(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲環境から気体を検出するための電気化学セルであって、
電解質と、
前記電解質及び存在する場合は検出される前記気体と流体連通している感知電極と、
前記電解質と流体連通している対向電極と、
前記対向電極に隣接したキャビティ内に設けられた、反応物気体の供給源と
を含み、前記感知電極で検出される前記気体の反応が、前記対向電極で前記反応物気体の反応をもたらし、
前記キャビティが気体透過性又は半透過性の膜で形成され又は気体透過性又は半透過性の膜を含み、前記気体透過性又は半透過性の膜を通って前記反応物気体に前記電解質からの気体を補充するように前記気体透過性又は半透過性の膜が構成されている、電気化学セル。
【請求項２】
前記キャビティが可撓性構造である、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記キャビティが剛性構造である、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記キャビティが、前記対向電極を少なくとも部分的に又は全体的に覆うように寸法が決められる、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記キャビティが、前記セルの外側の気体環境に対して封止されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項６】
検出される前記気体が、前記電解質を介して前記感知電極に到達する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記キャビティ内に提供される気体の体積が、予め決定されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記感知電極、対向電極、及び気体供給源が、ハウジング内に設けられている、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記気体供給源が、前記対向電極と前記ハウジングとの間に設けられている、請求項８に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記気体供給源が、前記ハウジングに固定され、且つ／又は前記対向電極に封止されている、請求項８又は９に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記気体供給源が、前記電解質に対して不透過性である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記気体供給源が、気体に対して透過性である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
前記気体供給源内の前記気体が、酸素である又は酸素を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
芯を更に含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
前記感知電極、芯、対向電極、及び気体供給源が、積層体を形成するように互いに対して軸方向に並べられている、請求項１４に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
１つ又は複数の追加の電極を更に含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
第３の又は参照電極を更に含む、請求項１から１６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
１つ又は複数の追加の感知又は作用電極を更に含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
前記対向電極が、複合型対向及び参照電極である、請求項１から１６又は１８のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか一項に記載の電気化学セルと、前記感知電極及び前記対向電極の間を流れる電流を測定するための手段とを含み、測定された電流が、検出された気体の濃度を示す、気体検出器。
【請求項２１】
酸化可能な気体を検出するように構成されている、請求項２０に記載の気体検出器。
【請求項２２】
還元可能な気体を検出するために構成されている、請求項２０に記載の気体検出器。
【請求項２３】
アンモニア、一酸化炭素、塩素、ジボラン、フッ素、ヒドラジン、水素、シアン化水素、フッ化水素、セレン化水素、硫化水素、塩化水素、臭化水素、アルシン、メルカプタン、酸化窒素、ホスゲン、ホスフェン、シラン、又は二酸化硫黄の１種又は複数を検出するために動作可能である、請求項２０、２１、又は２２に記載の気体検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学セルに関し、詳細には、限定されるものではないが、気体検出器で使用される電気化学セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電流測定電気化学セルは、家庭環境における一酸化炭素を検出するための用途も含め、環境における様々な気体を検出するための広く行き渡った用途が見出されている。
【０００３】
図１に示されるように、典型的なセル１０は、２つ又は３つの気体電極、すなわち、作用電極又は感知電極１２、対向電極１４、及び任意選択で参照電極（図示せず）を含む。コストがより低いセルでは、参照電極は省かれることが多く、対向電極が複合型対向／参照電極として働く。これらの電極のうち３つ全て（２つ）は、気体透過膜又は基材１８、２０上に支持された非常に高い表面積の触媒金属（又はその他の伝導性材料）１２、１４を含む。電解質１６、例えば酸は、典型的には最も低い湿度の条件で芯１７内に完全に含有される。芯１７は、以下に論ずる化学反応を引き起こすことができるように、電解質を保持し且つ感知電極１２に供給するように働く。セル１０は、電解質１６用のリザーバー１１を画定するハウジングを含み、そこには拡散穴２２が設けられて、その穴を通して標的の気体が進入することができる。
【０００４】
