(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる材料からなる第１の電極及び第２の電極と、これらの電極と接触する電解
質とからなるセンサ構造部を備え、水素ガスとの接触によってこれら電極間に発生する起
電力値に基づいて水素ガスを検出する水素ガスセンサであって、
前記センサ構造部は、微小貫通口が複数形成された基材の前記貫通口に近接する位置に
成膜形成され、
前記センサ構造部が表面および裏面を有する前記基材の表面側から成膜形成されている
とともに、前記表面から前記微小貫通孔を介して前記裏面に至らないように、かつ前記微小貫通孔の内面に至るように成膜形成されていることを特徴とする水素ガスセンサ。
【請求項２】
前記基材は、柔軟性を有する平板状の部材であることを特徴とする請求項１に記載の水素ガスセンサ。
【請求項３】
前記基材の裏面には、取付対象物の表面に貼付するための接着剤が塗布されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素ガスセンサ。
【請求項４】
前記基材は、取付対象物の形状に適合する形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水素ガスセンサ。
【請求項５】
前記基材には、該基材を取付対象物に機械的に固定するための構造が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の水素ガスセンサ。
【請求項６】
前記基材には、センサ構造部からの検出信号を無線通信するための送信手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の水素ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中に漏れた水素ガスの検出あるいは水素濃度の検知に適する水素ガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今後の水素エネルギー利用社会において、水素爆発の危険性を払拭し、安全性が高く、利便性に優れた水素エネルギー利用システムの構築が望まれる。その目的のために、大気中に漏れた水素ガスを瞬時に高精度で検出できる信頼性が高い水素ガスセンサの開発が求められている。
【０００３】
このような水素ガスセンサとして、図１０（ａ）に示すように、基材１００上に、互いに水素ガスに対する化学ポテンシャルが異なる材料からなる２つの電極１０１．１０２と、これらに介在させた電解質１０３とを形成した水素ガスセンサが提供されている。これは、電極１０１，１０２相互の水素ガスに対する化学ポテンシャルの差を起電力として検知するので、基準水素ガス圧室などを設ける必要がないため、構成を簡略化、小型化することができた。また、化学ポテンシャルに基づいて水素ガス濃度を検出するようにしているので、水素ガスの検出を瞬時に行うことができる。
【０００４】
ところで、このような水素ガスセンサは、広い空間に漠然と配置するよりも、水素の漏れる可能性が有る箇所に近接した位置に配置することによって、漏れをより早期にかつより正確に検出できるであろうことは、容易に理解できる。そのために、図１０（ｂ）に示すように、水素ガスセンサをテープ状の基材１００の上に構成し、これを水素の漏れる可能性が有る箇所、例えば水素ガス配管の接続フランジや溶接接合部、あるいは水素ガス容器の出口ポートと配管の接続部に直接に貼付することが考えられる。
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００５／０８０９５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のテープ状のガスセンサは、基材であるテープの一面にセンサが構成されていたので、漏れる箇所に貼付しても、貼付面から漏れるガスを直接検出することはできず、周囲から拡散したガスを間接的に検出していた。一方、センサ面側を漏れ箇所に向けて、つまり裏面側にセンサを構成したテープを貼付すると、周囲から拡散したガスを検出できず、また、裏面側で漏れを直接検出しても、漏れガスが滞留し、蓄積してしまうために、継続的に精度良く検出することが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、水素ガスの漏れが予想される箇所に直接センサを配置することにより、漏れを早期にかつ精度良く測定することできる水素ガスセンサ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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の水素ガスセンサは、互いに異なる材料か
らなる第１の電極及び第２の電極と、これらの電極と接触する電解質とからなるセンサ構
