JP3147413U

JP3147413U - 水素貯蔵ステーションにおける水素ガス漏洩検知装置

Info

Publication number: JP3147413U
Application number: JP2008007266U
Authority: JP
Inventors: 功村上
Original assignee: 功村上
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2008-12-25
Anticipated expiration: 2018-10-16

Abstract

【課題】水素ガスを非接触検知手法により検知し、水素貯蔵ステーションにおける水素ガス漏洩の有無を遠隔地点からでも監視できる装置を提供する。
【解決手段】水素ガス漏洩監視領域中に光多重反射部３を備え、該光多重反射部に内在する空間で多重反射させたレーザ光により発生した水素由来のラマン散乱光を、水素ガス漏洩監視領域から離隔した位置に設置されたセンサー部５により検出する。この構成により防爆装備を必要としないで水素貯蔵ステーションにおける水素ガス漏洩検知装置を創出する。
【選択図】図２

Description

本考案は、レーザ光照射で得られる水素ガス由来のラマン散乱光を検出することにより、水素貯蔵ステーションにおける水素ガスの漏洩を検知する装置に関する。

近年、次世代のクリーンエネルギーとして水素エネルギーが注目されており、水素エネルギーの原料となる水素ガスの貯蔵または燃料電池製造施設である水素貯蔵ステーションの開発が進められている。しかし、水素は酸素と混合すると引火爆発しやすく、爆発した場合大事故につながる恐れがある。このような事故を未然に防ぐため、水素貯蔵ステーションからの水素ガスの漏洩を監視するための漏洩検知装置が必要とされる。
従来水素ガスの漏洩検知には半導体などの接触検知型水素センサーが用いられており、センサーに接触した際の水素ガス量の変化量、抵抗値の大小、又は電子や電荷の発生量等を検知している。

特開２００８−４６０９１

しかし、水素ガスは非常に拡散し易い気体であり、センサーに直接水素ガスを接触させて検知させる接触検知型水素センサーでは、漏洩箇所に近接する位置にセンサーを設置する必要があり、センサーに高度な防爆装備を備える必要があった。

本願の考案は、水素ガス漏洩監視領域にレーザ光を照射するレーザ発振部と、前記水素ガス漏洩監視領域中に配置される光多重反射部と、前記光多重反射部に内在する空間から散乱されるラマン散乱光を検出するセンサー部と、前記センサー部が検出した信号データから平常状態の大気中から得られるラマン散乱光の大気データを差し引く演算をする演算部と、前記演算データから水素ガス漏洩の発生を判別する判別部と、前記判別部から警報発令信号を受けた場合に警報を行う警報部とを備え、しかも、前記レーザ発振部、前記センサー部、前記演算部、前記判別部、及び前記警報部が前記水素ガス漏洩監視領域から離隔して設置されている水素貯蔵ステーションにおける水素ガス漏洩検知装置（以下、本願検知装置という）である。

水素貯蔵ステーションは、水素を利用するために貯蔵する設備であり、水素燃料電池、水素燃料電池自動車、家庭用水素燃料電池又は半導体製造工場に対して水素を供給することを目的とした設備などとして好適に利用される。

水素ガス漏洩監視領域は、水素貯蔵ステーションの周囲全域に設定することが望ましく、特に配管の継目や水素貯蔵庫の開放口等、水素ガスの漏洩の恐れのある箇所の周辺部に設定することが好ましい。レーザ発振部は水素ガス漏洩監視領域から８ｍ〜５０ｍ離れた場所に離隔して設置することが好ましい。

レーザ発振部に用いられるレーザは、半導体レーザ、アルゴンイオンレーザ、ヘリウムネオンレーザ、ヘリウムカドミウムレーザ、サファイアレーザ、またはＹＡＧレーザを用いることができる。前記レーザ発振部から水素ガス漏洩監視領域へ照射されるレーザ光は、半導体レーザを用いる場合には概ね４０６ｎｍ、概ね６３５ｎｍ、概ね６７０ｎｍ、又は概ね７８５ｎｍ、アルゴンイオンレーザを用いる場合には概ね４８８ｎｍ又は概ね５１４ｎｍ、ヘリウムネオンレーザを用いる場合には概ね６３３ｎｍ、ヘリウムカドミウムレーザを用いる場合には概ね４４２ｎｍ又は概ね３２５ｎｍ、サファイアレーザを用いる場合には概ね８００ｎｍ、ＹＡＧレーザを用いる場合には概ね２６６ｎｍ、概ね３５５ｎｍ、又は概ね５３２ｎｍの波長のレーザ光が用いられることが好ましい。

