JP2008232822A - Hydrogen sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen sensor which measures stably a hydrogen amount occlusion-stored in a hydrogen storage alloy. <P>SOLUTION: This hydrogen sensor 1 has an electrolyte body 26 attached with a detecting electrode 30 and a reference electrode 28, and the electrolyte body 26 is constituted of a metal ion-conductive solid electrolyte. The electrolyte is thereby precluded from being deteriorated even when the hydrogen sensor is exposed to vacuum atmosphere in a hydrogen occlusion process, and an excellent ion conductivity exhibits a stable sensing function. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば水素貯蔵合金の水素貯蔵量を検出するための水素センサに関する。   The present invention relates to a hydrogen sensor for detecting a hydrogen storage amount of a hydrogen storage alloy, for example.

今後の水素エネルギー利用社会において、水素爆発の危険性を払拭し安全性が高く、利便性に優れた水素の貯蔵方式として水素貯蔵合金(水素吸蔵合金ともいう)の開発・利用が望まれている。水素貯蔵合金は、気体で貯蔵する場合と比較して充填密度が高く、急激な水素漏れによる事故の発生も防止できるので、燃料電池自動車等の燃料容器として有望である。水素貯蔵合金を水素燃料容器として用いる場合、水素残存量を検出する手段が必要である。   In future hydrogen energy use society, the development and use of hydrogen storage alloys (also referred to as hydrogen storage alloys) is desired as a hydrogen storage method that eliminates the danger of hydrogen explosions and is highly safe and highly convenient. . Hydrogen storage alloys are promising as fuel containers for fuel cell vehicles and the like because they have a higher packing density than when stored in gas and can prevent accidents due to sudden hydrogen leakage. When the hydrogen storage alloy is used as a hydrogen fuel container, a means for detecting the remaining amount of hydrogen is required.

水素貯蔵装置における水素残存量を簡便な手法により直接的に測定するために、発明者等は、水素貯蔵容器の内部に配置された水素貯蔵合金を検出電極とし、この検出電極と対向する基準電極と、検出電極および基準電極の間に電解質を配置し、検出電極、基準電極および電解質によって、水素貯蔵合金中の水素濃度を起電力値として計測するようにした水素センサを提案した(特許文献1)。   In order to directly measure the amount of hydrogen remaining in the hydrogen storage device by a simple method, the inventors used a hydrogen storage alloy disposed inside the hydrogen storage container as a detection electrode, and a reference electrode opposed to the detection electrode. And a hydrogen sensor in which an electrolyte is disposed between the detection electrode and the reference electrode, and the hydrogen concentration in the hydrogen storage alloy is measured as an electromotive force value by the detection electrode, the reference electrode, and the electrolyte (Patent Document 1). ).

このような水素センサに用いる電解質としては、水素貯蔵合金からの水素の放出温度である200℃程度までの高温度に耐えられることが必要である。当初、発明者等は、電解質としては、水素センサとして一般的に採用される固体電解質であるリンタングステン酸やリンモリブデン酸を採用した。これらの電解質は、大気中での水素センサとして実用性があり、また上記の温度的条件を充足すると考えられたからである。   As an electrolyte used for such a hydrogen sensor, it is necessary to withstand a high temperature up to about 200 ° C., which is a hydrogen release temperature from the hydrogen storage alloy. Initially, the inventors employed phosphotungstic acid or phosphomolybdic acid, which are solid electrolytes generally employed as hydrogen sensors. This is because these electrolytes are practical as hydrogen sensors in the atmosphere and are considered to satisfy the above-described temperature conditions.

