CN101268360A

CN101268360A - 氢气传感器

Info

Publication number: CN101268360A
Application number: CNA2006800287823A
Authority: CN
Inventors: 原田修治; 松田州央
Original assignee: Niigata TLO Corp
Current assignee: Niigata TLO Corp
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2008-09-17
Also published as: CA2618786A1; WO2007020731A1; EP1921445A1; JP4035848B2; US20090302857A1; JP2007047124A

Abstract

提供一种氢气传感器，该传感器的检测功能受外部空间的影响少，或者传感器对外部空间的影响小。该氢气传感器(10)具有第1电极(12)和第2电极(14)，以及与该两电极接触的电解质(16)，上述第1电极和上述第2电极由对氢气的化学势彼此不同的材料形成，即，上述第1电极含上述化学势相对较高的材料，上述第2电极含上述化学势相对较低的材料。该氢气传感器基于该两电极间产生的电动势检测上述氢气，其特征在于，至少上述电解质与上述第1电极的接合部以及上述电解质与上述第2电极的接合部由具有氢选择透过性的外部覆盖层(20)覆盖。

Description

氢气传感器

技术领域

本发明涉及适于泄漏到大气中的氢气的检测或氢浓度的检测、泄漏到氢以外的气体管道中的氢气的检测的氢气传感器。

背景技术

在今后的利用氢能的社会中，人们期望得到一种能够消除氢气爆炸的危险性、安全性高、使用方便性优良的氢能利用系统。因此，对于氢气传感器的类型而言，人们要求高可靠性，能够即时高精度检测泄漏到大气中的或者泄漏到氢气之外的气体管中的氢气量。特别是，对于采用氢气泄漏警报系统的氢气传感器而言，在氢气爆炸界限以内的低浓度区域中需要具有高检测灵敏度，并且检测所需的时间要短，这两者是不可或缺的。

现有技术的氢气传感器基于半导体型、电离型、燃烧型等的检测方法。它们的测定原理在于“定量化的物理量”，即，作为“载流子浓度(半导体型)”、“离子浓度(电离型)”、或者“反应热(燃烧型或者使之燃烧并测定其蒸汽压)”，采用间接的检测方法检测氢气量，并将这些量转换成电量，以此作为传感器。因此，对于氢气检测而言需要时间，慢则需要100秒以上。

另外，现有技术中，由于氢气传感器(半导体型、电离型、燃烧型)的氢检测方法是将载流子浓度、离子浓度、反应热等作为氢气检测信号，故而对于高灵敏度的测定而言需要很宽的检测面积。因此，伴随传感器元件自身结构、形状、电极尺寸的不同，其检测精度、灵敏度将不同，对于形状的小型化而言还存在局限。而且，在采用现有技术的氢气传感器(半导体型、电离型、燃烧型)时，还存在易于受到环境气体的影响的缺点。特别是，在检测气体中，如果含有汽油或者碳氢化合物、酒精等含氢元素的气体，则由于同时还对这些气体有感应，故而使氢气检测可靠度降低。

鉴于上述技术问题，除了上述各种类型的氢气传感器之外，已开发出一种归类于电化学方法的氢气传感器，并已投入实用。该氢气传感器分成电动势测定型和电流检测型两类。前一种类型的氢气传感器例如，专利文献1和专利文献2中所公开的那样，将其中的一个电极(基准电极或者标准电极)作为在氢气基准气压下制成的氢电极，将另一个电极作为用于查找检测气体(测定氢气气体分压)的检测电极(作用电极)，将该电极间的电位差作为传感器的输出以检测检测气体的氢浓度。

在氢电极处，氢呈原子状态充分存在于电极表面，此时的状态下的电极电位为标准电位。在该状态下，如果氢气碰触到检测电极，则氢气根据氢浓度而离解成原子状，从而表现为取决于氢浓度的电位。然后，基于电位，将氢电极和检测电极间的电位差作为氢浓度的函数而检测出，以此作为氢气传感器。即，为了与基准氢气压进行比较而测定检测氢气压，对于这些传感器的结构，必须将各电极与基准氢气和检测气体分离而绝缘，所以另外还需要一个“基准氢气气压室”。另外，为了制作基准氢气气压室，从元件自身的形状上讲也需要某种程度的尺寸，并且使用方法、使用条件也受局限。

