特許 7350290 ガス濃度検出方法、ガス濃度検出装置、及びガス生成システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-15

(45)【発行日】2023-09-26

(54)【発明の名称】ガス濃度検出方法、ガス濃度検出装置、及びガス生成システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/16 20060101AFI20230919BHJP

   G01N 27/00 20060101ALI20230919BHJP

   C25B 15/00 20060101ALI20230919BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20230919BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20230919BHJP

【ＦＩ】

G01N27/16 Z

G01N27/00 K

C25B15/00 301

C25B1/04

C25B9/00 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019121351

(22)【出願日】2019-06-28

(65)【公開番号】P2021009023

(43)【公開日】2021-01-28

【審査請求日】2022-04-08

(73)【特許権者】

【識別番号】594123387

【氏名又は名称】ヤマハファインテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100134359

【弁理士】

【氏名又は名称】勝俣 智夫

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100206391

【弁理士】

【氏名又は名称】柏野 由布子

(72)【発明者】

【氏名】加藤 毅

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 民人

(72)【発明者】

【氏名】市ノ木山 尚士

【審査官】村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－０３０６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１２１１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０９９７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１７４２８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０５６４８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２４７９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６４６７１７２（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３３２４０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】一般社団法人日本ガス協会，平成29年度水素導管供給システムの安全性評価事業（総合調査）調査報告書，日本，日本国経済産業省，2018年07月11日，https://www.meti.go.jp/meti_lib/report/H29FY/000320.pdf，第27頁

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／００－２７／１０

Ｇ０１Ｎ ２７／１４－２７／２４

Ｃ２５Ｂ １５／００

Ｃ２５Ｂ １／０４

Ｃ２５Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水電解により水素、および酸素を生成し、
前記水素を回収する水素経路及び前記酸素を回収する酸素経路の両方に、接触燃焼式ガスセンサを配置し、
前記接触燃焼式ガスセンサは、温度測定素子としてのサーモパイルを備え、前記サーモパイルが前記水素または前記酸素の濃度に応じた電気信号を出力することで、前記水素経路における酸素濃度、または前記酸素経路における水素濃度を検出し、
前記水素経路に配置された前記接触燃焼式ガスセンサが、濃度９９．９９９％以下の水素と、濃度１０ｐｐｍ以上の酸素とが混合されたガスにおける、酸素濃度を検出し、
前記酸素経路に配置された前記接触燃焼式ガスセンサが、濃度９９．９９９％以下の酸素と、濃度１０ｐｐｍ以上の水素とが混合されたガスにおける水素濃度を検出し、
前記接触燃焼式ガスセンサは、検出対象とするガスを燃焼させる際の触媒として作用する触媒層と、前記触媒層を加熱し、前記ガスの燃焼を促進させるヒータと、前記燃焼の熱量に応じた電気信号を出力する前記サーモパイルと、を備え、
前記接触燃焼式ガスセンサで検出した、前記水素経路における酸素濃度または前記酸素経路における水素濃度が、所定の閾値以上である場合、前記ヒータに供給する駆動電流を停止させることで、前記接触燃焼式ガスセンサによる濃度の測定を停止させる、
ガス濃度検出方法。

【請求項2】

前記水素経路に配置された前記接触燃焼式ガスセンサが、濃度９９％以上の水素と、濃度１％以下の酸素とが混合されたガスにおける、酸素濃度を検出する、
前記請求項１に記載のガス濃度検出方法。

【請求項3】

前記酸素経路に配置された前記接触燃焼式ガスセンサが、濃度９９％以上の酸素と、濃度１％以下の水素とが混合されたガスにおける水素濃度を検出する、
前記請求項１又は請求項２に記載のガス濃度検出方法。

【請求項4】

水電解を用いて生成された水素、および酸素における、前記水素を回収する水素経路、及び前記酸素を回収する酸素経路の両方に配置された接触燃焼式ガスセンサで、前記水素経路における酸素濃度、及び前記酸素経路における水素濃度を検出する検出部と、
前記検出部により検出された、前記水素経路における酸素濃度、及び前記酸素経路における水素濃度に基づいて、前記接触燃焼式ガスセンサによる濃度の測定を制御するセンサ制御部と、
を備え、
前記接触燃焼式ガスセンサは、温度測定素子としてのサーモパイルを備え、前記サーモパイルが前記水素または前記酸素の濃度に応じた電気信号を出力することで、前記水素経路における酸素濃度、または前記酸素経路における水素濃度を検出し、
前記水素経路に配置された前記接触燃焼式ガスセンサは、濃度９９．９９９％以下の水素と、濃度１０ｐｐｍ以上の酸素とが混合されたガスにおける、酸素濃度を検出し、
前記酸素経路に配置された前記接触燃焼式ガスセンサは、濃度９９．９９９％以下の酸素と、濃度１０ｐｐｍ以上の水素とが混合されたガスにおける水素濃度を検出し、
前記接触燃焼式ガスセンサは、検出対象とするガスを燃焼させる際の触媒として作用する触媒層と、前記触媒層を加熱し、前記ガスの燃焼を促進させるヒータと、前記燃焼の熱量に応じた電気信号を出力する前記サーモパイルと、を備え、
前記センサ制御部は、前記検出部により検出された、前記水素経路における酸素濃度または前記酸素経路における水素濃度が、所定の閾値以上である場合、前記ヒータに供給する駆動電流を停止させることで、前記接触燃焼式ガスセンサによる濃度の測定を停止させる、
ガス濃度検出装置。

