(57)【要約】【課題】  水素濃度検出に必要な電力消費量を低減する。【解決手段】  雰囲気温度よりも高い所定の基準温度で基準濃度の水素を吸蔵する水素吸蔵合金からなる検出素子４と、検出素子４を加熱するマイクロヒータ２および基板３と、検出素子４が水素を吸蔵した際の体積変化を検出する歪ゲージ６と、を備えた水素検出装置１を用いて水素濃度が前記基準濃度以上か否かを検出する水素濃度検出方法であって、通常はマイクロヒータ２の作動を停止（ＯＦＦ）しておき、マイクロヒータ２の作動停止中に歪ゲージ６が検出素子４の体積変化を検知した場合に、マイクロヒータ２を作動（ＯＮ）させて検出素子４を加熱する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
雰囲気温度よりも高い所定の基準温度で基準濃度の水素を吸蔵する水素吸蔵合金からなる検出素子と、該検出素子を加熱する加熱手段と、前記検出素子が水素を吸蔵した際の物性量の変化を検出する変化検出手段と、を備えた水素検出装置を用いて水素濃度が前記基準濃度以上か否かを検出する水素濃度検出方法であって、
通常は前記加熱手段の作動を停止しておき、加熱手段停止中に前記変化検出手段が前記検出素子の物性量の変化を検知した場合に、前記加熱手段を作動させて前記検出素子を加熱することを特徴とする水素濃度検出方法。
【請求項２】
前記加熱手段の作動後、前記検出素子が前記基準温度に達する前に水素を吸蔵しなくなった場合には前記加熱手段の作動を停止することを特徴とする請求項１に記載の水素濃度検出方法。
【請求項３】
雰囲気温度よりも高い所定の基準温度で基準濃度の水素を吸蔵する水素吸蔵合金からなる検出素子と、
該検出素子を加熱する加熱手段と、
前記検出素子が水素を吸蔵した際の物性量の変化を検出する変化検出手段と、
前記加熱手段の作動停止中に前記変化検出手段が物性量の変化を検出したか否かを判定する水素吸蔵判定手段と、
前記水素吸蔵判定手段が物性量の変化を検出したと判定した場合に前記加熱手段の作動を許可する加熱許可手段と、
を備えることを特徴とする水素検出装置。
【請求項４】
前記検出素子の温度を検出する温度検出手段と、
前記加熱手段の作動時に前記検出素子が前記基準温度に達する前に水素を吸蔵しなくなったときに前記加熱手段の作動を停止する加熱停止手段と、
を備えることを特徴とする請求項３に記載の水素検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、気体中の水素濃度が基準濃度以上か否かを検出する水素濃度検出方法と水素検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素吸蔵合金を利用して水素を検出する装置としては、特許文献１のものが知られている。この水素検出装置は、基板の一方の面に水素吸蔵合金を固着し他方の面に歪ゲージを取り付け、水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際の体積膨張により生じる基板の歪みを歪ゲージで検出する。この水素吸蔵合金を利用した水素検出装置は水素に対する選択性が極めて高く、したがって検出精度が高いという利点がある。
ここで、水素吸蔵合金はＰ−Ｔ特性を有することから作動温度に応じて水素吸蔵圧が一意的に決まるので、ヒータ等を用いて常に作動温度を一定温度に保持した状態で歪ゲージの出力を監視し、歪ゲージに出力変化が生じたとき、即ち歪ゲージによって基板の歪みが検出されたときに、被検ガスの水素濃度が、該作動温度に応じた水素吸蔵圧に相当する水素濃度に達したと判定するような水素検出装置が検討されている。
【特許文献１】特開平１０−７３５３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述したように水素検出装置の作動温度を常に一定温度に保持するとなると、常に温度制御が必要なため、ヒータの通電時間が長くなる。このため、長期に亘って水素濃度を監視する場合には、ヒータによる消費電力が極めて大きくなって不経済であり、電力供給源の大型化を招き、コストアップとなる。
