JP2005265546A - Hydrogen gas detecting material and hydrogen gas sensor using it - Google Patents

Hydrogen gas detecting material and hydrogen gas sensor using it Download PDF

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Noriyuki Yasuda
徳行 安田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen gas detecting material excellent in hydrogen gas detecting sensitivity and hydrogen gas selectivity and suitably used in a fuel cell vehicle or the like, its manufacturing method and a hydrogen gas sensor using the hydrogen gas detecting material. <P>SOLUTION: The hydrogen gas detecting material contains zinc oxide particles and a chlorine conpound present on the surfaces zinc oxide particles. The hydrogen gas sensor is equipped with the hydrogen gas detecting material as a hydrogen gas detection part. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、空気中の水素ガスを検出するための水素ガス検出材料及びこれを用いた水素ガスセンサに関する。   The present invention relates to a hydrogen gas detection material for detecting hydrogen gas in the air and a hydrogen gas sensor using the same.

近年、水素、メタノール等を燃料として用いた、燃料電池車の研究・開発が活発に行われている。燃料電池車においては、水素ガス燃料の濃度制御や、水素ガスの漏れ検出のために水素ガスセンサが用いられる。そして、燃料電池車用の水素ガスセンサには、検出感度、水素ガス選択性、耐久性、製造コスト等の点で、さらなる改善が求められている。   In recent years, research and development of fuel cell vehicles using hydrogen, methanol or the like as fuel has been actively conducted. In the fuel cell vehicle, a hydrogen gas sensor is used for hydrogen gas fuel concentration control and hydrogen gas leak detection. Further, hydrogen gas sensors for fuel cell vehicles are required to be further improved in terms of detection sensitivity, hydrogen gas selectivity, durability, manufacturing cost, and the like.

すでに実用化されている水素ガスセンサとしては、水素ガス検出材料として白金系触媒を用いたものや、金属酸化物である酸化スズを用いたものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。   As hydrogen gas sensors that have already been put into practical use, those using a platinum-based catalyst as a hydrogen gas detection material and those using tin oxide that is a metal oxide are known (for example, see Patent Document 1). .

これに対し、酸化亜鉛は、水素ガスとの接触前後における電気抵抗率の変化が大きく、高い検出感度が得られる点や、水素ガスとの接触後の、初期状態への回復に要する時間が短い点等、酸化スズなどと比較して有利な性能を有していることが知られていた。
特許第3438978号公報
On the other hand, zinc oxide has a large change in electrical resistivity before and after contact with hydrogen gas, a high detection sensitivity is obtained, and the time required for recovery to the initial state after contact with hydrogen gas is short. It has been known that it has advantageous performance compared to tin oxide and the like.
Japanese Patent No. 3438978

しかしながら、酸化亜鉛は、水素ガスの場合と、一酸化炭素ガス等の他の還元性ガスの場合との間で、ガスとの接触前後における電気抵抗の変化率の差異が少ないために、水素ガスのみを分離して検出するための、いわゆる水素ガス選択性が必ずしも充分でないという問題があった。特に、燃料電池車用等の水素ガスセンサの場合、水素ガスと一酸化炭素ガスとを分離して検出することが求められるが、上記のような問題が長年の間未解決であったために、酸化亜鉛を用いた水素ガスセンサを燃料電池車等に用いることは、実用的には極めて困難であるとされてきた。   However, since zinc oxide has little difference in the rate of change in electrical resistance before and after contact with gas between hydrogen gas and other reducing gases such as carbon monoxide gas, However, there is a problem that the so-called hydrogen gas selectivity for separating and detecting only the gas is not always sufficient. In particular, in the case of a hydrogen gas sensor for a fuel cell vehicle or the like, it is required to detect hydrogen gas and carbon monoxide gas separately. However, since the above problems have not been solved for many years, It has been considered extremely difficult to use a hydrogen gas sensor using zinc for a fuel cell vehicle or the like.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水素ガスの検出感度及び水素ガス選択性に優れ、燃料電池車用等に好適に用いることができる水素ガス検出材料及びこれを用いた水素ガスセンサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has excellent hydrogen gas detection sensitivity and hydrogen gas selectivity, and a hydrogen gas detection material that can be suitably used for fuel cell vehicles and the like, and hydrogen using the same An object is to provide a gas sensor.

上記課題を解決するために、本発明の水素ガス検出材料は、酸化亜鉛粒子と、該酸化亜鉛粒子の表面に存在する塩素化合物と、を含むことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the hydrogen gas detection material of the present invention is characterized by containing zinc oxide particles and a chlorine compound present on the surface of the zinc oxide particles.

このように、酸化亜鉛粒子の表面に新たに塩素化合物を存在させたことにより、酸化亜鉛が有する高い検出感度等の優れた性能をほとんど損なうことなしに、その水素ガス選択性が著しく改善することを、本発明者らは見出した。   In this way, the presence of a chlorine compound on the surface of zinc oxide particles significantly improves the hydrogen gas selectivity without substantially detracting from the excellent performance such as high detection sensitivity of zinc oxide. The present inventors have found.

ここで、塩素化合物は、水との接触により塩素イオンを生成する化合物であることが、水素ガス選択性の点から好ましい。   Here, it is preferable from the point of hydrogen gas selectivity that a chlorine compound is a compound which produces | generates a chlorine ion by contact with water.

また、本発明の水素ガス検出材料においては、塩素化合物が有する塩素原子の量が、酸化亜鉛粒子100重量%に対して0.01〜3.0重量%であることが好ましい。塩素原子の量が0.01重量%未満であると水素ガス選択性が低下する傾向にあり、3.0重量%を超えると水素ガス選択性が低下したり、水素ガス検出材料の機械強度が低下したりする傾向にある。   Moreover, in the hydrogen gas detection material of this invention, it is preferable that the quantity of the chlorine atom which a chlorine compound has is 0.01 to 3.0 weight% with respect to 100 weight% of zinc oxide particles. If the amount of chlorine atom is less than 0.01% by weight, the hydrogen gas selectivity tends to decrease, and if it exceeds 3.0% by weight, the hydrogen gas selectivity decreases or the mechanical strength of the hydrogen gas detection material is low. It tends to decrease.

本発明の水素ガス検出材料はさらに、BET比表面積(BET法により測定される比表面積の値)が、0.1〜100m/gであることが好ましい。BET比表面積が0.1m/g未満であると水素ガスに対する検出感度が充分でなくなる場合があり、100m/gを超えると、材料としての機械強度が充分でなくなる場合がある。 The hydrogen gas detection material of the present invention preferably further has a BET specific surface area (value of specific surface area measured by the BET method) of 0.1 to 100 m 2 / g. If the BET specific surface area is less than 0.1 m 2 / g, the detection sensitivity to hydrogen gas may not be sufficient, and if it exceeds 100 m 2 / g, the mechanical strength as a material may not be sufficient.

また、本発明の水素ガス検出材料においては、酸化亜鉛粒子が、互いに連結して多孔質体を形成していることが好ましい。このような多孔質体においては、多数の酸化亜鉛粒子が互いに付着することにより連結された凝集体を形成して、全体として一体化されているため、全体としての形状を保ちながら、接触面積を効率的に増大し、検出感度をさらに高めることができる。   Moreover, in the hydrogen gas detection material of this invention, it is preferable that the zinc oxide particle is mutually connected and forms the porous body. In such a porous body, since a large number of zinc oxide particles adhere to each other to form a connected aggregate and are integrated as a whole, the contact area is reduced while maintaining the overall shape. The detection sensitivity can be increased efficiently, and the detection sensitivity can be further increased.

以上のような水素ガス検出材料は、塩化亜鉛水溶液をアンモニア水に接触させて沈殿物を生成させる沈殿工程と、該沈殿物を加熱する加熱工程とを備える製造方法や、酸化亜鉛粒子に塩化アンモニウム水溶液を付着させて付着体を得る付着工程と、該付着体から水を除去する除去工程とを備える製造方法により、効率的に得ることができる。   The hydrogen gas detection material as described above includes a precipitation method in which an aqueous zinc chloride solution is brought into contact with aqueous ammonia to form a precipitate, and a heating step in which the precipitate is heated. It can obtain efficiently by the manufacturing method provided with the adhesion process which attaches aqueous solution, and obtains an adhering body, and the removal process which removes water from this adhering body.

本発明の水素ガスセンサは、上記本発明の水素ガス検出材料からなる水素ガス検出部と、該水素ガス検出部を加熱する加熱部と、を備える。この加熱部によって、水素ガス検出部を高温に維持することができ、水素ガス検出感度や、水素ガス検出動作の安定性に優れる水素ガスセンサが得られる。   The hydrogen gas sensor of the present invention includes a hydrogen gas detection unit made of the hydrogen gas detection material of the present invention and a heating unit for heating the hydrogen gas detection unit. By this heating unit, the hydrogen gas detection unit can be maintained at a high temperature, and a hydrogen gas sensor excellent in hydrogen gas detection sensitivity and stability of the hydrogen gas detection operation can be obtained.