特開2007−47125号公報JP 2007-47125 A

しかしながら、発明者等の試験では、これらの固体電解質を水素貯蔵合金用の水素センサとして用いると、安定した測定値を継続的に得ることができないことが分かった。発明者は、リンタングステン酸(H3PW12O40・29H2O)、リンモリブデン酸(H3PMo12O40・30H2O)をはじめとする主なプロトン伝導型の固体電解質が、プロトン源をその結晶水に依存しており、水素貯蔵合金が水素を吸蔵する際の真空雰囲気によって結晶水が除去されることが、その原因ではないかと推測した。
このような結晶水に依存しないプロトン伝導型の電解質として、無水硫酸等が挙げられるが、液状で腐食性が高いという不利点があり、実用性は小さい。
そこで、発明者等は、プロトン伝導型の固体電解質の代わりに金属イオン伝導型の固体電解質について試験をした結果、実用性が得られるようなデータが得られ、この発明に想到した。
However, the inventors' tests have shown that when these solid electrolytes are used as hydrogen sensors for hydrogen storage alloys, stable measurements cannot be obtained continuously. The inventor has found that proton-conducting solid electrolytes such as phosphotungstic acid (H 3 PW 12 O 40 / 29H 2 O) and phosphomolybdic acid (H 3 PMo 12 O 40 / 30H 2 O) The source depends on the crystal water, and it was speculated that the crystal water was removed by the vacuum atmosphere when the hydrogen storage alloy occludes hydrogen.
An example of such a proton-conducting electrolyte that does not depend on crystal water is sulfuric anhydride. However, it has the disadvantage of being liquid and highly corrosive, and its practicality is small.
Thus, the inventors have tested a metal ion conductive type solid electrolyte instead of the proton conductive type solid electrolyte, and as a result, obtained data that can provide practicality, and have come to the present invention.

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、真空雰囲気に曝される水素貯蔵合金に吸蔵された水素量を安定的に測定することができるような水素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 an object thereof is to provide a hydrogen sensor capable of stably measuring the amount of hydrogen stored in a hydrogen storage alloy exposed to a vacuum atmosphere. To do.

上記課題を解決するために、請求項1に記載の水素センサは、検出電極と基準電極とが取り付けられた電解質体を有する水素センサにおいて、前記電解質体は、金属イオン導電性を有する固体電解質から構成されていることを特徴とする。   In order to solve the above problem, the hydrogen sensor according to claim 1 is a hydrogen sensor having an electrolyte body to which a detection electrode and a reference electrode are attached. The electrolyte body is made of a solid electrolyte having metal ion conductivity. It is configured.

請求項1に記載の発明においては、水素の吸蔵の過程で水素センサが真空雰囲気に曝されても、電解質体が劣化することがなく、良好なイオン伝導性を維持して、安定したセンシング機能を発揮することができる。なお、金属イオン導電性を有する固体電解質が、気体中の水素に反応して起電力を生じる理由については、充分に解明されておらず、今後の課題となっている。   In the first aspect of the invention, even when the hydrogen sensor is exposed to a vacuum atmosphere in the process of occlusion of hydrogen, the electrolyte body is not deteriorated, and a stable sensing function is maintained while maintaining good ion conductivity. Can be demonstrated. The reason why a solid electrolyte having metal ion conductivity reacts with hydrogen in a gas to generate an electromotive force has not been fully elucidated and is a future problem.

請求項2に記載の水素センサは、請求項1に記載の発明において、前記固体電解質はナトリウムイオン導電性を有するものであることを特徴とする。   The hydrogen sensor according to claim 2 is characterized in that, in the invention according to claim 1, the solid electrolyte has sodium ion conductivity.

請求項3に記載の水素センサは、請求項2に記載の発明において、前記固体電解質はβアルミナであることを特徴とする。   The hydrogen sensor according to claim 3 is the invention according to claim 2, wherein the solid electrolyte is β alumina.

請求項4に記載の水素センサは、前請求項2に記載の発明において、記固体電解質は多孔質γアルミナにナトリウムを担持させたものであることを特徴とする。   A hydrogen sensor according to a fourth aspect is characterized in that, in the invention according to the second aspect, the solid electrolyte is a porous γ alumina in which sodium is supported.

請求項1ないし2に記載の発明によれば、水素貯蔵合金に吸蔵される水素量を安定的に測定することができるような水素センサを提供することができる。   According to the first and second aspects of the invention, it is possible to provide a hydrogen sensor capable of stably measuring the amount of hydrogen stored in the hydrogen storage alloy.

