JP2005127969A - ガス分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】 水蒸気濃度及びガス温度が変化した場合でも、精度良く水素ガス濃度を測定できるガス分析計を提供すること。
【解決手段】 ガス分析計（３９）は、燃料電池において燃料ガスが供給される配管（４１）に取り付けられて、燃料ガス中の水素濃度を測定するものである。このガス分析計（３９）は、配管（４１）から燃料ガスを導入する分岐路（４３）と、配管（４１）からガス分析計（３９）内に燃料ガスを吸引するためのポンプ部（４５）と、ポンプ部（４５）により導入された燃料ガスの除湿を行う除湿部（４７）と、除湿部（４７）により除湿された燃料ガスを加湿する加湿部（４９）と、水素センサ（３５）を配置したセンサ配置部（５１）と、加湿部（４９）及びセンサ設置部（５１）の温度調節を行う温度調節部（５３）と、水素濃度を測定した燃料ガスを排出する配管である排出部（５５）とを備えている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば燃料電池中やガス評価装置中における水素ガスの濃度を好適に測定できるガス分析計に関する。

近年、環境・自然保護などの社会的要求から、高効率でクリーンなエネルギー源として、燃料電池の研究が活発に行われている。その中で、低温作動、高出力密度等の利点により、自動車用や家庭用として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が期待されている。

この燃料電池の場合、燃料ガスとして、天然ガスやメタノール等を改質して得られる水素の使用が有望とされているが、より効率等を向上させるために、改質ガス中の水素濃度を直接検知できるセンサが必要になってくる。

この様なセンサとして、例えば、アルミナセラミックス等の絶縁体で形成された支持体で、プロトン伝導層並びに第１電極及び第２電極を狭持する構造の水素センサが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−２１５２１４号公報 （第２頁、第２図）

しかしながら、上述した水素センサを用いて燃料電池中の水素濃度の測定を行う場合には、センサ出力は被測定ガスの水蒸気濃度及びガス温度の影響を受けるので、測定精度が悪化するという問題があった。

具体的には、上述した水素センサは、被測定ガスの水蒸気濃度が増加すると、センサ出力が増加する特性がある。プロトンはプロトン伝導層中を水分子を伴って移動し、被測定ガスの水蒸気濃度が増加すると、プロトンの移動と共にポンピングされる水分子の数が増加する。これにより、測定室内の水蒸気濃度が減少する。このため、水蒸気濃度が減少した分だけ、測定室内に新たな被測定ガスが導入される。この結果、測定室に導入される水素分子の数も増加することになり、センサ出力が増加すると考えられる。

また、燃料電池内部は高い湿度の状態に保たれているので、燃料ガスの水素濃度を検出する水素センサもその様な状況に晒されることになるが、この高湿の状態では、結露した水分が拡散律速部を塞ぐ可能性があり、その場合には、センサ性能が大きく低下してしまう。

つまり、水素センサの性能は、被測定ガスの水分量に依存する性質があり、しかも、拡散律速部が結露した水によって塞がれた場合には、センサ性能が大きく低下するという問題があった。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、被測定ガスの水蒸気濃度及びガス温度が変化した場合でも、精度良く水素ガス濃度を測定できるガス分析計を提供することである。

（１）請求項１の発明は、高分子電解質からなるプロトン伝導層と、前記プロトン伝導層の一方の側に接して設けられた第１電極と、前記プロトン伝導層の他方の側に接して設けられた第２電極と、前記第１電極と被測定ガス雰囲気との間に設けられた拡散律速部と、前記拡散律速部と連通して前記第１電極を含む測定室と、を有し、前記被測定ガス雰囲気側から前記拡散律速部を介して前記測定室に導入された被測定ガス中の水素ガスを、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより解離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプロトンを前記プロトン伝導層を介して前記第１電極側から前記第２電極側へ汲み出すことにより生じる電流に基づいて、前記水素ガスの濃度を求める水素センサと、前記被測定ガスを、前記水素センサ側に導入するガス導入手段（例えば分岐路やポンプ）と、前記ガス導入手段によって前記水素センサ側に導入される前記被測定ガスを、所定湿度に調節する湿度調節手段（例えば除湿器や加湿器）と、前記ガス導入手段によって前記水素センサ側に導入される前記被測定ガスを、所定温度に調節する温度調節手段（例えばヒータ）と、を備えたことを特徴とするガス分析計を要旨とする。

