JP5048592B2 - Fuel cell gas analyzer - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池ガス分析装置に係り、特に燃料電池(本体)から排出される一酸化炭素ガス(CO)等の濃度を精度よく分析するための燃料電池ガス分析装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell gas analyzer, and more particularly to a fuel cell gas analyzer for accurately analyzing the concentration of carbon monoxide gas (CO) discharged from a fuel cell (main body).

燃料電池システムを開発する過程で、燃料電池からのオフガス(排気ガス)を試料ガス(サンプルガス)として排出ガス分析装置に導入し、そのガス組成成分を継続的に測定する場合がある。ここで、燃料電池からのオフガスには内燃機関からの排気ガスに比べて多量の水分が含まれているため、試料ガスとして分析装置に導入するオフガスの流量は内燃機関における排気ガスの流量に比べて相当に少なくせざるを得ない。   In the course of developing a fuel cell system, off-gas (exhaust gas) from a fuel cell may be introduced as a sample gas (sample gas) into an exhaust gas analyzer and its gas composition components may be continuously measured. Here, since the off gas from the fuel cell contains a larger amount of water than the exhaust gas from the internal combustion engine, the flow rate of the off gas introduced into the analyzer as the sample gas is higher than the flow rate of the exhaust gas in the internal combustion engine. Must be considerably reduced.

従来、そのような小流量のオフガスに含まれるガス成分を精度よく検出可能な装置として、例えば、特開2002−98618号公報に記載されているように、質量分析計を用いる排出ガス分析装置が考えられていた(特許文献1)。質量分析法を用いるガス分析装置は、試料ガスの分子がイオン化できるものである限り、組成毎の質量電荷比と電荷量とに応じて幅広い元素の存在量、すなわち濃度を測定することができるので、厳密なガス分析装置として好ましいといえた。   Conventionally, as an apparatus capable of accurately detecting a gas component contained in such a small flow rate of off-gas, for example, as described in JP-A-2002-98618, an exhaust gas analyzer using a mass spectrometer is known. (Patent Document 1). Gas analyzers that use mass spectrometry can measure a wide range of element abundances, that is, concentrations, depending on the mass-to-charge ratio and charge amount for each composition, as long as the sample gas molecules can be ionized. Therefore, it was preferable as a strict gas analyzer.

また、特開2002−90271号公報には、分散型赤外線濃度計を用いた反応ガス分析装置が記載されている(特許文献2)。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-90271 describes a reaction gas analyzer using a distributed infrared densitometer (Patent Document 2).

分散型赤外性濃度計を用いるガス分析装置は、赤外線に対する好適な吸収特定を示す特定のガスについて、赤外線に属する特定波長の吸収量に基づいて試料ガス中の成分と濃度とを測定することができていた。 A gas analyzer using a distributed infrared concentration meter measures components and concentrations in a sample gas based on the amount of absorption at a specific wavelength belonging to infrared light for a specific gas that exhibits suitable absorption characteristics for infrared light. Was done.

特開2002−98618号公報JP 2002-98618 A 特開2002−90271号公報JP 2002-90271 A

しかしながら、特許文献1に記載されていたようなガス分析装置であっても、測定対象となるガス組成によっては、正確なガス組成の分析ができない場合があった。例えば、ある特定の複数種類のガス組成が存在する場合(具体的には、一酸化炭素と窒素とが含まれる場合)、ガス分子の質量が同じであるが故に、両者を分離することが困難であり、一方のガスに由来するイオン電流のみを精度よく測定することができなかった。   However, even a gas analyzer such as that described in Patent Document 1 may not be able to accurately analyze the gas composition depending on the gas composition to be measured. For example, when there are certain types of gas compositions (specifically, when carbon monoxide and nitrogen are included), it is difficult to separate the two because the masses of the gas molecules are the same. Therefore, only the ion current derived from one gas could not be measured with high accuracy.

特に測定対象となるガスが燃料電池システムからのオフガスである場合、オフガスに含まれる一酸化炭素は低濃度であるのに対し窒素が高濃度であるため、一酸化炭素を精度よく測定することをさらに困難にしていた。   In particular, when the gas to be measured is off-gas from the fuel cell system, the carbon monoxide contained in the off-gas is low while the nitrogen is high. It was even more difficult.

一方、特許文献2に記載された分散型赤外性濃度計を用いたガス分析装置では、測定可能なガスは赤外線に対して好適な吸収特性を示す特定のガスに限られていたため、多種多様なガスを測定するには十分とは言えなかった。   On the other hand, in the gas analyzer using the dispersion-type infrared concentration meter described in Patent Document 2, the measurable gas is limited to a specific gas exhibiting an absorption characteristic suitable for infrared rays. It was not enough to measure the correct gas.

そこで本発明は、上記課題を解決するために、小流量の試料ガスに含まれる多様なガス組成を高精度に測定することのできるガス分析装置を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas analyzer capable of measuring various gas compositions contained in a small flow rate of sample gas with high accuracy in order to solve the above problems.

上記課題を解決するために、本発明のガス分析装置は、試料ガスに含まれるガス濃度を測定するガス分析装置であって、試料ガスに含まれる特定の赤外線吸収波長を有する特定ガスの濃度を測定する非分散型赤外線濃度計と、試料ガスに含まれる、特定ガスを含む複数種類のガスの質量ごとの存在量を測定する質量分析計と、非分散型赤外線濃度計により測定された特定ガスの濃度と質量分析計により測定された複数種類のガスの質量ごとの存在量とに基づいて、試料ガスに含まれるガスの濃度を演算する演算部と、を備え、演算部は、非分散型赤外線濃度計により測定された特定ガスの濃度を特定ガスの存在量に換算し、質量分析計により測定された複数種類のガスの質量ごとの存在量のうち、該特定ガスの質量について測定された存在量から、換算された特定ガスの存在量を減算して、該特定ガスと同じ質量を有する異種類のガスの存在量を演算すること、を特徴とする。   In order to solve the above problems, a gas analyzer of the present invention is a gas analyzer that measures a gas concentration contained in a sample gas, and the concentration of a specific gas having a specific infrared absorption wavelength contained in the sample gas. A non-dispersive infrared densitometer to be measured, a mass spectrometer to measure the abundance of each of a plurality of types of gases including a specific gas contained in a sample gas, and a specific gas measured by a non-dispersive infrared densitometer And a calculation unit that calculates the concentration of the gas contained in the sample gas based on the concentration of the gas and the abundance of each of the types of gases measured by the mass spectrometer, and the calculation unit is a non-dispersive type The concentration of the specific gas measured by the infrared densitometer was converted into the abundance of the specific gas, and the mass of the specific gas was measured out of the abundances of the masses of the plurality of types of gases measured by the mass spectrometer. Abundance Et subtracts the abundance of terms the particular gas, computing the abundance of different types of gases having the same mass as the specific gas, characterized by.