【請求項5】

水電解により水素、および酸素を生成する生成装置と、
請求項４に記載のガス濃度検出装置と、
前記ガス濃度検出装置の検出部により検出された、前記生成装置が生成した水素が回収される水素経路における酸素の濃度、または前記生成装置が生成した酸素が回収される酸素経路における水素の濃度に基づいて、前記生成装置による水素、および酸素の生成を制御する管理装置と、
を備えるガス生成システム。

【請求項6】

前記接触燃焼式ガスセンサは、前記水素経路における水素雰囲気ガスに含まれる酸素を水素と反応させることで酸素濃度を検出する、または前記酸素経路における酸素雰囲気ガスに含まれる水素を酸素と反応させることで水素濃度を検出する、
請求項１に記載のガス濃度検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス濃度検出方法、ガス濃度検出装置、及びガス生成システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、水電解を利用して、水から水素及び酸素を生成する水電解セル方式がある。この方式では、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）の両面に電極触媒層が設けられた構造体の両側に給電体が配設された水電解セルが用いられる。水電解セルに電圧が印加されると共に、陽極側の給電体に水が供給される。これにより、陽極側では水が電気分解されて水素イオンが生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過して陰極側に移動し、陰極側の給電体で電子と結合して水素が生成される。また、陽極側では、水の電気分解により酸素が生成される。

【0003】

このような水電解セル方式では、水電解セルが破損して固体高分子電解質膜の破れ等が生じると、陽極側で生成された酸素と、陰極側で生成された高濃度の水素とが混合する場合がある。水素と酸素とが混合すると、想定した濃度を維持することができない。このため、水電解セル方式により水素および酸素が生成される過程において、水電解セルの状態が管理されることが望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６４６７１７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、水電解セルの破損の有無を検査するためには、例えば、水電解セルの破損を管理するために、電気分解を一旦停止して水電解セルに破損がないか確認しなければならない。しかし、電気分解を停止すると、水素や酸素の生成を停止しなければならない。また、水電解セルに破損がないかの確認の負担が大きい。

【0006】

そこで、発明者は、水電解セルの破損に起因して、陽極側で生成された酸素が陰極側に漏れること、および陰極側で生成された水素が陽極側に漏れることを見出した。また、陽極側に漏れた水素の濃度、或いは陰極側に漏れた酸素の濃度を把握できると、想定した濃度を維持することが可能となる点において好ましい。

【0007】

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的は、水電解を利用して生成された酸素中に漏れた水素の濃度、或いは水電解を利用して生成された水素中に漏れた酸素の濃度を測定することができるガス濃度検出方法、ガス濃度検出装置、及びガス生成システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、水電解により水素、および酸素を生成し、前記水素を回収する水素経路及び前記酸素を回収する酸素経路の両方に、接触燃焼式ガスセンサを配置し、前記接触燃焼式ガスセンサは、温度測定素子としてのサーモパイルを備え、前記サーモパイルが前記水素または前記酸素の濃度に応じた電気信号を出力することで、前記水素経路における酸素濃度、または前記酸素経路における水素濃度を検出し、前記水素経路に配置された前記接触燃焼式ガスセンサが、濃度９９．９９９％以下の水素と、濃度１０ｐｐｍ以上の酸素とが混合されたガスにおける、酸素濃度を検出し、前記酸素経路に配置された前記接触燃焼式ガスセンサが、濃度９９．９９９％以下の酸素と、濃度１０ｐｐｍ以上の水素とが混合されたガスにおける水素濃度を検出し、前記接触燃焼式ガスセンサは、検出対象とするガスを燃焼させる際の触媒として作用する触媒層と、前記触媒層を加熱し、前記ガスの燃焼を促進させるヒータと、前記燃焼の熱量に応じた電気信号を出力する前記サーモパイルと、を備え、前記接触燃焼式ガスセンサで検出した、前記水素経路における酸素濃度または前記酸素経路における水素濃度が、所定の閾値以上である場合、前記ヒータに供給する駆動電流を停止させることで、前記接触燃焼式ガスセンサによる濃度の測定を停止させるガス濃度検出方法である。