本発明では、基本的に、被測定ガス雰囲気側から測定室に導入された被測定ガス中の水素ガスを、第１電極と第２電極との間に電圧（例えば限界電流を発生させる様な十分なポンプ電圧）を印加することにより、解離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプロトン（Ｈ⁺）を、プロトン伝導層を介して第１電極側から第２電極側へ汲み出すことにより生じる電流（例えば限界電流）に基づいて、水素ガスの濃度を求める。

特に、本発明では、水素ガス濃度の測定のために、ガス導入手段によって被測定ガスを水素センサ側（従って測定室）に導入し、その際には、導入する被測定ガスの湿度を湿度調節手段によって調節するとともに、被測定ガスの温度を温度調節手段によって調節する。

これによって、湿度及び温度を適切な所定の範囲に設定できるので、被測定ガスの湿度や温度の変動を排除でき、精度良く水素ガス濃度を測定することができる。
つまり、上述の様に、水素センサの性能は水分量に依存し、また、結露した水分が拡散律速部を塞ぐ可能性があるが、本発明では、湿度及び温度を適切な範囲に設定できるので、その様な問題を解決して、精度良く水素ガス濃度を測定することができる。

尚、湿度調節手段は、被測定ガスを測定室に導入する前に湿度調節することができるので、この湿度調節された被測定ガスの温度を調節することにより、所望の湿度及び温度に調節された被測定ガスとして、その水素ガスの濃度を精度良く求めることができる。

（２）請求項２の発明は、前記ガス導入手段は、前記被測定ガスが流れる主管路から分岐する導入路と、該導入路に配置されて前記主管路から前記分岐路側に前記被測定ガスを吸引するポンプ部と、を備えたことを特徴とする前記請求項１に記載のガス分析計を要旨とする。

本発明は、ガス導入手段を例示したものである。本発明では、導入路に配置したポンプ部を作動させることにより、被測定ガスを主管路から導入路を介して、水素センサ側に所望のタイミングで（例えば常時）導入することができる。

（３）請求項３の発明は、前記湿度調節手段は、前記ガス導入手段により導入された被測定ガスの除湿を行う除湿部と、該除湿部から排出された除湿後の被測定ガスの加湿を行う加湿部と、を備えたことを特徴とする前記請求項１又は２に記載のガス分析計を要旨とする。

本発明は、湿度調節手段を例示したものである。つまり、除湿部にて、被測定ガスの湿度を一旦低下させ、その湿度が低下した被測定ガスを、加湿部にて加湿するので、容易に、好ましい湿度範囲に設定することができる。

（４）請求項４の発明は、前記温度調節手段により、少なくとも前記水素センサを配置した領域の温度調節を行うことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載のガス分析計を要旨とする。

本発明では、水素センサを配置した領域の温度調節を行うので、被測定ガスの温度を所望の好ましい温度範囲に設定することができる。
（５）請求項５の発明は、前記温度調節手段により、少なくとも前記加湿部及び前記水素センサを配置した領域の温度調節を行うことを特徴とする前記請求項３に記載のガス分析計を要旨とする。

本発明では、加湿部及び水素センサを配置した領域の温度調節を行うので、被測定ガスの温度を所望の好ましい温度範囲に容易に設定することができる。
（６）請求項６の発明は、前記ガス導入手段によって前記水素センサ側に導入された前記被測定ガスの温度を、３０℃以上８０℃以下の温度範囲に制御することを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載のガス分析計を要旨とする。

