JP2004245714A - ガス計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素炎イオン化検出法によるものとして、被検ガスが流れる本管に挿入して設置することのできるガス計測装置を提供する。
【解決手段】検出部本体１１１を防爆体１２１で包囲させて検出部を構成する。検出部本体１１１には、防爆体１２１との間に被検ガスのプール部Ｓが残される大きさを持たせ、その内部に燃焼室１１３と、燃焼室１１３をプール部Ｓに連通させる拡散律速孔１１５と、燃焼室１１３に空気を供給するための助燃ガス導入孔１１７とを形成する。燃焼室１１３に面する検出部本体１１１の内壁上に電極１１９ａ，１１９ｂを設置し、これらの間を流れるイオン電流に基づいて水素ガスの濃度を検出する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス計測装置に関し、詳細には、被検ガスが流れる本管に挿入して設置することのできる、水素炎イオン化検出法によるコンパクトなガス計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素炎イオン化検出法によるガス計測装置として、次のものが一般的に知られている。すなわち、中空の囲壁の内部に、被検ガス及び燃料ガスとしての水素ガスを供給するとともに、助燃ガスとしての酸素ガスを供給し、燃料ガスと助燃ガスとが反応して発生した水素炎により被検ガスの特定成分をイオン化させる。囲壁の内部には、電極を配置しておき、前記特定成分のイオン発生量に応じて流れる電流を検出して、被検ガスの分析を行うものである（下記特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１９４３５６号公報（段落番号００１８〜００２２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような水素炎イオン化検出器によれば、高い分析応答性を得ることができる。しかしながら、充分な測定精度を得るためには、被検ガス、燃料ガス及び助燃ガスの各流量を相互に関連を持たせながら正確に制御する必要がある。そのための典型的な方法として、被検ガスの一部を本管からサンプリングして分析を行う方法が採用されている。サンプリングによることとすると、被検ガスをサンプリングするための枝管や各種ポンプ及び流量調節弁を設置する必要がある。従って、これまでの水素炎イオン化検出器は、装置が全体として大掛かりで高価なものとなりがちであった。
【０００５】
そこで、本発明は、水素炎イオン化検出法によるガス計測装置として、被検ガスが流れる本管に挿入して設置することのできるコンパクトで低廉なガス計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、被検ガスが外内方向に流通する入口としての第１の通路が形成された中空の防爆体の内部に、水素炎の発生領域である燃焼室を有する検出部本体を配置させる。検出部本体には、防爆体との間に前記第１の通路と接続するプール部としての空間が残される大きさを持たせるとともに、燃焼室と、燃焼室をプール部と連通させる所定の孔径の拡散律速孔と、燃焼室に接続する助燃ガス導入孔とを設ける。また、燃焼室に助燃ガス導入孔を介して助燃ガスを供給する助燃ガス供給手段、燃焼室を加熱して水素炎を発生させる加熱手段、発生した水素炎によるイオン発生量を検出するイオン発生量検出手段、及び検出されたイオン発生量に基づいて被検ガスの特定成分の濃度又はその特定成分の流量を算出するガス状態量算出手段を設ける。
【０００７】
