JP2616113B2

JP2616113B2 - 電気化学素子

Info

Publication number: JP2616113B2
Application number: JP2063119A
Authority: JP
Inventors: 憲朗光田; 俊明村橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1997-06-04
Anticipated expiration: 2012-06-04
Also published as: JPH03262954A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は複数個のガスセンサーを有する電気化学素子
に関する。

［従来の技術・発明が解決しようとする課題］従来、固体高分子電解質（Solid Polymer Electrolyt
e、以下SPEという）膜を用いたガスセンサーとして、米
国特許第4,227,984号明細書、同第4,265,714号明細書お
よび特開昭53−115293号公報に記載されたものがある。
これらは一酸化炭素または一酸化チッ素を検知するもの
で、水素電極（カソード）では下記の式（１）の反応
が、また被検知ガス電極では下記の式（２）または式
（３）の反応が起こることにより、一酸化炭素または一
酸化チッ素の濃度に応じた電流が外部回路に流れ、この
値を電流計により読み取るようになっている。そして、
あらかじめ既知の濃度の一酸化炭素または一酸化チッ素
を流したときの電流値によって求めておいた検量線を用
いて未知の被検知ガスの一酸化炭素または一酸化チッ素
の濃度を検知している。

2H⁺＋2e^-→H₂ （１） CO＋H₂O→CO₂＋2H⁺＋2e^- （２） NO＋H₂O→NO₂＋2H⁺＋2e^- （３）これらの反応のうち、式（１）の反応の電位は水素電
極に純水素を供給してやればきわめて安定である。しか
し、式（２）や式（３）の反応の電位は、電極に用いる
貴金属の溶出反応やカーボンの腐食反応、被検知ガスに
含まれる不純物の反応などの副反応により変動し、必ず
しも安定ではなく、また反応過電圧も大きい。また反応
物質が気体であるためにガス拡散電極を必要とし、その
電極の撥水性の状態が変動する可能性があるので、再現
性の面で信頼性に欠けるという問題がある。しかし、信
頼性を上げるためにセンサーの数を増すと、個々に電気
配線とガス配管が必要となるため高コストになる。

本発明は前記のような問題を解消するためになされた
もので、ガス検知の信頼性の高い電気化学素子をうるこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明は、１枚の固体高分子電解質膜からなる基盤の
片面上に設けられた複数個の被検知ガス電極と、他の片
面上に設けられた少なくとも１個の水素電極とからなる
複数個のガスセンサーを含む電気化学素子であって、前
記基板の被検知ガス電極の設けられた面上に、被検知ガ
ス供給プラグ、被検知ガス排気プラグおよび被検知ガス
を被検知ガスマニホールド内を曲折させて流すための仕
切板を有する被検知ガスマニホールドが設けられてお
り、他の片面上に水素ガス供給プラグおよび水素ガス排
気プラグを有する水素ガスマニホールドが設けられてお
り、前記被検知ガスマニホールドに被検知ガス電極のそ
れぞれに電気的に接続せしめられた複数個の電流端子が
設けられていることを特徴とする電気化学素子に関す
る。

［作用］本発明において、基盤に形成された複数個のガスセン
サーは、個々に被検知ガスについてのデータを与えるの
で、個々のセンサーに流れる電流を測定し、これらのデ
ータを統計処理することによって信頼性の高い値をうる
ことができる。また、本発明においては、被検知ガスマ
ニホールド内に仕切板を設けて被検知ガスに接するセン
サーの順番を固定することができるため、被検知ガスの
滞留を防止するとともに被検知ガスの不純物による汚染
の影響をうしろの方のセンサーには及ばないようにする
ことができる。

［実施例］以下、本発明の電気化学素子の一実施例を第１図〜第
４図に基づいて説明する。

第１図は被検知ガスマニホールド（７）側から見た、
SPE膜（１）上に形成された32個の被検知ガス電極
（２）の配置を示す平面図である（水素ガス供給プラグ
および水素ガス排気プラグは略している）。図中、
（３）は被検知ガス供給プラグ、（４）は被検知ガス排
気プラグ、（５）は被検知ガスマニホールド（７）とSP
E膜（１）との間に形成された仕切板、（６）は電流ソ
ケットであり、ガスセンサーは被検知ガス電極（２）と
第１図に示す図の裏側の水素電極とからなる。また、第
３図は本発明の電気化学素子の外観平面図、第４図は電
流ソケット側の側面図であり、図中、（10）は水素ガス
供給プラグ、（11）は水素ガス排気プラグ、（12）は水
素ガスマニホールドである。