【0009】

また、本発明の一態様は、水電解を用いて生成された水素、および酸素における、前記水素を回収する水素経路、及び前記酸素を回収する酸素経路の両方に配置された接触燃焼式ガスセンサで、前記水素経路における酸素濃度、及び前記酸素経路における水素濃度を検出する検出部と、前記検出部により検出された、前記水素経路における酸素濃度、及び前記酸素経路における水素濃度に基づいて、前記接触燃焼式ガスセンサによる濃度の測定を制御するセンサ制御部と、を備え、前記接触燃焼式ガスセンサは、温度測定素子としてのサーモパイルを備え、前記サーモパイルが前記水素または前記酸素の濃度に応じた電気信号を出力することで、前記水素経路における酸素濃度、または前記酸素経路における水素濃度を検出し、前記水素経路に配置された前記接触燃焼式ガスセンサは、濃度９９．９９９％以下の水素と、濃度１０ｐｐｍ以上の酸素とが混合されたガスにおける、酸素濃度を検出し、前記酸素経路に配置された前記接触燃焼式ガスセンサは、濃度９９．９９９％以下の酸素と、濃度１０ｐｐｍ以上の水素とが混合されたガスにおける水素濃度を検出し、前記接触燃焼式ガスセンサは、検出対象とするガスを燃焼させる際の触媒として作用する触媒層と、前記触媒層を加熱し、前記ガスの燃焼を促進させるヒータと、前記燃焼の熱量に応じた電気信号を出力する前記サーモパイルと、を備え、前記センサ制御部は、前記検出部により検出された、前記水素経路における酸素濃度または前記酸素経路における水素濃度が、所定の閾値以上である場合、前記ヒータに供給する駆動電流を停止させることで、前記接触燃焼式ガスセンサによる濃度の測定を停止させるガス濃度検出装置である。

【0010】

また、本発明の一態様は、水電解により水素、および酸素を生成する生成装置と、上記に記載のガス濃度検出装置と、前記ガス濃度検出装置の検出部により検出された、前記生成装置が生成した水素が回収される水素経路における酸素の濃度、または前記生成装置が生成した酸素が回収される酸素経路における水素の濃度に基づいて、前記生成装置による水素、および酸素の生成を制御する管理装置と、を備えるガス生成システムである。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、水電解を利用して生成された酸素中に漏れた水素の濃度、或いは水電解を利用して生成された水素中に漏れた酸素の濃度を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態のガス生成システム１の構成例を示すブロック図である。

【図2A】半導体５０を用いたガスセンサを説明する模式図である。

【図2B】図２Ａに示すガスセンサによる検出方法を説明する図である。

【図2C】図２Ａに示すガスセンサによる検出方法を説明する図である。

【図3A】実施形態の接触燃焼式ガスセンサ２０による検出方法を説明する図である。

【図3B】実施形態の接触燃焼式ガスセンサ２０による検出方法を説明する図である。

【図4A】実施形態の接触燃焼式ガスセンサ２０による検出方法を説明する図である。

【図4B】実施形態の接触燃焼式ガスセンサ２０による検出方法を説明する図である。

【図5】実施形態のセンサユニット３０の構成例を示すブロック図である。

【図6】実施形態のガス生成システム１が行う処理の流れを説明するシーケンス図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

【0014】

図１は、実施形態のガス生成システム１の構成例を示すブロック図である。ガス生成システム１は、例えば、水電解セル１０と、二つの接触燃焼式ガスセンサ２０（接触燃焼式ガスセンサ２０－１、および２０－２）と、二つのセンサユニット３０（センサユニット３０－１、および３０－２）と、管理装置４０とを備える。ここで、水電解セル１０は、「生成装置」の一例である。また、センサユニット３０は、「ガス濃度検出装置」の一例である。

【0015】

なお、図１では、ガス生成システム１が二つの接触燃焼式ガスセンサ２０、および二つのセンサユニット３０を備える場合を例示しているが、これに限定されない。ガス生成システム１は、少なくとも１つの接触燃焼式ガスセンサ２０と、その接触燃焼式ガスセンサ２０に対応する少なくとも１つのセンサユニット３０を備えればよい。

【0016】

水電解セル１０は、水を電気分解すること（水電解）により酸素及び水素を生成する装置である。水電解セル１０は、例えば、固体高分子電解質膜１１と、陽極側電極触媒層１２と、陰極側電極触媒層１３と、陽極側給電体１４と、陰極側給電体１５と、水循環ポンプ１６と、気液分離器１７と、酸素経路１８と、水素経路１９とを備える。

【0017】

固体高分子電解質膜１１は、陽イオン（ここでは、水素イオン）のみを通過させるイオン濾過膜である。固体高分子電解質膜１１の一方の側（陽極側）には、陽極側電極触媒層１２が設けられ、さらに陽極側電極触媒層１２を介して陽極側給電体１４が設けられる。固体高分子電解質膜１１の他方の側（陰極側）には、陰極側電極触媒層１３が設けられ、さらに陰極側電極触媒層１３を介して陰極側給電体１５が設けられる。陽極側と陰極側とは、電源を介して電気的に接続される。陽極側給電体１４には、気液分離器１７がもうけられ、さらに気液分離器１７を介して、酸素経路１８が設けられる。陰極側給電体１５には、水素経路１９が設けられる。酸素経路１８には、水電解セル１０により生成された酸素を回収するための配管が配置されている。水素経路１９には、水電解セル１０により生成された水素を回収するための配管が配置されている。