光多重反射部は対面した鏡面を有してなる構造体であって、好ましくは一対の反射鏡からなるものが量産化に適することからよい。また、さらに好ましくは光多重反射部が一対の平面鏡又は一対の凹面鏡からなることが効果的な多重反射の実現に好ましい。一対の反射鏡は、反射鏡の反射面の中心を通る法線が少なくとも互いに平行になるように向かい合わせて設置されたものであることが好ましく、法線が重なるように設置されたものがより好ましい。

光多重反射部が一対の凹面鏡により構成されている場合は、さらに一対の凹面鏡の焦点が一致するように設置されることが好ましい。

また、光多重反射部は球体の少なくとも前面部分及び下面部分の一部を切り取り、かつ球体内部を球状に取り除いたかまくら型構造体であって、該かまくら型構造体の内面が鏡面に形成されたものであってもよい。光多重反射部がかまくら型構造体であれば、レーザ光の多重反射数を増加させることができ、センサー部が検出できるラマン散乱光強度を増強させることができる。さらに、該かまくら型構造体の上面部分が切り取られていてもよい。

光多重反射部は水素ガス監視領域中に設置されており、水素ガス監視領域であって光多重反射部に内在する空間にレーザ発振部からのレーザ光が照射される。レーザ光は光多重反射部に接触しない方向から入射し、入射したレーザ光は対面側の反射鏡で反射され、光多重反射部に内在する空間で多重反射するように設定されることが好ましい。

また光多重反射部の裏面から入射することとしてもよい。光多重反射部の裏面から入射する場合は、該入射部分に設置された反射鏡の反射率は１００％よりも小さく設定され、さらにレーザ光が入射面に対して垂直に入射されることが好ましい。入射部分に設置された反射鏡の反射率が１００％よりも小さく設定されることにより、レーザ光が光多重反射部の裏面から透過して、光多重反射部に内在する空間に入射が可能となる。

ここで光多重反射部に内在する空間というのは、光多重反射部が一対の反射鏡からなる場合は、該一対の反射鏡の向かい合う鏡面の間に形成される空間とによって構成されており、前記かまくら型構造体である場合には、かまくら型構造体に内包された空間とによって構成される。

さらに、レーザ光は光多重反射部の焦点部分を通過するように照射され、該焦点部分から散乱されたレイリー散乱光を光多重反射部に挟在する空間内で多重反射させることができることとしてもよい。

焦点部分で散乱されるレイリー散乱光は水素ガス漏洩監視領域中に存在するガス、粉塵によって散乱されることが好ましく、さらに好ましくは前記焦点部分に設置された微小な反射鏡によって散乱されることとするのがよい。

また、請求項２に係る考案によると、本願検知装置は、レーザ発振部から発振されるレーザ光を、光ファイバーを用いて水素ガス漏洩監視領域へ導入する導入光部と、水素ガス漏洩監視領域から散乱されるラマン散乱光を、光ファイバーを用いて前記センサー部へ導出する導出光部とを備えていてもよい。

また、本願検知装置は水素ガス漏洩監視領域から散乱されるラマン散乱光の光束が収束されてセンサー部もしくは導出光部を構成する光ファイバーへ導かれるようなレンズの組み合わせを有していても良い。このようなレンズの組合せとしては、例えばシリンドリカル凸レンズと円形凸レンズを組み合わせることとするのがよい。

センサー部は散乱されたラマン散乱光の中から水素に由来するラマンシフトした波長の光を検出するため、フィルター又は分光器を用いた分光部と、分光部によって分光されたラマン散乱光を検出する検出器とから構成される。検出器には、ＣＣＤセンサー、光電子倍増管、又はフォトダイオードが用いられることが好ましい。

演算部は、センサー部が検出したラマン散乱光の信号データから、平常状態の大気中から得られるラマン散乱光の大気データを差し引く演算を行い、信号データおよび大気データは、好ましくは光強度データを用いるのがよい。

