JP2018124211A - Hydrogen detection method and hydrogen detection device - Google Patents

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修一郎 足立
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精一 渡辺
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Shuntaro Murakami
俊太郎 村上
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen detection method with which it is possible to easily detect the generation of a hydrogen gas in a liquid that contains water, and a hydrogen detection device that uses the hydrogen detection method.SOLUTION: The hydrogen detection method involves a hydrogen generation member and a hydrogen detection member immersed in a liquid arranged in a container, the liquid containing water, the hydrogen generation member generating a gas that contains hydrogen by an electrochemical reaction, the hydrogen detection member containing at least one kind of compound selected from the group consisting of tungsten oxide, molybdenum oxide, cobalt oxyhydroxide and nickel oxyhydroxide. The hydrogen generation member and the hydrogen detection member are electrically connected, with hydrogen ions supplied from the liquid to the hydrogen detection member and electrons supplied from the hydrogen generation member to the hydrogen detection member, at least one of the color and electric conductivity of the hydrogen detection member changing in accordance with the hydrogen ions and electrons supplied to the hydrogen detection member. Hydrogen in the liquid is detected by measuring a change of at least one of the color and the electric conductivity.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、水素の検知方法、及び水素検知デバイスに関する。   The present invention relates to a hydrogen detection method and a hydrogen detection device.

現在、地球温暖化防止の観点から、二酸化炭素などの温室効果ガスの排出量の削減が世界的に求められている。その具体的な取り組みとして、風力又は太陽光などのクリーンエネルギー(再生可能エネルギー)の導入が進められている。このような中、再生可能エネルギーに続くエネルギーとしては、水素が挙げられる。   Currently, reduction of greenhouse gas emissions such as carbon dioxide is required worldwide from the viewpoint of preventing global warming. As a specific approach, the introduction of clean energy (renewable energy) such as wind power or sunlight is being promoted. Under such circumstances, hydrogen can be cited as an energy following the renewable energy.

水素ガスを燃焼しても二酸化炭素は発生しない。そのため、水素ガスは、環境問題及び資源問題を解決できるクリーンエネルギーとして期待されている。水素ガスは、例えば、燃料電池の燃料として使用することが期待されている。   Carbon dioxide is not generated even when hydrogen gas is burned. Therefore, hydrogen gas is expected as clean energy that can solve environmental problems and resource problems. Hydrogen gas is expected to be used as fuel for fuel cells, for example.

工業的な水素ガスの製造方法としては、天然ガス又は石油などの化石燃料から水素ガスを取り出す方法が主流である。しかし、化石燃料の枯渇が危惧されている。また、化石燃料を用いた水素の製造工程では、二酸化炭素が排出されてしまう。近年では、化石燃料を用いずに、メタノール、エタノール、又はバイオマス燃料を改質して水素ガスを製造する研究が進められている。実際に、国内の水素ステーション(水素供給設備)では、メタノールの改質方法が採用されている。   As an industrial method for producing hydrogen gas, a method for extracting hydrogen gas from fossil fuel such as natural gas or petroleum is mainly used. However, there are concerns about exhaustion of fossil fuels. In addition, carbon dioxide is discharged in the hydrogen production process using fossil fuel. In recent years, research for producing hydrogen gas by reforming methanol, ethanol, or biomass fuel without using fossil fuel has been advanced. Actually, a reforming method of methanol is adopted in domestic hydrogen stations (hydrogen supply facilities).

他の水素ガスの製造方法としては、例えば、水の電気分解法、熱化学分解法及び水中結晶光合成法が挙げられる。例えば、二酸化チタン(TiO)などの金属酸化物半導体が光のエネルギーを吸収した際に生じる光起電力を用いて、水を電気分解することにより水素ガスを製造することができる。上記光が波長の長い可視光でも反応が進むような材料の探索が進められている。水中結晶光合成法では、水中に浸漬した金属材料の表面に光を照射することにより、酸化物又は水酸化物のナノ結晶が形成されるとともに、純度の高い水素ガスが簡便に得られる。 Examples of other hydrogen gas production methods include water electrolysis, thermochemical decomposition, and underwater crystal photosynthesis. For example, hydrogen gas can be produced by electrolyzing water using a photovoltaic power generated when a metal oxide semiconductor such as titanium dioxide (TiO 2 ) absorbs light energy. A search for a material that can proceed even when the light is visible light having a long wavelength has been underway. In the underwater crystal photosynthesis method, a surface of a metal material immersed in water is irradiated with light, whereby oxide or hydroxide nanocrystals are formed, and highly pure hydrogen gas is easily obtained.

上記の方法以外に、副産物として水素ガスが生成する場合がある。例えば、石炭と鉄鉱石とを原料として用いる製鉄プロセスでは、コークス炉内で石炭をコークスに変換する際に、水素を含んだガスが発生する。   In addition to the above method, hydrogen gas may be generated as a by-product. For example, in an iron making process using coal and iron ore as raw materials, gas containing hydrogen is generated when coal is converted into coke in a coke oven.

副産物として水素ガスが生成する他の例は、鉛蓄電池、レドックスフロー電池等の二次電池である。電解液を備えた二次電池では、充電又は放電中に、正極と負極との電位差が水の電気分解に必要な電圧よりも高くなった場合、充放電時の本来の電池反応とは別に、水素ガスが発生する反応が進行することがある。   Other examples in which hydrogen gas is generated as a by-product are secondary batteries such as lead-acid batteries and redox flow batteries. In a secondary battery equipped with an electrolyte, during charging or discharging, if the potential difference between the positive electrode and the negative electrode is higher than the voltage required for water electrolysis, apart from the original battery reaction during charging and discharging, A reaction that generates hydrogen gas may proceed.

鉛蓄電池では、正極電極が酸化鉛(PbO)であり、負極電極が鉛(Pb)であり、電解液が硫酸水溶液である。充放電中の正極では、下記反応式(1)に示す反応が起こる。充放電中の負極では、下記反応式(2)に示す反応が起こる。なお、下記反応式(1)及び(2)において、充電反応は右から左に進み、放電反応は左から右に進む。
<正極> PbO+4H+SO 2−+2e⇔2PbSO+2HO (1)
<負極> Pb+SO 2−⇔PbSO+2e (2)
In the lead acid battery, the positive electrode is lead oxide (PbO 2 ), the negative electrode is lead (Pb), and the electrolyte is an aqueous sulfuric acid solution. In the positive electrode during charging / discharging, the reaction shown in the following reaction formula (1) occurs. In the negative electrode during charging / discharging, the reaction shown in the following reaction formula (2) occurs. In the following reaction formulas (1) and (2), the charging reaction proceeds from right to left, and the discharging reaction proceeds from left to right.
<Positive electrode> PbO 2 + 4H + + SO 4 2 + 2e ⇔2PbSO 4 + 2H 2 O (1)
<Negative electrode> Pb + SO 4 2− ⇔PbSO 4 + 2e (2)

充電終期では、下記反応式(3)に示すとおり、水の電気分解反応が起こる。そして、下記反応式(4)に示すとおり、負極電極から水素ガス(H)が発生する。
<正極>2HO→O+4H+4e (3)
<負極> 2H+2e→H (4)
At the end of charging, an electrolysis reaction of water occurs as shown in the following reaction formula (3). Then, as shown in the following reaction formula (4), hydrogen gas (H 2 ) is generated from the negative electrode.
<Positive electrode> 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e (3)
<Negative electrode> 2H + + 2e → H 2 (4)

鉛蓄電池において水の電気分解反応が起こると、電解液中の水が減少し、電池の特性が低下する恐れがある。電池の種類によって、電解液の容量に応じて水を補ったり、電池に制御弁などを取り付けて、正極から発生する酸素ガスを負極で吸収させることにより、水を再生したりするなどの対策が講じられている。   When an electrolysis reaction of water occurs in a lead-acid battery, the water in the electrolytic solution is reduced, and the battery characteristics may be deteriorated. Depending on the type of battery, measures such as replenishing water according to the capacity of the electrolyte or regenerating water by attaching a control valve to the battery and absorbing oxygen gas generated from the positive electrode at the negative electrode Has been taken.

レドックスフロー電池は、電池反応を行う正極電極及び負極電極、正極電解液及び負極電解液、正極電解液貯留部及び負極電解液貯留部、送液ポンプ及び配管などから構成される。レドックスフロー電池では、電解液が電極と貯留部との間を循環することにより、充放電が行われる。正極電極と負極電極とが隔膜によって隔てられていることにより、正極電解液と負極電解液との混合が防止される。レドックスフロー電池における活物質の候補は、価数が変化するイオンである。安全性などの観点から、バナジウム(V/V)系レドックスフロー電池などが実用化されている。   The redox flow battery includes a positive electrode and a negative electrode that perform a battery reaction, a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte, a positive electrode electrolyte reservoir and a negative electrode electrolyte reservoir, a liquid feed pump, and piping. In the redox flow battery, the electrolytic solution is circulated between the electrode and the storage part, so that charging / discharging is performed. Since the positive electrode and the negative electrode are separated by the diaphragm, mixing of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte is prevented. Active material candidates in a redox flow battery are ions whose valence changes. From the viewpoint of safety and the like, vanadium (V / V) redox flow batteries have been put into practical use.

V/V系レドックスフロー電池の電極反応を下記反応式(5)及び(6)に示す。なお、下記反応式(5)及び(6)において、充電反応は左から右に進み、放電反応は右から左に進む。
<正極> VO2+(4価)+HO⇔VO (5価)+2H+e (5)
<負極> V3+(3価)+e⇔V2+(2価) (6)
The electrode reaction of the V / V redox flow battery is shown in the following reaction formulas (5) and (6). In the following reaction formulas (5) and (6), the charging reaction proceeds from left to right, and the discharging reaction proceeds from right to left.
<Positive> VO 2+ (4-valent) + H 2 O⇔VO 2 + ( 5 valence) + 2H + + e - ( 5)
<Negative> V 3+ (3-valent) + e - ⇔V 2+ (2-valent) (6)

レドックスフロー電池においても、充電終期では、上記反応式(3)及び(4)に示す反応が起こり、負極電極から水素ガス(H)が発生する。 Also in the redox flow battery, at the end of charging, the reactions shown in the above reaction formulas (3) and (4) occur, and hydrogen gas (H 2 ) is generated from the negative electrode.

ところで、水素ガスの爆発範囲は、4体積%〜75体積%と広い。また、水素ガスは、無味無臭で軽いことから、取り扱いが難しい。そのため、水素ガスは、現状では工業用のごく限られた場所でのみ使用されている。水素ガスを工業的に製造する場合であっても、水素ガスが副産物として生成する場合であっても、水素ガスの取り扱いには留意し、爆発及び火災を防止しなければならない。   By the way, the explosion range of hydrogen gas is as wide as 4% to 75% by volume. Moreover, since hydrogen gas is tasteless, odorless and light, handling is difficult. For this reason, hydrogen gas is currently used only in industrially limited places. Whether hydrogen gas is produced industrially or hydrogen gas is produced as a by-product, care must be taken in handling hydrogen gas to prevent explosions and fires.

水素ガスを検知することにより、水素ガスを適切に管理することができる。水素ガスの検知方法としては、接触燃焼式、気体熱伝導式及び半導体式などが知られている。接触燃焼式などの既存の方法は、市販の水素ガスセンサーで採用されている。しかし、既存の方法では、検知感度を上げるために加熱及び燃焼が必要であり、安全性に問題がある。また、既存の方法では、待機時のエネルギー消費が大きい。さらに、既存の方法では、水素検出素子の劣化が早いと共に特性が不安定になり易かったりするため、信頼性が十分でない等の課題がある。   By detecting the hydrogen gas, the hydrogen gas can be appropriately managed. As a method for detecting hydrogen gas, a catalytic combustion type, a gas heat conduction type, a semiconductor type, and the like are known. Existing methods such as catalytic combustion are used in commercially available hydrogen gas sensors. However, in the existing method, heating and combustion are necessary to increase detection sensitivity, and there is a problem in safety. In addition, the existing method consumes a large amount of energy during standby. Furthermore, the existing method has problems such as insufficient reliability because the hydrogen detection element deteriorates quickly and the characteristics are likely to become unstable.

常温で水素ガスを検知する方法としては、例えば、酸化タングステン(WO)及び酸化モリブデン(MoO)などの遷移金属酸化物のクロミック反応を利用する方法がある。クロミック反応とは、材料の光学特性が、外部からの刺激を受けて可逆的に変化する現象である。クロミック反応は、主に、エレクトロクロミック反応とガスクロミック反応とに分けられる。エレクトロクロミック反応は、電圧の印加による酸化還元反応を伴う。ガスクロミック反応では、雰囲気中のガス分子の還元及び酸化が起こる。例えば、透明又は黄土色の酸化タングステンが水素ガス雰囲気内に配置された場合、濃青色のタングステンブロンズ(HWO)が形成される。 As a method for detecting hydrogen gas at room temperature, for example, there is a method using a chromic reaction of transition metal oxides such as tungsten oxide (WO 3 ) and molybdenum oxide (MoO 3 ). A chromic reaction is a phenomenon in which the optical properties of a material change reversibly in response to external stimuli. The chromic reaction is mainly divided into an electrochromic reaction and a gas chromic reaction. The electrochromic reaction is accompanied by an oxidation-reduction reaction by applying a voltage. In the gaschromic reaction, reduction and oxidation of gas molecules in the atmosphere occur. For example, when transparent or ocherous tungsten oxide is disposed in a hydrogen gas atmosphere, dark blue tungsten bronze (H x WO 3 ) is formed.

下記非特許文献1には、クロミック反応を利用した薄膜ガスセンサーが開示されている。非特許文献1に記載の薄膜ガスセンサーは、以下の方法により製造される。まず、石英ガラス上に金属タングステンを蒸着する。次いで、金属タングステンを酸化して、酸化タングステンを形成する。酸化タングステンを白金で活性化する。   Non-Patent Document 1 below discloses a thin film gas sensor using a chromic reaction. The thin film gas sensor described in Non-Patent Document 1 is manufactured by the following method. First, metallic tungsten is deposited on quartz glass. Next, the tungsten metal is oxidized to form tungsten oxide. Tungsten oxide is activated with platinum.

下記特許文献1には、酸化シリコン又はセラミックス等の基板上に形成された酸化タングステンの薄膜からなる選択性薄膜ガスセンサーが開示されている。特許文献1に記載の酸化タングステンの薄膜は、低酸素濃度(1〜10%)の雰囲気中で、WO3−δの組成(δ<0.2)を有する。 The following Patent Document 1 discloses a selective thin film gas sensor made of a thin film of tungsten oxide formed on a substrate such as silicon oxide or ceramics. The tungsten oxide thin film described in Patent Document 1 has a composition of WO 3−δ (δ <0.2) in an atmosphere having a low oxygen concentration (1 to 10%).

下記特許文献2には、酸化セリウム(CeO)含有層と、酸化タングステン含有層と、触媒金属元素含有層とを備える水素ガス検知用部材が開示されている。特許文献2に記載の水素ガス検知用部材では、酸化タングステンと、酸素吸引性を持つ酸化セリウムとを組み合わせたことにより、酸化タングステンの結晶構造が不安定になる。そのため、水素ガス由来の原子状水素(H)が酸化タングステンへ進入した際、酸化タングステンからタングステンブロンズ(HWO)への結晶構造変化が速やかに起こり、水素ガスの検知感度が向上する。 Patent Document 2 listed below discloses a hydrogen gas detection member including a cerium oxide (CeO 2 ) -containing layer, a tungsten oxide-containing layer, and a catalytic metal element-containing layer. In the hydrogen gas detection member described in Patent Document 2, the combination of tungsten oxide and cerium oxide having oxygen attraction makes the crystal structure of tungsten oxide unstable. Therefore, when atomic hydrogen (H) derived from hydrogen gas enters tungsten oxide, the crystal structure change from tungsten oxide to tungsten bronze (H x WO 3 ) occurs rapidly, and the detection sensitivity of hydrogen gas is improved.

下記特許文献3〜6には、固体化合物半導体を用いた水素ガスセンサー用薄膜が開示されている。特許文献3〜6に記載の水素ガスセンサー用薄膜は、以下の方法により製造される。まず、酸化タングステン等の固体化合物半導体の原料を含む溶液を基板上に塗布する。次いで、溶液を塗布した基板を焼成することにより、基板上に目的の組成の酸化物薄膜を形成する。   The following Patent Documents 3 to 6 disclose a thin film for a hydrogen gas sensor using a solid compound semiconductor. The thin film for hydrogen gas sensors described in Patent Documents 3 to 6 is manufactured by the following method. First, a solution containing a raw material for a solid compound semiconductor such as tungsten oxide is applied onto a substrate. Next, the substrate coated with the solution is baked to form an oxide thin film having a desired composition on the substrate.

下記特許文献7及び8には、固体化合物酸化物を用いた水素ガスセンサー用薄膜が開示されている。特許文献7及び8に記載の水素ガスセンサー用薄膜は、以下の方法により製造される。まず、酸化タングステン等の固体化合物酸化物の原料を含む溶液を基板上に塗布する。次いで、溶液を塗布した基板を焼成する代わりに、紫外線を該基板に照射することにより、基板上に目的の酸化物薄膜を形成する。   Patent Documents 7 and 8 listed below disclose a thin film for a hydrogen gas sensor using a solid compound oxide. The thin film for a hydrogen gas sensor described in Patent Documents 7 and 8 is manufactured by the following method. First, a solution containing a raw material of a solid compound oxide such as tungsten oxide is applied on a substrate. Next, instead of baking the substrate coated with the solution, the target oxide thin film is formed on the substrate by irradiating the substrate with ultraviolet rays.

P.J.Shaver, “Activated Tungsten Oxide Gas Detectors”, Applied Physics Letters, vol.11, no.8, pp.255−257, 1967.P. J. et al. Shaver, “Activated Tungsten Oxide Gas Detectors”, Applied Physics Letters, vol. 11, no. 8, pp. 255-257, 1967.

特公昭63−51501号公報Japanese Examined Patent Publication No. 63-51501 国際公開第2016/143385号International Publication No. 2016/143385 特許第3781354号公報Japanese Patent No. 3781354 特開2005−331364号公報JP 2005-331364 A 特開2005−345338号公報JP 2005-345338 A 特開2007−71866号公報JP 2007-71866 A 特開2016−161507号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-161507 特開2010−2346号公報JP 2010-2346 A

非特許文献1に記載の薄膜ガスセンサーでは、水素ガス雰囲気に接触してから特性の変化が認められるまでの時間(立ち上がり時間)は約1秒である。しかし、乾燥した大気における薄膜ガスセンサーの回復時間は約10分であり、遅い。そのため、非特許文献1に記載の薄膜ガスセンサーは、水素ガスセンサーとして実用的ではない。   In the thin film gas sensor described in Non-Patent Document 1, the time (rise time) from contact with the hydrogen gas atmosphere until the change in characteristics is recognized is about 1 second. However, the recovery time of the thin film gas sensor in dry atmosphere is about 10 minutes and is slow. Therefore, the thin film gas sensor described in Non-Patent Document 1 is not practical as a hydrogen gas sensor.

特許文献1及び2に記載の水素ガスセンサーの製造方法では、スパッタリングの条件に応じて、良好なクロミック特性を示すアモルファス相のWO膜又はCeO/WO複合膜を得ることができる。しかし、水素ガスセンサーとして良好な特性を示すためには、水素検出素子(WO膜)の表面に白金などの金属触媒を微粒子状等の形態で形成する必要がある。実際に、酸化タングステン等を用いた水素ガスセンサーを室温(例えば、20℃近辺)の温度領域において水素ガスに対して応答させるには、水素ガスの吸着性が高く、かつ吸着したガスを活性状態で保持できる貴金属触媒が必要である。 In the method for producing a hydrogen gas sensor described in Patent Documents 1 and 2, an amorphous phase WO 3 film or a CeO 2 / WO 3 composite film exhibiting good chromic characteristics can be obtained according to sputtering conditions. However, in order to exhibit good characteristics as a hydrogen gas sensor, it is necessary to form a metal catalyst such as platinum in the form of fine particles on the surface of the hydrogen detection element (WO 3 film). Actually, in order to make a hydrogen gas sensor using tungsten oxide or the like respond to hydrogen gas in a temperature range of room temperature (for example, around 20 ° C.), the hydrogen gas is highly adsorbed and the adsorbed gas is activated. A noble metal catalyst that can be retained at

特許文献3〜6に記載の水素ガスセンサー用薄膜の製造方法では、所謂ゾルゲル法によって酸化タングステン等の固体化合物酸化物を形成している。この手法では、スパッタリング法で形成されるアモルファス相に特有の課題を克服できると考えられる。当該課題は、(1)密度制御が困難であること、(2)検知感度のばらつきが大きいこと、(3)湿度の影響を受け易いこと、などである。また、ゾルゲル法に用いる原料溶液の組成及び温度等の条件によっては、膜中に微細な開気孔を設けることができる。その結果、水素ガスに対する反応速度及び検知感度が向上すると考えられる。しかし、このような特性向上には、上述した金属触媒が必要不可欠である。そのため、特許文献3〜6に記載の水素ガスセンサー用薄膜は、白金(Pt)等の金属触媒を微粒子又は薄膜の状態で備えている。   In the method for producing a thin film for a hydrogen gas sensor described in Patent Documents 3 to 6, a solid compound oxide such as tungsten oxide is formed by a so-called sol-gel method. This method is considered to overcome problems peculiar to the amorphous phase formed by the sputtering method. The problems are (1) difficulty in density control, (2) large variation in detection sensitivity, and (3) being susceptible to humidity. Depending on conditions such as the composition of the raw material solution used in the sol-gel method and the temperature, fine open pores can be provided in the film. As a result, it is considered that the reaction rate and detection sensitivity for hydrogen gas are improved. However, the above-described metal catalyst is indispensable for improving the characteristics. Therefore, the thin film for hydrogen gas sensors described in Patent Documents 3 to 6 includes a metal catalyst such as platinum (Pt) in the form of fine particles or a thin film.

特許文献7及び8に記載の水素ガスセンサー用薄膜の製造方法は、酸化タングステン等の固体化合物酸化物を形成する際に、本質的に加熱工程を備えない。そのため、例えば、耐熱性の低い基板の上にも固体化合物酸化物を成膜できる。しかし、これらの手法を用いた場合でも、水素ガスセンサーとしての良好な特性を得るためには、金属触媒が必要である。   The method for producing a thin film for a hydrogen gas sensor described in Patent Documents 7 and 8 essentially does not include a heating step when a solid compound oxide such as tungsten oxide is formed. Therefore, for example, a solid compound oxide can be formed on a substrate having low heat resistance. However, even when these methods are used, a metal catalyst is required to obtain good characteristics as a hydrogen gas sensor.

以上のことから、非特許文献1及び特許文献1〜8に記載の水素ガスセンサーにクロミック反応を適用する場合、高価な白金(Pt)等の金属触媒を担持する必要がある。そのため、上記水素ガスセンサーの材料のコストは高く、水素ガスセンサーを製造するプロセスは煩雑である。特に、固体化合物酸化物(酸化タングステンなど)に、金属触媒層を微粒子等の形態で担持する場合を除いて、固体化合物酸化物に添加した金属触媒が膜(固体化合物酸化物)の中に埋もれてしまい、水素ガスの活性化が本質的に起こらなくなってしまう。   From the above, when applying the chromic reaction to the hydrogen gas sensors described in Non-Patent Document 1 and Patent Documents 1 to 8, it is necessary to support an expensive metal catalyst such as platinum (Pt). Therefore, the cost of the material for the hydrogen gas sensor is high, and the process for manufacturing the hydrogen gas sensor is complicated. In particular, the metal catalyst added to the solid compound oxide is buried in the film (solid compound oxide) except when the metal catalyst layer is supported in the form of fine particles on a solid compound oxide (tungsten oxide, etc.). As a result, the activation of hydrogen gas essentially does not occur.

