(57)【要約】  水素検出装置（１）は、水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサ（１００）と、水素センサ（１００）の抵抗値をセンスするセンサ制御回路（２００）と、動作環境に応じて異なるオフ時間を設けてセンサ制御回路（２００）を間欠的に駆動するマイクロコンピュータ（３００）と、を備える。水素検出装置（１）は、燃料電池自動車に搭載され、マイクロコンピュータ（３００）は、燃料電池自動車が走行しているときのオフ時間をｔ３とし、燃料電池自動車が駐車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ１としてもよい。また、燃料電池自動車が密閉空間で駐車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ１ｂとし、開放空間で駐車しているときのオフ時間をｔ１ｂより長いｔ１ａとしてもよい。また、燃料電池自動車が走行しているときのオフ時間をｔ３とし、燃料電池自動車が停車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ２としてもよい。
2018110441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサと、
前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路と、
動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動するマイクロコンピュータと、
を備える水素検出装置。
【請求項２】
前記水素センサは、
第１電極と、
前記第１電極上に形成され、水素原子に接することにより抵抗値が変化する金属酸化物層と、
前記金属酸化物層上に形成された第２電極と、
前記第１電極、前記金属酸化物層および前記第２電極の側面の少なくとも一部を覆う絶縁膜と、を備え、
前記金属酸化物層において、前記第１電極と前記金属酸化物層との第１界面もしくは前記第２電極と前記金属酸化物層との第２界面のうちの少なくとも一方の一部は、前記絶縁膜に覆われることなく検出空間に露出している、
請求項１に記載の水素検出装置。
【請求項３】
前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも前記金属酸化物層との界面が前記検出空間に露出している一方は、前記水素原子を前記気体分子から解離させる触媒作用を有する材料を含む、
請求項２に記載の水素検出装置。
【請求項４】
前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも前記一方は、白金を含み、
前記金属酸化物層は、タンタル酸化物を含む、
請求項２または３に記載の水素検出装置。
【請求項５】
前記水素検出装置は、燃料電池自動車に搭載され、
前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車の状態に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の水素検出装置。
【請求項６】
前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車が走行しているときのオフ時間をｔ３とし、前記燃料電池自動車が駐車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ１とする、
請求項５に記載の水素検出装置。
【請求項７】
前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車が密閉空間で駐車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ１ｂとし、開放空間で駐車しているときのオフ時間をｔ１ｂより長いｔ１ａとする、
請求項６に記載の水素検出装置。
【請求項８】
前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車が走行しているときのオフ時間をｔ３とし、前記燃料電池自動車が停車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ２とする、
請求項５に記載の水素検出装置。
【請求項９】
前記水素検出装置は、水素ガスを輸送するパイプラインに設置され、
前記マイクロコンピュータは、前記パイプラインの状態に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の水素検出装置。
【請求項１０】
前記マイクロコンピュータは、前記パイプラインにおいて、温度、湿度、振動、圧力のうちの少なくとも１つについて、異常が検出されたときのオフ時間をｔ５とし、異常が検出されないときのオフ時間をｔ５より長いｔ４とする、
請求項９に記載の水素検出装置。
【請求項１１】
客室と、
水素ガスのタンクが配置されたガスタンク室と、
燃料電池が配置された燃料電池室と、
請求項５から８のいずれか１項に記載の水素検出装置と、を備え、
前記水素検出装置の水素センサが、前記ガスタンク室および前記燃料電池室のうちの少なくとも一方に配置されている、
燃料電池自動車。
【請求項１２】
請求項９または１０に記載の水素検出装置と、
前記水素検出装置に接続され、前記水素検出装置による水素検出結果を示す信号を送信する無線モジュールと、
前記信号を取得し、前記無線信号で示される水素検出結果をユーザに提示するユーザ端末と、を備え、
前記水素検出装置の水素センサが、水素輸送管の上方に配置されている、
水素漏洩監視システム。
【請求項１３】
請求項１から４のいずれか１項に記載の水素検出装置と、
温度、湿度、振動、圧力、水没のうちの少なくとも１つを検出する環境センサと、
前記水素検出装置および前記環境センサに動作電力を供給する電源と、を備え、
前記マイクロコンピュータは、前記環境センサの検出結果に応じて前記水素検出装置でのオフ時間を変更する、
複合センサモジュール。
【請求項１４】
水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサを用いた水素検出方法であって、
動作環境に応じて異なるオフ時間を設定し、
前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路を、設定された前記オフ時間を設けて間欠的に駆動する、
水素検出方法。
【請求項１５】
水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサを用いて水素検出を行うためのプログラムであって、
動作環境に応じて異なるオフ時間を設定するステップと、
前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路を、設定された前記オフ時間を設けて間欠的に駆動するステップと、
をマイクロコンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、水素検出装置、燃料電池自動車、水素漏洩監視システム、複合センサモジュール、水素検出方法、およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、センサからの信号が入力される増幅回路と制御回路とを含む回路装置において、制御回路にてセンサおよび増幅回路を間欠動作させる回路装置が開示されている。【０００３】
特許文献２には、ガスセンサ部を、使用温度以上の温度に間欠的に加熱することによって、吸着した雑ガスおよび付着した塵埃などを除去するパージ処理を施すガス漏れ警報器が開示されている。【０００４】
特許文献２に特許文献１の考え方を採り入れて、パージ処理のみならず、ガス検出処理を間欠的に行ってもよい。それにより、ガス漏れ警報器の省電力性がより向上することが期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１６５４２２号公報
【特許文献２】特開平９−２２９５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、水素ガスを検出するための水素検出装置を検討している。水素検出装置では、検出の失敗が大きな事故につながり得るため、安全性を確実に担保すると同時に、車載やインフラ設備での低電力動作を可能にする省電力性が求められる。【０００７】
そこで、本開示は、安全性の担保と省電力性とのトレードオフを最適化できる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】
【０００８】
