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水素センサーは水素の存在を検出するガス検出器です。微細加工された点接触型水素センサーが含まれており、水素漏れの位置を特定するために使用されます。従来のガス検知器と比較して、低コスト、コンパクト、耐久性があり、メンテナンスが容易であると考えられています。[1]
主な問題点
水素検出器には5つの重要な問題がある：[2]
- 信頼性: 機能性は簡単に検証できる必要があります。
- 性能: 空気中の水素濃度0.5%以上を検出
- 応答時間< 1 秒。
- 有効期間: 少なくとも定期メンテナンス間の時間。
- コスト: 目標はセンサー 1 個あたり 5 ドル、コントローラー 1 個あたり 30 ドルです。
追加要件
- 測定範囲は0.1～10.0%濃度をカバー[3]
- -30 °C ～ 80 °C の温度で動作
- フルスケールの5%以内の精度
- 相対湿度10～98%の範囲内の大気ガス環境で機能する
- 炭化水素やその他の干渉に対する耐性。
- 耐用年数が10年以上
マイクロセンサーの種類
水素マイクロセンサーには様々な種類があり、それぞれ異なるメカニズムでガスを検出します。[4] パラジウムは水素ガスを選択的に吸収し、パラジウム水素化物化合物を形成するため、これらの多くに使用されています。[5]パラジウムベースのセンサーは温度依存性が強く、非常に低い温度では応答時間が長すぎます。[6]パラジウムセンサーは一酸化炭素、二酸化硫黄、硫化水素から保護する必要があります。
光ファイバー水素センサー
水素の点接触検出には、 いくつかのタイプの光ファイバー 表面プラズモン共鳴(SPR) センサーが使用されます。
- パラジウム層でコーティングされたファイバーブラッググレーティング- 金属の妨害によって水素を検出します。
- マイクロミラー - 切断端にパラジウムの薄い層があり、反射光の変化を検出します。
- パラジウムでコーティングされたテーパードファイバー - 水素はパラジウムの屈折率を変え、その結果としてエバネッセント波の損失量を変えます。
その他のタイプ
- 電気化学水素センサー - 導電性電解質に囲まれるようにパッケージ化された電極のアレイと、拡散制限毛細管で制御されるガスの侵入で構成される電気化学センサーを使用して、低レベル (ppm) の水素ガスを感知できます。
- MEMS 水素センサー –ナノテクノロジーと微小電気機械システム(MEMS) 技術を組み合わせることで、室温で適切に機能する水素マイクロセンサーを製造できます。MEMS ベースの水素センサーの 1 つのタイプは、ナノ構造の酸化インジウム( In 2 O 3 ) と酸化スズ( SnO 2 ) からなるフィルムでコーティングされています。[7]機械式 Pd ベースの水素センサーの一般的な構成は、Pd でコーティングされた自立型カンチレバーの使用です。[8] [9] H 2が存在すると、Pd 層が膨張し、カンチレバーが曲がる応力が発生します。文献では、 H 2ガスの存在によって引き起こされる応力誘起の機械的共振周波数シフトを利用した Pd コーティングされたナノメカニカル共振器も報告されています。この場合、応答速度は、非常に薄い Pd 層 (20 nm) を使用することで向上しました。湿度の高い条件で観察された応答障害の解決策として、適度な加熱が提示されました。[10]
- 薄膜センサー – パラジウム薄膜センサーは、薄膜内のナノスケール構造に依存する反対の特性に基づいています。薄膜では、水素化物が形成されるとナノサイズのパラジウム粒子が膨張し、膨張の過程で、その一部は隣接する粒子と新しい電気的接続を形成します。導電経路の数が増えるため、抵抗が減少します。[2] [11]
- 厚膜センサー – デバイスは通常、2つの主要なコンポーネントで構成されています。1) 「マトリックス」と呼ばれる半導体材料 ( SnO 2、In 2 O 3 ) の厚い (数百ミクロン) 層と、貴金属 (Pd、[12] Pt [13] ) や金属酸化物 ( Co
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ええ[14]）は表面の水素酸化反応を加速し、センサーの応答を大幅に高速化します。「マトリックス」の役割は、信号を測定システムに変換することです。厚膜センサーは、信号ドリフトの点では薄膜センサーよりも安定していますが、厚い層への拡散制約により、一般的にセンサーの応答が遅くなります。現代の電子システムへのセンサー統合の必要性が高まっているため、厚膜センサー技術は薄膜アプローチに置き換えられつつあります。厚膜センサーは動作に高温を必要とするため、デジタル電子システムとの互換性が低いようです。 - 化学変色性水素センサー – 可逆性および不可逆性の化学変色性水素センサーには、色の変化によって水素漏れを視覚的に識別するスマート顔料ペイントが含まれています。このセンサーはテープとしても利用できます。[15]生物学的水素生成を分析するための他の方法が開発されています。[16]
- ダイオードベースのショットキーセンサー –ショットキーダイオードベースの水素ガスセンサーはパラジウム合金ゲートを採用しています。水素はゲートに選択的に吸収され、ショットキーエネルギー障壁を下げます。 [ 17 ] Pd / InGaP金属半導体（MS）ショットキーダイオードは、空気中の15 ppmのH2濃度を検出できます。 [18]シリコンカーバイド半導体またはシリコン基板が使用されます。