上記課題を解決するために、本発明のガス分析装置は、試料ガスに含まれるガス濃度を測定するガス分析装置であって、前記試料ガスを供給する第1の供給路と、前記第1の供給路に設けられ、前記試料ガスの流量を第1の量に調節する第1のマスフローコントローラと、前記試料ガスを希釈するための希釈ガスを供給する第2の供給路と、前記第2の供給路に設けられ、前記希釈ガスの流量を第2の量に調節する第2のマスフローコントローラと、前記第1の供給路からの前記試料ガスと前記第2の供給路からの前記希釈ガスとを混合して混合ガスとする導入配管と、前記導入配管から供給される前記混合ガスに含まれる特定の赤外線吸収波長を有する特定ガスの濃度を測定する非分散型赤外線濃度計と、前記混合ガスに含まれる、前記特定ガスを含む複数種類のガスの質量ごとの存在量を測定する質量分析計と、前記非分散型赤外線濃度計により測定された特定ガスの濃度と前記質量分析計により測定された前記複数種類のガスの質量ごとの存在量とに基づいて、前記試料ガスに含まれるガスの濃度を演算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記非分散型赤外線濃度計により測定された特定ガスの濃度を前記特定ガスの存在量に換算し、前記質量分析計により測定された前記複数種類のガスの質量ごとの存在量のうち、前記特定ガスの質量について測定された存在量から、換算された前記特定ガスの存在量を減算して、前記特定ガスと同じ質量を有する異種類のガスの存在量を演算することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a gas analyzer of the present invention is a gas analyzer for measuring a gas concentration contained in a sample gas, the first supply path for supplying the sample gas, and the first A first mass flow controller provided in a supply path for adjusting the flow rate of the sample gas to a first amount; a second supply path for supplying a dilution gas for diluting the sample gas; and the second A second mass flow controller provided in the supply path for adjusting the flow rate of the dilution gas to a second amount; the sample gas from the first supply path; and the dilution gas from the second supply path; A mixed gas to be mixed gas, a non-dispersive infrared concentration meter for measuring the concentration of a specific gas having a specific infrared absorption wavelength contained in the mixed gas supplied from the inlet pipe, and the mixed gas included, aforementioned Japanese in A plurality of types of the mass spectrometer to measure the abundance of each mass of gas, the plurality of types of gas measured by the mass spectrometer and the concentration of the specific gas measured by the non-dispersive infrared densitometer comprises a gas on the basis of the abundance of each of the mass, and a calculator for calculating the concentration of the gas contained in the sample gas, the arithmetic unit, the concentration of the specific gas measured by the non-dispersive infrared densitometer was converted to the amount of the specific gas, out of the abundance of each mass of the plurality of types of gas measured by the mass spectrometer, the abundance measured for the mass of the specific gas, which is converted the by subtracting the abundance of a specific gas, characterized by calculating the abundance of different types of gases having the same mass as the specific gas.

上記構成において、質量分析計が複数種類のガスの質量に応じた存在量を測定するが、特定ガスの質量が特定ガスとは異なる他種類のガスの質量と同じである場合には、両者を区別して測定することはできず、特定ガスと異種類のガスとの存在量の合計が測定される。かかる構成によれば、非分散型赤外線濃度計が電荷量と質量との質量に基づく質量分析とは異なる方法、すなわち吸収された赤外線の波長と吸収量によって特定ガスの濃度を測定し、この測定された特定ガスの濃度から換算して特定ガスの存在量を算出する。よって、質量分析計によって特定ガスの質量について測定された存在量(すなわち複数種類のガスの存在量の合計)から、この特定ガスの存在量を取り除く演算をすれば、特定ガスと同じ質量を有する異種類のガスの存在量を算出することができる。よって、質量が同じまたは接近している複数のガス成分を区別することができないという質量分析法の欠点を非分散型赤外線濃度計による他のパラメータを用いた測定により補うので、正確なガス組成の測定をすることができる。
また上記構成によれば、試料ガスについても、試料ガスを希釈するための希釈ガスについても、マスフローコントローラが流量を調整するので、各ガスに含まれるガス組成毎の粘性に相違が存在していたとしても、粘性の相違の影響を受けず、正確に流量を制御することができる。また、流量が制御された試料ガスと希釈ガスとが導入配管において混合されるので、均質化された被測定ガスを生成することが可能である。またマスフローコントローラは、キャピラリ(絞り弁)としても機能し、下流において継続的に減圧することでマスフローコントローラの下流の練通路を減圧状態に維持させることが可能である。
In the above configuration, the mass spectrometer measures the abundance corresponding to the masses of a plurality of types of gas, but if the mass of the specific gas is the same as the mass of another type of gas different from the specific gas, They cannot be measured separately, and the total amount of the specific gas and the different kinds of gases is measured. According to such a configuration, the non-dispersive infrared densitometer measures the concentration of a specific gas by a method different from mass spectrometry based on the mass of the charge amount and the mass, that is, the wavelength and absorption amount of the absorbed infrared ray. The abundance of the specific gas is calculated by converting from the concentration of the specific gas. Therefore, if the calculation is performed to remove the abundance of the specific gas from the abundance measured for the mass of the specific gas by the mass spectrometer (that is, the sum of the abundances of plural types of gases), the mass is the same as that of the specific gas The abundance of different kinds of gases can be calculated. Therefore, it compensates for the disadvantage of mass spectrometry that it is impossible to distinguish between multiple gas components with the same or close mass, by measuring with other parameters using a non-dispersive infrared densitometer. You can make measurements.
In addition, according to the above configuration, the mass flow controller adjusts the flow rate of both the sample gas and the dilution gas for diluting the sample gas, so there is a difference in viscosity for each gas composition contained in each gas. However, the flow rate can be accurately controlled without being affected by the difference in viscosity. Moreover, since the sample gas and the dilution gas whose flow rates are controlled are mixed in the introduction pipe, it is possible to generate a homogenized measurement gas. The mass flow controller also functions as a capillary (throttle valve), and can continuously maintain the pressure in the downstream of the mass flow controller by reducing the pressure continuously downstream.

ここで、本発明において、試料ガスを供給する第1の供給路と、第1の供給路に設けられ、試料ガスの流量を第1の量に調節する第1のマスフローコントローラと、試料ガスを希釈するための希釈ガスを供給する第2の供給路と、第2の供給路に設けられ、希釈ガスの流量を第2の量に調節する第2のマスフローコントローラと、第1の供給路からの試料ガスと第2の供給路からの希釈ガスとを混合して混合ガスとする導入配管と、を備えることは好ましい。   Here, in the present invention, a first supply path that supplies the sample gas, a first mass flow controller that is provided in the first supply path and adjusts the flow rate of the sample gas to the first amount, and the sample gas A second supply path for supplying a dilution gas for dilution; a second mass flow controller provided in the second supply path for adjusting the flow rate of the dilution gas to a second amount; and a first supply path It is preferable to provide an introduction pipe that mixes the sample gas and the dilution gas from the second supply path to form a mixed gas.

かかる構成によれば、第1の分岐路と第2の分岐路とで測定装置の各々に応じた適切な圧力を設定することが可能である。   According to such a configuration, it is possible to set an appropriate pressure according to each of the measuring devices in the first branch path and the second branch path.

例えば、第1の分岐路には、非分散型赤外線濃度計を第1の減圧状態にする第1の減圧手段を備えることは好ましい。   For example, it is preferable that the first branch path is provided with first decompression means for bringing the non-dispersive infrared densitometer into a first decompressed state.

かかる構成によれば、非分散型赤外線濃度計を負圧状態にして測定することが可能である。例えば、燃料電池からのオフガスを試料ガスとして導入する場合、水分が多量に含まれているが、第1の分岐路を減圧状態とすることで水分の露点温度を低下させ管内における水分の凝固を抑制することができる。また減圧状態とすることで、試料ガスの体積流量を増加させ、非分散型赤外線濃度計内部におけるガス置換を早め応答速度を工場させることができる。   According to such a configuration, it is possible to perform measurement with the non-dispersive infrared densitometer in a negative pressure state. For example, when off gas from a fuel cell is introduced as a sample gas, it contains a large amount of water. However, by setting the first branch path to a reduced pressure state, the dew point temperature of the water is lowered and the water is solidified in the tube. Can be suppressed. In addition, by setting the reduced pressure state, the volume flow rate of the sample gas can be increased, the gas replacement inside the non-dispersive infrared concentration meter can be accelerated, and the response speed can be set to the factory.