SPE膜（１）としては、イオン伝導性を有する厚さ50
〜300μｍ程度の膜が好ましく、たとえばデュポン社の
ナフィオン117、ナフィオン324、ナフィオン417などを
用いることができる。

被検知ガス電極（２）としては、白金などの貴金属や
Niなどの金属を含む電極が用いられる。たとえば白金触
媒を担持させたカーボンとPTFE（ポリテトラフルオロエ
チレン）とを含む多孔質電極、Niメッシュ電極などがあ
げられる。被検知ガス電極の個数は、第１図に示す例で
は32個であるが、必要に応じて自由に選択することがで
き、数が多いほどデータの信頼性が増大する。また被検
知ガス電極の配列についても自由に選択できる。

32個の被検知ガス電極（ガス拡散電極）は、通常ホッ
トプレスによりSPE膜に接合される。このSPE膜−電極接
合体の好ましい製造方法については、たとえば「ジャー
ナル・オブ・パワー・ソーシズ（Journal of Power Sou
rces）、22巻p.359〜375（1988）」に詳しく記述されて
いる。

一方、第１図に示す面の裏側には水素電極が設けられ
ている。この水素電極はもちろん被検知ガス電極（２）
と同様に形成されていてもよいが、複数個である必要は
ない。たとえばメッキ技術によりSPE膜裏面の全面にわ
たって白金メッキを行なって形成した白金膜などであっ
てもよい。SPE膜への白金のメッキ技術は、たとえば特
開昭53−38934号公報や特開昭57−134586号公報に記述
されている。

SPE膜（１）の被検知ガス電極の設けられた片面側に
は、被検知ガス供給プラグ（３）および被検知ガス排気
プラグ（４）を有する被検知ガスマニホールド（７）が
設けられている。また、被検知ガスマニホールド（７）
には被検知ガスが複数個の被検知ガス電極を順に通るよ
うにマニホールド内を曲折させて流すための仕切板
（５）が設けられている。被検知ガス供給プラグから供
給された被検知ガスは、たとえば第１図に示す素子のば
あいには、仕切板（５）の存在によりａ→ｂ→ｃ……→
ffの順に被検知ガス電極を通る。被検知ガスマニホール
ド（７）はガス不透気性であればよく、金属、セラミッ
ク、ゴムなど種々の材料から選ぶことができる。

被検知ガスマニホールド（７）には被検知ガス電極
（２）のそれぞれに電気的に接続せしめられた複数個の
電流端子が設けられており、それぞれからの情報を取り
出せるようにそれぞれの配線により電流ソケット（６）
に導かれている。

被検知ガス電極（２）からの集電方法としては、たと
えば第２図（水素ガス供給プラグおよび水素ガス排気プ
ラグは略している）に示すように金属製の被検知ガスマ
ニホールド（７）の外側の面に電気絶縁性の塗料を塗布
したのち電流端子（８）を設け、半導体のプリント基盤
のばあいと同様にして配線（９）をプリントし、電極端
子（８）と被検知ガス電極（２）とを、たとえば本出願
人によって出願された特開昭63−2264号公報に開示され
たようなバネのごとき弾力性を有する集電金具によって
接続するなどすればよい。

被検知ガス電極（２）からの集電は、他の方法、たと
えば本出願人によって出願された特開昭62−200666号公
報に開示されているごとき集電板を用いてもよく、また
配線（９）は被検知ガスマニホールドの内側の面または
SPE膜上に形成されていてもよく、マニホールド内に設
置された配線基盤を用いてもよい。電流端子（８）の形
態は電極の数や大きさに応じて変化させればよい。

SPE膜（１）の水素ガス供給電極の設けられた片面側
には、水素ガス供給プラグ（10）および水素ガス排気プ
ラグ（11）を有する水素ガスマニホールドが設けられて
いる。水素ガスマニホールド内には、水素を供給してい
る限り他のガス種が入り込む余地はないので、仕切板は
必要としないが、存在していてもさしつかえない。

前記のごとき被検知ガス電極と水素ガス電極とからな
る32個のガスセンサーに被検知ガスを流したばあいに生
じる電流値を交互に読み取って統計処理することによっ
て、たとえば「CO＝1.32％±0.05％」といった誤差範囲
を含む信頼性の高いガス検知ができる。