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
本発明の水素センサを有する水素貯蔵装置の実施の形態を、図1(a)に示す。この水素貯蔵装置1は、筒状の密閉容器10と、この容器10の一端側の側壁に開口する開閉弁12付きのポート14と、容器10内の空間16に収容された水素貯蔵合金18と、図示しない温度調整機構とを備えている。水素貯蔵合金18としては、この実施の形態では、例えば、TiFeNiZi系合金(水素放出温度120〜160℃程度)を用いる。水素貯蔵合金18とポート14側の面の端部にはメッシュ状の押え板19が設けられ、この押え板19と容器のポート側内壁の間にはバネ部材20が設けられている。これにより、合金が所定の密度を維持するとともに、所定の圧力で他端側の内面に押しつけられるようになっている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
An embodiment of a hydrogen storage device having a hydrogen sensor of the present invention is shown in FIG. The hydrogen storage device 1 includes a cylindrical sealed container 10, a port 14 with an opening / closing valve 12 that opens on a side wall on one end side of the container 10, a hydrogen storage alloy 18 accommodated in a space 16 in the container 10, And a temperature adjusting mechanism (not shown). In this embodiment, for example, a TiFeNiZi alloy (hydrogen release temperature of about 120 to 160 ° C.) is used as the hydrogen storage alloy 18. A mesh-shaped presser plate 19 is provided at the ends of the surfaces of the hydrogen storage alloy 18 and the port 14, and a spring member 20 is provided between the presser plate 19 and the port-side inner wall of the container. As a result, the alloy maintains a predetermined density and is pressed against the inner surface on the other end side with a predetermined pressure.

容器10の他方の側壁には貫通口が形成されており、この貫通口には密閉筒状のセンサホルダ22がねじで結合されている。センサホルダ22と容器10の間にはメタルシール24が配置されている。センサホルダ22の内部には、容器10内の水素貯蔵合金18に接するように配置された電解質体26と、この電解質体26の外端に接する基準電極28が設けられている。これにより、水素貯蔵合金18自体からなる検出電極30と、容器10外部の基準電極28と、これらに挟まれた電解質体26とによってセンサ部32が構成されている。基準電極28の材料としては、水素貯蔵合金の水素放出温度領域(数百℃)で酸化や腐食等が生じない安定な電極材料であればよい。もちろん、チタンやチタン合金などの水素ガスに対して不活性な材料であってもよい。   A through hole is formed in the other side wall of the container 10, and a sealed cylindrical sensor holder 22 is coupled to the through hole with a screw. A metal seal 24 is disposed between the sensor holder 22 and the container 10. Inside the sensor holder 22, an electrolyte body 26 disposed so as to be in contact with the hydrogen storage alloy 18 in the container 10 and a reference electrode 28 that is in contact with the outer end of the electrolyte body 26 are provided. Thereby, the sensor part 32 is comprised by the detection electrode 30 which consists of hydrogen storage alloy 18 itself, the reference electrode 28 outside the container 10, and the electrolyte body 26 pinched | interposed by these. The material of the reference electrode 28 may be a stable electrode material that does not oxidize or corrode in the hydrogen release temperature region (several hundred degrees C.) of the hydrogen storage alloy. Of course, a material inert to hydrogen gas such as titanium or a titanium alloy may be used.

センサホルダ22は導電性を有し、検出電極30(水素貯蔵合金18)からの引き出し端子を兼ねており、図示しない電圧計への配線34が接続されている。センサホルダ22の内面には、これと基準電極28および電解質体26の間を絶縁する絶縁管(絶縁体)36が配置されている。基準電極28からの引き出し線38は、センサホルダ22の天板23から外部に導出されている。基準電極28板とセンサホルダ22の天板23の間の空間には、基準電極28および電解質体26を容器10側に押圧し、電解質体26と基準電極28および検出電極30との間の電気的な接触を維持するための圧縮バネ40が設けられている。   The sensor holder 22 has conductivity, serves also as a lead terminal from the detection electrode 30 (hydrogen storage alloy 18), and is connected to a wiring 34 to a voltmeter (not shown). An insulating tube (insulator) 36 that insulates the sensor holder 22 from the reference electrode 28 and the electrolyte body 26 is disposed on the inner surface of the sensor holder 22. A lead line 38 from the reference electrode 28 is led out to the outside from the top plate 23 of the sensor holder 22. In the space between the reference electrode 28 plate and the top plate 23 of the sensor holder 22, the reference electrode 28 and the electrolyte body 26 are pressed toward the container 10, and the electricity between the electrolyte body 26, the reference electrode 28, and the detection electrode 30. A compression spring 40 is provided for maintaining a normal contact.

