(57)【要約】【課題】簡単な構成であって、充分な小型化が可能であり、応答が早く、信頼性の高い安価なガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサ１において、超音波発信素子２と超音波受信素子３とが対向して設けられている。超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の距離ｘは６０ｍｍ未満に設定することができる。超音波発信素子２と超音波受信素子３との間に空気以外のガスが混入したときと、このガスが混入しないときとの、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の超音波の伝搬時間差に基づいて、混入したガスの濃度を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発信素子と超音波受信素子とが対向して設けられ、前記超音波発信素子から発信された超音波を前記超音波受信素子が受信するまでに要する超音波の伝搬時間を測定する手段を有し、空気中に空気以外のガスが混入したときと混入しないときの伝搬時間差に基づいて、混入した前記ガスの濃度を検知することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記超音波発信素子と前記超音波受信素子との間の距離が６０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
混入した前記ガスは、そのガス中での超音波の音速が、空気中での音速と異なるものであることを特徴とする請求項１または２記載のガスセンサ。
【請求項４】
超音波発信素子から発信された超音波を、前記超音波発信素子に対向して設けられた超音波受信素子が受信するまでに要する超音波の伝搬時間を測定し、空気中にガスが混入したときと混入しないときの伝搬時間差を検知し、この伝搬時間差により混入したガスの濃度を算出して、ガスの濃度を検知することを特徴とするガスの検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池や燃料電池車、水素ステーション等において水素等のガスの検知に用いられるガスセンサおよびガスの検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池などの普及に伴い水素関連技術の研究開発が進んでおり、このような開発状況のもとで、水素センサは必要不可欠なものとなっている。これまで用いられている水素センサでは、接触燃焼式や半導体方式などの検出方法が採られており、この方法によると、水素以外に、メタン、イソブタン、ブタン、プロパンなどのガスも検知してしまい、水素ガスのみを検出することが困難であった。
【０００３】
また、水素吸着を用いた方式を用いているため、水素の素子反応部への吸着・脱着に数秒以上の時間を要することから、反応時間が遅く、また、脱着が遅いことにより、水素が断続的に拡散している場合には、適切な検知ができなかった。
さらに、これらのセンサの多くは白金線を用いており、高価であるとともに、白金を加熱して使用する場合には危険であるため、防爆型にしなければならず、さらに高価なものとなっていた。
【０００４】
燃料電池の開発の進展に伴って、燃料電池車搭載用などの水素センサとして、安価かつ小型で、応答速度の高いものが要求されており、特許文献１には、超音波素子を用いたガス濃度センサが開示されている。このガス濃度センサは、図７に示すように、超音波探触子５１から発信される超音波が、反射体である平板５２によって反射されるまでに要する時間を計測し、その音速によりガス濃度を検出するものである。このガスセンサによると、吸着によるものよりも検出に要する時間は短縮できるものの、超音波探触子５１は超音波の発信素子と受信素子の両方を兼ねているため、超音波探触子５１と平板５２との間の距離が短いと、発信波と受信波とが重なり合ってしまい、ガスが混入したときの音速の違いを波形から正確に検知することができない。そのため、この方式で正確な検出を行うためには、上記の弊害をなくすために、超音波探触子５１と平板５２との間の距離を６０ｍｍ以上とすることが必要であり、小型化を実現することは難しい。また、この構造では、空気中で開放された状況下で使用することはできない。
【０００５】
また、特許文献２には、同じく超音波素子を用いたものが記載されているが、この装置は、水素・窒素等の２成分系ガスの組成を分析するものであり、また、この構造では、特許文献１に記載のものと同様に、空気中で開放された状況下で使用することはできない。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３０４７３２号公報
