JP2005069848A

JP2005069848A - 気体吸着量測定装置及び気体吸着量測定システム

Info

Publication number: JP2005069848A
Application number: JP2003299504A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Kaneko; 克美金子; Junichi Miyamoto; 淳一宮本; Akifumi Morimoto; 昌文森本
Original assignee: Yuasa Corp
Current assignee: Yuasa Corp
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】燃料電池などに用いられる高圧気体吸着剤に吸着する気体の吸着量を測定するための安価で小型な重量式気体吸着量測定装置を提供する。
【解決手段】容器２０と、前記容器の内部を前記気体の雰囲気に設定するための測定雰囲気設定装置７０、８０と、前記容器の内部に吊り下げられ下端に前記試料を保持するための保持部４１を有する弾性体４０と、前記弾性体の伸長量を計測するための計測装置５０と、前記伸長量に基づいて前記吸着量を算出するための演算装置６０とを備えており、前記計測装置として差動トランス式位置計測器５０を用いる構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、気体の吸着量を正確に測定するための高圧気体吸着量測定装置及びこれを含む測定システムに関するものである。

（本発明の背景）
近年、燃料電池自動車や天然ガス自動車などに搭載する燃料電池や高圧ガスタンクの圧力を低圧化するため、高圧気体吸着物質（以下単に「吸着剤」という。）が研究開発されている。吸着剤を用いると、密閉容器内に同じ量のガスを貯える場合でもタンクの内圧を大幅に下げることができる。このため、吸着剤の特性を評価するための基礎技術として、高圧気体の吸着量を測定する技術が重要となっている。

高圧気体の吸着量を測定する方法として、密閉容器内に封入した内圧の変化を測定し気体の状態方程式から吸着量を求める方法（容量法）、電子天秤などにより気体の吸着量を直接測定する方法（重量法）などが知られている（特許文献１、第２〜第４段落参照）。

特に、近年の重量法による吸着量測定装置は電子天秤の代わりにコイルスプリングなどの弾性体を設け、弾性体の伸長量をレーザー光を用いて計測して吸着量を測定するものもある（特許文献２、第１０〜第２３段落参照）。

密閉容器内に封入される吸着剤の特性を評価する場合、実際の使用状態に近づけて評価するためには、測定装置内部を少なくとも１気圧以上の高圧の状態（１００気圧以上となることもある）で測定しなければならず、このため測定装置は耐圧容器を用いることが必要となる。

しかし、耐圧容器を用いた高圧気体吸着量測定装置は、通常の気体吸着量測定装置よりも製造コストがかかり、また装置自体が大型化してしまう。そこで、小型化を図るために、例えば特許文献２の発明の実施の形態に示されているような光学系計測装置を採用すると、レーザー光の透過性を有する耐圧窓（ガラスや耐圧透明プラスチック）を設け、かつ、レーザー光の受発光装置からなる計測装置を設けることが必要となり、装置の製造コストが一層増大する。

特開２０００−２９２２４６号公報特開２００２−２７７３６９号公報

本発明が解決しようとする問題点は、弾性体の伸長量により吸着量を測定する新規な重量式高圧気体吸着量測定装置及び測定システムを提供することであり、特に、弾性体の伸長量を計測する計測手段を従来よりも簡易かつ安価な構成にする点である。

本発明は、弾性体の伸長量を計測する計測手段として、差動トランスを用いた位置計測器を採用したことを最も主要な特徴とする。

本発明に係る気体吸着量測定装置は、試料に対する高圧気体の吸着量を測定するための測定装置１０であって、ガス導入部３０を備えた容器２０と、前記容器の内部を前記気体の雰囲気に設定するための測定雰囲気設定装置７０、８０と、前記容器の内部に吊り下げられ下端に前記試料を保持するための保持部４１を接続した弾性体４０と、前記弾性体の伸長量を計測するための計測装置５０と、前記伸長量に基づいて前記吸着量を算出し、前記圧力値と前記吸着量との関係から等温線を求めるための演算装置６０とを備えており、前記計測装置が差動トランス式位置計測器５０より構成されることを特徴とする。なお、本明細書において「気体」という場合、超臨界気体を含むものとする。

上記気体吸着量測定装置において、可動コア５１は、その重量を１ｇ以下とすることが好ましい。このようにすると、弾性体の直線性範囲が広がり、極めて微少な重量変化も精度良く測定することができるためである。

上記装置は前記容器２０の内壁及び前記弾性体４０の少なくとも一つがステンレス鋼からなることが好ましい。なおステンレスは、ガスの吸着性が小さい性質のものほど好ましく、具体的には、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４などを用いることができる。