本開示の一態様に係る水素検出装置は、水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサと、前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路と、動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動するマイクロコンピュータと、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様に係る水素検出装置によれば、動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて間欠的に水素漏れを監視することができる。これにより、例えば、信頼性が重視される環境では省電力性が重視される環境と比べてオフ時間を短くして高頻度に水素漏れを監視するといった動作が可能になるので、安全性の担保と省電力性とのトレードオフを最適化できる水素検出装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施の形態１に係る水素検出装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る水素検出動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図３】図３は、実施の形態１に係るオフ時間テーブルの一例を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る水素検出動作の詳細な一例を示すフローチャートである。
【図５Ａ】図５Ａは、実施の形態２に係る水素センサの構造の一例を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、実施の形態２に係る水素センサの構造の一例を示す平面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、実施の形態２に係る水素センサの要部の拡大断面図である。
【図６】図６は、実施の形態３に係る燃料電池自動車の構成の一例を示す模式図である。
【図７Ａ】図７Ａは、実施の形態３に係るオフ時間テーブルの一例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、実施の形態３に係るオフ時間テーブルの一例を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態４に係る水素漏洩監視システムの構成の一例を示す模式図である。
【図９】図９は、実施の形態４に係る複合センサモジュールの構成の一例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、実施の形態４に係るオフ時間テーブルの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の基礎となった知見）
水素検出装置の省電力化を図る上で、水素検出装置を間欠動作させることは有効である。しかしながら、水素検出装置を単純に間欠動作させるだけでは、必要な信頼性または省電力性が得られない場合がある。
【００１２】
例えば、水素ガスが設備から実際に漏洩する事象の発生確率や、万一水素ガスが漏洩した場合の水素ガスの充満しやすさなど、安全性に影響する要因は、設備の稼働状態や設置環境に応じて大きく異なる。
【００１３】
そのため、水素検出装置を一定の頻度で、つまり一定のオフ時間を設けて、間欠動作させた場合、環境によっては、検出の遅れによって安全を十分に担保できないか、反対に、検出の頻度が過剰になり省電力性が損なわれることが考えられる。
【００１４】
本発明者らは、このような問題を解消すべく、動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて間欠的に水素検出を行う水素検出装置を提案する。
【００１５】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
なお、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。また、以下において記述される数値、材料、組成、形状、成膜方法、構成要素間の接続関係などは、すべて本開示の実施の形態を具体的に説明するための単なる例示であり、本開示はこれらに限定されない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１７】
（実施の形態１）
［水素検出装置の構成］
図１は、実施の形態１に係る水素検出装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。図１に示されるように、水素検出装置１は、水素センサ１００、センサ制御回路２００、およびマイクロコンピュータ３００を備えている。
【００１８】
水素センサ１００は、水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動するセンサである。水素センサ１００は、限定されない一例として、金属酸化物の水素ガスによる還元反応を利用した抵抗変化素子で構成してもよい。そのような抵抗変化素子では、還元反応により金属酸化物が金属化することで生じる抵抗値の低下により、水素ガスを検出することができる。水素センサ１００の具体的な構成例については後述する。
【００１９】
センサ制御回路２００は、水素センサ１００を制御するための電気回路であり、電圧パルス発生回路２１０、スイッチ２２０、抵抗２４０、および増幅器２５０を有している。
【００２０】
電圧パルス発生回路２１０は、制御信号Ｓ０に応じて、パルス状のセンス電圧ＶＳＥＮＳＥを出力する。センス電圧ＶＳＥＮＳＥは、水素センサ１００の抵抗値をセンスするために用いられる電圧であり、一例として、０．８Ｖ〜１．０Ｖ程度の電圧である。
【００２１】
スイッチ２２０は、センス電圧ＶＳＥＮＳＥが水素センサ１００に印加されるように、制御信号Ｓ１に応じて切り替えられる。
【００２２】
抵抗２４０および増幅器２５０は、センス電圧ＶＳＥＮＳＥが水素センサ１００に印加されるときに、水素センサ１００に流れるセンス電流（すなわち、水素センサ１００の抵抗値）を表す検知電圧ＶＤＥＴを出力する。
【００２３】
マイクロコンピュータ３００は、水素検出装置１の動作環境に応じて異なるオフ時間を設けてセンサ制御回路２００を間欠的に駆動する。マイクロコンピュータ３００は、図示していないプロセッサ、メモリ、入出力ポートを有し、メモリにあらかじめ記憶されているプログラムをマイクロコンピュータが実行することにより、センサ制御回路２００を間欠的に駆動してもよい。
【００２４】
ここで、水素検出装置１の動作環境とは、水素検出を行う対象装置または対象設備（以下、監視対象とも言う）の稼働状態を意味してもよい。限定されない一例として、水素検出装置１が燃料電池自動車に搭載され、燃料電池自動車における水素漏れを監視する場合、当該燃料電池自動車の走行、停車、および駐車の各状態が、水素検出装置１の動作環境に対応する。
【００２５】
マイクロコンピュータ３００は、水素検出装置１の動作環境を表す状態信号ＳＴＡＴＵＳに応じたタイミングで制御信号Ｓ０、Ｓ１を発行することによって、センサ制御回路２００を間欠的に駆動する。また、センサ制御回路２００から取得した検知電圧ＶＤＥＴに基づいて、水素ガスが検出されたことを示す検出信号ＤＥＴＥＣＴを出力する。
【００２６】
［水素検出装置の動作］
図２は、マイクロコンピュータ３００の制御下で行われる水素検出動作の一例を示すタイミングチャートである。図２のタイミングチャートは、水素センサ１００に印加される電圧の時間波形の一例を示している。図２に示されるように、間欠的な動作の１サイクルは、長さがオン時間ｔｏｎのセンス期間と長さがオフ時間ｔｏｆｆの休止期間とで構成される。
【００２７】
センス期間において、水素センサ１００にセンス電圧ＶＳＥＮＳＥが印加され、水素センサ１００の抵抗値が測定される。休止期間において、センサ制御回路２００は動作を休止し、水素検出装置１の消費電力は最小限に抑えられる。
【００２８】
オン時間ｔｏｎは、センス電圧ＶＳＥＮＳＥの印加が開始されてから、水素センサ１００が水素ガスを検出するために必要とする時間長であり、一例として、１秒から１分程度の範囲にある時間が設定される。オン時間ｔｏｎは、固定の時間長であってもよい。オフ時間ｔｏｆｆは、安全を担保するために必要な監視頻度が得られる時間長であり、水素検出装置１の動作環境に応じて異なる。
【００２９】
マイクロコンピュータ３００は、複数の動作環境の各々で用いられるオフ時間ｔｏｆｆを、あらかじめ記録していてもよい。
【００３０】
