(57)【要約】【課題】  水素に対する選択性が高い水素吸収材を利用して、気体中に含まれる水素ガスの濃度を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。【解決手段】  水素検出装置１１は、可逆的に水素を吸収し放出する水素吸収材１２と、水素吸収材１２の温度を検出する温度検出手段１５と、電極１３ａ，１３ｂを厚さ方向の両端に配置し水素吸収材１２を一定温度に保持した状態での水素の吸収および放出に応じた状態変化を検出する状態変化検出手段１４と、一方の電極１３ａの表面に配置された水素吸収材１２に直流電流を流す通電手段とを備えたことを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可逆的に水素を吸収し放出する水素吸収材と、
前記水素吸収材の温度を検出する温度検出手段と、
電極を厚さ方向の両端に配置し前記水素吸収材を一定温度に保持した状態で前記水素吸収材の水素の吸収および放出に応じた状態変化を検出する状態変化検出手段と、
前記電極の一方の表面に配置された前記水素吸収材に直流電流を流す通電手段とを備えたことを特徴とする水素検出装置。
【請求項２】
前記状態変化検出手段は、水晶振動子であることを特徴とする請求項１記載の水素検出装置。
【請求項３】
前記水素吸収材は、前記電極の一方の表面の一端から他端に向かって蛇行するように配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の水素検出装置。
【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、水素吸蔵合金（水素吸収材）を利用して水素を検出する水素センサとして、基板の一方の面に水素吸蔵合金を固着し他方の面に水晶振動子を取り付け、水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際の重量増大により生じる水晶振動子の周波数変動を検出し、検出した周波数変動の大きさに基づいて水素吸蔵量を検知する水素ガスセンサ（例えば、特許文献１参照）が知られている。この水素ガスセンサにおいては、水素吸蔵量に応じた重量増大の変化率が大きいほど水素濃度を精度良く検知することができる。
【特許文献１】特開平２−１１０３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、従来の水素ガスセンサにおいては、水素吸蔵合金を水素センサとして利用する場合、水素吸蔵合金を一定温度に保持した状態とする必要がある。このとき、水晶振動子をヒータに組み込むと、振動の対象となる物体の重量が増加することによって水晶振動子で水素吸蔵合金の状態変化量を計測する精度が悪化する。そのため、振動の対象となる物体の重量を増加させないように、ヒータを水晶振動子の下方に離間させて配置し間接的に水晶振動子を加熱している。しかし、水晶振動子をヒータで間接的に加熱することで、水晶振動子の温度管理を精度よく行うことができなくなってしまう。
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収材を利用して、気体中に含まれる水素ガスの濃度を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】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち請求項１に記載の発明に係る水素検出装置（例えば実施形態における水素検出装置１１）は、可逆的に水素を吸収し放出する水素吸収材（例えば実施形態における検出素子１２）と、前記水素吸収材の温度を検出する温度検出手段（例えば実施形態における温度センサ１５）と、電極（例えば実施形態における電極１３ａ，１３ｂ）を厚さ方向の両端に配置し前記水素吸収材を一定温度に保持した状態で前記水素吸収材の水素の吸収および放出に応じた状態変化を検出する状態変化検出手段（例えば実施形態における水晶振動子１４）と、前記電極の一方（例えば実施形態における電極１３ａ）の表面に配置された前記水素吸収材に直流電流を流す通電手段（例えば実施形態における導線２３，２４、外部電源Ｐおよび制御装置２０）とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、このような構成において、直流電流を流すことによって水素吸収材が直接加熱されるため、応答性に優れた温度調整が可能となる。
また、水素吸収材を直接加熱するため、水素吸収材を加熱するためのヒータを新たに設置する必要がない。
さらに、水素吸収材自体がヒータとして機能するため、状態変化検出手段の重量を増加させることがなく、したがって、状態変化検出手段で水素吸収材の状態変化量を計測する精度の悪化を防止することとなる。
【０００５】
請求項２に記載の発明に係る水素検出装置において、前記状態変化検出手段は、水晶振動子であることを特徴とする。
本発明によれば、水素の吸収および放出に応じて水素吸収材に生じる状態変化を水晶振動子に生じる周波数変動として精度良く検出することができる。
【０００６】
