electrode 40 and a solid electrolyte membrane 80 which covers these electrodes 10, 20, 30 in series, and has the same configuration as the target gas detecting section A. By providing a reference gas detection unit B that detects a reference gas present at a constant concentration in the environment, and a life notification unit that emits a signal when the detection output becomes equal to or less than a predetermined value, the reference gas detection unit B can be used in a usage environment. The sensitivity characteristic of the reference gas detection unit B that detects the reference gas existing at a constant concentration is the same as that of the target gas detection unit A that detects the target gas. Since the change with time is the same as or equivalent to the sensitivity characteristic of the portion A, it can be detected by the signal of the life notifying means which emits a signal when the detection output of the reference gas detection portion B falls below a certain value.
【0008】[0008]
【実施例】以下、本発明を実施例として示した図面に基
づいて説明する。図1は本発明の一実施例に係る電気化
学式ガスセンサを模式的に示した平面図であり、図2は
その断面図である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings showing embodiments. FIG. 1 is a plan view schematically showing an electrochemical gas sensor according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view thereof.
【0009】図1及び図2において、絶縁基板10に
は、対象ガスを検知する対象ガス検知部Aとこの対象ガ
ス検知部Aに対を成す基準ガス検知部Bを間隔をおいて
備える。対象ガス検知部Aは、絶縁基板10の上に相互
に間隔をおいて形成された作用極20、この作用極20
の対極30及び参照極40を備え、さらにこれらの電極
20、30、40を被覆して一連につなぐ固体電解質膜
80から構成される。作用極20、この作用極20の対
極30及び参照極40は、一例を挙げると、白金や金な
どの電極材料を絶縁基板10にスパッタリングや蒸着等
の手段により,図示の如く、一端を固体電解質膜80の
外部に露出させて、外部回路との接続に用いる端子部2
2、32、42を有するよう形成され、固体電解質膜8
0は、たとえば前記の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のポリマ
が用いられ、中でも一例をあげると前述の如くパーフル
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)が実用的である。固体電解質膜80を成膜するに
は、たとえば簡単なキャステング、その他適当な手段が
用いられる。In FIG. 1 and FIG. 2, an insulating substrate 10 is provided with a target gas detector A for detecting a target gas and a reference gas detector B paired with the target gas detector A at intervals. The target gas detector A includes a working electrode 20 formed on the insulating substrate 10 at a distance from each other,
And a solid electrolyte membrane 80 covering these electrodes 20, 30, and 40 and connecting them in series. One end of the working electrode 20, the counter electrode 30 of the working electrode 20, and the reference electrode 40 are connected to one end of a solid electrolyte as shown in the drawing by means of sputtering or vapor deposition of an electrode material such as platinum or gold on the insulating substrate 10. A terminal portion 2 exposed to the outside of the film 80 and used for connection to an external circuit
2, 32 , 42 , and the solid electrolyte membrane 8
0 is, for example, a polymer such as the above-mentioned polystyrene sulfonate, polyvinyl sulfonate, perfluorosulfonate polymer, or perfluorocarboxylate polymer. It is practical. To form the solid electrolyte membrane 80, for example, a simple casting or other appropriate means is used.
【0010】この固体電解質膜80の経時的劣化、たと
えば電気的特性の経時的変化あるいは対象ガスの透過性
の変化等を阻止する目的で、この固体電解質膜80の上
に、さらに保護膜90が形成される。この保護膜90
は、一例を示すと弗素系樹脂を用い、蒸着法あるいはプ
ラズマ法等により形成することができる。For the purpose of preventing the solid electrolyte membrane 80 from deteriorating with time, for example, a change in electrical characteristics with time or a change in the permeability of a target gas, a protective film 90 is further formed on the solid electrolyte membrane 80. It is formed. This protective film 90
Can be formed by a vapor deposition method or a plasma method using a fluorine-based resin.