- 電気伝導性のある金属La - Mg2 - Niは常温付近で水素を吸収し、絶縁体である非金属水素化物LaMg2NiH7を形成する。[19]
センサーは通常、製造工場で校正され、ユニットの 耐用年数にわたって有効です。
強化
シロキサンは水素センサーの感度と反応時間を高めます。[5]水素の爆発下限値である約40,000 ppmをはるか に下回る25 ppmという低濃度の水素の検出が可能になります。
参照
参考文献
- ^ Qu, Xi Dong (2005). 「水素ガス測定用MOSコンデンサセンサーアレイ」(PDF)。サイモンフレーザー大学。 2011年7月6日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2008年10月21日閲覧。
- ^ ab Pitts, Ronald; Ping Liu; Se-Hee Lee; Ed Tracy. 「薄膜水素センサーの界面安定性」(PDF)。国立再生可能エネルギー研究所。 2008年10月21日閲覧。
- ^ NREL-水素センサーテスト 2008年10月 2009年5月6日アーカイブ、Wayback Machine
- ^ Swager, Timothy M.; Pioch, Thomas N.; Feng, Haosheng; Bergman, Harrison M.; Luo, Shao-Xiong Lennon; Valenza, John J. (2024-05-24). 「水素の重要なセンシング方法：変化するエネルギー環境をサポートするための技術的ニーズと分野の現状」ACSセンサー。9（5）：2205–2227。doi ：10.1021/acssensors.4c00251。ISSN 2379-3694 。
- ^ ab 「水素センサーはより高速で、より高感度に」。イノベーションレポート。2005年5月31日。 2008年10月21日閲覧。
- ^ Guemes, J. Alfredo; Pintado, JM; Frovel, M.; Olmo, E.; Obst, A. (2005 年 5 月). CryoFOSプロジェクトの枠組み内での 3 種類の光ファイバー水素センサーの比較。第 17 回光ファイバーセンサー国際会議。第 5855 巻。p. 1000。Bibcode : 2005SPIE.5855.1000G。doi : 10.1117/12.623731。S2CID 108642357。
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- ^ Henriksson, Jonas (2012). 「パラジウムコーティングされたナノメカニカルビーム共振器に基づく超低電力水素センシング」. Nanoscale . 4 (16). Nanoscale Journal: 5059–64. Bibcode :2012Nanos...4.5059H. doi :10.1039/c2nr30639e. PMID 22767251. 2013-02-26に閲覧。
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- ^ 「金属間化合物LaMg2Niにおける水素化誘起絶縁状態」biomedexperts.com。2012年2月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年4月18日閲覧。
さらに読む
- Soundarrajan, Prabhu; Schweighardt, Frank (2009)。「15. 水素の感知と検出」(PDF) 。Gupta , RB (編)。水素燃料: 生産、輸送、貯蔵。CRC Press。pp. 495–534。doi : 10.1201/9781420045772。ISBN 978-1-4200-4577-2. OCLC 246585264. 2015年11月3日にオリジナルからアーカイブ。2018年9月17日閲覧。
{{cite book}}: CS1 maint: bot: 元の URL ステータス不明 (リンク) - 「ISO 26142:2010 水素検出装置: 固定用途」。国際標準化機構。
- Trouillet, A.; Marin, E.; Veillas, C. (2006). 「水素検知用ファイバーグレーティング」(PDF) .計測科学技術. 17 (5): 1124. doi :10.1088/0957-0233/17/5/S31.
- Zhang, P.; Deshpande, S.; Seal, S.; Cho, HJ; Medelius, PJ (2006). 「ナノ粒子統合マイクロセンサーを使用した室温での水素の高速検出」SENSORS、2006 . IEEE. pp. 712–5. doi :10.1109/ICSENS.2007.355560. ISBN 1-4244-0375-8。
- Brett, L. (2003 年 10 月)。「水素安全センサーと水素貯蔵、分配、使用におけるその応用」(PDF)。欧州委員会共同研究センター。
外部リンク
- 広範囲水素センサー
- ブラッグ型光ファイバーセンサー
- EERE 成功事例 H2scan
- 2010-NCKU-半導体トランジスタ型水素センサー
- アルゴンヌ国立研究所（薄膜）
- 道路2ハイコム