請求項３に記載の発明に係る水素検出装置において、前記水素吸収材は、前記電極の一方の表面の一端から他端に向かって蛇行するように配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、水素吸収材を電極の一方の表面の一端から他端に向かって蛇行するように配置することによって、電極の一方の表面に配置された水素吸収材の長さが長くなる。そのため、水素吸収材に直流電流を流したときの水素吸収材のジュール損による発熱量が大きくなり、水素吸収材の加熱効率が向上することとなる。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の発明に係る水素検出装置によれば、応答性に優れた温度調整が可能となるので、水素吸収材の温度管理を容易に行うことができる。また、水素吸収材を加熱するためのヒータを新たに設置する必要がないので、水素検出装置に設けられる構成部品点数を削減することができる。さらに、状態変化検出手段の重量を増加させることがないので、状態変化検出手段で水素吸収材の状態変化量を計測する精度の悪化を防止することができ、気体中に含まれる水素ガスの濃度を精度良く検出することができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明に係る水素検出装置によれば、水素の吸収および放出に応じて水素吸収材に生じる状態変化を精度良く検出することができる。
また、請求項３に記載の発明に係る水素検出装置によれば、水素吸収材に直流電流を流したときの水素吸収材のジュール損による発熱量が大きくなり、水素吸収材の加熱効率が向上することとなるので、状態変化検出手段で水素吸収材の状態変化量を計測する精度の悪化を防止することができ、気体中に含まれる水素ガスの濃度を精度良く検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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１１は、例えば図１に示すように、水素吸収材としての検出素子１２と、一対の電極１３ａ，１３ｂにより両側から挟み込まれた状態変化検出手段としての水晶振動子１４と、温度検出手段としての温度センサ１５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、検出素子１２と、一対の電極１３ａ，１３ｂを備える水晶振動子１４と、温度センサ１５とが収容され、筐体２１の外部に制御装置２０が配置されている。
【００１０】
検出素子１２は、所定の水素吸蔵圧の温度変化特性を有する水素吸蔵合金からなる細幅の平板であり、例えば内部に貫通した微細な空間を有するＡＢ５系水素吸蔵合金である。この検出素子１２は、図２に示すように、細幅の平板が一方の電極１３ａの表面の一端から他端に向かって蛇行するように配置されている。この検出素子１２において、所定の作動温度（例えば、１００℃等）での水素吸蔵圧（例えば、０．００５ａｔｍ）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、所定の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は水素濃度０．５％に相当する）。
【００１１】
さらに、検出素子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）が所定の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所定分圧（例えば、０．００５ａｔｍ）以上の状態で検出素子１２が水素を吸蔵した場合に重量が増分Δｍだけ増大するようになっている。
そして、検出素子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一方の電極１３ａの表面上に接合されている。
【００１２】
温度センサ１５は、検出素子１２の上部に設けられ、制御装置２０を介して通電されている。制御装置２０は、この温度センサ１５の温度変化に応じた抵抗値の変化を検出することによって、検出素子１２の温度を検出する。
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、すなわち、一方の電極１３ａは、検出素子１２と水晶振動子１４との間に配置されている。この水晶振動子１４は、電極１３ａ，１３ｂに交流電流を印加することによって、検出素子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。
【００１３】
検出素子１２の両端にはそれぞれ導線２３，２４が取付けられている。この導線２３，２４は、直流電流を印加できるように外部電源Ｐに接続されている。また、外部電源Ｐは、検出素子１２の温度を制御できるように制御装置２０に接続されている。なお、本発明の通電手段は、これら導線２３，２４、外部電源Ｐおよび制御装置２０を備えて構成されている。
【００１４】
本実施の形態による水素検出装置１１は上記構成を備えており、次に、この水素検出装置１１の動作について説明する。
検出素子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。
つまり、検出素子１２の温度を所定の作動温度となるように制御すると、検出素子１２を構成する水素吸蔵合金が水素を吸蔵しているか否かに応じて、検出される水晶振動子１４の共振周波数が異なり、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。
【００１５】
例えば、検出素子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検出素子１２の水素吸蔵圧（例えば、０．００５ａｔｍ）に満たない場合には、検出素子１２は水素を吸蔵せず、水素検出装置１１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。
【００１６】
