JP2008039658A - 可燃性ガス検出器、可燃性ガス検出器の製造方法、及び可燃性ガス検出器を搭載した燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】低消費電力で、低ノイズであり、高速応答で、かつ小型化を図ることが可能となる可燃性ガス検出器、可燃性ガス検出器の製造方法、及びこれらによる可燃性ガス検出器を搭載した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】可燃性ガスを検出するための可燃性ガス検出器であって、
前記可燃性ガスと反応する触媒１と、
前記触媒の前記可燃性ガスとの反応による触媒燃焼に伴って変位する可撓体で構成された第１の変位手段２と、
前記第１の変位手段における可撓体の変位によって切り替わる電気接点３、４と、を有する構成とする。
【選択図】 図１
【解決手段】可燃性ガスを検出するための可燃性ガス検出器であって、
前記可燃性ガスと反応する触媒１と、
前記触媒の前記可燃性ガスとの反応による触媒燃焼に伴って変位する可撓体で構成された第１の変位手段２と、
前記第１の変位手段における可撓体の変位によって切り替わる電気接点３、４と、を有する構成とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、可燃性ガスを検出するための可燃性ガス検出器、可燃性ガス検出器の製造方法、及びこれらによる可燃性ガス検出器を搭載した燃料電池システムに関するものである。
燃料電池など水素利用技術の開発が進むにつれ、これらのシステムをより安全に制御するために、可燃性ガスセンサの重要性が増している。
例えば、水素は空気中で４〜７５％の濃度であれば、爆発することが知られている。
システムの故障により、可燃性ガスが外部に漏れ出した際や、システムの運転上パージ（掃気）動作が必要な場合には、爆発濃度領域内には、着火源が近づかないようにする必要がある。
最近では、車載用や家庭用定置型だけでなく、従来の２次電池の代替としてのモバイル機器用の小型燃料電池の開発も進み、可燃性ガスセンサは、ますます、小型化、低消費電力化が求められている。
例えば、水素は空気中で４〜７５％の濃度であれば、爆発することが知られている。
システムの故障により、可燃性ガスが外部に漏れ出した際や、システムの運転上パージ（掃気）動作が必要な場合には、爆発濃度領域内には、着火源が近づかないようにする必要がある。
最近では、車載用や家庭用定置型だけでなく、従来の２次電池の代替としてのモバイル機器用の小型燃料電池の開発も進み、可燃性ガスセンサは、ますます、小型化、低消費電力化が求められている。
従来、可燃性ガスセンサには、様々なものが開発され、市販されてきた。
これらは、吸着式、接触燃焼式、気体熱伝導式の大きく３つに分類され、ガス種や検出領域、応答速度などによって使い分けられる。
これらのうち、吸着式可燃性ガスセンサは、金属酸化物半導体（酸化スズ）などの表面にガスが吸着した際の、電気抵抗の変化や体積膨張を測定するものである。
また、接触燃焼式可燃性ガスセンサは、触媒（白金線など）表面でのガスの接触燃焼による温度上昇に伴う抵抗値変化を測定するものである。
また、気体熱伝導式可燃性ガスセンサは、ガスの熱伝導度の差による発熱体（白金コイルなど）の温度変化に伴う電気抵抗の変化を測定するものである。
これらは、吸着式、接触燃焼式、気体熱伝導式の大きく３つに分類され、ガス種や検出領域、応答速度などによって使い分けられる。
これらのうち、吸着式可燃性ガスセンサは、金属酸化物半導体（酸化スズ）などの表面にガスが吸着した際の、電気抵抗の変化や体積膨張を測定するものである。
また、接触燃焼式可燃性ガスセンサは、触媒（白金線など）表面でのガスの接触燃焼による温度上昇に伴う抵抗値変化を測定するものである。
また、気体熱伝導式可燃性ガスセンサは、ガスの熱伝導度の差による発熱体（白金コイルなど）の温度変化に伴う電気抵抗の変化を測定するものである。
従来において、これらの可燃性ガスセンサを小型化、低消費電力化するため、半導体加工技術を利用した開発が進められてきている。
半導体加工技術は、シリコンウェハなどを材料としてＬＳＩなどを作製するための微細加工技術である。
これを構造体を作製するために利用する、いわゆるＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）技術の開発が盛んに行われており、自動車の加速度センサなどで既に実用化されている。
半導体加工技術は、シリコンウェハなどを材料としてＬＳＩなどを作製するための微細加工技術である。
これを構造体を作製するために利用する、いわゆるＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）技術の開発が盛んに行われており、自動車の加速度センサなどで既に実用化されている。
半導体加工技術を利用して、可燃性ガスセンサを小型化した例の一つとして、非特許文献１が挙げられる。
このセンサは、吸着式のセンサで、Ｓｉで作製したカンチレバー上にパラジウム膜を形成したものである。
このセンサでは、パラジウム膜に可燃性ガスが吸着すると、膨張し、カンチレバーがたわむ。
このたわみを、カンチレバーに設けられた電極と基板上の電極との間の静電容量の変化によって検出する。
このセンサは、吸着式のセンサで、Ｓｉで作製したカンチレバー上にパラジウム膜を形成したものである。
このセンサでは、パラジウム膜に可燃性ガスが吸着すると、膨張し、カンチレバーがたわむ。
このたわみを、カンチレバーに設けられた電極と基板上の電極との間の静電容量の変化によって検出する。
また、接触燃焼式の可燃性ガスセンサとしては、例えば特許文献１に示されるように、触媒材と熱電変換素子を併せて設けるようにしたものが提案されている。
このセンサでは、可燃性ガスと触媒材との接触反応による発熱を、熱電変換効果により、電圧信号に変換し、これを検出信号としている。
さらに、このようなセンサについて、特許文献２では、半導体加工技術を用いて、さらなる小型化を図るようにした技術が開示されている。
このセンサでは、可燃性ガスと触媒材との接触反応による発熱を、熱電変換効果により、電圧信号に変換し、これを検出信号としている。
さらに、このようなセンサについて、特許文献２では、半導体加工技術を用いて、さらなる小型化を図るようにした技術が開示されている。
触媒存在下で、水素と酸素が触れると以下の反応により、触媒燃焼が起こり、水が生成される。
この反応における２５℃でのギブスの自由エネルギー変化は−２３７．２ｋＪ／ｍｏｌで、これが触媒燃焼熱となる。
温度によって変形する材料としては、従来、形状記憶やバイメタルが良く知られている。
形状記憶合金には、ＴｉＮｉ合金などがあり、所定の温度以上で予め記憶された形状に変形する。
一方、バイメタルは、熱膨張率が異なる２枚の金属板を張り合わせて構成される。
温度の変化によって曲がり方が変化する性質を利用して、温度計や温度調節装置などに利用される。微細加工を用いたバイメタルの例としては、リレーを作製した特許文献３やバルブを作成した非特許文献２などがある。
温度によって変形する材料としては、従来、形状記憶やバイメタルが良く知られている。
形状記憶合金には、ＴｉＮｉ合金などがあり、所定の温度以上で予め記憶された形状に変形する。
一方、バイメタルは、熱膨張率が異なる２枚の金属板を張り合わせて構成される。
温度の変化によって曲がり方が変化する性質を利用して、温度計や温度調節装置などに利用される。微細加工を用いたバイメタルの例としては、リレーを作製した特許文献３やバルブを作成した非特許文献２などがある。
バイメタル材料の片持ち梁構造の温度とひずみの関係は非特許文献３によって以下のように示されている。
まず、厚さｔ1、長さｌの第１層と、厚さｔ2、長さｌの第２層からなるバイメタルの温度がΔＴ上昇したときの曲率ρ、先端の変位ｙは、以下の式で表される。
まず、厚さｔ1、長さｌの第１層と、厚さｔ2、長さｌの第２層からなるバイメタルの温度がΔＴ上昇したときの曲率ρ、先端の変位ｙは、以下の式で表される。
ただし、Ｅ１、Ｅ２は各層の縦弾性係数、α1、α2は各層の熱膨張係数である。表１にさまざまな材料の代表的な物性値を示す。第１層、第２層の材料を適切に選択することで、温度差が生じた際に所望のひずみが得られるバイメタルを設計することができる。
同様に、バイメタル材料がカンチレバーではなくダイヤフラム上に形成されている場合の温度とひずみの関係は、非特許文献２によって以下のように示されている。ダイヤフラムの内半径（変位しない部分）をｂ、外半径をａとすると、
ただし、νはダイヤフラムのポアッソン比、Ｋｙは境界条件によって決まる定数である。
ここで、
ここで、
である。
一方、小型の電気機器に搭載するエネルギー源として、小型の燃料電池が注目されている。
燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来のリチウムイオン２次電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。
特に、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが最適である。しかし、水素は常温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。
一方、小型の電気機器に搭載するエネルギー源として、小型の燃料電池が注目されている。
燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来のリチウムイオン２次電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。
特に、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが最適である。しかし、水素は常温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。
このような水素を貯蔵するための技術として、つぎのような方法が知られている。
第一の方法は、水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。
タンク内のガスの圧力を２００気圧にすると体積水素密度は１８ｍｇ／ｃｍ３程度となる。
第二の方法は、水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。
水素を液化するためには、大きなエネルギーが必要であること、また、液体水素が自然気化して、漏れだしてしまうことが問題であるが、高密度な保存が可能である。
第三の方法は、水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。