加えて、非特許文献及び特許文献1〜8に記載の水素ガスセンサーでは、いずれも大気中の水素ガスを検知することを目的としており、水素ガスセンサーを使用する環境によっては、正確な水素濃度の検知が困難であると考えられる。特に、液体中で発生する水素ガスを従来の水素ガスセンサーで検知することは困難であった。   In addition, the hydrogen gas sensors described in Non-Patent Documents and Patent Documents 1 to 8 are all intended to detect hydrogen gas in the atmosphere, and depending on the environment in which the hydrogen gas sensor is used, an accurate hydrogen concentration This is considered difficult to detect. In particular, it has been difficult to detect hydrogen gas generated in a liquid with a conventional hydrogen gas sensor.

水又は水溶液中で水素ガスが発生する場合、生成した水素ガスの濃度を把握できるだけでなく、光触媒反応由来又は光化学反応由来の水素ガスの発生箇所を監視できることが求められる。   When hydrogen gas is generated in water or an aqueous solution, it is required not only to grasp the concentration of the generated hydrogen gas, but also to be able to monitor the generation location of the hydrogen gas derived from the photocatalytic reaction or the photochemical reaction.

酸化タングステンが水素イオン及び電子(e)を取り込んで形成されるタングステンブロンズ(HWO)では、取り込んだ電子(e)がキャリアとなることにより、電気伝導性を示す。上記に述べた色の変化以外に、水素検出素子(酸化タングステン)の電気抵抗の変化を測定することにより、水素ガスの濃度を検知することも可能である。特に、鉛蓄電池又はレドックスフロー電池のように、電池の一部が密閉構造であり、電池の充放電反応が起こる電極の外観を外から確認できない場合は、水素検出素子の電気抵抗変化を利用して水素ガスの濃度及び発生有無を監視することにより、電池内における水素ガスの発生箇所を特定し、材料及び電池運用条件の適正化のためのフィードバックを得ることが求められる。 In tungsten bronze (H x WO 3 ) formed by tungsten oxide taking in hydrogen ions and electrons (e ), the taken electrons (e ) become carriers, and thus show electrical conductivity. In addition to the color change described above, it is also possible to detect the concentration of hydrogen gas by measuring the change in electrical resistance of the hydrogen detection element (tungsten oxide). In particular, when a part of the battery has a sealed structure, such as a lead storage battery or a redox flow battery, and the appearance of the electrode where the charge / discharge reaction of the battery occurs cannot be confirmed from the outside, the change in the electric resistance of the hydrogen detection element is used. Thus, by monitoring the concentration of hydrogen gas and the presence / absence of generation, it is required to identify the location where hydrogen gas is generated in the battery and obtain feedback for optimizing the material and battery operating conditions.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水を含む液体中における水素ガスの生成を簡便に検知できる水素の検知方法、及び当該水素の検知方法に用いる水素検知デバイスを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a hydrogen detection method capable of easily detecting the generation of hydrogen gas in a liquid containing water, and a hydrogen detection device used in the hydrogen detection method. With the goal.

本発明の一側面に係る水素の検知方法では、容器内に配置された液体中に、水素生成部材と水素検知部材とが浸漬されており、液体が水を含み、水素生成部材が、電気化学反応を伴って水素を含むガスを発生させ、水素検知部材が、酸化タングステン、酸化モリブデン、オキシ水酸化コバルト及びオキシ水酸化ニッケルからなる群より選択される少なくとも一種の化合物を含有し、水素生成部材と水素検知部材とが電気的に接続されており、液体から水素検知部材へ水素イオンが供給され、水素生成部材から水素検知部材へ電子が供給され、水素検知部材に供給された水素イオン及び電子に応じて、水素検知部材の色及び電気伝導度のうち少なくとも一方が変化し、上記色の変化及び上記電気伝導度の変化のうち少なくともいずれかを測定することにより、液体中の水素を検知する。   In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, the hydrogen generation member and the hydrogen detection member are immersed in the liquid disposed in the container, the liquid contains water, and the hydrogen generation member is electrochemical. A gas containing hydrogen is generated with a reaction, and the hydrogen detection member contains at least one compound selected from the group consisting of tungsten oxide, molybdenum oxide, cobalt oxyhydroxide and nickel oxyhydroxide, and a hydrogen generation member And the hydrogen detection member are electrically connected, hydrogen ions are supplied from the liquid to the hydrogen detection member, electrons are supplied from the hydrogen generation member to the hydrogen detection member, and hydrogen ions and electrons supplied to the hydrogen detection member In response, at least one of the color and electrical conductivity of the hydrogen detection member changes, and at least one of the color change and the electrical conductivity measurement is measured. It allows to detect hydrogen in a liquid.

本発明の一側面に係る水素の検知方法では、容器内に配置された液体中に、水素生成部材と水素検知部材とが浸漬されており、液体が水を含み、水素生成部材が、電気化学反応を伴って水素を含むガスを発生させ、水素検知部材が、酸化タングステン、酸化モリブデン、オキシ水酸化コバルト及びオキシ水酸化ニッケルからなる群より選択される少なくとも一種の化合物を含有し、水素生成部材と水素検知部材とが電気的に接続されており、液体から水素検知部材へ水素イオンが供給され、水素生成部材から水素検知部材へ電子が供給され、水素検知部材に光を照射して、水素検知部材を透過した透過光の強度を測定し、透過光の強度から、光吸収係数、透過率及び光学バンドギャップのうち少なくともいずれかの水素検知部材の物性値を算出し、水素イオン及び電子の水素検知部材への供給に応じた物性値の変化に基づいて、液体中の水素を検知する。   In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, the hydrogen generation member and the hydrogen detection member are immersed in the liquid disposed in the container, the liquid contains water, and the hydrogen generation member is electrochemical. A gas containing hydrogen is generated with a reaction, and the hydrogen detection member contains at least one compound selected from the group consisting of tungsten oxide, molybdenum oxide, cobalt oxyhydroxide and nickel oxyhydroxide, and a hydrogen generation member And the hydrogen detection member are electrically connected, hydrogen ions are supplied from the liquid to the hydrogen detection member, electrons are supplied from the hydrogen generation member to the hydrogen detection member, and the hydrogen detection member is irradiated with light to generate hydrogen. The intensity of the transmitted light that has passed through the detection member is measured, and the physical property value of at least one of the hydrogen detection member among the light absorption coefficient, the transmittance, and the optical band gap is calculated from the intensity of the transmitted light. And, based on a change in physical properties in response to the supply of the hydrogen ions and electrons of the hydrogen detecting member detects the hydrogen in the liquid.

本発明の一側面に係る上記水素の検知方法では、化合物が、多結晶、配向性結晶及び非晶質物からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。   In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, the compound may be at least one selected from the group consisting of polycrystals, oriented crystals, and amorphous substances.

本発明の一側面に係る上記水素の検知方法では、水素検知部材が、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選択される少なくとも一種の金属触媒を更に含有してよい。   In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, the hydrogen detection member further includes at least one metal catalyst selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, cobalt, nickel, and copper. May be included.

本発明の一側面に係る上記水素の検知方法では、水素検知部材の形状が、板、ブロック、リボン、ロッド、線、シート、メッシュ、塊、粒子及び薄膜からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。   In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, the shape of the hydrogen detection member is at least one selected from the group consisting of a plate, a block, a ribbon, a rod, a wire, a sheet, a mesh, a lump, a particle, and a thin film. It may be.

本発明の一側面に係る上記水素の検知方法では、水素生成部材が、光触媒反応及び光化学反応のうち少なくともいずれかにより、上記ガスを発生させる部材であってよい。本発明の一側面に係る上記水素の検知方法では、水素生成部材が、電気化学反応を伴う電池の電極材であってよい。   In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, the hydrogen generation member may be a member that generates the gas by at least one of a photocatalytic reaction and a photochemical reaction. In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, the hydrogen generation member may be an electrode material for a battery that involves an electrochemical reaction.

本発明の一側面に係る上記水素の検知方法において、上記光化学反応では、金属材料を含む水素生成部材に光を照射して、上記ガスを水素生成部材から発生させてよい。   In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, in the photochemical reaction, the hydrogen generation member containing a metal material may be irradiated with light to generate the gas from the hydrogen generation member.

本発明の一側面に係る上記水素の検知方法では、金属材料が、鉄、銅、亜鉛、錫及びチタンからなる群より選択される少なくとも一種を含んでよい。   In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, the metal material may include at least one selected from the group consisting of iron, copper, zinc, tin, and titanium.

本発明の一側面に係る上記水素の検知方法では、電池が、鉛蓄電池、ニッケル−亜鉛電池、及びレドックスフロー電池のうちいずれか一種の二次電池であってよい。   In the method for detecting hydrogen according to one aspect of the present invention, the battery may be any one type of secondary battery of a lead storage battery, a nickel-zinc battery, and a redox flow battery.

本発明の一側面に係る上記水素の検知方法では、水素生成部材と水素検知部材とが直接接触してよい。   In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, the hydrogen generation member and the hydrogen detection member may be in direct contact with each other.

本発明の一側面に係る上記水素の検知方法では、水素生成部材と水素検知部材とを接続する導電材料が、銅、銀、金、白金、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉄、錫、鉛及びろう材からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。   In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, the conductive material connecting the hydrogen generation member and the hydrogen detection member is copper, silver, gold, platinum, aluminum, chromium, nickel, iron, tin, lead, and brazing. It may be at least one selected from the group consisting of materials.

本発明の一側面に係る上記水素の検知方法では、液体中において、複数の水素検知部材それぞれが、水素生成部材の異なる箇所に電気的に接続されてよく、水素生成部材において上記ガスが発生した箇所を監視してよい。   In the hydrogen detection method according to one aspect of the present invention, in the liquid, each of the plurality of hydrogen detection members may be electrically connected to different portions of the hydrogen generation member, and the gas is generated in the hydrogen generation member. You may monitor the location.

本発明の一側面に係る水素検知デバイスは、上記水素の検知方法に用いる水素検知デバイスであって、容器と、水素生成部材と、水素生成部材に電気的に接続された水素検知部材とを備える。   A hydrogen detection device according to one aspect of the present invention is a hydrogen detection device used in the above-described hydrogen detection method, and includes a container, a hydrogen generation member, and a hydrogen detection member electrically connected to the hydrogen generation member. .

本発明の一側面に係る上記水素検知デバイスは、水素検知部材に電流又は電圧を印加する配線部と、水素検知部材の電気伝導度を計測する電気計測装置とを更に備えてよい。   The hydrogen detection device according to one aspect of the present invention may further include a wiring portion that applies a current or a voltage to the hydrogen detection member, and an electrical measurement device that measures the electrical conductivity of the hydrogen detection member.

本発明の一側面に係る水素検知デバイスは、上記水素の検知方法に用いる水素検知デバイスであって、容器と、水素生成部材と、水素生成部材に電気的に接続された水素検知部材と、水素検知部材へ光を照射する光源部と、透過光の強度を測定する光学測定装置とを備える。   A hydrogen detection device according to one aspect of the present invention is a hydrogen detection device used in the above-described hydrogen detection method, and includes a container, a hydrogen generation member, a hydrogen detection member electrically connected to the hydrogen generation member, and a hydrogen A light source unit that irradiates light to the detection member and an optical measurement device that measures the intensity of transmitted light are provided.

本発明によれば、水を含む液体中における水素ガスの生成を簡便に検知できる水素の検知方法、及び当該水素の検知方法に用いる水素検知デバイスを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hydrogen detection method which can detect simply the production | generation of hydrogen gas in the liquid containing water, and the hydrogen detection device used for the said hydrogen detection method can be provided.

図1中の(a)は、本発明の一実施形態に係る水素の検知方法を示す模式図であり、図1中の(b)は、本発明の一実施形態に係る水素の検知方法を示す模式図である。(A) in FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a hydrogen detection method according to an embodiment of the present invention, and (b) in FIG. 1 illustrates a hydrogen detection method according to an embodiment of the present invention. It is a schematic diagram shown. 図2は、本発明の一実施形態に係る水素の検知方法を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a hydrogen detection method according to an embodiment of the present invention. 図3は、ペロブスカイト型の酸化物の結晶構造を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a crystal structure of a perovskite oxide. 図4は、本発明の一実施形態に係る水素検知部材を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing a hydrogen detection member according to an embodiment of the present invention. 図5は、水素の検知に用いる前の水素検知部材の外観及び光学バンドギャップを示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an appearance and an optical band gap of the hydrogen detection member before being used for detection of hydrogen. 図6は、水素の検知に用いた後の水素検知部材の外観及び光学バンドギャップを示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an appearance and an optical band gap of the hydrogen detection member after being used for hydrogen detection. 図7は、本発明の一実施形態に係るレドックスフロー電池の模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram of a redox flow battery according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は下記実施形態に限られるものではない。本明細書において、「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても、その工程の目的が達成されれば、本用語に含まれる。本明細書において、「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書において、組成物中の各成分の含有量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合には、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。図面において、同等の構成要素には同一の符号を付す。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiment. In this specification, the term “process” is not limited to an independent process, and is included in the term if the purpose of the process is achieved even when it cannot be clearly distinguished from other processes. In this specification, the numerical range indicated using “to” indicates a range including the numerical values described before and after “to” as the minimum value and the maximum value, respectively. In the present specification, the content of each component in the composition means that when there are a plurality of substances corresponding to each component in the composition, the contents of the plurality of substances present in the composition unless otherwise specified. It means the total amount. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals.

本明細書において、「水素ガス」との語は、水素分子(H)からなる気体を意味する。「水素イオン」との語は、水素原子が電子を失った陽イオン(H)を意味する。「原子状水素」との語は、水素分子(H)が変化して単原子になった状態(H)を意味する。「水素」との語は、上記の水素ガス、水素イオン及び原子状水素を統括して用いる場合、又は、元素の種類として表記する場合に用いられる。 In this specification, the term “hydrogen gas” means a gas composed of hydrogen molecules (H 2 ). The term “hydrogen ion” means a cation (H + ) in which a hydrogen atom has lost an electron. The term “atomic hydrogen” means a state (H) in which a hydrogen molecule (H 2 ) is changed to a single atom. The term “hydrogen” is used when the above-described hydrogen gas, hydrogen ion, and atomic hydrogen are used collectively, or when expressed as a kind of element.

本実施形態に係る水素の検知方法では、図1中の(a)に示すように、同一の容器12内に配置された液体14中に、水素生成部材16と水素検知部材18とが浸漬されている。液体14は、水を含む。液体14は、水であっても、水に電解質が溶けた水溶液であってもよい。水素生成部材16は、電気化学反応を伴って水素を含むガス20を発生させる。水素検知部材18は、酸化タングステン、酸化モリブデン、オキシ水酸化コバルト及びオキシ水酸化ニッケルからなる群より選択される少なくとも一種の化合物を含有する。水素生成部材16と水素検知部材18とが電気的に接続されている。液体14から水素検知部材18へ水素イオンが供給される。電気化学反応が起こると、水素生成部材16から水素検知部材18へ電子が供給される。水素検知部材18に供給された水素イオン及び電子に応じて、水素検知部材18の色及び電気伝導度のうち少なくとも一方が変化する。水素検知部材18の色の変化、及び水素検知部材18の電気伝導度の変化のうち少なくともいずれかを測定することにより、液体14中の水素を検知する。又は、本実施形態の変形例では、図2に示すように、水素検知部材18に光L1を照射して、水素検知部材18を透過した透過光L2の強度を測定する。透過光L2の強度から、光吸収係数、透過率及び光学バンドギャップのうち少なくともいずれかの水素検知部材18の物性値を算出する。水素イオン及び電子の水素検知部材への供給に応じた物性値の変化に基づいて、液体中の水素を検知する。   In the hydrogen detection method according to this embodiment, as shown in FIG. 1A, the hydrogen generation member 16 and the hydrogen detection member 18 are immersed in the liquid 14 disposed in the same container 12. ing. The liquid 14 includes water. The liquid 14 may be water or an aqueous solution in which an electrolyte is dissolved in water. The hydrogen generating member 16 generates a gas 20 containing hydrogen with an electrochemical reaction. The hydrogen detection member 18 contains at least one compound selected from the group consisting of tungsten oxide, molybdenum oxide, cobalt oxyhydroxide, and nickel oxyhydroxide. The hydrogen generation member 16 and the hydrogen detection member 18 are electrically connected. Hydrogen ions are supplied from the liquid 14 to the hydrogen detection member 18. When an electrochemical reaction occurs, electrons are supplied from the hydrogen generation member 16 to the hydrogen detection member 18. At least one of the color and electrical conductivity of the hydrogen detection member 18 changes according to the hydrogen ions and electrons supplied to the hydrogen detection member 18. Hydrogen in the liquid 14 is detected by measuring at least one of a change in color of the hydrogen detection member 18 and a change in electrical conductivity of the hydrogen detection member 18. Or in the modification of this embodiment, as shown in FIG. 2, the light L1 is irradiated to the hydrogen detection member 18, and the intensity | strength of the transmitted light L2 which permeate | transmitted the hydrogen detection member 18 is measured. A physical property value of at least one of the hydrogen detection member 18 among the light absorption coefficient, the transmittance, and the optical band gap is calculated from the intensity of the transmitted light L2. Hydrogen in the liquid is detected based on changes in physical property values according to the supply of hydrogen ions and electrons to the hydrogen detection member.

従来の水素ガスセンサーを用いた水素ガスの検知方法は、大気中におけるクロミック反応を利用することにより、大気中において水素ガスを直接検知する。大気中におけるクロミック反応には、白金(Pt)等の金属触媒が必須である。一方、本実施形態に係る水素の検知方法は、液体中におけるクロミック反応を利用することにより、液体中における水素ガスの生成を検知する。本実施形態に係る水素の検知方法は、従来の水素ガスの検知方法とは対照的に、水素ガス自体を直接検知しない。本実施形態に係る水素の検知方法は、水素ガスの生成過程(電気化学反応)で生じる水素イオンの一部及び電子の一部を水素検知部材によって検出することにより、水素ガスを間接的に検知する。また、本実施形態に係るクロミック反応には、金属触媒が必須ではない。このように、本実施形態においてクロミック反応が起こるメカニズムは、従来の大気中においてクロミック反応が起こるメカニズムとは異なる。以下では、まず、大気中におけるクロミック反応について説明する。次いで、本実施形態に係るクロミック反応について説明する。   A hydrogen gas detection method using a conventional hydrogen gas sensor directly detects hydrogen gas in the atmosphere by using a chromic reaction in the atmosphere. For the chromic reaction in the atmosphere, a metal catalyst such as platinum (Pt) is essential. On the other hand, the method for detecting hydrogen according to the present embodiment detects the generation of hydrogen gas in a liquid by using a chromic reaction in the liquid. In contrast to the conventional hydrogen gas detection method, the hydrogen detection method according to the present embodiment does not directly detect the hydrogen gas itself. In the hydrogen detection method according to the present embodiment, hydrogen gas is indirectly detected by detecting a part of hydrogen ions and a part of electrons generated in a hydrogen gas generation process (electrochemical reaction) with a hydrogen detection member. To do. Moreover, a metal catalyst is not essential for the chromic reaction according to the present embodiment. Thus, the mechanism by which the chromic reaction occurs in the present embodiment is different from the mechanism by which the chromic reaction occurs in the conventional atmosphere. Below, the chromic reaction in air | atmosphere is demonstrated first. Next, the chromic reaction according to this embodiment will be described.

(大気中におけるクロミック反応)
図3は、一般的なペロブスカイト型の酸化物の結晶構造を示す。ペロブスカイト型の酸化物の組成は、ABOで表される。Aサイトは、希土類元素又はアルカリ土類金属である。Bサイトは、遷移金属である。ペロブスカイト型の酸化物は、例えば、酸化タングステン(WO)である。酸化タングステンの結晶のAサイトは、空孔である。Bサイトは、タングステン(W)イオンである。タングステン(W)イオンの周りに酸素(O)が6配位して八面体を形成している。酸化タングステンは、八面体の頂点の酸素同士が共有されることにより連結している。酸化タングステンは、空孔であるAサイトに多くの元素を受入れることができる。以下では、水素ガス雰囲気内に、白金(Pt)触媒を備えるWO薄膜を配置した場合のクロミック反応について説明する。
(Chromic reaction in the atmosphere)
FIG. 3 shows a crystal structure of a general perovskite oxide. The composition of the perovskite oxide is represented by ABO 3 . The A site is a rare earth element or an alkaline earth metal. B site is a transition metal. The perovskite oxide is, for example, tungsten oxide (WO 3 ). The A site of the tungsten oxide crystal is a vacancy. The B site is a tungsten (W) ion. Oxygen (O) is coordinated around tungsten (W) ions to form an octahedron. Tungsten oxide is linked by sharing oxygen at the apexes of the octahedron. Tungsten oxide can accept many elements at the A site, which is a void. Hereinafter, in a hydrogen gas atmosphere, the chromic reaction is described in the case where a WO 3 film comprising platinum (Pt) catalyst.

白金を備えるWO薄膜を水素ガス雰囲気内に配置すると、水素ガスが白金に吸着して活性化し、原子状水素(活性水素)が生じる。次いで、WOが原子状水素(H)を取り込む。次いで、WOの骨格内部において、原子状水素(H)が水素イオン(H)及び電子(e)に分離する。そして、下記反応式(7)に示すとおり、タングステンブロンズ(HWO)が生成する。WO薄膜の色は透明である。HWO薄膜の色は濃青色である。なお、WOがバルク材である場合、WOの色は黄土色である。
WO(透明又は黄土色)+xH+xe→HWO(濃青色) (7)
When a WO 3 thin film comprising platinum is placed in a hydrogen gas atmosphere, the hydrogen gas is adsorbed on platinum and activated to generate atomic hydrogen (active hydrogen). WO 3 then takes up atomic hydrogen (H). Next, in the skeleton of WO 3 , atomic hydrogen (H) is separated into hydrogen ions (H + ) and electrons (e ). Then, as shown in the following reaction formula (7), tungsten bronze (H x WO 3) is produced. The color of the WO 3 thin film is transparent. The color of the H x WO 3 thin film is dark blue. Note that when WO 3 is a bulk material, the color of the WO 3 is ocher.
WO 3 (transparent or ocher) + xH + + xe → H x WO 3 (dark blue) (7)

タングステンブロンズ(HWO)の色が濃青色である理由は、以下のとおりであると考えられる。酸化タングステン(WO)に取り込まれた電子(e)が、タングステンイオンの一部を6価(W6+)から5価(W5+)に還元することにより、W6+/W5+混合原子価状態が生じる。その結果、W6+とW5+との間を遷移する電子による原子価間移動吸収により、タングステンブロンズが約600〜800nmの可視光を吸収する。そのため、タングステンブロンズは、濃青色に見える。 The reason why the color of tungsten bronze (H x WO 3 ) is dark blue is considered as follows. Electrons (e ) taken into tungsten oxide (WO 3 ) reduce part of tungsten ions from hexavalent (W 6+ ) to pentavalent (W 5+ ), so that W 6+ / W 5+ mixed valence is reduced. A state arises. As a result, tungsten bronze absorbs visible light of about 600 to 800 nm due to intervalence transfer absorption by electrons transitioning between W 6+ and W 5+ . Therefore, tungsten bronze appears dark blue.