例えば、第1の減圧手段は、非分散型赤外線濃度計に連通する閉空間を減圧する第1の真空ポンプと、閉空間を負圧に維持する負圧弁と、を備えるようにすればよい。かかる構成によれば、第1の真空ポンプを継続的に駆動することにより、上流のマスフローコントローラの下流域であって非分散型赤外線濃度計を含む閉空間を測定に適した一定の負圧状態にすることができる。このとき負圧弁は、非分散型赤外線濃度計内部の圧力変化を抑制し、感度を一定に保ち、誤差を些少にすることに貢献する。また負圧弁は質量分析計入口の圧力変化を抑制し試料ガス流量を一定にするので、質量分析計の感度を一定に保ち、誤差を些少にすることにも貢献する。さらに閉空間の圧力が下がり過ぎた場合に負圧を一定に保つために空気が導入されたとしても、負圧弁を非分散型赤外線濃度計の下流側に設ける場合にはその濃度測定値に影響は与えない。   For example, the first decompression means may include a first vacuum pump that decompresses the closed space communicating with the non-dispersive infrared densitometer, and a negative pressure valve that maintains the closed space at a negative pressure. According to such a configuration, by continuously driving the first vacuum pump, a constant negative pressure state suitable for measurement in a closed space including the non-dispersive infrared concentration meter in the downstream region of the upstream mass flow controller. Can be. At this time, the negative pressure valve suppresses the pressure change inside the non-dispersive infrared densitometer, contributes to keeping the sensitivity constant and making the error insignificant. In addition, the negative pressure valve suppresses the change in pressure at the inlet of the mass spectrometer and makes the sample gas flow rate constant, which contributes to keeping the sensitivity of the mass spectrometer constant and minimizing errors. Furthermore, even if air is introduced to keep the negative pressure constant when the pressure in the closed space drops too much, if the negative pressure valve is installed downstream of the non-dispersive infrared densitometer, the concentration measurement value will be affected. Will not give.

例えば、第2の分岐路には、質量分析計を第2の減圧状態にする第2の減圧手段を備えることは好ましい。かかる構成によれば、質量分析計を適切な真空状態にして測定することが可能である。特に質量分析計を含む閉空間を高真空状態とすることにより、質量分析計において正しい質量分析をすることができる。   For example, it is preferable that the second branch path is provided with a second decompression unit that brings the mass spectrometer into the second decompression state. According to such a configuration, the mass spectrometer can be measured in an appropriate vacuum state. In particular, when the closed space including the mass spectrometer is in a high vacuum state, correct mass analysis can be performed in the mass spectrometer.

例えば、第2の減圧手段は、質量分析計に連通する閉空間を減圧する第2の真空ポンプを備えるようにすればよい。かかる構成によれば、第2の真空ポンプを駆動することにより、質量分析計の入口オリフィスの下流域であって質量分析計を含む閉空間を真空状態にすることができる。   For example, the second decompression unit may include a second vacuum pump that decompresses a closed space communicating with the mass spectrometer. According to such a configuration, by driving the second vacuum pump, the closed space including the mass spectrometer in the downstream area of the inlet orifice of the mass spectrometer can be brought into a vacuum state.

例えば、本発明において、特定ガスは一酸化炭素であり、特定ガスと同じ質量電荷比を有する異種類のガスは窒素である。一酸化炭素(CO)の質量電荷比と、窒素(N2)の質量電荷比とは同じであり、厳密な質量数に相違はあったとしても質量分析計で区別できる程の質量差ではない。このため両者は同じ質量についての分子として存在量が測定されてしまう。よって、本発明によれば、両分子の存在量を区別して測定することができる。 For example, in the present invention, the specific gas is carbon monoxide, and the different kind of gas having the same mass to charge ratio as the specific gas is nitrogen. The mass-to-charge ratio of carbon monoxide (CO) and the mass-to-charge ratio of nitrogen (N 2 ) are the same, and even if there is a difference in the exact mass number, it is not a mass difference that can be distinguished by a mass spectrometer. . For this reason, both abundances are measured as molecules with the same mass. Therefore, according to the present invention, the abundance of both molecules can be distinguished and measured.

本発明によれば、非分散型赤外線濃度計によって質量分析とは異なる原理で特定ガスの濃度を測定し、この測定された特定ガスの濃度から換算して特定ガスの存在量を算出し、質量分析計によって特定ガスの質量に基づいて測定された存在量から、この特定ガスの存在量を取り除く演算をするので、質量が同じまたは接近している複数のガス成分を区別することができないという質量分析法の欠点を非分散型赤外線濃度計を用いた測定により補って、正確なガス組成の測定が可能となる。   According to the present invention, the concentration of a specific gas is measured by a non-dispersive infrared densitometer based on a principle different from that of mass spectrometry, and the abundance of the specific gas is calculated by conversion from the measured concentration of the specific gas. A mass that cannot be distinguished from multiple gas components with the same or close mass, because the abundance of the specific gas is removed from the abundance measured based on the mass of the specific gas by the analyzer. The shortcomings of the analytical method can be compensated for by measurement using a non-dispersive infrared densitometer, and an accurate gas composition can be measured.

本発明によれば、非分散型赤外線濃度計によって質量分析とは異なる原理で特定ガスの濃度を測定し、この測定された特定ガスの濃度から換算して特定ガスの存在量を算出し、質量分析計によって特定ガスの質量に基づいて測定された存在量から、この特定ガスの存在量を取り除く演算をするので、質量が同じまたは接近している複数のガス成分を区別することができないという質量分析法の欠点を非分散型赤外線濃度計を用いた測定により補って、正確なガス組成の測定が可能となる。また本発明によれば、試料ガスについても、試料ガスを希釈するための希釈ガスについても、マスフローコントローラが流量を調整するので、各ガスに含まれるガス組成毎の粘性に相違が存在していたとしても、粘性の相違の影響を受けず、正確に流量を制御することができる。また、流量が制御された試料ガスと希釈ガスとが導入配管において混合されるので、均質化された被測定ガスを生成することが可能である。またマスフローコントローラは、キャピラリ(絞り弁)としても機能し、下流において継続的に減圧することでマスフローコントローラの下流の練通路を減圧状態に維持させることが可能である。 According to the present invention, the concentration of a specific gas is measured by a non-dispersive infrared densitometer based on a principle different from that of mass spectrometry, and the abundance of the specific gas is calculated by conversion from the measured concentration of the specific gas. A mass that cannot be distinguished from multiple gas components with the same or close mass, because the abundance of the specific gas is removed from the abundance measured based on the mass of the specific gas by the analyzer. The shortcomings of the analytical method can be compensated for by measurement using a non-dispersive infrared densitometer, and an accurate gas composition can be measured. Further, according to the present invention, since the mass flow controller adjusts the flow rate of the sample gas and the dilution gas for diluting the sample gas, there is a difference in viscosity for each gas composition contained in each gas. However, the flow rate can be accurately controlled without being affected by the difference in viscosity. Moreover, since the sample gas and the dilution gas whose flow rates are controlled are mixed in the introduction pipe, it is possible to generate a homogenized measurement gas. The mass flow controller also functions as a capillary (throttle valve), and can continuously maintain the pressure in the downstream of the mass flow controller by reducing the pressure continuously downstream.