この方法では、水素吸蔵合金の比重が大きいため、重量ベースでは、２ｗｔ％程度の水素しか吸蔵できず、燃料タンクが重たくなってしまうという問題点があるが、体積ベースでの吸蔵量は大きいので、小型化には有効である。
第一の方法は、水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。
タンク内のガスの圧力を２００気圧にすると体積水素密度は１８ｍｇ／ｃｍ３程度となる。
第二の方法は、水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。
水素を液化するためには、大きなエネルギーが必要であること、また、液体水素が自然気化して、漏れだしてしまうことが問題であるが、高密度な保存が可能である。
第三の方法は、水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。
この方法では、水素吸蔵合金の比重が大きいため、重量ベースでは、２ｗｔ％程度の水素しか吸蔵できず、燃料タンクが重たくなってしまうという問題点があるが、体積ベースでの吸蔵量は大きいので、小型化には有効である。
一方、固体高分子型燃料電池の発電は以下の様にして行われる。
高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。
例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィオンなどがよく知られている。
固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が発電セルとなる。
この発電セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料極を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。
高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。
例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィオンなどがよく知られている。
固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が発電セルとなる。
この発電セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料極を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。
燃料電池においては、燃料が漏れた際の安全対策として、例えば特許文献４ではつぎのような提案がなされている。
すなわち、燃料が漏洩した場合に燃料電池本体に燃料の供給を遮断する遮断手段を設け、この遮断動作を燃料検知センサの検出動作と連動させるようにした安全対策が図られている。
また、燃料電池の燃料検知手段としては、燃料電池の発電特性の低下から検知する方法、燃料がガスである場合には付臭材やヘリウムなどの検出物質を混入させる方法、等が試みられてきた。
また、燃料の遮断手段には電磁弁などが用いられていた。
すなわち、燃料が漏洩した場合に燃料電池本体に燃料の供給を遮断する遮断手段を設け、この遮断動作を燃料検知センサの検出動作と連動させるようにした安全対策が図られている。
また、燃料電池の燃料検知手段としては、燃料電池の発電特性の低下から検知する方法、燃料がガスである場合には付臭材やヘリウムなどの検出物質を混入させる方法、等が試みられてきた。
また、燃料の遮断手段には電磁弁などが用いられていた。
また、小型の燃料電池は燃料を循環させずに、出口を閉じた状態で消費された燃料分を燃料タンクから供給する方式（デッドエンド方式）がよく用いられる。しかしながら、この方法では、電解質膜を透過して窒素や水蒸気などの不純ガスが燃料流路中に蓄積され、時間とともに発電特性が低下するという課題がある。そこで、デッドエンド方式の燃料電池では、蓄積した不純ガスを排出するため、掃気（パージ）動作がしばしば行われる。パージ動作のＯＮ／ＯＦＦ切り替えは、時間や燃料電池の出力、燃料流路内のガス濃度によって制御されていた。
特開２００３−１５６４６１号公報
特開２００５−３００５２２号公報
特開２０００−２４６６７６号公報
特開平８−３１５８４７号公報
Ｄ．Ｒ．Ｂａｓｅｌｔ ｅｔ ａｌ．，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ ８８（２００３）１２０−１３１
Ｈ．Ｊｅｒｍａｎ，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．４（１９９４）２１０−２１６
Ｓ．Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．， １１（１９２５）２３３−２５５
しかしながら、上記した従来の可燃性ガスを検出するためのガスセンサにおいては、つぎのような問題を有している。
例えば、吸着式のガスセンサは、常温では、非常に安定性、応答性が悪く、この応答性を改善するために、ヒーターで素子を温めておく方法がよく用いられる。しかしながら、ヒーターを使用すると、待機中も発熱体に常に電気を流しつづける必要があり、センサの消費電力が大きくなるという問題が生じる。
また、気体熱伝導式可燃性ガスセンサは、検出濃度が高濃度であるため、数％程度の濃度を検出するものには適さない。
また、待機中も発熱体に常に電気を流しつづける必要があり、センサの消費電力が大きくなるという問題が生じる。
また、従来の吸着式、接触燃焼式、気体熱伝導式等による可燃性ガスセンサは、電圧や電気抵抗の変化をアナログ信号として検出していたため、ノイズに弱かった。
さらには、検出信号の処理回路の小型化が難しく、また、常に電力を使用しているものが多かった。
また、従来の上記可燃性ガス検出器では、小型化が十分でなく、また、消費電力も小さくないため、小型電気機器用の燃料電池に用いるには、システムが大型化し、あるいは余分なエネルギーが必要となるという問題を有していた。
例えば、吸着式のガスセンサは、常温では、非常に安定性、応答性が悪く、この応答性を改善するために、ヒーターで素子を温めておく方法がよく用いられる。しかしながら、ヒーターを使用すると、待機中も発熱体に常に電気を流しつづける必要があり、センサの消費電力が大きくなるという問題が生じる。
また、気体熱伝導式可燃性ガスセンサは、検出濃度が高濃度であるため、数％程度の濃度を検出するものには適さない。
また、待機中も発熱体に常に電気を流しつづける必要があり、センサの消費電力が大きくなるという問題が生じる。
また、従来の吸着式、接触燃焼式、気体熱伝導式等による可燃性ガスセンサは、電圧や電気抵抗の変化をアナログ信号として検出していたため、ノイズに弱かった。
さらには、検出信号の処理回路の小型化が難しく、また、常に電力を使用しているものが多かった。
また、従来の上記可燃性ガス検出器では、小型化が十分でなく、また、消費電力も小さくないため、小型電気機器用の燃料電池に用いるには、システムが大型化し、あるいは余分なエネルギーが必要となるという問題を有していた。
本発明は、上記課題に鑑み、低消費電力で、低ノイズであり、高速応答で、かつ小型化を図ることが可能となる可燃性ガス検出器、可燃性ガス検出器の製造方法、及びこれらによる可燃性ガス検出器を搭載した燃料電池システムの提供を目的とするものである。
本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した可燃性ガス検出器、可燃性ガス検出器の製造方法、及びこれらによる可燃性ガス検出器を搭載した燃料電池システムを提供するものである。
本発明の可燃性ガス検出器は、
前記可燃性ガスと反応する触媒と、
前記触媒の前記可燃性ガスとの反応による触媒燃焼に伴って変位する可撓体で構成された第１の変位手段と、
前記第１の変位手段における可撓体の変位によって切り替わる電気接点と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記触媒が、白金を含む材料で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記第１の変位手段における可撓体が、ダイヤフラム、またはカンチレバーであることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記ダイヤフラム、またはカンチレバーが、熱膨張率の異なる複数の材料の張り合わせ、または形状記憶合金によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記ダイヤフラム、またはカンチレバーが、前記触媒の前記可燃性ガスとの反応による触媒燃焼に伴い、前記可燃性ガスを吸着して膨張する変位手段によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記ダイヤフラムが、前記触媒と前記電気接点との間に、前記可燃性ガスを透過しない隔壁を構成していることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記第１の変位手段と前記触媒との間に、熱伝導部材を有することを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記電気接点の間隔が、前記可燃性ガスの消炎距離よりも短く、かつ
前記電気接点から前記可撓体外縁までの最短距離が、前記可燃性ガスの消炎距離よりも長いことを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記第１の変位手段における可撓体とは温度によって逆方向に変位する可撓体で構成された第２の変位手段を備え、
前記第２の変位手段が、前記第１の変位手段と断熱層を介して配設されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、触媒を備えず、前記第１の変位手段と温度による同じ変位特性を有する可撓体で構成された第２の変位手段を備え、
前記第２の変位手段が、前記第１の変位手段と同方向に変位可能に配設されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、上記したいずれかに記載の可燃性ガス検出器によって構成された第１の可燃性ガス検出器と、
触媒を備えず、温度によって変位する可撓体で構成され、該可撓体の変位によって切り替わる電気接点を有する第２の可燃性ガス検出器と、
