(57)【要約】【課題】設置面積及び消費電力を低減しながら、優れた水素ガス検知精度を有する水素ガスセンサを提供すること。【解決手段】水素検知素子１０と、水素検知素子１０の温度補償を行う温度補償素子２０と、水素検知素子１０及び温度補償素子２０を加熱するヒータ３０とを備える水素ガスセンサ１００であって、ヒータ３０上に、温度補償素子２０及び水素検知素子１０がこの順に積み重ねられている水素ガスセンサ１００。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素検知素子と、
前記水素検知素子の温度補償を行う温度補償素子と、
前記水素検知素子及び前記温度補償素子を加熱するヒータとを備える水素ガスセンサであって、
前記ヒータ上に、前記温度補償素子及び前記水素検知素子がこの順に積み重ねられている水素ガスセンサ。
【請求項２】
前記水素検知素子が、水素検知膜と、前記水素検知膜の前記温度補償素子と反対側に設けられる一対の電極とを有し、
前記温度補償素子が、温度補償層と、前記温度補償層の前記水素検知素子側に設けられる一対の電極とを有する、請求項１に記載の水素ガスセンサ。
【請求項３】
前記水素検知素子と前記温度補償素子との間に絶縁層をさらに備える、請求項２に記載の水素ガスセンサ。
【請求項４】
前記水素検知膜と前記温度補償層とが共通の金属酸化物を含む、請求項２又は３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、水素ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境・エネルギー問題の解決のため、水素社会化の動きが加速している。例えば水素と酸素との化学反応を利用して発電しモータを回して走る燃料電池車などの開発が行われている。一方、水素ガスは、大気中での濃度が４〜７５％の広範囲で爆発領域となるにもかかわらず、無色透明でにおいもなく、漏洩を検知することが困難である。このため、漏洩検知用の水素ガスセンサに対する関心が高まっている。
【０００３】
このような水素ガスセンサとして、例えば下記特許文献１に記載の水素ガスセンサが知られている。下記特許文献１には、水素ガスを吸着してプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とに解離する作用を有する触媒及び当該作用で生じたプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）との反応によって導電率が増加する金属酸化物からなる検知膜と検知膜を加熱するためのヒータとを有し、金属酸化物の導電率の変化から水素を検知する水素ガスセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６２３６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１では、金属酸化物の導電率の変化から水素が検知されるとはいえ、検知膜の温度が上昇した場合には、検知膜の温度変化による導電率の変化分も導電率の変化に反映されてしまう。このため、検知膜の温度補償を行う温度補償素子が設けられることが望ましい。
【０００６】
検知膜の温度補償を行う温度補償素子が設けられる場合、温度補償素子は検知膜と同様の温度条件で加熱される必要がある。そのためには、水素検知素子と温度補償素子とをヒータ上で横並びに配置することが考えられる。しかし、この場合、ヒータにおいて水素検知素子及び温度補償素子を設置する面の面積を増加させる必要があり、ヒータを大型化する必要が生じるため、水素ガスセンサの設置面積が大きくなってしまう。またヒータを大型化する必要が生じるため、ヒータの消費電力が大きくなる。さらに、ヒータを大型化することで、ヒータにおいて場所による温度のばらつきが生じる恐れがある。この場合、水素検知膜においても場所によって温度ばらつきが生じ、電気抵抗のばらつきも生じることになり、その結果、水素ガスの検知精度が低下する恐れがある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、設置面積及び消費電力を低減しながら、優れた水素ガス検知精度を有す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】
