JP2011133369A - 水素濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象ガスに含まれる酸素濃度によって水素濃度を補正して信頼性の高い測定結果を得る。
【解決手段】測定対象ガスに含まれる水素濃度を測定する水素濃度測定部と、前記測定対象ガスに含まれる酸素濃度を測定する酸素濃度測定部と、前記水素測定部により得られた水素濃度を、前記酸素濃度測定部により得られた酸素濃度を用いて補正する濃度補正部と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流路を流れる測定対象ガス中に含まれる水素濃度を測定する水素濃度測定装置に関するものである。

従来、水素濃度測定装置としては、特許文献１に示すように、半導体基板上に形成されたサーモパイルと、当該サーモパイルの感熱部上に酸化触媒を担持したカーボンクラスタにより形成された触媒層と、を備え、水素ガスが触媒層の酸化触媒と反応して発生する酸化反応熱をサーモパイルにより検出して、水素濃度を測定するものがある。

この水素濃度測定装置は、温度影響を受けやすいことから、特許文献２に示すように、測温素子が形成されたブロック体の温度（周囲温度）をキャンセルするために、感熱部に酸化触媒を担持させたものと、酸化触媒を担持させないものとを並設して、それら２つの測温素子から得られた検出信号を差し引いているものが考えられている。

特開２００６−１８４２６６号公報 特開２００６−１８４２６６号公報

ところで、本願発明者は、上記のような手法により温度影響をキャンセルしても依然として測定誤差が生じることからこの測定誤差原因について種々の観点から鋭意検討した。その結果、本願発明者は、サーモパイル等の測温素子により得られる水素濃度は、周囲温度の影響によって測定誤差を生じるだけでなく、測定対象ガスに含まれる酸素濃度によっても測定誤差を生じてしまうこと、つまり周囲温度により補正するだけでは信頼性の高い測定結果を得ることが困難であることを見出した。

そこで本発明は、測定対象ガスに含まれる酸素濃度によって水素濃度を補正して信頼性の高い測定結果を得ることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る可燃性ガスセンサは、流路を流れる測定対象ガスに含まれる水素濃度を測定する水素濃度測定部と、前記測定対象ガスに含まれる酸素濃度を測定する酸素濃度測定部と、前記水素測定部により得られた水素濃度を、前記酸素濃度測定部により得られた酸素濃度を用いて補正する濃度補正部と、を具備することを特徴とする。

このようなものであれば、測定対象ガスに含まれる酸素濃度を用いて水素濃度を補正しているので、前記酸素濃度が水素濃度に与える影響を補正することができ、測定対象ガスに含まれる水素濃度を高精度に測定することができる。したがって、信頼性の高い測定結果を得ることができる。

前記水素濃度測定部を収容するケーシングと、前記ケーシングに設けられるとともに外部配管に接続され、前記ケーシング内部に測定対象ガスを導入する導入ポートと、前記ケーシングに設けられるとともに外部配管に接続され、当該ケーシング内部から測定対象ガスを排出する排出ポートと、を備えることが望ましい。これならば、既存の外部配管にセンサを挿入するための開口部などを形成する必要がなく、導入ポート及び排出ポートに外部配管を直接接続するだけで、構造的にも施工面からも簡単かつ容易にインライン実装することができる。

このように構成した本発明によれば、測定対象ガスに含まれる酸素濃度によって水素濃度を補正して、水素濃度を正確に測定することができる。

本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の全体構成図である。 同実施形態におけるガス濃度測定装置の構成を模式的に示す断面図である。 同実施形態におけるセンシング部の構成を模式的に示す断面図である。 水素濃度−湿度関係及び水素濃度−温度関係を示す図である。 水素濃度−酸素濃度関係を示す図である。

以下に本発明に係るガス濃度測定装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
本実施形態に係る水素濃度測定装置１００は、測定対象ガスが流れる外部配管Ｚ１、Ｚ２に介在して設けられ、当該測定対象ガス中に含まれる水素濃度を測定するインライン型のものである。

具体的にこのものは、図１に示すように、測定対象ガスの発熱量を検出することにより、当該測定対象ガスに含まれる水素の濃度を測定する水素センサユニット２（水素濃度測定部）と、測定対象ガスに含まれる酸素を測定する酸素濃度測定部３と、測定対象ガスの温度を測定する第１温度測定部４及び第２温度測定部５と、測定対象ガスの相対湿度を測定する湿度測定部６と、前記測定部２〜６からの出力信号を受信して水素濃度を算出する演算制御装置７と、を備えている。なお、上流側外部配管Ｚ１には、外部配管Ｚ１内を流れる測定対象ガス内の相対湿度を例えば８０％以下に低減するドレンセパレータ８が設けられている。また、上流側外部配管Ｚ１におけるドレンセパレータ８の下流側には、当該外部配管Ｚ１内を流れる測定対象ガスの温度を後述するセンサブロック２２の温度に加熱するための抵抗発熱体等を用いた配管ヒータ９が設けられている。