本発明によれば、水素ガスの検出感度及び水素ガス選択性に優れ、燃料電池車用等に好適に用いることができる水素ガス検出材料及びこれを用いた水素ガスセンサが得られる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hydrogen gas detection material which is excellent in the detection sensitivity and hydrogen gas selectivity of hydrogen gas, and can be used suitably for fuel cell vehicles etc., and a hydrogen gas sensor using the same are obtained.

以下、場合により図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as the case may be. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

(水素ガス検出材料)
本発明の水素ガス検出材料は、酸化亜鉛粒子と、該酸化亜鉛粒子の表面に存在する塩素化合物と、を含むことを特徴とする。
(Hydrogen gas detection material)
The hydrogen gas detection material of the present invention is characterized by containing zinc oxide particles and a chlorine compound present on the surface of the zinc oxide particles.

なお、本発明の水素ガス検出材料には、他の成分として、酸化亜鉛とは異なる他の金属酸化物等をさらに含んでいてもよい。水素ガス検出材料が他の金属酸化物を含む場合、酸化亜鉛と他の金属酸化物とが共存した粒子を形成していることが好ましい。また、他の金属酸化物が含まれる量は、酸化亜鉛及び他の金属酸化物の全体量100モル%に対して、0.1〜5モル%であることが好ましい。   The hydrogen gas detection material of the present invention may further contain other metal oxides and the like different from zinc oxide as other components. When the hydrogen gas detection material contains another metal oxide, it is preferable to form particles in which zinc oxide and another metal oxide coexist. Moreover, it is preferable that the quantity in which another metal oxide is contained is 0.1-5 mol% with respect to 100 mol% of the whole quantity of zinc oxide and another metal oxide.

塩素化合物は、酸化亜鉛粒子の少なくとも表面に存在する。酸化亜鉛粒子の表面に存在することにより、水素ガス選択性改善の効果が顕著に発現する。これは、金属酸化物を用いた水素ガス検出材料においては、水素ガスと接触したときに、主としてその表面近傍の領域において電気抵抗が変化するためと考えられる。なお、本発明の水素ガス検出材料は、酸化亜鉛粒子の内部に存在する塩素化合物をさらに有していてもよい。   The chlorine compound is present on at least the surface of the zinc oxide particles. By being present on the surface of the zinc oxide particles, the effect of improving the hydrogen gas selectivity is remarkably exhibited. This is presumably because, in a hydrogen gas detection material using a metal oxide, the electrical resistance changes mainly in the region near the surface when it comes into contact with hydrogen gas. In addition, the hydrogen gas detection material of this invention may have further the chlorine compound which exists in the inside of a zinc oxide particle.

塩素化合物は、塩素原子を有する化合物であればよいが、水との接触により塩素イオンを生成する化合物であることが、水素ガス選択性の点から好ましい。水との接触により塩素イオンを生成するような塩素化合物においては、塩素原子は、他の原子とのイオン結合等により、負の電荷を帯びた、イオンまたはイオン的な状態で存在していると考えられ、このことが何らかの作用で水素ガス選択性の改善に寄与していると推察される。   Although the chlorine compound should just be a compound which has a chlorine atom, it is preferable from the point of hydrogen gas selectivity that it is a compound which produces | generates a chlorine ion by contact with water. In a chlorine compound that generates chlorine ions by contact with water, the chlorine atom is present in an ionic or ionic state with a negative charge due to ionic bonds with other atoms, etc. It is thought that this contributes to the improvement of hydrogen gas selectivity by some action.

塩素化合物が水との接触により塩素イオンを生成することは、例えば、水素ガス検出材料を水に浸漬させたときに、水に溶出してくる塩素イオンの存在を検出することにより、確認できる。   The generation of chlorine ions by contact of the chlorine compound with water can be confirmed, for example, by detecting the presence of chlorine ions eluted in water when the hydrogen gas detection material is immersed in water.

塩素化合物が有する塩素原子の量は、酸化亜鉛粒子100重量%に対して好ましくは0.01〜3.0重量%であり、より好ましくは0.1〜1.0重量%である。塩素原子をこのような範囲の量とすることは、例えば、水素ガス検出材料を製造する際の、原料として用いる塩素含有化合物の仕込み量や、後述する製造方法における加熱温度等を適正化すること等により、達成可能である。また、水素ガス検出材料に含まれる塩素原子の量は、例えば、蛍光X線分析等により定量することができる。   The amount of chlorine atoms contained in the chlorine compound is preferably 0.01 to 3.0% by weight and more preferably 0.1 to 1.0% by weight with respect to 100% by weight of the zinc oxide particles. Making the amount of chlorine atoms in such a range means, for example, optimizing the amount of chlorine-containing compound used as a raw material when manufacturing a hydrogen gas detection material, the heating temperature in the production method described later, etc. This can be achieved. The amount of chlorine atoms contained in the hydrogen gas detection material can be quantified by, for example, fluorescent X-ray analysis.

水素ガス検出材料は、検出感度をさらに高めるために、BET比表面積が0.1〜100m/gであることが好ましい。水素ガス検出材料を、微細な孔が形成された多孔質体からなるものとすることで、効率的に表面積を増大させることができ、このような範囲のBET比表面積を有するものを得ることが容易になる。 The hydrogen gas detection material preferably has a BET specific surface area of 0.1 to 100 m 2 / g in order to further increase detection sensitivity. By making the hydrogen gas detection material a porous body in which fine pores are formed, the surface area can be increased efficiently, and a material having a BET specific surface area in such a range can be obtained. It becomes easy.

この多孔質体は、凝集している酸化亜鉛粒子を加熱すること等により、酸化亜鉛粒子が互いに連結して形成された集合体として、好適に得ることができる。   This porous body can be suitably obtained as an aggregate formed by connecting zinc oxide particles to each other, for example, by heating the aggregated zinc oxide particles.

また、本発明の水素ガス検出材料は、上記成分に加えて、Zr、In、Nb、La、Re、Yb、Ho、Er、Hf、Dy、Ga及びAlからなる群より選ばれる少なくとも一種の添加元素の酸化物や、白金族元素系化合物等の他の成分をさらに含んでもよい。   In addition to the above components, the hydrogen gas detection material of the present invention includes at least one additive selected from the group consisting of Zr, In, Nb, La, Re, Yb, Ho, Er, Hf, Dy, Ga, and Al. It may further contain other components such as elemental oxides and platinum group elemental compounds.

以上述べた水素ガス検出材料を得る方法としては、例えば、以下に述べる二つの製造方法等を好適に採用できる。   As a method for obtaining the hydrogen gas detection material described above, for example, the following two production methods can be suitably employed.

第一の製造方法においては、塩化亜鉛水溶液をアンモニア水に接触させて沈殿物を生成させる沈殿工程と、該沈殿物を加熱する加熱工程とを備える。   The first production method includes a precipitation step in which a zinc chloride aqueous solution is brought into contact with aqueous ammonia to generate a precipitate, and a heating step in which the precipitate is heated.

上記沈殿工程においてはまず、塩化亜鉛水溶液及びアンモニア水をそれぞれ準備し、両水溶液を混合して接触させることで、水酸化亜鉛を主成分とする沈殿物を生成させる。具体的には、例えば、塩化亜鉛水溶液と、アンモニア水とを均一に混合して沈殿物を生成させる。   In the precipitation step, first, an aqueous zinc chloride solution and aqueous ammonia are prepared, and both aqueous solutions are mixed and brought into contact with each other, thereby generating a precipitate mainly composed of zinc hydroxide. Specifically, for example, a zinc chloride aqueous solution and ammonia water are uniformly mixed to generate a precipitate.

原料として用いる塩化亜鉛水溶液は、亜鉛イオンの濃度が0.01〜1モル/Lであるものが好ましく、アンモニア水は、アンモニアの濃度が0.01〜1モル/Lであるものが好ましい。このとき、沈殿物の溶解度を充分低くするために、両水溶液を均一に混合したときの混合液のpHが6.5〜7.5なるように調整しながら混合することが好ましい。   The zinc chloride aqueous solution used as a raw material preferably has a zinc ion concentration of 0.01 to 1 mol / L, and the aqueous ammonia preferably has an ammonia concentration of 0.01 to 1 mol / L. At this time, in order to sufficiently reduce the solubility of the precipitate, it is preferable to mix the two aqueous solutions while adjusting the pH so that the pH of the mixed solution is 6.5 to 7.5.