本発明によれば、防爆体及び検出部本体を含んで構成される検出部を被検ガスが流れる本管に挿入して被検ガスの分析を行うことができる。本発明に係るガス計測装置において、被検ガスは、本管から防爆体の第１の通路を介してプール部に流入し、拡散律速孔により制限された流量で燃焼室に供給される。燃焼室は、加熱手段により加熱されており、水素炎が発生する。拡散律速孔を介して流入した被検ガスの特定成分がこの水素炎によりイオン化され、このときのイオン発生量に基づいて被検ガスの分析が行われる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガス計測装置１０１の構成図である。本実施形態に係るガス計測装置１０１は、自動車の駆動源を構成する燃料電池システムの燃料ガス通路に設置され、被検ガスとしての燃料ガスに含まれる水素ガスの濃度を検出する。
【０００９】
ガス計測装置１０１は、次のように構成され、燃料ガス通路の内部に検出部が挿入された状態で設置される。
ガス計測装置１０１の検出部は、円筒状に形成された検出部本体１１１と、検出部本体１１１の上面及び側面を覆う、検出部本体１１１よりも大きな円筒状に形成された防爆体１２１とで構成され、これら検出部本体１１１及び防爆体１２１は、支持体１３１によりそれぞれの基端側で結合されている。結合された検出部本体１１１と防爆体１２１とは、同軸に配置されており、これらの間には、被検ガスのプール部としての空間Ｓが残されている。ガス計測装置１０１は、このような結合状態で検出部が燃料ガス通路の内部に挿入され、支持体１３１に設けられた図示しない螺子部により燃料ガス通路に固定される。なお、本実施形態では、燃料ガス通路が本管に相当する。
【００１０】
検出部本体１１１は、固体電解質成型体であり、内部には、濃度検出時に水素炎を発生させる燃焼室１１３が形成されている。検出部本体１１１には、プール部Ｓから燃焼室１１３に燃料ガス（特に、そのうちの水素ガス）を流入させるための拡散律速孔１１５と、燃焼室１１３に助燃ガスとしての空気を供給するための助燃ガス導入孔１１７とが形成されている。拡散律速孔１１５は、濃度検出時における燃焼室１１３へのガス流入量を考慮して設定された所定の孔径を有し、燃焼室１１３をプール部Ｓと連通させている。一方、助燃ガス導入孔１１７は、一端で燃焼室１１３に接続するとともに、他端で空気供給管１５１に接続している。空気供給管１５１は、一端が大気に開放され、燃焼室１１３に大気中の空気を送り込むためのポンプ１５２が介装されている。また、検出部本体１１１には、燃焼室１１３を形成する内壁上に一対の白金電極１１９ａ，１１９ｂが設置されており、これらの電極１１９ａ，１１９ｂは、水素濃度演算回路１７１に接続されている。検出部本体１１１のうち燃焼室１１３の近傍にヒータ１４１が埋設されており、濃度検出時には、このヒータ１４１を作動させて燃焼室１１３内を水素ガスの燃焼温度以上に加熱する。
【００１１】
一方、防爆体１２１は、燃料電池システムの燃料ガスが流通可能な程度に細かい孔径を持たせて形成された多孔質体で構成されている。防爆体１２１の孔径は、濃度検出時における燃焼室１１３からの火炎の伝播を遮断する効果と、燃焼室１１３における被検ガスの置換を速やかに行わせる効果とが両立する範囲で、５０〜５００μｍの間に設定されている。なお、本実施形態に係る防爆体１２１は、およそ１２０μｍの孔径を持たせて形成されている。
【００１２】
次に、本実施形態に係るガス計測装置１０１の動作について説明する。
燃料電池システムの燃料ガスは、防爆体１２１に形成された孔（「第１の通路」に相当する。）を矢印Ａのように通過してプール部Ｓに流入するとともに、拡散律速孔１１５を通過して燃焼室１１３に流入する。一方、助燃ガスとしての空気は、ポンプ１５２により大気中から取り込まれ、空気供給管１５１及び助燃ガス導入孔１１７を介して燃焼室１１３に供給される。燃焼室１１３は、ヒータ１４１により水素ガスの燃焼温度以上に加熱されているため、流入した水素ガスと供給された空気とが反応して水素炎が発生し、この水素炎により燃料ガス中の水素がイオン化される。電極１１９ａ，１１９ｂには、所定の直流電圧（例えば、１０〜３００ｖ）がかけられており、これらの電極１１９ａ，１１９ｂの間を水素炎によるイオン発生量に応じた大きさの電流が流れる。水素濃度演算回路１７１は、このイオン電流を検出し、これに基づいて燃料ガスに含まれる水素ガスの濃度を算出する。ここで、拡散律速孔１１５により燃焼室１１３へのガス流入量が制限されるため、ポンプ１５２により供給される空気の量が拡散律速孔１１５を介して流入する水素ガスの量に対して充分に多ければ、検出されるイオン電流は、流入した燃料ガスに含まれる水素ガスの濃度に依存することになる。