【0018】

水電解セル１０は、管理装置４０の制御により、酸素及び水素を生成する。酸素及び水素を生成する場合、電源が通電状態に制御され、固体高分子電解質膜１１の陽極側から陰極側に電圧が印加される。また、水電解セル１０では、水循環ポンプ１６が駆動されて、陽極側給電体１４に水が供給される。これにより、陽極側給電体１４の水が電気分解され、陽極側電極触媒層１２及び陰極側電極触媒層１３が、電気分解を促進させる。水の電気分解により、陽極側給電体１４に水素イオンが生成され、この水素イオンが、固体高分子電解質膜１１を通過して、陰極側給電体１５に移動する。陰極側給電体１５に移動した水素イオンは、電子と結合して水素となる。一方、陽極側給電体１４では、水の電気分解により酸素が生成される。陽極側給電体１４で生成された酸素は、気液分離器１７により水から分離され、酸素経路１８を通じて回収される。陰極側給電体１５で生成された水素は、水素経路１９を通じて回収される。

【0019】

ここで、陽極側給電体１４から酸素経路１８を通じて回収される気体（ガス）には、水電解セル１０が破損していない状態において、高濃度の酸素に、微量（例えば、１００ｐｐｍ程度）の水素が含まれる。また、陰極側給電体１５から水素経路１９を通じて回収される気体（ガス）には、水電解セル１０が破損していない状態において、高濃度の水素に、微量（例えば、１００ｐｐｍ程度）の酸素が含まれる。以下の説明では、酸素経路１８を通じて回収される気体（ガス）を、「酸素雰囲気ガス」と称する。また、水素経路１９を通じて回収される気体（ガス）を、「水素雰囲気ガス」と称する。

【0020】

接触燃焼式ガスセンサ２０は、検出の対象とするガス（検出対象ガス）の濃度を測定する。接触燃焼式ガスセンサ２０は、例えば、触媒層、ヒータ、及びサーモパイルを備える。触媒層は、検出対象とするガスを燃焼させる際の触媒として作用する。ヒータは、触媒層を加熱し、燃焼を促進させる。サーモパイルは、温度測定素子であり、燃焼の熱量に応じた電気信号を出力する。すなわち、接触燃焼式ガスセンサ２０は、雰囲気に含まれる検出対象ガスを燃焼させ、燃焼熱による温度の上昇を電気的に検出することより、検出対象ガスの濃度に応じた電気信号を出力する。

【0021】

接触燃焼式ガスセンサ２０は、例えば、特許文献１に記載の燃焼式ガスセンサが用いられる。このような接触燃焼式ガスセンサでは、実測として測定が可能な水素の濃度の下限が、１０ｐｐｍ程度である。すなわち、接触燃焼式ガスセンサ２０は、濃度９９．９９９％以下の酸素と、濃度１０ｐｐｍ以上の水素が混合された気体における、水素の濃度を検出することが可能である。また、このような接触燃焼式ガスセンサでは、実測として測定が可能な水素の濃度の上限が、濃度１％程度である。すなわち、濃度９９％以上の酸素と、濃度１％以下の水素が混合された気体における、水素の濃度を検出することが可能である。

【0022】

また、このような接触燃焼式ガスセンサでは、実測として測定が可能な酸素の濃度の下限が、濃度１０ｐｐｍ程度である。すなわち、濃度９９．９９９％以下の水素と、濃度１０ｐｐｍ以上の酸素が混合された気体における、酸素の濃度を検出することが可能である。また、このような接触燃焼式ガスセンサでは、実測として測定が可能な酸素の濃度の上限が、濃度１％程度である。すなわち、濃度９９％以上の水素と、濃度１％以下の酸素が混合された気体における、酸素の濃度を検出することが可能である。

【0023】

接触燃焼式ガスセンサ２０－１は、酸素経路１８に配置され、酸素経路１８における酸素雰囲気ガスに含まれる水素の濃度（水素濃度）を測定する。接触燃焼式ガスセンサ２０－１は、酸素雰囲気ガスに含まれる水素を酸素と反応させ、燃焼熱（反応熱）による温度の上昇を電気的に検出することより、水素に応じた電気信号を出力する。

【0024】

接触燃焼式ガスセンサ２０－２は、水素経路１９に配置され、水素経路１９における水素雰囲気ガスにおける酸素の濃度（酸素濃度）を測定する。接触燃焼式ガスセンサ２０－２は、水素雰囲気ガスに含まれる酸素を水素と反応させ、燃焼熱（反応熱）による温度の上昇を電気的に検出することより、酸素の濃度に応じた電気信号を出力する。

【0025】

センサユニット３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０を制御する。センサユニット３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０による測定を、開始または停止させる。センサユニット３０は、例えば、接触燃焼式ガスセンサ２０のヒータに駆動電流を供給することにより、ヒータを昇温させる。これにより、接触燃焼式ガスセンサ２０の測定を開始させる。センサユニット３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０のヒータへの駆動電流の供給を停止することにより、ヒータを降温させる。これにより、接触燃焼式ガスセンサ２０の測定を停止させる。

