特開 2023-165297 水素ガス検知器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023165297

(43)【公開日】2023-11-15

(54)【発明の名称】水素ガス検知器

(51)【国際特許分類】

   G01N 25/22 20060101AFI20231108BHJP

   G01N 27/00 20060101ALI20231108BHJP

【ＦＩ】

G01N25/22

G01N27/00 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022076166

(22)【出願日】2022-05-02

(71)【出願人】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】501418498

【氏名又は名称】矢崎エナジーシステム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】南 辰志

(72)【発明者】

【氏名】倉橋 香那子

(72)【発明者】

【氏名】小澤 尚史

(72)【発明者】

【氏名】名川 良春

【テーマコード（参考）】

2G040

2G060

【Ｆターム（参考）】

2G040AA03

2G040AB16

2G040BA01

2G040BA23

2G040BB01

2G040CA02

2G040DA03

2G040DA14

2G040FA09

2G040GA05

2G040HA03

2G040HA05

2G060AA02

2G060AB03

2G060AE19

2G060AF13

2G060BB18

2G060BC03

2G060BD02

2G060HC02

2G060HC10

2G060HD03

2G060JA01

2G060KA01

(57)【要約】

【課題】雰囲気中の水素ガス濃度を、水素以外の可燃ガスとは区別して検出することの可能な水素ガス検知器を提供する。
【解決手段】水素ガスを常温で触媒燃焼させる常温触媒を含む触媒層が表面に形成され、該触媒層での燃焼による発熱を検知する温度センサと、前記温度センサが検知した発熱による温度上昇によって雰囲気中の水素ガス濃度を導出する導出部と、を備える、水素ガス検知器。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素ガスを常温で触媒燃焼させる常温触媒を含む触媒層が表面に形成され、該触媒層での燃焼による発熱を検知する温度センサと、
前記温度センサが検知した発熱による温度上昇によって雰囲気中の水素ガス濃度を導出する導出部と、
を備える、水素ガス検知器。

【請求項2】

前記水素ガス濃度を報知する基準値である報知基準値を任意に設定可能な設定部と、
前記水素ガス濃度が前記報知基準値以上であるかどうかを判断する判定部と、
前記判定部による判断が肯定的である場合にその旨を報知する報知部と、
をさらに備える請求項１に記載の水素ガス検知器。

【請求項3】

前記設定部は、複数の異なる前記報知基準値を任意に設定可能であるとともに、
前記報知部は、前記異なる報知基準値ごとに異なる報知を行う、
請求項２に記載の水素ガス検知器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、雰囲気中の水素ガス濃度を検知する水素ガス検知器に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、水素ガスと触媒との触媒反応による発熱を熱電変換して発生する電圧を検出して水素ガスを検知する水素ガス検知センサが開示されている。特許文献２には、１つのガスセンサにより、一酸化炭素ガスと還元性ガスとを確実に検知できるようにしたガス検知装置が開示されている。特許文献３には、一酸化炭素と水素の混合ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化することを特徴とする触媒と逆に水素を選択的に酸化することを特徴とする触媒が開示されている。特許文献４には、消費電力の軽減を図ったガス検知装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－２０１１００号公報

【特許文献2】特開平２－１４５９５６号公報

【特許文献3】特開２００１－１３７７０８号公報

【特許文献4】特開平３－２３３６９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１記載の技術では、触媒を所定の温度に加熱するため、水素ガス以外の炭化水素のような可燃性ガスも燃焼するため、発熱が水素ガスの触媒反応によるかどうかが不明である。特許文献２記載の技術においても、一酸化炭素ガスと水素ガスのような還元性ガスを検知することはできても、検知されたガスが水素ガスであるかどうかは不明である。特許文献３記載の技術では、触媒を適用したセンサを１５０～１６０℃に加熱しており、水素ガスとともに炭化水素のような可燃性ガスが存在する場合、水素ガスのみを検出することができるかどうかは不明である。特許文献４記載の技術では、ガスセンサを断続的加熱と連続的加熱とで切り替えてはいるが、ガスの検知は連続的に加熱されるときに行われている。

