JP3241418U - Hydrogen gas detector - Google Patents

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Abstract

【課題】漏洩した水素を、燃焼する前の状態で発見できる水素ガス検知装置を提供する。【解決手段】水素ガス検知装置1aは、基板2aと、前記基板表面に形成され、白金族に属する金属によって構成されてなると共に水素を含有する金属薄膜5とから構成され、前記金属薄膜が水素ガスとの接触により可逆的に変色するガスクロミック金属薄膜を備えることにより、特別な金属触媒などを要することなく、非常に簡単な構成によって水素検知機能を備える。【選択図】図2A hydrogen gas detection device capable of detecting leaked hydrogen before it is combusted is provided. A hydrogen gas detection device (1a) comprises a substrate (2a) and a metal thin film (5) formed on the surface of the substrate and made of a metal belonging to the platinum group and containing hydrogen. By providing a gas chromic metal thin film that reversibly changes color upon contact with gas, a hydrogen detection function is provided with a very simple configuration without requiring a special metal catalyst or the like. [Selection drawing] Fig. 2

Description

本考案は、水素ガスを検知するための水素ガス検知装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen gas detection device for detecting hydrogen gas.

近年、水素は次世代のクリーンエネルギーの原料として注目を集めている。例えば、水素を燃料とする燃料電池、燃料電池自動車等への利用についての技術開発が盛んにおこなわれている。一方で、ガラス、鉄鋼、化学物質、燃料電池又は半導体等の工業製品の製造工程においては水素ガスが発生する場合がある。 In recent years, hydrogen has attracted attention as a raw material for next-generation clean energy. For example, technological developments are actively being carried out for use in fuel cells using hydrogen as fuel, fuel cell vehicles, and the like. On the other hand, hydrogen gas may be generated in the manufacturing process of industrial products such as glass, steel, chemicals, fuel cells or semiconductors.

登実3192457号公報Tomi No. 3192457

一方で、水素は、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る。さらに、水素自体は無味無臭であり、さらに水素が燃焼する際の炎は目に見えないため、水素が漏洩した際に、燃焼していたとしても目視による確認ができないといった監視の困難性を有する。 On the other hand, hydrogen has the danger of exploding in an oxygen atmosphere and must be handled with care. Furthermore, hydrogen itself is tasteless and odorless, and since the flame when hydrogen burns is invisible, it is difficult to monitor when hydrogen leaks, even if it is burning, it cannot be visually confirmed. .

そのため、水素を取り扱うためには、漏洩した水素を、燃焼する前の状態で発見できるように監視、検知できる技術が必要となる。 Therefore, in order to handle hydrogen, a technology that can monitor and detect leaked hydrogen before it is combusted is required.

また、無味無臭の水素の漏洩を漏らさずに監視するためには、数多くの検知手段を設置することが必要となる。そのため、検知手段はできるだけ簡素な構造であることが望ましい。 In addition, in order to monitor leakage of tasteless and odorless hydrogen without leaking, it is necessary to install a large number of detection means. Therefore, it is desirable that the detection means have a structure as simple as possible.

そこで、上記課題を解決する手段として本考案に係る水素検知装置は、基板と、前記基板表面に形成され、白金族に属する金属によって構成されてなると共に水素を含有する金属薄膜とから構成され、前記金属薄膜が、水素ガスとの接触により可逆的に光の透過率が変化するガスクロミック金属薄膜であることを特徴とする。 Therefore, as a means for solving the above problems, the hydrogen detection device according to the present invention comprises a substrate, and a metal thin film formed on the surface of the substrate and made of a metal belonging to the platinum group and containing hydrogen, The metal thin film is characterized by being a gaschromic metal thin film whose light transmittance reversibly changes upon contact with hydrogen gas.

金属薄膜の基板表面への形成(堆積)には、高周波スパッタリング法、直流スパッタイング法、分子線エピタキシ法又は真空蒸着法を用いることができる。基板表面に形成された金属薄膜は、例えば、膜厚が30nm~100nmの薄膜として形成されてなることが好ましいが、検出光を透過できる厚さであればよい。 A high-frequency sputtering method, a DC sputtering method, a molecular beam epitaxy method, or a vacuum vapor deposition method can be used to form (deposit) the metal thin film on the substrate surface. The metal thin film formed on the substrate surface is preferably formed as a thin film having a thickness of, for example, 30 nm to 100 nm.

また、前記金属薄膜中が酸素を含有する気体と接触した状態であることが好ましい。さらにまた、前記酸素を含有する気体が空気であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the inside of the metal thin film is in contact with a gas containing oxygen. Furthermore, it is preferable that the gas containing oxygen is air.

前記白金族に属する金属として、水素吸蔵機能を有する白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム、若しくはパラジウムであることが好ましい。特に好ましくは、パラジウムである。また、白金族に属する金属とマグネシウム又はニッケルとの合金であってもよい。 The platinum group metal is preferably platinum, ruthenium, rhodium, osmium, iridium, or palladium, which has a hydrogen storage function. Palladium is particularly preferred. Alternatively, it may be an alloy of a metal belonging to the platinum group and magnesium or nickel.

