JP2017181264A

JP2017181264A - アルゴン定量システム及びアルゴン定量方法

Info

Publication number: JP2017181264A
Application number: JP2016067979A
Authority: JP
Inventors: 勲瀧本; Isao Takimoto
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2017-10-05

Abstract

【課題】分析対象ガス中のアルゴンを定量可能なアルゴン定量システムを提供すること。【解決手段】分析対象ガスに含まれているアルゴンを定量するアルゴン定量システムであって、前記分析対象ガスを成分ごとに分離する分離部と、前記分析対象ガスに含まれている酸素を除去する酸素除去部と、前記分離部及び前記酸素除去部を通過した前記分析対象ガスに含まれているアルゴンを検出する検出部と、前記検出部による検出結果からアルゴンを定量する定量部と、を有するアルゴン定量システム。【選択図】図１

Description

本発明は、アルゴン定量システム及びアルゴン定量方法に関する。

水素は、燃焼されても二酸化炭素を発生しないことからクリーンなエネルギーとして広く利用されるようになってきている。ただし、水素を燃料として使用する場合には、例えば国際規格に定められている品質基準を順守することが求められる。

そこで、例えば国際標準化機構による国際規格に定められている管理項目についての分析方法が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。

Arul Murugan，Andrew S. Brown，Review of purity analysis methods for performing quality assurance of fuel cell hydrogen，International Journal of Hydrogen Energy 40（2015），4219‐4233

しかしながら、例えばガスクロマトグラフを用いて燃料ガスに含まれているアルゴンを定量する場合には、アルゴンと酸素との分離が難しいためアルゴンを個別に定量することが困難であった。また、アルゴンと酸素とを分離できたとしても導入可能なサンプル量が少なく、低濃度のアルゴンを精度良く定量することが困難であった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、分析対象ガス中のアルゴンを定量可能なアルゴン定量システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、分析対象ガスに含まれているアルゴンを定量するアルゴン定量システムであって、前記分析対象ガスを成分ごとに分離する分離部と、前記分析対象ガスに含まれている酸素を除去する酸素除去部と、前記分離部及び前記酸素除去部を通過した前記分析対象ガスに含まれているアルゴンを検出する検出部と、前記検出部による検出結果からアルゴンを定量する定量部と、を有する。

本発明の実施形態によれば、分析対象ガス中のアルゴンを定量可能なアルゴン定量システムが提供される。

実施形態におけるアルゴン定量システムの概略構成を例示する図である。実施例における試料ガス１〜３の検出結果を示す図である。実施例における試料ガス２、４の検出結果を示す図である。実施例における試料ガス５〜７の検出結果を示す図である。比較例における試料ガス５〜７の検出結果を示す図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

図１は、実施形態におけるアルゴン定量システム１００の概略構成を例示する図である。

図１に示されるように、アルゴン定量システム１００は、恒温槽１０、分離カラム１１、バルブシステム１２、酸素除去部１３、検出器２０、制御装置３０を有し、分析対象ガスとしての試料ガスが導入されたキャリアガスが供給される。アルゴン定量システム１００では、分離カラム１１、バルブシステム１２、及び酸素除去部１３を通過して検出器２０に達するように、配管等によりキャリアガスの流通経路が設けられている。

キャリアガスは、例えば水素、ヘリウム、アルゴン、窒素等である。試料ガスは、例えば水素やメタン等を主成分とする燃料ガスである。試料ガスは、キャリアガスに運ばれてアルゴン定量システム１００に設けられている流通経路を流れる。なお、キャリアガス及び試料ガスは、上記した例に限られるものではない。

恒温槽１０は、内部に分離カラム１１、バルブシステム１２、及び酸素除去部１３が設けられ、内部の温度を設定されている温度に保つ。

分離カラム１１は、キャリアガスに運ばれた試料ガスを成分ごとに分離する。分離カラム１１は、例えば試料ガスを成分ごとに分離可能な充填剤が充填されたパックドカラムである。充填剤としては、例えば合成ゼオライト等を用いることができる。なお、分離カラム１１は、パックドカラムに限定されるものではなく、例えばキャピラリーカラム等であってもよい。