本発明者は、上記課題を解決するため、水素ガスセンサにおいて、ヒータの上に温度補償素子と水素検知素子とをこの順に積層させることで上記課題を解決し得ることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明は、水素検知素子と、前記水素検知素子の温度補償を行う温度補償素子と、前記水素検知素子及び前記温度補償素子を加熱するヒータとを備える水素ガスセンサであって、前記ヒータ上に、前記温度補償素子及び前記水素検知素子がこの順に積み重ねられている水素ガスセンサである。
【００１０】
本発明の水素ガスセンサによれば、ヒータ上に温度補償素子と水素検知素子とがこの順に積み重ねられているため、水素検知素子と温度補償素子とをヒータ上で横並びに配置した場合と比べて、ヒータにおいて水素検知素子及び温度補償素子を設置する面の面積を小さくすることが可能となり、ヒータを小型化することができる。このため、水素ガスセンサの設置面積を小さくできる。また水素検知素子と温度補償素子とをヒータ上で横並びに配置した場合と比べて、ヒータを小型化できるため、ヒータの消費電力を低減できる。さらにヒータを小型化できるため、ヒータにおいて場所による温度のばらつきも生じにくくなり、水素検知素子及び温度補償素子を十分に均一に加熱することが可能となる。従って、本発明の水素ガスセンサは、優れた水素ガス検知精度を有することが可能となる。
【００１１】
上記水素ガスセンサにおいては、例えば前記水素検知素子が、水素検知膜と、前記水素検知膜の前記温度補償素子と反対側に設けられる一対の電極とを有し、前記温度補償素子が、温度補償層と、前記温度補償層の前記水素検知素子側に設けられる一対の電極とを有する。
【００１２】
上記水素ガスセンサは、前記水素検知素子と前記温度補償素子との間に絶縁層をさらに備えることが好ましい。
【００１３】
この場合、水素検知素子と温度補償素子とが絶縁層によって電気的に絶縁されているため、水素検知膜上の一対の電極間に電圧を印加するとともに、温度補償層上に設けられた一対の電極間にも電圧を印加する場合、水素検知膜が薄いために水素検知膜の全体が導電性を有することとなった場合にも、水素検知膜が、温度補償層上に設けられた一対の電極同士を短絡させることを防止することが可能となる。
【００１４】
また上記水素ガスセンサにおいては、前記水素検知膜と前記温度補償層とが共通の金属酸化物を含むことが好ましい。
【００１５】
この場合、水素検知膜と温度補償層とが共通の金属酸化物を含むため、水素検知素子と温度補償素子との間で電気抵抗の温度依存性を互いに近づけることが可能となり、水素検知素子に対する温度補償素子による温度補償効果をより高めることができる。このため、本発明の水素ガスセンサは、より優れた水素ガス検知精度を有することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、設置面積及び消費電力を低減しながら、優れた水素ガス検知精度を有する水素ガスセンサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の水素ガスセンサの第１実施形態を示す端面図である。
【図２】本発明の水素ガスセンサの第２実施形態を示す端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の水素ガスセンサの実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
＜第１実施形態＞
まず本発明の水素ガスセンサの第１実施形態について図１を用いて説明する。図１は本発明の水素ガスセンサの第１実施形態を示す端面図である。
【００２０】
図１に示すように、水素ガスセンサ１００は、水素検知素子１０と、この水素検知素子１０の温度補償を行う温度補償素子２０と、水素検知素子１０及び温度補償素子２０を加熱するヒータ３０とを備えている。ここで、この水素検知素子１０及び温度補償素子２０はホイートストンブリッジ回路に組み込まれている。そして、ヒータ３０上には、温度補償素子２０及び水素検知素子１０がこの順に積層されている。
【００２１】
水素検知素子１０は、水素検知膜１１と、水素検知膜１１のうち温度補償素子２０と反対側に設けられる一対の電極１２とを有している。温度補償素子２０は、温度補償層２１と、温度補償層２１のうち水素検知素子１０側に設けられる一対の電極２２とを有している。
【００２２】
なお、水素ガスセンサ１００は、水素検知膜１１に水素ガスが吸着されることで変化する水素検知膜１１の電気抵抗値を一対の電極１２間に電圧を印加することによって測定し、その電気抵抗値の変化によって水素ガスを検知するものである。
【００２３】
