(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータと、
酸化又は還元の機能を有する第１反応物質を移送するための第１通路と、
酸化又は還元の機能を有する第２反応物質を移送するための第２通路と、
試料ガスを収容し、内部に収容された前記第１反応物質と試料ガスとの混合物を移送するために前記第１通路から前記第２通路に連通する連結器と、を備え、
前記第２通路は、前記第１反応物質と試料ガスとの混合物に前記第２反応物質を移送するために、前記連結器に連結され、
前記連結器は、前記ヒータを貫通する前記第２通路内に配置され、そして、
前記ヒータは、前記試料ガス中のガス成分を検出する電気化学ガスセンサで検出される反応ガスを生成するために、前記第１反応物質と前記試料ガスとの混合物を加熱して、次いで、前記第１反応物質と、第２反応物質と、前記試料ガスとの混合物を加熱する、反応装置。
【請求項２】
前記第２通路は前記連結器と同心である、請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記第２通路は、前記連結器の出口を覆うように形成される、請求項１に記載の反応装置。
【請求項４】
前記電気化学ガスセンサは、前記第２通路の出口に連結された、請求項３に記載の反応装置。
【請求項５】
前記電気化学ガスセンサは、
基板と、
該基板の表面上に配置される電極と、
該表面及び電極に接触し、第１表面及び第２表面を有するイオノマー膜と、
ガスを拡散制御する通路を画定するために、電極に近接する位置で第１表面から第２表面の間にあるイオノマー膜中の開口部と、を備える、請求項４に記載の反応装置。
【請求項６】
近端部及び遠端部を有するヒータと、
酸化又は還元の機能を有する第１反応物質を移送するための第１通路と、
酸化又は還元の機能を有する第２反応物質を移送するための第２通路と、
試料ガスを収容し、前記第１反応物質を受け入れて前記第１反応物質と試料ガスとの混合物を移送するために前記第１通路に連結される連結器と、を備える反応装置であって、
前記連結器は、前記ヒータを通って前記近端部から前記遠端部に亘って延在して、第２反応物質を受け入れて第１反応物質と試料ガスとを第２反応物質と混合するために、第２通路に連結され、
前記第２通路は前記ヒータを前記遠端部から前記近端部に貫通し、この貫通部位で、前記試料ガス中のガス成分を検出する電気化学ガスセンサで検出される反応ガスを生成するために、第１反応物質、第２反応物質、及び試料ガスが前記ヒータにより加熱される、反応装置。
【請求項７】
前記電気化学ガスセンサは、前記第２通路に連結された、請求項６に記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率的にガスを酸化及び／又は還元してガス検出システムを改良する、方法および装置に関するものである。
本出願は、２００３年３月２６日に出願された継続中の米国特許出願第１０／３９７、７５７号明細書に基づく優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス検出、特に試料ガス中の特定のガス成分の検出は、試料ガスをガス検出器に導入することで従来行われている。ガス検出器としては、質量分析計や導電率検出器がしばしば用いられ得る。他の検出システムでは、熱伝導度検出器、炎イオン化検出器、そして、アルゴン検出器を含みうる。
【０００３】
導電率検出器は、選択成分の存在に機能的に関連するとともに溶液中の電解質の性質を決定するために通常役立つ電気信号を供給する。このような装置は、電極表面間に連続相の液体電解質で満たした電極表面をしばしば有する。これらの検出器は、コラムから排出されるガスが検出器に導入されて電極材料に吸収される前後において、電極材料中の電位差測定を通常伴う。このガスが反応装置中の反応物質と混合されていれば、反応物質はまた、検出可能な電気信号を供給する前に、電極材料に吸収させなければならない場合がある。この電導度検出器においては、電極材料による吸収には時間がかかり、検出器の反応時間が長期化するおそれがある。ガスと反応物質の両方を吸収しなければならない場合には、このおそれがさらに増大する。他には、検出器の感度が限定されるおそれがある。何故なら、電極材料の電位差がガスの種類及び／又は濃度を示す場所では、ガスは通常間接的に検出され、電極材料の測定値自体とこれをガスの濃度に補正する値との間に測定誤差が生じ得るからである。
