JP5142323B2 - Hydrogen gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、大気中に漏れた水素ガスの検出あるいは水素濃度の検知に適する水素ガスセンサに関するものである。 The present invention relates to a hydrogen gas sensor suitable for detection of hydrogen gas leaked into the atmosphere or detection of hydrogen concentration.
今後の水素エネルギー利用社会において、水素爆発の危険性を払拭し、安全性が高く、利便性に優れた水素エネルギー利用システムの構築が望まれる。その目的のために、大気中に漏れた水素ガスを瞬時に高精度で検出できる信頼性が高い水素ガスセンサの開発が求められている。 In the future hydrogen energy utilization society, it is desired to construct a hydrogen energy utilization system that eliminates the danger of hydrogen explosion, is highly safe, and is convenient. For this purpose, development of a highly reliable hydrogen gas sensor capable of instantaneously and accurately detecting hydrogen gas leaking into the atmosphere is required.
このような水素ガスセンサとして、図10(a)に示すように、基材100上に、互いに水素ガスに対する化学ポテンシャルが異なる材料からなる2つの電極101.102と、これらに介在させた電解質103とを形成した水素ガスセンサが提供されている。これは、電極101,102相互の水素ガスに対する化学ポテンシャルの差を起電力として検知するので、基準水素ガス圧室などを設ける必要がないため、構成を簡略化、小型化することができた。また、化学ポテンシャルに基づいて水素ガス濃度を検出するようにしているので、水素ガスの検出を瞬時に行うことができる。
As such a hydrogen gas sensor, as shown in FIG. 10A, on a
ところで、このような水素ガスセンサは、広い空間に漠然と配置するよりも、水素の漏れる可能性が有る箇所に近接した位置に配置することによって、漏れをより早期にかつより正確に検出できるであろうことは、容易に理解できる。そのために、図10(b)に示すように、水素ガスセンサをテープ状の基材100の上に構成し、これを水素の漏れる可能性が有る箇所、例えば水素ガス配管の接続フランジや溶接接合部、あるいは水素ガス容器の出口ポートと配管の接続部に直接に貼付することが考えられる。
By the way, such a hydrogen gas sensor will be able to detect leakage earlier and more accurately by arranging it in a position close to a place where hydrogen may leak rather than vaguely arranging it in a wide space. That is easy to understand. For this purpose, as shown in FIG. 10B, the hydrogen gas sensor is formed on a tape-
しかしながら、従来のテープ状のガスセンサは、基材であるテープの一面にセンサが構成されていたので、漏れる箇所に貼付しても、貼付面から漏れるガスを直接検出することはできず、周囲から拡散したガスを間接的に検出していた。一方、センサ面側を漏れ箇所に向けて、つまり裏面側にセンサを構成したテープを貼付すると、周囲から拡散したガスを検出できず、また、裏面側で漏れを直接検出しても、漏れガスが滞留し、蓄積してしまうために、継続的に精度良く検出することが困難であった。 However, in the conventional tape-shaped gas sensor, since the sensor is configured on one surface of the tape as the base material, the gas leaking from the pasting surface cannot be directly detected even if it is pasted on the leaking portion, and from the surroundings. The diffused gas was detected indirectly. On the other hand, if the sensor surface is directed to the leak location, that is, if the tape constituting the sensor is applied to the back side, the gas diffused from the surroundings cannot be detected, and even if the leak is detected directly on the back side, the leak gas Stays and accumulates, making it difficult to detect continuously and accurately.