前記基板が透明であることが好ましい。基板が透明であることにより、水素検知用の検出光を基板の裏面側から基板の表面に形成された白金族に属する金属膜に透過させる構造を備える水素検知システムを構成することができるからである。これにより、検出光の光源部材と検出光を取得する光入力部材との間に本考案に係る水素ガス検知装置を配置することができるため、水素検知システムの構造の簡素化を図ることができる。この場合、基板には透明なガラスであることが好ましい。例えば、透明な基板として非晶質の石英ガラス(SiO)を用いることができる。基板をガラスとすることによって、基板の原料を安価に手に入れることができるだけでなく、周囲環境に対して安定な基板を備える水素ガス検知装置を提供することができるからである。 Preferably, the substrate is transparent. Since the substrate is transparent, it is possible to construct a hydrogen detection system having a structure in which detection light for detecting hydrogen is transmitted from the back side of the substrate to a metal film belonging to the platinum group formed on the front surface of the substrate. be. As a result, the hydrogen gas detection device according to the present invention can be arranged between the light source member for the detection light and the optical input member for acquiring the detection light, so that the structure of the hydrogen detection system can be simplified. . In this case, the substrate is preferably transparent glass. For example, amorphous quartz glass (SiO 2 ) can be used as the transparent substrate. This is because, by using glass as the substrate, it is possible not only to obtain the raw material for the substrate at a low cost, but also to provide a hydrogen gas detection device having a substrate that is stable against the surrounding environment.

さらに、水素ガス検知装置を備えてなる水素検知システムであることが好ましい。当該水素検知システムとしては、光学式水素検知システム、若しくは電気的水素検知システムであることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the hydrogen detection system is provided with a hydrogen gas detection device. The hydrogen detection system is preferably an optical hydrogen detection system or an electrical hydrogen detection system.

光学式水素検知システムには、前記水素ガス検知装置、金属膜に対して検出光を照射するための光源部材、及び金属膜を透過若しくは反射した検出光を取得して光の特性変化を検知する検知手段を備えるものであることが好ましい。 The optical hydrogen detection system includes the hydrogen gas detection device, a light source member for irradiating detection light to the metal film, and detection light transmitted or reflected by the metal film to detect changes in light characteristics. It is preferable to have a detection means.

電気的水素検知システムには、前記水素ガス検知装置、当該水素ガス検知装置を構成する金属膜を介して電圧を付加する電源、及び前記水素ガス検知装置が水素を感知することにより金属膜に生じた電圧変化を検知する電圧検知手段を備えるものであることが好ましい。とくに、前記電気的水素検知システムとして、同一の構成を備える2つの水素ガス検知装置を備えたブリッジ回路であって、一方の前記水素ガス検知装置が周囲環境から隔離され前記ブリッジ回路から出力される電圧を測定可能な電圧測定部材を備えるものであることが好ましい。このとき、周囲環境から隔離される前記一方の水素ガス検知装置は、水素を必要十分に遮断する隔離容器に収容されてなることが好ましい。 The electrical hydrogen detection system includes the hydrogen gas detection device, a power source for applying a voltage through the metal film that constitutes the hydrogen gas detection device, and hydrogen generated in the metal film by the hydrogen gas detection device sensing hydrogen. It is preferable to have voltage detection means for detecting a voltage change. In particular, the electrical hydrogen detection system is a bridge circuit comprising two hydrogen gas detection devices having the same configuration, one of the hydrogen gas detection devices being isolated from the surrounding environment and output from the bridge circuit. It is preferable to have a voltage measuring member capable of measuring voltage. At this time, it is preferable that the one hydrogen gas detection device, which is isolated from the ambient environment, is housed in an isolation container that blocks hydrogen sufficiently.

さらに、本考案は、前記水素ガス検知装置を用いて水素を検知することを特徴とする水素検知方法であることが好ましい。なお、当該水素検知方法には、前記水素検知システムを用いて水素を検知する方法を含むことができる。 Furthermore, it is preferable that the present invention is a hydrogen detection method characterized by detecting hydrogen using the hydrogen gas detection device. The hydrogen detection method can include a method of detecting hydrogen using the hydrogen detection system.

本考案によれば、特別な金属触媒などを要することなく、非常に簡単な構成によって水素検知機能を備える水素検知装置、及びこれを用いる水素検知方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hydrogen detection apparatus provided with a hydrogen detection function by a very simple structure without requiring a special metal catalyst etc., and the hydrogen detection method using the same can be provided.

水素ガス検知装置1の積層構造を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a laminated structure of the hydrogen gas detection device 1. FIG. 光学式水素検知システムX1の概略を表すブロック図である。1 is a schematic block diagram of an optical hydrogen detection system X1; FIG. 水素ガス検知装置1aの電気的特性を示す図である。It is a figure which shows the electrical characteristic of the hydrogen gas detection apparatus 1a. 光学式水素検知システムX2の概略を表すブロック図である。1 is a schematic block diagram of an optical hydrogen detection system X2; FIG. 電気的水素検知システムX3の概略を表すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an outline of an electrical hydrogen detection system X3; FIG. 水素ガス検知装置1ca,1cbの積層構造を示す概略図である。It is a schematic diagram showing a laminated structure of hydrogen gas detectors 1ca and 1cb.

以下、本考案に係る実施の形態を、図を参照しながら詳しく説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present specification and drawings, constituent elements having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, thereby omitting redundant description.