この実施の形態では、電解質体26には、温度制御用のマイクロヒータ42aと温度センサ42bを有する温度調整装置42が組み込まれている。これらは図示しない制御装置に接続されており、電解質体26を、水素貯蔵合金18の水素放出温度と同じ温度に制御する。これにより、貯蔵装置の温度が室温近傍であっても水素量測定ができる。   In this embodiment, a temperature adjustment device 42 having a temperature control micro heater 42 a and a temperature sensor 42 b is incorporated in the electrolyte body 26. These are connected to a control device (not shown), and control the electrolyte body 26 to the same temperature as the hydrogen release temperature of the hydrogen storage alloy 18. Thereby, even if the temperature of a storage device is near room temperature, the amount of hydrogen can be measured.

電解質体26としては、例えば、図1(b)に示すように、βアルミナ(Na2O・nAl2O3, n=5〜12)や多孔質のγアルミナにNaを担持させたものが適宜に採用可能である。 As the electrolyte body 26, for example, as shown in FIG. 1B, β alumina (Na 2 O · nAl 2 O 3 , n = 5 to 12) or porous γ alumina with Na supported thereon. It can be adopted as appropriate.

上記のような構成の水素センサによって水素燃料の残存量を検出する原理は以下の通りである。水素貯蔵合金18を検出電極30とし、電解質体26を挟み基準電極28を配置すると、電気化学セル
水素貯蔵合金(検出電極)[I]|電解質|基準電極[II]
が形成される。この電気化学セルの両電極間[I]、[II]の間に生じる起電力(EMF)の値は両電極間の水素の化学ポテンシャルと次の関係がある。

Figure 2008232822
ここで、Fはファラデー定数、EはEMF値、
Figure 2008232822
はそれぞれ金属、水素貯蔵合金18における原子状の水素の化学ポテンシャルである。端子[I]、[II]は同種の銅線のため電子の電気化学ポテンシャルは
Figure 2008232822
となる。静電ポテンシャルと起電力Eとの関係
Figure 2008232822
を用いた。 The principle of detecting the remaining amount of hydrogen fuel by the hydrogen sensor configured as described above is as follows. When the hydrogen storage alloy 18 is used as the detection electrode 30 and the reference electrode 28 is disposed with the electrolyte body 26 interposed therebetween, the electrochemical cell hydrogen storage alloy (detection electrode) [I] | electrolyte | reference electrode [II]
Is formed. The value of electromotive force (EMF) generated between both electrodes [I] and [II] of this electrochemical cell has the following relationship with the chemical potential of hydrogen between both electrodes.
Figure 2008232822
Where F is the Faraday constant, E is the EMF value,
Figure 2008232822
Are the chemical potentials of atomic hydrogen in the metal and hydrogen storage alloy 18, respectively. Since the terminals [I] and [II] are the same type of copper wire, the electrochemical potential of the electrons is
Figure 2008232822
It becomes. Relationship between electrostatic potential and electromotive force E
Figure 2008232822
Was used.

水素の化学ポテンシャルは水素貯蔵合金中の水素の自由エネルギーと次の関係がある。

Figure 2008232822
ここで、ΔGは水素化に伴う合金系全体のギブスの自由エネルギーの変化量、nは水素貯蔵合金中の水素濃度である。水素貯蔵合金中の水素の状態が2相の状態(例えば、水素の固溶相と水素化物相の2相)にある場合、2相領域の各相でのギブスの自由エネルギーは異なるが、水素の化学ポテンシャルは等しくなる。このポテンシャルに差があれば、化学ポテンシャルの低い相に粒子の移動が生じるからである。従って、2相領域の起電力値は一定になる。 The chemical potential of hydrogen has the following relationship with the free energy of hydrogen in the hydrogen storage alloy.
Figure 2008232822
Here, ΔG is the amount of change in Gibbs free energy of the entire alloy system accompanying hydrogenation, and n is the hydrogen concentration in the hydrogen storage alloy. When the hydrogen state in the hydrogen storage alloy is in a two-phase state (for example, two phases of a hydrogen solute phase and a hydride phase), the Gibbs free energy in each phase in the two-phase region is different. Have the same chemical potential. This is because, if there is a difference in potential, particle movement occurs in a phase having a low chemical potential. Therefore, the electromotive force value in the two-phase region is constant.