特に、燃料電池車両などの移動体に設置されてバッテリーからの電力供給を受けて作動する水素検出装置の場合には、バッテリーの容量に限りがあるので消費電力の低減が求められる。また、燃料電池車両においてはバッテリーの大型化は不利である。
そこで、この発明は、水素濃度検出に必要なエネルギーを低減することができる水素濃度検出方法と水素検出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、雰囲気温度よりも高い所定の基準温度で基準濃度の水素を吸蔵する水素吸蔵合金からなる検出素子（例えば、後述する実施例における検出素子４）と、該検出素子を加熱する加熱手段（例えば、後述する実施例におけるマイクロヒータ２、基板３）と、前記検出素子が水素を吸蔵した際の物性量の変化を検出する変化検出手段（例えば、後述する実施例における歪ゲージ６）と、を備えた水素検出装置（例えば、後述する実施例における水素検出装置１）を用いて水素濃度が前記基準濃度以上か否かを検出する水素濃度検出方法であって、通常は前記加熱手段の作動を停止しておき、加熱手段停止中に前記変化検出手段が前記検出素子の物性量の変化を検知した場合に、前記加熱手段を作動させて前記検出素子を加熱することを特徴とする水素濃度検出方法である。
【０００５】
検出素子を構成する水素吸蔵合金は、水素検出装置が設置されている雰囲気の水素分圧が水素吸蔵合金の温度（以下、合金温度と略す）に応じた水素平衡圧よりも低いときには水素を放出し、前記水素分圧が合金温度に応じた水素平衡圧以上になると水素を吸蔵する。そして、水素吸蔵合金は水素を吸蔵すると体積や温度や重量等の物性量が変化するので、この変化を変化検出手段が検出したときには該検出素子が水素を吸蔵したと判断することができる。
この発明の水素濃度検出方法では、通常時は加熱手段の作動を停止し検出素子に対する加熱を行わないので、検出素子の温度は雰囲気温度にほぼ一致し、雰囲気の水素分圧が雰囲気温度に応じた水素平衡圧よりも低いときには検出素子は水素を吸蔵せず、雰囲気の水素分圧が雰囲気温度に応じた水素平衡圧よりも高くなると検出素子は水素を吸蔵する。
ここで、基準温度を通常時の雰囲気温度よりも高く設定すると、雰囲気の水素濃度が基準濃度以上あるときは検出素子は常温時に必ず水素を吸蔵するが、雰囲気の水素濃度が基準濃度未満であるときには、雰囲気の水素濃度と雰囲気温度によって検出素子は常温時に水素を吸蔵している場合もあれば、水素を吸蔵しない場合もあり得る。
ここで、加熱手段の停止中に検出素子が水素を吸蔵したと判断されたときに、初めて加熱手段を作動して検出素子に対する加熱を開始するようにすると、加熱手段を常時作動させずに済み、加熱手段の停止中に検出素子が水素を吸蔵していないと判断されている間は加熱手段の作動を停止し続けることができるので、水素濃度検出に必要なエネルギーを低減することができる。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記加熱手段の作動後、前記検出素子が前記基準温度に達する前に水素を吸蔵しなくなった場合には前記加熱手段の作動を停止することを特徴とする。
検出素子の加熱開始後、検出素子が基準温度に達する前に検出素子が水素を吸蔵しなくなったときには、雰囲気の水素濃度が基準濃度に満たないと判断できるので、加熱手段の作動を停止して、不必要な加熱手段の作動をなくすことができる。
【０００７】
請求項３に係る発明は、雰囲気温度よりも高い所定の基準温度で基準濃度の水素を吸蔵する水素吸蔵合金からなる検出素子（例えば、後述する実施例における検出素子４）と、該検出素子を加熱する加熱手段（例えば、後述する実施例におけるマイクロヒータ２、基板３）と、前記検出素子が水素を吸蔵した際の物性量の変化を検出する変化検出手段（例えば、後述する実施例における歪ゲージ６）と、前記加熱手段の作動停止中に前記変化検出手段が物性量の変化を検出したか否かを判定する水素吸蔵判定手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０２）と、前記水素吸蔵判定手段が物性量の変化を検出したと判定した場合に前記加熱手段の作動を許可する加熱許可手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３）と、を備えることを特徴とする水素検出装置である。