本発明は、前記温度調節手段を駆動して制御される好ましい温度範囲を例示したものである。ここで、温度が３０℃以上であれば、湿度調節が容易であり、また、温度が８０℃以下であれば、水素センサを構成する部材の耐久性の低下を抑制できる。

（７）請求項７の発明は、前記ガス導入手段によって前記水素センサ側に導入された前記被測定ガスの湿度を、２０％ＲＨ以上１００％ＲＨ未満の湿度範囲に制御することを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載のガス分析計を要旨とする。

本発明は、前記湿度調節手段を駆動して制御される好ましい湿度範囲（相対湿度）を例示したものである。ここで、湿度が２０％ＲＨ以上であれば、水素センサのインピーダンスが十分に小さく、水素センサが好適に作動し、また、湿度が１００％ＲＨ未満であれば、結露を防止できる。

（８）請求項８の発明は、前記ガス分析計は、燃料電池中又はガス評価装置中における水素ガス濃度の検出に用いられるものであることを特徴とする前記請求項１〜７のいずれかに記載のガス分析計を要旨とする。

本発明は、ガス分析計の用途を例示したものである。
尚、前記水素センサの構成としては、前記プロトン伝導層、第１電極、第２電極、（更には参照電極）、及び拡散律速部が、支持体により支持される構成を採用できる。

次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について説明する。

本実施例では、ガス分析計として、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料ガス中の水素ガスの濃度測定に用いられるガス分析計を例に挙げる。
ａ）まず、本実施例のガス分析計の構成のうち、水素センサの素子アッセンブリについて、図１に基づいて説明する。尚、図１は、素子アッセンブリの長手方向の要部断面図である。

図１に示す様に、本実施例のガス分析計における水素センサの素子アッセンブリ１では、プロトン伝導層３の一方の面（同図の上面）に第１電極５が設けられ、プロトン伝導層３の他方の面（同図の下面）に第２電極７が設けられ、それらは、第１支持体９及び第２支持体１１からなる一対の支持体１３に挟まれるようにして支持されている。

また、第１電極５は、第１支持体９に覆われるとともにその（測定室を構成する）第１凹部１５内に配置され、第２電極７は、第２支持体１１に覆われるとともにその第２凹部１７内に配置されている。

以下、各構成について詳しく説明する。
前記プロトン伝導層３は、高分子電解質からなり、一方の面側から他方の面側に、即ち第１電極５側から第２電極７側に、プロトン（Ｈ⁺）を移動させることができるものである。そのプロトン伝導層３の材料としては、比較的低温（例えば１５０℃以下）で作動するものが良く、例えばフッ素樹脂である「Ｎａｆｉｏｎ」（デュポン社の商標）等を採用できる。

前記第１電極５及び第２電極７は、カーボンを主成分とする多孔質電極であり、プロトン伝導層３に接する側には貴金属触媒を含む層（図示せず）が塗布により形成されている。つまり、第１電極５は、プロトン伝導層３に接する側に、例えば白金、ルデニウム、又は金等の貴金属の触媒を担持したカーボンからなる多孔質電極である。

また、前記第１電極５及び第２電極７は、それぞれリード部１９、２１を介して、電源（電池）２３等を含む回路に接続されている。そして、この電池２３によって、第１電極５と第２電極７との間にポンプ電圧が印加され、電流計２５によって、第１電極５から第２電極７に流れる電流（例えば限界電流）が測定できるようになっている。

前記支持体１３は、例えばアルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁体であり、セラミックス等の無機絶縁体以外に、樹脂等の有機絶縁体を採用できる。
この支持体１３のうち、第１支持体９には、周囲の被測定ガス雰囲気と測定室１５とを連通する拡散律速部２７が設けられている。この拡散律速部２７は、被測定ガスである燃料ガス（従って水素ガス）を測定室１５側に導入するとともに、その拡散を律速する小さい連通孔（拡散律速孔）である。

一方、第２支持体１１には、被測定ガス雰囲気と第２凹部１７側とを連通するガス排出部２９が設けられている。このガス排出部２９は、周囲の被測定ガス雰囲気と第２凹部１７側とを連通する空孔である。

