(57)【要約】【課題】水分の影響を大幅に軽減でき、高精度の水素濃度測定が行える加湿ガス成分測定装置を実現すること。【解決手段】加湿ガス中の水素濃度を測定する加湿ガス成分測定装置であって、測定対象ガスのガス成分を測定するガス成分測定部の前段に、少なくとも気液分離部と露点計と圧力計で構成されたガス導入部が設けられたことを特徴とするもの。  【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加湿ガス中の水素濃度を測定する加湿ガス成分測定装置であって、
測定対象ガスのガス成分を測定するガス成分測定部の前段に、少なくとも気液分離部と露点計と圧力計で構成されたガス導入部が設けられたことを特徴とする加湿ガス成分測定装置。
【請求項２】
前記露点計は、鏡面式露点計であることを特徴とする請求項１記載の加湿ガス成分測定装置。
【請求項３】
前記露点計により測定された露点温度に基づき水蒸気分圧を算出する露点／水蒸気分圧変換手段を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の加湿ガス成分測定装置。
【請求項４】
前記水蒸気分圧に基づき水蒸気以外の測定対象ガスの総計値を求めるとともに、それらの比率に基づき各成分濃度を求めることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の加湿ガス成分測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿ガス成分測定装置に関し、詳しくは、加湿ガス中における水素濃度測定の高精度化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、酸化ガスおよび燃料ガスを反応させることにより発電を行うものであり、ガスを加湿して燃料電池に供給するように構成されている。そこで、たとえば自動車用の燃料電池システムにおいては、加湿用の水分を確保するために、熱交換器やヒートパイプやフィンなどの冷却手段を用いて、燃料電池の排気ガスから水分を回収することが行われている。
【０００３】
ところで、加湿ガス中における水素濃度は、燃料電池の性能を決める重要なファクターであり、高精度に測定することが求められていて、たとえば図２に示すような構成の加湿ガス成分測定装置が提案されている(特許文献１)。
【０００４】
図２において、加湿ガスの成分測定装置１は、水分除去定量部１０と質量分析計２０を備え、分析しようとする加湿ガスは水分除去定量部１０に導入され、水分を除去された試料ガスは質量分析計２０に案内される。たとえば真空ポンプよりなる排気装置１８は、水分除去定量部１０を水分の凝縮・凍結に最適な圧力に保持しながら、除去された水分を排出する。質量分析計２０は分析済みの試料ガスを系内に残留させることなく迅速に排気するための排気装置２１を備えている。
【０００５】
図３は、図２の水分除去定量部１０の一例を示す構成図である。水分除去定量部１０は中間部空間１１を備え、加湿ガスの流路に沿って共軸対向した上下流一対のオリフィス管（ノズル管とも呼ばれる）１２、１２’が収納されている。オリフィス管１２、１２’は半球状の端部を有する薄肉のステンレス円筒管が主として用いられ、それらの端部半球中心軸部にはそれぞれオリフィス（細孔）１２ａ，１２ａ’が設けられている。
【０００６】
図３には図示しないが、中間部空間１１には図２の排気装置１８が接続されていて、分離除去された水分を速やかに系外に排気する。さらに、中間部空間１１における水分除去効率が最適となる圧力条件に調整するための真空バルブ１７（好ましくは圧力制御機能付きの真空バルブ）と、中間部空間１１の圧力を測定する真空計１４と、加湿ガスの断熱膨張の前後、すなわち加湿ガス供給上流部のオリフィス管１２の管内および中間部空間１１の気体温度をそれぞれ測定するための熱電対温度計１５、１６が設けられている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１５００２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、たとえばイオンを磁場中に通したときに受けるローレンツ力による飛行経路の変化を利用した磁場型質量分析計を用いて加湿ガス中の水素を測定する場合には、水蒸気由来のＨ＋・、Ｈ２・が水素検知部に影響するため、精度良く測定することは困難である。