【０００４】
典型的な電導度検出器は、コルソン（Coulson）著の米国特許第４、４４０、４２６号明細書に記載され、図１に示されている。典型的には、電解質、反応ガス、そしてコラムからの排出ガスが、キャピラリに導入される。電極２４及び２８は、電位差を測定するために電解液中に通常配置される。
【０００５】
電導度検出器と同様に、質量分析器およびガスクロマトグラフィの他の検出器システムは、高感度でガスを検出するには潜在的な限界がある。リミエックス他（Lemieux et.al.）著の米国特許明細書第６、１６５、２５１号明細書に記載されているように、一般的な検出システムは、１０億分の１の濃度の範囲での揮発物の量を測定するためには、十分な感度を有していない。
【０００６】
いくつかのガス成分においては、検出器による検出が困難な場合がある。このような場合においては、検出器に試料ガスを導入する前に、試料ガスを酸化及び／又は還元するために反応装置が用いられ得る。一般的には、反応装置は、検出可能な化合物を生成するために、反応物質で試料ガスを加熱する。試料ガスの酸化及び／又は還元がより完全になされれば、より正確な濃度の所望のガスを検出器により検出できる。部分的に酸化または還元された試料ガスと前記ガス成分とは、検出すべき所望の成分中に依然として存在しうるが、所望の成分の正確な濃度の決定には影響しえない。反応物質は、ガス、液体、または固体であっても良く、検出される所望のガスによって異なる。典型的な反応物質には、空気、水素、そして酸素が含まれる。検出可能な化合物は、検出器によって検出可能な電気信号を通常供給する。
【０００７】
従来の反応装置は数種のガスの検出を容易にするものの、従来の反応装置は他のガス成分に対する十分な検出や効率的な酸化及び／又は還元が行えないおそれがある。例えば、酸化を伴わずに芳香族化合物を還元する反応装置では、芳香族化合物における硫黄のような所望のエレメントを、水素と反応させることは困難である。しかしながら、芳香族化合物を酸化することは、芳香族化合物の外輪構造を弱めると考えられ、そのことは、還元、または硫黄のような所望の成分と水素との反応を容易にしうる。それ故、酸化及び還元によって、芳香族化合物中の硫黄を所望の成分により効率的に変化させることができる。
【０００８】
それ故、従来の検出システムに酸化及び還元機能の両方を提供するために、典型的には、２つの反応装置が典型的に使用され、そのうち一つの反応装置はガスを還元するために用いられ、他の反応装置がガスを酸化するために用いられる。
【０００９】
デスチャンプス（Deschamps）著の英国特許第１、３８２、６４０号明細書（“Deschamps”と称す）は、比較的低温で硫黄化合物を二酸化硫黄に効率的に変化させるために、触媒の存在下での試料ガスを酸化しうる方法に関するものである。この発明は、酸化及び還元工程中の効率的な変化に典型的に関するものではない。
【００１０】
バラチャンドラ他（Balachandran et al.）著の米国特許第６、３０９、６１２号明細書（“Balachandran”と称す）は、２種類の反応ガスに異なる圧力で接しうるセラミック膜反応装置を開示する。Balachandranは、酸化工程中に２種類の反応ガスが導入され得ることを開示する。しかしながら、この発明は、ガスを酸化及び／又は還元する機能を有する典型的な反応装置に関するものではない。
【００１１】
サービン−ポンセット他（Savin-Poncet et al.）著の米国特許第６、３５５、１５０号明細書（“Savin”と称す）は、二硫化水素を硫黄に酸化するために反応装置に圧入される空気を調整しうる装置を開示する。しかしながら、この発明は、ガスを酸化及び／又は還元する機能を有するシステムに典型的に関するものではない。
【００１２】
