(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析対象ガスに含まれている複数の不純物を連続的に分析する不純物分析システムであって、
前記分析対象ガスを減圧する減圧部と、
前記減圧部により減圧された前記分析対象ガスに含まれている水分量を計測する水分計と、
前記減圧部により減圧された、前記水分量を計測する前記分析対象ガスとは異なる分析対象ガスに含まれている複数の不純物の質量分析を行う、前記水分計と並列に設けられた質量分析計と、を有する
ことを特徴とする不純物分析システム。
【請求項２】
前記質量分析計は、電子イオン化法又はソフトイオン化法により前記複数の不純物をそれぞれイオン化させる
ことを特徴とする請求項１に記載の不純物分析システム。
【請求項３】
前記質量分析計は、前記電子イオン化法によりイオン化した前記複数の不純物の分析結果から、前記ソフトイオン化法によりイオン化した不純物の分析結果を減算する
ことを特徴とする請求項２に記載の不純物分析システム。
【請求項４】
分析対象ガスに含まれている複数の不純物を連続的に分析する水素中不純物分析方法であって、
前記分析対象ガスを減圧する減圧ステップと、
前記減圧ステップにより減圧された前記分析対象ガスに含まれている水分量を水分計で計測する水分計測ステップと、
前記水分計に並列に設けられた質量分析計で、前記減圧ステップにより減圧された、前記水分量を計測する前記分析対象ガスとは異なる分析対象ガスに含まれている複数の不純物の質量分析を行う質量分析ステップと、
を有する
ことを特徴とする不純物分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不純物分析システム及び不純物分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、燃焼されても二酸化炭素を発生しないことからクリーンなエネルギーとして広く利用されるようになってきている。ただし、水素を燃料として使用する場合には、例えば国際規格に定められている品質基準を順守することが求められる。
【０００３】
例えば国際標準化機構による国際規格（ISO14687-2）では、多数の管理項目に対して基準値が定められており、各項目に対する様々な分析手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Arul  Murugan，Andrew  S.Brown,  Review  of  purity  analysis  methods  for  performing  quality  assurance  of  fuel  cell  hydrogen，International  Journal  of  Hydrogen  Energy  40(2015)，4219-4233
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記した国際規格では分析項目が多岐に亘り、基準値も厳しいため、全項目の分析を行うには多大な工数及び時間が必要となっていた。このため、断続的な分析とせざるを得ず、例えば製造される水素等の分析対象を連続的に分析して傾向を把握することが困難であった。また、例えば分析対象に含まれている微量成分の分析では吸収液への吸収による濃縮操作が必要となり、サンプルとして膨大な量が必要となっていた。
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、分析対象ガス中の複数の不純物を連続的に分析可能な不純物分析システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様の不純物分析システムによれば、分析対象ガスに含まれている複数の不純物を連続的に分析する不純物分析システムであって、前記分析対象ガスを減圧する減圧部と、前記減圧部により減圧された前記分析対象ガスに含まれている水分量を計測する水分計と、前記減圧部により減圧された、前記水分量を計測する前記分析対象ガスとは異なる分析対象ガスに含まれている複数の不純物の質量分析を行う、前記水分計と並列に設けられた質量分析計と、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、分析対象ガス中の複数の不純物を連続的に分析可能な不純物分析システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態における不純物分析システムを例示する図である。