判別部は、演算部から得た演算データが波長に対する光強度データ場合であって、該光強度データに基づくスペクトルのうち水素由来のピークが規定値以上である場合に水素ガスの漏洩を判別することが好ましい。

また、判別部は演算部から出力部を介して得た演算データが水素ガス漏洩監視領域における水素ガス濃度データであってもよく、該水素ガス漏洩監視領域における水素ガス濃度が規定値以上である場合に水素ガスの漏洩を判別することとしてもよい。

警報部は、警報発令信号を受信した場合に、警笛、ベル、表示部への警告表示または監視センターへの通報により警報を行うことが好ましく、またこれらの警報手段を組み合わせて警報することとしてもよい。

本願検知装置を用いることによって、センサーに水素ガスを直接到達させなくても水素ガスの漏洩を判別し、水素貯蔵ステーションにおける水素ガス漏洩による事故を未然に防ぐことができる。

また、本願検知装置のうち、レーザ発振部、センサー部、本体部、及び警報部は水素ガス漏洩監視領域から十分離隔した場所に設置して水素ガスの漏洩を監視することができるため、防爆装備が簡易である、又は防爆装備を必要としない。そのため製造コストを抑えることができ、水素貯蔵ステーションの普及に貢献することができる。

さらに、請求項２の考案によれば、光ファイバーを用いてレーザ光及びラマン散乱光の導入光部及び導出光部を構成するので、レーザ発振部、センサー部、本体部、及び警報部をより水素貯蔵ステーションから安全に離隔した場所に設置することができる。これにより防爆装備を必要としない水素ガス漏洩監視装置を実現することができ、一層の製造コスト削減が実現できる。

さらに、光多重反射部を備えることで、光多重反射部を設置しない場合と比較して、センサー部へ導入できるラマン散乱光強度を１００倍程度にまで増強することができる。このため、人体に照射されても安全な光強度のレーザ光を用いても水素ガスの漏洩を検知することができる。

以下、本願検知装置について、実施例に基づきさらに詳細に説明する。

図１は本願検知装置の実施例１の概略を示している。水素ガス漏洩検知装置１はレーザ発振部２、光多重反射部３、集光部４、センサー部５、本体部６、及び警報部９より構成されている。本体部６は演算部７と、判別部８とからなる。水素貯蔵ステーションＳにおける水素ガス漏洩監視領域を監視領域１０とする。実施例１において、水素ガス漏洩検知装置１は監視領域１０から１０ｍ離隔した位置に設置されている。

本実施例ではレーザ発振部１に半導体レーザ装置が用いられ、レーザ発振部１から監視領域１０に向かって波長が概ね６７０ｎｍのレーザ光Ｌが放射されている。

監視領域１０は、例えば図２における水素貯蔵ステーションＳに備わる水素供給部Ｓ１の継目Ｓ２の直上空間など、漏洩した直後に水素ガスが存在しうる空間に設定することが好ましい。

監視領域１０中には光多重反射部３が配置されている。光多重反射部３は対面して配置される一対の反射鏡３１及び反射鏡３２で構成されており、実施例１では反射鏡３１及び反射鏡３２には凹面鏡を用いている。また、反射鏡３１及び反射鏡３２はそれぞれの焦点Ｆが一致するように配置されている。レーザ光Ｌは焦点Ｆ付近を通るように反射鏡３１の斜め後方から照射され、反射鏡３２に反射された後再度反射鏡３１で反射され、反射鏡３１と反射鏡３２の間を多重反射するように設定されている。

水素供給部Ｓ１から漏洩した水素ガスが光多重反射部３に内在する空間に入り込んでくると、反射鏡３１及び反射鏡３２の間で多重反射するレーザ光Ｌと水素ガスを構成する水素分子が反応し、ラマン散乱光Ｒが放射される。ここで、水素ガスは必ず水素供給部Ｓ１から漏洩する必要はなく、非常に小さい水素分子からなる水素ガスが水素ステーションＳの壁面を透過して漏洩するような場合であってもよい。

光多重反射部３に内在する空間から放射状に放射されたラマン散乱光Ｒは、光多重反射部３とセンサー部５との間に設置されている集光部４によりセンサー部５の光入射口に集光される。