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、水素ガスの漏れが予想される箇所に直接センサを配置することにより、漏れを早期にかつ精度良く測定することできる水素ガスセンサ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 gas sensor capable of measuring leakage early and with high accuracy by arranging the sensor directly at a location where hydrogen gas leakage is expected. For the purpose.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の水素ガスセンサは、互いに異なる材料か
らなる第1の電極及び第2の電極と、これらの電極と接触する電解質とからなるセンサ構
造部を備え、水素ガスとの接触によってこれら電極間に発生する起電力値に基づいて水素
ガスを検出する水素ガスセンサであって、前記センサ構造部は、貫通口が複数形成された
基材の前記貫通口に近接する位置に成膜形成され、
前記センサ構造部が表面および裏面を有する前記基材の表面側から成膜形成されている
とともに、前記表面から前記微小貫通孔を介して前記裏面に至らないように、かつ前記微小貫通孔の内面に至るように成膜形成されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the hydrogen gas sensor according to claim 1 includes a sensor structure unit including a first electrode and a second electrode made of different materials, and an electrolyte in contact with the electrodes. A hydrogen gas sensor that detects hydrogen gas based on an electromotive force value generated between these electrodes by contact with hydrogen gas, wherein the sensor structure portion is close to the through hole of the substrate on which a plurality of through holes are formed. A film is formed at the position where
The sensor structure is formed from the surface side of the base material having a front surface and a back surface, and does not reach the back surface from the surface through the micro through hole , and the inner surface of the micro through hole It is characterized in that the film is formed to reach
請求項2に記載の水素ガスセンサは、請求項1に記載の発明において、前記基材は、柔軟性を有する平板状の部材であることを特徴とする。
請求項2に記載の発明においては、基材が柔軟性を有する平板状の部材であり、湾曲する部材の表面にも容易に取り付けることができる。
A hydrogen gas sensor according to a second aspect is the invention according to the first aspect, wherein the base material is a flat plate member having flexibility.
In invention of
請求項3に記載の水素ガスセンサは、請求項1または請求項2に記載の発明において、前記基材の裏面には、取付対象物の表面に貼付するための接着剤が塗布されていることを特徴とする。
請求項3に記載の発明においては、基材の裏面に塗布された接着剤により、取付対象物の表面に確実に取り付けることができる。
According to a third aspect of the present invention, in the hydrogen gas sensor according to the first or second aspect, the back surface of the base material is coated with an adhesive for attaching to the surface of the attachment object. Features.
In invention of Claim 3, it can attach to the surface of an attachment target object reliably with the adhesive agent apply | coated to the back surface of a base material.
請求項4に記載の水素ガスセンサは、請求項1に記載の発明において、前記基材は、取付対象物の形状に適合する形状に形成されていることを特徴とする。
請求項4に記載の発明においては、基材が取付対象物の形状に適合する形状に形成されているので、取付が容易であり、両者を密着させて固定することで、安定かつ信頼性の高い検出が行われる。
According to a fourth aspect of the present invention, the hydrogen gas sensor according to the first aspect of the present invention is characterized in that the base material is formed in a shape that matches the shape of the object to be attached.
In the invention of
請求項5に記載の水素ガスセンサは、請求項4に記載の発明において、前記基材には、該基材を取付対象物に機械的に固定するための構造が設けられていることを特徴とする。
請求項5に記載の発明においては、基材を取付対象物に機械的に固定するので、接着剤が不要となり、取り外しが可能なので交換作業が容易になる。
The hydrogen gas sensor according to claim 5 is the invention according to
In the invention described in claim 5, since the base material is mechanically fixed to the object to be attached, no adhesive is required and the replacement work is facilitated because it can be removed.
請求項6に記載の水素ガスセンサは、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の発明において、前記基材には、センサ構造部からの検出信号を無線通信するための送信手段が設けられていることを特徴とする。
請求項6に記載の発明においては、センサ構造部からの検出信号を無線通信することで、配線の存在による煩雑さ、あるいは配線作業の手間が不要になり、また複数センサを管理するシステムの構築が容易になる。
A hydrogen gas sensor according to a sixth aspect of the present invention is the invention according to any one of the first to fifth aspects, wherein the base material is provided with a transmission means for wirelessly communicating a detection signal from the sensor structure portion. It is characterized by.
According to the sixth aspect of the present invention, the wireless communication of the detection signal from the sensor structure unit eliminates the complexity due to the presence of wiring or the labor of wiring work, and the construction of a system for managing a plurality of sensors. Becomes easier.
請求項1ないし請求項6に記載の発明によれば、水素ガスの漏れが予想される箇所に直接センサを配置することにより、漏れを早期にかつ精度良く測定することできる。 According to the first to sixth aspects of the invention, it is possible to measure the leakage early and with high accuracy by arranging the sensor directly at a position where hydrogen gas leakage is expected.
