JP2013068567A - Signal processing method of hydrogen gas sensor, and signal processor - Google Patents

Signal processing method of hydrogen gas sensor, and signal processor Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a signal processor of a hydrogen gas sensor capable of properly detecting hydrogen gas without using an expensive humidity sensor even when there is an influence of environmental fluctuation in the hydrogen gas sensor.SOLUTION: A hydrogen gas sensor includes: a proton conductive layer 2: a catalytic layer 3; a first electrode 4a joined to the proton conductive layer via the catalytic layer; and a second electrode 4b joined to the proton conductive layer without interposing the catalytic layer. A signal processor is constituted by including: a measurement processing part 11 which applies voltage of a predetermined pattern which gradually changes between both positive and negative polarities between both the electrodes of the hydrogen gas sensor, to measure values of currents which flow between both the electrodes; a normalization processing part 12 which normalizes the respective measured current values by a current value corresponding to a preset predetermined applied voltage to calculate voltage current characteristics; a temperature measurement processing part 13 which measures ambient temperature of the hydrogen gas sensor; a hydrogen gas detection processing part 14 which calculates the concentration of hydrogen gas based on the correlation between the normalized voltage current characteristics and the ambient temperature; and an output processing part 15 which outputs a processing result.

Description

本発明は、水素ガスセンサの信号処理方法、及び信号処理装置に関する。   The present invention relates to a signal processing method and a signal processing apparatus for a hydrogen gas sensor.

燃料電池に代表される水素エネルギーシステムを構成するうえで、水素ガスの有無または濃度を精度良く検出できる水素ガスセンサの必要性は極めて高く、気相中或いは液相中における水素を測定するにあたり、小型軽量化を可能とすることができる水素ガスセンサが望まれている。   In configuring a hydrogen energy system typified by a fuel cell, there is an extremely high need for a hydrogen gas sensor that can accurately detect the presence or concentration of hydrogen gas, and it is compact when measuring hydrogen in the gas phase or liquid phase. A hydrogen gas sensor that can be reduced in weight is desired.

特許文献1に開示されているように、このような背景の下、本願出願人は、高いプロトン導電性を示すパーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系等の固体高分子電解質膜を用いた水素ガスセンサ等を提案している。   As disclosed in Patent Document 1, in this background, the applicant of the present application used a solid polymer electrolyte membrane such as perfluorosulfonic acid or perfluorocarboxylic acid that exhibits high proton conductivity. A hydrogen gas sensor is proposed.

当該水素ガスセンサは、固体高分子電解質で構成される基材の少なくとも一方の面に触媒層が形成され、触媒層を介して一方の面に第一電極が形成されるとともに、他方の面に第二電極が形成されている。さらに、特許文献1には、水素ガス検知特性、特に出力の立下り特性を改善するために、当該固体高分子電解質にカーボンを添加した基材が好適に用いられることが開示されている。   In the hydrogen gas sensor, a catalyst layer is formed on at least one surface of a substrate made of a solid polymer electrolyte, a first electrode is formed on one surface via the catalyst layer, and a first electrode is formed on the other surface. Two electrodes are formed. Further, Patent Document 1 discloses that a base material in which carbon is added to the solid polymer electrolyte is suitably used in order to improve hydrogen gas detection characteristics, particularly output falling characteristics.

また、当該水素ガスセンサは、その出力特性に温湿度依存性が見られるため、特許文献2には、湿度や温度などの環境因子の変動に起因する出力の変化にかかわらず適正に水素ガスを検知することを目的として改良された水素ガスセンサが開示されている。   In addition, since the hydrogen gas sensor has temperature and humidity dependence in its output characteristics, Patent Document 2 properly detects hydrogen gas regardless of changes in output caused by fluctuations in environmental factors such as humidity and temperature. An improved hydrogen gas sensor is disclosed for the purpose of doing so.

当該水素ガスセンサは、基材のインピーダンス特性を測定する測定回路と、水素ガスセンサの出力変化とインピーダンス変化の相関関係に基づいて水素ガスを検知する信号処理回路が設けられている。   The hydrogen gas sensor is provided with a measurement circuit that measures the impedance characteristics of the substrate, and a signal processing circuit that detects hydrogen gas based on the correlation between the output change of the hydrogen gas sensor and the impedance change.

WO/2008/093813号公報WO / 2008/093813 特開2009−145328号公報JP 2009-145328 A

しかし、特許文献1に記載された水素ガスセンサは、感応部に用いる固体高分子電解質膜のプロトン導電性が温度や湿度等の変動の影響を受けて変動するため、その出力特性に環境依存性が表れ、同じ濃度の水素ガスであっても水素ガスセンサの周囲の湿度等の環境により水素ガスセンサの出力が変動し、環境変化が大きな条件下では正確に水素ガスを検知することが困難であるという問題があった。   However, in the hydrogen gas sensor described in Patent Document 1, the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane used in the sensitive part varies under the influence of fluctuations in temperature, humidity, etc., so that its output characteristics are environmentally dependent. The problem is that even if hydrogen gas has the same concentration, the output of the hydrogen gas sensor fluctuates depending on the environment such as the humidity around the hydrogen gas sensor, and it is difficult to accurately detect hydrogen gas under conditions where the environmental change is large. was there.

また、特許文献2に記載されているように、水素による信号変化と温湿度による信号変化をインピーダンス信号の変化の仕方で切り分ける手法は、室温付近で水素のありなしを検知するガス漏れ検知器の用途等には有効であるが、広い温湿度範囲に渡って、任意の安定した状態での水素検知や水素濃度を計測する用途には充分ではなかった。   In addition, as described in Patent Document 2, a method of separating a signal change due to hydrogen and a signal change due to temperature and humidity by a method of changing the impedance signal is a gas leak detector that detects the presence or absence of hydrogen near room temperature. Although it is effective for applications, it has not been sufficient for hydrogen detection and hydrogen concentration measurement in any stable state over a wide temperature and humidity range.

そこで、水素ガスセンサの環境を検知するために別途温度センサ及び湿度センサを設けて、これらによって検知した温度や湿度に基づいてセンサ出力を補正する手立ても考えられるが、そのために高価な湿度センサや信号処理回路を備えると、水素ガスセンサのコストが上昇するという問題が生じる。   In order to detect the environment of the hydrogen gas sensor, a temperature sensor and a humidity sensor may be provided separately to correct the sensor output based on the detected temperature and humidity. When the processing circuit is provided, there arises a problem that the cost of the hydrogen gas sensor increases.

逆に、温湿度調整機構を設けて、水素ガスセンサの環境を一定に維持することも考えられるが、そのための大掛かりな装置が必要となるという問題もあった。   Conversely, it is conceivable to provide a temperature / humidity adjusting mechanism to maintain the environment of the hydrogen gas sensor constant, but there is also a problem that a large-scale device for that purpose is required.

本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、水素ガスセンサに環境変動の影響があっても、高価な湿度センサを用いることなく適正に水素ガスを検出できる水素ガスセンサの信号処理方法、及び信号処理装置を提供する点にある。   In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a hydrogen gas sensor signal processing method and signal processing capable of properly detecting hydrogen gas without using an expensive humidity sensor even if the hydrogen gas sensor is affected by environmental fluctuations. The point is to provide a device.

上述の目的を達成するため、本発明による水素ガスセンサの信号処理方法の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項1に記載した通り、プロトン導電層と、前記プロトン導電層にそれぞれ接合された第一電極及び第二電極とを備えている水素ガスセンサの信号処理方法であって、前記第一電極と第二電極との間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極間に流れる電流値を計測する計測ステップと、前記計測ステップで計測された各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値で正規化して電圧電流特性を求める正規化ステップと、前記正規化ステップで得られた電圧電流特性に基づいて水素ガスの有無を判定し、または水素ガスの濃度を求める水素ガス検出ステップと、を含む点にある。   In order to achieve the above object, a first characteristic configuration of a signal processing method for a hydrogen gas sensor according to the present invention includes a proton conductive layer and a proton conductive layer as described in claim 1 of the claims. A signal processing method for a hydrogen gas sensor comprising a first electrode and a second electrode joined to each other, wherein the predetermined pattern gradually changes between positive and negative polarities between the first electrode and the second electrode. A voltage step by measuring a current value flowing between both electrodes by applying a voltage, and normalizing each current value measured in the measurement step with a current value corresponding to a predetermined applied voltage set in advance A normalization step for determining characteristics, and a hydrogen gas detection step for determining the presence or absence of hydrogen gas based on the voltage-current characteristics obtained in the normalization step or for determining the concentration of hydrogen gas. That.

一定濃度の水素ガスを水素ガスセンサに曝した状態で、第一電極と第二電極との間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加すると、両電極間に流れる電流値が観測され、この電流値が温度及び湿度に依存して無視できない程度に変動する。   When a voltage of a predetermined pattern that gradually changes between positive and negative polarities is applied between the first electrode and the second electrode in a state where hydrogen gas of a constant concentration is exposed to the hydrogen gas sensor, the current value flowing between the two electrodes is Observed, this current value fluctuates to a degree that cannot be ignored depending on temperature and humidity.

本願発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、このときの各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値で正規化すると、ある程度の温度範囲では電圧電流特性がほぼ重なって湿度変動の影響を受けないこと、また、水素ガスが含まれない雰囲気中で計測した電流値に対して同様の正規化処理を行なうと温湿度に関わらず電圧電流特性がほぼ重なるという新知見を得るに到った。このような新知見に従えば、温度変動が所定範囲内であれば、湿度が変動する環境であっても補正のための湿度を計測することなく、正規化処理した電圧電流特性に基づいて水素ガスの有無を判定し、または水素ガスの濃度を求めることができるようになった。   As a result of intensive studies, the inventors of the present application have found that when each current value at this time is normalized with a current value corresponding to a predetermined applied voltage set in advance, the voltage-current characteristics almost overlap in a certain temperature range. A new finding is that it is not affected by humidity fluctuations, and that if the same normalization is applied to the current value measured in an atmosphere that does not contain hydrogen gas, the voltage-current characteristics will almost overlap regardless of temperature and humidity. I got it. According to such new knowledge, if the temperature fluctuation is within a predetermined range, even in an environment where the humidity fluctuates, it is possible to measure the hydrogen based on the normalized voltage-current characteristics without measuring the humidity for correction. The presence or absence of gas can be determined, or the concentration of hydrogen gas can be determined.

同第二の特徴構成は、同請求項2に記載した通り、プロトン導電層と、前記プロトン導電層にそれぞれ接合された第一電極及び第二電極とを備えている水素ガスセンサの信号処理方法であって、前記第一電極と第二電極との間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極間に流れる電流値を計測する計測ステップと、前記計測ステップで計測された各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値で正規化して電圧電流特性を求める正規化ステップと、前記水素ガスセンサの周囲温度を計測する温度計測ステップと、前記正規化ステップで得られた電圧電流特性と前記温度計測ステップで計測された周囲温度との相関関係に基づいて水素ガスの有無を判定し、または水素ガスの濃度を求める水素ガス検出ステップと、を含む点にある。   The second characteristic configuration is a signal processing method of a hydrogen gas sensor comprising a proton conductive layer and a first electrode and a second electrode respectively joined to the proton conductive layer, as described in claim 2. A measuring step of measuring a current value flowing between both electrodes by applying a voltage of a predetermined pattern that gradually changes between positive and negative polarities between the first electrode and the second electrode; A normalizing step for obtaining a voltage-current characteristic by normalizing each current value measured in step 1 with a current value corresponding to a predetermined applied voltage set in advance, a temperature measuring step for measuring the ambient temperature of the hydrogen gas sensor, and Hydrogen gas that determines the presence or absence of hydrogen gas based on the correlation between the voltage-current characteristics obtained in the normalization step and the ambient temperature measured in the temperature measurement step, or obtains the concentration of hydrogen gas It lies in including a step out, the.

上述した第一の特徴構成によれば、温度変動が所定範囲内であれば、正規化処理した電圧電流特性に基づいて水素ガスの有無を判定し、または水素ガスの濃度を求めることができるが、温度変動が大きい場合には正規化処理した電圧電流特性に温度の影響が現れるために、正確に水素ガス濃度を求めるのが困難になる。本願発明者らは、そのような場合でも、正規化処理した電圧電流特性と周囲温度との間に相関関係が見出されるという新知見を得ている。そこで、水素ガスセンサの周囲温度を計測すれば、当該相関関係に基づいて正確に水素ガスの有無を判定し、または水素ガス濃度を求めることができるようになった。このような温度センサは通常非常に安価に入手できるため、然程のコストの上昇を招くことは無い。   According to the first characteristic configuration described above, if the temperature fluctuation is within a predetermined range, the presence or absence of hydrogen gas can be determined based on the normalized voltage-current characteristics, or the concentration of hydrogen gas can be obtained. When the temperature fluctuation is large, the influence of temperature appears in the normalized voltage-current characteristic, so that it is difficult to accurately obtain the hydrogen gas concentration. The present inventors have obtained a new finding that even in such a case, a correlation is found between the normalized voltage-current characteristic and the ambient temperature. Therefore, if the ambient temperature of the hydrogen gas sensor is measured, the presence or absence of hydrogen gas can be accurately determined based on the correlation, or the hydrogen gas concentration can be obtained. Since such a temperature sensor is usually available at a very low cost, the cost is not increased so much.

同第三の特徴構成は、同請求項3に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記水素ガスセンサが、前記プロトン導電層と前記第一電極との間、及び/または前記プロトン導電層と前記第二電極との間に、触媒層を備える点にある。   In the third feature configuration, as described in claim 3, in addition to the first or second feature configuration described above, the hydrogen gas sensor is provided between the proton conductive layer and the first electrode, and / Or a catalyst layer is provided between the proton conductive layer and the second electrode.