【0011】基準ガス検知部Bは、上述の対象ガス検知
部Aと同一の構成を有する。すなわち、絶縁基板10の
上に相互に間隔をおいて形成された作用極50、この作
用極50の対極60及び参照極70を備え、さらにこれ
らの電極50、60、70を被覆して一連につなぐ固体
電解質膜82から構成され、基準ガス検知部Aの作用極
20、作用極20の対極30及び参照極40と同様に、
一端を固体電解質膜82の外部に露出させて、端子部5
2、62、72を有するよう形成され、さらに対象ガス
検知部Aの固体電解質膜80の経時的劣化と同一乃至同
等に追従する固体電解質膜82の上に、この固体電解質
膜82を作用極50とで挟む、ほぼ作用極50と同一の
形状を有する保護膜92が形成されている。ここで、保
護膜92を作用極50上のみに限定して形成すると、電
気的特性の経時的変化あるいは対象ガスの透過性の変化
等の経時特性が同等の対象ガス検知部Aと基準ガス検知
部Bを構成することができる。その理由はつぎのとおり
である。基準ガス検知部Bでは、使用環境中に存在して
いるため、作用極50上においては、電気化学反応が絶
えず起きているために、たとえば基準ガスを酸素とする
と、The reference gas detector B has the same configuration as the target gas detector A described above. That is, a working electrode 50, a counter electrode 60 of the working electrode 50, and a reference electrode 70 are formed on the insulating substrate 10 at a distance from each other, and these electrodes 50, 60, and 70 are further covered to form a series. The working electrode 20 of the reference gas detection unit A, the counter electrode 30 of the working electrode 20 and the reference electrode 40 are configured as follows.
One end is exposed to the outside of the solid electrolyte membrane 82 so that the terminal 5
This solid electrolyte membrane 82 is formed to have the working electrode 50 on the solid electrolyte membrane 82 which is formed to have the same or equivalent deterioration over time as the solid electrolyte membrane 80 of the target gas detection section A. , A protective film 92 having substantially the same shape as the working electrode 50 is formed. Here, if the protective film 92 is formed only on the working electrode 50 , the target gas detection unit A and the reference gas detection unit having the same temporal characteristics such as a change in electric characteristics with time or a change in permeability of the target gas. The part B can be configured. The reason is as follows. In the reference gas detecting section B, since the electrochemical reaction is constantly occurring on the working electrode 50 because it is present in the use environment, for example, when the reference gas is oxygen,
【0012】[0012]
【化1】 Embedded image
【0013】なる反応により水が発生し続ける。このよ
うな生成物が固体電解質膜82内に留まると、対象ガス
検知部Aの経時特性とは異なる特性を示す。固体電解質
膜82が保護膜92で被覆されていない場合は、このよ
うな生成物は使用環境中に大部分が放出されるので、そ
れほどの影響を与えないが、固体電解質膜82が保護膜
92で被覆されている場合は、放出されにくい。そこ
で、固体電解質膜82の作用極50上の部分を除いた全
面を露出させると、生成物の放出が促進されるからであ
る。Water continues to be generated due to the reaction. When such a product stays in the solid electrolyte membrane 82, it exhibits characteristics different from the temporal characteristics of the target gas detection unit A. If the solid electrolyte membrane 82 is not covered with the protective film 92, such products are largely released into the use environment and thus do not significantly affect the solid electrolyte film 82. When coated with, it is difficult to release. This is because exposing the entire surface of the solid electrolyte membrane 82 except for the portion on the working electrode 50 promotes the release of the product.
【0014】上述のとおり、経時的劣化が相互に同一乃
至同等に進行する関係にある対象ガス検知部Aの電極2
0、30、40と基準ガス検知部Bの電極50、60、
70は、それぞれの端子部22、32、42と52、6
2、72においてリード線102と104を介して対象
ガスの検知を、対象ガス検知部Aの作用極20と対極3
0間に流れる電流値によって行う信号処理回路100と
基準ガス検知部Bの作用極50と対極60間に流れる電
流値によって基準ガス検知部Bの経時劣化の検知を行う
寿命告知回路110に接続され、この寿命告知回路11
0は、作用極50と対極60間に流れる電流値で判別す
る検知出力が一定値以下になると信号を発して寿命を告
知する寿命告知手段を構成する。ここで寿命を告知する
信号は、たとえば警告音の発生、警告ランプの点灯など
任意である。また寿命を告知する時点は、作用極50と
対極60間に流れる初期の電流値の半分になる時点、ま
たはあらかじめ設定したしきい値以下に低下した時点と
することもでき、ガスセンサの用途や目的に応じて設定
する必要がある。As described above, the electrodes 2 of the target gas detecting section A whose deterioration with time progresses in the same or equivalent manner with each other.