動作の基本原理は、気体が、拡散穴２２を介してセル１０に進入する。気体は、感知電極１２の気体透過膜１８を通過し、触媒１２に接触する。反応が、触媒１２と酸電解質１６との界面（即ち、気体、液体、固体の交点）で生じる。この反応は、外部回路２４を介して供給されるいくつかの電子（正確な数は、感知される気体に依存する）を放出し又は消費する。
【０００５】
例えば、一酸化炭素（ＣＯ）を感知するように構成されているセルでは、気体が感知電極１２の表面で酸化して、正の水素イオン（Ｈ＋）及び負の電子（ｅ−）を生成する：
２ＣＯ  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ２ＣＯ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−
【０００６】
正イオンは電解質１６内を移行して対向電極１４に至り、負に帯電した電子は回路２４を介して対向電極１４に移行する。反応は、対向電極１４で終了する：
４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  ＋  Ｏ２  →  ２Ｈ２Ｏ
【０００７】
全反応は：
２ＣＯ  ＋  Ｏ２  →  ２ＣＯ２
である。
【０００８】
作用電極１２は、環境からの気体がセル１０に進入し且つ基材１８内を透過して、環境気体中に存在する「標的の気体」（即ち、感知される気体）が完全に反応するように、配置構成されている。基材１８で反応する各気体分子は固定数の電子（数は、反応する気体に依存する）を生成し、次いで生成された電流の測定は、セルに進入した気体の分子の数に関係付けることができ、これは環境内の標的の気体の濃度に正比例する。電流計、電圧計、又はその他の回路２４を使用して、生成された電流を測定／誘導することができる。
【０００９】
しかし対向及び参照電極は異なる。空気中の標的の気体の測定では、対向／参照電極１４は一般に、酸素と反応するように構成されている。この酸素は、気体、液体（電解質）、及び固体（触媒）の界面で、金属触媒１４と接触する必要がある。理論上、この酸素は２カ所のうちの一方から：セル１０内の空気から又は電解質１６に溶解した酸素気体から来る可能性がある。しかし、電解質１６中の酸素の溶解度は非常に低く、セル１０内の空気中の酸素の濃度は比較的高く、したがってセル１０内からの酸素は対向／参照電極１４で消費される。この酸素は、先に記述したように、固／液界面に到達するために透過膜２０内を透過することによって、金属／電解質１４、２０に到達しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
電気化学セルの効率的で信頼性の高い作用及び性能に影響を及ぼす様々な要因がある。
【００１１】
ある条件又条件の組合せの下、ある程度の酸素欠乏が対向電極１４で生じ、その結果、バイアス電圧の発生に起因して電気化学的効率が減少する可能性がある。これは標的の気体の公知の濃度に関して予測される電流の低減をもたらし、その結果、気体濃度の誤った（低い）読取りがなされる。これらの条件は、セルの向き、電解質１６の水和度、及び長い曝露時間にわたる標的の気体の高い濃度を含む。更に、これらの条件の組合せは、理想的ではない性能の傾向を増大させる可能性があり、これは誤った気体濃度測定をもたらす可能性があるので望ましくない。
【００１２】
酸電解質は一般に、その性質が吸湿性である。即ち電解質は、酸１６の強度が外部大気湿度と平衡になるまで、環境からの水を吸収し又は脱着することになる。この水の吸収又は脱着は、酸電解質１６の体積の変化を伴う。これらのセルで使用される典型的な酸電解質、硫酸の場合、典型的なより低い動作湿度（１５％）から典型的なより高い動作湿度（９０％）までの体積変化は、４倍程度に高くなる可能性がある。したがって電気化学セルの設計は、最高動作湿度でセル１０からの漏れ又は破裂が生じるほどセル１０が満たされないようにしなければならず、またその一方で最低湿度では、体積は、両方の電極の表面が完全に濡れ且つ２つの電極の間に連続流体経路がある（芯材を介して）ことを確実にするように十分大きくなければならない。
【００１３】
公知のセルは全て効果的に、電極の間又は下のいずれかに位置付けられた軸方向リザーバーを含み、その結果、電解質の体積の膨張に順応するようになる。
【００１４】
電極１２、１４の間にあるリザーバーの場合、この大きいリザーバーは、より低い湿度で電極１２、１４の間に高い内部抵抗を生成することができ、そこでは電極間の比較的大きい距離とより低いイオン伝導度とに起因して、酸電解質がより水和される（したがって、小さい体積を有する）。
【００１５】
下方の電極１４の下にあるリザーバーの場合、遊離酸が「主」芯１７内に移送されるのを確実にするために、追加の薄片の芯（又はその他の芯の作用機構）が時々必要である。しかし、この芯の作用は常に効果的に生ずるとは限らず、水和／脱水サイクルが繰り返されるという問題をもたらす可能性がある。これは、この薄片の芯を比較的長くする必要があることによって増幅される。更に、製造中のこの材料の位置決めは、複雑であり、自動化に容易に順応することができない。
【００１６】
更に、軸方向のリザーバーの必要性は、セルに対してある物理的構造を課し、セルの高さを最小で約２０ｍｍと決定する。家庭用一酸化炭素検出器の場合、この高さは、検出器に利用可能な可能性ある設計の選択肢を狭める。
【００１７】
本発明の態様及び実施形態は、前述の内容の１つ又は複数を念頭に置いて設計した。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の第１の態様によれば、請求項１で定義される、気体を検出するための電気化学セルが提供される。
【００１９】
電気化学セルは、原則として、任意の気体、例えば酸化可能な及び還元可能な気体を検出するのに使用することができる。しかし電気化学セルは、標準的な環境条件の場所で、即ちセル付近の空気中の標的とする気体を感知するために、最も利用され易い。したがって本発明の実施形態の電気化学セルは、後に対向又は対向／参照電極に隣接する反応物気体の供給源を酸素の供給源にすることが必要になる、酸化可能な気体を検出するのに特に適している。したがって対向又は対向／参照電極に隣接する反応物気体の供給源は、空気であってもよく又は空気に非常に似ていてもよい。反応物気体、例えば酸素は、セルが停止状態にあるとき（即ち、検出していない）に、主セル本体からの拡散によって補充されてもよい。
【００２０】