タングステンブロンズ(HWO)は、取り込んだ電子(e)がキャリアとなることにより、電気伝導性を示す。よって、酸化タングステンを含む水素検出素子の電気抵抗を監視することにより、水素ガスの濃度を検知することができる。 Tungsten bronze (H x WO 3 ) exhibits electrical conductivity when the taken electrons (e ) become carriers. Therefore, the concentration of hydrogen gas can be detected by monitoring the electrical resistance of the hydrogen detection element containing tungsten oxide.

上記のとおり、大気中におけるクロミック反応では、酸化物内に原子状水素を取り込むことが必須である。よって、例えば、室温において、酸化タングステン(WO)を大気中の水素に対して応答させるためには、高価な貴金属触媒を併用しなければならない。代表的な貴金属触媒は、白金(Pt)触媒である。白金は、水素分子(H)及び酸素分子(O)との吸着性が高い。そのため、水素分子及び酸素分子は、白金の表面上において、原子化(活性化)した状態を保持できる。 As described above, in the chromic reaction in the atmosphere, it is essential to incorporate atomic hydrogen into the oxide. Therefore, for example, in order to make tungsten oxide (WO 3 ) respond to hydrogen in the atmosphere at room temperature, an expensive noble metal catalyst must be used in combination. A typical noble metal catalyst is a platinum (Pt) catalyst. Platinum has a high adsorptivity to hydrogen molecules (H 2 ) and oxygen molecules (O 2 ). Therefore, hydrogen molecules and oxygen molecules can maintain an atomized (activated) state on the surface of platinum.

(本実施形態に係るクロミック反応(水中におけるクロミック反応))
以下では、本実施形態に係るクロミック反応が起こるメカニズムを説明する。ただし、本実施形態に係るクロミック反応が起こるメカニズムは、以下の反応機構に限定されない。水を含む液体中に浸された水素生成部材は、下記反応式(8)に示す電気化学反応を伴って水素ガスを生成する。水素生成部材が水素ガスを生成する機構については後述する。下記反応式(8)における水素イオン(H)は、液体中に存在する水素イオンである。水素イオンは、液体が酸性、中性及びアルカリ性のいずれの場合でも、液体中に存在している。液体中に存在する水素イオンが、水素検知部材に取り込まれる。水素生成部材において電気化学反応が進行すると、下記反応式(8)中における水素イオンの一部は、水素分子になることなく、液体を経由して水素検知部材へ供給される。つまり、電気化学反応が促進されるほど、液体を経由して水素検知部材へ供給される水素イオンが増える。また、水素生成部材と水素検知部材とが電気的に接続されていることにより、下記反応式(8)に示す反応に使用されない電子(e)も水素検知部材に取り込まれる。水素検知部材に水素イオン及び電子が供給されると、下記のクロミック反応が起こる。その結果、水素検知部材の色及び電気伝導度のうち少なくとも一方が変化する。
2H+2e→H (8)
(Chromic reaction according to this embodiment (chromic reaction in water))
Below, the mechanism in which the chromic reaction which concerns on this embodiment occurs is demonstrated. However, the mechanism by which the chromic reaction according to this embodiment occurs is not limited to the following reaction mechanism. The hydrogen generating member immersed in the liquid containing water generates hydrogen gas with an electrochemical reaction represented by the following reaction formula (8). A mechanism by which the hydrogen generating member generates hydrogen gas will be described later. The hydrogen ion (H + ) in the following reaction formula (8) is a hydrogen ion present in the liquid. Hydrogen ions are present in the liquid regardless of whether the liquid is acidic, neutral or alkaline. Hydrogen ions present in the liquid are taken into the hydrogen detection member. When the electrochemical reaction proceeds in the hydrogen generation member, a part of hydrogen ions in the following reaction formula (8) is supplied to the hydrogen detection member via the liquid without becoming hydrogen molecules. That is, the more the electrochemical reaction is promoted, the more hydrogen ions are supplied to the hydrogen detection member via the liquid. Further, since the hydrogen generation member and the hydrogen detection member are electrically connected, electrons (e ) that are not used in the reaction shown in the following reaction formula (8) are also taken into the hydrogen detection member. When hydrogen ions and electrons are supplied to the hydrogen detection member, the following chromic reaction occurs. As a result, at least one of the color and electrical conductivity of the hydrogen detection member changes.
2H + + 2e → H 2 (8)

水素検知部材がペロブスカイト型の酸化物を含む場合のクロミック反応は、水素検知部材がペロブスカイト型の酸化物を含まない場合のクロミック反応と異なる。水素検知部材に含まれる化合物のうち、酸化タングステン及び酸化モリブデンは、いずれもペロブスカイト型の酸化物である。酸化タングステンへ水素イオン及び電子が供給された場合、上記のとおり、Aサイトに水素イオンが取り込まれ、電子がタングステンイオンを還元する。その結果、上記反応式(7)に示すとおり、タングステンブロンズ(HWO)が形成される。酸化モリブデンにおけるクロミック反応の機構は、酸化タングステンにおけるクロミック反応の機構と同様である。酸化モリブデンへ水素イオン及び電子が供給された場合、下記反応式(9)に示すとおり、モリブデンブロンズ(HMoO)が形成される。MoOが薄膜である場合、MoOの色は透明である。MoOがバルク材である場合、MoOの色は黄色である。HMoO薄膜の色は濃青色である。
MoO(透明又は黄色)+xH+xe→HMoO(濃青色) (9)
The chromic reaction when the hydrogen detection member includes a perovskite oxide is different from the chromic reaction when the hydrogen detection member does not include a perovskite oxide. Of the compounds contained in the hydrogen detection member, tungsten oxide and molybdenum oxide are both perovskite oxides. When hydrogen ions and electrons are supplied to tungsten oxide, as described above, hydrogen ions are taken into the A site, and the electrons reduce tungsten ions. As a result, tungsten bronze (H x WO 3 ) is formed as shown in the reaction formula (7). The mechanism of chromic reaction in molybdenum oxide is the same as the mechanism of chromic reaction in tungsten oxide. When hydrogen ions and electrons are supplied to molybdenum oxide, molybdenum bronze (H x MoO 3 ) is formed as shown in the following reaction formula (9). When MoO 3 is a thin film, the color of MoO 3 is transparent. When MoO 3 is a bulk material, the color of MoO 3 is yellow. The color of the H x MoO 3 thin film is dark blue.
MoO 3 (transparent or yellow) + xH + + xe → H x MoO 3 (dark blue) (9)

一方、オキシ水酸化コバルト及びオキシ水酸化ニッケルは、いずれもペロブスカイト型の酸化物ではない。水素検知部材に含まれるオキシ水酸化コバルト(CoOOH)へ水素イオン及び電子が供給された場合、下記反応式(10)に示す反応により、水酸化コバルト(Co(OH))が生成する。CoOOHの色は暗褐色である。Co(OH)が薄膜である場合、Co(OH)の色は黄色がかった透明である。Co(OH)がバルク材である場合、Co(OH)の色は青緑色である。水素検知部材に含まれるオキシ水酸化ニッケル(NiOOH)へ水素イオン及び電子が供給された場合、下記反応式(11)に示す反応により、水酸化ニッケル(Ni(OH))が生成する。NiOOHの色は暗褐色である。Ni(OH)が薄膜である場合、Ni(OH)の色は黄色がかった透明である。Ni(OH)がバルク材である場合、Ni(OH)の色は緑色である。
CoOOH(暗褐色)+H+e→Co(OH)(透明又は白色) (10)
NiOOH(暗褐色)+H+e→Ni(OH)(透明又は白色) (11)
On the other hand, neither cobalt oxyhydroxide nor nickel oxyhydroxide is a perovskite oxide. When hydrogen ions and electrons are supplied to cobalt oxyhydroxide (CoOOH) contained in the hydrogen detection member, cobalt hydroxide (Co (OH) 2 ) is generated by the reaction shown in the following reaction formula (10). The color of CoOOH is dark brown. When Co (OH) 2 is a thin film, the color of Co (OH) 2 is yellowish and transparent. When Co (OH) 2 is a bulk material, the color of Co (OH) 2 is blue-green. When hydrogen ions and electrons are supplied to nickel oxyhydroxide (NiOOH) contained in the hydrogen detection member, nickel hydroxide (Ni (OH) 2 ) is generated by the reaction shown in the following reaction formula (11). The color of NiOOH is dark brown. When Ni (OH) 2 is a thin film, the color of Ni (OH) 2 is yellowish and transparent. When Ni (OH) 2 is a bulk material, the color of Ni (OH) 2 is green.
CoOOH (dark brown) + H + + e → Co (OH) 2 (clear or white) (10)
NiOOH (dark brown) + H + + e → Ni (OH) 2 (transparent or white) (11)

上記のとおり、本実施形態に係るクロミック反応では、従来の大気中におけるクロミック反応とは異なり、水素ガス(H)から原子状水素(H)を生成する必要がない。そのため、本実施形態に係るクロミック反応では、高価な貴金属触媒が必須ではない。 As described above, unlike the conventional chromic reaction in the atmosphere, the chromic reaction according to this embodiment does not require generation of atomic hydrogen (H) from hydrogen gas (H 2 ). Therefore, an expensive noble metal catalyst is not essential in the chromic reaction according to this embodiment.

本実施形態に係るクロミック反応は、上記の水素検知部材が水素イオン(H)及び電子(e)を取り込む機構の他に、水素検知部材が液体中に生じた原子状水素(H)を取り込むことでも起こり得る、と本発明者らは推測する。ただし、本実施形態において、水素検知部材が原子状水素を取り込む機構は支配的な機構ではなく、上記のとおり、水素検知部材が水素イオン及び電子を取り込む機構が支配的である、と本発明者らは考える。以下では、水素検知部材が原子状水素を取り込む機構について説明する。 In the chromic reaction according to the present embodiment, in addition to the mechanism in which the hydrogen detection member takes in hydrogen ions (H + ) and electrons (e ), the hydrogen detection member generates atomic hydrogen (H) generated in the liquid. The inventors speculate that it can also occur by incorporation. However, in the present embodiment, the mechanism by which the hydrogen detection member takes in atomic hydrogen is not a dominant mechanism, and as described above, the mechanism by which the hydrogen detection member takes in hydrogen ions and electrons is dominant. Think. Below, the mechanism in which a hydrogen detection member takes in atomic hydrogen is demonstrated.

本実施形態では、上記反応式(8)の反応(水素生成部材における電気化学反応)により、液体中において水素ガスが生成する。上記反応式(8)に示す反応は、主に下記の3段階に分けることができる。
・水素イオンが還元されて原子状水素(活性水素)が生成する;
+e→H (12)
・液体中で原子状水素(活性水素)が水素分子を形成する;
2H→H (13)
・水素分子がガスとなって液体中から発生する;
→H(気体) (14)
In the present embodiment, hydrogen gas is generated in the liquid by the reaction of the above reaction formula (8) (electrochemical reaction in the hydrogen generating member). The reaction shown in the above reaction formula (8) can be mainly divided into the following three stages.
-Hydrogen ions are reduced to produce atomic hydrogen (active hydrogen);
H + + e → H (12)
-Atomic hydrogen (active hydrogen) forms hydrogen molecules in the liquid;
2H → H 2 (13)
・ Hydrogen molecules are generated as gas in the liquid;
H 2 → H 2 (gas) (14)

液体中で水素ガス(H)が発生する過程では、上記反応式(12)に示すとおり、原子状水素(H)が形成される。この原子状水素が水素検知部材に取り込まれる過程で、原子状水素が水素イオン及び電子に分離するため、金属触媒を用いない場合でもクロミック反応が起こると考えられる。 In the process of generating hydrogen gas (H 2 ) in the liquid, atomic hydrogen (H) is formed as shown in the reaction formula (12). In the process in which the atomic hydrogen is taken into the hydrogen detection member, the atomic hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons. Therefore, it is considered that a chromic reaction occurs even when a metal catalyst is not used.

(水素検知部材の特性の変化)
本実施形態では、水素検知部材に供給された水素イオン及び電子に応じて、水素検知部材の色及び電気伝導度のうち少なくとも一方が変化する。水素検知部材の色の変化及び電気伝導度の変化のうち少なくともいずれかを測定することにより、液体中の水素を検知する。水素検知部材の色の変化量は、水素検知部材における水素イオン及び電子の取り込み量に応じる。水素検知部材に取り込まれた水素イオン及び電子が多いほど、水素検知部材の色も大きく変化する。水素検知部材の電気伝導度の変化量は、水素検知部材における水素イオン及び電子の取り込み量に応じる。水素検知部材に取り込まれた水素イオン及び電子が多いほど、水素検知部材の電気伝導度も大きく変化する。また、本実施形態の変形例では、水素検知部材に光を照射して、水素検知部材を透過した透過光の強度を測定する。透過光の強度から、光吸収係数、透過率及び光学バンドギャップのうち少なくともいずれかの水素検知部材の物性値を算出する。水素イオン及び電子の水素検知部材への供給に応じた物性値の変化に基づいて、液体中の水素を検知する。上記物性値の変化量は、水素検知部材における水素イオン及び電子の取り込み量に応じる。水素検知部材に取り込まれた水素イオン及び電子が多いほど、水素検知部材の上記物性値も大きく変化する。以下では、水素検知部材の各特性の変化及び測定方法について説明する。
(Change in characteristics of hydrogen detection member)
In this embodiment, at least one of the color and electrical conductivity of the hydrogen detection member changes according to the hydrogen ions and electrons supplied to the hydrogen detection member. Hydrogen in the liquid is detected by measuring at least one of a change in color and a change in electrical conductivity of the hydrogen detection member. The amount of change in the color of the hydrogen detection member depends on the amount of hydrogen ions and electrons taken up by the hydrogen detection member. The more hydrogen ions and electrons taken into the hydrogen detection member, the more the color of the hydrogen detection member changes. The amount of change in the electrical conductivity of the hydrogen detection member depends on the amount of hydrogen ions and electrons taken up by the hydrogen detection member. The more hydrogen ions and electrons taken into the hydrogen detection member, the greater the electrical conductivity of the hydrogen detection member changes. Moreover, in the modification of this embodiment, light is irradiated to a hydrogen detection member, and the intensity | strength of the transmitted light which permeate | transmitted the hydrogen detection member is measured. A physical property value of at least one of the hydrogen detection member among the light absorption coefficient, the transmittance, and the optical band gap is calculated from the intensity of the transmitted light. Hydrogen in the liquid is detected based on changes in physical property values according to the supply of hydrogen ions and electrons to the hydrogen detection member. The amount of change in the physical property value depends on the amount of hydrogen ions and electrons taken in the hydrogen detection member. As the number of hydrogen ions and electrons taken into the hydrogen detection member increases, the physical property value of the hydrogen detection member also changes greatly. Below, the change of each characteristic of a hydrogen detection member and the measuring method are demonstrated.

水素検知部材の色の変化は、例えば、目視で確認してよい。酸化タングステンの場合、上記反応式(7)に示すとおり、透明又は黄土色の酸化タングステンから、濃青色のタングステンブロンズに変化する。酸化モリブデンの場合、上記反応式(9)に示すとおり、透明又は黄色の酸化モリブデンから、濃青色のモリブデンブロンズに変化する。オキシ水酸化コバルトの場合、上記反応式(10)に示すとおり、暗褐色のオキシ水酸化コバルトから、黄色がかった透明又は青緑色の水酸化コバルトに変化する。オキシ水酸化ニッケルの場合、上記反応式(11)に示すとおり、暗褐色のオキシ水酸化ニッケルから、黄色がかった透明又は緑色の水酸化ニッケルに変化する。   The change in the color of the hydrogen detection member may be confirmed visually, for example. In the case of tungsten oxide, as shown in the above reaction formula (7), it changes from transparent or ocherous tungsten oxide to deep blue tungsten bronze. In the case of molybdenum oxide, as shown in the above reaction formula (9), it changes from transparent or yellow molybdenum oxide to dark blue molybdenum bronze. In the case of cobalt oxyhydroxide, as shown in the above reaction formula (10), it changes from dark brown cobalt oxyhydroxide to yellowish transparent or blue-green cobalt hydroxide. In the case of nickel oxyhydroxide, as shown in the above reaction formula (11), it changes from dark brown nickel oxyhydroxide to yellowish transparent or green nickel hydroxide.

二次電池のように、水素生成部材及び水素検知部材が密閉構造内に配置されている場合、水素検知部材の色を目視で観察することは容易ではない。例えば、レドックスフロー電池の場合、電極部(水素生成部材)と水素検知部材とが密閉された電池容器内で電気的に接続され、電解液が透明ではないため、水素検知部材の色の変化を外部から観察できない。しかし、水素検知部材の電気伝導度の変化を測定することにより、密閉構造内で生成した水素を検知することができる。例えば、図1中の(a)及び(b)に示すように、水素検知部材18と電気計測装置22とを導電性の配線部24を介して接続し、四端子法を用いて水素検知部材の電気伝導度の変化を測定することができる。液体中において水素ガスが発生してクロミック反応が生じた場合、水素検知部材の電気伝導度が高くなる。この電気伝導度の変化を測定することにより、実質的に液体中における水素ガスの発生の有無を評価することができる。   When the hydrogen generation member and the hydrogen detection member are arranged in a sealed structure like a secondary battery, it is not easy to visually observe the color of the hydrogen detection member. For example, in the case of a redox flow battery, the electrode part (hydrogen generation member) and the hydrogen detection member are electrically connected in a sealed battery container, and the electrolyte solution is not transparent. It cannot be observed from the outside. However, by measuring the change in electrical conductivity of the hydrogen detection member, it is possible to detect hydrogen generated in the sealed structure. For example, as shown in FIGS. 1A and 1B, the hydrogen detection member 18 and the electric measurement device 22 are connected via a conductive wiring portion 24, and the hydrogen detection member is used using a four-terminal method. It is possible to measure the change in electrical conductivity. When hydrogen gas is generated in the liquid and a chromic reaction occurs, the electrical conductivity of the hydrogen detection member increases. By measuring this change in electrical conductivity, the presence or absence of hydrogen gas generation in the liquid can be evaluated.

光吸収係数、透過率、光学バンドギャップ等の水素検知部材の物性値を測定する場合は、例えば、図2又は図4に示すように、水素検知部材18が、基板28と、基板28の表面に成膜された化合物薄膜30とを備えてよく、基板28が透明であればよい。化合物薄膜30は、酸化タングステン、酸化モリブデン、オキシ水酸化コバルト及びオキシ水酸化ニッケルからなる群より選択される少なくとも一種の化合物からなる。上記物性値は、例えば、以下の方法により測定することができる。図2に示すように、光源部32を用いて、水素検知部材18に特定の波長の光L1(入射光)を照射する。分光光度計等の光学測定装置34を用いて、水素検知部材18を透過した光L2(透過光)を検出する。入射光の強度をIとし、透過光の強度をIとし、水素検知部材の厚さをxとすると、下記数式(A)に示すLambert−Beerの法則が成り立つ。
I=Iexp(−αx) (A)
When measuring the physical property values of the hydrogen detection member such as the light absorption coefficient, the transmittance, and the optical band gap, for example, as shown in FIG. 2 or 4, the hydrogen detection member 18 includes the substrate 28 and the surface of the substrate 28. And the compound thin film 30 formed thereon may be provided as long as the substrate 28 is transparent. The compound thin film 30 is made of at least one compound selected from the group consisting of tungsten oxide, molybdenum oxide, cobalt oxyhydroxide, and nickel oxyhydroxide. The physical property values can be measured, for example, by the following method. As illustrated in FIG. 2, the light detection unit 18 is used to irradiate the hydrogen detection member 18 with light L1 (incident light) having a specific wavelength. Using an optical measuring device 34 such as a spectrophotometer, the light L2 (transmitted light) transmitted through the hydrogen detecting member 18 is detected. When the intensity of incident light is I 0 , the intensity of transmitted light is I, and the thickness of the hydrogen detection member is x, Lambert-Beer's law shown in the following formula (A) is established.
I = I 0 exp (−αx) (A)

上記数式(A)において、αは光吸収係数である。αの単位は、例えば、(cm−1)である。上記数式(A)により、Iの測定値、Iの測定値、及びxの値から、αを算出することができる。水素検知部材が水素ガスによるクロミック反応で着色した場合、透過光の強度Iが減少するため、αの値は増加する。つまり、水素ガスの生成量の増加に伴い、αの値が増加する。 In the above formula (A), α is a light absorption coefficient. The unit of α is (cm −1 ), for example. Α can be calculated from the measured value of I, the measured value of I 0 , and the value of x by the above mathematical formula (A). When the hydrogen detection member is colored by a chromic reaction with hydrogen gas, the intensity I of the transmitted light decreases, so the value of α increases. That is, the value of α increases as the amount of hydrogen gas generated increases.

水素検知部材18における光の透過率τは、下記数式(B)により算出することができる。大気中で用いる水素ガスセンサーにおけるクロミック反応では、水素検出素子の高速応答性は、高濃度(100%)の水素雰囲気下において薄膜試料の透過率τが50%まで変化するのに掛かる時間と定義される場合がある。
τ=I/I (B)
The light transmittance τ in the hydrogen detection member 18 can be calculated by the following mathematical formula (B). In a chromic reaction in a hydrogen gas sensor used in the atmosphere, the high-speed response of the hydrogen detection element is defined as the time required for the transmittance τ of the thin film sample to change to 50% in a high concentration (100%) hydrogen atmosphere. May be.
τ = I / I 0 (B)

光学バンドギャップ(E)とは、光学的な特性を測定することにより求められる半導体材料のバンドギャップを意味する。水素検知部材が半導体である場合、水素検知部材の光学バンドギャップは以下の手順で求めることができる。まず、分光光度計を用いて、波長ごとに分けた光を個別に水素検知部材に照射し、水素検知部材を透過した透過光の強度を測定する。上記と同様の方法により、透過率τを算出する。照射した光の波長と透過率τとの関係をTaucプロットに変換する。Taucプロットとは、半導体の伝導帯及び価電子帯における電子の状態密度が、3次元物質ではエネルギーの平方根に比例することを利用したものである。Taucプロットは、下記数式(C)で表される。
(hνα)=A(E−hν) (C)
The optical band gap (E g ) means a band gap of a semiconductor material obtained by measuring optical characteristics. When the hydrogen detection member is a semiconductor, the optical band gap of the hydrogen detection member can be obtained by the following procedure. First, using a spectrophotometer, the hydrogen detection member is individually irradiated with light divided for each wavelength, and the intensity of transmitted light that has passed through the hydrogen detection member is measured. The transmittance τ is calculated by the same method as described above. The relationship between the wavelength of the irradiated light and the transmittance τ is converted into a Tauc plot. The Tauc plot uses the fact that the density of states of electrons in the conduction band and valence band of a semiconductor is proportional to the square root of energy in a three-dimensional material. The Tauc plot is expressed by the following mathematical formula (C).
(Hνα) n = A (E g −hν) (C)

上記数式(C)において、hはプランク定数(4.135×10−15eVs)である。νは光の振動数(s−1)である。αは光吸収係数(m−1)である。Aは吸光度である。Eは光学バンドギャップ(eV)である。左辺の指数nは、半導体の種類によって異なる。nは、半導体が直接遷移型であれば2であり、半導体が間接遷移型であれば0.5である。E=hνの関係を用いることにより、上記数式(C)は、下記数式(D)に書き換えることができる。下記数式(D)を、横軸がEであり、縦軸が(αE)である座標系のグラフで表した場合、グラフと横軸との交点が光学バンドギャップEである。
(αE)=A(E−E) (D)
In the above formula (C), h is a Planck constant (4.135 × 10 −15 eVs). ν is the light frequency (s −1 ). α is a light absorption coefficient (m −1 ). A is absorbance. E g is the optical band gap (eV). The index n on the left side varies depending on the type of semiconductor. n is 2 if the semiconductor is a direct transition type, and 0.5 if the semiconductor is an indirect transition type. By using the relationship of E = hν, the above formula (C) can be rewritten into the following formula (D). When the following mathematical formula (D) is represented by a graph of a coordinate system in which the horizontal axis is E and the vertical axis is (αE) n , the intersection of the graph and the horizontal axis is the optical band gap E g .
(ΑE) n = A (E g −E) (D)

図5は、水素の検知に用いる前の水素検知部材の外観及び光学バンドギャップを示す。図5の水素検知部材は、SiO基板と、SiO基板上に形成されたITO膜と、ITO膜上に形成されたWO薄膜とからなる。図5の水素検知部材は、図5では透明に見えないが、実際は透明である。図6は、水素の検知に用いた後の水素検知部材の外観及び光学バンドギャップを示す。図6の水素検知部材は、水素検知部材(透明な酸化タングステン)が水素イオン(H)及び電子(e)を取り込むことにより着色し、濃青色のタングステンブロンズ(HWO)に近い組成に遷移した状態である。図5の水素検知部材の光学バンドギャップEの値は、2.9eVである。図6の水素検知部材の光学バンドギャップEの値は、2.1eVであり、図5の光学バンドギャップEの値に比べて明らかに小さい。このように、WOからHWOに遷移する過程で、水素検知部材の結晶構造及び光学バンドギャップが変化したことが分かる。以上の方法で光学バンドギャップの変化を算出・検知することは、本実施形態における水素の検知方法として有効な手段といえる。 FIG. 5 shows the appearance and optical band gap of the hydrogen detection member before being used for hydrogen detection. The hydrogen detection member in FIG. 5 includes a SiO 2 substrate, an ITO film formed on the SiO 2 substrate, and a WO 3 thin film formed on the ITO film. The hydrogen detection member of FIG. 5 does not appear transparent in FIG. 5, but is actually transparent. FIG. 6 shows an appearance and an optical band gap of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen. The hydrogen detection member of FIG. 6 is colored by the hydrogen detection member (transparent tungsten oxide) taking in hydrogen ions (H + ) and electrons (e ), and is close to dark blue tungsten bronze (H x WO 3 ). It is in a state of transition to the composition. The value of the optical band gap E g of the hydrogen detection member in FIG. 5 is 2.9 eV. The value of the optical band gap E g of the hydrogen detection member in FIG. 6 is 2.1 eV, which is clearly smaller than the value of the optical band gap E g in FIG. Thus, it can be seen that the crystal structure and the optical band gap of the hydrogen detection member changed during the transition from WO 3 to H x WO 3 . It can be said that calculating and detecting the change of the optical band gap by the above method is an effective means as the hydrogen detection method in the present embodiment.

