JP3192785U - 水素ガス検知板 - Google Patents

Abstract

【課題】水素原子による還元にて着色する酸化物系金属薄膜の着色特性を利用して、水素ガス漏洩を監視、検知する水素ガス検知板を提供する。【解決手段】基板１、酸化物系金属薄膜２、及び触媒金属薄膜３を備える。触媒金属薄膜３は、水素ガスを吸着して水素原子に解離する。酸化物系金属薄膜２は、水素原子による還元にて着色する。【選択図】図１

Description

本考案は、水素原子による還元にて着色するガスクロミック金属薄膜の着色特性を利用して、水素ガス漏洩の監視及び検知する水素ガス検知板及びシートに関する。

ガラス、鉄鋼、化学物資、燃料電池又は半導体等の製造工場においては、半導体等の製造工程で水素ガスを使用し、又は製造工程において水素ガスが発生することがある。水素ガスは、酸素雰囲気で爆発する危険性を有し、取扱いに注意する必要があり、水素ガス漏洩を監視、検知する必要がある。
また、水素ガスを燃料とする燃料電池、燃料電池自動車も同様に、水素ガスによる爆発の危険性を有する。

水素ガスを検知する技術として、特許文献１は、固体電解質、触媒電極、参考電極、電位計等でなる水素センサを開示する。触媒電極は、水素ガスを水素原子（プロント）及び電子に解離する。水素ガスセンサは、触媒電極及び参考電極の間の電子差を電位計で測定することで、水素ガスを検知する。

特開２００７−２７８８７６号公報

しかし、特許文献１では、水素ガスを検出するために、電位計等を必要とし、水素センサが複雑となる。

本考案は、水素原子による還元にて着色する酸化物系金属薄膜の着色特性を利用して、水素ガス検知センサを視認（目視）することで、水素ガス漏洩の監視及び判別（検知）をするこのできる水素ガス検知板及びシートを提供することにある。

本考案に係る請求項１は、基板と、前記基板の表面上に形成され、水素原子による還元にて着色する酸化物系金属薄膜と、前記酸化物系金属薄膜の表面上に担持され、水素ガスを吸着して前記水素原子に解離する触媒金属薄膜と、を備えてなることを特徴とする水素ガス検知板及びシートである。

本考案に係る請求項２は、前記酸化物系金属薄膜は、前記水素原子による還元にて着色し、及び前記着色後の空気雰囲気にて前記還元前に戻らない不可逆性の酸化物系金属でなることを特徴とする請求項１に記載の水素ガス検知板及びシートである。

本考案に係る請求項３は、前記酸化物系金属は、酸化モリブデンであることを特徴とする請求項２に記載の水素ガス検知板及びシートである。

本考案に係る請求項４は、金属基板と、前記金属基板の表面上に形成される酸化モリブデン薄膜と、前記酸化モリブデン薄膜の表面上に担持されるパラジウム薄膜と、を備えてなることを特徴とする水素ガス検知板及びシートである。

本考案に係る請求項１は、水素ガス雰囲気において、触媒金属薄膜は、水素ガスを吸着して、水素ガスを水素原子及び電子に解離し、水素原子を酸化物系金属薄膜に拡散する。酸化物系金属薄膜は、水素原子を吸蔵し、水素原子による還元にて着色する（還元反応）。これより、水素ガス検知板及びシートは、水素ガス雰囲気において、酸化物系金属薄膜が着色する。
そして、水素ガス漏洩を監視する者は、水素ガス漏洩を監視する領域に水素ガス検知板及びシートを配置し、酸化物系金属薄膜の着色を視認（目視）することで、水素ガス漏洩を検知（判別）でき、水素ガス検知センサを簡素化できる。また、水素ガス検知板及びシートを監視者（人体）等に装着することで、監視者周囲の水素ガス漏洩も判別（検知）できる。
本考案に係る請求項１において、基板は、鉄、アルミニウム等の金属基板、ガラス基板、セラミックス基板等でなる。酸化物系金属薄膜は、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化タンタル、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化ジルコニア、酸化ハフニウム、酸化イットリウム等の金属酸化物でなる。触媒金属薄膜は、白金、パラジウム、ニッケル、レニウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム等でなる。

本考案に係る請求項２は、請求項１の効果に加えて、酸化物系金属薄膜は、不可逆性の金属酸化物でなるので、着色後（水素原子による還元後）に空気雰囲気に曝しても、還元前に戻らず着色したままとなる。
これにより、過去の水素ガス漏洩の痕跡を確認でき、水素ガス漏洩の事実を証拠として残すことができる。