バルブシステム１２は、例えば制御装置３０により制御されて作動する経路切替弁を有し、キャリアガスが流通する流通経路を、酸素除去部１３に通じる経路又は恒温槽１０の外部に通じる経路に切り替える。バルブシステム１２は、分離カラム１１によって分離された試料ガスのアルゴンが通過するまでは、キャリアガス及びキャリアガスにより運ばれる試料ガスを酸素除去部１３に導く。また、バルブシステム１２は、分離カラム１１によって分離された試料ガスのアルゴンが通過した後は、恒温槽１０の外部にキャリアガス及びキャリアガスに運ばれる試料ガスを排気する。

このように、バルブシステム１２がキャリアガスの流通経路を切り替えることで、検出器２０において、試料ガスに含まれているアルゴンの後に通過する成分の影響が低減されて精度良くアルゴンを検出可能になる。また、キャリアガスの流通経路においてバルブシステム１２の下流側に設けられている酸素除去部１３の劣化を抑制することができる。

酸素除去部１３では、例えば鉄系、ゼオライト系、糖系、レダクトン系等の酸素吸収剤（脱酸素剤）がキャリアガスの流通経路を構成する配管等に充填され、キャリアガスに運ばれる試料ガスに含まれている酸素が除去される。

ここで、キャリアガスとして水素を用いて酸素吸収剤を還元性雰囲気とし、恒温槽１０の温度を２０℃以上２００℃以下にすることで、酸素吸収剤により吸収された酸素を脱離させ、酸素吸収剤の性能低下を抑制することができる。

なお、キャリアガスの流通経路において酸素除去部１３を分離カラム１１の上流側に設け、試料ガスが分離カラム１１を通過する前に、試料ガスに含まれている酸素を除去してもよい。また、酸素除去部１３を恒温槽１０の外部に設けてもよい。

検出器２０は、例えば熱伝導度型検出器（ＴＣＤ）、誘電体バリア放電イオン化検出器（ＢＩＤ）、光イオン化検出器（ＰＩＤ）等であるが、これらに限られるものではない。検出器２０は、分離カラム１１によって分離された試料ガスの成分を検出し、検出量に応じた電気信号を出力する。

制御装置３０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むＰＣである。制御装置３０は、定量部として、検出器２０から出力される電気信号に基づいて試料ガスに含まれている成分を定量する。また、制御装置３０は、分析開始からの時間（例えば、分離カラム１１により分離された試料ガスのアルゴンがバルブシステム１２を通過するまでの時間）に基づいてバルブシステム１２を制御してキャリアガス及び試料ガスの流通経路を切り替える。

制御装置３０の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることで実現される。なお、制御装置３０の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。また、制御装置３０は、複数の装置等により構成されてもよい。

また、制御装置３０は、例えば液晶ディスプレイ等の表示部を有し、検出器２０による検出結果や、試料ガスに含まれている各成分の定量結果等を表示する。

［実施例］
次に、上記したアルゴン定量システム１００において試料ガスの分析を行った実施例について説明する。

まず、水素ガスにアルゴン、酸素、及び窒素の少なくとも１種以上を加えて、アルゴン、酸素、及び窒素の濃度が以下の表１に示す値となるように試料ガス１〜４を作成した。

試料ガス１〜３は、それぞれアルゴンの濃度が５０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、２００ｐｐｍであり、酸素及び窒素は含まない。試料ガス４は、アルゴンの濃度が１００ｐｐｍ、酸素の濃度が５ｐｐｍ、窒素の濃度が１７ｐｐｍである。

次に、アルゴン定量システム１００において、以下の条件で試料ガス１〜４の分析を行った。

キャリアガス：水素、流量２５ｍｌ／ｍｉｎ
分離カラム：島津ＧＬＣ社製モレキュラーシーブ５Ａ（商品名）、長さ３ｍ、内径２ｍｍ
酸素吸収剤：Ａｌｌｔｅｃｈ社製Ｏｘｙ−Ｔｒａｐ（商品名）
恒温槽温度：７０℃
検出器：熱伝導度型検出器（ＴＣＤ）
図２（Ａ）は、実施例における試料ガス１〜３の検出結果を示す図である。また、図２（Ｂ）には、図２（Ａ）のグラフを部分的に拡大したグラフが示されている。以下の図面に示されるグラフは、横軸が保持時間、縦軸が検出器２０によって検出された試料ガスの各成分の検出強度（検出電圧）である。

図２に示されるように、試料ガス１〜３の検出結果では、保持時間約２．２５ｍｉｎにおいてアルゴンが検出されたことを示す検出強度のピークが表れた。また、試料ガスに含まれているアルゴンの濃度が高いほど検出強度が大きくなった。このように、アルゴン定量システム１００において、試料ガスに含まれている低濃度のアルゴンを検出可能であることが分かる。

