水素ガスセンサ
【課題】水素ガスセンサの故障を検知することができ、且つ簡易な構造を有する水素ガスセンサを提供すること。
【解決手段】本発明の水素ガスセンサ１００は、熱電材料部２、熱電材料部２上に設けられた一対の電極４ａ、４ｂ、及び熱電材料部２上に一対の電極のうちの一方の電極４ａ側に偏在して設けられ、水素の発熱反応を触媒する触媒部６を有する検知部１０と、一対の電極４ａ、４ｂ間に発生した電圧を測定する電圧測定部２０と、熱電材料部２を挟んで触媒部６の反対側に位置する絶縁部２２と、絶縁部２２を挟んで熱電材料部２の反対側に位置し、熱電材料部２において一対の電極のうちの一方の電極４ａが設けられた側と他方の電極４ｂが設けられた側との間に温度差が生じるように、絶縁部２２を介して熱電材料部２を加熱する加熱部３０と、を備える。
【解決手段】本発明の水素ガスセンサ１００は、熱電材料部２、熱電材料部２上に設けられた一対の電極４ａ、４ｂ、及び熱電材料部２上に一対の電極のうちの一方の電極４ａ側に偏在して設けられ、水素の発熱反応を触媒する触媒部６を有する検知部１０と、一対の電極４ａ、４ｂ間に発生した電圧を測定する電圧測定部２０と、熱電材料部２を挟んで触媒部６の反対側に位置する絶縁部２２と、絶縁部２２を挟んで熱電材料部２の反対側に位置し、熱電材料部２において一対の電極のうちの一方の電極４ａが設けられた側と他方の電極４ｂが設けられた側との間に温度差が生じるように、絶縁部２２を介して熱電材料部２を加熱する加熱部３０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスセンサ、より詳しくは、熱電式水素ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
雰囲気中の水素を検出する水素ガスセンサとして、熱電式水素ガスセンサは、消費電力が小さく、しかも安価であることから、例えば、燃料電池等の発電システム等に効率よく適用することができると期待されている。この熱電式水素ガスセンサは、熱電素子の一部分で水素による発熱反応を生じさせ、発熱反応が生じた部分と発熱反応が生じなかった部分との温度差に基づく起電力を発生させることによって水素の検出を行うものである。
【０００３】
このような熱電式水素ガスセンサとしては、例えば、被検出ガスと接触して触媒反応を起こす触媒（触媒成分）と、この反応による局所的な温度差を電圧信号に変換する熱電変換材料膜を含む構成を有するものが知られている（特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１５６４６１号公報
【特許文献２】特開２００６−２０１１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した構成を有する従来の熱電式水素ガスセンサでは、触媒における反応による発熱を利用して熱電変換材料膜に温度差を発生させ、これにより起電力（電圧）を生じさせることが動作原理となる。
【０００６】
このような水素ガスセンサでは、熱電変換材料膜、又は熱電変換材料膜に生じた起電力を測定する回路が故障（破損又は劣化）すると、水素による発熱反応が起こったとしても、水素が検知されない可能性がある。水素ガスセンサの故障によって水素ガスが検知されない場合、検知されない水素ガスが危険な事態を引き起こす可能性がある。したがって、水素ガスセンサには故障を検出する機能が要求される。
【０００７】
しかしながら、水素ガスセンサの故障を検出する機能を水素ガスセンサに付与するためには、水素の反応熱に起因して熱電変換材料膜に生じた起電力を測定する機構とは別に、故障を検出するための機構を水素ガスセンサに具備させる必要がある。そのため、水素ガスセンサの構造が従来よりも複雑になり、水素ガスセンサの製造コストが増加することが問題となる。
【０００８】
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、水素ガスセンサの故障を検知することができ、且つ簡易な構造を有する水素ガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、鋭意研究の結果、水素ガスセンサの故障によって水素ガスが検知されない事態を防止し、水素ガスセンサの安全性を向上させるためには、水素ガスセンサが正常に作動することによって初めて発信が可能となる信号（以下、場合により「故障検出信号」と記す。）を水素ガスセンサから発信させ続けて、これを常時検出し、故障検出信号が途絶えることをもって水素ガスセンサの故障を検知するような機能（以下、場合により「故障検出機能」と記す。）を水素ガスセンサに付与すればよい、という知見を得て、本発明に至った。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の水素ガスセンサは、熱電材料部、熱電材料部上に設けられた一対の電極、及び熱電材料部上に一対の電極のうちの一方の電極側に偏在して設けられ、水素の発熱反応を触媒する触媒部を有する検知部と、一対の電極間に発生した電圧を測定する電圧測定部と、熱電材料部を挟んで触媒部の反対側に位置する絶縁部と、絶縁部を挟んで熱電材料部の反対側に位置し、熱電材料部において一対の電極のうちの一方の電極が設けられた側と他方の電極が設けられた側との間に温度差が生じるように、絶縁部を介して熱電材料部を加熱する加熱部と、を備える。
【００１１】
また、上記本発明の水素ガスセンサでは、熱電材料部が加熱部によって常時加熱され、一対の電極間に発生した電圧が電圧測定部によって常時測定され、水素の発熱反応によって触媒部が加熱されていない状態で、熱電材料部において一対の電極のうちの一方の電極が設けられた側と他方の電極が設けられた側との間の温度差が一定に維持され、一定に維持された温度差によって一対の電極間に発生する電圧（熱起電力）が電圧測定部で検出される。
【００１２】
上記本発明の水素ガスセンサは、触媒部において水素の発熱反応を生じさせて熱を発生させることで、熱電材料部において触媒部に接触している部分とこれ以外の部分との温度差ΔＴに基づく起電力Ｖ（電圧）を発生させ、この起電力を電圧測定部で測定することによって水素ガスを検出する熱電式水素ガスセンサである。起電力Ｖは次式（１）で表される。
Ｖ＝αΔＴ・・・式（１）
なお、上記式（１）中、αは比例定数（ゼーベック係数）である。
【００１３】
上記本発明では、水素ガスセンサが正常に作動し、且つ水素の発熱反応が触媒部で起こっていない場合（水素が検出されない場合）、加熱部によって熱電材料部が常時加熱されているため、熱電材料部において一対の電極のうちの一方の電極が設けられた側と他方の電極が設けられた側との間の温度差が一定の値ΔＴ０に維持される。そのため、一対の電極間に発生する電圧も一定の値Ｖ０（以下、場合により「水素未検出時電圧Ｖ０」と記す。）に維持される。したがって、水素ガスセンサが正常に作動し、且つ水素の発熱反応が起こっていない場合は、電圧測定部において常に電圧Ｖ０＝αΔＴ０が測定される。
