(57)【要約】【課題】  加湿ガスに含まれた水分の分離除去と水分量の計測を連続的、もしくは断続的に迅速に行い、同時にガス成分の質量分析も行うことのできる加湿ガスの成分測定装置を提供する。【解決手段】  質量分析計２０と、加湿ガスを供給する流路の上流に連続的に水分を分離除去し、かつ加湿ガスに含まれた水分量を計測する水分除去定量部１０を備える。水分除去定量部１０は、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１２、１２’、この一対のオリフィスを収納する中間部空間１１を排気する真空ポンプ１８と、中間部空間１１の圧力を水分除去効率が最適となるような条件に調整する真空バルブ１７と、中間部空間１１の圧力を計測する真空計１４と、供給上流部および断熱膨張させた中間部空間の気体温度をそれぞれ計測する温度計１５、１６から構成される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分とガス成分とからなる加湿ガスの水分量とその他のガス成分量とを連続的に、あるいは断続的に測定する装置であって、質量分析部と、質量分析部と加湿ガス導入部との間に配置されて連続的に水分を除去し、かつ定量計測する水分除去定量部とを有することを特徴とする加湿ガスの成分測定装置。
【請求項２】
水分除去定量部は、加湿ガスを急激に断熱膨張させて水分とその他のガス成分とを分離する手段と、断熱膨張させた空間から水分を排出・除去する手段と、断熱膨張させた空間から水分以外のその他のガス成分を質量分析部へ導く手段と、水分除去定量部の供給上流部および断熱膨張させた空間の気体温度をそれぞれ計測して温度降下を検出する手段と、断熱膨張させた空間の圧力を水分除去効率が最適になるような条件に調整するための手段、とからなることを特徴とする請求項１に記載の加湿ガスの成分測定装置。
【請求項３】
水分除去定量部は、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と、この一対のオリフィスを収納する中間部空間を排気する真空ポンプと、オリフィスの中間部空間の圧力を水分除去効率が最適となるような条件に調整する真空バルブと、オリフィスの中間部空間の圧力を計測する真空計と、供給上流部および断熱膨張させた中間部空間の気体温度をそれぞれ計測する温度計、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の加湿ガスの成分測定装置。
【請求項４】
オリフィスの中間部空間は、オリフィスによる断熱膨張の過程を２段階とするために、上下流一対のオリフィス中心軸と同軸をなすオリフィスを有した隔壁により２室構造とされており、流路上流の第１中間部空間には、第１中間部空間を排気する真空ポンプと、第１中間部空間の圧力を水分除去効率が最適となるような条件に調整する真空バルブと、第１中間部空間の圧力を計測する真空計と、供給上流部および断熱膨張させた第１中間部空間の気体温度をそれぞれ計測する温度計が備えられていることを特徴とする請求項３に記載の加湿ガスの成分測定装置。
【請求項５】
流路下流の第２中間部空間には、第２中間部空間を排気する真空ポンプと、第２中間部空間の圧力を調整する真空バルブとが備えられ、高真空を保持した質量分析計との圧力差を調整するとともに、水分を除去した後にその他のガス成分を濃縮する機能を持つようにされていることを特徴とする請求項４に記載の加湿ガスの成分測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水分とその他のガス成分が含まれる加湿ガスの成分分析、すなわち、水分量とその他のガス成分の質量とを連続的に、あるいは断続的に同時測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス濃度を高速で定量する、あるいは気体分子の種類をそれらの質量電荷比の大きさによって分析する装置として磁場型、四重極型、飛行時間差型などの質量分析計が知られている。こうした質量分析計はガス状となった試料物質を高真空に保持されたイオン化室に微少流量導入し、イオン化室で生じたイオンを電磁場の作用によってイオンの質量電荷比の大きさ毎に軌道分離して、イオン検出部で計測された質量スペクトルから導入した試料物質の成分や構造を同定する装置である。
【０００３】
ただし、質量分折計は、大気圧あるいは加圧された状態にある試料ガスを高真空に保持されたイオン化室に直接導入することは不可能であり、そのため試料ガスの導入量を微少に調整するための接続部（インターフェース）として、何らかの希釈・減圧手段、あるいは差動排気部分が不可欠となる。
【０００４】
また、高真空に保持した質量分析計内に多量の水分を含んだ試料ガスを導入すると、水分から解離した活性な酸素イオンなどによって、イオン源のフィラメントがたちまち劣化し、短時間の計測操作中であってもデータの信頼性が失われ、さらにフィラメントの焼損トラブルで計測不能となってしまう。