(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態に係るガス分析装置の構成図である。
図1に示すように、本ガス分析装置における配管構造は、試料ガスF1が導入される第1の供給路1、希釈ガスF2が導入される第2の供給路2、第1の供給路1からの試料ガスF1と第2の供給路2からの希釈ガスF2とが混合され混合ガスとなる導入配管3、導入配管3からの混合ガスF3を分岐する第1の分岐路4、および導入配管3からの混合ガスF3を並行して分岐する第2の分岐路5を備える。希釈ガスF2は必ずしも必要なガスではなく、試料ガスF1の組成に応じて、試料ガスに水分が含まれている場合や測定応答速度を向上させたい場合等、試料ガスの希釈をする必要がある場合に設けられる。なお希釈ガスは、例えばアルゴン等の不活性ガスである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a gas analyzer according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the piping structure in the present gas analyzer includes a first supply path 1 into which a sample gas F1 is introduced, a second supply path 2 into which a dilution gas F2 is introduced, and a first supply path 1. The sample gas F1 from the second supply path 2 and the diluted gas F2 from the second supply path 2 are mixed to form a mixed gas, the first branch path 4 that branches the mixed gas F3 from the introduction pipe 3, and the introduction pipe 3 is provided with a second branch path 5 that branches the mixed gas F3 from 3 in parallel. The dilution gas F2 is not necessarily a necessary gas, and it is necessary to dilute the sample gas according to the composition of the sample gas F1, such as when the sample gas contains moisture or when it is desired to improve the measurement response speed. Provided in case. The dilution gas is an inert gas such as argon.

第1の供給路1には、試料ガスF1の流量を第1の量に調節する第1のマスフローコントローラ22が設けられている。第2の供給路2には、希釈ガスF2の流量を第2の量に調節する第2のマスフローコントローラ23が設けられている。   The first supply path 1 is provided with a first mass flow controller 22 that adjusts the flow rate of the sample gas F1 to a first amount. The second supply path 2 is provided with a second mass flow controller 23 that adjusts the flow rate of the dilution gas F2 to a second amount.

第1のマスフローコントローラ21および第2のマスフローコントローラ22は、流通するガス組成の粘度に影響を受けることなくガス流量を正確に計測することが可能になっている。マスフローコントローラの具体的な構成に制限は無いが、例えば、質量流量を検出する流量検出センサ、ガスが流入する金属細管、金属細管の上流と下流の温度により抵抗値が変化する2つの発熱感温抵抗線、2つの発熱感温抵抗線の抵抗値の差をセンス電圧値の差として検出し出力するブリッジ回路、ブリッジ回路の出力電圧を増幅する増幅回路、センス電圧差を比較する比較制御回路、比較制御の結果に基づき制御されるソレノイドバルブ等を備えて構成することが可能である。金属細管の上流と下流との温度差が流通するガスの流量に対応していることを利用して、ガス流量を一定に制御することが可能になっている。以上の作用により、第1および第2のマスフローコントローラ21および22は、下流の練通路に対してオリフィス(絞り弁)として機能することにもなる。   The first mass flow controller 21 and the second mass flow controller 22 can accurately measure the gas flow rate without being affected by the viscosity of the flowing gas composition. The specific configuration of the mass flow controller is not limited, but, for example, a flow rate detection sensor for detecting a mass flow rate, a metal thin tube into which gas flows, and two exothermic temperatures whose resistance values change depending on the temperatures upstream and downstream of the metal thin tube A bridge circuit that detects and outputs the difference between the resistance values of the resistance wire and the two heat-generating temperature sensing resistor wires as a difference between the sense voltage values, an amplifier circuit that amplifies the output voltage of the bridge circuit, a comparison control circuit that compares the sense voltage difference, A solenoid valve or the like controlled based on the result of the comparison control can be provided. By utilizing the fact that the temperature difference between the upstream and downstream of the metal thin tube corresponds to the flow rate of the flowing gas, the gas flow rate can be controlled to be constant. With the above operation, the first and second mass flow controllers 21 and 22 also function as orifices (throttle valves) for the downstream kneading passages.

導入配管3は、その上流において第1の流量に制御された試料ガスF1と第2の流量に制御された希釈ガスF2とが合流して流れ込むようになっている。一定の長さを有することにより、試料ガスF1と希釈ガスF2とは均一に混合され、混合ガスF3となる。導入配管3の長さは、ガスの混合を促進することが可能な長さに設定される。   In the introduction pipe 3, the sample gas F1 controlled to the first flow rate and the dilution gas F2 controlled to the second flow rate join and flow upstream. By having a certain length, the sample gas F1 and the dilution gas F2 are uniformly mixed to become a mixed gas F3. The length of the introduction pipe 3 is set to a length capable of promoting gas mixing.

なお、導入配管3に攪拌構造を設けて試料ガスF1と希釈ガスF2との攪拌が促進されるように構成してもよい。攪拌構造としては、例えば、一方のガスの流れに対し、他方のガスが乱流を発生させるような流路構造とする。グラスウールのような攪拌部材を配置することでもガスの混合が促進される。   In addition, you may comprise so that stirring with the sample gas F1 and the dilution gas F2 may be promoted by providing the introduction piping 3 with a stirring structure. The stirring structure is, for example, a flow path structure in which the other gas generates a turbulent flow with respect to one gas flow. Mixing of gas is also promoted by arranging a stirring member such as glass wool.

第1の分岐路4には非分散型赤外線濃度計23が、第2の分岐路5には質量分析計24が、それぞれ配置されている。第1の分岐路4および第2の分岐路5には、それぞれの分岐路の圧力状態を変更可能に構成されている。具体的には、本実施形態では、第1の分岐路4が大気圧、第2の分岐路5が一定の真空状態となるように構成されている。非分散型赤外線濃度計23は大気圧より若干減圧した状態で測定することが好ましいが、質量分析計24は、相当程度に真空度を高めておかないと正確な測定が不可能だからである。   A non-dispersive infrared densitometer 23 is disposed in the first branch path 4, and a mass spectrometer 24 is disposed in the second branch path 5. The first branch path 4 and the second branch path 5 are configured such that the pressure state of each branch path can be changed. Specifically, in this embodiment, the first branch path 4 is configured to be at atmospheric pressure, and the second branch path 5 is configured to be in a constant vacuum state. The non-dispersive infrared densitometer 23 is preferably measured in a state slightly depressurized from the atmospheric pressure, but the mass spectrometer 24 is not capable of accurate measurement unless the degree of vacuum is increased to a considerable extent.

具体的に、第1の分岐路4には、第1の減圧手段として、非分散型赤外線濃度計23の下流に圧力を一定の負圧に保つための負圧バルブVと、非分散型赤外線濃度計23に連通する閉空間を減圧する第1の真空ポンプ25と、を備える。負圧バルブVは、設定圧力より低い圧力になると開弁して空気を導入し、設定圧力より高い圧力になると閉弁するので、非分散型赤外線濃度計23を含む閉空間を所望の負圧状態(例えば、−50KPa)に維持することが可能である。第1の真空ポンプ25を駆動することによって、第1のマスフローコントローラ21および第2のマスフローコントローラ22がオリフィス(絞り弁)として機能し、導入配管3から第1の分岐路4にかけての閉空間を負圧状態に維持する。このとき、この閉空間に負圧バルブVが接続されているので、非分散型赤外線濃度計23の検出部である光路232(後述)の圧力を一定に維持することが可能である。   Specifically, a negative pressure valve V for keeping the pressure at a constant negative pressure downstream of the non-dispersion type infrared densitometer 23 and a non-dispersion type infrared ray are provided in the first branch path 4 as a first pressure reducing means. And a first vacuum pump 25 that depressurizes a closed space communicating with the densitometer 23. The negative pressure valve V opens and introduces air when the pressure becomes lower than the set pressure, and closes when the pressure becomes higher than the set pressure. Therefore, the closed space including the non-dispersive infrared densitometer 23 is closed to a desired negative pressure. It is possible to maintain the state (for example, −50 KPa). By driving the first vacuum pump 25, the first mass flow controller 21 and the second mass flow controller 22 function as orifices (throttle valves), and a closed space from the introduction pipe 3 to the first branch path 4 is formed. Maintain negative pressure. At this time, since the negative pressure valve V is connected to this closed space, it is possible to maintain a constant pressure in an optical path 232 (described later) which is a detection unit of the non-dispersive infrared densitometer 23.