【特許文献２】特開２００２−２５７８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水素ガスは漏洩すると爆発する危険性が高いため、爆発を回避するためには、爆発下限濃度である４％以下のガス濃度を正確に検知する必要があり、また、ガス濃度が検知されてからこれに対する処理を俊敏に行うためには、検知に要する時間が短いことが求められる。さらに、燃料電池関連技術の開発に伴って、これらのデバイスの小型化が予想されており、水素を検出するセンサについても、小型化を実現することが実用上の絶対的な要件となっている。しかし、現状においては、小型化の要請を満たしつつ、ｐｐｍオーダーの低濃度において正確にガス濃度を検知する手段は報告されていない。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、簡単な構成であって、充分な小型化が可能であり、応答が早く、信頼性の高い安価なガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するために、本発明のガスセンサは、超音波発信素子と超音波受信素子とが対向して設けられ、前記超音波発信素子から発信された超音波を前記超音波受信素子が受信するまでに要する超音波の伝搬時間を測定する手段を有し、空気中に空気以外のガスが混入したときと混入しないときの伝搬時間差に基づいて、混入した前記ガスの濃度を検知することを特徴とする。
【０００９】
空気中に空気以外のガスが混入したときと混入しないときとでは、超音波発信素子から発信された超音波を超音波受信素子が受信するまでに要する超音波の伝搬時間が異なるため、この伝搬時間差から混入したガスの濃度を検知することができる。
この伝搬時間差を測定するにあたって、超音波発信素子と超音波受信素子とを対向して設ける構成としているため、超音波探触子から発信される超音波を反射体で反射させて同一の超音波探触子で受信する従来のもののように、超音波探触子と反射体との間の距離が短いことによって、発信波と受信波とが重なり合うという弊害を生じることがない。そのため、小型化を充分に実現することができる。
【００１０】
また、超音波発信素子と超音波受信素子を用いて超音波の伝搬時間差を測定することを基本原理としているため、簡単な構成でセンサを構築することができ、信頼性が高く、応答が早い。さらに、低濃度領域においても、感度良くガス濃度を検知することが可能である。
【００１１】
本発明においては、前記超音波発信素子と前記超音波受信素子との間の距離を６０ｍｍ未満とすることができる。
上述したように、超音波発信素子と超音波受信素子とを対向して設ける構成としているため、従来のもののように発信波と受信波とが重なり合うことがあり得ず、従って、このような観点から超音波発信素子と超音波受信素子との間の距離が制限を受けることがない。そのため、超音波発信素子と超音波受信素子との間の距離を６０ｍｍ未満としても、正確に伝搬時間差を測定することができ、ガス濃度の検知を正確に行うことができる。
このように、従来の構成では不可能であったサイズへの小型化を、従来のものと異なる構成によって実現している点において、本発明の意義は大きい。
【００１２】
本発明においては、混入した前記ガスは、そのガス中での超音波の音速が、空気中での音速と異なるものである。
従って、そのガス中での音速が空気中での音速と大きく異なるガスであるほど、伝搬時間差が顕著となり、ガス濃度検知に適している。水素ガス中での音速は空気中での音速の３倍以上であるため、本発明の方式は、特に水素ガス濃度の検知に適している。
【００１３】
本発明のガスの検知方法は、超音波発信素子から発信された超音波を、前記超音波発信素子に対向して設けられた超音波受信素子が受信するまでに要する超音波の伝搬時間を測定し、空気中にガスが混入したときと混入しないときの伝搬時間差を検知し、この伝搬時間差により混入したガスの濃度を算出して、ガスの濃度を検知することを特徴とする。
【００１４】
超音波発信素子と超音波受信素子を用いて超音波の伝搬時間差を測定することを基本原理としているため、吸着によるものと比較して応答が早い。また、低濃度領域においても、感度良くガス濃度を検知することが可能である。さらに、空気中で開放された状況下で検知が可能である点で、適用範囲が広く利便性が高い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、簡単な構成であって、充分な小型化が可能であり、応答が早く、信頼性の高い安価なガスセンサを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明をその実施形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施形態に係るガスセンサの構成を示す。
図１に示すガスセンサ１において、超音波発信素子２と超音波受信素子３とが対向して設けられている。超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の距離ｘは６０ｍｍ未満に設定することができる。