図３は、動作環境ごとのオフ時間を記録したオフ時間テーブルの一例を表す図である。オフ時間テーブル３１０は、マイクロコンピュータ３００のメモリに設けられる。オフ時間テーブル３１０には、エントリごとに、監視対象の状態Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、…と、当該状態においてオフ時間ｔｏｆｆとして用いられる時間ｔ１、ｔ２、ｔ３、…と、を記録している。
【００３１】
水素検出装置１における水素検出動作について、詳細な説明を続ける。
【００３２】
図４は、水素検出動作の詳細な一例を示すフローチャートである。図４では、主として、マイクロコンピュータ３００が主体となる動作を詳細に記載している。
【００３３】
まず、マイクロコンピュータ３００において、オン時間ｔｏｎが設定される（Ｓ１０１）。オン時間ｔｏｎには、水素センサ１００に応じた適宜の固定長が設定されてもよい。
【００３４】
次に、マイクロコンピュータ３００は、状態信号ＳＴＡＴＵＳを取得する（Ｓ１０２）。オフ時間テーブル３１０が参照され、状態信号ＳＴＡＴＵＳによって表される状態に対応するオフ時間ｔｏｆｆが設定される（Ｓ１０３）。
【００３５】
次に、マイクロコンピュータ３００は、オン時間ｔｏｎの間、制御信号Ｓ０、Ｓ１を発行し、センサ制御回路２００は、制御信号Ｓ０、Ｓ１に応じて、水素センサ１００に対しセンス電圧ＶＳＥＮＳＥを印加する（Ｓ１０４、Ｓ１０５）。
【００３６】
マイクロコンピュータ３００は、センス電圧ＶＳＥＮＳＥの印加中に、検知電圧ＶＤＥＴによって表されるセンス電流があらかじめ定めたしきい値を上回った場合（Ｓ１０６でＹＥＳ）、水素ガスが検出されたことを示す検出信号ＤＥＴＥＣＴを出力する（Ｓ１０７）。
【００３７】
オン時間ｔｏｎの経過後、オフ時間ｔｏｆｆが経過するまでの間、マイクロコンピュータ３００は制御信号Ｓ０を停止し、センサ制御回路２００は、制御信号Ｓ０の停止に応じて、水素センサ１００に対するセンス電圧ＶＳＥＮＳＥの印加を停止する（Ｓ１０８、Ｓ１０９）。この間、増幅器２５０への電力供給や、マイクロコンピュータ３００のクロックを停止してもよく、水素検出装置１は、消費電力が最小限に抑えられるとしてもよい。
【００３８】
オフ時間ｔｏｆｆの経過後、後続するサイクルの動作がステップＳ１０２から繰り返される。
【００３９】
以上説明したように、水素検出装置１によれば、動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて間欠的に水素検出を行うことができる。これにより、例えば、水素漏洩による危険性が高い環境では水素漏洩による危険性が低い環境と比べてオフ時間を短くして高頻度に水素検出を行うといった動作が可能になるので、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化できる水素検出装置が得られる。
【００４０】
（実施の形態２）
［水素センサの構成］
実施の形態２では、実施の形態１で説明した水素検出装置１の水素センサ１００として利用可能な気体センサについて説明する。当該気体センサは、本願発明者らによって考案されたものであり、特願２０１７−１６９６１４号（本件出願時において未公開）にて関連特許として出願されている。実施の形態２の説明では、当該関連特許の出願時の明細書の要部を引用する。
【００４１】
実施の形態２に係る気体センサは、金属酸化物層の上下に電極層が積層されてなる構造を基本とする気体センサである。当該気体センサは、少なくとも金属酸化物層の上部の電極層の一部を貫通し、金属酸化物層と上部の電極層との界面を露出させるように形成され、ヒータで加熱することなく水素含有ガスを検出することができる。ここで、水素含有ガスとは、水素原子を有する分子からなる気体の総称であり、一例として、水素、メタン、アルコールなどを含み得る。
【００４２】
図５Ａは、実施の形態２に係る気体センサ１００Ａの一構成例を示す断面図である。図５Ｂは、実施の形態２に係る気体センサ１００Ａの平面図である。図５Ａの断面は、図５ＢのＶＡ−ＶＡの切断線において矢印方向に見た断面に対応する。
【００４３】
気体センサ１００Ａは、基板１０１、基板１０１上に形成された絶縁膜１０２、絶縁膜１０２の上方に形成された第１電極１０３、第２電極１０５、第１電極１０３と第２電極１０５とで挟まれた金属酸化物層１０４、絶縁膜１０６、ビア１０７、および配線導体１０８を備えている。
【００４４】
金属酸化物層１０４は、第１電極１０３と第２電極１０５との間に配置されている。金属酸化物層１０４は、第１電極１０３と第２電極１０５との間に印加される電圧および第２電極１０５が接触する気体中の水素含有ガスの有無に応じて、高抵抗状態と低抵抗状態との間を可逆的に遷移する。
【００４５】
絶縁膜１０６は、第２電極１０５の上面を覆っている部分において、ビア１０７が絶縁膜１０６を貫通して第２電極１０５に接続されている。ビア１０７の上に配線導体１０８が配置されている。
【００４６】
さらに、絶縁膜１０６および少なくとも第２電極１０５の一部を貫通するように開口部１１０が設けられている。図５Ｂに示すように、開口部１１０は、平面視したときに気体センサ１００Ａの中央を含む位置に矩形状に設けられた凹状の窪みである。開口部１１０の周囲には、図５Ａに示すように絶縁膜１０６が配置されている。なお、開口部１１０は、平面視した時に気体センサ１００Ａの中心を含まない位置に設けられてもよいし、矩形状でなくてもよい。第２電極１０５と金属酸化物層１０４とが接する界面１０９が、検査対象である水素含有ガスに接触するよう露出している。界面１０９は、第１界面である。
【００４７】
第２電極１０５を触媒作用のある金属（例えばＰｔ）で構成すると、図５Ｃで示すように、開口部１１０の側面において露出した第２電極１０５の表面で、水素含有ガスの気体分子１１２は水素原子１１３に解離する。また、開口部１１０によって第２電極１０５および金属酸化物層１０４の側面が露出しているため、第２電極１０５の側面で解離した水素原子１１３は、第２電極１０５の表面から金属酸化物層１０４の側面へと拡散しやすくなっており、第２電極１０５の側面での新たな解離反応が起こりやすくなり、より多くの水素原子１１３が発生する。この水素原子１１３は、第２電極１０５あるいは金属酸化物層１０４の表面から内部へと拡散し、金属酸化物層１０４内で還元反応する。
【００４８】
金属酸化物層１０４が酸素不足型の金属酸化物である場合、金属酸化物層１０４は、化学的に不安定であるため水素原子などと反応しやすく、水素原子との反応が促進されることが期待できる。
【００４９】
なお、本開示において、金属酸化物の「酸素不足度」とは、当該金属酸化物と同じ元素から構成される化学量論的組成の酸化物における酸素の量に対する、当該金属酸化物における酸素の不足量の割合をいう。なお、酸素の不足量とは、化学量論的組成の金属酸化物における酸素の量から当該金属酸化物における酸素の量を引いた値である。もし、当該金属酸化物と同じ元素から構成される化学量論的組成の金属酸化物が複数存在しうる場合、当該金属酸化物の酸素不足度は、それらの化学量論的組成の金属酸化物のうち最も高い抵抗値を有する１つに基づいて定義される。化学量論的組成の金属酸化物は、他の組成の金属酸化物と比べて、より安定でありかつより高い抵抗値を有している。
【００５０】
例えば、金属がタンタル（Ｔａ）の場合、上述の定義による化学量論的組成の酸化物はＴａ２Ｏ５であるので、ＴａＯ２．５と表現できる。ＴａＯ２．５の酸素不足度は０％であり、ＴａＯ１．５の酸素不足度は、酸素不足度＝（２．５−１．５）／２．５＝４０％となる。また、酸素過剰の金属酸化物は、酸素不足度が負の値となる。なお、本明細書中では、特に断りのない限り、酸素不足度は正の値、０、負の値も含むものとして説明する。
【００５１】
酸素不足度の小さい金属酸化物は化学量論的組成の金属酸化物により近いため抵抗値が高く、酸素不足度の大きい金属酸化物は金属酸化物の構成要素である金属により近いため抵抗値が低い。また、水素原子への解離反応は、第２電極１０５で生じることから、第２電極１０５と金属酸化物層１０４との界面１０９付近での反応が最も起こりやすいと言える。
【００５２】
ここで、気体センサ１００Ａは、金属酸化物層１０４の内部に、第２電極１０５と接するように酸素欠損領域１１１ａを備えていても良い。酸素欠損領域１１１ａは、例えば、開口部１１０を形成するためのエッチングの際または第２電極１０５を形成する際などに、金属酸化物層１０４が受けるエッチングダメージにより発生する酸素欠損領域である。酸素欠損領域１１１ａは、第２電極１０５と金属酸化物層１０４との界面付近で第２電極１０５と金属酸化物層１０４とが混ざってアモルファス化していても良い。酸素欠損領域１１１ａは、水素含有ガスに接触するよう露出している部分、または、第２電極１０５と金属酸化物層１０４との界面１０９付近に形成されている。
