(57)【要約】【課題】水素の吸蔵・放出を繰り返しても水素量を精度よく検出できる水素量検出装置を提供する。【解決手段】水素吸蔵合金の粒子２ａを保持層としての樹脂層３ｂに一層設ける。前記水素吸蔵合金の粒子２ａは樹脂層３ｂの表面から一部を露出させて外部からの水素の吸蔵を可能とし、また、外部への水素の放出を可能とする。ひずみセンサ（ひずみゲージ４）を前記樹脂層３ｂに設けて水素吸蔵合金の粒子２ａが水素を吸蔵した際の体積膨張を検知する。水素吸蔵合金の粒子２ａの層が一層で、水素吸蔵合金の粒子２ａの水素吸蔵による膨張によって樹脂層３ｂが伸びるので、粒子２ａ間には相互の摺動は発生しない。水素放出時も同様となる。このため、吸蔵・放出を繰り返しても水素吸蔵合金の粒子２ａの摩耗、微粉化、脱落は発生せず、水素量検出装置の性能は一定に維持される。【選択図】　　　図１
2004028756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素量検出装置であって、粒状の水素吸蔵合金を、伸縮性を有する保持層の表面から一部露出するように分散させて配置し、前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際の体積膨張による前記保持層の伸縮を検知するひずみセンサを備えたことを特徴とする水素量検出装置。
【請求項２】
前記保持層の少なくとも一面を板状の基台に固定し、前記ひずみセンサを前記保持層の内側に配置したことを特徴とする請求項１記載の水素量検出装置。
【請求項３】
水素量検出装置であって、
一方の端面を開放した筒状の基台と、
該基台の内側に収容され、粒状の水素吸蔵合金を分散させて配置した伸縮性を有する保持層と、
前記保持層に設けられ、粒状の水素吸蔵合金を外部に晒すための孔とを備え、前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際の体積膨張による前記保持層の伸縮を検知するひずみセンサを前記保持層の表面で、且つ前記基台の開放した端面側に設けたことを特徴とする水素量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素吸蔵合金を利用して水素量を検出する水素量検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵合金が水素を吸蔵することによる体積膨張を水素量の測定に用いる技術として、例えば、特開平１０−７３５３０号公報に開示された水素量検出センサが知られている。この水素量検出センサは、粒状の水素吸蔵合金の粒子を密な層状として板材の片面に固着し、板材の反対面にひずみケージを貼り付けたものである。水素量検出センサを水素雰囲気に配置し、水素吸蔵合金の粒子に水素を吸蔵させて膨張させると、板材が湾曲してひずみゲージが変形し、変形に応じたひずみ量が出力される。従って、あらかじめ計測しておいた水素吸蔵合金の水素貯蔵量−体積膨張量特性と、ひずみゲージで計測されたひずみ量とを対比すると水素雰囲気中の水素量を検出することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記水素量検出センサを用いて繰り返し水素量を一定の精度で測定するためには、板状部材に固着された緻密な粒状ＭＨ集合体の水素貯蔵量−体積膨張量特性が不変であることが前提となる。
しかし、水素吸蔵合金の粒子は、硬質で靭性に乏しく微粉化しやすい材料であるため、前記したように、水素吸蔵合金の粒子を密な層状として板材に固定し、板材の湾曲に対応したひずみ量を水素雰囲気の水素量として検出する場合は、水素の吸蔵・放出の繰り返しによって発生する粒状の水素吸蔵合金の粒子同士の摺動により、水素吸蔵合金の粒子の摩耗、微粉化、脱落が発生し、水素量検出センサの測定値に変化が生じることがある。このため、従来の水素量検出センサを使用して繰り返し水素量を検出する場合は、粒状の水素吸蔵合金の集合体全体の体積膨張特性の減少、水素量の測定精度及び感度の減少が生じ、測定値が変化してしまうという不具合がある。