また、図３（Ａ）は、実施例における試料ガス２、４の検出結果を示す図である。また、図３（Ｂ）には、図３（Ａ）のグラフを部分的に拡大したグラフが示されている。

図３に示されるように、試料ガス４の検出結果では、保持時間約２．２５ｍｉｎにおいてアルゴンが検出されたことを示す検出強度のピークが表れた。また、保持時間約２．９ｍｉｎにおいて窒素が検出されたことを示す検出強度のピークが表れた。

試料ガス２、４の検出結果では、アルゴンの検出強度が同程度であり、アルゴン及び窒素以外に検出強度のピークが表れていない。このことから、アルゴン定量システム１００において、試料ガス４に含まれている酸素が酸素除去部１３により除去され、酸素の影響を受けることなくアルゴンを検出できたことが分かる。

また、制御装置３０は、例えば試料ガス１〜３のようにアルゴンの濃度が異なる複数の試料ガスの検出結果に基づいて求められる検量線を用いて、検出器２０による検出結果から試料ガスに含まれているアルゴンを定量する。

このように、アルゴン定量システム１００によれば、酸素の影響を受けることなく５０ｐｐｍ〜２００ｐｐｍといった低濃度のアルゴンを検出し、試料ガスに含まれているアルゴンを定量することができる。

次に、水素ガスにアルゴン、酸素、及び窒素の少なくとも１種以上を加えて、アルゴン、酸素、及び窒素の濃度が以下の表２に示す値となるように試料ガス５〜７を作成した。

試料ガス５は、アルゴンの濃度が１００００ｐｐｍであり、酸素及び窒素は含まない。試料ガス６は、アルゴンの濃度が１０２２６ｐｐｍであり、酸素の濃度が５０２７ｐｐｍ、窒素の濃度が１８７４０ｐｐｍである。また、試料ガス７は、アルゴンの濃度が１０４５３ｐｐｍ、酸素の濃度が１００５５ｐｐｍ、窒素の濃度が３７４８０ｐｐｍである。試料ガス５〜７は、それぞれ同程度の高濃度のアルゴンを含む。また、試料ガス７は、酸素及び窒素の濃度が試料ガス６のほぼ倍となっている。アルゴン定量システム１００において、上記した条件で試料ガス５〜７の分析を行った。

図４（Ａ）は、実施例における試料ガス５〜７の検出結果を示す図である。また、図４（Ｂ）には、図４（Ａ）のグラフを部分的に拡大したグラフが示されている。

図４に示されるように、試料ガス５の検出結果では、保持時間約２．２５ｍｉｎにおいてアルゴンが検出されたことを示す検出強度のピークが表れた。試料ガス６、７の検出結果では、保持時間約２．２５ｍｉｎにおいてアルゴンが検出されたことを示す検出強度のピークが表れ、保持時間約２．９ｍｉｎにおいて窒素が検出されたことを示す検出強度のピークが表れた。

試料ガス５〜７の検出結果におけるアルゴンの検出強度は、ほぼ同程度であった。また、試料ガス７の検出結果における窒素の検出強度は、試料ガス６における窒素の検出強度よりも大きくなった。試料ガス５〜７の検出結果において、アルゴンの検出強度はほぼ同程度であった。

このように、アルゴン定量システム１００では、酸素除去部１３により試料ガスに含まれている酸素が除去されることで、試料ガス５〜７のように高濃度の酸素を含んでいても、酸素の影響を受けることなくアルゴンを検出できる。したがって、アルゴン定量システム１００により、高濃度の酸素を含む試料ガスであってもアルゴンを高精度に検出し、試料ガスに含まれているアルゴンを定量できる。

［比較例］
次に、比較例について説明する。比較例として、バルブシステム１２と酸素除去部１３以外は実施形態におけるアルゴン定量システム１００と同様の構成であり、酸素除去部が設けられていないアルゴン定量システムを用いて、以下の条件で試料ガス５〜７の分析を行った。