水素センサユニット２は、図２に示すように、測定対象ガスに含まれる水素を接触燃焼させて、その発熱量を検出するセンシング部２１と、当該センシング部２１を支持するセンサブロック２２と、当該センサブロック２２を収容し、断熱及び電磁気シールド機能を有するケーシング２３と、当該ケーシング２３に設けられるとともに、外部配管Ｚ１に接続される導入ポート２４と、ケーシング２３に設けられるとともに外部配管Ｚ２に接続される排出ポート２５と、を有する。

センシング部２１は、耐熱性半導体基板であるベース基板２６に設けられている。具体的な構成は、差動式のものであり、図３に示すように、中央部分一方面（裏面）にエッチングにより凹部が形成された耐熱性半導体基板であるシリコン基板２１１と、前記凹部に対応するシリコン基板２１１の他方面（表面）に形成されたサーモパイル（測定用サーモパイル２１２Ａ、比較用サーモパイル２１２Ｂ）と、このサーモパイル２１２Ａ、２１２Ｂの表面を含めてシリコン基板２１１の表面全域に成膜された絶縁膜２１３と、当該絶縁膜２１３におけるサーモパイル２１２Ａ、２１２Ｂの感熱部である温接点部に形成された触媒層２１４と、を備えている。

サーモパイル２１２Ａ、２１２Ｂは、例えばポリシリコン及びアルミニウム等の異種金属を接合することにより構成され、受熱量に応じたゼーベック効果により熱起電力を発生して出力するものである。なお、このサーモパイル２１２Ａ、２１２Ｂにより出力された熱起電力（出力信号）は、後述する上ブロック体２２Ｂに設けられたプリアンプ２７により増幅されて演算制御装置７に出力される。

サーモパイル２１２Ａの触媒層２１４は、例えば水素との接触により酸化反応熱を発生する酸化触媒の一例である白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ））等の貴金属触媒の粒子を予め担持した複数個のカーボンクラスタ、具体的にはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を絶縁膜２１３に対して略垂直に互いに平行となるように並列に配置されることにより形成されている。また、サーモパイル２１２Ｂの触媒層２１４には、酸化触媒を担持していない複数個のカーボンクラスタ、具体的にはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を絶縁膜２１３に対して略垂直に互いに平行となるように並列に配置されることにより形成されている。

センサブロック２２は、例えば金属等の非腐食性材料から形成されており、上面及び対向する側面に開口する空洞Ｓを有する下ブロック体２２Ａと、当該下ブロック体２２Ａの空洞Ｓの上面開口を閉塞する上ブロック体２２Ｂとからなる。なお、上ブロック体２２Ｂ及び下ブロック体２２Ａには、各ブロック体を温度調節するために温度測定手段Ｈ１及びヒータＨ２が埋設されている。

そして、空洞Ｓ内に前記センシング部２１が位置するように、下ブロック体２２Ａの上面開口をベース基板２６により閉塞させた状態で、上ブロック体２２Ｂの上面側から下ブロック体２２Ａ側に複数の止めねじをねじ込むことにより、下ブロック体２２Ａ及び上ブロック体２２Ｂによりベース基板２６を挟み込む。このとき、下ブロック体２２Ａとベース基板２６の周辺部との接触部分全周にＯリング等のシール部材を介在させて空洞Ｓ内部が気密に保たれるように構成している。これによって、センサブロック２２内部に測定対象ガスが流れる流路が形成され、当該流路内にセンシング部２１（サーモパイル２１２Ａ、２１２Ｂ）が配置される構造となる。なお、図２中符号２８は、センサブロック２２内に流入した測定対象ガスを触媒層２１４に接触させるべく導入ポート２４からの測定対象ガスをセンシング部２１（触媒層２１４）に向かって案内するガイド板である。

センサブロック２２により形成された流路の上流側には、ケーシング２３に設けられた導入ポート２４が連通し、当該導入ポート２４には外部配管Ｚ１が接続される。一方、前記流路の下流側には、ケーシング２３に設けられた排出ポート２５が連通し、当該排出ポート２５には外部配管Ｚ２が接続される。