また、第2の分岐路5には、第2の減圧手段として、質量分析計24の下流側に、質量分析計24の入口キャピラリ240(後述)の下流の閉空間を減圧する第2の真空ポンプ26を備える。第2の真空ポンプ26を駆動することにより、入口キャピラリ240以降の空間が減圧され、質量分析計24を一定の高真空状態に維持することが可能である。   In the second branch 5, as a second decompression means, a second vacuum that decompresses a closed space downstream of an inlet capillary 240 (described later) of the mass spectrometer 24 on the downstream side of the mass spectrometer 24. A pump 26 is provided. By driving the second vacuum pump 26, the space after the inlet capillary 240 is decompressed, and the mass spectrometer 24 can be maintained in a constant high vacuum state.

第1の分岐路4に設けられる非分散型赤外線濃度計23は、試料ガスF1に含まれる特定の赤外線吸収波長を有する特定ガスの濃度を測定することが可能に構成されている。例えば、特定ガスとして一酸化炭素(CO)の濃度を測定することが可能に構成されている。   The non-dispersive infrared concentration meter 23 provided in the first branch 4 is configured to measure the concentration of a specific gas having a specific infrared absorption wavelength contained in the sample gas F1. For example, the concentration of carbon monoxide (CO) as a specific gas can be measured.

図2に非分散型赤外線濃度計23の構造を示す。
図2に示すように、非分散型赤外線濃度計23は、導入路231および導出路233を備える光路232を有し、光源234から赤外線光線Lが光路232に照射され、光路232を通過した赤外線光線Lが受光素子235により検出され、検出信号D1として出力されるようになっている。但し、図2に示す構造は単なる例示であり、公知技術に基づく他の構成を備えていてもよい。
FIG. 2 shows the structure of the non-dispersive infrared densitometer 23.
As shown in FIG. 2, the non-dispersive infrared densitometer 23 has an optical path 232 having an introduction path 231 and an outlet path 233, and an infrared ray L is emitted from the light source 234 to the optical path 232 and passes through the optical path 232. The light beam L is detected by the light receiving element 235 and is output as a detection signal D1. However, the structure shown in FIG. 2 is merely an example, and may have another configuration based on a known technique.

非分散型赤外線濃度計23は、多くの種類のガスがそれぞれ固有の赤外線波長を吸収するという性質を利用して、吸収された赤外線の波長と吸収された量とに基づいて、試料ガス中のガス組成を特定し、そのガス組成の濃度を測定するように構成されている。   The non-dispersive infrared densitometer 23 utilizes the property that many kinds of gases each absorb a specific infrared wavelength, and based on the absorbed infrared wavelength and the amount absorbed, The gas composition is specified, and the concentration of the gas composition is measured.

具体的には、光源234(例えばニクロム線)からは非分散型の赤外線、すなわち総ての波長成分を含む赤外線が射出されるようになっている。光路232に導入された赤外線光線Lは、導入路231から導入されて光路232に充填されている混合ガスF3に含まれる特定ガス(以下、一酸化炭素COとする)の濃度に比例して一定波長の赤外線光線が吸収され減光されて受光素子235に到達する。受光素子235は検出対象となる特定ガスの吸収波長を中心とする狭い波長帯域の赤外線光線に感度が高く設定されており、受光した赤外線の光線量に比例した電気信号(検出信号D1)を生成して出力する。出力される検出信号D1の信号レベルが大きい程、光線の吸収量が小さく、よって濃度が低いことを示している。逆に、検出信号D1の信号レベルが小さい程、光線の吸収量が大きく、よって濃度が高いことを示している。よって、基準となる特定ガスの濃度と検出信号D1のレベルとの対応関係を関係テーブルまたは関係式として保持しておけば、検出信号D1のレベルに応じ、混合ガスF3に含まれる特定ガスの濃度を測定することが可能である。   Specifically, a non-dispersive infrared ray, that is, an infrared ray including all wavelength components is emitted from the light source 234 (for example, nichrome wire). The infrared ray L introduced into the optical path 232 is constant in proportion to the concentration of a specific gas (hereinafter referred to as carbon monoxide CO) contained in the mixed gas F3 introduced from the introduction path 231 and filled in the optical path 232. The infrared ray having the wavelength is absorbed and attenuated, and reaches the light receiving element 235. The light receiving element 235 is set to be highly sensitive to infrared rays in a narrow wavelength band centered on the absorption wavelength of a specific gas to be detected, and generates an electrical signal (detection signal D1) proportional to the amount of received infrared rays. And output. It shows that the larger the signal level of the output detection signal D1, the smaller the amount of light absorption, and thus the lower the density. Conversely, the smaller the signal level of the detection signal D1, the greater the amount of light absorption, and thus the higher the density. Therefore, if the correspondence between the concentration of the reference specific gas and the level of the detection signal D1 is held as a relation table or a relational expression, the concentration of the specific gas contained in the mixed gas F3 according to the level of the detection signal D1. Can be measured.

非分散型赤外線濃度計の構造に依存するが、非分散型赤外線濃度計は、若干の負圧状態、例えば数十kPaの負圧にしておくと検出精度が上昇することがある。本実施形態では、第1の真空ポンプ25により減圧され、負圧バルブVにより一定の負圧状態に維持させることが可能になっている。   Although it depends on the structure of the non-dispersion infrared densitometer, the detection accuracy of the non-dispersion infrared densitometer may increase if the non-dispersion infrared densitometer is in a slightly negative pressure state, for example, a negative pressure of several tens kPa. In the present embodiment, the pressure is reduced by the first vacuum pump 25 and can be maintained at a constant negative pressure state by the negative pressure valve V.

図3に質量分析計24の構成を示す。
図3に示すように、質量分析計24は、流路に沿って、入口キャピラリ240、イオン化部241、分析部242、および検出部243が設けられている。但し、図3に示す構造は単なる例示であり、公知技術に基づく他の構成を備えていてもよい。
FIG. 3 shows the configuration of the mass spectrometer 24.
As shown in FIG. 3, the mass spectrometer 24 is provided with an inlet capillary 240, an ionization unit 241, an analysis unit 242, and a detection unit 243 along the flow path. However, the structure shown in FIG. 3 is merely an example, and other configurations based on known techniques may be provided.

質量分析計24は、試料ガスに含まれるガス分子に高電圧を印加してイオン化して飛行させ、そのイオンを電気的・電磁的な作用により質量電荷比(分子の質量mと電荷量zとの比:m/z)に応じて分離し、分離後のそれぞれのイオンの量を検出する装置である。最終的には演算部において、質量電荷比を横軸に、検出強度(イオンの計数量)を縦軸にしたマススペクトルを測定可能になっている。またイオンの量からガス組成濃度を演算可能になっている。   The mass spectrometer 24 applies a high voltage to gas molecules contained in the sample gas to ionize and fly, and the ions are electrically and electromagnetically acted on by a mass-to-charge ratio (molecular mass m and charge amount z). Is a device that detects the amount of each ion after separation. Finally, in the calculation unit, it is possible to measure a mass spectrum having the mass-to-charge ratio on the horizontal axis and the detection intensity (ion count) on the vertical axis. The gas composition concentration can be calculated from the amount of ions.

具体的に、入口キャピラリ240は、一定の流路抵抗を有し、第2の真空ポンプ26を駆動させることで質量分析計24を含む閉空間の圧力を高真空状態に維持することを可能とする絞り弁である。   Specifically, the inlet capillary 240 has a constant flow path resistance, and can drive the second vacuum pump 26 to maintain the pressure in the closed space including the mass spectrometer 24 in a high vacuum state. It is a throttle valve.