【０００５】
従来技術として用いられている分析方法には、ガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣＭＳ）がある。その高い感度と優れた選択性から、ガスクロマトグラフで分離可能な揮発性有機化合物の混合物の試料ガスにも適用できることから、多方面での分析に不可欠な計測手段となっている。飲料水、工場排水といった水分に溶存した微量な有機化合物などの分析を行う水質分析においては、パージトラッブ・ガスクロマトグラフ質量分析計（ＰＴ・ＧＣＭＳ）、またはヘッドスペース・ガスクロマトグラフ質量分析計（ＨＳ・ＧＣＭＳ）が公定法となっている。
【０００６】
しかし、ここで用いられているガスクロマトグラフ自体で水分の検出、定量化を行う訳ではなく、また前段に配置したパージトラップの機能は、試料をバブリングして揮発成分を気化させ、その試料ガスをコールドトラップ管で濃縮することである。
【０００７】
これらの分析方法においても、多量の水分を含んだ試料ガスを導入する場合には、水分がトラップ管内で凝縮・凍結を起こして、管内に目詰まりを生じてキャリアーガスが流れなくなることを防ぐために、コールドトラップ管の上流で除湿器や気液分離器を用いて水分除去を行っている。
【０００８】
なお、以上に述べたような水分に溶存した微量成分の水質分析であれば、気液分離器などを用いて予め単独で水分量を計測することは比較的簡単であるが、ここで問題としている加湿ガス、すなわち水蒸気に含まれた、あるいは他のガス成分と混合気体となった状態の水分量の計測を行うことは、静電容量法、光学式露点法、水晶発振子法、五酸化リン吸収電解法といった水分計が市販製品としてあるものの、いずれも校正方法の難しさや計測時間が長いなどの問題があり、価格も相当高いものである。
【０００９】
質量分析計による水分を含んだ試料ガスの測定に対して、水分除去のための前処理装置
を付加した先例としては、特許文献１（特開平０８−１２２３１４号公報）には、ガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣＭＳ）において、インジェクタとメインカラムとの間に水分を分離可能なプレカラムを配置し、プレカラムを通過した水分が除去された試料ガスを質量分析計へ送り込むと共に、バルブの流路を切り換えることによってプレカラムで分離した水分を系外へ排出するようにしたものが記載されている。また、特許文献２（特開平１０−１９８５０号公報）には、水分を含んだ試料（加湿ガス）をペルチェ効果による電子クーラーを備えた脱水装置に送り込み、水蒸気成分を凝縮してトラップした後に、水分が除去された試料ガスを質量分析計に送り込むようにしたものが記載されている。ここでも、トラップされた水分は脱水装置の下部に設けられたドレインからバルブによって系外に排出されている。さらに、この文献には、上記の脱水装置と質量分析計との間に過塩素酸マグネシウムやシリカゲルなどの脱水剤が充填された脱水管が設けられており、質量分析計への水蒸気の流入をさらに低減するようにしている。
【００１０】
一方、ガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣＭＳ）には、ガスクロマトグラフと質量分析計との接続部（インターフェース）として、セパレータが多用されている（特許文献３：特公昭５５−２８５０８号公報など参照）。このセパレータは共軸・連通した一対のオリフィス（ノズルとも呼ばれている）を備え、それらの中間部空間を差動排気する構造を有し、ガスクロマトグラフのカラムで分離溶出してくるガス成分を運ぶキャリアーガス（担体ガス）であるヘリウムを分離除去し、分析対象のガスのみ質量分析計に導入するために用いられている。ここで、セパレータはオリフィスで絞り込まれた気体流をより低い圧力空間に急激に発散させることによって、質量の小さなヘリウムを選択的に分離除去し、質量のより大きなガス分子に対する通過率を大きくする効果を有することから、分子分離器、濃縮機（エシリッチャ）とも呼ばれている。
【００１１】
本発明に関する発想は、こうしたオリフィスを有するセパレータの使用方法において、その構造で何故温度変化を検出する機能を備えないのか、という疑問を端緒として、以下に記載する全く別の研究分野からの知見によって、水蒸気がオリフィスを通過する際には急激な断熱膨張に伴って温度降下を生じる現象に着目し、オリフィスの孔径や距離、圧力差などの条件を調整することにより、水蒸気に含まれた水分を最も凝縮・氷結を起こし易い状態にして、結果として水分除去に対して著しい効果を引き出すこと、さらにはオリフィスでの断熱膨張に伴う温度降下を精密計測することによって水分量を迅速に決定すること、を了知し、本発明をなすに至ったものである。
【００１２】