另外，对于电流检测型而言，电流值作为物理量归类于量化物理量，如果想测量精度高，则需要大的面积或者体积。而且，需要对传感器供给用于提供电流的外部电源。

因此，本发明人等开发了一种氢气传感器，其采用了由对氢气的化学势彼此不同的材料形成的两个电极。并且，使含化学势相对较高的材料的第1电极具有作为检测氢气的检测电极的功能，使含化学势相对较低的材料的第2电极具有作为检测氢气的基准电极的功能，采用这种方式，像现有技术的电动势测定型氢气传感器那样，由于无需设置基准氢气气压室等，所以其结构上能够实现非常简单化、小型化。另外，因为是基于化学势检测氢气浓度，所以能够即时地进行氢气检测。

专利文献1：日本专利特开2003-270200号公报

专利文献2：日本专利特公平5-663号公报

发明内容

对于如上所述采用由对氢气的化学势彼此不同的材料形成的两个电极的氢气传感器，通过装入例如，兼具强度增强、防爆结构的外壳内，从而能够将其配置于检测空间中而使用。然而，如果以这样保持开放的结构原样使用，则因为会受到环境中的各种气体(尤其是氧气)或水蒸气等的影响而在进行氢气量定量测定时会存在问题。另外，在传感器开放的场合，还具有受到污染检测空间等的影响的危险。另外，如果在半密封状态下使用传感器，还存在氢气残留的问题。

本发明鉴于上述技术问题而提出，本发明的目的在于提供这样的一种氢气传感器，该传感器的检测功能受外部空间的影响少，或者传感器对外部空间产生影响的情况少。

为了实现该目的，方案1所述的氢气传感器是下述的氢气传感器，其具有第1电极和第2电极、以及与该两电极接触的电解质，基于该两电极间产生的电动势而检测上述氢气，上述第1电极和上述第2电极由对氢气的化学势彼此不同的材料形成，上述第1电极含有上述化学势相对较高的材料，上述第2电极含有上述化学势相对较低的材料，其特征在于：至少上述电解质与上述第1电极的接合部以及上述电解质与上述第2电极的接合部由具有氢选择透过性的外部覆盖层覆盖。

方案2所述的氢气传感器是方案1所述的发明，其特征在于通过将上述一对电极暂时电短路，使上述外部覆盖层内残存的氢气发生反应而去除。

方案3所述的氢气传感器是方案1或方案2所述的发明，其特征在于上述外部覆盖层通过将具有不同阻挡功能的多个原料重合而构成。

方案4所述的氢气传感器是方案1～3中的任一项所述的发明，其特征在于设有调节上述外部覆盖层内的空间的温度的机构。

方案5所述的氢气传感器是方案1～4中的任一项所述的发明，其特征在于上述第1电极由具有氢选择透过性质的金属构成。

在方案5所述的氢气传感器中，将第1电极(检测电极)设为起到氢选择透过性膜的作用的金属膜，该金属膜的其中一个面面向检测空间，而另一个面夹着电解质与第2电极(基准电极)相对。对于金属膜，不但具有对氢气之外的气体完全阻挡的功能，而且还将透过该金属膜的金属膜面上的氢的化学势的值作为与夹持电解质状态下的第2电极(基准电极)的差而检测出，以检测氢气。另外，还可用于覆盖氢透过性金属膜之外的部分。

方案6所述的发明为一种氢气泄漏警报系统，其特征在于其包括方案1～5中的任一项所述的氢气传感器，对来自氢气传感器的作为氢气检测信息的电动势变化与电压比较器的基准电压进行比较，基于该结果而发出信号。

方案7所述的发明是方案6所述氢气泄漏警报系统，其特征在于上述电压比较器构成通过将施密特反相器的阈值电压作为基准电压，将该电压与从外部输入的电压进行比较并输出该结果的电压比较器。

方案8所述的发明为一种氢气传感器阵列，其特征在于其具有多个方案1～5中的任一项所述的氢气传感器，并配置于同一基板上。

方案9所述的发明为一种氢气浓度计，其特征在于其具有方案1～5中的任一项所述的氢气传感器，及用于检测来自该氢气传感器的电动势的电路，根据上述电动势的大小而检测氢气浓度。

方案10所述的发明为一种氢气传感器元件，其特征在于在方案1～5中的任一项所述的氢气传感器元件中，装入用于检测来自设于外部的LED的光信号的光传感器，且附加具有检测是否存在来自上述氢气传感器检测部外部的氢气遮蔽污染物质，用于提高氢检测可靠性的防错功能。