また、本発明に係る気体吸着量測定システムは、上記気体吸着量測定装置にガス供給系ラインＬ１及び／又は真空排気系ラインＬ２を接続し、前記ガス供給系ラインＬ１及び前記気体吸着量測定装置１０が恒温槽３に納められ、一定温度で測定できるようにしたことを特徴とする。このように種々の温度条件で測定すると、より多種類のガス種に於ける等温線データを採取することができるようになる。この場合、前記ガス供給系ラインＬ１も恒温槽３に納められる構成とすると、測定の精度が一層上がるため好ましい。

また、本発明に係る気体吸着量測定方法は、筒状の容器２０の外周部に差動コイル５２、５３を配置すると共に、前記容器内の上部から弾性体４０を吊り下げ、この弾性体の下端における前記差動コイルの磁束結合部に前記弾性体の伸長量に応じて上下に移動できる可動コア５１を設け、前記差動コイルに誘起される差動電圧の変化に基づいて前記伸長量を求めることを特徴とする。

本発明の気体吸着量測定装置は、差動トランスを用いることにより弾性体スプリングの伸長量を電気的に計測するため、従来よりも低コスト化が図れるとともに、システム化が容易となるという利点がある。また、従来の光学式或いは電子天秤を用いた方式と比べ、測定精度及び測定範囲が大きいという利点がある。

レーザーなどの光学系構成部品を用いることなく弾性体スプリングの伸長量を測定するという目的を、極めて簡単な構成で実現した。

（全体のシステム構成について）
図１は、本発明の気体吸着量測定システムの一実施例を示す図である。同図において、気体吸着量測定装置１０には、ヘリウムガスや吸着ガス（Ａｄｓガス）などのガスを供給するガス供給系ラインＬ１と、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）２ａやロータリーポンプ（ＲＰ）２ｂなどの真空ポンプからなる真空排気系ラインＬ２とが接続されている。また、図のように各ラインにはバルブＶ１〜１７、圧力センサーＳ１〜Ｓ４、真空計Ｐ１、Ｐ２、安全弁８ａ、８ｂ、逆止弁９ａ、９ｂなどが適宜設けられている。

また、気体吸着量測定装置１０及びガス供給系ラインＬ１を含む部分（図において、一点鎖線で囲まれた部分）は、恒温槽３に納められており、内部を一定の温度に保つことができる。恒温槽３は温度制御装置（不図示）を備えており、例えば２７３［Ｋ］〜３２３[Ｋ]まで自由に温度を変化させることができる。また、寒剤用保持容器等を用いれば、液体窒素温度（７７［Ｋ］）や、液体アルゴン温度（８７［Ｋ］）、エタノール・ドライアイス温度等での測定をすることも可能である。

（高圧気体吸着量測定装置について）
次に、上記システムの中心をなす高圧気体吸着量測定装置１０の装置構成例について説明する。図２は、本発明の気体吸着量測定装置の構成の概要を説明するための図である。装置１０は主に、耐圧性の部材で構成された容器２０、容器２０の上部にガス導入部３０、容器２０内に配置され上方から吊り下げられた弾性体４０、弾性体の伸長量を計測する計測部５０などを備えている。

容器２０は１００気圧以上の高圧力に耐えうる構造である。また、ガス導入部３０には、ガス供給系ラインＬ１と、真空排気系ラインＬ２とが接続されている。このガス供給系ラインＬ１には、ヘリウムガスや吸着ガス（Ａｄｓガス）などの気体供給源７０が接続され、真空排気系ラインＬ２には、真空排気装置８０が接続され、また、圧力計Ｐは容器や配管の内圧を計測することができる適当な部位に設けられている（図１のシステム構成図を参照）。また、この圧力計Ｐの圧力信号は、信号線により後述する演算装置６０に送られる。

また、弾性体４０の下端には吸着剤試料を設置するためのバスケット４１が吊り下げられるようにして接続され、弾性体４０とバスケット４１との間には弾性体の伸長量を計測するための計測部５０が設けられている。計測部５０は、弾性体の伸長に応じて上下に移動する可動コア５１と、容器２の外周であって可動コアの周囲近傍に設けられた差動コイル（励磁コイル５２と検出コイル５３）とを含む差動トランス式位置検出器からなり、弾性体４０の下端とバスケット４１との中間部に設けられる。計測部５０の出力は差動電圧として演算装置６０に入力され、ここで差動電圧を弾性体の伸長量に変換し、吸着量を出力すると共に、圧力値と吸着量との関係から等温線を求める。

図３は、図２の気体吸着量測定装置１０の上部を拡大したやや詳細な断面図の一例である。装置本体は架台９０により垂直に保持されている。ガス導入部３０は、気密性を高めるためのＯリング２１ａを介して上部高圧セル２２ａと接続されている。架台９０と上部高圧セル２２ａとはセル固定台２３によって結合されている。