好ましくは、反応物気体の供給源は、対向電極に隣接して設けられている気体キャビティである。気体キャビティは、対向電極を少なくとも部分的に又は全体的に覆うように、寸法が決められてもよい。気体キャビティは、好ましくは、少なくとも十分な反応物気体の供給源を対向電極に提供するように寸法が決められる。好ましくは、気体キャビティは、セルの外側の気体雰囲気に対して封止される。これは、参照電極を十分機能させるために、標的の気体を参照／対向電極に到達させてはならないからである。気体キャビティ内に提供される気体の体積は、予め決定されてもよい。
【００２１】
感知電極、対向電極、及び気体キャビティは、ハウジング内に設けられていてもよい。好ましくは、ハウジングは、標的の気体を検出するために設けられている入口は別にして、セルの外側の気体雰囲気に対して不透過性であり且つ／又は封止されている。一実施形態において、気体キャビティは、対向電極とハウジングとの間に設けられている。気体キャビティは、ハウジングに固定され且つ／又は対向電極に対して封止されていてもよい。気体キャビティは、可撓性構造であってもよい。気体キャビティは、セルの内部に流体連通している気体透過又は半透過膜を使用することによって形成されてもよい。典型的には、対向電極は、膜又は基材上に取り付けられている。これは同じ気体透過若しくは半透過膜であってもよく、又は追加の膜であってもよい。一実施形態において、気体キャビティは、キャビティ内からの気体をセル内の気体に連通させる。気体キャビティは、好ましくは電解質に対して不透過性であり且つ気体に対して透過性である。
【００２２】
電気化学セルは、更に芯を含んでもよい。感知電極、芯、対向電極、及び気体キャビティは、好ましくは互いに対して軸方向に並ぶ。感知電極、芯、対向電極、及び気体キャビティは、積層体を形成してもよい。
【００２３】
対向電極は、複合型対向／参照電極として働いてもよい。電気化学セルは、１つ又は複数の追加の電極を更に含んでもよい。一実施形態では、第３の又は参照電極が設けられている。その他の実施形態では、第２の感知又は作用電極である第４の電極が設けられていてもよい。
【００２４】
本発明の第１の態様の実施形態において気体供給源又はキャビティを利用する効果は、対向電極の「自由」表面、即ち芯から離れた表面に、電解質が存在しないようにすることである。これは、そうでなければ可能と考えられるよりも多くの酸素を対向電極に供給できるようにする。したがって本発明の態様の実施形態は、対向電極での酸素欠乏を有利に回避し、したがってセルの電気化学的効率を最大限にする。そのような実施形態では、性能は、セルの向きに関係なく維持され、その結果セルは、より広く様々な設置及び場所で使用できるようになる。
【００２５】
本発明の第２の態様によれば、請求項２３で定義される電気化学セルが提供される。電気化学セルは、有利には、任意の気体、例えば酸化可能な及び還元可能な気体を検出するために使用することができる。
【００２６】
セルが、電極の間又は下のいずれかに位置付けられた軸方向のリザーバーを含む、公知の従来技術の配置構成とは対照的に、本発明のリザーバーは、芯を取り囲む。そのような配置構成では、リザーバー内の電解質の大部分は、芯の周りに、周縁に、横方向に、半径方向に、又は円周に設けられている。即ち、最大でも、その小さい部分のみが芯の上及び／又は下に設けられている。これは芯による電解質の吸収を有利に補助し、したがって電極への電解質の輸送を補助する。
【００２７】
好ましくは、リザーバーは、主に芯を横断する方向に延びる。より好ましくは、リザーバーは、芯を取り囲む環状リザーバーである。
【００２８】
好ましくは、感知電極、芯、及び対向電極は、互いに対して軸方向に配置構成されて積層体を形成し、リザーバーは、主に積層体を横断する方向に延びる。リザーバーは、好ましくは積層体を取り囲む、又は少なくとも部分的に取り囲む。
【００２９】
一実施形態では、２次芯も設けられている。好ましくは、２次芯は、芯を横断するように延びる。２次芯は、薄い平面要素であってもよく又は要素を含んでもよい。２次芯は環状であってもよい。
【００３０】
感知電極、対向電極、及び芯は、好ましくは、リザーバーを形成するハウジング内に設けられている。或いは、別のリザーバーがハウジング内に設けられていてもよい。
【００３１】
対向電極は、複合型対向／参照電極として働いてもよい。電気化学セルは、１つ又は複数の追加の電極を更に含んでもよい。電気化学セルは、第３の又は参照電極を含んでもよい。一実施形態では、セルは更に、１つ又は複数の追加の第２の感知又は作用電極を含む。
【００３２】
本発明の第２の態様の実施形態は、電極間にリザーバーを配置する必要性を回避し、これはそうでなければ電極間に生ずる可能性のある高い内部抵抗を有利に回避する。リザーバー、したがって電解質を、軸方向に配置構成されている電極を実質的に横断するように設けることによって、２つの電極間の距離を最小限に保つことが有利に可能になり、したがってセルの全高が低減され、本発明の実施形態のセルの利用性を明らかに増大させる。芯の周りの横方向のリザーバーの配置構成は、電解質が全ての側面から芯に進入することができ、リザーバーと芯との間の効果的な電解質連通経路が有利に増大することを意味する。この配置構成は、セルが向きの作用から完全に免れることも意味する。
【００３３】
本発明の第３の態様によれば、請求項３７で定義される気体検出器が提供される。
【００３４】
原則として、気体検出器は、１種又は複数の酸化可能な又は還元可能な気体を検出するように構成されていてもよい。好ましい実施形態では、気体検出器は、１種又は複数の酸化可能な気体を検出するように構成されている。気体検出器は、アンモニア、一酸化炭素、塩素、ジボラン、フッ素、ヒドラジン、水素、シアン化水素、フッ化水素、セレン化水素、硫化水素、塩化水素、臭化水素、アルシン、メルカプタン、酸化窒素、ホスゲン、ホスフェン、シラン、又は二酸化硫黄の１種又は複数を検出するように、特に構成されていてもよい。これらの気体は単なる例として提示され、本発明の実施形態はこれらの気体の検出に限定されるものではない。
【００３５】
上述のように、原則として本発明の実施形態は、還元可能な気体を検出するのに利用することもできる。そのような実施形態では、反応物気体は水素であってもよく又は水素を含有してもよい。そのような実施形態では、セル内の気体から反応物気体を補充するのが難しい可能性があり、したがって追加の反応物気体補充供給源を提供する必要があり得る。