0, 30, 40 and the electrodes 50, 60,
Reference numeral 70 denotes each of the terminal portions 22, 32, 42 and 52, 6
At 2 and 72, the detection of the target gas via the lead wires 102 and 104 is performed by using the working electrode 20 and the counter electrode 3 of the target gas detection unit A.
It is connected to a signal processing circuit 100 performed by a current value flowing between 0 and a life notification circuit 110 for detecting deterioration with time of the reference gas detection unit B by a current value flowing between the working electrode 50 and the counter electrode 60 of the reference gas detection unit B. , This life notification circuit 11
0 constitutes a life notifying means for notifying the life by issuing a signal when the detection output determined by the value of the current flowing between the working electrode 50 and the counter electrode 60 falls below a certain value. Here, the signal for notifying the life is arbitrary such as generation of a warning sound and lighting of a warning lamp. In addition, the time when the life is announced can be the time when the initial current value flowing between the working electrode 50 and the counter electrode 60 becomes half or the time when the current value falls below a predetermined threshold value. It is necessary to set according to.
【0015】なお、対象ガス検知部Aの検知する対象ガ
スは、一酸化炭素、アルコール、硫化水素他、各種のガ
スがなりうる。すなわち、これらのガス種に応じて、作
用極20と参照極40の間にかける電圧を設定する。同
様に基準ガス検知部Bの基準ガスは、通常の使用環境で
は、大気中に存在する酸素が適切であるが、使用環境に
応じてガス種を選択し、選択したガスに応じて作用極5
0と参照極70の間にかける電圧を設定する。The target gas detected by the target gas detection section A can be various gases such as carbon monoxide, alcohol, hydrogen sulfide and the like. That is, the voltage applied between the working electrode 20 and the reference electrode 40 is set according to these gas types. Similarly, as the reference gas of the reference gas detection unit B, in a normal use environment, oxygen existing in the atmosphere is appropriate. However, a gas type is selected according to the use environment, and the working electrode 5 is selected according to the selected gas.
The voltage applied between 0 and the reference electrode 70 is set.
【0016】[0016]
【発明の効果】この発明に係る電気化学式ガスセンサに
よると、絶縁基板10に設けられた作用極20、対極3
0、参照極40及びこれらの電極20、30、40を一
連に被覆する固体電解質膜80とからなる対象ガスを検
知する対象ガス検知部A、及びこの対象ガス検知部と同
一の構成を有する、使用環境に一定の濃度で存在する基
準ガスを検知する基準ガス検知部B、及びこの基準ガス
検知部Bには検知出力が一定値以下になると信号を発す
る寿命告知手段を備えることにより、使用環境に一定の
濃度で存在する基準ガスを検知する基準ガス検知部Aの
感度特性は、基準ガス検知部Bが対象ガスを検知する対
象ガス検知部Aと同一の構成を備えているので、対象ガ
ス検知部Aの感度特性と同一乃至同等の経時変化をたど
るので、基準ガス検知部Bの検知出力が一定値以下にな
ると信号を発する寿命告知手段の信号により検知するこ
とができ、その結果、対象ガス検知部Aの固体電解質膜
80の電気的特性あるいはガスの透過性など複雑な原因
によって引き起こされる、対象ガスを検知する感度が正
常に保持されていることを検知することにより、信頼性
を高めた電気化学式ガスセンサを提供するものである。According to the electrochemical gas sensor according to the present invention, the working electrode 20 and the counter electrode 3 provided on the insulating substrate 10 are provided.