ホール（Hall）著の米国特許第３、９３４、１９３号明細書（“Hall”と称す）は、ガスを検出する電導度検出器を開示する。Hallは、図８および図９に示されるとともに第８欄に記載されているように、還元モードおよび酸化モードで操作可能な検出器を提供しうる発明を含んでいる。Hallには、水素または酸素のいずれかを反応ガスとして、還元モードで８２０℃で操作可能であり、酸化モードで８４０℃で操作可能な炉も示されている。しかしながら、Hallは、還元モードまたは還元モードのいずれかで炉を操作し、両方のモードでは操作しないと考えられる。それ故、Hallには、試料ガスを還元及び／又は酸化する機能を有する炉は、典型的には記載または示されていない。実のところ、Hallには、試料ガスを酸化及び還元するために２つの反応装置が必要となる従来の反応装置が示されている。
【００１３】
Deschamps、Balachandran、Savin、そしてHallにおいては、ガスを酸化および還元するために２つの反応装置を必要とすることが不具合となり得る。他には、これらの参照文献においては、酸化／還元を実行するために触媒が必要とされ得る点が不具合となり得る。
【００１４】
バオ他（Bao et al.）著の米国特許第５、９８５、６７３号明細書（“Bao”と称す）は、試料ガスを酸素で酸化して、その後、試料ガスを水素で還元することにより、試料ガス中の硫黄含有分子を水素硫化物に変換しうる熱分解装置に関するものと考えられる。しかしながら、従来の技術の図１で示されているように、前記熱分解装置は、ガスクロマトグラフィ検出器を使用しうるものであり、上述したように、この検出器は典型的に感度が限定されてしまう。加えて、Baoには、２つの反応物質を試料ガスに導入するものが典型的に示されている。しかし、試料ガス中の任意の部位でガス成分を検出できるように検出力を高めることを可能とするため、予め反応物質を混合する処理や反応物質と試料ガスとを均一に混合する処理のいずれをも行ってはいない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
それ故、試料ガスの検出を容易に行える改良された反応装置が望まれている。また、ガスを効率的に酸化及び／又は還元する機能を有する反応装置も望まれている。他に、ガス成分を検出するための感度を向上するとともに反応時間を短縮した検出システムが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
それ故、本発明の目的は、検出を容易にするために試料ガスを酸化及び／又は還元するための酸化及び／又は還元の機能を有する反応装置を提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、反応装置から排出されるガス成分の検出力を向上するために反応装置に連結された電気化学ガスセンサを提供することである。
【００１８】
本発明のこれらの目的または他の目的は、ヒータと、反応物質を移送するための通路と、試料ガスを含み、該反応物質を受け入れて該反応物質を試料ガスと混合するために前記通路に連結されたチャンバと、を備える反応装置によって、達成される。
【００１９】
前記反応装置は、反応物質と試料ガスとの混合物を移送するために前記チャンバから前記ヒータに連通する連結器と、さらに備え、前記ヒータは、前記反応物質と前記試料ガスとの混合物を加熱する。
【００２０】
いくつかの実施形態において、反応装置は、前記反応物質と試料ガスとの混合物に第２反応物質を移送するために前記連結器に連結された第２通路をさらに備える。前記連結器は、第２通路内に配置されて、試料ガス中のガス成分を検出するために電気化学ガスセンサが連結された出口に連結されていてもよい。
【００２１】
前記電気化学ガスセンサは、基板を有する基板と、該基板の表面の上に配置される電極と、該表面及び電極と接触して、第１表面及び第２表面を有するイオノマー膜と、ガスを拡散制御する通路を画定するために、電極に近接する位置で第１表面から第２表面の間にあるイオノマー膜中の開口部と、を備える。
【００２２】
他の実施形態においては、反応装置は、ヒータと、第１反応物質を移送するための第１通路と、第２反応物質を移送するための第２通路と、試料ガスを含み、第１反応物質を受け入れて第１反応物質と試料ガスとを混合するために前記第１通路に連結される連結器とを備え、前記連結器は、第２反応物質を受け入れて第１反応物質と試料ガスとを第２反応物質と混合するために、前記第１通路から延在して前記ヒータを通って前記第２通路に連結される。
