JP2006343313A - 水素炎を利用した可搬型測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 試料中の特定成分の濃度を、水素炎を利用した検出器を用いて連続的に測定する測定装置2であって、燃料ガスとして水素吸蔵合金を有する水素供給手段11を用い、助燃ガスとして空気精製手段13を用いるとともに、装置2の電力供給手段としてバッテリーを用いることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
図1は、本発明を利用した装置の具体的な実施形態の1つであるFID分析計が搭載された可搬型自動車排気ガス中の炭化水素測定装置を示す。具体的には、試料採取管1aと一次フィルタ1bからなる試料採取部1と、FID分析計が搭載された可搬型測定装置2および両者を接続する試料導入管3とからなる。可搬型測定装置2に供給される電源は内蔵されるバッテリー(図示せず)を利用する。
図2は、上記可搬型自動車排気ガス中の炭化水素測定装置において減圧式FID分析計が搭載された場合を示す。具体的には、FID分析計9の後段にバッファタンク15を介してポンプ5を設け、同じくバッファタンク15接続されるバックプレッシャレギュレータ7dによって、FID分析計9を所定の圧力(例えば、−0.005MPaなど)に制御している。バックプレッシャレギュレータ7dは、フィルタ4dを介して吸引される空気によって所定の圧力を維持すること可能となる。
FID分析計9においては、例えば、図3に例示するような構造を有する検出器20の燃焼室21において、燃料ガス(試料検出時は試料と水素が混合されたガスとなる)が導入口22aから供給され、助燃ガスである空気が導入口22bから供給されることによって、高絶縁性のブロック23と一体に形成されたステンレス製のノズル24の先端部から図示する形状の水素炎が形成される。ノズル24はリード24aを介して高圧電源25と接続し、ブロック23の燃焼室21内面には導電体26(例えば金メッキ層などで形成されている)が設けられ、リード26a、高抵抗体26bと増幅器26cを介して電圧記録計(図示せず)に接続されている。
このとき、図4(A)のように、ノズル24の先端部24bの形状がフラットであり、かつノズル先端部24bの燃料ガス噴き出し部24cの流路径Daをノズル24の内部の流路径Dbよりも小さくすることが好ましい(ノズルA)。こうした構造によって、図3に例示するようなノズル24の内部の流路径Dbのまま噴出する従前のノズルを用いた場合と比較して、燃料ガス流量および助燃ガス流量を低い条件に設定した場合においても略同等の特性を得ることが判った。つまり、燃料ガスおよび助燃ガスの供給量を低くしても、検出感度を確保し、いわゆる炭化水素の相対感度などのFIDやFPDの所定の特性を確保することができるとの知見を得た。これによって、簡便な構成によって長時間の測定が可能な汎用性の高い可搬型の水素炎を利用した測定装置を提供することが可能となった。
標準設定条件を約50mL/minと設定し、ノズルAとノズルBを用い燃料流量を約30〜70mL/minの範囲で変化させた場合の検出感度および燃料流量特性を求めた結果を図5(A)および(B)に示す。
検出感度はノズルAが約20%程度高く、流量特性としては、ノズルBについてこの範囲では高い安定性を示している。ノズルAについては、さらに低流量域において検出感度の上昇および安定領域(プラトー領域)の存在が推考できる。
標準設定条件を約50mL/minと設定し、試料中の酸素濃度を0%(窒素ガスベース)と酸素21%(空気ベース)に変化させ、ノズルAとノズルBを用い燃料流量を約30〜70mL/minの範囲で変化させたときの検出感度の変化量つまり酸素干渉特性を求めた結果を図6(A)および(B)に示す。
ノズルAについては、燃料流量の変化範囲内において±約20%以内に収まっている。一方、ノイズBについては、燃料流量の変化範囲内において±約40%程度となり、干渉影響が大きくなっている。
基準の炭化水素をプロパン(C3H8)とし、CH4、C2H2、プロピレン(C3H6)、n−ヘキサン(n−C6H14)およびトルエン(C7H8)について測定し、これらの1炭素原子当りの検出感度から相対感度を求め、図7(A)および(B)に示す。
ノズルAについては、C3H8=1に対し、0.9〜1.1の範囲内に収まっている。一方、ノイズBについては、C2H2およびCH4に対して、それを超えるバラツキが生じている。
