KR102173077B1

KR102173077B1 - 전기화학 가스센서

Info

Publication number: KR102173077B1
Application number: KR1020187036488A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 야마모토; 구니유키 이자와
Original assignee: 휘가로기켄 가부시키가이샤
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2020-11-02
Also published as: JP6532118B2; CN109313159A; JPWO2018003308A1; US20190339226A1; WO2018003308A1; US10976280B2; GB201820273D0; DE112017003327T5; KR20190008345A; GB2566198B; GB2566198A; CN109313159B

Abstract

전기화학 가스센서는, 판모양이고 오목부가 있는 세라믹스의 하우징과, MEA와, 제1도전성 가스확산막과, 제2도전성 가스확산막과, 오목부를 덮는 것과 같이 하우징에 고착되어 있는 금속의 리드를 갖는다. MEA는, 이온 도전성막과 이온 도전성막의 표면의 제1전극과 이면의 제2전극을 구비하고 있다. 하우징은, 오목부의 바닥면으로부터 하우징의 바닥면으로 연장되는 제1전기배선과, 오목부를 둘러싸는 정상면에서 하우징의 바닥면에 연장되는 제2전기배선을 구비하고 있다. 제1도전성 가스확산막은, MEA와 오목부의 바닥면 사이에 배치되고 또한 제1전기배선에 전기적으로 접속되어 있다. 제2도전성 가스확산막은, MEA와 리드 사이에 배치되고 또한 리드에 전기적으로 접속되어 있다. 리드는, 하우징의 정상면에 고착됨과 아울러 제2전기배선에 전기적으로 접속되고, 리드에 의하여 제2도전성 가스확산막이 MEA측으로 가압되고, 리드 혹은 하우징의 바닥면에 가스유입부가 형성되어 있다. 소형화가 쉽고, 성능편차가 작고 또한 프린트기판에 실장이 쉬운, 전기화학 가스센서를 제공한다.

Description

전기화학 가스센서

본 발명은, 전기화학 가스센서(電氣化學 gas sensor)의 하우징구조(housing構造)에 관한 것이다.

전기화학 가스센서에 의해 CO 등의 가스를 검출하는 것이 알려져 있다(특허문헌1 : JP5693496B, 특허문헌2 : WO 2001/014864). 가스센서의 본체(本體)를 구성하는 MEA는, 프로톤 도전체막(proton 導電體膜) 혹은 전해액(電解液), 이온성 유체(ion性流體) 등을 유지하는 보액시트(補液sheet)의 양면에, 검출극(檢出極)과 대극(對極)을 구비하고 있다. 그리고 가스와의 접촉에 의하여 발생하는, 전극(電極) 사이를 흐르는 전류(電流) 혹은 기전력(起電力)이 출력(出力)이 된다. MEA는, 통기성(通氣性)이 있는 한 쌍의 도전성막(導電性膜)(도전성 가스확산막(導電性 gas擴散膜))에 끼여, 검출극측의 도전성막으로부터 검출해야 할 분위기(雰圍氣)가 공급되고, 대극측의 도전성막으로부터 산소가 공급되어, 생성된 수증기가 대극으로부터 배출된다(특허문헌1).

전기화학 가스센서의 하우징구조로서, 특허문헌1에서는 버튼형(button型)의 전지(電池)와 유사한 구조를 제안하고, 개스킷(gasket)으로 절연된 2장의 금속판(金屬板) 사이에 도전성막과 MEA를 배치하고, 2장의 금속판을 코킹(caulking)에 의하여 고정한다. 코킹에 의한 압력에 의하여 MEA로부터 2장의 금속판으로 전기적 접촉이 얻어진다.

특허문헌2에서는, 오목부(凹部)가 있는 한 쌍의 하우징을 오목부가 마주 보도록 겹치고, 오목부 내에 MEA를 배치한다. 특허문헌2에서는, 액체전해질(液體電解質)을 사용하므로, 오목부를 액체전해질의 리저버(reservior)로 겸용하고, 하우징의 구멍 등으로 전극을 노출시켜 외부로 접속할 수 있게 한다.