次に、加熱工程において、得られた沈殿物を、好ましくはこれをデカンテーション、遠心分離、ろ別等してから加熱することにより、酸化亜鉛粒子と、酸化亜鉛の表面に存在する塩素化合物とを含む水素ガス検出材料が得られる。加熱温度は、400〜800℃が好ましく、500〜700℃がより好ましい。このような温度範囲で加熱することで、酸化亜鉛粒子が互いに連結して多孔質体を形成している水素ガス検出材料を得ることができる。加熱温度が400℃未満であると、水素ガス検出のために加熱されたときに材料特性が安定しない場合があり、800℃を超えると、塩素化合物の揮発や変質、あるいは、水素ガス検出材料の比表面積の低下等を招きやすくなる場合がある。   Next, in the heating step, the obtained precipitate is preferably decanted, centrifuged, filtered, etc., and then heated, so that the zinc oxide particles and the chlorine compound present on the surface of the zinc oxide are A hydrogen gas detection material containing can be obtained. The heating temperature is preferably 400 to 800 ° C, more preferably 500 to 700 ° C. By heating in such a temperature range, a hydrogen gas detection material in which zinc oxide particles are connected to each other to form a porous body can be obtained. If the heating temperature is less than 400 ° C., the material characteristics may not be stable when heated for hydrogen gas detection. If the heating temperature exceeds 800 ° C., volatilization or alteration of the chlorine compound or the hydrogen gas detection material In some cases, the specific surface area tends to decrease.

第二の製造方法は、酸化亜鉛粒子に塩化アンモニウム水溶液を付着させて付着体を得る付着工程と、該付着体から水を除去する除去工程とを備える。   The second production method includes an attachment step of attaching an ammonium chloride aqueous solution to zinc oxide particles to obtain an attachment, and a removal step of removing water from the attachment.

第二の製造方法においてはまず、付着工程において、酸化亜鉛粒子に塩化アンモニウム水溶液を含浸させることにより付着させて、付着体を得る。このとき用いる塩化アンモニウム水溶液の塩素イオンの濃度は、0.1〜2モル/Lであることが好ましい。塩化アンモニウム水溶液を付着させる量は、塩素イオンが、酸化亜鉛100重量%に対して、0.01〜3.0重量%となるような量とすることが好ましい。なお、この付着工程においては、酸化亜鉛粒子に、塩化アンモニウム水溶液に代えて塩化アンモニウム及び水をそれぞれ混合して、付着体において塩化アンモニウム水溶液を生成させてもよい。   In the second production method, first, in the attaching step, the zinc oxide particles are attached by impregnating an aqueous ammonium chloride solution to obtain an attached body. The concentration of chlorine ions in the aqueous ammonium chloride solution used at this time is preferably 0.1 to 2 mol / L. The amount of the ammonium chloride aqueous solution to be deposited is preferably such that the chlorine ions are 0.01 to 3.0% by weight with respect to 100% by weight of zinc oxide. In this adhesion process, ammonium chloride and water may be mixed with the zinc oxide particles instead of the ammonium chloride aqueous solution to produce an ammonium chloride aqueous solution in the adherent.

次に、得られた付着体から水を除去する除去工程により、酸化亜鉛粒子と、酸化亜鉛粒子の表面に存在する塩素化合物とを含む水素ガス検出材料が得られる。水の除去は、常圧または減圧下で、スプレードライ等の方法により、あるいは、付着体を加熱することにより行うことができる。この加熱温度は、50〜200℃であることが好ましく、100〜150℃であることがより好ましい。なおこのとき、付着体に付着していた水が必ずしも完全に除去されなくてもよく、得られる水素ガス検出材料に微量の水が残存してもよい。   Next, a hydrogen gas detection material containing zinc oxide particles and a chlorine compound present on the surface of the zinc oxide particles is obtained by a removing step of removing water from the obtained adherent. The removal of water can be performed by a method such as spray drying under normal pressure or reduced pressure, or by heating the adherent. The heating temperature is preferably 50 to 200 ° C, and more preferably 100 to 150 ° C. At this time, the water adhering to the adhering body may not necessarily be completely removed, and a trace amount of water may remain in the obtained hydrogen gas detection material.

上記除去工程の後に、水が除去された酸化亜鉛粒子をさらに加熱処理する加熱工程を備えていてもよい。この場合、除去工程は50〜200℃で行うことが好ましく、加熱工程は400〜800℃で行うことが好ましい。   You may provide the heating process which heat-processes the zinc oxide particle from which the water was removed after the said removal process. In this case, the removal step is preferably performed at 50 to 200 ° C, and the heating step is preferably performed at 400 to 800 ° C.

本発明の水素ガス検出材料は、以上のような方法の他に、スパッタリング法、CVD法等の気相合成法によって絶縁性基板等の基板上に成膜した酸化亜鉛薄膜の表面に、塩化アンモニウム水溶液を付着させて付着体を得る付着工程と、該付着体から水を除去する除去工程とを備える方法によって製造することもできる。この方法による場合、例えば、基板の温度や原料気体の供給量を、薄膜の表面が粗面化されるように制御して成膜する方法、あるいは、スパッタリング法やCVD法により比較的密度の高い平坦な酸化亜鉛薄膜を成膜し、さらにこの薄膜をエッチング液(例えば、アンモニア、硫酸、酢酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の水溶液)でエッチングしてその表面を粗面化する方法等により、例えば、表面に多数の凹凸が形成された酸化亜鉛薄膜や、粒子状の酸化亜鉛(酸化亜鉛粒子)が互いに連結した形態を有する多孔質体からなる酸化亜鉛薄膜を得ることができる。また、この製造方法における付着工程及び除去工程は、上述の説明と同様の原料、条件等で好適に行うことができる。   In addition to the above-described method, the hydrogen gas detection material of the present invention is prepared by adding ammonium chloride on the surface of a zinc oxide thin film formed on a substrate such as an insulating substrate by a vapor phase synthesis method such as a sputtering method or a CVD method. It can also be produced by a method comprising an attaching step of attaching an aqueous solution to obtain an attached body, and a removing step of removing water from the attached body. In the case of this method, for example, the substrate temperature and the supply amount of the source gas are controlled so that the surface of the thin film is roughened, or the film is relatively dense by sputtering or CVD. A flat zinc oxide thin film is formed, and this thin film is etched with an etching solution (for example, an aqueous solution of ammonia, sulfuric acid, acetic acid, sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc.) to roughen the surface. For example, a zinc oxide thin film having a large number of irregularities formed on the surface and a zinc oxide thin film made of a porous body having a form in which particulate zinc oxide (zinc oxide particles) are connected to each other can be obtained. Moreover, the adhesion process and the removal process in this manufacturing method can be suitably performed using the same raw materials, conditions, and the like as described above.

以上のような本発明の水素ガス検出材料は、例えば、電気絶縁性基板の表面に成膜して水素ガス検出部とすることにより、その電気抵抗の変化に基づいて水素ガスを検出する、水素ガスセンサ等に用いることができる。   The hydrogen gas detection material of the present invention as described above is, for example, a hydrogen gas that is detected on the basis of a change in electrical resistance by forming a film on the surface of an electrically insulating substrate to form a hydrogen gas detector. It can be used for a gas sensor or the like.

(水素ガスセンサ)
図1は、本発明の水素ガスセンサの第一実施形態の基本構成を模式的に示す断面図である。
(Hydrogen gas sensor)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the basic configuration of the first embodiment of the hydrogen gas sensor of the present invention.

図1に示す水素ガスセンサ100は、電気絶縁性基板1と、電気絶縁性基板1の一方面(図中上側)に設けられた、水素ガス検出部である水素ガス検出材料膜2と、電気絶縁性基板1の他方面(図中下側)に設けられ、水素ガス検出材料膜2を加熱する加熱部である抵抗体膜3と、抵抗体膜3を被覆するように電気絶縁性基板1上に設けられた拡散防止層4と、さらに拡散防止層4を被覆するように電気絶縁性基板1上に設けられた保護層5とを備えている。   A hydrogen gas sensor 100 shown in FIG. 1 includes an electrical insulating substrate 1, a hydrogen gas detection material film 2 that is a hydrogen gas detection portion provided on one surface (upper side in the drawing) of the electrical insulating substrate 1, and electrical insulation. A resistive film 3 that is provided on the other surface (lower side in the drawing) of the conductive substrate 1 and that heats the hydrogen gas detection material film 2, and the electrically insulating substrate 1 so as to cover the resistive film 3. And a protective layer 5 provided on the electrically insulating substrate 1 so as to cover the diffusion preventing layer 4.