【００３６】
上述の本発明の実施形態及び態様は、同じ電気化学セル及び／又は気体検出器内で、任意の組合せで利用されてもよい。例えば、電気化学セルは、請求項１及び２３の両方の特徴と、任意選択でそれらに従属する請求項のいずれか又は全ての特徴を含んでもよい。そのようなセルは、本発明の第３の態様の実施形態による気体検出器で利用されてもよい。
【００３７】
次に本発明の実施形態について、以下の図面を参照しながら記述する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】典型的なセル１０を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による、電気化学セルの概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、電気化学セルの斜視断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による、電気化学セルの正面斜視図である。
【図５】本発明の別の一実施形態による、電気化学セルの概略断面図である。
【図６】様々な水和及び向きの状態にある、公知の電気化学セルを示す概略断面図である。
【図７】本発明の別の一実施形態による電気化学セルの、概略断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による電気化学セルを組み込んだ、一酸化炭素検出器用の例示的な制御回路図である。
【図９】参照と比較した、本発明の実施形態のセルを使用して得られた性能の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明の第１の態様は、いくつかの異なる方法で具体化することができるが、図２から図４は、本発明の一実施形態の例示的な基本構造を示す。上述の従来の配置構成と共通する特徴は、同様の符号を使用して示す、電気化学セル１０は、感知電極１２と、対向又は対向／参照電極１４とを含むことがわかる。図示されていないが、別の参照電極を設け、それによって電極１４が対向電極として純粋に作用するようにしてもよい。
【００４０】
各電極１２、１４は、好ましくは、それぞれの気体透過膜１８、２０上に支持された非常に高い表面積の触媒１２、１４を含む。膜１８、２０は、多孔質ＰＴＦＥであってもよい。触媒１２、１４は、微粉化された白金触媒等の金属、又はその他の伝導性材料、例えば黒鉛であってもよい。少量のＰＴＦＥ結合材料は、触媒１２、１４を膜１８、２０に結合するのに利用されてもよい。
【００４１】
電極１２、１４は、液体電解質１６に接触する。電解質１６は、酸、例えば硫酸であってもよい。その他の実施形態では、電解質はアルカリ性でも中性であってもよい。水の電解質を使用してもよく、更に非水性電解質を、あるセルでは使用することができる。電解質１６は、典型的には大部分が、最低湿度の条件下で芯１７内に含有される。芯１７の目的は、電解質１６と電極１２、１４との間の流体連通を確実にすることである。芯１７は、ガラス繊維材料で形成されてもよい。したがって典型的には、セル構成要素は「積層される」。対向電極基材２０上には伝導性層１４が設けられ、そこに隣接して芯１７がある。伝導性感知電極１２は芯１７に隣接して設けられ、その反対側の表面には感知電極基材１８がある。図２から図４に示される向きは、構成要素が垂直に配置構成され且つ対向電極１４が最下部にあるが限定されるものではなく、本発明の実施形態をその他の向きで使用することができる。
【００４２】
上述の、及び図２及び図３に示される実施形態は、２つの電極１２、１４を含むが、第３の参照電極（図示せず）を含むこともできる。次いで対向電極１４は、複合型対向／参照電極として使用される必要はない。その他の実施形態では、やはり図に示していないが、セル１０は、複数の電極を含んでもよい。例えばセル１０は、４つの電極：  ２つの作用／感知電極、対向電極、及び参照電極を含むことができる。そのようなセルは、２種の気体を同時に検出するのに使用することができる。
【００４３】
セル１０は、標的の気体が進入することのできる拡散穴２２が内部に設けられている、ハウジングを含む。ハウジング１０は、プラスチック材料、例えばＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、炭素充填型ＡＢＳ、又は電解質１６に対して耐性があり且つ不透過である任意のその他の材料で形成されてもよい。ハウジングは、電解質１６用のリザーバー１１を形成する。或いは、別のリザーバーエンクロージャーを、ハウジング１０内に設けてもよい。どちらの場合も、１つ又は複数の追加の封止及び／又はフィルター手段２７（図３に示されるように）が、拡散穴２２に又はその付近に設けられてもよい。フィルター２７は、電極１２に到達すること又は気体がチャンバー１１に進入したことを感知させることが望まれていない、任意の望ましくない気体を濾別することができる。フィルター２７又は封止部材は、ハウジング／リザーバー１１内に電解質１６を含有させるのを、更に補助することができる。感知電極１２は、電解質１６が電極１２を越えて侵入できないように、セル本体に対して封止することもできる。
【００４４】
セル１０及びその構成要素は、様々な形態をとってもよい。一実施形態では、電極基材１８、２０のＰＴＦＥ膜は、約１４０〜２５０ミクロンの厚さを有してもよい。各電極１２、１４は、直径が約３ｍｍから２５ｍｍであってもよい。一実施形態では、直径が約５ｍｍである。触媒層１２、１４の高さは、典型的には約１０から１００μｍの間であってもよい。芯１７の厚さは、約０．２５ｍｍから２０ｍｍの間であってもよい。一実施形態では、厚さが約５ｍｍである。
【００４５】
電極１２、１４、基材１８、２０、リザーバー１１／ハウジング１０、及び芯１７は、好ましくは丸型／円筒状であるが（図３及び図４に示されるように）、代替の実施形態では、異なる構成であってもよい。
【００４６】
図２〜図５の実施形態では、気体供給源、例えばキャビティ２６も設けられている。図示される実施形態では、気体キャビティ２６は、セル１０内の気体と流体連通している。本発明の実施形態は、標準大気条件で、即ちセル１０が空気によって取り囲まれている場合に、最も有用に用いることができる。したがって、気体キャビティ２６内の気体は、典型的には空気になり、又は空気に類似した構成成分を含むことになる。そのような標準条件で使用されるとき、セル１０の感知電極１２は、酸化可能な気体と反応するように構成されることになり、対向電極１４は、酸素と反応するように構成されることになる。したがって、ここから言えることは、主に、セル１０が標準条件で利用される実施形態を対象とすることになるが、保護はこれに限定されないことが理解されるべきである。