イオン化部241は、試料ガスに含まれるガス分子にエネルギーを与えてイオン化させる部分であり、熱電子を衝突させてイオン化する電子イオン化法、予めイオン化したガス分子を導入して対象となるガス分子と電荷交換反応を起こしてイオン化させる化学イオン化法、髭状電極により高電場を発生しトンネル効果を利用してイオン化する電界離脱法、高速で中性原子を衝突させてイオン化する高速原子衝突法等、公知の方法を適用することが可能である。   The ionization unit 241 is a part that applies energy to gas molecules contained in the sample gas and ionizes them. An electron ionization method in which ionization is performed by colliding thermal electrons, gas molecules that are ionized in advance, and target gas molecules Chemical ionization method that causes ionization by causing a charge exchange reaction, electric field separation method that generates a high electric field by a saddle electrode and ionizes using the tunnel effect, fast atom collision method that ionizes by colliding neutral atoms at high speed, etc. Known methods can be applied.

分析部242は、イオン化されたガス分子を分離する部分であり、磁場偏向法、四重極法、イオントラップ法、飛行時間法等の公知の方法を適用することが可能である。磁場偏向法では、イオン化されたガス分子を磁場中に供給し、ローレンツ力により、ガス分子の質量と速度との関係で定まる飛行経路の差を利用して特定のガス分子を分離し検出する。四重極法では、イオン化されたガス分子を4本の電極内に通し、高周波を電極間に印加してガス分子に摂動をかけ、検出対象となるイオンのみ通過させる方法である。イオントラップ法は、電極を設けたトラップ室にイオンを保持し、電位を変化させて選択的にイオンを放出させて分離する方法である。飛行時間法は、イオン化されたガス分子を加速し、質量電荷比に応じて変化する検出器に達するまでの時間差を検出することでイオンを分離する方法である。   The analysis unit 242 is a part that separates ionized gas molecules, and a known method such as a magnetic field deflection method, a quadrupole method, an ion trap method, or a time-of-flight method can be applied. In the magnetic field deflection method, ionized gas molecules are supplied into a magnetic field, and specific gas molecules are separated and detected by Lorentz force using a difference in flight path determined by the relationship between the mass and velocity of the gas molecules. In the quadrupole method, ionized gas molecules are passed through four electrodes, a high frequency is applied between the electrodes to perturb the gas molecules, and only ions to be detected are passed. The ion trap method is a method in which ions are held in a trap chamber provided with electrodes, and selectively released by changing potential to separate them. The time-of-flight method is a method of separating ions by accelerating ionized gas molecules and detecting a time difference until reaching a detector that changes according to the mass-to-charge ratio.

検出部243は、イオン化され分離されたガス分子を検出する部分であり、電子倍増管、マイクロチャネルプレート等で増感して検出する。ガス分子の数に対応した値が検出されることになる。単位体積当たりのガス分子の数は、ガス分子の総量、すなわちガス濃度に対応しているといえる。   The detection unit 243 is a part that detects ionized and separated gas molecules, and sensitizes and detects them with an electron multiplier tube, a microchannel plate, or the like. A value corresponding to the number of gas molecules will be detected. It can be said that the number of gas molecules per unit volume corresponds to the total amount of gas molecules, that is, the gas concentration.

(動作の説明)
次に本実施形態におけるガス分析装置におけるガス分析方法を説明する。
図4のフローチャートに基づいて本実施形態のガス分析方法を説明する。
(Description of operation)
Next, a gas analysis method in the gas analyzer according to this embodiment will be described.
The gas analysis method of this embodiment will be described based on the flowchart of FIG.

まずステップS10において、第1のマスフローコントローラ21の流量が第1の流量Q1となるように設定される。この第1の流量Q1は、試料ガスF1に含まれる特定ガス(一酸化炭素CO)の濃度等から検出精度が相対的に高くなるような流量に選択される。続いてステップS11において、第2のマスフローコントローラ22の流量が第2の流量Q2となるように設定される。この第2の流量Q2は、試料ガスF1を希釈するために適する希釈ガスの流量に選択される。   First, in step S10, the flow rate of the first mass flow controller 21 is set to be the first flow rate Q1. The first flow rate Q1 is selected to be a flow rate at which the detection accuracy is relatively high based on the concentration of the specific gas (carbon monoxide CO) contained in the sample gas F1. Subsequently, in step S11, the flow rate of the second mass flow controller 22 is set to be the second flow rate Q2. This second flow rate Q2 is selected as a flow rate of a dilution gas suitable for diluting the sample gas F1.

次いで、ステップS12において、第1の分岐路4に設けられた第1の真空ポンプ25が所定回転数で駆動される。この駆動に伴い、キャピラリとして機能する第1のマスフローコントローラ21および第2のマスフローコントローラ22の下流側に配置された、導入配管3および第1の分岐路4を含む第1の真空ポンプ25の入口までの閉空間が減圧される。このとき、第1の分岐路4には負圧バルブVが設けられているので、負圧バルブVに設定されている設定圧力(例えば、−50kPa)までは減圧されていくが、第1の分岐路4の圧力が設定圧力よりも下がろうとすると外部から空気が導入される。このような作用により、非分散型赤外線濃度計23を含む第1の分岐路4は一定の負圧状態に維持される。   Next, in step S12, the first vacuum pump 25 provided in the first branch path 4 is driven at a predetermined rotational speed. Along with this driving, the inlet of the first vacuum pump 25 including the introduction pipe 3 and the first branch path 4 disposed downstream of the first mass flow controller 21 and the second mass flow controller 22 that function as capillaries. The closed space up to is decompressed. At this time, since the negative pressure valve V is provided in the first branch path 4, the pressure is reduced to the set pressure (for example, −50 kPa) set in the negative pressure valve V. Air is introduced from the outside when the pressure in the branch path 4 is lowered below the set pressure. By such an action, the first branch path 4 including the non-dispersive infrared densitometer 23 is maintained in a constant negative pressure state.

ステップS13において、第2の分岐路5に設けられた第2の真空ポンプ26が所定回転数で駆動される。この駆動に伴い、質量分析計24の入口キャピラリ240の下流側であって第2の真空ポンプ26の入口までの閉空間が減圧されていく。第2の真空ポンプ26の回転数を制御することにより、閉空間の圧力が相当程度の高真空状態に維持される。このとき、質量分析計24の入口キャピラリ240への入口付近の圧力(すなわち、第2の分岐路5の内圧)が変動すると、入口キャピラリ240を通過する試料ガスの流量が変動し、質量分析計24の感度が変動し誤差を生じる。しかしながら、本実施形態では、第2の分岐路5が第1の分岐路4と連通しており、第1の分岐路4の内圧が負圧バルブVの機能により一定負圧に維持されているので、第2の分岐路5の内圧も安定している。よって、質量分析計24において誤差を発生する可能性が抑制されている。   In step S13, the second vacuum pump 26 provided in the second branch path 5 is driven at a predetermined rotational speed. With this driving, the closed space downstream of the inlet capillary 240 of the mass spectrometer 24 and to the inlet of the second vacuum pump 26 is depressurized. By controlling the rotation speed of the second vacuum pump 26, the pressure in the closed space is maintained in a considerably high vacuum state. At this time, when the pressure in the vicinity of the inlet of the mass spectrometer 24 to the inlet capillary 240 (that is, the internal pressure of the second branch 5) varies, the flow rate of the sample gas passing through the inlet capillary 240 varies, and the mass spectrometer. The sensitivity of 24 varies and an error occurs. However, in this embodiment, the second branch path 5 communicates with the first branch path 4, and the internal pressure of the first branch path 4 is maintained at a constant negative pressure by the function of the negative pressure valve V. Therefore, the internal pressure of the second branch path 5 is also stable. Therefore, the possibility of generating an error in the mass spectrometer 24 is suppressed.