上述の構成によれば、触媒層による触媒作用で効率的に水素がプロトンに分解され、良好な水素ガス検出感度を確保できるようになる。   According to the above-described configuration, hydrogen is efficiently decomposed into protons by the catalytic action of the catalyst layer, and good hydrogen gas detection sensitivity can be ensured.

同第四の特徴構成は、同請求項4に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記計測ステップでは、前記第一電極に対して前記第二電極が正となる初期電圧から前記第一電極に対して前記第二電極が負となる移行電圧に次第に変化する部分を含む所定パターンの電圧が印加される点にある。   In the fourth feature configuration, in addition to any one of the first to third feature configurations described above, in the measurement step, the second electrode is compared with the first electrode as described in claim 4. A voltage of a predetermined pattern including a portion that gradually changes from an initial voltage at which becomes positive to a transition voltage at which the second electrode becomes negative with respect to the first electrode is applied.

第一電極が水素ガスに曝されると、触媒作用を備えた第一電極または触媒層の作用で水素ガスが分解され、プロトンがプロトン導電層を介して第二電極に移動し、電子が第一電極から外部回路に流れるため、このときの電流値を計測することによって水素ガスの有無または濃度が検出できる。つまり、第一電極では水素分子がプロトンと電子に分解される酸化反応が進むのである。   When the first electrode is exposed to hydrogen gas, the hydrogen gas is decomposed by the action of the first electrode or catalyst layer having catalytic action, protons move to the second electrode through the proton conductive layer, and electrons are Since one electrode flows to the external circuit, the presence or concentration of hydrogen gas can be detected by measuring the current value at this time. That is, in the first electrode, an oxidation reaction in which hydrogen molecules are decomposed into protons and electrons proceeds.

しかし、このとき、第一電極に対して第二電極が正となる初期電圧が印加されると、第一電極に電子が供給されてプロトンと電子から水素分子が生成される還元反応が促進されて平衡状態に達して電流が殆ど検出できない状態になる。この状態から印加電圧が第一電極に対して第二電極が負となる移行電圧に次第に変化すると、酸化還元反応の平衡状態が崩れて酸化反応が進み、発生したプロトンが第二電極に向けて移動する。従って、初期電圧から移行電圧に次第に変化する部分を含む所定パターンの電圧を印加することにより、水素ガス濃度が低い場合であっても、プロトンの発生を感度良く検出できるようになる。   However, at this time, when an initial voltage that makes the second electrode positive with respect to the first electrode is applied, electrons are supplied to the first electrode to promote a reduction reaction in which hydrogen molecules are generated from protons and electrons. Thus, an equilibrium state is reached and almost no current can be detected. When the applied voltage gradually changes from this state to a transition voltage at which the second electrode becomes negative with respect to the first electrode, the equilibrium state of the oxidation-reduction reaction collapses and the oxidation reaction proceeds, and the generated protons are directed toward the second electrode. Moving. Therefore, by applying a voltage having a predetermined pattern including a portion that gradually changes from the initial voltage to the transition voltage, the generation of protons can be detected with high sensitivity even when the hydrogen gas concentration is low.

同第五の特徴構成は、同請求項5に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記計測ステップでは、前記第一電極に対して前記第二電極が正となる初期電圧から前記第一電極に対して前記第二電極が負となる移行電圧に次第に変化する部分を含む所定のパターンの電圧が所定周期で繰り返し印加される点にある。   In the fifth feature configuration, in addition to any one of the first to third feature configurations described above, in the measurement step, the second electrode may be the second electrode with respect to the first electrode. A voltage of a predetermined pattern including a portion that gradually changes from an initial voltage at which becomes positive to a transition voltage at which the second electrode becomes negative with respect to the first electrode is repeatedly applied at a predetermined period.

第一電極と第二電極との間で上述した所定のパターンの電圧の印加が所定周期で繰り返されると、第一電極では平衡状態の還元反応側への移動と酸化反応側への移動が当該所定周期で繰り返される。その結果、水素ガス濃度に対応したプロトンの発生を周期的に感度の良い状態で検出できるようになる。   When the application of the voltage in the predetermined pattern described above is repeated between the first electrode and the second electrode at a predetermined cycle, the movement toward the reduction reaction side and the movement toward the oxidation reaction side in the first electrode are performed in the first electrode. Repeated at a predetermined cycle. As a result, generation of protons corresponding to the hydrogen gas concentration can be periodically detected with good sensitivity.

同第六の特徴構成は、同請求項6に記載した通り、上述の第四または第五の特徴構成に加えて、前記所定パターンの電圧には、前記初期電圧が一定時間継続する部分が含まれる点にある。   In the sixth feature configuration, as described in claim 6, in addition to the fourth or fifth feature configuration described above, the voltage of the predetermined pattern includes a portion in which the initial voltage continues for a certain period of time. There is in point.

初期電圧が一定時間継続されることにより第一電極では還元反応が促進されて、プロトンの第二電極への移動が十分に阻止され、その状態から印加電圧が移行電圧へ変化することによって酸化反応が進み、水素ガス濃度に対応したプロトンの発生を感度良く検出できるようになる。   By continuing the initial voltage for a certain period of time, the reduction reaction is promoted at the first electrode, the movement of protons to the second electrode is sufficiently blocked, and the applied voltage changes from that state to the transition voltage, thereby oxidizing the reaction. Then, the generation of protons corresponding to the hydrogen gas concentration can be detected with high sensitivity.

同第七の特徴構成は、同請求項7に記載した通り、上述の第四から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記水素ガス検出ステップでは、前記移行電圧が最小となるときの電圧電流特性の電流値と前記周囲温度との相関関係に基づいて水素ガスの濃度が求められる点にある。   In the seventh feature configuration, as described in claim 7, in addition to any of the fourth to sixth feature configurations described above, in the hydrogen gas detection step, the transition voltage is minimized. The hydrogen gas concentration is obtained based on the correlation between the current value of the voltage-current characteristic and the ambient temperature.

電圧電流特性のうち、移行電圧が最小となるときの電流値は、酸化反応が最も促進された状態であるので最大の感度でプロトンを検出可能な状態となる。   Of the voltage-current characteristics, the current value at which the transition voltage is minimum is in a state in which protons can be detected with the maximum sensitivity because the oxidation reaction is most accelerated.

本発明による水素ガスセンサの信号処理装置の第一の特徴構成は、同請求項8に記載した通り、プロトン導電層と、前記プロトン導電層にそれぞれ接合された第一電極及び第二電極とを備えている水素ガスセンサの信号処理装置であって、前記第一電極と第二電極との間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極間に流れる電流値を計測する計測処理部と、前記計測処理部で計測された各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値で正規化して電圧電流特性を求める正規化処理部と、前記正規化処理部で得られた電圧電流特性に基づいて水素ガスの有無を判定し、または水素ガスの濃度を求める水素ガス検出処理部と、前記水素ガス検出処理部による処理結果を出力する出力処理部と、を含む点にある。   A first characteristic configuration of a signal processing apparatus for a hydrogen gas sensor according to the present invention includes a proton conductive layer, and a first electrode and a second electrode respectively joined to the proton conductive layer. A signal processing apparatus for a hydrogen gas sensor, wherein a voltage having a predetermined pattern that gradually changes between positive and negative polarities is applied between the first electrode and the second electrode, and a current value flowing between the two electrodes is determined. A measurement processing unit for measuring, a normalization processing unit for obtaining a voltage-current characteristic by normalizing each current value measured by the measurement processing unit with a current value corresponding to a predetermined application voltage set in advance, and the normalization A hydrogen gas detection processing unit that determines the presence or absence of hydrogen gas based on the voltage-current characteristics obtained by the processing unit or obtains the concentration of hydrogen gas; and an output processing unit that outputs a processing result by the hydrogen gas detection processing unit; ,including Located in.

同第二の特徴構成は、同請求項9に記載した通り、プロトン導電層と、前記プロトン導電層にそれぞれ接合された第一電極及び第二電極とを備えている水素ガスセンサの信号処理装置であって、前記第一電極と第二電極との間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極間に流れる電流値を計測する計測処理部と、前記計測処理部で計測された各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値で正規化して電圧電流特性を求める正規化処理部と、前記水素ガスセンサの周囲温度を計測する温度計測処理部と、前記正規化処理部で得られた電圧電流特性と前記温度計測処理部で計測された周囲温度との相関関係に基づいて水素ガスの濃度を求める水素ガス検出処理部と、前記水素ガス検出処理部による処理結果を出力する出力処理部と、を含む点にある。   The second characteristic configuration is a signal processing device for a hydrogen gas sensor comprising a proton conductive layer, and a first electrode and a second electrode respectively joined to the proton conductive layer, as described in claim 9. A measurement processing unit that measures a value of a current flowing between both electrodes by applying a voltage of a predetermined pattern that gradually changes between positive and negative polarities between the first electrode and the second electrode, and the measurement A normalization processing unit that obtains a voltage-current characteristic by normalizing each current value measured by the processing unit with a current value corresponding to a predetermined applied voltage, and a temperature measurement process that measures the ambient temperature of the hydrogen gas sensor A hydrogen gas detection processing unit for obtaining a concentration of hydrogen gas based on a correlation between a voltage-current characteristic obtained by the normalization processing unit and an ambient temperature measured by the temperature measurement processing unit, and the hydrogen gas Depending on the detection processor In that it includes an output processing unit that outputs the management result.

以上説明した通り、本発明によれば、水素ガスセンサに環境変動の影響があっても、高価な湿度センサを用いることなく適正に水素ガスを検出できる水素ガスセンサの信号処理方法、及び信号処理装置を提供することができるようになった。   As described above, according to the present invention, there is provided a signal processing method and a signal processing apparatus for a hydrogen gas sensor that can properly detect hydrogen gas without using an expensive humidity sensor even if the hydrogen gas sensor is affected by environmental fluctuations. Can now be offered.

(a)は本発明に用いる水素ガスセンサの例で、自立膜型の水素ガスセンサの構成図、(b)は本発明による信号処理装置のブロック構成図(A) is an example of a hydrogen gas sensor used in the present invention, and is a block diagram of a self-supporting film type hydrogen gas sensor, and (b) is a block diagram of a signal processing device according to the present invention. (a)は本発明による水素ガスセンサの信号処理方法を示し、還元反応側への電圧印加状態の説明図、(b)酸化反応側への電圧印加状態の説明図、(c)は印加電圧パターンの説明図、(d)は他の印加電圧パターンの説明図(A) shows the signal processing method of the hydrogen gas sensor by this invention, and is explanatory drawing of the voltage application state to the reductive reaction side, (b) explanatory drawing of the voltage application state to the oxidation reaction side, (c) is an applied voltage pattern (D) is an explanatory diagram of other applied voltage patterns 異なった環境条件で異なった水素ガス濃度に対して所定の電圧パターンを印加したときの水素ガスセンサの電圧電流特性図であり、(a)は水素ガスに曝されない場合の正規化前の電圧電流特性図、(b)は水素ガスに曝されない場合の最大電流値で正規化した後の電圧電流特性図、(c)は一定濃度の水素ガスに曝された場合を含み、最大電流値で正規化した後の電圧電流特性図It is a voltage-current characteristic diagram of a hydrogen gas sensor when a predetermined voltage pattern is applied to different hydrogen gas concentrations under different environmental conditions, and (a) is a voltage-current characteristic before normalization when not exposed to hydrogen gas. Figure, (b) is a voltage-current characteristic diagram after normalization with the maximum current value when not exposed to hydrogen gas, (c) is normalized with the maximum current value, including when exposed to hydrogen gas of a certain concentration Voltage-current characteristics after 図3(c)の電圧電流特性図に基づいて算出した水素ガス検出特性図であり、(a)は最大電流値で正規化した電圧電流特性図の最小電流値に基づいた水素ガス濃度検出特性図、(b)は最大電流値で正規化した電圧電流特性図の全積分値に基づいた水素ガス濃度検出特性図FIG. 4 is a hydrogen gas detection characteristic diagram calculated based on the voltage-current characteristic diagram of FIG. 3C, where FIG. 3A is a hydrogen gas concentration detection characteristic based on the minimum current value of the voltage-current characteristic diagram normalized by the maximum current value. (B) is a hydrogen gas concentration detection characteristic diagram based on the total integral value of the voltage-current characteristic diagram normalized by the maximum current value. 異なった環境条件で異なった水素ガス濃度に対して所定の電圧パターンを印加したときの水素ガスセンサの電圧電流特性図であり、(a)は水素ガスに曝されない場合の正規化前の電圧電流特性図、(b)は水素ガスに曝されない場合の0V印加電圧時の電流値で正規化した後の電圧電流特性図、(c)は一定濃度の水素ガスに曝された場合を含み、0V印加電圧時の電流値で正規化した後の電圧電流特性図It is a voltage-current characteristic diagram of a hydrogen gas sensor when a predetermined voltage pattern is applied to different hydrogen gas concentrations under different environmental conditions, and (a) is a voltage-current characteristic before normalization when not exposed to hydrogen gas. (B) is a voltage-current characteristic diagram after normalization with a current value at 0 V applied voltage when not exposed to hydrogen gas, and (c) includes a case where it is exposed to a constant concentration of hydrogen gas and applied with 0 V Voltage-current characteristics after normalization with current value at voltage 図5(c)の電圧電流特性図に基づいて算出した水素ガス検出特性図であり、(a)は最大電流値で正規化した電圧電流特性図の最大電流値に基づいた水素ガス濃度検出特性図、(b)は最大電流値で正規化した電圧電流特性図の全積分値に基づいた水素ガス濃度検出特性図FIG. 6 is a hydrogen gas detection characteristic diagram calculated based on the voltage-current characteristic diagram of FIG. 5C, and FIG. 5A is a hydrogen gas concentration detection characteristic based on the maximum current value of the voltage-current characteristic diagram normalized by the maximum current value. (B) is a hydrogen gas concentration detection characteristic diagram based on the total integral value of the voltage-current characteristic diagram normalized by the maximum current value. 異なった環境条件で異なった水素ガス濃度に対して所定の電圧パターンを印加したときの水素ガスセンサの電圧電流特性図であり、(a)は水素ガスに曝されない場合の正規化前の電圧電流特性図、(b)は水素ガスに曝されない場合の最小電流値で正規化した後の電圧電流特性図、(c)は一定濃度の水素ガスに曝された場合を含み、最小電流値で正規化した後の電圧電流特性図It is a voltage-current characteristic diagram of a hydrogen gas sensor when a predetermined voltage pattern is applied to different hydrogen gas concentrations under different environmental conditions, and (a) is a voltage-current characteristic before normalization when not exposed to hydrogen gas. Figure, (b) is a voltage-current characteristic diagram after normalization with the minimum current value when not exposed to hydrogen gas, (c) is normalized with the minimum current value, including when exposed to a constant concentration of hydrogen gas Voltage-current characteristics after 図7(c)の電圧電流特性図に基づいて算出した水素ガス検出特性図であり、(a)は最大電流値で正規化した電圧電流特性図の全積分値に基づいた水素ガス濃度検出特性図、(b)は最大電流値で正規化した電圧電流特性図の電流が負領域の積分値に基づいた水素ガス濃度検出特性図FIG. 8 is a hydrogen gas detection characteristic diagram calculated based on the voltage-current characteristic diagram of FIG. 7C, where FIG. 7A is a hydrogen gas concentration detection characteristic based on the total integrated value of the voltage-current characteristic diagram normalized by the maximum current value. FIG. 4B is a hydrogen gas concentration detection characteristic diagram based on the integral value in the negative region of the current in the voltage-current characteristic diagram normalized by the maximum current value. (a)は一定温度、異なった湿度条件で異なった水素ガス濃度に対して所定の電圧パターンを印加したときの水素ガスセンサの正規化前の電圧電流特性図、(b)は印加電圧が最大時の電流値で正規化した後の電圧電流特性図、(c)は(b)の電圧電流特性図の最小電流値に基づいた水素ガス濃度検出特性図(A) is a voltage-current characteristic diagram before normalization of a hydrogen gas sensor when a predetermined voltage pattern is applied to different hydrogen gas concentrations at different temperatures and constant temperatures, and (b) is when the applied voltage is maximum. (C) is a hydrogen gas concentration detection characteristic diagram based on the minimum current value of the voltage-current characteristic diagram of (b). 本発明に用いる基板型の水素ガスセンサの構成図Configuration diagram of substrate type hydrogen gas sensor used in the present invention 本発明に用いる基板型の水素ガスセンサの構成図Configuration diagram of substrate type hydrogen gas sensor used in the present invention 本発明に用いる水素ガスセンサの他の構成例と、それに対する信号処理装置のブロック構成図Another configuration example of a hydrogen gas sensor used in the present invention and a block configuration diagram of a signal processing apparatus corresponding thereto