上記のように、検出器のノズル24の先端部24bの形状については、FID分析計9の諸特性に影響を与えている。本発明に係る測定装置の要求特性として、燃料ガスの消費量の低減を目的とした場合には、ノズルAの形状が好ましいことが判った。また、上記のように低流量域において安定領域(プラトー領域)の存在が推考できることから、燃料ガス流量の低減効果は高いといえ、従前では困難であった30mL/min以下での使用も可能となった。さらに、自動車排気ガスのように燃焼排ガスの測定においては、試料中に種々の炭化水素の存在の可能性があることから、相対感度のよいノズルAの形状が好ましい。一方、大気中の炭化水素測定のように、バックグランドが安定し酸素干渉を無視することができ、主成分がCH4と知られている場合においては、燃料流量に対して広いプラトー領域を有するノズルBの形状が好ましい。
水素供給手段11を構成する水素吸蔵合金とは、水素に出会うと発熱しながら水素を吸収し、逆に熱を加えると水素を放出する可逆特性を有する合金をいい、具体的には、チタン−鉄系、La−Ni系、マグネシウム−ニッケル系などの合金を挙げることができる。水素吸蔵合金の種類によって、金属結合型水素化物、共有結合型水素化物あるいはイオン結合型水素化物などの金属水素化物を形成し、高圧ガス容器に封入した場合に比較して、約6〜7倍の密度の水素収容能力を有している。従って、水素供給手段11の小型化・軽量化を目的とする本発明に係る測定装置に対して非常に有効な手段となる。また、こうした高密度の水素吸蔵特性に加え、水素吸蔵合金には、以下に示すような種々の優れた特性があり、本発明においては、その特性を有効に活かすことによって、優れた機能を実現している。
水素吸蔵合金は、水素と選択的に反応して高純度の金属水素化物を形成するとともに、高純度の原料水素を吸蔵することから、超高純度(99.999%以上)で安定した水素の放出が可能となる。従って、例えば上記のようなFID分析計9の燃料ガスとして利用した場合においては、30ml/min以下の小流量の水素消費が実現できる。また、こうした合金の水素選択吸収機能により超高純度の水素が得られるため、燃料ガスラインにチャコールフィルタなどの精製手段を設置する必要がなくなる。具体的には、表2に示すように、燃料ガス供給開始直後において含まれる微量不純物についても、水素供給手段11を含む測定装置の暖機時間経過後には検知できないレベルまで低下することから、図1あるいは図2に示すフィルタ4bを配設しない構成も可能となる。
操作温度における解離圧が0.2〜0.5MPa程度であり、放出温度を略一定にしておけば、水素吸蔵合金から放出される水素の圧力を安定させることができる。つまり、低圧容器(1MPa未満)を利用することによって、高圧に対する危険性を取り除くことができ安全性を増すことが可能となった。また、高圧容器(1MPa以上)の場合には、分析計へ導入する際の減圧機構として二段減圧とすることを余儀なくされていたが、充填圧力として、1MPa未満の低圧の水素吸蔵合金の封入された小型容器を利用することで一段減圧が実現可能となった。さらに、1MPa未満の充填圧力であるため一般ユーザーにおいても容易に再充填が可能となり、高圧ガス容器に必要としていたランニングコストの低減、高圧ガス搬入出に関わる労力の軽減、および高圧ガスの製作から搬入までの納期の短縮を実現することが可能となった。
可搬型の測定装置を構成する上においては、高温での操作が必要となれば、供給電源の容量のアップや高温の形成・維持のための部材の追加などによって小型化に対する障害となる。本発明においては、標準分解温度が50℃程度以下の金属結合型水素化物でAB5系を基本組成とした水素吸蔵合金を利用することが好適である。これによって、水素供給手段を高温に加熱する必要性がなく、ほぼ常温での脱水素反応が可能となった。従って、分析計および配管系を高温型仕様にすることなく、測定装置の簡素化および省電力設計が可能となった。
初期活性とは水素を初めて金属に吸蔵することをいい、水素吸蔵合金は、吸蔵に対する高い活性度を有するとともに、温度を操作要素として吸蔵した水素を迅速に放出することができる。金属水素化物が有する特性を有効に活かしたもので、可逆的に何度も利用することができることから、高い資源の利用性を有し、ランニングコストを抑えることも可能となる。また、水素吸蔵合金における吸蔵および放出過程の間での平衡水素圧力の差(ヒステリシス)が小さい点についても、可逆的に再使用を行う操作上優れた特性といえる。さらに金属を主体とした合金であることから、良好な熱伝導性を有しており加熱あるいは冷却などの操作を容易に行うことができる。