【００５３】
また、気体センサ１００Ａは、金属酸化物層１０４の内部に、局所領域１１１ｂを備えていてもよい。局所領域１１１ｂは、第１電極１０３と第２電極１０５との間に電圧を印加することによって、金属酸化物層１０４の一部を絶縁破壊することにより形成される。絶縁破壊された部分の金属酸化物層１０４は、局所的に酸素が欠損し、電流が流れやすい状態となっている。つまり、局所領域１１１ｂは、絶縁破壊による酸素欠損により構成される微小な導電パス（フィラメント）を含む領域である。局所領域１１１ｂにおける酸素不足度は、局所領域１１１ｂの周囲（すなわち金属酸化物層１０４のバルク領域）の酸素不足度よりも大きい。
【００５４】
局所領域１１１ｂを備える気体センサ１００Ａでは、第１電極１０３と第２電極１０５との間に電圧を印加した際、金属酸化物層１０４内の電流は局所領域１１１ｂに集中的に流れる。この構成によれば、気体センサ１００Ａでは、局所領域１１１ｂにおける発熱によって第２電極１０５が加熱され、水素原子への解離および局所領域１１１ｂでの金属酸化物の還元反応が効率よく行われる。
【００５５】
局所領域１１１ｂを構成するフィラメントは、気体センサ１００Ａの１つの金属酸化物層１０４に１ケ所のみ形成されてもよいし、金属酸化物層１０４に複数点在していてもよい。フィラメントの数は、例えば、ＥＢＡＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ａｂｓｏｒｂｅｄ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）解析によって確認することができる。
【００５６】
このようにして、気体センサ１００Ａは、第２電極１０５が水素含有ガスに接すると第１電極１０３と第２電極１０５との間の抵抗値が変化する特性を有する。当該特性により、検査対象である気体が気体センサ１００Ａに接したとき、第１電極１０３と第２電極１０５との間の抵抗値の低下を検出することによって、気体に含まれる水素含有ガスを検出することができる。
【００５７】
以下では、安定な水素への反応特性を得るための気体センサ１００Ａの構成の詳細について説明する。
【００５８】
金属酸化物層１０４は、遷移金属を始めとする複数の酸化状態をとることができる金属と、錫と、アルミニウムとからなる群から選択される１つの金属を含有する酸化物から構成される。当該金属の酸化物の母体金属は、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、セリウム（Ｃｅ）、銅（Ｃｕ）などの遷移金属と、錫（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）とから少なくとも１つ選択されてもよい。
【００５９】
金属酸化物層１０４は、化学量論的組成の酸化物よりも酸素組成比が少ない酸素不足型の酸化物であってもよい。化学量論的組成の金属酸化物が典型的に絶縁体であるのに対し、酸素不足型の金属酸化物は、酸素欠損を含み半導体的な特性を有する。金属酸化物層１０４中の酸素欠損は酸素還元反応の活性点となりやすい。つまり水素との反応がしやすくなる。したがって、気体センサ１００Ａは、安定な水素への反応特性を実現できる。
【００６０】
第１電極１０３および第２電極１０５の材料としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＴａＮ（窒化タンタル）およびＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミニウム）などから選択される。
【００６１】
具体的に、第２電極１０５は、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、またはパラジウム（Ｐｄ）、若しくは、これらのうちの少なくとも１つを含む合金など、水素原子を有する気体分子から水素原子を解離する触媒作用を有する材料で構成する。
【００６２】
また、第１電極１０３は、例えば、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）など、金属酸化物を構成する金属と比べて標準電極電位が低い材料で構成してもよい。標準電極電位は、その値が高いほど酸化しにくい特性を表す。
【００６３】
あるいは第１電極１０３は、第２電極１０５と同様に、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、またはパラジウム（Ｐｄ）、若しくは、これらのうちの少なくとも１つを含む合金など、水素原子を有する気体分子から水素原子を解離する触媒作用を有する材料で構成してもよい。
【００６４】
また、基板１０１としては、例えば、シリコン単結晶基板または半導体基板を用いることができるが、これらに限定されるわけではない。金属酸化物層１０４は比較的低い基板温度で形成することが可能であるため、例えば、樹脂材料などの上に形成することもできる。
【００６５】
（実施の形態３）
実施の形態３では、水素検出装置の燃料電池自動車への適用について説明する。実施の形態３に係る水素検出装置は、燃料電池自動車に搭載され、燃料電池自動車における水素漏れを監視する。
【００６６】
［燃料電池自動車の構成］
図６は、実施の形態３に係る燃料電池自動車８００の構成の一例を示す模式図である。
【００６７】
燃料電池自動車８００は、客室８１０、荷室８２０、ガスタンク室８３０、燃料タンク８３１、水素検出装置８３２、配管８４０、燃料電池室８５０、燃料電池８５１、水素検出装置８５２、モータ室８６０、モータ８６１、および電子制御ユニット８７０を備える。
【００６８】
燃料タンク８３１は、ガスタンク室８３０内に設けられており、燃料ガスとして、水素ガスを保持している。水素検出装置８３２は、ガスタンク室８３０での燃料ガス漏れを検出する。
【００６９】
燃料電池８５１は、燃料極、空気極および電解質を有する基本単位となるセルが複数個積み重なった燃料電池スタックを備えている。燃料電池８５１は、燃料電池室８５０内に設けられている。燃料タンク８３１内の水素ガスは、配管８４０を通して燃料電池室８５０内の燃料電池８５１へ送り込まれる。この水素ガスと大気中の酸素ガスとを燃料電池８５１内で反応させることにより発電する。水素検出装置８５２は、燃料電池室８５０での水素ガス漏れを検出する。
【００７０】
モータ８６１は、モータ室８６０内に設けられている。燃料電池８５１が発電した電力でモータ８６１が回転することにより、燃料電池自動車８００を走行させる。
【００７１】
電子制御ユニット８７０は、燃料電池８５１での発電の制御、モータ８６１のトルク制御、ドライバによるハンドル、アクセル、ブレーキ、ギアシフトなどの各種操作の検知、燃料電池自動車８００の速度、加速度の検知など、燃料電池自動車８００の総合的な制御を行う。
【００７２】
［燃料電池自動車での水素検出動作］
燃料電池自動車８００における水素検出装置８３２、８５２には、例えば、実施の形態１で説明した水素検出装置１が用いられる。水素検出装置８３２、８５２よる水素検出は、次のように行われる。
【００７３】
電子制御ユニット８７０は、検知したドライバの操作や燃料電池自動車８００の速度などに基づいて、燃料電池自動車８００の駐車、停車、走行の各状態を示す状態信号を、水素検出装置８３２、８５２へ供給する。ここで、燃料電池自動車８００の駐車、停車、走行の各状態は、水素検出装置８３２、８５２の動作環境の一例である。
【００７４】
水素検出装置８３２、８５２は、電子制御ユニット８７０から供給された状態信号によって示される燃料電池自動車８００の状態に応じて異なるオフ時間を設けて、間欠的に水素検出動作を行う。
【００７５】
図７Ａは、水素検出装置８３２、８５２で用いられるオフ時間テーブルの一例を表す図である。
【００７６】
図７Ａの例では、燃料電池自動車８００が走行しているときのオフ時間をｔ３とし、燃料電池自動車８００が駐車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ１としている。また、前記燃料電池自動車が停車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ２としている。
【００７７】
これにより、水素ガスが燃料電池自動車８００内で実際に移送され消費される走行状態では、短いオフ時間ｔ３を用いて水素漏れを高頻度に監視することで、安全をより確実に担保することができる。また、水素ガスの移送および消費が完全に止まっている駐車状態およびほぼ止まっている停車状態では、長いオフ時間ｔ１およびｔ２を用いて水素漏れの監視頻度を下げることで、安全を担保しながら消費電力を低減し、水素検出装置８３２、８５２の省電力性を高めることができる。