【００１７】
ガスセンサ１において、超音波発信素子２から発信される超音波は、超音波受信素子３によって受信されることにより、空気中における超音波の伝搬時間が測定されるが、超音波の速度は、超音波が伝搬する媒質によって異なるため、空気以外のガスが超音波発信素子２と超音波受信素子３との間に混入しているときは、混入しているガスの濃度に応じて超音波の速度、すなわち音速が変化する。
代表的なガス中での音速を表１に示す。
【００１８】
【表１】
2010025794.tif 000003
【００１９】
本発明においては、このようなガスの種類による音速の相違に基づいて、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間に空気以外のガスが混入したときに、このガスが混入しないときとの伝搬時間差に基づいて、混入したガスの濃度を検知するものである。温度２０℃において、水素ガス中での音速は空気中での音速の３倍以上であり、音速の差は水素ガスの場合に顕著であるので、以下、水素ガス濃度の検知について説明する。
【００２０】
乾燥空気中での音速をｖ、超音波発信素子２と超音波受信素子３との距離をｘとすると、超音波が超音波発信素子２と超音波受信素子３との間を伝搬するのに要する時間ｔは、
【００２１】
【数１】
2010025794.tif 000004
【００２２】
である。
水素ガスが超音波発信素子２と超音波受信素子３との間に混入して、音速がΔｖ増えると、伝搬時間はΔｔ短くなり、
【００２３】
【数２】
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【００２４】
となる。これを変形して、
【００２５】
【数３】
2010025794.tif 000006
【００２６】
の関係が得られる。
一般に、ガス中での超音波の伝播速度ｖH（ｍ／ｓｅｃ）は、
【００２７】
【数４】
2010025794.tif 000007
【００２８】
で表される。ここで、ｋは比熱比（定積モル比熱と定圧モル比熱の比：空気と水素ではほぼ同じ）、Ｒは気体定数、Ｍはガスの平均分子量、Ｔ［Ｋ］はガスの温度である。
このことから、ガス中での超音波の伝播速度ｖHが求まれば、平均分子量Ｍを算出することができ、空気と水素との混合比を求めることができる。水素の体積濃度をρとした場合、乾燥空気の分子量は２８．９６であり、水素の分子量は２．０１６であるから、平均分子量Ｍは、
【００２９】
【数５】
2010025794.tif 000008
【００３０】
と表される。これを（４）式に代入し変形すると、
【００３１】
【数６】
2010025794.tif 000009
【００３２】
となり、ここで、ｖHはｖ＋Δｖに相当するから、（３）式を代入すると、
【００３３】
【数７】
2010025794.tif 000010
【００３４】
となる。
これにより、水素が混入したときの、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の伝播時間差Δｔを求めれば、混入した水素の濃度ρを求めることができる。ここで、ｔは乾燥空気中での超音波の伝播時間であり、ｘが一定であればｔも定数と見なすことができる。
【００３５】
水素の濃度ρと伝播時間差Δｔとの関係を、図２に示す。図２において、横軸は空気中の水素濃度であり、横軸の左端は水素が全く含まれないときであり、横軸の右端は完全に水素によって充填されたときを示す。
図２からわかるように、低濃度領域において伝播時間差Δｔは、ほぼ水素濃度ρに比例しており、爆発下限濃度である４％以下の低濃度の水素混入状態においても、感度は低下していない。
【００３６】
本発明のガスセンサにおいては、以上の原理に基づいて、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の伝播時間差Δｔから、水素濃度ρを検出しており、超音波の伝搬時間から伝播時間差Δｔを測定する測定部と、伝播時間差Δｔに基づいて混入したガスの濃度を算出する算出部と、このガス濃度を表示する表示部とを設けることによって、混入したガスの濃度を明示することができる。また、必要に応じて、ガス濃度が所定の濃度以上となったときに警報信号を発する警報部を設けることもできる。
【００３７】
以下に、本発明のガスセンサの実測例を示す。
図３、図４に、パルス波を用いて測定した測定結果を示す。
ここでは、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の距離ｘを２８ｍｍとし、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間に水素ガスを少量吹きかけた。図３には、水素ガスが混入したときと、水素ガスが存在しない空気だけのときについてのパルス波の伝搬の様子を示しており、音速の違いによる波形のずれが観測されている。
【００３８】