さらに、水素ガスセンサ100は、水素ガス検出材料膜2と接するように電気絶縁性基板1上に設けられた電極30と、抵抗体膜3と接するように電気絶縁性基板1上に設けられた電極31とを備えている。   Further, the hydrogen gas sensor 100 includes an electrode 30 provided on the electrically insulating substrate 1 so as to be in contact with the hydrogen gas detection material film 2 and an electrode provided on the electrically insulating substrate 1 so as to be in contact with the resistor film 3. 31.

水素ガスセンサ100においては、電極30を通じて測定される、水素ガスへの接触による水素ガス検出材料膜2の電気抵抗の変化に基づいて、水素ガスが検出される。水素ガス検出材料膜2は、室温付近においては水素ガスとの接触による電気抵抗の変化が小さいため、抵抗体膜3によって絶縁性基板1を介して水素ガス検出材料膜2を加熱することで、高温領域の所定温度に維持される。この所定温度は200〜550℃であることが好ましく、300〜500℃であることがより好ましい。所定温度が200℃未満であると充分な検出感度が得られない場合があり、550℃を超えると周囲の材料の劣化が早まるとともに、水素の大気中における着火温度(約570℃)に近いため、水素ガスの爆発を招きやすくなる可能性がある。   In the hydrogen gas sensor 100, the hydrogen gas is detected based on the change in the electrical resistance of the hydrogen gas detection material film 2 due to the contact with the hydrogen gas measured through the electrode 30. Since the change in electrical resistance due to contact with hydrogen gas is small near room temperature, the hydrogen gas detection material film 2 is heated by the resistor film 3 through the insulating substrate 1 by heating the hydrogen gas detection material film 2. It is maintained at a predetermined temperature in the high temperature region. The predetermined temperature is preferably 200 to 550 ° C, and more preferably 300 to 500 ° C. If the predetermined temperature is lower than 200 ° C, sufficient detection sensitivity may not be obtained. If the predetermined temperature exceeds 550 ° C, the surrounding materials are rapidly deteriorated and the hydrogen is close to the ignition temperature (about 570 ° C) in the atmosphere. , Hydrogen gas explosion may easily occur.

水素ガス検出材料膜2は、上記本発明の水素ガス検出材料が成膜されたものであり、その厚さは1〜200μmであることが好ましく、10〜100μmであることがより好ましい。この厚さが1μm未満であると水素ガス検出感度が低下する傾向にあり、200μmを超えると加熱により膜に亀裂が生じやすくなる傾向にある。   The hydrogen gas detection material film 2 is formed by depositing the hydrogen gas detection material of the present invention, and the thickness thereof is preferably 1 to 200 μm, and more preferably 10 to 100 μm. If this thickness is less than 1 μm, the hydrogen gas detection sensitivity tends to be reduced, and if it exceeds 200 μm, the film tends to crack due to heating.

電気絶縁性基板1は、基材10と、基材10の両面に設けられた絶縁層11とで構成され、水素ガス検出材料膜2と抵抗体膜3とを絶縁すること、及び水素ガスセンサとしての形状を保つことを主な目的として設けられている。基材10を構成する材料は、抵抗体膜3から水素ガス検出材料膜2への熱移動の効率を高めるために、水素ガス検出材料膜2、抵抗体膜3及び電気絶縁性基板1の、互いの位置関係に応じて、熱伝導率を考慮して選択することが好ましい。   The electrically insulating substrate 1 is composed of a base material 10 and insulating layers 11 provided on both surfaces of the base material 10 to insulate the hydrogen gas detection material film 2 and the resistor film 3 and as a hydrogen gas sensor. The main purpose is to maintain the shape. In order to increase the efficiency of heat transfer from the resistor film 3 to the hydrogen gas detection material film 2, the material constituting the base material 10 includes the hydrogen gas detection material film 2, the resistor film 3, and the electrically insulating substrate 1. It is preferable to select the thermal conductivity in consideration of the mutual positional relationship.

図1に示す水素ガスセンサ100のように、電気絶縁性基板1の一方面及び他方面に、水素ガス検出材料膜2及び抵抗体膜3がそれぞれ形成された構造の場合、基材10の材料は熱伝導率が比較的高い材料が好ましい。例えば、タングステン、モリブデン、白金、鉄、各種ステンレス材料等の金属や、アルミナ、酸化ベリリウム、炭化ケイ素、炭化タングステン、窒化タングステン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等を好適に用いることができる。   In the case of a structure in which the hydrogen gas detection material film 2 and the resistor film 3 are formed on one surface and the other surface of the electrically insulating substrate 1 as in the hydrogen gas sensor 100 shown in FIG. A material having a relatively high thermal conductivity is preferred. For example, metals such as tungsten, molybdenum, platinum, iron, various stainless materials, alumina, beryllium oxide, silicon carbide, tungsten carbide, tungsten nitride, aluminum nitride, boron nitride, and the like can be suitably used.

一方、図3に示す水素ガスセンサ120(詳細については後述)のように、電気絶縁性基板1の一方面に、水素ガス検出材料膜2と抵抗体膜3とが共に形成された構造の場合、基材10の材料は熱伝導率が比較的低い材料が好ましい。例えば、石膏、シリカ、ホウケイ酸ガラス、ムライト、ジルコニア等を好適に用いることができる。   On the other hand, in the case of a structure in which the hydrogen gas detection material film 2 and the resistor film 3 are formed on one surface of the electrically insulating substrate 1 as in the hydrogen gas sensor 120 shown in FIG. The material of the substrate 10 is preferably a material having a relatively low thermal conductivity. For example, gypsum, silica, borosilicate glass, mullite, zirconia and the like can be suitably used.

基材10を上記のような材料とすることにより、抵抗体膜3から水素ガス検出材料膜2への熱伝導をより確実に高めることができる。また、上記の電気絶縁性基板1の材料は機械強度にも優れていることから、より耐久性に優れる水素ガスセンサが得られる。   By using the base material 10 as described above, the heat conduction from the resistor film 3 to the hydrogen gas detection material film 2 can be more reliably increased. Moreover, since the material of said electrically insulating board | substrate 1 is excellent also in mechanical strength, the hydrogen gas sensor which is more excellent in durability is obtained.

基材10の厚さは、熱伝導効率と機械強度とを両立させるために、0.1〜1.5mmであることが好ましく、0.5〜1.0mmであることがより好ましい。また、その主面の形状は特に限定されず、矩形状等の、用途に応じた所望の形状とすることができる。   The thickness of the substrate 10 is preferably 0.1 to 1.5 mm, and more preferably 0.5 to 1.0 mm, in order to achieve both heat conduction efficiency and mechanical strength. Moreover, the shape of the main surface is not specifically limited, It can be set as the desired shape according to a use, such as a rectangular shape.

絶縁層11は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、窒化炭素、窒化ケイ素等の絶縁性の材料からなることが好ましい。絶縁層11の厚さは、50〜500nmであることが好ましく、100〜300nmであることがより好ましい。   The insulating layer 11 is preferably made of an insulating material such as silica, alumina, zirconia, carbon nitride, or silicon nitride. The thickness of the insulating layer 11 is preferably 50 to 500 nm, and more preferably 100 to 300 nm.

抵抗体膜3は、電極31を通じて通電することにより発熱し、水素ガス検出材料膜2を加熱する加熱部として機能する。   The resistor film 3 generates heat when energized through the electrode 31 and functions as a heating unit that heats the hydrogen gas detection material film 2.

抵抗体膜3は、スパッタリング、CVD等の薄膜プロセスにより得られる薄膜であることが好ましい。その厚みは0.05〜1μmであることが好ましく、0.1〜0.8μmであることがより好ましい。この厚みが0.05μm未満であると発熱量や耐久性が充分でなくなる傾向にあり、1μmを超えると水素ガスセンサの小型化が困難となり、また、消費電力が大きくなってしまう傾向にある。   The resistor film 3 is preferably a thin film obtained by a thin film process such as sputtering or CVD. The thickness is preferably 0.05 to 1 μm, and more preferably 0.1 to 0.8 μm. If the thickness is less than 0.05 μm, the amount of heat generation and durability tend to be insufficient, and if it exceeds 1 μm, it is difficult to reduce the size of the hydrogen gas sensor and the power consumption tends to increase.

抵抗体膜3を構成する材料としては、金属、窒化物、サーメット、シリサイド、ポリシリコン、炭化ケイ素、炭素等を好適に用いることができる。   As a material constituting the resistor film 3, metal, nitride, cermet, silicide, polysilicon, silicon carbide, carbon, or the like can be suitably used.