本考案に係る請求項３は、請求項２の効果に加えて、酸化モリブデン薄膜は、水素原子による還元にて着色し、この着色にて水素ガス漏洩を判別できる。

本考案に係る請求項４は、水素ガス雰囲気において、パラジウム薄膜は、水素ガスを吸着して、水素ガスを水素原子及び電子に解離し、水素原子を酸化モリブデン薄膜に拡散する。酸化モリブデン薄膜は、水素原子を吸着し、水素原子による還元にて着色する（還元反応）。これにより、水素ガス検知板及びシートは、水素ガス雰囲気において、酸化モリブデン薄膜を着色する。
そして、水素ガス漏洩を監視する者は、水素ガスを監視する領域に水素ガス検知センサを配置し、酸化モリブデン薄膜の着色を視認（目視）することで、水素ガス漏洩を検知（判別）できる。また、水素ガス検知板及びシートを監視者（人体）等に装着することで、監視者周囲の水素ガス漏洩も判別（検知）できる。
酸化モリブデン薄膜は、不可逆性の金属酸化物でなるので、着色後（水素原子による還元後）に空気雰囲気に曝しても、還元前に戻らず着色のままである。
これにより、過去の水素ガス漏洩の痕跡を確認でき、水素ガス漏洩の事実を証拠としても残すことができる。

水素ガス検知板及びシートを示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 可逆性・水素ガス検知板及びシートを示す図（水素ガス非漏洩）であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。 可逆性・水素ガス検知板及びシートを示す図（水素ガス漏洩）であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ矢視図である。 不可逆性・水素ガス検知板及びシートを示す図（着色前の水素ガス非漏洩）であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は図４（ａ）のＤ−Ｄ矢視図である。 不可逆性・水素ガス検知板及びシートを示す図（水素ガス漏洩）であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は図５（ａ）のＥ―Ｅ矢視図である。 不可逆性・水素ガス検知板及びシートを示す図（着色後の水素ガス非漏洩）であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は図６（ａ）のＦ−Ｆ矢視図である。

本考案に係る水素ガス検知板及びシートについて、図１乃至図６を参照して説明する。

図１及び図２において、水素ガス検知板及びシートＸは、基板１、酸化物系金属薄膜２及び触媒金属薄膜３を備えてなる。

基板２は、アルミニウム又は鉄等の金属、ガラス、セラミックでなる。また、基板２は、アルミニウム又は鉄等の金属テープ又は金属シート、化学樹脂シート又化学樹脂テープ、セラミックシートで構成できる。

酸化物系金属薄膜２は、水素原子による還元にて着色する（還元反応）。酸化物系金属薄膜２は、基板２の表面上に形成される。
酸化系金属薄膜２は、金属酸化物でなる。
金属酸化物としては、酸化モリブデン（ＷｏＯ_Ｘ）、酸化タングステン（ＷＯ_Ｘ）、酸化タンタル（ＴａＯ_Ｘ）、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）、酸化バナジウム（ＶＯ_Ｘ）、酸化クロム（ＣｒＯ_Ｘ）、酸化ジルコニア（ＺｒＯ_Ｘ）、酸化ハウニウム（ＨｆＯ_Ｘ）、酸化イットリウム（ＹＯ_Ｘ）である。
酸化物系金属薄膜２は、例えば、酸素雰囲気において、金属酸化物における酸化前の金属（金属モリブテン、金属タングステン、金属タンタル、金属チタン、金属バナジウム、金属クロム、金属ジルコニア、金属ハウニウム、金属イットリウム）をスパッタリングして、基板２の表面上に堆積（担持）する。

触媒金属薄膜３は、酸化物系金属薄膜２の表面上に担持（堆積）され、水素ガス（Ｈ_２：水素分子）を吸着して、水素ガス（Ｈ_２）を水素原子（Ｈ^＋：プロント）及び電子に解離する。
触媒金属薄膜３としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）である。
触媒金属薄膜３の担持（堆積）は、高周波スパッタリング法、直流スパッタリング法、分子線エキピシタ法又は真空蒸着法、ゾルゲル法で実行でき、例えば、透明薄膜として酸化物系金属薄膜２の表面上に密着させる。