そこで本発明は水素の吸蔵・放出を繰り返しても水素量を精度よく検出できる水素量検出装置を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために提案されたもので、請求項１記載の発明は水素量検出装置であって、粒状の水素吸蔵合金を、伸縮性を有する保持層の表面から一部露出するように分散させて配置し、前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際の体積膨張による前記保持層の伸縮を検知するひずみセンサを備えた水素量検出装置を提供するものである。
保持層は伸縮性を有し水素吸蔵合金の粒子の水素吸蔵による膨張によって伸び、水素の放出によって縮むので、粒子間には相互の摺動は発生しない。水素放出時も同様となる。このため、水素の吸蔵・放出を繰り返しても水素吸蔵合金の粒子の摩耗、微粉化、脱落は発生せず、水素量検出装置の性能は一定に維持される。また、保持層の伸びは、水素吸蔵合金の粒子全体の膨張の合計であり、ひずみセンサがこの膨張を測定することになるので水素量検出装置としての感度が向上する。この場合、粒状の水素吸蔵合金を一層とし、粒状の水素吸蔵合金を分散させると、水素量検出装置の感度がさらに向上する。
なお、水素の吸蔵及び放出は、水素吸蔵合金の粒子の外部に露出している表面からなされる。
【０００５】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、水素量検出装置前記保持層の少なくとも一面を板状の基台に固定し、前記ひずみセンサを前記保持層の内側に配置した水素量検出装置を提供するものである。
このようにすると、粒状の水素吸蔵合金の膨張による保持層の伸縮方向は、保持層と基台の接合面に沿った方向に特定されるので、水素量検出装置の感度が向上する。
【０００６】
請求項３記載の発明は、水素量検出装置であって、一方の端面を開放した筒状の基台と、該基台の内側に収容され、粒状の水素吸蔵合金を分散させて配置した伸縮性を有する保持層と、前記保持層に設けられ、粒状の水素吸蔵合金を外部に晒すための孔とを備え、前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際の体積膨張による前記保持層の伸縮を検知するひずみセンサを前記保持層の表面で、且つ前記基台の開放した端面側に設けた水素量検出装置を提供するものである。
このようにすると、基台によって保持層の伸び方向が規制されるので、水素吸蔵合金の粒子の水素吸蔵時（水素量の測定時）、水素放出時の保持層の伸び方向が基台の軸芯線方向に矯正される。この結果、水素量の検出時には、保持層が基台の開口部方向に隆起し、この隆起をひずみセンサが検出することになる。粒状の水素吸蔵合金は、保持層に分散され、粒子間相互に摺動が発生することはないので、摺動に起因した粒子の摩耗、微粉化、脱落が防止される。水素放出時も同様である。従って、水素量の検出のために吸蔵・放出を繰り返しても水素量検出装置の水素量検出性能は一定に維持される。
また、水素量の検出の際に、保持層に発生する伸びは水素吸蔵合金の粒子の膨張の合計となるので、水素量測定に対する水素量検出装置の感度も実質的に向上する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係る水素量検出装置の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明に係る水素量検出装置の第１実施形態の構造を示す斜視図、図２は図１の縦断面図である。水素量検出装置１は、水素を吸蔵して膨張し、水素を放出して収縮する水素吸蔵合金の粒子２ａを平面的に並べた一層の水素検出層２と、水素吸蔵合金の粒子２ａの膨張量を数量データに変換するデータ変換層３とで構成されており、データ変換層３は、基台３ａに積層により固定された樹脂層３ｂと、この樹脂層３ｂの内側に埋設されて樹脂と一体化されたひずみゲージ３ｃで構成されている。前記水素吸蔵合金の粒子２ａは、前記樹脂層３ｂによって各粒子２ａの上部が樹脂層３ｂの上面から外部に露出するように且つ、隣接する粒子２ａ間が樹脂で隔てられるように樹脂層３ｂの上層部全体に一様に分散保持されている。なお、樹脂層３ｂは、接着材や焼き付けなどにより基台３ａに固定される。また、樹脂層３ｂは、水素吸蔵合金の粒子２ａの水素吸蔵時の発熱温度と水素放出のための加熱温度とに対応した樹脂、例えば、ふっ素樹脂で構成されており、水素吸蔵合金の粒子２ａが水素を吸蔵したときの体積膨張によって伸び、逆に水素を放出したときには縮む伸縮性を有している。そして、前記基台３ａは、水素吸蔵合金の粒子２ａの体積膨張時に樹脂層３ｂの湾曲を抑制して樹脂層３ｂの伸び方向を水素検出層２の平面方向に沿った方向とするために、曲げ、引張りに対して樹脂層３ｂよりも強度の高い材料で構成されている。