【００７８】
図７Ｂは、水素検出装置８３２、８５２で用いられるオフ時間テーブルの他の一例を表す図である。図７Ｂのオフ時間テーブルは、図７Ａのオフ時間テーブルと比べて、燃料電池自動車８００が密閉空間で駐車しているか開放空間で駐車しているかで、オフ時間を区別する点で相違する。
【００７９】
ここで、密閉空間とは、水素ガスが充満しやすい空間を意味し、例えば、住宅のビルトインガレージや、公共施設の屋内駐車場およびタワー式の駐車設備が含まれてもよい。開放空間とは、水素ガスが充満しにくい空間を意味し、例えば、住宅のカーポートや公共施設における屋外駐車場および屋上駐車場が含まれてもよい。駐車場所が密閉空間および開放空間のうちのいずれであるかは、駐車設備側から無線信号によって通知されるとしてもよい。
【００８０】
図７Ｂの例では、燃料電池自動車８００が密閉空間で駐車しているときのオフ時間を走行状態でのオフ時間ｔ３より長いｔ１ｂとし、開放空間で駐車しているときのオフ時間をｔ１ｂより長いｔ１ａとしている。
【００８１】
これにより、駐車状態での水素漏れの監視頻度を、駐車場所において水素漏れが発生した場合の水素の充満のしやすさに応じて設定することにより、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化することができる。
【００８２】
（実施の形態４）
実施の形態４では、水素検出装置の、水素ガスを輸送するパイプライン（以下では短く、水素パイプラインと言う）への適用について説明する。実施の形態４に係る水素検出装置は、水素パイプラインに設置され、水素パイプラインにおける水素漏れを監視する。
【００８３】
［水素漏洩監視システムの構成］
図８は、実施の形態４に係る水素漏洩監視システム９００の構成の一例を示す模式図である。
【００８４】
水素漏洩監視システム９００は、複合センサモジュール９１０、通信モジュール９２０、ゲートウェイ９３０、クラウドシステム９４０、およびユーザ端末９５０を備える。
【００８５】
複合センサモジュール９１０は、例えば、実施の形態１で説明した水素検出装置１とともに、監視対象（ここでは、水素パイプライン）の温度、湿度、振動、圧力、および水没のうち少なくとも１つを検出するセンサを含んでいる。複合センサモジュール９１０（特には、複合センサモジュール９１０に含まれる水素センサ）は、水素ガス９０３を輸送する水素輸送管９０２の上方に配置されている。
【００８６】
通信モジュール９２０は、複合センサモジュール９１０による水素検出結果を示す検出信号を送信する。
【００８７】
ゲートウェイ９３０は、通信モジュール９２０から検出信号を受信し、受信した検出信号をクラウドシステム９４０へ転送する。
【００８８】
クラウドシステム９４０は、サーバ装置をネットワークで接続してなるネットワークコンピュータシステムであり、ネットワークを介してサーバ装置で検出信号を受信し、サーバ装置にて複合センサモジュール９１０による水素検出結果を集計する。
【００８９】
ユーザ端末９５０は、水素漏洩監視システム９００のユーザインターフェースを提供する。具体的には、複合センサモジュール９１０によって水素が検出されたことを示す警報を、音、光、振動などによってオペレータに通知する。
【００９０】
図８の例では、水素輸送管９０２は地面９０１下に埋設され、複合センサモジュール９１０および通信モジュール９２０は地面９０１に設けられたハンドホール９０４内に設置されているが、この例には限られない。例えば、水素輸送管９０２は、水素関連施設の建屋内に引き回されたものであってもよい。複合センサモジュール９１０は、例えば、水素輸送管９０２の継ぎ目（図示せず）ごとに配置されてもよい。
【００９１】
［複合センサモジュールの構成］
次に、複合センサモジュール９１０の構成について説明する。
【００９２】
図９は、複合センサモジュール９１０の構成の一例を示す模式図である。図９に示されるように、複合センサモジュール９１０は、水素センサを含む環境センサ９１１、制御回路９１３、および電源９１４を、鋲型の筐体９１５に格納してなる。複合センサモジュール９１０は、環境センサ９１１の一部として水没センサ９１２をさらに備えていてもよい。
【００９３】
筐体９１５は、防水性および防塵性を有するフィルタ９１６によって第１室９１７と第２室９１８とに分けられている。第１室９１７には、制御回路９１３および電源９１４が配置される。第１室９１７の内部は、筐体９１５の表面に施されたコート材９１９とフィルタ９１６とで、水および埃から保護される。第２室９１８には、環境センサ９１１が配置される。第２室９１８の内部は、少なくとも水素ガスが進入できるように筐体９１５の外部と連通している。複合センサモジュール９１０が水没センサ９１２を備える場合、水没センサ９１２は、第２室９１８の内部で、環境センサ９１１の下方に配置される。
【００９４】
環境センサ９１１は、少なくとも水素センサを含み、さらに、設置環境（ここでは、水素パイプライン）の温度、湿度、振動、圧力、および水没のうち少なくとも１つを検出するセンサを含んでもよい。環境センサ９１１に含まれる水素センサは、実施の形態１で説明した水素検出装置１の水素センサ１００であってもよい。水没センサ９１２は、複合センサモジュール９１０の水没を検出する環境センサ９１１の一例である。
【００９５】
制御回路９１３は、環境センサ９１１（水素センサを含む）を間欠的に駆動する回路であり、実施の形態１で説明した水素検出装置１のセンサ制御回路２００とマイクロコンピュータ３００とを含んでもよい。
【００９６】
電源９１４は、図示しないバッテリーおよび電源回路を含み、複合センサモジュール９１０の全体に動作電力を供給する。
【００９７】
［水素漏洩監視システムでの水素検出動作］
水素漏洩監視システム９００における複合センサモジュール９１０による水素検出は、次のように行われる。
【００９８】
複合センサモジュール９１０における制御回路９１３は、環境センサ９１１を用いて、温度、湿度、振動、および圧力のうち少なくとも１つを測定し、測定値があらかじめ定められた管理範囲内にあれば正常状態、測定値が当該管理範囲を逸脱していれば注意状態と判定する。水没センサ９１２が設けられていて、かつ水没が検出されていれば、正しい水素検出を行うことができない故障状態と判定してもよい。
【００９９】
制御回路９１３は、判定した状態に応じて異なるオフ時間を設けて、間欠的に水素検出動作を行う。
【０１００】
図１０は、複合センサモジュール９１０で用いられるオフ時間テーブルの一例を表す図である。
【０１０１】
図１０の例では、注意状態でのオフ時間をｔ５とし、正常状態でのオフ時間をｔ５より長いｔ４としている。
【０１０２】
これにより、水素パイプラインの温度、湿度、振動、圧力のうち少なくとも１つについて異常値が検出された注意状態では、水素漏洩の危険度が増したと考えて水素漏洩の監視頻度を上げることで、安全をより確実に担保することができる。また、異常値が検出されない正常状態では、水素漏洩の監視頻度を下げることで、安全を担保しながら消費電力を低減し、複合センサモジュール９１０の省電力性を高めることができる。
【０１０３】
また、水没が検出された故障状態では、オフ時間を無限大として、水素検出を停止している。
【０１０４】
これにより、正しい水素検出を継続して行うことができない場合に、残っている電力を、例えば、故障状態の通報に振り向けることにより、信頼性を高めることができる。
【０１０５】
（その他の変形例）
以上、本開示のいくつかの態様に係る水素検出装置、燃料電池自動車、水素漏洩監視システム、複合センサモジュール、水素検出方法、およびプログラムについて、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、各々の実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態が、本開示の範囲内に含まれてもよい。
【０１０６】
（実施形態の概要）
１つの態様に係る水素検出装置は、水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサと、前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路と、動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動するマイクロコンピュータと、を備える。
【０１０７】