酸素濃度測定部３は、水素センサユニット２の上流側外部配管Ｚ１において、配管ヒータ９の上流側に挿入して設けられている。酸素濃度測定部３としては、例えばジルコニア酸素センサを用いることができる。そして、この酸素濃度測定部３からの出力信号は演算制御装置７に出力される。なお、酸素濃度測定部３の設置位置は外部配管Ｚ１に限られず、外部配管Ｚ２に設けても良いし、水素センサユニット２（具体的にはセンサブロック２２）に設けても良い。センサブロック２２内に設ける場合には、当該センサブロック２２を８０度〜１２５度まで上昇させることが考えられるので、酸素センサを高温用のものにする必要があり、コスト増大に繋がる可能性がある。

第１温度測定部４は、水素センサユニット２の上流側外部配管Ｚ１において、配管ヒータ９の上流側に挿入して設けられ、当該外部配管Ｚ１を流れる測定対象ガスと接触するように設けられている。また、第２温度測定部５は、センサブロック２２内に形成された流路内に、当該流路を流れる測定対象ガスと接触するように設けられている。本実施形態の第２温度測定部５は、ベース基板２６上において、センシング部２１に隣接して設けられている。この第１及び第２温度測定部４、５としては、例えば白金測温抵抗体、サーミスタ又は熱電対を用いて構成した温度センサを用いることができる。そして、この第１温度測定部４及び第２温度測定部５からの出力信号であるは演算制御装置７に出力される。なお、第１温度測定部４の設置位置は上流側外部配管Ｚ１に限られず、下流側外部配管Ｚ２に設けても良い。

湿度測定部６は、水素センサユニット２の上流側外部配管Ｚ１において、配管ヒータ９の上流側に挿入して設けられている。この湿度測定部６としては、例えば高分子膜湿度センサ又はセラミック湿度センサ等の湿度センサを用いることができる。そして、この湿度測定部６からの出力信号は演算制御装置７に出力される。なお、湿度測定部６の設置位置は外部配管Ｚ１に限られず、水素センサユニット２（具体的にはセンサブロック２２）に設けても良い。

演算制御装置７は、水素センサユニット２、酸素濃度測定部３、第１、第２温度測定部４、５及び湿度測定部６それぞれから出力信号を受信して、各出力信号により水素濃度、酸素濃度、相対湿度及び温度を算出するとともに、水素濃度を、酸素濃度、湿度及び温度を用いて補正するものである。なお、演算制御装置７は、センサブロック２２内部に設けられた第２温度測定部５からの出力信号を受信して、センサブロック２２が一定温度となるように温度測定手段Ｈ１から得られた温度に基づいてヒータＨ２を制御するとともに、配管ヒータ９を制御するものである。また、演算制御装置７は、水素センサユニット２における測定用サーモパイル２１２Ａの出力信号（起電力）と比較用サーモパイル２１２Ｂの出力信号（起電力）との差を用いて水素濃度を算出する。

具体的に演算制御装置７は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス、ＡＤ変換器等を備えた専用乃至汎用のコンピュータであり、前記メモリの所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってＣＰＵ、周辺機器等を協働させることにより、湿度算出部７１、関係データ格納部７２、濃度補正部７３等としての機能を発揮する。

湿度算出部７１は、前記第１温度測定部４、第２温度測定部５及び湿度測定部からの出力信号を受信して、Ｔｅｔｅｎｓの式を用いてセンサブロック２２内の相対湿度を算出するものである。

関係データ格納部７２は、水素センサユニット２から出力される水素濃度と測定対象ガスの湿度との関係（水素濃度−湿度関係）を示す湿度関係データと、前記水素濃度と測定対象ガスの温度との関係（水素濃度−温度関係）を示す温度関係データと、前記水素濃度と測定対象ガスに含まれる酸素濃度との関係（水素濃度−酸素濃度関係）を示す酸素濃度関係データとを格納している。なお、これらのデータは予めユーザにより入力される。

湿度関係データ及び温度関係データに関して言うと、図４に示すように、測定対象ガスの温度と、８０℃ドライ基準に対する相対出力（％）との関係を示すデータを格納している。８０℃ドライ基準に対する相対出力とは、温度が８０℃、相対湿度が０％の状態の測定対象ガスにおいてサーモパイル２１２Ａにより得られた水素濃度を１００とした場合における割合であり、予め実験により求めておく。

また、酸素濃度関係データに関して言うと、図５に示すように、各酸素濃度におけるサーモパイル２１２Ａの感度特性（感度比）を示すデータを格納している。この感度特性は、酸素濃度２０％の測定対象ガス中の水素濃度の測定値に対するその他の酸素濃度の測定対象ガス中の水素濃度の測定値の比である。つまり、測定対象ガスの酸素濃度が水素濃度の測定値に与える影響を示すデータである。