【００４７】
気体供給源／キャビティ２６は、対向電極１４と流体連通しており、好ましくは対向電極１４に隣接して、例えば後ろ又は下に位置決めされる。電解質１６は、空気キャビティ２６に進入することができないが、気体透過膜２０は酸素（及びその他の気体）をキャビティ２６に進入させる。追加の気体透過／半透過膜又は層（図示せず）を、キャビティ２６を封止するのに、例えば電極１４、２０及びキャビティ２６を別々に構成できるようにするのに設けてもよい。したがってキャビティ２６は、セル１０内の電解質１６が対向電極１４の後部を覆うのを妨げる。これは、そうでなければ電解質が電極１４の後部を完全に覆う場合に生じ、したがって気体との接触を妨げる可能性のある、対向電極１４での酸素欠乏を防止する。キャビティ１４の封止された性質は、以下に更に詳細に論じられるように、セル１０が向き及び水和の課題を免れることを意味する。
【００４８】
気体キャビティ２６は、対向電極１４の後部２０ａの全体を覆うことを必要としないが、酸素欠乏が確実に生じることができないよう十分な「開放領域」を設ける必要がある。可能な限り広い領域を設けることを確実にすることが好ましい。図２又は図３の実施形態では、気体キャビティ２６は、対向電極１４の後部２０ａの大部分を覆うが、代わりに、対向電極１４の後部２０ａ全体を覆うことができる。キャビティ２６の体積は、セル１０が極限条件下で予測される性能特性の範囲内で動作し続けることを確実にするのに必要な量の酸素を提供するように、選択することができる。キャビティ２６が覆う必要のある対向電極表面２０ａの面積は、セル１０が検出する必要がある可能性のある標的の気体の量に、依存する。例として、家庭環境におけるＣＯセル１０の場合、４００ｐｐｍ（百万分率）での典型的な警告時間は３分である。約１ｍｍの深さを有するが電極領域の大部分を覆うキャビティ２６は、４００ｐｐｍで４時間にわたり、確実に、キャビティ２６内の利用可能な酸素の１０％未満が消費されるようにする。キャビティ２６の体積／寸法は、セル１０の所望のサイズ及び構成に応じて選択されてもよい。例えば、セル１０の全高が最小値に保たれることが望ましい場合、より広く、より短いキャビティ２６が設けられてもよい。
【００４９】
図２又は図３の実施形態では、キャビティ２６は、対向電極１４の後部２０ａとセルハウジング１０の基部との間の封止された領域である。キャビティ２６は、中空であっても中空を含んでもよく、例えば管状部材であってもよく、又はその１つの表面全体が開放している容器であってもよい。電極１４、２０は、キャビティ２６に固定される。必要に応じて、キャビティ２６は、ハウジングの内部に固定することができる。キャビティ２６の固定は、いくつかの異なる手段によって、例えばクランプ留め、封止、溶接、糊付け、又はガスケットによる固定によって実現されてもよい。キャビティ２６は、セル本体１０の基部に固定する必要がないが、図５に示されるように、セル本体１０内の自立構造として対向電極１４の後部２０ａに封止することができる。或いは、図には示されていないが、気体キャビティ２６は、気体透過膜から完全に形成することができ、したがって完全に可撓性構造とすることができる。一実施形態において、キャビティ２６は、可撓性気体透過材料の細長い細片を、その２つの自由端が一致するように又は一緒に接合されるように（任意の適切な手段を使用して）丸型に湾曲させることにより、内部にキャビティ２６を画定する環状／管状構造を形成することによって、形成することができる。円周表面領域は、以下に更に論じるように、対向電極１４で反応した後にセル１０内の他の場所からキャビティ２６に酸素を補充するための、良好な流体連通経路を設けることができる。
【００５０】
対向電極１４を効果的に動作させるために、酸素気体は、透過膜２０を通過することによって対向電極１４に進入する必要がある。これを引き起こすために、対向電極１４の後面２０ａの少なくとも一部は、「乾燥」する必要があり、即ち電解質から切り離される必要がある。そうでない場合には、電解質１６は、酸素気体が膜１４に及び対向電極１４に入るのを妨げると考えられる。
【００５１】
対向電極１４の後面２０ａの少なくとも一部の乾燥は、隣接する気体供給源又は必要な酸素供給源を提供するキャビティ２６を設けることによって実現される。上述のように、セル１０が気体を検出するときにキャビティ２６内の酸素が消費されるにつれ、セル１０が効果的に動作し続けるために、気体キャビティ２６には酸素が補充されなければならない。キャビティ２６は、セル１０の外側の環境に対して封止され、したがって酸素は、セル１０内からのみ補充することができる。電解質１６がキャビティ２６に進入することは望ましくないので、キャビティ２６は、前述のように半透過膜であってもよく又は半透過膜を含んでもよい。最も実用的な実施形態においてセル１０の外側の気体は空気である。キャビティ／膜２６は、セル１０内にある気体に流体接触しており、セル１０は、拡散穴２２を介して、セル１０の外部の空気に流体接触している。したがって、キャビティ２６内の気体も空気（又は、半透過膜がセル内の気体の実際の組成に僅かな相違を引き起こし得るので、空気に関係した／似ている気体）になる。
【００５２】
潜在的な課題は、任意の遊離電解質１６がセル１０内に存在する（即ち、芯に含有されていない）場合に生じる可能性があり、それはセルの向きに応じて、封止されたキャビティ２６が所定の位置になかった場合にこの遊離酸１６が対向電極１４の後部２０ａを覆う可能性があるからである。図２又は図３の配置構成では、これは、セル１０が拡散穴２２と共に上方に向いているときに生じる可能性がある。その他の構成が公知であるが、これらも同じ作用を被る。例えば、作用及び対向電極が単一平面基材上に設けられているセルが公知である。この種類のセルは、セルが拡散穴と共に下方に向いている場合、同じ運命を辿る。更に、電極１４、２０が固体表面に対して、例えばセルハウジングに対して直接配置されている場合、これはやはり気体が電極２０の後部に進入するのを妨げる可能性があり、したがって電極１４、２０をセルハウジング１０から切り離すことが有益である。
【００５３】