ちなみに、Philip G.hillの著書（非特許文献１）によれば、高温の水蒸気を断熱膨張
させると水分子自身が集合して離散的な凝縮核をつくって成長していく自己凝縮（均一凝縮）する過程、すなわち水蒸気が、とりわけ他のガスに比べて潜熱放出が著しく、急激な断熱膨張に伴って温度降下を生じて凝縮して大きな液滴となり、さらに氷結する現象が観測され、また理論的な解明も行われている。
【００１３】
こうした現象解析や実験研究に関して、質量分析とは全く異なった熱力学や流体力学といった研究分野において、古くは１８５２〜１８６２年に、J.P.JouleとW.Thomsonによる一連の実験から発見された、気体が多孔性の栓や細孔（オリフィス、スロットルとも呼ばれる）を通過して連続的に排気されると、気体が非可逆的断熱膨張に伴って温度変化が生じるというジュールトムソン効果は多くの教科書にも記載されている。
【００１４】
さらには１８９７年に、C.T.R.Wilsonによって発明されたウイルスン霜箱、すなわちアルゴンと４０％水蒸気＋６０％エチルアルコールの混合気体は飽和状態で封入した容器中に荷電粒子を通過させた直後に機械的に容器内を断熱膨張させると、混合気体は過飽和状態となって荷電粒子の通路で生成された正、負イオンを核とした霧滴が形成され、こうした霧滴の列を荷電粒子の飛跡検出器としたことは有名である。
【００１５】
また、比較的最近では半導体製造装置分野において、１９９０年のJun Zhao,Benjamin,Y.H.Liu,Thomas H.Kuehn（非特許文献２）、続いて１９９１年のJohn F.O' Hanlon,Jhy-Jer,Shieh（非特許文献３）の水分のエアロゾルによるウエハなどの表面汚染に関連した研究論文によれば、真空プロセス装置に用いられる、大気状態と真空状態を往復するロードロック室などの排気過程における水分のエアロゾル形成に関する実験データと数学モデルが報告されている。とりわけ、これらの論文に掲載されている、室内室気の湿度を３５〜６３％に変化させた場合の、排気過程で真空チャンバ内で計測された圧力、気体温度、およびエアロゾル発生量のデータは、本発明に大きな足がかりを与えている。
【００１６】
【特許文献１】特開平０８−１２２３１４号公報
【特許文献２】特開平１０−１９８５０号公報
【特許文献３】特公昭５５−２８５０８号公報
【非特許文献１】Philip G.hill, Condensation of water vapour during supersonic expansion in nozzles, Journal of Fluid Mechanics,25-3(1966),P593-620
【非特許文献２】Jun Zhao,Benjamin,Y.H.Liu,Thomas H.Kuehn,The formation of water aerosols during pump-down of vacuum process tools,Sept.1990,SOLID STATE TECHNOLOGY,p85
【非特許文献３】John F.O' Hanlon,Jhy-Jer,Shieh, Reduction of water aerosol contamination during pumping of a vacuun chamber from atomospheric pressure, J.Vac,Sci.Technol,A9(5),Sept.1991 p2802
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
加湿ガスにおけるガス濃度を単に定量する場合、あるいは気体成分の種類を特定する場合には、上記特許文献１、２に記載のような加湿ガスから水分を除去する手段を備えた質量分析計を有効に用いることができる。しかし、加湿ガスに含まれる水分の定量化を、ガス成分の定量化と平行してかつ迅速に行うことが求められるような場合には、分離した水分を系外に排出している上記の装置では、それを行うことができない。
【００１８】
例えば、高分子電解質膜型燃料電池の運転では、水素などのガス濃度と共に、膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する膜の水分を適切に管理することが重要であり、そのために、膜電極接合体に供給される加湿ガスおよび発電後にそこから排出される加湿ガスの水分量を、ガス濃度と同時並行して定量することは、燃料電池の運転性能を向上させる目的から不可欠の要請となっている。
【００１９】
従来の計測方法では、配管を分岐して水用分析器（水用ガスクロマトグラフ）とガス用分析器（ガス用ガスクロマトグラフ）との双方に接続し、かつガス用分析器の直前で水分除去を行っていた。こうした２種類の分析器を用いる装置構成ではコストが高く、また水用ガスクロマトグラフでの水分量の計測に長い時間を要することから、燃料電池の高速度で変化する発電環境に追従することができなかった。