以下、本発明による水素ガスセンサの信号処理方法、及び信号処理装置について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a signal processing method and a signal processing apparatus for a hydrogen gas sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1(a)には、本発明に用いられる水素ガスセンサの一例が示されている。当該水素ガスセンサ1は、固体高分子電解質で構成されるプロトン導電層2と、プロトン導電層2と触媒層3を介して接合される第一電極4aと、プロトン導電層2と接合される第二電極4bが積層形成されて構成されている。   FIG. 1 (a) shows an example of a hydrogen gas sensor used in the present invention. The hydrogen gas sensor 1 includes a proton conductive layer 2 made of a solid polymer electrolyte, a first electrode 4 a joined via the proton conductive layer 2 and the catalyst layer 3, and a second joined to the proton conductive layer 2. The electrode 4b is laminated and formed.

プロトン導電層2として、有機系電解質である固体高分子電解質を採用することができ、高いプロトン導電性を有するパーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系等のパーフルオロ系高分子や、Poly(styrene-ran-ethylene),sulfonated等のpartially sulfonated styrene-olefin copolymerでなる炭化水素系固体高分子電解質膜を採用することが好ましく、ナフィオン(デュポン社登録商標:NAFION)やアシプレックス(旭化成株式会社登録商標:ACIPLEX)等が好適に使用できる。このような固体高分子電解質溶液を基板8上にキャスティングすることによりプロトン導電層2を形成することができる。   As the proton conductive layer 2, a solid polymer electrolyte that is an organic electrolyte can be employed. Perfluorosulfonic acid-based, perfluorocarboxylic acid-based perfluoropolymers having high proton conductivity, Poly ( It is preferable to use a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane made of partially sulfonated styrene-olefin copolymer such as styrene-ran-ethylene), sulfonated, etc., and Nafion (registered trademark: NAFION) or Aciplex (registered by Asahi Kasei Corporation) (Trademark: ACIPLEX) can be preferably used. The proton conductive layer 2 can be formed by casting such a solid polymer electrolyte solution on the substrate 8.

触媒層3は、水素ガスと接触することにより触媒機能を持つ金属等でなる触媒3aがプロトン導電層2の上面に担持されて構成されている。   The catalyst layer 3 is configured such that a catalyst 3 a made of a metal having a catalytic function by being brought into contact with hydrogen gas is supported on the upper surface of the proton conductive layer 2.

触媒3aとして、白金Ptまたは白金合金が好適に用いられるが、その他に、金Au、銀Ag、イリジウムIr、パラジウムPd、ルテニウムRu、オスミウムOs、コバルトCo、ニッケルNi、タングステンW、モリブデンMo、マンガンMn、イットリウムY、バナジウムV、ニオブNb、チタンTi、希土類金属、から選択される少なくとも一種を含む金属を用いることができる。   As the catalyst 3a, platinum Pt or a platinum alloy is preferably used. Besides, gold Au, silver Ag, iridium Ir, palladium Pd, ruthenium Ru, osmium Os, cobalt Co, nickel Ni, tungsten W, molybdenum Mo, manganese A metal containing at least one selected from Mn, yttrium Y, vanadium V, niobium Nb, titanium Ti, and a rare earth metal can be used.

第二電極4bは、特に通気性を必要とせず、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属やカーボン素材を用いることも可能であるが、高湿度下でも腐食しない材料を選択することが望ましい。このような電極層は、塗布、スクリーン印刷、メッキ、スパッタリング、真空蒸着等公知の膜形成法により基板8上に形成することができる。   The second electrode 4b does not require air permeability, and can use a metal such as copper, aluminum, stainless steel, or a carbon material, but it is desirable to select a material that does not corrode even under high humidity. Such an electrode layer can be formed on the substrate 8 by a known film forming method such as coating, screen printing, plating, sputtering, or vacuum deposition.

第一電極4a及び第二電極4bは、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属やカーボン素材を用いることができるが、高湿度下でも腐食しない材料を選択することが望ましい。第一電極4aは通気性を確保する必要があり、金属の多孔質体やカーボンペーパー等を好適に用いることができる。第二電極4bは特に通気性を備える必要は無い。尚、本発明に用いることができる水素ガスセンサの他の具体的態様については後に詳述する。   For the first electrode 4a and the second electrode 4b, metals such as copper, aluminum, and stainless steel and carbon materials can be used, but it is desirable to select materials that do not corrode even under high humidity. The first electrode 4a needs to ensure air permeability, and a metal porous body, carbon paper, or the like can be suitably used. The second electrode 4b does not need to have air permeability. Other specific embodiments of the hydrogen gas sensor that can be used in the present invention will be described in detail later.

触媒層3側の電極4aが水素ガスに曝されると、触媒の作用により水素がプロトンと電子に分解され、発生したプロトンはプロトン導電層2に拡散して電子と分離されるため、電子が留まる電極4aは電極4bに対して負電位になる。   When the electrode 4a on the catalyst layer 3 side is exposed to hydrogen gas, hydrogen is decomposed into protons and electrons by the action of the catalyst, and the generated protons diffuse into the proton conductive layer 2 and are separated from the electrons. The remaining electrode 4a has a negative potential with respect to the electrode 4b.

つまり、触媒層3が形成された側の電極4aが負極となり、このとき水素ガス濃度と相関関係を有する電圧値または電流値を信号処理回路で検出することにより水素ガス濃度を検出することができる。この値は、式1で示す水素の酸化還元反応の平衡電極電位による起電力に基づく値であり、これが式2で示すネルンストの式で表されることから、水素ガス濃度に依存した値となる。   That is, the electrode 4a on the side where the catalyst layer 3 is formed becomes a negative electrode, and at this time, the voltage value or current value having a correlation with the hydrogen gas concentration is detected by the signal processing circuit, so that the hydrogen gas concentration can be detected. . This value is a value based on the electromotive force due to the equilibrium electrode potential of the hydrogen oxidation-reduction reaction represented by Equation 1, and since this is represented by the Nernst equation represented by Equation 2, the value depends on the hydrogen gas concentration. .

式1: H ⇔ 2H + 2e
式2: E = Eo + (RT/nF)lna
但し、Eoは標準電極電位、Rは気体定数、Tは温度(K)、nは移動電子数、Fはファラディ定数、aは活量(a=γ・c)、cは水素ガス濃度である。
Formula 1: H 2 ⇔ 2H + + 2e
Formula 2: E = Eo + (RT / nF) lna
Where Eo is the standard electrode potential, R is the gas constant, T is the temperature (K), n is the number of mobile electrons, F is the Faraday constant, a is the activity (a = γ · c), and c is the hydrogen gas concentration. .

このような水素ガスセンサ1は、プロトン導電性が温度や湿度等の変動の影響を受けて変動するため、その出力特性に環境依存性が表れ、同じ濃度の水素ガスであっても周囲の湿度等の環境変動に伴って水素ガスセンサの出力が変動する。   In such a hydrogen gas sensor 1, proton conductivity fluctuates due to the influence of fluctuations in temperature, humidity, etc., so that its output characteristics are environmentally dependent, and even with the same concentration of hydrogen gas, the ambient humidity, etc. As the environment changes, the output of the hydrogen gas sensor changes.

しかし、以下に説明するように、サイクリックボルタンメトリー法を応用することにより、周囲の湿度環境に左右されず、正確に水素ガス濃度を検出可能となる。   However, as will be described below, by applying the cyclic voltammetry method, the hydrogen gas concentration can be accurately detected regardless of the surrounding humidity environment.

図1(b)に示すように、水素ガスセンサ1の信号処理装置10は、計測処理部11と、正規化処理部12と、温度計測処理部13と、水素ガス検出処理部14と、出力処理部15を備えている。これらは、FPGAやASIC等の電子回路またはマイクロコンピュータとその周辺回路等で構成され、予め設定されたプログラムに基づいて以下に説明する所定の処理を実行するように構成されている。   As shown in FIG. 1B, the signal processing device 10 of the hydrogen gas sensor 1 includes a measurement processing unit 11, a normalization processing unit 12, a temperature measurement processing unit 13, a hydrogen gas detection processing unit 14, and an output process. Part 15 is provided. These are constituted by an electronic circuit such as FPGA or ASIC or a microcomputer and its peripheral circuits, and are configured to execute predetermined processing described below based on a preset program.

計測処理部11は、可変電圧発生器VRと電流検出部Aと電圧検出部Vを備え、電圧検出部Vによって両電極4a,4b間の電圧をモニタしながら、可変電圧発生器VRを調整して第一電極4aと第二電極4bとの間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極4a,4b間に流れる電流値を計測する。所定パターンの電圧とは、例えば、図2(c),(d)に示すようなパターンの繰返し電圧である。   The measurement processing unit 11 includes a variable voltage generator VR, a current detection unit A, and a voltage detection unit V. The voltage detection unit V adjusts the variable voltage generator VR while monitoring the voltage between the electrodes 4a and 4b. Then, a voltage of a predetermined pattern that gradually changes between positive and negative polarities is applied between the first electrode 4a and the second electrode 4b, and the value of the current flowing between the electrodes 4a and 4b is measured. The voltage of a predetermined pattern is a repetitive voltage of a pattern as shown in FIGS. 2 (c) and 2 (d), for example.

正規化処理部12は、計測処理部11で計測された各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値、例えば印加電圧が最大となるときの電流値等で正規化して電圧電流特性を求める演算処理を実行する。   The normalization processing unit 12 normalizes each current value measured by the measurement processing unit 11 with a current value corresponding to a predetermined application voltage set in advance, for example, a current value when the application voltage becomes maximum, etc. An arithmetic process for obtaining current characteristics is executed.

温度計測処理部13は、サーミスタやダイオード等の温度により特性が異なる素子TSからの電圧を計測して、水素ガスセンサ1の周囲温度を算出する。   The temperature measurement processing unit 13 measures the voltage from the element TS having different characteristics depending on the temperature of a thermistor, a diode, etc., and calculates the ambient temperature of the hydrogen gas sensor 1.

水素ガス検出処理部14は、正規化処理部12で得られた電圧電流特性と温度計測処理部13で計測された周囲温度との相関関係に基づいて水素ガスの濃度を算出する。そのため、水素ガス検出処理部14には、予め試験計測された当該相関関係が記憶されたメモリを備えている。   The hydrogen gas detection processing unit 14 calculates the concentration of hydrogen gas based on the correlation between the voltage-current characteristics obtained by the normalization processing unit 12 and the ambient temperature measured by the temperature measurement processing unit 13. Therefore, the hydrogen gas detection processing unit 14 includes a memory in which the correlation measured in advance by test is stored.

出力処理部15は、水素ガス検出処理部14による処理結果を出力するブロックで、処理結果を表示する液晶表示部や、処理結果を外部機器に出力する信号送信部等で構成されている。   The output processing unit 15 is a block that outputs a processing result from the hydrogen gas detection processing unit 14, and includes a liquid crystal display unit that displays the processing result, a signal transmission unit that outputs the processing result to an external device, and the like.