を備え、前記第１の可燃性ガス検出器と前記第２の可燃性ガス検出器とが並設され、または重ねて配置されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、上記したいずれかに記載の可燃性ガス検出器が、複数配置して構成されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記複数の検出器における可撓体は、長さ、幅、または厚さのいずれかが、それぞれ異なることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記複数の検出器における触媒は、種類、量、または設置位置のいずれかが、それぞれ異なることを特徴とする。
また、本発明の燃性ガス検出器の製造方法は、
基板に形成された絶縁断熱層上に、下部電極を形成する工程と、
前記下部電極を含む前記絶縁断熱層上に、支持層を含む犠牲層を形成する工程と、
前記支持層を含む犠牲層上に、上部電極を形成する工程と、
前記上部電極を含む前記犠牲層上にバイメタル下層を形成した後、該バイメタル下層上にバイメタル上層を形成する工程と、
前記バイメタル上層上に触媒層を形成した後、前記犠牲層をエッチングして上記バイメタル上層と下層とによるカンチレバーをリリースし、該カンチレバーに上部電極を形成する一方、前記基板の絶縁断熱層上に下部電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器の製造方法は、
第１基板に形成された絶縁断熱層上にバイメタル下層を形成した後、該バイメタル下層上にバイメタル上層を形成する工程と、
前記バイメタル上層上に、触媒層を形成する工程と、
前記第１基板における前記触媒層が形成された面の反対面側をエッチングした後、エッチングされずに残された面上に上部電極層を形成する工程と、
第２基板を準備し、該第２基板をエッチングして該第２基板の両端側に支持層を形成し、該支持層に挟まれた領域に下部電極層を形成する工程と、
前記上部電極層の形成された第１基板と、下部電極層の形成された第２基板とを、これら上部電極層と下部電極層とを対向させて張り合せる工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、上記したいずれかに記載の可燃性ガス検出器、あるいは上記したいずれかに記載の可燃性ガス検出器の製造方法によって製造された可燃性ガス検出器を有することを特徴とする。
本発明の可燃性ガス検出器は、
前記可燃性ガスと反応する触媒と、
前記触媒の前記可燃性ガスとの反応による触媒燃焼に伴って変位する可撓体で構成された第１の変位手段と、
前記第１の変位手段における可撓体の変位によって切り替わる電気接点と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記触媒が、白金を含む材料で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記第１の変位手段における可撓体が、ダイヤフラム、またはカンチレバーであることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記ダイヤフラム、またはカンチレバーが、熱膨張率の異なる複数の材料の張り合わせ、または形状記憶合金によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記ダイヤフラム、またはカンチレバーが、前記触媒の前記可燃性ガスとの反応による触媒燃焼に伴い、前記可燃性ガスを吸着して膨張する変位手段によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記ダイヤフラムが、前記触媒と前記電気接点との間に、前記可燃性ガスを透過しない隔壁を構成していることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記第１の変位手段と前記触媒との間に、熱伝導部材を有することを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記電気接点の間隔が、前記可燃性ガスの消炎距離よりも短く、かつ
前記電気接点から前記可撓体外縁までの最短距離が、前記可燃性ガスの消炎距離よりも長いことを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記第１の変位手段における可撓体とは温度によって逆方向に変位する可撓体で構成された第２の変位手段を備え、
前記第２の変位手段が、前記第１の変位手段と断熱層を介して配設されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、触媒を備えず、前記第１の変位手段と温度による同じ変位特性を有する可撓体で構成された第２の変位手段を備え、
前記第２の変位手段が、前記第１の変位手段と同方向に変位可能に配設されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、上記したいずれかに記載の可燃性ガス検出器によって構成された第１の可燃性ガス検出器と、
触媒を備えず、温度によって変位する可撓体で構成され、該可撓体の変位によって切り替わる電気接点を有する第２の可燃性ガス検出器と、
を備え、前記第１の可燃性ガス検出器と前記第２の可燃性ガス検出器とが並設され、または重ねて配置されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、上記したいずれかに記載の可燃性ガス検出器が、複数配置して構成されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記複数の検出器における可撓体は、長さ、幅、または厚さのいずれかが、それぞれ異なることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器は、前記複数の検出器における触媒は、種類、量、または設置位置のいずれかが、それぞれ異なることを特徴とする。
また、本発明の燃性ガス検出器の製造方法は、
基板に形成された絶縁断熱層上に、下部電極を形成する工程と、
前記下部電極を含む前記絶縁断熱層上に、支持層を含む犠牲層を形成する工程と、
前記支持層を含む犠牲層上に、上部電極を形成する工程と、
前記上部電極を含む前記犠牲層上にバイメタル下層を形成した後、該バイメタル下層上にバイメタル上層を形成する工程と、
前記バイメタル上層上に触媒層を形成した後、前記犠牲層をエッチングして上記バイメタル上層と下層とによるカンチレバーをリリースし、該カンチレバーに上部電極を形成する一方、前記基板の絶縁断熱層上に下部電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガス検出器の製造方法は、
第１基板に形成された絶縁断熱層上にバイメタル下層を形成した後、該バイメタル下層上にバイメタル上層を形成する工程と、
前記バイメタル上層上に、触媒層を形成する工程と、
前記第１基板における前記触媒層が形成された面の反対面側をエッチングした後、エッチングされずに残された面上に上部電極層を形成する工程と、
第２基板を準備し、該第２基板をエッチングして該第２基板の両端側に支持層を形成し、該支持層に挟まれた領域に下部電極層を形成する工程と、
前記上部電極層の形成された第１基板と、下部電極層の形成された第２基板とを、これら上部電極層と下部電極層とを対向させて張り合せる工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、上記したいずれかに記載の可燃性ガス検出器、あるいは上記したいずれかに記載の可燃性ガス検出器の製造方法によって製造された可燃性ガス検出器を有することを特徴とする。
本発明によれば、低消費電力で、低ノイズであり、高速応答で、かつ小型化を図ることが可能となる可燃性ガス検出器、可燃性ガス検出器の製造方法、及びこれらによる可燃性ガス検出器を搭載した燃料電池システムを実現することができる。
つぎに、本発明の実施の形態における可燃性ガス検出器について説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態においては、可撓体にカンチレバーを用いた可燃性ガス検出器の構成例について説明する。
図１に、本実施の形態における可燃性ガス検出器を説明するための側断面図を示す。また、図２にその上面図を示す。
本実施の形態における可燃性ガス検出器は、触媒層１、変位層（カンチレバー）２、上部電極３、下部電極４、配線５、検知器６によって構成される。
ここで、触媒層１は、例えば水素を検出ガスとした場合には、これを構成する材料として白金が適している。また、検出雰囲気中に一酸化炭素が含まれる場合には、白金とルテニウムの化合物を使用することで、触媒が一酸化炭素によって被毒されるのを防ぐことができる。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態においては、可撓体にカンチレバーを用いた可燃性ガス検出器の構成例について説明する。
図１に、本実施の形態における可燃性ガス検出器を説明するための側断面図を示す。また、図２にその上面図を示す。
本実施の形態における可燃性ガス検出器は、触媒層１、変位層（カンチレバー）２、上部電極３、下部電極４、配線５、検知器６によって構成される。
ここで、触媒層１は、例えば水素を検出ガスとした場合には、これを構成する材料として白金が適している。また、検出雰囲気中に一酸化炭素が含まれる場合には、白金とルテニウムの化合物を使用することで、触媒が一酸化炭素によって被毒されるのを防ぐことができる。
触媒層１に検出ガスが接触すると、雰囲気中の酸素と反応することで、触媒燃焼が起き、発熱が起こる。
この発熱により変位層（カンチレバー）２が対向する電極が近づくように変位する。
この変位するメカニズムは、例えば、変位層としてパラジウム膜などを使用すると、発熱により水素が吸着しやすくなり、膜が膨張することを利用できる。
その他としては、変位層として、ＴｉＮｉ合金などの形状記憶合金を使用し、所定の温度以上になると、変位するように記憶させておくこともできる。
また、別の方法としては、変位層として、温度膨張率の異なる２種の膜を張り合わせたバイメタルを構成することで、温度上昇に伴うひずみを生じさせることもできる。
この際、バイメタル材料の一方を触媒層１と兼ねてもよい。
また、カンチレバー２は、前記変位する材料のみからなっていてもよいし、さらに構造を保持するための基板を有していてもよい。
この発熱により変位層（カンチレバー）２が対向する電極が近づくように変位する。
この変位するメカニズムは、例えば、変位層としてパラジウム膜などを使用すると、発熱により水素が吸着しやすくなり、膜が膨張することを利用できる。
その他としては、変位層として、ＴｉＮｉ合金などの形状記憶合金を使用し、所定の温度以上になると、変位するように記憶させておくこともできる。