【００２０】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、水分とその他のガス成分とからなる加湿ガス中の水分を除去分離しながら、加湿ガスに含まれた水分量を瞬時に定量できるようにし、さらに水分除去後のガスを質量分析計に導入することにより、その他のガス成分の質量をも同時に測定できるようにした改良された加湿ガスの成分測定装置を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、水分を多量に含んだ試料ガスに対応した分析方法として、気液分離器、水分計などを組み込むことなしに装置構成を簡略化し、結果として安価で、かつ迅速な測定を可能にする質量分析計やガスクロマトグラフ質量分析計のためのインターフェースを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明による加湿ガスの成分測定装置は、水分とその他のガス成分とからなる加湿ガスに関して、加湿ガスに含まれる水分量とその他のガス成分量とを連続的に、あるいは断続的に測定する装置であって、質量分析部と、質量分析部と加湿ガス導入部との間に配置されて連続的に水分を除去し、かつ定量計測する水分除去定量部とを有することを特徴とする。本発明において、質量分析部は磁場型、四重極型、飛行時間差型などの従来知られた任意の機種を用いることが可能であり、またガスクロマトグラフ質量分析計を用いてもよい。
【００２２】
水分除去定量部は、質量分析計の試料ガス導入部の流路上流に配置され、加湿ガスはそこを通過する際に、含まれた水分を連続的に除去しながら、かつ短時間で水分量を計測できる方法あるいは装置であれば、特に制限はないが、加湿ガスを急激に断熱膨張させることによって水分とその他のガス成分とを分離する手段と、断熱膨張させた空間から水分を排出・除去する手段と、断熱膨張させた空間から水分以外のその他のガス成分を質量分析部へ導く手段と、オリフィスでの断熱膨張の前後、すなわち水分除去定量部の供給上流部および断熱膨張させた空間の気体温度をそれぞれ計測して温度降下を検出する手段と、断熱膨張させた空間の圧力を水分除去効率が最適となるような条件に調整するための手段とからなる、例えばジュールトムソン効果（Joule-Thomson effect）を利用した連続的な水分除去定量手段は特に有効である。
【００２３】
本発明による装置に用いる水分除去定量部は、より具体的には、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（あるいはノズル）と、この一対のオリフィスを収納する中間部空間を排気する真空ポンプと、オリフィスの中間部空間の圧力を水分除去効率が最適となるような条件に調整する真空バルブ（好ましくは、圧力制御機能付きの真空バルブ）と、オリフィスの中間部空間の圧力を計測する真空計と、断熱膨張の前後、すなわち加湿ガス供給上流部管内および断熱膨張させた中間部空間の気体温度をそれぞれ計測する温度計から構成される。
【００２４】
本発明による上記の装置構成において、加湿ガスは水分除去定量部を通過する際に含まれた水分の分離除去と、水分量の計測が同時に行われる。ただし、一対のオリフィスの中間部空間で分離除去されるガスは、水分のみとは限らず、水素、ヘリウム、メタン、窒素、一酸化炭素、酸素、二酸化炭素といった無機ガスも、断熱膨張の過程で水分と共に除去されてしまい、質量分析計に有効に導入されないことがありうる。これについては、前記したように、水分が上記された他のガスに比べて凝縮性が際だって大きいことから、オリフィスの孔径や距離を最適化することによって、水分の凝縮・凍結の効果を有効に引き出すことが可能であることが実験的に確認されている。
【００２５】
なお、オリフィスの中間部空間は、オリフィスによる断熱膨張の過程を２段階とするために、上下流一対のオリフィス中心軸と同軸をなすオリフィスを有した隔壁により２室構造とすることもできる。その際に、流路上流の第１中間部空間には、第１中間部空間を排気する真空ポンプと、第１中間部空間の圧力を水分除去効率が最適となるような条件に調整する真空バルブと、第１中間部空間の圧力を計測する真空計と、供給上流部および断熱膨張させた第１中間部空間の気体温度をそれぞれ計測する温度計が備えられ、上記した水分除去定量部として機能を果たす。そして、流路下流の第２中間部空間には、第２中間部空間を排気する真空ポンプと、第２中間部空間の圧力を調整する真空バルブとを備えるようにして、高真空を保持した質量分析計との圧力差を調整するとともに、水分を除去した後にその他のガス成分を濃縮する機能を持つようにされる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の目的は、水分を多量に含んだ試料ガスに対して水分を選択的に除去すると同時に、急激な断熱膨張に伴って生じる温度降下および圧力変化を精密測定することによって、除去された水分量を計測する装置を提供することである。