【０００８】
図３（ａ）は前記水素量検出装置１の水素量検出前の状態を示し、図３（ｂ）は水素量検出装置１の水素量検出時の状態を示している。図３（ａ）に示すように、水素量の検出前は、水素吸蔵合金の粒子２ａには水素が貯蔵されていないので、各粒子２ａは体積が収縮し、樹脂層３ｂも体積が収縮した状態となる。
【０００９】
この状態で水素量検出装置１のひずみゲージ３ｃにひずみ測定器（図示せず）を接続し、水素量検出装置１を水素雰囲気中に配置すると、図３（ｂ）に示すように、水素量検出装置１の個々の水素吸蔵合金の粒子２ａが水素を吸蔵して膨張し、樹脂層３ｂが、基台３ａと樹脂層３ｂの接合面に沿った方向に伸長する。伸長の方向は、前記基台３ａによって水素検出層２の平面方向、換言すると基台３ａと樹脂層３ｂの接合面に沿った方向となる。保持層としての樹脂層３ｂに伸びが発生すると、樹脂に一体化されているひずみゲージ３ｃに樹脂層３ｂの伸びに応じたひずみが発生し、ひずみ量がひずみ測定器に出力される。従って、ひずみゲージ３ｃで測定されたひずみ量を、あらかじめ同じ圧力、温度の下で計測しておいたひずみゲージ３ｃのひずみ量−水素量との相関特性に対比すると、水素量を正確に推定できる。なお、前記水素量検出装置１を繰り返し水素量検出装置として使用する場合は、水素量検出装置１を加熱して水素吸蔵合金の各粒子２ａから水素を放出させればよい。
【００１０】
前記水素量検出装置１は、その構造上、水素吸蔵合金の水素検出層２が一層で、樹脂層３ｂの伸縮方向が水素吸蔵合金の粒子２ａの配列方向、換言すると、基台３ａと樹脂層３ｂとの接合面に沿った方向に特定される。このため、水素量検出のために水素吸蔵合金の粒子２ａの膨張、収縮を繰り返しても水素吸蔵合金の粒子２ａ同士には摺動が発生しない。また、樹脂層３ｂの伸びは水素吸蔵合金の粒子２ａ全体の膨張の合計となるので、この膨張を測定するためのひずみゲージ３ｃの感度が実質的に向上する。
【００１１】
なお、水素量検出装置１においては、基台３ａの剛性によって樹脂層３ｂの伸び方向が基台３ａと樹脂層３ｂの接合面に沿った方向に特定されるので、ひずみゲージ３ｃは、図２に示すように、樹脂層３ｂの水素検出層２側に配置するのが望ましい。また、この実施の形態において、前記ひずみセンサとしてひずみゲージ３ｃを例示したが、光ファイバを利用したひずみセンサを用いてひずみ量を測定してもよい。
また、この実施の形態では、基台３ａにより、樹脂層３ｂの伸縮方向を規制したが、基台３ａを廃止し、水素吸蔵合金の粒子２ａの体積膨張に伴う樹脂層３ｂの湾曲ひずみをひずみゲージ３ｃなどのひずみセンサにより測定してもよい。このようにしても樹脂層３ｂに対して水素吸蔵合金の粒子２ａが平面方向に沿って分散しており、各粒子２ａ間に樹脂が存在するため、粒子２ａ間の摺動に起因する粒子２ａの摩耗、微粉化、脱落が防止されるので、水素量を繰り返し検出することができる。
また、水素量検出装置１の感度をさらに向上するために、水素検出層２及び樹脂層３ｂの両側に樹脂層３ｂの幅方向への伸びを規制する規制板（図示せず）を設けてもよい。
【００１２】
（第２実施形態）
図４は本発明に係る水素量検出装置の第２実施形態を示し、図４（ａ）は水素量検出装置１１の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）の縦断面図である。この実施形態において、基台１３ａは上端部が開放された筒状に形成されており、水素吸蔵合金の粒子２ａは、基台１３ａ内に挿入された樹脂層１３ｂによって全体一様に分散保持されている。樹脂層１３ｂは、内部の水素吸蔵合金の粒子２ａを外部の水素雰囲気に晒して水素を吸蔵させるための多孔体となっており、水素吸蔵合金の粒子２ａが水素を吸蔵したときの体積膨張によって伸び、逆に水素を放出したときには縮む伸縮性を有している。樹脂層１３ｂの内部には、図５に示すように、内部の孔１３ｃを保持するための基材１３ｄが分散している。ひずみゲージ３ｃは、樹脂層１３ｂの表面に貼り付けられる。
【００１３】