0, a target gas detector A for detecting a target gas comprising a reference electrode 40 and a solid electrolyte membrane 80 covering the electrodes 20, 30, 40 in series, and having the same configuration as the target gas detector. By providing a reference gas detector B for detecting a reference gas present at a certain concentration in the use environment, and a life notifying means for issuing a signal when the detection output becomes equal to or less than a certain value, the reference gas detector B is used. The sensitivity characteristic of the reference gas detection unit A for detecting the reference gas present at a constant concentration in the target gas is the same as that of the target gas detection unit A in which the reference gas detection unit B detects the target gas. Since the change over time is the same as or equivalent to the sensitivity characteristic of the detection unit A, it can be detected by the signal of the life notifying means that emits a signal when the detection output of the reference gas detection unit B falls below a certain value. As a result, by detecting that the sensitivity for detecting the target gas, which is caused by the electrical characteristics of the solid electrolyte membrane 80 of the target gas detection unit A or a complicated cause such as gas permeability, is normally maintained, the reliability is improved. An object of the present invention is to provide an electrochemical gas sensor with improved performance.
【図1】本発明の一実施例に係る電気化学式ガスセンサ
の平面図である。FIG. 1 is a plan view of an electrochemical gas sensor according to one embodiment of the present invention.
【図2】本発明の一実施例に係る図1の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of FIG. 1 according to one embodiment of the present invention.
10 絶縁基板 20 作用極 30 対極 40 参照極 80 固体電解質膜 82 固体電解質膜 90 保護膜 92 保護膜 A 対象ガス検知部 B 基準ガス検知部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Insulating substrate 20 Working electrode 30 Counter electrode 40 Reference electrode 80 Solid electrolyte membrane 82 Solid electrolyte membrane 90 Protective film 92 Protective film A Target gas detection part B Reference gas detection part
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−43950(JP,A) 特開 平4−208849(JP,A) 特開 平4−230843(JP,A) 特開 平4−43951(JP,A) 特開 平5−249075(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/416 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-4-43950 (JP, A) JP-A-4-208849 (JP, A) JP-A-4-230843 (JP, A) 43951 (JP, A) JP-A-5-249075 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G01N 27/416
Claims (2)
に設けられた作用極(20)、対極(30)、参照極
(40)及びこれらの電極を一連に被覆する固体電解質
膜(80)とからなる対象ガスを検知するため、対象ガ
スのガス種に応じて作用極(20)と参照極(40)の
間にかける電圧が設定される対象ガス検知部A、この対
象ガス検知部Aと同一の電極構成とこれら電極を一連に
被覆する固体電解質膜(82)から構成されてなり、使
用環境に一定の濃度で存在する、対象ガスと異なる基準
ガスを検知するため、基準ガスのガス種に応じて作用極
(50)と参照極(70)の間にかける電圧が設定され
る基準ガス検知部B、及び基準ガス検知部Bの検知出力
が一定値以下になると信号を発する寿命告知手段を備え
たことを特徴とする電気化学式ガスセンサ。An insulating substrate (10), said insulating substrate (10)
In order to detect a target gas composed of a working electrode (20), a counter electrode (30), a reference electrode (40), and a solid electrolyte membrane (80) covering these electrodes in series,
The working electrode (20) and the reference electrode (40)
The target gas detector A to which the voltage to be applied is set , the same electrode configuration as the target gas detector A and these electrodes
Consists coated to the solid electrolyte membrane (82) made by, present at a constant concentration in a use environment, to detect the different reference gas and target gas, the working electrode in accordance with the type of gas reference gas
The voltage applied between (50) and the reference electrode (70) is set.
An electrochemical gas sensor, comprising: a reference gas detecting section B; and a life notifying means for issuing a signal when a detection output of the reference gas detecting section B becomes equal to or less than a predetermined value.
の全面を被覆する保護膜(90)、及び基準ガス検知部
Bの固体電解質膜(82)の上に、この固体電解質膜
(82)を作用極(50)とで挟む、作用極(50)と
ほぼ同一の形状を有する保護膜(92)を備えた請求項
1記載の電気化学式ガスセンサ。2. The solid electrolyte membrane of the target gas detection section A (80).
Protective film covering the entire surface (90), and on a solid electrolyte membrane (82) of the reference gas detector B, the solid electrolyte membrane (82) working electrode sandwiched between (50), the working electrode (50) The electrochemical gas sensor according to claim 1, further comprising a protective film (92) having substantially the same shape as the above.
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Legal Events
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