(57)【要約】【課題】  水素に対する選択性が高い水素吸蔵合金を利用して、気体中に含まれる水素ガスの濃度を容易に検出する。【解決手段】  互いに水素吸蔵圧の温度変化特性を異にする水素吸蔵合金からなる第１および第２検出素子１１，１２を、水素を吸蔵した際に発生する状態変化（例えば、体積膨張、発熱、重量増大等）あるいは吸蔵した水素を放出する際に発生する状態変化（例えば、体積収縮、吸熱、重量低下等）が互いに異なる状態変化となるように設定した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一温度における水素吸蔵圧が互いに異なる水素吸蔵合金からなる複数の検出素子と、
前記各検出素子が水素を吸蔵した際の状態変化を検出する検出手段と、
総ての前記検出素子をほぼ同一温度に制御する温度制御手段とを備え、
前記各検出素子は、水素を吸蔵した際に互いに異なる状態変化を発生させることを特徴とする水素検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体中の水素濃度を検出する水素検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、水素吸蔵合金を利用して水素を検出する装置として、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し、検出した歪の大きさに基づいて水素吸蔵量を検知する水素検出装置（例えば、特許文献１参照）が知られている。
【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、上記従来技術の一例に係る水素検出装置においては、例えば水素吸蔵合金を利用した機器（例えば、水素吸蔵合金タンク）に併設することにより、該機器に貯蔵された相対的に高濃度の水素量を検出することには適しているが、ガス中の水素濃度を相対的に広範囲の濃度範囲に亘って精度良く検出することは困難であるという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、水素に対する選択性が高い水素吸蔵合金を利用して、気体中に含まれる水素ガスの濃度を容易に精度良く検出することが可能な水素検出装置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】
【０００４】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の水素検出装置は、同一温度における水素吸蔵圧が互いに異なる水素吸蔵合金からなる複数の検出素子（例えば、実施の形態での第１および第２検出素子１１，１２）と、前記各検出素子が水素を吸蔵した際の状態変化を検出する検出手段（例えば、実施の形態での水晶振動子１４）と、総ての前記検出素子をほぼ同一温度に制御する温度制御手段（例えば、実施の形態でのペルチェ素子１６）とを備え、前記各検出素子は、水素を吸蔵した際に互いに異なる状態変化（例えば、実施の形態での重量変化）を発生させることを特徴としている。
【０００５】
上記構成の水素検出装置によれば、検出素子を構成する水素吸蔵合金は、この水素検出装置の雰囲気の水素分圧が温度に応じた所定の水素吸蔵圧よりも低いときには水素の吸蔵が抑制され、雰囲気の水素分圧が温度に応じた所定の水素吸蔵圧に達すると水素吸蔵を開始する。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状態量が変化するので、この変化を検出手段によって検出することにより、検出素子が水素を吸蔵したことを検知することができる。そして、温度制御手段によって、複数の検出素子の温度を総てほぼ同一温度に制御すると、各検出素子を構成する水素吸蔵合金が互いに水素吸蔵圧の温度変化特性を異にすることから、どの検出素子が水素を吸蔵しているかによって、水素検出装置の雰囲気の水素濃度範囲を容易に精度良く検知することができる。
しかも、各検出素子毎に水素を吸蔵した際に発生する状態変化が互いに異なる状態変化となるように設定されていることで、例えば何れかの検出素子に劣化等の異常が生じて水素の吸蔵が困難となった場合には、正常状態においては発生しない状態変化が検出されることになり、劣化等の異常状態の発生の有無に加えて、異常が生じた検出素子がどの検出素子であるかを検知することができる。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１に記載の発明の水素検出装置によれば、各検出素子の劣化等の異常状態の発生有無を容易に検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の水素検出装置の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による水素検出装置１０は、例えば図１に示すように、複数（例えば、２つ）の第１および第２検出素子１１，１２と、一対の電極１３ａ，１３ｂにより両側から挟み込まれた水晶振動子１４と、内部温度センサ１５と、ペルチェ素子１６と、伝熱材１７と、撥水フィルタ１８と、外部温度センサ１９と、制御装置２０とを備えて構成されている。
