JP2008107181A

JP2008107181A - 燃料電池評価装置

Info

Publication number: JP2008107181A
Application number: JP2006289546A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Shintani; 幸弘新谷; Daisuke Yamazaki; 大輔山崎; Nobuhiro Tomosada; 伸浩友定; Atsushi Kimura; 篤史木村
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態であっても成分分離が可能な燃料電池評価装置を実現する。
【解決手段】燃料電池の排出ガスを質量分析して評価する燃料電池評価装置において、燃料電池の排出ガスが供給される質量分析計と、この質量分析のマススペクトルから質量電荷比が重ならない低分子ガスの同位体の検出強度を抽出し、同位体比に基づき他方の同位体の検出強度を算出し、他方の同位体と同一質量電荷比内の他の成分の検出強度を算出し、フラグメント形態の存在比に基づき同一成分内のフラグメント形態の検出強度を算出する演算制御手段とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池の排出ガスを質量分析して評価する燃料電池評価装置に関し、特に同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）であっても成分分離が可能な燃料電池評価装置に関する。

従来の水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池の排出ガス等を質量分析する分析装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００３−２３２７２０号公報特開２００４−１２５５７６号公報特開２００４−１５７０５７号公報特開２００４−２７３１５１号公報特開２００５−１５００２７号公報

図３は従来の燃料電池評価装置の一例を示す構成ブロック図である。図３において１は評価対象である水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池、２は流れるガスの流量を調節する流量制御器、３は質量分析計である。

燃料電池１からの排出ガスの排出口は図３中”ＰＰ０１”に示す配管に接続され、図３中”ＢＲ０１”に示す分岐点で、図３中”ＰＰ０２”及び”ＰＰ０３”に示す２つの配管に分岐して、図３中”ＰＰ０３”に示す配管は流量制御器２を介して質量分析計３のガス供給口に接続される。

ここで、図３に示す従来例の動作を説明する。燃料電池１で発生した排出ガスは図３中”ＰＰ０１”に示す配管内を流れ、図３中”ＢＲ０１”に示す分岐点で分岐される。図３中”ＰＰ０３”に示す配管内を流れる排出ガスは流量制御器２によって質量分析計３の仕様に適した流量に調節され質量分析計３に導入される。

また、排出ガスを供給された質量分析計３は質量分析（Mass Spectrometry）を行いマススペクトル（Mass Spectrum）を求める。

質量分析とは、測定対象（排出ガス等の低分子ガス）をイオン化して真空中を運動させると共に電磁気力によってイオンを質量電荷比（ｍ／ｚ値）毎に分離して検出する分析手法であり、マススペクトルは、横軸に質量電荷比（ｍ／ｚ値）、縦軸にイオンの検出強度をとったスペクトルである。

すなわち、質量分析計３で得られたマススペクトルを解析することにより、燃料電池からの排出ガスの成分分布を把握することができ、得られた成分分布によって燃料電池の発電性能に関わる構成体の劣化状況を評価することができる。

また、測定対象（排出ガス等の低分子ガス）をＥＩ（電子衝撃）法によりイオン化する際には、イオン化条件によって測定対象（排出ガス等の低分子ガス）は、主に１価のプラスイオンとなり、この１価のプラスイオンの一部は更に分解してフラグメントイオンとなる。

そして、それぞれの１価のプラスイオンやフラグメントイオン（以下、フラグメント形態と呼ぶ。）が質量電荷比（ｍ／ｚ値）毎に分離されてマススペクトルとして検出されることになる。

この結果、燃料電池からの排出ガスの流量を調節して質量分析計に導入し、質量分析を行うことにより、当該排出ガスの成分分布を把握し、燃料電池の劣化状況を評価することが可能になる。

しかし、燃料電池の排出ガスの主成分は水素（Ｈ₂ ）、窒素（Ｎ₂ ）、酸素（Ｏ₂ ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）等であり、このような低分子ガスのフラグメント形態の質量電荷比（ｍ／ｚ値）は”５０以下”に集中しており、異なるフラグメント形態でありながら同じ質量電荷比（ｍ／ｚ値）となってしまう場合がある。