光吸収係数、透過率、光学バンドギャップ等の物性値は、測定する環境によって変化する。すなわち、液体中で直接測定する場合は、水素検知部材と光学測定装置内の光検出器との間に存在する液体の屈折率などの物性を考慮する必要がある。また、着色した水素検知部材を液体中から取り出して測定する場合でも、化合物薄膜を搭載した透明基板の光物性を適宜考慮することが好ましい。   Physical property values such as light absorption coefficient, transmittance, and optical band gap vary depending on the measurement environment. That is, when measuring directly in a liquid, it is necessary to consider physical properties such as the refractive index of the liquid existing between the hydrogen detection member and the photodetector in the optical measurement apparatus. Even when the colored hydrogen detection member is taken out from the liquid and measured, it is preferable to appropriately consider the optical properties of the transparent substrate on which the compound thin film is mounted.

上記物性値を測定することにより液体中における水素の検知を行う方法は、以下のように纏めることができる。図2に示すように、水素生成部材16と水素検知部材18とが電気的に接続するように配置される。水素検知部材18が水素イオン(H)及び電子(e)を取り込むことにより、クロミック反応を起こす。水素検知部材18の表面に入射光L1が照射される。入射光L1は、光源部32から照射される。水素検知部材18を透過した透過光L2は、光学測定装置34に入る。光学測定装置34は、透過光L2の強度を測定する。透過光L2の強度から、光吸収係数、透過率、光学バンドギャップ等の物性値を算出する。 The method for detecting hydrogen in a liquid by measuring the physical property values can be summarized as follows. As shown in FIG. 2, the hydrogen generation member 16 and the hydrogen detection member 18 are disposed so as to be electrically connected. The hydrogen detection member 18 takes in hydrogen ions (H + ) and electrons (e ), thereby causing a chromic reaction. Incident light L <b> 1 is irradiated on the surface of the hydrogen detection member 18. Incident light L <b> 1 is emitted from the light source unit 32. The transmitted light L <b> 2 that has passed through the hydrogen detection member 18 enters the optical measurement device 34. The optical measuring device 34 measures the intensity of the transmitted light L2. Physical property values such as a light absorption coefficient, transmittance, and optical band gap are calculated from the intensity of the transmitted light L2.

(水素検知デバイスの詳細)
本実施形態に係る水素検知デバイスは、本実施形態に係る水素の検知方法に用いる水素検知デバイスである。図1中の(a)に示すように、水素検知デバイス100aは、容器12と、水素生成部材16と、水素生成部材16に電気的に接続された水素検知部材18とを備える。水素検知デバイス100aは、水素検知部材18に電流又は電圧を印加する配線部24と、水素検知部材18の電気伝導度を計測する電気計測装置22とを更に備えてよい。4本の配線部24のそれぞれは、水素検知部材18の異なる箇所に接続されてよい。水素検知デバイス100aは、配線部24及び電気計測装置22を備えることにより、水素生成部材16における電気化学反応に伴う水素検知部材18の電気伝導度の変化を監視することができる。
(Details of hydrogen detection device)
The hydrogen detection device according to the present embodiment is a hydrogen detection device used in the hydrogen detection method according to the present embodiment. As shown in FIG. 1A, the hydrogen detection device 100 a includes a container 12, a hydrogen generation member 16, and a hydrogen detection member 18 that is electrically connected to the hydrogen generation member 16. The hydrogen detection device 100 a may further include a wiring unit 24 that applies a current or voltage to the hydrogen detection member 18 and an electrical measurement device 22 that measures the electrical conductivity of the hydrogen detection member 18. Each of the four wiring parts 24 may be connected to a different location of the hydrogen detection member 18. The hydrogen detection device 100 a includes the wiring unit 24 and the electric measurement device 22, thereby monitoring the change in the electrical conductivity of the hydrogen detection member 18 due to the electrochemical reaction in the hydrogen generation member 16.

図2に示すように、水素検知デバイス200は、容器12と、水素生成部材16と、水素生成部材16に電気的に接続された水素検知部材18と、水素検知部材18へ光L1を照射する光源部32と、透過光L2の強度を測定する光学測定装置34とを備える。光源部32及び光学測定装置34により、透過光L2の強度を測定される。透過光L2の強度の測定値に基づき、水素検知部材18の光吸収係数、透過率、光学バンドギャップ等の物性値を算出し、物性値の変化を監視する。水素検知デバイス200は、従来の水素ガスセンサーに代わる、高感度で応答速度が速い水素検知デバイスである。   As shown in FIG. 2, the hydrogen detection device 200 irradiates light L <b> 1 to the container 12, the hydrogen generation member 16, the hydrogen detection member 18 electrically connected to the hydrogen generation member 16, and the hydrogen detection member 18. The light source part 32 and the optical measuring device 34 which measures the intensity | strength of the transmitted light L2 are provided. The light source unit 32 and the optical measurement device 34 measure the intensity of the transmitted light L2. Based on the measured value of the intensity of the transmitted light L2, physical property values such as the light absorption coefficient, transmittance, and optical band gap of the hydrogen detection member 18 are calculated, and changes in the physical property values are monitored. The hydrogen detection device 200 is a hydrogen detection device that replaces a conventional hydrogen gas sensor and has high sensitivity and quick response speed.

図2において、水素生成部材16が、後述するように、光触媒反応及び光化学反応のうち少なくともいずれかにより、水素を含むガスを発生させる部材である場合、水素生成部材16に光が照射されると水素ガスが発生する。そのため、この場合、図2における光学特性測定用の光L1とは別に、光触媒反応又は光化学反応に必要な光を水素生成部材16に照射する。つまり、水素生成部材において光触媒反応及び光化学反応のうち少なくともいずれかを起こす場合、光源32とは別の光源から光L1とは別の光を水素生成部材へ照射する。光触媒反応又は光化学反応に必要な光の波長及び強度は、光触媒反応又は光化学反応に応じて適宜選択することができる。   In FIG. 2, when the hydrogen generating member 16 is a member that generates a gas containing hydrogen by at least one of a photocatalytic reaction and a photochemical reaction, as will be described later, when the hydrogen generating member 16 is irradiated with light. Hydrogen gas is generated. Therefore, in this case, the hydrogen generation member 16 is irradiated with light necessary for the photocatalytic reaction or the photochemical reaction separately from the light L1 for measuring optical characteristics in FIG. That is, when at least one of the photocatalytic reaction and the photochemical reaction is caused in the hydrogen generation member, the hydrogen generation member is irradiated with light different from the light L1 from a light source different from the light source 32. The wavelength and intensity of light necessary for the photocatalytic reaction or photochemical reaction can be appropriately selected according to the photocatalytic reaction or photochemical reaction.

水素検知デバイスは、光吸収係数、透過率、光学バンドギャップ等の水検知部材の物性値が規定値を超えた場合に、アラーム又は警報などを発報する装置を更に備えてよい。これにより、水素検知デバイスは、水素ガスの漏洩を通知できる。   The hydrogen detection device may further include a device that issues an alarm or a warning when a physical property value of the water detection member such as a light absorption coefficient, transmittance, or optical band gap exceeds a specified value. Thereby, the hydrogen detection device can notify leakage of hydrogen gas.

(水素検知部材の詳細)
水素検知部材は、酸化タングステン、酸化モリブデン、オキシ水酸化コバルト及びオキシ水酸化ニッケルからなる群より選択される少なくとも一種の化合物を含有する。水素検知部材は、上記化合物のみからなっていてよい。水素検知部材に含まれる化合物は、二種以上の酸化物が化合した複合酸化物であってもよい。
(Details of hydrogen detection member)
The hydrogen detection member contains at least one compound selected from the group consisting of tungsten oxide, molybdenum oxide, cobalt oxyhydroxide, and nickel oxyhydroxide. The hydrogen detection member may consist only of the above compound. The compound contained in the hydrogen detection member may be a composite oxide in which two or more kinds of oxides are combined.

水素検知部材に含まれる化合物は、多結晶、配向性結晶及び非晶質物からなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。上記化合物が、多結晶、配向性結晶及び非晶質物のうち少なくともいずれか一種を含む場合、水素イオン及び電子の取り込みに伴って水素検知部材の結晶構造が変化し易い。その結果、水素に対する水素検知部材の感度がより向上する。一方、上記化合物が、単結晶などの緻密な構造を有する場合、水素検知部材における水素イオン及び電子の取り込み量が減少し易い。その結果、水素ガス生成に対する水素検知部材の応答速度が遅くなる傾向がある。上記化合物は、水素ガス生成に対する感度及び応答速度の観点から、非晶質物であることがより好ましい。   The compound contained in the hydrogen detection member is preferably at least one selected from the group consisting of polycrystals, oriented crystals, and amorphous substances. When the compound contains at least one of polycrystal, oriented crystal, and amorphous material, the crystal structure of the hydrogen detection member is likely to change with the incorporation of hydrogen ions and electrons. As a result, the sensitivity of the hydrogen detection member with respect to hydrogen is further improved. On the other hand, when the compound has a dense structure such as a single crystal, the amount of hydrogen ions and electrons taken up by the hydrogen detection member tends to decrease. As a result, the response speed of the hydrogen detection member to hydrogen gas generation tends to be slow. The above compound is more preferably an amorphous substance from the viewpoints of sensitivity to hydrogen gas generation and response speed.

水素検知部材は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選択される少なくとも一種の金属触媒を更に含有してよい。水素検知部材が金属触媒を含むことにより、クロミック反応の他に、水素生成部材から生成した水素ガス(H)を液体中で原子状水素(H)に遷移させることができる。その結果、水素ガス生成に対する水素検知部材の感度及び応答速度をより向上することができる。金属触媒としては、水素ガス(H)吸着の選択性の観点から、白金及びパラジウムがより好ましい。 The hydrogen detection member may further contain at least one metal catalyst selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, cobalt, nickel and copper. By including a metal catalyst in the hydrogen detection member, in addition to the chromic reaction, hydrogen gas (H 2 ) generated from the hydrogen generation member can be transitioned to atomic hydrogen (H) in the liquid. As a result, the sensitivity and response speed of the hydrogen detection member with respect to hydrogen gas generation can be further improved. As the metal catalyst, platinum and palladium are more preferable from the viewpoint of the selectivity of hydrogen gas (H 2 ) adsorption.

水素検知部材の形状は、特に制限されない。水素検知部材の形状は、例えば、板、ブロック、リボン、ロッド、線、シート、メッシュ、塊、粒子及び薄膜からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。線は、例えば、丸線であってよい。薄膜とは、シート状の基材の表面に形成された膜を意味する。水素検知部材の形状は、水素ガス生成に対する水素検知部材の感度及び応答速度の観点から、板、ロッド、粒子、又は薄膜であることが好ましい。   The shape of the hydrogen detection member is not particularly limited. The shape of the hydrogen detection member may be at least one selected from the group consisting of a plate, a block, a ribbon, a rod, a wire, a sheet, a mesh, a lump, a particle, and a thin film, for example. The line may be a round line, for example. A thin film means the film | membrane formed in the surface of a sheet-like base material. The shape of the hydrogen detection member is preferably a plate, rod, particle, or thin film from the viewpoint of the sensitivity and response speed of the hydrogen detection member with respect to hydrogen gas generation.

水素検知部材の製造方法は、特に制限されない。例えば、水素検知部材が金属酸化物から構成される場合、酸化物は、所定の形状を有する金属材料を高温で加熱して金属材料を酸化させることにより、酸化物からなる水素検知部材が得られる。金属材料の酸化温度は、金属材料の種類によって異なる。例えば、酸化タングステンを形成する場合、金属タングステンを加熱する温度は、650〜900℃であってよい。酸化モリブデンを形成する場合、金属モリブデンを加熱する温度は、450〜700℃であってよい。   The method for producing the hydrogen detection member is not particularly limited. For example, when the hydrogen detection member is made of a metal oxide, the oxide can be obtained by heating a metal material having a predetermined shape at a high temperature to oxidize the metal material. . The oxidation temperature of the metal material varies depending on the type of the metal material. For example, when forming tungsten oxide, the temperature which heats metallic tungsten may be 650-900 degreeC. When forming molybdenum oxide, the temperature which heats metal molybdenum may be 450-700 degreeC.

水素検知部材が薄膜状の化合物(化合物薄膜)から構成される場合、化合物薄膜は、例えば、ゾルゲル法、蒸着法又はスパッタ法などの公知の手法により製造することができる。特に、スパッタ法により形成した化合物薄膜は、アモルファス構造を有する傾向にあり、アモルファス構造によってクロミック反応が促進される。この他、スパッタ法により成膜した金属薄膜を高温で加熱することにより、酸化物薄膜を形成してもよい。   When the hydrogen detection member is composed of a thin film compound (compound thin film), the compound thin film can be produced by a known method such as a sol-gel method, a vapor deposition method, or a sputtering method. In particular, compound thin films formed by sputtering tend to have an amorphous structure, and the chromic reaction is promoted by the amorphous structure. In addition, the oxide thin film may be formed by heating a metal thin film formed by sputtering at a high temperature.

図4に示すように、基板28の上に化合物薄膜30を形成することが好ましい。つまり、水素検知部材18は、基板28と、化合物薄膜30とを備えてよい。   As shown in FIG. 4, the compound thin film 30 is preferably formed on the substrate 28. That is, the hydrogen detection member 18 may include the substrate 28 and the compound thin film 30.

基板28の材質は、特に制限されない。基板28は、水素検知部材の機械的強度、耐熱性、耐水性などの観点から、セラミックス基板、ガラス基板等であることが好ましい。特に、水素検知部材の色を測定する場合、基板28は透明であることが好ましい。基板28が透明である場合、基板28の材質は、石英、ガラス等であってよい。また、電気伝導度の変化を測定する場合、基板28の上に化合物薄膜30を成膜する前に、基板28の上に予め導電性薄膜を成膜してもよい。つまり、水素検知部材18は、基板28と、基板28上に成膜された導電性薄膜と、導電性薄膜の上に成膜された化合物薄膜30とを備えてよい。導電性薄膜の材質は、スズドープ酸化インジウム(ITO;Indium−tin−oxide)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO;Fluorine−doped−tin−oxide)等であることが好ましい。   The material of the substrate 28 is not particularly limited. The substrate 28 is preferably a ceramic substrate, a glass substrate, or the like from the viewpoint of the mechanical strength, heat resistance, water resistance, etc. of the hydrogen detection member. In particular, when measuring the color of the hydrogen detection member, the substrate 28 is preferably transparent. When the substrate 28 is transparent, the material of the substrate 28 may be quartz, glass, or the like. When measuring the change in electrical conductivity, a conductive thin film may be formed on the substrate 28 in advance before the compound thin film 30 is formed on the substrate 28. That is, the hydrogen detection member 18 may include a substrate 28, a conductive thin film formed on the substrate 28, and a compound thin film 30 formed on the conductive thin film. The material of the conductive thin film is preferably tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), or the like.

化合物薄膜30の厚さは、特に制限されない。化合物薄膜30の厚さは、クロミック反応の効率を向上する観点から、例えば、15nm〜5μmであってよく、50nm〜1μmであることが好ましい。   The thickness of the compound thin film 30 is not particularly limited. From the viewpoint of improving the efficiency of the chromic reaction, the thickness of the compound thin film 30 may be, for example, 15 nm to 5 μm, and preferably 50 nm to 1 μm.

水素検知部材を構成する化合物に金属触媒を担持する方法は、化合物の形状及び製造方法に応じて適宜選択してよい。クロミック反応は水素検知部材の表面で起こることから、金属触媒の少なくとも一部は、上記化合物の表面に露出していることが好ましい。例えば、板状、ロッド状、粒子状、又は薄膜状等の化合物を形成した後に、スパッタ法により、金属触媒を化合物に付与してよい。また、ゾルゲル法を用いる場合、例えば、金属アルコキシド溶液に、金属触媒を含む化合物を溶解させたものを基板に塗布すると同時に、基板を加熱してもよい。   The method for supporting the metal catalyst on the compound constituting the hydrogen detection member may be appropriately selected according to the shape of the compound and the production method. Since the chromic reaction occurs on the surface of the hydrogen detection member, it is preferable that at least a part of the metal catalyst is exposed on the surface of the compound. For example, after forming a compound such as a plate, rod, particle, or thin film, a metal catalyst may be applied to the compound by sputtering. In the case of using the sol-gel method, for example, the substrate may be heated at the same time that a metal alkoxide solution in which a compound containing a metal catalyst is dissolved is applied to the substrate.

液体中において、複数の水素検知部材それぞれが、水素生成部材の異なる箇所に電気的に接続されてよく、水素生成部材において水素を含むガスが発生した箇所を監視してよい。例えば、水素生成部材の中で水素ガスの発生量に差が生じている場合には、複数の水素検知部材をそれぞれ水素生成部材の異なる箇所に配置することにより、水素ガスの発生箇所を特定・監視することができる。   In the liquid, each of the plurality of hydrogen detection members may be electrically connected to a different location of the hydrogen generation member, and the location where hydrogen-containing gas is generated in the hydrogen generation member may be monitored. For example, if there is a difference in the amount of hydrogen gas generated in the hydrogen generation member, the hydrogen gas generation location can be specified by placing multiple hydrogen detection members at different locations on the hydrogen generation member. Can be monitored.

クロミック反応により水素検知部材が着色した後、水素検知部材の加熱処理により、水素検知部材をクロミック反応が起こる前の状態に復元してよい。例えば、水素検知部材に含まれる化合物が酸化タングステン(WO)である場合、クロミック反応によって、上記反応式(7)に示すとおり、タングステンブロンズ(HWO)を形成する。水素ガスの供給を止めたり、水素ガス雰囲気を低く保ったりすることにより、下記反応式(15)に示すとおり、タングステンブロンズ内の水素イオン(H)が引き抜かれる反応が起こると考えられる。その結果、タングステンブロンズが酸化タングステンに戻る。
2HWO→2WO+xH (15)
After the hydrogen detection member is colored by the chromic reaction, the hydrogen detection member may be restored to a state before the chromic reaction occurs by heat treatment of the hydrogen detection member. For example, when the compound contained in the hydrogen detection member is tungsten oxide (WO 3 ), tungsten bronze (H x WO 3 ) is formed by the chromic reaction as shown in the above reaction formula (7). By stopping the supply of hydrogen gas or keeping the hydrogen gas atmosphere low, it is considered that a reaction occurs in which hydrogen ions (H + ) in the tungsten bronze are extracted as shown in the following reaction formula (15). As a result, tungsten bronze returns to tungsten oxide.
2H x WO 3 → 2WO 3 + xH 2 (15)

上記反応式(15)に示す反応は、タングステンブロンズを大気中で加熱することで、効率よく進む。例えば、クロミック反応後のロッド状のタングステンブロンズを、400℃程度で1分程度加熱することにより、HWOからWOへの遷移が起こる。つまり、水素検知部材の色が濃青色から黄土色に変化する。 The reaction shown in the above reaction formula (15) proceeds efficiently by heating tungsten bronze in the atmosphere. For example, when the rod-like tungsten bronze after the chromic reaction is heated at about 400 ° C. for about 1 minute, a transition from H x WO 3 to WO 3 occurs. That is, the color of the hydrogen detection member changes from dark blue to ocher.

加熱処理の条件は、水素検知部材の種類等に応じて適宜選択することができる。加熱処理の条件は、例えば、200〜700℃で2秒〜15分が好ましく、250〜600℃で5秒〜10分がより好ましく、300〜500℃で10秒〜5分が更に好ましい。   The conditions for the heat treatment can be appropriately selected according to the type of the hydrogen detection member. The heat treatment conditions are, for example, preferably 200 to 700 ° C. for 2 seconds to 15 minutes, more preferably 250 to 600 ° C. for 5 seconds to 10 minutes, and further preferably 300 to 500 ° C. for 10 seconds to 5 minutes.

上記加熱処理の代わりに、大気中において水素検知部材を常温で静置することによっても、クロミック反応前の状態に復元させることができる。この場合、大気中において、水素検知部材に含まれる化合物から水素が抜ける。静置する時間は、例えば、50時間以上であってよく、72時間以上であることが好ましい。   The state before the chromic reaction can also be restored by allowing the hydrogen detection member to stand at room temperature in the atmosphere instead of the heat treatment. In this case, hydrogen escapes from the compound contained in the hydrogen detection member in the atmosphere. The standing time may be, for example, 50 hours or more, and preferably 72 hours or more.

(水素生成部材の詳細)
水素生成部材は、光触媒反応及び光化学反応のうち少なくともいずれかにより、水素を含むガスを発生させる部材であってよい。水素生成部材は、電気化学反応を伴う電池の電極材であってもよい。図1中の(a)及び(b)に示すように、水素生成部材16は、液体14中に浸漬された状態で、水素を含むガス20を生成する。
(Details of hydrogen generating members)
The hydrogen generation member may be a member that generates a gas containing hydrogen by at least one of a photocatalytic reaction and a photochemical reaction. The hydrogen generating member may be a battery electrode material that involves an electrochemical reaction. As shown in FIGS. 1A and 1B, the hydrogen generation member 16 generates a gas 20 containing hydrogen while being immersed in the liquid 14.