【0005】

本開示の実施態様は、雰囲気中の水素ガス濃度を、水素以外の可燃ガスとは区別して検出することの可能な水素ガス検知器を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

（１）第１態様
第１態様に係る水素ガス検知器は、水素ガスを常温で触媒燃焼させる常温触媒を含む触媒層が表面に形成され、該触媒層での燃焼による発熱を検知する温度センサと、前記温度センサが検知した発熱による温度上昇によって雰囲気中の水素ガス濃度を導出する導出部と、を備える。

【0007】

すなわち、第１態様に係る水素ガス検知器は、温度センサと、導出部とを備える。温度センサには、常温触媒を含む触媒層が表面に形成される。常温触媒とは、水素ガスが常温で接触すると水素ガスの燃焼が起こる触媒をいう。このような常温触媒としては、たとえば、白金を０．２質量％以上含有する触媒が挙げられる。また、ここでいう常温とは、特段の加熱又は冷却を行わない温度をいい、具体的には概ね１５～３０℃の範囲の温度をいう。常温での触媒燃焼とは、触媒に測定ガスを接触させる際、燃焼部にヒータ等での加熱が行われないことをいう。温度センサは、燃焼部での燃焼による発熱による温度上昇を検知する。温度センサとしては、たとえば、熱電対を使用することができる。

【0008】

導出部は、たとえば、中央演算素子（ＣＰＵ）並びにＲｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＯＭ）及びＲａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＡＭ）のような記憶装置を備えたコンピュータとして構成することができる。そして、あらかじめ既知の水素ガス濃度を有する測定雰囲気中に、上記の触媒層を備えた温度センサを設置して、触媒燃焼によって生じる温度上昇（ΔＴ）を測定しておき、水素ガス濃度とΔＴとの相関関係から検量線データを導出し、これが導出部のたとえば記憶装置に記憶される。

【0009】

そして、水素ガス濃度が未知の測定ガスについて、燃焼部での触媒燃焼で温度センサが検知したΔＴを、導出部が検量線データを参照して、当該測定ガスの水素ガス濃度が導出される。このとき、燃焼部は常温のため、測定ガスにメタンのような水素ガス以外の可燃性ガスが含有されていても、常温での燃焼は発生しない。よって、温度センサが検知したΔＴは水素ガスにのみ起因するものであり、これにより測定ガス中の水素ガス濃度を特定することが可能となっている。

【0010】

（２）第２態様
第２態様に係る水素ガス検知器は、第１態様の構成に加え、前記水素ガス濃度を報知する基準値である報知基準値を任意に設定可能な設定部と、前記水素ガス濃度が前記報知基準値以上であるかどうかを判断する判定部と、前記判定部による判断が肯定的である場合にその旨を報知する報知部と、をさらに備える。設定部及び判定部もまた、たとえば、ＣＰＵ並びにＲＯＭ及びＲＡＭのような記憶装置を備えたコンピュータとして構成することができる。

【0011】

すなわち、導出部で導出された水素ガス濃度が、設定された報知基準値以上であることが判定部で判断された場合には、報知部でその旨が報知される。報知部による報知は、たとえばアラームを鳴らすことで行うことができる。この構成により、雰囲気中の水素ガス濃度が所定の報知基準値以上である場合に、その旨を使用者に報知することが可能となっている。

【0012】

（３）第３態様
第３態様に係る水素ガス検知器は、第２態様の構成に加え、前記設定部は、複数の異なる前記報知基準値を任意に設定可能であるとともに、前記報知部は、前記異なる報知基準値ごとに異なる報知を行う。たとえば、報知基準値として異なる２つの値が設定されている場合、低い方の値でより危険度の低い報知を行い、高い方の値でより危険度の高い報知を行うことが可能となる。危険度の高さは、たとえばアラーム音の音量を上げたり、周波数を上げたり、断続的なアラーム音の間隔を短くしたり、ということによって感覚的に表現することができる。