【００１３】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、検出部本体１１１及び防爆体１２１を含んでガス計測装置１０１の検出部を構成し、この検出部を本管としての燃料ガス通路の内部に挿入した状態で、ガス計測装置１０１を燃料ガス通路に設置するようにした。このため、サンプリングのための枝管等を用いることなく、コンパクトな構成で燃料ガスの分析を行うことができる。
【００１４】
第２に、検出部本体１１１と防爆体１２１との間にプール部Ｓを設け、そこから拡散律速孔１１５を介して燃料ガスを燃焼室１１３に流入させるようにした。このため、特別な流量調節弁を用いることなく、燃焼室１１３に流入する燃料ガスの量を調節することができるので、ガス計測装置１０１がコンパクトで、かつ低廉なものとなる。
【００１５】
本実施形態に関して、酸素供給管１５１及びポンプ１５２が助燃ガス供給手段を、ヒータ１４１が加熱手段を、電極１１９ａ，１１９ｂ及び濃度演算回路１７１がイオン発生量検出手段を、水素濃度演算回路１７１がガス状態量算出手段を、それぞれ構成する。
【００１６】
なお、助燃ガス供給手段は、上記の例のようにポンプ１５２等の機械的手段を用いるものに限らず、助燃ガス導入孔１１７に燃焼室１１３と大気とを遮断するように酸素イオン伝導性の固体電解質成型体を配設するとともに、その両側に電極を設置して構成することも可能である。このような助燃ガス供給手段によれば、固体電解質のポンピング作用により助燃ガスとして酸素ガスのみを燃焼室１１３に供給することができる。固体電解質には、一般的に知られるイットリウム安定化ジルコニア等を採用することができる。
【００１７】
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
図２は、第２の実施形態に係るガス計測装置２０１の構成図である。本実施形態に係るガス計測装置２０１は、燃料電池システムの燃料ガスに含まれる水素ガスの濃度を検出するものであり、第１の実施形態に係るガス計測装置１０１が有する上記の機能に加え、次のように燃焼室１１３内の酸素ガスの量を調節する機能を有する。
【００１８】
ガス計測装置２０１の検出部本体１１１は、固体電解質成型体である。検出部本体１１１には、第１の実施形態に係るガス計測装置１０１と同様な燃焼室１１３、拡散律速孔１１５及び助燃ガス導入孔１１７に加え、燃焼室１１３に隣接して、燃焼室１１３と検出部本体１１１の一部により隔てられた酸素基準室２１１が形成されている。検出部本体１１１には、この酸素基準室２１１に接続して、一端が大気に開放された大気導入孔２１３が形成されており、濃度検出時に大気中の空気が導入される。酸素基準室２１１と燃焼室１１３とを隔てる壁部には、酸素基準室側と燃焼室側とに電極２１５ａ，２１５ｂが設置されており、これら一対の電極２１５ａ，２１５ｂは、酸素濃度演算回路２７１と接続されている。また、燃焼室１１３に空気を送り込むためのポンプ１５２は、吐出し量が可変に構成されており、酸素濃度演算回路２７１からの酸素濃度検出信号に応じて吐出し量を増減する。
【００１９】
次に、本実施形態に係るガス計測装置２０１の動作について、燃焼室１１３内の酸素ガスの量を調節する動作を中心に説明する。