例えば、燃料電池の劣化に関わる成分として分析要求の高いのは一酸化炭素であり、この一酸化炭素のフラグメント形態の一つである”ＣＯ⁺ ”の質量電荷比（ｍ／ｚ値）は”２８”であるのに対して、窒素のフラグメント形態の一つである”Ｎ₂ ⁺”の質量電荷比（ｍ／ｚ値）もまた”２８”である。

このため、質量電荷比（ｍ／ｚ値）が”２８”のマススペクトルの検出強度は、一酸化炭素のフラグメント形態の一つである”ＣＯ⁺ ”と、窒素のフラグメント形態の一つである”Ｎ₂ ⁺”との検出強度の和となってしまい、通常の質量分析計では両者を分離することができないと言った問題点があった。

また、質量電荷比（ｍ／ｚ値）を小数点の位で検出することが可能な質量分析計を用いれば、上述の問題は解決できるものの、質量分析計自体の価格が高額になってしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態であっても成分分離が可能な燃料電池評価装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
燃料電池の排出ガスを質量分析して評価する燃料電池評価装置において、
燃料電池の排出ガスが供給される質量分析計と、この質量分析のマススペクトルから質量電荷比が重ならない低分子ガスの同位体の検出強度を抽出し、同位体比に基づき他方の同位体の検出強度を算出し、他方の同位体と同一質量電荷比内の他の成分の検出強度を算出し、フラグメント形態の存在比に基づき同一成分内のフラグメント形態の検出強度を算出する演算制御手段とを備えたことにより、同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態であっても成分分離が可能になる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である燃料電池評価装置において、
前記演算制御手段が、
前記質量分析計を制御して前記同位体比を測定させることにより、同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態であっても成分分離が可能になる。

請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明である燃料電池評価装置において、
予め測定した前記同位体比が前記演算制御手段に設定されていることにより、同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態であっても成分分離が可能になる。

請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明である燃料電池評価装置において、
前記同位体比が、
炭素の同位体比であることにより、同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態であっても成分分離が可能になる。

請求項５記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明である燃料電池評価装置において、
前記同位体比が、
酸素の同位体比であることにより、同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態であっても成分分離が可能になる。

請求項６記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明である燃料電池評価装置において、
前記同位体比が、
炭素及び酸素の両方の同位体比であることにより、同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態であっても成分分離が可能になる。

請求項７記載の発明は、
請求項１記載の発明である燃料電池評価装置において、
前記質量分析計が、
磁場型複数コレクター方式であることにより、マススペクトルの測定時間を短縮することが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４，５及び請求項６の発明によれば、マススペクトルから質量電荷比（ｍ／ｚ値）が重ならない低分子ガスの同位体の検出強度を抽出し、同位体比に基づき他方の同位体の検出強度を算出し、他方の同位体と同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）内の他の成分の検出強度を算出し、さらに、フラグメント形態の存在比に基づき同一成分内のフラグメント形態の検出強度を算出することにより、同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態であっても成分分離が可能になる。

また、請求項７の発明によれば、複数の質量電荷比（ｍ／ｚ値）の検出強度を同時に測定することが可能な磁場型複数コレクター方式の質量分析計を用いることにより、マススペクトルの測定時間を短縮することが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る燃料電池評価装置の一実施例を示す構成ブロック図である。図１において１，２及び３は図３と同一符号を付してあり、４は質量分析計３を制御すると共に同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態の成分分離を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算制御手段である。

燃料電池１からの排出ガスの排出口は図１中”ＰＰ１１”に示す配管に接続され、図１中”ＢＲ１１”に示す分岐点で、図１中”ＰＰ１２”及び”ＰＰ１３”に示す２つの配管に分岐して、図１中”ＰＰ１３”に示す配管は流量制御器２を介して質量分析計３のガス供給口に接続される。また、質量分析計３の出力は演算制御手段４に接続され、演算制御手段４からの制御信号が質量分析計３に接続される。

ここで、図１に示す実施例の動作を図２を用いて説明する。図２は演算制御手段５の動作を説明するフロー図である。但し、図３に示す従来例と同様の動作に関しては説明を省略する。