図1には本考案に係る水素ガス検知装置1の断面構造の概略図を示す。 FIG. 1 shows a schematic diagram of a cross-sectional structure of a hydrogen gas detection device 1 according to the present invention.

図1(a)に示すように、基板2には、非晶質の石英ガラス(SiO)、又はアルミニウム(Al)又は鉄(Fe)等の金属、セラミックを用いることができる。以下、基板2に透明な石英ガラスを用いたものをガラス基板2aとし、アルミニウムを用いたものをアルミニウム基板2bとする。 As shown in FIG. 1A, the substrate 2 can be made of amorphous quartz glass (SiO 2 ), metal such as aluminum (Al) or iron (Fe), or ceramic. Hereinafter, the substrate 2 using transparent quartz glass will be referred to as a glass substrate 2a, and the substrate using aluminum will be referred to as an aluminum substrate 2b.

パラジウム薄膜3は、パラジウム金属をターゲットとして、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)により基板2の表面上に成膜されてなる。 The palladium thin film 3 is formed on the surface of the substrate 2 by sputtering (for example, high-frequency magnetron sputtering) using palladium metal as a target.

次に、図1(b)に示すように、パラジウム薄膜3が製膜された基板2を、窒素ガスに対して水素濃度2%の混合ガス雰囲気中に曝してパラジウム薄膜3中に水素4を吸着させる。これにより、図1(c)に示すように、水素4を含有するガスクロミック金属薄膜5を形成する。水素4を含有してなるガスクロミック金属薄膜5が形成された基板2を大気中Aに取り出して暴露させ、これを水素ガス検知装置1とする。なお本実施の形態において、大気中Aとは空気中と同義である。なお、ガスクロミック金属薄膜5中に含有されてなる水素4には、ガスクロミック金属薄膜5中で解離された水素原子の状態を含む。 Next, as shown in FIG. 1(b), the substrate 2 on which the palladium thin film 3 is formed is exposed to a mixed gas atmosphere having a hydrogen concentration of 2% with respect to nitrogen gas, so that hydrogen 4 is introduced into the palladium thin film 3. Absorb. As a result, a gaschromic metal thin film 5 containing hydrogen 4 is formed as shown in FIG. 1(c). The substrate 2 on which the gaschromic metal thin film 5 containing hydrogen 4 is formed is taken out and exposed to the atmosphere A, and the hydrogen gas detector 1 is obtained. In this embodiment, the atmosphere A is synonymous with the atmosphere. The hydrogen 4 contained in the gaschromic metal thin film 5 includes hydrogen atoms dissociated in the gaschromic metal thin film 5 .

考案者は、鋭意研究を重ねることにより、水素ガス検知装置1に水素ガスを接触させて白金族に属する金属であるパラジウム薄膜3中に水素を含有させると、ガスクロミック金属薄膜5の光の透過率が可逆的に変化することを見出した。この特性に基づき、水素ガス検知装置1は、次に説明する光学式水素検知システムX1,X2を用いれば、水素ガスが監視対象から漏洩して水素ガス検知装置1に接触することで検出光からの光強度の変化を検出することにより水素ガスの漏洩を知ることができる。 Through intensive research, the inventor has found that when hydrogen gas is brought into contact with the hydrogen gas detector 1 and hydrogen is contained in the palladium thin film 3, which is a metal belonging to the platinum group, the light transmission of the gaschromic metal thin film 5 is improved. We found that the rate changed reversibly. Based on this characteristic, the hydrogen gas detection device 1 uses the optical hydrogen detection systems X1 and X2 to be described below. Hydrogen gas leakage can be detected by detecting a change in the light intensity of .

〔第一の実施形態〕
次に、第一の実施形態として、水素ガス検知装置1aを用いた光学式水素検知システムX1の構成例について説明する。図2には、光学式水素検知システムX1の概略を表すブロック図を示す。光学式水素検知システムX1は、内部空間Kを有する箱体である装置筐体6、水素ガス検知装置1a、光検知手段7、水素判別手段8、及び警報部9を備える。なお、光検知手段7の一部と水素判別手段8は判別装置筐体60に収められてなる。
[First embodiment]
Next, a configuration example of an optical hydrogen detection system X1 using the hydrogen gas detection device 1a will be described as a first embodiment. FIG. 2 shows a schematic block diagram of the optical hydrogen detection system X1. The optical hydrogen detection system X1 includes a device housing 6 which is a box-like body having an internal space K, a hydrogen gas detection device 1a, a light detection means 7, a hydrogen determination means 8, and an alarm section 9. Part of the light detection means 7 and the hydrogen determination means 8 are housed in a determination device housing 60 .

光学式水素検知システムX1において、水素ガス検知装置1aは透明な石英ガラスからなるガラス基板2aの表面にガスクロミック金属薄膜5が形成されたものである。水素ガス検知装置1aは、図2に示すように、装置筐体6の内部空間Kに配置される。 In the optical hydrogen detection system X1, the hydrogen gas detection device 1a has a gaschromic metal thin film 5 formed on the surface of a glass substrate 2a made of transparent quartz glass. The hydrogen gas detection device 1a is arranged in the internal space K of the device housing 6, as shown in FIG.