【００２３】
連結器は、第１通路に連結される側面に対向するヒータの一側面で第２通路に連結される。第２通路は前記ヒータを貫通し、この貫通部位で、第２反応物質、第１反応物質、そして試料ガスが前記ヒータにより加熱される。電気化学ガスセンサは、試料ガス中のガス成分を検出するために、前記第２通路にさらに連結される。
【００２４】
本発明の他の面における、本発明に従って反応装置を提供する方法は、少なくとも２種類以上の反応ガスを一緒に予め混合するステップと、該少なくとも２種類の反応ガスの混合物を試料ガスと混ぜ合わせるステップと、該混合物と試料ガスを加熱するステップと、基板と、該基板の表面上に配置した電極と、前記表面及び電極と接触して第１表面及び第２表面を有するイオノマー膜と、ガスを拡散制御する通路を画定するために、電極に近接する位置で第１表面から第２表面の間にあるイオノマー膜中の開口部と、を有する電気化学センサを用いて試料ガス中のガス成分を検出するステップと、を備える。
【００２５】
この方法は、チャンバを提供して該チャンバ中で前記少なくとも２種類以上の反応ガスと試料ガスとを均質に混ぜ合わせるステップとをさらに備える。この方法は、前記混合物と試料ガスとを酸化／還元するステップをさらに備える。
【００２６】
本発明の他の面における、反応物質を提供する方法は、第１反応ガスを試料ガスと混合するステップと、第２反応ガスを加える前に、第１反応ガスと試料ガスとの混合物を加熱するステップと、第１反応物質と試料ガスに第２反応ガスを追加するステップと、を備える。前記方法は、第１反応ガス、第２反応ガス、そして試料ガスを一緒に加熱して、基板と、該基板表面上に配置された電極と、表面及び電極に接触して第１表面及び第２表面を有するイオノマー膜と、ガスを拡散制御する通路を画定するために、電極に近接する位置で第１表面から第２表面の間にあるイオノマー膜中の開口部とを有する電気化学センサを用いて試料ガス中のガス成分を検出するステップと、をさらに備える。
【００２７】
前記方法は、チャンバを提供して該チャンバ中で前記第１反応ガス、第２反応ガス、試料ガス、そしてこれらの混合物を均質に混ぜ合わせるステップ、をさらに備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図２は、本発明における反応装置３０を示す。反応装置３０は、反応物質３４を移送する通路３２と、最終的に本発明により検出されるガス成分を順次含む試料ガスを収容するチャンバ３６を含む。
【００２９】
通路３２は、酸素や水素の貯蔵器といった反応物質供給源から形成され得るものであり、チャンバ３６に到達している。反応物質３４は、酸素や水素といった、所望のガス成分の検出を助ける試料ガスと反応する典型的な別のガスである。反応物質３４は、ガスに限定されず、ガス成分の検出に機能する固体や液体状態における任意の化合物や要素であってもよい。さらに、反応物質３４は一つ以上の反応ガス、液体、気体、またはそれらの組み合わせであってもよいことが理解されるべきである。
【００３０】
試料ガスは、チャンバ３６内に到達して反応物質３４と混合されるが、ガスクロマトグファフィのカラム出口から形成されるようにしてもよい。チャンバ３６は、単数または複数の反応物質３４と、試料ガスとの均質な混合物を供給する。チャンバ３６を備えることは望ましいが、反応装置３０を適切に操作するために必須ではない、ということが理解されるべきである。チャンバ３６は、単数または複数の反応物質３４と試料ガスとを互いに混合できる通路３２に連結された任意の格納システムである。チャンバ３６は、その機能を発揮させるためには気密または水密にする必要はなく、チューブ、導管、他の通路、流路、箱、またはその類似物、といった任意の形状の任意の容器であってもよい。
【００３１】
反応装置３０は、反応物質３４と試料ガスとの混合物を移送するため、チャンバ３６からヒータ４２に連結され延在する連結器３８をさらに含んでいる。連結器３８は、ヒータ４２を貫通するようにさらに延在してもよく、反応物質３４および試料ガスが連結器３８内で加熱される。または、連結器３８がヒータ４２に到達する前に終結していてもよく、この場合、反応物質３４および試料ガスは他の導管を介してヒータ４２を通って移送される。連結器３８および通路３２のいずれも、互いに同一の制限を有しており、チューブ、導管、流路、箱、またはその類似物であってもよい。