水素ガスセンサ１００によれば、ヒータ３０上に温度補償素子２０と水素検知素子１０とがこの順に積み重ねられているため、水素検知素子１０と温度補償素子２０とをヒータ３０上で横並びに配置した場合と比べて、ヒータ３０において水素検知素子１０及び温度補償素子２０を設置する面の面積を小さくすることが可能となり、ヒータ３０を小型化することができる。このため、水素ガスセンサ１００の設置面積を小さくできる。また水素検知素子１０と温度補償素子２０とをヒータ３０上で横並びに配置した場合と比べて、ヒータ３０を小型化できるため、ヒータ３０の消費電力を低減できる。さらにヒータ３０を小型化できるため、ヒータ３０において場所による温度のばらつきも生じにくくなり、水素検知素子１０及び温度補償素子２０を十分に均一に加熱することが可能となる。従って、水素ガスセンサ１００は、優れた水素ガス検知精度を有することが可能となる。
【００２４】
以下、上述した水素検知素子１０、ヒータ３０及び温度補償素子２０の各々について詳細に説明する。
【００２５】
＜水素検知膜＞
水素検知膜１１は、本実施形態では、吸着した水素ガスを最終的にプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とに解離する作用を有する触媒と、触媒による水素ガスの解離作用によって発生した電子によって電気抵抗が増加する金属酸化物とを含んでいる。
【００２６】
（触媒）
触媒は、吸着した水素ガスをプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とに解離する作用を持つものであればよい。このような触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）及びルテニウム（Ｒｕ）が挙げられる。これらは１種類単独で又は２種以上を組み合せて用いてもよい。上記触媒の中でも、白金（Ｐｔ）が特に好ましい。
【００２７】
（金属酸化物）
金属酸化物は、触媒による水素ガスの解離作用によって発生した電子（ｅ−）によって電気抵抗が増加するものであればよい。このような金属酸化物としては、例えば三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化ニッケル（ＮｉＯ２）などが挙げられる。これらは１種類単独で又は２種以上を組み合せて用いてもよい。上記金属酸化物の中でも、中でも三酸化タングステン（ＷＯ３）が好ましい。
【００２８】
（電極）
電極１２は、水素ガス、炭化水素系ガス、一酸化炭素ガスなどの還元性ガスに対して触媒活性を示さない導電材料であれば特に制限されるものではない。このような電極１２を構成する導電材料としては、例えば金、銀、アルミニウム合金などが挙げられる。これらのうち電極１２を構成する導電材料としては、金が特に好ましい。
【００２９】
＜ヒータ＞
ヒータ３０は水素検知膜１１を加熱し得るものであればよい。ヒータ３０としては、例えばセラミックヒータ、裸発熱体などが挙げられるが、中でもセラミックヒータが、好ましい。この場合、発熱体（抵抗体）が外気に触れていないため、発熱体の酸化を抑制でき、発熱体の断線や経時劣化をより十分に抑制できる。
【００３０】
＜温度補償素子＞
温度補償素子２０は、温度補償層２１と、温度補償層２１上に設けられた一対の電極２２とを有する。
【００３１】
（温度補償層）
温度補償層２１は、水素検知膜１１から触媒を取り除いた材料、あるいは水素ガスをプロトンと電子とに解離させる触媒として作用しない不活性金属粒子を金属酸化物に担持させてなる材料で構成される。ここで、不活性金属粒子としては、例えば銅などが挙げられる。また金属酸化物としては、水素検知膜１１で用いた金属酸化物と同様の金属酸化物を用いることができる。温度補償層２１は水素検知膜１１と共通の金属酸化物を含むことが好ましい。この場合、水素検知膜１１と温度補償層２１とが共通の金属酸化物を含むため、水素検知素子１０と温度補償素子２０との間で電気抵抗の温度依存性を互いに近づけることが可能となり、水素検知素子１０に対する温度補償素子２０による温度補償効果をより高めることができる。このため、水素ガスセンサ１００は、より優れた水素ガス検知精度を有することが可能となる。
【００３２】
（電極）
電極２２は、水素ガス、炭化水素系ガス、一酸化炭素ガスなどの還元性ガスに対して触媒活性を示さない導電材料であれば特に制限されるものではない。このような電極２２を構成する導電材料としては、電極１２と同様の導電材料を用いることができる。これらのうち電極２２を構成する導電材料として金が特に好ましいのは電極１２の場合と同様である。