【００２７】
そのために、この装置を用いて、例えば高分子電解質膜型燃料電池の発電環境変化に追従して、水分を含んだ排出ガス中の水分を定量測定することが可能となり、燃料電池を常時最適な発電環境下で運転できるようになる、という当初の開発目標とした実用的な効果がもたらされる。
【００２８】
また、本発明の別の目的は、前記したように、質量分析計やガスクロマトグラフ質量分析計のためのインターフェースを提供することであるが、本発明による装置の応用範囲は質量分析計やガスクロマトグラフ質量分析計のインターフェースに限定する必要はなく、水分を多量に含んだ試料ガスの他の計測や分析方法、すなわち、従来より計測する際の妨害物質となっていた水分除去が必須の課題であった幾つかの機器分析装置であって、発光・吸光分析、電気的あるいは熱的分析、各種クロマトグラフィー、などの計測装置に対しても広く及ぶものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明による加湿ガスの成分測定装置のいくつかの例を図面を参照して説明する。図１は本発明による加湿ガスの成分測定装置の構成図である。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。
【００３０】
排気装置（例えば真空ポンプ）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は分析済みとなった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。
【００３１】
なお、ここで注記すべきこととして、水分除去定量部１０における加湿ガスに含まれている水分の除去率は必ずしも１００％を達成する必要はなく、むしろ、質量分析計２０の耐用寿命やデータの信頼性に影響を与えることのない極微量の許容される水分量であれば残存していてもよい。それにより、質量分析計２０に導入された加湿ガスの残留水分量の経時変化が計測可能となって、他のガス成分のそれとを同時にかつ比較しながら観測できるからである。
【００３２】
さらに加えて注記すべきことは、水分除去定量部１０における加湿ガスに対する水分除去が連続的に実行される限りでは、水分量計測は断続的に行うようにしてもよく、それにより、測定精度や測定値の信頼性をより高めることができる。例えば１〜５秒間隔で計測を行うようにしてもよい。
【００３３】
次に、図２は本発明による加湿ガスの成分測定装置での水分除去定量部の一例を示す詳細図である。ここで、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（あるいはノズル管とも呼ばれる）１２、１２’が収納される。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それぞれオリフィス（細孔）１２ａ，１２ａ’が設けられている。
【００３４】
また、図２には記載されていないが、図１に記載されている真空ポンプ１８（排気装置）が中間部空間１１に接続されており、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ように、中間部空間１１の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の圧力を計測する真空計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計測するための熱電対温度計１５、１６を備えている。
【００３５】
図３は水分除去定量部の他の例を示す詳細図である。この水分除去定量部１０’に配置された中間部空間１１’には、図２に示した例と同様の一対のオリフィス管１２、１２’の中心軸と同軸をなす、第３のオリフィス１３ａを有した隔壁（もしくは仕切り板）１３が設けてある。それにより、中間部空間１１’内は２室構造とされ、オリフィスによる断熱膨張の過程を２段階としている。
【００３６】
ここで、流路上流の第１中間部空間１１ａには、図２に示した例の水分除去定量部と同様な作用あるいは機能を与え、また一方、流路下流の第２中間部空間１１ｂでは、高真空を保持した質量分析計２０との圧力差を調整すると共に、水分を除去した後にその他のガス成分を濃縮するなどの役割を果たすための接続空間部として機能する。
【００３７】