このように構成することにより、通常は前記加熱手段を作動停止しておき、加熱手段作動停止中に前記検出手段が前記検出素子の物性量の変化を検知した場合に、前記加熱手段を作動させて前記検出素子を加熱し、雰囲気の水素濃度を検出することができる。
【０００８】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記検出素子の温度を検出する温度検出手段（例えば、後述する実施例における温度センサ５）と、前記加熱手段の作動時に前記検出素子が前記基準温度に達する前に水素を吸蔵しなくなったときに前記加熱手段の作動を停止する加熱停止手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０７）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、前記加熱手段の作動後、該検出素子が前記基準温度に達する前に水素を吸蔵しなくなった場合には前記加熱手段を停止させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、加熱手段を常時作動させないで済み、加熱手段の停止中に検出素子が水素を吸蔵していないと判断されている間は加熱手段の作動を停止し続けることができて、水素濃度検出に必要なエネルギーを低減することができるので、エネルギー供給源を小型化することができ、ランニングコストを低減することができる。
請求項２に係る発明によれば、不必要な加熱手段の作動をなくすことができるので、加熱手段による無駄なエネルギー消費を防止することができる。
【００１０】
請求項３に係る発明によれば、通常は前記加熱手段を作動停止しておき、加熱手段作動停止中に前記検出手段が前記検出素子の物性量の変化を検知した場合に、前記加熱手段を作動させて前記検出素子を加熱して、雰囲気の水素濃度を検出することができるので、加熱手段を常時作動させないで済み、加熱手段の停止中に検出素子が水素を吸蔵していないと判断されている間は加熱手段の作動を停止し続けることができて、水素濃度検出に必要なエネルギーを低減することができる。その結果、エネルギー供給源を小型化することができ、ランニングコストを低減することができる。。
【００１１】
請求項４に係る発明によれば、前記加熱手段の作動後、該検出素子が前記基準温度に達する前に水素を吸蔵しなくなった場合には前記加熱手段を停止させることができるので、不必要な加熱手段の作動をなくして、加熱手段による無駄なエネルギーの消費を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明に係る水素濃度検出方法と水素検出装置の実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。
初めに、図１および図２を参照して水素検出装置１の構成を説明する。水素検出装置１は、内部にマイクロヒータ２を埋設した基板３と、この基板３の上面に取り付けられた検出素子４と、検出素子４の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）５と、検出素子４の上面に取り付けられた歪ゲージ（変化検出手段）６を備えている。
基板３は、検出素子４を支持するための基盤としての機能と、検出素子４を加熱するための加熱板としての機能を備えている。マイクロヒータ２は、基板３のほぼ全体をほぼ均一に加熱可能に配置されており、ドライバー７を介して制御装置１０によりＯＮ／ＯＦＦ制御可能にされている。この実施例において、マイクロヒータ２と基盤３は加熱手段を構成する。
【００１３】