【００１４】
また上記本発明では、水素ガスセンサが故障すると、一対の電極間に熱起電力が発生しなかったり、熱起電力が電圧測定部で測定されなかったりする。すなわち、水素ガスセンサが故障した場合、電圧測定部で電圧Ｖ０が測定されなくなる。
【００１５】
以上のように、上記本発明では、一対の電極間に発生する電圧（熱起電力）を電圧測定部によって常時測定し、一対の電極間に発生する電圧が電圧Ｖ０であるか否かを常時監視することによって、水素ガスセンサの故障を検知することが可能となる。すなわち、上記本発明では、水素が検出されない状態で一対の電極間に発生する水素未検出時電圧Ｖ０が故障検出信号となる。
【００１６】
また上記本発明では、水素ガスセンサが正常に作動し、且つ触媒部において水素の発熱反応が起こった場合、触媒部で発生した反応熱が、熱電材料部において触媒部に接触している部分を加熱するため、熱電材料部において触媒部が偏在して設けられた側の電極が配置された部分と、別の電極が配置された部分との間の温度差ΔＴｒがΔＴ０より大きくなる。その結果、水素の発熱反応が起こった時に電圧測定部において測定される電圧（水素検出時電圧Ｖｒ＝αΔＴｒ）は、電圧Ｖ０よりも大きくなる。水素検出時電圧Ｖｒと水素未検出時電圧Ｖ０との電圧差ΔＶ＝Ｖｒ−Ｖ０＝α（ΔＴｒ−ΔＴ０）から、検知部において検出された水素ガスを定量することが可能となる。
【００１７】
上述のように、上記本発明では、水素ガスセンサの故障を検知するための故障検出信号（水素未検出時電圧Ｖ０）と、水素ガスを検出、定量するための信号（水素検出時電圧Ｖｒ）とを、共に一つの電圧測定部で測定することができる。したがって、本発明では、電圧測定部とは別に、故障検出信号の発信機構及び検出機構を水素ガスセンサに具備させる必要がなく、水素ガスセンサの構造が簡易となる。
【００１８】
また、上記本発明では、加熱部が絶縁部を挟んで熱電材料部の反対側に位置するため、加熱部と熱電材料部とが直に接触しない。つまり、加熱部と熱電材料部とは、絶縁部によって電気的に絶縁している。そのため、加熱部（例えば電気抵抗）における電圧降下が、熱電材料部において一対の電極間に発生する熱起電力（水素検出時電圧Ｖｒ）に影響することがないため、水素ガスの検出、定量を正確に行うことができる。
【００１９】
さらに、上記本発明では、加熱部で加熱された熱電材料部の熱が触媒部に伝導し、触媒部も加熱される。すなわち、触媒部は加熱部によって間接的に常時加熱される。そのため、触媒部の表面に吸着等した水蒸気由来の水分等を、触媒部表面から除去することができ、水分等の付着による触媒部の活性低下を防止して、触媒部が本来有している活性に応じた検出感度を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、水素ガスセンサの故障を検知することができ、且つ簡易な構造を有する水素ガスセンサを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明については省略することとする。また、図面中に示す寸法及び位置関係は図示されたものに限定されない。
【００２２】
＜水素ガスセンサ１００＞
図１〜３は、本発明の一実施形態に係る水素ガスセンサ１００の構成を示す概略図である。図１は、水素ガスセンサ１００を検知部１０側から見た上面図であり、図２は、水素ガスセンサ１００を加熱部３０側から見た下面図であり、図３は、図１の水素ガスセンサ１００のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。図１〜３に示すように、本実施形態の水素ガスセンサ１００は、検知部１０、電圧測定部２０、及び加熱部３０から構成される。なお、図１では、図示の便宜上、電圧測定部２０を省略している。
【００２３】
図３に示すように、検知部１０は、熱電材料部２と、一対の電極４ａ、４ｂと、触媒部６と、を有する。
【００２４】
一対の電極４ａ、４ｂは、熱電材料部２の一面上に、互いに離間するように設けられており、具体的には、熱電材料部２の長手方向における両端の辺に沿ってそれぞれ形成されている。これらの電極４ａ、４ｂは、熱電材料部２と外部回路等との接続を行う端子としての機能を有しており、金属等の導電性を有する材料によって構成される。
【００２５】
触媒部６は、熱電材料部２の電極４ａ、４ｂと同じ側の面上に、一対の電極４ａ、４ｂのうちの一方の電極４ａ側に偏在して設けられている。この触媒部６は、水素ガスと空気中の酸素と反応させる触媒能を有する。触媒部６としては、例えば、触媒担持体に上記触媒能を有する触媒成分を担持させた構成を有するものが挙げられる。具体的には、触媒担持体が多孔質のアルミナからなり、これに触媒成分として、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を担持させたものである。触媒成分としては、特に白金を担持させたものが好適である。白金は、水素ガスによる反応を選択的に生じさせることができ、これが表面積の大きい多孔質の触媒担持体に担持されることで、触媒部６の表面上で効率よく反応が生じるようになる。より具体的な触媒部６としては、例えば、触媒担持体であるＡｌ２Ｏ３に対して、触媒成分として、０．２重量％のロジウムと１．０重量％の白金とを担持させたものを用いればよい。
【００２６】
触媒部６は、上述のように一方の電極４ａ側に偏在して設けられているが、触媒部６が形成されていない側の電極４ｂからはできるだけ離れていることが好ましい。触媒部６が、電極４ｂから離れているほど、後述するような熱電材料部２における温度差（温度勾配）を大きくすることができ、より大きな起電力が得られる。ただし、触媒部６における発熱量との兼ね合いの観点から、触媒部６における反応を効率よく生じさせ、熱電材料部６に十分な温度差を与えることを可能とするために必要となる触媒部６の面積を確保した上で、触媒部６をできるだけ電極４ａ側に偏在させることが好ましい。
【００２７】
触媒部６は、本実施形態では、電極４aを被覆しているが、電極４ａを被覆しないように形成されていてもよい。触媒部６が電極４ａを被覆しないように形成されている場合、触媒部６での発熱が電極４ａを介しないで熱電材料部２に直接伝わるため、後述するような熱電材料部２における温度差（温度勾配）をより大きく生じさせることができる。
【００２８】
また、触媒部６は、これが設けられている側の電極４ａと接していなくてもよい。なお、本実施形態のように、触媒部６を電極４ａと接するように設けることで、触媒部６と電極４ａとが接しない場合に比べて、触媒部６と電極４ｂとの距離を大きくとることができ、熱電材料部２に生じる温度差（温度勾配）をより大きくし、電極４ａ、４ｂ間で大きな起電力を得ることが可能となる。なお、触媒部６を電極４ａと接触させるか否かは、所望とする水素ガスセンサの特性に応じて適宜選択すればよい。
【００２９】