本発明による水素ガスセンサの信号処理方法は、上述した信号処理装置10で実行される。即ち、計測処理部11で実行され、第一電極と第二電極との間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極間に流れる電流値を計測する計測ステップと、正規化処理部12で実行され、計測ステップで計測された各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値で正規化して電圧電流特性を求める正規化ステップと、温度計測処理部13で実行され、水素ガスセンサの周囲温度を計測する温度計測ステップと、水素ガス検出処理部14で実行され、正規化ステップで得られた電圧電流特性と温度計測ステップで計測された周囲温度との相関関係に基づいて水素ガスの濃度を求める水素ガス検出ステップとを備えている。   The signal processing method of the hydrogen gas sensor according to the present invention is executed by the signal processing apparatus 10 described above. In other words, measurement is performed by the measurement processing unit 11 and a voltage of a predetermined pattern that gradually changes between positive and negative polarities is applied between the first electrode and the second electrode to measure a current value flowing between the two electrodes. A normalization step that is executed by the normalization processing unit 12 and obtains a voltage-current characteristic by normalizing each current value measured in the measurement step with a current value corresponding to a predetermined application voltage set in advance, and a temperature A temperature measurement step that is executed by the measurement processing unit 13 and measures the ambient temperature of the hydrogen gas sensor, and a voltage-current characteristic that is executed by the hydrogen gas detection processing unit 14 and obtained in the normalization step and the ambient that is measured in the temperature measurement step A hydrogen gas detection step for obtaining a hydrogen gas concentration based on the correlation with temperature.

図2(a)に示すように、計測処理部11によって水素ガスセンサ1の第二電極4bに正、第一電極4aに負の電圧がバイアス電圧として印加されると、触媒層3で酸化反応によって分解されたプロトンが逆方向のバイアス電圧によって電極4bから電極4aに移動し、酸化還元反応の平衡状態が還元反応側に移行するために検知される電流が小さくなる。   As shown in FIG. 2A, when a positive voltage is applied to the second electrode 4b of the hydrogen gas sensor 1 and a negative voltage is applied to the first electrode 4a as a bias voltage by the measurement processing unit 11, an oxidation reaction is caused in the catalyst layer 3. The decomposed protons move from the electrode 4b to the electrode 4a by the reverse bias voltage, and the detected current is reduced because the equilibrium state of the oxidation-reduction reaction shifts to the reduction reaction side.

図2(b)に示すように、逆に、計測処理部11によって水素ガスセンサ1の電極4bに負、電極4aに正の電圧が印加されると、触媒層3で酸化反応によって分解されたプロトンが順方向のバイアス電圧によって電極4aから電極4bに移動し、酸化還元反応の平衡状態が酸化反応側に移行するために検知される電流が大きくなる。   As shown in FIG. 2B, conversely, when a negative voltage is applied to the electrode 4 b of the hydrogen gas sensor 1 and a positive voltage is applied to the electrode 4 a by the measurement processing unit 11, protons decomposed by the oxidation reaction in the catalyst layer 3. Is moved from the electrode 4a to the electrode 4b by the forward bias voltage, and the detected current increases because the equilibrium state of the oxidation-reduction reaction shifts to the oxidation reaction side.

このように、計測処理部11によって第一電極4aと第二電極4bとの間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧が印加されると、それに伴なって変化する電流値が計測される。   As described above, when the voltage of a predetermined pattern that gradually changes between positive and negative polarities is applied between the first electrode 4a and the second electrode 4b by the measurement processing unit 11, the current value that changes with the voltage is changed. It is measured.

例えば、図2(c)に示すように、初期電圧250mV(A点)から0mV(B点)を経て、−250mV(C点)に線形に降下し、さらに0mV(D点)を経て250mVに線形に上昇するようなパターンの電圧を水素ガスセンサ1に印加すると、図3(a)に示すような電圧電流特性が得られる。   For example, as shown in FIG. 2 (c), the voltage drops linearly from an initial voltage of 250 mV (point A) to 0 mV (point B) to -250 mV (point C) and further to 0 mV (point D) to 250 mV. When a voltage having a linearly rising pattern is applied to the hydrogen gas sensor 1, voltage-current characteristics as shown in FIG.

例えば、図2(d)に示すように、初期電圧0(B点)から−250mV(C点)に線形に降下し、さらに250mV(E点)に線形に上昇した後に初期電圧に戻るようなパターンの電圧を水素ガスセンサ1に印加すると、図9(a)に示すような電圧電流特性が得られる。   For example, as shown in FIG. 2 (d), the voltage drops linearly from the initial voltage 0 (point B) to −250 mV (point C), further increases linearly to 250 mV (point E), and then returns to the initial voltage. When a pattern voltage is applied to the hydrogen gas sensor 1, a voltage-current characteristic as shown in FIG.

ともに、±250mVの範囲で4秒を一周期とする電圧である。しかし、最大−最小の電圧範囲、及び周期はこの値に限るものではなく、使用する水素ガスセンサ1の感度等によって適宜設定すればよい。また、印加電圧は次第に変化するものであればよく、線形的に変化させる必要は無い。そして計測処理部11によって、このような一定パターンの電圧が繰返し水素ガスセンサ1に印加され、そのときの各電流値が計測される。   Both are voltages having a cycle of 4 seconds in a range of ± 250 mV. However, the maximum-minimum voltage range and cycle are not limited to these values, and may be set as appropriate depending on the sensitivity of the hydrogen gas sensor 1 used. The applied voltage only needs to change gradually, and does not need to be changed linearly. The measurement processing unit 11 repeatedly applies such a constant pattern voltage to the hydrogen gas sensor 1 and measures each current value at that time.

このような電圧電流特性は、温度及び湿度に依存して変動するが、このときの各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値で正規化すると、温度差が小さい範囲では湿度が大きく変動しても電圧電流特性がほぼ重なるため、湿度変動の影響を受けることが無い。また、水素ガスが含まれない雰囲気(空気)中で計測した電流値に対して同様の正規化処理を行なうと、温湿度に関わらず正規化後の電圧電流特性がほぼ重なる。   Such voltage-current characteristics fluctuate depending on temperature and humidity, but when each current value at this time is normalized with a current value corresponding to a predetermined applied voltage set in advance, in a range where the temperature difference is small. Even if the humidity fluctuates greatly, the voltage-current characteristics almost overlap each other, so that it is not affected by the humidity fluctuation. When the same normalization process is performed on the current value measured in an atmosphere (air) that does not contain hydrogen gas, the normalized voltage-current characteristics almost overlap regardless of temperature and humidity.

正規化処理するために予め設定される所定の印加電圧値は、図2(c)のC点のように、最大電流値を示す最小電圧値、E点のように、最小電流値を示す最大電圧値、B点やD点のように、電圧をスイープする際に通過する零電圧値を好適に採用することができる。さらに、これらの値に限るものではなく、適宜の値を採用可能である。   The predetermined applied voltage value set in advance for the normalization process is the minimum voltage value indicating the maximum current value as indicated by point C in FIG. 2C and the maximum indicating the minimum current value as indicated by point E. A zero voltage value that passes when the voltage is swept, such as the voltage value, the B point, and the D point, can be preferably used. Furthermore, the present invention is not limited to these values, and appropriate values can be adopted.

正規化処理するための印加電圧値を何れの値に設定しても、正規化した後の電圧電流特性は湿度の影響を殆ど受けることが無い。そして、正規化した後の電圧電流特性とそのときの水素ガスセンサの周囲温度に一定の相関関係が得られる。従って、正規化した後の電圧電流特性とそのときの水素ガスセンサの周囲温度によって水素ガス濃度が一意的に定まる。このような知見は、本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果得られたものである。   Regardless of the value of the applied voltage for normalization, the voltage-current characteristic after normalization is hardly affected by humidity. A certain correlation is obtained between the normalized voltage-current characteristics and the ambient temperature of the hydrogen gas sensor at that time. Accordingly, the hydrogen gas concentration is uniquely determined by the voltage-current characteristics after normalization and the ambient temperature of the hydrogen gas sensor at that time. Such knowledge has been obtained as a result of extensive research by the inventors of the present application.

例えば、最大電圧値に対する電流値で正規化した後の電圧電流特性に対して、その最小電流値と温度の間の相関関係を利用して水素ガス濃度を求めることができる。また、最小電圧値に対する電流値で正規化した後の電圧電流特性に対して、その最大電流値と温度の間の相関関係を利用して水素ガス濃度を求めることができる。   For example, the hydrogen gas concentration can be obtained using the correlation between the minimum current value and the temperature with respect to the voltage-current characteristic after normalization with the current value with respect to the maximum voltage value. Further, the hydrogen gas concentration can be obtained using the correlation between the maximum current value and the temperature with respect to the voltage-current characteristic after normalization with the current value with respect to the minimum voltage value.

さらには、何れかの電圧値に対する電流値で正規化した後の電圧電流特性に対して、その積分値と温度の間の相関関係を利用して水素ガス濃度を求めることができる。このときの積分値も電圧電流特性を示す二次元座標上の全領域の面積、正負何れかの領域の面積、特定象限(例えば、第三象限)の面積等を用いることができる。   Further, the hydrogen gas concentration can be obtained by utilizing the correlation between the integrated value and the temperature with respect to the voltage-current characteristic after normalization with the current value for any voltage value. As the integral value at this time, the area of the whole area on the two-dimensional coordinate indicating the voltage-current characteristics, the area of either positive or negative area, the area of a specific quadrant (for example, the third quadrant), or the like can be used.

水素ガスセンサ1が設置された環境の温度が略一定であれば、温度計測処理部13を備える必要はない。この場合、第一電極と第二電極との間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極間に流れる電流値を計測する計測ステップと、計測ステップで計測された各電流値を予め設定された印加電圧に対応する電流値で正規化して電圧電流特性を求める正規化ステップと、正規化ステップで得られた電圧電流特性に基づいて水素ガスの有無を判定し、または水素ガスの濃度を求める水素ガス検出ステップが実行されればよい。   If the temperature of the environment where the hydrogen gas sensor 1 is installed is substantially constant, it is not necessary to provide the temperature measurement processing unit 13. In this case, a voltage of a predetermined pattern that gradually changes between positive and negative polarities is applied between the first electrode and the second electrode, and a measurement step for measuring a current value flowing between the two electrodes and a measurement step are used. A normalization step that normalizes each current value with a current value corresponding to a preset applied voltage to obtain a voltage-current characteristic, and determines the presence or absence of hydrogen gas based on the voltage-current characteristic obtained in the normalization step Alternatively, a hydrogen gas detection step for obtaining the concentration of hydrogen gas may be executed.

正規化した電圧電流特性によれば、水素ガスの非存在下での電圧電流特性と水素ガスの存在下での電圧電流特性とが顕著に相違するため、水素ガスの有無が容易に判別できるのである。   According to the normalized voltage-current characteristics, the voltage-current characteristics in the absence of hydrogen gas and the voltage-current characteristics in the presence of hydrogen gas are significantly different, so the presence or absence of hydrogen gas can be easily determined. is there.

図2(c)に示したように、計測ステップでは、第一電極4aに対して第二電極4bが正となる初期電圧から第一電極4aに対して第二電極4bが負となる移行電圧に次第に変化する部分を含む所定パターンの電圧を印加することが好ましい。ここで、移行電圧とは、第一電極4aに対して第二電極4bが負となる電圧をいう。   As shown in FIG. 2C, in the measurement step, a transition voltage at which the second electrode 4b is negative with respect to the first electrode 4a from an initial voltage at which the second electrode 4b is positive with respect to the first electrode 4a. It is preferable to apply a voltage having a predetermined pattern including a gradually changing portion. Here, the transition voltage refers to a voltage at which the second electrode 4b is negative with respect to the first electrode 4a.

第一電極4aが水素ガスに曝されると、触媒層3の作用で水素ガスが分解され、プロトンがプロトン導電層2を介して第二電極4bに移動し、電子が第一電極4bから外部回路に流れるため、このときの電流値を計測することによって水素ガスの有無または濃度に対応する電流値が効率的に検出できる。つまり、第一電極4aでは水素分子がプロトンと電子に分解される酸化反応が進む。   When the first electrode 4a is exposed to hydrogen gas, the hydrogen gas is decomposed by the action of the catalyst layer 3, protons move to the second electrode 4b through the proton conductive layer 2, and electrons are externally transmitted from the first electrode 4b. Since the current flows through the circuit, the current value corresponding to the presence or absence or concentration of hydrogen gas can be efficiently detected by measuring the current value at this time. That is, in the first electrode 4a, an oxidation reaction in which hydrogen molecules are decomposed into protons and electrons proceeds.

このとき、第一電極4aに対して第二電極4bが正となる初期電圧が印加されると、第一電極4aに電子が供給されてプロトンと電子から水素分子が生成される還元反応側で平衡状態に達して電流が殆ど検出できない状態になる。この状態から印加電圧が第一電極4aに対して第二電極4bが負となる移行電圧に次第に変化すると、酸化還元反応の平衡状態が崩れて酸化反応側に進み、発生したプロトンが第二電極に向けて移動する。従って、初期電圧から移行電圧に次第に変化する部分を含む所定パターンの電圧を印加することにより、水素ガス濃度が低い場合であっても、プロトンの発生を感度良く検出できるようになる。   At this time, when an initial voltage at which the second electrode 4b is positive with respect to the first electrode 4a is applied, electrons are supplied to the first electrode 4a and hydrogen molecules are generated from protons and electrons on the reduction reaction side. The equilibrium state is reached, and the current becomes almost undetectable. When the applied voltage gradually changes from this state to a transition voltage at which the second electrode 4b becomes negative with respect to the first electrode 4a, the equilibrium state of the oxidation-reduction reaction breaks down and proceeds to the oxidation reaction side, and the generated protons are transferred to the second electrode. Move towards Therefore, by applying a voltage having a predetermined pattern including a portion that gradually changes from the initial voltage to the transition voltage, the generation of protons can be detected with high sensitivity even when the hydrogen gas concentration is low.