また、別の方法としては、変位層として、温度膨張率の異なる２種の膜を張り合わせたバイメタルを構成することで、温度上昇に伴うひずみを生じさせることもできる。
この際、バイメタル材料の一方を触媒層１と兼ねてもよい。
また、カンチレバー２は、前記変位する材料のみからなっていてもよいし、さらに構造を保持するための基板を有していてもよい。
カンチレバーが発熱に伴って、一定量以上ひずむと、カンチレバー２の上部電極３と対向する下部電極４が接触し、検知器６に通電信号が伝えられる。これにより、水素濃度が一定値を超えたことが分かる。
この際、カンチレバー上の上部電極３は、専用の部材から成っていてもよいし、カンチレバーの基板や、変位層を兼ねていてもよい。
水素濃度が再び検出濃度以下になると、触媒部での発熱が押さえられ、カンチレバーが元に戻ることで、電極同士が離れる。
対向する２つの電極間の距離を可燃性ガスの消炎距離より狭くしたり、電極からカンチレバー外縁までの距離を可燃性ガスの消炎距離より長く設定しておくと、接点の接触に伴う着火の恐れがなくさらに安全性が高まる。
例えば、可燃性ガスが水素の場合には、消炎距離は、０．６ｍｍである。
この際、カンチレバー上の上部電極３は、専用の部材から成っていてもよいし、カンチレバーの基板や、変位層を兼ねていてもよい。
水素濃度が再び検出濃度以下になると、触媒部での発熱が押さえられ、カンチレバーが元に戻ることで、電極同士が離れる。
対向する２つの電極間の距離を可燃性ガスの消炎距離より狭くしたり、電極からカンチレバー外縁までの距離を可燃性ガスの消炎距離より長く設定しておくと、接点の接触に伴う着火の恐れがなくさらに安全性が高まる。
例えば、可燃性ガスが水素の場合には、消炎距離は、０．６ｍｍである。
次に、本実施の形態の他の応用形態を示す。
前述した可燃性ガス検出器は、所定のガス濃度以上になると、上部電極３と対向する下部電極４が接触することで電気接点がＯＮになるものであった。
これに対して、図３及び図４に示すように、逆に、所定の温度以上で上記電気接点がＯＦＦになるように構成することも可能である。
図３及び図４に、上記応用形態の可燃性ガス検出器の構成例を説明するための側断面図を示す。
図３は、内部応力などを利用して、予めカンチレバーを撓ませて、電極を接触させておき、所定の温度以上で電気接点がＯＦＦになるようにした構成例である。また、図４は予め電極パッド間のギャップをなくしておき、所定の温度以上で電気接点がＯＦＦになるようにした構成例である。
いずれの場合においても、温度の上昇と共に、対向する電極が離れる方向に変位層が変位する。
前述した可燃性ガス検出器は、所定のガス濃度以上になると、上部電極３と対向する下部電極４が接触することで電気接点がＯＮになるものであった。
これに対して、図３及び図４に示すように、逆に、所定の温度以上で上記電気接点がＯＦＦになるように構成することも可能である。
図３及び図４に、上記応用形態の可燃性ガス検出器の構成例を説明するための側断面図を示す。
図３は、内部応力などを利用して、予めカンチレバーを撓ませて、電極を接触させておき、所定の温度以上で電気接点がＯＦＦになるようにした構成例である。また、図４は予め電極パッド間のギャップをなくしておき、所定の温度以上で電気接点がＯＦＦになるようにした構成例である。
いずれの場合においても、温度の上昇と共に、対向する電極が離れる方向に変位層が変位する。
また、電極層を図５に示すように構成することも可能である。
この場合、カンチレバー上の上部電極３は、基板上で２つの下部電極４を接続するように変位する。
このような電極配置を用いることで、カンチレバー上に配線を施す必要がなくなり、作製プロセスを簡略化することができる。
また、図６の上面図に示すように、触媒層１とカンチレバー２とを離して設置しておくことも可能である。
この場合、触媒層とカンチレバー上の変位層との間は熱伝導性の高い部材１１で接続されていることが好ましい。
この場合、カンチレバー上の上部電極３は、基板上で２つの下部電極４を接続するように変位する。
このような電極配置を用いることで、カンチレバー上に配線を施す必要がなくなり、作製プロセスを簡略化することができる。
また、図６の上面図に示すように、触媒層１とカンチレバー２とを離して設置しておくことも可能である。
この場合、触媒層とカンチレバー上の変位層との間は熱伝導性の高い部材１１で接続されていることが好ましい。
また、前記可燃性ガス検出器を複数個配置して使用することも可能である。
これにより、センサの信頼度を向上させたり、濃度の空間分布を知ることができる。
更には、カンチレバーごとに検出濃度を変えるため、図７に示すように、カンチレバーの長さの異なるものを複数個配置するようにしてもよい。
このように構成することで、それぞれの検出濃度が異なるため、単一の素子では、ＯＮ／ＯＦＦのみの検出となるが、長さの異なるものを複数個配置したことにより濃度範囲を離散的に知ることができる。
カンチレバーごとに検出濃度を変えるための構成例としては、以上のカンチレバーの長さを変える他に、幅や厚さ、材質、触媒の種類、量、あるいは触媒位置などを変えることによっても可能である。
これにより、センサの信頼度を向上させたり、濃度の空間分布を知ることができる。
更には、カンチレバーごとに検出濃度を変えるため、図７に示すように、カンチレバーの長さの異なるものを複数個配置するようにしてもよい。
このように構成することで、それぞれの検出濃度が異なるため、単一の素子では、ＯＮ／ＯＦＦのみの検出となるが、長さの異なるものを複数個配置したことにより濃度範囲を離散的に知ることができる。
カンチレバーごとに検出濃度を変えるための構成例としては、以上のカンチレバーの長さを変える他に、幅や厚さ、材質、触媒の種類、量、あるいは触媒位置などを変えることによっても可能である。
以上による可燃性ガス検出器は、環境温度の変化によっても、カンチレバーが変位する。
そこで、以下に示すように構成することで、外部環境温度の変化を補正することができる。
図８に、外部環境温度の変化を補正するようにした第１の構成例を説明するための側断面図を示す。
第１の構成例は、図８に示すように、第２の変位層８を触媒層１とは断熱層７を介して配置するものである。
その際、この第２の変位層８は温度によって、第１の変位層とは逆の方向に変位するようにする。
このようにすることで、触媒燃焼の熱は、断熱層７によって伝わらないため変位しないが、外部環境温度には、第１の変位層とは逆方向に撓わもうとするため、変位をキャンセルすることができる。
そこで、以下に示すように構成することで、外部環境温度の変化を補正することができる。
図８に、外部環境温度の変化を補正するようにした第１の構成例を説明するための側断面図を示す。
第１の構成例は、図８に示すように、第２の変位層８を触媒層１とは断熱層７を介して配置するものである。
その際、この第２の変位層８は温度によって、第１の変位層とは逆の方向に変位するようにする。
このようにすることで、触媒燃焼の熱は、断熱層７によって伝わらないため変位しないが、外部環境温度には、第１の変位層とは逆方向に撓わもうとするため、変位をキャンセルすることができる。
次に、図９に、外部環境温度の変化を補正するようにした第２の構成例を説明するための側断面図を示す。
第２の構成例は、図９に示すように、第２のカンチレバー９を設けるように構成する。
この第２のカンチレバー９は、触媒層を有さず、温度による変位特性がほぼ第１のカンチレバー２と同等のものである。
環境温度が変化すると、第１のカンチレバー２及び第２のカンチレバー９は、同じように変位するため、両者のギャップは変わらない。
触媒燃焼時には、第１のカンチレバー２のみが変位するため、第１及び第２のカンチレバーにそれぞれ設けられた電極パッドが接触し、接点がＯＮになる。
第２の構成例は、図９に示すように、第２のカンチレバー９を設けるように構成する。
この第２のカンチレバー９は、触媒層を有さず、温度による変位特性がほぼ第１のカンチレバー２と同等のものである。
環境温度が変化すると、第１のカンチレバー２及び第２のカンチレバー９は、同じように変位するため、両者のギャップは変わらない。
触媒燃焼時には、第１のカンチレバー２のみが変位するため、第１及び第２のカンチレバーにそれぞれ設けられた電極パッドが接触し、接点がＯＮになる。
次に、図１０に、外部環境温度の変化を補正するようにした第３の構成例を説明するための側断面図を示す。
第３の構成例は、図１０に示すように、第２の検出器１０を設けるように構成する。
この第２の検出器１０は、触媒層を有さず、温度による変位特性がほぼ第１の検出器と同等のものである。
環境温度が変化すると、第１の検出器、および、第２の検出器１０は同じように変位するため、両者がＯＮになった場合は、ガスを検出したのではなく、環境温度の変化によるものである。
触媒燃焼時には、第１の検出器のみがＯＮになる。この信号の違いによって、温度補償を行うことができる。
第３の構成例は、図１０に示すように、第２の検出器１０を設けるように構成する。
この第２の検出器１０は、触媒層を有さず、温度による変位特性がほぼ第１の検出器と同等のものである。
環境温度が変化すると、第１の検出器、および、第２の検出器１０は同じように変位するため、両者がＯＮになった場合は、ガスを検出したのではなく、環境温度の変化によるものである。
触媒燃焼時には、第１の検出器のみがＯＮになる。この信号の違いによって、温度補償を行うことができる。
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態として、可撓体にダイヤフラムを用いた可燃性ガス検出器の構成例について説明する。
図１１に、本実施の形態における可燃性ガス検出器を説明するための側断面図を示す。また、図１２にその上面図を示す。
本実施の形態における可燃性ガス検出器は、触媒層１０１、変位層（ダイヤフラム）１０２、一対の電極パッドを構成する上部電極１０３、下部電極１０４、配線１０５、検知器１０６によって構成される。
ここで、触媒層１０１は、例えば水素を検出ガスとした場合には、これを構成する材料として白金が適している。また、検出雰囲気中に一酸化炭素が含まれる場合には、白金とルテニウムの化合物を使用することで、触媒が一酸化炭素によって被毒されるのを防ぐことができる。
本発明の第２の実施の形態として、可撓体にダイヤフラムを用いた可燃性ガス検出器の構成例について説明する。
図１１に、本実施の形態における可燃性ガス検出器を説明するための側断面図を示す。また、図１２にその上面図を示す。
本実施の形態における可燃性ガス検出器は、触媒層１０１、変位層（ダイヤフラム）１０２、一対の電極パッドを構成する上部電極１０３、下部電極１０４、配線１０５、検知器１０６によって構成される。