【図２】実施形態における質量分析計による水素中の不純物（硫化水素Ｈ２Ｓ、アンモニアＮＨ３、ギ酸ＨＣＯＯＨ、及びホルムアルデヒドＨＣＨＯ）の分析結果を例示する図である。
【図３】実施形態における質量分析計による水素中の不純物分析結果を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１１】
図１は、実施形態における不純物分析システム１００を例示する図である。不純物分析システム１００は、例えば水素ステーションに設けられ、水素製造装置によって製造された水素や輸送されてきた水素に含まれている複数の不純物の分析を行う。また、不純物分析システム１００は、例えばアルゴンや窒素等の不純物分析を行うことも可能である。
【００１２】
水素中の不純物を分析する場合には、例えば、国際標準化機構による国際規格（ISO14687-2）に定められている複数の不純物の分析を行う。以下に示す表１は、国際規格（ISO14687-2）に定められている水素中の不純物及び基準値である。水素を燃料として用いるためには、例えば国際規格（ISO14687-2）に定められているように各不純物が基準値以下となっている必要がある。
【００１３】
【表１】
0006718261.tif 000002
本実施形態における不純物分析システム１００は、図１に示されるように、減圧部としての減圧弁１０、水分計２０、質量分析計３０を有する。
【００１４】
減圧弁１０は、不純物分析システム１００のガス導入口に設けられ、例えば水素製造装置等から不純物分析システム１００に分析対象ガスとして供給される水素を減圧する。減圧弁１０は、例えば、水素製造装置により製造されて約０．７〜８２ＭＰａに圧縮された水素を、約０．１ＭＰａ程度まで減圧する。減圧弁１０により減圧された分析対象ガスは、配管を通じて水分計２０及び質量分析計３０に導かれる。なお、本実施形態では、減圧部としてダイヤフラム方式の減圧弁１０が設けられているが、分析対象ガスを減圧可能であればこれに限られるものではない。
【００１５】
水分計２０は、減圧弁１０によって減圧された分析対象ガスに含まれている水分量を計測する。水分計２０は、分析対象ガス中の水分量を計測可能であれば計測方式は限定されない。
【００１６】
質量分析計３０は、減圧弁１０によって減圧された分析対象ガスに含まれている複数の不純物の分析を行う。質量分析計３０は、例えば水素中の不純物を分析する場合には、表１に示される不純物のうち、水分計２０によって計測される水Ｈ２Ｏ以外の不純物についての分析を行う。
【００１７】
質量分析計３０は、図１に示されるように、イオン化部３１、質量分離部３２、検出部３３、解析部３４を有する。
【００１８】
イオン化部３１は、電子イオン化法又はソフトイオン化法により、分析対象ガスに含まれている複数の不純物をそれぞれイオン化させる。電子イオン化法（Electron  Ionization,  EI）は、数１０ｅＶ（通常７０ｅＶ）のエネルギーを持つ電子を分析する不純物分子に衝突させることで、不純物分子のイオン化を行う方法である。ソフトイオン化法は、電子イオン化法よりも低いエネルギーでイオン化を行う方法であり、分析する不純物分子と予めイオン化したガス分子との間でイオン分子反応を生じさせてイオン化する化学イオン化法（Chemical  Ionization,  CI）や、光イオン化法（Photo-Ionization,  PI）等を含む。
【００１９】
質量分離部３２は、イオン化部３１によって生成されたイオンを質量電荷比に応じて分離する。質量分離部３２としては、例えば、磁場偏向型、四重極型、イオントラップ型等を用いることができる。検出部３３は、例えば電子増倍管やマイクロチャンネルプレート等を備え、質量分離部３２により分離されたイオンを検出する。解析部３４は、検出部３３から送信される検出信号に基づいて、横軸が質量数、縦軸が検出強度で表される質量スペクトルを得る。