尚、印加電圧を初期電圧から移行電圧に急激に変化させることも可能であるが、印加電圧の変化が急激であると感度が低下する虞があるため、水素ガスセンサの水素ガス応答性(感応性)と整合させることが好ましい。また、印加電圧の変化が緩やか過ぎると、電流値の変化が小さくなる虞がある。つまり、水素ガスセンサの水素ガス応答性(感応性)に沿って印加電圧を変化させることが好ましい。   It is possible to change the applied voltage rapidly from the initial voltage to the transition voltage. However, if the applied voltage changes suddenly, the sensitivity may decrease, so the hydrogen gas responsiveness (sensitivity) of the hydrogen gas sensor may be reduced. ). Further, if the change in applied voltage is too slow, the change in current value may be small. That is, it is preferable to change the applied voltage along the hydrogen gas responsiveness (sensitivity) of the hydrogen gas sensor.

電流検出ステップでは、第一電極4aに対して第二電極4bが正となる初期電圧から第一電極4aに対して第二電極4bが負となる移行電圧に次第に変化する部分を含む所定のパターンの電圧を所定周期で繰り返し印加することが好ましい。   In the current detection step, a predetermined pattern including a portion that gradually changes from an initial voltage at which the second electrode 4b is positive with respect to the first electrode 4a to a transition voltage at which the second electrode 4b is negative with respect to the first electrode 4a. It is preferable to repeatedly apply this voltage at a predetermined cycle.

第一電極4aと第二電極4bとの間で上述した所定のパターンの電圧の印加が所定周期で繰り返されると、第一電極4aでは平衡状態の還元反応側への移動と酸化反応側への移動が当該所定周期で繰り返される。その結果、周期的に水素ガス濃度に対応したプロトンの発生を感度良く検出できるようになる。   When the application of the voltage in the predetermined pattern described above is repeated between the first electrode 4a and the second electrode 4b in a predetermined cycle, the first electrode 4a moves to the reduction reaction side in the equilibrium state and moves to the oxidation reaction side. The movement is repeated at the predetermined cycle. As a result, the generation of protons corresponding to the hydrogen gas concentration can be detected with high sensitivity.

さらに、図2(c)に破線で示したように、所定パターンの電圧には、初期電圧が一定時間継続する部分が含まれることが好ましい。初期電圧が一定時間継続されることにより第一電極4aでは還元反応が促進されて、プロトンの第二電極4bへの移動が十分に阻止され、その状態から印加電圧が移行電圧へ変化することによって酸化反応が進み、水素ガス濃度に対応したプロトンの発生を感度良く検出できるようになる。   Furthermore, as indicated by a broken line in FIG. 2C, it is preferable that the voltage of the predetermined pattern includes a portion where the initial voltage continues for a predetermined time. By continuing the initial voltage for a certain period of time, the reduction reaction is promoted in the first electrode 4a, the movement of protons to the second electrode 4b is sufficiently blocked, and the applied voltage changes from that state to the transition voltage. As the oxidation reaction proceeds, the generation of protons corresponding to the hydrogen gas concentration can be detected with high sensitivity.

水素ガス検出ステップでは、移行電圧が最小となるときの電圧電流特性の電流値と周囲温度との相関関係に基づいて水素ガスの濃度を求めることが特に好ましい。電圧電流特性のうち、移行電圧が最小となるときの電流値は、酸化反応が最も促進された状態であるので最大の感度でプロトンを検出可能な状態となるからである。   In the hydrogen gas detection step, it is particularly preferable to obtain the concentration of hydrogen gas based on the correlation between the current value of the voltage-current characteristic when the transition voltage is minimized and the ambient temperature. This is because, among the voltage-current characteristics, the current value when the transition voltage is minimum is in a state in which protons can be detected with the maximum sensitivity because the oxidation reaction is most accelerated.

以下、実験例を説明する。
温度20,40,80℃の3レベル、湿度40,80%Rhの2レベルで環境を変化させ、水素を供給しない状態と、濃度0.4%の水素ガスに曝した状態のそれぞれに対して、図2(c)に示した通りのパターンの電圧を繰返し印加したときの電流値を計測した。
Hereinafter, experimental examples will be described.
Change the environment at 3 levels of temperature 20, 40, 80 ° C and 2 levels of humidity 40, 80% Rh, respectively for the state where hydrogen is not supplied and the state where it is exposed to hydrogen gas with a concentration of 0.4% The current value when a voltage having a pattern as shown in FIG. 2C was repeatedly applied was measured.

試料となる水素ガスセンサは、以下の手順で作製した。
固体高分子電解質でなる基材として、厚さ100μmのパーフルオロ系高分子、ナフィオン膜(NRE−212)(デュポン社から購入)を5cm角にカットし、カットしたナフィオン膜を濾紙で挟み、上方から130℃に加熱したアイロンで押圧し、濾紙に水が浸透しなくなるまで繰り返して水分を飛ばした。
A hydrogen gas sensor as a sample was produced by the following procedure.
As a substrate made of a solid polymer electrolyte, a 100 μm thick perfluoro polymer, Nafion membrane (NRE-212) (purchased from DuPont) is cut into 5 cm square, and the cut Nafion membrane is sandwiched between filter papers. Then, it was pressed with an iron heated to 130 ° C., and water was repeatedly blown until water did not penetrate into the filter paper.

このようにして十分に水分を飛ばしたナフィオン膜の片面に4cm角の範囲で、30秒のスパッタリング時間で触媒としての白金Ptを担持させて、20nmの膜厚の触媒層3を形成した。白金Ptのスパッタリング条件は、出力RF300W、ガス流量アルゴンAr20cc/min.である。   In this way, platinum Pt as a catalyst was supported on one side of a Nafion film from which water had been sufficiently removed within a 4 cm square range with a sputtering time of 30 seconds to form a catalyst layer 3 having a thickness of 20 nm. The sputtering conditions for platinum Pt were as follows: output RF 300 W, gas flow rate Ar Ar 20 cc / min. It is.

触媒層3が形成されたナフィオン膜21を多数の細孔が形成された銅ニッケル製の一対の電極4で挟み、さらに多数の開口5aが形成されたアクリル樹脂製の板状体5で挟持し、板状体5をボルトで固定して水素ガスセンサ1を作製した。   The Nafion membrane 21 on which the catalyst layer 3 is formed is sandwiched between a pair of copper-nickel electrodes 4 having a large number of pores, and is further sandwiched by an acrylic resin plate-shaped body 5 having a large number of openings 5a. The hydrogen gas sensor 1 was produced by fixing the plate-like body 5 with bolts.

この水素ガスセンサを筒状のガラス管内に装着した後に、環境を整えるためのオーブンに設置し、ガラス管の一端から空気または空気ベースの水素ガスを供給し、他端から流出させた。空気または空気ベースの水素ガスの供給から1分後に測定(r2)、2分後に再度測定(r3)した。   After mounting the hydrogen gas sensor in a cylindrical glass tube, the hydrogen gas sensor was installed in an oven for adjusting the environment, and air or air-based hydrogen gas was supplied from one end of the glass tube and was discharged from the other end. Measurements were made 1 minute after the supply of air or air-based hydrogen gas (r2) and again after 2 minutes (r3).

図3(a)には、水素ガスを含まない空気のみを供給した初回測定(r2)時の電圧電流特性が示されている。図中のA,B,C,D,Eの各符号は、図2(c)の電圧と対応している。水素ガスセンサは、水素が存在しない場合でも、温湿度によって影響を受けていることが判る。図3(b)は、印加電圧が最大の250mV時の最大電流値(符号Eで示す楕円で囲まれた領域の値)でそれぞれの電圧電流特性を正規化した後の電圧電流特性が示されている(円で囲まれた符号E点での値が等しくなる)。図3(b)によれば、水素ガスを含まない空気だけの場合には、温度、湿度の影響が排除され、各電圧電流特性がほぼ一致することが判る。   FIG. 3A shows the voltage-current characteristics during the initial measurement (r2) in which only air that does not contain hydrogen gas is supplied. The symbols A, B, C, D, and E in the figure correspond to the voltages in FIG. It can be seen that the hydrogen gas sensor is affected by temperature and humidity even when hydrogen is not present. FIG. 3B shows the voltage-current characteristics after normalizing each voltage-current characteristic with the maximum current value at the maximum applied voltage of 250 mV (the value in the area surrounded by an ellipse indicated by symbol E). (The values at the point E surrounded by circles are equal). According to FIG. 3B, it can be seen that, in the case of only air that does not contain hydrogen gas, the effects of temperature and humidity are eliminated, and the voltage-current characteristics are almost the same.

図3(c)には、空気ベースの0.4%水素ガスを供給した初回測定(r2)時及び再測定(r3)時の電圧電流特性を、上述と同様に印加電圧が最大の250mV時の最大電流値でそれぞれの電圧電流特性を正規化した後の電圧電流特性が示されている。   FIG. 3 (c) shows the voltage-current characteristics during initial measurement (r2) and re-measurement (r3) when 0.4% hydrogen gas based on air is supplied. The voltage-current characteristic after normalizing each voltage-current characteristic with the maximum current value is shown.

図3(c)から温度が一定の場合、湿度が異なっても正規化処理後の電圧電流特性がほぼ一致すること、温度が異なると正規化処理後の電圧電流特性が異なることが判る。図中のグループG1は20℃、グループG2は40℃、グループG3は80℃の各電圧電流特性である。   It can be seen from FIG. 3C that when the temperature is constant, the voltage-current characteristics after the normalization process are almost the same even when the humidity is different, and that the voltage-current characteristics after the normalization process are different when the temperature is different. In the figure, the group G1 shows voltage-current characteristics of 20 ° C., the group G2 of 40 ° C., and the group G3 of 80 ° C.

図4(a)には、図3(b),(c)の正規化後の最小電流値と水素ガス濃度との相関を示す検量線が示されている。これから、水素ガスセンサの周囲温度が判れば、正規化後の電圧電流特性(最小電流値)に基づいて水素ガス濃度が特定できることが判る。尚、図では、0.4%水素ガス濃度に対する検量線のみが示されているが、1%水素ガス濃度に対しても同様であることが確認されている。以下の説明でも同様である。   FIG. 4 (a) shows a calibration curve showing the correlation between the normalized minimum current value and the hydrogen gas concentration in FIGS. 3 (b) and 3 (c). From this, it can be understood that if the ambient temperature of the hydrogen gas sensor is known, the hydrogen gas concentration can be specified based on the normalized voltage-current characteristic (minimum current value). In the figure, only a calibration curve for 0.4% hydrogen gas concentration is shown, but it is confirmed that the same is true for 1% hydrogen gas concentration. The same applies to the following description.

図4(b)には、図3(b),(c)の正規化後の電圧電流特性の全積分値(内部面積)と水素ガス濃度との相関を示す検量線が示されている。同様に、水素ガスセンサの周囲温度が判れば、正規化後の電圧電流特性(積分値)に基づいて水素ガス濃度が特定できることが判る。   FIG. 4B shows a calibration curve showing the correlation between the total integrated value (internal area) of the voltage-current characteristic after normalization in FIGS. 3B and 3C and the hydrogen gas concentration. Similarly, if the ambient temperature of the hydrogen gas sensor is known, it can be seen that the hydrogen gas concentration can be specified based on the normalized voltage-current characteristic (integrated value).

図5(a)は、図3(a)と同じ電圧電流特性図である。図3(b)に対応する図5(b)には、印加電圧を正から負にスイープさせたときの電圧ゼロとなる時の電流値で正規化した例が示されている。同様に、図3(c)に対応する図5(c)には、空気ベースの0.4%水素ガスを供給した初回測定(r2)時及び再測定(r3)時の電圧電流特性を正規化したときの電圧電流特性が示されている。   FIG. 5A is the same voltage-current characteristic diagram as FIG. FIG. 5 (b) corresponding to FIG. 3 (b) shows an example of normalization with the current value when the voltage becomes zero when the applied voltage is swept from positive to negative. Similarly, in FIG. 5C corresponding to FIG. 3C, the voltage-current characteristics at the initial measurement (r2) and remeasurement (r3) when 0.4% hydrogen gas based on air is supplied are normalized. The voltage-current characteristics are shown.

図6(a)には、図5(b),(c)の正規化後の最小電流値と水素ガス濃度との相関を示す検量線が示されている。これから、水素ガスセンサの周囲温度が判れば、正規化後の電圧電流特性(最小電流値)に基づいて水素ガス濃度が特定できることが判る。   FIG. 6 (a) shows a calibration curve showing the correlation between the normalized minimum current value and the hydrogen gas concentration in FIGS. 5 (b) and 5 (c). From this, it can be understood that if the ambient temperature of the hydrogen gas sensor is known, the hydrogen gas concentration can be specified based on the normalized voltage-current characteristic (minimum current value).

図6(b)には、図5(b),(c)の正規化後の電圧電流特性の全積分値(内部面積)と水素ガス濃度との相関を示す検量線が示されている。同様に、水素ガスセンサの周囲温度が判れば、正規化後の電圧電流特性(積分値)に基づいて水素ガス濃度が特定できることが判る。   FIG. 6B shows a calibration curve showing the correlation between the total integrated value (internal area) of the voltage-current characteristic after normalization in FIGS. 5B and 5C and the hydrogen gas concentration. Similarly, if the ambient temperature of the hydrogen gas sensor is known, it can be seen that the hydrogen gas concentration can be specified based on the normalized voltage-current characteristic (integrated value).

図7(a)は、図3(a)と同じ電圧電流特性図である。図3(b)に対応する図7(b)には、印加電圧が最小値となる時の電流値で正規化した例が示されている。同様に、図3(c)に対応する図7(c)には、空気ベースの0.4%水素ガスを供給した初回測定(r2)時及び再測定(r3)時の電圧電流特性を正規化したときの電圧電流特性が示されている。   FIG. 7A is the same voltage-current characteristic diagram as FIG. FIG. 7B corresponding to FIG. 3B shows an example of normalization with the current value when the applied voltage becomes the minimum value. Similarly, in FIG. 7C corresponding to FIG. 3C, the voltage-current characteristics at the initial measurement (r2) and remeasurement (r3) when 0.4% hydrogen gas based on air is supplied are normalized. The voltage-current characteristics are shown.