造部を備え、水素ガスとの接触によってこれら電極間に発生する起電力値に基づいて水素
ガスを検出する水素ガスセンサであって、前記センサ構造部は、貫通口が複数形成された
基材の前記貫通口に近接する位置に成膜形成され、
前記センサ構造部が表面および裏面を有する前記基材の表面側から成膜形成されている
とともに、前記表面から前記微小貫通孔を介して前記裏面に至らないように、かつ前記微小貫通孔の内面に至るように成膜形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の水素ガスセンサは、請求項１に記載の発明において、前記基材は、柔軟性を有する平板状の部材であることを特徴とする。
請求項２に記載の発明においては、基材が柔軟性を有する平板状の部材であり、湾曲する部材の表面にも容易に取り付けることができる。
【００１０】
請求項３に記載の水素ガスセンサは、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記基材の裏面には、取付対象物の表面に貼付するための接着剤が塗布されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明においては、基材の裏面に塗布された接着剤により、取付対象物の表面に確実に取り付けることができる。
【００１１】
請求項４に記載の水素ガスセンサは、請求項１に記載の発明において、前記基材は、取付対象物の形状に適合する形状に形成されていることを特徴とする。
請求項４に記載の発明においては、基材が取付対象物の形状に適合する形状に形成されているので、取付が容易であり、両者を密着させて固定することで、安定かつ信頼性の高い検出が行われる。
【００１２】
請求項５に記載の水素ガスセンサは、請求項４に記載の発明において、前記基材には、該基材を取付対象物に機械的に固定するための構造が設けられていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明においては、基材を取付対象物に機械的に固定するので、接着剤が不要となり、取り外しが可能なので交換作業が容易になる。
【００１３】
請求項６に記載の水素ガスセンサは、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発明において、前記基材には、センサ構造部からの検出信号を無線通信するための送信手段が設けられていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明においては、センサ構造部からの検出信号を無線通信することで、配線の存在による煩雑さ、あるいは配線作業の手間が不要になり、また複数センサを管理するシステムの構築が容易になる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１ないし請求項６に記載の発明によれば、水素ガスの漏れが予想される箇所に直接センサを配置することにより、漏れを早期にかつ精度良く測定することできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の水素ガスセンサの構成を原理的に示す図であり、図２はその要部を拡大して示す図である。この水素ガスセンサは、規則的またはランダムに形成された複数の貫通口１２を有する薄板状の基材１０と、貫通口１２の周囲に形成されたセンサ構造部１４とを備えている。
【００１６】
基材１０としては、水素ガスセンサを取り付ける場所や対象物に適合する柔軟性のある材質を選択する。一般的には、ポリイミド等の樹脂からなるテープ状あるいはシート状の素材が、取付部の形状に適合するように変形させて貼付するのに便利である。一方、取付対象物の形状に適合するように予め形成されている剛体であってもよく、その場合は、クランプ、ボルト等の機械的固定構造で固定させるように用いることができる。
【００１７】
センサ構造部１４は、水素ガスに対する化学ポテンシャルが互いに異なる検出電極１６と基準電極１８、およびこれらの両方に接する固体電解質２０とからなっている。固体電解質２０としては、センサの使用される温度範囲や、製造の際の成膜性その他の特性を考慮して決めるが、リンタングステン酸やリンモリブデン酸が好適である。
【００１８】
検出電極１６としては、相対的に水素の化学ポテンシャルが高い材料、具体的には白金、白金合金、パラジウム、パラジウム合金などの、相対的に水素ガスに対する吸着活性度の高い材料から構成することができる。一方、基準電極１８としては、相対的に水素の化学ポテンシャルが低い材料、具体的には、タングステン、ニッケル、チタン、チタン合金、銅、鉄、アルミニウム、あるいはこれらの合金、及び有機導電材料などの、相対的に水素ガスに対する吸着活性度合いの低い材料から構成することができる。
【００１９】
