JP2009133782A - 水素センサ - Google Patents

Abstract

【課題】常温での水素検知を可能とする共に、応答速度の高い水素センサを提供する。
【解決手段】水素脆性材料からなるナノワイヤーＷを有し、このナノワイヤーＷが水素と反応して断線することを検出することにより水素を検知する。これにより、水素を常温で検知可能とする共に、その応答速度を高めることが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、水素を検知する水素センサに関する。

近年、環境問題や資源問題に対する関心の高まりから、水素をエネルギーとして利用することが注目されている。その中でも、燃料電池は、水素を用いたクリーンなエネルギーシステムとして、家庭用発電システムや自動車などの分野において急速な技術開発が進められている。したがって、燃料電池の技術分野は、今後ますます発展していくことが予想される。

ところで、水素は、爆発の危険性があることから取り扱いに注意が必要である。このため、上述した燃料電池においても、水素漏れを検知する水素センサが必要不可欠なものとなっている。

従来、水素を検知する方法としては、酸化スズを用いた半導体式の水素センサが広く用いられている。しかしながら、この半導体式の水素センサは、動作温度が４００℃程度と高いために加熱を要することや、価格が高いといった欠点がある。

そこで、常温で作動する水素センサとして、ガラス基板上にマグネシウム・パラジウム合金薄膜を形成し、その上にパラジウムや白金等からなる触媒層を形成したものが提案されている（特許文献１を参照。）。しかしながら、この特許文献１に記載される水素センサは、室温で水素を検出できるものの、応答速度が遅く、検出精度も低いといった欠点がある。
特開２００７−７１５４７号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、常温での水素検知を可能とする共に、応答速度の高い水素センサを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る水素センサは、水素脆性材料からなるナノワイヤーを有し、このナノワイヤーが水素と反応して断線することを検出することにより水素を検知することを特徴とする。
この水素センサでは、水素脆性材料からなるナノワイヤーが水素と反応して断線することを水素検知に用いることによって、水素を常温で検知可能とする共に、その応答速度を高めることが可能である。

また、上記ナノワイヤーの太さは、１００ｎｍ以下であることが好ましい。
これにより、水素検知の応答速度を高めることができる。なお、ナノワイヤーの太さの下限については、物理的に形成可能な太さの限界値であればよい。

また、本発明に係る水素センサは、開口部が設けられた支持部材を備え、上記ナノワイヤーを支持部材の開口部に臨む位置に架橋した状態で、少なくとも１本以上配置した構成とすることが好ましい。
これにより、支持部材の開口部を通過する水素が、この開口部に臨む位置に架橋されたナノワイヤーに接触した場合に、ナノワイヤーが水素と反応して断線しやすくなる。したがって、水素の検出精度を高めることが可能である。

以上のように、本発明によれば、常温での水素検出を可能とする共に、応答速度の高い水素センサを提供することが可能である。

以下、本発明を適用した水素センサについて、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、本発明を適用した水素センサ１の一例を示す斜視図であり、図２は、図１に示す水素センサ１の構造を示す縦断面図である。
本発明を適用した水素センサ１は、図１及び図２に示すように、水素脆性材料からなるナノワイヤーＷを有し、このナノワイヤーＷが水素と反応して断線したことを検出することにより水素を検知することを特徴としている。

具体的に、この水素センサ１は、支持部材２と、この支持部材２に支持された検出部３とを備えている。
支持部材２は、例えばガラス等の剛性を有する絶縁部材からなる。この支持部材２は、その形状について特に限定されないものの、例えば、開口部２ａが形成された枠部４と、この枠部４を支持する一対の脚部５ａ，５ｂとを有している。

枠部４は、平面視で矩形枠状に形成されており、その中央部に矩形状の開口部２ａを有している。すなわち、この枠部４は、開口部２ａの周囲を囲む一の相対する２辺４ａ，４ｂと、これに直交する他の相対する２辺４ｃ，４ｄとを有して構成されている。

一対の脚部５ａ，５ｂは、枠部４を構成する一の相対する２辺４ａ，４ｂに沿ってフレーム２ｂと一体に形成されている。また、一対の脚部５ａ，５ｂは、フレーム２ｂの下面から所定の高さ寸法を有している。これにより、支持部材２の開口部２ａは、この支持部材２が設置される設置面よりも一対の脚部５ａ，５ｂに支持された枠部４の高さ分だけ上方に浮かせた状態となっている。