【０００９】
加湿ガスから水分を除去する場合であっても、完全に水蒸気を取り除くことは困難であり、水蒸気を測定することで水素濃度の補正をすることは、精度良く測定するためには必要である。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、水分の影響を大幅に軽減でき、高精度の水素濃度測定が行える加湿ガス成分測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような問題を解決するため、請求項１記載の発明は、
加湿ガス中の水素濃度を測定する加湿ガス成分測定装置であって、
測定対象ガスのガス成分を測定するガス成分測定部の前段に、少なくとも気液分離部と露点計と圧力計で構成されたガス導入部が設けられたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の加湿ガス成分測定装置において、
前記露点計は、鏡面式露点計であることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の加湿ガス成分測定装置において、
前記露点計により測定された露点温度に基づき水蒸気分圧を算出する露点／水蒸気分圧変換手段を設けたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の加湿ガス成分測定装置において、
前記水蒸気分圧に基づき水蒸気以外の測定対象ガスの総計値を求めるとともに、それらの比率に基づき各成分濃度を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
これらにより、加湿ガス中における水素濃度を高精度に測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成図である。図１において、測定対象ガス３０はパイプＰ１を介してガス導入部４０を構成する気液分離部４１に接続されている。
【００１７】
気液分離部４１には、パイプＰ２およびＰ３を介して流量制御部４２が接続されるとともにパイプＰ２およびＰ４を介して圧力計４５が接続され、さらにパイプＰ２およびＰ５を介してガス成分測定部５０が接続されている。
【００１８】
流量制御部４２には、パイプＰ６を介して鏡面式露点計４３が接続されている。
【００１９】
鏡面式露点計４３には露点／水蒸気分圧変換部４４が接続され、露点／水蒸気分圧変換部４４の出力端子はガス成分測定結果解析部６０に接続されている。
【００２０】
ガス成分測定部５０は、たとえば４種のガスａ〜ｄをそれぞれ検知するガスａ検知部５１、ガスｂ検知部５２、ガスｃ検知部５３、ガスｄ検知部５４で構成されていて、これら各検知部５１〜５４の出力端子はガス成分測定結果解析部６０に接続されている。なお、ガス成分測定部５０には、測定済みガスを排気するためのパイプＰ７が接続されている。
【００２１】
また、圧力計４５の出力端子もガス成分測定結果解析部６０に接続されている。
【００２２】
さらに、パイプＰ１〜Ｐ７の外周およびこれらパイプが接続される構成機器にはヒーターが設けられていて、これらヒーターは個別または共通にヒーター温度制御部７０により温度制御される。
【００２３】
図１の動作を説明する。
測定対象ガス３０は、パイプＰ１を介してガス導入部４０の気液分離部４１に入力される。気液分離部４１に入力されたガスは、パイプＰ２およびＰ５を介してガス成分測定部５０に入力される。ガス成分測定部５０により成分測定されたガスはパイプＰ７を介して外部に排気される。
【００２４】
気液分離部４１から出力されるガスの一部は、パイプＰ２およびＰ３を介して流量制御部４２に入力されて一定流量に制御された後、鏡面式露点計４３に入力される。
【００２５】
鏡面式露点計４３は、入力されたガスの露点ｘ［℃］を測定し、露点ｘ［℃］の測定結果を露点／水蒸気分圧変換部４４に入力する。
【００２６】
露点／水蒸気分圧変換部４４は、露点／水蒸気分圧変換式により水蒸気分圧Ｐｘ［ｋＰａ］を算出し、算出したＰｘをガス成分測定結果解析部６０に入力する。
【００２７】
また、気液分離部４１から出力されるガスの一部は、パイプＰ２およびＰ４を介して圧力計４５に入力されて圧力Ｐｙ［ｋＰａ］が測定され、圧力測定結果Ｐｙはガス成分測定結果解析部６０に入力される。
【００２８】