: 일본국 특허 제5693496호 공보 : WO 2001/014864

특허문헌1의 하우징에서는, 개스킷과 코킹을 사용하기 때문에 가스센서의 소형화가 어렵다. 또한 코킹은, MEA의 위치의 편차를 발생시키기 쉬우므로 공정관리가 어렵다.

특허문헌2의 하우징에서는, 전극과 주변회로를 접속하는 배선이 어렵다. 또한 통기성 도전성막을 사용하는 경우에, 통기성 도전성막을 소정의 압력으로 가압하여 전극과 접촉시키는 것이 어렵다.

본 발명은, 소형화가 쉽고, 성능편차(性能偏差)가 작고 또한 기판으로의 실장(實裝)이 쉬운 전기화학 가스센서를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 전기화학 가스센서는,

판모양이고 또한 오목부를 갖는 세라믹스의 하우징과,

이온 도전성막과, 이온 도전성막의 표면의 제1전극과, 이면의 제2전극을 구비하고 있는 MEA와,

제1도전성 가스확산막과, 제2도전성 가스확산막과,

상기 오목부를 덮도록 상기 하우징에 고착되어 있는, 금속의 리드를 갖고,

상기 하우징은, 상기 오목부의 바닥면으로부터 하우징의 바닥면으로 연장되는 제1전기배선과, 상기 오목부를 둘러싸는 정상면으로부터 하우징의 바닥면으로 연장되는 제2전기배선을 구비하고,

제1도전성 가스확산막은, 상기 MEA와 상기 오목부의 바닥면 사이에 배치되고 또한 상기 제1전기배선에 전기적으로 접속되고,

제2도전성 가스확산막은, 상기 MEA와 상기 리드 사이에 배치되고 또한 상기 리드에 전기적으로 접속되고,

상기 리드는, 상기 정상면에 고착됨과 아울러, 상기 제2전기배선에 전기적으로 접속되고,

상기 리드에 의하여 상기 제2도전성 가스확산막이 상기 MEA측으로 가압되고,

상기 리드 혹은 상기 하우징의 바닥면에, 가스유입부가 형성되어 있다.

이 발명에서는, 코킹도 개스킷도 필요하지 않으므로 전기화학 가스센서를 소형화할 수 있다. 리드에 의하여 제1 및 제2도전성 가스확산막과 MEA가, 오목부의 바닥면측에 가압되고, MEA로부터 제2도전성 가스확산막을 통하여 리드로의 전기적 패스와, MEA로부터 제1도전성 가스확산막을 통하여 제1전기배선으로의 전기적 패스가 얻어진다. 그리고 리드로부터는, 제2전기배선에 의하여 하우징의 바닥면으로 배선이 인출되고, 제1전기배선도 하우징의 바닥면으로 연장되어 있다. 이 때문에, 하우징의 바닥면에서 가스센서의 2개의 전극을 주변회로에 접속할 수 있다. 또 이 명세서에서는, 리드를 위로, 오목부의 바닥면을 밑으로 하여 방향을 나타낸다.

바람직하게는, 상기 정상면 위에 금속층이 형성되고 또한 상기 리드가 상기 금속층에 용접되어 있다. 리드를 금속층에 용접하기 때문에 리드와 하우징의 고정이 쉽고 또한 리드와 금속층을 확실하고 기밀성을 갖도록 전기적으로 접속할 수 있다.

바람직하게는, 상기 리드는, 상기 가스유입부로서 구멍을 구비하고 또한 상기 하우징의 바닥면은 기밀성을 갖는다. 리드는 금속이므로, 작은 지름의 가스유입구멍을 정확하게 형성하여, 가스센서 내로의 통기성을 일정하게 할 수 있다. 또한 리드에 가스유입구멍을 형성하므로 하우징의 바닥면은 기밀성을 갖게 한다.