図8(a)には、図7(b),(c)の正規化後の電圧電流特性の全積分値(内部面積)と水素ガス濃度との相関を示す検量線が示されている。これから、水素ガスセンサの周囲温度が判れば、正規化後の電圧電流特性(全面積)に基づいて水素ガス濃度が特定できることが判る。   FIG. 8A shows a calibration curve indicating the correlation between the total integrated value (internal area) of the voltage-current characteristics after normalization in FIGS. 7B and 7C and the hydrogen gas concentration. From this, it can be seen that if the ambient temperature of the hydrogen gas sensor is known, the hydrogen gas concentration can be specified based on the normalized voltage-current characteristics (total area).

図8(b)には、図7(b),(c)の正規化後の電圧電流特性の負領域の積分値(印加電圧を最大値から最小値にスイープさせたときの電流値と電流軸との間の面積)と水素ガス濃度との相関を示す検量線が示されている。同様に、水素ガスセンサの周囲温度が判れば、正規化後の電圧電流特性(積分値)に基づいて水素ガス濃度が特定できることが判る。   FIG. 8B shows the integral value of the negative region of the voltage-current characteristics after normalization of FIGS. 7B and 7C (current value and current when the applied voltage is swept from the maximum value to the minimum value). A calibration curve showing the correlation between the area between the axis and the hydrogen gas concentration is shown. Similarly, if the ambient temperature of the hydrogen gas sensor is known, it can be seen that the hydrogen gas concentration can be specified based on the normalized voltage-current characteristic (integrated value).

つまり、水素ガスセンサの周囲温度が判れば、温度と正規化後の電圧電流特性との相関関係に基づいて正確に水素ガス濃度を求めることができる。このような相関関係は予め試験等によって取得しておけばよい。   That is, if the ambient temperature of the hydrogen gas sensor is known, the hydrogen gas concentration can be accurately obtained based on the correlation between the temperature and the normalized voltage-current characteristic. Such correlation may be acquired in advance by a test or the like.

次に、温度40℃一定で、湿度40,80%Rhの2レベルで環境を変化させ、水素を供給しない状態と、濃度0.4%及び濃度1.0%の水素ガスに曝した状態のそれぞれに対して、図2(d)に示した通りのパターンの電圧を繰返し印加したときの電流値を計測した。上述と同様に、空気または空気ベースの水素ガスの供給から1分後に初回測定(r2)、2分後に再測定(r3)した。尚、図中、三角、四角、丸の付加されていない実線は空気に対する特性が示されている。   Next, the environment is changed at two levels of 40 and 80% Rh with a constant temperature of 40 ° C., in a state where hydrogen is not supplied and in a state where the gas is exposed to hydrogen gas having a concentration of 0.4% and a concentration of 1.0%. For each, a current value was measured when a voltage having a pattern as shown in FIG. 2D was repeatedly applied. As described above, the first measurement (r2) was performed 1 minute after the supply of air or air-based hydrogen gas, and the remeasurement (r3) was performed after 2 minutes. In the figure, solid lines without triangles, squares, and circles indicate characteristics with respect to air.

図9(a)には、そのときの電圧電流特性が示されている。図9(b)には、印加電圧が最大となる250mVでの電流値によって正規化した電流電圧特性が示されている。   FIG. 9A shows voltage-current characteristics at that time. FIG. 9B shows a current-voltage characteristic normalized by a current value at 250 mV at which the applied voltage is maximum.

図9(c)には、図9(b)の最小電流値を基準とした水素ガス濃度に対する検量線が示され、温度が一定であれば、環境が変動しても水素ガス濃度が正確に求まることが判る。   FIG. 9C shows a calibration curve for the hydrogen gas concentration based on the minimum current value in FIG. 9B. If the temperature is constant, the hydrogen gas concentration can be accurately measured even if the environment changes. I understand that I want it.

さらに、上述の水素ガスセンサを用いて、被検出ガスとしてメタンガス及び一酸化炭素ガスに対して同様の実験を行なったが、何れも特徴的な出力の変化が現れなかった。このことから、水素ガスに対するガス選択性も備えていることが確認された。   Furthermore, the same experiment was performed on the methane gas and the carbon monoxide gas as the gas to be detected using the hydrogen gas sensor described above, but none of the characteristic changes in output appeared. From this, it was confirmed that gas selectivity to hydrogen gas was also provided.

上述した実施形態では、第一電極4aと第二電極4b間に流れる電流値を計測する計測ステップが、第一電極4aと第二電極4bとの間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を直接的に印加する場合を説明したが、図12に示すように、第一電極4aと第二電極4bとの間であってプロトン導電層2に挟まれるように参照電極4cを形成し、第一電極4aと当該参照電極4cとの間の電圧をモニタしながら第一電極4aと第二電極4bとの間に電圧を印加するものであってもよい。   In the embodiment described above, the measurement step for measuring the current value flowing between the first electrode 4a and the second electrode 4b is a predetermined step that gradually changes between positive and negative polarities between the first electrode 4a and the second electrode 4b. Although the case where the pattern voltage is directly applied has been described, the reference electrode 4c is interposed between the first electrode 4a and the second electrode 4b and sandwiched between the proton conductive layers 2 as shown in FIG. The voltage may be applied between the first electrode 4a and the second electrode 4b while monitoring the voltage between the first electrode 4a and the reference electrode 4c.

このときの第一電極4aと参照電極4cとの間のモニタ電圧が上述した所定パターンとなるように第一電極4aと第二電極4bとの間に電圧を印加するように構成すれば、より精度の良い計測が可能になる。尚、参照電極4cは第二電極4bと同じ材質を用いることができる。   If the voltage is applied between the first electrode 4a and the second electrode 4b so that the monitor voltage between the first electrode 4a and the reference electrode 4c at this time has the above-described predetermined pattern, Accurate measurement is possible. The reference electrode 4c can be made of the same material as the second electrode 4b.

つまり、図1(b)に示す構成によれば、第一電極4aと第二電極4b間に流れる電流によって、第一電極4aの界面での酸化還元種の濃度が変化し、基準となる電位自体が変動する虞があるが、図12に示す構成を採用すれば、そのような電流の影響を低減しながら第一電極4aと第二電極4bとの間に所望の電圧を印加することができる。   That is, according to the configuration shown in FIG. 1B, the concentration of the redox species at the interface of the first electrode 4a changes due to the current flowing between the first electrode 4a and the second electrode 4b, and the reference potential Although the device itself may fluctuate, if the configuration shown in FIG. 12 is adopted, a desired voltage can be applied between the first electrode 4a and the second electrode 4b while reducing the influence of such current. it can.

即ち、本発明による水素ガスセンサの信号処理方法に含まれる計測ステップには、第一電極4aと、第二電極4bとの間、または第一電極4aと第一電極4aと第二電極4bとの間であってプロトン導電層2に挟まれるように形成された参照電極4cとの間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極間に流れる電流値を計測する計測ステップが含まれる。   That is, in the measurement step included in the signal processing method of the hydrogen gas sensor according to the present invention, between the first electrode 4a and the second electrode 4b, or between the first electrode 4a, the first electrode 4a, and the second electrode 4b. A voltage of a predetermined pattern which gradually changes between positive and negative polarities is applied between the reference electrode 4c formed so as to be sandwiched between the proton conductive layers 2 and a current value flowing between the electrodes is measured. Measurement steps to be included.

以下に、水素ガスセンサの他の態様について詳述する。
図10(a)には、基板形の水素ガスセンサの一態様が示されている。基板8上に離隔するように形成された第一の電極層4a及び第二の電極層4bと、第一の電極層4aに積層された触媒層3と、第二の電極層4b及び触媒層3を覆うように積層されたプロトン導電層2を備えて、対電極基板型の水素ガスセンサ1を構成することができる。また、必要に応じて、基板8上であって、第一の電極層4a及び第二の電極層4bの間に参照電極層4cを形成してもよい。
Below, the other aspect of a hydrogen gas sensor is explained in full detail.
FIG. 10A shows one embodiment of a substrate-type hydrogen gas sensor. First electrode layer 4a and second electrode layer 4b formed on substrate 8 to be separated from each other, catalyst layer 3 laminated on first electrode layer 4a, second electrode layer 4b and catalyst layer The counter electrode substrate type hydrogen gas sensor 1 can be configured by including the proton conductive layer 2 laminated so as to cover 3. If necessary, a reference electrode layer 4c may be formed on the substrate 8 and between the first electrode layer 4a and the second electrode layer 4b.

基板8は、その上面に成膜されるプロトン導電層2を安定に保持できるものであれば、ガラス、セラミック、シリコン等の無機材料を用いた基板から、ガラスエポキシ樹脂やフェノール樹脂等の樹脂材料を用いた保形性ある基板や、ポリイミド樹脂等の樹脂材料を用いた柔軟性のあるフィルム状の基板まで様々な材料を用いて構成することができる。   As long as the substrate 8 can stably hold the proton conductive layer 2 formed on the upper surface, the substrate 8 is made of a resin material such as glass epoxy resin or phenol resin from a substrate using an inorganic material such as glass, ceramic, or silicon. The substrate can be formed using various materials, such as a shape-retaining substrate using a substrate and a flexible film-like substrate using a resin material such as polyimide resin.

基板を構成する樹脂材料として、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ナイロン、環状オレフィン、ポリエチレンスルフォネート、ポリスルフォン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ウレタン、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、フッ素系樹脂(PTFE,PFA,ETFE,FEP,PVDF等)等が例示できる。   As resin materials that compose the substrate, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, nylon, cyclic olefin, polyethylene sulfonate, polysulfone, polyimide, polyamideimide, polycarbonate, polybutylene terephthalate, urethane, acrylic, polyethylene, polystyrene, polypropylene, fluorine Examples thereof include PTFE (PTFE, PFA, ETFE, FEP, PVDF, etc.).

プロトン導電層2として、既に説明した固体高分子電解質を主成分とするもの以外に、イオン液体を主成分とし、イオン液体と樹脂の混合物を硬化処理した固体イオン導電体を用いることも可能である。固体イオン導電体は、光硬化樹脂、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂の何れかにイオン液体を混合した後に硬化処理されて得られる。   As the proton conductive layer 2, it is possible to use a solid ionic conductor having a ionic liquid as a main component and a mixture of an ionic liquid and a resin as a main component in addition to the above-described solid polymer electrolyte as a main component. . The solid ionic conductor is obtained by mixing an ionic liquid with any one of a photo-curing resin, a thermosetting resin, and a thermoplastic resin, followed by curing treatment.

イオン液体として、イミダゾリウム系イオン、ピリジニウム系イオン、脂肪族アミン系イオン、脂環式アミン系イオン、脂肪族ホスホニウム系イオンの何れかから一種または複数種選択されるカチオン部位と、ハロゲンイオン、ハロゲン系イオン、ホスフォネート系イオン、ホウ酸系イオン、トリフラート系イオンの何れかから一種または複数種選択されるアニオン部位を有するものが好適に選択できる。   As the ionic liquid, a cation moiety selected from one or more of imidazolium ions, pyridinium ions, aliphatic amine ions, alicyclic amine ions, and aliphatic phosphonium ions, a halogen ion, a halogen ion, One having one or more types of anion sites selected from any of system ions, phosphonate ions, borate ions and triflate ions can be suitably selected.

光硬化樹脂としてメチルメタクリレート、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、不飽和ポリエステル樹脂、ジアゾ樹脂、アジド樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができる。ここで、光硬化樹脂とは、紫外線硬化樹脂、可視光硬化樹脂、電子ビーム硬化樹脂を含む広い概念を意味するものである。イオン液体と光硬化樹脂を攪拌混合して膜状に成形した後に紫外線等を照射することにより膜状の固体イオン導電体が得られる。   As the photocurable resin, methyl methacrylate, epoxy acrylate, urethane acrylate, polyester acrylate, unsaturated polyester resin, diazo resin, azide resin, silicone resin, or the like can be used. Here, the photocurable resin means a broad concept including an ultraviolet curable resin, a visible light curable resin, and an electron beam curable resin. A film-like solid ionic conductor can be obtained by irradiating ultraviolet rays or the like after stirring and mixing the ionic liquid and the photocurable resin into a film shape.

熱硬化性樹脂として、ポリイミド、ポリアミドイミド、エポキシ、ウレタン、シリコーン樹脂等を用いることができる。イオン液体と熱硬化樹脂と反応剤を攪拌混合した後に膜状に成形して加熱処理することにより膜状の固体イオン導電体が得られる。   As the thermosetting resin, polyimide, polyamideimide, epoxy, urethane, silicone resin, or the like can be used. A film-like solid ionic conductor is obtained by stirring and mixing the ionic liquid, the thermosetting resin, and the reactant, and then forming into a film shape and heat-treating.

熱可塑性樹脂として、フッ素系樹脂(PTFE,PFA,ETFE,FEP,PVDF等)、ナイロン、環状オレフィン、ポリエチレンスルフォネート、ポリスルフォン等を用いることができる。特に撥水性があり耐熱性の高いフッ素樹脂が好適であり、中でもPVDF(ポリビニリデンフロライド)やその共重合体等の樹脂を好適に用いることができる。イオン液体と高温で溶融状態にある熱可塑性樹脂とを攪拌混合した後に膜状に成形して冷却処理することにより膜状の固体イオン導電体が得られる。   As the thermoplastic resin, fluorine resin (PTFE, PFA, ETFE, FEP, PVDF, etc.), nylon, cyclic olefin, polyethylene sulfonate, polysulfone, or the like can be used. In particular, a fluororesin having water repellency and high heat resistance is suitable. Among them, a resin such as PVDF (polyvinylidene fluoride) or a copolymer thereof can be suitably used. A film-like solid ionic conductor is obtained by stirring and mixing an ionic liquid and a thermoplastic resin in a molten state at a high temperature, and then forming into a film shape and cooling.