検出素子４は水素吸蔵合金によって構成されており、焼結、圧着、溶射、接着等であって耐熱性に優れた適宜手段により基板３に隙間なくしっかりと接合されている。例えば、スラリー状の水素吸蔵合金を基板３に塗布することによって接合される。
図３は、この実施例における検出素子４に使用される水素吸蔵合金のＰ−Ｔ特性であり、縦軸は水素吸蔵圧の対数（ｌｏｇＰ）、横軸は水素吸蔵合金の絶対温度の逆数（１／Ｔ）である。水素吸蔵合金のＰ−Ｔ特性は、水素吸蔵合金の温度が高いほど水素平衡圧が高くなる。なお、水素平衡圧は、ヒステリシスを問題としない場合の水素吸蔵圧および水素放出圧の総称である。
ここで、この実施例における水素検出装置１の基準温度は６０゜Ｃに設定されており、基準温度６０゜Ｃにおけるこの水素吸蔵合金の水素平衡圧は０．０１ａｔｍである。なお、大気中における水素分圧と水素濃度との対応関係から、水素分圧０．０１ａｔｍは水素濃度１．０％に相当する。
また、水素吸蔵合金は水素を吸蔵すると、体積が膨張し、発熱し、重量が増大する特性を有している。
【００１４】
図１および図２に示すように、歪ゲージ６は、耐熱性を有する接着剤等により検出素子４の上面に一体的に接合されており、歪ゲージ６自体も耐熱性を有している。歪ゲージ６は、検出素子４を構成する水素吸蔵合金が水素を吸蔵して体積膨張したときに歪ゲージ６に生じる歪みを電気抵抗の変化として検出するもので、この電位抵抗の変化は検出回路８によって検出され、その検出信号は制御装置１０に入力される。
また、温度センサ５の出力信号も制御装置１０に入力される。
【００１５】
次に、この水素検出装置１を用いた水素濃度検出方法を説明する。
検出素子４を構成する水素吸蔵合金は、水素検出装置１が設置されている雰囲気の水素分圧が温度に応じた水素平衡圧よりも低いときには水素を放出し、前記水素分圧が温度に応じた水素平衡圧以上で水素を吸蔵する。そして、水素吸蔵合金は水素を吸蔵すると体積膨張するので、この検出素子４に取り付けられた歪ゲージ６の電気抵抗の変化が検出回路８によって検出される。したがって、歪ゲージ６によって歪みが検出された場合には、検出素子４は水素を吸蔵していることとなり、歪ゲージ６によって歪みが検出されない場合には、検出素子４は水素を吸蔵していないこととなる。
【００１６】
ここで、この実施例においては、水素検出装置１が設置されている雰囲気の温度は、常時は２０゜Ｃ程度で、最大でも４０°Ｃ程度であるものとし、この水素検出装置１の使用目的は、水素検出装置１が設置されている雰囲気の水素濃度が１％以上になったときに警報を発令することにあるものとする。
【００１７】
この水素検出装置１では、通常時はマイクロヒータ２をＯＦＦにし、検出素子４に対する加熱を行わない。したがって、この状態では、検出素子４の温度は雰囲気温度にほぼ一致し、雰囲気の水素分圧が雰囲気温度に応じた水素平衡圧よりも低いときには検出素子４は水素を吸蔵せず、雰囲気の水素分圧が雰囲気温度に応じた水素平衡圧以上になると検出素子４は水素を吸蔵する。前述したように、通常時の雰囲気温度は最大で４０°Ｃであり、基準温度の６０゜Ｃよりも低いので、検出素子４を構成する水素吸蔵合金の通常時の水素平衡圧は基準温度における水素平衡圧よりも低い。したがって、雰囲気の水素濃度が１％以上あるときは検出素子４は常温時に必ず水素を吸蔵しているが、雰囲気の水素濃度が１％未満であるときには、雰囲気の水素濃度と雰囲気温度によって検出素子４は通常時に水素を吸蔵している場合もあれば、水素を吸蔵しない場合もあり得る。
【００１８】
例えば、図３において雰囲気の水素濃度がＡであるときには、雰囲気温度が２０°Ｃでは検出素子４は水素を吸蔵するが、雰囲気温度が４０゜Ｃ、６０゜Ｃでは水素を吸蔵しない。また、図３において雰囲気の水素濃度がＢであるときには、雰囲気温度が２０°Ｃ、４０°Ｃでは検出素子４は水素を吸蔵するが、雰囲気温度が６０°Ｃでは水素を吸蔵しない。また、図３において雰囲気の水素濃度がＣであるときには、雰囲気温度が２０°Ｃ、４０゜Ｃ、６０゜Ｃのいずれのときでも検出素子４は水素を吸蔵する。
【００１９】