发明效果

根据方案1到方案5所述的发明，能够提供这样一种具有稳定检测功能的氢气传感器，该传感器的检测功能受外部空间的影响少，或者传感器对外部空间产生的影响小。

根据方案6到方案10所述的发明，能够提供灵活使用方案1到方案5的传感器的特征的氢气泄漏警报系统、氢气传感器阵列、氢气浓度计、及氢气传感器元件。

附图说明

图1为表示本发明的氢气传感器的原理结构的图；

图2为表示本发明的氢气传感器的实施方式的图；

图3为表示图2的实施方式的氢气传感器的测试结果的图；

图4为表示图2的实施方式的氢气传感器的另一个测试结果的图；

图5为表示图2的实施方式的变形例的图；

图6为表示图5的实施方式的变形例的图；

图7为表示图2的实施方式的另一个变形例的图；

图8为表示本发明的氢气传感器的另一个实施方式的图；

图9为表示本发明的氢气传感器的另一个实施方式的图；

图10为集成图9所示的氢气传感器的状态的图；

图11为表示本发明的氢气传感器阵列的一个例子的结构图；

图12为表示图11所示的阵列中的各氢气传感器串联连接时的状态的图；

图13为表示使用本发明的氢气传感器的氢泄漏警报、控制、信息发送系统的一个例子的框图；

图14为表示使用本发明的氢气传感器的氢泄漏警报、控制、信息发送系统的一个例子的框图；

图15为表示使用本发明的氢气传感器的氢泄漏警报、控制、信息发送系统的一个例子的框图；

图16为用于概略说明图13～图15所示的系统中的电压比较器的结构和动作的图；

图17为表示使用本发明的氢气传感器的氢气浓度计的例子的框图；

图18为氢泄漏警报系统具有防错功能时的框图；

图19为具有防错功能的氢气传感器元件的外观结构图。

(符号说明)

10、10A氢气传感器12，14两个电极12、12A检测电极14基准电极16电解质、固体电解质膜18电动势测定器20、20a、20b外部覆盖层、外部覆盖膜22检测面24密闭部26短路开关28控制装置30外壳32窗34加热器36吸附剂40基板41保护膜(保护网)

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1为表示本发明的氢气传感器的结构的原理图。氢气传感器10具有一对电极12、14，与该两电极接触的固体或者液体状电解质16，及连接于电极12、14之间的电动势测定器18。而且，它们由氢阻挡性低即具有氢选择透过性的原料形成的外部覆盖层20覆盖。第1电极12起到作为对氢气的检测电极的功能，通过与氢气接触，氢的化学势发生显著变化。第2电极14起到作为对氢气的基准电极的功能，通过与氢气接触，其化学势基本上没有发生变化，即使变化也极其微小。

覆盖检测电极12的氢选择透过性外部覆盖层20的部分构成氢气检测面22。氢选择透过性外部覆盖层20可以如图1(a)所示，将整体覆盖，但最好至少覆盖检测电极12与电解质16的接触部分。如图1(b)所示，检测电极12、基准电极14及电解质16中的没有由氢选择透过性外部覆盖层20覆盖的部分基本上通过由密闭性原料形成的密闭部24覆盖。这样，电解质16、及电极12、14基本上与外部的气体或液体不接触。如图1(c)所示，基准电极14不一定非要位于检测面22之上不可。

第1电极12由对氢的化学势相比较高的第1电极材料形成，具体地，可以由铂、铂合金、钯、钯合金等的对氢气吸附活性度高的材料构成。第1电极12还可以由这些材料自身构成，也可以将这些材料镀于规定的基体上而构成。其中，只要不脱离本发明范畴，且具有作为对氢气的检测电极12的作用，采用任何的方式均可以。

第2电极14由对氢的化学势相对较低的材料形成，具体地，可以由镍、镍合金、钛、钛合金、铜、铜合金、铁、铁合金、铝、铝合金及有机导电材料等的对氢气吸附活性度低的材料构成。其中，只要不脱离本发明范畴，且具有作为对氢气的基准电极14的作用，采用任何的方式均可以。这些第1电极12和第2电极14的具体形状可以采用板状、线状、管状、圆盘状、矩形状等的各种形状。

另外，电解质16尽管可以采用固体或者液体等合适的原料，但是通常从易于处理，动作稳定性等因素上考虑，往往采用磷钨酸等固体电解质构成。磷钨酸与上述第1电极12和第2电极14的密封性也是很优良的。电解质16中除了磷钨酸等的电解质材料之外还可以含玻璃棉等的结构增强材料。此时，不但可以增大电解质16的强度，而且还可以进一步增强与电极12和14的密合性。