【0026】

センサユニット３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０による測定を制御する。センサユニット３０は、例えば、測定中に接触燃焼式ガスセンサ２０の温度が所定の閾値を超えた場合、ヒータに供給する駆動電流を減少させ、温度が上昇し過ぎないように制御する。或いは、センサユニット３０は、測定中に接触燃焼式ガスセンサ２０の温度が所定の閾値を超えた場合、ヒータに供給する駆動電流を停止させるように制御してもよい。なお、接触燃焼式ガスセンサ２０の温度は、例えば、接触燃焼式ガスセンサ２０の温度を測定するために設けた温度センサを用いて測定する。或いは、サーモパイルの出力を用いて温度を測定するようにしてもよい。

【0027】

センサユニット３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０により測定される測定値を、管理装置４０に通知する。接触燃焼式ガスセンサ２０により測定される測定値は、酸素雰囲気ガスに含まれる水素の濃度、および水素雰囲気ガスに含まれる酸素の濃度である。センサユニット３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０の温度を、管理装置４０に通知するようにしてもよい。

【0028】

管理装置４０は、水電解セル１０、およびセンサユニット３０を制御する。管理装置４０は、通信部４１と、記憶部４２と、制御部４３とを備える。通信部４１は、水電解セル１０、およびセンサユニット３０と通信を行う。通信部４１は、例えば汎用の通信用ＩＣ（Integrated Circuit）によって実現される。通信部４１は、外部ネットワークとの通信を行い、センサユニット３０などと情報の送受信を行う機能を有する。記憶部４２には、センサユニット３０から通知される濃度や、温度の情報が記憶される。記憶部４２は、例えば、不揮発性のメモリーであり、管理装置４０の機能を実現するためのプログラムや、各種情報を記憶する。

【0029】

制御部４３は、管理装置４０を統括的に制御する。制御部４３は、例えば、管理装置４０に備えられたＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成される。制御部４３は、記憶部４２に格納されているプログラムを実行することで管理装置４０における各部の機能を実現する。制御部４３は、例えば、水電解セル１０の電源を通電状態とすると共に、水循環ポンプ１６を駆動させる。これにより、酸素及び水素の生成を開始させる。制御部４３は、センサユニット３０に、濃度を測定する旨を指示する。ここでの濃度は、水電解セル１０から回収される酸素雰囲気ガスに含まれる水素の濃度、および水素雰囲気ガスに含まれる酸素の濃度である。制御部４３は、センサユニット３０から、濃度を示す情報を、通信部４１を介して取得する。制御部４３は、取得した濃度を示す情報を記憶部４２に記憶させる。制御部４３は、取得した濃度を示す情報に基づいて、水電解セル１０を制御する。制御部４３は、例えば、濃度が所定の閾値以上である場合、水電解セル１０が破損した可能性があると判断して水電解セル１０による水素および酸素の生成を停止させる。この場合、制御部４３は、水電解セル１０の電源を切断状態とすると共に、水循環ポンプ１６の駆動を停止させる。また、この場合、制御部４３は、センサユニット３０による濃度の測定を停止させる。

【0030】

ここで、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ２０について、図２（図２Ａ～図２Ｃ）、図３（図３Ａ、図３Ｂ）、および図４（図４Ａ、図４Ｂ）を用いて説明する。図２は、リークテストで用いられる一般的なガスセンサを説明する図である。図３および図４は、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ２０を説明する図である。

【0031】

一般に、リークテスト等で用いられるガスセンサは、雰囲気中（例えば、空気中）に漏れ出した検査用ガス（例えば、水素）の濃度を検出する目的で使用される。このようなガスセンサには、例えば、半導体５０を用いたガスセンサ（半導体ガスセンサ）がある。

【0032】

図２Ａに示すように、半導体ガスセンサは、主に半導体５０（例えば、ＳｎＯ_２、酸化すず）により構成されている。雰囲気中に検出対象ガス（水素）が存在しない状況において、半導体５０（ＳｎＯ_２、酸化すず）には酸素が吸着し、吸着した酸素が半導体５０の電子をとらえている。このため、半導体ガスセンサは、検出対象ガスが存在しない状況において、半導体５０の内部で電子が自由に動くことが困難となる。したがって、半導体５０は、電圧を印加しても電気が流れ難い状態となる。

【0033】

図２Ｂに示すように、雰囲気中に検出対象ガス（水素）が存在する場合、還元性の強い水素が酸素と結合する。これにより、半導体５０から酸素が離れ、半導体５０の内部で電子が自由に動くことができるようになる。したがって、半導体５０に電圧が印加された場合に、通電状態となる。通電状態における電流量に基づいて、検出対象ガス（水素）の濃度を測定することが可能である。

【0034】

しかしながら、雰囲気中に多量の酸素がある場合、つまり酸素雰囲気ガスにおいては、半導体ガスセンサは、正確な測定することができない。

【0035】

図２Ｃに示すように、雰囲気中に多量の酸素がある場合、つまり酸素雰囲気ガスにおいて、検出対象ガス（水素）が半導体５０に吸着した酸素を奪っても、すぐに雰囲気中の別の酸素が半導体５０に吸着してしまう。このため、半導体ガスセンサは、酸素雰囲気ガスにおいては、検出対象ガスが存在している場合であっても、半導体５０の内部で電子が自由に動き難い状態となる。したがって、半導体５０は、検出対象ガスが存在している場合であっても、電圧を印加しても電気が流れ難い状態が継続してしまい、正確に測定することが困難となってしまう。このため、一般的なリークテストに用いられている、半導体ガスセンサでは、高濃度の酸素に含まれる微量の水素の濃度を、精度よく検出することが困難である。