以上の測定準備に係るステップS10〜S13は、どのような順番で実施されてもよい。この測定準備ができたら、ステップS14において、ガス分析を開始するタイミングであるか否かが判定される。判定の結果、測定タイミングでない場合(NO)には、引き続き待機状態とされる。判定の結果、測定タイミングであった場合(YES)、ステップS15に移行する。   Steps S10 to S13 related to the above measurement preparation may be performed in any order. When this measurement preparation is completed, it is determined in step S14 whether or not it is time to start gas analysis. If it is not the measurement timing as a result of the determination (NO), the standby state is continued. As a result of the determination, if it is the measurement timing (YES), the process proceeds to step S15.

ステップS15において、まず質量分析計24における質量分析測定が実施される。この測定により、質量電荷比に応じたガス分子の計数が行われ、質量電荷比に応じた検出強度、すなわちガス分子のイオン化電流値に対応した計数値が検出される。この計数値はガス濃度に対応している。検出された計数値は、検出信号D2として演算部30に供給される。   In step S15, first, mass spectrometry measurement is performed in the mass spectrometer 24. By this measurement, the gas molecules are counted according to the mass-to-charge ratio, and the detection intensity according to the mass-to-charge ratio, that is, the count value corresponding to the ionization current value of the gas molecules is detected. This count value corresponds to the gas concentration. The detected count value is supplied to the calculation unit 30 as the detection signal D2.

ステップS16において、演算部30は、ガス分子の計数値を質量電荷比に対応させて記録していく。総てのガス分子についての検出が終了すると、質量電荷比に応じた検出強度をプロットしたマススペクトルが得られる。   In step S <b> 16, the arithmetic unit 30 records the gas molecule count value in correspondence with the mass-to-charge ratio. When the detection for all the gas molecules is completed, a mass spectrum in which the detection intensity corresponding to the mass to charge ratio is plotted is obtained.

図5に質量電荷比と検出強度との関係を示すマススペクトルの例を示す。実線で示す特性S1が検出されるマススペクトルである。ここで、図5から判るように、ピークPにおいて窒素N2の質量電荷比と検出対象となる特定ガスである一酸化炭素COの質量電荷比はほぼ同じになっている。よって窒素と一酸化炭素とは同じ質量電荷比を有するガスとして検出されており、特性S1のピークにおいては両者のガスの計数量が加算されたものとなっている。よって、質量分析だけでは、他のガス組成についての検出強度は測定できるとしても、窒素と一酸化炭素の検出強度は測定できていない。 FIG. 5 shows an example of a mass spectrum showing the relationship between the mass-to-charge ratio and the detected intensity. It is a mass spectrum in which a characteristic S1 indicated by a solid line is detected. Here, as can be seen from FIG. 5, at the peak P, the mass-to-charge ratio of nitrogen N 2 and the mass-to-charge ratio of carbon monoxide CO, which is the specific gas to be detected, are substantially the same. Therefore, nitrogen and carbon monoxide are detected as gases having the same mass-to-charge ratio, and the count amount of both gases is added at the peak of the characteristic S1. Therefore, even with mass spectrometry alone, the detection intensities of other gas compositions can be measured, but the detection intensities of nitrogen and carbon monoxide cannot be measured.

そこで、ステップS17において、今度は、非分散型赤外線濃度計23により特定ガス、すなわち一酸化炭素の濃度を検出する。非分散型赤外線濃度計23における受光素子235は一酸化炭素の赤外線吸収波長に特化しているので、窒素を含むその他のガス組成の吸収状態は検出しない。受光素子23からの検出信号D1は演算部30に供給される。   Therefore, in step S17, the concentration of the specific gas, that is, carbon monoxide is detected by the non-dispersive infrared densitometer 23 this time. Since the light receiving element 235 in the non-dispersive infrared densitometer 23 is specialized for the infrared absorption wavelength of carbon monoxide, the absorption state of other gas compositions containing nitrogen is not detected. The detection signal D1 from the light receiving element 23 is supplied to the calculation unit 30.

ステップS18において、演算部30は、この検出信号D1に基づいて予め用意された関係テーブルまたは関係式を利用して特定ガスである一酸化炭素の濃度を演算する。さらに演算部30は、気体中のガスの濃度に基づいて単位体積当たりにおけるガス分子数Ccoに換算する。   In step S18, the computing unit 30 computes the concentration of carbon monoxide, which is a specific gas, using a relation table or relational expression prepared in advance based on the detection signal D1. Furthermore, the calculating part 30 converts into gas molecule number Cco per unit volume based on the density | concentration of the gas in gas.

次いでステップS19に移行し、演算部30は、記録されたマススペクトルからピークPにおける計数値Cmixを読み出す。そしてステップS20に移行し、演算部30は、読み出した計数値Cmixから換算した一酸化炭素の分子数Ccoを減算して、窒素の分子数CN2を算出する。計数値をガス組成の濃度に変換するために、具体的には、試料ガスF1中のガス組成には、予め定めたガス(例えば、一酸化炭素CO、二酸化炭素CO2、酸素O2、水素H2、水分H2O、窒素N2)しか存在しないと仮定し、ガス組成比の総和が100重量%となるように、各ガス組成ごとにイオン化電流値に対応した計数値を濃度に変換する。本実施形態のように希釈ガスF2により試料ガスF1を希釈している場合には、その希釈率は各ガス成分の濃度に影響を与えないと仮定して濃度変換演算を行う。 Next, the process proceeds to step S19, and the calculation unit 30 reads the count value Cmix at the peak P from the recorded mass spectrum. Then the process proceeds to step S20, the arithmetic unit 30, the number of molecules Cco of carbon monoxide converted from the read count value Cmix is subtracted to calculate the number of molecules C N2 nitrogen. In order to convert the count value into the concentration of the gas composition, specifically, the gas composition in the sample gas F1 includes a predetermined gas (for example, carbon monoxide CO, carbon dioxide CO 2 , oxygen O 2 , hydrogen Assuming that only H 2 , moisture H 2 O, and nitrogen N 2 ) exist, the count value corresponding to the ionization current value is converted into a concentration for each gas composition so that the total gas composition ratio is 100 wt%. To do. When the sample gas F1 is diluted with the dilution gas F2 as in the present embodiment, the concentration conversion calculation is performed on the assumption that the dilution rate does not affect the concentration of each gas component.

すなわち、図5において、質量分析計24により検出されたピークPにおける計数値Cmixは窒素と一酸化炭素の分子数の合計になっている。そこで原理的に異なっており一酸化炭素のみを抽出できる非分散型赤外線濃度計23によって一酸化炭素の濃度を検出し、分子数Ccoに換算して、計数値Cmixから減算することにより、窒素の分子数CN2を得ることに成功したのである。 That is, in FIG. 5, the count value Cmix at the peak P detected by the mass spectrometer 24 is the total number of molecules of nitrogen and carbon monoxide. Therefore, the concentration of carbon monoxide is detected by a non-dispersive infrared densitometer 23 that is different in principle and can extract only carbon monoxide, converted into the number of molecules Cco, and subtracted from the count value Cmix, thereby reducing the nitrogen concentration. They succeeded in obtaining the molecular number C N2 .

以上の実施形態では、窒素と一酸化炭素の質量電荷比が同じであった場合を例示したが、同様に質量電荷比が非常に接近している結果、質量分析による分離が不可能なガス組成同時であれば、本発明を適用することにより、両者を分離して測定することが可能である。   In the above embodiment, the case where the mass-to-charge ratio of nitrogen and carbon monoxide was the same was exemplified, but similarly, the gas composition that cannot be separated by mass spectrometry as a result of the mass-to-charge ratio being very close. At the same time, by applying the present invention, it is possible to measure both separately.