燃料電池システムの燃料ガスは、防爆体１２１の孔及び拡散律速孔１１５を通過して燃焼室１１３に流入し、助燃ガス導入孔１１７を介して供給された空気と反応して燃焼する。このときに発生した水素炎により水素がイオン化され、水素濃度演算回路１７１は、第１の電極１１９ａ，１１９ｂの間を流れるイオン電流を検出し、これに基づいて燃料ガスに含まれる水素ガスの濃度を算出する。一方、第２の電極２１５ａ，２１５ｂの間には、両室における酸素ガスの濃度、すなわち、それぞれの分圧に応じた起電力Ｅが生じる。この起電力Ｅは、ネルンストの式として次の（１）式で表すことができる。なお、Ｒをガス定数、Ｔをガス温度、Ｆをファラデー定数とする。
【００２０】
Ｅ＝（Ｒ×Ｔ／４Ｆ）ｌｎ（基準酸素分圧／測定酸素分圧） ・・・（１）
電極２１５ａ，２１５ｂの間に生じる起電力Ｅは、図３に示すように燃焼室１１３における空気過剰率λが１となる点を境に急変する特性を持つ。この空気過剰率λは、燃焼室１１３における空気と可燃成分（ここでは、主に水素ガス）との重量比を空燃比とすれば、理論空燃比（前記可燃成分を完全に燃焼させる場合の空燃比）に対する実際の空燃比の比として表される。起電力Ｅは、λが１よりも小さく、酸素ガスが不足しているときに第１の値を示し、λが１よりも大きく、酸素ガスが過剰であるときに第１の値よりも小さな第２の値を示す。従って、起電力Ｅに基づいて燃焼室１１３内での燃焼状態を判断し、燃焼室１１３に供給する空気の量を最適に調節することができる。具体的には、ポンプ１５２の吐出し量を可変に制御し、λが１又はこれよりも僅かに大きな値となるように空気を供給する。
【００２１】
本実施形態によれば、吐出し量を可変にポンプ１５２を構成し、燃焼室１１３に供給する空気の量を燃焼室１１３における酸素ガスの濃度に応じて調節することとした。このため、λを１又はこれよりも僅かに大きな値となるように空気を供給し、被検ガスに含まれる可燃成分のすべてを燃焼させることで、第１の電極１１９ａ，１１９ｂによる水素イオンの検出感度を最大限に高め、供給する空気の量を最小限に抑えることができる。
【００２２】
図４は、第３の実施形態に係るガス計測装置３０１の構成図である。本実施形態に係るガス計測装置３０１は、本管としての燃料電池システムの燃料ガス通路１に設置され、燃料電池に供給される水素ガスの流量を検出する。
【００２３】
ガス計測装置３０１の検出部本体１１１は、固体電解質成型体である。検出部本体１１１には、以上の実施形態に係るものと同様に燃焼室１１３、拡散律速孔１１５及び助燃ガス導入孔１１７が形成されているが、本実施形態では、燃焼室１１３を、拡散律速孔１１５を第１の連通孔としてプール部Ｓと連通させるほか、第２の連通孔（以下「連通孔」という。）３１１を介してプール部Ｓと連通させている。ここで、拡散律速孔１１５と連通孔３１１とは、同軸上に形成されており、ガス計測装置３０１の検出部は、燃料ガスの流れに対して拡散律速孔１１５が上流側に位置するように配設される。また、第１の電極１１９ａ，１１９ｂは、燃焼室１１３を形成する検出部本体１１１の内壁上に設置され、水素流量演算回路３７１に接続されている。なお、燃焼室１１３における酸素ガスの濃度を検出するため、燃焼室１１３に隣接して酸素基準室２２１が形成されており、燃焼室１１３と酸素基準室２１１とを隔てる壁部に電極２１５ａ，２１５ｂが設置され、これらの電極２１５ａ，２１５ｂが酸素濃度演算回路２７１に接続されている。また、吐出し量が可変に構成されたポンプ１５２が設けられており、ポンプ１５２は、酸素濃度演算回路２７１からの酸素濃度検出信号に応じて吐出し量を増減する。
【００２４】
次に、本実施形態に係るガス計測装置３０１の動作について説明する。
