JP5311402B2 - 水素圧力の測定方法及びそのためのセンサ - Google Patents

Description

本発明は、水素圧力の測定方法及びそのためのセンサに関し、特に、化学プラントにおける高圧水素配管、水素ステーション、燃料電池自動車の水素タンク等の、高圧な水素ガスの圧力を測定する方法及びそのためのセンサに関する。

水素製造装置などの化学プラントにおける高圧水素配管や水素ステーション、或いは燃料電池自動車の水素タンク等においては、水素が、強燃性ガスである、ガス自体が高価であること等の理由により、ガス圧等をモニターして管理する必要がある。
特に、燃料電池自動車においては、水素燃料供給ステーションに設置された高圧水素ガス源から配管を介して水素貯蔵タンクに高圧で貯蔵され、減圧して燃料電池に一定の圧力で供給されるが、該水素貯蔵タンク等に貯蔵される水素ガスは、３５ＭＰａ以上、好ましくは、更に１００ＭＰａ〜１ＧＰａと高圧であるために、水素ガス圧センサには、超高圧センサを用いる必要がある（特許文献１参照）。

従来の圧力センサの大部分は、容器内圧力と圧力計側の差圧を、例えばブルドン管やダイアフラムの変形により検知するものであって、特に、後者のダイアフラムを用いて検知する方法には、ダイヤグラム上に設けられ、ダイヤグラムの変形による抵抗変化を利用するものと、ダイヤグラムの変形によって二つの電極間の静電容量が変化することを利用するものがある（特許文献２，３参照）。

特開２００６−１７７５３５号公報 特開２００８−１１６２８７号公報 特開２００８−６４７３４号公報

しかしながら、従来の高圧ガス圧力計では、ブルドン管やメンブレンの部材には金属が用いられる場合が多いため、水素雰囲気下で使用した場合、金属への水素の侵入により水素脆化現象が起こり、圧力計の破壊もしくは信頼性の問題があった。
また、機械的な変形を検知するものであるために、３５ＭＰａ以上、更には、１００ＭＰａ以上の高圧には耐えられないという問題がある。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、水素雰囲気下で使用しても、水素脆化現象による圧力計の破壊がなく、１００ＭＰａ以上の高圧下でも測定が可能な水素圧力測定方法、及びそのためのセンサを提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、水素ガス圧を、機械的に検知するのではなく、電気的に検知する全固体型の水素圧力センサ、具体的には、誘電体単結晶における比誘電率の圧力依存性を利用して、水素ガス圧を、静電容量として検出するという知見を得た。

本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］水素ガスの静水圧を、水素ガス雰囲気に配置された誘電体単結晶材料の静電容量により測定することを特徴とする水素ガス圧の測定法。
［２］前記水素ガスが、０．１ＭＰａ〜１ＧＰａの圧力を有することを特徴とする上記［１］の方法。
［３］前記誘電体単結晶のキュリー温度が室温以下であることを特徴とする上記［１］又は［２］の方法。
［４］水素ガス雰囲気に配置して該水素ガスの静水圧を、その静電容量により測定するためのセンサであって、該センサに誘電体単結晶を用いることを特徴とする水素ガス圧センサ。
［５］前記水素ガスが、０．１ＭＰａ〜１ＧＰａの圧力を有することを特徴とする上記［４］の水素ガス圧センサ。
［６］前記誘電体単結晶のキュリー温度が室温以下であることを特徴とする上記［４］又は［５］の水素ガス圧センサ。

本発明の測定法は、機械的な機構を用いていないため、水素脆化の影響を受けることがない。また、本発明の測定法は、電気信号による圧力検出であるため、自動計測が可能である。

従来のダイアフラムを用いる方法と、本発明の方法の違いを説明する図 本発明の測定方法及びそのためのセンサを模式的に示す図 チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）単結晶を用いて、９０ＭＰａの水素ガス中で測定した結果を示す図

図１は、従来のダイアフラムを用いる方法と、本発明の方法の違いを説明するものであり、左側に示すように、従来の測定方法は、ダイアフラムを用いて、内側の高圧水素雰囲気と外側の差圧を、様々な方式で検出するものである。
これに対して、本発明の測定法は、水素ガスの静水圧を、機械的に検知するのではなく、右側に示すように、水素ガス雰囲気に配置された誘電体単結晶材料の静電容量により測定することを特徴とするものである。