電圧測定部２０は、検知部１０が有している一対の電極４ａ、４ｂに接続されており、電極４ａ、４ｂ間の電圧を測定することができる。この電圧測定部２０としては、検出される電圧に応じた公知の電圧計を適用することができる。
【００３０】
熱電材料部２は、１０〜５００μｍ程度の厚みを有し、平面形状が長方形状である板状の部材である。本実施形態では、熱電材料部２の寸法は、例えば、長さが６ｍｍ程度、幅１ｍｍ程度、厚さ１００μｍ程度である。この熱電材料部２は、局所的な温度差が生じるとゼーベック効果によって起電力が発生する性質（熱電変換能）を有する熱電材料から構成される。熱電材料としては、こ熱電変換能を十分に有しており、しかも、ガス等による抵抗や起電力の変化が少ないものが好ましい。例えば、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、ＦｅＳｉ系、ＳｉＧｅ系、スカッタルダイド系、ハーフホイスラー型金属間化合物系、コバルト層状化合物、金属酸化物系等の熱電材料が挙げられる。また、アルカリ金属をドープしたＮｉＯ系等も適用可能である。
【００３１】
上述の熱電材料の中でも、微細な空孔を多数有する多孔形状熱電材料を用いることが好ましい。なお、多孔形状熱電材料が有する空孔の孔径は、０．１〜２０μｍ程度である。多孔形状熱電材料としては、例えば、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９、ＮａｘＣｏＯ２（ｘは例えば０＜ｘ＜１．０を満たす任意の実数）等から成る熱電材料が挙げられる。これらの中でも、多孔形状熱電材料としては、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９からなる多孔形状熱電材料が好ましい。Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９からなる多孔形状熱電材料を用いることによって、緻密な熱電材料を用いる場合に比べて、触媒部６で発生した熱を、熱電材料部２において触媒部６に接触している部分から、電極４ｂが設けられた部分へ伝導させ難くすることが可能となる。その結果、熱電材料部２において触媒部６が偏在して設けられた側の電極４ａが配置された部分と、別の電極４ｂが配置された部分との間の温度差が大きくなり、両電極４ａ、４ｂ間に発生する熱起電力が大きくなるため、水素ガスセンサ１００の感度を従来よりも向上させることが可能となる。
【００３２】
Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９は、結晶異方性の大きい物質であり、その結晶粒子は、結晶軸のｃ軸に垂直な面方向に長い板状の形状を有する。Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９の抵抗率は１０−５Ω・ｍ程度、熱起電力は０．１２ｍＶ・Ｋ−１程度、熱伝導率は２Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度であり、特にｃ軸に垂直な面方向において、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９の抵抗率が小さく、熱起電力が大きい。Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９からなる多孔形状熱電材料は、例えば、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９の結晶粒子を、その結晶軸のｃ軸方向に多数積層し、プレスした後、焼成することによって得ることができる。
【００３３】
Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９からなる多孔形状熱電材料から構成した熱電材料部２では、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９の結晶粒子の結晶軸のｃ軸に垂直な面方向と、一対の電極４ａ、４ｂが対向する方向とが、略平行であることが好ましい。こうすれば、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９は結晶軸のｃ軸に垂直な面方向において、熱起電力が大きくなるので、電極４ａ、４ｂ間での温度差及び熱起電力が大きくなり易くなり、その結果、水素ガスセンサ１００の感度を更に向上させることができる。
【００３４】
水素ガスセンサ１００は、熱電材料部２を挟んで触媒部６の反対側に絶縁部（絶縁基板２２）を備える。熱電材料部２は、絶縁基板２２上に固定されている。絶縁基板２２は、酸化アルミニウム等の絶縁材から構成される。絶縁基板２２の寸法は、例えば、熱電材料部２の長手方向における長さが７ｍｍ、熱電材料部２の短手方向における長さが６ｍｍ、厚さが１２０μｍである。
【００３５】
加熱部３０は、絶縁基板２２を挟んで熱電材料部２の反対側に位置している。加熱部３０は、ヒーター２４（電気抵抗）と、ヒーター２４の両端に接続された電源２６とから構成される。電源２６によってヒーター２４に電圧が印加され、ヒーター２４でジュール熱が発生する。ヒーター２４は、絶縁基板２２を挟んで、熱電材料部２全体と重なるように配置され、均一なパターンを有する。このようなヒーター２４によって熱電材料部２全体が加熱される。ヒーター２４は、例えば、ＺｎとＡｇとを６０：１００の重量比で含有する材料から構成される。
【００３６】
加熱部３０で加熱された熱電材料部２の熱は、触媒部６に伝導し、触媒部６も加熱される。すなわち、加熱部３０によって触媒部６が間接的に加熱される。そのため、触媒部６の表面に吸着等した水分等を、触媒部６表面から除去することができ、水分等の付着によって触媒部６の活性が低下することを防止できる。そのため、触媒部６が本来有している活性に応じた水素の検出感度を得ることが可能となる。
【００３７】
＜水素ガスセンサ１００の動作方法＞
次に、水素ガスセンサ１００の作動中、触媒部６において水素の発熱反応が起こっていない状態（水素未検出状態）と、水素ガスセンサ１００の作動中、触媒部６において水素の発熱反応が起こっている状態（水素検出状態）との二つの状態における水素ガスセンサ１００の動作方法について説明する。なお、水素ガスセンサ１００では、水素未検出状態及び水素検出状態のいずれの状態においても、熱電材料部２が加熱部３０によって常時加熱されると共に、一対の電極４ａ、４ｂ間に発生する電圧（熱起電力）が電圧測定部２０によって常時測定される。
【００３８】
（水素未検出状態）