磷钨酸及磷钼酸由于通常呈粉末状，所以在构成固体电解质时，需要将它们压缩成型以颗粒化，以呈固体状来使用。但是，压缩成型后的试料相当脆，不能持久耐用。因此，优选地，将玻璃棉等作为结构增强材料，然后流入将磷钨酸等粉末溶入溶剂(离子交换水)中而形成的溶液，通过固化而得到最终产物的固体电解质。其制作流程如下所述。另外，本制作法从电极与电解质的密封性考虑也是有效的方法。

(1)将氢的固体电解质(磷钨酸等)粉末溶于溶剂中，形成液状。

(2)在固体电解质所在空间(模具)中埋入结构增强材料，安装电极。

(3)将呈液状的氢电解质流入结构增强材料之中。

(4)当液状的氢电解质固化时，制成传感器的模型。

优选地，外部覆盖层20使氢透过，且阻止其他的不要或者不希望的气体或者液体成分例如，水蒸气或氧气的透过。氢元素为分子尺寸小及质量最轻的元素，另外，氢分子具有无极性分子所具有的性质。基于这些理由，作为比水蒸气或氧气透过性大的原料，只要将普通树脂原材料以规定厚度形成，能够达到这样的功能，则可以从对应各种用途所开发的功能性树脂中选择。例如，作为阻止氧气透过的树脂原料，开发有各种各样的包装用膜材或气体分离膜。为了达到这种功能，可以采用通过将多个原料重合而形成的多层化的叠层膜。

通常，对水蒸气或氧气的阻挡性(以下称“气体阻挡性”)随着温度的上升而降低。因此，优选采用可在传感器运行环境中维持气体阻挡性的原料。另外，因为在与电解质接触状态下使用，所以，即使相对湿度高，也优选选择透过率稳定的树脂。此外，可以认为，作为其他一般性特性，要求是耐热性好、适于注塑成型等的制造工艺的原料等。

举一个例子，作为在相对湿度高的状态下也能够维持气体阻挡性的树脂，例如有PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PEI(聚醚酰亚胺)、PVDC(聚偏二氯乙烯)(サラン树脂：商标)、液晶聚酯(VECTRA：商标)等。尤其是，因为PEI和液晶聚酯的气体透过系数低、耐热性好，还适于注塑成型，所以特别适合批量生产的场合。另外，在注塑成型等的场合，也可按照多层方式成形。

根据这种结构，电极12、14及电解质16具有能够检测来自外部的氢气的功能。即，第1电极12和第2电极14因为由对氢气的化学势彼此不同的材料构成，所以对于外部覆盖层20内的氢气的存在而言，是通过两电极上的氢的化学势的差，即电动势的差来检测的。另一方面，至于水蒸气和氧气，因为和外部隔离，所以可以防止由于固体电解质的水合物浓度的变化及大气中的氧浓度的变化而导致的传感器信号的漂移。

这种氢气传感器10因为形成为除了使氢透过之外与外部隔断的结构，所以传感器自身不会对放置传感器的空间产生任何影响。因此，即便对于需要保持各种工业用管道或清洁室等的微小环境的空间也可以进行放心地设置。

另外，该氢气传感器10因为是通过检测电动势的差而检测氢气是否存在的，所以检测速度非常快，且对氢的稀薄浓度区的检测能力强。另外，可将两电极12、14及电解质16配置于同一外部覆盖层20，因为也无需基准氢气气压室等，所以结构上能够实现简单化、小型化。

图2表示本发明的进一步具体的实施方式，与图1(c)相对应。该氢气传感器10整体呈圆筒状或圆锥状，尺寸为6.0mmΦ×6.0mm左右，但形状、尺寸并非仅限于此。外部覆盖层20在该实施方式中用PET形成，构成具有形成检测面22的底部的筒状。传感器面的厚度设定为0.5mm。

在检测面22的里面侧，由上述化学势相对较高的材料(该例中为Pt)形成的大致呈圆板状的检测电极12固定于其上，并引出由相同原料形成的导线。在外部覆盖层20的内部空间中，填充有电解质16，于其中埋设有由化学势相对较低的材料(在该例中为Ni)形成的基准电极14。在外部覆盖层20的开口端侧，填充有具有密封性的树脂等的密封剂(密封部)24，将电解质16和电极12、14封闭于内部。另外，因为该实施方式是试制品，所以，尽管电解质16用NaCl溶液，但在实用上，从耐久性及批量生产性等的理由考虑，优选采用固体电解质。