このような構成によれば、動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて間欠的に水素検出を行うこと、つまり、動作環境に応じて異なる頻度で水素検出を行うことができる。これにより、例えば、水素漏洩による危険性が高い環境では水素漏洩による危険性が低い環境と比べてオフ時間を短くして高頻度に水素検出を行うといった動作が可能になるので、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化できる水素検出装置が得られる。
【０１０８】
また、前記水素センサは、第１電極と、前記第１電極上に形成され、水素原子に接することにより抵抗値が変化する金属酸化物層と、前記金属酸化物層上に形成された第２電極と、前記第１電極、前記金属酸化物層および前記第２電極の側面の少なくとも一部を覆う絶縁膜と、を備え、前記金属酸化物層において、前記第１電極と前記金属酸化物層との第１界面もしくは前記第２電極と前記金属酸化物層との第２界面のうちの少なくとも一方の一部は、前記絶縁膜に覆われることなく検出空間に露出しているとしてもよい。
【０１０９】
このような構成によれば、金属酸化物層の水素原子による還元反応によって生じる抵抗変化に基づいて水素ガスを検出する水素センサが得られる。金属酸化物層を還元する水素原子は、検出空間内の水素ガスから解離されたものであり、水素原子への解離は第１界面および第２界面において優勢に生じる。そのため、第１界面および第２界面のうちの少なくとも一方の一部が検出空間に露出している上記の構成によれば、水素原子が効率よく解離され、金属酸化物層の還元反応が進むので、水素ガスの検出特性に優れた水素センサが得られる。
【０１１０】
また、前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも前記金属酸化物層との界面が前記検出空間に露出している一方は、前記水素原子を前記気体分子から解離させる触媒作用を有する材料を含んでもよい。
【０１１１】
このような構成によれば、前記触媒作用によって気体分子から水素原子が解離され、解離された水素原子が、前記金属酸化物層内の酸素原子と結合することにより、前記第１の電極と前記第２の電極との間の抵抗値が効率よく低下する。これにより、水素ガスの検出特性に優れた水素センサが得られる。
【０１１２】
また、前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも前記一方は、白金を含み、前記金属酸化物層は、タンタル酸化物を含んでもよい。
【０１１３】
このような構成によれば、白金による触媒作用により水素原子を効率的に解離させることができ、かつ、前記金属酸化物層として抵抗変化特性に優れたタンタル酸化物を用いるので、水素含有ガスの検出特性に優れた水素センサが得られる。
【０１１４】
また、前記水素検出装置は、燃料電池自動車に搭載され、前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車の状態に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動してもよい。
【０１１５】
このような構成によれば、水素検出装置を燃料電池自動車での水素漏れの監視に利用するに際して、燃料電池自動車の状態に応じた水素漏洩の危険性に基づいて、最適な頻度で水素検出を行うことができるので、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化できる水素検出装置が得られる。
【０１１６】
また、前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車が走行しているときのオフ時間をｔ３とし、前記燃料電池自動車が駐車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ１としてもよい。
【０１１７】
また、前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車が密閉空間で駐車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ１ｂとし、開放空間で駐車しているときのオフ時間をｔ１ｂより長いｔ１ａとしてもよい。
【０１１８】
また、前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車が走行しているときのオフ時間をｔ３とし、前記燃料電池自動車が停車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ２としてもよい。
【０１１９】
これらの構成によれば、燃料電池自動車の状態に応じて想定される水素漏洩の具体的な危険性に基づいた頻度で水素検出を行うことができるので、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化することができる。
【０１２０】
また、前記水素検出装置は、水素ガスを輸送するパイプラインに設置され、前記マイクロコンピュータは、前記パイプラインの状態に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動してもよい。
【０１２１】
このような構成によれば、水素検出装置をパイプラインでの水素漏れの監視に利用するに際して、パイプラインの状態に応じた水素漏洩の危険性に基づいて、最適な頻度で水素検出を行うことができるので、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化できる水素検出装置が得られる。
【０１２２】
また、前記マイクロコンピュータは、前記パイプラインにおいて、温度、湿度、振動、圧力のうちの少なくとも１つについて、異常が検出されたときのオフ時間をｔ５とし、異常が検出されないときのオフ時間をｔ５より長いｔ４としてもよい。
【０１２３】
この構成によれば、パイプラインの状態に応じて想定される水素漏洩の具体的な危険性に基づいた頻度で水素検出を行うことができるので、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化することができる。
【０１２４】
また、開示される一態様に係る燃料電池自動車は、客室と、水素ガスのタンクが配置されたガスタンク室と、燃料電池が配置された燃料電池室と、前記水素検出装置と、を備え、前記水素検出装置の水素センサが、前記ガスタンク室および前記燃料電池室のうちの少なくとも一方に配置されている。
【０１２５】
このような構成によれば、燃料電池自動車において水素漏洩を監視するにあたって、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化することができる。
【０１２６】
また、開示される一態様に係る水素漏洩監視システムは、前記水素検出装置と、前記水素検出装置に接続され、前記水素検出装置による水素検出結果を示す信号を送信する無線モジュールと、前記信号を取得し、前記無線信号で示される水素検出結果をユーザに提示するユーザ端末と、を備え、前記水素検出装置の水素センサが、水素輸送管の上方に配置されている。
【０１２７】
このような構成によれば、水素ガスを輸送するパイプラインにおいて水素漏洩を監視するにあたって、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化することができる。
【０１２８】
また、開示される一態様に係る複合センサモジュールは、前記水素検出装置と、温度、湿度、振動、圧力、水没のうちの少なくとも１つを検出する環境センサと、前記水素検出装置および前記環境センサに動作電力を供給する電源と、を備え、前記マイクロコンピュータは、前記環境センサの検出結果に応じて前記水素検出装置でのオフ時間を変更する。
【０１２９】
このような構成によれば、水素漏洩の危険性にかかわる環境要因を自ら検出して、水素漏洩を間欠的に監視するためのオフ時間を決定することができる、利便性に優れた複合モジュールが得られる。
【０１３０】
また、開示される一態様に係る水素検出方法は、水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサを用いた水素検出方法であって、動作環境に応じて異なるオフ時間を設定し、前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路を、設定された前記オフ時間を設けて間欠的に駆動する。
【０１３１】
このような方法によれば、動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて間欠的に水素検出を行うこと、つまり、動作環境に応じて異なる頻度で水素検出を行うことができる。これにより、例えば、水素漏洩による危険性が高い環境では水素漏洩による危険性が低い環境と比べてオフ時間を短くして高頻度に水素検出を行うといった動作が可能になるので、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化できる水素検出方法が得られる。