集光部４は凸レンズ４１及び凸レンズ４２からなり、凸レンズ４１は光多重反射部３に近接して設置され、光多重反射部３に内在する空間から放射されたラマン散乱光Ｒを平行な光束に換えて凸レンズ４２へ送る役割を有する。凸レンズ４２は凸レンズ４１よりもセンサー部５側に近い位置に設置され、凸レンズ４１から送られてきたラマン散乱光Ｒを集光する役割を有する。集光されたラマン散乱光Ｒはセンサー部５の光入射口に入射される。

センサー部５に入射したラマン散乱光Ｒは、センサー部５内に設置されたフォトダイオードまで導かれ、図３に示すように電気信号に変換され信号データＡとして演算部７に送信される。

演算部７において、信号データＡから平常状態の大気中から得られるラマン散乱光の大気データＢを差し引き、光強度スペクトルデータに変換された演算データＢを作成する演算手段Ｉが実施される。

演算部７は演算手段Ｉにより作成した演算データＢを判別部８に送信する。ここで演算データＢをラマン光強度スペクトルとしてモニター１１へ表示されてもよい。判別部８は該光強度スペクトルのうち水素由来のピークＣの強度が規定値以上であるかどうかを判断し、規定値以上の場合には水素ガスの漏洩を判別する判別手段ＩＩを実施する。

判別手段ＩＩにおいて水素ガスの漏洩が判別された場合、判別部８は警報発令信号Ｄを警報部９へ送信する。警報発令信号Ｄを受けた警報部９が警報手段ＩＩＩにより警報を発報する。警報手段ＩＩＩでは水素ガスの漏洩が発生したことを周知させる警笛が鳴る。この場合、モニター１１へ水素ガスの漏洩を示す警告表示がされてもよい。

判別部８が判別手段ＩＩにおいて水素ガスの漏洩を判別しなかった場合は、判別手段ＩＩを終了する。

図４は本願検知装置の実施例２の概略を示す図である。実施例２においてはレーザ発振部１から放射されたレーザ光Ｌは光ファイバーを用いて構成された光導入部１２により光多重反射部３の手前まで導かれ、光多重反射部３に内在する空間にレーザ光Ｌを照射する。

一方、光多重反射部３から放射されたラマン散乱光Ｒはレンズ４１及びレンズ４２によって集光され、光ファイバーを用いて構成された光導出部１３に入射され、センサー部５まで導かれる。

以上の通り、光導入部１２及び光導出部１３を用いることによってレーザ光Ｌやラマン散乱光Ｒを監視領域１０から１０ｍ以上離れた距離であっても導くことができる。

水素ガス漏洩検知装置を示す図である。光多重反射部周辺を示す概略図である。ラマン散乱光を検出後水素ガスの漏洩を検知するための手段を示す図である。光ファイバーを備えた水素ガス漏洩検知装置を示す図である。

符号の説明

１水素ガス漏洩検知装置
２レーザ発振部
３光多重反射部
４散乱光収束部
５センサー部
６本体部
７演算部
８判別部
９警報部
１０監視領域
１１モニター
Ｉ演算手段
ＩＩ判別手段
ＩＩＩ警報手段

Claims

水素ガス漏洩監視領域にレーザ光を照射するレーザ発振部と、
前記水素ガス漏洩監視領域中に配置される光多重反射部と、
前記光多重反射部に内在する空間から散乱されるラマン散乱光を検出するセンサー部と、
前記センサー部が検出した信号データから平常状態の大気中から得られるラマン散乱光の大気データを差し引く演算をする演算部と、
前記演算データから水素ガス漏洩の発生を判別する判別部と、
前記判別部から警報発令信号を受けた場合に警報を行う警報部とを備え、しかも、
前記レーザ発振部、前記センサー部、前記演算部、前記判別部、及び前記警報部が前記水素ガス漏洩監視領域から離隔して設置されている
水素貯蔵ステーションにおける水素ガス漏洩検知装置。
前記レーザ発振部から発振されるレーザ光を、光ファイバーを用いて前記水素ガス漏洩監視領域へ導入する光導入部と、
前記水素ガス漏洩監視領域から散乱されるラマン散乱光を、光ファイバーを用いて前記センサー部へ導出する光導出部とを備える請求項１に記載の水素貯蔵ステーションにおける水素ガス漏洩検知装置。