したがって電気化学セルの場合、向きは、ある状況下でセル性能に対して劇的な効果を発揮することができる。しかし、任意の検出器（セルを含有する）の向きを保証することができないので、その場合にはこれらのセルに関して性能上のリスクが示される。
【００５４】
これは図６に示されるが、この図は、対向電極１４に隣接してキャビティ２６を含まない公知のセルに関して生ずる課題を実証する。図６（ａ）は、「完全に水和した」状況を示し、電解質１６が対向電極１４の後部を完全に覆っている。電解質に溶解した少量の空気／酸素が存在することになるが、これは、大量の標的の気体が感知される「高使用」の下、対向電極にとって十分な酸素供給源ではないようである。したがって電解質１６は、そうでなければ対向電極１４に到達することができると考えられる空気がそうなるのを防止する。公知のセルは、図６（ｂ）に示されるような最小限の水和条件においても、感知電極１２までの電解質１６用の経路を更に提供する追加の芯１７’を含む。追加の芯１７’は、主芯１７と対向電極１４との間に据えられた部分を含む。本発明の実施形態には、追加の芯を設けることもできる。
【００５５】
図６（ｂ）は、セル１０内に最小限の水和が存在する状況を示す。ここで、電極１４の後部２０ａは乾燥し、空気／酸素の最大体積は、セル内及び対向電極１４で空気／酸素が容易に利用可能であるので、対向電極１５に供給するのに利用可能である。
【００５６】
図６（ｃ）は、いくつかの感知場所で当然必要とされるように、セル１０を反転させたシナリオを示す。低体積の電解質１６があるとしても（図６（ｂ）のように）、電解質は、対向電極１４の後部２０ａを依然として覆い、したがって酸素が半透過膜２０内に接触するのを妨げる。
【００５７】
セルの性能に影響を及ぼす可能性のある別の要因は、電解質の水和度である。セル１０内の電解質１６は、環境と動的平衡にあり、典型的には吸湿性になる。これは、セル１０内の拡散穴２２を介して、外部大気湿度に応じて電解質１６が水を（ゆっくり）吸収し又は失うことを意味する。高湿度条件下、電解質１６は水を吸収することになり、その結果、電解質１６の体積は増大することになる。例えば、１５％から９０％ｒＨ（相対湿度）の間で動作するように設計されたセル１０の場合、これらの極限条件の間で４００％を超える電解質体積の変化に一致させる可能性がある。したがって、セル１０が高湿度環境に長期間配置されるとき、電解質１６が対向電極１４の後部２０ａを覆う機会、したがって酸素が電極１４に到達するのを妨げる機会は、劇的に増大する。
【００５８】
対向電極１４の後部２０ａに隣接した空気キャビティ２６を設けることにより、電解質が対向電極１４の後部２０ａを覆うのが防止され、したがってそうでなければ生ずる可能性のある性能の低下が防止される。
【００５９】
セル性能に影響を及ぼす可能性のあるさらなる要因は、高濃度の標的の気体にセル１０を長く曝露することである。
【００６０】
任意の気体センサーに関する通常の作用条件下、対向電極１４に到達する酸素の量は、セル１０が、作用電極１２に到達する気体の濃度に直接関係する電流を生成することを確実にするのに十分である。しかし、より例外的な条件下、例えば、長期間にわたる高濃度の標的の気体では、対向電極１４で必要とされる酸素の量は、対向膜２０を経て対向電極１４に到達することができる酸素の量を超える。これが生ずるとき、セル１０からの電流出力は減少する。セル１０が清浄な環境に戻ると（即ち、標的の気体が存在しない）、セル１０は回復する。しかしこれは、対向電極１４の回りの酸素環境をその周囲条件に戻すのにどのくらい長く要するかに応じて、有限の時間を要する可能性がある。
【００６１】
しかし、対向電極１４の後部２０ａ上に空気キャビティ２６を設けることにより、非常に極端な条件下でしか酸素欠乏の状況に到達しないように、対向電極１４用のより大きい酸素の供給源が設けられている。したがってセル１０は、空気キャビティを持たないセルよりも広範な条件にわたり、良好な、一貫した性能で動作することができる。
【００６２】
これらの異なる課題の作用は、これらの条件の１つ又は複数が同時に生じるときに混ぜ合わされる。例えば、高湿度条件及び「悪い」向きにある場合、対向電極１４は、電解質１６で完全に覆われる可能性があり、したがって酸素欠乏が、通常の動作条件下でも生ずる可能性がある。
【００６３】
図５を再び参照すると、示される条件下、電解質１６は、感知電極で消費されることになる任意の酸化可能な気体を除き、セルの外側の気体と平衡である。したがって、前述のように、空気は電解質１６に溶解する（少量で）ことになる。キャビティ２６は、対向電極１４の後部２０ａに固定された不透過構造である。電極膜２０は半透過性であるので、液体は、その内部を経てキャビティ２６へと透過することができないが、酸素を含む気体等の気体は透過することができる。気体、例えば酸素は、半透過膜２０内を透過してキャビティ２６に進入し、したがって液体電解質１６中の気体／酸素と平衡である。電解質１６は、そこに溶解した空気／酸素を有するので、この空気／酸素は、平衡位置に達するまでキャビティ２６内に入ることになる。
【００６４】
したがって、セル１０の動作中、空気及び標的の気体（存在する場合）は、拡散穴２２を経てセル１０に進入する。感知電極１２は、任意の酸化可能な気体と反応し、それらを完全に酸化した形態に変換する（例えば、ＣＯ  →  ＣＯ２）。任意の酸化された気体を持つ空気は、電解質１６に少量溶解することになり、電解質１６で満たされていないセル１０内の任意の領域にも進入することになる。電解質１６に溶解した任意の気体は、半透過膜２０内をゆっくり透過し、キャビティ２６内の気体組成は、任意の酸化可能な気体を差し引いた外部気体組成と等しくなる。
【００６５】
水和又は向きの条件とは無関係に、空気キャビティ２６は、対向電極１４で生ずる反応のために、準備ができた酸素供給源を常に提供することになる。高使用の条件下（例えば、４００ｐｐｍで４時間）、気体キャビティ２６は、大きい酸素供給源、電解質１６のみで提供できるよりも遥かに高い供給源を提供する。
【００６６】