【０１３２】
また、開示される一態様に係るプログラムは、水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサを用いて水素検出を行うためのプログラムであって、動作環境に応じて異なるオフ時間を設定するステップと、前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路を、設定された前記オフ時間を設けて間欠的に駆動するステップと、をマイクロコンピュータに実行させる。
【０１３３】
このような構成によれば、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化できる水素検出方法を実行するためのコンピュータプログラムが得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本開示に係る水素検出装置は、例えば、水素パイプラインをはじめ、燃料電池自動車、水素ステーション、水素プラントなどの水素関連設備において広く利用できる。
【符号の説明】
【０１３５】
１    水素検出装置
１００Ａ    気体センサ
１００    水素センサ
１０１    基板
１０２    絶縁膜
１０３    電極
１０４    金属酸化物層
１０５    電極
１０６    絶縁膜
１０７    ビア
１０８    配線導体
１０９    界面
１１０    開口部
１１１ａ  酸素欠損領域
１１１ｂ  局所領域
１１２    気体分子
１１３    水素原子
２００    センサ制御回路
２１０    電圧パルス発生回路
２２０    スイッチ
２４０    抵抗
２５０    増幅器
３００    マイクロコンピュータ
３１０    オフ時間テーブル
８００    燃料電池自動車
８１０    客室
８２０    荷室
８３０    ガスタンク室
８３１    燃料タンク
８３２    水素検出装置
８４０    配管
８５０    燃料電池室
８５１    燃料電池
８５２    水素検出装置
８６０    モータ室
８６１    モータ
８７０    電子制御ユニット
９００    水素漏洩監視システム
９０１    地面
９０２    水素輸送管
９０３    水素ガス
９０４    ハンドホール
９１０    複合センサモジュール
９１１    環境センサ
９１２    水没センサ
９１３    制御回路
９１４    電源
９１５    筐体
９１６    フィルタ
９１７    第１室
９１８    第２室
９１９    コート材
９２０    通信モジュール
９３０    ゲートウェイ
９４０    クラウドシステム
９５０    ユーザ端末
【図１】
2018110441.tif 000003
【図２】
2018110441.tif 000004
【図３】
2018110441.tif 000005
【図４】
2018110441.tif 000006
【図５Ａ】
2018110441.tif 000007
【図５Ｂ】
2018110441.tif 000008
【図５Ｃ】
2018110441.tif 000009
【図６】
2018110441.tif 000010
【図７Ａ】
2018110441.tif 000011
【図７Ｂ】
2018110441.tif 000012
【図８】
2018110441.tif 000013
【図９】
2018110441.tif 000014
【図１０】
2018110441.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月24日(2019.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサと、
前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路と、
動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動するマイクロコンピュータと、
を備え、
前記水素センサは、
第１電極と、
前記第１電極上に形成され、水素原子に接することにより抵抗値が変化する金属酸化物層と、
前記金属酸化物層上に形成された第２電極と、
前記第１電極、前記金属酸化物層および前記第２電極の側面の少なくとも一部を覆う絶縁膜と、を備え、
前記金属酸化物層において、前記第１電極と前記金属酸化物層との第１界面もしくは前記第２電極と前記金属酸化物層との第２界面のうちの少なくとも一方の一部は、前記絶縁膜に覆われることなく検出空間に露出している、
水素検出装置。
【請求項２】
前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも前記金属酸化物層との界面が前記検出空間に露出している一方は、前記水素原子を有する気体分子から前記水素原子を解離させる触媒作用を有する材料を含む、
請求項１に記載の水素検出装置。
【請求項３】
前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも前記一方は、白金を含み、
前記金属酸化物層は、タンタル酸化物を含む、
請求項２に記載の水素検出装置。
【請求項４】
前記水素検出装置は、燃料電池自動車に搭載され、
前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車の状態に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の水素検出装置。
【請求項５】
前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車が走行しているときのオフ時間をｔ３とし、前記燃料電池自動車が駐車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ１とする、
請求項４に記載の水素検出装置。
【請求項６】
前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車が密閉空間で駐車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ１ｂとし、開放空間で駐車しているときのオフ時間をｔ１ｂより長いｔ１ａとする、
請求項５に記載の水素検出装置。
【請求項７】
前記マイクロコンピュータは、前記燃料電池自動車が走行しているときのオフ時間をｔ３とし、前記燃料電池自動車が停車しているときのオフ時間をｔ３より長いｔ２とする、
請求項４に記載の水素検出装置。
【請求項８】
前記水素検出装置は、水素ガスを輸送するパイプラインに設置され、
前記マイクロコンピュータは、前記パイプラインの状態に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の水素検出装置。
【請求項９】
前記マイクロコンピュータは、前記パイプラインにおいて、温度、湿度、振動、圧力のうちの少なくとも１つについて、異常が検出されたときのオフ時間をｔ５とし、異常が検出されないときのオフ時間をｔ５より長いｔ４とする、
請求項８に記載の水素検出装置。
【請求項１０】
客室と、
水素ガスのタンクが配置されたガスタンク室と、
燃料電池が配置された燃料電池室と、
請求項４から７のいずれか１項に記載の水素検出装置と、を備え、
前記水素検出装置の水素センサが、前記ガスタンク室および前記燃料電池室のうちの少なくとも一方に配置されている、
燃料電池自動車。
【請求項１１】
請求項８または９に記載の水素検出装置と、
前記水素検出装置に接続され、前記水素検出装置による水素検出結果を示す信号を送信する無線モジュールと、
前記信号を取得し、前記信号で示される水素検出結果をユーザに提示するユーザ端末と、を備え、
前記水素検出装置の水素センサが、水素輸送管の上方に配置されている、
水素漏洩監視システム。
【請求項１２】
請求項１から３のいずれか１項に記載の水素検出装置と、
温度、湿度、振動、圧力、水没のうちの少なくとも１つを検出する環境センサと、
前記水素検出装置および前記環境センサに動作電力を供給する電源と、を備え、
前記マイクロコンピュータは、前記環境センサの検出結果に応じて前記水素検出装置でのオフ時間を変更する、
複合センサモジュール。
【請求項１３】
水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサを用いた水素検出方法であって、