这种结构的氢气传感器10可以采用在模具中注入树脂的成形方法来制作。尤其在批量生产时，可以通过在安装金属制电极等部件的模具中注入树脂，使之固化，即所谓的内嵌成形法制作。至于采用何种成形方法，根据外部覆盖层20、密封剂24、或固体电解质16等采用何种原料而进行适当选择。

图3表示采用图2的结构的氢气传感器10而进行氢检测测试的结果。测试方法是测定在通过氢气储气瓶将氢气以适当间隔吹入传感器时(图中用“＊”号表示。)的、电极间产生的电动势。由此可见，在与吹入氢气的几乎同时产生峰值电动势，从而检测氢气。但是可看出，如果以很短时间重复氢气的吹入，则得到的峰值不够大。即，在进行1次测定之后，形成不能检测氢气的非敏感时间段。可认为其原因在于，由于该传感器为密闭型，故装入内部的氢气难以排出，形成持续检测氢气的状态。

因此，在图2的实施方式中，设置使两个电极短路的短路开关26、在合适的定时对其进行开启关闭的控制装置28。如果使检测电极12和基准电极14短路，则在该电极间流过电流，在基准电极14中氢气和氧气发生反应而生成水，这样将氢气去除。在该例中，向控制装置28输入电动势测定器18的输出，以在检测出氢气并确认到电动势的峰值之后，将短路开关26关闭的方式控制。

图4表示使该短路开关26动作而进行测试的结果。这样，即可消除非敏感时间段的产生问题。即，图中的“＊”意味着向传感器中吹入氢气的时刻，可看出传感器与该脉冲的氢气发生反应。在该例中，尽管是，按照在观察到电动势峰值之后，立即将短路开关26关闭的方式控制，但是，也可按照以适当的间隔反复进行短路的方式构成。另外，进入电解质16的氢气通过氢透过膜而与外部的氢浓度形成热平衡的状态。当将两个电极短路时，氢气消失，该电路的电流值自然为零。然而，同时，将其中的氧消耗掉而生成水。因此，对于继续使用该功能而言，需要另添用于氧气的适度供给和水分的去除的机构。

图5为图2的实施方式的变形例，通过使检测电极12形成为网状，检测电极12与电解质16的界面扩大。检测电极12与电解质16的界面是用于将氢气变换成氢离子的地方，通过扩大该部分的有效面积，作为传感器来讲其灵敏度能够得到提高。另外，通过使检测电极12呈网状地进行检测，能够在结构上增强压力差造成的氢气传感器检测部的变形。对于传感器内部和管道内部存在压力差的情况是有利的。为了扩大有效面积，除了形成网状之外，还可以采用多孔体构成电极等的合适的方法。在该实施方式中，电极和其导线没有埋设于电解质16的内部，电极在表面上，导线穿过外部覆盖层20之中。这样，减轻了由电解质16中残存的氢带来的影响。另外，在该实施方式中，通过从电极向外部覆盖层20配置多根导线，从而在结构上对传感器进行了增强。同理，导线也可形成筒状的网格。

图6为图5的实施方式的变形例，其中设置了作用电极30。作用电极30与检测电极12之间流过电流，在检测电极12表面产生氧气，能够调整基准电极14与检测电极12之间的电位差。这样，不用从外部流入电流，通过自行放电，即可强制去除吸附于检测电极之上的氢气。因此，能够附加用于将检测电极的界面返回于电气上的某个基准，并将传感器的氢检测能力恢复成原来的状态的复位功能。

图7表示图5实施方式的另一个变形例。在该例中，在最外层上设有例如，金属制增强用外壳32。其使氢气和其它的一切气体或液体都不能通过。在该外壳32上的与检测面22相当的部分形成有窗34，在外壳32的里面侧，以覆盖窗34的方式设有第1外部覆盖层20a，其采用使氢气通过、但对氧气和其它的气体呈现高阻挡性的树脂制成。而且，在其内侧设有第2外部覆盖层20b，其采用使氢气通过、但对水蒸气呈现高阻挡性的树脂制成，其中，形成和图5相同结构的传感器部。另外，在该实施方式中，设有在电解质16的内部延伸的加热器36，根据未图示的温度传感器的输出而控制向加热器36的供电，将传感器的温度维持在规定动作温度。