水素ガス検知板及びシートＸは、酸化モリブデン（ＷｏＯ_Ｘ）、酸化タングステン（ＷＯ_Ｘ）、酸化タンタル（ＴａＯ_Ｘ）、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）、酸化バナジウム（ＶＯ_Ｘ）、酸化クロム（ＣｒＯ_Ｘ）、酸化ジルコニア（ＺｒＯ_Ｘ）、酸化ハウニウム（ＨｆＯ_Ｘ）、酸化イットリウム（ＹＯ_Ｘ）から任意の一の酸化物系金属薄膜２（金属酸化物）を選択し、及び白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）から任意の一の触媒金属薄膜３を選択し、選択した酸化物系金属薄膜２及び触媒金属薄膜３にて構成する。

水素ガス検知板及びシートＸは、水素ガス漏洩を判別（検知）する領域に配置される。水素ガス検知板及びシートＸは、水素ガス（Ｈ_２）に曝されると、触媒金属薄膜３は水素ガス（Ｈ_２）を吸着して、水素ガス（Ｈ_２）を水素原子（Ｈ^＋）及び電子に解離する。水素原子（Ｈ^＋）は触媒金属薄膜２から酸化物系金属薄膜２に拡散される。酸化物系金属薄膜２は水素原子（Ｈ^＋）を吸蔵して、水素原子（Ｈ^＋）による還元にて着色する（還元反応）。
水素ガス漏洩を監視する者は、水素ガス検知板及びシートＸにおいて、酸化物系金属薄膜２の着色を視認（目視）することで、水素ガス漏洩を判別できる。
このように、水素ガス検知板及びシートＸは、水素原子（Ｈ^＋）による還元にて着色する酸化物系金属薄膜２の着色特性（水素還元の前後で変色する特性）にて水素ガス非漏洩又は水素ガス漏洩を検知する。
また、水素ガス検知板及びシートＸにおいて、金属テープ又は金属シート）、可塑性化学樹脂シート又は化学樹脂テープ、セラミックシートにて基板２を構成することで、人体の腕等に沿って基板２を曲げて人体に装着でき、人体周囲の水素ガス漏洩を判別できる。その他、水素ガス漏洩を監視、判別（検知）する機器にも基板２を曲げることで、水素ガス漏洩に適用した位置に水素ガス検知板及びシートＸを装着できる。

水素ガス検知板及びシートＸでは、酸化物系金属薄膜２の金属酸化物に応じて、可逆性・水素ガス検知板及びシートＸ１、又は不可逆・水素ガス検知板及びシートＸ２を構成できる。

＜可逆性・水素ガス検知板及びシートＸ１＞
可逆性・水素ガス検知板及びシートＸ１（以下、「水素ガス検知板及びシートＸ１」という）は、図２に示すように、例えば、ガラス基板１Ａ、酸化タングステン薄膜２Ａ、及び白金薄膜３Ａを備える。
酸化タングステン薄膜２Ａは、可逆性の金属酸化物であって、水素原子（Ｈ^＋）による還元にて薄緑色から濃青色に着色する（還元反応）。酸化タングステン薄膜２Ａは、着色後の空気雰囲気（酸素）による酸化にて濃青色から薄緑色になり還元前に戻る（酸化反応）。
このように、可逆性・水素ガス検知板及びシートＸは、酸化還元反応する金属酸化物を酸化物系金属薄膜２とする。
酸化タングステン薄膜２Ａは、アルゴン及び酸素の減圧酸化雰囲気において、金属タングステンをスパッタリング（例えば、高周波マグネトロンスパッタリング法）して、ガス基板１Ａの表面上に堆積（担持）する。

白金薄膜３Ａは、触媒金属薄膜を構成し、水素ガス（Ｈ_２）を吸着して、水素ガス（Ｈ_２）を水素原子（Ｈ^＋）及び電子に解離する。
白金薄膜３Ａは、各種のスパッタリング法、真空蒸着法にて、例えば、膜厚：３０ｎｍ〜５０ｎｍの透明膜として酸化タングステン薄膜２Ａの表面上に密着させる。

次に、水素ガス検知板及びシートＸ１による、水素ガス（Ｈ_２）漏洩の監視、検知（判別）について、図２及び図３を参照して説明する。
なお、説明の便宜上、図２は、ガス監視領域Ｙに水素ガス（Ｈ_２）が漏洩していない空気雰囲気（以下、「水素ガス非漏洩」という）であり、図３は、ガス監視領域Ｙに水素ガス（Ｈ_２）が漏洩する水素ガス雰囲気（以下、「水素ガス漏洩」という）である。また、ガス監視領域Ｙとは、水素ガス漏洩で爆発の危険性のある領域である。