本水素センサの起電力(EMF)値は両電極に対する原子状水素の化学ポテンシャルの差を計測するものである。水素貯蔵合金中の水素の化学ポテンシャルはその合金界面の原子状水素と熱平衡状態では等しいことから、合金中の化学ポテンシャルが計測できる。   The electromotive force (EMF) value of this hydrogen sensor measures the difference in chemical potential of atomic hydrogen for both electrodes. Since the chemical potential of hydrogen in a hydrogen storage alloy is equal to the atomic hydrogen at the alloy interface in thermal equilibrium, the chemical potential in the alloy can be measured.

このように本センサからの検出起電力は、水素の化学ポテンシャルに依存する示強性の量として出力されるために、その起電力(EMF)値はセンサの物理サイズや電極構造によらず電極物質の種類のみに依存するため、センサ自体を非常に小型化することが可能であり、また単純な構造とすることができる。   In this way, the detected electromotive force from this sensor is output as an amount of intensity that depends on the chemical potential of hydrogen, so the electromotive force (EMF) value does not depend on the physical size of the sensor or the electrode structure. Since it depends only on the type of the sensor, the sensor itself can be very miniaturized and can have a simple structure.

電解質体26の役割は、検出電極30と基準電極28における水素の化学ポテンシャルに対する強さの情報を伝達することにある。情報伝達に必要な電解質体26の条件は水素イオンの伝導性を有するか、水素と反応性を有するイオン伝導性を持つものであればよい。   The role of the electrolyte body 26 is to transmit information on the strength of the detection electrode 30 and the reference electrode 28 with respect to the chemical potential of hydrogen. The conditions of the electrolyte body 26 necessary for information transmission may be those having hydrogen ion conductivity or ion conductivity having reactivity with hydrogen.

図1の構成の水素貯蔵装置1におけるセンサ部32において、電解質体26に接する水素貯蔵合金18に貯蔵された水素量に対応する起電力(EMF)値が、上述した原理に基づいて出力され、この測定値と、事前に求めた起電力と水素濃度の関係から、水素濃度が算出される。他方、この起電力(EMF)値は、式2における水素の自由エネルギーは、

Figure 2008232822
と温度に依存することから、水素貯蔵合金18の温度を温度センサ42bにより温度を測定する。特に、水素貯蔵合金18の温度は室温から水素放出温度まで大きな変化が行われるから、温度データが必要となる。なお、温度調整装置42のマイクロヒータ42aは電解質体26の温度が動作領域にするために用いる。 In the sensor unit 32 in the hydrogen storage device 1 having the configuration of FIG. 1, an electromotive force (EMF) value corresponding to the amount of hydrogen stored in the hydrogen storage alloy 18 in contact with the electrolyte body 26 is output based on the above-described principle. From this measured value and the relationship between the electromotive force and the hydrogen concentration obtained in advance, the hydrogen concentration is calculated. On the other hand, this electromotive force (EMF) value is the free energy of hydrogen in Eq.
Figure 2008232822
Therefore, the temperature of the hydrogen storage alloy 18 is measured by the temperature sensor 42b. In particular, since the temperature of the hydrogen storage alloy 18 varies greatly from room temperature to the hydrogen release temperature, temperature data is required. Note that the micro heater 42a of the temperature adjusting device 42 is used so that the temperature of the electrolyte body 26 is in the operating region.