【発明の効果】

【0013】

本開示の実施態様は、上記のように構成されているので、雰囲気中の水素ガス濃度を、水素以外の可燃ガスとは区別して検出することの可能な水素ガス検知器を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本開示の第１実施形態に係る水素ガス検知器の構成を示した模式図である。

【図2】図１の水素ガス検知器に備えられた導出部にあらかじめ入力された上昇温度と水素ガス濃度との関係を示したグラフである。

【図3】図１の水素ガス濃度計に備えられた温度センサによって検知される温度と時間との関係を示したグラフである。

【図4】第１実施形態に係る水素ガス検知器による水素ガス検知の手順を示すフローチャートである。

【図5】図１の水素ガス検知器を使用した検知装置の例を示した模式図である。

【図6】図１の水素ガス検知器を使用した検知装置の別の例を示した模式図である。

【図7】本開示の第２実施形態に係る水素ガス検知器の構成を示した模式図である。

【図8】第２実施形態に係る水素ガス検知器による水素ガス検知の手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。以下で言及する各図面における各部位の大きさ及び各部位間の比率は、模式的に表現されており、実際の各部位の大きさ及び各部位間の比率を必ずしも反映していない。なお、各図において共通して付されている符号は、特に説明がない場合でも、同一の対象を指し示すものである。

【0016】

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る水素ガス検知器について図１～図５に従って説明する。

【0017】

本実施形態の水素ガス検知器１０の構成を図１に示す。水素ガス検知器１０は、温度センサ２０と、導出部３０と、設定部４５と、判定部４０と、報知部５０とを備えている。

【0018】

温度センサ２０はサーミスタとして構成されており、吸気路６３及び排気路６４を備えた燃焼室６２内に収容される。温度センサ２０の表面には、水素ガスを常温で触媒燃焼させる常温触媒を含む触媒層２１が形成されている。この触媒層２１は、雰囲気中に水素ガスが存在すると、触媒燃焼により発熱し、その発熱を温度センサ２０が検知する。具体的には、温度センサ２０に生じた発熱で温度が上昇すると、電気抵抗が低下し、それにより電流が流れやすくなる。温度センサ２０は導出部３０に電気的に接続されており、導出部３０は温度センサ２０からの電流量の変化を検出する。

【0019】

触媒層２１に含まれる常温触媒は、水素を常温（室温）で燃焼させることが可能なものであり、たとえば、アルミナ担持白金触媒（Ｐｔ－Ａｌ_２Ｏ_３）等の金属酸化物担持白金触媒を使用することができる。ここで、０．２質量％の白金をアルミナ担体が担持した触媒（０．２％Ｐｔ－Ａｌ_２Ｏ_３触媒）を用いて、１０００ｐｐｍの水素を燃焼させた場合に、燃焼開始温度が室温となることが知られている（貞森 博己、「特殊燃焼技術特集 触媒燃焼技術の現状 触媒燃焼バーターを中心として」、燃料協会誌、第５８巻第６２６号、１９７９年６月発行、４２２～４２３頁）。

【0020】

ここで、温度センサ２０の先端部分には、前記したように表面が触媒層２１に覆われている。この触媒層２１は、アルミナ担持白金触媒等の水素を常温で燃焼させる触媒により構成された塗膜である。触媒層２１の形成方法としては、粉末状の触媒と蒸留水等とを混合した液状の触媒を温度センサ２０の表面に塗布して乾燥させる方法を例示できる。

【0021】

導出部３０は、温度センサ２０によって検知された電流量の変化を温度変化に換算し、この温度変化に基づいて水素ガス濃度を導出する。具体的には、導出部３０には、測定ガス中の水素ガス濃度と、水素ガスの触媒燃焼によって生ずる上昇温度ΔＴとの関係が、たとえば図２に示すグラフで表される関係としてあらかじめ記録されている。ここで、図２に示すグラフの横軸は上昇温度ΔＴであり、縦軸は測定ガス中の水素ガス濃度である。このように、雰囲気中の水素ガス濃度は、上昇温度ΔＴに比例して大きくなる。導出部３０には、この関係が入力されている。