そして、上述した素子アッセンブリ１は、図２に示す様に、筒状の筐体３１内に固定されるとともに、その周囲を撥水性及びガス透過性を備えたプロテクタ３３に覆われて、水素センサ３５が構成される。

ｂ）次に、前記水素センサ３５を備えたガス分析計について、図３に基づいて説明する。
図３に示す様に、本実施例のガス分析計３９は、燃料電池において燃料ガスが供給される配管（主管路）４１に取り付けられて、燃料ガス中の水素濃度を測定するものである。

このガス分析計３９は、配管４１から燃料ガスを導入する分岐路４３と、配管４１からガス分析計３９内に燃料ガスを吸引するためのポンプ部４５と、ポンプ部４５により導入された燃料ガスの除湿を行う除湿部４７と、除湿部４７により除湿された燃料ガスを加湿する加湿部４９と、水素センサ３５を配置したセンサ配置部５１と、加湿部４９及びセンサ設置部５１の温度調節を行う温度調節部５３と、水素濃度を測定した燃料ガスを排出する配管である排出部５５とを備えている。以下、各構成について説明する。

前記ポンプ部４５は、燃料電池の作動時に常時作動するポンプにより構成されている。
前記除湿部４７は、その下流側の加湿部４９によって湿度調節するために、燃料ガスを一旦除湿するためのものであり、周知の除湿器により構成されている。

前記加湿部４９は、例えばバブラにより構成されており、バブラ水温を測定し、一定の温度（例えば６０℃）となる様に、温度調節部５３によりその温度が調節される。従って、一定の温度にて、前記除湿部４７にて除湿された燃料ガスに対して、バブリングを行うことにより加湿して、所定の湿度とすることができる。

前記センサ設置部５１は、導入路５７に水素センサ３５が取り付けられた構成を有している（図４参照）。このセンサ設置部５１では、結露を防止するために、燃料ガスの導入路５７内のガス温度を測定し、加湿部４９内の温度よりも少し高い温度（例えば８０℃）となるように、温度調節部５３によりその温度が調節される。従って、このセンサ設置部５１にて、燃料ガスは、最終的に、所定の温度範囲（例えば３０〜８０℃）で且つ所定の湿度範囲（２０％ＲＨ以上１００％ＲＨ未満）に調節されることになる。

前記温度調節部５３は、加湿部４９の周囲を断熱材５９で覆う構成と、センサ設置部５１の周囲を覆う断熱材６１との構成を備えるとともに、加湿部４９及びセンサ設置部５１をそれぞれ異なる所定温度に加熱するために、例えばリボンヒータ等のヒータ（図示せず）をそれぞれ備えている。従って、各ヒータの制御を行うことにより、加湿部４９及びセンサ設置部５１の温度を別個の所定温度（例えば６０℃と８０℃）に保つことができる。

ｃ）次に、本実施例のガス分析計３９の動作について説明する。
尚、ガス分析計３９の動作は、周知のマイクロコンピュータを備えた電子制御装置（図示せず）により制御される。

まず、燃料電池の作動中に、ポンプ部４５を駆動させて、配管４１から燃料ガスを分岐路４３を介してガス分析計３９側に汲み入れ、除湿部４７及び加湿部４９やヒータ等により、センサ設置部５１における燃料ガスの温度及び湿度を所望の範囲、例えば温度８０℃、湿度４２％ＲＨに制御する。

また、水素センサ３５においては、電池２３により第１電極５と第２電極７間に十分なポンプ電圧を印加し、測定室１５内に導入された燃料ガス中の水素ガスを、解離又は分解もしくは反応させ、発生したプロトンをプロトン伝導層３を介して第１電極５から第２電極７へ汲み出すことにより電流（限界電流）を発生させる。従って、この電流により、センサ配置部５１における燃料ガス中の水素濃度を求めることができる。

ここで、燃料電池内部は高湿の状態に保たれており、よって、（従来では）水素センサ３５もその様な状況に晒されることになり、例えば結露した水分により、拡散律速部２７が塞がれることになる。

