(57)【要約】【課題】水素の濃度を高い応答性で、簡単、かつ、高精度に計測することにある。【解決手段】流通ガスに含まれる測定対象の水素を計測する水素濃度計測装置であって、流通ガスが流れる配管ユニットと、配管ユニットに配置され、水素をＨ２Ｏに変換する変換手段と、配管ユニットを流れる流通ガスのうち、変換手段を通過する配管経路を流れた第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第１計測値と、変換手段を通過しない配管経路を流れた第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第２計測値とを計測する計測手段と、配管ユニット、計測手段の動作を制御し、第１計測値と第２計測値との差分から、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を算出する制御手段と、有し、近赤外域のレーザ光により計測を行うことで、上記課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流通ガスに含まれる測定対象の水素濃度を計測する水素濃度計測装置であって、
前記流通ガスが流れる配管ユニットと、
前記配管ユニットに配置され、通過する前記流通ガスに含まれる水素をＨ２Ｏに変換する変換手段と、
前記配管ユニットを流れる前記流通ガスのうち、前記変換手段を通過する配管経路を流れた第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第１計測値と、前記変換手段を通過しない配管経路を流れた第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第２計測値とを計測する計測手段と、
前記配管ユニット、前記計測手段の動作を制御し、前記第１計測値と前記第２計測値との差分から、流通ガスに含まれる水素濃度を算出する制御手段と、を有し、
前記計測手段は、
前記Ｈ２Ｏの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、
前記流通ガスが流れるガス計測セル、前記ガス計測セルにレーザ光を入射させる光学系、前記発光部から入射され、前記ガス計測セルを通過したレーザ光を受光する受光部を含む少なくとも１つの計測ユニットと、
前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記ガス計測セルを流れる前記流通ガスの前記Ｈ２Ｏの計測値を算出する算出部とを有することを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項２】
さらに、前記変換手段よりも上流側に配置され、前記変換手段に流入する前記流通ガスの流量を計測する第１流量計と、前記変換手段よりも下流側に配置され、前記変換手段から排出された前記流通ガスの流量を計測する第２流量計と、を備え、
前記制御手段は、前記第１流量計の計測結果と、前記第２流量計の計測結果に基づいて、前記流通ガスの前記Ｈ２Ｏの計測値を補正して算出することを特徴とする請求項１に記載の水素濃度計測装置。
【請求項３】
前記第１流通ガスに含まれる前記変換手段の通過により反応しない指標ガスの濃度である第１指標ガス計測値を計測する指標ガス計測手段を、さらに有し、
前記指標ガス計測手段は、前記変換手段の通過により濃度が変化しない指標ガスの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、
前記計測ユニットの前記ガス計測セルにレーザ光を入射させる光学系、前記発光部から入射され、前記ガス計測セルを通過したレーザ光を受光する受光部を有する計測ユニットと、
前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記ガス計測セルを流れる前記流通ガスの前記指標ガスの計測値を算出する算出部とを有し、
前記制御手段は、前記指標ガスの計測値に基づいて、前記流通ガスの前記Ｈ２Ｏの計測値を補正して算出することを特徴とする請求項１または２に記載の水素濃度計測装置。
【請求項４】
前記第１流通ガスに、前記指標ガスを供給する指標ガス供給手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記指標ガス供給手段の指標ガスの供給量と前記指標ガスの計測値とに基づいて、前記流通ガスの前記Ｈ２Ｏの計測値を補正して算出することを特徴とする請求項３に記載の水素濃度計測装置。
【請求項５】
前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、
前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記変換手段が配置された第１配管と、
前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に前記第１配管と共に接続され、前記変換手段が配置されていない第２配管と、
前記第１配管の下流側の端部と、前記第２配管の下流側の端部と、前記ガス計測セルの前記流通ガスの流れ方向の上流側の端部とを接続する三方弁と、を有し、
前記制御手段は、前記三方弁により前記第１配管の下流側の端部と前記ガス計測セルの前記流通ガスの流れ方向の上流側の端部とを連結させ、前記計測手段に前記第１流通ガスを流入させて、前記第１計測値を計測し、
前記三方弁により、前記第２配管の下流側の端部と前記ガス計測セルの前記流通ガスの流れ方向の上流側の端部とを連結させ、前記計測手段に前記第２流通ガスを流入させて、前記第２計測値を計測することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項６】
前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、
前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記変換手段が配置された第１配管と、
前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に前記第１配管と共に接続され、前記変換手段が配置されていない第２配管と、を備え、
前記計測手段は、前記計測ユニットを２つ備え、一方の前記計測ユニットは、前記第１配管の前記流通ガスの流れ方向において前記変換手段よりも下流側に配置され、
他方の前記計測ユニットは、前記第１配管に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項７】
前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、
前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記変換手段が配置された保持配管と、を備え、
前記計測手段は、前記計測ユニットを２つ備え、一方の前記計測ユニットは、前記保持配管の前記流通ガスの流れ方向において前記変換手段よりも下流側に配置され、
他方の前記計測ユニットは、前記保持配管の前記流通ガスの流れ方向において前記変換手段よりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項８】
前記変換手段は、水素を酸化反応させてＨ２Ｏにする酸化触媒であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項９】
前記流通ガスの流れ方向において、前記変換手段よりも上流側に配置され、前記配管ユニットに、前記水素を酸化する酸化剤を供給する酸化剤供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の水素濃度計測装置。
【請求項１０】
前記流通ガスの流れ方向において、前記変換手段よりも上流側に配置され、前記配管ユニットに、前記水素を酸化する酸化剤を供給する酸化剤供給手段を備え、
前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、
前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記変換手段が配置された保持配管と、を備え、
前記計測手段は、前記計測ユニットが、前記保持配管の前記流通ガスの流れ方向において前記変換手段よりも下流側に配置され、
前記変換手段は、水素を酸化反応させてＨ２Ｏにする酸化触媒であり、
前記制御手段は、前記酸化剤供給手段から前記配管ユニットに前記酸化剤を供給している状態と、前記酸化剤供給手段から前記配管ユニットに前記酸化剤を供給していない状態とを切り替え、前記計測ユニットに、前記第１流通ガスが流入している状態と、前記第２流通ガスが流入している状態とを切り替えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項１１】
前記変換手段は、前記流通ガスに含まれる二酸化炭素と水素を一酸化炭素とＨ２Ｏにシフトさせる水性逆シフト触媒を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項１２】
前記流通ガスの流れ方向において、前記変換手段よりも上流側に配置され、前記配管ユニットに、前記二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の水素濃度計測装置。
【請求項１３】
前記流通ガスの流れ方向において、前記変換手段よりも上流側に配置され、前記配管ユニットに、前記二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段を、さらに備え、
前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、
前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記変換手段が配置された保持配管と、を備え、
前記計測手段は、前記計測ユニットが、前記保持配管の前記流通ガスの流れ方向において前記変換手段よりも下流側に配置され、
前記変換手段は、前記流通ガスに含まれる二酸化炭素と水素を一酸化炭素とＨ２Ｏにシフトさせる水性逆シフト触媒であり、
前記制御手段は、前記二酸化炭素供給手段から前記配管ユニットに前記二酸化炭素を供給している状態と、前記二酸化炭素供給手段から前記配管ユニットに前記二酸化炭素を供給していない状態とを切り替え、前記計測ユニットに、前記第１流通ガスが流入している状態と、前記第２流通ガスが流入している状態とを切り替えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項１４】
前記変換手段は前記配管ユニットに、オゾンを供給するオゾン供給手段と、
前記流通ガスの流れ方向において前記配管ユニットの前記オゾン供給手段よりも下流側に形成され、前記流通ガスに含まれる水素と前記オゾン供給手段により供給されるオゾンとが反応する反応領域とを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項１５】
前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、
前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記流通ガスが流れる配管と、を備え、
前記変換手段は、前記配管ユニットに、オゾンを供給するオゾン供給手段と、
前記流通ガスの流れ方向において前記配管の前記オゾン供給手段よりも下流側に形成され、前記流通ガスに含まれる水素と前記オゾン供給手段により供給されるオゾンとが反応する反応領域と、を備え、
前記計測手段は、前記計測ユニットが、前記流通ガスの流れ方向において前記反応領域よりも下流側に配置され、
前記制御手段は、前記オゾン供給手段から前記配管ユニットに前記オゾンを供給している状態と、前記オゾン供給手段から前記配管ユニットに前記オゾンを供給していない状態とを切り替え、前記計測ユニットに、前記第１流通ガスが流入している状態と、前記第２流通ガスが流入している状態とを切り替えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項１６】
前記変換手段は、前記反応領域に紫外線を照射する紫外線照射手段を、さらに備え、
前記制御手段は、前記紫外線照射手段から前記反応領域に前記紫外線を照射している状態と、前記紫外線照射手段から前記反応領域に前記紫外線を照射していない状態とを切り替え、前記計測ユニットに、前記第１流通ガスが流入している状態と、前記第２流通ガスが流入している状態とを切り替えることを特徴とする請求項１４または１５に記載の水素濃度計測装置。
【請求項１７】
前記変換手段は、前記反応領域に前記オゾンと前記水素の反応を促進さる反応促進部材をさらに有することを特徴とする請求項１４から１６のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項１８】
前記計測ユニットは、レーザ光が、前記変換手段を保持する配管の内部を通過することを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項１９】
前記配管ユニットは、測定対象の装置から排出される前記流通ガスの全量が流れることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項２０】
前記配管ユニットは、測定対象の装置から排出される前記流通ガスの全量が流れる測定対象配管から、一部の前記流通ガスを捕集していることを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項２１】
前記流通ガスの流れ方向において、前記変換手段よりも上流側に配置された、前記流通ガスに含まれるＨ２Ｏを回収する除湿装置及び前記流通ガスに含まれる粉塵を回収する除塵装置の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項２２】
前記流通ガスの流れ方向において、前記計測手段及び前記変換手段よりも上流側に配置された前処理手段をさらに有し、
前記前処理手段は、前記流通ガスに含まれるＨ２Ｏを回収する除湿装置と、
前記流通ガスに含まれる粉塵を回収する除塵装置と、
前記流通ガスの流れ方向において、前記除湿装置及び前記除塵装置よりも下流側に配置され、前記流通ガスを、前記水素を含む流通ガスと、前記水素を含まない流通ガスとに分離する水素分離装置と、を有し、
前記水素分離装置によって分離した前記水素を含む流通ガスを前記配管ユニットに供給することを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項２３】
配管を流れる流通ガスの水素濃度を計測する水素濃度計測方法であって、
前記配管を流れる流通ガスのうち、水素をＨ２Ｏに変換する変換手段が配置されている領域を通過した第１流通ガスに対して、Ｈ２Ｏの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力させ、第１流通ガスが流れる管路内を通過した前記レーザ光を受光し、出力したレーザ光の強度と、受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を第１計測値として計測する第１計測ステップと、