検出部３は、水素脆性材料からなるナノワイヤーＷを有し、このナノワイヤーＷが水素と反応して断線したことを検出する。具体的に、この検出部３は、支持部材２の開口部２ａに臨む位置に一対のリードフレーム６ａ，６ｂを有している。一対のリードフレーム６ａ，６ｂは、例えばアルミニウムやチタンなどの導線性の金属部材からなり、その基端部から先端部に向かって尖形となる平板形状を有している。そして、これら一対のリードフレーム６ａ，６ｂは、互いの先端部を対向させた状態で、それぞれの基端部を枠部４を構成する一の相対する２辺４ａ，４ｂに固定することによって、支持部材２の開口部２ａに臨んで配置されている。

ナノワイヤーＷは、互いに対向するリードフレーム６ａ，６ｂの先端部の間に架橋した状態で設けられている。ナノワイヤーＷには、水素脆性材料として、例えば銀や銅などを用いることができる。また、ナノワイヤーＷの太さは、１００ｎｍ以下であることが好ましい。このナノワイヤーＷを細く形成することによって、後述する水素検知の応答速度を高めることができる。なお、ナノワイヤーＷの太さの下限については、物理的に形成可能な太さの限界値であればよく、その限界値としては例えば１ｎｍ程度である。また、ナノワイヤーの作製方法としては、例えば銀イオンを保持した母体に電子線を照射してナノワイヤーを合成する方法などがある。この方法によれば、直径が数〜数十ｎｍの金属銀ナノワイヤーを容易に生成することができる。

一対のリードフレーム６ａ，６ｂの基端部上には、それぞれ外部接続用の電極パッド７ａ，７ｂが設けられている。これら電極パッド７ａ，７ｂは、例えばアルミニウムなどの導線性の金属部材からなり、一対のリードフレーム６ａ，６ｂと電気的に接続されている。

以上のような構造を有する水素センサ１では、電極パッド７ａ，７ｂに接続された外部電源から供給される微小な電流を、一対のリードフレーム６ａ，６ｂを介してナノワイヤーＷに通電することが可能となっている。そして、この水素センサ１では、通電された状態で、水素漏れ等により水素を含む雰囲気に晒されると、ナノワイヤーＷが水素と反応して断線する。このとき、ナノワイヤーＷへの通電が遮断されるため、これを検出することにより水素（水素漏れ）を常温において素早く検知することが可能となっている。

以上のように、本発明を適用した水素センサ１では、水素脆性材料からなるナノワイヤーＷが水素と反応して断線することを水素検知に用いることによって、水素を常温で検知することが可能となると共に、水素を検知する際の応答速度を大幅に高めることが可能である。さらに、この水素センサ１では、微小な電流を流すだけ水素を検知できるため、非常に省エネルギーである。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記水素センサ１では、上記リードフレーム６ａ，６ｂの先端部の間にナノワイヤーＷが配置された構成となっているが、このような構成に限らず、ナノワイヤーＷは、支持部材２の開口部２ａに臨む位置に架橋した状態で、少なくとも１本以上配置されていればよい。これにより、上記支持部材２の開口部２ａを通過する水素が、この開口部２ａに臨む位置に架橋されたナノワイヤーＷに接触した場合に、ナノワイヤーＷが水素と反応して断線しやすくなる。したがって、水素の検出精度を高めることが可能である。また、ナノワイヤーＷを複数本配置した場合には、何れかのナノワイヤーＷが断線したことを検出することによって、水素検知に対する応答速度を更に高めることが可能である。

また、上記水素センサ１では、上記リードフレーム６ａ，６ｂや電極パッド７ａ，７ｂに金属材料を用いた構成となっているが、このような構成に限らず、シリコンなどの半導体基板を用いて、これらを一体に形成していくことも可能である。

図１は、本発明を適用した水素センサの一例を示す斜視図である。 図２は、図１に示す水素センサの縦断面図である。

符号の説明

１…水素センサ ２…支持部材 ２ａ…開口部 ３…検出部 ４…枠部 ５ａ，５ｂ…脚部 ６ａ，６ｂ…リードフレーム ７ａ，７ｂ…電極パッド

Claims (3)

1. 水素脆性材料からなるナノワイヤーを有し、このナノワイヤーが水素と反応して断線したことを検出することにより水素を検知することを特徴とする水素センサ。
2. 前記ナノワイヤーの太さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の水素センサ。
3. 開口部が設けられた支持部材を備え、
   前記ナノワイヤーは、前記支持部材の開口部に臨む位置に架橋した状態で、少なくとも１本以上配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素センサ。

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