【0036】

これに対し、接触燃焼式ガスセンサ２０は、燃焼（水素と酸素が反応）する際に発生する燃焼熱（反応熱）に応じた電気信号を出力する。このため、酸素雰囲気ガスにおいても、空気中における測定の精度と比較して劣化することなく、ガスの濃度を測定することが可能である。

【0037】

図３Ａに示すように、酸素雰囲気ガスに水素が存在しない場合、接触燃焼式ガスセンサ２０において、触媒層がヒータで加熱され燃焼が促されても反応はなく、したがって反応熱が発生しない。このため、サーモパイルの出力に、反応熱に応じた変化が検出されることがない。
図３Ｂに示すように、酸素雰囲気ガスに水素が存在する場合、接触燃焼式ガスセンサ２０において、触媒層がヒータで加熱され燃焼が促された場合に、水素が酸素と反応し、反応熱が発生する。そして、サーモパイルの出力に、反応熱に応じた変化が検出される。

【0038】

図４Ａに示すように、水素雰囲気ガスに酸素が存在しない場合、接触燃焼式ガスセンサ２０において、触媒層がヒータで加熱され燃焼が促されても反応はなく、したがって反応熱が発生しない。このため、サーモパイルの出力に、反応熱に応じた変化が検出されることがない。
図４Ｂに示すように、水素雰囲気ガスに酸素が存在する場合、接触燃焼式ガスセンサ２０において、触媒層がヒータで加熱され燃焼が促された場合に、酸素が水素と反応し、反応熱が発生する。そして、サーモパイルの出力に、反応熱に応じた変化が検出される。

【0039】

すなわち、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ２０を用いることにより、雰囲気が空気と異なり、高濃度の酸素で満たされている場合であっても、その酸素雰囲気ガスに含まれる水素の濃度を測定することができる。また、雰囲気が高濃度の水素で満たされている場合であっても、その水素雰囲気ガスに含まれる酸素の濃度を測定することが可能である。

【0040】

図５は、実施形態のセンサユニット３０の構成例を示すブロック図である。センサユニット３０は、通信部３１と、記憶部３２と、制御部３３とを備える。通信部３１は、接触燃焼式ガスセンサ２０、および管理装置４０と通信を行う。通信部３１は、例えば、汎用の通信用ＩＣによって実現される。通信部３１は、外部ネットワークとの通信を行い、管理装置４０などと情報の送受信を行う機能を有する。

【0041】

記憶部３２は、例えば、不揮発性のメモリーであり、センサユニット３０の機能を実現するためのプログラムや変数を記憶する。記憶部３２には、濃度情報３２０と、温度情報３２１とが記憶される。濃度情報３２０は、接触燃焼式ガスセンサ２０による測定を制御するために用いる濃度の情報であり、例えば、接触燃焼式ガスセンサ２０のヒータを降温、或いは停止させる閾値とする濃度の情報である。温度情報３２１は、接触燃焼式ガスセンサ２０による測定を制御するために用いる温度の情報であり、例えば、接触燃焼式ガスセンサ２０のヒータを降温、或いは停止させる閾値とする温度の情報である。

【0042】

制御部３３は、センサユニット３０を統括的に制御する。制御部３３は、例えば、センサユニット３０に設けられたＣＰＵで構成される。制御部３３は、記憶部３２に格納されているプログラムを実行することで、センサユニット３０各部の機能を実現する。制御部３３は、例えば、取得部３３０と、検出部３３１と、センサ制御部３３２と、出力部３３３とを備える。

【0043】

取得部３３０は、管理装置４０からの測定開始、或いは測定停止を示す指令を、通信部３１を介して取得する。取得部３３０は、取得した指令をセンサ制御部３３２に出力する。また、取得部３３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０から出力された電気信号を、通信部３１を介して取得する。取得部３３０は、取得した電気信号を検出部３３１に出力する。

【0044】

検出部３３１は、接触燃焼式ガスセンサ２０から出力された電気信号に基づいて、水電解セル１０から回収される酸素雰囲気ガスに含まれる水素の濃度、または水素雰囲気ガスに含まれる酸素の濃度を導出する。検出部３３１は、接触燃焼式ガスセンサ２０－１から出力された電気信号を、通信部３１を介して取得する。検出部３３１は、取得した電気信号の振幅を、水素の濃度に換算する。検出部３３１は、接触燃焼式ガスセンサ２０－２から出力された電気信号を、通信部３１を介して取得する。検出部３３１は、取得した電気信号の振幅を、酸素の濃度に換算する。検出部３３１は、換算した濃度を示す情報を、センサ制御部３３２、および出力部３３３に出力する。なお、取得部３３０、検出部３３１、センサ制御部３３２、出力部３３３のそれぞれは、ＣＰＵにより実現される制御部３３の機能である。

