JP3152808U

JP3152808U - 水素漏洩検出装置

Info

Publication number: JP3152808U
Application number: JP2009003720U
Authority: JP
Inventors: 功村上
Original assignee: 功村上
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2019-06-03

Abstract

【課題】水素センサーとして、水素環境では光を透過し易くなる特性をもつ薄膜センサーを活用し、水素爆発の危険性が少ない水素漏洩検出装置を提供する。【解決手段】水素の接触により光透過性の変化を化学的に生ずるマグネシウム−ニッケル合金薄膜を感知層に備えた薄膜センサー４を水素漏洩監視領域に設置する。電気的な動作の必要な発光素子２及び受光素子３等は薄膜センサーから離間することにより電気的に絶縁された状態で設置する。発光素子から射出された検出光を、薄膜センサーを介して受光素子で受光することにより、光強度の変化を水素漏洩の前後で判別することによって薄膜センサー自体には電気を通電せずに水素の漏洩を検知する。これにより、薄膜センサーに接触した水素が薄膜センサー中を流れる電気と反応して爆発事故が発生する危険性を排除することができる。【選択図】図２

Description

本願考案は、マグネシウム−ニッケル合金薄膜を水素検出素子として用いた水素漏洩検出装置に関するものであり、特にマグネシウム−ニッケル合金と水素との反応による光透過性の変化を利用するものである。

近年、次世代のクリーンエネルギーとして水素エネルギーが注目されており、水素エネルギーの原料となる水素ガスの貯蔵または燃料電池製造施設である水素貯蔵ステーションの開発が進められている。しかし、水素は酸素と混合すると引火爆発しやすく、爆発した場合大事故につながる恐れがある。このような事故を未然に防ぐため、水素貯蔵ステーションの近傍、又は配管の継目や水素貯蔵庫の開放口等、水素ガスの漏洩の恐れのある箇所の周辺部からの水素ガスの漏洩を監視するための漏洩検知装置が必要とされる。

従来水素ガスの漏洩検知には半導体などを利用した接触検知型水素センサーが用いられており、センサーに接触した際の水素ガス量の変化量、抵抗値の変化等を水素センサーが電気信号に変換して検知していた。

特開２００８−４６０９１

しかし、センサー自体に電気を通電する必要のある上記水素センサーを用いる装置を使用するためには、漏洩した水素と電気とが接触することによる爆発事故を防ぐため高コストな防爆装備を備える必要があった。

そこで上記課題を解決するため、本願考案に係る水素漏洩検出装置は、検出光を射出する発光素子と、前記発光素子からの検出光を受光する受光素子と、薄膜センサーと、検出光を受光した受光素子からの電気信号を増幅させる信号増幅部と、前記信号増幅部から得た電気信号の強度変化を判別する判別部と、前記判別部から警報発令信号を受けることにより警報を行う警報部とからなり、前記発光素子及び受光素子は互いに対向して離間して配置され、前記薄膜センサーは発光素子と受光素子とを結ぶ線分上であって、それぞれの素子から離間した位置に配置され、前記薄膜センサーは、検出光に対して透明な基板上に成膜されたマグネシウム−ニッケル合金による感知層と、該感知層上に成膜されたパラジウム層又は白金層からなる触媒層とを備えたものであることを特徴とする。

また、上記考案において、発光素子、受光素子、薄膜センサー、信号増幅部、判別部、及び警報部を備えること、及び前記発光素子は前記薄膜センサーの鉛直線から所定の角度方向に薄膜センサーから離間して配置され、前記受光素子は薄膜センサーへ入射した検出光が反射する方向に薄膜センサーから離間して配置されることを特徴とすることとしてもよい。

発光素子は、可視光又は赤外光を射出する光源であることが望ましく白熱灯、蛍光灯、プラズマ、有機エレクトロルミネッセンス素子を光源としても良いが、好ましくは発光ダイオード、半導体レーザ、アルゴンイオンレーザ、ヘリウムネオンレーザ、ヘリウムカドミウムレーザ、サファイアレーザ、またはＹＡＧレーザを用いることがよい。特に、発光ダイオード又は半導体レーザを用いる場合には概ね４０６ｎｍ、概ね６３５ｎｍ、概ね６７０ｎｍ、又は概ね７８５ｎｍ、アルゴンイオンレーザを用いる場合には概ね４８８ｎｍ又は概ね５１４ｎｍ、ヘリウムネオンレーザを用いる場合には概ね６３３ｎｍ、ヘリウムカドミウムレーザを用いる場合には概ね４４２ｎｍ、サファイアレーザを用いる場合には概ね８００ｎｍ、ＹＡＧレーザを用いる場合には概ね５３２ｎｍの波長の発光又はレーザ光を用いることが好ましい。