【００２０】
水素中の不純物を分析する場合における質量分析計３０の各不純物の分析方法を以下の表２に例示する。
【００２１】
【表２】
0006718261.tif 000003
本実施形態におけるイオン化部３１は、例えば７０ｅＶのエネルギーを有する電子を衝突させる電子イオン化法により、水素中の不純物であるヘリウムＨｅ、窒素Ｎ２、及びアルゴンＡｒのイオン化を行う。
【００２２】
また、イオン化部３１は、表２に示すようにイオン源としてキセノンＸｅ、クリプトンＫｒ、及び水銀Ｈｇを用いたソフトイオン化法（イオン分子反応法）により、水素中の不純物である全炭化水素（例えばＣＨ４）、酸素Ｏ２、二酸化炭素ＣＯ２、一酸化炭素ＣＯ、全硫黄（例えばＨ２Ｓ）、ホルムアルデヒドＨＣＨＯ、ギ酸ＨＣＯＯＨ、アンモニアＮＨ３、及び全ハロゲン（例えばＣｌ２）のイオン化を行う。
【００２３】
ソフトイオン化法では、イオン化効率が高いため低濃度の不純物でも検出することができる。また、ソフトイオン化法では、低エネルギーでイオン化を行うため不純物分子が破壊されることによるフラグメントの生成が抑えられるため、複数の不純物間での互いへの影響を抑えて高精度な分析が可能になる。さらに、ソフトイオン化法では、同じ質量数の不純物がある場合であっても、各不純物のイオン化エネルギーに応じて異なるイオン源を選択することで分離して分析することができる。
【００２４】
このように、例えば水素中の複数の不純物は、それぞれイオン化部３１において上記した条件でイオン化される。イオン化部３１により生成されたイオンは、質量分離部３２において質量電荷比に応じて分離された後に検出部３３によって検出される。
【００２５】
不純物が検出された場合には、解析部３４によって得られる質量スペクトルにおいて検出された不純物に対応する質量数に検出強度のピークが表れる。表２に示される不純物は、それぞれ質量数が異なるため質量スペクトルにおいて検出強度のピークが重なることなく分離して分析できる。
【００２６】
ただし、電子イオン化法によりヘリウムＨｅ、窒素Ｎ２、及びアルゴンＡｒをイオン化する場合に、イオン化エネルギーが低い他の不純物が破壊されることにより生じたフラグメントが分析結果に影響を及ぼす可能性がある。そこで、この場合には、電子イオン化法を用いて得られた各不純物の定量値（分析結果）から、ソフトイオン化法を用いて得られた各不純物の定量値（分析結果）を減算してキャンセルすることで、電子イオン化法における分析対象の不純物の分析結果から他の不純物のフラグメントの影響を排除する。なお、ヘリウムＨｅ、窒素Ｎ２、及びアルゴンＡｒは、電子イオン化法を用いても互いに影響を与えることなく分析できる。
【００２７】
水素中の複数の不純物をイオン化する方法は、表２に例示される条件に限られるものではなく、不純物をイオン化して検出可能であれば表２とは異なる方法で各不純物をイオン化してもよい。また、例えばアルゴンＡｒや窒素Ｎ２等に含まれている不純物を分析する場合には、複数の不純物において相互の影響を最小限に抑え、且つ各不純物を分離して分析可能なイオン化方法及びイオン源を選択する。
【００２８】
図２は、実施形態における質量分析計３０による水素中の不純物（硫化水素Ｈ２Ｓ（全硫黄の代表例）、アンモニアＮＨ３、ギ酸ＨＣＯＯＨ、及びホルムアルデヒドＨＣＨＯ）の分析結果を例示する図である。
【００２９】
図２（Ａ）は、全硫黄の代表例として５．１８ｐｐｍの硫化水素Ｈ２Ｓを含む水素ガスを、イオン源として水銀Ｈｇを用いて質量分析計３０により分析した結果である。図２（Ａ）に示されるように、分析結果では硫化水素Ｈ２Ｓの質量数３４に検出強度のピークが表れており、水素中の不純物である硫化水素Ｈ２Ｓが検出されたことが分かる。
【００３０】
図２（Ｂ）は、５．７６ｐｐｍのアンモニアＮＨ３を含む水素ガスを、イオン源として水銀Ｈｇを用いて質量分析計３０により分析した結果である。図２（Ｂ）に示されるように、分析結果ではアンモニアＮＨ３の質量数１７に検出強度のピークが表れており、水素中の不純物であるアンモニアＮＨ３が検出されたことが分かる。