【0045】

なお、接触燃焼式ガスセンサ２０から出力される電気信号の振幅と濃度との関係は、センサと検出対象ガスの組み合わせにより決定され、例えば、記憶部３２に記憶される。検出部３３１は、記憶部３２を参照する。これにより、検出部３３１は、電気信号の振幅と濃度との関係（例えば、換算テーブル、或いは、比例係数やバイアス値など）を示す情報を取得する。検出部３３１は、取得した情報を用いて、電気信号の振幅から濃度を導出する。

【0046】

センサ制御部３３２は、接触燃焼式ガスセンサ２０を制御する。センサ制御部３３２は、取得部３３０から、管理装置４０からの測定開始を示す指令を取得すると、接触燃焼式ガスセンサ２０のヒータに駆動電流を供給し、測定を開始させる。センサ制御部３３２は、取得部３３０から、管理装置４０からの測定停止を示す指令を取得すると、接触燃焼式ガスセンサ２０のヒータに供給していた駆動電流を停止し、測定を停止させる。

【0047】

センサ制御部３３２は、検出部３３１から、濃度示す情報を取得すると、取得した濃度と所定の閾値とを比較する。所定の閾値は、例えば、接触燃焼式ガスセンサ２０の温度の上昇を抑えるために、ヒータに供給する駆動電流を減少させる濃度に対応する値である。所定の閾値は、例えば、記憶部３２に記憶される濃度情報３２０である。センサ制御部３３２は、取得した濃度が、所定の閾値以上である場合、ヒータに供給する駆動電流を減少させ、接触燃焼式ガスセンサ２０の温度が上昇しないように制御する。なお、上述した所定の閾値がヒータに供給する駆動電流を停止させる濃度に対応する値である場合、センサ制御部３３２は、取得した濃度が、所定の閾値以上であれば、ヒータに供給する駆動電流を、停止させる。

【0048】

出力部３３３は、検出部３３１からの濃度を示す情報を検出値として、通信部３１を介して管理装置４０に送信する。

【0049】

図６は、実施形態のガス生成システム１が行う処理の流れを説明するシーケンス図である。図６を用いて、酸素及び水素の生成が開始されてから停止されるまでの処理の流れを説明する。

【0050】

まず、管理装置４０は、水素および酸素の生成の開始を指令する（ステップＳ１０）。管理装置４０は、水電解セル１０の電源を通電状態にすると共に、水循環ポンプ１６を駆動させる。管理装置４０は、センサユニット３０に濃度の測定を開始する旨を指示する。

【0051】

水電解セル１０では、水の電気分解が行われ、水素および酸素の生成が開始される（ステップＳ１１）。生成された酸素雰囲気ガスは、酸素経路１８を通じて回収され、生成された水素雰囲気ガスは、水素経路１９を通じて回収される（ステップＳ１２）。

【0052】

センサユニット３０は、濃度の測定を開始する旨の指令を受信すると、接触燃焼式ガスセンサ２０を制御し、測定を開始させる（ステップＳ１３）。センサユニット３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０のヒータに駆動電流を供給し、接触燃焼式ガスセンサ２０による濃度の測定を開始させる。

【0053】

接触燃焼式ガスセンサ２０は、検出対象ガスの濃度に応じた電気信号（濃度信号）を、センサユニット３０に出力する（ステップＳ１４）。接触燃焼式ガスセンサ２０－１は、酸素経路１８における水素の濃度信号を出力する。接触燃焼式ガスセンサ２０－２は、水素経路１９における酸素の濃度信号を出力する。

【0054】

センサユニット３０は、濃度を検出する（ステップＳ１５）。センサユニット３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０から取得した濃度信号の振幅に応じて濃度を検出し、検出した濃度を示す信号を、管理装置４０に送信する。

【0055】

接触燃焼式ガスセンサ２０は、接触燃焼式ガスセンサ２０の温度を測定し、測定した温度を示す電気信号（温度信号）を、センサユニット３０に出力する（ステップＳ１６）。

【0056】

センサユニット３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０を制御するか否かを判定する（ステップＳ１７）。接触燃焼式ガスセンサ２０から取得した温度信号の振幅に応じて温度を検出し、検出した温度と所定の閾値とを比較する。センサユニット３０は、検出した温度が所定の閾値以上である場合、接触燃焼式ガスセンサ２０を制御すると判定する。センサユニット３０は、比較した閾値に対応する制御の内容に応じた制御を行う。制御の内容は、例えば、接触燃焼式ガスセンサ２０のヒータに供給する駆動電流を減少させる、或いは停止させる等である。

【0057】

管理装置４０は、センサユニット３０から受信した検出結果を記憶させる（ステップＳ１８）。管理装置４０は、水素および酸素の生成を停止させるか否かを判定する（ステップＳ１９）。管理装置４０は、検出結果を用いて、検出された濃度と、所定の閾値とを比較する。管理装置４０は、検出された濃度が所定の閾値以上であれば、水電解セル１０が破損した可能性があると判定し、水素および酸素の生成を停止させると判定する。

【0058】

管理装置４０は、水素および酸素の生成を停止させると判定した場合、その旨を指令する（ステップＳ２０）。管理装置４０は、水電解セル１０の電源を切断状態にすると共に、水循環ポンプ１６の駆動を停止させる。管理装置４０は、センサユニット３０に濃度の測定を終了する旨を指示する。