何れの場合にも、樹脂にイオン液体を混合して攪拌する混合工程と、混合工程で攪拌混合処理されたイオン導電体を基板8上に滴下してキャスティングする工程と、キャスティングされたイオン導電体を硬化させる硬化処理工程により成膜される。   In any case, a mixing step of mixing and stirring the ionic liquid in the resin, a step of dropping and casting the ion conductor subjected to the stirring and mixing process in the mixing step on the substrate 8, and a cast ion conductor The film is formed by a curing process step for curing the film.

さらに、プロトン導電層2として、有機無機複合電解質を採用することも可能である。有機無機複合電解質は、ゾルゲル法等により、シリカ、チタニア、ジルコニア、アルミナ等のセラミック中に、必要に応じて有機物を残存させながら、各種の有機系や無機系の電解質をナノ分散させたものである。有機系の電解質としては、尿素、ポリエチレンオキシドやパーフルオロスルホン酸系ポリマー等の高分子電解質が挙げられる。また、無機系の電解質としては、リン酸や硫酸等の各種の酸やアルカリの塩、イオン導電性のガラスやセラミックス等が挙げられる。   Furthermore, an organic-inorganic composite electrolyte can be employed as the proton conductive layer 2. Organic-inorganic composite electrolytes are those in which various organic and inorganic electrolytes are nano-dispersed in ceramics such as silica, titania, zirconia, alumina, etc., while leaving organic substances as required, using a sol-gel method. is there. Examples of organic electrolytes include polymer electrolytes such as urea, polyethylene oxide, and perfluorosulfonic acid polymers. Examples of the inorganic electrolyte include various acid and alkali salts such as phosphoric acid and sulfuric acid, ion conductive glass, and ceramics.

特に、ゾルゲル法により尿素とシリカアルコキシドから作製される尿素系シリカ複合電解質や、ゾルゲル法によりリン酸とシリカアルコキシドから作製されるホスホシリケート(P-SiO)ゲルでなる複合電解質、または、これらの電解質を高分子中に分散させた複合固体高分子電解質を好適に採用することができる。 In particular, a urea-based silica composite electrolyte prepared from urea and silica alkoxide by a sol-gel method, a composite electrolyte composed of a phosphosilicate (P 2 O 5 —SiO 2 ) gel prepared from phosphoric acid and silica alkoxide by a sol-gel method, or A composite solid polymer electrolyte in which these electrolytes are dispersed in a polymer can be suitably employed.

これらの有機無機複合電解質はゾル-ゲル法によって作製される。例えば酸性縮合触媒を含む水とシリカアルコキシドとを混合してシリカアルコキシドを部分加水分解した溶液に、無機電解質を添加し混合して、さらに加水分解及び縮合を行わせることでゾル液が得られる。このようにして得られた有機無機複合電解質のゾル溶液を製膜対象に滴下し、溶媒を乾燥させた後所定の熱処理を行うことにより、有機無機複合電解質ゲル膜が得られ、上述のプロトン導電層2を形成することができる。   These organic-inorganic composite electrolytes are produced by a sol-gel method. For example, a sol solution can be obtained by adding and mixing an inorganic electrolyte to a solution obtained by mixing water containing an acidic condensation catalyst and silica alkoxide and partially hydrolyzing the silica alkoxide, followed by hydrolysis and condensation. The organic-inorganic composite electrolyte gel membrane is obtained by dropping the sol solution of the organic-inorganic composite electrolyte thus obtained onto the target for film formation, drying the solvent, and then performing a predetermined heat treatment to obtain the above-described proton conductivity. Layer 2 can be formed.

また、このようにして得られた有機無機複合電解質ゲル膜は、その脆さに起因して耐衝撃性が劣ることや、高温高湿条件等では無機電解質が結露水に溶けてゲルから脱離しやすいため耐水性が悪いという問題がある。そのため、有機無機複合電解質ゲルを粉末化して高分子成分と複合化することにより、耐衝撃性や耐水性を高めることができ、さらには、任意のサイズの膜状に容易に加工することができるようになる。そのような高分子成分としては、特に限定されず上述した熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、UV硬化樹脂等を用いることができる。   In addition, the organic-inorganic composite electrolyte gel membrane thus obtained has poor impact resistance due to its brittleness, and the inorganic electrolyte dissolves in condensed water under high temperature and high humidity conditions, etc., and is detached from the gel. There is a problem that water resistance is poor because it is easy. Therefore, impact resistance and water resistance can be improved by pulverizing the organic-inorganic composite electrolyte gel and combining it with a polymer component, and further, it can be easily processed into a film of any size. It becomes like this. Such a polymer component is not particularly limited, and the above-described thermoplastic resin, thermosetting resin, UV curable resin, and the like can be used.

例えば、ビニリデンフロライド(VdF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)の共重合体であるVdF−HFP共重合樹脂(カイナー#2801、アルケマ製:HFP11モル%)を、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAC)に溶解させ、所定の固形分濃度の溶液を調製し、この溶液と有機無機複合電解質ゲルをDMAC(ジメチルアセトアミド)溶媒に攪拌混合して複合高分子電解質溶液を得、この複合高分子電解質溶液を基板や金型等の製膜対象に滴下して、乾燥させることにより上述のプロトン導電層2を形成することができる。   For example, VdF-HFP copolymer resin (Kyner # 2801, manufactured by Arkema: HFP 11 mol%), which is a copolymer of vinylidene fluoride (VdF) and hexafluoropropylene (HFP), is converted to N, N-dimethylacetamide (DMAC). To obtain a composite polymer electrolyte solution by stirring and mixing the solution and the organic-inorganic composite electrolyte gel in a DMAC (dimethylacetamide) solvent. The above-described proton conductive layer 2 can be formed by dropping on a film formation target such as a substrate or a mold and drying.

触媒として、既に説明した金属触媒に代えてモリブデンカーバイドMoC等の炭化物、ジルコニア酸化物やタンタル酸化物等の酸化物を用いることも可能である。 As the catalyst, a carbide such as molybdenum carbide Mo 2 C, or an oxide such as zirconia oxide or tantalum oxide can be used instead of the metal catalyst already described.

これらの触媒3aは一種類を単独で用いてもよいし、複数を併用してもよく、これらの一部または全部を合金形態で使用してもよい。   One kind of these catalysts 3a may be used alone, a plurality of them may be used in combination, or a part or all of them may be used in the form of an alloy.

また、水素ガスと接触することにより触媒活性を有する有機金属または有機物でなる触媒3aを用いることも可能である。このような有機金属触媒として、例えば、N,N’-Bis(salicylidene)ethylene-diamino-metal(=Ni, Fe, Vなど)、N,N’-mono-8-quinoly-σ-phenylenediamino-metal(=Ni, Fe, Vなど)等を用いることができ、有機物としては、例えばピロロピロール赤色顔料、ジピリジル誘導体を用いることができる。   It is also possible to use a catalyst 3a made of an organic metal or an organic substance having catalytic activity by contacting with hydrogen gas. Examples of such organometallic catalysts include N, N'-Bis (salicylidene) ethylene-diamino-metal (= Ni, Fe, V, etc.), N, N'-mono-8-quinoly-σ-phenylenediamino-metal. (= Ni, Fe, V, etc.) can be used, and examples of organic substances include pyrrolopyrrole red pigments and dipyridyl derivatives.

触媒層3は、スパッタリング、真空蒸着、電子照射、CVD、PVD、含浸、スプレーコート、スプレー熱分解、練りこみ、吹き付け、ロールやコテによる塗り付け、スクリーン印刷、混錬法、光電解法、コーティング法、ゾルゲル法、ディップ法等を採用して形成することができる。   The catalyst layer 3 is formed by sputtering, vacuum deposition, electron irradiation, CVD, PVD, impregnation, spray coating, spray pyrolysis, kneading, spraying, coating with a roll or iron, screen printing, kneading method, photoelectrolysis method, coating method. It can be formed by employing a sol-gel method, a dip method or the like.

特に、スパッタリングで触媒層3を形成することが好ましい。スパッタリングの処理時間は90秒未満が好ましく、さらに60秒以下とすることがより好ましい。また、スパッタリングの際のDC、RF出力値は特に制限されないが、1.2W/cm以上とすることが好ましい。 In particular, it is preferable to form the catalyst layer 3 by sputtering. The sputtering treatment time is preferably less than 90 seconds, and more preferably 60 seconds or less. The DC and RF output values during sputtering are not particularly limited, but are preferably 1.2 W / cm 2 or more.

第二電極4bは、特に通気性を必要とせず、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属やカーボン素材を用いることも可能であるが、高湿度下でも腐食しない材料を選択することが望ましい。このような電極層は、塗布、スクリーン印刷、メッキ、スパッタリング、真空蒸着等公知の膜形成法により基板8上に形成することができる。   The second electrode 4b does not require air permeability, and can use a metal such as copper, aluminum, stainless steel, or a carbon material, but it is desirable to select a material that does not corrode even under high humidity. Such an electrode layer can be formed on the substrate 8 by a known film forming method such as coating, screen printing, plating, sputtering, or vacuum deposition.

第一電極4aは、この態様の場合には、特に通気性を有する材料である必要はなく、第二の電極層4bと同じ材料で構成することも可能である。尚、水素ガスはプロトン導電層2を通過して触媒層3に接触する。   In the case of this embodiment, the first electrode 4a does not need to be a material having air permeability, and can be composed of the same material as the second electrode layer 4b. The hydrogen gas passes through the proton conductive layer 2 and comes into contact with the catalyst layer 3.

第一の電極層4aと第二の電極層4bの何れかを基板8と兼用することも可能である。この場合、図10(b)に示すように、他方の電極層4bは絶縁層4cを介して基板8上に積層する必要がある。   Either the first electrode layer 4 a or the second electrode layer 4 b can be used also as the substrate 8. In this case, as shown in FIG. 10B, the other electrode layer 4b needs to be laminated on the substrate 8 via the insulating layer 4c.

上述した水素ガスセンサ1は、基板8上にスクリーン印刷等により第一の電極4aと第二の電極層4bを形成する工程と、その第一の電極4aの上部に触媒3aを担持させて触媒層3を形成する工程と、触媒層3と第二の電極層4bを覆うように、それらの上部にプロトン導電層2を形成する工程と、各工程を経た積層体を所定のサイズに切断する工程により製造される。   In the hydrogen gas sensor 1 described above, the first electrode 4a and the second electrode layer 4b are formed on the substrate 8 by screen printing or the like, and the catalyst 3a is supported on the upper portion of the first electrode 4a. 3, a step of forming the proton conductive layer 2 on top of the catalyst layer 3 and the second electrode layer 4 b so as to cover the catalyst layer 3, and a step of cutting the laminate through each step into a predetermined size Manufactured by.

図11(a)には、基板形の水素ガスセンサの他の態様が示されている。基板8上に形成されたプロトン導電層2と、プロトン導電層2の上面に離隔するように積層された触媒層3及び第二の電極層4bと、触媒層3に積層された第一の電極層4aを備えて、基板横型の水素ガスセンサ1を構成することができる。   FIG. 11A shows another aspect of the substrate-type hydrogen gas sensor. The proton conductive layer 2 formed on the substrate 8, the catalyst layer 3 and the second electrode layer 4 b stacked on the upper surface of the proton conductive layer 2, and the first electrode stacked on the catalyst layer 3 The substrate 4 type hydrogen gas sensor 1 can be configured by including the layer 4a.

この場合、第一の電極層4aは通気性を備える必要がある。第一電極4aは、水素ガスが触媒層3に接触するように、通気性を備えた材料で構成する必要があり、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布等を好適に用いることができる。さらには、多数の細孔が形成された銅ニッケル合金薄膜や、良好な導電性を備えた金属ポーラス焼結体で構成することも可能である。第二の電極層4bは通気性を備える必要はない。   In this case, the first electrode layer 4a needs to have air permeability. The first electrode 4a needs to be made of a gas-permeable material so that hydrogen gas contacts the catalyst layer 3, and carbon paper, carbon fiber nonwoven fabric, or the like can be suitably used. Furthermore, it is also possible to comprise a copper-nickel alloy thin film in which a large number of pores are formed, or a metal porous sintered body having good conductivity. The second electrode layer 4b need not have air permeability.

図11(b)に示すように、基板8に水素ガスセンサ1の出力を取り出す配線パターン5a,5bを形成して、各電極層4a,4bと配線パターン5a,5bがそれぞれ接続されるように、各電極層4a,4bを構成することも可能である。   As shown in FIG. 11B, wiring patterns 5a and 5b for extracting the output of the hydrogen gas sensor 1 are formed on the substrate 8, and the electrode layers 4a and 4b are connected to the wiring patterns 5a and 5b, respectively. It is also possible to constitute each electrode layer 4a, 4b.

図11(c)には、基板形の水素ガスセンサの第三の態様が示されている。基板8上に形成された第二の電極層4bと、第二の電極層4bに積層されたプロトン導電層2と、プロトン導電層2に積層された触媒層3と、触媒層3に積層された第一の電極層4aとを備えて基板縦型の水素ガスセンサ1を構成することができる。   FIG. 11C shows a third embodiment of the substrate type hydrogen gas sensor. The second electrode layer 4b formed on the substrate 8, the proton conductive layer 2 stacked on the second electrode layer 4b, the catalyst layer 3 stacked on the proton conductive layer 2, and the catalyst layer 3 are stacked. The substrate vertical hydrogen gas sensor 1 can be configured with the first electrode layer 4a.