本発明の第２の態様によれば、例えば図３、図４、及び図７に示されるように、電解質１６のリザーバー１１は、主芯１７の上方又は下方ではなく、主に主芯１７の周りに延びる。いくつかの実施形態ではリザーバー１１は、主芯１７の（上及び下）端部の上方又は下方に延びず；その他の場合には、延び得るが電解質１６の大部分は軸方向の芯１７の周りを横断して位置付けられる。いくつかの実施形態では、リザーバー１１は、電極１２、１４及び主芯１７によって形成された積層体の上方又は下方ではなく、それらの積層体１２、１４、１７の周りに延びる。即ち、電解質１６の大部分及びリザーバー１１は、芯１７又は積層体の周りに、周縁に、横方向に、半径方向に、又は円周に設けられ、最大でもそれらの少量の部分しか、芯１７又は積層体１２、１４、１７の上方及び／又は下方に設けられない。
【００６７】
したがって電解質１６の大部分は、芯１７、又はそれを取り囲む積層体１２、１４、１７の周りに提供される。これは、電解質／リザーバーが電極の間又は下に設けられている公知の従来の配置構成とは対照的である。留意されたい（ＮＢ）。電解質１６は、作用／感知電極１２を完全に取り囲むことができず、それは気体がその後で電極１２に接触することができず、セル１０は作用可能ではないからである。しかし電解質１６は、感知電極１２の周りを部分的に取り囲み又は周縁に延びる。図７の実施形態は、リザーバー１１が積層体全体を取り囲むが、感知電極１２の上方の領域には電解質１６がない状態が示される。或いは、要件に応じて、例えば図３の実施形態のように、この領域を増大させ若しくは減少させることができ、又は電解質１６は、積層体の少しの部分を取り囲んでもよい。しかし、電解質１６は、図１に示されるように、対向電極１４を効果的に完全に取り囲むことが可能である（即ち、隣接する構成要素から判断して、最大限可能な程度まで）。或いは、電解質１６は、対向電極１４を部分的にのみ取り囲んでもよい。
【００６８】
セル１０は、リザーバー１１内の電解質１６が主芯１７に、したがって電極１２、１４に利用可能にするのを確実にするために、追加又は２次芯２８を更に含む。リザーバー１１のように、追加の芯２８は、積層体１２、１４、１７の方向を横断して延びる。一実施形態では、追加の芯は環状であり、主芯１７の周りに据えられる。代替の実施形態では、追加の芯２８は、異なった形状にすることができ、例えば形状を正方形、長方形、又は楕円形等にすることができ、規則的な又は不規則な形状を有することができる。
【００６９】
電極１４の下（又は電極１２、１４の間）から芯１７又は電極積層体１２、１４、１７の周りに至る、リザーバー１１の位置の、単一の再配置構成には、下記の利点がある。
【００７０】
円周リザーバー１１を使用すると、有利には、主芯１７を短いままにすることが可能になる。この配置構成は、２つの電極１２、１４の間の距離を比較的小さく保つことを可能にし、それが上述の高い内部抵抗の課題を克服し、それと共にリザーバーと芯１７との間の効果的な電解質連通経路を実現する。
【００７１】
更に、環の体積は半径の平方と共に増大し、この配置構成によれば、半径の比較的小さい増大のみで、比較的大きいリザーバーを生成することが可能になる。
【００７２】
下方電極の下にリザーバーを有する公知の電気化学セルでは、平面部分とそこからリザーバーに向かって下向きに垂直に延びる２つの部分とを含む芯の追加の薄片を利用することが公知である。そのような配置構成の欠点は、セルの全高が必然的に非常に高くなることであり、これはいくつかの状況で使用するのに適切ではなくなる。対照的に本発明の実施形態は、短い長さの薄い芯材料２８を利用し、その他の構造の長く薄い芯に関連した公知の類似の課題が確実に排除される。したがって半径方向のリザーバー１１は、現在利用可能な任意のセルよりも実質的に短いセルを作製するのを可能にする。これは、内部にセルが適合される検出器について、より広範な設計の選択肢が可能になる。
【００７３】
重要なことは、芯１７を取り囲むリザーバー１１（例えば、環状リザーバー１１）の配置構成は、電解質１６が全ての側面から芯１７に進入することができ、したがってリザーバー１１から芯１７までの電解質１６の交換をより効果的に行うことを意味することである。
【００７４】
更に、芯１７の周りの環であるリザーバー１１は、ある向きが、リザーバーから芯までの電解質の連通がより困難になることを意味するその他の公知の設計に対して、セル１０が向きの作用を完全に免れることを意味する。
【００７５】
周囲の湿度と平衡にするための水の取込み又は損失の課題は、全ての吸湿性電解質セルに関して生じ、したがってセルは、本発明の実施形態によれば、それらがどこでどのように使用されるかとは無関係にこの種類の作用に曝されることになる。いくつかの点で、家庭環境の制約は、本発明の実施形態によるセルが、その他の適用例で使用される場合よりも制御された環境に存在し得ることを意味する。したがって、本発明の実施形態には、家庭環境外でより大きい用途があるという余地がある。これらのより厳しい条件には、例えば、検出器が他の１００％ｒＨ（相対湿度）を有する環境に取り入れられることになる、工業的な用途を含む領域が含まれる。
【００７６】
本発明の態様及び実施形態のセル１０は、当技術分野で公知のように、且つ以下に図８に関して論じるように、高インピーダンスのオペアンプ回路を使用して電流測定モードで動作してもよい。上述の本発明の実施形態の電気化学セル１０は、とりわけ、気体検出器で利用することができる。アンモニア、一酸化炭素（ＣＯ）、ジボラン、フッ素、ヒドラジン、水素（Ｈ２）、シアン化水素、フッ化水素、セレン化水素、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＨＢｒ）、アルシン（ＡｓＨ３）、メルカプタン、酸化窒素、ホスゲン、ホスフェン（ＰＨ３）、シラン、二酸化硫黄（ＳＯ２）、又は塩素（Ｃｌ２）等であるがこれらに限定されるものではない、酸化可能な気体を含む広範な標的の気体を検出することができる。上述のように、本発明の実施形態は、二酸化塩素、エチレンオキシド、二酸化窒素、酸素、及びオゾン等の還元可能な気体を検出するのに利用できることも可能である。
【００７７】
家庭及び商用の両方の市場で特に興味深いのは、一酸化炭素（ＣＯ）検出器である。ＣＯ検出器は、時間と共にＣＯレベルを測定するように、且つ所定のレベルに到達する前に警告を発するように設計される。この種類の検出器は、ＣＯを特殊な検出設備なしに検出するのが難しく又は不可能であり且つＣＯは人間に対して潜在的に危険であり場合によっては致命的であるので、特に有用である。上記にて論じたように実用的な観点から、本発明の実施形態は、対向電極で酸素消費の原理に基づき作用する、任意のセルに組み込むことができる。
【００７８】