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の水素ガスセンサの構成を原理的に示す図であり、図2はその要部を拡大して示す図である。この水素ガスセンサは、規則的またはランダムに形成された複数の貫通口12を有する薄板状の基材10と、貫通口12の周囲に形成されたセンサ構造部14とを備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the hydrogen gas sensor of the present invention in principle, and FIG. 2 is an enlarged view showing the main part thereof. This hydrogen gas sensor includes a thin plate-
基材10としては、水素ガスセンサを取り付ける場所や対象物に適合する柔軟性のある材質を選択する。一般的には、ポリイミド等の樹脂からなるテープ状あるいはシート状の素材が、取付部の形状に適合するように変形させて貼付するのに便利である。一方、取付対象物の形状に適合するように予め形成されている剛体であってもよく、その場合は、クランプ、ボルト等の機械的固定構造で固定させるように用いることができる。
As the
センサ構造部14は、水素ガスに対する化学ポテンシャルが互いに異なる検出電極16と基準電極18、およびこれらの両方に接する固体電解質20とからなっている。固体電解質20としては、センサの使用される温度範囲や、製造の際の成膜性その他の特性を考慮して決めるが、リンタングステン酸やリンモリブデン酸が好適である。
The
検出電極16としては、相対的に水素の化学ポテンシャルが高い材料、具体的には白金、白金合金、パラジウム、パラジウム合金などの、相対的に水素ガスに対する吸着活性度の高い材料から構成することができる。一方、基準電極18としては、相対的に水素の化学ポテンシャルが低い材料、具体的には、タングステン、ニッケル、チタン、チタン合金、銅、鉄、アルミニウム、あるいはこれらの合金、及び有機導電材料などの、相対的に水素ガスに対する吸着活性度合いの低い材料から構成することができる。
The
この実施の形態では、各層はスパッタリングにより成膜している。まず、基材10上に検出電極16が貫通口12の表面側周辺部から内面に至るように成膜されている。検出電極16にはリード線16aも一体に成膜されている。この検出電極16を覆うように、固体電解質20の膜が形成されている。固体電解質20は、より浅い角度でスパッタリングにより形成されており、貫通口12の内面において、検出電極16と固体電解質20の境界線が形成されるようになっている。基準電極18は固体電解質20の表面に形成されている。基準電極18と検出電極16のリード線16aは図示しない起電力計に接続されている。起電力計への接続は配線により行うが、後述するように基材10上に組み込む場合は基材上で直接接続することができる。
In this embodiment, each layer is formed by sputtering. First, the
このような構成された水素ガスセンサは、裏面側を水素ガス漏れが発生し易い部材の表面に取り付けて用いる。そのために、裏面側の一部または全面に接着剤を予め塗布しておき、剥離が容易なカバーで覆っておくようにしてもよい。また、連続する長尺のテープとして販売し、適宜に切断して用いるようにしてもよい。 The hydrogen gas sensor configured as described above is used by attaching the back side to the surface of a member where hydrogen gas leakage is likely to occur. For this purpose, an adhesive may be applied in advance to a part or the entire surface of the back surface side and covered with a cover that can be easily peeled off. Also, it may be sold as a continuous long tape and cut and used as appropriate.
この実施の形態の水素ガスセンサは、電極と電解質との接触部(センサ構造部14)に水素ガスが到達したときに発生する起電力を検出することにより水素ガスを検出する。従って、このセンサでは、貫通口12を通過してセンサ構造部14に到達した水素ガスと、大気中を拡散して到達した水素ガスの双方を検出することができる。また、裏面側から発生する水素ガスは貫通口12から排出されるので、発生した水素ガスが滞留することがなく、センサ構造部14の回復により検出が継続できる。従って、例えば水素ガスの漏洩が検出されて、水素ガスの供給を遮断する措置を執った後に漏洩が停止したかどうかの確認を継続して行うことができる。
The hydrogen gas sensor of this embodiment detects hydrogen gas by detecting an electromotive force generated when hydrogen gas reaches the contact portion (sensor structure portion 14) between the electrode and the electrolyte. Therefore, this sensor can detect both the hydrogen gas that has passed through the through-
基材10の形状や大きさ、あるいは貫通口12の径や密度は、その使用箇所や目的に応じて適宜に選択される。この実施の形態では、各貫通口12に形成された水素ガスセンサは、検出電極16と基準電極18を共通にしており、これらのセンサは並列接続されている。すなわち、いずれかのセンサによる検出信号により、漏れの発生が検知される。一方、各センサ構造部14から個別に信号を取り出す構成にすれば、漏れの箇所を個別に知らせるようにすることができる。