そして、雰囲気の水素分圧が検出素子１２の水素吸蔵圧（例えば、０．００５ａｔｍ）以上の場合には、検出素子１２が水素を吸蔵し、水素検出装置１１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％以上であると検知される。
【００１７】
また、検出素子１２をヒータとして利用し、検出素子１２の温度が所定の作動温度（例えば、１００°Ｃ等）に保持された状態を維持するために、制御装置２０を用いて検出素子１２の温度を制御する。すなわち、図３のフローチャートに示すように、検出素子１２の温度を温度センサによって検出して所定の作動温度（例えば、１００°Ｃ等）を下回っているか否かを判断し（ステップＳ１１）、検出素子１２の温度が所定の作動温度（例えば、１００°Ｃ等）を下回った場合（ステップＳ１１において「Ｙｅｓ」）、検出素子１２の温度が所定の作動温度（例えば、１００°Ｃ等）に到達するまで外部電源Ｐを作動させて検出素子１２を加熱させ（ステップＳ１２）、すでに検出素子１２の温度が所定の作動温度（例えば、１００°Ｃ等）に到達している場合には（ステップＳ１１において「Ｎｏ」）、外部電源Ｐの作動を停止させる（ステップＳ１３）。
【００１８】
その後、検出素子１２の温度を所定の作動温度（例えば、１００°Ｃ等）に保持された状態に維持するか否かを判断し（ステップＳ１４）、検出素子１２の温度を維持する場合（ステップＳ１４において「Ｙｅｓ」）、ステップＳ１１に戻り、検出素子１２の温度を温度センサによって検出して所定の作動温度（例えば、１００°Ｃ等）を下回っているか否かを判断する。なお、水素検出装置１１の作動を停止させる等、検出素子１２の温度を所定の作動温度（例えば、１００°Ｃ等）に保持された状態に維持する必要がなくなった場合（ステップＳ１４において「Ｎｏ」）、このフローを終了する。
【００１９】
以上説明したように、本発明に係る水素検出装置１１によれば、検出素子１２を一方の電極１３ａの表面に配置し、外部電源Ｐから直流電流を流すことによって検出素子１２が直接加熱されることにより、検出素子１２の温度が迅速に調整されることとなる。すなわち、応答性に優れた温度調整が可能となるので、検出素子１２の温度管理を容易に行うことができる。
また、検出素子１２を外部電源Ｐから直接加熱するため、検出素子１２を加熱するためのヒータ、例えばペルチェ素子および伝熱体を新たに設置する必要がない。したがって、水素検出装置１１に設けられる構成部品点数を削減することができる。
【００２０】
さらに、検出素子１２自体がヒータとして機能するため、水晶振動子１４にヒータを組み込むことによる水晶振動子１４の重量の増加を回避できる。そのため、水晶振動子１４の重量の増加による検出素子１２の重量変化量を計測する精度の悪化を防止することとなる。したがって、気体中に含まれる水素ガスの濃度を精度良く検出することができる。
また、重量変化を検出するために水晶振動子１４を用いることで、水素の吸収および放出に応じて検出素子１２に生じる重量変化を水晶振動子１４に生じる周波数変動として精度良く検出することができる。
【００２１】
また、検出素子１２を一方の電極１３ａの表面の一端から他端に向かって蛇行するように配置することによって、一方の電極１３ａの表面に配置された検出素子１２の長さが長くなる。そのため、検出素子１２に直流電流を流したときの検出素子１２のジュール損による発熱量が大きくなり、検出素子１２の加熱効率が向上することとなる。したがって、水晶振動子１４で検出素子１２の状態変化量を計測する精度の悪化を防止することができ、気体中に含まれる水素ガスの濃度を精度良く検出することができる。
【００２２】
なお、上述した実施の形態においては、水晶振動子１４により検出素子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。
また、上述した実施の形態において、検出素子１２は、他方の電極１３ｂの表面上に設けられてもよい。
また、上述した実施の形態において、温度センサ１５は、検出素子１２の温度の測定が可能であれば、どの位置に設けられてもよい。さらに、温度センサが検出素子１２に設置されている必要はなく、検出素子１２の温度の測定が可能であれば、検出素子１２から離間した位置に配置されてもよい。
また、上述した実施の形態において、一方の電極１３ａの温度制御方法は、外部電源ＰをＯＮまたはＯＦＦするいわゆるＯＮ−ＯＦＦ制御であるが、チョッパーによる制御、ＰＩＤ制御等、一方の電極１３ａの温度調節に有効な制御であれば、いずれの温度制御方法を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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】本発明の一実施形態に係る水素検出装置の電極に配置された検出素子の平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る水素検出装置の一方の電極の温度を制御するフローチャートである。
【符号の説明】
【００２４】
１１  水素検出装置  １２  検出素子（水素吸収材）  １３ａ，１３ｂ  電極  １４  水晶振動子（状態変化検出手段）  １５  温度センサ（温度検出手段）  ２０  制御装置（通電手段）  ２３，２４  導線（通電手段）  Ｐ  外部電源（通電手段）
【図１】
2005308403.tif 000003
【図２】
2005308403.tif 000004
【図３】
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