検知部１０は、一対の電極４ａ、４ｂが並ぶ方向（熱電材料部２の長手方向）において非対称な構造を有する。そのため、水素の発熱反応によって触媒部６が加熱されていない状態では、熱電材料部２において一方の電極４ａが設けられた側と他方の電極４ｂが設けられた側との間に、ヒーター２４で発生するジュール熱に起因する温度差ΔＴ０が生じる。ここで、電源２６によってヒーター２４に印加される電圧、及びヒーター２４で発生するジュール熱は略一定であるため、温度差ΔＴ０も略一定に維持される。したがって、熱電材料部２の熱電変換能によって一対の電極４ａ、４ｂ間に発生する熱起電力も略一定の値Ｖ０（＝αΔＴ０）に維持される。したがって、水素ガスセンサ１００が正常に作動し、且つ触媒部６において水素の発熱反応が起こっていない状態では、電圧測定部２０において常に略一定の電圧Ｖ０が測定される。なお、温度差ΔＴ０は、一定であることが望ましいが、後述する電圧Ｖｒの測定に支障を来たさない範囲内で変動してもよい。
【００３９】
一方、熱電材料部２が破断したり、電圧測定部２０と電極４０ａ、４０ｂとの接続不良が生じたりして、水素ガスセンサ１００が故障すると、一対の電極４ａ、４ｂ間に熱起電力（電圧Ｖ０）が発生しなかったり、熱起電力が電圧測定部１０で測定されなかったりする。すなわち、水素ガスセンサ１００が故障した状態では、電圧測定部１０で電圧Ｖ０が測定されなくなる。
【００４０】
以上のように、一対の電極４ａ、４ｂ間で電圧Ｖ０が測定される状態では、水素ガスセンサ１００は正常に作動しており、電圧Ｖ０が測定されない状態では、水素ガスセンサ１００故障している可能性がある。このように、水素ガスセンサ１００では、電圧Ｖ０が故障検出信号として機能し、電圧Ｖ０の有無によって水素ガスセンサ１００の故障の有無を判別できる。
【００４１】
（水素検出状態）
検知部１０において、触媒部６に水素ガスが接触すると、触媒部６上で水素ガスと空気中の酸素との反応が発生する。この反応では、水素と酸素との反応によって水が生成するとともに反応熱が発生する。この反応熱により、熱電材料部２のうち触媒部６と接している部分（電極４ａ側）が加熱される。一方、触媒部６が設けられていない部分（電極４ｂ側）は、上記反応が生じても加熱され難いため、反応前の温度を維持したままとなり易い。その結果、触媒部６で水素ガスの反応が生じると、熱電材料部２において触媒部６が偏在して設けられた側（電極４ａ側）と、別の電極４ｂ側との間に、ΔＴ０より大きな温度差ΔＴｒが生じることになる。なお、ΔＴｒは、触媒部における水素ガスと酸素との反応による反応熱の大きさに依存する変数である。換言すれば、ΔＴｒは、触媒部６において酸素と反応した水素ガスの量に依存する変数である。
【００４２】
温度差ΔＴｒによって熱電材料部２に生じた熱起電力は、熱電材料部２の両端に設けられた一対の電極４ａ、４ｂ間に、電圧Ｖ０より大きな電圧（電圧Ｖｒ＝αΔＴｒ）を発生させる。この電圧Ｖｒが電圧測定部２０で測定される。電圧Ｖｒと電圧Ｖ０との電圧差ΔＶ＝Ｖｒ−Ｖ０＝α（ΔＴｒ−ΔＴ０）に基づいて、雰囲気中の水素ガスの濃度等を定量することができる。
【００４３】
なお、電圧Ｖ０が電圧Ｖｒに比べて小さいほど、電圧差ΔＶが大きくなるので、水素ガスの検出、定量がし易くなる。電圧Ｖ０を電圧Ｖｒに比べて小さくするためには、例えば、ヒーター２４で発生させる熱量、又は熱電材料部２に対するヒーター２４の配置を適宜調整すればよい。
【００４４】
本実施形態では、水素ガスセンサ１００の故障を検知するための故障検出信号（電圧Ｖ０）と、水素ガスを検出、定量するための信号（電圧Ｖｒ）とを、共に一つの電圧測定部２０で測定することができる。したがって、本実施形態では、電圧測定部２０とは別に、故障検出信号の発信機構及び検出機構を水素ガスセンサ１００に具備させる必要がないため、水素ガスセンサ１００の構造が簡易となる。
【００４５】
また、本実施形態では、加熱部３０が絶縁基板２２を挟んで熱電材料部２の反対側に位置するため、加熱部のヒーター２４と熱電材料部２とが直に接触しない。つまり、ヒーター２４と熱電材料部２とは、絶縁基板２２を介して電気的に絶縁している。そのため、ヒーター２４における電圧降下が、熱電材料部２に発生する熱起電力に影響することがないため、水素ガスの検出、定量を正確に行うことができる。
【００４６】
以上、本実施形態の水素ガスセンサ１００について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【００４７】
例えば、図４に示すように、加熱部３０のヒーター２４が、絶縁基板２２を挟んで、検知部１０のうち一方の電極４ａ側（触媒部６側）に偏在して配置されていてもよい。これにより、熱電材料部２のうち一方の電極４ａ側が局所的に加熱され、熱電材料部２において一方の電極４ａが設けられた側と他方の電極４ｂが設けられた側との間において温度差ΔＴ０が生じ易くなる。また、ヒーター２４で発生した熱が触媒部６に伝導し易くなり、触媒部６の表面に吸着した水分等を、触媒部６表面から除去し易くなる。そのため、触媒部６が本来有している活性に応じた水素の検出感度を得易くなる。
【００４８】
さらに、上述の実施形態において、水素ガスセンサ１００における熱電材料部２は板状の形状を有するものとしたが、一対の電極４ａ、４ｂ及び触媒部６を表面に配置できるものであれば、板状以外の形状を有していてもよい。また、電極４ａ、４ｂや触媒部６は、全てが熱電材料部２における同一面上に設けられていたが、例えば電極４ａ、４ｂのうち一方の電極のみが他の面に設けられていてもよい。
【００４９】
また、熱電材料部２が多孔形状熱電材料から構成されている場合、多孔形状熱電材料の有する空孔に触媒部６を構成する触媒成分が担持されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素ガスセンサの構成を示す概略上面図である。
【図２】図１に示す水素ガスセンサを加熱部側から見た概略下面図である。
【図３】図１に示す水素ガスセンサを図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した場合の水素ガスセンサの模式断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る水素ガスセンサを加熱部側から見た概略下面図である。
【符号の説明】
【００５１】
２・・・熱電材料部、４ａ、４ｂ・・・電極、６・・・触媒部、１０・・・検知部、２０・・・電圧測定部、２２・・・絶縁基板（絶縁部）、２４・・・ヒーター、２６・・・電源、３０・・・加熱部、１００、１００ａ・・・水素ガスセンサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスセンサ、より詳しくは、熱電式水素ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
雰囲気中の水素を検出する水素ガスセンサとして、熱電式水素ガスセンサは、消費電力が小さく、しかも安価であることから、例えば、燃料電池等の発電システム等に効率よく適用することができると期待されている。この熱電式水素ガスセンサは、熱電素子の一部分で水素による発熱反応を生じさせ、発熱反応が生じた部分と発熱反応が生じなかった部分との温度差に基づく起電力を発生させることによって水素の検出を行うものである。
【０００３】