【００３２】
ヒータ４２は、反応物質３４及び／又は試料ガスを加熱するための任意の既知または新規の加熱エレメントであり、本発明に必須のものではない。
【００３３】
図３に示したさらなる実施形態においては、反応装置３０は、単数または複数の反応物質３４と試料ガスとの混合物に第２反応物質４６を移送するための連結器３８に連結された第２通路４４を備えていても良い。第２通路４４は、図示されているように、連結器３８の出口３９を覆うように形成して、連結器３８からの排出物をヒータ４２を通して逆流させて出口４８に対して導入させるようにしても良い。
【００３４】
通路３２、チャンバ３６、及び／又は第２通路４４の間の連結で上述したように、「連結」は、任意の方向や間接的な接続をも意味するものである。ゆえに、図３に示すように、通路３２と連結器３８とは、一方がチャンバ３８の内部まで延在しているとしても、チャンバ３６に「連結」されている。また、第２通路４４は、連結器３８に何ら接触していないとしても、連結器３８に「連結」されている。
【００３５】
図４に示す他の実施形態においては、連結器３８はヒータ４２を貫通して、連結器３８が通路３２またはチャンバ３６と結合するヒータ４２の反対側で第２通路４４に連結する。図４には示されていないが、チャンバ３６は連結器３８と通路３２との間に位置していても良い。
【００３６】
場合によっては、全ての反応物質３４、４６を試料ガスと同時かつ同温で加熱することがヒータ４２にとって望ましく、この場合には図２に示した実施形態が好ましい。他の例では、酸化および還元反応物質を互いに分離することが望ましく、このような場合には図３、図４に示した実施形態が好ましい。
【００３７】
図示したように、反応物質３４と試料ガスとの混合物を連結器３８から第２通路４４に移動させた後、第２反応物質４６を反応物質４４および試料ガスと混合させる。第２反応物質４６は、水素のような、還元を促進させる反応物質であってもよい。
【００３８】
図３及び図４に示した実施形態が図２に示した実施形態に対して有利な点は、酸化工程および還元工程を分離して行うことができることである。これらの工程を互いに分離させることにより、干渉を減らすことができ、任意のエレメントを検出したときの感度を向上することができる。典型的な目的としては、プロピレンの炭化水素マトリックスといったガス状混合物中の硫黄の検出は下式で与えられる。
【００３９】
酸化工程には、反応物質３４、連結器３８、そしてヒータ４２中の試料ガスが含まれる。
【００４０】
【化１】
0004620660.tif 000002
【００４１】
【化２】
0004620660.tif 000003
【００４２】
ここで、Ｃ３Ｈ６はプロピレン、そして、ＣＨ３ＳＨはメチルメルカブタンである。この化合物は硫黄を含んでおり、該硫黄が検出対象である。
【００４３】
式１に示されるように、プロピレンは、ＣＯ２と水を形成する酸化中に、導入された酸素と反応する。硫黄化合物は、ＳＯ２、水、そしてＣＯ２を形成するために、酸素と反応する。
【００４４】
還元工程は、第２反応物質４６、第２通路４４、そしてヒータ４２中の試料ガスを含む。
【００４５】
【化３】
0004620660.tif 000004
【００４６】
【化４】
0004620660.tif 000005
【００４７】
ＳＯ２は、Ｈ２Ｓと酸素を形成する還元中に、導入された水素と反応する。そして、残った水素と酸素とが、水の生成反応をする。Ｈ２Ｓは、プロピレン中に存在する硫黄の量を示すために、センサ５２により検出される。
【００４８】
式１から式４は、反応装置３０内の温度及び圧力に依存することが理解されるべきである。典型的な目的に対しては、温度は１０００℃、圧力は１ａｔｍである。しかしながら、任意の温度や圧力が使用可能であり、与えられた式はそれに従って修正される。温度や圧力は本発明に密接に関係するものではない。センサ５２がＳＯ２を検出して、それが硫黄の量をも示しうるとしても、経験的または理論的情報により、センサのＨ２Ｓに対する感度が高められる。その結果、センサ５２での検出がより容易になり、存在する硫黄の量がより正確に示される。