光検知手段7は、水素ガス検知装置1aのガスクロミック金属薄膜5内部を経由して入力される検出光を検知し、検知した光の強度を入力電気信号f1に変換して出力する。
光検知手段7は、図2に示すように、光センサで構成され、発光ユニット10及び受光ユニット11を備える。
The light detection means 7 detects detection light input through the inside of the gaschromic metal thin film 5 of the hydrogen gas detection device 1a, converts the intensity of the detected light into an input electric signal f1, and outputs the input electric signal f1.
As shown in FIG. 2, the light detection means 7 is composed of a light sensor and includes a light emitting unit 10 and a light receiving unit 11. As shown in FIG.

発光ユニット10は、投光レンズ12、発光素子13及び発光側光ファイバ素子14で構成される。 The light emitting unit 10 is composed of a light projecting lens 12 , a light emitting element 13 and a light emitting side optical fiber element 14 .

投光レンズ12は、発光素子13から放射された光を基板2の裏面側からガスクロミック金属薄膜5に照射する。投光レンズ12は、図2に示すように、装置筐体6の内部空間Kに配置される。 The light projection lens 12 irradiates the light emitted from the light emitting element 13 onto the gaschromic metal thin film 5 from the back side of the substrate 2 . The projection lens 12 is arranged in the internal space K of the apparatus housing 6, as shown in FIG.

発光素子13は、例えば、白色発光する発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)でなる(以下、「発光ダイオード13」という)。発光ダイオード13は、LED駆動回路15に電気的に接続される。LED駆動回路15は、LED電源16に電気的に接続される。 The light emitting element 13 is, for example, a light emitting diode (LED) that emits white light (hereinafter referred to as "light emitting diode 13"). The light emitting diode 13 is electrically connected to the LED drive circuit 15 . The LED drive circuit 15 is electrically connected to the LED power supply 16 .

発光側光ファイバ素子14は、ガラスファイバ、ポリファイバであり、例えば光ファイバケーブルとして使用する。
発光側光ファイバ素子14は、発光ダイオード13及び投光レンズ12を光学的に接続し、発光ダイオード13の発光を投光レンズ12に伝送する。
The light emitting side optical fiber element 14 is glass fiber or poly fiber, and is used as an optical fiber cable, for example.
The light-emitting side optical fiber element 14 optically connects the light-emitting diode 13 and the projection lens 12 and transmits light emitted from the light-emitting diode 13 to the projection lens 12 .

受光ユニット11は、受光レンズ17、受光素子18及び受光側光ファイバ素子19で構成される。 The light receiving unit 11 is composed of a light receiving lens 17 , a light receiving element 18 and a light receiving side optical fiber element 19 .

受光レンズ17は、ガスクロミック金属薄膜5を透過した検出光を集光して、受光素子18に導入する。受光レンズ17は、図2に示すように、装置筐体6の内部空間Kに配置される。受光レンズ17は、内部空間Kにおいてガスクロミック金属薄膜5の前面に離隔した位置に配置される。 The light-receiving lens 17 collects the detection light transmitted through the gaschromic metal thin film 5 and introduces it into the light-receiving element 18 . The light-receiving lens 17 is arranged in the internal space K of the apparatus housing 6, as shown in FIG. The light-receiving lens 17 is arranged in the internal space K at a position separated from the front surface of the gaschromic metal thin film 5 .

受光素子18は、例えば、フォトトランジスタで構成される(以下、「フォトトランジスタ18」という)。フォトトランジスタ18は、可視光の波長範囲(380nm~780nm)において、検出光を受光し、その光強度を入力電気信号f1(実施形態1,2においては光電流)に変換して出力する。フォトトランジスタ18は、信号増幅部20を通して水素判別手段8に電気的に接続される。信号増幅部20は、入力電気信号f1を増幅して水素判別手段8に出力する。
これにより、フォトトランジスタ18は、検出光の光強度を入力電気信号f1に変換する。
The light receiving element 18 is composed of, for example, a phototransistor (hereinafter referred to as "phototransistor 18"). The phototransistor 18 receives detection light in the wavelength range of visible light (380 nm to 780 nm), converts the light intensity into an input electrical signal f1 (photocurrent in the first and second embodiments), and outputs the signal. The phototransistor 18 is electrically connected to the hydrogen determining means 8 through the signal amplifying section 20 . The signal amplifier 20 amplifies the input electric signal f1 and outputs it to the hydrogen discrimination means 8 .
Thereby, the phototransistor 18 converts the light intensity of the detected light into an input electrical signal f1.

受光側光ファイバ素子19は、ガラスファイバ、ポリファイバであり、例えば光ファイバケーブルとして使用する。受光側光ファイバ素子19は、フォトダイオード39及び受光レンズ17を光学的に接続し、受光レンズ17にて集光された光をフォトダイオード39に伝送する。 The light-receiving side optical fiber element 19 is made of glass fiber or polyfiber, and is used as an optical fiber cable, for example. The light-receiving side optical fiber element 19 optically connects the photodiode 39 and the light-receiving lens 17 and transmits the light condensed by the light-receiving lens 17 to the photodiode 39 .