図４は、図３の横軸である伝搬時間が７５μｍから８５μｍまでの間について波形を拡大して示したものであり、音速の違いによる伝播時間差Δｔは約０．４μｓｅｃであることが読み取れる。伝搬時間ｔを８０μｓｅｃとすると、式（７）から水素濃度ρは約１％となる。
【００３９】
本発明のガスセンサを用いると、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の伝播時間差Δｔが約０．０１μｓｅｃ程度まで読み取り可能であるため、水素濃度ρを約１００ｐｐｍ程度まで検知することが可能である。このような低濃度での検知が可能であることを確認する測定を行い、その結果を図５に示す。
【００４０】
図５は、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の距離ｘを５４ｍｍとし、超音波の周波数を３３０ｋＨｚとして測定を行ったものであり、０．０１μｓｅｃの伝播時間差Δｔを読み取ることによって、水素濃度ρが約１００ｐｐｍであることを検知できた。このように、水素濃度ρが１００ｐｐｍ程度の極めて低濃度の状況であっても、伝播時間差Δｔから水素濃度ρを検知することが可能であることを実証できた。
伝播時間差Δｔに基づく水素濃度ρの検知は、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の距離ｘを大きくするか、超音波の周波数を大きくすることによって、さらに低濃度の場合にも可能である。
【００４１】
以上の測定においてはパルス波を用いているが、連続波を用いることもできる。連続波を用いる場合には、超音波発信素子２から発信された超音波の波形と、超音波受信素子３によって受信された波形との位相差から、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の距離ｘが検知される。水素ガスが混入すると、超音波受信素子３によって受信される波形がずれ、この位相のずれによって水素濃度を検知することができる。
【００４２】
図６に、連続波を用いて測定した測定結果を示す。ここでは、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の距離ｘを約５０ｍｍとし、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間に水素ガスを少量吹きかけた。図６には、水素ガスが混入したときと、水素ガスが存在しない空気だけのときについての連続波の伝搬の様子を示しており、音速の違いによる位相のずれが観測されている。
【００４３】
この測定結果によると、音速の違いによる位相のずれΔｔは約０．０４μｓｅｃであることを読み取ることができる。伝搬時間ｔを１４５．３５μｓｅｃとすると、式（７）から水素濃度ρは約５９０ｐｐｍとなる。
連続波を用いると、処理系の電気回路を簡略化することができるため、小型化がさらに容易となる。
【００４４】
上述したように、本発明のガスセンサを用いると、水素ガスの濃度を正確に検知することが可能であることが実証されている。水素以外のガスについても、同様の原理に基づいて濃度検知が可能であり、被測定ガス中での音速と空気中での音速との差に応じて、超音波発信素子２と超音波受信素子３との間の距離等を適宜選択することで、高精度でガス濃度を検知することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、簡単な構成であって、充分な小型化が可能であり、応答が早く、信頼性の高い安価なガスセンサとして利用することができ、水素ガス中での音速が空気中での音速と大きく異なることから、特に、燃料電池や燃料電池車、水素ステーション等において水素濃度の検出に用いられるガスセンサとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係るガスセンサの構成を示す図である。
【図２】水素の濃度ρと伝播時間差Δｔとの関係を示す図である。
【図３】パルス波を用いて測定した測定結果を示す図である。
【図４】図３の横軸である伝搬時間が７５μｍから８５μｍまでの間について波形を拡大して示した図である。
【図５】低濃度での検知が可能であることを確認する測定の結果を示す図である。
【図６】連続波を用いて測定した測定結果を示す図である。
【図７】従来の超音波素子を用いたガス濃度センサを示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  ガスセンサ
２  超音波発信素子
３  超音波受信素子
【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６】
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【図７】
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