【００３１】
図２（Ｃ）は、１０．２ｐｐｍのホルムアルデヒドＨＣＨＯを含む水素ガスを、イオン源としてキセノンＸｅを用いて質量分析計３０により分析した結果である。図２（Ｃ）に示されるように、分析結果ではホルムアルデヒドＨＣＨＯの質量数３０において検出強度のピークが表れており、水素中の不純物であるホルムアルデヒドＨＣＨＯが検出されたことが分かる。
【００３２】
図２（Ｄ）は、１０．０ｐｐｍのギ酸ＨＣＯＯＨを含む水素ガスを、イオン源としてキセノンＸｅを用いて質量分析計３０により分析した結果である。図２（Ｄ）に示されるように、分析結果ではギ酸ＨＣＯＯＨの質量数４６において検出強度のピークが表れており、水素中の不純物であるギ酸ＨＣＯＯＨが検出されたことが分かる。
【００３３】
図３に、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示した水素中の不純物（硫化水素Ｈ２Ｓ、アンモニアＮＨ３、ギ酸ＨＣＯＯＨ、及びホルムアルデヒドＨＣＨＯ）の分析結果をまとめたグラフを示す。
【００３４】
本実施形態における質量分析計３０は、例えば水素中の不純物である硫化水素Ｈ２Ｓ、アンモニアＮＨ３、ギ酸ＨＣＯＯＨ、及びホルムアルデヒドＨＣＨＯを連続的に分析して、図３に示されるような水素中の複数の不純物の分析結果を得ることができる。
【００３５】
また、質量分析計３０によれば、従来は吸収液への吸収による濃縮操作を行った後にイオンクロマトグラフ分析や液クロマトグラフ分析によって分析を行っていた硫化水素Ｈ２Ｓ、アンモニアＮＨ３、ギ酸ＨＣＯＯＨ、及びホルムアルデヒドＨＣＨＯについて、ガス体のまま連続的に測定できる。したがって、質量分析計３０では、多大な工数と時間を要する濃縮操作をすることなくこれらの不純物を分析可能であり、分析にかかる工数と時間を大幅に削減できる。
【００３６】
水素中の不純物として硫化水素Ｈ２Ｓ、アンモニアＮＨ３、ギ酸ＨＣＯＯＨ、及びホルムアルデヒドＨＣＨＯを分析した結果を例示したが、本実施形態における質量分析計３０は、水素中の他の不純物（全炭化水素（例えばＣＨ４）、酸素Ｏ２、ヘリウムＨｅ、窒素Ｎ２、アルゴンＡｒ、二酸化炭素ＣＯ２、一酸化炭素ＣＯ、及び全ハロゲン（例えばＣｌ２））についても同様に連続的に分析することができる。
【００３７】
質量分析計３０は、例えば表２に示される複数の不純物について連続的に分析を行って質量スペクトルを得ることができる。水素が分析対象の不純物を含む場合には、質量スペクトルにおいて不純物に対応する質量数に検出強度のピークが表れる。表２に示されるように、分析を行う各不純物の質量数は異なるため、質量スペクトルにおいて検出強度のピークが重なることがなく、各不純物についての分析を行うことができる。
【００３８】
以上で説明したように、本実施形態における不純物分析システム１００は、減圧弁１０によって減圧された分析対象ガス中の複数の不純物を、水分計２０及び質量分析計３０を用いて連続的に分析可能であり、分析に係る工数及び時間を削減できる。
【００３９】
また、不純物分析システム１００は、例えば水素ステーションに設けられて水素製造装置に接続され、水素製造装置によって製造される水素等の不純物分析をオンサイト・オンラインで行うことができる。このため、例えば水素製造装置によって製造される水素の品質のばらつきや傾向等を把握することが可能になる。また、不純物分析システム１００は、減圧弁１０によって減圧された分析対象ガスを分析するため高圧でのサンプリングを必要とせず、分析における安全性が高められている。
【００４０】
以上、実施形態に係る不純物分析システム及び不純物分析方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  減圧弁（減圧部）
２０  水分計
３０  質量分析計
１００  不純物分析システム
【図１】
0006718261.tif 000004
【図２】
0006718261.tif 000005
【図３】
0006718261.tif 000006