また、燃料電池１の排出ガスとしてフラグメント形態の質量電荷比（ｍ／ｚ値）が”１４”及び”２８”である窒素（Ｎ₂ ）と一酸化炭素（ＣＯ）の混合ガスを想定し、質量分析計３は演算制御手段４の制御により一酸化炭素の同位体比（¹³ＣＯ⁺、¹²ＣＯ⁺）を測定するものとする。

この時、窒素（Ｎ₂ ）のイオン化条件によってきまるフラグメント形態は主に、”Ｎ₂ ⁺ ”、”Ｎ⁺ ”及び”Ｎ₂ ²⁺ ”であり、質量電荷比（ｍ／ｚ値）はそれぞれ”２８”、”１４”及び”１４”である。

また、窒素（Ｎ₂ ）のフラグメント形態”Ｎ₂ ⁺ ”、”Ｎ⁺ ”及び”Ｎ₂ ²⁺ ”の存在比は、”１．０”、”１．５”及び”０．２”である。

同様に、一酸化炭素（ＣＯ）のイオン化条件によってきまるフラグメント形態は主に、”ＣＯ⁺ ”及び”ＣＯ²⁺ ”であり、質量電荷比（ｍ／ｚ値）はそれぞれ”２８”及び”１４”である。また、”¹³ＣＯ⁺ ”及び”¹²ＣＯ⁺ ”の質量電荷比（ｍ／ｚ値）はそれぞれ”２９”及び”２８”である。

さらに、一酸化炭素（ＣＯ）のフラグメント形態”ＣＯ⁺ ”及び”ＣＯ²⁺ ”の存在比は、”１．５”及び”１．０”である。

すなわち、”Ｎ₂ ⁺ ”の質量電荷比（ｍ／ｚ値）と、”ＣＯ⁺ ”の質量電荷比（ｍ／ｚ値）は”２８”で等しく、”Ｎ⁺ ”及び”Ｎ₂ ²⁺ ”の質量電荷比（ｍ／ｚ値）と、”ＣＯ²⁺ ”の質量電荷比（ｍ／ｚ値）は”１４”で等しくなっており、従来技術では両者の分離が不可能である。

図２中”Ｓ００１”において演算制御手段４は、質量分析計３を制御して一酸化炭素の同位体比を測定させ測定結果を取得し、図２中”Ｓ００２”において演算制御手段４は、質量分析計３を制御して燃料電池１の排出ガスを質量分析させてマススペクトル（質量電荷比及び検出強度）を取得する。

例えば、一酸化炭素の同位体比は、
¹³ＣＯ⁺：¹²ＣＯ⁺＝１：１００（１）
であるとする。

図２中”Ｓ００３”において演算制御手段４は、マススペクトルから質量電荷比（ｍ／ｚ値）が重ならない方の同位体の検出強度を抽出し、図２中”Ｓ００４”において演算制御手段４は、取得した同位体比に基づき他方の同位体の検出強度を算出する。

例えば、質量電荷比（ｍ／ｚ値）が重ならない一酸化炭素の同位体は”¹³ＣＯ⁺ ”であり、マススペクトルから抽出した質量電荷比（ｍ／ｚ値）が”２９”の検出強度が”１５”であるとする。

このため、他方の同位体である”¹²ＣＯ⁺ ”の検出強度は、式（１）に示す比率から”１５００”と算出される。

図２中”Ｓ００５”において演算制御手段４は、他方の同位体と同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）内の他の成分の検出強度を算出する。

例えば、”Ｎ₂ ⁺ ”の質量電荷比（ｍ／ｚ値）と、”ＣＯ⁺ ”の質量電荷比（ｍ／ｚ値）は”２８”で等しいので、質量電荷比（ｍ／ｚ値）が”２８”の検出強度が”４０００”であれば、”ＣＯ⁺ ”の検出強度は”１５００”と算出されているので、”Ｎ₂ ⁺ ”の検出強度は、
４０００−１５００＝２５００（２）
と算出される。