耐圧製の容器２０は、複数の部品が組み合わされた細長い筒状の形状であり、内管２４ａをサヤ管２４ｂが覆いそれを外周上方に設けたグランド２５ａ及びカラー２５ｂが支持する構造となっている。このグランド２５ａはねじ込み式で上部高圧セル２２ａに接続するようになっている。内管２４ａの中心部上方（ガス導入部３０の下端）から弾性体（例えばコイルスプリング）４０が吊り下げられ、さらに、弾性体４０の下端からバスケット（不図示）が吊り下げられる。バスケット部サヤ管２８は、気密性を高めるためのメタルＣリング２１ｂを介して、下部高圧セル２２ｂと接続されている。また、下部高圧セル２２ｂにはフランジ２６が締付ボルト２７により結合され、この部分で本体下部と切り離しできるようになっている。

上述のように弾性体４０とバスケット４１との間には可動コア５１が取り付けられ、コア５１の周囲の高圧セル外部には差動コイル（励磁コイル５２と検出コイル５３）が設けられている（図２参照）。可動コア５１は弾性体２５の伸び縮み量に応じて上下に移動することができ、その移動量は差動トランス式位置計測器５０により正確に検知される。

弾性体４０、バスケット４１、上下高圧セル２３ａ、２３ｂ、内管２４ａ及び高圧セルサヤ管２４ｂ、グランド２５ａ及びカラー２５ｂは、導入されるガスと接触する可能性があるため、測定ガスと反応しにくい材料を用いることが好ましい。そのような材料として、従来から石英が知られており、石英を用いても良い。

しかし、石英は高価でしかも破損しやすく取り扱いが難しいため、本件発明者たちは、代替材料を検討した結果、ステンレス鋼を用いることができることを見いだした。

ステンレス鋼の中でも、特に耐腐食性が高くガスの吸着性の低いステンレス鋼、例えば、通常のステンレスに微量のモリブデンを添加したＳＵＳ３１６（１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ合金）を用いたところ、石英製コイルスプリングの代替材料として事実上問題なく使用できることを見いだした。このようにＳＵＳ３１６のようなステンレス鋼をこのような高圧吸着ガスの測定装置という用途に用いることは知られていなかったことである。

なお、ＳＵＳ３１６には、炭素の含有量をより低くしてより吸着しにくくしたＳＵＳ３１６Ｌというタイプなどもあり、その他、ＳＵＳ３１０Ｓなど吸着性の低いステンレス鋼を用いても良い。ただし、ＳＵＳ３０４（１８Ｃｒ−８Ｎｉ合金）などは、ＳＵＳ３１６などと比べると低コストである反面、相対的に若干ではあるがやや吸着性が高い。

（差動トランス式位置測定器について）
図４（ａ）は、図３における差動トランス５０の部分を拡大した断面図を示している。差動トランス５０は可動コア５１と差動コイル（励磁コイル５２と一対の検出コイル５３ａ、５３ｂ）とからなる。コイルの配線は先端柳線処理されたフロンレックスケーブル５４を通じて装置外部から電気信号をやりとりすることができる。
可動コイル５１の初期位置をＮＰ（ＮｕｌｌＰｏｓｉｔｉｏｎ）とし、このときの差動電圧（出力電圧）を基準電圧とする。
図４（ｂ）は、差動トランスの動作原理について説明するための図であり、その基本回路について説明している。差動トランス５０は可動コア５１と差動コイル（励磁コイル５２と一対の検出コイル５３ａ、５３ｂ）とがこの図のように配線されている。但し、回路中の黒丸は巻きはじめを表している。

差動トランスは励磁コイル（一次コイル）の両端ＡＢに交流電圧Ｖ_ＡＢを加え、励磁コイルに電磁結合する検出コイル（二次コイル）の両端ＣＤに誘導される交流電圧Ｖ_ＣＤを検出して可動部の変位を検出する。

本発明に係る高圧気体吸着量測定装置はマイクログラムオーダーの重量変化を極めて正確に求めることを目的とするため、弾性体４０に吊り下げられる可動コア５１及びバスケットの重量は、なるべく軽いことが好ましい。吸着量と比べて可動コアとバスケットの重量の総和が極端に大きいと測定感度が低下してしまうためである。

具体的には、可動コアとして、市販の可動コアよりもサイズが小さく、バスケット４１に使用する石英もできる限り肉厚の薄いものを使用するとよい。こうすると、一般的な可動コアに対して約３割程度重量を減少することができた。