ここで、触媒層１０１は、例えば水素を検出ガスとした場合には、これを構成する材料として白金が適している。また、検出雰囲気中に一酸化炭素が含まれる場合には、白金とルテニウムの化合物を使用することで、触媒が一酸化炭素によって被毒されるのを防ぐことができる。
触媒層１０１に検出ガスが接触すると、雰囲気中の酸素と反応することで、触媒燃焼が起き、発熱が起こる。
この発熱により変位層（ダイヤフラム）１０２が対向する電極が近づくように変位する。
変位するメカニズムは、例えば、変位層としてパラジウム膜などを使用すると、発熱により水素が吸着しやすくなり、膜が膨張することを利用できる。
その他としては、変位層として、ＴｉＮｉ合金などの形状記憶合金を使用し、所定の温度以上になると、変位するように記憶させておくこともできる。
また、別の方法としては、変位層として、温度膨張率の異なる２種の膜を張り合わせてバイメタルを構成することで、温度上昇に伴うひずみを生じさせることもできる。
この際、バイメタル材料の一方を触媒層１０１と兼ねてもよい。
また、ダイヤフラム１０２は、前記変位する材料のみからなっていても良いし、さらに構造を保持するための基板を有していてもよい。
この発熱により変位層（ダイヤフラム）１０２が対向する電極が近づくように変位する。
変位するメカニズムは、例えば、変位層としてパラジウム膜などを使用すると、発熱により水素が吸着しやすくなり、膜が膨張することを利用できる。
その他としては、変位層として、ＴｉＮｉ合金などの形状記憶合金を使用し、所定の温度以上になると、変位するように記憶させておくこともできる。
また、別の方法としては、変位層として、温度膨張率の異なる２種の膜を張り合わせてバイメタルを構成することで、温度上昇に伴うひずみを生じさせることもできる。
この際、バイメタル材料の一方を触媒層１０１と兼ねてもよい。
また、ダイヤフラム１０２は、前記変位する材料のみからなっていても良いし、さらに構造を保持するための基板を有していてもよい。
ダイヤフラムが発熱に伴って、一定量以上ひずむと、ダイヤフラムの上部電極１０３と対向する下部電極１０４が接触し、検知器１０６に通電信号が伝えられる。これにより、水素濃度が一定値を超えたことが分かる。
この際、ダイヤフラム上の電極パッドは、専用の部材から成っていてもよいし、ダイヤフラムの基板や、変位層を兼ねていてもよい。
水素濃度が再び検出濃度以下になると、触媒部での発熱が押さえられ、ダイヤフラムが元に戻ることで、電極同士が離れる。
この際、ダイヤフラム上の電極パッドは、専用の部材から成っていてもよいし、ダイヤフラムの基板や、変位層を兼ねていてもよい。
水素濃度が再び検出濃度以下になると、触媒部での発熱が押さえられ、ダイヤフラムが元に戻ることで、電極同士が離れる。
尚、通常状態でＯＮになるような形態、電極パッドの配置例、複数の検出器の使用、温度補償に関しては、実施の形態１と同様である。
ダイヤフラムを用いると、第１の実施の形態のようにカンチレバーを使用した場合に比べ、温度変化に対して変位が得られにくい反面、触媒層と電極パッドがダイヤフラムによって隔てられているため、より安全性を向上させることが可能となる。
ダイヤフラムを用いると、第１の実施の形態のようにカンチレバーを使用した場合に比べ、温度変化に対して変位が得られにくい反面、触媒層と電極パッドがダイヤフラムによって隔てられているため、より安全性を向上させることが可能となる。
以上の実施の形態１、２の可燃性ガス検出器によれば、待機時には電力をほとんど消費せず、さらに、検出は接点のＯＮ／ＯＦＦの判定で行うため、機構が単純で小型化しやすく、ノイズに強いものを実現することができる。
また、検出回路の機構も単純化することができ、小型化し易い構成とすることが可能となる。
また、スイッチングする濃度の異なる複数のセンサを集積化することにより、検出精度を向上することができる。
特に、燃料電池に用いた場合には、漏洩検知の他、パージ（掃気）制御手段として使用できる。
さらには、本発明の可燃性ガス検出器は、外部環境が高温になるほどスイッチが入りやすい構成とすることも可能であり、燃料電池をより安全に運転することができる。
また、検出回路の機構も単純化することができ、小型化し易い構成とすることが可能となる。
また、スイッチングする濃度の異なる複数のセンサを集積化することにより、検出精度を向上することができる。
特に、燃料電池に用いた場合には、漏洩検知の他、パージ（掃気）制御手段として使用できる。
さらには、本発明の可燃性ガス検出器は、外部環境が高温になるほどスイッチが入りやすい構成とすることも可能であり、燃料電池をより安全に運転することができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、可撓体としてバイメタルによるカンチレバーを用いた可燃性ガス検出器の構成例について説明する。
本実施例の可燃性ガス検出器は、従来の機械加工技術によっても作製することができるが、ここでは、半導体加工技術を用いた場合の作成方法について説明する。また、サイズや各部の材質なども様々な組み合わせがあるが、そのうちの一例を示すこととする。
［実施例１］
実施例１においては、可撓体としてバイメタルによるカンチレバーを用いた可燃性ガス検出器の構成例について説明する。
本実施例の可燃性ガス検出器は、従来の機械加工技術によっても作製することができるが、ここでは、半導体加工技術を用いた場合の作成方法について説明する。また、サイズや各部の材質なども様々な組み合わせがあるが、そのうちの一例を示すこととする。
図１３に、本実施例の可燃性ガス検出器の構成例を説明するための斜視図を示す。
本実施例の可燃性ガス検出器は、シリコン基板上２０６に、絶縁および断熱のための酸化物層２０７、下部電極２０５を有する。
ニッケルの支持層２０８上にカンチレバーが設けられている。
カンチレバーはシリコン梁上にアルミ層、白金層があり、シリコンによるバイメタル下層２０３とアルミによるバイメタル上層２０２ってバイメタルを形成し、白金が触媒層２０１となっている。カンチレバー先端には、上部電極２０４が形成されている。
各部の寸法は、以下のとおりである。
絶縁層２０７の厚さは０．５μｍ、支持層２０８厚さは５μｍ、電極２０４、２０５のサイズは５００μ×５００μｍ×０．５μｍである。
また、カンチレバー長さは１０００μｍ、幅は５００μ、シリコン層の厚さは５μｍ、アルミ層の厚さは５μｍ、白金層の厚さは１μｍである。
本実施例の可燃性ガス検出器は、シリコン基板上２０６に、絶縁および断熱のための酸化物層２０７、下部電極２０５を有する。
ニッケルの支持層２０８上にカンチレバーが設けられている。
カンチレバーはシリコン梁上にアルミ層、白金層があり、シリコンによるバイメタル下層２０３とアルミによるバイメタル上層２０２ってバイメタルを形成し、白金が触媒層２０１となっている。カンチレバー先端には、上部電極２０４が形成されている。
各部の寸法は、以下のとおりである。
絶縁層２０７の厚さは０．５μｍ、支持層２０８厚さは５μｍ、電極２０４、２０５のサイズは５００μ×５００μｍ×０．５μｍである。
また、カンチレバー長さは１０００μｍ、幅は５００μ、シリコン層の厚さは５μｍ、アルミ層の厚さは５μｍ、白金層の厚さは１μｍである。
次に、本実施例における可燃性ガス検出器の半導体加工技術による作製方法について説明する。
図１４及び図１５に、本実施例の作製手順を説明するための各作製工程における側断面図を示す。
まず、図１４（ａ）に示す第１の工程は、シリコン基板２０６の表面に絶縁断熱層２０７を形成する工程である。
シリコン基板２０６は、片面研磨、厚さ５２５μのものを使用できる。熱酸化により、シリコン基板の表面に厚さ０．５μｍ程度の絶縁断熱層２０７を形成する。
次に、図１４（ｂ）に示す第２の工程は、下部電極２０５、および、配線を形成する工程である。
電極には、耐食性があり、低抵抗であることから、Ａｕが適している。
電極の形成は、まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ａｕを０．５μｍ成膜する。
成膜には、スパッタリングやイオンビーム蒸着などが適している。
成膜後、犠牲層となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる（いわゆるリフトオフ法）。
図１４及び図１５に、本実施例の作製手順を説明するための各作製工程における側断面図を示す。
まず、図１４（ａ）に示す第１の工程は、シリコン基板２０６の表面に絶縁断熱層２０７を形成する工程である。
シリコン基板２０６は、片面研磨、厚さ５２５μのものを使用できる。熱酸化により、シリコン基板の表面に厚さ０．５μｍ程度の絶縁断熱層２０７を形成する。
次に、図１４（ｂ）に示す第２の工程は、下部電極２０５、および、配線を形成する工程である。
電極には、耐食性があり、低抵抗であることから、Ａｕが適している。
電極の形成は、まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ａｕを０．５μｍ成膜する。
成膜には、スパッタリングやイオンビーム蒸着などが適している。
成膜後、犠牲層となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる（いわゆるリフトオフ法）。
次に、図１４（ｃ）に示す第３の工程は、支持層及びカンチレバーの犠牲層２０８を形成する工程である。
Ｎｉを５μｍ蒸着する。膜圧が厚い場合は、メッキによって成膜することも有効である。
次に、図１４（ｄ）に示す第４の工程は、上部電極２０４を形成する工程である。
下部電極同様、電極には、耐食性があり、低抵抗であることから、Ａｕが適している。
電極の形成は、まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ａｕを０．５μｍ成膜する。
成膜には、スパッタリングやイオンビーム蒸着などが適している。
成膜後、犠牲層２０８となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる。
次に、図１４（ｅ）に示す第５の工程は、バイメタル下層２０３の形成である。シリコンを５μｍ成膜、パターニングする。シリコンの成膜には、スパッタリングなどが使用できる。
また、パターニングには、成膜時にシャドウマスクを用いたり、成膜後にドライエッチングやウェットエッチングを用いる。
Ｎｉを５μｍ蒸着する。膜圧が厚い場合は、メッキによって成膜することも有効である。
次に、図１４（ｄ）に示す第４の工程は、上部電極２０４を形成する工程である。
下部電極同様、電極には、耐食性があり、低抵抗であることから、Ａｕが適している。
電極の形成は、まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ａｕを０．５μｍ成膜する。
成膜には、スパッタリングやイオンビーム蒸着などが適している。