【0022】

また、上昇温度ΔＴについては、導出部３０が、温度センサ２０からの電流量の変化に基づいて算出する。図３に示すグラフの横軸は経過時間であり、縦軸は温度センサ２０によって検知された温度である。導出部３０は、このグラフに示されるように、温度センサ２０によって検知される温度をモニタリングし、測定ガス中の水素ガスの触媒燃焼によって上昇した上昇温度ΔＴを算出する。

【0023】

この構成において、導出部３０は、温度センサ２０によって検知される温度をモニタリングすることで算出された上昇温度ΔＴ（ピーク値）によって、測定ガス中の水素ガス濃度を導出する。

【0024】

設定部４５により、水素ガス濃度を報知する基準値である報知基準値を任意に設定可能である。たとえば、テンキーや入力パネルのような入力装置により数値データとしての報知基準値が入力され、その入力された数値データがメモリのような記憶装置に記憶される。この報知基準値は、単一の値でもよいが、複数の段階、たとえば、ややリスクの低い警戒レベルである第１警報値と、よりリスクの高い警戒レベルである第２警報との２段階で設定することが望ましい。判定部４０は、設定部４５に記憶された報知基準値を参照して、導出部３０により導出された水素ガス濃度が、報知基準値以上であるかどうかを判断する。

【0025】

報知部５０は、たとえばアラーム装置として形成され、判定部４０の判断が肯定的、換言すると設定部４５により設定された報知基準値以上である場合に、その旨をたとえばアラーム音にて報知する。この報知は、異なる報知基準値が設定されている場合、その異なる基準値ごとに異なる報知を行うことが望ましい。たとえば、水素ガス濃度が第１警報値以上で第２警報値未満である場合には、報知部５０は低レベルの警報を発し、また、水素ガス濃度が第２警報値以上である場合には、報知部５０は高レベルの警報を発することが望ましい。

【0026】

図１の水素ガス検知器１０による水素ガス検知の一例を、図４のフローチャートを参照しつつ説明する。

【0027】

まず、Ｓ１００に示す段階において、温度センサ２０で検知された温度が、導出部３０によりＴ_０とされる。次に、Ｓ１１０に示す段階で、所定時間が経過したと判断されると、Ｓ１２０に示す段階へ進み、その時点の温度センサ２０で検知された温度が、導出部３０によりＴ_１とされる。そして、Ｓ１３０に示す段階へ進み、導出部３０は、Ｔ_１とＴ_０との差分を取りこれを上昇温度ΔＴとする。

【0028】

次いで、Ｓ１４０に示す段階へ進み、導出部３０は、導出された上昇温度ΔＴと、あらかじめ入力されている水素ガス濃度と上昇温度ΔＴとの関係とから、水素ガス濃度を導出する。

【0029】

そして、Ｓ１５０に示す段階へ進み、判定部４０は、設定部４５を参照して、導出された水素ガス濃度が第１警報値以上であるかどうかを判断する。導出された水素ガス濃度が第１警報値以上でない場合には、Ｓ１６０に示す段階へ進み、Ｔ_０の値をＴ_１の値で上書きした上で、Ｓ１１０に示す段階へ戻り、以降の段階を繰り返す。

【0030】

一方、Ｓ１５０に示す段階において、導出された水素ガス濃度が第１警報値以上である場合には、Ｓ１７０に示す段階へ進み、判定部４０は、設定部４５を参照して、導出された水素ガス濃度が、第１警報値より高い値である第２警報値以上であるかどうかを判断する。導出された水素ガス濃度が第２警報値以上でない場合、すなわち、第１警報値以上で第２警報値未満である場合には、Ｓ１８０に示す段階へ進み、報知部５０は低レベルの警報を発する。そして、Ｓ１１０に示す段階へ戻る。

