(57)【要約】    【課題】  試料ガス中に含まれる水素以外の分子による測定への影響を小さくする。    【解決手段】  試料セル３の下部に触媒金属としてパラジウム合金を用いた検知部８を備える。試料セル３の中央部付近には光触媒層４が形成されており、試料ガス導入部２より試料セル３に導入された試料ガスはこの光触媒層４を経て検知部８に至るようになっている。また、試料セル３の上部には光触媒層４に向けて紫外光を照射するＵＶランプ１４が設けられている。試料ガスが光触媒層４を透過することで、試料ガス中の有機化合物やＣＯ、Ｈ2Ｓは酸化分解され、ＣＯ2やＨ2Ｏ、ＳＯ2などに変換される。    【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を吸着解離する触媒金属の層が基体の表面に形成された検知部を内部に備え、試料ガス中の水素濃度を測定する試料セルと、
試料ガスを前記試料セル内に導入する試料ガス導入部と、
前記試料セルで水素濃度を測定された後の試料ガスを外部に排出する試料ガス排出口と、
前記試料セル内部に設けられ、前記試料セル中に導入された試料ガス中の有機化合物、ＣＯ及びＨ2Ｓを酸化分解する光触媒と、
前記光触媒に紫外光を照射する光源と、を備えたことを特徴とする水素センサ。
【請求項２】
前記検知部はパラジウムもしくは白金又はそれらの合金を触媒金属として有し、その触媒金属の電気伝導率又は抵抗を測定する測定系に接続されている請求項１に記載の水素センサ。
【請求項３】
前記検知部の温度を一定に保つ保温機構を備えている請求項２に記載の水素センサ。
【請求項４】
前記検知部はパラジウムもしくは白金又はそれらの合金を触媒金属として有し、その触媒金属の光学特性を測定する光学系を備えている請求項１に記載の水素センサ。
【請求項５】
前記光触媒は酸化チタンである請求項１〜４のいずれかに記載の水素センサ。
【請求項６】
前記光触媒は多孔質な担体に担持され、試料ガス導入部から導入された試料ガスが前記担体を通過して前記検知部に導かれるように、前記担体が配置されている請求項１〜５のいずれかに記載の水素センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素リークモニタ、プロセス用水素センサ、燃料電池システムの動作状態の監視などに使用する水素センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
試料ガス中の水素濃度を測定する方法の１つに、水素の熱伝導率が他のガスよりも大きいことを利用して、それぞれのガス分子の熱伝導率の差から水素濃度を測定する熱伝導方式がある。この方式では、例えば窒素など共存ガスの濃度が変動すると水素濃度測定値が影響を受けるため、水素選択性が低いという問題がある。また、この方式の測定可能な濃度は１％〜１００％と比較的高濃度範囲に限られる。
【０００３】
低濃度領域を測定する場合には、通常、水素センサとして金属酸化物半導体センサが用いられる。この場合、水素選択性を高めるために酸化非活性のシリカ層が表面にコーティングされている。シリカ層のコーティングは分子篩として機能し、分子径の小さい水素の透過速度を高めることで水素選択性を高めている。
【０００４】
また、小型で高い水素選択性を備え、さらに高速で応答することができる新しい方式の水素センサが提案されている。この方式では、検知部分に金属パラジウムを用いており、金属パラジウムに水素が接すると金属パラジウムの光学特性（例えば、光透過率）が変化することを利用して水素濃度を測定する（特許文献１参照。）。
また、水素濃度を測定する別の方法としては、金属パラジウムが水素を吸収することで電気伝導率が変化することを利用する方法が挙げられる（非特許文献１、非特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平５−１９６５６９号公報
【非特許文献１】Proceedings of the 2002 U.S. DOE Hydrogen Program NREL/CP-610-32405
【非特許文献２】Proceedings of the 2000 U.S. DOE Hydrogen Program NREL/CP-570-28890
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
検知部分にパラジウムもしくは白金又はそれらの合金を用いた水素センサでは、ＣＯ（一酸化炭素）、Ｈ2Ｓ（硫化水素）、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）などにより、スパン値が変化してしまったり、ＣＯ、ＣＨ4、Ｈ2Ｓなどにより応答速度が遅くなってしまったりするなどの問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、水素センサにおいて、試料ガス中に含まれる水素以外の分子による測定への影響を小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、水素を吸着解離する触媒金属の層が基体の表面に形成された検知部を内部に備え、試料ガス中の水素濃度を測定する試料セルと、試料ガスを前記試料セル内に導入する試料ガス導入部と、前記試料セルで水素濃度を測定された後の試料ガスを外部に排出する試料ガス排出口と、前記試料セル内部に設けられ、前記試料セル中に導入された試料ガス中の有機化合物、ＣＯ及びＨ2Ｓを酸化分解する光触媒と、前記光触媒に紫外光を照射する光源と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
検知部としては、例えばパラジウムもしくは白金、又はそれらの合金を触媒金属として有し、その触媒金属の電気伝導率又は抵抗を測定する測定系に接続され、その測定値によって水素濃度を測定するものや、その触媒金属の光学特性を測定する光学系を備えて光透過率などから水素濃度を測定するものである。
検知部として触媒金属の電気伝導率又は抵抗値を測定する場合には、検知部の温度を一定に保つ保温機構を装置に設けるのが好ましい。