図2は、このような起電力と水素濃度の関係の一例を示すもので、横軸は水素貯蔵合金18中の水素濃度(H/Mモル比)を示す。この水素貯蔵合金18は、図1に例示したものの概念図である。1種類の水素化物相(β相)を有し、低濃度側では水素の固溶相であるα相を形成する。β相ではEMF
値は水素濃度に依存して変化する。図の中に現れるEMF 値=一定のところは、この合金中の水素の状態がα相+β相の2相が混在していることを意味している。すなわち、このセンサ部32において、水素貯蔵合金内の水素量の定量的な測定が可能な領域は、水素が十分に存在するβ相の濃度領域に限られる。残存水素量が少なくなってきたことを意味するα相+β相の領域に入ると、その領域内の水素量の定量的な検出はできない。また、α相の単一領域に入ると再びEMF値は水素濃度に依存した変化を示すが、このα相での水素量は極微量であり、水素燃料がゼロに近い状態にある。従って、α相+β相を検知した時点で水素の再充填を促すことが必要である。なお、水素貯蔵量はこの水素貯蔵合金の体積あるいは重量に比例する。
FIG. 2 shows an example of the relationship between the electromotive force and the hydrogen concentration, and the horizontal axis indicates the hydrogen concentration (H / M molar ratio) in the hydrogen storage alloy 18. This hydrogen storage alloy 18 is a conceptual diagram of what was illustrated in FIG. It has one type of hydride phase (β phase) and forms an α phase that is a solid solution phase of hydrogen on the low concentration side. EMF in β phase
The value varies depending on the hydrogen concentration. When the EMF value appearing in the figure is constant, it means that the hydrogen state in this alloy is a mixture of two phases of α phase and β phase. That is, in the sensor unit 32, the region where the amount of hydrogen in the hydrogen storage alloy can be quantitatively measured is limited to the β-phase concentration region where hydrogen is sufficiently present. When entering the region of α phase + β phase, which means that the amount of residual hydrogen has decreased, the amount of hydrogen in that region cannot be quantitatively detected. Further, when entering the single region of the α phase, the EMF value again shows a change depending on the hydrogen concentration. However, the amount of hydrogen in the α phase is extremely small, and the hydrogen fuel is in a state close to zero. Therefore, it is necessary to promote refilling of hydrogen when the α phase + β phase is detected. The hydrogen storage amount is proportional to the volume or weight of the hydrogen storage alloy.

この実施の形態では、水素濃度が、H/M=0.5〜0.05の範囲の領域は不感帯となり、H/M=0.5〜0.7までの高濃度範囲でしか測定できない。そこで、低濃度範囲を測定することができる他の装置と併用することで全範囲をカバーするように用いる。併用する装置としては、積算流量計のようなものでも良い。   In this embodiment, the region where the hydrogen concentration is in the range of H / M = 0.5 to 0.05 becomes a dead zone, and can be measured only in the high concentration range of H / M = 0.5 to 0.7. Therefore, it is used so as to cover the entire range by using in combination with another apparatus capable of measuring the low concentration range. A device such as an integrated flow meter may be used as the device used in combination.

上記のような水素センサの機能を確認するために、図3(a)に示す試験装置にて、機能試験を行った。ここでは、ガラス管50内に、図3(b)に示すような電気化学セル
検出電極30|電解質体26|基準電極28
が構成されている。ガラス管の一端にはバルブ52を介して水素ガス源54が接続され、他端側には三方切替弁56を介して一方は大気開放され、他方は真空排気用のポンプ58が接続されている。また、温度の影響を調べるために、ガラス管の周囲にヒータ60を配置した。なお、ガラス管50内部の温度を測定するためのセンサ(図示略)及び圧力を測定するためのセンサ62がそれぞれ設けられている。
In order to confirm the function of the hydrogen sensor as described above, a function test was performed using the test apparatus shown in FIG. Here, an electrochemical cell as shown in FIG. 3 (b) in the glass tube 50, the detection electrode 30 | the electrolyte body 26 | the reference electrode 28.
Is configured. One end of the glass tube is connected to a hydrogen gas source 54 via a valve 52, the other end is connected to the atmosphere via a three-way switching valve 56, and the other end is connected to a vacuum exhaust pump 58. . Moreover, in order to investigate the influence of temperature, the heater 60 was arrange | positioned around the glass tube. A sensor (not shown) for measuring the temperature inside the glass tube 50 and a sensor 62 for measuring pressure are provided.

この装置において、電気化学セルの基準電極28としてWを、検出電極30としてPtを用い、電解質体の動作を調べた。この試験装置では、水素貯蔵合金を用いていないが、Ptと電解質体26との境界において、水素濃度と等しい化学ポテンシャルが得られるので、上記式(1)〜(5)の関係が水素貯蔵合金と同様に成立する。従って、水素貯蔵合金測定用の電解質体としての機能を測定することができる。なお、検出電極としてのPtは、βアルミナの柱状試料の一端にPtの薄板を圧接することにより形成した。   In this apparatus, the operation of the electrolyte was examined using W as the reference electrode 28 of the electrochemical cell and Pt as the detection electrode 30. In this test apparatus, a hydrogen storage alloy is not used, but a chemical potential equal to the hydrogen concentration is obtained at the boundary between Pt and the electrolyte body 26. Therefore, the relationship of the above formulas (1) to (5) is the hydrogen storage alloy. The same holds true. Therefore, the function as an electrolyte body for measuring a hydrogen storage alloy can be measured. Note that Pt as a detection electrode was formed by pressing a thin plate of Pt on one end of a columnar sample of β alumina.