在该实施方式中，与前面的实施方式相比，传感器的密闭性更高，结构强度也得到提高。因此，传感器自身不受外部影响，可以长时间地进行正确的检测。另外，反而，因为传感器还很少对外部空间产生影响，所以可以将传感器放心地配置于需要的地方。另外，因为具有温度调整功能，所以即使传感器处于通常很难运行的低温的情况下也能够进行正确的检测。另外，在该实施方式中，因为如上所述密闭性高，所以，设置吸附剂38，其用于在将从外部装入的氢气通过短路而转换成水时将该水吸附。另外，尽管为了将装入的氢气通过短路而去除时需要氧气，但也可以以适当的方式内置该氧气源。

图8表示氢气传感器的另一个实施方式。在该实施方式中，检测电极12A采用金属薄膜(如Pd或Pd合金)制成，也起到氢选择透过性膜的作用。Pd(钯)作为氢的精制膜在工业上实现了实用化，在作为氢的精制膜而使用时，用于在高温下提高氢的扩散速度。在本传感器的情况中，由于金属薄膜和氢气之间没有形成氢化物这一点是重要的，所以，采用能够确保氢的扩散速度，并且即使在较低的温度下也不能形成氢化物的材料。另外，为了提高氢的扩散速度，采用装入了加热器34的结构。

通入电解质16的氢气通过金属薄膜与外部的氢浓度达到平衡状态。在该实施方式中，与图6的实施方式一样，为了将吸附于检测电极12A上的氢强制性除去而导入作用电极30。另外，由于保护膜41为了保护检测电极12A而设置，所以为氢气透过性膜或者网。另外，在图2的实施方式中，如果将两个电极短路，则氢气将会消失，但同时其中的氧气也消耗掉而生成水，所以，为了连续利用该功能，需要另外添加适度供给氧气和去除水分的机构。在本实施例中，通过将密闭部24形成对氧气及水分具有适当透过性的膜，可应对该问题。

图9表示本发明的另一个实施方式，氢气传感器10A整体上形成为平板状。即，在绝缘性基板40上，形成固体电解质膜16，在其上以彼此隔开的方式设置规定形状的第1电极12和第2电极14。然后，在其上进一步形成具有氢选择透过性和对其他气体液体等具有阻挡性的外部覆盖层(外部覆盖膜)20A。外部覆盖膜20A至少将电解质膜16与电极12、14连接的部分密闭。

这些电解质膜16、电极12、14、外部覆盖膜20A等，通过采用半导体制造工艺等中所用的成膜或者蚀刻工艺，可以大量地生产微小尺寸的产品。例如，在1个基板40上形成多个传感器，并将其切断来使用。此时，还可以在基板40上将测定电路及图2所示的短路电路、控制电路等一体集成而形成。另外，作为具有其他功能的集成电路的一部分，还可以安装入这种传感器。

图10表示将图9所示的氢气传感器元件的变形例中装入电路中而集成化的概念图。检测电极111和基准电极112呈反向配置。

图11为表示本发明的氢气传感器阵列的一个例子的结构图。在图11所示的阵列120中，在绝缘性基板114上配置多个如图9所示的结构的氢气传感器110。由于在各氢气传感器中可进行氢气检测，所以，通过构成这种阵列，可进行氢气位置检测。其可以很好地适用于氢气站这样大规模区域的氢气泄漏的检测。

另外，如果高密度地设置各氢气传感器，则可以构成将各氢气传感器作为探测器的泄漏检测器。

而且，在图11所示的阵列中，如图12所示，如果将各氢气传感器串联连接，则可以将各氢气传感器的电动势叠加而得到整个阵列的输出电压，从而能够得到比较大的检测电压。

另外，如图1、图9等所示的氢气传感器及如图11、图12所示的氢气传感器阵列装入最适当的电路，通过该电路检测检测电压。在这种电路中装入上述氢气传感器时，在不存在氢气的环境中，上述氢气传感器的电动势将显示为以第1电极和第2电极的静电电势差规定的一定值，所以，通过上述电路可以测定上述电动势，从而能够适宜地确认上述氢气传感器的驱动可靠性。即，上述氢气传感器可以具有对工作性能的自诊断功能。