前述したように、ダイアフラムを用いた測定方法のひとつに、ダイアフラムの押圧により変化する第１の基板と第２の基板とで形成される静電容量の変化に応じて圧力を検出する静電容量型圧力センサは既によく知られているが、本発明の測定法は、こうした機械的な変形を用いる従来のものとは全く異なるものであり、水素ガス雰囲気下において、水素ガス圧の変化に伴い、誘電体の静電容量が直線的に変化することを見いだしたものである。

図２は、本発明の測定法及びそのためのセンサを模式的に示す図であり、図中、１は、誘電体単結晶、２は、電極、３は、圧力容器である。
図に示すとおり、本発明の測定方法は、誘電体単結晶１の対向する二面に電極２を形成したものを、圧力容器３内の水素ガス雰囲気下に配置し、電極２よりリード線を引き出し、ＬＣＲメータ又はインピーダンスアナライザーを用いて、静電容量を測定する。
前述のとおり、誘電体の静電容量は、それが配置された雰囲気の圧力の変化に伴い、直線的に変化するので、得られた静電容量から、水素ガスの圧力を知ることができる。

本発明の測定方法に用いる誘電体単結晶材料としては、例えば、チタン酸マグネシウム（ＭｇＴｉＯ_３）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ジルコン酸バリウム(ＢａＺｒＯ_３)、酸化チタン（ＴｉＯ_２、特にルチル型）があげられるが、この中でも、特に、キュリー温度が室温以下のものが好ましく、例えば、チタン酸ストロンチウム等が好ましく用いられる。
また、用いる誘電体単結晶の結晶方位は限定されず、例えば、チタン酸ストロンチウムの結晶方位は、（１００）、（１１０）、（１１１）の何れでも良い。

本発明のセンサは、該誘電体結晶の対向する二面に電極を形成してなるものであって、その形状は平板状が好ましく、厚さは特に制限は無いが、通常は、0.1〜0.5ｍｍ程度のものが好ましく用いられる。
また、誘電体単結晶の対向する二面に設ける電極の材料としては、電極として通常用いられるものであって、かつ、高圧水素ガス雰囲気下で劣化せずに使用できるものであれば、特に限定されないが、白金、金等の貴金属、ニッケル等が好ましい。
また、電極の形成方法も特に限定されず、例えば、スパッタリング、蒸着、焼き付けなどの通常の手段が用いられる。

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
（実施例）
誘電体として、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）単結晶（結晶方位（１００）面）（１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を用い、その対向面に、白金をスパッタして電極を形成し、該電極にリード線（銅線）を半田付けした。
これを、チャンバー内にセットし、チャンバー内に水素ガスを導入して、圧力を９０ＭＰａまで徐々に上昇させ、圧力上昇に伴うＳｒＴｉＯ_３単結晶の静電容量の変化を、３００ｋＨｚ及び５００ｋＨｚで、LCRメーター（アジレント：4284A）を用いて測定した。
その結果を図３に示す。図中、（ａ）は、３００ｋＨｚで測定した結果であり、（ｂ）は、５００ｋＨｚで測定した結果である。
図３に示すとおり、水素ガス圧の変化に伴い、誘電体の静電容量が直線的に変化することがわかる。

本発明によれば、水素脆化の影響を受けることがなく、しかも、１００ＭＰａ以上の高圧下でのガス圧の測定が可能であるので、水素貯蔵タンク等に貯蔵される高圧の水素ガスの圧力測定用として期待されるものである。

１：誘電体単結晶
２：電極
３：圧力容器

Claims (6)

1. 水素ガスの静水圧を、水素ガス雰囲気に配置された誘電体単結晶材料の静電容量により測定することを特徴とする水素ガス圧の測定法。
2. 前記水素ガスが、３０ＭＰａ〜１ＧＰａの圧力を有することを特徴とする請求項１に記載の水素ガス圧の測定法。
3. 前記誘電体単結晶のキュリー温度が室温以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素ガス圧の測定法。
4. 水素ガス雰囲気に配置して該水素ガスの静水圧を、その静電容量により測定するためのセンサであって、該センサに誘電体単結晶を用いることを特徴とする水素ガス圧センサ。
5. 前記水素ガスが、３０ＭＰａ〜１ＧＰａの圧力を有することを特徴とする請求項４に記載の水素ガス圧センサ。
6. 前記誘電体単結晶のキュリー温度が室温以下であることを特徴とする請求項４又は５に記載の水素ガス圧センサ。

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