바람직하게는, 상기 제2도전성 가스확산막과 상기 리드 사이에, 도전성이고 또한 시트모양의 가스흡착필터가 설치되어 있다. 활성탄에는 도전성이 있으며, 실리카겔, 제올라이트, 메조포러스 실리카 등의 가스 흡착제는, 예를 들면 카본블랙 등의 도전성 입자를 혼합함으로써 도전성을 부여할 수 있다. 따라서 제2도전성 가스확산막으로부터, 가스흡착필터를 통하여 리드에 이르는 도전성 패스를 확보할 수 있다. 또한 가스흡착필터는, 리드의 가스유입구멍으로부터 확산하는 소량의 가스를 처리하는 데에 좋아, 필터를 긴 수명으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 MEA, 제1도전성 가스확산막, 제2도전성 가스확산막, 상기 오목부, 상기 하우징 및 상기 리드가, 평면에서 볼 때에 4각형, 예를 들면 직4각형 혹은 정4각형이다. 특허문헌1과 같은 원형의 MEA가 아니고 4각형의 MEA를 사용하므로, MEA를 오리지널 시트로부터 피어싱할 때에 로스를 적게 할 수 있다. 그리고 MEA를 4각형으로 함에 따라, 하우징, 리드, 오목부, 제1 및 제2도전성 가스확산막도 4각형으로 한다.

바람직하게는, 상기 오목부는, 바닥면과, 바닥면을 둘러싸는 제1벽과, 제1벽의 상부의 평탄면과, 평탄면을 둘러싸는 제2벽을 구비하고, 제2벽의 상부에 상기 정상면이 존재하고,

상기 제1도전성 가스확산막은, 오목부의 바닥면에 접촉하고 또한 제1 벽에 둘러싸이고,

상기 제2도전성 가스확산막은 제2벽에 둘러싸이고,

상기 MEA의 단부 혹은 상기 제2도전성 가스확산막의 단부가 상기 평탄면 위에 위치한다.

도전성 가스확산막은 리드로부터의 압력으로 압축되고, 이 압력은, 제1도전성 가스확산막과 MEA의 접촉, 및 제2도전성 가스확산막과 MEA 및 제1 전기배선의 접촉을 확실하게 하는 작용을 한다. 오목부의 바닥면과 정상면 사이에 평탄면을 형성하고, 깊이방향을 따라 오목부를 정상면에서 평탄면까지의 부분과 평탄면에서 바닥면까지의 부분으로 나누면, 가압 시에 있어서 제1도전성 가스확산막의 두께와 제2도전성 가스확산막의 두께를 제한할 수 있다. 또 MEA의 단부 혹은 제2도전성 가스확산막의 단부가 평탄면 상에 위치하기 때문에, 2개의 도전성 가스확산막이 접촉할 일이 없고 또한 평탄면의 상방과 하방 사이에서 분위기를 차단할 수 있다.

도1은, 실시예의 전기화학 가스센서의 단면도이다.
도2는, 실시예의 전기화학 가스센서의 평면도이다.
도3은, 실시예의 전기화학 가스센서의, 리드를 떼어낸 상태에서의 평면도이다.
도4는, 실시예의 전기화학 가스센서의 하우징의 단면도이다.
도5는, 실시예의 전기화학 가스센서의 주요부를 확대한 단면도이다.
도6은, 변형예의 전기화학 가스센서의 단면도이다.
도7은, 제2변형례의 전기화학 가스센서의 단면도이다.

이하에서, 본 발명을 실시하기 위한 최적의 실시예를 나타낸다.

(실시예)

도1∼도5에 실시예를 나타낸다. 전기화학 가스센서(電氣化學 gas sensor)(2)는, 세라믹스(ceramics)의 하우징(housing)(4)과, MEA(6)와, MEA(6)의 상하에 있어서의 도전성 가스확산막(導電性 gas擴散膜)(8, 10)과, 금속(金屬)의 리드(lid)(12)를 구비하고 있다. 이들의 부재(4∼12)는 평면에서 볼 때에 직4각형∼정4각형이고, MEA(6) 및 도전성 가스확산막(8, 10)은, 하우징(4)의 오목부(凹部)(13)에 수용되어 있다.