金属としては、例えば、Fe−Cr−Al、Ni−Cr、Pt、Mo、Ta及びWが、窒化物としては、例えば、BN、TaN、TiN及びAlNが、サーメットとしては、例えば、TaSiO、TaSiC、NbSiO及びCrSiOが、シリサイドとしては、例えば、TaSi、CrSi及びMoSiが、それぞれ挙げられる。 Examples of the metal include Fe—Cr—Al, Ni—Cr, Pt, Mo, Ta, and W. Examples of the nitride include BN, Ta 2 N, TiN, and AlN. Examples of the cermet include TaSiO. TaSiC, NbSiO, and CrSiO, and examples of the silicide include TaSi, CrSi, and MoSi, respectively.

これらの中でも、TaSiO、TaSiC、NbSiO及びポリシリコンからなる群より選ばれる少なくとも一種を抵抗体膜3に用いることが、起動後所定温度に達するまでの時間を短くすることができる点や、急激な温度変化を伴う熱履歴に対する耐久性が高められる点などで優れるため、好ましい。これら特性に優れることは、燃料電池車用の水素ガスセンサの場合、特に重要である。   Among these, the use of at least one selected from the group consisting of TaSiO, TaSiC, NbSiO and polysilicon for the resistor film 3 can shorten the time required to reach a predetermined temperature after startup, This is preferable because it is excellent in that durability against heat history accompanied by temperature change is enhanced. It is particularly important that these characteristics are excellent in the case of a hydrogen gas sensor for a fuel cell vehicle.

拡散防止層4は、抵抗体膜3と保護層5との間に介在しながら、抵抗体膜3を被覆するように設けられた層である。拡散防止層4は、保護層5から抵抗体膜3への物質の拡散を抑制する機能を有する。抵抗膜3に保護層5から拡散した物質が不純物として侵入すると、温度の安定性が損なわれて水素ガスセンサの測定動作が不安定となるため、この拡散防止層4を設けることが好ましい。特に、抵抗体膜3を構成する材料が、上記のような金属、窒化物、サーメット、シリサイド、ポリシリコン、炭化ケイ素及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも一種である場合や、抵抗体膜3が薄膜である場合、不純物の影響を受けやすいため、このような拡散防止層を設けることが重要である。   The diffusion prevention layer 4 is a layer provided so as to cover the resistor film 3 while being interposed between the resistor film 3 and the protective layer 5. The diffusion preventing layer 4 has a function of suppressing the diffusion of the substance from the protective layer 5 to the resistor film 3. If a substance diffused from the protective layer 5 enters the resistance film 3 as an impurity, the temperature stability is impaired and the measurement operation of the hydrogen gas sensor becomes unstable. Therefore, it is preferable to provide this diffusion prevention layer 4. In particular, when the material constituting the resistor film 3 is at least one selected from the group consisting of metal, nitride, cermet, silicide, polysilicon, silicon carbide, and carbon as described above, Since a thin film is easily affected by impurities, it is important to provide such a diffusion prevention layer.

拡散防止層4は、シリカ、窒化ケイ素及びアルミナからなる群より選択される少なくとも1種から構成されることが好ましく、また、その厚みは10〜100nmであることが好ましい。   The diffusion prevention layer 4 is preferably composed of at least one selected from the group consisting of silica, silicon nitride, and alumina, and the thickness is preferably 10 to 100 nm.

保護層5は、抵抗体膜3からの、水素ガス検出材料膜2とは反対側への熱伝導を抑制することにより、水素ガス検出材料膜2への熱伝導効率を向上することを主な目的として設けられた層である。   The protective layer 5 mainly improves the efficiency of heat conduction to the hydrogen gas detection material film 2 by suppressing heat conduction from the resistor film 3 to the opposite side of the hydrogen gas detection material film 2. It is a layer provided for the purpose.

保護層5の厚さは、必要な断熱性が確保できるような厚さであればよいが、具体的には100〜1500μmであることが好ましい。   Although the thickness of the protective layer 5 should just be thickness which can ensure required heat insulation, specifically, it is preferable that it is 100-1500 micrometers.

保護層5は、耐火セメント、石膏、シリカ、ムライト、ジルコニア及びホウケイ酸ガラスからなる群より選択される少なくとも1種の材料のような、熱伝導率の低い材料で形成されることが好ましく、これら材料で形成された多孔質体からなることがより好ましい。さらに、これらの材料中に無機質の中空ビーズを混合することが、断熱効果をより高めることができるため、好ましい。これらの中でも、耐火セメントを保護層5に用いることが、断熱性、成形性等の点で好ましい。   The protective layer 5 is preferably formed of a material having low thermal conductivity, such as at least one material selected from the group consisting of refractory cement, gypsum, silica, mullite, zirconia and borosilicate glass. More preferably, it consists of a porous body made of a material. Furthermore, it is preferable to mix inorganic hollow beads in these materials because the heat insulation effect can be further enhanced. Among these, it is preferable to use refractory cement for the protective layer 5 in terms of heat insulation, moldability, and the like.

水素ガスセンサ100は、例えば、以下のような方法により製造することができる。   The hydrogen gas sensor 100 can be manufactured by the following method, for example.

まず、基板10の両面に、スパッタリングやCVD等の薄膜プロセスにより絶縁層11を形成させ、電気絶縁性基板1を得る。   First, the insulating layer 11 is formed on both surfaces of the substrate 10 by a thin film process such as sputtering or CVD to obtain the electrically insulating substrate 1.

次いで、一方(図中上側)の絶縁層11の、基板10と反対側の面に、電極30を所定のパターンでエッチング等により形成させてから、本発明の水素ガス検出材料を塗布等によって成膜し、水素ガス検出材料膜2を形成させる。   Next, the electrode 30 is formed in a predetermined pattern on the surface of one insulating layer 11 (upper side in the figure) opposite to the substrate 10 by etching or the like, and then the hydrogen gas detection material of the present invention is formed by coating or the like. The hydrogen gas detection material film 2 is formed.

続いて、他方(図中下側)の絶縁層11の、基板10と反対側の面に、電極31を所定のパターンでエッチング等により形成させてから、薄膜プロセスにより抵抗体膜3を形成させ、抵抗体膜3の露出している領域を被覆するように、薄膜プロセスにより拡散防止層4を形成させる。さらに、拡散防止層4の露出している領域を被覆するように、ディップコート法等の方法により保護層5を形成させて、水素ガスセンサ100を得る。   Subsequently, the electrode 31 is formed in a predetermined pattern on the surface of the other (lower side in the drawing) insulating layer 11 opposite to the substrate 10 by etching or the like, and then the resistor film 3 is formed by a thin film process. Then, the diffusion prevention layer 4 is formed by a thin film process so as to cover the exposed region of the resistor film 3. Further, the protective layer 5 is formed by a method such as a dip coating method so as to cover the exposed region of the diffusion prevention layer 4, thereby obtaining the hydrogen gas sensor 100.

なお、第一実施形態の変形態様として、電気絶縁性基板1が、基材としての機能と絶縁層としての機能とを兼ね備えた、電気絶縁性の材料からなる単層で構成されていてもよい。この実施形態に係る水素ガスセンサは、単層で構成される電気絶縁性基板の一方面に電極30及び水素ガス検出材料膜2を形成させ、さらに、電気絶縁性基板の他方面に、電極31を形成させてから、抵抗体膜3、拡散防止層4及び保護層5をこの順に積層することで得られる。   As a modification of the first embodiment, the electrically insulating substrate 1 may be composed of a single layer made of an electrically insulating material having both a function as a base material and a function as an insulating layer. . In the hydrogen gas sensor according to this embodiment, the electrode 30 and the hydrogen gas detection material film 2 are formed on one surface of an electrically insulating substrate composed of a single layer, and the electrode 31 is disposed on the other surface of the electrically insulating substrate. After the formation, the resistor film 3, the diffusion preventing layer 4, and the protective layer 5 are obtained in this order.

図2は、本発明の水素ガスセンサの第二実施形態の基本構成を模式的に示す断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the basic configuration of the second embodiment of the hydrogen gas sensor of the present invention.

図2に示す水素ガスセンサ110は、電気絶縁性基板1を備え、電気絶縁性基板1の一方面(図中上側)に、温度検出膜6と、温度検出膜6を被覆するように形成されている絶縁層7と、水素ガス検出部である水素ガス検出材料膜2とがこの順に積層され、電気絶縁性基板1の他方面(図中下側)に、図1の水素ガスセンサ100と同様の構成で、加熱部である抵抗体膜3と、拡散防止層4と、保護層5とを備えている。   A hydrogen gas sensor 110 shown in FIG. 2 includes an electrically insulating substrate 1 and is formed on one surface (upper side in the drawing) of the electrically insulating substrate 1 so as to cover the temperature detecting film 6 and the temperature detecting film 6. 1 and a hydrogen gas detection material film 2 as a hydrogen gas detection part are laminated in this order, and the other surface (lower side in the figure) of the electrically insulating substrate 1 is the same as the hydrogen gas sensor 100 of FIG. The structure includes a resistor film 3, which is a heating unit, a diffusion prevention layer 4, and a protective layer 5.