なお、前記基材１３ｄとしては、孔１３ｃを保持できる耐食性の材料であれば特に材質には限定されないが、水素吸蔵合金の粒子２ａを外部に晒せるようにするには、セラミックスの多孔材で構成するのが望ましい。また、前記樹脂層１３ｂを熱硬化性樹脂で構成し、発泡後、加熱することにより孔１３ｃの形態を維持できるようにする場合は前記基材１３ｄの廃止も可能となる。
【００１４】
図６（ａ）は前記水素量検出装置１１の水素量検出前（水素放出）の状態を示し、図６（ｂ）は水素吸蔵時（水素測定時）の状態を示している。
図６（ａ）に示すように、水素量検出前は、水素吸蔵合金の粒子２ａは水素に晒されておらず水素を貯蔵していないので保持層としての樹脂層１３ｂには伸びが発生せず、ひずみゲージ３ｃは、ひずみを感知していない。この状態で水素量検出装置１１のひずみゲージ３ｃにひずみ測定器（図示せず）を接続し、水素量検出装置１１を水素雰囲気中に配置すると、個々の水素吸蔵合金の粒子２ａが図４に示した樹脂層１３ｂの孔１３ｃを通じて水素を吸蔵するので体積が膨張する。樹脂層１３ｂは、筒状の基台１３ａによって下端面及び外周面が拘束されているので、逃げ場となる基台１３ａの開口方向に隆起することになる。このため樹脂層１３ｂの上面に貼り付けられているひずみゲージ３ｃが隆起量に対応したひずみ量を感知し、感知したひずみ量がひずみ測定器に出力されることになる。従って、この実施形態においても、測定したひずみ量を、あらかじめ同じ圧力、温度の下で前記水素量検出装置１１で計測したひずみ量−水素量との相関特性に対比すれば、水素量を正確に推定できる。
水素量の繰り返し測定において、前記水素量検出装置１１の水素吸蔵合金の粒子２ａ間には樹脂が存在し、粒子２ａが樹脂層１３ｂを構成している樹脂と一体となって移動するので、水素吸蔵合金の粒子２ａが水素量測定のために膨張、収縮を繰り返しても水素吸蔵合金の粒子２ａ同士の摺動も発生しない。このため、第１実施形態の水素量検出装置１と同様に繰り返し水素量を測定することができる。また、基台１３ａの底面及び内面により、樹脂層１３ｂの伸縮方向が基台１３ａの軸芯方向に沿った方向に特定され、水素吸蔵合金の粒子２ａの膨張による水素検出層２全体の膨張量が増加するので、水素量検出装置１１の感度も大幅に向上する。
【００１５】
なお、水素量検出装置１１においては、樹脂層１３ｂの伸び方向が特定されるので、ひずみゲージ３ｃを基台１３ａの軸芯線Ｘに沿わせて樹脂層１３ｂの中央に配置してもよい。また、ひずみゲージ３ｃに代えて光ファイバを用いたひずみセンサを用いてもよい。
【００１６】
図７乃至図９は前記水素量検出装置１１を取り付けた水素ストレージ（水素タンク）を示し、図７は水素ストレージの斜視図、図８は水素ストレージの横断面図、図９は図８のＡ部詳細断面図である。
水素ストレージ２０には内部に水素吸蔵合金の粒子ＭＴが充填されるとともに、水素吸蔵、水素放出の切り換えのための伝熱管２１が取り付けられる。
水素量検出装置は、第２実施形態で説明した水素量検出装置１１であり、水素ストレージ２０の内壁２０ａに初期段階の水素ストレージ２０のひずみが作用しないように断熱性の接着剤などを介して取り付けられる。水素量検出装置１１は、水素量検出装置１１の内壁２０ａに取り付けられた箱型の隔壁２２によって、水素ストレージ２０内の水素吸蔵合金の粒子ＭＴと隔てられており、箱型の隔壁２２に形成されている連通部２２ａを介して水素ストレージ２０内に連通している。
なお、この例では、水素量検出装置１１の水素吸蔵合金の粒子２ａは、水素ストレージ２０内の水素吸蔵合金ＭＨと同じ材質であり、隔壁２２の容積は、樹脂層１３ｂの膨張に対応させて定められる。因みに、この実施の形態では水素放出のために加熱されたとき、温度が６０℃の熱的平衡温度となるような水素吸蔵合金、例えば、ＬａＮｉ５を使用している。
また、この実施形態において水素量検出装置１１の基台１３ａには、水素ストレージ２０の水素吸蔵合金の粒子ＭＴの温度と水素量検出装置１１の水素吸蔵合金の粒子２ａとの温度を迅速に同一とするための複数のフィン１３ｅが外面に取り付けられ、各フィン１３ｅが連通部２２ａを通じて水素ストレージ２０内に延出されている。
【００１７】