受光素子は、発光素子から射出された検出光を受光して電気信号に変換し、信号増幅部へ送るものである。受光素子としては、フォトトランジスタ、フォトマルチプライヤー、又は色識別センサーを用いることが好ましい。ここで、受光素子にフォトトランジスタ又はフォトマルチプライヤーを用いた場合には検出光の光強度の増減を検出して水素漏洩の判別要因とすることができ、色識別センサーを用いた場合には検出光の波長の変化を検出して水素漏洩の判別要因とすることができる。

薄膜センサーは、検出光に対して透明な基板上に成膜されたマグネシウム−ニッケル合金による感知層と、該感知層上に成膜されたパラジウム層又は白金層からなる触媒層とを備えたものである。感知層及び触媒層の成膜には真空スパッタリング製法又は、真空蒸着法が用いられていることが望ましい。

大気中に漏洩した水素が薄膜センサー上に形成された感知層に接触すると、感知層の化学反応により、水素接触前には検出光に対して不透明であった感知層が透明に変化するものである。

水素接触前に薄膜センサーに入射した検出光は、薄膜センサーの背面へ透過することができずに反射されるが、水素接触後には薄膜センサーに入射した検出光は、感知層を透過することとなる。

検知層が成膜される基板は、請求項１に係る考案に使用する場合、検出光に対して透明な性質を有する酸化物又は樹脂によるものがよく、好ましくは酸化ケイ素又は酸化アルミニウム、石英、樹脂フィルム、アクリル、透明ゴムによって構成されたものがよい。

また、請求項２に係る考案に使用される前記基板は、検出光の光強度の減少を水素漏洩の判別要因とする場合には検出光に対して透明な性質を有する酸化物又は樹脂によるものがよく、好ましくは酸化ケイ素又は酸化アルミニウム、石英、樹脂フィルム、アクリル、透明ゴムによって構成されたものがよい。

このように検出光に対して透明な性質を有する基板を使用することによって、水素漏洩前には感知層で遮断され反射されていた検出光を水素漏洩の感知によって薄膜センサーを透過させることができる。

一方、請求項２において検出光の波長の変化を判別要因とする場合には、検出光に対して不透明な性質を有する酸化物又は樹脂による基板を用いることが好ましい。この場合、基板は酸化ケイ素又は酸化アルミニウム、石英、樹脂フィルム、アクリル、透明ゴムによって構成されたものであって、水素と接触する前の薄膜センサーの色（茶色）とは異なる色、例えば赤色、黄色、又は青色を有するものが好ましい。このような検出光に対して不透明で有色の基板を使用することにより、水素漏洩前後で受光素子が検知する検出光の波長の変化を検出することができ、水素漏洩の発生を検知することができるからである。

感知層上に成膜された触媒層は、感知層が水素に接触した際に生じる化学反応を室温下においても促進させるために形成されたものである。触媒層を感知層上に成膜することによって室温下においても感知層における上記化学反応を生じさせることができる。

薄膜センサーは、水素ガス漏洩を監視するために適した位置に配置すること好ましい。適した位置の例としては、例えば水素燃料を貯蔵する水素貯蔵ステーションの近傍、又は配管の継目や水素貯蔵庫の開放口等、水素ガスの漏洩の恐れのある箇所の周辺部であることが好ましい。発光素子及び受光素子は、薄膜センサーを配置した位置から離間して設置され、薄膜センサーと電気的に絶縁された状態で機能させることができる。

信号増幅部は、受光素子が検出光の受光によって発生した電気信号を増幅させ判別部へ送信する機能を有する。

判別部は、信号増幅部から得た電気信号を発光素子が受光した光強度又は波長として認識する機能を有する。これにより判別部は、薄膜センサーが水素に反応することにより薄膜センサーを透過する検出光強度、又は薄膜センサーから反射する検出光の光強度又は波長の変化を感知し、水素漏洩が発生したことを判別する機能を有する。