成膜後、犠牲層２０８となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる。
次に、図１４（ｅ）に示す第５の工程は、バイメタル下層２０３の形成である。シリコンを５μｍ成膜、パターニングする。シリコンの成膜には、スパッタリングなどが使用できる。
また、パターニングには、成膜時にシャドウマスクを用いたり、成膜後にドライエッチングやウェットエッチングを用いる。
次に、図１５（ｆ）に示す第６の工程は、バイメタル上層２０２の形成である。
Ａｌを５μｍ成膜、パターニングする。成膜には、スパッタリングや真空蒸着などが使用できる。
また、パターニングには、成膜時にシャドウマスクを用いたり、成膜後にウェットエッチングを用いる。
エッチングには、様々な酸、アルカリを使用できるが、よく用いられているリン酸、硝酸、酢酸の混合液で構わない。
次に、図１５（ｇ）に示す第７の工程は、触媒層の形成である。
まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ｐｔを０．５μｍ成膜する。成膜には、スパッタリングやメッキなどが適している。
成膜後、犠牲層となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる。触媒層の表面積が大きいほど、可燃性ガスと反応しやすくなる。
そこで、触媒層の形成は、白金微粒子とバインダからなる触媒スラリを作製しておき、後にスプレーやコーターで塗布しても良い。
次に、図１５（ｈ）に示す第８の工程は、カンチレバーのリリース工程である。
犠牲層であるＮｉを溶かすと、カンチレバーがリリースされる。この際にカンチレバー下の犠牲層のエッチングを進みやすくするために、カンチレバー上に貫通孔をいくつか設けておいても良い。
エッチャントには、上のＡｌ層がエッチングされないようなものを選択する必要がある。例えば、希硝酸や希リン酸などを使用することができる。
Ａｌを５μｍ成膜、パターニングする。成膜には、スパッタリングや真空蒸着などが使用できる。
また、パターニングには、成膜時にシャドウマスクを用いたり、成膜後にウェットエッチングを用いる。
エッチングには、様々な酸、アルカリを使用できるが、よく用いられているリン酸、硝酸、酢酸の混合液で構わない。
次に、図１５（ｇ）に示す第７の工程は、触媒層の形成である。
まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ｐｔを０．５μｍ成膜する。成膜には、スパッタリングやメッキなどが適している。
成膜後、犠牲層となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる。触媒層の表面積が大きいほど、可燃性ガスと反応しやすくなる。
そこで、触媒層の形成は、白金微粒子とバインダからなる触媒スラリを作製しておき、後にスプレーやコーターで塗布しても良い。
次に、図１５（ｈ）に示す第８の工程は、カンチレバーのリリース工程である。
犠牲層であるＮｉを溶かすと、カンチレバーがリリースされる。この際にカンチレバー下の犠牲層のエッチングを進みやすくするために、カンチレバー上に貫通孔をいくつか設けておいても良い。
エッチャントには、上のＡｌ層がエッチングされないようなものを選択する必要がある。例えば、希硝酸や希リン酸などを使用することができる。
以上のようにして、本実施例の可燃性ガス検出器が完成する。
図１６は、自然拡散雰囲気中で水素濃度と触媒燃焼時の温度上昇との関係、及びその際のカンチレバーの撓みを示した本実施例の可燃性ガス検出器の特性図である。
水素の場合、爆発限界に達しない濃度でも、触媒燃焼によって、１０℃以上の温度上昇があることがわかる。
また、その際のカンチレバーの変位は１０μｍ程度であるので、接点をＯＮ／ＯＦＦするには十分である。
図１６は、自然拡散雰囲気中で水素濃度と触媒燃焼時の温度上昇との関係、及びその際のカンチレバーの撓みを示した本実施例の可燃性ガス検出器の特性図である。
水素の場合、爆発限界に達しない濃度でも、触媒燃焼によって、１０℃以上の温度上昇があることがわかる。
また、その際のカンチレバーの変位は１０μｍ程度であるので、接点をＯＮ／ＯＦＦするには十分である。
また、図１７は、膜の種類や厚さを変えずに長さのみを変えた場合のカンチレバーの変位を濃度ごとに表している。
カンチレバーが長くなるほど、撓み量が大きくなっていることがわかる。従って、カンチレバーの長さを変えることで、スイッチングする濃度が異なる検出器を作製することができる。
例えば、長さが１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのカンチレバーを有する検出器を並べておけば、４段階の濃度変化を知ることができる。
カンチレバーが長くなるほど、撓み量が大きくなっていることがわかる。従って、カンチレバーの長さを変えることで、スイッチングする濃度が異なる検出器を作製することができる。
例えば、長さが１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのカンチレバーを有する検出器を並べておけば、４段階の濃度変化を知ることができる。
［実施例２］
実施例２においては、可撓体としてダイヤフラムを用いた可燃性ガス検出器の構成例について説明する。
本実施例の可燃性ガス検出器も、実施例１で説明したように従来の機械加工技術によっても作製することができるが、ここでは、半導体加工技術を用いた場合の作成方法について説明する。また、サイズや各部の材質なども様々な組み合わせがあるが、そのうちの一例を示すこととする。
実施例２においては、可撓体としてダイヤフラムを用いた可燃性ガス検出器の構成例について説明する。
本実施例の可燃性ガス検出器も、実施例１で説明したように従来の機械加工技術によっても作製することができるが、ここでは、半導体加工技術を用いた場合の作成方法について説明する。また、サイズや各部の材質なども様々な組み合わせがあるが、そのうちの一例を示すこととする。
図１８に、本実施例の可燃性ガス検出器の構成例を説明するための斜視図を示す。
本実施例の可燃性ガス検出器は、シリコン基板３０６上に、絶縁および断熱のための酸化物層３０７、下部電極３０５を有する。シリコンの支持層３０８上にダイヤフラムが設けられている。
ダイヤフラムはシリコン酸化物層上にシリコン層、アルミ層、白金層があり、シリコンによるバイメタル下層３０３とアルミによるバイメタル上層３０２によってバイメタルを形成し、白金が触媒層３０１となっている。
ダイヤフラムの中央には、上部電極３０４が形成される。
各部の寸法は、以下のとおりである。
絶縁層３０７の厚さは０．５μｍ、支持層３０８の厚さは３μｍ、電極３０４、３０５のサイズは５００μ×５００μｍ×０．５μｍである。
また、ダイヤフラムは外径２．５ｍｍ、内径１．２５ｍｍ、シリコン層の厚さは５μｍ、アルミ層の厚さは５μｍ、白金層の厚さは１μｍである。また、アルミ層の内径は３．７５ｍｍである。
本実施例の可燃性ガス検出器は、シリコン基板３０６上に、絶縁および断熱のための酸化物層３０７、下部電極３０５を有する。シリコンの支持層３０８上にダイヤフラムが設けられている。
ダイヤフラムはシリコン酸化物層上にシリコン層、アルミ層、白金層があり、シリコンによるバイメタル下層３０３とアルミによるバイメタル上層３０２によってバイメタルを形成し、白金が触媒層３０１となっている。
ダイヤフラムの中央には、上部電極３０４が形成される。
各部の寸法は、以下のとおりである。
絶縁層３０７の厚さは０．５μｍ、支持層３０８の厚さは３μｍ、電極３０４、３０５のサイズは５００μ×５００μｍ×０．５μｍである。
また、ダイヤフラムは外径２．５ｍｍ、内径１．２５ｍｍ、シリコン層の厚さは５μｍ、アルミ層の厚さは５μｍ、白金層の厚さは１μｍである。また、アルミ層の内径は３．７５ｍｍである。
次に、本実施例における可燃性ガス検出器の半導体加工技術による作製方法について説明する。
図１９及び図２０に、本実施例の作製手順を説明するための各作製工程における側断面図を示す。
作製に際し、２枚のシリコン基板（ウエハ）を別々に加工しておき、最後に接合する。
シリコン基板の少なくとも１枚（ダイヤフラム側）は、両面研磨のものが好ましい。
さらに、通常のシリコン基板でも構わないが、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）ウェハを用いたほうが、エッチングの深さを制御できる上、酸活物層を断熱層として用いることができ、好適である。
図１９及び図２０に、本実施例の作製手順を説明するための各作製工程における側断面図を示す。
作製に際し、２枚のシリコン基板（ウエハ）を別々に加工しておき、最後に接合する。
シリコン基板の少なくとも１枚（ダイヤフラム側）は、両面研磨のものが好ましい。
さらに、通常のシリコン基板でも構わないが、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）ウェハを用いたほうが、エッチングの深さを制御できる上、酸活物層を断熱層として用いることができ、好適である。
図１９（ａ）、図１９（ｂ）に示す第１、および、第２の工程は、第１の基板３０６の表面に、シリコンによるバイメタル下層３０３とアルミによるバイメタル上層３０２を成膜し、パターニングする工程である。
この基板は、両面研磨のＳＯＩウェハで、例えば、デバイス層２００μｍ、ＢＯＸ層０．５μｍ、Ｓｉ層５μｍのものを使用できる。
Ａｌを５μｍ成膜、パターニングする。成膜には、スパッタや真空蒸着などが使用できる。
成膜後、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、ウェットエッチング後、レジストを除去する。
この基板は、両面研磨のＳＯＩウェハで、例えば、デバイス層２００μｍ、ＢＯＸ層０．５μｍ、Ｓｉ層５μｍのものを使用できる。
Ａｌを５μｍ成膜、パターニングする。成膜には、スパッタや真空蒸着などが使用できる。
成膜後、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、ウェットエッチング後、レジストを除去する。
次に、図１９（ｃ）に示す第３の工程は、触媒層３０１の形成である。
まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ｐｔを０．５μｍ成膜する。成膜には、スパッタリングやめっきなどが適している。
成膜後、犠牲層となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる（いわゆるリフトオフ法）。触媒層の表面積が大きいほど、可燃性ガスと反応しやすくなる。
そこで、触媒層の形成は、白金微粒子とバインダからなる触媒スラリを作製しておき、後にスプレーやコーターで塗布しても良い。
まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ｐｔを０．５μｍ成膜する。成膜には、スパッタリングやめっきなどが適している。
成膜後、犠牲層となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる（いわゆるリフトオフ法）。触媒層の表面積が大きいほど、可燃性ガスと反応しやすくなる。
そこで、触媒層の形成は、白金微粒子とバインダからなる触媒スラリを作製しておき、後にスプレーやコーターで塗布しても良い。
次に、図１９（ｄ）に示す第４の工程は、第１の基板３０６の背面をエッチングする工程である。エッチングには、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）やＫＯＨやＴＭＡＨによる異方性ウェットエッチングなどを用いることができる。
まず、上面のパターンをフォトレジストで保護しておき、背面をマスクパターニングする。その後、エッチングを行い、マスクを除去する。
この際、ＳＯＩウェハを使用していれば、ウェハの酸化物層がエッチストップ層の役割を果たし、厚さが制御されたエッチングを行うことができる。
図１９（ｅ）に示す第５の工程は、上部電極３０４を形成する工程である。
下部電極同様、電極には、耐食性があり、低抵抗であることから、Ａｕが適している。
電極の形成は、まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ａｕを０．５μｍ成膜する。
成膜には、スパッタリングやイオンビーム蒸着などが適している。
成膜後、犠牲層となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる。また、パターニングせずに、Ａｕを裏面前面に成膜しても構わない。
まず、上面のパターンをフォトレジストで保護しておき、背面をマスクパターニングする。その後、エッチングを行い、マスクを除去する。
この際、ＳＯＩウェハを使用していれば、ウェハの酸化物層がエッチストップ層の役割を果たし、厚さが制御されたエッチングを行うことができる。
図１９（ｅ）に示す第５の工程は、上部電極３０４を形成する工程である。
下部電極同様、電極には、耐食性があり、低抵抗であることから、Ａｕが適している。
電極の形成は、まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ａｕを０．５μｍ成膜する。
成膜には、スパッタリングやイオンビーム蒸着などが適している。
成膜後、犠牲層となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる。また、パターニングせずに、Ａｕを裏面前面に成膜しても構わない。
図２０（ｆ）に示す第６の工程では第２の基板を用いる。
この基板には片面研磨のＳＯＩウェハを使用する。各層の厚さは、例えば、デバイス層２００μｍ、ＢＯＸ層０．５μｍ、Ｓｉ層３μｍのものを使用できる。
次に、図２０（ｇ）に示す第７の工程は、支持層３０８を形成する工程である。エッチングには、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）やＫＯＨやＴＭＡＨによる異方性ウェットエッチングなどを用いることができる。
まず、マスク層を成膜しパターニングを行う。その後、エッチングを行い、マスクを除去する。
この際、ＳＯＩウェハを使用していれば、ウェハの酸化物層がエッチストップ層の役割を果たし、厚さが制御されたエッチングを行うことができる。
この基板には片面研磨のＳＯＩウェハを使用する。各層の厚さは、例えば、デバイス層２００μｍ、ＢＯＸ層０．５μｍ、Ｓｉ層３μｍのものを使用できる。
次に、図２０（ｇ）に示す第７の工程は、支持層３０８を形成する工程である。エッチングには、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）やＫＯＨやＴＭＡＨによる異方性ウェットエッチングなどを用いることができる。
まず、マスク層を成膜しパターニングを行う。その後、エッチングを行い、マスクを除去する。
この際、ＳＯＩウェハを使用していれば、ウェハの酸化物層がエッチストップ層の役割を果たし、厚さが制御されたエッチングを行うことができる。
次に、図２０（ｈ）に示す第８の工程は、下部電極３０５を形成する工程である。
上部電極同様、電極には、耐食性があり、低抵抗であることから、Ａｕが適している。
電極の形成は、まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ａｕを０．５μｍ成膜する。
成膜には、スパッタリングやイオンビーム蒸着などが適している。
成膜後、犠牲層となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる。
次に、図２０（ｉ）に示す第９の工程は、第１の基板と第２の基板とを貼り合せる工程である。
貼り合わせは、拡散接合などを用いても良いし、接着剤などを使用しても良い。
上部電極同様、電極には、耐食性があり、低抵抗であることから、Ａｕが適している。
電極の形成は、まず、フォトレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成しておき、その上に膜の密着性を増すために、Ｃｒ、あるいは、Ｔｉを薄く成膜し、さらにその上に、Ａｕを０．５μｍ成膜する。
成膜には、スパッタリングやイオンビーム蒸着などが適している。
成膜後、犠牲層となるマスクを溶媒などで除去することで、電極および配線をパターニングすることができる。
次に、図２０（ｉ）に示す第９の工程は、第１の基板と第２の基板とを貼り合せる工程である。
貼り合わせは、拡散接合などを用いても良いし、接着剤などを使用しても良い。
以上のようにして、本実施例の可燃性ガス検出器が完成する。
図２１は、自然拡散雰囲気中で水素濃度と触媒燃焼時の温度上昇との関係、およびその際のダイヤフラムの撓みを示した本実施例の可燃性ガス検出器の特性図である。
水素の場合、爆発限界に達しない濃度でも、触媒燃焼によって、１０℃以上の温度上昇があることがわかる。また、その際のダイヤフラムの変位は５μｍ程度であるので、接点をＯＮ／ＯＦＦするには十分である。
図２１は、自然拡散雰囲気中で水素濃度と触媒燃焼時の温度上昇との関係、およびその際のダイヤフラムの撓みを示した本実施例の可燃性ガス検出器の特性図である。
水素の場合、爆発限界に達しない濃度でも、触媒燃焼によって、１０℃以上の温度上昇があることがわかる。また、その際のダイヤフラムの変位は５μｍ程度であるので、接点をＯＮ／ＯＦＦするには十分である。
また、図２２は、膜の種類や厚さを変えずに外径のみを変えた場合の、各ガス濃度ごとのダイヤフラムの変位を表している。
ダイヤフラムが大きくなるほど、撓み量が大きくなっていることがわかる。従って、ダイヤフラムのサイズを変えることで、スイッチングする濃度が異なる検出器を作製することができる。
例えば、外直径が２．５ｍｍ、３．５ｍｍ、４．５ｍｍ、５．５ｍｍのダイヤフラムを有する検出器を並べておけば、４段階の濃度変化を知ることができる。
ダイヤフラムが大きくなるほど、撓み量が大きくなっていることがわかる。従って、ダイヤフラムのサイズを変えることで、スイッチングする濃度が異なる検出器を作製することができる。
例えば、外直径が２．５ｍｍ、３．５ｍｍ、４．５ｍｍ、５．５ｍｍのダイヤフラムを有する検出器を並べておけば、４段階の濃度変化を知ることができる。
［実施例３］
実施例３においては、本発明の可燃性ガス検出器を燃料電池システムに搭載した構成例について説明する。
なお、本実施例では燃料電池システムとして、燃料として水素を、酸化剤として空気を使用した場合について説明するが、本発明は水素、空気を使用した場合に限定されるものではない。
図２３に、本実施例の燃料電池システムを説明するための概観斜視図を示す。
図２４、図２５に、本実施例の燃料電池のシステムを説明するための概要図を示す。
燃料電池の外寸法は５０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍであり、通常コンパクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン電池の大きさとほぼ同じである。
このように、ここでの燃料電池は小型で一体化されているため、携帯機器に組み込みやすい形状となっている。
本実施例に用いる燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、上下面、及び側面に外気を取り入れるための通気孔１０１３を有する。
また、この孔は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。
また、燃料電池内部は、酸化剤極１０１６、高分子電解質膜１０１７、燃料極１０１８からなる燃料電池セル１０１１を備えている。
そして、これらと燃料を貯蔵する燃料タンク１０１４、燃料タンクと各セルの燃料極とをつなぎ、燃料の流量を制御する燃料供給バルブ１０１５によって構成されている。
実施例３においては、本発明の可燃性ガス検出器を燃料電池システムに搭載した構成例について説明する。
なお、本実施例では燃料電池システムとして、燃料として水素を、酸化剤として空気を使用した場合について説明するが、本発明は水素、空気を使用した場合に限定されるものではない。
図２３に、本実施例の燃料電池システムを説明するための概観斜視図を示す。
図２４、図２５に、本実施例の燃料電池のシステムを説明するための概要図を示す。
燃料電池の外寸法は５０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍであり、通常コンパクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン電池の大きさとほぼ同じである。
このように、ここでの燃料電池は小型で一体化されているため、携帯機器に組み込みやすい形状となっている。
本実施例に用いる燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、上下面、及び側面に外気を取り入れるための通気孔１０１３を有する。
また、この孔は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。
また、燃料電池内部は、酸化剤極１０１６、高分子電解質膜１０１７、燃料極１０１８からなる燃料電池セル１０１１を備えている。
そして、これらと燃料を貯蔵する燃料タンク１０１４、燃料タンクと各セルの燃料極とをつなぎ、燃料の流量を制御する燃料供給バルブ１０１５によって構成されている。
タンクに蓄えられた水素は燃料供給バルブ１０１５が開くと、燃料流路１０２０を通って、燃料極１０１８に供給される。