さらに、気液分離部４１から出力されるガスの一部は、パイプＰ２およびＰ５を介してガス成分測定部５０に入力されて４種のガスａ〜ｄそれぞれに対応した検出電圧値Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄが測定され、これらの測定結果はガス成分測定結果解析部６０に入力される。
【００２９】
ガス成分測定結果解析部６０において、以上の各測定値、あらかじめ規定されている相互のガスによる検出電圧値への影響、それらを減じた値の比から、ガスａ〜ｄそれぞれのガス濃度Ｃａ［％］、Ｃｂ［％］、Ｃｃ［％］、Ｃｄ［％］を算出する。
【００３０】
例として、ガスａ検知部５１が水蒸気、ガスｂ検知部５２が水素、ガスｃ検知部５３、ガスｄ検知部５４は水蒸気や水素の影響を受けないものとし、ガスｂ検知部５２はガスａ検知部５１から影響係数αを乗じたαＶａが加算されると仮定した場合、下記のＣａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄのように算出される。
Ｃａ＝Ｐｘ／Ｐｙ×１００
Ｃｂ＝(１−Ｐｘ／Ｐｙ)×１００×(Ｖｂ−αＶａ)／(Ｖｂ−αＶａ＋Ｖｃ＋Ｖｄ)
Ｃｃ＝(１−Ｐｘ／Ｐｙ)×１００×Ｖｃ／(Ｖｂ−αＶａ＋Ｖｃ＋Ｖｄ)
Ｃｄ＝(１−Ｐｘ／Ｐｙ)×１００×Ｖｄ／(Ｖｂ−αＶａ＋Ｖｃ＋Ｖｄ)
【００３１】
ガス導入部４０の水蒸気は減じられて各検知部５１〜５４で測定されるが、現在測定されている水蒸気由来の検出値とそこから水素検知部への影響度は通常と同様に補正可能である。
【００３２】
また、一般的な場合には、下記のとおりである。
Ｃａ’＝Ｖａ／（Ｖａ＋Ｖｂ−αＶａ＋Ｖｃ＋Ｖｄ）×１００
Ｃｂ’＝（Ｖｂ−αＶａ）／（Ｖａ＋Ｖｂ−αＶａ＋Ｖｃ＋Ｖｄ）×１００
Ｃｃ’＝Ｖｃ／（Ｖａ＋Ｖｂ−αＶａ＋Ｖｃ＋Ｖｄ）×１００
Ｃｄ’＝Ｖｄ／（Ｖａ＋Ｖｂ−αＶａ＋Ｖｃ＋Ｖｄ）×１００
【００３３】
なお、ガス成分測定部５０の対応ガス種は４種に限定されるものではない。
【００３４】
測定対象ガス３０をガス導入部４０へ入力するのにあたり、同じ温度に管理された検知部５１〜５４に干渉しないドライガスにより希釈することで、ガス成分測定部５０に導入されるガスの水蒸気分圧を下げるようにしてもよい。
【００３５】
ヒーター温度制御部７０は、前述のように、パイプやパイプが接続される構成機器に設けられている各ヒーターを個別に制御しても良いし、共通に制御しても良い。
【００３６】
露点／水蒸気分圧変換部４４は、以下のような露点／水蒸気分圧変換式に基づき、変換処理を行う。
ｘ［℃］：露点温度（ｘ＜１００）
ｅｗ［Ｐａ］：ｘ［℃］における飽和水蒸気圧
Ｔ［Ｋ］：絶対温度
Ｐｘ＝ｅｗ／１０００
ｅｗ＝ｅｎ
ｎ＝−６０９６．９３８５×Ｔ−１＋２１．２４０９６４２
−２．７１１１９３×１０−２×Ｔ
＋１.６７３９５２×１０−5×Ｔ2
＋２．４３３５０２×ｌｎ（Ｔ）
Ｔ［Ｋ］＝ｘ［℃］＋２７３．１５
【００３７】
このように露点測定精度の高い鏡面式露点計で露点を測定し、それにより算出される水蒸気分圧に基づき水蒸気濃度を規定することで、水蒸気やその他のガス（特に水素）について、濃度の測定精度を高めることができる。
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、水分の影響を大幅に軽減した高精度の水素濃度測定が行える加湿ガス成分測定装置を実現することができ、特に燃料電池の評価装置に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】従来の加湿ガス成分測定装置の一例を示す構成図である。
【図３】図２の水分除去定量部１０の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
３０  測定対象ガス
４０  ガス導入部
４１  気液分離部
４２  流量制御部
４３  鏡面式露点計
４４  露点／水蒸気分圧変換部
４５  圧力計
５０  ガス成分測定部
６０  ガス成分測定結果解析部
７０  ヒーター温度制御部
【図１】
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【図２】
2010085245.tif 000004
【図３】
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