また、被検知ガスに含まれる不純物による被毒があっ
ても、後流側のセンサーは被毒されず生き残る確率が高
い。数個のセンサーが故障しても、これを自動的に演算
から除去して「CO＝2.53％±0.12％、エラーセル3/32
個」といった表示も可能になる。さらに、被検知ガスの
流路を長くして同時に32個の短絡電流を測定すれば、ガ
ス濃度の瞬間的な経時変化を記録して評価することもで
きる。

このように、本発明の電気化学素子は、安価、多機能
で信頼性の高いガスセンサーなどとして有用である。

実施例１第１〜２図に示されるような電気化学素子を製造し、
評価した。

なお、被検知ガス電極（２）は、白金触媒を担持させ
たカーボンとPTEEとを含む多孔質電極を打ち抜いて製造
した厚さ100μｍ、上面の面積0.8cm²の被検知ガス電極3
2個を、ナフィオン117からなるSPE膜上に間隔が最短で1
mmになるように並べ、120℃でホットプレスして製造し
た。水素電極としては、SPE面全面に白金メッキを行な
った白金膜を用いた。被検知ガス電極（２）からの集電
は、被検知ガス電極（２）と被検知ガスマニホールド
（７）の外側の面にプリントされた配線（９）の先端の
電流端子（８）とを、集電金具（バネ）で接続すること
により行なった。

電気化学素子の水素ガス供給プラグから水素ガスを流
し、被検知ガス供給プラグから５種の既知の一酸化炭素
濃度（０％、１％、0.1％、0.05％、0.01％）の検量ガ
スを流して32個の電極を交互に短絡して流れる電流値を
電流計で測定し、このデータを統計処理して、平均値と
標準偏差とを求めて検量線をえた。つぎに別の一酸化炭
素濃度が0.08％の検量ガスを検知したところ、標準偏差
内で精度よく濃度検知ができた。また、短絡する前の各
センサーの開放電圧を測定することにより、各センサー
の状態の良否をも判定することができた。

前記実施例では32個の被検知ガス電極を用いて交互に
電流値を測定したが、各被検知ガス電極に流れる電流値
を同時に測定することにより、被検知ガスの短時間での
濃度の経時変化を計測することができ、被検知ガスの濃
度変化を瞬時に把握することができた。

なお、前記実施例では一酸化炭素濃度を検知するばあ
いについて示したが、一酸化チッ素やその他アノード反
応を起こして電流を発生しうるガスについても同様にし
て検知することができた。

［発明の効果］以上のように、本発明によれば１枚の固体高分子電解
質（SPE）膜からなる基盤に複数個の被検知ガス電極を
配設し、被検知ガスマニホールド内をガスが曲折して流
れるようにしたので、ガス検知の信頼性の高い電気化学
素子がえられる効果がある。また１枚の基盤の上に複数
個のセンサーが形成できるので安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電気化学素子の一例を示す一部切欠平
面図、第２図は本発明の電気化学素子における配線を示
す平面図、第３図は本発明の電気化学素子の外観平面
図、第４図は本発明の電気化学素子の電流ソケット側の
側面図である。（図面の主要符号）（１）：固体高分子電解質（SPE）膜（２）：被検知ガス電極（３）：被検知ガス供給プラグ（４）：被検知ガス排気プラグ（５）：仕切板（７）：被検知ガスマニホールド（８）：電流端子（10）：水素ガス供給プラグ（11）：水素ガス排気プラグ（12）：水素ガスマニホールド

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】１枚の固体高分子電解質膜からなる基盤の
片面上に設けられた複数個の被検知ガス電極と、他の片
面上に設けられた少なくとも１個の水素電極とからなる
複数個のガスセンサーを含む電気化学素子であって、前
記基板の被検知ガス電極の設けられた面上に、被検知ガ
ス供給プラグ、被検知ガス排気プラグおよび被検知ガス
を被検知ガスマニホールド内を曲折させて流すための仕
切板を有する被検知ガスマニホールドが設けられてお
り、他の片面上に水素ガス供給プラグおよび水素ガス排
気プラグを有する水素ガスマニホールドが設けられてお
り、前記被検知ガスマニホールドに被検知ガス電極のそ
れぞれに電気的に接続せしめられた複数個の電流端子が
設けられていることを特徴とする電気化学素子。