하우징(4)은 평면에서 볼 때에 직4각형∼정4각형의 오목부(13)를 구비하고, 14는 오목부(13)의 바닥면이고, 15는 중간의 평탄면으로 바닥면(14)을 둘러싸고, 25는 정상면(頂上面)으로 평탄면(15)을 둘러싸고 있다. 정상면(25)과 평탄면(15) 사이에는 예를 들면 수직인 벽면(17)이 있고, 평탄면(15)과 바닥면(14) 사이에는 예를 들면 수직인 벽면(18)이 있다. 예를 들면 정상면(25)의 전체면에 금속층(金屬層)(16)이 있고, 금속층(16)은 금속을 하우징(4)의 세라믹스 재료와 함께 소성(燒成)한 것이어도, 금속판을 용접 등에 의해 정상면(25)에 고정한 것이어도 좋다. 금속층(16)은, 전기적인 배선(配線)(20)을 통하여, 하우징(4)의 바닥면(19)의 전기적인 배선(21)에 접속되어 있다.

오목부(13)의 바닥면(14)의 전체면 혹은 일부에 배선(22)이 형성되고, 배선(23, 24)을 통하여 하우징(4)의 바닥면(19)으로 인출되어 있다. 배선(20∼24)은, 금속을 하우징(4)의 세라믹스 재료와 함께 소성한 것이다. 또한 하우징(4)의 끝면에 배선(20, 23)을 형성하는 대신에, 하우징(4)에 도전화(導電化)된 기밀성(氣密性)의 스루홀(through-hole)을 형성하여도 좋다.

리드(12)에는 가스유입구멍(gas流入孔)(26)을 1개∼복수개 형성하고, 가스유입구멍(26)의 사이즈를 일정하게 함으로써, 가스센서(2)의 내부로의 통기성(通氣性)을 일정하게 한다. 금속에 대한 천공가공(穿孔加工) 등으로, 일정 사이즈의 가스유입구멍(26)을 만들 수 있다. 또한 리드(12)에 가스유입구멍을 형성하는 대신에, 하우징(4)의 바닥면(19)으로부터 오목부(13)의 바닥면(14)까지의 층을 통기성의 세라믹스로 구성하여도 좋다.

MEA(6)는, 도1의 좌측에 나타나 있는 바와 같이 프로톤 도전체막막(proton 導電體膜)(34)의 상부에 검출극(檢出極)(35)을, 하부에 대극(對極)(36)을 형성한 것이다. MEA(6)에서는, 프로톤 도전체막(34) 대신에, 전해액(電解液) 혹은 이온성 유체(ion性流體)를 유지하는 시트(sheet)를 사용하여도 좋다. MEA(6)는 가스센서(2) 중에서 가장 비싼 부재로서, MEA(6)의 오리지널 시트(origninal sheet)로부터 펀칭(punching)함으로써 MEA(6)를 제조하고, 직4각형∼정4각형의 MEA(6)에서는 펀칭에 의한 로스(loss)가 발생하지 않는다.

도전성 가스확산막(8, 10)은, 카본블랙(carbon black), 탄소섬유(炭素纖維) 등의 도전성 입자(導電性粒子)를 갖는 통기성의 시트이며, 높은 도전성은 필요없다. 확산막(8, 10)은 PTFE 등의 섬유를 가하여 소수화(疏水化)하여도 좋지만, 바람직하게는 폴리아미드, 메틸 셀룰로오스, 폴리비닐알코올 등의 친수성 섬유(親水性纖維)를 혼합해서 조습성(調濕性)을 갖게 하여, 가스센서(2)의 습도 의존성(濕度依存性)을 작게 한다.