前記配管を流れる流通ガスのうち、水素をＨ２Ｏに変換する変換手段が配置されている領域を通過していない第２流通ガスに対して、Ｈ２Ｏの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力させ、第２流通ガスが流れる管路内を通過した前記レーザ光を受光し、出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を第２計測値として計測する第２計測ステップと、
前記第１計測値と前記第２計測値との差分から、前記流通ガスに含まれる水素濃度の計測値を算出する算出ステップとを有することを特徴とする水素濃度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管路内を流れるガスに含まれる水素濃度を計測する水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、内燃機関、焼却炉等の燃焼機関から排出されるガス、燃料を気化させた燃料ガスは、種々のガス状物質が混合した混合ガスとなっている。このような排ガスや燃料ガスは、管路内を流されて、所定の装置や、大気に供給（排出）される。ここで、ガスに含まれる水素の濃度を計測する方法としては、レーザラマン散乱分光を用いて計測する方法がある。
【０００３】
また、管路内を流れる混合ガス（主に流通ガス）に含まれる特定物質の濃度計測方法としては、管路の所定経路に、レーザ光を通過させ、その入出力から測定対象の特定物質の濃度を計測する方法がある。例えば、本件出願人が出願した特許文献１には、測定対象とされるガス状物質に固有な吸収波長のレーザ光を発振する光源と、この光源から発振されるレーザ光の発振波長を少なくとも２つの異なる周波数で変調する手段と、この変調手段により変調されたレーザ光を前記ガス状物質が存在する測定領域に導く手段と、この測定領域において透過または反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、この受光手段で受光した信号の中から変調された信号を周波数毎に順次それぞれ復調する複数の位相敏感検波器と、を具備することを特徴とするガス濃度計測装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３４２４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、レーザラマン散乱分光による計測は、大気圧での１ｖｏｌ％程度での計測精度を実現することが困難であるという問題がある。また、ラマン散乱断面積が小さいため、励起光による迷光、散乱光、蛍光灯のノイズの影響を受けやすいという問題もある。そのため、測定可能な環境が限られてしまう。
【０００６】
また、特許文献１に記載の装置は、高い応答性で測定対象の物質を計測することができる。しかしながら、特許文献１に記載の装置のように、近赤外のレーザ光を照射して、測定対象による吸収を計測する計測方法では、水素を計測することができない。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、水素の濃度を高い応答性で、簡単、かつ、高精度に計測することが可能である水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法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】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、流通ガスに含まれる測定対象の水素濃度を計測する水素濃度計測装置であって、前記流通ガスが流れる配管ユニットと、前記配管ユニットに配置され、通過する前記流通ガスに含まれる水素をＨ２Ｏに変換する変換手段と、前記配管ユニットを流れる前記流通ガスのうち、前記変換手段を通過する配管経路を流れた第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第１計測値と、前記変換手段を通過しない配管経路を流れた第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第２計測値とを計測する計測手段と、前記配管ユニット、前記計測手段の動作を制御し、前記第１計測値と前記第２計測値との差分から、流通ガスに含まれる水素濃度を算出する制御手段と、を有し、前記計測手段は、前記Ｈ２Ｏの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、前記流通ガスが流れるガス計測セル、前記ガス計測セルにレーザ光を入射させる光学系、前記発光部から入射され、前記ガス計測セルを通過したレーザ光を受光する受光部を含む少なくとも１つの計測ユニットと、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記ガス計測セルを流れる前記流通ガスの前記Ｈ２Ｏの計測値を算出する算出部とを有することを特徴とする。
【０００９】
上記水素濃度計測装置によれば、高い応答性、かつ、高い精度で、水素の濃度を検出することができる。
【００１０】
さらに、前記変換手段よりも上流側に配置され、前記変換手段に流入する前記流通ガスの流量を計測する第１流量計と、前記変換手段よりも下流側に配置され、前記変換手段から排出された前記流通ガスの流量を計測する第２流量計と、を備え、前記制御手段は、前記第１流量計の計測結果と、前記第２流量計の計測結果に基づいて、前記流通ガスの前記Ｈ２Ｏの計測値を補正して算出することが好ましい。これにより、流通ガスに含まれる水素の濃度をより高い精度で計測することができる。
【００１１】
前記第１流通ガスに含まれる前記変換手段の通過により反応しない指標ガスの濃度である第１指標ガス計測値を計測する指標ガス計測手段を、さらに有し、前記指標ガス計測手段は、前記変換手段の通過により濃度が変化しない指標ガスの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、前記計測ユニットの前記ガス計測セルにレーザ光を入射させる光学系、前記発光部から入射され、前記ガス計測セルを通過したレーザ光を受光する受光部を有する計測ユニットと、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記ガス計測セルを流れる前記流通ガスの前記指標ガスの計測値を算出する算出部とを有し、前記制御手段は、前記指標ガスの計測値に基づいて、前記流通ガスの前記Ｈ２Ｏの計測値を補正して算出することが好ましい。このように、指標ガスを用い補正することでも、流通ガスに含まれる水素の濃度をより高い精度で計測することができる。
【００１２】
また、前記第１流通ガスに、前記指標ガスを供給する指標ガス供給手段をさらに有し、前記制御手段は、前記指標ガス供給手段の指標ガスの供給量と前記指標ガスの計測値とに基づいて、前記流通ガスの前記Ｈ２Ｏの計測値を補正して算出することが好ましい。これにより、流通ガスに含まれる水素の濃度をより高い精度で計測することができる。
【００１３】
また、前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記変換手段が配置された第１配管と、前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に前記第１配管と共に接続され、前記変換手段が配置されていない第２配管と、前記第１配管の下流側の端部と、前記第２配管の下流側の端部と、前記ガス計測セルの前記流通ガスの流れ方向の上流側の端部とを接続する三方弁と、を有し、前記制御手段は、前記三方弁により前記第１配管の下流側の端部と前記ガス計測セルの前記流通ガスの流れ方向の上流側の端部とを連結させ、前記計測手段に前記第１流通ガスを流入させて、前記第１計測値を計測し、前記三方弁により、前記第２配管の下流側の端部と前記ガス計測セルの前記流通ガスの流れ方向の上流側の端部とを連結させ、前記計測手段に前記第２流通ガスを流入させて、前記第２計測値を計測することが好ましい。これにより、１つの計測ユニットで計測を行うことができる。
【００１４】
また、前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記変換手段が配置された第１配管と、前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に前記第１配管と共に接続され、前記変換手段が配置されていない第２配管とを備え、前記計測手段は、前記計測ユニットを２つ備え、一方の前記計測ユニットは、前記第１配管の前記流通ガスの流れ方向において前記変換手段よりも下流側に配置され、他方の前記計測ユニットは、前記第１配管に配置されていることが好ましい。これにより、連続して、水素を計測することができる。
【００１５】
また、前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記変換手段が配置された保持配管と、を備え、前記計測手段は、前記計測ユニットを２つ備え、一方の前記計測ユニットは、前記保持配管の前記流通ガスの流れ方向において前記変換手段よりも下流側に配置され、他方の前記計測ユニットは、前記保持配管の前記流通ガスの流れ方向において前記変換手段よりも上流側に配置されていることが好ましい。これにより、連続して、水素を計測することができる。
【００１６】
また、前記変換手段は、水素を酸化反応させてＨ２Ｏにする酸化触媒であることが好ましい。これにより、簡単な構成で水素を測定可能な物質に変換することができる。
【００１７】
また、前記流通ガスの流れ方向において、前記変換手段よりも上流側に配置され、前記配管ユニットに、前記水素を酸化する酸化剤を供給する酸化剤供給手段をさらに備えることが好ましい。これにより、水素をより確実にＨ２Ｏに変換することができる。
【００１８】
また、前記流通ガスの流れ方向において、前記変換手段よりも上流側に配置され、前記配管ユニットに、前記水素を酸化する酸化剤を供給する酸化剤供給手段を備え、前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記変換手段が配置された保持配管と、を備え、前記計測手段は、前記計測ユニットが、前記保持配管の前記流通ガスの流れ方向において前記変換手段よりも下流側に配置され、前記変換手段は、水素を酸化反応させてＨ２Ｏにする酸化触媒であり、前記制御手段は、前記酸化剤供給手段から前記配管ユニットに前記酸化剤を供給している状態と、前記酸化剤供給手段から前記配管ユニットに前記酸化剤を供給していない状態とを切り替え、前記計測ユニットに、前記第１流通ガスが流入している状態と、前記第２流通ガスが流入している状態とを切り替えることが好ましい。これにより、１つの計測ユニットで計測を行うことができる。
【００１９】
また、前記変換手段は、前記流通ガスに含まれる二酸化炭素と水素を一酸化炭素とＨ２Ｏにシフトさせる水性逆シフト触媒を有することが好ましい。これにより、酸素を用いることなく、水素をＨ２Ｏに変換することができる。
【００２０】
また、前記流通ガスの流れ方向において、前記変換手段よりも上流側に配置され、前記配管ユニットに、前記二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段をさらに備えることが好ましい。これにより、より確実に、水素をＨ２Ｏに変換することができ、計測精度を高くすることができる。
【００２１】
また、前記流通ガスの流れ方向において、前記変換手段よりも上流側に配置され、前記配管ユニットに、前記二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段を、さらに備え、前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記変換手段が配置された保持配管と、を備え、前記計測手段は、前記計測ユニットが、前記保持配管の前記流通ガスの流れ方向において前記変換手段よりも下流側に配置され、前記変換手段は、前記流通ガスに含まれる二酸化炭素と水素を一酸化炭素とＨ２Ｏにシフトさせる水性逆シフト触媒であり、前記制御手段は、前記二酸化炭素供給手段から前記配管ユニットに前記二酸化炭素を供給している状態と、前記二酸化炭素供給手段から前記配管ユニットに前記二酸化炭素を供給していない状態とを切り替え、前記計測ユニットに、前記第１流通ガスが流入している状態と、前記第２流通ガスが流入している状態とを切り替えることが好ましい。これにより１つの計測ユニットで計測を行うことができる。
【００２２】
また、前記変換手段は前記配管ユニットに、オゾンを供給するオゾン供給手段と、前記流通ガスの流れ方向において前記配管ユニットの前記オゾン供給手段よりも下流側に形成され、前記流通ガスに含まれる水素と前記オゾン供給手段により供給されるオゾンとが反応する反応領域とを有することが好ましい。
【００２３】
また、前記配管ユニットは、前記流通ガスが流入する流入配管と、前記流入配管の前記流通ガスの流れ方向の下流側の端部に接続され、前記流通ガスが流れる配管と、を備え、前記変換手段は、前記配管ユニットに、オゾンを供給するオゾン供給手段と、前記流通ガスの流れ方向において前記配管の前記オゾン供給手段よりも下流側に形成され、前記流通ガスに含まれる水素と前記オゾン供給手段により供給されるオゾンとが反応する反応領域と、を備え、前記計測手段は、前記計測ユニットが、前記流通ガスの流れ方向において前記反応領域よりも下流側に配置され、前記制御手段は、前記オゾン供給手段から前記配管ユニットに前記オゾンを供給している状態と、前記オゾン供給手段から前記配管ユニットに前記オゾンを供給していない状態とを切り替え、前記計測ユニットに、前記第１流通ガスが流入している状態と、前記第２流通ガスが流入している状態とを切り替えることが好ましい。これにより１つの計測ユニットで計測を行うことができる。
【００２４】
また、前記変換手段は、前記反応領域に紫外線を照射する紫外線照射手段を、さらに備え、前記制御手段は、前記紫外線照射手段から前記反応領域に前記紫外線を照射している状態と、前記紫外線照射手段から前記反応領域に前記紫外線を照射していない状態とを切り替え、前記計測ユニットに、前記第１流通ガスが流入している状態と、前記第２流通ガスが流入している状態とを切り替えることが好ましい。これにより、より確実に水素をＨ２Ｏに変換することができる。
【００２５】
また、前記変換手段は、前記反応領域に前記オゾンと前記水素の反応を促進さる反応促進部材をさらに有することが好ましい。これにより、より確実に水素をＨ２Ｏに変換することができる。
【００２６】
また、前記計測ユニットは、レーザ光が、前記変換手段を保持する配管の内部を通過することが好ましい。これにより、計測セルの一部を配管とすることができ、流通ガスをより直接的に計測することができる。
【００２７】
また、前記配管ユニットは、測定対象の装置から排出される前記流通ガスの全量が流れることが好ましい。これにより、流通ガスをより高い精度で計測することができる。
【００２８】
また、前記配管ユニットは、測定対象の装置から排出される前記流通ガスの全量が流れる測定対象配管から、一部の前記流通ガスを捕集していることが好ましい。このように、サンプリングで計測を行うことで、計測ユニットを適正な大きさにすることができる。
【００２９】
また、前記流通ガスの流れ方向において、前記変換手段よりも上流側に配置された、前記流通ガスに含まれるＨ２Ｏを回収する除湿装置及び前記流通ガスに含まれる粉塵を回収する除塵装置の少なくとも一方を有することが好ましい。これにより、計測誤差の発生を抑制することができる。