濃度補正部７３は、サーモパイル２１２により得られた水素濃度を酸素濃度、湿度算出部７１により得られたセンサブロック２２内の相対湿度及びセンサブロック２２内の測定対象ガスの温度に基づいて、上述の水素濃度−湿度関係、水素濃度−温度関係及び水素濃度−酸素濃度関係を用いて補正する。そして、濃度補正部７３は、図示しないディスプレイに補正後の水素濃度を表示する。

具体的には、測定対象ガスの酸素濃度が５０％であれば、図５に示す関係から、酸素濃度２０％の測定対象ガスを基準にして、測定感度が約７０％低下しているので、水素濃度を約１０／７倍することにより補正する。

また、例えばガス温度が８０度であり相対湿度が２０％であれば、図４に示す関係から、８０度ドライ基準に対する相対出力が約１８％となるので、水素濃度を約１００／１８倍することにより補正する。例えばガス温度が６０度であり相対湿度が４０％であれば、図４に示す関係から、８０度ドライ基準に対する相対出力が約７％となるので、水素濃度を約１００／７倍することにより補正する。さらに、図４に示されていない湿度であれば、図４に示されている相対湿度曲線間を補完演算して相対出力を算出し、水素濃度を補正する。

以上によって、８０度ドライ基準及び酸素濃度２０％換算時の水素濃度が算出される。なお、補正する際の基準は、８０度ドライ基準及び酸素濃度２０％時に限られない。なお、他の基準を用いる場合には、予めその基準を用いた関係を実験により求め、その関係を示す関係データを関係データ格納部７２に格納しておく。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係るガス濃度測定装置１００によれば、測定対象ガスに含まれる酸素の濃度を用いて水素濃度を補正しているので、酸素濃度が水素濃度に与える影響を補正することができ、測定対象ガスに含まれる水素濃度を高精度に測定することができる。したがって、信頼性の高い測定結果を得ることができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、部品点数を削減する観点から、第１温度測定部及び湿度測定部を温湿度センサにより構成しても良い。

また、前記実施形態では、第１温度測定部及び第２温度測定部を設けているが、１つの温度測定部を水素センサユニット内に設け、当該水素センサユニットに流入した測定対象ガスの温度のみを測定するようにしても良い。この場合、湿度センサも水素センサユニット内に設ける。このとき、湿度算出部７１は不要である。

さらに、補正精度を向上するためには、酸素濃度測定部により得られた酸素濃度を補正しても良い。具体的には、酸素濃度測定部近傍に測定対象ガスの圧力を測定する圧力センサを設け、当該圧力センサからの出力値を用いて酸素濃度を補正する。この補正後の酸素濃度を用いて水素濃度を補正することにより、より正確な水素濃度を算出することができる。

その上、前記実施形態の水素濃度測定部は、サーモパイルを用いた接触燃焼式センサであったが、その他の測温素子を用いた接触燃焼式センサであっても良いし、気体熱伝導式センサ又は熱線型半導体式センサ等であっても良い。

なお、水素濃度測定部が酸素濃度の影響を受ける理由としては、例えば測定に水素の酸化による発熱を利用する、酸素の存在によって測定成分による発熱反応や吸熱反応が阻害される等、酸素が何らかの形で発熱反応や吸熱反応に関わることが挙げられる。

加えて、本発明のガス濃度測定装置は、酸素が高濃度に存在する状況化において水素濃度を測定する場合に、その効果が一層顕著になる。このようなことから、本発明のガス濃度測定装置を燃料電池システムの酸素供給ラインに設けて、当該酸素供給ラインにおける水素リーク検出を用いることが望ましい。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００ ・・・ガス濃度測定装置
Ｚ１、Ｚ２・・・外部配管
２ ・・・水素センサユニット（水素濃度測定部）
２１２ ・・・サーモパイル
２３ ・・・ケーシング
２４ ・・・導入ポート
２５ ・・・排出ポート
３ ・・・酸素濃度測定部
４ ・・・第１温度測定部
５ ・・・第２温度測定部
６ ・・・湿度測定部
７ ・・・演算制御装置
７２ ・・・関係データ格納部
７３ ・・・濃度補正部

Claims (2)

1. 流路を流れる測定対象ガスに含まれる水素濃度を測定する水素濃度測定部と、
   前記測定対象ガスに含まれる酸素濃度を測定する酸素濃度測定部と、
   前記水素測定部により得られた水素濃度を、前記酸素濃度測定部により得られた酸素濃度を用いて補正する濃度補正部と、を具備する水素濃度測定装置。
2. 前記水素濃度測定部を収容するケーシングと、
   前記ケーシングに設けられるとともに外部配管に接続され、前記ケーシング内部に測定対象ガスを導入する導入ポートと、
   前記ケーシングに設けられるとともに外部配管に接続され、当該ケーシング内部から測定対象ガスを排出する排出ポートと、を備える請求項１記載の水素濃度測定装置。