しかし、本実施例では、上述した様に、ガス分析計３９に導入された燃料ガスは、所定の温度及び湿度に制御されるので、結露が発生せず、そのため拡散律速部２７が結露した水分により塞がれることがない。

また、プロトン伝導層３（従って水素センサ３５）の性能は、上述した様に水分量の影響を受けるが、本実施例では、ガス分析計３９に導入された燃料ガスは、所定の温度及び湿度に制御されるので、プロトンの伝導性を十分に発揮でき、水分量による影響を排除することができる。

従って、本実施例のガス分析計３９は、水分量が変化した場合や、水分量が非常に多い様な状況下であっても、常に精度良く燃料ガス中の水素濃度を検出できるという顕著な効果を奏する。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

実施例のガス分析計に用いる水素センサの素子アッセンブリを破断して示す説明図である。 実施例のガス分析計に用いる水素センサを破断して示す説明図である。 実施例のガス分析計を示す説明図である。 実施例のガス分析計のセンサ配置部を破断して示す説明図である。

符号の説明

１…素子アッセンブリ
３…プロトン伝導層
５…第１電極
７…第２電極
１５…第１凹部（測定室）
２７…拡散律速部
３５…水素センサ
３９…ガス分析計
４１…配管
４３…分岐路
４５…ポンプ部
４７…除湿部
４９…加湿部
５１…センサ配置部
５３…温度調節部

Claims (8)

1. 高分子電解質からなるプロトン伝導層と、前記プロトン伝導層の一方の側に接して設けられた第１電極と、前記プロトン伝導層の他方の側に接して設けられた第２電極と、前記第１電極と被測定ガス雰囲気との間に設けられた拡散律速部と、前記拡散律速部と連通して前記第１電極を収容する測定室と、を有し、前記被測定ガス雰囲気側から前記拡散律速部を介して前記測定室に導入された被測定ガス中の水素ガスを、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより解離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプロトンを前記プロトン伝導層を介して前記第１電極側から前記第２電極側へ汲み出すことにより生じる電流に基づいて、前記水素ガスの濃度を求める水素センサと、
   前記被測定ガスを、前記水素センサ側に導入するガス導入手段と、
   前記ガス導入手段によって前記水素センサ側に導入される前記被測定ガスを、所定湿度に調節する湿度調節手段と、
   前記ガス導入手段によって前記水素センサ側に導入される前記被測定ガスを、所定温度に調節する温度調節手段と、
   を備えたことを特徴とするガス分析計。
2. 前記ガス導入手段は、前記被測定ガスが流れる主管路から分岐する導入路と、該導入路に配置されて前記主管路から前記分岐路側に前記被測定ガスを吸引するポンプ部と、を備えたことを特徴とする前記請求項１に記載のガス分析計。
3. 前記湿度調節手段は、前記ガス導入手段により導入された被測定ガスの除湿を行う除湿部と、該除湿部から排出された除湿後の被測定ガスの加湿を行う加湿部と、を備えたことを特徴とする前記請求項１又は２に記載のガス分析計。
4. 前記温度調節手段により、少なくとも前記水素センサを配置した領域の温度調節を行うことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載のガス分析計。
5. 前記温度調節手段により、少なくとも前記加湿部及び前記水素センサを配置した領域の温度調節を行うことを特徴とする前記請求項３に記載のガス分析計。
6. 前記ガス導入手段によって前記水素センサ側に導入された前記被測定ガスの温度を、３０℃以上８０℃以下の温度範囲に制御することを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載のガス分析計。
7. 前記ガス導入手段によって前記水素センサ側に導入された前記被測定ガスの湿度を、２０％ＲＨ以上１００％ＲＨ未満の湿度範囲に制御することを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載のガス分析計。
8. 前記ガス分析計は、燃料電池中又はガス評価装置中における水素ガス濃度の検出に用いられるものであることを特徴とする前記請求項１〜７のいずれかに記載のガス分析計。

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