この装置において、室温にて真空置換により水素ガスを1.02×10Pa導入した状態で、温度を段階的に昇温させた場合の起電力の変化を測定した。その結果、図4に示すように、温度が60℃以上の温度において起電力の発生が見られ、センサとして機能を有すると思われる。しかしながら、起電力は小さく、その後の温度上昇の都度起電力が発生している。このようなノイズを含む結果となっているのでは、βアルミナの水素ガスを検出するためのイオン伝導体としての機能が不十分である(伝導率が低い)ので、センサのインピーダンスが極めて高い状態にあるためであると思われる。 In this apparatus, the change in electromotive force was measured when the temperature was raised stepwise while hydrogen gas was introduced at 1.02 × 10 5 Pa by vacuum substitution at room temperature. As a result, as shown in FIG. 4, the generation of electromotive force is observed at a temperature of 60 ° C. or higher, and it seems to have a function as a sensor. However, the electromotive force is small, and the electromotive force is generated every time the temperature rises thereafter. As a result of including such noise, the function as an ion conductor for detecting hydrogen gas of β-alumina is insufficient (conductivity is low), so that the impedance of the sensor is extremely high. It seems that this is because.

次に、多孔質γアルミナにNaを担持させたものを電解質体として用いた。これは、柱状の多孔質γアルミナ(気孔率37%)を用意し、室温においてNaOH水溶液(濃度10mol/L)を含浸させ、2時間で200℃まで昇温し、2時間維持し、さらに30分で室温まで降下させることによって作成した。このような処理によって、多孔質γアルミナの表面の一部において、アルミナ結晶中にNaが取り込まれたβアルミナに近い構造が生成していると考えられる。なお、ここで行った200℃で2時間の熱処理を600℃で2時間とすることで、電解質としての機能向上が認められた。
このようにNaを含浸し、熱処理した多孔質γアルミナの2つの対向面に、PtおよびWからなる検出電極および基準電極を先の場合と同様に取り付け、図3(a)に示す装置に組み込んだ。
Next, what carried | supported Na to the porous (gamma) alumina was used as an electrolyte body. This is prepared by preparing columnar porous γ-alumina (porosity of 37%), impregnating with an aqueous NaOH solution (concentration: 10 mol / L) at room temperature, raising the temperature to 200 ° C. in 2 hours, maintaining for 2 hours, and further 30 Made by lowering to room temperature in minutes. By such treatment, it is considered that a structure close to β-alumina in which Na is incorporated into the alumina crystal is generated on a part of the surface of the porous γ-alumina. In addition, the function improvement as an electrolyte was recognized by performing the heat processing performed at 200 degreeC for 2 hours here at 600 degreeC for 2 hours.
The detection electrode and the reference electrode made of Pt and W are attached to the two opposing surfaces of the porous γ-alumina impregnated and heat-treated in the same manner as described above, and incorporated in the apparatus shown in FIG. It is.

この装置において、βアルミナの場合と同様に、室温にて真空置換により水素ガスを1.02×10Pa導入した状態で、温度を連続的に昇温させて、起電力の変化を測定した。その結果を図5に示す。図5の左側の拡大図に示すように、常温では電解質としての機能を有していないが、40℃になると起電力が負の値となり、それ以上の温度でセンサとして動作していることが分かる。そして、右側の全体図に示すように、温度が100℃以上の温度においては、一定の起電力の発生が見られ、100〜150℃の温度範囲で安定的に動作していることが分かる。 In this apparatus, as in the case of β-alumina, the change in electromotive force was measured by continuously raising the temperature in a state where hydrogen gas was introduced at 1.02 × 10 5 Pa by vacuum substitution at room temperature. . The result is shown in FIG. As shown in the enlarged view on the left side of FIG. 5, it does not have a function as an electrolyte at room temperature, but when it reaches 40 ° C., the electromotive force becomes a negative value, and it operates as a sensor at a temperature higher than that. I understand. As shown in the overall diagram on the right side, when the temperature is 100 ° C. or higher, the generation of a constant electromotive force is observed, and it can be seen that the device operates stably in the temperature range of 100 to 150 ° C.