そこで、この実施例における水素濃度検出方法では、マイクロヒータ２をＯＦＦにし検出素子４に対する加熱を行わない通常時に検出素子４が水素を吸蔵したと判断されたときに、初めてマイクロヒータ２をＯＮにして検出素子４に対する加熱を開始するようにした。これにより、マイクロヒータ２を常時通電にしないで済ませ、マイクロヒータ２のＯＦＦ中であって検出素子４が水素を吸蔵していないと判断されている間はマイクロヒータ２への通電を停止し続けることができるので、水素濃度検出に必要な消費電力を低減することができる。
【００２０】
そして、加熱開始後に検出素子４が基準温度である６０゜Ｃに達する前に検出素子４が水素を吸蔵しなくなったと判断されたときには、雰囲気の水素濃度は１％に満たないと判断できるので、このときにはマイクロヒータ２をＯＦＦするようにした。これにより、マイクロヒータ２で無駄に電力が消費されるのを防止することができる。
このようにマイクロヒータ２の作動を制御すると、雰囲気の水素濃度が１％以上か否かを検出することができるとともに、マイクロヒータ２への通電時間を大幅に減少させることができ、水素濃度検出に必要なエネルギーを低減することができる。
【００２１】
次に、この実施例における水素濃度検出処理について、図４のフローチャートに従って説明する。図４のフローチャートに示される水素濃度検出制御ルーチンは制御装置１０によって一定時間毎に実行される
まず、ステップＳ１０１において、温度センサ５により検出素子４の温度を検出する。
次に、ステップＳ１０２に進んで、検出素子４が水素吸蔵中か否かを判定する。検出素子４が水素吸蔵中か否かの判定は、歪ゲージ６が検出素子４の歪みを検出したか否かに基づいて行われ、歪ゲージ６が検出素子４の歪みを検出したときには水素吸蔵中であると判定し、歪ゲージ６が検出素子４の歪みを検出しないときには水素吸蔵中ではないと判定する。
【００２２】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」である場合は、検出素子４が水素吸蔵中ではなく、したがって雰囲気の水素濃度が１％未満であると判断されるので、ステップＳ１０１に戻る。
ステップＳ０２における判定結果が「ＹＥＳ」（水素吸蔵中）である場合は、ステップＳ１０３に進んで加熱を許可し、マイクロヒータ２をＯＮして、検出素子４の加熱を開始する。
次に、ステップＳ１０４に進んで、温度センサ５によって検出素子４の温度を検出し、さらにステップＳ１０５に進んで、ステップＳ１０４で検出された検出素子４の温度が基準温度（６０゜Ｃ）以上か否かを判定する。
【００２３】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（６０゜Ｃ未満）である場合は、ステップＳ１０６に進み、検出素子４が水素吸蔵中か否かを判定する。
ステップＳ１０６における判定結果が「ＹＥＳ」（水素吸蔵中）である場合は、この時点ではまだ雰囲気の水素濃度が１％以上か否か判断できないので、ステップＳ１０４に戻り、マイクロヒータ２のＯＮ状態を継続し、検出素子４の加熱を続行する。
ステップＳ１０６における判定結果が「ＮＯ」（水素吸蔵していない）である場合は、雰囲気の水素濃度が１％未満と判断できるので、ステップＳ１０７に進んで、マイクロヒータ２の作動を停止（ＯＦＦ）して、ステップＳ１０１に戻る。
【００２４】
一方、ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（６０゜Ｃ以上）である場合は、検出素子４が水素吸蔵中か否かを判定する。ステップＳ１０８における判定結果が「ＮＯ」（水素吸蔵していない）である場合は、雰囲気の水素濃度が１％未満と判断できるので、ステップＳ１０７に進んで、マイクロヒータ２の作動を停止（ＯＦＦ）して、ステップＳ１０１に戻る。
ステップＳ１０８における判定結果が「ＹＥＳ」（水素吸蔵中）である場合は、雰囲気の水素濃度が１％以上であると判断できるので、ステップＳ１０９に進んで警報を発令し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