【００３３】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の水素ガスセンサの第２実施形態について図２を用いて説明する。図２は本発明の水素ガスセンサの第２実施形態を示す端面図である。なお、図２において、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３４】
図２に示すように、本実施形態の水素ガスセンサ２００は、水素検知素子１０と温度補償素子２０との間に設けられる絶縁層４０をさらに備える点で第１実施形態の水素ガスセンサ１００と相違する。
【００３５】
この水素ガスセンサ２００によれば、水素検知素子１０と温度補償素子２０とが絶縁層４０によって電気的に絶縁されている。このため、水素検知膜１１上の一対の電極１２間に電圧を印加するとともに、温度補償層２１上に設けられた一対の電極２２間にも電圧を印加する場合、水素検知膜１１が薄いために水素検知膜１１の全体が導電性を有することとなった場合にも、水素検知膜１１が、温度補償層２１上に設けられた一対の電極２２同士を短絡させることを防止することが可能となる。
【００３６】
＜絶縁層＞
絶縁層４０を構成する材料は、絶縁性の材料であればよく、このような材料としては、例えばＳｉＯ２、ＡｌＯ２などの無機絶縁材料、エポキシ樹脂などの絶縁樹脂が挙げられる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００３８】
（実施例１）
まず、厚さ２ｍｍ、直径１０ｍｍのセラミックヒータを用意した。セラミックヒータはアルミナの焼結体中に抵抗配線を埋設したものである。
【００３９】
次に、セラミックヒータの上に、固体化合物半導体（ＷＯ３）のゾルゲル溶液を塗布し、焼成して膜を形成するという工程を厚さが１μｍになるまで繰り返した。その後、得られた積層膜を、乾燥空気中、４００℃で３０分間加熱処理することで直径１０ｍｍの温度補償層を形成した。続いて、温度補償層の上に、蒸着により、金からなる一対の櫛歯電極を形成した。このとき、各対の櫛歯電極において櫛歯の長さを５ｍｍとした。また一対の櫛歯電極の櫛歯同士間の間隔については２５μｍとし、櫛歯対の数については１５対とした。こうしてセラミックヒータの上に温度補償素子を形成した。
【００４０】
次に、温度補償素子の上に、スパッタリング法で、厚さ５０μｍとなるようにＳｉＯ２からなる絶縁層を形成した。
【００４１】
次に、絶縁層の上に、固体化合物半導体（ＷＯ３）を含み且つ触媒金属化合物として塩化白金酸を分子レベルで均一に分散させたゾルゲル溶液を塗布し、焼成して膜を形成するという工程を厚さが１μｍになるまで繰り返した。その後、得られた積層膜を、乾燥空気中、４００℃で３０分間加熱処理することで水素検知膜としての直径１０ｍｍのＰｔ担持ＷＯ３膜を形成した。続いて、水素検知膜の上に、温度補償素子の櫛歯電極と同様にして櫛歯電極を形成した。こうして水素検知素子を作製した。
【００４２】
最後に、水素検知素子と温度補償素子とを用いてホイートストンブリッジ回路を組んだ。
【００４３】
こうして水素ガスセンサを作製した。
【００４４】
（比較例１）
厚さ２ｍｍ、直径１０ｍｍのセラミックヒータに代えて、厚さ２ｍｍ、直径１０ｍｍのセラミックヒータを２枚用意し、温度補償素子の上に絶縁層を形成せず、ヒータの上に温度補償素子と横並びになるように水素検知素子を形成したこと以外は実施例１と同様にして水素ガスセンサを作製した。
【００４５】
実施例１及び比較例１の水素ガスセンサを防爆のためステンレスチャンバーの中で隣り合うように配置し、同じ環境下で水素ガスの検知を行った。このとき、水素検知膜の温度が２０４℃となるようにヒータの温度をＰＩＤ制御した。また水素ガスは、一対の櫛歯電極間の電気抵抗値を、温度補償を行った状態で測定することで検知した。
【００４６】
その結果、実施例１の水素ガスセンサでは、比較例１の水素ガスセンサに比べて、水素検知膜における電気抵抗値のバラツキが比較的少なく、水素ガスの検知精度が高くなることが分かった。
【００４７】
以上のことから、本発明の水素ガスセンサによれば、設置面積及び消費電力を低減しながら、優れた水素ガス検知精度を有することが確認された。
【符号の説明】
【００４８】
１０…水素検知素子
１１…水素検知膜
１２…電極
２０…温度補償素子
２１…温度補償層
２２…電極
３０…ヒータ
４０…絶縁層
１００，２００…水素ガスセンサ
【図１】
2016217750.tif 000003
【図２】
2016217750.tif 000004