ここでは、150℃に達した後、温度を一度35℃まで低下させて、再度120℃まで昇温させた。温度が35℃まで低下すると、起電力は0となり、電解質としての機能は消失しているが、120℃まで昇温すると、同じ一定の起電力が発生しており、温度変化に対しても安定している。   Here, after reaching 150 ° C., the temperature was once lowered to 35 ° C. and again raised to 120 ° C. When the temperature drops to 35 ° C, the electromotive force becomes 0 and the function as an electrolyte is lost. However, when the temperature rises to 120 ° C, the same constant electromotive force is generated and is stable against temperature changes. is doing.

以上、γアルミナにNaを担持させたもの又はβアルミナは、水素センサに用いる電解質として100〜150℃の温度範囲で機能を有することが分かり、これは無水物であるので、水素貯蔵合金用水素センサに用いるための電解質体として好適であることが分かった。   As described above, γ-alumina with Na supported thereon or β-alumina is known to have a function in the temperature range of 100 to 150 ° C. as an electrolyte used for a hydrogen sensor. It turned out that it is suitable as an electrolyte body for using for a sensor.

(a)は、水素センサを有する水素貯蔵装置の実施の形態を示す模式図、(b)は、電解質体を示す図である。(A) is a schematic diagram which shows embodiment of the hydrogen storage apparatus which has a hydrogen sensor, (b) is a figure which shows an electrolyte body. 図1の実施の形態における水素濃度と起電力の特性の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the characteristic of the hydrogen concentration and electromotive force in embodiment of FIG. (a)は、水素センサの試験装置を示す模式図、(b)は、電気化学的セルを示す図である。(A) is a schematic diagram which shows the test device of a hydrogen sensor, (b) is a figure which shows an electrochemical cell. この発明の一実施例の水素センサの特性を示すグラフである。It is a graph which shows the characteristic of the hydrogen sensor of one Example of this invention. この発明の他の実施例の水素センサの特性を示すグラフである。It is a graph which shows the characteristic of the hydrogen sensor of the other Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 水素貯蔵装置
10 密閉容器
12 開閉弁
14 ポート
16 空間
18 水素貯蔵合金
19 押え板
20 バネ部材
22 センサホルダ
23 天板
24 メタルシール
26 電解質体
28 基準電極
30 検出電極
32 センサ部
34 配線
36 絶縁管
38 引き出し線
40 圧縮バネ
42a マイクロヒータ
42b 温度センサ
42 温度調整装置
44 多孔質体
50 ガラス管
52 バルブ
54 水素ガス源
56 三方切替弁
58 ポンプ
60 ヒータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen storage apparatus 10 Sealed container 12 On-off valve 14 Port 16 Space 18 Hydrogen storage alloy 19 Press plate 20 Spring member 22 Sensor holder 23 Top plate 24 Metal seal 26 Electrolyte body 28 Reference electrode 30 Detection electrode 32 Sensor part 34 Wiring 36 Insulation tube 38 Lead wire 40 Compression spring 42a Micro heater 42b Temperature sensor 42 Temperature adjusting device 44 Porous body 50 Glass tube 52 Valve 54 Hydrogen gas source 56 Three-way switching valve 58 Pump 60 Heater

Claims (4)

検出電極と基準電極とが取り付けられた電解質体を有する水素センサにおいて、
前記電解質体は、金属イオン導電性を有する固体電解質から構成されていることを特徴とする水素センサ。
In a hydrogen sensor having an electrolyte body to which a detection electrode and a reference electrode are attached,
2. The hydrogen sensor according to claim 1, wherein the electrolyte body is composed of a solid electrolyte having metal ion conductivity.
前記固体電解質はナトリウムイオン導電性を有するものであることを特徴とする請求項1に記載の水素センサ。   The hydrogen sensor according to claim 1, wherein the solid electrolyte has sodium ion conductivity. 前記固体電解質はβアルミナであることを特徴とする請求項2に記載の水素センサ。   The hydrogen sensor according to claim 2, wherein the solid electrolyte is β-alumina. 前記固体電解質は多孔質γアルミナにナトリウムを担持させたものであることを特徴とする請求項2に記載の水素センサ。   The hydrogen sensor according to claim 2, wherein the solid electrolyte is a porous γ-alumina supporting sodium.
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