燃料電池システムの燃料ガスは、防爆体１２１の孔及び拡散律速孔１１５を通過して燃焼室１１３に流入し、助燃ガス導入孔１１７を介して供給された空気と反応して燃焼する。このときに発生した水素炎により水素がイオン化され、水素流量演算回路３７１は、第１の電極１１９ａ，１１９ｂの間を流れるイオン電流を検出する。ここで、ガス計測装置３０１は、燃焼室１１３に流入した燃料ガスが矢印Ｂで示すようにプール部Ｓ及び防爆体１２１の孔（「第２の通路」に相当する。）を通過して燃料ガス通路１に戻るように構成されている。このため、電極１１９ａ，１１９ｂの間を流れるイオン電流は、水素ガスの濃度ではなく、燃焼室１１３を流れる水素ガスの流量、ひいては燃料ガス通路１を流れる水素ガスの流量に依存することになる。水素流量演算回路３７１は、燃焼室１１３に流入する燃料ガスの、燃料ガス通路１を流れる燃料ガスに対する分流比に応じた係数を記憶しており、イオン電流に基づいて算出した水素ガスの流量にこの係数を乗算して、燃料ガス通路１における水素ガスの流量を算出する。
【００２５】
本実施形態によれば、検出部本体１１１に第２の連通孔３１１を形成し、燃焼室１１３に流入した燃料ガスがこの連通孔３１１を介して燃焼室１１３から流出するように構成した。このため、第１の電極１１９ａ，１１９ｂにより検出されるイオン電流が水素ガスの流量に依存することとなるので、燃料電池に供給される水素ガスの量を検出することができる。
【００２６】
以上に述べた第１〜第３のいずれの実施形態においても、防爆体１２１に燃料ガスに含まれる水素ガス以外の可燃成分（例えば、炭化水素や一酸化炭素）を吸着し、除去するための層を形成することができる。前者の炭化水素吸着層には、ゼオライトを用いることができ、後者の一酸化炭素吸着層には、ＺｎＯ又はＳｎＯ２を用いることができる。
【００２７】
防爆体１２１にこのような吸着層を形成することで、炭化水素等の水素ガス以外の可燃成分が燃焼室１１３に進入し、水素イオンを発生させて、電極１１９ａ，１１９ｂによる水素ガスの濃度等の検出精度が低下することを防止することができる。従って、改質型燃料電池システムにおける水素ガスの濃度等を検出する場合に、改質後の燃料ガスに微量ながら含まれる炭化水素及び一酸化炭素を除去し、水素ガスの濃度を正確に検出することができる。
【００２８】
また、防爆体１２１に吸着されている炭化水素等の処理は、次のように行うことができる。
第３の実施形態に係るガス計測装置３０１を例に説明する。水素流量演算回路３７１により算出された水素ガスの流量が０となると、ポンプ１５２は、燃焼室１１３に対し、燃焼室１１３における流れが停滞しているときに燃焼室１１３内の水素ガスのすべてを燃焼させる量よりも僅かに多い量の空気を送り込む。送り込まれた空気のうち水素ガスとの反応に消費されたもの以外が防爆体１２１の吸着層に拡散していき、吸着している可燃成分を酸化させる。ポンプ１５２により送り込む空気の量は、第２の電極２１５ａ，２１５ｂにより検出される酸素ガスの濃度に基づいて、燃焼室１１３における空気過剰率λが１よりも僅かに大きな値となるように制御すればよい。なお、水素ガスの流量が０であることは、燃料電池システムの起動スイッチのオフ信号等よりシステム停止を検出することで判断することもできる。
【００２９】
以上では、燃料電池システムの燃料ガス通路に設置され、燃料電池に供給される燃料ガスに含まれる水素ガスの濃度等を検出する場合を例に説明した。本発明は、これに限らず、燃料電池システムの漏洩ガス通路に設置され、アノード側の配管から漏れ出した水素ガスの濃度等を検出するガス計測装置に適用することもできる。
【００３０】
また、被検ガスに含まれる水素ガスの濃度及び流量を検出するばかりでなく、水素ガスが含まれていないか、あるいは水素ガスの濃度が一定である被検ガスについて、水素ガス以外の可燃成分（例えば、炭化水素）の濃度等を検出するガス計測装置に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガス計測装置の構成
【図２】本発明の第２の実施形態に係るガス計測装置の構成
【図３】空気過剰率λの特性
【図４】本発明の第３の実施形態に係るガス計測装置の構成
