JP3898174B2

JP3898174B2 - 水素検出装置

Info

Publication number: JP3898174B2
Application number: JP2003340169A
Authority: JP
Inventors: 毅昭島田; 芳雄縫谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP2005106617A; US20050067281A1; US7100425B2

Description

この発明は、気体中の水素濃度を検出するための水素検出装置に関するものである。

水素吸蔵合金を利用して水素を検出する装置としては、特許文献１のものが知られている。この水素検出装置は、基板の一方の面に水素吸蔵合金を固着し他方の面に歪ゲージを取り付け、水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際の体積膨張により生じる基板の歪みを歪ゲージで検出し、検出された歪の大きさに基づいて水素吸蔵量を検知している。この水素吸蔵合金を利用した水素検出装置は水素に対する選択性が極めて高く、したがって検出精度が高いという利点がある。
特開平１０−７３５３０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された水素検出装置は、例えば水素吸蔵合金を利用した機器（例えば、水素吸蔵合金タンク）に併設することにより、該機器に貯蔵された水素量を検出することには適しているが、ガス中の水素濃度を検出することはできない。
そこで、この発明は、水素に対する選択性が高い水素吸蔵合金を利用して、気体中に含まれる水素ガスの濃度を検出することができる水素検出装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、同一温度における水素吸蔵圧が互いに異なる水素吸蔵合金（例えば、後述する実施例における水素吸蔵合金ＭＨ−１，２，３）からなる複数の検出素子（例えば、後述する実施例における検出素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ）と、前記複数の検出素子を一体に支持する基板（例えば、後述する実施例における基板３）と、互いに隣接する前記検出素子同士を隔てる断熱層（例えば、後述する実施例における断熱層５）と、前記各検出素子に取り付けられ、前記各検出素子が水素を吸蔵した際の物性量の変化を検出する検出手段（例えば、後述する実施例における歪ゲージ６）と、前記基板の内部に埋設されたヒータ（例えば、後述する実施例におけるマイクロヒータ２）および前記基板を介して総ての前記検出素子をほぼ同一温度に制御する温度制御手段（例えば、後述する実施例におけるマイクロヒータ２、基板３）と、を備えることを特徴とする水素検出装置（例えば、後述する実施例における水素検出装置１）である。

検出素子を構成する水素吸蔵合金は、水素検出装置が設置されている雰囲気の水素分圧が温度に応じた水素吸蔵圧よりも低いときには水素を吸蔵しないが、前記水素分圧が温度に応じた水素吸蔵圧に達すると水素吸蔵を開始する。そして、水素吸蔵合金は水素を吸蔵すると体積や温度や重量等の物性量が変化するので、この変化を検出手段によって検出することにより、該検出素子が水素を吸蔵したと判断することができる。
ここで、温度制御手段によって、複数ある検出素子の温度を総てほぼ同一温度に制御すると、各検出素子を構成する水素吸蔵合金が互いにＰ−Ｔ特性を異にすることから、どの検出素子が水素を吸蔵しているかによって、水素検出装置が設置されている雰囲気の水素濃度範囲を検出することができる。
特に、基板が複数の検出素子を一体に支持しているので、この基板には、総ての検出素子をほぼ同一温度に保持する温度保持装置としての機能があり、水素検出装置の作動温度を１つにすると、温度制御手段による温度制御の目標値も１つだけとなり、制御が極めて容易である。
しかも、断熱層が互いに隣接する検出素子間における温度の干渉を防止するので、いずれかの検出素子の水素吸蔵合金が水素を吸蔵して発熱したときにも、隣接する検出素子の温度に影響を与えないようにすることができ、隣接する検出素子を目標温度に制御することがきる。
また、検出素子を構成する水素吸蔵合金は水素に対する選択性が極めて高いので、濃度検出精度が高まる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記検出手段は前記各検出素子に接合された歪ゲージ（例えば、後述する実施例における歪ゲージ６）であり、各歪ゲージは検出回路に接続されており、該検出回路により歪みが検出されたときに前記各検出素子に対応する濃度ランプ（例えば、後述する実施例における濃度ランプＬ１〜Ｌ３）が点灯する表示装置（例えば、後述する実施例における表示装置７）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、表示装置のどの濃度ランプが点灯しているかに基づいて、水素検出装置が設置されている雰囲気の水素濃度範囲を容易に検出することができる。