従って、第１中間部空間１１ａの装置構成は図２に記載された水分除去定量部と同じであり、第１中間部空間で除去された水分を速やかに系外に排気するために真空ポンプ１８に接続されおり（図３には示されない）、また、この第１中間部空間１１ａにおける水分除去効率が最適となるような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構付きの真空バルブ）と、この第１中間部空間の圧力を計測する真空計１４と、オリフィスでの断熱膨張の前後、すなわち加湿ガス供給上流部のオリフィス管１２の管内および第１中間部空間１１ａ内の気体温度をそれぞれ計測するための熱電対温度計１５，１６を備えている。
【００３８】
また一方、流路下流の第２中間部空間１１ｂは第２段目の断熱膨張の空間であって、隔壁１３と、水分が除去されたガスを質量分析計２０に案内するためのオリフィス管１２’との間の空間のガスを速やかに系外に排気するための真空ポンプ１８’（図示していない）が接続される。さらに、この第２中間部空間１１ｂにおける圧力と高真空を保持した質量分析計２０との圧力差が加湿ガスの検出感度を得るために最適となるように、例えば真空ポンプ１８’の有効排気速度を調整するための真空バルブ１７（好ましくは圧力調整機能付き真空パルプ）と、この第２中間部空間１１ｂの圧力を計測するための真空計１４’を備えている。
【００３９】
なお、本発明による加湿ガスの成分測定装置を最良の手段として活用するためには、加湿ガスの流量と測定圧力の範囲設定、気体温度の測定および装置周囲からの温度遮蔽が重要である。そのため、オリフィス孔径とオリフィス管の距離、中間部空間の容積、真空ポンプ、真空バルブ、配管で決まる有効排気速度や測定圧力範囲の決定にあたっては、設計計算のみならず、実際の測定環境下での予備実験を行うことが望ましい。
【００４０】
本発明による加湿ガスの成分測定装置で分析すべき加湿ガスは任意であるが、例えば、高分子電解質膜型撚料電池の運転中に膜電極接合体（ＭＥＡ）から排出される加湿ガスの計測条件の概略を以下に示す。
【００４１】
水分除去定量部１０に導入された加湿ガスは上流のオリフィス管１２のオリフィス１２ａを通過する際に急速な断熱膨張を起こしながら中間部空間１１に流入する。このオリフィス管１２の前後での加湿ガスの圧力差、温度差が所要の計測範囲となるように、オリフィス孔径とオリフィス管の距離、中間部空間の容積などを適宜設定することにより、加湿ガスは上流のオリフィス管１２のオリフィス１２ａを通過する際にジュールトムソン効果により、加湿ガスの水分量に比例した温度降下が計測される。
【００４２】
一例として中間部空間１１の圧力を４×１０４〜６×１０４Ｐａ、オリフィス管１２のオリフィス孔径３０〜１５０μｍ、オリフィス管の対向距離５ｍｍ程度とした場合に、通常の高分子電解質型燃料電池の運転中に膜電極接合体から排出される加湿ガスに対して断熱膨張による水分の凝縮、除去の効果を有効に確認することができる。
【００４３】
また、中間部空間１１での水分の凝縮、除去により、下流のオリフィス管１２’のオリフィス１２ａ’を通過したガス成分の質量分析によれば、ほぼ１００％に近い水分除去が行われた状態で質量分析計２０に導入されていることが確認された。さらに、同時に中間部空間１１で凝縮・結露したことにより除去された水分は、真空ポンプ１８により効率よく排出されていることも明らかにされた。そのため、質量分析計２０の高真空状態にあるイオン源部への悪影響もなく、適正なガス分析を長時間にわたって行うことができた。
【００４４】
最後に、図４のグラフは、加湿ガスに含まれた水分量を絶対湿度で表した値と、ジュールトムソン効果による温度降下の測定値との相対関係を示した実測データの一例である。この図により、加湿ガス供給上流部のオリフィス管１２の管内に配置した熱電対温度計１５と、中間部空間１１に配置した熱電対温度計１６のそれぞれの温度測定値から断熱膨張の前後の気体温度差を求めたときに、それが加湿ガスに含まれた水分量から換算した絶対湿度と比例した関係にあることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明よる加湿ガスの成分測定装置の構成図。
【図２】水分除去定量部の詳細図。
【図３】水分除去定量部の他の例を示す詳細図。
【図４】ジュールトムソン効果における温度降下と絶対湿度との相関を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４６】
１…加湿ガスの成分測定装置、１０、１０’…水分除去定量部、１１、１１’…中間部空間、１２、１２’…共軸対向した上下流一対のオリフィス管、１２ａ，１２ａ’…オリフィス、１３…隔壁、１３ａ…隔壁のオリフィス、１４、１４’…真空計、１５、１６…熱電対温度計、１７、１７’…真空バルブ（圧力制御機能付きの真空バルブ）、１８…排気装置（真空ポンプ）、２０…質量分析計、２１…排気装置（真空ポンプ）
【図１】
2005150027.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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