The shape and size of the
(実施例)
図1及び図2の構成の水素ガスセンサを数種類作成し、水素検出テストを行った。基材10としては、実施例1は、厚さ35μmのポリイミド製テープに0.35μmΦの貫通口12を形成したもの、実施例2および3は、厚さ0.25mmのテトラフルオロエチレン重合体(商品名:テフロン)製テープに0.75mmΦおよび1.50mmΦの貫通口12をそれぞれ形成したものを用いた。また、センサ構造部14の成膜方法は、スパッタリングを用いた。
(Example)
Several types of hydrogen gas sensors having the configuration shown in FIGS. 1 and 2 were prepared, and a hydrogen detection test was performed. As the
テスト方法は、水素ガスボンベより水素ガスを適当な間隔をおいてセンサに吹き付けた際の、電極間に発生した起電力を測定するものである。図3に各実施例の水素反応特性を例示するように、水素が迅速に検出されていることが分かる。また、センサが水素を検出し、周囲の水素ガス濃度が低下した後に再度検出が可能な状態となるまでに要する回復時間は、実施例1が1.8秒、実施例2が1.5秒、実施例3が1.0秒であり、貫通口12の径が大きい方が回復が早いことが分かった。いずれのセンサの回復時間も実用上問題は無い。
The test method is to measure an electromotive force generated between electrodes when hydrogen gas is blown onto a sensor from a hydrogen gas cylinder at an appropriate interval. As can be seen from FIG. 3, the hydrogen reaction characteristics of each example are illustrated, and hydrogen is detected rapidly. The recovery time required for the sensor to detect hydrogen and to be able to detect again after the surrounding hydrogen gas concentration has decreased is 1.8 seconds for Example 1 and 1.5 seconds for Example 2. Example 3 was 1.0 second, and it was found that the larger the diameter of the through-
図4は、この発明の他の実施の形態を示すもので、テープではなく、平面的に広がるシート上に貫通口12およびセンサを2次元的に配置したものである。このように2次元的にセンサを配置することにより、例えば水素配管の全長に渡って巻き付けて、配管からの漏れを完全にチェックするような使用方法も比較的簡単かつ低コストで可能となる。
FIG. 4 shows another embodiment of the present invention, in which the through-
図5は、図4と同様にシート上に貫通口12およびセンサを2次元的に配置し、個々のセンサ構造部14の電極からの引出線をそれぞれ個別の起電力計に接続するようにしたものである。このように、個別に作動するセンサ構造部14を2次元的にセンサを配置することにより、取り付けた部材からの水素ガスの漏れをより詳細に検出することができ、応急的措置等の対処が良い容易になる。また、周囲から拡散する水素ガスの検出の場合も、各センサの濃度勾配等から漏れの源の方向等の特定が容易になり、対処がし易くなる。
In FIG. 5, the through-
図6は、上述のようなテープ状またはシート状の水素ガスセンサを用いた水素ガス漏洩管理システムを示している。すなわち、各水素ガスセンサには、制御部32が設けられており、この制御部32は、各センサ構造部14の起電力計と、起電力信号を処理するマイクロコンピュータと、処理した結果を送信する送信機とを備えている。もちろん、これらの機能を一体化したマイクロプロセッサとして形成してもよい。そして、所定位置の中央管理システムには受信機34を備えたコンピュータ36が設けられ、複数の水素ガスセンサからの信号を受信して、漏洩をモニターし、管理することができる。
FIG. 6 shows a hydrogen gas leakage management system using a tape-like or sheet-like hydrogen gas sensor as described above. That is, each hydrogen gas sensor is provided with a
この制御部32は、取り付けられた水素ガスセンサを特定するための識別情報を備えており、管理システム側が信号源を特定できるようになっている。また、各センサ構造部14が個別であるタイプの場合は各センサ構造部14を特定して信号を送信する機能を備えており、漏れの部位を詳細に特定することができる。乗り物のように物体が移動する場合には、位置を特定するGPS機能を備えるようにしてもよい。管理システム側のコンピュータ36は、各水素ガスセンサから受信した信号を処理し、予め定めたプロトコルに沿って、警報の発信やバルブの開閉によるガス供給停止等の操作を実行するようになっている。
The
このような通信機能を備えた管理システムを用いることによって、広い範囲に分散する設備であっても人手を解することなく効率的かつ確実に管理することができ、安全な水素ガス利用システムの構築に寄与することができる。また、制御部32を組み込んだ水素ガスセンサは、半導体製造技術等を応用することによって安価に大量生産化することが可能であり、低コスト化が可能である。