さらに、水素ガスセンサ110は、水素ガス検出材料膜2と接するように絶縁層7上に設けられた電極30と、絶縁層7を介在させて水素ガス検出材料膜2とは電気的に絶縁されるように温度検出膜6上に設けられた電極32と、抵抗体膜3と接するように電気絶縁性基板1上に設けられた電極31とを備えている。   Further, the hydrogen gas sensor 110 is electrically insulated from the hydrogen gas detection material film 2 through the insulation layer 7 and the electrode 30 provided on the insulation layer 7 so as to be in contact with the hydrogen gas detection material film 2. Thus, the electrode 32 provided on the temperature detection film 6 and the electrode 31 provided on the electrically insulating substrate 1 so as to be in contact with the resistor film 3 are provided.

温度検出膜6は、ガス検出材料膜2の温度を検出する温度検出部として、ガス検出材料膜2に近接して設けられている。温度検出膜6の検出した温度情報に基づいて、ガス流量や雰囲気温度の急激な変化に起因する水素ガス検出材料膜2の温度の変動を抑制することにより、水素ガス測定動作の安定性が改善される。この目的のためには、ガス検出材料膜2の温度は、所定温度の±5℃以内の範囲に維持されることが好ましい。   The temperature detection film 6 is provided close to the gas detection material film 2 as a temperature detection unit that detects the temperature of the gas detection material film 2. Based on the temperature information detected by the temperature detection film 6, the fluctuation of the temperature of the hydrogen gas detection material film 2 due to a sudden change in the gas flow rate or the ambient temperature is suppressed, thereby improving the stability of the hydrogen gas measurement operation. Is done. For this purpose, the temperature of the gas detection material film 2 is preferably maintained within a range of ± 5 ° C. of the predetermined temperature.

温度検出膜6はスパッタリング、CVD等の薄膜プロセスで得られる薄膜であることが好ましく、その厚さは0.05〜1μmであることが好ましい。   The temperature detection film 6 is preferably a thin film obtained by a thin film process such as sputtering or CVD, and its thickness is preferably 0.05 to 1 μm.

温度検出膜6に用いる材料としては、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Sn及びZn等の金属の酸化物や、SiC、Pt、Rh、Ni、Cr、Fe、Cu、Ir、Re、Mo、Au、Pd、W等を含むものが挙げられ、これらを単独又は複数組み合わせて用いることができる。   Materials used for the temperature detection film 6 include metal oxides such as Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Sn, and Zn, SiC, Pt, Rh, Ni, Cr, Fe, Cu, Ir, Re, and Mo. , Au, Pd, W and the like can be used, and these can be used alone or in combination.

絶縁層7は、絶縁層11と同様の電気絶縁材料からなる層であり、水素ガス検出材料膜2と、温度検出膜6とが電気的に絶縁するとともに、温度検出膜6と外気との接触を遮断して、その劣化を防止している。   The insulating layer 7 is a layer made of the same electrically insulating material as the insulating layer 11, and the hydrogen gas detecting material film 2 and the temperature detecting film 6 are electrically insulated and the temperature detecting film 6 and the outside air are in contact with each other. To prevent its deterioration.

なお、水素ガスセンサ110は、温度検出膜6の検出した温度情報に基づいて、ガス検出材料膜2の温度を制御する温度制御手段(図2には示していない)を備える。   The hydrogen gas sensor 110 includes temperature control means (not shown in FIG. 2) that controls the temperature of the gas detection material film 2 based on temperature information detected by the temperature detection film 6.

温度制御手段としては、例えば、温度検出膜6の検出した温度情報に基づいて、ガス検出材料膜2が所定温度に維持されるように抵抗体膜3への通電量を制御する電気回路等を用いることができる。   As the temperature control means, for example, based on the temperature information detected by the temperature detection film 6, an electric circuit or the like that controls the energization amount to the resistor film 3 so that the gas detection material film 2 is maintained at a predetermined temperature. Can be used.

水素ガスセンサ110は、水素ガスセンサ100と同様の材料を用いて、薄膜プロセス等を用いて各層を順次積層することにより、製造することができる。   The hydrogen gas sensor 110 can be manufactured by sequentially laminating each layer using a thin film process or the like using the same material as the hydrogen gas sensor 100.

図3は、本発明の水素ガスセンサの第三実施形態の基本構成を模式的に示す断面図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the basic configuration of the third embodiment of the hydrogen gas sensor of the present invention.

図3に示す水素ガスセンサ120は、基材10及び基材10の一方面(図中上側)に設けられた絶縁層11を有する電気絶縁性基板1aを備える。そして、絶縁層11上に、加熱部である抵抗体膜3、絶縁層8、温度検出膜6、絶縁層7及び水素ガス検出部である水素ガス検出材料膜2がこの順に積層され、これらと電気絶縁性基板1aとで積層体を構成している。さらに、水素ガスセンサ120は、水素ガス検出材料膜2の、絶縁層7と反対側の面を露出させながら、上記積層体を被覆するように、積層体の外表面上に拡散防止層4と保護層5とが内側からこの順に積層されている。   A hydrogen gas sensor 120 illustrated in FIG. 3 includes a base material 10 and an electrically insulating substrate 1a having an insulating layer 11 provided on one surface (upper side in the drawing) of the base material 10. On the insulating layer 11, the resistor film 3, which is a heating part, the insulating layer 8, the temperature detection film 6, the insulating layer 7, and the hydrogen gas detection material film 2 which is a hydrogen gas detection part are laminated in this order. A laminate is formed with the electrically insulating substrate 1a. Further, the hydrogen gas sensor 120 protects the diffusion preventing layer 4 and the protective layer 4 on the outer surface of the laminate so as to cover the laminate while exposing the surface of the hydrogen gas detection material film 2 opposite to the insulating layer 7. The layer 5 is laminated in this order from the inside.

また、水素ガスセンサ120は、水素ガス検出材料膜2と接するように絶縁層7上に設けられた電極30と、絶縁性7を介在させて水素ガス検出材料膜2とは電気的に絶縁されるように温度検出膜6上に設けられた電極32と、絶縁層8を介在させて温度検出膜6とは電気的に絶縁されるように抵抗体膜3上に設けられた電極31とを備えている。   In addition, the hydrogen gas sensor 120 is electrically insulated from the hydrogen gas detection material film 2 through the insulation 7 and the electrode 30 provided on the insulating layer 7 so as to be in contact with the hydrogen gas detection material film 2. The electrode 32 provided on the temperature detection film 6 and the electrode 31 provided on the resistor film 3 so as to be electrically insulated from the temperature detection film 6 with the insulating layer 8 interposed therebetween. ing.

水素ガスセンサ120の場合、電気絶縁性基板1aの一方面に抵抗体膜3及び水素ガス検出材料膜2が共に設けられており、上記の水素ガスセンサ100及び110のように、抵抗体膜3と水素ガス検出材料膜2との間に電気絶縁性基板が配置される場合と比較して、抵抗体膜3から水素ガス検出材料膜2への熱伝導の効率をさらに高めることができる。   In the case of the hydrogen gas sensor 120, the resistor film 3 and the hydrogen gas detection material film 2 are both provided on one surface of the electrically insulating substrate 1a. Like the hydrogen gas sensors 100 and 110, the resistor film 3 and the hydrogen gas sensor 120 are provided. The efficiency of heat conduction from the resistor film 3 to the hydrogen gas detection material film 2 can be further increased as compared with the case where an electrically insulating substrate is disposed between the gas detection material film 2 and the gas detection material film 2.

なお、絶縁層8は、絶縁層11と同様の電気絶縁材料からなる層であり、これにより抵抗体膜3と、温度検出膜6とが電気的に絶縁されている。   The insulating layer 8 is a layer made of the same electrically insulating material as that of the insulating layer 11, whereby the resistor film 3 and the temperature detection film 6 are electrically insulated.

また、水素ガスセンサ120は、上記の水素ガス検出材料110と同様に、温度検出膜6の検出した温度情報に基づいて、ガス検出材料膜2の温度を制御する温度制御手段(図3には示していない)を備える。   Similarly to the hydrogen gas detection material 110 described above, the hydrogen gas sensor 120 is a temperature control unit (shown in FIG. 3) that controls the temperature of the gas detection material film 2 based on the temperature information detected by the temperature detection film 6. Not).