28은 필터(filter)로서, 통기성과 도전성이 있는 활성탄(活性炭)의 시트이며, 리드(12)와 도전성 가스확산막(8) 사이에 배치되어 이들을 전기적으로 접속한다. 제올라이트(zeolite), 실리카겔(silica gel), 메조포러스 실리카(mesoporous silica) 등의 다른 흡착제에 도전성 입자를 혼합하여, 섬유모양의 바인더(binder)에 의해 성형된 시트도 필터(28)로서 사용할 수 있다.

가스센서(2)의 제조과정을 설명한다. 도5에 나타나 있는 바와 같이 하우징(4)은 3개의 층(30∼32)으로 이루어지고, 예를 들면 층(30)의 양면에 배선(21 ,22, 24)을 형성하고, 층(32)의 정상면(25)에 금속층(16)을 형성하고, 층(30∼32)을 겹쳐서 소성함으로써 제조한다. 배선(20, 23)은 층(30∼32)과 동시에 형성하여 동시에 소성하더라도 좋고, 혹은 층(30∼32)의 소성 후에 형성하여도 좋다.

MEA(6)의 상하에 도전성 가스확산막(8, 10)을 겹쳐서, 예를 들면 도전성 가스확산막(10)을 오목부(13)의 바닥면(14)의 위에 배치한다. MEA(6)와 도전성 가스확산막(8) 중 어느 하나의 단부가 평탄면(15)에 의해 지지되도록 하여, 도전성 가스확산막(8, 10)의 접촉을 방지함과 아울러, 평탄면(15)의 상방과 하방으로 분위기(雰圍氣)를 분리한다.

가스확산막(8) 위에 필터(28)을 겹치고, 리드(12)로 오목부(13)를 덮고, 심 용접(seam 容接)에 의해 리드(12)를 금속층(16)에 용접한다. 심 용접은, 세라믹스 패키지로 IC칩(IC chip)의 밀봉에 사용되어, 리드(12)를 간단하고 또한 기밀성을 갖게 하우징(4)에 고정할 수 있다. 또한 심 용접 대신에, 도전성 접착제에 의한 접착도 가능하다.

리드(12)에 의하여, 필터(28), 도전성 가스확산막(8), MEA(6), 도전성 가스확산막(10)이 오목부(13)의 바닥면(14)측으로 가압되고, 이들의 부재는 전기적으로 접속되고, 또 위치도 일정하게 된다. 도전성 가스확산막(8, 10)은 가압에 의해 얇아지게 되고, 가압 후의 두께는, 도전성 가스확산막(10)에서는 벽면(18)의 높이에 의해 정해지고, 도전성 가스확산막(8)에서는 벽면(17)의 높이에 의해 정해진다. 또 MEA(6)와 도전성 가스확산막(8)의 단부가 평탄면(15) 위에 있으므로 도전성 가스확산막(8, 10)이 접촉하는 일은 없다. 또한 벽면(18)과 도전성 가스확산막(10)의 간극은, MEA(6)와 도전성 가스확산막(8)에 의해 덮어져, 검출극측의 분위기가 대극측으로 돌아 들어가는 것을 제한한다.

MEA(6)의 검출극과 대극은, 하우징(4)의 바닥면의 배선(21, 24)에 접속되어, 프린트기판(print基板) 등의 기판에, 리플로우 솔더링(reflow soldering), 도전성 접착제(導電性接着劑) 등에 의하여 가스센서(2)를 실장할 수 있다.

도6은 제1변형예의 전기화학 가스센서(42)을 나타내고, 특히 지적하는 점 이외는 도1∼도5의 실시예와 동일하다. 가스센서(42)에서는, 가스흡착제로 이루어지는 필터(48)를 리드(12)의 가스유입구멍(26)의 상부에 배치한다. 가스유입구멍(26)에서 통기량을 줄이기 전의 가스를 처리하기 때문에, 필터(28)에 비하여 큰 필터(48)가 필요하다.