キャリアガス：ヘリウム、流量２０ｍｌ／ｍｉｎ
分離カラム：ＧＬサイエンス社製モレキュラーシーブ１３Ｘ−Ｓ（商品名）、長さ３ｍ、内径２．１７ｍｍ
恒温槽温度：４０℃
検出器：熱伝導度型検出器（ＴＣＤ）
図５（Ａ）は、比較例における試料ガス５〜７の検出結果を示す図である。また、図５（Ｂ）には、図５（Ａ）のグラフを部分的に拡大したグラフが示されている。

図５に示されるように、比較例における試料ガス５〜７の検出結果では、保持時間約２．８ｍｉｎで検出強度がマイナスとなるピークが表れた。これは、キャリアガスとしてヘリウムを使用したことで、試料ガスのベースガスである水素が分離カラムで分離されて検出器に供給されたことにより生じたものである。

試料ガス５の検出結果では、保持時間約４ｍｉｎにおいてアルゴンが検出されたことを示す検出強度のピークが表れた。試料ガス６、７の検出結果では、保持時間約４ｍｉｎにおいて検出強度のピークが表れ、保持時間約５．２ｍｉｎにおいて窒素が検出されたことを示す検出強度のピークが表れた。以下では、試料ガス５〜７の検出結果において保持時間約４ｍｉｎに表れた検出強度のピークを「第１ピーク」という。

比較例におけるアルゴン定量システムでは、酸素除去部が無いために試料ガスに含まれている酸素が除去されない。また、分離カラムにおいてアルゴンと酸素とが分離されず、検出器においてアルゴンと酸素とがほぼ同時に検出される。このため、酸素を含む試料ガス６、７の検出結果では、第１ピークの検出強度がアルゴン及び酸素を含んだ値となっている。したがって、試料ガス６、７の検出結果における第１ピークの検出強度は、酸素を含まない試料ガス５の検出結果において第１ピークとして表れるアルゴンの検出強度よりも大きくなっている。

また、試料ガス７は酸素の濃度が試料ガス６よりも高いため、試料ガス７の検出結果における第１ピークの検出強度が、試料ガス６の検出結果における第１ピークの検出強度よりも大きくなっている。

このように、比較例におけるアルゴン定量システムでは、アルゴンの検出において試料ガスに含まれている酸素の影響を受けるため、アルゴンを個別に検出して定量することができない。

以上で説明したように、本実施形態におけるアルゴン定量システム１００によれば、分析対象ガスに酸素が含まれていても、酸素除去部１３が酸素を除去することで、アルゴンを個別に検出して定量することが可能になっている。

以上、実施形態に係るアルゴン定量システム及びアルゴン定量方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１０恒温槽
１１分離カラム（分離部）
１２バルブシステム（経路切替部）
１３酸素除去部
２０検出器（検出部）
３０制御装置（定量部）
１００アルゴン定量システム

Claims

分析対象ガスに含まれているアルゴンを定量するアルゴン定量システムであって、
前記分析対象ガスを成分ごとに分離する分離部と、
前記分析対象ガスに含まれている酸素を除去する酸素除去部と、
前記分離部及び前記酸素除去部を通過した前記分析対象ガスに含まれているアルゴンを検出する検出部と、
前記検出部による検出結果からアルゴンを定量する定量部と、を有する
ことを特徴とするアルゴン定量システム。
前記酸素除去部は、前記分析対象ガスが流れる流通経路において前記分離部の下流側に設けられ、
前記流通経路において前記分離部と前記酸素除去部との間に設けられ、前記分析対象ガスに含まれていたアルゴンが通過するまでは前記分析対象ガスを前記酸素除去部に導き、アルゴンが通過した後は前記分析対象ガスを外部に排出するように経路を切り替える経路切替部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のアルゴン定量システム。
前記分析対象ガスは、水素が主成分であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルゴン定量システム。
前記分析対象ガスは、メタンが主成分であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルゴン定量システム。
前記酸素除去部は、温度が４０℃以上２００℃以下に保たれている恒温槽の内部に設けられ、
前記分析対象ガスを運ぶキャリアガスが水素である
ことを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のアルゴン定量システム。
分析対象ガスに含まれているアルゴンを定量するアルゴン定量方法であって、
前記分析対象ガスを成分ごとに分離する分離ステップと、
前記分析対象ガスに含まれている酸素を除去する酸素除去ステップと、
前記分離ステップ及び前記酸素除去ステップの後に、前記分析対象ガスに含まれているアルゴンを検出する検出ステップと、
前記検出ステップによる検出結果からアルゴンを定量する定量ステップと、を有する
ことを特徴とするアルゴン定量方法。