【0031】

このとき、Ｔ_０の値は、Ｓ１４０に示す段階のままである。これは、水素ガス濃度が第１警報値から第２警報値へ上昇する可能性を考慮したものである。すなわち、Ｓ１６０に示す段階のようにＴ_０の値をＴ_１の値で上書きしてしまうと、第１警報値に相当する高い値のＴ_１が新たにＴ_０になってしまい、それによってその次のＴ_１が元のＴ_１より高い値であったとしても結果としてΔＴが小さくなってしまい、より危険な状態が見過ごされてしまうことになるからである。

【0032】

一方、Ｓ１７０に示す段階において、導出された水素ガス濃度が第２警報値以上である場合には、Ｓ１９０に示す段階へ進み、報知部５０は高レベルの警報を発する。

【0033】

以上の通り、本実施形態では、１つの温度センサ２０で所定時間ごとの温度の差分を取ることで、所定時間ごとに雰囲気中の水素ガス濃度を検知することができ、さらに、検知した水素ガス濃度に応じたレベルの警報を発することができ、危険度に応じた処置を促すことができる。

【0034】

本実施形態の水素ガス検知器１０は、たとえば、図５の模式図に示すような、持ち運び可能な検知装置６０として構成することができる。

【0035】

図５の検知装置６０においては、筐体６１の中に、水素ガス検知器１０が内蔵されている。温度センサ２０は、筐体６１の内部に設けられた燃焼室６２内に設置され、導出部３０、設定部４５、判定部４０及び報知部５０とは隔離されている。燃焼室６２は、外気が流入する吸気路６３と、燃焼後の気体を外気へ排出する排気路６４で外界と交通している。吸気路６３の上流側にはフィルタ６５が、下流側にはポンプ６６がそれぞれ設置される。吸気路６３の先端は、筐体６１から突出した吸気ノズル６７となっている。

【0036】

ポンプ６６の作動により、フィルタ６５で塵のような異物が除去された上で、外気は燃焼室６２へ導入される。そこで、導入された外気中に水素ガスが存在すれば触媒層２１に含まれる常温触媒によって触媒燃焼して発熱し、温度センサ２０によってその発熱による温度上昇が検知される。その温度上昇によって導出部３０が雰囲気中の水素ガス濃度を導出し、判定部４０は設定部４５を参照して、その水素ガス濃度が所定の報知基準値以上であるかどうかを判断し、報知部はその判断が肯定的であればその旨を報知する。

【0037】

図５の検知装置６０は、たとえば、水素ガスが漏出している可能性のある場所へ作業員が持参し、疑わしい箇所へ吸気ノズル６７を向けて気体を採取し、そこで水素ガス濃度を測定して報知部５０によって報知がされた場合には、その場所で水素ガスが漏出していることを作業員が知ることができる。

【0038】

本実施形態の水素ガス検知器１０は、たとえば、図６の模式図に示すような、据え置き型の検知装置６０として構成することができる。図６の検知装置６０の基本的な構成は図５の検知装置６０と同様である。ただし、筐体６１が壁や天井等の所定の位置に固定される点、フィルタ６５がユニットとして形成されている点、及び吸気路６３の先端が漏斗状に形成された吸気口６８となっている点で相違する。すなわち、水素ガスが漏出する可能性のある場所へあらかじめこの検知装置６０を設置しておいて、水素ガスが漏出したときには報知部５０から報知がされることになる。

【0039】

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る水素ガス検知器について図７及び図８に従って説明する。

【0040】

本実施形態の水素ガス検知器１０の構成を図７に示す。水素ガス検知器１０は、温度センサ２０と、参照センサ２５と、導出部３０と、設定部４５と、判定部４０と、報知部５０とを備えている。