【００４９】
これに対し、図２に示す実施形態においては、酸化および還元工程は同時に発生し、センサ感度が抑えられる結果となる。プロピレン中の同一のメチルメルカブタン硫化物に対して、水素は水を生成するために式１の酸素と反応する。それ故、式１の酸素の全てが、プロピレンからＣＯ２に変化させるために使用できる訳ではなく、ＣＯ２の代わりにカーボンまたはＣが形成される。そして、コークス、またはカーボンは、反応装置４２内に蓄積されて、Ｈ２Ｓを吸収することで知られている。従って、プロピレン中の正確な硫黄の量を検出する際にはＨ２Ｓが妨げとなる。何故なら、Ｈ２Ｓの部分は吸収されてしまい、検出できないからである。言い換えれば、水素は酸化及び還元工程が分離されていない実施形態において、プロピレンをＣＯ２に変換することが妨げされると主張しても良い。このことは、式５においてより詳細に示される。
【００５０】
【化５】
0004620660.tif 000006
【００５１】
メチルメルカブタンＣＨ３ＳＨといった硫化物中における硫黄の総量を検出する他の実施形態において、Ｈ２Ｓはこの化合物を酸化させずに生成されて検出され得る。例えば、
【００５２】
【化６】
0004620660.tif 000007
【００５３】
酸化及び還元工程が同時に発生したときに起こりうる干渉のおそれを低減することに加えて、酸化及び還元工程を別々にすることで、これらの工程における変換が改善され、または、より効率的になる。チオフェンのような化合物を構成する幾つかの芳香族環に対して、化合物を還元させるのは困難である。何故なら、環状構造の内側の硫黄エレメントが水素との反応を妨げ易いカーボンエレメントの外環構造が障害となるからである。しかしながら、化合物を構成する芳香族環が還元される前に最初に酸化されれば、酸素はカーボンエレメントと反応してＣＯ２やＳＯ２を生成する。そして、次の還元工程で導入される水素がＳＯ２と反応してＨ２Ｓを形成することを許容する。その結果、コークスが減少するとともにＨ２Ｓに変換される硫黄が増加する。このことは特に以下の式で示される。
【００５４】
【化７】
0004620660.tif 000008
【００５５】
【化８】
0004620660.tif 000009
【００５６】
ここで、Ｃ４Ｈ４Ｓはチオフェンである。
【００５７】
全ての芳香族化合物が、チオフェンのように、酸化及び還元工程の両方を必要とする訳ではなく、幾つかの芳香族化合物は所望の成分の十分な検出するために酸化または還元され得ることが理解されるべきである。例えば、ピリジン中の窒素を検出するために、センサ５２で検出可能な亜酸化窒素に窒素を効率的に変換させるには、還元する必要はない。
【００５８】
【化９】
0004620660.tif 000010
【００５９】
逆に、塩化メチレン中の塩素を検出するために、センサ５２で検出可能な塩化水素ＨＣｌに塩素を効率的に変換させるには、酸化する必要はない。
【００６０】
【化１０】
0004620660.tif 000011
【００６１】
リン化合物中に存在するホスフィンの量を検出するためには、水素で還元することにより、リン化合物をホスフィンに効率的に変換させることができる。ホスフィンはセンサ５２で検出可能である。しかしながら、反応装置４２内の温度を１２００℃まで増大することで、還元が促進されて、それ故、ホスフィンの検出が促進されることが、実証的検定により示されている。これに対して、硫黄、塩素、または窒素の測定では１０００℃であり、それ故、硫黄、塩素または窒素の検出を容易にするためには、この１２００℃の高温にまで高める必要はない。別の方法では、そして幾つかの実施形態では、反応装置４２内に水素化ホウ素ナトリウムを収容することで、反応装置の温度を略６００℃〜１０００℃にしたリン化合物の還元が促進される。下式はリン化合物をホスフィンへの変換を示す。
【００６２】
【化１１】
0004620660.tif 000012
【００６３】