【０００９】
光触媒としては酸化チタンを用いることができる。
また、光触媒は多孔質な担体に担持され、試料ガス導入部から導入された試料ガスが担体を通過して検知部に導かれるように担体が配置されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
試料セル内に導かれた試料ガス中の有機化合物、ＣＯ及びＨ2Ｓを酸化分解するように光触媒を設けたので、試料ガス中に含まれるこれら有機化合物、ＣＯ又はＨ2Ｓが水素濃度の測定に干渉するのを防止することができる。
また、光触媒を用いて試料ガス中の有機化合物、ＣＯ及びＨ2Ｓを常温で酸化分解することができるので、従来の選択燃焼方式による有機物処理よりも安全である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［実施例］
以下に一実施例を図１を参照して説明する。
図１は本発明を水素の存在により触媒の電気伝導率が変化する水素センサに適用した一実施例の構成を概略的に示す図である。
この水素センサは、試料セル３の下部に触媒金属としてパラジウムを主成分とするパラジウム−ニッケル（Ｐｄ−Ｎｉ）合金（以下、パラジウム合金という）を用いた検知部８を備えている。この検知部８は、例えばガラス板などの基材７の表面にパラジウム合金層を形成し、さらにその検知部８の表面にはシリカ層など水素ガスを透過させる膜６を形成して強度を増している。検知部８の両端部には電極１０ａ、１０ｂが設けられており、検知部８の抵抗を測定する測定系に接続されている。
【００１２】
検知部８の表面に水素ガスが接すると、水素ガスは検知部８の表面で水素原子に解離して検知部８に浸透する。パラジウム合金は水素原子が浸透するとその特性が変化する。この実施例では、検知部８の両端に電極１０ａ、１０ｂを設けており、検知部８の抵抗値変化を検知することによって試料ガス中の水素濃度を測定している。
検知部８の抵抗値は、検知部８に浸透した水素原子の量と予め関係付けられており、検知部８の抵抗値から試料ガス中に存在していた水素ガス量を推定することができる。
【００１３】
試料セル３の上部には側方から試料セル３内に試料ガスを導入する試料ガス導入部２が設けられ、試料セル３の下部には側方から試料ガスを外部に排出する試料ガス排出口１６が設けられている。
試料セル３の中央部付近には光触媒層４が形成されており、試料ガス導入部２より試料セル３に導入された試料ガスはこの光触媒層４を経て検知部８に至り、試料ガス排出口１６より排出される。また、試料セル３の上部には光触媒層４に向けて紫外光を照射するＵＶランプ１４が設けられている。ＵＶ（紫外線）ランプ１４から光触媒層４に向けて照射されるのは、例えば波長１５０ｎｍ〜４００ｎｍの紫外光である。
光触媒層４は多孔質のセラミックなどの担体に光触媒としてのＴｉＯ2が担持されたものであり、試料ガスはその担体中を透過することができる。
【００１４】
光触媒はその触媒作用として有機化合物やＣＯ、Ｈ2Ｓを酸化分解してＣＯ2、Ｈ2Ｏ、ＳＯ2などに変換する作用を有している。したがって、試料ガス中に例えば、ＣＯやＣＨ4が含まれていた場合であっても、その試料ガスを光触媒層４を透過させることで、含まれていたＣＯやＣＨ4は酸化分解されてＣＯ2とＨ2Ｏに変換される。また、Ｈ2は光触媒では酸化されにくい性質をもっているため、測定するＨ2量が光触媒層４によって減少することはない。
【００１５】
この水素センサでは、検知部８の抵抗値は温度によって変動してしまうため、検知部８の温度を一定に保つ必要がある。そこで、検知部８の下部には試料ガスと直接接触しない状態にしてヒータ１２が設けられている。また、図示されていないが、温度を検出する温度検出素子が設けられており、検知部８の温度は６０℃〜１５０℃程度で一定に維持されている。
【００１６】
以下にこの水素センサの測定動作を説明する。
試料ガス導入部２より試料セル３内に導入された試料ガスは、光触媒層４を透過して検知部８に至る。このとき、光触媒層４で試料ガス中の有機化合物やＣＯ、Ｈ2Ｓは酸化分解されており、水素ガスは酸化されずに残る。光触媒層４を経て検知部８に至った試料ガス中の水素ガスは検知部８の表面の膜６を透過して検知部８と接し、水素ガスは水素原子に解離して検知部８に浸透する。
【００１７】
検知部８の両端に接続されている電極１０ａ、１０ｂにつながる測定系は、検知部８の抵抗値を常時測定しており、この抵抗値の変化量によって検知部８に浸透した水素ガス量を求める。検知部８を経た試料ガスは試料ガス排出口１６より外部に排出される。
検知部としては、触媒金属の抵抗値や電気伝導率を測定する以外に、特許文献１に記載されているような触媒金属の光学特性を測定するようにしたものであってもよい。
【００１８】
以上のように、試料ガス導入部２と検知部８との間に光触媒層４を設けたので、試料ガス中に含まれるＣＯやＣＨ4などの有機物を酸化分解して除去することができるので、それらのガスの影響を受けずに測定を行なうことができる。
検知部８における水素ガスの検知方法は、抵抗値の変化を測定する以外の方法であってもよく、この実施例で示したものは一例にすぎない。
また、水素センサの検地部に用いる触媒金属としては、特許文献１に記載されているように、パラジウムや白金が知られている。実施例ではパラジウム合金を取り上げたが、もちろんパラジウム又は白金であってもよく、白金を主成分とする合金であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を適用した水素センサの一実施例の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
２      試料ガス導入部
３      試料セル
４      光触媒層
６      合金層
８      検知部
１０ａ、１０ｂ      電極
１２      ヒータ
１４      ＵＶランプ
１６      試料ガス排出口
【図１】
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