【００３０】
また、前記流通ガスの流れ方向において、前記計測手段及び前記変換手段よりも上流側に配置された前処理手段をさらに有し、前記前処理手段は、前記流通ガスに含まれるＨ２Ｏを回収する除湿装置と、前記流通ガスに含まれる粉塵を回収する除塵装置と、前記流通ガスの流れ方向において、前記除湿装置及び前記除塵装置よりも下流側に配置され、前記流通ガスを、前記水素を含む流通ガスと、前記水素を含まない流通ガスとに分離する水素分離装置と、を有し、前記水素分離装置によって分離した前記水素を含む流通ガスを前記配管ユニットに供給することが好ましい。これにより、流通ガスをより高い精度で計測することができる。
【００３１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、配管を流れる流通ガスの水素濃度を計測する水素濃度計測方法であって、前記配管を流れる流通ガスのうち、水素をＨ２Ｏに変換する変換手段が配置されている領域を通過した第１流通ガスに対して、Ｈ２Ｏの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力させ、第１流通ガスが流れる管路内を通過した前記レーザ光を受光し、出力したレーザ光の強度と、受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を第１計測値として計測する第１計測ステップと、前記配管を流れる流通ガスのうち、水素をＨ２Ｏに変換する変換手段が配置されている領域を通過していない第２流通ガスに対して、Ｈ２Ｏの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力させ、第２流通ガスが流れる管路内を通過した前記レーザ光を受光し、出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を第２計測値として計測する第２計測ステップと、前記第１計測値と前記第２計測値との差分から、前記流通ガスに含まれる水素濃度の計測値を算出する算出ステップと、を有することを特徴とする。
【００３２】
上記水素濃度計測装置によれば、高い応答性、かつ、高い精度で、水素の濃度を検出することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明にかかる水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法は、高い精度かつ、高い応答性で水素の濃度を計測することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、水素濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示す水素濃度計測装置の計測手段本体の概略構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、水素濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。
【図４】図４は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図５】図５は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図６】図６は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図７】図７は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図８】図８は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図９】図９は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１１−１】図１１−１は、水素濃度計測装置の動作を説明するための説明図である。
【図１１−２】図１１−２は、水素濃度計測装置の動作を説明するための説明図である。
【図１２】図１２は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１３】図１３は、水素濃度計測装置の動作を説明するための説明図である。
【図１４】図１４は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１５】図１５は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１６】図１６は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１７】図１７は、前処理手段の概略構成を示す模式図である。
【図１８】図１８は、前処理手段の水素分離装置の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に、本発明にかかる水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。ここで、水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法は、管路を流れる種々のガスについて、ガスに含まれる水素の濃度を計測することができる。例えば、水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法を燃料ガスが流れる管路に取付、燃焼ガスに含まれる水素濃度を計測してもよい。また、燃料ガスが流れる管路を有する装置としては、各種燃焼機関、例えば、車両、船舶、発電機、焼却炉等が例示される。また、気体の燃料ガスを生成する材料としては、ガソリン、軽油、重油や、天然ガス、バイオ燃料（バイオエタノール）等が例示される。また燃料電池に供給されるガスに含まれる水素濃度を計測する装置としても用いることができる。また、ディーゼルエンジンに取付、ディーゼルエンジンから排出される排ガス（流通ガス）、ゴミ焼却炉から排出される流通ガスに含まれる水素の濃度を計測してもよい。なお、本実施形態では、配管内を流れる流通ガス（混合ガス）中でガス状物質として存在する水素が測定対象となる。
【００３６】
［実施形態１］
図１は、本発明の水素濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。水素濃度計測装置１０は、計測対象配管８を流れる流通ガスの一部を採取（サンプリング）して、流通ガス含まれる水素の濃度を計測する計測装置である。水素濃度計測装置１０は、図１に示すように、配管ユニット１２と、変換手段１４と、計測手段１６と、制御手段１８とを有する。また、水素濃度計測装置１０は、流量計３６、３８を有する。
【００３７】
配管ユニット１２は、計測対象配管８と接続されており流通ガスを案内する経路を構成する。配管ユニット１２は、サンプリング配管（流入配管）２０と、第１配管２２と、第２配管２４と、分岐管２６、２８と、三方弁３０と、ポンプ３１と、開閉弁３２、３４と、を有する。
【００３８】
サンプリング配管（流入配管）２０は、計測対象配管８と接続し、計測対象配管８を流れる流通ガスの一部を捕集する配管である。サンプリング配管２０は、一方の端部（流通ガスの流れ方向において上流側の端部）が計測対象配管８の内部に配置されており、他方の端部（流通ガスの流れ方向において下流側の端部）が、計測対象配管８の外に配置されている。また、サンプリング配管２０は、捕集した流通ガスに含まれる煤塵等を少なくすることができるため、一方の端部の開口面が流通ガスの流れ方向に対して、直交または、直交方向よりも下流側に向けた向きで配置されている。また、サンプリング配管２０は、他方の端部が第１配管２２、第２配管２４の２つの配管と連結されている。なお、本実施形態では、計測対象配管８からサンプリング配管２０に流入する位置が流通ガスの流れ方向において、最も上流となる。また、配管ユニット１２に流入した流通ガスは、サンプリング配管２０の一方の端部から他方の端部に向けて流れる。計測対象配管８から流入した流通ガスが流れる方向が流通ガスの流れ方向となる。
【００３９】
第１配管２２は、一方の端部がサンプリング配管２０と接続され、他方の端部が三方弁３０と接続されている。また、第１配管２２には、管路内に後述する変換手段１４が配置されている。また、第１配管２２の変換手段１４が配置されている領域は、他の領域よりも管路の径が大きくなっている。なお、本実施形態では、変換手段１４が配置されている領域の管路の径を大きくしたが、管路の径は一定としてもよい。
【００４０】
また、第１配管２２は、流通ガスの流れ方向において変換手段１４よりも下流に、分岐管２６が設けられている。また、分岐管２６には、開閉弁３２が設けられている。なお、分岐管２６の流通ガスの流れ方向の下流側は、外気に開放してもよいが、流通ガスに有毒な成分等が含まれている場合は、流通ガスを処理する処理装置に接続させたり、計測対象配管８の下流に接続させたりすることが好ましい。
【００４１】
第２配管２４は、基本的に第１配管２２と並列に形成された配管であり、一方の端部がサンプリング配管２０と接続され、他方の端部が三方弁３０と接続されている。また、第２配管２４には、管路内に後述する変換手段１４が配置されていない。
【００４２】
また、第２配管２４も、分岐管２８が設けられている。なお、分岐管２８は、流通ガスの流れ方向において、分岐管２６に対応する位置に設けることが好ましい。また、分岐管２８には、開閉弁３４が設けられている。なお、分岐管２８の流通ガスの流れ方向の下流側も、外気に開放してもよいが、流通ガスに有毒な成分等が含まれている場合は、流通ガスを処理する処理装置に接続させたり、計測対象配管８の下流に接続させたりすることが好ましい。
【００４３】
三方弁３０は、第１配管２２の下流側の端部と、第２配管２４の下流側の端部と、計測手段１６の上流側の端部とを連結させている。三方弁３０は、第１配管２２と計測手段１６とを連結させた状態と、第２配管２４と計測手段１６とを連結させた状態とを切り替える。三方弁３０は、第１配管２２と計測手段１６とを連結させた場合、サンプリング配管２０から第１配管２２を通過した流通ガスが計測手段１６に流れる。また、三方弁３０は、第２配管２４と計測手段１６とを連結させた場合、サンプリング配管２０から第２配管２４を通過した流通ガスが計測手段１６に流れる。このように、三方弁３０は、計測手段１６を流れる流通ガスを切り替える。
【００４４】
ポンプ３１は、流通ガスの流れ方向において、計測手段１６の下流側に配置されている。ポンプ３１は、流通ガスがサンプリング配管２０から計測手段１６に向けて流れる向きに、空気を吸引する。
【００４５】
変換手段１４は、流通ガスに含まれる測定対象の水素をＨ２Ｏ（気体の水、水蒸気）に変換する機構であり、第１配管２２の管路内に配置されている。変換手段１４は、第１配管２２の管路内に配置された酸化触媒３９を有する。酸化触媒３９は、通過する流通ガスに含まれる水素を酸化させ、つまり水素と酸素を反応させて、Ｈ２Ｏに変換する。酸化触媒３９としては、水素を酸化する各種触媒を用いることができる。具体的には、白金を含む一般的な燃焼触媒などを用いることができる。
【００４６】
計測手段１６は、管路内を流れる（三方弁３０から流入した）流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測する計測手段であり、流通ガスを所定の管路に流し、レーザ光（レーザ）を通過させる計測ユニット４２と、計測ユニット４２にレーザ光を供給し、受光したレーザ光の強度から計測値を算出する計測手段本体４４とを有する。
【００４７】
計測ユニット４２は、計測セル４５と、光ファイバ４６と、入光部４８と、受光部５０と、を有する。
【００４８】
計測セル４５は、基本的に主管５２と、流入管５４と、排出管５６とを有する。主管５２は、筒形状の部材であり、内部に流通ガスが流れる。主管５２の筒形状の一方の端部（上面）には窓５８が配置され、他方の端部（下面）には窓５９が配置されている。つまり、主管５２は、筒形状の上面と下面が、それぞれ窓５８、窓５９に塞がれた形状となっている。なお、窓５８、５９は、光を透過する部材、例えば、透明なガラス、樹脂等で構成されている。これにより、主管５２は、窓５８、５９が設けられている両端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。つまり、主管５２の外部から内部に光を入射させ、主管５２の内部から外部に光を射出させることができる。
【００４９】
流入管５４は、一方の端部が三方弁３０に接続されており、他方の端部が、主管５２の側面（周面）の窓５８側に接続されている。排出管５６は、一方の端部が、主管５２の側面（周面）の窓５９側に接続され、他方の端部が、より下流側の配管（ポンプ３１が配置されている配管）と接続されている。計測セル４５は、三方弁３０を介して第１配管２２または第２配管２４から供給される流通ガスを流入管５４から主管５２に供給する。また、計測セル４５は、主管５２を流れた流通ガスを排出管５６から外部に排出する。
【００５０】
次に、光ファイバ４６は、計測手段本体４４から出力されるレーザ光を入光部４８に案内する。つまり、計測手段本体４４から出力されたレーザ光を入光部４８に入射させる。入光部４８は、窓５８に配置された光学系（ミラー、レンズ等）であり、光ファイバ４６により案内されたレーザ光を窓５８から主管５２の内部に入射させる。
【００５１】
受光部５０は、計測セル４５の主管５２の内部を通過し、窓５９から出力されたレーザ光を受光する受光部である。なお、受光部５０は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。受光部５０は、受光したレーザ光の強度を受光信号として、計測手段本体４４に送る。
【００５２】
次に、図１及び図２を用いて計測手段本体４４について説明する。ここで、図２は、図１に示す水素濃度計測装置の計測手段本体の概略構成を示すブロック図である。計測手段本体４４は、発光部６２と、光源ドライバ６４と、算出部６６とを有する。
【００５３】
発光部６２は、Ｈ２Ｏが吸収する近赤外波長域のレーザ光を発光させる発光素子である。発光素子としては、例えばレーザータイオード（ＬＤ）を用いることができる。発光部６２は、発光させた光を光ファイバ４６に入射させる。
【００５４】
光源ドライバ６４は、発光部６２の駆動を制御する機能を有し、発光部６２に供給する電流、電圧を調整することで、発光部６２から出力されるレーザ光の波長、強度を調整する。
【００５５】
算出部６６は、受光部５０で受光したレーザ光の強度の信号と、光源ドライバ６４を駆動させている条件とに基づいて、測定対象の物質の濃度を算出する。具体的には、算出部６６は、光源ドライバ６４を駆動させている条件に基づいて、発光部６２から出力され、主管５２に入射するレーザ光の強度を算出し、受光部５０で受光したレーザ光の強度と比較し、主管５２を流れる流通ガスに含まれる測定対象の物質（Ｈ２Ｏ、Ｈ２を変換した物質）の濃度を算出する。
【００５６】