酸化／還元の効率が高まれば、酸化／還元工程中に放出され易くなる電子により検出対象の成分が示され、成分の濃度をより正確に決定できる。成分の酸化／還元効率としては、略９０％から略１００％の範囲であることが好ましい。また、成分の酸化／還元効率が略９５％から略１００％の範囲であると、より好ましい。そして、成分の酸化／還元効率が略９８％から略１００％の範囲であると、さらに一層好ましい。さらに、成分の酸化／還元効率が略１００％から１００％の範囲であると、最も好ましい。酸化／還元が完全に、または効率的になされれば、ガス成分は従来の検出器に比してより正確に検出される。従来の検出器は通常ｐｐｍレンジでの検出能力を有しているが、これは単に酸化または還元工程を行うだけであり、通常ｐｐｂレンジでの検出能力を有する反応装置３０に比して非効率的あるいは不十分なものである。
【００６４】
本実施形態では、反応物質３４及び第２反応物質４６は酸化反応物質及び還元反応物質としてそれぞれ示されているが、他の実施形態では、反応物質３４が還元反応物質であり、そして第２反応物質４６が酸化反応物質であっても良い。
【００６５】
図５に示したように、電気化学ガスセンサ５２は、試料ガス中のガス成分を検出するために、第２通路４４の出口４８に配置されている。センサ５２は、図２〜４に示す出口を有する任意の反応装置とともに用いてもよい。センサ５２は、分析対象の試料ガスと、検出電極５６と、そして電極材料５８とを連結することで、背景技術の項目において、不具合を上述した従来のセンサ及び／又は電導度センサに比して感度を向上できる。この３つの通路を直結することで、任意の電解液又は電解膜を通して試料ガスを実質的に吸収または拡散させる必要がなく、試料ガス中のガス成分を検出できる。それ故、センサの応答時間を減少でき、そして、吸収や拡散により発生しうる損失がなく、感度もまた向上し得る。
【００６６】
センサ５２は、電極を上に配置する表面６４を有する基板６２と、表面６４と接触する電極５６と、表面６４及び電極５６と接触し、第１表面６６及び第２表面６８を有するイオノマー膜５８と、ガスを拡散制御する通路を画定するために、電極５６に近接する位置で第１表面６６から第２表面６８の間にあるイオノマー膜５８中の開口部７０と、を含んでいる。
【００６７】
図２〜４に示した全ての実施形態において、水素を含有する化合物を検出するためには、酸素の存在は試料ガスの酸化及び／又は還元を行うに際し重要な役割を有する。もし酸素の量が不十分なら、酸化／還元は制限されて完全な酸化／還元を抑制してしまう。酸素の量が過剰なら、検出すべき化合物中の水素と反応して、このような反応により凝縮してしまい、結局、検出すべき化合物中の水素を吸収してしまう。
【００６８】
図２〜４に示した実施形態において、略１００ｃｍ３毎のＨ２に対して、酸素が略１〜１０ｃｍ３であることが好ましい。略１００ｃｍ３毎のＨ２に対して、酸素が略２〜６ｃｍ３であることがさらに好ましい。酸素の供給に好ましい媒体は空気である。何故なら、空気は、液相とは対照的に、気相で存在するからである。
【００６９】
反応物質３４及び３６の流速は、体積でも表現し得る試料ガスのサイズと、有機化合物の化学成分に依存する。例えば、式１を参照して、プロピレン１ｍｌを十分に酸化するためには、４．５ｍｌ／分の酸素またはこれと等価な２１．４２ｍｌ／分の空気が必要である。飽和水蒸気圧は、２５℃で水銀柱２３．７５６ｍｍであり、これは大気圧の３．１２％である（２３．７５６ｍｍＨｇ／７６０ｍｍＨｇ×１００＝３．１２％）。この値を超えると望ましくない水分凝縮が発生してしまう。式４によれば、１ｍｌの水の生成には５ｍｌの酸素が必要となる。従って、２５℃、１ａｔｍで、Ｈ２Ｓの吸収や信号の喪失を引き起こす水分凝縮を避けるために必要な、酸素の含有量は飽和水蒸気圧の半分の量、または、全反応ガス混合物中の１．５６％である。これに基づき、そして式１を参照すれば、水素の流速は、酸素の流速の６４．１０（１００／１．５６）倍である。酸素の代わりに、空気を使用してもよいが、この場合には水素の流速は、空気の流速の１３．４６倍となる。
【００７０】
図６は、第１反応物質を供給するステップ１１８と、第２反応物質を供給するステップ１２０と、第１反応物質と第２反応物質とを互いに予め混合するステップ１０２とを含む、反応装置を提供する方法１００を示すものである。
【００７１】