この実施の形態では、各層はスパッタリングにより成膜している。まず、基材１０上に検出電極１６が貫通口１２の表面側周辺部から内面に至るように成膜されている。検出電極１６にはリード線１６ａも一体に成膜されている。この検出電極１６を覆うように、固体電解質２０の膜が形成されている。固体電解質２０は、より浅い角度でスパッタリングにより形成されており、貫通口１２の内面において、検出電極１６と固体電解質２０の境界線が形成されるようになっている。基準電極１８は固体電解質２０の表面に形成されている。基準電極１８と検出電極１６のリード線１６ａは図示しない起電力計に接続されている。起電力計への接続は配線により行うが、後述するように基材１０上に組み込む場合は基材上で直接接続することができる。
【００２０】
このような構成された水素ガスセンサは、裏面側を水素ガス漏れが発生し易い部材の表面に取り付けて用いる。そのために、裏面側の一部または全面に接着剤を予め塗布しておき、剥離が容易なカバーで覆っておくようにしてもよい。また、連続する長尺のテープとして販売し、適宜に切断して用いるようにしてもよい。
【００２１】
この実施の形態の水素ガスセンサは、電極と電解質との接触部（センサ構造部１４）に水素ガスが到達したときに発生する起電力を検出することにより水素ガスを検出する。従って、このセンサでは、貫通口１２を通過してセンサ構造部１４に到達した水素ガスと、大気中を拡散して到達した水素ガスの双方を検出することができる。また、裏面側から発生する水素ガスは貫通口１２から排出されるので、発生した水素ガスが滞留することがなく、センサ構造部１４の回復により検出が継続できる。従って、例えば水素ガスの漏洩が検出されて、水素ガスの供給を遮断する措置を執った後に漏洩が停止したかどうかの確認を継続して行うことができる。
【００２２】
基材１０の形状や大きさ、あるいは貫通口１２の径や密度は、その使用箇所や目的に応じて適宜に選択される。この実施の形態では、各貫通口１２に形成された水素ガスセンサは、検出電極１６と基準電極１８を共通にしており、これらのセンサは並列接続されている。すなわち、いずれかのセンサによる検出信号により、漏れの発生が検知される。一方、各センサ構造部１４から個別に信号を取り出す構成にすれば、漏れの箇所を個別に知らせるようにすることができる。
【００２３】
（実施例）
図１及び図２の構成の水素ガスセンサを数種類作成し、水素検出テストを行った。基材１０としては、実施例１は、厚さ３５μｍのポリイミド製テープに０．３５μｍΦの貫通口１２を形成したもの、実施例２および３は、厚さ０．２５ｍｍのテトラフルオロエチレン重合体（商品名：テフロン）製テープに０．７５ｍｍΦおよび１．５０ｍｍΦの貫通口１２をそれぞれ形成したものを用いた。また、センサ構造部１４の成膜方法は、スパッタリングを用いた。
【００２４】
テスト方法は、水素ガスボンベより水素ガスを適当な間隔をおいてセンサに吹き付けた際の、電極間に発生した起電力を測定するものである。図３に各実施例の水素反応特性を例示するように、水素が迅速に検出されていることが分かる。また、センサが水素を検出し、周囲の水素ガス濃度が低下した後に再度検出が可能な状態となるまでに要する回復時間は、実施例１が１．８秒、実施例２が１．５秒、実施例３が１．０秒であり、貫通口１２の径が大きい方が回復が早いことが分かった。いずれのセンサの回復時間も実用上問題は無い。
【００２５】
図４は、この発明の他の実施の形態を示すもので、テープではなく、平面的に広がるシート上に貫通口１２およびセンサを２次元的に配置したものである。このように２次元的にセンサを配置することにより、例えば水素配管の全長に渡って巻き付けて、配管からの漏れを完全にチェックするような使用方法も比較的簡単かつ低コストで可能となる。
【００２６】
図５は、図４と同様にシート上に貫通口１２およびセンサを２次元的に配置し、個々のセンサ構造部１４の電極からの引出線をそれぞれ個別の起電力計に接続するようにしたものである。このように、個別に作動するセンサ構造部１４を２次元的にセンサを配置することにより、取り付けた部材からの水素ガスの漏れをより詳細に検出することができ、応急的措置等の対処が良い容易になる。また、周囲から拡散する水素ガスの検出の場合も、各センサの濃度勾配等から漏れの源の方向等の特定が容易になり、対処がし易くなる。
【００２７】
図６は、上述のようなテープ状またはシート状の水素ガスセンサを用いた水素ガス漏洩管理システムを示している。すなわち、各水素ガスセンサには、制御部３２が設けられており、この制御部３２は、各センサ構造部１４の起電力計と、起電力信号を処理するマイクロコンピュータと、処理した結果を送信する送信機とを備えている。もちろん、これらの機能を一体化したマイクロプロセッサとして形成してもよい。そして、所定位置の中央管理システムには受信機３４を備えたコンピュータ３６が設けられ、複数の水素ガスセンサからの信号を受信して、漏洩をモニターし、管理することができる。
【００２８】