水素判別手段8は、入力電気信号f1を入力し、入力電気信号f1の変化に基づいて水素漏洩を判別する。水素判別手段8は、図2に示すように、制御部21、信号記憶部22、信号演算部23、及び水素ガス判別部24を備える。 The hydrogen discriminating means 8 receives the input electric signal f1 and discriminates hydrogen leakage based on the change in the input electric signal f1. The hydrogen discrimination means 8 includes a control section 21, a signal storage section 22, a signal calculation section 23, and a hydrogen gas discrimination section 24, as shown in FIG.

制御部21は、信号増幅部20を通してフォトトランジスタ18に電気的に接続される。制御部21は、信号記憶部22、及び信号演算部23に電気的に接続される。
また、制御部21は、LED駆動回路15に電気的に接続され、LED駆動回路15に光電気信号fdを出力する。
The controller 21 is electrically connected to the phototransistor 18 through the signal amplifier 20 . The control unit 21 is electrically connected to the signal storage unit 22 and the signal calculation unit 23 .
The controller 21 is also electrically connected to the LED drive circuit 15 and outputs a photoelectric signal fd to the LED drive circuit 15 .

信号記憶部22は、基準電気信号f2をデータとして記憶する。基準電気信号f2は、空気雰囲気(水素ガス非漏洩)におけるガスクロミック金属薄膜5内部を経由して受光素子18から出力された電気信号の強度である。 The signal storage unit 22 stores the reference electric signal f2 as data. The reference electric signal f2 is the intensity of the electric signal output from the light receiving element 18 via the inside of the gaschromic metal thin film 5 in an air atmosphere (no leakage of hydrogen gas).

信号演算部23は、基準電気信号f2から入力電気信号f1を減算して、差分電気信号f3の絶対値(f3=|f2-f1|)を演算する。信号演算部23は、水素ガス判別部24に電気的に接続され、差分電気信号f3を水素ガス判別部24に出力する。 The signal calculator 23 subtracts the input electric signal f1 from the reference electric signal f2 to calculate the absolute value (f3=|f2-f1|) of the difference electric signal f3. The signal calculator 23 is electrically connected to the hydrogen gas discriminator 24 and outputs the differential electric signal f3 to the hydrogen gas discriminator 24 .

水素ガス判別部24は、差分電気信号f3及び判別電気信号fhを比較して、差分電気信号f3が判別電気信号fn以上であると、水素ガスを検出したと判断する。判別電気信号fhは、雑音レベルの電気信号の変化によって水素ガスを検知したと誤って判断することを避けるため、一定強度に設定された判別電気信号fh以下の信号強度に対しては水素ガスを検知したとは判断しないための信号強度値である。 The hydrogen gas discrimination unit 24 compares the difference electric signal f3 and the discrimination electric signal fh, and judges that hydrogen gas is detected when the difference electric signal f3 is equal to or greater than the discrimination electric signal fn. In order to avoid erroneously determining that hydrogen gas has been detected due to changes in the noise level of the electrical signal, the discrimination electric signal fh is set to a certain intensity, and the hydrogen gas is detected for signal strengths below the discrimination electric signal fh. This is the signal strength value for not judging that it has been detected.

水素ガス判別部24は、警報部9に電気的に接続され、水素ガスを検出したと判断すると、警報電気信号fkを警報部9に出力する。警報部9(警報装置)は、図2に示すように、水素ガス判別部24から警報電気信号fkを入力して、警報を発する。警報部9は、警笛、ベル又は表示灯等で構成され、水素ガス判別部24に電気的に接続される。 The hydrogen gas determination unit 24 is electrically connected to the alarm unit 9 and outputs an alarm electric signal fk to the alarm unit 9 when it determines that hydrogen gas has been detected. As shown in FIG. 2, the alarm unit 9 (alarm device) receives the alarm electric signal fk from the hydrogen gas discrimination unit 24 and issues an alarm. The alarm unit 9 is composed of an alarm whistle, a bell, an indicator lamp, or the like, and is electrically connected to the hydrogen gas discrimination unit 24 .

〔水素ガス検知装置1の特性〕
次に水素ガス検知装置1の特性について説明する。例として、ガラス基板2a上にガスクロミック金属薄膜5を成膜してなる水素ガス検知装置1aを用いた光学式水素検知システムX1にもとづいて測定した電圧特性の変化に基づいて、水素ガスを検出する様子を説明する。
[Characteristics of hydrogen gas detector 1]
Next, characteristics of the hydrogen gas detection device 1 will be described. As an example, hydrogen gas is detected based on changes in voltage characteristics measured based on an optical hydrogen detection system X1 using a hydrogen gas detection device 1a formed by forming a gaschromic metal thin film 5 on a glass substrate 2a. Explain how to do it.

図3によれば、ガラス基板2a上にパラジウム薄膜3を成膜した直後は大気中において約4Vの電圧を示していたが、2分時点で2%濃度水素混合ガスに曝すと、パラジウム薄膜3への水素4の吸着が飽和状態となり、約2.5Vに減少した後一定の電圧を示した。なお、ガラス基板2a上にパラジウム薄膜3を成膜したあと、単に大気中にパラジウム薄膜3を曝し続けても、時間に対して電圧に変化は見られなかった。 According to FIG. 3, immediately after forming the palladium thin film 3 on the glass substrate 2a, the voltage was about 4 V in the atmosphere. Adsorption of hydrogen 4 to the saturate state, decreased to about 2.5 V, and showed a constant voltage. After forming the palladium thin film 3 on the glass substrate 2a, even if the palladium thin film 3 was simply kept exposed to the atmosphere, the voltage did not change with time.