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１…ガス計測装置、１１１…検出部本体、１１３…燃焼室、１１５…拡散律速孔、１１７…助燃ガス導入孔、１１９ａ，１１９ｂ…イオン発生量検出手段としての電極、１２１…防爆体、１３１…支持体、１４１…加熱手段としてのヒータ、１５１…空気供給管、１５２…ポンプ、１７１…ガス状態量算出手段としての水素濃度演算回路、Ｓ…プール部。

Claims (14)

1. 被検ガスが外内方向に流通する入口としての第１の通路が形成された中空の防爆体と、
   防爆体の内部に配置され、かつ防爆体との間に前記第１の通路と接続するプール部としての空間が残される大きさの検出部本体であって、水素炎を発生させる空間として内部に形成された燃焼室と、燃焼室をプール部と連通させる所定の孔径の拡散律速孔と、燃焼室に接続する助燃ガス導入孔と、を有する検出部本体と、
   前記燃焼室に助燃ガス導入孔を介して助燃ガスを供給する助燃ガス供給手段と、
   前記燃焼室を加熱して水素炎を発生させる加熱手段と、
   発生した水素炎によるイオン発生量を検出するイオン発生量検出手段と、
   検出されたイオン発生量に基づいて被検ガスの特定成分の濃度又はその特定成分の流量を算出するガス状態量算出手段と、を含んで構成されるガス計測装置。
2. 防爆体は、前記第１の通路以外に、被検ガスが内外方向に流通する出口としての第２の通路を有し、
   検出部本体は、拡散律速孔に対応して、前記燃焼室を前記第２の通路と連通させる孔を有する請求項１に記載のガス計測装置。
3. 前記燃焼室に供給される助燃ガスの量を調節する手段を更に含んで構成される請求項１又は２に記載のガス計測装置。
4. 前記燃焼室における助燃ガスの濃度を検出する手段を更に含んで構成される請求項１〜３のいずれかに記載のガス計測装置。
5. 防爆体は、被検ガスが流通可能な大きさの前記被検ガスの通路としての孔を有する多孔質体で構成される請求項１〜４のいずれかに記載のガス計測装置。
6. 防爆体は、炭化水素又は一酸化炭素の吸着層を備える請求項５に記載のガス計測装置。
7. 被検ガスの前記第１の通路を介する流れが停止していることを検出する手段を更に含んで構成され、
   助燃ガス供給手段は、被検ガスの流れが停止していることが検出されたときに、前記燃焼室に所定の量の助燃ガスを供給する請求項６に記載のガス計測装置。
8. 検出部本体は、固体電解質で構成され、
   イオン発生量検出手段は、前記燃焼室を形成する検出部本体の内壁上に設置された一対の電極と、これらの電極に接続され、イオン発生量を電流として検出する手段と、を含んで構成される請求項１〜７のいずれかに記載のガス計測装置。
9. 加熱手段は、検出部本体に埋設されたヒータである請求項１〜８のいずれかに記載のガス計測装置。
10. 検出部本体及び防爆体を検出部として一体に結合するとともに、この検出部を被検ガスが流れる本管に挿入して、ガス計測装置を本管に固定するための手段を更に含んで構成される請求項１〜９のいずれかに記載のガス計測装置。
11. 被検ガスが水素ガスである請求項１〜１０のいずれかに記載のガス計測装置。
12. 燃料電池システムの燃料ガス通路に設置された請求項１１に記載のガス計測装置。
13. 燃料電池システムの漏洩ガス通路に設置された請求項１１に記載のガス計測装置。
14. 水素炎を発生させる燃焼室を有する検出部本体が、検出部本体との間にプール部としての空間が残される大きさの防爆体で包囲されて構成され、
    被検ガスを、防爆体の第１の通路を介してプール部に流入させるとともに、検出部本体の拡散律速孔を介して前記燃焼室に流入させ、
    助燃ガスを、拡散律速孔とは別に検出部本体に形成された助燃ガス導入孔を介して前記燃焼室に供給し、
    被検ガスと助燃ガスとを反応させて水素炎を発生させて、被検ガスに含まれる水素をイオン化し、
    このときのイオン発生量を検出して被検ガスの分析を行うガス計測装置。

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