このような熱電式水素ガスセンサとしては、例えば、被検出ガスと接触して触媒反応を起こす触媒（触媒成分）と、この反応による局所的な温度差を電圧信号に変換する熱電変換材料膜を含む構成を有するものが知られている（特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１５６４６１号公報
【特許文献２】特開２００６−２０１１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した構成を有する従来の熱電式水素ガスセンサでは、触媒における反応による発熱を利用して熱電変換材料膜に温度差を発生させ、これにより起電力（電圧）を生じさせることが動作原理となる。
【０００６】
このような水素ガスセンサでは、熱電変換材料膜、又は熱電変換材料膜に生じた起電力を測定する回路が故障（破損又は劣化）すると、水素による発熱反応が起こったとしても、水素が検知されない可能性がある。水素ガスセンサの故障によって水素ガスが検知されない場合、検知されない水素ガスが危険な事態を引き起こす可能性がある。したがって、水素ガスセンサには故障を検出する機能が要求される。
【０００７】
しかしながら、水素ガスセンサの故障を検出する機能を水素ガスセンサに付与するためには、水素の反応熱に起因して熱電変換材料膜に生じた起電力を測定する機構とは別に、故障を検出するための機構を水素ガスセンサに具備させる必要がある。そのため、水素ガスセンサの構造が従来よりも複雑になり、水素ガスセンサの製造コストが増加することが問題となる。
【０００８】
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、水素ガスセンサの故障を検知することができ、且つ簡易な構造を有する水素ガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、鋭意研究の結果、水素ガスセンサの故障によって水素ガスが検知されない事態を防止し、水素ガスセンサの安全性を向上させるためには、水素ガスセンサが正常に作動することによって初めて発信が可能となる信号（以下、場合により「故障検出信号」と記す。）を水素ガスセンサから発信させ続けて、これを常時検出し、故障検出信号が途絶えることをもって水素ガスセンサの故障を検知するような機能（以下、場合により「故障検出機能」と記す。）を水素ガスセンサに付与すればよい、という知見を得て、本発明に至った。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の水素ガスセンサは、熱電材料部、熱電材料部上に設けられた一対の電極、及び熱電材料部上に一対の電極のうちの一方の電極側に偏在して設けられ、水素の発熱反応を触媒する触媒部を有する検知部と、一対の電極間に発生した電圧を測定する電圧測定部と、熱電材料部を挟んで触媒部の反対側に位置する絶縁部と、絶縁部を挟んで熱電材料部の反対側に位置し、熱電材料部において一対の電極のうちの一方の電極が設けられた側と他方の電極が設けられた側との間に温度差が生じるように、絶縁部を介して熱電材料部を加熱する加熱部と、を備える。
【００１１】
また、上記本発明の水素ガスセンサでは、熱電材料部が加熱部によって常時加熱され、一対の電極間に発生した電圧が電圧測定部によって常時測定され、水素の発熱反応によって触媒部が加熱されていない状態で、熱電材料部において一対の電極のうちの一方の電極が設けられた側と他方の電極が設けられた側との間の温度差が一定に維持され、一定に維持された温度差によって一対の電極間に発生する電圧（熱起電力）が電圧測定部で検出される。
【００１２】
上記本発明の水素ガスセンサは、触媒部において水素の発熱反応を生じさせて熱を発生させることで、熱電材料部において触媒部に接触している部分とこれ以外の部分との温度差ΔＴに基づく起電力Ｖ（電圧）を発生させ、この起電力を電圧測定部で測定することによって水素ガスを検出する熱電式水素ガスセンサである。起電力Ｖは次式（１）で表される。
Ｖ＝αΔＴ・・・式（１）
なお、上記式（１）中、αは比例定数（ゼーベック係数）である。
【００１３】
上記本発明では、水素ガスセンサが正常に作動し、且つ水素の発熱反応が触媒部で起こっていない場合（水素が検出されない場合）、加熱部によって熱電材料部が常時加熱されているため、熱電材料部において一対の電極のうちの一方の電極が設けられた側と他方の電極が設けられた側との間の温度差が一定の値ΔＴ０に維持される。そのため、一対の電極間に発生する電圧も一定の値Ｖ０（以下、場合により「水素未検出時電圧Ｖ０」と記す。）に維持される。したがって、水素ガスセンサが正常に作動し、且つ水素の発熱反応が起こっていない場合は、電圧測定部において常に電圧Ｖ０＝αΔＴ０が測定される。
【００１４】
また上記本発明では、水素ガスセンサが故障すると、一対の電極間に熱起電力が発生しなかったり、熱起電力が電圧測定部で測定されなかったりする。すなわち、水素ガスセンサが故障した場合、電圧測定部で電圧Ｖ０が測定されなくなる。
【００１５】
以上のように、上記本発明では、一対の電極間に発生する電圧（熱起電力）を電圧測定部によって常時測定し、一対の電極間に発生する電圧が電圧Ｖ０であるか否かを常時監視することによって、水素ガスセンサの故障を検知することが可能となる。すなわち、上記本発明では、水素が検出されない状態で一対の電極間に発生する水素未検出時電圧Ｖ０が故障検出信号となる。
【００１６】
また上記本発明では、水素ガスセンサが正常に作動し、且つ触媒部において水素の発熱反応が起こった場合、触媒部で発生した反応熱が、熱電材料部において触媒部に接触している部分を加熱するため、熱電材料部において触媒部が偏在して設けられた側の電極が配置された部分と、別の電極が配置された部分との間の温度差ΔＴｒがΔＴ０より大きくなる。その結果、水素の発熱反応が起こった時に電圧測定部において測定される電圧（水素検出時電圧Ｖｒ＝αΔＴｒ）は、電圧Ｖ０よりも大きくなる。水素検出時電圧Ｖｒと水素未検出時電圧Ｖ０との電圧差ΔＶ＝Ｖｒ−Ｖ０＝α（ΔＴｒ−ΔＴ０）から、検知部において検出された水素ガスを定量することが可能となる。
【００１７】
上述のように、上記本発明では、水素ガスセンサの故障を検知するための故障検出信号（水素未検出時電圧Ｖ０）と、水素ガスを検出、定量するための信号（水素検出時電圧Ｖｒ）とを、共に一つの電圧測定部で測定することができる。したがって、本発明では、電圧測定部とは別に、故障検出信号の発信機構及び検出機構を水素ガスセンサに具備させる必要がなく、水素ガスセンサの構造が簡易となる。
【００１８】
また、上記本発明では、加熱部が絶縁部を挟んで熱電材料部の反対側に位置するため、加熱部と熱電材料部とが直に接触しない。つまり、加熱部と熱電材料部とは、絶縁部によって電気的に絶縁している。そのため、加熱部（例えば電気抵抗）における電圧降下が、熱電材料部において一対の電極間に発生する熱起電力（水素検出時電圧Ｖｒ）に影響することがないため、水素ガスの検出、定量を正確に行うことができる。