請求項１に係る発明によれば、同一温度における水素吸蔵圧が互いに異なる水素吸蔵合金からなる複数の検出素子を備えているので、どの検出素子が水素を吸蔵しているかによって、水素検出装置が設置されている雰囲気の水素濃度範囲を検出することができる。
また、温度制御手段による温度制御の目標値が１つであるので、制御が極めて容易である。
さらに、隣接する検出素子間における温度干渉を防止することができるので、いずれかの検出素子の水素吸蔵合金が水素を吸蔵して発熱したときにも、隣接する検出素子を目標温度に制御することがきる。
しかも、検出素子を構成する水素吸蔵合金は水素に対する選択性が極めて高いので、水素検出装置の検出精度が高い。

請求項２に係る発明によれば、表示装置のどの濃度ランプが点灯しているかに基づいて、水素検出装置が設置されている雰囲気の水素濃度範囲を容易に検出することができる。

以下、この発明に係る水素検出装置の実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。
図１に示すように、水素検出装置１は、内部にマイクロヒータ２を埋設した基板３と、この基板３の上面に取り付けられた複数（この実施例では三つ）の検出素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ（特に区別する必要のない場合には「検出素子４」と記す）と、各検出素子４の周囲に設けられ隣接する検出素子４，４同士を隔てる断熱層（断熱手段）５と、各検出素子４の上面に取り付けられた歪ゲージ（検出手段）６とから構成されている。
基板３は、三つの検出素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃを一体に支持するための基盤としての機能と、検出素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃをほぼ同一温度に保持するための温度保持装置としての機能を備えている。検出素子マイクロヒータ２は、基板３の全体をほぼ同一温度に調整可能に配置されており、図示しないコントローラによる電流制御により基板３を所定の目標温度に制御可能である。この実施例において、基盤３とマイクロヒータ２は温度制御手段を構成する。

検出素子４は、焼結、圧着、溶射、接着等であって耐熱性に優れた適宜手段により基板３に隙間なくしっかりと接合されている。例えば、スラリー状の水素吸蔵合金を基板３に塗布することによって接合される。
検出素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃは、互いにＰ−Ｔ特性を異にする水素吸蔵合金ＭＨ−１，ＭＨ−２，ＭＨ−３から構成されている。図４は、この実施例における検出素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃに使用される水素吸蔵合金ＭＨ−１，２，３のＰ−Ｔ特性であり、縦軸は水素吸蔵圧の対数（ｌｏｇＰ）、横軸は水素吸蔵合金の絶対温度の逆数（１／Ｔ）である。いずれの水素吸蔵合金ＭＨ−１，２，３も、水素吸蔵合金の温度が高いほど水素吸蔵圧が高くなり、温度に対する水素吸蔵圧の変化率はほぼ同じになっているが、同一温度において比較すると、水素吸蔵圧は検出素子４Ａの水素吸蔵合金ＭＨ−１が一番低く、検出素子４Ｂの水素吸蔵合金ＭＨ−２、検出素子４Ｃの水素吸蔵合金ＭＨ−３の順に高くなっている。
ここで、この実施例における水素検出装置１の作動温度は１００°に設定されており、この作動温度１００°において比較すると、水素吸蔵合金ＭＨ−１の水素吸蔵圧は０．００５ａｔｍ、水素吸蔵合金ＭＨ−２の水素吸蔵圧は０．０１ａｔｍ、水素吸蔵合金ＭＨ−３の水素吸蔵圧は０．０２ａｔｍである。
なお、大気中における水素分圧と水素濃度との対応関係から、水素分圧０．００５ａｔｍ、０．０１ａｔｍ、０．０２ａｔｍはそれぞれ、水素濃度０．５％、１．０％、２．０％に相当する。
また、水素吸蔵合金は水素を吸蔵すると、体積が膨張し、発熱し、重量が増大する特性を有している。

断熱層５は、互いに隣接する検出素子４、４間における温度の干渉を防止するので、いずれかの検出素子４の水素吸蔵合金が水素を吸蔵して発熱したときにも、隣接する検出素子４の温度に影響を与えないようにすることができ、隣接する検出素子４を目標温度に制御することが可能になる。