図２において、水素ガス漏洩を監視する者（以下、「監視者」という）は、ガス監視領域Ｙに水素ガス検知板及びシートＸ１を配置する。
水素ガス検知板及びシートＸ１は、図２に示すように、空気雰囲気である水素ガス非漏洩のガス監視領域Ｙに配置されるので、酸化タングステン薄膜２Ａは着色することなく、薄緑色（還元前の色）のままである。
監視者は、水素ガス検知板及びシートＸ１の色を視認（目視）し、酸化タングステン薄膜２Ａが薄緑色であると、水素ガス非漏洩と判別できる。

図３の水素ガス漏洩において、水素ガス（Ｈ_２）は、ガス監視領域Ｙに充満する。水素ガス検知板及びシートＸ１は、水素ガス（Ｈ_２）に曝される。これにより、白金薄膜３Ａ（触媒金属薄膜）は水素ガス（Ｈ_２）吸着して、水素ガス（Ｈ_２）を水素原子（Ｈ^＋：プロント）及び電子に解離する。水素原子（Ｈ^＋）は、白金薄膜３Ａから酸化タングステン薄膜２Ａ（酸化物系金属薄膜）に拡散される。
酸化タングステン薄膜２Ａは、水素原子（Ｈ^＋）を吸蔵して、水素原子（Ｈ^＋）による還元にて薄緑色から濃青色に着色する（還元反応）。
これにより、監視者は、酸化タングステン薄膜２Ａの濃青色を視認（目視）することで、水素ガス漏洩を判別（確認）できる。

水素ガス検知板及びシートＸ１は、濃青色の着色後、水素ガス非漏洩の空気雰囲気に曝されると、酸化タングステン薄膜２Ａは酸素を吸蔵して、酸素による酸化にて還元前に戻る（酸化反応）。
水素ガス検知板及びシートＸ１において、酸化タングステン薄膜２Ａは、酸化反応にて濃青色から薄緑色になる。

可逆性・水素ガス検知板及びシートＸ１では、酸化タングステン薄膜２Ａの酸化還元反応によって、薄緑色又は濃青色になるので、水素ガス漏洩を繰り返し検知できる。

＜不可逆性・水素ガス検知板及びシートＸ２＞
不可逆性・水素ガス検知板及びシートＸ２（以下、「水素ガス検知板及びシートＸ２」という）は、図４に示すように、鉄基板１Ｂ、酸化モリブデン薄膜２Ｂ、及びパラジウム薄膜３Ｂを備える。
酸化モリブデン薄膜２Ｂは、不可逆性の金属酸化物であって、水素原子（Ｈ^＋）による還元にて金属色から濃紺色に着色する（還元反応）。酸化モリブデン薄膜２Ｂは、着色後の空気雰囲気において、酸素により酸化することなく、空気雰囲気中にて還元前に戻らない（酸化反応しない）。
これにより、水素ガス検知板及びシートＸ２において、酸化モリブデン薄膜２Ｂは、着色後の濃紺色のままである。
酸化モリブデン薄膜２Ｂは、減圧酸化雰囲気において、金属モリブデンをスパッタリングして、鉄基板２Ｂの表面上に堆積（担持）する。

パラジウム薄膜３Ｂは、触媒金属薄膜を構成し、水素ガス（Ｈ_２）を吸着して、水素ガス（Ｈ_２）を水素原子（Ｈ^＋）及び電子に解離する。
パラジウム薄膜３Ｂは、各種のスパッタリング法、真空蒸着法等にて、透明膜として鉄基板１Ｂの表面上に密着させる。

次に、水素ガス検知板及びシートＸ２における、水素ガス（Ｈ_２）漏洩の監視、判別（検知）について、図４乃至図６を参照して説明する。
なお、説明の便宜上、図５及び図７は、水素ガス非漏洩であり、図６は水素ガス漏洩である。

図４において、監督者は、ガス監視領域Ｙに水素ガス検知板及びシートＸ２を配置する。水素ガス検知板及びシートＸ２は、図４に示すように、空気雰囲気である水素ガス非漏洩のガス監視領域Ｙに配置されるので、酸化モリブデン薄膜２Ｂは着色することなく、金属色のままである。
監視者は、水素ガス検知板及びシートＸ２の色を視認（目視）し、酸化モリブデン薄膜２Ｂが金属色であると、水素ガス非漏洩と判別できる。