この方法１００は、試料ガスを供給するステップ１２２aと、前記混合物と試料ガスとを互いに混ぜ合わせるステップ１０４とを、さらに含んでいる。状況に応じて、方法１００はまた、チャンバを提供して該チャンバ中で前記混合物と試料ガスとを均質に混ぜ合わせるステップ１０６aを含んでいてもよい。この方法はまた、好ましくは、前記混合物と試料ガスをヒータ４２中に入れて加熱するステップ１０８を含んでいてもよい。この方法は、前記センサ５２についての説明に従って、電気化学ガスセンサを提供するステップ１１６と、試料ガス中のガス成分を検出するステップ１１４とを、さらに含む。
【００７２】
状況に応じて、そして、ガス成分の検出を行うステップ１１４を容易にするために酸化及び／または還元が所望される実施形態において、方法１００は、前記混合物及び試料ガスを還元するステップ１１０を含んでいてもよい。前記混合物及び試料ガスを還元するステップ１１０に加えて、またはこれに換えて、方法１００は、前記混合物及び試料ガスを酸化するステップ１１２を含んでいてもよい。酸化及び／または還元は、当技術分野において、既知または新規のいかなる方法をも含むものである。
【００７３】
他の実施形態において、図７は、第１反応物質を供給するステップ１３２と、試料ガスを提供するステップ１３４と、第１反応物質を試料ガスと混合するステップ１３６と、を含む反応装置を提供する方法１３０を示す。状況に応じて、方法１３０は、チャンバと該チャンバ中で前記混合物と試料ガスとを均質に混ぜ合わせるステップを含んでいてもよい。
【００７４】
方法は、好ましくは、ヒータ４２中で第１反応物質と試料ガスとの混合物を加熱するステップ１３８を含んでいてもよい。方法は、第２反応物質を提供するステップ１４０と、第１反応物質、第２反応物質、そして試料ガスを一緒に加熱するステップ１４２とを含んでいてもよい。方法１３０はまた、センサ５２の説明に従って、電気化学ガスセンサを提供するステップ１５０と、試料ガス中のガス成分を検出するステップ１４８を提供する。
【００７５】
状況に応じて、そして、ガス成分の検出を行うステップ１４８を容易にするために酸化及び／または還元が所望される実施形態において、方法１３０は、第１反応物質、第２反応物質及び試料ガスを還元するステップ１４４を含んでいてもよい。前記第１反応物質、第２反応物質、及び試料ガスを還元するステップ１４４に加えて、またはこれに換えて、方法１３０は、前記第１反応物質、第２反応物質及び試料ガスを酸化するステップ１４６を含んでいてもよい。酸化及び／または還元は、当技術分野において、既知または新規のいかなる方法をも含むものである。
【００７６】
方法１００と同様に、図７には２つの反応物質のみしか示されていないが、ステップ１３６で多数の反応物質が試料ガスと混合されるようにしてもよく、ステップ１４２で第１反応物質と試料ガスとが加熱されるようにしてもよい。
【００７７】
それ故、本発明は提供する。
【００７８】
本発明は、特定の部材の配置、形態およびその類似物を参照して説明してきたが、これらは全ての可能な配置または形態を除くことを意図したものではなく、実際に多くの他の改良物や変形物は、当技術分野の当業者に確かめられるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】従来技術における伝導率検出器を示す。
【図２】本発明における反応装置を示す。
【図３】他の実施形態における反応装置を示す。
【図４】図２に示した他の実施形態における反応装置を示す。
【図５】図２−４に示す反応装置とともに用いられる電気化学ガスセンサである。
【図６】反応装置を提供する方法を示す。
【図７】他の実施形態における反応装置を提供する方法を示す。
【符号の説明】
【００８０】
２４、２８  電極
３０  反応装置
３２  通路
３４  反応物質
３６  チャンバ
３８  連結器
３９  出口
４２  ヒータ
４４  第２通路
４６  第２反応物質
４８  出口
５２  電気化学ガスセンサ
５６  検出電極
５８  電極材料
６２  基板
６４  表面
６６  第１表面
６８  第２表面
７０  開口部
【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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