도7은 제2변형예의 전기화학 가스센서(52)를 나타내고, 특히 지적하는 점 이외는, 도1∼도5의 실시예와 동일하다. 도1∼도5에서의, 중간에 평탄면(15)이 있는 2단의 오목부(13)가 아니라, 평면에서 볼 때에 직4각형∼정4각형의 1단의 오목부(53)를 사용하여 MEA(6)와 가스확산막(8, 10), 필터(28)를 수용한다. 57은 오목부(53)의 벽면이다.

2 전기화학 가스센서
4 하우징
6 MEA
8, 10 도전성 가스확산막
12 리드
13 오목부
14 오목부의 바닥면
15 평탄면
16 금속층
17, 18 벽면
19 하우징의 바닥면
20∼24 배선
25 정상면
26 가스유입구멍
28, 48 필터
30∼32 층
34 프로톤 도전체막
35 검출극
36 대극
42, 52 전기화학 가스센서
53 오목부
57 벽면

Claims

판모양(板狀)이고 또한 오목부(凹部)를 갖는 세라믹스(ceramics)의 하우징(housing)과,
이온 도전성막(ion 導電性膜)과, 이온 도전성막의 표면(表面)의 제1전극(第1電極)과, 이면(裏面)의 제2전극(第2電極)을 구비하고 있는 MEA와,
제1도전성 가스확산막(第1導電性 gas擴散膜)과, 제2도전성 가스확산막(第2導電性 gas擴散膜)과,
상기 오목부를 덮도록 상기 하우징에 고착되어 있는, 금속(金屬)의 리드(lid)를 갖고,
상기 하우징은, 상기 오목부의 바닥면으로부터 하우징의 바닥면으로 연장되는 제1전기배선(第1電氣配線)과, 상기 오목부를 둘러싸는 정상면(頂上面)으로부터 하우징의 바닥면으로 연장되는 제2전기배선(第2電氣配線)을 구비하고,
제1도전성 가스확산막은, 상기 MEA와 상기 오목부의 바닥면 사이에 배치되고 또한 상기 제1전기배선에 전기적으로 접속되고,
제2도전성 가스확산막은, 상기 MEA와 상기 리드 사이에 배치되고 또한 상기 리드에 전기적으로 접속되고,
상기 정상면 위에 금속층(金屬層)이 형성되고 또한 상기 리드가 상기 금속층에 용접되어, 상기 정상면에 고착됨과 아울러, 상기 제2전기배선에 전기적으로 접속되고,
상기 리드에 의하여 상기 제2도전성 가스확산막이 상기 MEA측으로 가압되고,
상기 리드 혹은 상기 하우징의 바닥면에, 가스유입부(gas流入部)가 형성되어 있는
전기화학 가스센서(電氣化學 gas sensor).
삭제
제1항에 있어서,
상기 리드는 상기 가스유입부로서 구멍을 구비하고, 또한 상기 하우징의 바닥면은 기밀성(氣密性)을 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 가스센서.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 제2도전성 가스확산막과 상기 리드 사이에, 도전성이고 또한 시트모양(sheet狀)의 가스흡착필터(gas吸着filter)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 가스센서.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 MEA, 제1도전성 가스확산막, 제2도전성 가스확산막, 상기 오목부, 상기 하우징 및 상기 리드가, 상기 하우징의 정상면에 수직한 방향에 있어서 평면에서 볼 때에 4각형인 것을 특징으로 하는 전기화학 가스센서.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 오목부는, 바닥면과, 바닥면을 둘러싸는 제1벽(第1壁)과, 제1 벽의 상부의 평탄면(平坦面)과, 평탄면을 둘러싸는 제2벽(第1壁)을 구비하고, 제2벽의 상부에 상기 정상면이 존재하고,
상기 제1도전성 가스확산막은, 오목부의 바닥면에 접촉하고 또한 제1 벽에 둘러싸이고,
상기 제2도전성 가스확산막은 제2벽에 둘러싸이고,
상기 MEA의 단부(端部) 혹은 상기 제2도전성 가스확산막의 단부가 상기 평탄면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는
전기화학 가스센서.