水素ガス検出材料120は、水素ガス検出材料100及び110と同様の材料を好適に用いて、水素ガスセンサ100と同様の方法で製造することができる。   The hydrogen gas detection material 120 can be manufactured by a method similar to that of the hydrogen gas sensor 100, preferably using the same material as the hydrogen gas detection materials 100 and 110.

以上述べた水素ガスセンサは、本発明の水素ガス検出材料を用いることによって、水素ガスの検出感度及び水素ガス選択性に優れ、燃料電池車における水素ガス漏れ検出用等に好適に用いることができる。   The hydrogen gas sensor described above is excellent in hydrogen gas detection sensitivity and hydrogen gas selectivity by using the hydrogen gas detection material of the present invention, and can be suitably used for hydrogen gas leak detection in a fuel cell vehicle.

以下に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
以下の手順にしたがって水素ガス検出材料を作製し、その評価を行った。
(Example 1)
A hydrogen gas detection material was prepared according to the following procedure and evaluated.

<水素ガス検出材料1の作製>
まず、塩化亜鉛(関東化学社製)10gを水990gに溶解した塩化亜鉛水溶液に、pHが7前後になるように調整しながらアンモニア水を混合し、水酸化亜鉛を主成分とする白色の沈殿物を生成させた。生成した沈殿物を、デカンテーションにより水で数回洗浄し、スプレードライヤーにより水を除去後、600℃で1時間加熱処理し、水素ガス検出材料1を得た。
<Preparation of hydrogen gas detection material 1>
First, an aqueous solution of zinc chloride in which 10 g of zinc chloride (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) is dissolved in 990 g of water is mixed with aqueous ammonia while adjusting the pH to around 7, and a white precipitate mainly composed of zinc hydroxide. Product was produced. The generated precipitate was washed several times with water by decantation, water was removed with a spray dryer, and then heat treatment was performed at 600 ° C. for 1 hour to obtain a hydrogen gas detection material 1.

水素ガス検出材料1の一部を、中性の水中に投入して室温で放置した後、これをろ過したときのろ液について、イオンクロマトグラム法により分析することで、水素ガス検出材料の表面に存在していた塩素化合物が水と接触して、塩素イオンが生成していることが確認された。   A part of the hydrogen gas detection material 1 is put into neutral water and left at room temperature, and then the filtrate obtained by filtering this is analyzed by an ion chromatogram method. It was confirmed that the chlorine compound that was present in the water contacted with water to produce chlorine ions.

<水素ガス選択性の評価>
ガラス基板上に、長方形状の主面を有し、対向する一対の白金電極薄膜を、互いの間に幅1cmの溝が形成されるように成膜し、次いで、水素ガス検出材料1(10g)をポリビニルアルコール(関東化学社製)0.5g、水10gと混合して得たペーストを、ガラス基板上に形成された上記の溝を充填するように、厚さ100μmで塗布した。続いてこれを600℃で1時間加熱後、放冷して、酸化亜鉛粒子が互いに連結して多孔質体を形成している水素ガス検出材料膜を形成させた。このとき、水素ガス検出材料膜を形成している水素ガス検出材料1のBET比表面積は6.6m/g、理論粒径は162nm、塩素原子含有量は0.72重量%であった。
<Evaluation of hydrogen gas selectivity>
On the glass substrate, a pair of opposed platinum electrode thin films having a rectangular main surface is formed so that a groove having a width of 1 cm is formed between them, and then hydrogen gas detection material 1 (10 g) A paste obtained by mixing 0.5 g of polyvinyl alcohol (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) and 10 g of water was applied at a thickness of 100 μm so as to fill the groove formed on the glass substrate. Subsequently, this was heated at 600 ° C. for 1 hour and then allowed to cool to form a hydrogen gas detection material film in which zinc oxide particles were connected to each other to form a porous body. At this time, the BET specific surface area of the hydrogen gas detection material 1 forming the hydrogen gas detection material film was 6.6 m 2 / g, the theoretical particle size was 162 nm, and the chlorine atom content was 0.72 wt%.

なお、本実施例においては、BET比表面積はNOVA2000(商品名、カンタクローム社製)を用いて、試料を300℃で30分間真空乾燥した後に測定し、このBET比表面積及び材料の真比重の値から、理論粒径を算出した。また、塩素原子含有量は、蛍光X線分析装置を用いて測定した。   In this example, the BET specific surface area was measured using NOVA2000 (trade name, manufactured by Cantachrome) after vacuum drying the sample at 300 ° C. for 30 minutes. The BET specific surface area and the true specific gravity of the material were The theoretical particle size was calculated from the value. The chlorine atom content was measured using a fluorescent X-ray analyzer.

この水素ガス検出材料膜を、大気中で、ガラス基板を介して500℃に加熱した。この状態で、白金電極を通じて水素ガス検出材料膜の電気抵抗を測定しながら、水素ガス検出材料膜を1体積%の水素ガス及び一酸化炭素ガスにそれぞれ接触させて、これらガスとの接触過程における電気抵抗の経時変化を測定した。電気抵抗の経時変化におけるピーク幅(半値幅)は、水素ガスの場合で6sec、一酸化炭素の場合で16secであった。   This hydrogen gas detection material film was heated to 500 ° C. through a glass substrate in the atmosphere. In this state, while measuring the electric resistance of the hydrogen gas detection material film through the platinum electrode, the hydrogen gas detection material film was brought into contact with 1% by volume of hydrogen gas and carbon monoxide gas, respectively, and in the process of contact with these gases. The change in electrical resistance with time was measured. The peak width (half-value width) of the electrical resistance over time was 6 sec for hydrogen gas and 16 sec for carbon monoxide.

測定された経時変化に基づいて、水素ガス又は一酸化炭素ガスとの接触前における電気抵抗をR、水素ガス又は一酸化炭素ガスと接触した際の電気抵抗の最低値をRとして、下記式(1)によって算出される値を抵抗変化率とした。
(抵抗変化率)=R/R ・・・(1)
Based on the measured change over time, R 0 is the electrical resistance before contact with hydrogen gas or carbon monoxide gas, and R 1 is the minimum value of electrical resistance when contacted with hydrogen gas or carbon monoxide gas. The value calculated by equation (1) was defined as the resistance change rate.
(Resistance change rate) = R 0 / R 1 (1)

さらに、水素ガスに対する抵抗変化率と、一酸化炭素ガスに対する抵抗変化率との比(H/CO)を算出し、これを水素ガス選択性の指標とした。 Furthermore, the ratio (H 2 / CO) of the resistance change rate with respect to hydrogen gas and the resistance change rate with respect to carbon monoxide gas was calculated, and this was used as an index of hydrogen gas selectivity.

(実施例2)
<水素ガス検出材料2の作製>
酸化亜鉛(関東化学社製)10gに、塩化アンモニウム0.1g、水10gを混合して、酸化亜鉛に塩化アンモニウム水溶液が付着したペーストである、付着体を得た。次いでこの付着体を600℃で1時間加熱することにより、水素ガス検出材料2を得た。
(Example 2)
<Preparation of hydrogen gas detection material 2>
10 g of zinc oxide (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was mixed with 0.1 g of ammonium chloride and 10 g of water to obtain an adherent that was a paste in which an aqueous ammonium chloride solution was adhered to zinc oxide. Subsequently, this adhering body was heated at 600 ° C. for 1 hour to obtain a hydrogen gas detection material 2.

<水素ガス選択性の評価>
上記付着体を、実施例1と同様の、白金電極薄膜が成膜されたガラス基板上に塗布し、600℃で1時間加熱して、水素ガス検出材料2からなる水素ガス検出材料膜を形成させた。このとき、水素ガス検出材料膜を形成している水素ガス検出材料2のBET比表面積は6.7m/g、理論粒径は160nm、塩素含有量は0.59重量%であった。続いてこの水素ガス検出材料膜について、実施例1と同様の方法により、その水素ガス選択性を評価した。電気抵抗の経時変化におけるピーク幅(半値幅)は、水素ガスの場合で55sec、一酸化炭素の場合で50secであった。
<Evaluation of hydrogen gas selectivity>
The adhering body is applied onto a glass substrate on which a platinum electrode thin film is formed, as in Example 1, and heated at 600 ° C. for 1 hour to form a hydrogen gas detection material film made of the hydrogen gas detection material 2. I let you. At this time, the BET specific surface area of the hydrogen gas detection material 2 forming the hydrogen gas detection material film was 6.7 m 2 / g, the theoretical particle size was 160 nm, and the chlorine content was 0.59 wt%. Subsequently, the hydrogen gas selectivity of this hydrogen gas detection material film was evaluated by the same method as in Example 1. The peak width (half-value width) of the electrical resistance with time was 55 sec for hydrogen gas and 50 sec for carbon monoxide.