ここで請求項１に係る考案においては、受光素子は薄膜センサーを透過した検出光を受光するため、水素の漏洩があった場合には検出光の光強度の増加が判別要因となる。一方、請求項２に係る考案においては、受光素子は薄膜センサーで反射された検出光を受光するため、水素の漏洩があった場合には検出光の光強度の減少又は波長の変化が判別要因となる。

また、判別部は、水素漏洩の発生を判別した場合には警報部に対して警報発令信号を送信する。

警報部は、警報発令信号を受信した場合に、警笛、ベル、表示部への警告表示または監視センターへの通報により警報を行うことが好ましく、またこれらの警報手段を組み合わせて警報してもよい。

本願考案によると、水素漏洩を検知するために配置される薄膜センサーには電気を通電させることがないため、薄膜センサーに接触した水素が薄膜センサー中を流れる電気と反応して爆発事故が発生する危険性を排除することができる。さらに、水素と直接接触する薄膜センサーと、発光素子、受光素子、信号増幅部、及び判別部とを離間して電気的に絶縁された状態で装置を構成することにより、装置全体としても電気と水素が直接接触することのない装置を実現することができる。

これにより、従来よりも、より高度な水素防爆対策に対応し得る検出装置を実現することができる。

平常時における実施例１の概略構成図である。水素漏洩時における実施例１の概略構成図である。平常時における実施例２の概略構成図である。水素漏洩時における実施例２の概略構成図である。

以下、本願考案の水素漏洩検出装置について、実施例に基づきさらに詳細に説明する。

図１及び図２は本願考案に係る実施例１を説明する概略図である。

図１において水素漏洩検出装置１は、発光素子２、受光素子３、薄膜センサー４、信号増幅部５、判別部６、及び警報部７より構成されている。水素輸送配管８周辺における水素漏洩監視領域を監視領域８１とする。

薄膜センサー４は、基板４１の一端面上にマグネシウム−ニッケル合金層よりなる感知層４２が、感知層４２上にパラジウム層よりなる触媒層４３が成膜されて形成されている。基板４１には検出光に対して透明な酸化ケイ素ガラスを使用している。

薄膜センサー４は、収納ケース９の端部であって、感知層４２が成膜された基板４１の一端面が監視領域８１に露出するように設置されている。収納ケース９には防爆対策がなされている。

また、受光素子３、信号増幅部５及び判別部６は収納ケース９内に収納されて設置されている。受光素子３、信号増幅部５及び判別部６は薄膜センサー４と離間して設置され、薄膜センサー４と電気的に絶縁されている。警報部７は、収納ケース９から延出する防爆コードを介して接続され、警報を受ける必要のある作業者等の周囲に設置されている。なお、受光素子３にはフォトトランジスタを用いた。また、受光素子３、信号増幅部５及び判別部６と薄膜センサー４とは、数ミリメートル又は数センチメートル離間していればよく、収納ケース９に収められる部分は容易に持ち運びができる程度の大きさとすることが可能である。

一方、発光素子２は収納ケース９と同じく防爆対策がなされた収納ケース１０内に収納されて設置されており、収納ケース１０の一端部には発光素子から射出された検出光を収納ケース１０外へ放出するための窓１０１が備えられている。窓１０１はガラス等の検出光に対して透明な素材で形成されている。

発光素子２には波長６７０ｎｍの検出光を射出する発光ダイオード素子を用いた。発光素子２から射出された検出光は薄膜センサー４の感知層４２に入射するように設定されている。

受光素子３は、発光素子２から射出された検出光が薄膜センサー４へ入射する方向の延長線上であって発光素子２に対面して設置されている。

信号増幅部５及び判別部６は受光素子３と電気的に接続されている。また、警報部７には警笛発生装置を用いており、判別部６と電気的に接続されている。

平常時においては、図１に示すように薄膜センサー４は検出光を透過しないため、受光素子３には検出光が到達しない。そのため、受光素子３から信号増幅部５を介して判別部６に送信された検出光強度は低い状態にある。一方、図２に示すように水素輸送配管８から水素が漏洩し、監視領域８１にまで到達した水素が薄膜センサー４に形成された感知層に接触すると、感知層４２と水素との化学反応により感知層４２が検出光を透過する性質に変化する。そうすると、検出光が薄膜センサー４を透過して受光素子３に到達するため、受光素子３が受けた光エネルギーが電気信号に変換され、信号増幅部５で該電気信号が増幅され、判別部６において検出光強度の増大が検出される。