图13～图15为表示使用本发明的各气氢气传感器的氢气泄漏警报、控制、信息发送系统的一个例子的框图。

图13表示使用本发明的氢气传感器的氢气泄漏警报系统的一个例子的框图。将来自氢气传感器110的作为氢气检测信息的电动势的变化输入至高输入阻抗的输入放大器121中，在进行阻抗变换、信号电平变换之后，输入到电压比较器122中。在电压比较器122中，将该输入信号与基准电源123的基准电压进行比较，其结果经由下一级的缓冲放大器124输出。通过在该输出上连接蜂鸣器、发光二极管面板等，构成氢泄漏警报系统。

图14为使用本发明的氢气传感器的氢气泄漏控制系统的一个例子，表示氢气传感器在检测到存在一定程度以上的氢气时，可以通过发光二极管面板等中通知该信息并且同时使与外部连接的继电器或者电磁阀动作的系统。

将来自氢气传感器110的作为氢气检测信息的电动势的变化输入至高输入阻抗的输入放大器121中，在进行阻抗变换、信号电平变换之后，输入到电压比较器122中。在电压比较器122中，将该输入信号与基准电源123的基准电压进行比较，其结果经由下一级的缓冲放大器124而输出。通过在该输出中设置蜂鸣器、发光二极管面板、或者用于连向外部控制设备(Exit control System)的晶体管-晶体管逻辑输出端子(TTL OUT)，能够在显示气体泄漏信息的同时使外部的继电器或电磁阀动作。

图15为使用本发明的氢气传感器的氢泄漏信息发送系统，表示氢气传感器在检测到一定程度以上的异常氢气存在量时，通过计算机使用源于无线LAN的BBS远程发送该信息的系统的实例。

将来自氢气传感器110的作为氢气检测信息的电动势的变化输入至高输入阻抗的输入放大器121中，在进行阻抗变换、信号电平变换之后，输入到电压比较器122中。在电压比较器122中，将该输入信号与基准电源123的基准电压进行比较，其结果经由下一级的缓冲放大器124输出到下一级。对该输出进行信号电平变换(Wave Form)，通过基于个人计算机的串行通讯的典型式即RS232C端口等送至主计算机中，使用源于无线LAN的BBS远程发送该氢气检测信息。

图16为用于概略说明图13～图15所示的系统中的电压比较器的结构和动作的图。电压比较器122为该整个系统中的最重要的部分，在接收来自前级的信号而从输入放大器121输出比较基准电压值以上的电压时，从电压比较器122输出的输出电压为ON(基本上为电源电压值)，另外，如果为比较基准电压以下时，至此为ON的电压比较器122的输出电压变成OFF(基本上为0V)状态。

现有技术中，通常在此使用的电路为采用专用IC进行电压比较的电路，但是，在本例中，为了将整个电路简化且可靠地进行动作，采用施密特反相器(以下仅称为施密特电路)作为数字IC。即，作为以施密特电路的阈值电压为比较电压基准值的模拟电压比较器来使用。

施密特反相器通常用于数字电路，基本上限于数字的作用。即，对加载噪音的数字波形进行整形将成为主要目的。在本实施例中，将该机构以模拟方式使用，将其作为本实施例的电路中的最主要部分的电压比较器122来使用。即，在本例中，由施密特电路构成电压比较器122，由OFF变到ON的阈值电压和由ON变到OFF的阈值电压不同，并通过模拟方式将作为基准电压来使用。据此，具有避免外部控制电路在阈值电压附近不稳定，起到电路稳定化的作用的优点。

另外，由于电压比较器122的比较基准电压为施密特电路的阈值电压，所以，无需在外部单独设基准电压电源等，不但使装置的结构简单化，而且其操作也变得稳定且可靠。

图17为表示使用本发明的氢气传感器的氢气浓度计的例子的框图。

在图17所示的氢气浓度计中，由氢气传感器110输出的作为氢气检测信息的电动势通过高输入阻抗的输入缓冲放大器121进行阻抗变换、信号电平变换，并输入至下一级的数据表格参考(Data Table Reference)电路125。在数据表格参考电路中，事先存储氢气传感器的浓度与电动势的数据表格126，将所输入的电动势基于该表格换算成浓度，通过显示驱动器127将该值进行浓度显示。

图18为为了以更高的可靠性使用本发明的氢气传感器，在氢泄漏警报系统等(单元1)中具有防错功能(单元2和单元3)用的框图。在单元1中，将来自氢气传感器110的作为氢气检测信息的电动势的变化输入至高输入阻抗的输入放大器121中，在进行阻抗变换、信号电平变换之后，输入到电压比较器122中。在电压比较器122中，将该输入信号与基准电源123的基准电压进行比较，其结果经由下一级的缓冲放大器124输出给逻辑计算电路134。