【００１９】
さらに、上記本発明では、加熱部で加熱された熱電材料部の熱が触媒部に伝導し、触媒部も加熱される。すなわち、触媒部は加熱部によって間接的に常時加熱される。そのため、触媒部の表面に吸着等した水蒸気由来の水分等を、触媒部表面から除去することができ、水分等の付着による触媒部の活性低下を防止して、触媒部が本来有している活性に応じた検出感度を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、水素ガスセンサの故障を検知することができ、且つ簡易な構造を有する水素ガスセンサを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明については省略することとする。また、図面中に示す寸法及び位置関係は図示されたものに限定されない。
【００２２】
＜水素ガスセンサ１００＞
図１〜３は、本発明の一実施形態に係る水素ガスセンサ１００の構成を示す概略図である。図１は、水素ガスセンサ１００を検知部１０側から見た上面図であり、図２は、水素ガスセンサ１００を加熱部３０側から見た下面図であり、図３は、図１の水素ガスセンサ１００のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。図１〜３に示すように、本実施形態の水素ガスセンサ１００は、検知部１０、電圧測定部２０、及び加熱部３０から構成される。なお、図１では、図示の便宜上、電圧測定部２０を省略している。
【００２３】
図３に示すように、検知部１０は、熱電材料部２と、一対の電極４ａ、４ｂと、触媒部６と、を有する。
【００２４】
一対の電極４ａ、４ｂは、熱電材料部２の一面上に、互いに離間するように設けられており、具体的には、熱電材料部２の長手方向における両端の辺に沿ってそれぞれ形成されている。これらの電極４ａ、４ｂは、熱電材料部２と外部回路等との接続を行う端子としての機能を有しており、金属等の導電性を有する材料によって構成される。
【００２５】
触媒部６は、熱電材料部２の電極４ａ、４ｂと同じ側の面上に、一対の電極４ａ、４ｂのうちの一方の電極４ａ側に偏在して設けられている。この触媒部６は、水素ガスと空気中の酸素と反応させる触媒能を有する。触媒部６としては、例えば、触媒担持体に上記触媒能を有する触媒成分を担持させた構成を有するものが挙げられる。具体的には、触媒担持体が多孔質のアルミナからなり、これに触媒成分として、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を担持させたものである。触媒成分としては、特に白金を担持させたものが好適である。白金は、水素ガスによる反応を選択的に生じさせることができ、これが表面積の大きい多孔質の触媒担持体に担持されることで、触媒部６の表面上で効率よく反応が生じるようになる。より具体的な触媒部６としては、例えば、触媒担持体であるＡｌ２Ｏ３に対して、触媒成分として、０．２重量％のロジウムと１．０重量％の白金とを担持させたものを用いればよい。
【００２６】
触媒部６は、上述のように一方の電極４ａ側に偏在して設けられているが、触媒部６が形成されていない側の電極４ｂからはできるだけ離れていることが好ましい。触媒部６が、電極４ｂから離れているほど、後述するような熱電材料部２における温度差（温度勾配）を大きくすることができ、より大きな起電力が得られる。ただし、触媒部６における発熱量との兼ね合いの観点から、触媒部６における反応を効率よく生じさせ、熱電材料部６に十分な温度差を与えることを可能とするために必要となる触媒部６の面積を確保した上で、触媒部６をできるだけ電極４ａ側に偏在させることが好ましい。
【００２７】
触媒部６は、本実施形態では、電極４aを被覆しているが、電極４ａを被覆しないように形成されていてもよい。触媒部６が電極４ａを被覆しないように形成されている場合、触媒部６での発熱が電極４ａを介しないで熱電材料部２に直接伝わるため、後述するような熱電材料部２における温度差（温度勾配）をより大きく生じさせることができる。
【００２８】
また、触媒部６は、これが設けられている側の電極４ａと接していなくてもよい。なお、本実施形態のように、触媒部６を電極４ａと接するように設けることで、触媒部６と電極４ａとが接しない場合に比べて、触媒部６と電極４ｂとの距離を大きくとることができ、熱電材料部２に生じる温度差（温度勾配）をより大きくし、電極４ａ、４ｂ間で大きな起電力を得ることが可能となる。なお、触媒部６を電極４ａと接触させるか否かは、所望とする水素ガスセンサの特性に応じて適宜選択すればよい。
【００２９】
電圧測定部２０は、検知部１０が有している一対の電極４ａ、４ｂに接続されており、電極４ａ、４ｂ間の電圧を測定することができる。この電圧測定部２０としては、検出される電圧に応じた公知の電圧計を適用することができる。
【００３０】
熱電材料部２は、１０〜５００μｍ程度の厚みを有し、平面形状が長方形状である板状の部材である。本実施形態では、熱電材料部２の寸法は、例えば、長さが６ｍｍ程度、幅１ｍｍ程度、厚さ１００μｍ程度である。この熱電材料部２は、局所的な温度差が生じるとゼーベック効果によって起電力が発生する性質（熱電変換能）を有する熱電材料から構成される。熱電材料としては、こ熱電変換能を十分に有しており、しかも、ガス等による抵抗や起電力の変化が少ないものが好ましい。例えば、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、ＦｅＳｉ系、ＳｉＧｅ系、スカッタルダイド系、ハーフホイスラー型金属間化合物系、コバルト層状化合物、金属酸化物系等の熱電材料が挙げられる。また、アルカリ金属をドープしたＮｉＯ系等も適用可能である。
【００３１】
上述の熱電材料の中でも、微細な空孔を多数有する多孔形状熱電材料を用いることが好ましい。なお、多孔形状熱電材料が有する空孔の孔径は、０．１〜２０μｍ程度である。多孔形状熱電材料としては、例えば、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９、ＮａｘＣｏＯ２（ｘは例えば０＜ｘ＜１．０を満たす任意の実数）等から成る熱電材料が挙げられる。これらの中でも、多孔形状熱電材料としては、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９からなる多孔形状熱電材料が好ましい。Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９からなる多孔形状熱電材料を用いることによって、緻密な熱電材料を用いる場合に比べて、触媒部６で発生した熱を、熱電材料部２において触媒部６に接触している部分から、電極４ｂが設けられた部分へ伝導させ難くすることが可能となる。その結果、熱電材料部２において触媒部６が偏在して設けられた側の電極４ａが配置された部分と、別の電極４ｂが配置された部分との間の温度差が大きくなり、両電極４ａ、４ｂ間に発生する熱起電力が大きくなるため、水素ガスセンサ１００の感度を従来よりも向上させることが可能となる。