計測手段１６は、以上のような構成であり、発光部６２から出力された近赤外波長域のレーザ光は、光ファイバ４６から計測セル４５の所定経路、具体的には、窓５８、主管５２、窓５９を通過した後、受光部５０に到達する。このとき、計測セル４５内の流通ガス中に測定対象の物質が含まれていると、計測セル４５を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光は、流通ガス中の測定対象の物質の濃度によって、受光部５０に到達するレーザ光の出力が変化する。受光部５０は、受光したレーザ光を受光信号に変換し、算出部６６に出力する。また、光源ドライバ６４は、発光部６２から出力したレーザ光の強度を算出部６６に出力する。算出部６６は、発光部６２から出力した光の強度と、受光信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から計測セル４５内を流れる流通ガスの測定対象の物質の濃度を算出する。このように計測手段１６は、いわゆるＴＤＬＡＳ方式（Tunable  Diode  Laser  Absorption  Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用い、出力したレーザ光の強度と、受光部５０で検出した受光信号とに基づいて主管５２内の所定位置、つまり、測定位置を通過する流通ガス中の測定対象の物質の濃度を、算出及び／または計測する。また、計測手段１６は、連続的に測定対象の物質の濃度を、算出及び／または計測することができる。
【００５７】
ここで、流量計３６は、第１配管２２の変換手段１４よりも上流側に配置され、第１配管２２を流れる流通ガスの流量を計測する。流量計３６は、第１配管２２を流れる第１流通ガスのうち、変換手段１４（酸化触媒３９）を通過する前の流通ガス、つまり、水素が酸化される前の流通ガスの流量を計測する。また、流量計３８は、第１配管２２の変換手段１４よりも下流側に配置され、第１配管２２を流れる流通ガスの流量を計測する。流量計３８は、第１配管２２を流れる第１流通ガスのうち、変換手段１４（酸化触媒３９）を通過した流通ガス、つまり、水素が酸化された後の流通ガスの流量を計測する。流量計３６、３８は、計測した流量を制御手段１８に送る。
【００５８】
制御手段１８は、配管ユニット１２、変換手段１４、計測手段１６、流量計３６、３８の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて、各部の動作を制御する。具体的には、計測手段１６による計測条件（光源ドライバ６４の駆動条件、受光部５０の受光動作）、配管ユニット１２の三方弁３０の経路選択動作、開閉弁３２、３４の開閉動作を制御する。また、制御手段１８は、計測手段１６で計測した計測結果、及び、各部で設定、検出した条件、また、流量計３６、３８で計測した流量に基づいて、測定対象の水素の濃度を算出及び／または計測する。
【００５９】
次に、水素濃度計測装置１０の動作を説明する。ここで、図３は、水素濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。水素濃度計測装置１０の制御手段１８は、計測対象配管８に流通ガスが流れている状態で、測定開始の指示が入力されると、ポンプ３１を駆動させ、計測対象配管８に流れている流通ガスをサンプリング配管２０から吸引する。なお、この時、開閉弁３２、３４は、開状態としておくことが好ましい。また、三方弁３０は、いずれの管路を連結させていてもよいが、計測ユニット４２と連結している配管と、第１配管２２とが接続している状態と、計測ユニット４２と連結している配管と第２配管２４が接続している状態とを、交互に切り替えることが好ましい。
【００６０】
その後、配管ユニット１２内に流通ガスが流れている状態となり、流通ガスが配管ユニット１２内に充満したら、制御手段１８は、ステップＳ１２として、三方弁３０により第１配管２２と計測ユニット４２とを連結させ、第１配管２２を流れる流通ガス、つまり、変換手段１４を通過した流通ガス（水素が変換された流通ガス、以下「第１流通ガス」ともいう。）が計測ユニット４２に流れる状態とする。なおこのとき、開閉弁３２は、閉状態とし、第１配管２２を流れる流通ガスは、全量が計測ユニット４２に供給される状態とする。また、開閉弁３４は、開閉のいずれの状態でもよい。また、流量計３６、３８は、第１配管２２の測定位置を流れる第１流通ガスの流量を計測する。
【００６１】
制御手段１８は、第１流通ガスが計測セル４５を流れる状態としたら、ステップＳ１４として、計測手段１６により計測ユニット４２の計測セル４５の主管５２内を流れる第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度（以下「第１計測値」ともいう。）を計測する。これにより、変換手段１４により、第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測することができる。なお、第１流通ガスには、測定対象の水素が変換手段１４により変換（酸化）されたＨ２Ｏと、酸化前から含まれているＨ２Ｏ（共存ガス）とが含まれている。このため、第１計測値は、測定対象の水素を酸化触媒３９で酸化したＨ２Ｏ（流通ガスに含まれる測定対象の水素に由来するＨ２Ｏ）と、酸化前から含まれているＨ２Ｏ（共存ガス）とを合計した濃度が計測される。
【００６２】
制御手段１８は、第１流通ガスの濃度を計測したら、ステップＳ１６として、三方弁３０により第２配管２４と計測ユニット４２とを連結させ、第２配管２４を流れる流通ガス（水素が変換されていない流通ガス、以下「第２流通ガス」ともいう。）が計測ユニット４２に流れる状態とする。なおこのとき、開閉弁３４は、閉状態とし、第２配管２４を流れる流通ガスは、全量が計測ユニット４２に供給される状態とする。また、開閉弁３２は、開閉のいずれの状態でもよい。
【００６３】
制御手段１８は、第２流通ガスが計測セル４５を流れる状態としたら、ステップＳ１８として、計測手段１６により計測ユニット４２の計測セル４５の主管５２内を流れる第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度（以下「第２計測値」ともいう。）を計測する。これにより、変換手段１４により、第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測することができる。なお、第２流通ガスには、酸化前から含まれているＨ２Ｏ（共存ガス）が含まれている。このため、第２計測値は、酸化前から含まれているＨ２Ｏ（共存ガス）の濃度が計測される。
【００６４】
制御手段１８は、第２流通ガスの濃度を計測したら、ステップＳ２０として、流通ガスに含まれる水素の濃度（計測値）を算出する。具体的には、ステップＳ１４で計測した第１計測値と、ステップＳ１８で計測した第２計測値との差分により、流通ガスに含まれる水素の計測値を算出する。つまり、流通ガスに含まれる測定対象の水素に由来するＨ２Ｏと、共存ガスとを合計した濃度から、共存ガスの濃度を引くことで、流通ガスに含まれる水素に由来するＨ２Ｏの濃度を算出することができる。さらに、制御手段１８は、流量計３６、３８等から供給される情報に基づいて、流通ガスに含まれる水素に由来するＨ２Ｏと流通ガスの流量の関係、また、水素から酸化物への反応の過程による各成分の増減を加味（補正）することで、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を算出することができる。制御手段１８は、水素の計測値を算出したら、本処理を終了する。なお、制御手段１８は、上記処理を繰り返すことで、連続的に水素の濃度を計測するようにしてもよい。
【００６５】
水素濃度計測装置１０は、以上のように、測定対象の水素を変換手段１４により酸化した第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測手段１６により計測し、さらに、測定対象の水素を酸化していない第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測手段１６により計測し、差分をとることで、測定対象の水素の濃度を算出することができる。
【００６６】
また、水素濃度計測装置１０は、計測手段１６として、測定対象の水素の酸化物（水素を変換したＨ２Ｏ）の吸収波長域の近赤外波長域のレーザ光を照射し、当該Ｈ２Ｏにより吸収される強度を検出することで、短時間で、かつ、高い精度で水素の濃度を計測することができる。
【００６７】
また、測定対象の水素を酸化し、酸化物として測定することで、近赤外波長域に吸収波長がない水素の濃度を、計測手段１６に示す半導体レーザ吸収分光法を用いて計測することが可能となる。また、本実施形態のように、測定対象の物質の近赤外域の波長の光を用いた計測ができることで、高精度での計測を行うことができる。
【００６８】
さらに、近赤外波長域のレーザ光を用いる計測では、測定対象の酸化物以外の成分が混在した状態であっても、測定対象の酸化物の濃度を適切に測ることができる。つまり、測定対象の酸化物以外の成分がノイズとなりにくくすることができる。これにより、フィルタや、除湿の工程をなくすまたは少なくすることができ、計測対象配管８から流通ガスを吸引してから、計測を行い、計測結果を算出するまでの時間を短時間にすることができる。つまり、計測の時間遅れを少なくすることができる。これにより、応答性を高くすることができる。
【００６９】
また、水素濃度計測装置１０は、変換手段１４の前後の流量を算出し、その流量の変化に基づいて、酸化反応によるマスバランスの変化、モル数の変化による影響を補正することで、流通ガスに含まれる水素の濃度をより適切に算出することができる。なお、水素濃度をより適切に補正できるため、本実施形態のように変換手段の前後での流量の変化を計測することが好ましいが、本発明はこれに限定されず、補正を行わないようにしてもよい。また、第１計測値と第２計測値との関係から、流量の変化量を推定し、その推定値に基づいて補正するようにしてもよい。
【００７０】
また、水素濃度計測装置１０は、流通ガスに含まれる共存ガス、つまり、流通ガスに元々含まれているＨ２Ｏの濃度も計測することができる。これにより、流通ガスに含まれる水素と、Ｈ２Ｏとの比も算出することができる。
【００７１】
また、ポンプ３１を設けることで、計測対象配管８を流れる流通ガスを適切にサンプリング配管２０から吸引することができる。なお、ポンプ３１は設けることが好ましいが、配管ユニット１２の構成や、計測対象配管８を流れる流通ガスの圧力等により、配管ユニット１２に一定流量以上の流通ガスが流れる場合は、ポンプ３１は設けなくてもよい。
【００７２】
ここで、水素濃度計測装置は、上記実施形態に限定されず、種々の実施形態とすることができる。以下、図４から図１８を用いて、他の実施形態について説明する。
【００７３】
［実施形態２］
図４は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。ここで、水素濃度計測装置７０は、流量計３６、３８に代えて指標ガス計測手段７２が設けられている点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置１０と同様である。そこで、水素濃度計測装置１０と同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置７０に特有の点について説明する。図４に示す水素濃度計測装置７０は、配管ユニット１２と、変換手段１４と、計測手段１６と、指標ガス計測手段７２と、制御手段７９とを有する。配管ユニット１２と、変換手段１４と、計測手段１６とは、図１に示す水素濃度計測装置１０の各手段と同様の構成であるので、説明を省略する。また、本実施形態では、ポンプ３１を設けない構成としたが、設けてもよい。なお、ポンプ３１は、下記の実施形態のいずれにもおいても同様である。また、下記の実施形態では、制御手段と制御対象との接続を示す点線を一部省略しているが、各部と接続している。
【００７４】
指標ガス計測手段７２は、光ファイバ７４と、入光部７５と、受光部７６と、指標ガス計測手段本体７７とを有する。なお、指標ガス計測手段７２は、測定対象の物質が異なる点を除いて基本的な構成は、計測手段１６と同様である。また、指標ガス計測手段７２は、計測セル４５を流れる流通ガスに含まれる指標ガスを計測する。
【００７５】
光ファイバ７４は、指標ガス計測手段本体７７から出力されるレーザ光を入光部７５に案内する。入光部７５は、窓５８に配置された光学系であり、光ファイバ７４により案内されたレーザ光を窓５８から主管５２の内部に入射させる。
【００７６】
受光部７６は、計測セル４５の主管５２の内部を通過し、窓５９から出力されたレーザ光を受光する受光部である。なお、受光部７６は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。受光部７６は、受光したレーザ光の強度を受光信号として、指標ガス計測手段本体７７に送る。
【００７７】
指標ガス計測手段本体７７は、計測手段本体４４と同様に、発光部と、光源ドライバと、算出部とを有する。ここで、指標ガス計測手段本体７７の発光部は、指標ガスの吸収波長を含む近赤外波長域のレーザ光を発光する発光素子である。ここで、指標ガスは、変換手段により反応せず、かつ、近赤外波長域に吸収波長がある物質であればよい。指標ガスとしては、二酸化炭素（ＣＯ２）等を用いることができる。また、光源ドライバは、発光部に動力を供給し、算出部は、各検出値に基づいて、指標ガスを計測する。指標ガス計測手段７２は、以上のような構成であり、主管５２を流れる流通ガスに含まれる指標ガス（の濃度）を計測し、計測した結果を制御手段７９に送る。
【００７８】
制御手段７９は、制御手段１８と同様に、配管ユニット１２、変換手段１４、計測手段１６の各部の動作を制御する。また、制御手段７９は、指標ガス計測手段７２の動作も制御する。また、制御手段７９は、計測手段１６から送られる計測結果に基づいて、流通ガスに含まれる水素の濃度を計測（算出）する。なお、算出方法は、上述した制御手段１８の算出方法と同様の方法である。制御手段７９は、さらに、指標ガス計測手段７２で計測される第１流通ガスに含まれる指標ガスの濃度と、指標ガス計測手段７２で計測される第２流通ガスに含まれる指標ガスの濃度とに基づいて、流通ガスに含まれる水素の濃度の算出値を補正する。
【００７９】
このように、水素濃度計測装置７０は、計測手段１６の計測結果に基づいて算出した水素の濃度を、指標ガスの濃度の計測結果に基づいて補正することにより、より正確に流通ガス中の水素濃度を計測することができる。つまり、変換手段１４を通過するか否かで量が変化しない指標ガスを基準とすることで、第１計測値と、第２計測値とのずれを補正することができ、その後、第１計測値と第２計測値との差分を算出することができる。これにより、水素濃度を正確に算出することができる。
【００８０】
［実施形態３］
図５は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。ここで、水素濃度計測装置８０は、流量計３６と指標ガス供給手段８２とが設けられている点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置７０と同様である。そこで、水素濃度計測装置７０と同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置８０に特有の点について説明する。図５に示す水素濃度計測装置８０は、配管ユニット１２と、変換手段１４と、計測手段１６と、流量計３６と、指標ガス計測手段７２と、指標ガス供給手段８２と、制御手段７９とを有する。配管ユニット１２と、変換手段１４と、計測手段１６と、指標ガス計測手段７２とは、図４に示す水素濃度計測装置７０の各手段と同様の構成であるので、説明を省略する。また、流量計３６は、図１に示す水素濃度計測装置１０の流量計３６と同様に、変換手段１４の上流に配置されている。