光触媒反応とは、例えば、二酸化チタン(TiO)などの金属酸化物半導体が光のエネルギーを吸収した際に生じる光起電力を用いて、水を電気分解する反応である。具体的には、水中に白金電極と二酸化チタン電極とを配置し、該二酸化チタン電極に紫外線を照射すると、水が、水素ガスと酸素ガスとに分解される。 The photocatalytic reaction is a reaction in which water is electrolyzed using a photovoltaic power generated when a metal oxide semiconductor such as titanium dioxide (TiO 2 ) absorbs light energy. Specifically, when a platinum electrode and a titanium dioxide electrode are disposed in water and the titanium dioxide electrode is irradiated with ultraviolet rays, the water is decomposed into hydrogen gas and oxygen gas.

光触媒反応により水素ガスを発生させる水素生成部材は、TiO、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化銅(CuO又はCuO)、酸化タンタル(Ta)、酸化スズ(Sn)、硫化亜鉛(ZnS)、硫化カドミウム(CdS)、バナジン酸ビスマス(BiVO)、チタン酸カルシウム(CaTiO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、チタン酸ランタン(LaTiO、LaTi、又はLaTi)、チタン酸ナトリウム(NaTi13)、チタン酸バリウム(BaTiO又はBaTi)、チタン酸ガドリニウム(GdTi)、チタン酸イットリウム(YTi)、ニオブ酸カリウム(KNb12)、ニオブ酸ルビジウム(RbNb)、ニオブ酸カルシウム(CaNb)、ニオブ酸ストロンチウム(SrNb)、ニオブ酸バリウム(BaNb15)、ニオブ酸亜鉛(ZnNb)、ニオブ酸スズ(SnNb)、タンタル酸リチウム(LiTaO)、タンタル酸ナトリウム(NaTaO)、タンタル酸カリウム(KTaO又はKTa)、タンタル酸銀(AgTaO)、タンタル酸ニッケル(NiTa)、タンタル酸ルビジウム(RbTa17)、タンタル酸カルシウム(CaTa)、タンタル酸ストロンチウム(SrTa又はSrTa15)、タンタル酸バリウム(BaTa15)、タンタル酸ランタン(LaTaO又はLaTaO)、タングステン酸鉛(PbWO)、酸窒化タンタル(TaON)、タンタル−バリウムオキシナイトライド(BaTaON)、タンタル−カルシウムオキシナイトライド(CaTaON)、及び窒化タンタル(Ta)からなる群より選ばれる少なくとも一種を含んでよい。また、上記材料に、貴金属、ニッケルなどを含有した触媒を付与したものを用いてもよい。 Hydrogen generating members that generate hydrogen gas by photocatalytic reaction are TiO 2 , zinc oxide (ZnO), zirconium oxide (ZrO 2 ), copper oxide (CuO or Cu 2 O), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), tin oxide. (Sn 3 O 4 ), zinc sulfide (ZnS), cadmium sulfide (CdS), bismuth vanadate (BiVO 4 ), calcium titanate (CaTiO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), lanthanum titanate (La 2 TiO 2 ) 5 , La 2 Ti 3 O 9 , or La 2 Ti 2 O 7 ), sodium titanate (Na 2 Ti 6 O 13 ), barium titanate (BaTiO 4 or BaTi 4 O 9 ), gadolinium titanate (Gd 2 Ti 2 O 7 ), yttrium titanate (Y 2 Ti 2 O 7 ), potassium niobate (K 4 N) b 6 O 12), niobate rubidium (Rb 4 Nb 2 O 7) , calcium niobate (Ca 2 Nb 2 O 7) , niobate, strontium (Sr 2 Nb 2 O 7) , barium niobate (Ba 5 Nb 4 O 15 ), zinc niobate (ZnNb 2 O 6 ), tin niobate (SnNb 2 O 6 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), sodium tantalate (NaTaO 3 ), potassium tantalate (KTaO 3 or K 2 Ta 2 O 6 ), silver tantalate (AgTaO 3 ), nickel tantalate (NiTa 2 O 6 ), rubidium tantalate (Rb 4 Ta 6 O 17 ), calcium tantalate (Ca 2 Ta 2 O 7 ), strontium tantalate (Sr 2 Ta 2 O 7 or Sr 5 Ta 4 O 15), barium tantalate (Ba Ta 4 O 15), tantalum lanthanum (LaTaO 4 or La 3 TaO 7), lead tungstate (PbWO 4), tantalum nitride (TaON), tantalum - barium oxynitride (BaTaO 2 N), tantalum - calcium oxy At least one selected from the group consisting of nitride (CaTaO 2 N) and tantalum nitride (Ta 3 N 5 ) may be included. Moreover, you may use what gave the catalyst containing a noble metal, nickel, etc. to the said material.

光化学反応では、金属材料を含む水素生成部材に光を照射して、水素を含むガスを水素生成部材から発生させてよい。光化学反応により、水素を含むガスを発生する機構は、例えば、水中結晶光合成(SPSC:Submerged Photosynthesis of Crystallites)法である。SPSC法を用いた水素ガスの製造方法は、水中に浸された水素生成部材(金属材料)の表面に光を照射することにより、水素を含むガスを生成させる光照射工程を有する。以下では、SPSC法による水素ガスの生成メカニズムについて説明する。なお、SPSC法による水素ガスの生成メカニズムは、以下の機構に限定されない。   In the photochemical reaction, a hydrogen generation member containing a metal material may be irradiated with light to generate a gas containing hydrogen from the hydrogen generation member. A mechanism for generating a gas containing hydrogen by a photochemical reaction is, for example, an underwater crystal photosynthesis (SPSC) method. The method for producing hydrogen gas using the SPSC method includes a light irradiation step of generating a gas containing hydrogen by irradiating light on the surface of a hydrogen generation member (metal material) immersed in water. Below, the production | generation mechanism of the hydrogen gas by SPSC method is demonstrated. Note that the generation mechanism of hydrogen gas by the SPSC method is not limited to the following mechanism.

まず、金属Mを含む金属材料を水中に浸した場合は、金属Mが腐食する反応が進行する。すなわち、水中では金属Mがイオン化し、下記反応式(16)に示すとおり、金属Mのイオン(Mn+)を生じる。一般的に、金属の腐食反応は、金属が金属イオンとなって溶解するアノード反応と、水中の酸化剤が還元されるカソード反応とが組み合わさった反応である。下記反応式(16)に示す反応は、アノード反応である。下記反応式(17)に示す反応、及び下記反応式(18)に示す反応は、いずれもカソード反応である。下記反応式(17)に示す反応は、水が酸性である場合に起こる。下記反応式(18)に示す反応は、水が中性又はアルカリ性である場合、又は、水中に溶存酸素が含まれる場合に起こる。ここで、金属の標準電極電位が正である場合、一般的には、下記反応式(16)に示すアノード反応は起きないと考えられる。ただし、水中の水素イオン(H)の濃度又は溶存酸素の濃度によっては、金属がイオン化し、下記反応式(19)に示すとおり、Mn+を生じる。下記反応式(16)式に示す反応、又は下記反応式(19)に示す反応によって水中に溶け出したMn+は、例えば溶存酸素を含む水中では、下記反応式(18)に示す反応により生じた水酸化物イオン(OH)と反応する。その結果、下記反応式(20)に示すとおり、水酸化物(M(OH))を生じる。その後、水酸化物から水分子が離脱することで、下記反応式(21)に示すとおり、酸化物(MO)を生じる。
M→Mn++ne (16)
2H+2e→H (17)
+2HO+4e→4OH (18)
2M+O+2nH→2Mn++2HO (19)
n++nOH→M(OH) (20)
M(OH)→MO+(n−x)HO (21)
First, when a metal material containing metal M is immersed in water, a reaction in which metal M corrodes proceeds. That is, the metal M is ionized in water, and the metal M ion (M n + ) is generated as shown in the following reaction formula (16). In general, a metal corrosion reaction is a combination of an anode reaction in which a metal is dissolved as a metal ion and a cathode reaction in which an oxidizing agent in water is reduced. The reaction shown in the following reaction formula (16) is an anodic reaction. The reaction shown in the following reaction formula (17) and the reaction shown in the following reaction formula (18) are both cathode reactions. The reaction shown in the following reaction formula (17) occurs when water is acidic. The reaction shown in the following reaction formula (18) occurs when water is neutral or alkaline, or when dissolved oxygen is contained in water. Here, when the standard electrode potential of the metal is positive, it is generally considered that the anode reaction shown in the following reaction formula (16) does not occur. However, depending on the concentration of hydrogen ions (H + ) in water or the concentration of dissolved oxygen, the metal is ionized to generate M n + as shown in the following reaction formula (19). M n + dissolved in water by the reaction shown in the following reaction formula (16) or the reaction shown in the following reaction formula (19) is generated by the reaction shown in the following reaction formula (18) in water containing dissolved oxygen, for example. Reacts with hydroxide ions (OH ). As a result, a hydroxide (M (OH) n ) is produced as shown in the following reaction formula (20). Thereafter, water molecules are detached from the hydroxide, thereby generating an oxide (MO x ) as shown in the following reaction formula (21).
M → M n + + ne (16)
2H + + 2e → H 2 (17)
O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH (18)
2M + O 2 + 2nH + → 2M n + + 2H 2 O (19)
M n + + nOH → M (OH) n (20)
M (OH) n → MO x + (nx) H 2 O (21)

上述した一般的な金属の腐食反応では、生成する水酸化物及び酸化物は被膜状になる。一方、SPSC法を用いた水素ガスの製造方法では、光照射工程において、水酸化物から、酸化物を含むナノ結晶が金属材料の表面に成長すると共に、副生成物として、水分子のみならず水素ガス(H)が電気化学反応を伴って生成する。 In the general metal corrosion reaction described above, the generated hydroxide and oxide form a film. On the other hand, in the method for producing hydrogen gas using the SPSC method, nanocrystals containing oxides grow from the hydroxides on the surface of the metal material in the light irradiation step, and not only water molecules as by-products. Hydrogen gas (H 2 ) is generated with an electrochemical reaction.

SPSC法に用いる金属材料は、特に制限されない。金属材料は、水素ガス(H)の生成の促進、及びナノ結晶の生産性の観点から、鉄、銅、亜鉛、錫及びチタンからなる群より選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。金属材料は、合金を含んでいてもよい。 The metal material used for the SPSC method is not particularly limited. The metal material preferably contains at least one selected from the group consisting of iron, copper, zinc, tin and titanium from the viewpoint of promoting the generation of hydrogen gas (H 2 ) and the productivity of nanocrystals. The metal material may contain an alloy.

金属材料の純度は、特に制限されない。金属材料の純度は、水素ガス(H)の生成の促進、及びナノ結晶の生産性の観点から、10.0〜100.0質量%であることが好ましく、15.0〜100.0質量%であることがより好ましく、20.0〜100.0質量%であることが更に好ましい。金属材料の純度が高いほど、水素ガス(H)が発生し易く、酸化物又は水酸化物が生成され易いと共に、酸化物又は水酸化物の組成が制御され易い。 The purity of the metal material is not particularly limited. The purity of the metal material is preferably 10.0 to 100.0% by mass from the viewpoint of promoting the generation of hydrogen gas (H 2 ) and the productivity of nanocrystals, and 15.0 to 100.0% by mass. % Is more preferable, and 20.0 to 100.0 mass% is still more preferable. As the purity of the metal material is higher, hydrogen gas (H 2 ) is more likely to be generated, oxides or hydroxides are more likely to be generated, and the composition of the oxides or hydroxides is more easily controlled.

金属材料に合金を用いる場合、合金の組成は、目的とする酸化物を構成する金属元素を含んでいる限り、特に制限されない。合金は、例えば、鉄合金であってよい。   When an alloy is used for the metal material, the composition of the alloy is not particularly limited as long as it contains a metal element constituting the target oxide. The alloy may be an iron alloy, for example.

鉄合金としては、例えば、Fe−C系合金、Fe−Au系合金、Fe−Al系合金、Fe−B系合金、Fe−Ce系合金、Fe−Cr系合金、Fe−Cr−Ni系合金、Fe−Cr−Mo系合金、Fe−Cr−Al系合金、Fe−Cr−Cu系合金、Fe−Cr−Ti系合金、Fe−Cr−Ni−Mn系合金、Fe−Cu系合金、Fe−Ga系合金、Fe−Ge系合金、Fe−Mg系合金、Fe−Mn系合金、Fe−Mo系合金、Fe−N系合金、Fe−Nb系合金、Fe−Ni系合金、Fe−P系合金、Fe−S系合金、Fe−Si系合金、Fe−Si−Ag系合金、Fe−Si−Mg系合金、Fe−Ti系合金、Fe−U系合金、Fe−V系合金、Fe−W系合金、Fe−Zn系合金等が挙げられる。   Examples of iron alloys include Fe-C alloys, Fe-Au alloys, Fe-Al alloys, Fe-B alloys, Fe-Ce alloys, Fe-Cr alloys, Fe-Cr-Ni alloys. Fe-Cr-Mo alloy, Fe-Cr-Al alloy, Fe-Cr-Cu alloy, Fe-Cr-Ti alloy, Fe-Cr-Ni-Mn alloy, Fe-Cu alloy, Fe -Ga alloy, Fe-Ge alloy, Fe-Mg alloy, Fe-Mn alloy, Fe-Mo alloy, Fe-N alloy, Fe-Nb alloy, Fe-Ni alloy, Fe-P Alloy, Fe-S alloy, Fe-Si alloy, Fe-Si-Ag alloy, Fe-Si-Mg alloy, Fe-Ti alloy, Fe-U alloy, Fe-V alloy, Fe -W system alloy, Fe-Zn system alloy, etc. are mentioned.

金属材料は、不可避的に混入する他の原子を更に含んでいてもよい。不可避的に混入する他の原子の含有率は、例えば、金属材料の全質量を基準として、3質量%以下であってよい。金属材料に含まれる上記原子の含有率は、ナノ結晶の生産性の観点から、1質量%以下であることが好ましい。   The metal material may further contain other atoms that are inevitably mixed. The content of other atoms inevitably mixed may be, for example, 3% by mass or less based on the total mass of the metal material. It is preferable that the content rate of the said atom contained in a metal material is 1 mass% or less from a viewpoint of productivity of a nanocrystal.

金属材料の形状は、特に制限されない。金属材料の形状としては、例えば、板、ブロック、リボン、丸線、シート、メッシュ、又はこれらを組み合わせた形状等が挙げられる。金属材料の形状は、水素ガス(H)及びナノ結晶の回収性、水中への浸漬の作業性の観点から、板、ブロック、又はシートであることが好ましい。 The shape of the metal material is not particularly limited. Examples of the shape of the metal material include a plate, a block, a ribbon, a round wire, a sheet, a mesh, or a combination of these. The shape of the metal material is preferably a plate, a block, or a sheet from the viewpoint of recoverability of hydrogen gas (H 2 ) and nanocrystals and workability of immersion in water.

光照射工程で用いる光の分光放射分布(スペクトル)において、分光放射照度(強度)が最大である光の波長は、185nm以上8000nm未満であることが好ましい。光の分光放射照度(強度)の単位は、例えば、W・m−2・nm−1であってよい。光照射工程で用いる光のスペクトルにおいて、強度が最大である波長は、水素ガス(H)の純度及び熱による金属材料の損傷防止の観点から、380〜600nmであることが好ましく、400〜580nmであることがより好ましい。 In the spectral radiation distribution (spectrum) of the light used in the light irradiation step, the wavelength of light having the maximum spectral irradiance (intensity) is preferably 185 nm or more and less than 8000 nm. The unit of the spectral irradiance (intensity) of light may be, for example, W · m −2 · nm −1 . In the spectrum of light used in the light irradiation step, the wavelength having the maximum intensity is preferably 380 to 600 nm, and preferably 400 to 580 nm, from the viewpoint of hydrogen gas (H 2 ) purity and prevention of damage to the metal material due to heat. It is more preferable that

金属材料に照射する光の光源は、上記光を照射できるものであればよく、特に制限されない。光源は、例えば、太陽、LED、キセノンランプ、水銀ランプ、蛍光灯等であってよい。金属材料に照射する光は、例えば、太陽光又は擬似太陽光であってよい。太陽光は、地球上に無尽蔵に降り注ぎ、温暖化ガスなどを排出しない再生可能エネルギーとしての利用が可能である観点から、好適に用いることができる。擬似太陽光とは、太陽を光源としない光であって、光のスペクトルが太陽光のスペクトルに合致している光のことを意味する。擬似太陽光は、例えば、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ又はキセノンランプを用いたソーラーシミュレーターにより発することができる。擬似太陽光は、一般的に、紫外線に対する材料の強度の評価、太陽電池の評価又は耐候性評価を目的として用いられる。本実施形態においても、擬似太陽光を好適に用いることができる。   The light source for irradiating the metal material is not particularly limited as long as it can irradiate the light. The light source may be, for example, the sun, an LED, a xenon lamp, a mercury lamp, a fluorescent lamp, or the like. The light applied to the metal material may be, for example, sunlight or pseudo-sunlight. Sunlight can be suitably used from the viewpoint that it can be used as a renewable energy that flows infinitely on the earth and does not emit greenhouse gases. Pseudo-sunlight means light that does not use the sun as a light source and whose light spectrum matches the spectrum of sunlight. The simulated sunlight can be emitted by a solar simulator using a metal halide lamp, a halogen lamp, or a xenon lamp, for example. Pseudo sunlight is generally used for the purpose of evaluating the strength of a material against ultraviolet rays, evaluating solar cells, or evaluating weather resistance. Also in this embodiment, simulated sunlight can be used suitably.

本実施形態において、SPSC法による光化学反応を用いる場合は、光照射工程の前に、金属材料の表面を粗化する表面粗化工程を更に備えてよい。つまり、光照射工程では、粗化された金属材料の表面に光を照射してよい。表面粗化工程を施すことで、金属材料の表面に凹凸が形成され、水素ガスの生成が促進され易く、ナノ結晶の成長速度が向上し易い。金属材料の表面に凹凸が形成されると、ナノ結晶の先端部での電子密度が高くなる傾向がある。これにより、水素ガス(H)の形成及びナノ結晶の形成が促進される、と推測される。 In this embodiment, when using the photochemical reaction by SPSC method, you may further provide the surface roughening process which roughens the surface of a metal material before a light irradiation process. That is, in the light irradiation step, the surface of the roughened metal material may be irradiated with light. By performing the surface roughening step, irregularities are formed on the surface of the metal material, the generation of hydrogen gas is easily promoted, and the growth rate of the nanocrystal is easily improved. When irregularities are formed on the surface of the metal material, the electron density at the tip of the nanocrystal tends to increase. Thereby, it is estimated that formation of hydrogen gas (H 2 ) and formation of nanocrystals are promoted.

表面粗化工程により形成される金属材料の表面の凹凸の大きさは、特に制限されない。
上記光化学反応を促進して、水素ガス(H)の生成を促進し、ナノ結晶の成長を促進する観点から、凸部の底辺の大きさの平均値は10nm以上500nm以下であることが好ましく、かつ、隣り合う凸部同士の間隔の平均値は2nm以上200nm以下であることが好ましい。凸部の底辺の大きさの平均値は15nm以上300nm以下であることがより好ましく、かつ、隣り合う凸部同士の間隔の平均値は5nm以上150nm以下であることがより好ましい。凸部の底辺の大きさの平均値は20nm以上100nm以下であることが更に好ましく、かつ、隣り合う凸部同士の間隔の平均値は10nm以上100nm以下であることが更に好ましい。凸部の底辺の大きさとは、凸部の高さ方向に垂直な方向における凸部の最大幅を意味する。
The size of the irregularities on the surface of the metal material formed by the surface roughening process is not particularly limited.
From the viewpoint of promoting the photochemical reaction, promoting the generation of hydrogen gas (H 2 ), and promoting the growth of nanocrystals, the average value of the size of the bottoms of the protrusions is preferably 10 nm or more and 500 nm or less. And it is preferable that the average value of the space | interval of adjacent convex parts is 2 nm or more and 200 nm or less. The average value of the sizes of the bases of the protrusions is more preferably 15 nm or more and 300 nm or less, and the average value of the interval between adjacent protrusions is more preferably 5 nm or more and 150 nm or less. The average value of the sizes of the bottoms of the protrusions is more preferably 20 nm or more and 100 nm or less, and the average value of the interval between adjacent protrusions is more preferably 10 nm or more and 100 nm or less. The size of the base of the convex portion means the maximum width of the convex portion in a direction perpendicular to the height direction of the convex portion.

表面粗化工程は、例えば、金属材料の表面の機械加工、化学処理又は液中放電処理(discharge treatment in a liquid)により行われてよい。液中放電処理とは、導電性を有する液体中で放電する処理のことを意味する。機械加工としては、例えば、研磨紙、バフ、又は砥石を用いた研削加工、ブラスト加工、及び、紙やすり等を用いた加工等が挙げられる。化学処理としては、例えば、酸又はアルカリによるエッチング等が挙げられる。液中放電処理としては、例えば、国際公開第2008/099618号に記載されているように、導電性を有する液体中に配置された陽極及び陰極からなる対電極に電圧を印加して、陰極近傍にプラズマを発生させ、陰極を局所的に融解させることにより行ってよい。液中放電処理では、陰極に金属材料を用いることで、金属材料の表面に凸凹を形成することができる。   The surface roughening step may be performed, for example, by machining, chemical treatment, or discharge treatment in a liquid of the surface of the metal material. The submerged discharge process means a process of discharging in a conductive liquid. Examples of the mechanical processing include grinding using a polishing paper, buff, or grindstone, blasting, processing using a sandpaper, and the like. Examples of the chemical treatment include etching with acid or alkali. As the in-liquid discharge treatment, for example, as described in International Publication No. 2008/099618, a voltage is applied to a counter electrode composed of an anode and a cathode disposed in a conductive liquid, and the vicinity of the cathode This may be done by generating a plasma and locally melting the cathode. In the submerged discharge treatment, by using a metal material for the cathode, irregularities can be formed on the surface of the metal material.

液中放電処理は、例えば、以下の装置を用いて行ってよい。液中放電処理を行う装置は、導電性を有する液体を収容するセルと、セル内に配置された互いに非接触の電極対と、電極対に電圧を印加する直流電源とを備える。電極対は、陰極及び陽極である。陰極には、金属材料を用いる。陽極の材料は、通電していない状態で、導電性を有する液体中で安定であればよく、特に制限されない。陽極の材料は、例えば、白金等であってよい。陽極の表面積は、陰極の表面積よりも大きくてよい。導電性を有する液体は、例えば、炭酸カリウム(KCO)水溶液等であってよい。 The submerged discharge treatment may be performed using, for example, the following apparatus. An apparatus that performs an in-liquid discharge process includes a cell that contains a conductive liquid, a non-contact electrode pair disposed in the cell, and a DC power source that applies a voltage to the electrode pair. The electrode pair is a cathode and an anode. A metal material is used for the cathode. The material of the anode is not particularly limited as long as it is stable in a conductive liquid without being energized. The material of the anode may be platinum or the like, for example. The surface area of the anode may be greater than the surface area of the cathode. The liquid having conductivity may be, for example, an aqueous potassium carbonate (K 2 CO 3 ) solution.

表面粗化工程後の金属材料の表面は、外部に露出していてもよく、自然酸化膜で覆われていてもよい。   The surface of the metal material after the surface roughening step may be exposed to the outside or may be covered with a natural oxide film.