【００３２】
Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９は、結晶異方性の大きい物質であり、その結晶粒子は、結晶軸のｃ軸に垂直な面方向に長い板状の形状を有する。Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９の抵抗率は１０−５Ω・ｍ程度、熱起電力は０．１２ｍＶ・Ｋ−１程度、熱伝導率は２Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度であり、特にｃ軸に垂直な面方向において、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９の抵抗率が小さく、熱起電力が大きい。Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９からなる多孔形状熱電材料は、例えば、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９の結晶粒子を、その結晶軸のｃ軸方向に多数積層し、プレスした後、焼成することによって得ることができる。
【００３３】
Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９からなる多孔形状熱電材料から構成した熱電材料部２では、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９の結晶粒子の結晶軸のｃ軸に垂直な面方向と、一対の電極４ａ、４ｂが対向する方向とが、略平行であることが好ましい。こうすれば、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９は結晶軸のｃ軸に垂直な面方向において、熱起電力が大きくなるので、電極４ａ、４ｂ間での温度差及び熱起電力が大きくなり易くなり、その結果、水素ガスセンサ１００の感度を更に向上させることができる。
【００３４】
水素ガスセンサ１００は、熱電材料部２を挟んで触媒部６の反対側に絶縁部（絶縁基板２２）を備える。熱電材料部２は、絶縁基板２２上に固定されている。絶縁基板２２は、酸化アルミニウム等の絶縁材から構成される。絶縁基板２２の寸法は、例えば、熱電材料部２の長手方向における長さが７ｍｍ、熱電材料部２の短手方向における長さが６ｍｍ、厚さが１２０μｍである。
【００３５】
加熱部３０は、絶縁基板２２を挟んで熱電材料部２の反対側に位置している。加熱部３０は、ヒーター２４（電気抵抗）と、ヒーター２４の両端に接続された電源２６とから構成される。電源２６によってヒーター２４に電圧が印加され、ヒーター２４でジュール熱が発生する。ヒーター２４は、絶縁基板２２を挟んで、熱電材料部２全体と重なるように配置され、均一なパターンを有する。このようなヒーター２４によって熱電材料部２全体が加熱される。ヒーター２４は、例えば、ＺｎとＡｇとを６０：１００の重量比で含有する材料から構成される。
【００３６】
加熱部３０で加熱された熱電材料部２の熱は、触媒部６に伝導し、触媒部６も加熱される。すなわち、加熱部３０によって触媒部６が間接的に加熱される。そのため、触媒部６の表面に吸着等した水分等を、触媒部６表面から除去することができ、水分等の付着によって触媒部６の活性が低下することを防止できる。そのため、触媒部６が本来有している活性に応じた水素の検出感度を得ることが可能となる。
【００３７】
＜水素ガスセンサ１００の動作方法＞
次に、水素ガスセンサ１００の作動中、触媒部６において水素の発熱反応が起こっていない状態（水素未検出状態）と、水素ガスセンサ１００の作動中、触媒部６において水素の発熱反応が起こっている状態（水素検出状態）との二つの状態における水素ガスセンサ１００の動作方法について説明する。なお、水素ガスセンサ１００では、水素未検出状態及び水素検出状態のいずれの状態においても、熱電材料部２が加熱部３０によって常時加熱されると共に、一対の電極４ａ、４ｂ間に発生する電圧（熱起電力）が電圧測定部２０によって常時測定される。
【００３８】
（水素未検出状態）
検知部１０は、一対の電極４ａ、４ｂが並ぶ方向（熱電材料部２の長手方向）において非対称な構造を有する。そのため、水素の発熱反応によって触媒部６が加熱されていない状態では、熱電材料部２において一方の電極４ａが設けられた側と他方の電極４ｂが設けられた側との間に、ヒーター２４で発生するジュール熱に起因する温度差ΔＴ０が生じる。ここで、電源２６によってヒーター２４に印加される電圧、及びヒーター２４で発生するジュール熱は略一定であるため、温度差ΔＴ０も略一定に維持される。したがって、熱電材料部２の熱電変換能によって一対の電極４ａ、４ｂ間に発生する熱起電力も略一定の値Ｖ０（＝αΔＴ０）に維持される。したがって、水素ガスセンサ１００が正常に作動し、且つ触媒部６において水素の発熱反応が起こっていない状態では、電圧測定部２０において常に略一定の電圧Ｖ０が測定される。なお、温度差ΔＴ０は、一定であることが望ましいが、後述する電圧Ｖｒの測定に支障を来たさない範囲内で変動してもよい。
【００３９】
一方、熱電材料部２が破断したり、電圧測定部２０と電極４０ａ、４０ｂとの接続不良が生じたりして、水素ガスセンサ１００が故障すると、一対の電極４ａ、４ｂ間に熱起電力（電圧Ｖ０）が発生しなかったり、熱起電力が電圧測定部１０で測定されなかったりする。すなわち、水素ガスセンサ１００が故障した状態では、電圧測定部１０で電圧Ｖ０が測定されなくなる。
【００４０】
以上のように、一対の電極４ａ、４ｂ間で電圧Ｖ０が測定される状態では、水素ガスセンサ１００は正常に作動しており、電圧Ｖ０が測定されない状態では、水素ガスセンサ１００故障している可能性がある。このように、水素ガスセンサ１００では、電圧Ｖ０が故障検出信号として機能し、電圧Ｖ０の有無によって水素ガスセンサ１００の故障の有無を判別できる。
【００４１】
（水素検出状態）
検知部１０において、触媒部６に水素ガスが接触すると、触媒部６上で水素ガスと空気中の酸素との反応が発生する。この反応では、水素と酸素との反応によって水が生成するとともに反応熱が発生する。この反応熱により、熱電材料部２のうち触媒部６と接している部分（電極４ａ側）が加熱される。一方、触媒部６が設けられていない部分（電極４ｂ側）は、上記反応が生じても加熱され難いため、反応前の温度を維持したままとなり易い。その結果、触媒部６で水素ガスの反応が生じると、熱電材料部２において触媒部６が偏在して設けられた側（電極４ａ側）と、別の電極４ｂ側との間に、ΔＴ０より大きな温度差ΔＴｒが生じることになる。なお、ΔＴｒは、触媒部における水素ガスと酸素との反応による反応熱の大きさに依存する変数である。換言すれば、ΔＴｒは、触媒部６において酸素と反応した水素ガスの量に依存する変数である。