【0041】

温度センサ２０及び触媒層２１については第１実施形態と同様である。参照センサ２５は、温度センサ２０と同様のサーミスタとして構成されるが、表面に触媒層２１が設けられていない点、及び、燃焼室６２の外部に設置される点で温度センサ２０とは相違する。参照センサ２５は、燃焼室６２の外部の温度、たとえば、外気温を検知する。

【0042】

導出部３０は、温度センサ２０及び参照センサ２５によって検知された電流量の変化を温度変化に換算し、両者の温度差、すなわち、温度センサ２０による温度（Ｔ_１）と参照センサ２５による温度（Ｔ_０）との差分である上昇温度（ΔＴ）に基づいて水素ガス濃度を導出する。具体的には、導出部３０には、測定ガス中の水素ガス濃度と、水素ガスの触媒燃焼によって生ずる上昇温度ΔＴとの関係が、たとえば図２に示すグラフで表される関係としてあらかじめ記録されている。ここで、図２に示すグラフの横軸は上昇温度ΔＴであり、縦軸は測定ガス中の水素ガス濃度である。このように、雰囲気中の水素ガス濃度は、上昇温度ΔＴに比例して大きくなる。導出部３０には、この関係が入力されている。以上の点の他は、第２実施形態の導出部３０は第１実施形態の導出部３０と同様である。

【0043】

設定部４５、判定部４０及び報知部５０については、第１実施形態と同様である。

【0044】

図７の水素ガス検知器１０による水素ガス検知の一例を、図８のフローチャートを参照しつつ説明する。

【0045】

まず、Ｓ２００に示す段階において所定時間が経過したと判断されると、Ｓ２１０に示す段階へ進み、参照センサ２５で検知された温度が、導出部３０によりＴ_０とされる。次に、Ｓ２２０に示す段階へ進み、温度センサ２０で検知された温度が、導出部３０によりＴ_１とされる。そして、Ｓ２３０に示す段階へ進み、導出部３０は、Ｔ_１とＴ_０との差分を取りこれを上昇温度ΔＴとする。

【0046】

次いで、Ｓ２４０に示す段階へ進み、導出部３０は、導出された上昇温度ΔＴと、あらかじめ入力されている水素ガス濃度と上昇温度ΔＴとの関係とから、水素ガス濃度を導出する。

【0047】

そして、Ｓ２５０に示す段階へ進み、判定部４０は、設定部４５を参照して、導出された水素ガス濃度が第１警報値以上であるかどうかを判断する。導出された水素ガス濃度が第１警報値以上でない場合には、Ｓ２１０に示す段階へ戻り、以降の段階を繰り返す。

【0048】

一方、Ｓ２５０に示す段階において、導出された水素ガス濃度が第１警報値以上である場合には、Ｓ２７０に示す段階へ進み、判定部４０は、設定部４５を参照して、導出された水素ガス濃度が、第１警報値より高い値である第２警報値以上であるかどうかを判断する。導出された水素ガス濃度が第２警報値以上でない場合、すなわち、第１警報値以上で第２警報値未満である場合には、Ｓ２８０に示す段階へ進み、報知部５０は低レベルの警報を発する。そして、Ｓ２１０に示す段階へ戻り、以降の段階を繰り返す。

【0049】

一方、Ｓ２７０に示す段階において、導出された水素ガス濃度が第２警報値以上である場合には、Ｓ９９０に示す段階へ進み、報知部５０は高レベルの警報を発する。

【0050】

以上の通り、本実施形態では、１つの温度センサ２０で燃焼室６２内の温度と外気温との差分を取ることで、所定時間ごとに雰囲気中の水素ガス濃度を検知することができ、さらに、検知した水素ガス濃度に応じたレベルの警報を発することができ、危険度に応じた処置を促すことができる。

【符号の説明】

【0051】

１０ 水素ガス検知器
２０ 温度センサ
２１ 触媒層
３０ 導出部
４０ 判定部
４５ 設定部
５０ 報知部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】