そして、検査対象ガスが導入される開口部を有する箱型の筐体２１の内部がガス検出室として形成され、この筐体２１の内部に、各検出素子１１，１２と、一対の電極１３ａ，１３ｂを備える水晶振動子１４と、内部温度センサ１５と、ペルチェ素子１６と、伝熱材１７と、撥水フィルタ１８とが収容され、筐体２１の外部に外部温度センサ１９と、制御装置２０とが配置されている。
【０００８】
第１および第２検出素子１１，１２は、互いに水素吸蔵圧の温度変化特性を異にする水素吸蔵合金からなり、所定の作動温度（例えば、１００℃等）での第１検出素子１１の水素吸蔵圧（例えば、０．００５ａｔｍ）は、第２検出素子１２の水素吸蔵圧（例えば、０．０１ａｔｍ）よりも低い値に設定されており、これらの水素吸蔵圧は、大気中における水素分圧と水素濃度との対応関係から、互いに異なる水素濃度に対応するように設定されている。（例えば、水素分圧０．００５ａｔｍ、０．０１ａｔｍはそれぞれ、水素濃度０．５％、１．０％に相当する。）
さらに、第１および第２検出素子１１，１２は、水素を吸蔵した際に発生する状態変化（例えば、体積膨張、発熱、重量増大等）あるいは吸蔵した水素を放出する際に発生する状態変化（例えば、体積収縮、吸熱、重量低下等）が互いに異なる状態変化となるように設定されている。例えば、検査対象ガスの水素分圧が０．００５ａｔｍ以上で且つ０．０１ａｔｍ未満の状態で第１検出素子１１が水素を吸蔵した場合に重量が増分Δｍだけ増大するのに対して、検査対象ガスの水素分圧が０．０１ａｔｍ以上の状態で第２検出素子１２が水素を吸蔵した場合の重量は３倍の増分３Δｍだけ増大するようになっている。
そして、第１および第２検出素子１１，１２は、例えば焼結、圧着、溶射、接着等の耐熱性を有する適宜の接合方法により水晶振動子１４の一方の電極１３ａの表面上に接合されている。
【０００９】
略板状の水晶振動子１４は、この水晶振動子１４を励振させるための一対の電極１３ａ，１３ｂにより厚さ方向の両側から挟み込まれ、一方の電極１３ａの表面上に接合された第１および第２検出素子１１，１２の状態変化に応じた水晶振動子１４の共振周波数の変化が電気信号として一対の電極１３ａ，１３ｂを介して制御装置２０に出力される。
【００１０】
水晶振動子１４の他方の電極１３ｂの表面上には、例えばサーミスタ等の内部温度センサ１５が配置され、さらに、この内部温度センサ１５と、筐体２１の内壁面上に配置された伝熱材１７とによって両側から挟み込まれるようにして、各検出素子１１，１２を略同一温度に保持するための温度保持装置としてのペルチェ素子１６が配置されている。
ペルチェ素子１６は、制御装置２０による通電制御に応じて吸熱または放熱することで、各検出素子１１，１２の温度を所定の作動温度に設定する。そして、内部温度センサ１５により検出された内部温度Ｔ１の検出値は制御装置２０に出力されている。
【００１１】
なお、伝熱材１７が配置された筐体２１の外面上には複数の放熱フィン２２，…，２２が備えられている。
また、筐体２１の開口部には、検査対象ガスを透過可能であって、検査対象ガス中に含まれる水分の透過を規制する撥水フィルタ１８が備えられている。
また、筐体２１外部の外部温度センサ１９により検出された外部温度Ｔ２の検出値は制御装置２０に出力されている。
【００１２】
本実施の形態による水素検出装置１０は上記構成を備えており、次に、この水素検出装置１０の動作について説明する。
各検出素子１１，１２を構成する水素吸蔵合金は、ガス検出室とされる筐体２１内部の雰囲気の水素分圧が温度に応じた各水素吸蔵圧よりも低いときには水素の吸蔵が抑制され、水素分圧が温度に応じた各水素吸蔵圧に達すると水素の吸蔵を開始する。そして、水素吸蔵合金は水素を吸蔵すると重量が増大するので、水晶振動子１４の共振周波数の変化が制御装置２０によって検出される。
ここで、各検出素子１１，１２の温度を所定の作動温度となるように制御すると、各検出素子１１，１２を構成する水素吸蔵合金は互いに水素吸蔵圧の温度変化特性を異にすることから、何れの検出素子１１，１２が水素を吸蔵しているかに応じて、検出される水晶振動子１４の共振周波数の変化が異なり、この共振周波数の変化に基づき、雰囲気の水素濃度がどの濃度範囲にあるかを検知することができる。
【００１３】
例えば図２に示すように、各検出素子１１，１２の温度が所定の作動温度（例えば、１００°Ｃ等）に保持されている状態において、雰囲気の水素分圧が各検出素子１１，１２の水素吸蔵圧（例えば、０．００５ａｔｍ，０．０１ａｔｍ）に満たない場合には、各検出素子１１，１２は水素を吸蔵せず、水素検出装置１０の重量変化はゼロであるから水晶振動子１４の共振周波数の変化はゼロとなって、雰囲気の水素濃度は０．５％未満であると検知される。
【００１４】
そして、雰囲気の水素分圧が第１検出素子１１の水素吸蔵圧（例えば、０．００５ａｔｍ）以上で且つ第２検出素子１２の水素吸蔵圧（例えば、０．０１ａｔｍ）未満の場合には、第１検出素子１１のみが水素を吸蔵し、水素検出装置１０の重量が増分Δｍだけ増大する。この重量増大に応じた水晶振動子１４の共振周波数の変化が検出されることで、雰囲気の水素濃度は０．５％以上１．０％未満であると検知される。