【００４２】
温度差ΔＴｒによって熱電材料部２に生じた熱起電力は、熱電材料部２の両端に設けられた一対の電極４ａ、４ｂ間に、電圧Ｖ０より大きな電圧（電圧Ｖｒ＝αΔＴｒ）を発生させる。この電圧Ｖｒが電圧測定部２０で測定される。電圧Ｖｒと電圧Ｖ０との電圧差ΔＶ＝Ｖｒ−Ｖ０＝α（ΔＴｒ−ΔＴ０）に基づいて、雰囲気中の水素ガスの濃度等を定量することができる。
【００４３】
なお、電圧Ｖ０が電圧Ｖｒに比べて小さいほど、電圧差ΔＶが大きくなるので、水素ガスの検出、定量がし易くなる。電圧Ｖ０を電圧Ｖｒに比べて小さくするためには、例えば、ヒーター２４で発生させる熱量、又は熱電材料部２に対するヒーター２４の配置を適宜調整すればよい。
【００４４】
本実施形態では、水素ガスセンサ１００の故障を検知するための故障検出信号（電圧Ｖ０）と、水素ガスを検出、定量するための信号（電圧Ｖｒ）とを、共に一つの電圧測定部２０で測定することができる。したがって、本実施形態では、電圧測定部２０とは別に、故障検出信号の発信機構及び検出機構を水素ガスセンサ１００に具備させる必要がないため、水素ガスセンサ１００の構造が簡易となる。
【００４５】
また、本実施形態では、加熱部３０が絶縁基板２２を挟んで熱電材料部２の反対側に位置するため、加熱部のヒーター２４と熱電材料部２とが直に接触しない。つまり、ヒーター２４と熱電材料部２とは、絶縁基板２２を介して電気的に絶縁している。そのため、ヒーター２４における電圧降下が、熱電材料部２に発生する熱起電力に影響することがないため、水素ガスの検出、定量を正確に行うことができる。
【００４６】
以上、本実施形態の水素ガスセンサ１００について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【００４７】
例えば、図４に示すように、加熱部３０のヒーター２４が、絶縁基板２２を挟んで、検知部１０のうち一方の電極４ａ側（触媒部６側）に偏在して配置されていてもよい。これにより、熱電材料部２のうち一方の電極４ａ側が局所的に加熱され、熱電材料部２において一方の電極４ａが設けられた側と他方の電極４ｂが設けられた側との間において温度差ΔＴ０が生じ易くなる。また、ヒーター２４で発生した熱が触媒部６に伝導し易くなり、触媒部６の表面に吸着した水分等を、触媒部６表面から除去し易くなる。そのため、触媒部６が本来有している活性に応じた水素の検出感度を得易くなる。
【００４８】
さらに、上述の実施形態において、水素ガスセンサ１００における熱電材料部２は板状の形状を有するものとしたが、一対の電極４ａ、４ｂ及び触媒部６を表面に配置できるものであれば、板状以外の形状を有していてもよい。また、電極４ａ、４ｂや触媒部６は、全てが熱電材料部２における同一面上に設けられていたが、例えば電極４ａ、４ｂのうち一方の電極のみが他の面に設けられていてもよい。
【００４９】
また、熱電材料部２が多孔形状熱電材料から構成されている場合、多孔形状熱電材料の有する空孔に触媒部６を構成する触媒成分が担持されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素ガスセンサの構成を示す概略上面図である。
【図２】図１に示す水素ガスセンサを加熱部側から見た概略下面図である。
【図３】図１に示す水素ガスセンサを図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した場合の水素ガスセンサの模式断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る水素ガスセンサを加熱部側から見た概略下面図である。
【符号の説明】
【００５１】
２・・・熱電材料部、４ａ、４ｂ・・・電極、６・・・触媒部、１０・・・検知部、２０・・・電圧測定部、２２・・・絶縁基板（絶縁部）、２４・・・ヒーター、２６・・・電源、３０・・・加熱部、１００、１００ａ・・・水素ガスセンサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電材料部、前記熱電材料部上に設けられた一対の電極、及び前記熱電材料部上に前記一対の電極のうちの一方の電極側に偏在して設けられ、水素の発熱反応を触媒する触媒部を有する検知部と、
前記一対の電極間に発生した電圧を測定する電圧測定部と、
前記熱電材料部を挟んで前記触媒部の反対側に位置する絶縁部と、
前記絶縁部を挟んで前記熱電材料部の反対側に位置し、前記熱電材料部において前記一対の電極のうちの一方の電極が設けられた側と他方の電極が設けられた側との間に温度差が生じるように、前記絶縁部を介して前記熱電材料部を加熱する加熱部と、
を備える水素ガスセンサ。
【請求項２】
前記熱電材料部が前記加熱部によって常時加熱され、
前記一対の電極間に発生した電圧が前記電圧測定部によって常時測定され、
前記水素の発熱反応によって前記触媒部が加熱されていない状態で、前記熱電材料部において前記一対の電極のうちの一方の電極が設けられた側と他方の電極が設けられた側との間の温度差が一定に維持され、
一定に維持された前記温度差によって前記一対の電極間に発生する電圧が前記電圧測定部で検出される、請求項１に記載の水素ガスセンサ。
【請求項１】
熱電材料部、前記熱電材料部上に設けられた一対の電極、及び前記熱電材料部上に前記一対の電極のうちの一方の電極側に偏在して設けられ、水素の発熱反応を触媒する触媒部を有する検知部と、
前記一対の電極間に発生した電圧を測定する電圧測定部と、
前記熱電材料部を挟んで前記触媒部の反対側に位置する絶縁部と、
前記絶縁部を挟んで前記熱電材料部の反対側に位置し、前記熱電材料部において前記一対の電極のうちの一方の電極が設けられた側と他方の電極が設けられた側との間に温度差が生じるように、前記絶縁部を介して前記熱電材料部を加熱する加熱部と、
を備える水素ガスセンサ。
【請求項２】
前記熱電材料部が前記加熱部によって常時加熱され、
前記一対の電極間に発生した電圧が前記電圧測定部によって常時測定され、
前記水素の発熱反応によって前記触媒部が加熱されていない状態で、前記熱電材料部において前記一対の電極のうちの一方の電極が設けられた側と他方の電極が設けられた側との間の温度差が一定に維持され、
一定に維持された前記温度差によって前記一対の電極間に発生する電圧が前記電圧測定部で検出される、請求項１に記載の水素ガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２２９１１４（Ｐ２００９−２２９１１４Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７１８１５（Ｐ２００８−７１８１５）
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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