【００８１】
指標ガス供給手段８２は、流通ガスの流れ方向において、第１配管２２の流量計３６よりも下流側で、かつ、変換手段１４よりも上流側に配置されている。つまり、指標ガス供給手段８２は、変換手段１４により水素が酸素に変換される前の第１流通ガスに流れている配管に接続されている。指標ガス供給手段８２は、配管８４と、指標ガス供給装置８６と、流量計８８とを有する。配管８４は、一方の端部が、第１配管２２の変換手段１４よりも上流側に接続されており、他方の端部が、指標ガス供給装置８６と接続されている。指標ガス供給装置８６は、配管８４を介して第１配管２２に指標ガスを投入する装置である。指標ガス供給装置８６は、指標ガスを貯留する貯留機構や、貯留している指標を配管８４に投入する投入機構を有する。なお、投入機構としては、指標ガスを空気搬送する機構、例えば、ファン（送風機）を用いることができる。流量計８８は、配管８４を流れる指標ガスの流量を計測する計測器であり、指標ガス供給装置８６から第１配管２２に投入される指標ガスの量を計測し、計測結果を制御手段７９に送る。
【００８２】
制御手段７９は、制御手段１８と同様に、配管ユニット１２、変換手段１４、計測手段１６の各部の動作を制御する。また、制御手段７９は、指標ガス計測手段７２の動作も制御する。また、制御手段７９は、計測手段１６から送られる計測結果に基づいて、流通ガスに含まれる水素の濃度を計測（算出）する。なお、算出方法は、上述した制御手段１８の算出方法と同様の方法である。制御手段７９は、さらに、指標ガス計測手段７２で計測される第１流通ガスに含まれる指標ガスの濃度と、流量計３６の計測値と、流量計８８の計測値とに基づいて、流通ガスに含まれる水素の濃度の算出値を補正する。例えば、制御手段７９は、変換手段１４を通過するか否かで量が変化しない指標ガスを基準とし変換手段１４の通過前の第１流通ガスに含まれる指標ガスの濃度を、流量計３６と流量計８８の検出結果に基づいて、算出する。さらに、指標ガス計測手段７２により、変換手段１４を通過した後の第１流通ガスに含まれる指標ガスの濃度を計測することで、第１流通ガスのモル濃度の変化量を算出する。その変化量に基づいて、水素濃度の計測結果を補正することで、より正確に流通ガス中の水素濃度を計測することができる。
【００８３】
なお、制御手段７９は、第１流通ガスに含まれる指標ガスの濃度と、第２流通ガスに含まれる指標ガスの濃度との関係に基づいて、さらに補正を行うようにしてもよい。
【００８４】
［実施形態４］
図６は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図６に示す水素濃度計測装置１００は、配管ユニット１１２と、変換手段１４と、計測手段１１６と、制御手段１１８と、流量計３６、３８とを有する。ここで、水素濃度計測装置１００は、計測ユニットが２つ設けられており、第１配管１２２、第２配管１２４のそれぞれに計測ユニットが配置されている。なお、変換手段１４、流量計３６、３８とは、図１に示す変換手段１４、流量計３６、３８と同様の構成であるので、説明を省略する。
【００８５】
配管ユニット１１２は、サンプリング配管２０と、第１配管１２２と、第２配管１２４と、を有する。サンプリング配管２０は、配管ユニット１２の各部と同様の構成なので、説明は省略する。
【００８６】
第１配管１２２は、一方の端部がサンプリング配管２０と接続され、他方の端部が計測手段１１６の第１計測ユニット１３０と接続されている。また、第１配管１２２には、管路内に後述する変換手段１４が配置されている。また、第１配管１２２の変換手段１４が配置されている領域は、他の領域よりも管路の径が大きくなっている。
【００８７】
第２配管１２４は、基本的に第１配管１２２と並列に形成された配管であり、一方の端部がサンプリング配管２０と接続され、他方の端部が計測手段１１６の第２計測ユニット１３２と接続されている。また、第２配管１２４には、管路内に後述する変換手段１４が配置されていない。このように、配管ユニット１１２は、第１配管１２２の他方の端部と第２配管１２４の他方の端部とを接続する三方弁が設けられておらず、別々の計測ユニットに接続されている。
【００８８】
計測手段１１６は、第１計測ユニット１３０と、第２計測ユニット１３２と、計測手段本体１３４とを有する。第１計測ユニット１３０は、第１配管１２２の他方の端部に接続されており、第１配管１２２を流れた流通ガス、つまり、変換手段１４を通過した流通ガス（第１流通ガス）が供給される。なお、第１計測ユニット１３０の各部の構成は、上述した計測ユニット４２と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００８９】
第２計測ユニット１３２は、第２配管１２４の他方の端部に接続されており、第２配管１２４を流れた流通ガス、つまり、変換手段１４を通過していない流通ガス（第２流通ガス）が供給される。なお、第２計測ユニット１３２の各部の構成も、上述した計測ユニット４２と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００９０】
計測手段本体１３４は、第１計測ユニット１３０、第２計測ユニット１３２の２つの計測ユニットにレーザ光を出力し、２つの計測ユニットから受光信号を受光する以外は、基本的に計測手段本体４４と同様の構成である。なお計測手段本体１３４は、２つの発光部を設け、それぞれの計測ユニットにレーザ光を出力するようにしてもよいが、１つの発光部から出力したレーザ光を２つに分波し、それぞれの計測ユニットにレーザ光を出力することが好ましい。発光部を１つにすることで、２つの計測ユニットに入射するレーザ光の波長を同じにすることができ、計測精度をより高くすることができる。
【００９１】
計測手段本体１３４は、第１計測ユニット１３０に出力したレーザ光の強度、第１計測ユニット１３０から送られる受光信号に基づいて、第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測し、第２計測ユニット１３２に出力したレーザ光の強度、第２計測ユニット１３２から送られる受光信号に基づいて、第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測する。計測手段本体１３４は、計測結果を制御手段１１８に送る。
【００９２】
制御手段１１８は、制御手段１８と同様に、配管ユニット１１２、変換手段１４、計測手段１１６の各部の動作を制御する。また、制御手段１１８は、計測手段１１６から送られる計測結果に基づいて、流通ガスに含まれる水素の濃度を計測（算出）する。なお、算出方法は、上述した制御手段１８の算出方法と同様の方法である。
【００９３】
水素濃度計測装置１００は、以上のような構成により、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を計測することができる。また、上述した水素濃度計測装置１０と同様に、計測手段として、いわゆるＴＤＬＡＳ方式の計測手段を用い、かつ、水素を酸化した酸化物の濃度（Ｈ２Ｏ）を計測手段による計測対象とすることで、上述と同様の効果を得ることができる。
【００９４】
水素濃度計測装置１００は、第１計測ユニット１３０、第２計測ユニット１３２の２つの計測ユニットを設けることで、第１流通ガスと第２流通ガスとを別々に計測することができる。これにより、第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度と、第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度とを同時に計測することができる。これにより、流路の切り替えが必要なくなり、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度をより連続的に計測することができる。また、流路を切り替えることなく、計測ができるため、計測の応答性もより高くすることができる。
【００９５】
また、上述と同様にして、流量計３６と、流量計３８との計測結果に基づいて、水素の濃度を補正するようにしても良い。また、流量計に代えて、上述して、指標ガス供給手段等を用いても良い。なお、この点は、下記の実施形態でも同様である。なお、指標ガスは、その形態に応じて、用いることができる物質が異なる場合もある。
【００９６】
［実施形態５］
図７は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図７に示す水素濃度計測装置２００は、配管ユニット２１２と、変換手段１４と、計測手段２１６と、制御手段２１８と、流量計２２４、２２６を有する。ここで、水素濃度計測装置２００は、配管ユニットが１本の配管で設けられており、計測ユニットが２つ設けられている。なお、変換手段１４は、図１に示す変換手段１４と同様の構成であるので、説明を省略する。
【００９７】
配管ユニット２１２は、サンプリング配管２２０と、配管２２２と、流量計２２４とを有する。サンプリング配管２２０は、計測対象配管８と接続し、計測対象配管８を流れる流通ガスの一部を捕集する配管であり、一方の端部が計測対象配管８の内部に配置されており、他方の端部が計測手段２１６の上流側計測ユニット２３０と連結されている。
【００９８】
配管２２２は、一方の端部が上流側計測ユニット２３０と接続され、他方の端部が計測手段２１６の下流側計測ユニット２３２と接続されている。また、配管２２２には、管路内に後述する変換手段１４が配置されている。また、配管２２２の変換手段１４が配置されている領域は、他の領域よりも管路の径が大きくなっている。
【００９９】
計測手段２１６は、上流側計測ユニット２３０と、下流側計測ユニット２３２と、計測手段本体２３４とを有する。上流側計測ユニット２３０は、上流側の端部が、サンプリング配管２２０の他方の端部と連結され、下流側の端部が、配管２２２の一方の端部（上流側の端部）とに連結されており、サンプリング配管２２０を流れ、変換手段１４を通過する前の流通ガス（第２流通ガス）が供給される。なお、上流側計測ユニット２３０は、上述した計測ユニット４２と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【０１００】
下流側計測ユニット２３２は、上流側の端部が、配管２２２の一方の端部（下流側の端部）と連結され、下流側の端部が、さらに下流側の配管（排気配管等）とに連結されており、配管２２２を流れ、変換手段１４を通過した流通ガス（第１流通ガス）が供給される。なお、下流側計測ユニット２３２も、上述した計測ユニット４２と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【０１０１】
計測手段本体２３４は、上流側計測ユニット２３０、下流側計測ユニット２３２の２つの計測ユニットにレーザ光を出力し、２つの計測ユニットから受光信号を受光する以外は、基本的に計測手段本体４４と同様の構成である。つまり、計測手段本体１３４と同様の構成である。
【０１０２】
計測手段本体２３４は、下流側計測ユニット２３２に出力したレーザ光の強度、下流側計測ユニット２３２から送られる受光信号に基づいて、第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測し、上流側計測ユニット２３０に出力したレーザ光の強度、上流側計測ユニット２３０から送られる受光信号に基づいて、第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測する。計測手段本体２３４は、計測結果を制御手段２１８に送る。
【０１０３】
また、流量計２２４は、サンプリング配管２２０の経路上に配置され、サンプリング配管２２０を流れる流通ガスの流量、つまり、変換手段１４を通過する前の流通ガス（第２流通ガス）の流量を計測する。また、流量計２２６は、配管２２２の変換手段１４と、下流側計測ユニット２３２との間に配置され、変換手段１４を通過した後の流通ガス（第１流通ガス）の流量を計測する。
【０１０４】
制御手段２１８は、制御手段１８と同様に、配管ユニット２１２、変換手段１４、計測手段２１６の各部の動作を制御する。また、制御手段２１８は、計測手段２１６から送られる計測結果に基づいて、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を計測（算出）する。なお、算出方法は、上述した制御手段１８の算出方法と同様の方法である。
【０１０５】
水素濃度計測装置２００は、以上のような構成により、酸化触媒が配置されている領域よりも上流側と、下流側のそれぞれに計測ユニットを設けることでも、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を計測することができる。また、上述した水素濃度計測装置１０と同様に、計測手段として、いわゆるＴＤＬＡＳ方式の計測手段を用い、かつ、測定対象の水素を酸化した酸化物を用いることで、上述と同様の効果をえることができる。
【０１０６】
水素濃度計測装置２００は、酸化触媒が配置されている領域よりも上流側と、下流側のそれぞれに計測ユニット２３０、２３２の２つの計測ユニットを設けることで、流通ガスを案内する配管を２つに分離することなく、第１流通ガスと第２流通ガスとを別々に計測することができる。また、この場合も、第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度と、第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度とを同時に計測することができる。これにより、流路の切り替えが必要なくなり、流通ガスの水素濃度（流通ガスに含まれる水素の濃度）をより連続的に計測することができる。また、流路を切り替えることなく、計測ができるため、計測の応答性もより高くすることができる。また、計測対象のガスを同じ流通ガスとすることができる。つまり、上流側計測ユニット２３０で計測した流通ガスを酸化させた後、下流側計測ユニット２３２で計測することができる。また、流量計２２４と流量計２２６により、変換手段１４の通過前の流通ガス（第２流通ガス）と、変換手段１４の通過後の流通ガス（第１流通ガス）とのモル数のバランスの変化を検出することができる。これにより、算出したモル数から流通ガスの水素濃度の算出値を補正することができ、より正確な水素濃度を計測することができる。
【０１０７】
［実施形態６］
図８は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図８に示す水素濃度計測装置３００は、配管ユニット３１２と、変換手段１４と、計測手段３１６と、制御手段３１８と、流量計３２２、３２４と、を有する。ここで、水素濃度計測装置３００は、配管ユニット３１２の構成と、計測ユニットの配置位置、構成を除いて、他の構成は水素濃度計測装置２００と同様の構成である。また、変換手段１４は、図１に示す変換手段１４と同様の構成であるので、説明を省略する。
【０１０８】