金属材料が浸される水は、純水、イオン交換水、雨水、水道水、河川水、井戸水、ろ過水、蒸留水、逆浸透水、泉水、湧水、ダム水及び海水からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。水としては、水素ガス(H)の生成の促進、ナノ結晶の組成制御及び生産性の観点から、純水、イオン交換水、及び水道水が好ましい。ただし、自然由来の水として、河川水、井戸水、ダム水、海水等も好適に用いることができる。 The water in which the metal material is immersed is selected from the group consisting of pure water, ion exchange water, rain water, tap water, river water, well water, filtered water, distilled water, reverse osmosis water, spring water, spring water, dam water, and seawater. May be at least one kind. As water, pure water, ion-exchanged water, and tap water are preferable from the viewpoint of promoting the generation of hydrogen gas (H 2 ), controlling the composition of nanocrystals, and productivity. However, river water, well water, dam water, seawater, etc. can be used suitably as naturally derived water.

水素生成部材は、電気化学反応を伴う電池の電極材であってよい。電池は、鉛蓄電池、ニッケル−亜鉛電池、及びレドックスフロー電池のうちいずれか一種の二次電池であってよい。   The hydrogen generation member may be a battery electrode material that involves an electrochemical reaction. The battery may be a secondary battery of any one of a lead storage battery, a nickel-zinc battery, and a redox flow battery.

上記二次電池では、運用条件によっては、本来の充放電反応とは別に、水素ガス(H)が発生する反応が進行する可能性がある。制御弁を設けた鉛蓄電池を除いては、水素ガスセンサーなどにより、意図しない水素ガス(H)の発生を検知しなければならないことがある。本実施形態では、液体中に発生した水素ガス(H)を検知できるため、従来の水素ガスセンサーを用いた方法に比べて、水素ガス(H)を高感度に検知することができる。また、電池の一部が密閉構造であり、充放電反応が起こる電池内の電極を外から目視できない場合は、水素検知部材の電気抵抗の変化を利用して水素ガス濃度を監視することができる。そして、電池内における水素ガス(H)の発生箇所を特定し、電極材料及び電池運用条件の適正化のためのフィードバックを得ることができる。 In the secondary battery, depending on operating conditions, a reaction that generates hydrogen gas (H 2 ) may proceed separately from the original charge / discharge reaction. Except for lead-acid batteries provided with a control valve, it may be necessary to detect unintentional generation of hydrogen gas (H 2 ) with a hydrogen gas sensor or the like. In this embodiment, since hydrogen gas (H 2 ) generated in the liquid can be detected, it is possible to detect hydrogen gas (H 2 ) with higher sensitivity than a method using a conventional hydrogen gas sensor. In addition, when a part of the battery has a sealed structure and the electrode in the battery where the charge / discharge reaction occurs cannot be visually observed from the outside, the hydrogen gas concentration can be monitored using the change in the electric resistance of the hydrogen detection member. . Then, it is possible to determine where of hydrogen gas (H 2) in the battery, obtain feedback for optimization of the electrode material and the cell operating conditions.

二次電池の種類に応じて、水素検知部材に含まれる化合物を適宜選択することができる。例えば、ニッケル−亜鉛電池は、強アルカリ水溶液(水酸化カリウム水溶液)を用いる。鉛蓄電池及びレドックスフロー電池は、酸性又は中性の電解液を用いる。一方、酸化タングステン(WO)、酸化モリブデン(MoO)等の酸化物は、アルカリ水溶液に溶解し易く、酸に対して耐性を持つ傾向がある。したがって、酸化タングステン(WO)、酸化モリブデン(MoO)等の酸化物は、鉛蓄電池又はレドックスフロー電池の水素検知部材に適している。一方、オキシ水酸化ニッケル(NiOOH)は、アルカリ水溶液中で安定して存在できるため、ニッケル−亜鉛電池の水素検知部材に適している。 The compound contained in the hydrogen detection member can be appropriately selected according to the type of secondary battery. For example, a nickel-zinc battery uses a strong alkaline aqueous solution (potassium hydroxide aqueous solution). Lead acid batteries and redox flow batteries use acidic or neutral electrolytes. On the other hand, oxides such as tungsten oxide (WO 3 ) and molybdenum oxide (MoO 3 ) are easily dissolved in an alkaline aqueous solution and tend to have resistance to acids. Accordingly, oxides such as tungsten oxide (WO 3 ) and molybdenum oxide (MoO 3 ) are suitable for hydrogen detection members of lead-acid batteries or redox flow batteries. On the other hand, nickel oxyhydroxide (NiOOH) can be stably present in an alkaline aqueous solution and is therefore suitable for a hydrogen detection member of a nickel-zinc battery.

以下では、レドックスフロー電池において水素ガス(H)の生成を検知する方法について説明する。図7は、本実施形態に係るレドックスフロー電池の模式図である。レドックスフロー電池300は、正極セル40aと、負極セル40bと、正極電解液貯留部52aと、負極電解液貯留部52bと、を備える。正極セル40aの上部と、正極電解液貯留部52aの上部とは、配管56を介して接続されている。正極セル40aの下部と、正極電解液貯留部52aの下部とは、配管56を介して接続されている。負極セル40bの上部と、負極電解液貯留部52bの上部とは、配管56を介して接続されている。負極セル40bの下部と、負極電解液貯留部52bの下部とは、配管56を介して接続されている。 The following describes how to detect the generation of hydrogen gas (H 2) in a redox flow battery. FIG. 7 is a schematic diagram of a redox flow battery according to the present embodiment. The redox flow battery 300 includes a positive electrode cell 40a, a negative electrode cell 40b, a positive electrode electrolyte storage part 52a, and a negative electrode electrolyte storage part 52b. The upper part of the positive electrode cell 40 a and the upper part of the positive electrode electrolyte storage part 52 a are connected via a pipe 56. The lower part of the positive electrode cell 40 a and the lower part of the positive electrode electrolyte storage part 52 a are connected via a pipe 56. The upper part of the negative electrode cell 40 b and the upper part of the negative electrode electrolyte storage part 52 b are connected via a pipe 56. The lower part of the negative electrode cell 40 b and the lower part of the negative electrode electrolyte storage part 52 b are connected via a pipe 56.

正極セル40a内には、正極電極42aと、双極板46と、集電板48とが配置されている。正極電極42aの表面に双極板46が配置されている。双極板46の表面に集電板48が配置されている。負極セル40b内には、負極電極42bと、双極板46と、集電板48とが配置されている。負極電極42bの表面に双極板46が配置されている。双極板46の表面に集電板48が配置されている。正極電極42aと負極電極42bとは隔膜44によって隔てられている。   A positive electrode 42a, a bipolar plate 46, and a current collector plate 48 are disposed in the positive electrode cell 40a. A bipolar plate 46 is disposed on the surface of the positive electrode 42a. A current collecting plate 48 is disposed on the surface of the bipolar plate 46. A negative electrode 42b, a bipolar plate 46, and a current collector plate 48 are disposed in the negative electrode cell 40b. A bipolar plate 46 is disposed on the surface of the negative electrode 42b. A current collecting plate 48 is disposed on the surface of the bipolar plate 46. The positive electrode 42 a and the negative electrode 42 b are separated by a diaphragm 44.

正極電解液貯留部52a内には、正極活物質を含有する正極電解液50aが貯蔵されている。正極電解液50aは、配管56及び送液ポンプ54を介して、正極セル40aと正極電解液貯留部52aとの間を循環し、正極セル40a内の正極電極42a内へ供給され続ける。負極電解液貯留部52b内には、負極活物質を含有する負極電解液50bが貯蔵されている。負極電解液50bは、配管56及び送液ポンプ54を介して、負極セル40bと負極電解液貯留部52bとの間を循環し、負極セル40b内の負極電極42b内へ供給され続ける。電源58及び外部負荷60によって、充放電が制御される。   A positive electrode electrolyte solution 50a containing a positive electrode active material is stored in the positive electrode electrolyte reservoir 52a. The positive electrode electrolyte 50a circulates between the positive electrode cell 40a and the positive electrode electrolyte reservoir 52a via the pipe 56 and the liquid feed pump 54, and continues to be supplied into the positive electrode 42a in the positive electrode cell 40a. A negative electrode electrolyte solution 50b containing a negative electrode active material is stored in the negative electrode electrolyte storage part 52b. The negative electrode electrolyte 50b circulates between the negative electrode cell 40b and the negative electrode electrolyte reservoir 52b via the pipe 56 and the liquid feed pump 54, and continues to be supplied into the negative electrode 42b in the negative electrode cell 40b. Charging / discharging is controlled by the power supply 58 and the external load 60.

水素検知部材18aは、例えば、図7において点線で囲まれた範囲において配置され、正極電極42aと電気的に接続されている。水素検知部材18aと正極電極42aは直接接触してよい。水素検知部材18aは、充電終期における正極電極48aによる水素ガスの生成を検知する。水素検知部材18bは、例えば、図7において点線で囲まれた範囲において配置され、負極電極42bと電気的に接続されている。水素検知部材18bと負極電極42bは直接接触してよい。水素検知部材18bは、充電終期における負極電極42bによる水素ガスの生成を検知する。レドックスフロー電池の電解液の圧力損失の増加を抑制するために、水素検知部材の形状及び寸法などを適宜調節してよい。   The hydrogen detection member 18a is disposed, for example, in a range surrounded by a dotted line in FIG. 7, and is electrically connected to the positive electrode 42a. The hydrogen detection member 18a and the positive electrode 42a may be in direct contact. The hydrogen detection member 18a detects the generation of hydrogen gas by the positive electrode 48a at the end of charging. The hydrogen detection member 18b is disposed, for example, in a range surrounded by a dotted line in FIG. 7, and is electrically connected to the negative electrode 42b. The hydrogen detection member 18b and the negative electrode 42b may be in direct contact. The hydrogen detection member 18b detects the generation of hydrogen gas by the negative electrode 42b at the end of charging. In order to suppress an increase in pressure loss of the electrolyte solution of the redox flow battery, the shape and size of the hydrogen detection member may be adjusted as appropriate.

レドックスフロー電池の電極42a,42bは、アルミニウム、銅、亜鉛等の金属、又は、炭素(グラファイト)等であってよい。電極42a,42bの形状は、板、メッシュ等であってよい。   The electrodes 42a and 42b of the redox flow battery may be a metal such as aluminum, copper, or zinc, or carbon (graphite). The shape of the electrodes 42a and 42b may be a plate, a mesh, or the like.

電極42a,42bは、正極活物質又は負極活物質との電子の授受としての反応場すなわち電極面積を増やすために、炭素繊維を含有することが好ましい。   The electrodes 42a and 42b preferably contain carbon fibers in order to increase a reaction field, ie, an electrode area, as an electron transfer with the positive electrode active material or the negative electrode active material.

取り扱い、加工性、製造性及び表面積の観点から、電極42a,42bは、炭素繊維からなる多孔質体であることが好ましい。炭素繊維からなる多孔質体は、カーボンフェルト、カーボンクロス、カーボンペーパー等であってよい。中でも、充放電中の反応活性及び表面積の観点から、炭素繊維からなる多孔質体は、カーボンフェルトであることが好ましい。   From the viewpoints of handling, processability, manufacturability, and surface area, the electrodes 42a and 42b are preferably porous bodies made of carbon fibers. The porous body made of carbon fiber may be carbon felt, carbon cloth, carbon paper or the like. Especially, it is preferable that the porous body which consists of carbon fiber is a carbon felt from a viewpoint of the reaction activity and surface area during charging / discharging.

炭素繊維の原料繊維は、炭化可能なものであってよい。炭素繊維の原料繊維は、セルロース系繊維、アクリル系繊維、レーヨン系繊維、フェノール系繊維、芳香族ポリアミド系繊維、ピッチ系繊維、ポリアクリロニトリル系繊維等であってよい。   The raw fiber of carbon fiber may be carbonizable. The carbon fiber raw fiber may be a cellulose fiber, an acrylic fiber, a rayon fiber, a phenol fiber, an aromatic polyamide fiber, a pitch fiber, a polyacrylonitrile fiber, or the like.

隔膜44は、レドックスフロー電池の使用条件に耐えうる膜である限り特に制限されない。隔膜44は、イオンを伝導可能なイオン伝導性高分子膜、イオン伝導性固体電解質膜、ポリオレフィン多孔質膜、セルロース多孔質膜等であってよい。イオン伝導性高分子膜としては、例えば、カチオン交換膜及びアニオン交換膜が挙げられる。イオン伝導性高分子膜としては、Selemion APS(登録商標)(AGC社製)、Nafion(登録商標)(DuPont社製)、ネオセプタ(登録商標)(アストム社製)等が挙げられる。   The diaphragm 44 is not particularly limited as long as it can withstand the use conditions of the redox flow battery. The diaphragm 44 may be an ion conductive polymer film capable of conducting ions, an ion conductive solid electrolyte film, a polyolefin porous film, a cellulose porous film, or the like. Examples of the ion conductive polymer membrane include a cation exchange membrane and an anion exchange membrane. Examples of the ion conductive polymer membrane include Selemion APS (registered trademark) (manufactured by AGC), Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont), Neoceptor (registered trademark) (manufactured by Astom).

正極活物質及び負極活物質のそれぞれは、価数が変化するイオンを含んでいることが好ましく、公知のものを用いることができる。正極活物質及び負極活物質のそれぞれは、例えば、下記反応式(22)を満たす酸化体/還元体を含むことができる。以下では、酸化体/還元体を酸化還元対ともいう。なお、下記反応式(22)において、n≧xである。
n++xe⇔A(n−x)+ (22)
Each of the positive electrode active material and the negative electrode active material preferably contains ions whose valence changes, and known materials can be used. Each of the positive electrode active material and the negative electrode active material can contain, for example, an oxidant / reducer that satisfies the following reaction formula (22). Hereinafter, the oxidant / reductant is also referred to as a redox pair. In the following reaction formula (22), n ≧ x.
A n + + xe ⇔A (n−x) + (22)

酸化還元対としては、Fe2+/Fe3+、Cr2+/Cr3+、Ga2+/Ga3+、Ti2+/Ti3+、Co2+/Co3+、Cu/Cu2+、V2+/V3+、V4+/V5+、Ce3+/Ce4+、Cl/Cl3−、Br/Br3−、I/I 、S 2−/S 2−、Zn2+/Zn、Pb2+/Pb、Fe2+/Fe、Cr2+/Cr、Ga2+/Ga、Ti2+/Ti、Mn2+/Mn、Mg2+/Mg、Mg/Mg、Ag/Ag、Cd2+/Cd、Co2+/Co、Cu2+/Cu、Cu/Cu、Hg2+/Hg等が挙げられる。 As redox pairs, Fe 2+ / Fe 3+ , Cr 2+ / Cr 3+ , Ga 2+ / Ga 3+ , Ti 2+ / Ti 3+ , Co 2+ / Co 3+ , Cu + / Cu 2+ , V 2+ / V 3+ , V 4+ / V 5+ , Ce 3+ / Ce 4+ , Cl / Cl 3− , Br / Br 3− , I / I 3 , S 2 2− / S 4 2− , Zn 2+ / Zn, Pb 2+ / Pb , Fe 2+ / Fe, Cr 2+ / Cr, Ga 2+ / Ga, Ti 2+ / Ti, Mn 2+ / Mn, Mg 2+ / Mg, Mg + / Mg, Ag + / Ag, Cd 2+ / Cd, Co 2+ / Co Cu 2+ / Cu, Cu + / Cu, Hg 2+ / Hg and the like.

正極電解液50a及び負極電解液50bのそれぞれは、分散媒を更に含有してもよい。分散媒は、正極活物質及び負極活物質を分散又は溶解するための溶剤である限り、特に制限されない。   Each of the positive electrode electrolyte solution 50a and the negative electrode electrolyte solution 50b may further contain a dispersion medium. The dispersion medium is not particularly limited as long as it is a solvent for dispersing or dissolving the positive electrode active material and the negative electrode active material.

溶剤としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチル−n−プロピルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチル−n−ブチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−n−ペンチルケトン、メチル−n−ヘキシルケトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトン、トリメチルノナノン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、メチルシクロヘキサノン、2,4−ペンタンジオン、アセトニルアセトン等のケトン系溶剤;ジエチルエーテル、メチルエチルエーテル、メチル−n−プロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、ジメチルジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−プロピルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールメチルエチルエーテル、トリエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、トリエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、トリエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラジエチレングリコールメチルエチルエーテル、テトラエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、テトラエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジ−n−プロピルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールジエチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエチルエーテル、トリプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、トリプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、トリプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラプロピレングリコールジメチルエーテル、テトラプロピレングリコールジエチルエーテル、テトラジプロピレングリコールメチルエチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル等のエーテル系溶剤;プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸sec−ブチル、酢酸n−ペンチル、酢酸sec−ペンチル、酢酸3−メトキシブチル、酢酸メチルペンチル、酢酸2−エチルブチル、酢酸2−エチルヘキシル、酢酸2−(2−ブトキシエトキシ)エチル、酢酸ベンジル、酢酸シクロヘキシル、酢酸メチルシクロヘキシル、酢酸ノニル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、酢酸ジエチレングリコールメチルエーテル、酢酸ジエチレングリコールモノエチルエーテル、酢酸ジプロピレングリコールメチルエーテル、酢酸ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジ酢酸グリコール、酢酸メトキシトリグリコール、プロピオン酸エチル、プロピオン酸n−ブチル、プロピオン酸イソアミル、シュウ酸ジエチル、シュウ酸ジ−n−ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸n−ブチル、乳酸n−アミル、エチレングリコールメチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールエチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールメチルエーテルアセテート、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールプロピルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等のエステル系溶剤;アセトニトリル、N−メチルピロリジノン、N−エチルピロリジノン、N−プロピルピロリジノン、N−ブチルピロリジノン、N−ヘキシルピロリジノン、N−シクロヘキシルピロリジノン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶剤;メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、sec−ブタノール、t−ブタノール、n−ペンタノール、イソペンタノール、2−メチルブタノール、sec−ペンタノール、t−ペンタノール、3−メトキシブタノール、n−ヘキサノール、2−メチルペンタノール、sec−ヘキサノール、2−エチルブタノール、sec−ヘプタノール、n−オクタノール、2−エチルヘキサノール、sec−オクタノール、n−ノニルアルコール、n−デカノール、sec−ウンデシルアルコール、トリメチルノニルアルコール、sec−テトラデシルアルコール、sec−ヘプタデシルアルコール、フェノール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、ベンジルアルコール、エチレングリコール、1,2−プロピレングリコール、1,3−ブチレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール、トリプロピレングリコール等のアルコール系溶剤;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールモノ−n−ヘキシルエーテル、エトキシトリグリコール、テトラエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコールモノエーテル系溶剤;α−テルピネン、α−テルピネオール、ミルセン、アロオシメン、リモネン、ジペンテン、α−ピネン、β−ピネン、ターピネオール、カルボン、オシメン、フェランドレン等のテルペン系溶剤;水などが挙げられる。溶剤は、一種を単独で用いても、二種以上を併用してもよい。溶剤は、電解液の粘度の観点から、水であることが好ましい。   Examples of the solvent include acetone, methyl ethyl ketone, methyl n-propyl ketone, methyl isopropyl ketone, methyl n-butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl n-pentyl ketone, methyl n-hexyl ketone, diethyl ketone, and dipropyl. Ketone solvents such as ketone, diisobutyl ketone, trimethylnonanone, cyclohexanone, cyclopentanone, methylcyclohexanone, 2,4-pentanedione, acetonylacetone; diethyl ether, methyl ethyl ether, methyl-n-propyl ether, diisopropyl ether , Tetrahydrofuran, methyltetrahydrofuran, dioxane, dimethyldioxane, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol Di-n-propyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, diethylene glycol methyl n-propyl ether, diethylene glycol methyl n-butyl ether, diethylene glycol di-n-propyl ether, diethylene glycol di- n-butyl ether, diethylene glycol methyl-n-hexyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol methyl ethyl ether, triethylene glycol methyl-n-butyl ether, triethylene glycol di-n-butyl ether, triethylene Glycol meth -N-hexyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol diethyl ether, tetradiethylene glycol methyl ethyl ether, tetraethylene glycol methyl-n-butyl ether, diethylene glycol di-n-butyl ether, tetraethylene glycol methyl-n-hexyl ether, tetra Ethylene glycol di-n-butyl ether, propylene glycol dimethyl ether, propylene glycol diethyl ether, propylene glycol di-n-propyl ether, propylene glycol dibutyl ether, dipropylene glycol dimethyl ether, dipropylene glycol diethyl ether, dipropylene glycol methyl ethyl ether, di Propylene glycol methyl -N-butyl ether, dipropylene glycol di-n-propyl ether, dipropylene glycol di-n-butyl ether, dipropylene glycol methyl-n-hexyl ether, tripropylene glycol dimethyl ether, tripropylene glycol diethyl ether, tripropylene glycol methyl ethyl Ether, tripropylene glycol methyl-n-butyl ether, tripropylene glycol di-n-butyl ether, tripropylene glycol methyl-n-hexyl ether, tetrapropylene glycol dimethyl ether, tetrapropylene glycol diethyl ether, tetradipropylene glycol methyl ethyl ether, tetra Propylene glycol methyl-n-butyl ether, dipropylene glycol Ether solvents such as -n-butyl ether, tetrapropylene glycol methyl-n-hexyl ether, tetrapropylene glycol di-n-butyl ether; carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, methyl acetate, ethyl acetate, n acetate -Propyl, isopropyl acetate, n-butyl acetate, isobutyl acetate, sec-butyl acetate, n-pentyl acetate, sec-pentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methylpentyl acetate, 2-ethylbutyl acetate, 2-ethylhexyl acetate, acetic acid 2- (2-butoxyethoxy) ethyl, benzyl acetate, cyclohexyl acetate, methyl cyclohexyl acetate, nonyl acetate, methyl acetoacetate, ethyl acetoacetate, diethylene glycol methyl ether acetate, vinegar Diethylene glycol monoethyl ether, acetic acid dipropylene glycol methyl ether, acetic acid dipropylene glycol ethyl ether, diacetic acid glycol, acetic acid methoxytriglycol, ethyl propionate, n-butyl propionate, isoamyl propionate, diethyl oxalate, di-oxalate n-butyl, methyl lactate, ethyl lactate, n-butyl lactate, n-amyl lactate, ethylene glycol methyl ether propionate, ethylene glycol ethyl ether propionate, ethylene glycol methyl ether acetate, ethylene glycol ethyl ether acetate, propylene glycol Methyl ether acetate, propylene glycol ethyl ether acetate, propylene glycol propyl ether acetate, γ-butyl Ester solvents such as rolactone and γ-valerolactone; acetonitrile, N-methylpyrrolidinone, N-ethylpyrrolidinone, N-propylpyrrolidinone, N-butylpyrrolidinone, N-hexylpyrrolidinone, N-cyclohexylpyrrolidinone, N, N-dimethylformamide , N, N-dimethylacetamide, dimethylsulfoxide and the like aprotic polar solvents; methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol, sec-butanol, t-butanol, n-pentanol, isopen Tanol, 2-methylbutanol, sec-pentanol, t-pentanol, 3-methoxybutanol, n-hexanol, 2-methylpentanol, sec-hexanol, 2-ethylbutanol, s ec-heptanol, n-octanol, 2-ethylhexanol, sec-octanol, n-nonyl alcohol, n-decanol, sec-undecyl alcohol, trimethylnonyl alcohol, sec-tetradecyl alcohol, sec-heptadecyl alcohol, phenol, Alcohol solvents such as cyclohexanol, methylcyclohexanol, benzyl alcohol, ethylene glycol, 1,2-propylene glycol, 1,3-butylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, triethylene glycol, tripropylene glycol; ethylene glycol monomethyl ether , Ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monophenyl ether, diethylene glycol monomethyl ether Diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol mono-n-butyl ether, diethylene glycol mono-n-hexyl ether, ethoxytriglycol, tetraethylene glycol mono-n-butyl ether, propylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol mono Glycol monoether solvents such as ethyl ether and tripropylene glycol monomethyl ether; α-terpinene, α-terpineol, myrcene, allocymene, limonene, dipentene, α-pinene, β-pinene, terpineol, carvone, osimene, ferlandylene, etc. Terpene solvent; water and the like. A solvent may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together. The solvent is preferably water from the viewpoint of the viscosity of the electrolytic solution.