(実施例3)
<水素ガス検出材料3の作製>
まず、硝酸亜鉛(関東化学社製)10gを水990gに溶解した硝酸亜鉛水溶液と、アンモニア水とを、pHが7前後になるように調整しながら混合し、水酸化亜鉛を主成分とする沈殿物を生成させた。生成した沈殿物をデカンテーションし、水で数回洗浄後、水を除去し、粒子状の酸化亜鉛を得た。
(Example 3)
<Preparation of hydrogen gas detection material 3>
First, a zinc nitrate aqueous solution in which 10 g of zinc nitrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) is dissolved in 990 g of water and ammonia water are mixed while adjusting the pH to be around 7, and precipitation mainly composed of zinc hydroxide. Product was produced. The generated precipitate was decanted and washed several times with water, and then water was removed to obtain particulate zinc oxide.

上記で得られた酸化亜鉛10gに、塩化アンモニウム0.1g及び水10gを混合して、酸化亜鉛に塩化アンモニウム水溶液が付着したペーストである、付着体を得た。次いでこの付着体を600℃で1時間加熱することにより水を除去して、水素ガス検出材料3を得た。   10 g of the zinc oxide obtained above was mixed with 0.1 g of ammonium chloride and 10 g of water to obtain an adherent that was a paste in which an aqueous ammonium chloride solution was adhered to zinc oxide. Subsequently, this adhering body was heated at 600 ° C. for 1 hour to remove water, whereby a hydrogen gas detection material 3 was obtained.

<水素ガス選択性の評価>
水素ガス検出材料3を用いて、実施例1と同様にして、水素ガス検出材料膜を作製し、その水素ガス選択性を評価した。電気抵抗の経時変化におけるピーク幅(半値幅)は、水素ガスの場合で21sec、一酸化炭素の場合で26secであった。このとき、水素ガス検出材料膜を形成している水素ガス検出材料3のBET比表面積は4.4m/g、理論粒径は244nm、塩素含有量は0.48重量%であった。
<Evaluation of hydrogen gas selectivity>
A hydrogen gas detection material film was produced using the hydrogen gas detection material 3 in the same manner as in Example 1, and the hydrogen gas selectivity was evaluated. The peak width (half-value width) of the electrical resistance over time was 21 sec for hydrogen gas and 26 sec for carbon monoxide. At this time, the BET specific surface area of the hydrogen gas detection material 3 forming the hydrogen gas detection material film was 4.4 m 2 / g, the theoretical particle size was 244 nm, and the chlorine content was 0.48 wt%.

(比較例1)
実施例2で原料として用いた、市販の酸化亜鉛(関東化学社製)をそのまま水素ガス検出材料4とした。
(Comparative Example 1)
Commercially available zinc oxide (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) used as a raw material in Example 2 was used as the hydrogen gas detection material 4 as it was.

水素ガス検出材料4を用いて、実施例1と同様の方法により、水素ガス検出材料膜を作製し、その水素ガス選択性を評価した。電気抵抗の経時変化におけるピーク幅(半値幅)は、水素ガスの場合で20sec、一酸化炭素の場合で25secであった。このとき、水素ガス検出材料膜を形成している水素ガス検出材料4のBET比表面積は5.9m/g、理論粒径は182nmであり、塩素は検出されなかった。 A hydrogen gas detection material film was prepared by using the hydrogen gas detection material 4 in the same manner as in Example 1, and the hydrogen gas selectivity was evaluated. The peak width (half-value width) of the electrical resistance with time was 20 sec for hydrogen gas and 25 sec for carbon monoxide. At this time, the BET specific surface area of the hydrogen gas detection material 4 forming the hydrogen gas detection material film was 5.9 m 2 / g, the theoretical particle size was 182 nm, and chlorine was not detected.

(比較例2)
実施例3において作製した、塩化アンモニウム水溶液を付着させる前の酸化亜鉛を、水素ガス検出材料5とした。
(Comparative Example 2)
The zinc oxide produced in Example 3 before the aqueous ammonium chloride solution was attached was used as the hydrogen gas detection material 5.

水素ガス検出材料5(10g)を用いて、実施例1と同様の方法により、水素ガス検出材料膜を作製し、その水素ガス選択性を評価した。電気抵抗の経時変化におけるピーク幅(半値幅)は、水素ガスの場合で40sec、一酸化炭素の場合で35secであった。このとき、水素ガス検出材料膜を形成している水素ガス検出材料5のBET比表面積は9.4m/g、理論粒径は114nmであり、塩素は検出されなかった。 Using the hydrogen gas detection material 5 (10 g), a hydrogen gas detection material film was produced in the same manner as in Example 1, and the hydrogen gas selectivity was evaluated. The peak width (half-value width) of the electrical resistance over time was 40 sec for hydrogen gas and 35 sec for carbon monoxide. At this time, the BET specific surface area of the hydrogen gas detection material 5 forming the hydrogen gas detection material film was 9.4 m 2 / g, the theoretical particle size was 114 nm, and chlorine was not detected.

実施例1〜3及び比較例1〜2での各測定結果を表1にまとめて示す。   The measurement results in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 are collectively shown in Table 1.

Figure 2005265546
Figure 2005265546

図1は、本発明の水素ガスセンサの第一実施形態を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of the hydrogen gas sensor of the present invention. 図2は、本発明の水素ガスセンサの第二実施形態を模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a second embodiment of the hydrogen gas sensor of the present invention. 図3は、本発明の水素ガスセンサの第三実施形態を模式的に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a third embodiment of the hydrogen gas sensor of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…電気絶縁性基板、1a…電気絶縁性基板、2…水素ガス検出材料膜、3…抵抗体膜、4…拡散防止層、5…保護層、6…温度検出膜、7…絶縁層、10…基材、11…絶縁層、100,110,120…水素ガスセンサ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrical insulation board | substrate, 1a ... Electrical insulation board | substrate, 2 ... Hydrogen gas detection material film | membrane, 3 ... Resistor film | membrane, 4 ... Diffusion prevention layer, 5 ... Protection layer, 6 ... Temperature detection film | membrane, 7 ... Insulation layer, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Base material, 11 ... Insulating layer, 100, 110, 120 ... Hydrogen gas sensor

Claims (8)

酸化亜鉛粒子と、該酸化亜鉛粒子の表面に存在する塩素化合物と、を含む水素ガス検出材料。   A hydrogen gas detection material comprising zinc oxide particles and a chlorine compound present on the surface of the zinc oxide particles. 前記塩素化合物が、水との接触によって塩素イオンを生成する化合物である、請求項1に記載の水素ガス検出材料。   The hydrogen gas detection material according to claim 1, wherein the chlorine compound is a compound that generates chlorine ions by contact with water. 前記塩素化合物が有する塩素原子の量が、前記酸化亜鉛粒子100重量%に対して0.01〜3.0重量%である、請求項1または2に記載の水素ガス検出材料。   The hydrogen gas detection material according to claim 1 or 2, wherein the amount of chlorine atoms contained in the chlorine compound is 0.01 to 3.0 wt% with respect to 100 wt% of the zinc oxide particles. BET比表面積が0.1〜100m/gである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の水素ガス検出材料。 The hydrogen gas detection material according to claim 1, wherein the BET specific surface area is 0.1 to 100 m 2 / g. 前記酸化亜鉛粒子が、互いに連結して多孔質体を形成している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の水素ガス検出材料。   The hydrogen gas detection material according to any one of claims 1 to 4, wherein the zinc oxide particles are connected to each other to form a porous body. 塩化亜鉛水溶液をアンモニア水に接触させて沈殿物を生成させる沈殿工程と、
該沈殿物を加熱する加熱工程と、を備える製造方法で得られる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の水素ガス検出材料。
A precipitation step in which a zinc chloride aqueous solution is brought into contact with aqueous ammonia to form a precipitate;
A hydrogen gas detection material according to any one of claims 1 to 5, which is obtained by a production method comprising a heating step of heating the precipitate.
酸化亜鉛粒子に塩化アンモニウム水溶液を付着させて付着体を得る付着工程と、
該付着体から水を除去する除去工程と、を備える製造方法で得られる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の水素ガス検出材料。
An attachment step of attaching an ammonium chloride aqueous solution to the zinc oxide particles to obtain an attachment;
A hydrogen gas detection material according to any one of claims 1 to 5, which is obtained by a production method comprising a removal step of removing water from the adherent.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の水素ガス検出材料からなる水素ガス検出部と、
該水素ガス検出部を加熱する加熱部と、を備える水素ガスセンサ。
A hydrogen gas detector comprising the hydrogen gas detection material according to any one of claims 1 to 7,
A hydrogen gas sensor comprising: a heating unit that heats the hydrogen gas detection unit.
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