この場合、第一の電極層4aは、第二の態様の場合と同様に、通気性を備える必要がある。第二の電極層4bは通気性を備える必要はない。   In this case, the 1st electrode layer 4a needs to be equipped with air permeability similarly to the case of the 2nd mode. The second electrode layer 4b need not have air permeability.

また、図11(d)に示すように、基板8と第二の電極層4bを兼用して、ステンレス等の金属製の基板8(4b)で構成することも可能である。この金属基板も、少なくとも電解質膜との界面部分は、高湿度下でも腐食しない材料を選択することが望ましい。   Further, as shown in FIG. 11 (d), the substrate 8 and the second electrode layer 4b can be used together to form a metal substrate 8 (4b) such as stainless steel. For this metal substrate, it is desirable to select a material that does not corrode even at high humidity at least at the interface with the electrolyte membrane.

また、電極層4aの表裏何れかの面にカーボンペーパーやカーボン不織布等でなるガス拡散層を設けると、水素ガスが均等に触媒層3と接触できるようになり、感度が向上する。さらに、電極層4aと触媒層3との間、または電極層4bとプロトン導電層との間にカーボンペーパーやカーボン不織布等でなるガス拡散層を介在させることにより、電極層4a,4bの耐食性が向上する。   Further, when a gas diffusion layer made of carbon paper, carbon nonwoven fabric, or the like is provided on either the front or back surface of the electrode layer 4a, hydrogen gas can be brought into contact with the catalyst layer 3 evenly, and the sensitivity is improved. Further, by interposing a gas diffusion layer made of carbon paper, carbon non-woven fabric or the like between the electrode layer 4a and the catalyst layer 3 or between the electrode layer 4b and the proton conductive layer, the corrosion resistance of the electrode layers 4a and 4b is improved. improves.

本発明による水素ガスセンサ1として、プロトン導電層2と第一電極4aとの間にのみ触媒層3を介在させた構成を説明したが、プロトン導電層2と第二電極4bとの間にも上述した触媒を用いた触媒層を介在させてもよい。   Although the configuration in which the catalyst layer 3 is interposed only between the proton conductive layer 2 and the first electrode 4a has been described as the hydrogen gas sensor 1 according to the present invention, the above-described configuration is also provided between the proton conductive layer 2 and the second electrode 4b. A catalyst layer using the prepared catalyst may be interposed.

つまり、本発明による水素ガスセンサ1は、プロトン導電層2と第一電極4aとの間、及び/またはプロトン導電層2と第二電極4bとの間に、触媒層3を備える構成であってもよい。   That is, the hydrogen gas sensor 1 according to the present invention may be configured to include the catalyst layer 3 between the proton conductive layer 2 and the first electrode 4a and / or between the proton conductive layer 2 and the second electrode 4b. Good.

更に、触媒層と第一の電極層、及び/または触媒層と第二の電極層を一体化して各電極層が触媒層として機能するように構成することも可能である。この場合、別途の触媒層を形成する必要はなく、例えば、電極層4aを上述した触媒の一例である白金等の金属を用いて構成することができる。   Furthermore, the catalyst layer and the first electrode layer and / or the catalyst layer and the second electrode layer may be integrated so that each electrode layer functions as a catalyst layer. In this case, it is not necessary to form a separate catalyst layer, and for example, the electrode layer 4a can be configured using a metal such as platinum which is an example of the catalyst described above.

以上説明した水素ガス検出装置は、大気中のみならず、酸素が存在しない環境下であっても、選択的に水素ガスを適切に検出することができることが確認されている。   It has been confirmed that the hydrogen gas detection apparatus described above can selectively detect hydrogen gas not only in the atmosphere but also in an environment where oxygen is not present.

本発明による水素ガス検出装置は、水素ガスをエネルギー源とする燃料電池システム(定置型、車載型、モバイル型等)やその周辺設備(水素ステーション等)に極めて有用で、水素ガス漏れ検知機や水素ガス濃度計として、システム機器に組み込んで用いたり、ハンディーな携帯型ガス計測機器として用いることができる。また、水素ガスタンクや水素ガス供給管内の水素濃度の検出や漏洩検出等、酸素ガスの非存在下で水素ガス濃度を検知する必要がある場合にも好適に用いることができる。   The hydrogen gas detection device according to the present invention is extremely useful for a fuel cell system (stationary type, in-vehicle type, mobile type, etc.) using hydrogen gas as an energy source and its peripheral equipment (hydrogen station etc.). As a hydrogen gas concentration meter, it can be used by being incorporated into a system device, or can be used as a handy portable gas measuring device. Moreover, it can be suitably used when it is necessary to detect the hydrogen gas concentration in the absence of oxygen gas, such as detection of hydrogen concentration in a hydrogen gas tank or hydrogen gas supply pipe or leakage detection.

また、半導体製造プラントの熱処理装置での水素濃度監視や水素ガスの漏洩検知にも好適に用いることができる。例えば、水素ガス或は水素ガスと窒素ガスの混合ガスを用いた界面処理のための熱処理工程等で水素ガス濃度の監視等に用いることができる。   Moreover, it can be suitably used for hydrogen concentration monitoring and hydrogen gas leak detection in a heat treatment apparatus of a semiconductor manufacturing plant. For example, it can be used for monitoring the hydrogen gas concentration in a heat treatment process for interfacial treatment using hydrogen gas or a mixed gas of hydrogen gas and nitrogen gas.

1:水素ガスセンサ
2:プロトン導電層
3:触媒層
3a:触媒
4,4a,4b:電極
4c:参照電極
8:基板
11:計測処理部
12:正規化処理部
13:温度計測処理部
14:水素ガス検出処理部
15:出力処理部
1: hydrogen gas sensor 2: proton conductive layer 3: catalyst layer 3a: catalyst 4, 4a, 4b: electrode 4c: reference electrode 8: substrate 11: measurement processing unit 12: normalization processing unit 13: temperature measurement processing unit 14: hydrogen Gas detection processing unit 15: output processing unit

Claims (9)

プロトン導電層と、前記プロトン導電層にそれぞれ接合された第一電極及び第二電極とを備えている水素ガスセンサの信号処理方法であって、
前記第一電極と第二電極との間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極間に流れる電流値を計測する計測ステップと、
前記計測ステップで計測された各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値で正規化して電圧電流特性を求める正規化ステップと、
前記正規化ステップで得られた電圧電流特性に基づいて水素ガスの有無を判定し、または水素ガスの濃度を求める水素ガス検出ステップと、
を含む水素ガスセンサの信号処理方法。
A signal processing method of a hydrogen gas sensor comprising a proton conductive layer, and a first electrode and a second electrode respectively joined to the proton conductive layer,
A measurement step of applying a voltage of a predetermined pattern gradually changing between positive and negative polarities between the first electrode and the second electrode, and measuring a current value flowing between the two electrodes,
A normalizing step of normalizing each current value measured in the measuring step with a current value corresponding to a predetermined application voltage set in advance to obtain a voltage-current characteristic;
A hydrogen gas detection step for determining the presence or absence of hydrogen gas based on the voltage-current characteristics obtained in the normalization step, or for determining the concentration of hydrogen gas;
A signal processing method for a hydrogen gas sensor including:
プロトン導電層と、前記プロトン導電層にそれぞれ接合された第一電極及び第二電極とを備えている水素ガスセンサの信号処理方法であって、
前記第一電極と第二電極との間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極間に流れる電流値を計測する計測ステップと、
前記計測ステップで計測された各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値で正規化して電圧電流特性を求める正規化ステップと、
前記水素ガスセンサの周囲温度を計測する温度計測ステップと、
前記正規化ステップで得られた電圧電流特性と前記温度計測ステップで計測された周囲温度との相関関係に基づいて水素ガスの有無を判定し、または水素ガスの濃度を求める水素ガス検出ステップと、
を含む水素ガスセンサの信号処理方法。
A signal processing method of a hydrogen gas sensor comprising a proton conductive layer, and a first electrode and a second electrode respectively joined to the proton conductive layer,
A measurement step of applying a voltage of a predetermined pattern gradually changing between positive and negative polarities between the first electrode and the second electrode, and measuring a current value flowing between the two electrodes,
A normalizing step of normalizing each current value measured in the measuring step with a current value corresponding to a predetermined application voltage set in advance to obtain a voltage-current characteristic;
A temperature measuring step for measuring an ambient temperature of the hydrogen gas sensor;
A hydrogen gas detection step for determining the presence or absence of hydrogen gas based on the correlation between the voltage-current characteristics obtained in the normalization step and the ambient temperature measured in the temperature measurement step;
A signal processing method for a hydrogen gas sensor including:
前記水素ガスセンサが、前記プロトン導電層と前記第一電極との間、及び/または前記プロトン導電層と前記第二電極との間に、触媒層を備える請求項1または2記載の水素ガスセンサの信号処理方法。   The signal of the hydrogen gas sensor according to claim 1 or 2, wherein the hydrogen gas sensor includes a catalyst layer between the proton conductive layer and the first electrode and / or between the proton conductive layer and the second electrode. Processing method. 前記計測ステップでは、前記第一電極に対して前記第二電極が正となる初期電圧から前記第一電極に対して前記第二電極が負となる移行電圧に次第に変化する部分を含む所定パターンの電圧が印加される請求項1から3の何れかに記載の水素ガスセンサの信号処理方法。   In the measurement step, a predetermined pattern including a portion that gradually changes from an initial voltage at which the second electrode is positive with respect to the first electrode to a transition voltage at which the second electrode is negative with respect to the first electrode. The signal processing method of the hydrogen gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein a voltage is applied. 前記計測ステップでは、前記第一電極に対して前記第二電極が正となる初期電圧から前記第一電極に対して前記第二電極が負となる移行電圧に次第に変化する部分を含む所定のパターンの電圧が所定周期で繰り返し印加される請求項1から3の何れかに記載の水素ガスセンサの信号処理方法。   In the measurement step, a predetermined pattern including a portion that gradually changes from an initial voltage at which the second electrode is positive with respect to the first electrode to a transition voltage at which the second electrode is negative with respect to the first electrode. The signal processing method for a hydrogen gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the voltage is repeatedly applied at a predetermined cycle. 前記所定パターンの電圧には、前記初期電圧が一定時間継続する部分が含まれる請求項4または5記載の水素ガスセンサの信号処理方法。   6. The signal processing method for a hydrogen gas sensor according to claim 4, wherein the voltage of the predetermined pattern includes a portion where the initial voltage continues for a predetermined time. 前記水素ガス検出ステップでは、前記移行電圧が最小となるときの電圧電流特性の電流値と前記周囲温度との相関関係に基づいて水素ガスの濃度が求められる請求項4から6の何れかに記載の水素ガスセンサの信号処理方法。   The hydrogen gas concentration is obtained in the hydrogen gas detection step based on a correlation between a current value of a voltage-current characteristic when the transition voltage is minimized and the ambient temperature. Signal processing method for hydrogen gas sensor. プロトン導電層と、前記プロトン導電層にそれぞれ接合された第一電極及び第二電極とを備えている水素ガスセンサの信号処理装置であって、
前記第一電極と第二電極との間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極間に流れる電流値を計測する計測処理部と、
前記計測処理部で計測された各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値で正規化して電圧電流特性を求める正規化処理部と、
前記正規化処理部で得られた電圧電流特性に基づいて水素ガスの有無を判定し、または水素ガスの濃度を求める水素ガス検出処理部と、
前記水素ガス検出処理部による処理結果を出力する出力処理部と、
を含む水素ガスセンサの信号処理装置。
A hydrogen gas sensor signal processing device comprising a proton conductive layer, and a first electrode and a second electrode respectively joined to the proton conductive layer,
A measurement processing unit that applies a voltage of a predetermined pattern that gradually changes between positive and negative polarities between the first electrode and the second electrode, and measures a current value flowing between the two electrodes,
A normalization processing unit that obtains a voltage-current characteristic by normalizing each current value measured by the measurement processing unit with a current value corresponding to a predetermined application voltage set in advance,
A hydrogen gas detection processing unit that determines the presence or absence of hydrogen gas based on the voltage-current characteristics obtained by the normalization processing unit, or obtains the concentration of hydrogen gas;
An output processing unit for outputting a processing result by the hydrogen gas detection processing unit;
A signal processing device for a hydrogen gas sensor.
プロトン導電層と、前記プロトン導電層にそれぞれ接合された第一電極及び第二電極とを備えている水素ガスセンサの信号処理装置であって、
前記第一電極と第二電極との間に正負両極性の間で次第に変化する所定パターンの電圧を印加して、両電極間に流れる電流値を計測する計測処理部と、
前記計測処理部で計測された各電流値を予め設定された所定の印加電圧に対応する電流値で正規化して電圧電流特性を求める正規化処理部と、
前記水素ガスセンサの周囲温度を計測する温度計測処理部と、
前記正規化処理部で得られた電圧電流特性と前記温度計測処理部で計測された周囲温度との相関関係に基づいて水素ガスの濃度を求める水素ガス検出処理部と、
前記水素ガス検出処理部による処理結果を出力する出力処理部と、
を含む水素ガスセンサの信号処理装置。
A hydrogen gas sensor signal processing device comprising a proton conductive layer, and a first electrode and a second electrode respectively joined to the proton conductive layer,
A measurement processing unit that applies a voltage of a predetermined pattern that gradually changes between positive and negative polarities between the first electrode and the second electrode, and measures a current value flowing between the two electrodes,
A normalization processing unit that obtains a voltage-current characteristic by normalizing each current value measured by the measurement processing unit with a current value corresponding to a predetermined application voltage set in advance,
A temperature measurement processing unit for measuring the ambient temperature of the hydrogen gas sensor;
A hydrogen gas detection processing unit that obtains the concentration of hydrogen gas based on the correlation between the voltage-current characteristics obtained by the normalization processing unit and the ambient temperature measured by the temperature measurement processing unit;
An output processing unit for outputting a processing result by the hydrogen gas detection processing unit;
A signal processing device for a hydrogen gas sensor.
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