单元2为用于在上述氢气传感器元件、输入放大器、电压比较器中具有防错功能的框图。光传感器129装入该氢气传感器元件之中，具有监视来自传感器元件感应部的外部的污染的功能，传感器起到监视由于外部污染物质而导致的功能不全的作用。

将来自光传感器129的信息输入到高输入阻抗的输入放大器130中，进行阻抗变换、信号电平变换之后，输入到电压比较器131中。在电压比较器131中，将该输入信号与基准电源132的基准电压相比较，其结果经由下一级的输出驱动器133输出至逻辑计算电路134。该两信号由逻辑计算电路134进行计算，仅在不存在来自输出缓冲器124的氢气检测信息，且光传感器129判断为正常时，即两者均仅处于正常状态时，警报蜂鸣器135会呈OFF状态而不动作。除此之外所有的时刻，即氢气传感器110发出氢检测信息时，或者光传感器129检测到外部污染物质时，及这些现象叠加时为ON，警报蜂鸣器135为ON。

单元3为用于说明对警报用发光显示器或警报用蜂鸣器等的工作性能具有防错功能的框图。警报用发光显示器或警报用蜂鸣器等的工作性能，通过在本装置中启动电源接通或者设置工作性能确认用开关137，能够用眼观察等进行。

图19表示氢气传感器检测部中的防错功能的详细情况。通过将来自该氢气检测部的信号经由单元2和3的方框电路而采用逻辑计算电路134进行判断，能够使本氢泄漏警报系统整体上附加防错功能。通过对逻辑计算电路并列设置同等电路，具有防错功能。

在图19中，氢气传感器的检测部具有防错功能，来自外部的LED136的信号透过外部保护网137，通过透光网138而由光传感器129检测到。如果该透光网138被外部污染物质遮光，则来自光传感器129的信号变成OFF，本传感器将能够检测到由于污染物质对氢气的遮蔽。另外，因为氢气传感器元件为在不存在氢气时具有固有的自发电动势的能动元件，所以，通过检测此时的电压，可以进行传感器元件自身工作性能的动作确认。

以上尽管列举具体例子对本发明作出了详细的说明，但是，本发明并非仅限于上述内容，只要不脱离本发明的范畴，可以进行各种变形或者变更。

Claims

1.一种氢气传感器，其具有第1电极和第2电极、以及与该两电极接触的电解质，基于该两电极间产生的电动势检测氢气，上述第1电极和上述第2电极由对氢气的化学势彼此不同的材料形成，上述第1电极含有上述化学势相对较高的材料，上述第2电极含有上述化学势相对较低的材料，其特征在于：至少上述电解质与上述第1电极的接合部以及上述电解质与上述第2电极的接合部由具有氢选择透过性的外部覆盖层覆盖。

2.如权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于：通过将上述一对电极暂时电短路，使上述外部覆盖层内残存的氢气发生反应。

3.如权利要求1或权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于：上述外部覆盖层通过将具有不同阻挡功能的多种原料重叠而构成。

4.如权利要求1～3中的任一项所述的氢气传感器，其特征在于：设有调节上述外部覆盖层内的空间的温度的机构。

5.如权利要求1～4中的任一项所述的氢气传感器，其特征在于：上述第1电极由具有氢选择透过性的金属构成。

6.一种氢气泄漏警报系统，其特征在于：包括权利要求1～5中的任一项所述的氢气传感器，对来自氢气传感器的作为氢气检测信息的电动势变化与电压比较器的基准电压进行比较，基于该结果发出信号。

7.如权利要求6所述的氢气泄漏警报系统，其特征在于：上述电压比较器构成通过将施密特反相器的阈值电压作为基准电压，将该电压与从外部输入的电压进行比较，并输出该结果的电压比较器。

8.一种氢气传感器阵列，其特征在于：具有多个权利要求1～5中的任一项所述的氢气传感器，且它们配置于同一基板上。

9.一种氢气浓度计，其特征在于具有：权利要求1～5中的任一项所述的氢气传感器、以及用于检测来自该氢气传感器的电动势的电路，根据上述电动势的大小检测氢气浓度。

10.一种氢气传感器元件，其特征在于：在权利要求1～5中的任一项所述的氢气传感器元件中，装入用于检测来自设于外部的LED的光信号的光传感器，且附加具有检测是否存在来自上述氢气传感器检测部的外部的氢气遮蔽污染物质，用于提高氢气检测的可靠性的防错功能。