図１および図２に示すように、歪ゲージ６は、耐熱性を有する接着剤等により各検出素子４の上面に一体的に接合されており、歪ゲージ６自体も耐熱性を有している。歪ゲージ６は、検出素子４を構成する水素吸蔵合金が水素を吸蔵して体積膨張したときに歪ゲージ６に生じる歪みを電気抵抗の変化として検出するもので、各歪ゲージ６は図示しない検出回路に接続されている。また、前記検出回路により歪みが検出されたときには、図３に示す表示装置７において対応する濃度ランプＬ１〜Ｌ３を点灯するように構成されている。なお、濃度ランプＬ１〜Ｌ３は、検出素子４Ａ〜４Ｃにそれぞれ対応し、図３において黒塗りはランプ点灯状態を表している。

次に、この水素検出装置１の作用を説明する。
検出素子４を構成する水素吸蔵合金は、水素検出装置１が設置されている雰囲気の水素分圧が温度に応じた水素吸蔵圧よりも低いときには水素を吸蔵しないが、前記水素分圧が温度に応じた水素吸蔵圧に達すると水素吸蔵を開始する。そして、水素吸蔵合金は水素を吸蔵すると体積膨張するので、この検出素子４に取り付けられた歪ゲージ６の電気抵抗の変化が前記検出回路によって検出される。したがって、歪ゲージ６によって歪みが検出された検出素子４は水素を吸蔵していることとなる。

ここで、三つの検出素子４の温度を同一温度で一定に制御すると、三つの検出素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃを構成する水素吸蔵合金ＭＨ−１，２，３が互いにＰ−Ｔ特性を異にすることから、どの検出素子４が水素を吸蔵しているかによって、水素検出装置１が設置されている雰囲気の水素濃度がどの濃度範囲にあるかを検出することができる。

以下、水素濃度検出の方法を具体的に説明する。前述したように、この実施例では水素検出装置１の作動温度が１００°Ｃに設定されているので、マイクロヒータ２の制御により基板３を介して、検出素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃを１００°Ｃに温度制御する。
水素吸蔵合金４Ａ，４Ｂ，４Ｃの温度が１００°Ｃに保持されている場合、検出素子４Ａの水素吸蔵合金ＭＨ−１の水素吸蔵圧は、０．００５ａｔｍであり、検出素子４Ｂの水素吸蔵合金ＭＨ−２の水素吸蔵圧は０．０１ａｔｍであり、検出素子４Ｃの水素吸蔵合金ＭＨ−３の水素吸蔵圧は０．０２ａｔｍである。

したがって、水素検出装置１周囲の雰囲気の水素分圧が０．００５ａｔｍに満たない場合には、いずれの水素吸蔵合金ＭＨ−１，２，３の水素吸蔵圧にも達していないので、水素吸蔵合金ＭＨ−１，２，３は水素を吸蔵せず、検出素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各歪ゲージ６はいずれも歪みを検出しない。その結果、図３（ａ）に示すように、表示装置７の濃度ランプＬ１〜Ｌ３はいずれも点灯しない。この場合には、前記雰囲気の水素濃度は０．５％未満である。

また、前記雰囲気の水素分圧が０．００５ａｔｍ以上で且つ０．０１ａｔｍ未満の場合（図４におけるＡ）には、水素吸蔵合金ＭＨ−１の水素吸蔵圧以上であるので、水素吸蔵合金ＭＨ−１は水素を吸蔵して体積膨張し、検出素子４Ａの歪ゲージ６が歪みを検出するが、水素吸蔵合金ＭＨ−２，３の水素吸蔵圧には達していないので、水素吸蔵合金ＭＨ−２，３は水素を吸蔵せず、検出素子４Ｂ，４Ｃの各歪ゲージ６はいずれも歪みを検出しない。その結果、図３（ｂ）に示すように、表示装置７の濃度ランプＬ１だけが点灯し、濃度ランプＬ２，Ｌ３は点灯しない。この場合には、前記雰囲気の水素濃度は０．５％以上１．０％未満である。

また、前記雰囲気の水素分圧が０．０１ａｔｍ以上で且つ０．０２ａｔｍ未満の場合（図４におけるＢ）には、水素吸蔵合金ＭＨ−１，２の水素吸蔵圧以上であるので、水素吸蔵合金ＭＨ−１，２は水素を吸蔵して体積膨張し、検出素子４Ａ，４Ｂの各歪ゲージ６が歪みを検出するが、水素吸蔵合金ＭＨ−３の水素吸蔵圧には達していないので、水素吸蔵合金ＭＨ−３は水素を吸蔵せず、検出素子４Ｃの歪ゲージ６は歪みを検出しない。その結果、図３（ｃ）に示すように、表示装置７の濃度ランプＬ１，Ｌ２が点灯し、濃度ランプＬ３は点灯しない。この場合には、前記雰囲気の水素濃度は１．０％以上２．０％未満である。