試作した差動コイルによるとコイルスプリングの移動量を４μｍ単位で求めることができ、これによって、マイクログラムオーダーの重量変化を求めることができた。

（高圧気体吸着量測定システムについて）
本システムで測定可能な気体の吸着剤は特に制限がないが、本システムは、その開発の背景として吸着特性の良い吸着剤として知られる「ナノポーラス物質」などの測定を想定したものである。ナノポーラス物質とは、〜５０ｎｍ程度の細孔径からなる細孔構造を持ちこのため比表面積が大きい物質であり、例えばカーボンナノチューブ、モレキュラーシーブ等がこれに該当する。また、吸着剤に吸着する物質は、高圧下の密閉容器に封入されるため、本明細書において「気体」というときは、超臨界気体などを含むものとする。

次に、本システムを用いた吸着量測定方法について図１及び図２を参照して説明する。

まず、容器２０のバスケット４１に吸着剤を設置する。次に、真空ポンプ（２ａ、２ｂ）により真空排気系ラインＬ２から容器内を脱気して真空状態に設定する。この状態で、差動トランスの励磁コイルに交流電圧を印加し、検出コイルの電圧（この電圧が基準電位となる。）を測定する。次に、ガス供給系ラインＬ１から吸着ガスを所定の圧力となるまで導入する。また、必要により、恒温槽３の温度制御装置により、所定の温度とする。ガスの導入により吸着剤にガスが吸着し、可動コア５１が下方へ移動し平衡状態で停止する。ガス導入前後の検出コイルの電圧差から可動コア５１の移動量すなわちコイルスプリングの伸長量が求められ、予め求めておいた伸長量と重さの関係から演算装置６０において吸着剤に吸着した気体の重量が求められる。

なお、厳密にいうと吸着剤は高圧気体雰囲気下におかれているため、浮力を受けている。このため、より精度良く吸着量を求めるためには、いわゆる浮力補正が必要となる場合もある。浮力補正は公知の方法により容易に計算できるためここでは説明を省略する。演算装置６０に予め浮力補正の計算式を入れておき、補正値を自動計算するようにしてもよい。

以上のような測定を繰り返し、等温線（吸着量と圧力の関係を示すグラフ）など各種のデータを求め、吸着剤の特性を解析することに役立てることができる。

本システムによると、吸着量がまず電圧として求められた後、重量に変換されるので、扱う物理量が電圧という点において、従来のような光学的に移動量を求めるものと比べ、システム化が容易である。また、差動トランスによる測定は、光学式の変位測定装置と比べ測定感度及び測定範囲が共に大きいという利点もある。さらに、光学式の変位測定装置を用いた従来の測定装置に比べて一層小型に製造でき、しかも安価に提供することができる。

本発明に係る気体吸着量測定装置は、燃料電池などの分野で注目されている高圧気体吸着剤の吸着量を正確に測定する用途に用いることができる。また、燃料電池など以外の分野、例えば、半導体製造技術の分野で現在研究が進められている低誘電体薄膜などの多孔度特性を測定することなどに適用することもできる。

本発明の気体吸着量測定システムの一実施例を示す図である。本発明の気体吸着量測定装置の概要を示す図である。本発明の気体吸着量測定装置の断面図を示す図である。差動トランスの動作原理を示すための図である。

符号の説明

１０高圧気体吸着量測定装置
２０容器
３０ガス導入部
７０、８０測定雰囲気設定装置
４０弾性体
４１保持部
５０計測装置
５１可動コア
５２励磁コイル
５３検出コイル
６０演算装置
Ｐ圧力計

Claims

試料に対する高圧気体の吸着量を測定するための測定装置（１０）であって、ガス導入部（３０）を備えた容器（２０）と、前記容器の内部を前記気体の雰囲気に設定するための測定雰囲気設定装置（７０、８０）と、前記容器の内部に吊り下げられ下端に前記試料を保持するための保持部（４１）を接続した弾性体（４０）と、前記弾性体の伸長量を計測するための計測装置（５０）と、前記圧力値並びに前記伸長量に基づいて前記吸着量を算出し、前記圧力値と前記吸着量との関係から等温線を求めるための演算装置（６０）とを備えており、前記計測装置が差動トランス式位置計測器（５０）より構成されることを特徴とする気体吸着量測定装置。
前記容器（２０）の内壁部材の一部又は全部、及び前記弾性体（４０）の少なくともいずれか一つがステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１記載の気体吸着量測定装置。
請求項１に記載の気体吸着量測定装置にガス供給系ライン（Ｌ１）及び／又は真空排気系ライン（Ｌ２）を接続した気体吸着量測定システムであって、少なくとも前記気体吸着量測定装置（１０）が恒温槽（３）に納められ、一定温度で測定できるようにしたことを特徴とする気体吸着量測定システム。