正極電解液50a及び負極電解液50bのそれぞれは、支持電解質塩を更に含有してもよい。電解液50a,50bが支持電解質塩を含有することにより、電解液50a,50b中のイオン伝導率を高めることができ、レドックスフロー電池システムの内部抵抗を小さくできる傾向にある。   Each of the positive electrode electrolyte solution 50a and the negative electrode electrolyte solution 50b may further contain a supporting electrolyte salt. When the electrolytic solutions 50a and 50b contain the supporting electrolyte salt, the ionic conductivity in the electrolytic solutions 50a and 50b can be increased, and the internal resistance of the redox flow battery system tends to be reduced.

(水素生成部材と水素検知部材との電気的な接続方法)
水素生成部材と水素検知部材との電気的な接続方法は、特に制限されない。例えば、図1中の(a)に示すように、水素生成部材16と水素検知部材18とが直接接触してよい。水素生成部材16と水素検知部材18とが溶接されてよい。図1中の(b)に示すように、水素生成部材16と水素検知部材18とが導電材料26を介して電気的に接続されてよい。水素生成部材16と水素検知部材18との電気的な接続とは、水を介した電気的接続を意味しない。
(Electrical connection method between hydrogen generating member and hydrogen detecting member)
The electrical connection method between the hydrogen generation member and the hydrogen detection member is not particularly limited. For example, as shown to (a) in FIG. 1, the hydrogen production | generation member 16 and the hydrogen detection member 18 may contact directly. The hydrogen generation member 16 and the hydrogen detection member 18 may be welded. As shown in (b) of FIG. 1, the hydrogen generation member 16 and the hydrogen detection member 18 may be electrically connected via a conductive material 26. The electrical connection between the hydrogen generation member 16 and the hydrogen detection member 18 does not mean an electrical connection through water.

水素生成部材と水素検知部材とを接続する導電材料は、銅、銀、金、白金、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉄、錫、鉛及びろう材からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。導電材料は、銅、銀、金、白金、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉄、錫、又は鉛を含む配線材料であってよい。   The conductive material connecting the hydrogen generation member and the hydrogen detection member may be at least one selected from the group consisting of copper, silver, gold, platinum, aluminum, chromium, nickel, iron, tin, lead, and brazing material. . The conductive material may be a wiring material containing copper, silver, gold, platinum, aluminum, chromium, nickel, iron, tin, or lead.

ろう材を用いた接続は、電気伝導性を必要とする場合に有効である。水素生成部材及び水素検知部材のうち少なくともいずれか一方が薄く、水素生成部材と水素検知部材とを溶接することが難しい場合、ろう材を用いた接続が特に有効である。ろう材としては、公知の組成のものを好適に用いることができる。ろう材は、半田であってよい。ろう材は、銀ろう(Ag−Cu−An系合金)、黄銅ろう(Cu−Zn系合金)、リン銅ろう(Cu−P系合金)、アルミろう(Al−Si系合金)等であってよい。   Connection using brazing material is effective when electrical conductivity is required. When at least one of the hydrogen generation member and the hydrogen detection member is thin and it is difficult to weld the hydrogen generation member and the hydrogen detection member, connection using a brazing material is particularly effective. As the brazing material, those having a known composition can be suitably used. The brazing material may be solder. The brazing material is silver brazing (Ag—Cu—An alloy), brass brazing (Cu—Zn alloy), phosphor copper brazing (Cu—P alloy), aluminum brazing (Al—Si alloy), etc. Good.

半田は、Sn−Pb系半田、Sn−Pb−Ag系半田、Sn−Ag−Cu系半田等であってよい。環境に対する影響を考慮すると、半田は、実質的に鉛を含まないSn−Ag−Cu系半田が好ましい。半田を用いて電気的な接続を行う際、半田を融点以上の温度に加熱してよい。具体的には、半田がSn−Pb系半田である場合、半田を230〜300℃の温度範囲に加熱して、半田を溶融してよい。   The solder may be Sn—Pb solder, Sn—Pb—Ag solder, Sn—Ag—Cu solder, or the like. Considering the influence on the environment, the solder is preferably Sn—Ag—Cu based solder which does not substantially contain lead. When electrical connection is made using solder, the solder may be heated to a temperature higher than the melting point. Specifically, when the solder is Sn—Pb solder, the solder may be heated to a temperature range of 230 to 300 ° C. to melt the solder.

以下、本発明の内容を実施例及び比較例を用いてより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, although the content of the present invention is explained in detail using an example and a comparative example, the present invention is not limited to the following examples.

<実施例1>
(水素検知部材)
純度が99.5%であるタングステン粉末をゴム型に充填し、100MPaで等方加圧成形により成形して、成形体を得た。成形体を水素の気流中にて1300℃で20分間加熱して、成形体の予備焼結を行った。次いで、通電しながら3000℃で成形体を加熱することにより、成形体を焼結して、タングステン焼結体を得た。次いで、鍛造加工及び線引き加工により、タングステン焼結体を加工し、ロッド状のタングステンを得た。ロッド状のタングステンの寸法は、直径2.0mm、長さ35.0mmであった。次いで、デンケン・ハイデンタル社製マッフル炉(KDF F−70)を用いて、ロッド状のタングステンを大気中雰囲気にて800℃で2時間アニールし、酸化タングステンを得た。酸化タングステンの寸法は、上記のロッド状のタングステンの寸法と同じであった。酸化タングステンの色は、黄土色であった。以上の方法により、ロッド状の酸化タングステンからなる水素検知部材を製造した。
<Example 1>
(Hydrogen detection member)
Tungsten powder having a purity of 99.5% was filled in a rubber mold and molded by isotropic pressure molding at 100 MPa to obtain a molded body. The compact was heated at 1300 ° C. for 20 minutes in a hydrogen stream to pre-sinter the compact. Next, the compact was heated at 3000 ° C. while energizing to sinter the compact, thereby obtaining a tungsten sintered compact. Next, the tungsten sintered body was processed by forging and drawing to obtain rod-shaped tungsten. The rod-shaped tungsten had a diameter of 2.0 mm and a length of 35.0 mm. Next, using a muffle furnace (KDF F-70) manufactured by Denken Hydental Co., Ltd., rod-shaped tungsten was annealed at 800 ° C. for 2 hours in the atmosphere to obtain tungsten oxide. The dimensions of tungsten oxide were the same as those of the rod-shaped tungsten described above. The color of tungsten oxide was ocher. By the above method, a hydrogen detection member made of rod-shaped tungsten oxide was manufactured.

(水素の検知)
ガラス製の容器に、塩化水素の濃度が1mol/Lである塩酸水溶液を入れた。塩酸水溶液に水素検知部材と水素生成部材とを浸漬した。塩酸水溶液中において、水素検知部材と水素生成部材とが直接接触していた。水素生成部材は亜鉛板であった。亜鉛板の純度は99.5質量%であった。亜鉛板の表面の寸法は20mm×5mmであり、亜鉛板の厚さは0.5mmであった。水素検知部材及び水素生成部材を塩酸水溶液に浸漬した直後から、下記反応式(23)に示す電気化学反応及び下記反応式(24)に示す電気化学反応を伴って、水素生成部材の表面から水素ガスが発生した。水素ガスが発生してから30秒後に、水素検知部材を容器から取り出した。
2H+2e→H (23)
Zn→Zn2++2e (24)
(Hydrogen detection)
A hydrochloric acid aqueous solution having a hydrogen chloride concentration of 1 mol / L was placed in a glass container. The hydrogen detection member and the hydrogen generation member were immersed in an aqueous hydrochloric acid solution. In the hydrochloric acid aqueous solution, the hydrogen detection member and the hydrogen generation member were in direct contact. The hydrogen generating member was a zinc plate. The purity of the zinc plate was 99.5% by mass. The surface dimension of the zinc plate was 20 mm × 5 mm, and the thickness of the zinc plate was 0.5 mm. Immediately after the hydrogen detection member and the hydrogen generation member are immersed in an aqueous hydrochloric acid solution, hydrogen is generated from the surface of the hydrogen generation member with the electrochemical reaction shown in the following reaction formula (23) and the electrochemical reaction shown in the following reaction formula (24). Gas was generated. 30 seconds after the generation of hydrogen gas, the hydrogen detection member was taken out of the container.
2H + + 2e → H 2 (23)
Zn → Zn 2+ + 2e (24)

[色]
水素の検知に用いた後の水素検知部材の色を目視により確認した。その結果、水素検知部材の色は、濃青色に変化していた。
[color]
The color of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was confirmed visually. As a result, the color of the hydrogen detection member was changed to dark blue.

<実施例2>
(水素検知部材)
石英ガラス基板と、石英ガラス基板の片面に形成された導電性薄膜とを備える積層体を準備した。導電性薄膜は、スパッタリング法により成膜されたスズドープ酸化インジウム(ITO)の膜であった。導電性薄膜の厚さは100nmであった。石英ガラス基板の寸法は15mm×15mmであった。積層体が備える導電性薄膜の上に、タングステン薄膜を成膜した。タングステン薄膜の厚さは300nmであった。タングステン薄膜は、スパッタリング法により、高周波電圧500W、真空度1Paの条件下において、15分間で成膜した。次いで、タングステン薄膜を備える積層体を800℃で1時間アニールし、積層体上に酸化タングステン薄膜を形成した。酸化タングステン薄膜の色は、透明であった。以上の方法により、石英ガラス基板と、導電性薄膜と、酸化タングステン薄膜とを備える水素検知部材を製造した。水素の検知に用いる前の水素検知部材の全体の色は、透明であった。
<Example 2>
(Hydrogen detection member)
A laminate including a quartz glass substrate and a conductive thin film formed on one side of the quartz glass substrate was prepared. The conductive thin film was a tin-doped indium oxide (ITO) film formed by sputtering. The thickness of the conductive thin film was 100 nm. The size of the quartz glass substrate was 15 mm × 15 mm. A tungsten thin film was formed on the conductive thin film included in the laminate. The thickness of the tungsten thin film was 300 nm. The tungsten thin film was formed by sputtering for 15 minutes under the conditions of a high frequency voltage of 500 W and a degree of vacuum of 1 Pa. Next, the laminated body including the tungsten thin film was annealed at 800 ° C. for 1 hour to form a tungsten oxide thin film on the laminated body. The color of the tungsten oxide thin film was transparent. By the above method, a hydrogen detection member including a quartz glass substrate, a conductive thin film, and a tungsten oxide thin film was manufactured. The entire color of the hydrogen detection member before being used for hydrogen detection was transparent.

(水素の検知)
ガラス製の容器に、塩化水素の濃度が1mol/Lである塩酸水溶液を入れた。塩酸水溶液に水素検知部材と水素生成部材とを浸漬した。塩酸水溶液中において、水素検知部材が備える酸化タングステン薄膜と、水素生成部材とが直接接触していた。水素生成部材は亜鉛板であった。亜鉛板の純度は99.5質量%であった。亜鉛板の表面の寸法は20mm×5mmであり、亜鉛板の厚さは0.5mmであった。水素検知部材及び水素生成部材を塩酸水溶液に浸漬した直後から、上記反応式(23)に示す電気化学反応及び上記反応式(24)に示す電気化学反応を伴って、水素生成部材の表面から水素ガスが発生した。水素ガスが発生してから30秒後に、水素検知部材を容器から取り出した。
(Hydrogen detection)
A hydrochloric acid aqueous solution having a hydrogen chloride concentration of 1 mol / L was placed in a glass container. The hydrogen detection member and the hydrogen generation member were immersed in an aqueous hydrochloric acid solution. In the hydrochloric acid aqueous solution, the tungsten oxide thin film included in the hydrogen detection member and the hydrogen generation member were in direct contact. The hydrogen generating member was a zinc plate. The purity of the zinc plate was 99.5% by mass. The surface dimension of the zinc plate was 20 mm × 5 mm, and the thickness of the zinc plate was 0.5 mm. Immediately after immersing the hydrogen detecting member and the hydrogen generating member in an aqueous hydrochloric acid solution, hydrogen is generated from the surface of the hydrogen generating member with the electrochemical reaction shown in the reaction formula (23) and the electrochemical reaction shown in the reaction formula (24). Gas was generated. 30 seconds after the generation of hydrogen gas, the hydrogen detection member was taken out of the container.

[色]
水素の検知に用いた後の水素検知部材の色を目視により確認した。その結果、水素検知部材の色は、濃青色に変化していた。
[color]
The color of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was confirmed visually. As a result, the color of the hydrogen detection member was changed to dark blue.

[電気伝導度]
電気伝導率計を用いて、四端子法により、水素の検知に用いる前の水素検知部材の電気伝導度を測定した。電気伝導度の測定では、水素検知部材が備える酸化タングステン薄膜の表面の4箇所と、電気伝導率計とを接続した。電気伝導率計としては、菊水電子工業社製のワイドレンジ直流電源(PWR1600H)を用いた。水素の検知に用いる前の水素検知部材の電気伝導度は、2.0×10−5S/cmであった。
[Electric conductivity]
Using an electric conductivity meter, the electric conductivity of the hydrogen detection member before being used for hydrogen detection was measured by a four-terminal method. In the measurement of electrical conductivity, four locations on the surface of the tungsten oxide thin film included in the hydrogen detection member were connected to an electrical conductivity meter. As the electric conductivity meter, a wide range DC power supply (PWR1600H) manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd. was used. The electric conductivity of the hydrogen detection member before being used for detection of hydrogen was 2.0 × 10 −5 S / cm.

上記と同様の方法により、水素の検知に用いた後の水素検知部材の電気伝導度を測定した。その結果、水素の検知に用いた後の水素検知部材の電気伝導度は、4.5×10−4S/cmであった。 By the same method as described above, the electric conductivity of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was measured. As a result, the electric conductivity of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was 4.5 × 10 −4 S / cm.

[光学バンドギャップ]
分光光度計を用いて、水素の検知に用いる前の水素検知部材に光を照射し、水素検知部材を透過した透過光の強度を測定した。分光光度計としては、JASCO社製のV−630 Spectrophotometerを用いた。上述した方法により、透過光の強度から光学バンドギャップを算出した。水素の検知に用いる前の水素検知部材の光学バンドギャップは、3.0eVであった。
[Optical band gap]
Using a spectrophotometer, light was irradiated to the hydrogen detection member before being used for hydrogen detection, and the intensity of the transmitted light that passed through the hydrogen detection member was measured. As a spectrophotometer, V-630 Spectrophotometer manufactured by JASCO was used. The optical band gap was calculated from the intensity of transmitted light by the method described above. The optical band gap of the hydrogen detection member before being used for hydrogen detection was 3.0 eV.

上記と同様の方法により、水素の検知に用いた後の水素検知部材の光学バンドギャップを算出した。その結果、水素の検知に用いる前の水素検知部材の光学バンドギャップは、2.5eVであった。   The optical band gap of the hydrogen detection member after being used for hydrogen detection was calculated by the same method as described above. As a result, the optical band gap of the hydrogen detection member before being used for hydrogen detection was 2.5 eV.

<実施例3>
(水素検知部材)
実施例3では、実施例1と同様の水素検知部材を準備した。
<Example 3>
(Hydrogen detection member)
In Example 3, the same hydrogen detection member as in Example 1 was prepared.

(水素の検知)
ガラス製の容器に純水を入れた。純水に水素検知部材と水素生成部材とを浸漬した。純水中において、水素検知部材が備える酸化タングステン薄膜と、水素生成部材とが直接接触していた。水素生成部材は鉄板であった。予め液中放電処理により、鉄板の表面を粗化した。鉄板の純度は99.0質量%であった。鉄板の表面の寸法は50mm×10mmであり、鉄板の厚さは0.5mmであった。次いで、UVランプを用いて、鉄板の表面に光を24時間連続して照射した。UVランプとしては、浜松ホトニクス社製のLightning Cure LC8型ランプを用いた。光の波長は332nmであった。光を照射してから約1時間後に、下記反応式(25)に示す電気化学反応及び下記反応式(26)に示す電気化学反応を伴って、水素生成部材の表面から水素ガスが発生していた。この水素ガスの発生はSPSC法によるものであると、本発明者らは考える。光を照射してから24時間後に、水素検知部材を容器から取り出した。
2H+2e→H (25)
Fe→Fe2++2e (26)
(Hydrogen detection)
Pure water was put into a glass container. The hydrogen detection member and the hydrogen generation member were immersed in pure water. In pure water, the tungsten oxide thin film included in the hydrogen detection member and the hydrogen generation member were in direct contact. The hydrogen generating member was an iron plate. The surface of the iron plate was roughened in advance by submerged discharge treatment. The purity of the iron plate was 99.0% by mass. The dimension of the surface of the iron plate was 50 mm × 10 mm, and the thickness of the iron plate was 0.5 mm. Next, using a UV lamp, the surface of the iron plate was irradiated with light continuously for 24 hours. As the UV lamp, a Lighting Cure LC8 type lamp manufactured by Hamamatsu Photonics was used. The wavelength of light was 332 nm. About 1 hour after irradiation with light, hydrogen gas was generated from the surface of the hydrogen generating member with the electrochemical reaction shown in the following reaction formula (25) and the electrochemical reaction shown in the following reaction formula (26). It was. The present inventors consider that the generation of this hydrogen gas is due to the SPSC method. 24 hours after irradiation with light, the hydrogen detection member was taken out of the container.
2H + + 2e → H 2 (25)
Fe → Fe 2+ + 2e (26)

[色]
水素の検知に用いた後の水素検知部材の色を目視により確認した。その結果、水素検知部材の色は、濃青色に変化していた。
[color]
The color of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was confirmed visually. As a result, the color of the hydrogen detection member was changed to dark blue.

<実施例4>
(水素検知部材)
石英ガラス基板と、石英ガラス基板の片面に形成された導電性薄膜とを備える積層体を準備した。導電性薄膜は、スパッタリング法により成膜されたスズドープ酸化インジウム(ITO)膜であった。導電性薄膜の厚さは100nmであった。石英ガラス基板の寸法は50mm×50mmであった。積層体が備える導電性薄膜の上に、モリブデン薄膜を成膜した。モリブデン薄膜の厚さは300nmであった。モリブデン薄膜は、スパッタリング法により、高周波電圧500W、真空度1Paの条件下において、15分間で成膜した。次いで、モリブデン薄膜を備える積層体を650℃で2時間アニールし、積層体上に酸化モリブデン薄膜を形成した。酸化モリブデン薄膜の色は、透明であった。以上の方法により、石英ガラス基板と、導電性薄膜と、酸化モリブデン薄膜とを備える水素検知部材を製造した。水素の検知に用いる前の水素検知部材の全体の色は、透明であった。
<Example 4>
(Hydrogen detection member)
A laminate including a quartz glass substrate and a conductive thin film formed on one side of the quartz glass substrate was prepared. The conductive thin film was a tin-doped indium oxide (ITO) film formed by a sputtering method. The thickness of the conductive thin film was 100 nm. The size of the quartz glass substrate was 50 mm × 50 mm. A molybdenum thin film was formed on the conductive thin film included in the laminate. The thickness of the molybdenum thin film was 300 nm. The molybdenum thin film was formed by sputtering for 15 minutes under the conditions of a high frequency voltage of 500 W and a degree of vacuum of 1 Pa. Next, the laminate including the molybdenum thin film was annealed at 650 ° C. for 2 hours to form a molybdenum oxide thin film on the laminate. The color of the molybdenum oxide thin film was transparent. By the above method, a hydrogen detection member including a quartz glass substrate, a conductive thin film, and a molybdenum oxide thin film was manufactured. The entire color of the hydrogen detection member before being used for hydrogen detection was transparent.

(水素の検知)
実施例4では、実施例3の水素検知部材の代わりに、実施例4の水素検知部材を用いた。実施例4では、純水中において、水素検知部材が備える酸化モリブデン薄膜と、水素生成部材とが直接接触していた。以上の点を除いては、実施例3と同様の方法により、水素の検知を行った。実施例4では、光を照射してから約1時間後に、上記反応式(25)に示す電気化学反応及び上記反応式(26)に示す電気化学反応を伴って、水素生成部材の表面から水素ガスが発生していた。この水素ガスの発生はSPSC法によるものであると、本発明者らは考える。光を照射してから24時間後に、水素検知部材を容器から取り出した。
(Detection of hydrogen)
In Example 4, the hydrogen detection member of Example 4 was used instead of the hydrogen detection member of Example 3. In Example 4, the molybdenum oxide thin film included in the hydrogen detection member and the hydrogen generation member were in direct contact with each other in pure water. Except for the above points, hydrogen was detected by the same method as in Example 3. In Example 4, about one hour after irradiation with light, hydrogen was generated from the surface of the hydrogen generating member with the electrochemical reaction shown in the reaction formula (25) and the electrochemical reaction shown in the reaction formula (26). Gas was generated. The present inventors consider that the generation of this hydrogen gas is due to the SPSC method. 24 hours after irradiation with light, the hydrogen detection member was taken out of the container.

[色]
水素の検知に用いた後の水素検知部材の色を目視により確認した。その結果、水素検知部材の色は、濃青色に変化していた。
[color]
The color of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was confirmed visually. As a result, the color of the hydrogen detection member was changed to dark blue.

[光学バンドギャップ]
実施例2と同様の方法により、水素の検知に用いる前の水素検知部材の光学バンドギャップを算出した。水素の検知に用いる前の水素検知部材の光学バンドギャップは、2.9eVであった。
[Optical band gap]
In the same manner as in Example 2, the optical band gap of the hydrogen detection member before being used for hydrogen detection was calculated. The optical band gap of the hydrogen detection member before being used for hydrogen detection was 2.9 eV.

実施例2と同様の方法により、水素の検知に用いた後の水素検知部材の光学バンドギャップを算出した。水素の検知に用いた後の水素検知部材の光学バンドギャップは、2.5eVであった。   In the same manner as in Example 2, the optical band gap of the hydrogen detection member after being used for hydrogen detection was calculated. The optical band gap of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was 2.5 eV.

<実施例5>
(水素検知部材)
実施例5では、実施例1と同様の水素検知部材を準備した。
<Example 5>
(Hydrogen detection member)
In Example 5, the same hydrogen detection member as in Example 1 was prepared.

(水素の検知)
実施例5では、水素検知部材と水素生成部材とを直接接触させなかった。実施例5では、水素検知部材と水素生成部材とを銅ワイヤーを介して接続した。具体的には、銅ワイヤーの一方の端部を水素検知部材に巻き付け、銅ワイヤーの他方の端部を水素生成部材に巻き付けた。銅ワイヤーの直径は0.5mmであった。銅ワイヤーの純度は、99.9質量%であった。以上の点を除いては、実施例1と同様の方法により、水素の検知を行った。実施例5では、水素検知部材及び水素生成部材を塩酸水溶液に浸漬した直後から、上記反応式(23)に示す電気化学反応及び上記反応式(24)に示す電気化学反応を伴って、水素生成部材の表面から水素ガスが発生した。水素ガスが発生してから30秒後に、水素検知部材を容器から取り出した。
(Detection of hydrogen)
In Example 5, the hydrogen detection member and the hydrogen generation member were not brought into direct contact. In Example 5, the hydrogen detection member and the hydrogen generation member were connected via a copper wire. Specifically, one end of the copper wire was wound around the hydrogen detection member, and the other end of the copper wire was wound around the hydrogen generation member. The diameter of the copper wire was 0.5 mm. The purity of the copper wire was 99.9% by mass. Except for the above points, hydrogen was detected by the same method as in Example 1. In Example 5, immediately after the hydrogen detection member and the hydrogen generation member are immersed in an aqueous hydrochloric acid solution, the hydrogen generation is performed with the electrochemical reaction shown in the reaction formula (23) and the electrochemical reaction shown in the reaction formula (24). Hydrogen gas was generated from the surface of the member. 30 seconds after the generation of hydrogen gas, the hydrogen detection member was taken out of the container.