配管ユニット３１２は、サンプリング配管３２０と、流量計３２２とを有する。サンプリング配管３２０は、計測対象配管と接続し、計測対象配管８を流れる流通ガスの一部を捕集する配管であり、一方の端部が計測対象配管の内部に配置されており、他方の端部が下流の配管（排気配管）と連結されている。また、サンプリング配管３２０の経路上には、サンプリング配管３２０を流れる流通ガスの流量を計測する流量計３２２が配置されている。また、サンプリング配管３２０には、管路内に変換手段１４が配置されている。また、サンプリング配管３２０の変換手段１４が配置されている領域は、他の領域よりも管路の径が大きくなっている。つまり、本実施形態の配管ユニットは、１本の配管で構成されている。
【０１０９】
計測手段３１６は、上流側計測ユニット３３０と、下流側計測ユニット３３２と、計測手段本体３３４とを有する。上流側計測ユニット３３０は、サンプリング配管３２０の変換手段１４の配置位置よりも上流側に設けられており、サンプリング配管３２０を流れ、変換手段１４を通過する前の流通ガス（第２流通ガス）のＨ２Ｏの濃度を計測する。なお、上流側計測ユニット３３０は、測定光であるレーザ光をサンプリング配管３２０内に入射させ、サンプリング配管３２０を通過したレーザ光を受光することで、ガス濃度を計測する。
【０１１０】
上流側計測ユニット３３０は、入射管３４２ａと、出射管３４４ａと、窓３４６ａ、３４８ａと、光ファイバ３５０ａと、入光部３５２ａと、受光部３５４ａを有する。
【０１１１】
入射管３４２ａは、管状部材であり、一方の端部がサンプリング配管３２０に連結されている。また、サンプリング配管３２０は、入射管３４２ａとの連結部が、入射管３４２ａの開口（端部の開口）と略同一形状の開口となっている。つまり、入射管３４２ａは、サンプリング配管３２０と、空気の流通が可能な状態で連結されている。また、入射管３４２ａの他方の端部には、窓３４６ａが設けられており、窓３４６ａにより封止されている。なお、窓３４６ａは、光を透過する部材、例えば、透明なガラス、樹脂等で構成されている。これにより、入射管３４２ａは、窓３４６ａが設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。
【０１１２】
入射管３４２ａは、図８に示すように、窓３４６ａ側の端部の開口（つまり、窓３４６ａにより塞がれている開口）の面積と、サンプリング配管３２０側の端部（つまり、サンプリング配管３２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、入射管３４２ａの形状は円筒形状に限定されず、空気及び光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。
【０１１３】
出射管３４４ａは、入射管３４２ａと略同一形状の管状部材であり、一方の端部がサンプリング配管３２０に連結され、出射管３４４ａの他方の端部には、窓３４８ａが設けられている。出射管３４４ａも、サンプリング配管３２０と空気が流通可能な状態で、窓３４８ａが設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。また、出射管３４４ａは、中心軸が入射管３４２ａの中心軸と略同一となる位置に配置されている。つまり、入射管３４２ａと出射管３４４ａとは、サンプリング配管３２０の対向する位置に配置されている。
【０１１４】
また、出射管３４４ａも、窓３４８ａ側の端部の開口（つまり、窓３４８ａにより塞がれている開口）の面積と、サンプリング配管３２０側の端部（つまり、サンプリング配管３２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、出射管３４４ａも形状は円筒形状に限定されず、空気及び光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。
【０１１５】
次に、光ファイバ３５０ａは、計測手段本体３３４から出力されるレーザ光を入光部３５２ａに案内する。つまり、計測手段本体３３４から出力されたレーザ光を入光部３５２ａに入射させる。入光部３５２ａは、窓３４６ａに配置された光学系（ミラー、レンズ等）であり、光ファイバ３５０ａにより案内されたレーザ光を窓３４６ａから入射管３４２ａの内部に入射させる。入射管３４２ａに入射したレーザ光は、入射管３４２ａからサンプリング配管３２０を通過して、出射管３４４ａに到達する。
【０１１６】
受光部３５４ａは、サンプリング配管３２０の内部を通過し、窓３４８ａから出力されたレーザ光を受光する受光部である。受光部３５４ａは、受光したレーザ光の強度を受光信号として、計測手段本体３３４に送る。
【０１１７】
上流側計測ユニット３３０は、計測手段本体３３４から光ファイバ３５０ａに供給されるレーザ光を、入光部３５２ａ、窓３４６ａ、入射管３４２ａ、サンプリング配管３２０、出射管３４４ａ、窓３４８ａを通過して、受光部３５４ａに入射する。これにより、上流側計測ユニット３３０は、変換手段１４を通過する前の流通ガス（第２流通ガス）が流れている領域を通過させたレーザ光の出力を検出することができる。これにより、上流側計測ユニット３３０は、上流側計測ユニット２３０と同様に、第２計測値を計測することができる。
【０１１８】
下流側計測ユニット３３２は、サンプリング配管３２０の変換手段１４の配置位置よりも下流側に設けられており、サンプリング配管３２０を流れ、変換手段１４を通過した後の流通ガス（第１流通ガス）のＨ２Ｏの濃度を計測する。なお、下流側計測ユニット３３２も、測定光であるレーザ光をサンプリング配管３２０内に入射させ、サンプリング配管３２０を通過したレーザ光を受光することで、ガス濃度を計測する。下流側計測ユニット３３２は、入射管３４２ｂと、出射管３４４ｂと、窓３４６ｂ、３４８ｂと、光ファイバ３５０ｂと、入光部３５２ｂと、受光部３５４ｂを有する。なお、下流側計測ユニット３３２は、計測ユニットの配置位置を除いて、基本的構成は、上流側計測ユニット３３０と同様であるので説明を省略する。
【０１１９】
下流側計測ユニット３３２は、計測手段本体３３４から光ファイバ３５０ｂに供給されるレーザ光を、入射部３５２ｂ、窓３４６ｂ、入射管３４２ｂ、サンプリング配管３２０、出射管３４４ｂ、窓３４８ｂを通過して、受光部３５４ｂに入射する。これにより、下流側計測ユニット３３２は、変換手段１４を通過した流通ガス（第１流通ガス）が流れている領域を通過させたレーザ光の出力を検出することができる。これにより、上流側計測ユニット３３０は、下流側計測ユニット２３２と同様に、第１計測値を計測することができる。
【０１２０】
計測手段本体３３４は、上流側計測ユニット３３０、下流側計測ユニット３３２の２つの計測ユニットにレーザ光を出力し、２つの計測ユニットから受光信号を受光する以外は、基本的に計測手段本体４４と同様の構成である。つまり、計測手段本体２３４と同様の構成である。
【０１２１】
計測手段本体３３４は、下流側計測ユニット３３２に出力したレーザ光の強度、下流側計測ユニット３３２から送られる受光信号に基づいて、第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測し、上流側計測ユニット３３０に出力したレーザ光の強度、上流側計測ユニット３３０から送られる受光信号に基づいて、第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測する。計測手段本体３３４は、計測結果を制御手段３１８に送る。
【０１２２】
また、流量計３２２は、サンプリング配管３２０の経路上において、上流側計測ユニット３３０と変換手段１４との間に配置され、変換手段１４を通過する前の流通ガス（第２流通ガス）の流量を計測する。また、流量計３２４は、サンプリング配管３２０の経路上において変換手段１４と下流側計測ユニット３３２との間に配置され、変換手段１４を通過した後の流通ガス（第１流通ガス）の流量を計測する。流量計３３２と流量計３２４は、流量の計測結果を制御手段３１８に送る。
【０１２３】
制御手段３１８は、制御手段１８と同様に、配管ユニット３１２、変換手段１４、計測手段３１６、流量計３２２、３２４の各部の動作を制御する。また、制御手段３１８は、計測手段３１６から送られる計測結果に基づいて、流通ガスに含まれる水素の濃度（流通ガスの水素濃度）を計測（算出）する。なお、算出方法は、上述した制御手段１８の算出方法と同様の方法である。
【０１２４】
水素濃度計測装置３００は、以上のような構成により、変換手段１４（酸化触媒３９）が配置されている領域よりも上流側と、下流側のそれぞれに計測ユニットを設けることでも、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を計測することができる。また、上述した水素濃度計測装置１０と同様に、計測手段として、いわゆるＴＤＬＡＳ方式の計測手段を用い、かつ、流通ガス中のＨ２Ｏの濃度を計測手段により計測することで、上述と同様の効果を得ることができる。また、水素濃度計測装置３００も、流量計３２２、３２４での計測結果に基づいて、流通ガスに含まれる水素の濃度の算出値を補正することができ、より高い精度で算出することができる。
【０１２５】
また、水素濃度計測装置３００も、酸化触媒３９が配置されている領域よりも上流側と、下流側のそれぞれに計測ユニット３３０、３３２の２つの計測ユニットを設けることで、流通ガスを案内する配管を２つに分離することなく、第１流通ガスと第２流通ガスとを別々に計測することができる。また、この場合も、第１流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度と、第２流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度とを同時に計測することができる。これにより、流路の切り替えが必要なくなり、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度をより連続的に計測することができる。また、流路を切り替えることなく、計測ができるため、計測の応答性もより高くすることができる。また、計測対象のガスを同じ流通ガスとすることができる。つまり、上流側計測ユニット３３０で計測した流通ガスを酸化させた後、下流側計測ユニット３３２で計測することができる。
【０１２６】
さらに、水素濃度計測装置３００は、サンプリング配管３２０を流れる流通ガスを直接計測することができる。これにより、計測セルを設けることなく、サンプリング配管３２０に開口を形成するのみで設置することができる。また、上記実施形態では、サンプリング配管３２０を設けた場合として説明したが、これに限定されず、計測対象配管に直接接地することもできる。計測対象配管に直接設ける場合でも、専用の計測セルが必要ないため、計測対象配管を流れる流通ガスの流量、流速を変化させずに、計測することができる。
【０１２７】
また、上記実施形態では、入射管と出射管を同軸上に設けたがこれには限定されない。例えば、サンプリング配管内に光学ミラーを設け、入射管の窓から入射されたレーザ光を測定セル内の光学ミラーで多重反射させた後、出射管の窓に到達させるようにしてもよい。このようにレーザ光を多重反射させることで、サンプリング配管内のより多くの領域を通過させることができる。これにより、サンプリング配管内を流れる流通ガスの濃度の分布（流通ガスの流量や密度のばらつき、流通ガス内の濃度分布のばらつき）の影響を小さくすることができ、正確に濃度を検出することができる。
【０１２８】
また、上記実施形態では、入射管と出射管をサンプリング配管に直接設けたが、サンプリング配管と同径の管に、入射管と出射管を設置し、その管をサンプリング配管の一部にはめ込むようにしても良い。つまり、サンプリング配管の一部を切断し、その切断部に入射管と出射管を設置した管をはめ込むようにしてもよい。
【０１２９】
［実施形態７］
図９は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。ここで、水素濃度計測装置４００は、酸化剤供給手段４５０が設けられている点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置２００と同様である。そこで、水素濃度計測装置２００と同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置４００に特有の点について説明する。ここで、図９に示す水素濃度計測装置４００は、配管ユニット２１２と、変換手段１４と、計測手段２１６と、流量計２２４、２２６と、制御手段４１８と、酸化剤供給手段４５０とを有する。配管ユニット２１２と、変換手段１４と、計測手段２１６と、流量計２２４、２２６とは、図７に示す水素濃度計測装置２００の各手段と同様の構成であるので、説明を省略する。
【０１３０】
酸化剤供給手段４５０は、流通ガスの流れ方向において、配管２２２の上流側計測ユニット２３０よりも下流側で、かつ、変換手段１４よりも上流側に配置されている。つまり、酸化剤供給手段４５０は、濃度の計測が終了し、酸化処理（水素と酸素を反応させ、Ｈ２Ｏにする処理）が行われる前の流通ガス（第２流通ガス）が流れている配管に接続されている。酸化剤供給手段４５０は、配管４５２と、酸化剤供給装置４５４と、流量計４５６とを有する。配管４５２は、一方の端部が、配管２２２の変換手段１４よりも上流側に接続されており、他方の端部が、酸化剤供給装置４５４と接続されている。酸化剤供給装置４５４は、配管４５２を介して配管２２２に酸化剤（Ｏ２、Ｏ３等）を投入する装置である。酸化剤供給装置４５４は、酸化剤を貯留する貯留機構や、貯留している酸化剤を配管４５２に投入する投入機構を有する。なお、投入機構としては、酸化剤を空気搬送する機構、例えば、ファン（送風機）を用いることができる。流量計４５６は、配管４５２を流れる空気の流量を計測する計測器であり、酸化剤供給装置４５４から配管２２２に投入される空気の量を計測し、計測結果を制御手段４１８に送る。
【０１３１】
制御手段４１８は、配管ユニット２１２、変換手段１４、計測手段２１６と、流量計２２４、２２６の各部の動作を制御する。また、制御手段４１８は、制御手段１８と同様に、計測手段２１６から送られる計測結果に基づいて、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を計測（算出）する。なお、算出方法は、上述した制御手段１８の算出方法と同様の方法である。さらに、制御手段４１８は、酸化剤供給手段４５０から配管２２２に投入する酸化剤の量を制御する。
【０１３２】
水素濃度計測装置４００は、以上のような構成により、酸化触媒３９が配置されている領域よりも上流側と、下流側のそれぞれに計測ユニットを設けることでも、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を計測することができる。また、上述した水素濃度計測装置１０と同様に、計測手段として、いわゆるＴＤＬＡＳ方式の計測手段を用い、かつ、測定対象の水素を酸化した酸化物をとすることで、上述と同様の効果を得ることができる。
【０１３３】
また、水素濃度計測装置４００は、変換手段１４の上流側で流通ガスに、水素を酸化する（酸化反応する）酸化剤を投入することで、好適に水素を酸化物にすることができる。これにより、下流側計測ユニット２３２を通過する流通ガスに測定対象の水素の残存量をより少なくすることができ、測定対象の水素の濃度をより高い精度で算出することができる。また、流通ガス中に酸素が少ない場合も、酸化剤を投入することで、適切に反応を促進することができる。また、配管２２２に供給される酸化剤の流量を流量計４５６により検出できる。これにより、モル数の変化や、モル数バランスの変化、流量の変化を補正することができる。