判別部６はこの検出光強度の増大を水素漏洩の発生と認識し、警報部７へ警報発令信号を送信する。

警報発令信号を受けた警報部７は警笛７１による警報を発生し、周囲の作業者等に水素の漏洩が周知される。

図３及び図４は本願考案に係る実施例２を説明する概略図である。

図３に示すように、実施例２においては、発光素子２は薄膜センサー４の鉛直線から所定の角度α方向に、薄膜センサー４から離間して配置されている。また、受光素子３は、薄膜センサー４の鉛直線表面から角度−αの方向であって、薄膜センサー４から離間して配置されて構成されている。

薄膜センサー４は、収納ケース１１の端部であって、感知層４２が成膜された基板４１の一端面が監視領域８１に露出するように設置されている。収納ケース１１には防爆対策がなされている。

また、発光素子２、受光素子３、薄膜センサー４、信号増幅部５、及び判別部６は収納ケース１１内に収納されて設置されている。発光素子２、受光素子３、信号増幅部５及び判別部６は薄膜センサー４と離間して設置され、薄膜センサー４と電気的に絶縁されている。警報部７は、収納ケース１１から延出する防爆コードを介して接続され、警報を受ける必要のある作業者等の周囲に設置されている。なお、受光素子３にはフォトトランジスタを用いた。また、受光素子３、信号増幅部５及び判別部６と薄膜センサー４とは、数ミリメートル又は数センチメートル離間していればよく、収納ケース１１に収められる部分は容易に持ち運びができる程度の大きさとすることが可能である。

実施例２においては、平常時において、図３に示すように発光素子２から射出された検出光は薄膜センサー４表面で反射して薄膜センサー４表面の鉛直線から角度−αの方向へ進み受光素子３に入射する。そのため、平常時においては受光素子３に受光された検出光が電気信号に変換され、信号増幅部５で該電気信号が増幅され、判別部６において検出光強度が一定の強度検出されている状態である。

一方、図４に示すように水素輸送配管８から水素が漏洩し、監視領域８１にまで到達した水素が薄膜センサー４に形成された感知層に接触すると感知層が化学反応をおこし、検出光を透過する性質に変化する。そうすると、検出光が薄膜センサー４を透過するため、受光素子３へ入射する検出光が減少し、信号増幅部５を介して判別部６において検出される検出光強度も減少することとなる。

判別部６はこの検出光強度の減少を水素漏洩の発生と認識し、警報部７へ警報発令信号を送信する。

警報発令信号を受けた警報部７は警笛による警報７１を発生し、周囲の作業者等に水素の漏洩が周知される。

１水素漏洩検出装置
２発光素子
３受光素子
４薄膜センサー
４１基板
４２感知層
４３触媒層
５信号増幅部
６判別部
７警報部
８水素輸送配管

Claims

検出光を射出する発光素子と、
前記発光素子からの検出光を受光する受光素子と、
薄膜センサーと、
検出光を受光した受光素子からの電気信号を増幅させる信号増幅部と、
前記信号増幅部から得た電気信号の強度変化を判別する判別部と、
前記判別部から警報発令信号を受けることにより警報を行う警報部とからなり、
前記発光素子及び受光素子は互いに対向して離間して配置され、
前記薄膜センサーは発光素子と受光素子とを結ぶ線分上であって、それぞれの素子から離間した位置に配置され、
前記薄膜センサーは、検出光に対して透明な基板上に成膜されたマグネシウム−ニッケル合金による感知層と、該感知層上に成膜されたパラジウム層又は白金層からなる触媒層とを備えたものである
ことを特徴とする水素漏洩検出装置。
検出光を射出する発光素子と、
前記発光素子からの検出光を受光する受光素子と、
薄膜センサーと、
検出光を受光した受光素子からの電気信号を増幅させる信号増幅部と、
前記信号増幅部から得た電気信号の強度変化を判別する判別部と、
前記判別部から警報発令信号を受けることにより警報を行う警報部とからなり、
前記発光素子は前記薄膜センサーの鉛直線から所定の角度方向に薄膜センサーから離間して配置され、
前記受光素子は薄膜センサーへ入射した検出光が反射する方向に薄膜センサーから離間して配置され、
前記薄膜センサーは、基板上に成膜されたマグネシウム−ニッケル合金による感知層と、該感知層上に成膜されたパラジウム層又は白金層からなる触媒層とを備えたものである
ことを特徴とする水素漏洩検出装置。