【００１５】
さらに、雰囲気の水素分圧が第２検出素子１２の水素吸蔵圧（例えば、０．０１ａｔｍ）以上の場合には、第１検出素子１１に加えて第２検出素子１２が水素を吸蔵し、水素検出装置１０の重量が、さらに増分３Δｍだけ増大することで、重量変化の積算量は増分４Δｍとなる。この重量増大に応じた水晶振動子１４の共振周波数の変化が検出されることで、雰囲気の水素濃度は１．０％以上であると検知される。
【００１６】
ここで、第１および第２検出素子１１，１２は、水素を吸蔵した際に発生する重量増大の各増分が互いに異なる値（つまり、Δｍと３Δｍ）となるように設定されていることから、水晶振動子１４の共振周波数の変化を検出することによって、各検出素子１１，１２の状態、より具体的には、第１検出素子１２が正常であるか否かを検知することができる。
例えば、第１検出素子１１に劣化等の異常が生じて水素の吸蔵が困難となった場合には、雰囲気の水素分圧が第１検出素子１１の水素吸蔵圧（例えば、０．００５ａｔｍ）以上で且つ第２検出素子１２の水素吸蔵圧（例えば、０．０１ａｔｍ）未満となった場合であっても、各検出素子１１，１２は水素を吸蔵せず、水素検出装置１０の重量変化はゼロであるから水晶振動子１４の共振周波数の変化はゼロとなって、雰囲気の水素濃度は０．５％未満であると検知される。この後、雰囲気の水素分圧が第２検出素子１２の水素吸蔵圧（例えば、０．０１ａｔｍ）以上となって、第２検出素子１２が水素を吸蔵し、水素検出装置１０の重量が増分３Δｍだけ増大すると、例えば図２示す破線のように、重量変化の積算量が、第１検出素子１１の正常状態においてはあり得ない値である増分３Δｍとなる。この重量増大に応じた水晶振動子１４の共振周波数の変化が検出されることで、第１検出素子１１に劣化等の異常が生じていると検知される。
【００１７】
なお、制御装置２０により通電制御が行われるペルチェ素子１６は、各検出素子１１，１２の温度を所定の作動温度に設定することに加えて、内部温度Ｔ１を外部温度Ｔ２よりも高く設定する。
例えば図３に示すステップＳ０１において、制御装置２０は内部温度Ｔ１が外部温度Ｔ２よりも高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０２に進み、ペルチェ素子１６が発熱状態となるように通電を行う、または、吸熱状態のペルチェ素子１６への通電を停止して、内部温度Ｔ１の上昇を促し、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０３に進み、ペルチェ素子１６に対する通電状態を維持して、一連の処理を終了する。
このように、内部温度Ｔ１を外部温度Ｔ２よりも高く設定することによって、外部から筐体２１内部のガス検出室内に流入した検査対象ガス中の水分がガス検出室内で凝結することを防止し、例えば凝結水の生成によって水素検出装置１０の重量増大が生じてしまうことを防止することができる。
【００１８】
上述したように、本実施の形態による水素検出装置１０によれば、水素検出装置１０の雰囲気の水素濃度範囲を容易に精度良く検知することができることに加えて、第１および第２検出素子１１，１２は、水素を吸蔵した際に発生する状態変化（例えば、体積膨張、発熱、重量増大等）あるいは吸蔵した水素を放出する際に発生する状態変化（例えば、体積収縮、吸熱、重量低下等）が互いに異なる状態変化となるように設定されていることから、例えば第１検出素子１１に劣化等の異常が生じて水素の吸蔵が困難となった場合には、正常状態においては発生しない状態変化が検出されることになり、劣化等の異常状態の発生の有無に加えて、異常が生じた検出素子がどの検出素子であるかを検知することができる。
【００１９】
なお、上述した実施の形態においては、２つの第１および第２検出素子１１，１２を備えるとしたが、これに限定されず、２つ以上であればいくつであってもよく、検出素子の数が多いほど、検知可能な濃度範囲を詳細に設定することができる。
また、上述した実施の形態においては、水晶振動子１４により各検出素子１１、１２の重量変化を検出するとしたが、これに限定されず、例えば歪ゲージ等によって体積変化を検出してもよいし、温度センサにより温度変化を検出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素検出装置の構成図である。
【図２】図１に示す水素検出装置の重量変化と水素濃度との関係の一例を示すグラフ図である。
【図３】図１に示す水素検出装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２１】
１０  水素検出装置
１１  第１検出素子
１２  第２検出素子
１４  水晶振動子（検出手段）
１６  ペルチェ素子（温度制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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