水素量検出装置１１による水素ストレージ２０の水素量の検出は、水素ストレージ２０の水素充填時になされる。この場合、伝熱管２１には低温の熱媒体が循環される。このとき水素ストレージ２０内の圧力は水素ガス供給系の水素ガス供給圧力、すなわち、水素ストレージ２０内の水素吸蔵合金の粒子ＭＴの水素吸蔵の圧力に保持され、温度は、前記伝熱管２１を流れる熱媒の温度、すなわち、水素ストレージ２０内の水素吸蔵温度に冷却される。もちろん、前記隔壁２２の連通部２２ａにより、隔壁２２内も水素ストレージ２０内と同温、同圧に保持される。水素ガス出入口２０ｂから水素ストレージ２０の内部に水素ガスが充填されると、水素ストレージ２０内の水素吸蔵合金の粒子ＭＴは、水素ガスを吸蔵して膨張し、水素量検出装置１１の水素吸蔵合金の粒子２ａも樹脂層１３ｂの孔１３（図５参照）を通じて水素ガスを吸蔵して膨張する。
水素量検出装置１１に取り付けられているひずみゲージ３ｃは、水素ストレージ２０内の水素量に対応したひずみ量をひずみ測定器（図示せず）に出力する。従って、あらかじめ水素ストレージ２０の水素貯蔵量と水素ストレージ２０内に設置する水素量検出装置１１の水素吸蔵合金の粒子２ａの膨張量、すなわち、ひずみゲージ３ｃのひずみ量との関係をデータ化しておいて、これに実際に測定されたひずみ量を対比すると、水素ストレージ２０の水素貯蔵量を正確に推定することができる。なお、この例では水素量検出装置として、第２実施形態で説明した水素量検出装置１１を取り付ける説明をしたが、水素ストレージ２０の内壁２０ａに第１実施形態で説明した水素量検出装置１を初期段階の水素ストレージ２０のひずみが作用しないように断熱性の接着材を介して貼り付けるようにしてもよい。
【００１８】
【発明の効果】
以上、説明したことから明らかなように本発明によれば次の如き優れた効果を発揮する。
（１）水素吸蔵合金の摩耗、微粉化、脱落を防止することができるので、水素量の測定に繰り返し使用することができる。また、樹脂層の膨張量が粒状の水素吸蔵合金の膨張の合計となり、この膨張をひずみセンサが感知するようにしたので水素量を感度よく検出することができる（請求項１及び請求項３）。
（２）粒状の水素吸蔵合金の膨張による保持層の伸縮方向が、保持層と基台の接合面に沿った方向に特定されるので、水素量検出装置の感度が実質的に向上する（請求項２）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水素量検出装置の第１実施形態の構造を示すために一部を破断して示した斜視図である。
【図２】本発明に係る水素量検出装置の第１実施形態の構造を示し、図１の縦断面図である。
【図３】第１実施形態の水素量検出装置の状態の変化を示し、図３（ａ）は水素量検出装置の水素量検出前の状態を示す断面図、図３（ｂ）は水素量検出装置の水素量検出時の状態を示す断面図である。
【図４】第２実施形態の水素量検出装置を示し、図４（ａ）は水素量検出装置の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）の縦断面図である。
【図５】図４（ｂ）の要部拡大断面図である。
【図６】第２実施形態の水素量検出装置の状態の変化を示し、図６（ａ）は水素量検出装置の水素量検出前の状態を示す断面図、図６（ｂ）は水素吸蔵時の状態を示す断面図である。
【図７】水素量検出装置を取り付けた水素ストレージの斜視図である。
【図８】水素ストレージの横断面図である。
【図９】図８のＡ部詳細断面図である。
【符号の説明】
１　水素量検出装置
２　水素検出層
２ａ　水素吸蔵合金の粒子
３　データ変換層
３ａ　基台
３ｂ　樹脂層（保持層）
３ｃ　ひずみゲージ（ひずみセンサ）
１１　水素量検出装置
１３ａ　基台
１３ｂ　樹脂層（保持層）
１３ｃ　孔
１３ｄ　基材
１３ｅ　フィン
２０　水素ストレージ
２１　伝熱管
２２　隔壁
２２ａ　連通部
ＭＴ　水素吸蔵合金の粒子
【図１】
2004028756.tif 000003
【図２】
2004028756.tif 000004
【図３】
2004028756.tif 000005
【図４】
2004028756.tif 000006
【図５】
2004028756.tif 000007
【図６】
2004028756.tif 000008
【図７】
2004028756.tif 000009
【図８】
2004028756.tif 000010
【図９】
2004028756.tif 000011