なお、この実施例においては、制御装置１０がステップＳ１０２の処理を実行することにより水素吸蔵判定手段が実現され、制御装置１０がステップＳ１０３の処理を実行することにより加熱許可手段が実現され、制御装置１０がステップＳ１０７の処理を実行することにより加熱停止手段が実現される。
【００２５】
なお、水素を吸蔵している水素吸蔵合金は、雰囲気の水素分圧が該水素吸蔵合金の水素平衡圧よりも低下すると吸蔵していた水素を放出し、吸蔵前の体積に戻る。したがって、雰囲気の水素分圧が検出素子４の水素吸蔵合金の水素平衡圧よりも低下すると、歪ゲージ６は歪みを検出しなくなる。
【００２６】
この実施例の水素検出装置および水素濃度検出方法によれば、水素検出装置１が設置された雰囲気の水素濃度が１％以上か否かを確実に検出することができる。しかも、マイクロヒータ２は常時通電ではないので、マイクロヒータ２への通電時間を大幅に減少させることができ、水素検出装置１の消費電力を大幅に低減することができ、極めて経済的である。特に、燃料電池車両などの移動体に設置してバッテリーからの電力供給で水素検出装置１を作動させる場合には、マイクロヒータ２による消費電力が少ないので極めて有利であり、車載するバッテリーの小型化を促進することができる。
【００２７】
また、この水素検出装置１によれば、検出素子４を水素吸蔵合金から構成しているので水素に対する選択性が極めて高く、高精度で水素濃度を検出することができる。これは、検出すべき水素を触媒燃焼させた際に生じる検出素子の抵抗変化に基づいて水素を検出する接触燃焼式水素検出装置と比べて、極めて有利な点である。接触燃焼式水素検出装置の場合には、水素以外の可燃性ガスも触媒反応を起こす場合があり、水素選択性に難がある。
【００２８】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際に変化する物性量を体積とし、この体積変化を検出する手段として歪ゲージを用いているが、体積変化を検出する手段は歪ゲージに限らず、他の適宜手段で構成することが可能である。
また、水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際に変化する物性量を温度あるいは重量とすることも可能であり、この場合、物性量の変化を検出する変化検出手段は温度検出手段あるいは重量検出手段で構成することが可能である。
【００２９】
また、前述した実施例では基準温度を６０°Ｃに設定したが、６０°Ｃに限られるものではなく、水素検出装置が設置される雰囲気等に応じて適宜の温度に設定することが可能である。また、前述した実施例では水素の基準濃度を１％に設定したが、使用目的などに応じて基準濃度を適宜の値に設定することが可能である。
また、図１および図２に示すマイクロヒータ２、基板３、検出素子４、温度センサ５、歪ゲージ６からなるセンサ部の構造も、前記実施例のものに限られるものではなく、種々の構造が採用可能であり、マイクロヒータ２以外のもので加熱手段を構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明に係る水素検出装置の一実施例における断面図である。
【図２】前記実施例の水素検出装置における検出素子の平面図である。
【図３】前記実施例の水素検出装置に使用される水素吸蔵合金のＰ−Ｔ特性を示す図である。
【図４】この発明に係る水素濃度検出方法における水素濃度検出処理の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３１】
１  水素検出装置
２  マイクロヒータ（加熱手段）
３  基板（加熱手段）
４  検出素子
５  温度センサ（温度検出手段）
６  歪ゲージ（変化検出手段）
ステップＳ１０２  水素吸蔵判定手段
ステップＳ１０３  加熱許可手段
ステップＳ１０７  加熱停止手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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