【０１３４】
［実施形態８］
図１０は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１０に示す水素濃度計測装置５００は、配管ユニット５１２と、変換手段１４と、計測手段５１６と、制御手段５１８と、流量計５２２、５２４と、酸化剤供給手段５５０とを有する。
【０１３５】
なお、本実施形態では、変換手段１４の酸化触媒として、測定対象のガス酸化物を選択的に吸蔵し、酸化剤との反応を促進させて酸化物とする吸蔵型酸化触媒（ＳＣＲ触媒）を用いることが好ましい。つまり、酸化剤が供給されることで、水素がＨ２Ｏになる反応を促進する触媒を用いることが好ましい。吸蔵型酸化触媒は、水素を飽和するまで吸蔵する。また、吸蔵型酸化触媒は、酸化剤が供給されると吸着させている水素と酸化剤との反応を促進させ、反応され酸化物として生成されるＨ２Ｏを流通ガスとともに下流側に流す。以下、実施形態８では、触媒として吸蔵型酸化触媒を用いた場合として説明する。
【０１３６】
配管ユニット５１２は、サンプリング配管５２０と、流量計５５８とを有する。サンプリング配管５２０は、計測対象配管８と接続し、計測対象配管８を流れる流通ガスの一部を捕集する配管であり、一方の端部が計測対象配管８の内部に配置されており、他方の端部が計測手段５１６の計測ユニット５３２と連結されている。また、サンプリング配管５２０には、管路内に変換手段１４が配置されている。また、サンプリング配５２０の変換手段１４が配置されている領域は、他の領域よりも管路の径が大きくなっている。つまり、本実施形態の配管ユニットは、１本の配管で構成されている。
【０１３７】
計測手段５１６は、計測ユニット５３２と、計測手段本体５３４とを有する。計測ユニット５３２は、上流側の端部が、サンプリング配管５２０の一方の端部（下流側の端部）と連結され、下流側の端部が、さらに下流側の配管（排気配管等）とに連結されている。計測ユニット５３２は、変換手段１４を通過した流通ガスが供給される。
【０１３８】
計測手段本体５３４は、計測ユニット５３２にレーザ光を出力し、計測ユニット５３２から受光信号を受光して、Ｈ２Ｏの濃度を計測するものであり、基本的に計測手段本体４４と同様の構成である。
【０１３９】
酸化剤供給手段５５０は、流通ガスの流れ方向において、サンプリング配管５２０の変換手段１４よりも上流側に配置されている。つまり、酸化剤供給手段５５０は、変換手段１４に到達する前の流通ガスが流れている配管に接続されている。
【０１４０】
酸化剤供給手段５５０は、配管５５２と、酸化剤供給装置５５４と、開閉弁５５６と、流量計５５８とを有する。配管５５２は、一方の端部が、サンプリング配管５２０の変換手段１４よりも上流側に接続されており、他方の端部が、酸化剤供給装置５５４と接続されている。酸化剤供給装置５５４は、配管５５２を介してサンプリング配管５２０に酸化剤を投入する装置である。酸化剤供給装置５５４は、酸化剤を貯留する貯留機構や、貯留している酸化剤を配管５５２に投入する投入機構を有する。なお、投入機構としては、酸化剤を空気搬送する機構、例えば、ファン（送風機）を用いることができる。開閉弁５５６は、酸化剤供給装置５５４から供給された酸化剤をサンプリング配管５２０に供給する状態と、供給しない状態とを切り替える弁である。開閉弁５５６は、制御手段５１８により開閉が制御される。流量計５５８は、配管５５２を流れる空気の流量を計測する計測器であり、酸化剤供給装置５５４からサンプリング配管５２０に投入される空気の量を計測し、計測結果を制御手段５１８に送る。
【０１４１】
また、流量計５５８は、サンプリング配管５２０の経路上において、変換手段１４及び酸化剤供給手段５５０よりも上流側に配置され、変換手段１４を通過する前の流通ガス（第２流通ガス）の流量を計測する。また、流量計５２４は、サンプリング配管５２０の経路上において変換手段１４と計測ユニット５３２との間に配置され、変換手段１４を通過した後の流通ガス（第１流通ガス）の流量を計測する。流量計５２２と流量計５２４は、流量の計測結果を制御手段５１８に送る。
【０１４２】
制御手段５１８は、制御手段１８と同様に、配管ユニット５１２、変換手段１４、計測手段５１６、流量計５２２、５２４の各部の動作を制御する。また、制御手段５１８は、酸化剤供給手段５５０の開閉弁５５６の開閉を制御することで、変換手段１４に酸化剤を供給し、変換手段１４で酸化剤と測定対象の水素とを反応させ、水素を酸化させる（Ｈ２Ｏにする）第１の状態と、変換手段１４に酸化剤を供給せず、変換手段１４で水素を吸蔵させ、水素を変換手段１４に溜める第２の状態とを切り替える。
【０１４３】
以下、図１１−１及び図１１−２を用いて具体的に説明する。ここで、図１１−１及び図１１−２は、水素濃度計測装置の動作を説明するための説明図である。また、図１１−１及び図１１−２は、横軸をともに時間ｔとし、図１１−１は、縦軸を開閉信号、図１１−２は、縦軸をＨ２Ｏ濃度とした。また、図１１−１は、開信号を１、閉信号を０とした。また、図１１−２のＨ２Ｏ濃度は、変換手段１４の下流側のＨ２Ｏ濃度である。
【０１４４】
例えば、制御手段５１８は、図１１−１に示すように閉信号を出力し開閉弁５５６を閉じた状態から、時刻ｔ１で開信号を出力し、開閉弁５５６を開状態とし、一定時間経過後の時刻ｔ２で再び閉信号を出力し開閉弁５５６を閉じた状態とする。これにより、時刻ｔ１以前は、変換手段１４に酸化剤が供給されていない状態となり、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、変換手段１４に酸化剤が供給される状態となり、時刻ｔ２以降は、再び、変換手段１４に酸化剤が供給されない状態となる。
【０１４５】
これに対応して、変換手段１４では、時刻ｔ１以前は、変換手段１４で水素を吸蔵している状態となり、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、変換手段１４で水素を酸化している状態となり、時刻ｔ２以降は、再び、変換手段１４で水素を吸蔵している状態となる。これにより、時刻ｔ１以前及び時刻ｔ２以降は、基本的に、酸化前から流通ガスに含まれるＨ２Ｏ（共存ガス、捕集時から流通ガスに含まれるＨ２Ｏ）のみが、変換手段１４を通過した流通ガスに含まれ、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、共存ガスに加え、変換手段１４に吸蔵されている水素が酸化剤と反応し、生成されたＨ２Ｏも含まれる状態となる。これにより、図１１−２に示すように、時刻ｔ１以前は、Ｈ２Ｏの濃度が低く（濃度Ｘ１）、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、Ｈ２Ｏの濃度が高くなり（濃度Ｘ２）、時刻ｔ２以降は、再び、Ｈ２Ｏの濃度が低くなる（濃度Ｘ１）。
【０１４６】
制御手段５１８は、図１１−２の関係を用いて、共存ガスの濃度を計測し、さらに、酸化処理時に検出されるＨ２Ｏの濃度と、酸化処理前に水素を吸蔵していた時間との関係に基づいて、演算を行うことで（例えば、吸蔵していた時間と反応させた時間との合計で濃度を平均化することで）、流通ガスに含まれる水素に由来するＨ２Ｏの濃度を算出し、さらにその結果から、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を計測（算出）する。
【０１４７】
水素濃度計測装置５００は、以上のような構成により、酸化触媒３９として、水素を吸蔵する吸蔵型酸化触媒を用い、酸化剤の供給を調整することで、水素の吸蔵、酸化を繰り返すことでも、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を計測することができる。この場合も、上述した水素濃度計測装置１０と同様に、計測手段として、いわゆるＴＤＬＡＳ方式の計測手段を用い、かつ、測定対象の水素を酸化した酸化物を用いることで、上述と同様の効果を得ることができる。
【０１４８】
なお、本実施形態では、切り替えの時間が必要となるため、水素濃度計測装置１０と同様に間欠的な計測となるが、１つの計測ユニットで濃度を計測することができる。
【０１４９】
なお、本実施形態の場合は、予め、飽和するために必要な水素の量を、例えば、濃度と流量と流通時間との関係で算出し、酸化剤供給時は、変換手段１４の酸化触媒３９の水素の飽和量、つまり、変換手段１４の酸化触媒３９に吸蔵された水素を酸化するために必要な酸化剤の最大量）の１から１０倍の量をサンプリング配管５２０に供給することが好ましい。また、制御手段５１８は、変換手段１４の酸化触媒３９に吸蔵させる水素の量を、飽和吸蔵量の１／１０以上１／２以下とすることが好ましい。変換手段１４の酸化触媒３９に吸蔵させる水素の量が上記範囲以下の状態で酸化処理を行うことで、水素の濃度を好適に算出することができる。
【０１５０】
また、実施形態８では、酸化触媒３９として吸蔵型酸化触媒を用いた場合としたが、本発明はこれに限定されず、水素を吸蔵しない触媒を用いることもできる。この場合は、酸化剤が供給されていない場合は、流通ガスに含まれる水素もそのまま変換手段１４を通過する。また、酸化剤の供給時は、酸化剤と混合された流通ガスに含まれる水素のみがＨ２Ｏに還元される。これにより、制御手段５１８は、各状態での検出時の値をそれぞれ第１計測値、第２計測値として、流通ガスの水素濃度を計測することができる。
【０１５１】
［実施形態９］
図１２は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。ここで、水素濃度計測装置６００は、変換手段６１４に水性逆シフト触媒６５０を設けている点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置２００と同様である。そこで、水素濃度計測装置２００と同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置６００に特有の点について説明する。ここで、図１２に示す水素濃度計測装置６００は、配管ユニット２１２と、変換手段６１４と、計測手段２１６と、流量計２２４、２２６と、制御手段６１８と、を有する。配管ユニット２１２と、流量計２２４、２２６と、計測手段２１６とは、図７に示す水素濃度計測装置２００の各手段と同様の構成であるので、説明を省略する。
【０１５２】
変換手段６１４は、水性逆シフト触媒６５０を有する。水性逆シフト触媒６５０は、流通ガスの流れ方向において、配管２２２の上流側計測ユニット２３０よりも下流側で、かつ、下流側計測ユニット２３２よりも上流側に配置されている。水性逆シフト触媒６５０は、流通ガス中に含まれる水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）とを反応させて、一酸化炭素（ＣＯ）と水（Ｈ２Ｏ）とを生成する。つまり、水性逆シフト触媒６５０は、水素を二酸化炭素により、（Ｈ２Ｏ）に変換する。
【０１５３】
これにより、第２流通ガスは、水性逆シフト触媒６５０を通過し、第１流通ガスとなることで、図１３に示すように流通ガスのモル比が変換する。ここで、図１３は、水素濃度計測装置の動作を説明するための説明図である。具体的には、図１３は、配管２２２における位置と、ガス濃度との関係を示すグラフであり、縦軸をガス濃度とし、横軸を位置とした。図１３に示すように、サンプリングガスの状態、つまり、計測対象配管８から供給され水性逆シフト触媒６５０に到達する前の流通ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ、水）、水素（Ｈ２）が一定の濃度で含まれている。この状態の流通ガスが水性逆シフト触媒６５０を通過すると、水素と二酸化炭素が反応し、一酸化炭素と水が生成される、つまり、「Ｈ２＋ＣＯ２→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ」の反応がおきる。流通ガスは、水性逆シフト触媒６５０内に存在する時間が長くなるほど、つまり、流通ガスの流れ方向において、下流側に移動するほど、上記反応が進んだ状態となる。これにより、図１３に示すように、流通ガスは、下流側に移動するほど、水素と二酸化炭素の量が減少し、一酸化炭素と水が増加し、下流側計測セル２３２の入口では、水素の全量が水に変換されている状態となる。水性逆シフト触媒６５０は、このようにして、水素を水に変換する。
【０１５４】
制御手段６１８は、配管ユニット２１２、変換手段６１４、計測手段２１６と、の各部の動作を制御する。また、制御手段６１８は、制御手段２１８と同様に、計測手段２１６から送られる計測結果に基づいて、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を計測（算出）する。なお、算出方法は、上述した制御手段１８の算出方法と同様の方法である。なお、制御手段６１８は水性逆シフト触媒６５０の温度等を制御する機構を備えている場合は、高い効率で水素を水に変換できるように温度を調整する。
【０１５５】
水素濃度計測装置６００は、以上のような構成により、変換手段６１４に水性逆シフト触媒６５０を設けることでも、上述と同様の効果を得ることができる。また、水素濃度計測装置６００は、含有する酸素が少ない流通ガスの水素濃度を計測する場合でも水素濃度を計測することができる。また、水素雰囲気中に酸素を投入することなく、水に変換できるため、より安全に水素を水に変換することができる。
【０１５６】
また、水素濃度計測装置６００は、さらに、図９の場合と同様に、変換手段６１４よりも上流側に、流通ガスと反応する物質を供給するようにしても良い。つまり、配管２２２にＣＯ２を供給する装置を設けてもよい。
【０１５７】
［実施形態１０］
図１４は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１４に示す水素濃度計測装置７００は、配管ユニット５１２と、変換手段６１４と、計測手段５１６と、制御手段７１８と、流量計５２２、５２４と、ＣＯ２供給手段７５０と、を有する。なお、図１４に示す水素濃度計測装置７００は、水素濃度計測装置５００の水素濃度の計測方法と、水素濃度計測装置６００の変換手段とを組み合わせた装置である。つまり、水素濃度計測装置５００の変換手段を、水性逆シフト触媒に変え、酸化剤供給手段をＣＯ２供給手段に変えたものである。なお、配管ユニット５１２と、計測手段５１６と、流量計５２２、５２４とは、水素濃度計測装置５００の各手段と同様であり、変換手段６１４は、水素濃度計測装置６００の変換手段と同様であるので、説明を省略する。なお、本実施形態の場合は、水性逆シフト触媒６５０を吸蔵型触媒とすることが好ましいが、上述したように、吸蔵しない触媒としてもよい。
【０１５８】
ＣＯ２供給手段７５０は、流通ガスの流れ方向において、サンプリング配管５２０の変換手段６１４よりも上流側に配置されている。つまり、ＣＯ２供給手段７５０は、変換手段６１４に到達する前の流通ガスが流れている配管に接続されている。
【０１５９】