次に、水素ガス検知装置1aを10分時点で2%濃度水素混合ガスから大気中に暴露すると電圧はさらに約1.9Vまで下がり一定となった。図3においてこの約1.9Vの電圧を基準電圧Vf2(基準電気信号f2)ということとする。 Next, when the hydrogen gas detector 1a was exposed to the air from a 2% concentration hydrogen mixed gas at 10 minutes, the voltage further decreased to about 1.9 V and became constant. In FIG. 3, this voltage of approximately 1.9 V is referred to as a reference voltage Vf2 (reference electric signal f2).

ここで、13分時点で水素ガス検知装置1aに再び2%濃度水素混合ガスを吹き付けると電圧が約0.6V上昇した。この電圧の変化により水素ガスの存在を検出することができた。 Here, when the 2% concentration hydrogen mixed gas was blown again to the hydrogen gas detection device 1a at the time of 13 minutes, the voltage increased by about 0.6V. The presence of hydrogen gas could be detected by this change in voltage.

また、15分時点で2%濃度水素混合ガスの吹き付けを停止すると、電圧は基準電圧Vf2に下がった。さらに18分時点で2%濃度水素混合ガスを吹き付けると、同様の電圧の上昇がみられ、濃度の同じ水素ガスでは電圧の上昇も同程度であることが分かった。 Further, when the blowing of the 2% concentration hydrogen mixed gas was stopped at 15 minutes, the voltage dropped to the reference voltage Vf2. Furthermore, when a 2% concentration hydrogen mixed gas was sprayed at 18 minutes, a similar increase in voltage was observed, and it was found that the voltage increase was about the same with hydrogen gas having the same concentration.

また、23分時点で基準電圧Vf2にある水素ガス検知装置1aに0.4%濃度水素混合ガスを吹き付けると、電圧が基準電気信号f2から約0.3V上昇した。これにより、濃度の異なる水素ガスであっても水素ガスの存在を検出することができることが分かった。 Further, when the 0.4% concentration hydrogen mixed gas was blown to the hydrogen gas detection device 1a at the reference voltage Vf2 at the time point of 23 minutes, the voltage increased by about 0.3V from the reference electric signal f2. As a result, it was found that the presence of hydrogen gas can be detected even if the concentration of hydrogen gas is different.

また、25分時点で0.4%濃度水素混合ガスの吹き付けを停止すると電圧は基準電圧Vf2に戻り、その後28分時点でさらに2%濃度水素混合ガスを吹き付けると、同様の約0.3Vの電圧の上昇がみられ、0.4%濃度水素混合ガスであっても濃度の同じ水素ガスでは電圧の上昇は同程度であることが分かった。 In addition, when the spraying of the 0.4% concentration hydrogen mixed gas is stopped at 25 minutes, the voltage returns to the reference voltage Vf2. An increase in voltage was observed, and it was found that even with the 0.4% concentration hydrogen mixed gas, the increase in voltage was about the same for hydrogen gas with the same concentration.

また、2%濃度水素混合ガスを吹き付けた場合と、0.4%濃度水素混合ガスを吹き付けた場合とでは上昇する電圧量が異なることから、当該電圧からどの程度の濃度の水素ガスが漏えいしたのかについても計測することができる。 In addition, since the amount of voltage that rises when 2% concentration hydrogen mixed gas is sprayed and when 0.4% concentration hydrogen mixed gas is sprayed, it is possible to determine how much concentration hydrogen gas leaked from the voltage. can also be measured.

さらに、水素ガス検知装置1aは、図3にも示されるように、基準電圧Vf2が決定した後は、水素混合ガスの吹き付けと停止による大気暴露を複数回繰り返しても、水素混合ガスの吹き付けを停止した後には一定値である基準電圧Vf2を示す。また、吹き付けられる水素混合ガス中の水素濃度が変化しても基準電圧Vf2に回復する。したがって、水素ガス検知装置1aは、繰り返し使用に対しても安定して水素ガス検知を行うことができるものである。なお、このような傾向は基板2がガラス基板2a以外であっても同様である。 Furthermore, as shown in FIG. 3, after the reference voltage Vf2 is determined, the hydrogen gas detection device 1a does not stop spraying the hydrogen mixed gas even if exposure to the atmosphere by spraying and stopping the hydrogen mixed gas is repeated several times. After stopping, the reference voltage Vf2, which is a constant value, is indicated. Moreover, even if the hydrogen concentration in the hydrogen mixed gas to be sprayed changes, the voltage is recovered to the reference voltage Vf2. Therefore, the hydrogen gas detection device 1a can stably detect hydrogen gas even after repeated use. Such tendency is the same even if the substrate 2 is other than the glass substrate 2a.

〔第二の実施形態〕
次に、第二の実施形態として、水素ガス検知装置1bを用いた光学式水素検知システムX2の構成例について説明する。図4には、光学式水素検知システムX2の概略を表すブロック図を示す。なお、光学式水素検知システムX1と共通の構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
[Second embodiment]
Next, a configuration example of an optical hydrogen detection system X2 using the hydrogen gas detection device 1b will be described as a second embodiment. FIG. 4 shows a schematic block diagram of the optical hydrogen detection system X2. Components common to those of the optical hydrogen detection system X1 are denoted by the same reference numerals, thereby omitting redundant description.