[色]
水素の検知に用いた後の水素検知部材の色を目視により確認した。その結果、水素検知部材の色は、濃青色に変化していた。
[color]
The color of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was confirmed visually. As a result, the color of the hydrogen detection member was changed to dark blue.

<比較例1>
(水素検知部材)
ラバープレス法により、純度が99.8%であるアルミナ粉末を成形して、成形体を得た。アルミナ粉末としては、昭和電工社製の160SG−3Hを用いた。成形体の寸法は、直径4.0mm、長さ60.0mmであった。次いで、成形体を1620℃で4時間加熱することにより、成形体を焼結して、焼結体を得た。次いで、切削加工により、焼結体を加工して、ロッド状の酸化アルミニウム(Al)を得た。ロッド状の酸化アルミニウムの寸法は、直径2.0mm、長さ35.0mmであった。酸化アルミニウムの色は、白色であった。以上の方法により、ロッド状の酸化アルミニウムからなる水素検知部材を製造した。
<Comparative Example 1>
(Hydrogen detection member)
An alumina powder having a purity of 99.8% was molded by a rubber press method to obtain a molded body. As the alumina powder, 160SG-3H manufactured by Showa Denko KK was used. The dimensions of the molded body were 4.0 mm in diameter and 60.0 mm in length. Subsequently, the molded body was heated at 1620 ° C. for 4 hours to sinter the molded body to obtain a sintered body. Next, the sintered body was processed by cutting to obtain rod-shaped aluminum oxide (Al 2 O 3 ). The rod-shaped aluminum oxide had a diameter of 2.0 mm and a length of 35.0 mm. The color of aluminum oxide was white. By the above method, a hydrogen detection member made of rod-shaped aluminum oxide was manufactured.

(水素の検知)
比較例1では、実施例1の水素検知部材の代わりに、比較例1の水素検知部材を用いた。この点を除いては、実施例1と同様の方法により、水素の検知を行った。比較例1では、水素検知部材及び水素生成部材を塩酸水溶液に浸漬した直後から、上記反応式(23)に示す電気化学反応及び上記反応式(24)に示す電気化学反応を伴って、水素生成部材の表面から水素ガスが発生した。水素ガスが発生してから30秒後に、水素検知部材を容器から取り出した。
(Hydrogen detection)
In Comparative Example 1, the hydrogen detection member of Comparative Example 1 was used instead of the hydrogen detection member of Example 1. Except for this point, hydrogen was detected by the same method as in Example 1. In Comparative Example 1, immediately after the hydrogen detection member and the hydrogen generation member are immersed in the hydrochloric acid aqueous solution, the hydrogen generation is accompanied by the electrochemical reaction shown in the reaction formula (23) and the electrochemical reaction shown in the reaction formula (24). Hydrogen gas was generated from the surface of the member. 30 seconds after the generation of hydrogen gas, the hydrogen detection member was taken out of the container.

[色]
水素の検知に用いた後の水素検知部材の色を目視により確認した。その結果、水素検知部材の色は、白色であり、変化していなかった。
[color]
The color of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was confirmed visually. As a result, the color of the hydrogen detection member was white and did not change.

<比較例2>
(水素検知部材)
比較例2では、実施例1と同様の水素検知部材を準備した。
<Comparative example 2>
(Hydrogen detection member)
In Comparative Example 2, the same hydrogen detection member as in Example 1 was prepared.

(水素の検知)
比較例2では、水素生成部材を用いなかった。比較例2では、比較例2の水素検知部材のみを塩酸水溶液に浸漬した。以上の点を除いては、実施例1と同様の方法により、水素の検知を行った。比較例2では、水素検知部材を塩酸水溶液に浸漬しても、ガスの発生は認められなかった。水素検知部材を塩酸水溶液に浸漬してから30秒後に、水素検知部材を容器から取り出した。
(Hydrogen detection)
In Comparative Example 2, no hydrogen generating member was used. In Comparative Example 2, only the hydrogen detection member of Comparative Example 2 was immersed in an aqueous hydrochloric acid solution. Except for the above points, hydrogen was detected by the same method as in Example 1. In Comparative Example 2, no gas was generated even when the hydrogen detection member was immersed in an aqueous hydrochloric acid solution. 30 seconds after the hydrogen detection member was immersed in the hydrochloric acid aqueous solution, the hydrogen detection member was taken out of the container.

[色]
水素の検知に用いた後の水素検知部材の色を目視により確認した。その結果、水素検知部材の色は、黄土色であり、変化していなかった。
[color]
The color of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was confirmed visually. As a result, the color of the hydrogen detection member was ocher and did not change.

<比較例3>
(水素検知部材)
比較例3では、実施例1と同様の水素検知部材を準備した。
<Comparative Example 3>
(Hydrogen detection member)
In Comparative Example 3, the same hydrogen detection member as in Example 1 was prepared.

(水素の検知)
比較例3では、水素検知部材と水素生成部材とを電気的に接続しなかった。比較例3では、水素検知部材と水素生成部材とを離して液体中に浸漬した。以上の点を除いては、実施例1と同様の方法により、水素の検知を行った。比較例3では、水素検知部材及び水素生成部材を塩酸水溶液に浸漬した直後から、上記反応式(23)に示す電気化学反応及び上記反応式(24)に示す電気化学反応を伴って、水素生成部材の表面から水素ガスが発生した。水素ガスが発生してから30秒後に、水素検知部材を容器から取り出した。
(Detection of hydrogen)
In Comparative Example 3, the hydrogen detection member and the hydrogen generation member were not electrically connected. In Comparative Example 3, the hydrogen detection member and the hydrogen generation member were separated and immersed in the liquid. Except for the above points, hydrogen was detected by the same method as in Example 1. In Comparative Example 3, immediately after immersing the hydrogen detecting member and the hydrogen generating member in the aqueous hydrochloric acid solution, the hydrogen generation is accompanied by the electrochemical reaction shown in the reaction formula (23) and the electrochemical reaction shown in the reaction formula (24). Hydrogen gas was generated from the surface of the member. 30 seconds after the generation of hydrogen gas, the hydrogen detection member was taken out of the container.

[色]
水素の検知に用いた後の水素検知部材の色を目視により確認した。その結果、水素検知部材の色は、黄土色であり、変化していなかった。
[color]
The color of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was confirmed visually. As a result, the color of the hydrogen detection member was ocher and did not change.

<比較例4>
(水素検知部材)
比較例4では、実施例1と同様の水素検知部材を準備した。
<Comparative example 4>
(Hydrogen detection member)
In Comparative Example 4, the same hydrogen detection member as in Example 1 was prepared.

(水素の検知)
大気雰囲気下、25℃において、水素検知部材に高純度の水素ガスを10秒間吹き付けた。水素ガスの純度は99.9質量%であった。比較例4では、電気化学反応を伴った水素ガスの生成は起こらなかった。
(Detection of hydrogen)
High-purity hydrogen gas was blown onto the hydrogen detection member for 10 seconds at 25 ° C. in an air atmosphere. The purity of hydrogen gas was 99.9% by mass. In Comparative Example 4, generation of hydrogen gas accompanied by an electrochemical reaction did not occur.

[色]
水素の検知に用いた後の水素検知部材の色を目視により確認した。その結果、水素検知部材の色は、黄土色であり、変化していなかった。
[color]
The color of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was confirmed visually. As a result, the color of the hydrogen detection member was ocher and did not change.

<比較例5>
(水素検知部材)
比較例5では、実施例1と同様の水素検知部材を準備した。
<Comparative Example 5>
(Hydrogen detection member)
In Comparative Example 5, the same hydrogen detection member as in Example 1 was prepared.

(水素の検知)
ガラス製の容器に純水を入れた。純水に水素検知部材のみを浸漬した。純水中において、水素検知部材に高純度の水素ガスを10秒間吹き付けた。水素ガスの純度は99.9質量%であった。次いで、水素検知部材を容器から取り出した。比較例5では、電気化学反応を伴った水素ガスの生成は起こらなかった。
(Detection of hydrogen)
Pure water was put into a glass container. Only the hydrogen detection member was immersed in pure water. In pure water, high-purity hydrogen gas was blown onto the hydrogen detection member for 10 seconds. The purity of hydrogen gas was 99.9% by mass. Subsequently, the hydrogen detection member was taken out from the container. In Comparative Example 5, generation of hydrogen gas accompanied by an electrochemical reaction did not occur.

[色]
水素の検知に用いた後の水素検知部材の色を目視により確認した。その結果、水素検知部材の色は、黄土色であり、変化していなかった。
[color]
The color of the hydrogen detection member after being used for detection of hydrogen was confirmed visually. As a result, the color of the hydrogen detection member was ocher and did not change.

水素の検知に用いた実施例1〜5及び比較例1〜5それぞれの水素検知部材及び水素生成部材を表1に示す。実施例1〜5及び比較例1〜5それぞれの水素検知部材の各特性の変化を表2に示す。   Table 1 shows hydrogen detection members and hydrogen generation members of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 used for detection of hydrogen. Table 2 shows changes in the characteristics of the hydrogen detection members of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5.

実施例1〜5では、ロッド状又は薄膜状の酸化物が、水素検知部材として機能した。実施例1〜5それぞれの水素検知部材は、液体中の水素イオン(H)、及び水素生成部材から放出された電子(e)を取り込むことにより、クロミック反応を示すことが分かった。 In Examples 1 to 5, rod-shaped or thin-film oxides functioned as hydrogen detection members. It was found that each of the hydrogen detection members of Examples 1 to 5 exhibited a chromic reaction by taking in hydrogen ions (H + ) in the liquid and electrons (e ) emitted from the hydrogen generation member.

比較例1では、酸化アルミニウムを用いた。酸化アルミニウムは、液体中で水素ガスが発生する環境においても、クロミック反応を起こさず、色の変化を示さなかった。   In Comparative Example 1, aluminum oxide was used. Aluminum oxide did not cause a chromic reaction even in an environment where hydrogen gas was generated in the liquid, and did not show a change in color.

比較例2では、水素生成部材を用いなかった。その結果、酸化タングステンのクロミック反応が起きなかった。比較例2では、液体中に水素イオン(H)が豊富に含まれていても、電子(e)がほとんど生成していない。そのため、酸化タングステン内で価数の変化が本質的に起こらず、酸化タングステンの色が変化しなかったと考えられる。 In Comparative Example 2, no hydrogen generating member was used. As a result, no chromic reaction of tungsten oxide occurred. In Comparative Example 2, even if the liquid contains abundant hydrogen ions (H + ), almost no electrons (e ) are generated. Therefore, it is considered that the valence does not essentially change in the tungsten oxide, and the color of the tungsten oxide does not change.

比較例3では、水素検知部材(酸化タングステン)と水素生成部材(亜鉛板)とが電気的に接続していないため、酸化タングステン内に電子(e)が取り込まれず、クロミック反応が進行しなかったと考えられる。 In Comparative Example 3, since the hydrogen detection member (tungsten oxide) and the hydrogen generation member (zinc plate) are not electrically connected, electrons (e ) are not taken into tungsten oxide and the chromic reaction does not proceed. It is thought.

比較例4では、大気雰囲気下においてロッド状の酸化タングステン単体に水素ガスを吹き付けた。比較例4では、水素検知部材が金属触媒を備えていないため、水素ガスが原子状水素に変化しなかった。そのため、酸化タングステンへの水素イオン及び電子の供給がなく、クロミック反応が進行しなかったと考えられる。   In Comparative Example 4, hydrogen gas was sprayed onto a rod-shaped tungsten oxide simple substance in an air atmosphere. In Comparative Example 4, since the hydrogen detection member did not include a metal catalyst, the hydrogen gas did not change to atomic hydrogen. Therefore, it is considered that there was no supply of hydrogen ions and electrons to tungsten oxide, and the chromic reaction did not proceed.

比較例5では、純水に浸漬した酸化タングステンに水素ガスを吹き付けた。比較例5では、比較例4と同様、水素検知部材が金属触媒を備えていないため、水素ガスが原子状水素に変化しなかった。そのため、水素イオン及び電子が酸化タングステン内に取り込まれず、クロミック反応が本質的に起こらなかったと考えられる。   In Comparative Example 5, hydrogen gas was sprayed onto tungsten oxide immersed in pure water. In Comparative Example 5, as in Comparative Example 4, since the hydrogen detection member did not include a metal catalyst, the hydrogen gas did not change to atomic hydrogen. Therefore, it is considered that hydrogen ions and electrons were not taken into tungsten oxide and chromic reaction did not occur essentially.

12…容器、14…液体、16…水素生成部材、18,18a,18b…水素検知部材、20…水素を含むガス、22…電気計測装置、24…配線部、26…導電材料、28…基板、30…化合物薄膜、32…光源部、34…光学測定装置、40a…正極セル、40b…負極セル、42a…正極電極、42b…負極電極、44…隔膜、46…双極板、48…集電板、50a…正極電解液、50b…負極電解液、52a…正極電解液貯留部、52b…負極電解液貯留部、54…送液ポンプ、56…配管、58…電源、60…外部負荷、100a,100b,200…水素検知デバイス、300…レドックスフロー電池、L1…入射光、L2…透過光。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Container, 14 ... Liquid, 16 ... Hydrogen production | generation member, 18, 18a, 18b ... Hydrogen detection member, 20 ... Gas containing hydrogen, 22 ... Electric measurement apparatus, 24 ... Wiring part, 26 ... Conductive material, 28 ... Substrate 30 ... Compound thin film, 32 ... Light source unit, 34 ... Optical measuring device, 40a ... Positive electrode cell, 40b ... Negative electrode cell, 42a ... Positive electrode, 42b ... Negative electrode, 44 ... Separator, 46 ... Bipolar plate, 48 ... Current collector Plate, 50a ... Positive electrode electrolyte, 50b ... Negative electrode electrolyte, 52a ... Positive electrode electrolyte reservoir, 52b ... Negative electrode electrolyte reservoir, 54 ... Feed pump, 56 ... Pipe, 58 ... Power source, 60 ... External load, 100a , 100b, 200 ... hydrogen detection device, 300 ... redox flow battery, L1 ... incident light, L2 ... transmitted light.

Claims (15)

容器内に配置された液体中に、水素生成部材と水素検知部材とが浸漬されており、
前記液体が水を含み、
前記水素生成部材が、電気化学反応を伴って水素を含むガスを発生させ、
前記水素検知部材が、酸化タングステン、酸化モリブデン、オキシ水酸化コバルト及びオキシ水酸化ニッケルからなる群より選択される少なくとも一種の化合物を含有し、
前記水素生成部材と前記水素検知部材とが電気的に接続されており、
前記液体から前記水素検知部材へ水素イオンが供給され、
前記水素生成部材から前記水素検知部材へ電子が供給され、
前記水素検知部材に供給された前記水素イオン及び前記電子に応じて、前記水素検知部材の色及び電気伝導度のうち少なくとも一方が変化し、
前記色の変化及び前記電気伝導度の変化のうち少なくともいずれかを測定することにより、前記液体中の水素を検知する、
水素の検知方法。
The hydrogen generating member and the hydrogen detecting member are immersed in the liquid disposed in the container,
The liquid includes water;
The hydrogen generating member generates a gas containing hydrogen with an electrochemical reaction;
The hydrogen detection member contains at least one compound selected from the group consisting of tungsten oxide, molybdenum oxide, cobalt oxyhydroxide, and nickel oxyhydroxide,
The hydrogen generation member and the hydrogen detection member are electrically connected,
Hydrogen ions are supplied from the liquid to the hydrogen detection member,
Electrons are supplied from the hydrogen generation member to the hydrogen detection member,
According to the hydrogen ions and the electrons supplied to the hydrogen detection member, at least one of the color and electrical conductivity of the hydrogen detection member changes,
Detecting hydrogen in the liquid by measuring at least one of the change in color and the change in electrical conductivity;
How to detect hydrogen.
容器内に配置された液体中に、水素生成部材と水素検知部材とが浸漬されており、
前記液体が水を含み、
前記水素生成部材が、電気化学反応を伴って水素を含むガスを発生させ、
前記水素検知部材が、酸化タングステン、酸化モリブデン、オキシ水酸化コバルト及びオキシ水酸化ニッケルからなる群より選択される少なくとも一種の化合物を含有し、
前記水素生成部材と前記水素検知部材とが電気的に接続されており、
前記液体から前記水素検知部材へ水素イオンが供給され、
前記水素生成部材から前記水素検知部材へ電子が供給され、
前記水素検知部材に光を照射して、前記水素検知部材を透過した透過光の強度を測定し、
前記透過光の強度から、光吸収係数、透過率及び光学バンドギャップのうち少なくともいずれかの前記水素検知部材の物性値を算出し、
前記水素イオン及び前記電子の前記水素検知部材への供給に応じた前記物性値の変化に基づいて、前記液体中の水素を検知する、
水素の検知方法。
The hydrogen generating member and the hydrogen detecting member are immersed in the liquid disposed in the container,
The liquid includes water;
The hydrogen generating member generates a gas containing hydrogen with an electrochemical reaction;
The hydrogen detection member contains at least one compound selected from the group consisting of tungsten oxide, molybdenum oxide, cobalt oxyhydroxide, and nickel oxyhydroxide,
The hydrogen generation member and the hydrogen detection member are electrically connected,
Hydrogen ions are supplied from the liquid to the hydrogen detection member,
Electrons are supplied from the hydrogen generation member to the hydrogen detection member,
Irradiating the hydrogen detection member with light, measuring the intensity of transmitted light that has passed through the hydrogen detection member,
From the intensity of the transmitted light, calculate a physical property value of the hydrogen detection member at least one of a light absorption coefficient, a transmittance, and an optical band gap,
Detecting hydrogen in the liquid based on a change in the physical property value according to the supply of the hydrogen ions and the electrons to the hydrogen detection member;
How to detect hydrogen.
前記化合物が、多結晶、配向性結晶及び非晶質物からなる群より選択される少なくとも一種である、
請求項1又は2に記載の水素の検知方法。
The compound is at least one selected from the group consisting of polycrystals, oriented crystals, and amorphous materials,
The method for detecting hydrogen according to claim 1 or 2.
前記水素検知部材が、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選択される少なくとも一種の金属触媒を更に含有する、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の水素の検知方法。
The hydrogen detection member further contains at least one metal catalyst selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, cobalt, nickel and copper;
The method for detecting hydrogen according to any one of claims 1 to 3.
前記水素検知部材の形状が、板、ブロック、リボン、ロッド、線、シート、メッシュ、塊、粒子及び薄膜からなる群より選択される少なくとも一種である、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の水素の検知方法。
The shape of the hydrogen detection member is at least one selected from the group consisting of a plate, a block, a ribbon, a rod, a wire, a sheet, a mesh, a lump, a particle, and a thin film.
The method for detecting hydrogen according to any one of claims 1 to 4.
前記水素生成部材が、
光触媒反応及び光化学反応のうち少なくともいずれかにより、前記ガスを発生させる部材、
又は、
電気化学反応を伴う電池の電極材
である、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の水素の検知方法。
The hydrogen generating member is
A member that generates the gas by at least one of a photocatalytic reaction and a photochemical reaction;
Or
It is a battery electrode material with an electrochemical reaction,
The method for detecting hydrogen according to any one of claims 1 to 5.
前記光化学反応では、金属材料を含む前記水素生成部材に光を照射して、前記ガスを前記水素生成部材から発生させる、
請求項6に記載の水素の検知方法。
In the photochemical reaction, the hydrogen generating member containing a metal material is irradiated with light to generate the gas from the hydrogen generating member.
The method for detecting hydrogen according to claim 6.
前記金属材料が、鉄、銅、亜鉛、錫及びチタンからなる群より選択される少なくとも一種を含む、
請求項7に記載の水素の検知方法。
The metal material includes at least one selected from the group consisting of iron, copper, zinc, tin and titanium,
The method for detecting hydrogen according to claim 7.
前記電池が、鉛蓄電池、ニッケル−亜鉛電池、及びレドックスフロー電池のうちいずれか一種の二次電池である、
請求項6に記載の水素の検知方法。
The battery is a secondary battery of any one of a lead storage battery, a nickel-zinc battery, and a redox flow battery.
The method for detecting hydrogen according to claim 6.
前記水素生成部材と前記水素検知部材とが直接接触している、
請求項1〜9のいずれか一項に記載の水素の検知方法。
The hydrogen generating member and the hydrogen detecting member are in direct contact;
The method for detecting hydrogen according to any one of claims 1 to 9.
前記水素生成部材と前記水素検知部材とを接続する導電材料が、銅、銀、金、白金、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉄、錫、鉛及びろう材からなる群より選択される少なくとも一種である、
請求項1〜10のいずれか一項に記載の水素の検知方法。
The conductive material connecting the hydrogen generation member and the hydrogen detection member is at least one selected from the group consisting of copper, silver, gold, platinum, aluminum, chromium, nickel, iron, tin, lead and brazing material. ,
The method for detecting hydrogen according to claim 1.
前記液体中において、複数の前記水素検知部材それぞれが、前記水素生成部材の異なる箇所に電気的に接続されており、
前記水素生成部材において前記ガスが発生した箇所を監視する、
請求項1〜11のいずれか一項に記載の水素の検知方法。
In the liquid, each of the plurality of hydrogen detection members are electrically connected to different portions of the hydrogen generation member,
Monitoring the location where the gas is generated in the hydrogen generating member;
The method for detecting hydrogen according to any one of claims 1 to 11.
請求項1に記載の水素の検知方法に用いる水素検知デバイスであって、
前記容器と、
前記水素生成部材と、
前記水素生成部材に電気的に接続された前記水素検知部材と、
を備える、
水素検知デバイス。
A hydrogen detection device used in the hydrogen detection method according to claim 1,
The container;
The hydrogen generating member;
The hydrogen detection member electrically connected to the hydrogen generation member;
Comprising
Hydrogen detection device.
前記水素検知部材に電流又は電圧を印加する配線部と、
前記水素検知部材の電気伝導度を計測する電気計測装置と、
を更に備える、
請求項13に記載の水素検知デバイス。
A wiring portion for applying a current or voltage to the hydrogen detection member;
An electrical measurement device for measuring electrical conductivity of the hydrogen detection member;
Further comprising
The hydrogen detection device according to claim 13.
請求項2に記載の水素の検知方法に用いる水素検知デバイスであって、
前記容器と、
前記水素生成部材と、
前記水素生成部材に電気的に接続された前記水素検知部材と、
前記水素検知部材へ光を照射する光源部と、
前記透過光の強度を測定する光学測定装置と、
を備える、
水素検知デバイス。
A hydrogen detection device used in the hydrogen detection method according to claim 2,
The container;
The hydrogen generating member;
The hydrogen detection member electrically connected to the hydrogen generation member;
A light source unit for irradiating light to the hydrogen detection member;
An optical measuring device for measuring the intensity of the transmitted light;
Comprising
Hydrogen detection device.
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