図２中”Ｓ００６”において演算制御手段４は、フラグメント形態の存在比から同一成分内のフラグメント形態の検出強度を算出する。

例えば、窒素（Ｎ₂ ）のフラグメント形態”Ｎ₂ ⁺ ”、”Ｎ⁺ ”及び”Ｎ₂ ²⁺ ”の存在比は、”１．０”、”１．５”及び”０．２”であるので、”Ｎ₂ ⁺ ”の検出強度が”２５００”であれば、”Ｎ⁺ ”の検出強度は”３７５０”であり、”Ｎ₂ ²⁺ ”検出強度は”５００”であると算出される。

同様に、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）のフラグメント形態”ＣＯ⁺ ”及び”ＣＯ²⁺ ”の存在比は、”１．５”及び”１．０”であるので、”ＣＯ⁺ ”の検出強度が”１５００”であれば、”ＣＯ²⁺ ”の検出強度は”１０００”であると算出される。

この結果、マススペクトルから質量電荷比（ｍ／ｚ値）が重ならない低分子ガスの同位体の検出強度を抽出し、同位体比に基づき他方の同位体の検出強度を算出し、他方の同位体と同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）内の他の成分の検出強度を算出し、さらに、フラグメント形態の存在比に基づき同一成分内のフラグメント形態の検出強度を算出することにより、同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態であっても成分分離が可能になる。

なお、図１に示す実施例では演算制御手段が質量分析計を用いて同位体比を測定させているが、実測ではなく、予め測定した測定系の同位体比を演算制御手段に設定しておいても構わない。

また、図１に示す実施例の説明に際しては、一酸化炭素（炭素）の同位体の同位体比に着目して、同一質量電荷比（ｍ／ｚ値）で異なるフラグメント形態の成分分離を行っているが、炭素の同位体比（¹²Ｃ，¹³Ｃ）の代わりに、酸素の同位体比（¹⁶Ｏ，¹⁸Ｏ）を用いても構わないし、両方を用いても構わない。

また、図１に示す実施例の説明に際しては、質量分析計の詳細を特に明示していないが、複数の質量電荷比（ｍ／ｚ値）の検出強度を同時に測定することが可能な磁場型複数コレクター方式の質量分析計を用いても勿論構わない。この場合には、マススペクトルの測定時間を短縮することが可能になる。

また、図１に示す実施例の説明に際しては、質量分析計の前段に流量制御器を設けているが、質量分析計に供給される流れるガスの流量を調節する機能が装備されていたり、燃料電池からの排出ガスの流量が質量分析計の仕様に適した流量であれば不要であるので、必須の構成要素ではない。

本発明に係る燃料電池評価装置の一実施例を示す構成ブロック図である。演算制御手段の動作を説明するフロー図である。従来の燃料電池評価装置の一例を示す構成ブロック図である。

符号の説明

１燃料電池
２流量制御器
３質量分析計
４演算制御手段

Claims

燃料電池の排出ガスを質量分析して評価する燃料電池評価装置において、
燃料電池の排出ガスが供給される質量分析計と、
この質量分析のマススペクトルから質量電荷比が重ならない低分子ガスの同位体の検出強度を抽出し、同位体比に基づき他方の同位体の検出強度を算出し、他方の同位体と同一質量電荷比内の他の成分の検出強度を算出し、フラグメント形態の存在比に基づき同一成分内のフラグメント形態の検出強度を算出する演算制御手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池評価装置。
前記演算制御手段が、
前記質量分析計を制御して前記同位体比を測定させることを特徴とする
請求項１記載の燃料電池評価装置。
予め測定した前記同位体比が前記演算制御手段に設定されていることを特徴とする
請求項１記載の燃料電池評価装置。
前記同位体比が、
炭素の同位体比であることを特徴とする
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池評価装置。
前記同位体比が、
酸素の同位体比であることを特徴とする
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池評価装置。
前記同位体比が、
炭素及び酸素の両方の同位体比であることを特徴とする
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池評価装置。
前記質量分析計が、
磁場型複数コレクター方式であることを特徴とする
請求項１記載の燃料電池評価装置。