光学式水素検知システムX2において、水素ガス検知装置1bはアルミニウム基板2bの表面にガスクロミック金属薄膜5が形成されたものである。水素ガス検知装置1bは、図2に示すように、装置筐体6の内部空間Kに配置される。 In the optical hydrogen detection system X2, the hydrogen gas detection device 1b has a gaschromic metal thin film 5 formed on the surface of an aluminum substrate 2b. The hydrogen gas detection device 1b is arranged in the internal space K of the device housing 6, as shown in FIG.

投光レンズ12は、発光素子13から放射された光を基板2の表面側からガスクロミック金属薄膜5に照射する。投光レンズ12は、図4に示すように、装置筐体6の内部空間Kに配置される。 The projection lens 12 irradiates the light emitted from the light emitting element 13 onto the gaschromic metal thin film 5 from the surface side of the substrate 2 . The projection lens 12 is arranged in the internal space K of the apparatus housing 6, as shown in FIG.

受光レンズ17は、ガスクロミック金属薄膜5内部を経由してアルミニウム基板2bで反射した検出光を集光して、受光素子18に導入する。受光レンズ17は、図4に示すように、装置筐体6の内部空間Kに配置される。受光レンズ17は、内部空間Kにおいてガスクロミック金属薄膜5の前面であって、水素ガス検知装置1bで反射した検出光を受光できる位置に配置される。 The light-receiving lens 17 converges the detection light reflected by the aluminum substrate 2 b through the inside of the gaschromic metal thin film 5 and introduces it into the light-receiving element 18 . The light receiving lens 17 is arranged in the internal space K of the apparatus housing 6, as shown in FIG. The light-receiving lens 17 is arranged in front of the gaschromic metal thin film 5 in the internal space K at a position where it can receive the detection light reflected by the hydrogen gas detector 1b.

水素ガス判別部24は、光学式水素検知システムX1の場合と同様に差分電気信号f3を判別する。また、水素ガス判別部24は警報部9に電気的に接続され、水素ガスを検出したと判断すると、警報電気信号fkを警報部9に出力する。警報部9(警報装置)は、図4に示すように、水素ガス判別部24から警報電気信号fkを入力して、警報を発する。警報部9は、警笛、ベル又は表示灯等で構成され、水素ガス判別部24に電気的に接続される。 The hydrogen gas discriminator 24 discriminates the difference electric signal f3 in the same manner as in the case of the optical hydrogen detection system X1. Further, the hydrogen gas determination unit 24 is electrically connected to the alarm unit 9, and outputs an alarm electric signal fk to the alarm unit 9 when it determines that hydrogen gas is detected. As shown in FIG. 4, the alarm unit 9 (alarm device) receives the alarm electric signal fk from the hydrogen gas discrimination unit 24 and issues an alarm. The alarm unit 9 is composed of an alarm whistle, a bell, an indicator lamp, or the like, and is electrically connected to the hydrogen gas discrimination unit 24 .

〔第三の実施形態〕
次に、第三の実施形態として、水素ガス検知装置1cを用いた電気的水素検知システムX3の構成例について説明する。図5には、電気的水素検知システムX3の概略を表すブロック図を示す。なお、光学式水素検知システムX1と共通の構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
[Third embodiment]
Next, a configuration example of an electrical hydrogen detection system X3 using the hydrogen gas detection device 1c will be described as a third embodiment. FIG. 5 shows a schematic block diagram of the electrical hydrogen detection system X3. Components common to those of the optical hydrogen detection system X1 are denoted by the same reference numerals, thereby omitting redundant description.

光学式水素検知システムX3は、ブリッジ回路25とブリッジ回路25に電圧を付加する電源26を備えると共に、ブリッジ回路25において検流器27から電圧Vgを取得して水素ガスの検出を判別する水素判別手段8及び警報部9を有する。 The optical hydrogen detection system X3 includes a bridge circuit 25 and a power supply 26 that applies a voltage to the bridge circuit 25, and obtains a voltage Vg from a current galvanometer 27 in the bridge circuit 25 to determine hydrogen gas detection. It has means 8 and an alarm unit 9 .

ブリッジ回路25には、対角AとBとの間水素ガス検知装置1ca、対角BとCとの間に水素ガス検知装置1cbを直列に接続し、対角AとDとの間に抵抗R1、対角DとCとの間に抵抗R2が接続されてなる。ここで、水素ガス検知装置1ca,1cbは、図6に示すように、ガラス基板2a上に形成したガスクロミック金属薄膜5の両側端に電極膜28、28を積層し、導電線29,29が接続されてなる。そして、水素ガス検知装置1caは外部からの水素ガスの侵入を防止し、水素を必要十分に遮断する隔離容器30に収納されてなる。 In the bridge circuit 25, a hydrogen gas detector 1ca is connected between diagonals A and B, a hydrogen gas detector 1cb is connected in series between diagonals B and C, and a resistor is connected between diagonals A and D. A resistor R2 is connected between R1 and diagonals D and C. Here, as shown in FIG. 6, the hydrogen gas detectors 1ca and 1cb are formed by stacking electrode films 28 and 28 on both sides of a gaschromic metal thin film 5 formed on a glass substrate 2a, and conducting wires 29 and 29. become connected. The hydrogen gas detection device 1ca is housed in an isolation container 30 that prevents hydrogen gas from entering from the outside and blocks hydrogen as much as necessary.