この制御部３２は、取り付けられた水素ガスセンサを特定するための識別情報を備えており、管理システム側が信号源を特定できるようになっている。また、各センサ構造部１４が個別であるタイプの場合は各センサ構造部１４を特定して信号を送信する機能を備えており、漏れの部位を詳細に特定することができる。乗り物のように物体が移動する場合には、位置を特定するＧＰＳ機能を備えるようにしてもよい。管理システム側のコンピュータ３６は、各水素ガスセンサから受信した信号を処理し、予め定めたプロトコルに沿って、警報の発信やバルブの開閉によるガス供給停止等の操作を実行するようになっている。
【００２９】
このような通信機能を備えた管理システムを用いることによって、広い範囲に分散する設備であっても人手を解することなく効率的かつ確実に管理することができ、安全な水素ガス利用システムの構築に寄与することができる。また、制御部３２を組み込んだ水素ガスセンサは、半導体製造技術等を応用することによって安価に大量生産化することが可能であり、低コスト化が可能である。
【００３０】
図７ないし図９は、この発明の他の実施の形態を示すもので、基材１０として予め所定の形状を与えたものを用いるものである。また、以下の実施の形態では、使用目的に応じて、フレキシブルな素材の他に、樹脂、セラミックまたは金属等の剛性の高い物体を用いる。なお、金属を使用する場合には、絶縁処理が必要である。
【００３１】
図７は、リング状の薄板を基材１０ａとしたもので、微小の貫通口１２とセンサ構造部１４が形成されている点は先の実施の形態と同様である。これは、所定径の水素ガス配管等の管状物体に取り付けるもので、配管の場合には配管作業の前に装着して用いる。径が規格化されている場合には、装着の手間が省け、また接着剤も不要なので、便利である。もちろん、軸方向に長尺のものとして配管を全体的に覆うようにしてもよいし、図６のような通信機能を設けても良い。
【００３２】
図８（ａ）は、基材１０ｂを、蝶番３８により開閉可能なカップリング構造としてより装着の便宜を図ったものである。図８（ｂ）は、ねじ構造によるクランプ４０を設けており、図８（ｃ）は、爪４２どうしを弾性結合させるようになっている。もちろん、他の機械的結合や、接着剤、磁石等による結合も適宜に採用可能である。
【００３３】
図９は、図７または図８の実施の形態の水素ガスセンサを、水素ガス容器（ガスボンベ）４４と配管（ガスホース）４６との接続部に取り付けた状態を示している。図７に示すリング状の基材１０ａの場合には、予め配管側に取り付けたものを、配管とボンベを接続した後にずらして移動させるとよい。図８の開閉式基材１０ｂの場合には、内面を平面状だけでなく、取付部に適合する凹凸を付しておくようにしてもよい。
【００３４】
このように基材１０ａ，１０ｂを取付対象の部材に適合した形状として製造することにより、設置作業が容易になり、検出の信頼性の向上にもつなげることができる。取付対象である配管等は規格化により定型化されているので、大量生産によりセンサの製造コストも低下させることができる。また、基材自体が特定の部品として機能を有するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の水素ガスセンサの実施の形態の構成を示す図である。
【図２】図１の水素ガスセンサの要部を拡大して示す図である。
【図３】図１の実施の形態の水素ガスセンサのテスト結果を示す図である。
【図４】この発明の水素ガスセンサのさらに他の実施の形態を示す図である。
【図５】この発明の水素ガスセンサのさらに他の実施の形態を示す図である。
【図６】この発明の水素ガスセンサのさらに他の実施の形態を示す図である。
【図７】この発明の水素ガスセンサのさらに他の実施の形態を示す図である。
【図８】この発明の水素ガスセンサのさらに他の実施の形態を示す図である。
【図９】図８の実施の形態の水素ガスセンサの使用状態を示す図である。
【図１０】従来の水素ガスセンサを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０，１０ａ，１０ｂ  基材
１２  貫通口
１４  センサ構造部
１６  検出電極
１８  基準電極
２０  固体電解質
３２  制御部
３４  受信機
３６  コンピュータ
４０  クランプ
４２  爪
【図１】
0005142323.tif 000002
【図２】
0005142323.tif 000003
【図３】
0005142323.tif 000004
【図４】
0005142323.tif 000005
【図５】
0005142323.tif 000006
【図６】
0005142323.tif 000007
【図７】
0005142323.tif 000008
【図８】
0005142323.tif 000009
【図９】
0005142323.tif 000010
【図１０】
0005142323.tif 000011