前記水素センサは、
第１電極と、
前記第１電極上に形成され、水素原子に接することにより抵抗値が変化する金属酸化物層と、
前記金属酸化物層上に形成された第２電極と、
前記第１電極、前記金属酸化物層および前記第２電極の側面の少なくとも一部を覆う絶縁膜と、を備え、
前記金属酸化物層において、前記第１電極と前記金属酸化物層との第１界面もしくは前記第２電極と前記金属酸化物層との第２界面のうちの少なくとも一方の一部は、前記絶縁膜に覆われることなく検出空間に露出しており、
前記水素検出方法は、
動作環境に応じて異なるオフ時間を設定し、
前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路を、設定された前記オフ時間を設けて間欠的に駆動する、
水素検出方法。
【請求項１４】
水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサを用いて水素検出を行うためのプログラムであって、
前記水素センサは、
第１電極と、
前記第１電極上に形成され、水素原子に接することにより抵抗値が変化する金属酸化物層と、
前記金属酸化物層上に形成された第２電極と、
前記第１電極、前記金属酸化物層および前記第２電極の側面の少なくとも一部を覆う絶縁膜と、を備え、
前記金属酸化物層において、前記第１電極と前記金属酸化物層との第１界面もしくは前記第２電極と前記金属酸化物層との第２界面のうちの少なくとも一方の一部は、前記絶縁膜に覆われることなく検出空間に露出しており、
前記プログラムは、
動作環境に応じて異なるオフ時間を設定するステップと、
前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路を、設定された前記オフ時間を設けて間欠的に駆動するステップと、
をマイクロコンピュータに実行させるプログラム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１６５４２２号公報
【特許文献２】特開平１１−６６４６４号公報
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本開示の一態様に係る水素検出装置は、水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサと、前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路と、動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動するマイクロコンピュータと、を備え、前記水素センサは、第１電極と、前記第１電極上に形成され、水素原子に接することにより抵抗値が変化する金属酸化物層と、前記金属酸化物層上に形成された第２電極と、前記第１電極、前記金属酸化物層および前記第２電極の側面の少なくとも一部を覆う絶縁膜と、を備え、前記金属酸化物層において、前記第１電極と前記金属酸化物層との第１界面もしくは前記第２電極と前記金属酸化物層との第２界面のうちの少なくとも一方の一部は、前記絶縁膜に覆われることなく検出空間に露出している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０６】
（実施形態の概要）
１つの態様に係る水素検出装置は、水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサと、前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路と、動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて前記センサ制御回路を間欠的に駆動するマイクロコンピュータと、を備え、前記水素センサは、第１電極と、前記第１電極上に形成され、水素原子に接することにより抵抗値が変化する金属酸化物層と、前記金属酸化物層上に形成された第２電極と、前記第１電極、前記金属酸化物層および前記第２電極の側面の少なくとも一部を覆う絶縁膜と、を備え、前記金属酸化物層において、前記第１電極と前記金属酸化物層との第１界面もしくは前記第２電極と前記金属酸化物層との第２界面のうちの少なくとも一方の一部は、前記絶縁膜に覆われることなく検出空間に露出している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０７】
このような構成によれば、金属酸化物層の水素原子による還元反応によって生じる抵抗変化に基づいて水素ガスを検出する水素センサが用いられる。金属酸化物層を還元する水素原子は、検出空間内の水素ガスから解離されたものであり、水素原子への解離は第１界面および第２界面において優勢に生じる。そのため、第１界面および第２界面のうちの少なくとも一方の一部が検出空間に露出している上記の構成によれば、水素原子が効率よく解離され、金属酸化物層の還元反応が進むので、水素ガスの検出特性に優れた水素検出装置が得られる。
また動作環境に応じて異なるオフ時間を設けて間欠的に水素検出を行うこと、つまり、動作環境に応じて異なる頻度で水素検出を行うことができる。これにより、例えば、水素漏洩による危険性が高い環境では水素漏洩による危険性が低い環境と比べてオフ時間を短くして高頻度に水素検出を行うといった動作が可能になるので、安全の担保と省電力性とのトレードオフを最適化できる水素検出装置が得られる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１０】
また、前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも前記金属酸化物層との界面が前記検出空間に露出している一方は、前記水素原子を有する気体分子から前記水素原子を解離させる触媒作用を有する材料を含んでもよい。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２６】
また、開示される一態様に係る水素漏洩監視システムは、前記水素検出装置と、前記水素検出装置に接続され、前記水素検出装置による水素検出結果を示す信号を送信する無線モジュールと、前記信号を取得し、前記信号で示される水素検出結果をユーザに提示するユーザ端末と、を備え、前記水素検出装置の水素センサが、水素輸送管の上方に配置されている。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３０】
また、開示される一態様に係る水素検出方法は、水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサを用いた水素検出方法であって、前記水素センサは、第１電極と、前記第１電極上に形成され、水素原子に接することにより抵抗値が変化する金属酸化物層と、前記金属酸化物層上に形成された第２電極と、前記第１電極、前記金属酸化物層および前記第２電極の側面の少なくとも一部を覆う絶縁膜と、を備え、前記金属酸化物層において、前記第１電極と前記金属酸化物層との第１界面もしくは前記第２電極と前記金属酸化物層との第２界面のうちの少なくとも一方の一部は、前記絶縁膜に覆われることなく検出空間に露出しており、前記水素検出方法は、動作環境に応じて異なるオフ時間を設定し、前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路を、設定された前記オフ時間を設けて間欠的に駆動する。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３２】
また、開示される一態様に係るプログラムは、水素ガスの存在に応じて抵抗値が変動する水素センサを用いて水素検出を行うためのプログラムであって、前記水素センサは、第１電極と、前記第１電極上に形成され、水素原子に接することにより抵抗値が変化する金属酸化物層と、前記金属酸化物層上に形成された第２電極と、前記第１電極、前記金属酸化物層および前記第２電極の側面の少なくとも一部を覆う絶縁膜と、を備え、前記金属酸化物層において、前記第１電極と前記金属酸化物層との第１界面もしくは前記第２電極と前記金属酸化物層との第２界面のうちの少なくとも一方の一部は、前記絶縁膜に覆われることなく検出空間に露出しており、前記プログラムは、動作環境に応じて異なるオフ時間を設定するステップと、前記水素センサの抵抗値をセンスするセンサ制御回路を、設定された前記オフ時間を設けて間欠的に駆動するステップと、をマイクロコンピュータに実行させる。
【国際調査報告】
2018110441.tif 000016
2018110441.tif 000017
2018110441.tif 000018
2018110441.tif 000019