【0059】

水電解セル１０では、水の電気分解が止まり、水素および酸素の生成が停止される（ステップＳ２１）。センサユニット３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０のヒータに供給していた駆動電流を停止し、接触燃焼式ガスセンサ２０による濃度の測定を終了させる（ステップＳ２２）。

【0060】

以上説明したように、実施形態のガス濃度検出方法は、ガス生成システム１が実行するガス濃度の検出方法であって、水電解セル１０が、水電解により水素、および酸素を生成し、水素を回収する水素経路１９、または酸素を回収する酸素経路１８の少なくとも一方に配置した接触燃焼式ガスセンサ２０で、水素経路１９における酸素濃度、または酸素経路１８における水素濃度を検出する。これにより、実施形態のガス濃度検出方法は、水素経路１９に高濃度の水素が流通する場合において、水電解を利用して生成された水素中に漏れた酸素を検出することが可能である。また、酸素経路１８に高濃度の酸素が流通する場合において、水電解を利用して生成された酸素中に漏れた水素の濃度を検出することが可能である。

【0061】

また、実施形態のガス濃度検出方法では、水素経路１９において、９９．９９９％以下の水素と、１０ｐｐｍ以上の酸素が混合された気体における、酸素濃度を検出する。あるいは、水素経路１９において、９９％以上の水素と、１％以下の酸素が混合された気体における、酸素濃度を検出する。これにより、高濃度の水素が流通する水素雰囲気ガスに含まれる、ごく微量の酸素の濃度を検出することが可能である。

【0062】

また、実施形態のガス濃度検出方法では、酸素経路１８において、９９．９９９％以下の酸素と、１０ｐｐｍ以上の水素が混合された気体における、水素濃度を検出する。あるいは、酸素経路１８において、９９％以上の酸素と、１％以下の水素が混合された気体における、水素濃度を検出する。これにより、高濃度の酸素が流通する酸素雰囲気ガスに含まれる、ごく微量の水素の濃度を検出することが可能である。

【0063】

また、実施形態のガス濃度検出方法では、センサユニット３０が、接触燃焼式ガスセンサ２０で検出した水素経路１９における酸素濃度、または酸素経路１８における水素濃度に基づいて、接触燃焼式ガスセンサ２０を制御する。これにより、接触燃焼式ガスセンサ２０で検出した濃度に応じて、接触燃焼式ガスセンサ２０のヒータによる着火爆発が懸念される場合にヒータを降温させるなどの対策を講じることができる。

【0064】

また、実施形態のセンサユニット３０は、検出部３３１と、センサ制御部３３２とを備える。検出部３３１は、水電解を用いて生成された水素、および酸素における、水素を回収する水素経路１９、または酸素を回収する酸素経路１８の少なくとも一方に配置された接触燃焼式ガスセンサ２０で、水素経路１９における酸素濃度、または酸素経路１８における水素濃度を検出する。センサ制御部３３２は、検出部３３１により検出された、水素経路１９における酸素濃度、または酸素経路１８における水素濃度に基づいて、接触燃焼式ガスセンサ２０を制御する。これにより、上述した効果と同様の効果を奏する。

【0065】

また、実施形態のセンサユニット３０では、センサ制御部３３２は、検出部３３１により検出された、水素経路１９における酸素濃度、または酸素経路１８における水素濃度が、所定の閾値以上である場合、接触燃焼式ガスセンサによる濃度の検出を停止させる。これにより、検出対象ガスの濃度が高く、反応熱により接触燃焼式ガスセンサ２０の温度が上昇して破損の可能性がある場合に、濃度の検出を停止させることができる。したがって、破損を抑制することができる。

【0066】

また、実施形態のガス生成システム１は、水電解セル１０と、センサユニット３０と、管理装置４０とを備える。水電解セル１０は、水電解により水素、および酸素を生成する。センサユニット３０は、接触燃焼式ガスセンサ２０で、水素経路１９における酸素濃度、または酸素経路１８における水素濃度を検出する。管理装置４０は、センサユニット３０により検出された、酸素の濃度、または水素の濃度に基づいて、水電解セル１０を制御する。これにより、水電解により生成された水素雰囲気ガスの酸素濃度、酸素雰囲気ガスの水素濃度を常時検出することができる。したがって水電解セル１０の破損等により、高濃度の水素と、高濃度の酸素とが混合さえる予兆を捉えることが可能である。さらに、管理装置４０が、センサユニット３０により検出された濃度に応じて、水電解セル１０を制御するため、水電解セル１０の破損等を検知した場合に、水電解セル１０を停止させるなどの対応をとることが可能である。

【0067】

上述した実施形態におけるガス生成システム１、センサユニット３０、管理装置４０の全部または一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

【0068】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0069】

１…ガス生成システム、１０…水電解セル（生成装置）、１８…酸素経路、１９…水素経路、２０…接触燃焼式ガスセンサ、３０…センサユニット（ガス濃度検出装置）、３３…制御部、３３０…取得部、３３１…検出部、３３２…センサ制御部、３３３…出力部、４０…管理装置

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】