ＣＯ２供給手段７５０は、配管７５２と、ＣＯ２供給装置７５４と、開閉弁７５６と、流量計７５８とを有する。配管７５２は、一方の端部が、サンプリング配管５２０の変換手段６１４よりも上流側に接続されており、他方の端部が、ＣＯ２供給装置７５４と接続されている。ＣＯ２供給装置７５４は、配管７５２を介してサンプリング配管５２０にＣＯ２を投入する装置である。ＣＯ２供給装置７５４は、ＣＯ２を貯留する貯留機構や、貯留しているＣＯ２を配管７５２に投入する投入機構を有する。なお、投入機構としては、ＣＯ２を空気搬送する機構、例えば、ファン（送風機）を用いることができる。開閉弁７５６は、ＣＯ２供給装置７５４から供給されたＣＯ２をサンプリング配管５２０に供給する状態と、供給しない状態とを切り替える弁である。開閉弁７５６は、制御手段７１８により開閉が制御される。流量計７５８は、配管７５２を流れる空気の流量を計測する計測器であり、ＣＯ２供給装置７５４からサンプリング配管５２０に投入される空気の量を計測し、計測結果を制御手段７１８に送る。
【０１６０】
また、流量計５２２は、サンプリング配管５２０の経路上において、変換手段６１４及びＣＯ２供給手段７５０よりも上流側に配置され、変換手段１４を通過する前の流通ガス（第２流通ガス）の流量を計測する。また、流量計５２４は、サンプリング配管５２０の経路上において変換手段６１４と計測ユニット５３２との間に配置され、変換手段１４を通過した後の流通ガス（第１流通ガス）の流量を計測する。流量計５２２と流量計５２４は、流量の計測結果を制御手段７１８に送る。
【０１６１】
制御手段７１８は、制御手段１８と同様に、配管ユニット５１２、変換手段６１４、計測手段５１６、流量計５２２、５２４の各部の動作を制御する。また、制御手段７１８は、ＣＯ２供給手段７５０の開閉弁７５６の開閉を制御することで、変換手段６１４にＣＯ２を供給し、変換手段６１４でＣＯ２と測定対象の水素とを反応させ、水素をＨ２Ｏにする第１の状態と、変換手段６１４にＣＯ２を供給せず、変換手段６１４で水素を吸蔵させ、水素を変換手段６１４に溜める、または、水素を水にせずに水性逆シフト触媒６５０を通過させる第２の状態とを切り替える。制御手段７１８は、第１の状態と第２の状態とを切り替えることで、第１計測値と第２計測値を計測する。
【０１６２】
水素濃度計測装置７００のように、変換手段として、水性逆シフト触媒を用いた場合でも上述と同様に水素と反応する物質（ＣＯ２）の供給を調整することで、１つの計測ユニットで、流通ガスに含まれる水素の濃度を計測することができる。また、流通ガスとして、二酸化炭素がほとんど含まれない流通ガスを用いる場合は、本実施形態の構成とすることで、水素から水への反応が高い精度で制御できるため、高い精度で水素濃度を計測することができる。
【０１６３】
［実施形態１１］
図１５は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。ここで、水素濃度計測装置８００は、変換手段８１４を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置２００と同様である。そこで、水素濃度計測装置２００と同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置８００に特有の点について説明する。ここで、図１５に示す水素濃度計測装置８００は、配管ユニット２１２と、変換手段８１４と、計測手段２１６と、流量計２２４、２２６と、制御手段８１８と、を有する。配管ユニット２１２と、流量計２２４、２２６と、計測手段２１６とは、図７に示す水素濃度計測装置２００の各手段と同様の構成であるので、説明を省略する。
【０１６４】
変換手段８１４は、反応領域８３０と、オゾン供給手段８３２と、紫外線照射装置８３４と、反応促進部材８３６と、を有する。反応領域８３０は、流通ガスの流れ方向において、配管２２２の上流側計測ユニット２３０よりも下流側で、かつ、下流側計測ユニット２３２よりも上流側に配置されている。反応領域８３０は、配管２２２の一部に設けられており、流通ガスが通過する配管である。反応領域８３０は、配管２２２よりも径の大きい配管である。
【０１６５】
オゾン供給手段８３２は、配管８４０と、オゾン供給装置８４２と、開閉弁８４４と、流量計８４６と、を有する。配管８４０は、一方の端部が、反応領域８３０に接続されており、他方の端部が、オゾン供給装置８４２と接続されている。なお、配管８４０は、反応領域８３０の流通ガスの流れ方向の上流側に配置されている。オゾン供給装置８４２は、配管８４０を介して反応領域８３０にオゾン（Ｏ３）を投入する装置である。オゾン供給装置８４２は、オゾンを貯留する貯留機構や、貯留しているオゾンを反応領域８３０に投入する投入機構を有する。なお、投入機構としては、オゾンを空気搬送する機構、例えば、ファン（送風機）を用いることができる。開閉弁８４４は、オゾン供給装置８４２から供給されたオゾンを反応領域８３０に供給する状態と、供給しない状態とを切り替える弁である。開閉弁８４４は、制御手段８１８により開閉が制御される。流量計８４６は、配管８４０を流れる空気の流量を計測する計測器であり、オゾン供給装置８４２から反応領域８３０に投入される空気の量を計測し、計測結果を制御手段８１８に送る。
【０１６６】
紫外線照射装置８３４は、反応領域８３０に紫外線を照射する装置である。なお、紫外線照射装置８３４は、オゾン供給装置８４２が反応領域８３０にオゾンを供給する位置よりも下流側に紫外線を照射する。
【０１６７】
反応促進部材８３６は、反応領域８３０に配置されており、オゾンと水素との反応を促進する部材である。反応促進部材８３６としては、空気を撹拌する部材や、化学反応を促進させる触媒機能を有する部材を用いることができる。
【０１６８】
変換手段８１４は、以上の構成であり、反応領域８３０にオゾン供給手段８３２によりオゾンを供給することで、オゾンと水素を反応させ、酸素と水（Ｈ２Ｏ）を生成する。これにより、水素を水に変換することができる。さらに、紫外線照射装置８３４により、反応領域８３０に紫外線を照射することで、オゾンと水素との反応を促進することができる。具体的には、Ｏ３に紫外線を照射することで、Ｏ２とＯに分解することができ、生成したＯとＨ２とを反応させることで、水素をＨ２Ｏにすることができる。さらに、反応促進部材８３６で、上記反応を促進することができる。
【０１６９】
制御手段８１８は、配管ユニット２１２、変換手段８１４、計測手段２１６と、の各部の動作を制御する。また、制御手段８１８は、制御手段２１８と同様に、計測手段２１６から送られる計測結果に基づいて、流通ガスに含まれる測定対象の水素の濃度を計測（算出）する。なお、算出方法は、上述した制御手段１８の算出方法と同様の方法である。なお、制御手段８１８は、変換手段８１４のオゾン供給装置８４２からのオゾンの供給や、紫外線照射装置８３４による紫外線の照射の有無も制御する。
【０１７０】
水素濃度計測装置８００は、以上のような構成により、変換手段８１４にオゾンを供給する装置を用いることでも、上述と同様の効果を得ることができる。
【０１７１】
また、水素濃度計測装置８００では、変換手段８１４の上流に計測ユニット２３０を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、オゾン供給手段８３２によるオゾンの供給や、紫外線照射装置８３４による紫外線の照射の有無を切り替えることで、水素濃度計測装置７００と同様に、第１の状態と第２の状態とを切り替え、下流側計測ユニット２３２のみで、それぞれの濃度を計測し、その結果に基づいて流通ガスに含まれる水素の濃度を計測するようにしてもよい。
【０１７２】
なお、紫外線照射装置８３４や、反応促進部材８３６は、より短い経路、かつ短時間で反応させるためには、設けることが好ましいが、必ずしも設けなくてもよい。
【０１７３】
［実施形態１２］
図１６は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。また、図１７は、前処理手段の概略構成を示す模式図であり、図１８は、前処理手段の水素分離装置の概略構成を示す模式図である。ここで、水素濃度計測装置９００は、前処理手段９１９を設けている点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置１０と同様である。そこで、水素濃度計測装置１０と同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置９００に特有の点について説明する。図１６に示す水素濃度計測装置９００は、配管ユニット９１２と、変換手段１４と、計測手段１６と、流量計３６と、流量計３８と、制御手段９１８、前処理手段９１９と、を有する。なお、配管ユニット９１２は、配管ユニット１２に加え、配管９２０が設けられている点を除いて配管ユニット１２と同様の構成である。サンプリング配管２０は、他方の端部が前処理手段９１９に接続されている。また、配管９２０は、上流の端部が前処理手段９１９に接続され、下流の端部が第１配管２２、第２配管２４の２つの配管と連結されている。
【０１７４】
前処理手段９１９は、サンプリング配管２０と、配管９２０との間に配置されている。また、前処理手段９１９は、図１７に示すように、除湿装置９２２と、除塵装置９２４と、水素分離装置９２６と、配管９２８と、を有する。前処理手段９１９は、サンプリング配管２０から供給された流通ガスを、除湿装置９２２と、除塵装置９２４と、水素分離装置９２６とで処理した後、配管９２０に供給する。また、前処理手段９１９は、流通ガスの流れ方向において、上流側から除湿装置９２２、除塵装置９２４、水素分離装置９２６の順で配置されている。また、配管９２０に供給された流通ガスは、上述の水素濃度計測装置１０と同様の方法で、前処理を行った流通ガスに含まれる水素の濃度を計測する。
【０１７５】
除湿装置９２２は、流通ガスに含まれる水（Ｈ２Ｏ）を除去する装置であり、サンプリング配管２０を通過した流通ガスから流通ガスに含まれる水を除去する。これにより、除湿装置９２２は、流通ガスに含まれる共存ガス、つまり、流通ガスに含まれる水素に起因していない水を除去する。
【０１７６】
除塵装置９２４は、流通ガスに含まれる粉塵を除去する装置であり、除湿装置９２２で水分を除去した流通ガスから粉塵を除去する。
【０１７７】
水素分離装置９２６は、流通ガスに含まれる水素を分離する装置であり、除塵装置９２４で粉塵を除去した流通ガスを、水素を抽出した流通ガスと、残りの流通ガスとに分離する。ここで、水素分離装置９２６は、図１８に示すように、複数の流路９４０と、流路９４０の側面に配置された水素分離膜９４２と、を有する。流路９４０は、除塵装置９２４を通過した流通ガスを水素分離装置９２６に供給する配管と接続され、かつ、配管９２０と接続されている。除塵装置９２４から供給された流通ガスは、流路９４０を通過して配管９２８に排出される。水素分離膜９４２は、水素を選択的に透過させる膜状の部材であり、流路９４０の側壁に配置されている。水素分離膜９４２は、流路９４０を通過する流通ガスから水素を分離して抽出する。水素分離装置９２６は、水素分離膜９４２で分離した水素を含む流通ガスを配管９２０に供給する。水素分離装置９２６は、以上の構成であり、分離した水素を含む流通ガスを配管９２０に供給し、残りの流通ガス（配管９２０）を配管９２８から排出する。
【０１７８】
水素濃度計測装置９００は、以上のような構成であり、前処理装置９１９で流通ガスを、水素を含む流通ガスとその他の流通ガス（水素を分離した残りの流通ガス）とに分離し、水素を含む流通ガスを配管９２０から第１配管２２、第２配管２４に供給する。これにより、水素濃度計測装置９００は、流通ガスから水素を分離し、その水素を水に変換して水素の濃度を計測することができる。これにより、流通ガスに含まれる種々の成分を除去し、測定への影響を少なくして、流通ガスに含まれる水素の濃度をより正確に計測することができる。また、水素濃度計測措置９００は、サンプリング配管２０、配管９２８、配管９２０の流量をそれぞれ、計測することで、各流通ガスの流量を計測することができ、その流量に基づいて、水素濃度の計測値を補正することで、流通ガスに含まれる水素の濃度をより高い精度で計測することができる。
【０１７９】
また、水素分離装置９２６の上流に除湿装置９２２と、除塵装置９２４を設けることで、水素分離装置９２６に流入する流通ガスの不純物や、水を少なくすることができ、水素分離装置９２６の性能劣化を抑制することができる。
【０１８０】
なお、上記実施形態では、前処理手段９１９に水素分離装置９２６を設け、水素を抽出した流通ガスを生成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、前処理手段９１９として、除湿装置９２２と、除塵装置９２４とを設け、流通ガスから水分、粉塵を除去するようにしてもよい。このように、流通ガスから水分、粉塵を除去することで、計測精度をより高くすることができる。特に、除湿装置９２２で流通ガスから予め水分を除去することで、流通ガスの共存ガスを低減することができる。これにより、流通ガスに含まれる水素の濃度をより高い精度で計測することができる。
【０１８１】
ここで、本発明は上記実施形態にも限定されず、種々の形態とすることができる。例えば、各実施形態を組み合わせてもよい。例えば、実施形態１に酸化剤供給手段を加えても良い。また、いずれの配管ユニットの経路の場合でも変換手段として、水性逆シフト触媒を用いた変換手段、また、オゾン供給手段を用いた変換手段を用いることができる。
【０１８２】
また、水素濃度計測装置は、流通ガスに煤塵が多く含まれている場合は、上述したように、サンプリング配管の上流側の端部付近にフィルタ（除塵装置）を設けてもよい。フィルタを設けることで、流通ガスに含まれる煤塵を除去することができる。なお、フィルタを設ける場合も、水素濃度計測装置は、煤塵に対する許容度が大きいので、他の計測方法を用いる場合よりも簡単なフィルタを用いることができる。これにより、フィルタを配置することにより発生する時間遅れを少なくすることができ、応答性を高く維持することができる。
【０１８３】
また、計測ユニットは、計測セルの窓に窓から離れる方向に空気を噴射するパージガス供給部を設けてもよい。パージガスを噴射させることで、窓に異物が付着し、レーザ光による計測に誤差が発生することを抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１８４】
以上のように、本発明にかかる水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法は、管路内を流れる流通ガスに含まれる水素の計測に有用である。
【符号の説明】
【０１８５】
８  計測対象配管
１０、７０、８０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００  水素濃度計測装置
１２  配管ユニット
１４  変換手段
１６  計測手段
１８  制御手段
２０  サンプリング配管（流入配管）
２２  第１配管
２４  第２配管
２６、２８  分岐管
３０  三方弁
３１  ポンプ
３２、３４  開閉弁
３６、３８  流量計
３９  酸化触媒
４２  計測ユニット
４４  計測手段本体
４５  計測セル
４６  光ファイバ
４８  入光部
５０  受光部
５２  主管
５４  流入管
５６  排出管
５８、５９  窓
６２  発光部
６４  光源ドライバ
６６  算出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１−１】
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【図１１−２】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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