本発明の態様による電気化学セル１０は、気体検出器、例えばＣＯ検出器で利用することができる。動作中、セル１０により生成された電流は、大気中のＣＯ（又はその他の気体）の濃度に関係する。有利には、本発明の実施形態の電気化学セル１０は、いかなる修正も行うことなく従来の方法で、既存の電気化学セルの代わりに気体（例えば、ＣＯ）検出器に組み込むことができる。
【００７９】
セル１０は、検出される気体の標的濃度に対応するように構成することができる。セル１０は、望ましくない気体を濾別するための、化学フィルター２７（図３で見られる）を含んでもよい。これは、特別に位置付けられたセル１０によって標的の気体を確実に検出できるようにする。本発明の態様の実施形態は、通常経験されるよりも高い濃度の気体を含む気体の任意の濃度が可能になり、且つそのような濃度の気体に曝露されるように設計される。セルは、ＣＯが短い曝露時間で人間に対して毒性を持つようになるレベルである、標的の気体の１０，０００ｐｐｍ未満、好ましくは１，０００ｐｐｍよりも低い値を検出するように構成されてもよく、しかしこの値に限定されるものではない。
【００８０】
芯１７又は電極積層体を取り囲むリザーバー１１を含む本発明の態様／実施形態では、高さが２倍の公知のセルと少なくとも同じ性能レベルで作用するセルを提供することが、有利に見出された。セルが配置されることが望まれるがより高いセルには容易に順応することのできない場所、又はセルがより大きい突出部によって損傷をより受け易くなる可能性がある場所が存在し得る。したがって、軸方向から周りを取り囲むリザーバーへの幾何学的形状の変化には、明らかな利点がある。
【００８１】
図８は、２つ（又は３つ）の電極セル１０を組み込んだＣＯ検出器で用いてもよい、例示的な制御回路３０を示す。回路３０は、当業者に理解され得るように、セル１０を駆動するための単純なポテンショスタット回路である。セル１０は図８の左手側に示され、そこから、作用（感知）及び対向電極１２、１４が回路３０に接続されていることがわかる。
【００８２】
動作中、電気化学セル１０は、標的の気体に曝露されたときに電流を生成することになり、この電流は、セルが曝露された気体の濃度に直接関係する。この電流は抵抗器３２内を流れ、セル１０の両端間で小さい電圧差を発生させる。演算増幅器（オペアンプ）３４は、電極１２、１４電位を規制し且つセンサー３０が最大効率で確実に動作できるようにするために設けられている。セル電極にバイアスがかかっていないことを意味する、低入力オフセット電圧を有する任意のオペアンプを、利用することができる。オペアンプ３４は、フィードバック電圧を作用電極に提供して、セル１０の両端間で発生した小さい電圧とバランスをとる。したがって発生した電圧Ｖｏｕｔは、セル１０内を流れる電流に直接関係し、したがってセル１０が曝露される標的の気体の濃度に直接関係する。
【００８３】
２つの抵抗器３６、３８は、オペアンプ３４の利得を制御する。サーミスター４０は、任意選択で、セル１０及び回路３０内での温度効果を補償するために設けることができる。キャパシター４２、４４は、回路３０内のノイズを低減するために設けられている。
【００８４】
図９は、気体キャビティ２６を設けることによって、セル１０の性能に及ぼされる効果を示す。グラフは、セルを試験チャンバー内に配置し、それらを４００ｐｐｍのＣＯ（一酸化炭素を百万分の４００部）に４時間曝露した結果を示す。グラフは、電流出力（単位  マイクロアンペア）を垂直軸上に、経過時間（単位  分）を水平軸上に示す。理想的なセンサーの場合、発生した電流は気体濃度に正比例する。したがって理想的な検出器に関する電流出力は、図９のグラフ上では水平線になると考えられる。
【００８５】
プロットＡは、気体キャビティ２６がないセルからの出力を示す、対照の結果である。Ｂで標識された５つのプロットは、１ｍｍから４ｍｍの範囲の異なるサイズの気体キャビティ２６を備えた、本発明によるセルからの結果である。キャビティ２６内の気体は、上記にて説明したように当初は空気であるが、キャビティ２６内の気体の組成は時間と共に僅かに変化する可能性がある。「Ｂ」プロットに関する結果をもたらすセルは、ＣＯが４００ｐｐｍで３分以内に警告を発するよう設計されたことに留意すべきである。
【００８６】
図９のグラフは、プロットＡに関する結果をもたらしたセルの電流出力が、時間と共に著しく減少することを明らかに示し、それに対して空気キャビティを有するセルに関する結果は、更により安定であり且つ時間と共に著しく減少しない電流出力を示す。明らかに、一定の気体濃度がこの試験で適用されるので、「Ｂ」プロットには水平から離れた僅かな偏移があるが、結果は公知のセル構造に対する改善を明らかに示す。即ち、封止されたキャビティ２６を有することによって、セル１０は、電解質の体積（高湿度による）又は溢流（向きの作用による）の影響を受けない。「Ｂ」プロットは、この試験の制約の範囲内で、４つの結果の間でほとんど相違がないことも示す。即ち、使用されるセルのサイズは、セルの性能に対して著しい影響を与えなかった。概して、気体キャビティ、例えば任意のサイズの空気ギャップを設けることにより、気体キャビティ又は空気ギャップを持たないセルよりも、セルの性能は大いに改善された。
【００８７】
疑義を回避するために、本明細書に記述された様々な態様及び実施形態と、それらに関係する特徴及び構成要素は、任意の組合せで利用することができる。例えば、電気化学セルは、下記の請求項１から２２で定義される第１の態様の特徴のいずれか又は全てを、下記の請求項２３から３６で定義される第２の態様の特徴のいずれか又は全てと一緒に含むことができる。気体検出器は、そのような特徴の組合せを有する電気化学セルを含むことができる。
【符号の説明】
【００８８】
１０  セル
１１  リザーバー
１２  電極
１４  電極
１６  電解質
１７  芯
１８  膜
２０  膜
２６  キャビティ
２８  芯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ）】
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【図６ｂ）】
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【図６ｃ）】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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