水素の漏洩がない状態においてブリッジ回路25の対角Bと対角Dとの間の電圧Vgは0となるように調整されている。ここで、水素ガスが水素ガス検知装置1ca,1cbの周囲に到達すると、隔離容器30によって防護されていない水素ガス検知装置1cbのガスクロミック金属薄膜5にのみ水素ガスが接触し、その抵抗値に変化を生じる。 The voltage Vg between the diagonal B and the diagonal D of the bridge circuit 25 is adjusted to 0 in a state where no hydrogen leaks. Here, when the hydrogen gas reaches the surroundings of the hydrogen gas detection devices 1ca and 1cb, the hydrogen gas contacts only the gaschromic metal thin film 5 of the hydrogen gas detection device 1cb, which is not protected by the isolation container 30, and its resistance value changes. change.

その際、検流器27において電圧Vgが検出されると共に、水素判別手段8に入力電気信号f1が出力される。入力電気信号f1が入力された水素判別手段8は、光学式水素検知システムX1と同様に差分電気信号f3を判別する。また、水素ガス判別部24は警報部9に電気的に接続され、水素ガスを検出したと判断すると、警報電気信号fkを警報部9に出力する。警報部9(警報装置)は、図5に示すように、水素ガス判別部24から警報電気信号fkを入力して、警報を発する。警報部9は、警笛、ベル又は表示灯等で構成され、水素ガス判別部24に電気的に接続される。 At that time, the voltage Vg is detected by the current detector 27 and the input electrical signal f1 is output to the hydrogen discriminating means 8 . The hydrogen discriminating means 8 to which the input electric signal f1 is input discriminates the difference electric signal f3 in the same manner as the optical hydrogen detection system X1. Further, the hydrogen gas determination unit 24 is electrically connected to the alarm unit 9, and outputs an alarm electric signal fk to the alarm unit 9 when it determines that hydrogen gas is detected. As shown in FIG. 5, the alarm unit 9 (alarm device) receives the alarm electric signal fk from the hydrogen gas discrimination unit 24 and issues an alarm. The alarm unit 9 is composed of an alarm whistle, a bell, an indicator lamp, or the like, and is electrically connected to the hydrogen gas discrimination unit 24 .

1 水素ガス検知装置
2 基板
5 ガスクロミック金属薄膜
8 水素判別手段
9 警報部
13 発光素子
18 受光素子
20 信号増幅部
24 水素ガス判別部
25 ブリッジ回路
REFERENCE SIGNS LIST 1 hydrogen gas detection device 2 substrate 5 gaschromic metal thin film 8 hydrogen discrimination means 9 alarm unit 13 light emitting element 18 light receiving element 20 signal amplification unit 24 hydrogen gas discrimination unit 25 bridge circuit

Claims (7)

基板と、
前記基板表面に形成され、白金族に属する金属によって構成されてなると共に水素を飽和吸着状態で含有する金属薄膜とから構成され、
前記金属薄膜が酸素を含有する気体と接触した状態であり、
前記金属薄膜が、水素ガスとの接触により可逆的に光の透過率が変化するガスクロミック金属薄膜である
ことを特徴とする水素ガス検知装置。
a substrate;
A metal thin film formed on the substrate surface and made of a metal belonging to the platinum group and containing hydrogen in a saturated adsorption state,
The metal thin film is in contact with a gas containing oxygen,
A hydrogen gas detector, wherein the metal thin film is a gaschromic metal thin film whose light transmittance reversibly changes upon contact with hydrogen gas.
前記酸素を含有する気体が空気である
ことを特徴とする請求項1に記載の水素ガス検知装置。
2. The hydrogen gas detection device according to claim 1, wherein the gas containing oxygen is air.
前記白金族に属する金属がパラジウムである
ことを特徴とする請求項1または2に記載の水素ガス検知装置。
3. The hydrogen gas detector according to claim 1, wherein the metal belonging to the platinum group is palladium.
前記基板が透明である
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか1つに記載の水素ガス検知装置。
4. The hydrogen gas detector according to claim 1, wherein said substrate is transparent.
前記基板が透明なガラス基板である
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか1つに記載の水素ガス検知装置。
5. The hydrogen gas detector according to claim 1, wherein said substrate is a transparent glass substrate.
請求項1~5のいずれか1つに記載の水素ガス検知装置を備えてなる水素検知システム。 A hydrogen detection system comprising the hydrogen gas detection device according to any one of claims 1 to 5. 請求項1~5のいずれか1つに記載の水素ガス検知装置が、出力に対して並列に接続されたブリッジ回路であって、
一方の前記水素ガス検知装置が周囲環境から隔離され、
前記ブリッジ回路から出力される電圧を測定可能な電圧測定部材を備える
ことを特徴とする水素検知システム。
The hydrogen gas detection device according to any one of claims 1 to 5 is a bridge circuit connected in parallel to the output,
one of the hydrogen gas detection devices is isolated from the surrounding environment;
A hydrogen detection system comprising a voltage measuring member capable of measuring a voltage output from the bridge circuit.
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