水素吸蔵合金は、温度を操作要素として吸蔵した水素を迅速に放出する一方、操作温度を安定化すれば、後述するように水素の放出速度は非常に安定となる。つまり、水素供給手段として捉えれば、水素供給量について幅の広いプラトー領域を有するとともに、その領域内での変化も少ないという優れた特性を有している。こうした特性をFID分析計の燃料ガス供給源として利用することによって、着火持続可能な圧カ範囲として水素の広範囲なプラトー領域を確保し、超高純度(99.999%以上)水素の定圧供給が可能となり、安定性の高い水素炎を利用した測定装置を形成することが可能となる。
水素吸蔵合金は、酸素、一酸化炭素、水分などの不純物に対する被毒に強く、優れた耐食性を有している。つまり、未使用状態においても水素供給手段に対して特別な処理を行う必要がなく、移動後に速やかな使用条件を確保する必要がある可搬型の測定装置への適用に好適である。
水素吸蔵合金タンク((株)日本製鋼所社製MHSC−50L;以下「MHタンク」という。)について、MHタンクの雰囲気温度を変化させた場合の水素放出特性を確認した。
MHタンクを収納容器内に配置し、収納容器の雰囲気温度を変化させる。MHタンクから放出された水素は圧力調整器によって圧力を調整され、キャピラリーに送られ、流量調整された上で流量を測定される(流量0.1L/min以下の時は制御なし)。
a.20℃に保った水槽中にMHタンクを浸け、1MPaで水素を導入して水素を満充填する。
b.内部温度を規定値としたインキュベータ内に満充填済みのMHタンクを移し、放出配管に接続する。
c.MHタンク全体が一定温度となるように1時間程度放置した後、バルブを開けて放出を開始する。
d.水素流量がほぼ0となった時点で放出試験を終了する。
各放出温度における流量特性を図8に、積算流量特性を図9に示す。定常領域では0.085L/minの流量で放出されていた。雰囲気温度が高くなるほど定常放出時間が長くなる傾向が見られた。20℃と40℃の流量曲線および積算流量曲線がほとんど重なることから、MHタンクの雰囲気温度が20℃以上であれば定常流量でほぼ空になるまで放出可能であるといえる。10℃では2時間弱経過後から流量が落ち始めるが、6時間以上まで0.05L/minの流量を保っている。一方、0℃では、水素を放出し終わる前に圧カが落ちて流量が0.05L/min以下となった。
図1および図2においては、水素供給手段の使用方法として、停止弁12を介してチャコールフィルタなどのフィルタ4bによって不純物を除去した後、定流量化を行う方法を例示している。しかしながら、水素吸蔵合金製作時の残留物や水素供給手段11を構成する部材表面から発生する微量の炭化水素や硫黄化合物などは、燃料ガス供給開始直後においては、ppmオーダ以下であるが微量含まれ、所定時間経過後殆ど検知できないレベルまで低下することが判った。
1a 試料採取管
1b 一次フィルタ
2 可搬型測定装置
3 試料導入管
4a 二次フィルタ
4b、4c、4d フィルタ
5、5a、5c ポンプ
7a、7b、7c 圧力調整器
7d バックプレッシャレギュレータ
8a、8b、8c、8d 絞り弁
9 分析計
10 流量センサ
11 水素供給手段
12 停止弁
13 空気精製手段
14 加熱ユニット
15 バッファタンク
Claims (5)
- 試料中の特定成分の濃度を、水素炎を利用した検出器を用いて連続的に測定する測定装置であって、燃料ガスとして水素吸蔵合金を有する水素供給手段を用い、助燃ガスとして空気精製手段を用いるとともに、装置の電力供給手段としてバッテリーを用いることを特徴とする水素炎を利用した可搬型測定装置。
- 前記水素供給手段から検出器に供給される水素の流路に単一の減圧機構を有することを特徴とする請求項1記載の水素炎を利用した可搬型測定装置。
- 前記水素吸蔵合金がAB5系の水素吸蔵合金を基本組成とすることを特徴とする請求項1または2記載の水素炎を利用した可搬型測定装置。
- 前記検出器における水素炎形成用のノズル先端部がフラットであり、かつノズル先端部の燃料ガス噴き出し部の流路径をノズル内部の流路径よりも小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の水素炎を利用した可搬型測定装置。
- 装置の暖機時間内に前記水素供給手段中に含まれる不純物を検出することによって、前記検出器の動作チェックを行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の水素炎を利用した可搬型測定装置。
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