図５の水素ガス漏洩において、水素ガス（Ｈ_２）は、ガス管理領域Ｙに充満する。水素ガス検知板及びシートＸ２は、水素ガス（Ｈ_２）に曝される。これにより、パラジウム薄膜３Ｂ（触媒金属薄膜）は、水素ガス（Ｈ_２）を吸着して、水素ガス（Ｈ_２）を水素原子（Ｈ^＋）及び電子に解離する。水素原子（Ｈ^＋）は、パラジウム薄膜３Ｂから酸化モリブデン薄膜２Ｂ（酸化物系金属薄膜）に拡散される。
酸化モリブデン薄膜２Ｂは、水素原子（Ｈ^＋）を吸蔵して、水素原子（Ｈ^＋）による還元にて金属色から濃紺色に着色する（還元反応）。
これにより、監視者は、酸化モリブデン薄膜２Ｂの濃紺色を視認（目視）するこで、水素ガス漏洩を判別（検知）できる。

水素ガス検知板及びシートＸ２は、図６に示すように、濃紺色の着色後、水素ガス非漏洩の空気雰囲気に曝されると、酸素により酸化（酸化反応）することなく、濃紺色のままで還元前に戻らない。
これにより、監視者は、過去の水素ガス漏洩の痕跡を確認でき、水素ガス漏洩の事実を証拠として残すことができる。

水素ガス検知板及びシートＸでは、酸化モリブデン（ＷｏＯ_Ｘ）、酸化タングステン（ＷＯ_Ｘ）、酸化タンタル（ＴａＯ_Ｘ）、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）、酸化バナジウム（ＶＯ_Ｘ）、酸化クロム（ＣｒＯ_Ｘ）、酸化ジルコニア（ＺｒＯ_Ｘ）、酸化ハウニウム（ＨｆＯ_Ｘ）、酸化イットリウム（ＹＯ_Ｘ）から任意の一の酸化物系金属薄膜２（金属酸化物）を選択することで、可逆性・水素ガス検知板及びシートＸ１又は不不可逆性・水素ガス検知板及びシートＸ２を構成できる。

本考案は、水素ガス漏洩を検知するのに最適である。

Ｘ，Ｘ１，Ｘ２ 水素ガス検知板及びシート
１ 基板
１Ａ ガラス基板
１Ｂ 鉄基板
２ 酸化物系金属薄膜
２Ａ 酸化タングステン薄膜
２Ｂ 酸化モリブデン薄膜
３ 触媒金属薄膜
３Ａ 白金薄膜
３Ｂ パラジウム薄膜

本考案に係る請求項１は、基板と、前記基板の表面上に形成され、水素原子による還元にて着色する酸化物系金属薄膜と、前記酸化物系金属薄膜の表面上に担持され、水素ガスを吸着して前記水素原子に解離する触媒金属薄膜と、を備えてなることを特徴とする水素ガス検知板である。

本考案に係る請求項２は、前記酸化物系金属薄膜は、前記水素原子による還元にて着色し、及び前記着色後の空気雰囲気にて前記還元前に戻らない不可逆性の金属酸化物でなることを特徴とする請求項１に記載の水素ガス検知板である。

本考案に係る請求項３は、前記酸化物系金属は、酸化モリブデンであることを特徴とする請求項２に記載の水素ガス検知板である。

本考案に係る請求項４は、金属基板と、前記金属基板の表面上に形成される酸化モリブデン薄膜と、前記酸化モリブデン薄膜の表面上に担持されるパラジウム薄膜と、を備えてなることを特徴とする水素ガス検知板である。

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板の表面上に形成され、水素原子による還元にて着色する酸化物系金属薄膜と、
   前記酸化物系金属薄膜の表面上に担持され、水素ガスを吸着して前記水素元素に解離する触媒金属薄膜と、
   を備えてなることを特徴とする水素ガス検知板及びシート。
2. 前記酸化物系金属薄膜は、
   前記水素原子による還元にて着色し、及び前記着色後の空気雰囲気にて前記還元前に戻らない不可逆性の金属酸化物でなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の水素ガス検知板及びシート。
3. 前記金属酸化物は、
   酸化モリブデンである
   ことを特徴とする請求項２に記載の水素ガス検知板及びシート。
4. 金属基板と、
   前記金属基板の表面上に形成される酸化モリブデン薄膜と、
   前記酸化モリブデン薄膜の表面上に担持されるパラジウム薄膜と、
   を備えてなることを特徴とする水素ガス検知板及びシート。

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