By using a management system with such a communication function, even a facility distributed over a wide range can be managed efficiently and reliably without human intervention, and a safe hydrogen gas utilization system is constructed. Can contribute. Further, the hydrogen gas sensor incorporating the
図7ないし図9は、この発明の他の実施の形態を示すもので、基材10として予め所定の形状を与えたものを用いるものである。また、以下の実施の形態では、使用目的に応じて、フレキシブルな素材の他に、樹脂、セラミックまたは金属等の剛性の高い物体を用いる。なお、金属を使用する場合には、絶縁処理が必要である。
7 to 9 show another embodiment of the present invention, in which a
図7は、リング状の薄板を基材10aとしたもので、微小の貫通口12とセンサ構造部14が形成されている点は先の実施の形態と同様である。これは、所定径の水素ガス配管等の管状物体に取り付けるもので、配管の場合には配管作業の前に装着して用いる。径が規格化されている場合には、装着の手間が省け、また接着剤も不要なので、便利である。もちろん、軸方向に長尺のものとして配管を全体的に覆うようにしてもよいし、図6のような通信機能を設けても良い。
FIG. 7 shows a ring-shaped thin plate as a
図8(a)は、基材10bを、蝶番38により開閉可能なカップリング構造としてより装着の便宜を図ったものである。図8(b)は、ねじ構造によるクランプ40を設けており、図8(c)は、爪42どうしを弾性結合させるようになっている。もちろん、他の機械的結合や、接着剤、磁石等による結合も適宜に採用可能である。
FIG. 8A is a view showing the convenience of mounting the
図9は、図7または図8の実施の形態の水素ガスセンサを、水素ガス容器(ガスボンベ)44と配管(ガスホース)46との接続部に取り付けた状態を示している。図7に示すリング状の基材10aの場合には、予め配管側に取り付けたものを、配管とボンベを接続した後にずらして移動させるとよい。図8の開閉式基材10bの場合には、内面を平面状だけでなく、取付部に適合する凹凸を付しておくようにしてもよい。
FIG. 9 shows a state in which the hydrogen gas sensor of the embodiment of FIG. 7 or FIG. 8 is attached to a connection portion between a hydrogen gas container (gas cylinder) 44 and a pipe (gas hose) 46. In the case of the ring-shaped
このように基材10a,10bを取付対象の部材に適合した形状として製造することにより、設置作業が容易になり、検出の信頼性の向上にもつなげることができる。取付対象である配管等は規格化により定型化されているので、大量生産によりセンサの製造コストも低下させることができる。また、基材自体が特定の部品として機能を有するようにしてもよい。
Thus, by manufacturing the
10,10a,10b 基材
12 貫通口
14 センサ構造部
16 検出電極
18 基準電極
20 固体電解質
32 制御部
34 受信機
36 コンピュータ
40 クランプ
42 爪
DESCRIPTION OF
Claims (6)
質とからなるセンサ構造部を備え、水素ガスとの接触によってこれら電極間に発生する起
電力値に基づいて水素ガスを検出する水素ガスセンサであって、
前記センサ構造部は、微小貫通口が複数形成された基材の前記貫通口に近接する位置に
成膜形成され、
前記センサ構造部が表面および裏面を有する前記基材の表面側から成膜形成されている
とともに、前記表面から前記微小貫通孔を介して前記裏面に至らないように、かつ前記微小貫通孔の内面に至るように成膜形成されていることを特徴とする水素ガスセンサ。 A sensor structure unit comprising a first electrode and a second electrode made of different materials and an electrolyte in contact with these electrodes, and based on an electromotive force value generated between these electrodes by contact with hydrogen gas A hydrogen gas sensor for detecting hydrogen gas,
The sensor structure part is formed into a film at a position close to the through hole of the base material on which a plurality of fine through holes are formed,
The sensor structure is formed from the surface side of the base material having a front surface and a back surface, and does not reach the back surface from the surface through the micro through hole , and the inner surface of the micro through hole A hydrogen gas sensor, wherein the film is formed so as to reach
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