また、前記雰囲気の水素分圧が０．０２ａｔｍ以上の場合（図４におけるＣ）には、総ての水素吸蔵合金ＭＨ−１，２、３の水素吸蔵圧以上であるので、いずれの水素吸蔵合金ＭＨ−１，２，３も水素を吸蔵して体積膨張し、総ての検出素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各歪ゲージ６が歪みを検出するので、図３（ｄ）に示すように、表示装置７の濃度ランプＬ１，Ｌ２，Ｌ３が総て点灯する。この場合には、前記雰囲気の水素濃度は２．０％以上である。

なお、水素を吸蔵している水素吸蔵合金は、雰囲気の水素分圧が該水素吸蔵合金の水素放出圧よりも低下すると吸蔵していた水素を放出し、水素吸蔵前の体積に戻る。したがって、雰囲気の水素分圧が検出素子４の水素吸蔵合金の水素放出圧よりも低下すると、該検出素子４の歪ゲージ６は歪みを検出しなくなり、表示装置７において該検出素子４に対応する濃度ランプＬが消灯する。

この実施例の水素検出装置１によれば、Ｐ−Ｔ特性を互いに異にする水素吸蔵合金ＭＨ−１，２，３からなる三つの検出素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃを同一温度に制御しているので、水素濃度を四段階の濃度範囲で検出することができる。また、水素濃度の時間的変化を検知することもできる。
この水素検出装置１によれば、検出素子４を水素吸蔵合金から構成しているので水素に対する選択性が極めて高く、高精度で水素濃度を検出することができる。これは、検出すべき水素を触媒燃焼させた際に生じる検出素子の抵抗変化に基づいて水素を検出する接触燃焼式水素検出装置と比べて、極めて有利な点である。接触燃焼式水素検出装置の場合には、水素以外の可燃性ガスも触媒反応を起こす場合があり、水素選択性に難がある。
この実施例の水素検出装置１の場合には、作動温度が一つであるため、温度制御の目標値も一つだけとなり、制御が極めて容易である。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際に変化する物性量を体積とし、この体積変化を検出する手段として歪ゲージを用いているが、体積変化を検出する手段は歪ゲージに限らず、他の適宜手段で構成することが可能である。
また、水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際に変化する物性量を温度あるいは重量とすることも可能であり、この場合、物性量の変化を検出する検出手段は温度検出手段あるいは重量検出手段で構成することが可能である。
また、水素吸蔵合金からなる検出素子は、三つに限るものではなく、二つ以上であればいくつであってもよく、検出素子の数が多いほど、濃度範囲の数を多くすることができる。
また、前述した実施例では検出素子を１００°Ｃ一定に制御したが、この制御温度も１００°Ｃに限られるものではなく、適宜の温度に設定することが可能である。

この発明に係る水素検出装置の断面図である。前記水素検出装置における検出素子の平面図である。前記水素検出装置における表示装置の水素濃度別の表示例である。前記水素検出装置に使用される水素吸蔵合金のＰ−Ｔ特性を示す図である。

符号の説明

１水素検出装置
２マイクロヒータ（温度制御手段）
３基板（温度制御手段）
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ検出素子
５断熱層（断熱手段）
６歪ゲージ（検出手段）
ＭＨ−１，２，３水素吸蔵合金

Claims

同一温度における水素吸蔵圧が互いに異なる水素吸蔵合金からなる複数の検出素子と、
前記複数の検出素子を一体に支持する基板と、
互いに隣接する前記検出素子同士を隔てる断熱層と、
前記各検出素子に取り付けられ、前記各検出素子が水素を吸蔵した際の物性量の変化を検出する検出手段と、
前記基板の内部に埋設されたヒータおよび前記基板を介して総ての前記検出素子をほぼ同一温度に制御する温度制御手段と、
を備えることを特徴とする水素検出装置。
前記検出手段は前記各検出素子に接合された歪ゲージであり、各歪ゲージは検出回路に接続されており、該検出回路により歪みが検出されたときに前記各検出素子に対応する濃度ランプが点灯する表示装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の水素検出装置。