一方、酸化剤極１０１６には通気孔１０１３から外気が取り込まれ、酸化剤流路１０２１を通って、供給される。燃料電池セルの高分子電解質膜１０１７を介して、酸化剤極１０１６、燃料極１０１８にはそれぞれ、白金などの触媒が配置されており、電気化学反応が起こる。
反応に伴い、発電された電気は電極１０１２から小型電気機器に供給される。
これらの反応において、通常、燃料と酸化剤は混ざることなく、それぞれの電極で反応を行うが、電解質膜や途中の流路が破損して燃料漏れが起こると、燃料流路内には外気が混入し、一方、燃料流路外に燃料が漏れ出す。
そこで、本実施例では、実施例１または実施例２に示す可燃性ガス検出器を燃料流路あるいは酸化剤流路の少なくとも一方に配置する。
可燃性ガス検出器が燃料漏れを検出した場合、漏れをユーザーに知らせたり、発電を中止したり、燃料供給を停止したりする。
特に、ここでの可燃性ガス検出器は、スイッチとして使用可能なため、検出器のＯＮ／ＯＦＦによって、直接燃料供給バルブ１０１５を開閉することができる。また、この可燃性ガス検出器は、外部環境が高温になるほどスイッチが入りやすい構成とすることも可能であり、燃料電池をより安全に運転することができる。また、燃料電池の始動時や停止時、運転中にパージ動作を行うためのパージバルブ１０１９を備えていても良い。その際、燃料流路１０２０内やパージバルブ１０１９からの排出部に本可燃性ガス検出器を配置して、ガスの濃度を監視することで、パージバルブ１０１９を開閉するタイミングやパージバルブ１０１９の流量を制御することができる。
一方、酸化剤極１０１６には通気孔１０１３から外気が取り込まれ、酸化剤流路１０２１を通って、供給される。燃料電池セルの高分子電解質膜１０１７を介して、酸化剤極１０１６、燃料極１０１８にはそれぞれ、白金などの触媒が配置されており、電気化学反応が起こる。
反応に伴い、発電された電気は電極１０１２から小型電気機器に供給される。
これらの反応において、通常、燃料と酸化剤は混ざることなく、それぞれの電極で反応を行うが、電解質膜や途中の流路が破損して燃料漏れが起こると、燃料流路内には外気が混入し、一方、燃料流路外に燃料が漏れ出す。
そこで、本実施例では、実施例１または実施例２に示す可燃性ガス検出器を燃料流路あるいは酸化剤流路の少なくとも一方に配置する。
可燃性ガス検出器が燃料漏れを検出した場合、漏れをユーザーに知らせたり、発電を中止したり、燃料供給を停止したりする。
特に、ここでの可燃性ガス検出器は、スイッチとして使用可能なため、検出器のＯＮ／ＯＦＦによって、直接燃料供給バルブ１０１５を開閉することができる。また、この可燃性ガス検出器は、外部環境が高温になるほどスイッチが入りやすい構成とすることも可能であり、燃料電池をより安全に運転することができる。また、燃料電池の始動時や停止時、運転中にパージ動作を行うためのパージバルブ１０１９を備えていても良い。その際、燃料流路１０２０内やパージバルブ１０１９からの排出部に本可燃性ガス検出器を配置して、ガスの濃度を監視することで、パージバルブ１０１９を開閉するタイミングやパージバルブ１０１９の流量を制御することができる。
１：触媒層
２：カンチレバー
３：上部電極
４：下部電極
５：配線
６：検知器
７：断熱層
８：第２の変位層
９：第２のカンチレバー
１０：第２の検出器
１０１：触媒層
１０２：ダイヤフラム
１０３：上部電極
１０４：下部電極
１０５：配線
１０６：検知器
２０１：触媒層
２０２：バイメタル上層
２０３：バイメタル下層
２０４：上部電極
２０５：下部電極
２０６：シリコン基板
２０７：絶縁断熱層
２０８：支持層
３０１：触媒層
３０２：バイメタル上層
３０３：バイメタル下層
３０４：上部電極
３０５：下部電極
３０６：第１の基板
３０７：酸化物層（絶縁断熱層
３０８：支持層
３０９：第２の基板
１０１１：熱伝導部材（燃料電池セル）
１０１２：電極
１０１３：通気孔
１０１４：燃料タンク
１０１５：酸化剤極
１０１７：高分子電解質膜
１０１８：燃料極
１０１９：パージバルブ
１０２０：燃料流路
１０２１：酸化剤流路
２：カンチレバー
３：上部電極
４：下部電極
５：配線
６：検知器
７：断熱層
８：第２の変位層
９：第２のカンチレバー
１０：第２の検出器
１０１：触媒層
１０２：ダイヤフラム
１０３：上部電極
１０４：下部電極
１０５：配線
１０６：検知器
２０１：触媒層
２０２：バイメタル上層
２０３：バイメタル下層
２０４：上部電極
２０５：下部電極
２０６：シリコン基板
２０７：絶縁断熱層
２０８：支持層
３０１：触媒層
３０２：バイメタル上層
３０３：バイメタル下層
３０４：上部電極
３０５：下部電極
３０６：第１の基板
３０７：酸化物層（絶縁断熱層
３０８：支持層
３０９：第２の基板
１０１１：熱伝導部材（燃料電池セル）
１０１２：電極
１０１３：通気孔
１０１４：燃料タンク
１０１５：酸化剤極
１０１７：高分子電解質膜
１０１８：燃料極
１０１９：パージバルブ
１０２０：燃料流路
１０２１：酸化剤流路
Claims (17)
- 可燃性ガスを検出するための可燃性ガス検出器であって、
前記可燃性ガスと反応する触媒と、
前記触媒の前記可燃性ガスとの反応による触媒燃焼に伴って変位する可撓体で構成された第１の変位手段と、
前記第１の変位手段における可撓体の変位によって切り替わる電気接点と、
を有することを特徴とする可燃性ガス検出器。 - 前記触媒が、白金を含む材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の可燃性ガス検出器。
- 前記第１の変位手段における可撓体が、ダイヤフラム、またはカンチレバーであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可燃性ガス検出器。
- 前記ダイヤフラム、またはカンチレバーが、熱膨張率の異なる複数の材料の張り合わせ、または形状記憶合金によって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の可燃性ガス検出器。
- 前記ダイヤフラム、またはカンチレバーが、前記触媒の前記可燃性ガスとの反応による触媒燃焼に伴い、前記可燃性ガスを吸着して膨張する変位手段によって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の可燃性ガス検出器。
- 前記ダイヤフラムが、前記触媒と前記電気接点との間に、前記可燃性ガスを透過しない隔壁を構成していることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の可燃性ガス検出器。
- 前記第１の変位手段と前記触媒との間に、熱伝導部材を有することを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の可燃性ガス検出器。
- 前記電気接点の間隔が、前記可燃性ガスの消炎距離よりも短く、かつ
前記電気接点から前記可撓体外縁までの最短距離が、前記可燃性ガスの消炎距離よりも長いことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の可燃性ガス検出器。 - 前記第１の変位手段における可撓体とは温度によって逆方向に変位する可撓体で構成された第２の変位手段を備え、
前記第２の変位手段が、前記第１の変位手段と断熱層を介して配設されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の可燃性ガス検出器。 - 触媒を備えず、前記第１の変位手段と温度による同じ変位特性を有する可撓体で構成された第２の変位手段を備え、
前記第２の変位手段が、前記第１の変位手段と同方向に変位可能に配設されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の可燃性ガス検出器。 - 請求項１から８のいずれか１項に記載の可燃性ガス検出器によって構成された第１の可燃性ガス検出器と、
触媒を備えず、温度によって変位する可撓体で構成され、該可撓体の変位によって切り替わる電気接点を有する第２の可燃性ガス検出器と、
を備え、前記第１の可燃性ガス検出器と前記第２の可燃性ガス検出器とが並設され、または重ねて配置されていることを特徴とする可燃性ガス検出器。 - 請求項１から１１のいずれか１項に記載の可燃性ガス検出器が、複数配置して構成されていることを特徴とする可燃性ガス検出器。
- 前記複数の検出器における可撓体は、長さ、幅、または厚さのいずれかが、それぞれ異なることを特徴とする請求項１２に記載の可燃性ガス検出器。
- 前記複数の検出器における触媒は、種類、量、または設置位置のいずれかが、それぞれ異なることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の可燃性ガス検出器。
- 可燃性ガスを検出するための可燃性ガス検出器の製造方法であって、
基板に形成された絶縁断熱層上に、下部電極を形成する工程と、
前記下部電極を含む前記絶縁断熱層上に、支持層を含む犠牲層を形成する工程と、
前記支持層を含む犠牲層上に、上部電極を形成する工程と、
前記上部電極を含む前記犠牲層上にバイメタル下層を形成した後、該バイメタル下層上にバイメタル上層を形成する工程と、
前記バイメタル上層上に触媒層を形成した後、前記犠牲層をエッチングして上記バイメタル上層と下層とによるカンチレバーをリリースし、該カンチレバーに上部電極を形成する一方、前記基板の絶縁断熱層上に下部電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする可燃性ガス検出器の製造方法。 - 可燃性ガスを検出するための可燃性ガス検出器の製造方法であって、
第１基板に形成された絶縁断熱層上にバイメタル下層を形成した後、該バイメタル下層上にバイメタル上層を形成する工程と、
前記バイメタル上層上に、触媒層を形成する工程と、
前記第１基板における前記触媒層が形成された面の反対面側をエッチングした後、エッチングされずに残された面上に上部電極層を形成する工程と、
第２基板を準備し、該第２基板をエッチングして該第２基板の両端側に支持層を形成し、該支持層に挟まれた領域に下部電極層を形成する工程と、
前記上部電極層の形成された第１基板と、下部電極層の形成された第２基板とを、これら上部電極層と下部電極層とを対向させて張り合せる工程と、
を有することを特徴とする可燃性ガス検出器の製造方法。 - 請求項１から１４のいずれか１項に記載の可燃性ガス検出器、あるいは請求項１５または請求項１６に記載の可燃性ガス検出器の製造方法によって製造された可燃性ガス検出器を有することを特徴とする燃料電池システム。
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