以上、実施形態1のガス分析装置によれば、まず質量分析計24を備えているので、燃料電池システムで排出されうるガス組成である一酸化炭素CO、二酸化炭素CO2、酸素O2、水素H2、水分H2O、窒素N2等の多種類のガスを継続的に分析することが可能である。 As described above, according to the gas analyzer of the first embodiment, since the mass spectrometer 24 is provided first, carbon monoxide CO, carbon dioxide CO 2 , oxygen O 2 , hydrogen, which are gas compositions that can be discharged from the fuel cell system. It is possible to continuously analyze many kinds of gases such as H 2 , moisture H 2 O, and nitrogen N 2 .

特に、本実施形態1のガス分析装置によれば、非分散型赤外線濃度計23によって、質量分析計24による質量分析とは異なる原理で特定ガスの濃度を測定し、演算部30が、この測定された特定ガスの濃度から換算して特定ガスの存在量を算出し、質量分析計によって特定ガスの質量電荷比について測定された存在量から、この特定ガスの存在量を取り除く演算をしたので、質量が接近している複数のガス成分(例えば一酸化炭素COと窒素N2)を正確に識別して検出することができる。 In particular, according to the gas analyzer of the first embodiment, the concentration of the specific gas is measured by the non-dispersive infrared densitometer 23 on the principle different from the mass analysis by the mass spectrometer 24, and the calculation unit 30 performs this measurement. The specific gas abundance was calculated by converting from the concentration of the specific gas, and the calculation was made to remove the specific gas abundance from the abundance measured for the mass-to-charge ratio of the specific gas by the mass spectrometer. A plurality of gas components (for example, carbon monoxide CO and nitrogen N 2 ) whose masses are close to each other can be accurately identified and detected.

言い換えれば、本実施形態1によれば、試料ガスについて、2項目の測定データ(より具体的には濃度組成データと質量組成データ)を測定し、これらの測定データに基づいて当該測定データ(濃度組成データ)に含まれる誤差を計算し、前記測定データから前記誤差を除去するので、特定ガスの濃度を正確に測定することができる。   In other words, according to the first embodiment, two items of measurement data (more specifically, concentration composition data and mass composition data) are measured for the sample gas, and the measurement data (concentration) based on these measurement data. Since the error included in the composition data is calculated and the error is removed from the measurement data, the concentration of the specific gas can be accurately measured.

また燃料電池システムでは、排気ガスから多量の試料ガスをサンプリングすると燃料電池の特性が変化してしまうため、連続的に排気ガスのガス組成を分析するためには、少量の試料ガスしかサンプリングすることができない。このとき、ポンプで試料ガスを送り込むように測定装置を構成すると、測定手段の上流にポンプが介在することになるため、ポンプの容積により、サンプリング時点と測定時点とにタイムラグが生じるため、リアルタイムに測定結果を燃料電池システムの制御に反映させることができない。   In a fuel cell system, if a large amount of sample gas is sampled from the exhaust gas, the characteristics of the fuel cell change. Therefore, in order to analyze the gas composition of the exhaust gas continuously, only a small amount of sample gas should be sampled. I can't. At this time, if the measuring device is configured to feed the sample gas with the pump, the pump is interposed upstream of the measuring means, so a time lag occurs between the sampling time and the measuring time due to the volume of the pump. The measurement result cannot be reflected in the control of the fuel cell system.

この点、上記実施形態1のガス分析装置によれば、測定手段の下流側に真空ポンプが設けられているので、燃料電池システムのように少量の試料ガスしかサンプリングできない測定対象であったとしても、ポンプの容積等に起因する測定応答速度の遅れを抑制することができる。また真空ポンプにより吸引して減圧状態で試料ガスを測定するので、大気圧で測定を行う場合よりも試料ガスの流量を増加させることが可能であり、測定応答速度を高めることが可能である。さらに試料ガスF1をさらに希釈ガスF2で希釈するので、試料ガスの流量を増加させることにより測定応答速度を高めることが可能である。   In this regard, according to the gas analyzer of the first embodiment, since the vacuum pump is provided on the downstream side of the measuring means, even if it is a measurement object that can sample only a small amount of sample gas as in the fuel cell system. Further, it is possible to suppress a delay in measurement response speed due to the pump volume and the like. Further, since the sample gas is measured in a reduced pressure state by being sucked by a vacuum pump, the flow rate of the sample gas can be increased and the measurement response speed can be increased as compared with the case of measuring at atmospheric pressure. Furthermore, since the sample gas F1 is further diluted with the diluent gas F2, it is possible to increase the measurement response speed by increasing the flow rate of the sample gas.

また燃料システムから排出される排気ガスには多量の水分が含まれていることがあるが、このような排気ガスをそのままの圧力で試料ガスとしてガス分析装置に導入するとすれば、水分が凝集し、測定誤差が大きくなったり分析計の故障の原因となったりする。このような不都合を抑制するには水分凝集が生じない温度(例えば100℃以上)にガス分析装置を維持する必要があるが、そのような高温では分析計の耐久性を低下させ、別の故障の原因となってしまう。   Exhaust gas discharged from the fuel system may contain a large amount of moisture. However, if such exhaust gas is introduced into the gas analyzer as a sample gas at the same pressure, moisture aggregates. Measurement errors may increase or the analyzer may malfunction. In order to suppress such inconvenience, it is necessary to maintain the gas analyzer at a temperature at which moisture aggregation does not occur (for example, 100 ° C. or higher). At such a high temperature, the durability of the analyzer is lowered, and another failure occurs. It becomes the cause of.

この点、上記実施形態1のガス分析装置によれば、入口部分にキャピラリとして機能するマスフローコントローラ21および22を設けて真空ポンプ25および26で吸引するように構成し、減圧状態で試料ガスを測定するので、試料ガスに多量の水分が含まれていても、水分凝集を発生することもがなく、凝集を抑制するために高温に維持する必要がなく、上記不都合を生じない。また、試料ガスF1をさらに希釈ガスF2で希釈するので、試料ガス中の水分濃度をさらに低下させ、露点温度を低下させることとなり、ガス分析装置内での水分の凝縮をさらに効果的に抑制可能である。   In this regard, according to the gas analyzer of the first embodiment, the mass flow controllers 21 and 22 functioning as capillaries are provided at the inlet portion, and suction is performed by the vacuum pumps 25 and 26, and the sample gas is measured in a reduced pressure state. Therefore, even if a large amount of water is contained in the sample gas, water aggregation does not occur, and it is not necessary to maintain a high temperature in order to suppress the aggregation, and the above-described disadvantage does not occur. In addition, since the sample gas F1 is further diluted with the dilution gas F2, the moisture concentration in the sample gas is further reduced and the dew point temperature is lowered, so that condensation of moisture in the gas analyzer can be further effectively suppressed. It is.

さらに上記実施形態1のガス分析装置によれば、試料ガスF1については第1のマスフローコントローラ21が、試料ガスF1を希釈するための希釈ガスF2については第2のマスフローコントローラ22が、それぞれガス流量を調整するので、各ガスに含まれるガス組成毎の粘性に相違が存在していたとしても、粘性の相違の影響を受けず、正確に流量を制御することができる。   Furthermore, according to the gas analyzer of the first embodiment, the first mass flow controller 21 for the sample gas F1, and the second mass flow controller 22 for the dilution gas F2 for diluting the sample gas F1, respectively. Therefore, even if there is a difference in viscosity for each gas composition contained in each gas, the flow rate can be accurately controlled without being affected by the difference in viscosity.

上記実施形態1のガス分析装置によれば、流量が制御された試料ガスF1と希釈ガスF2とが導入配管3において混合されるので、均質化された被測定ガスを生成することが可能である。   According to the gas analyzer of the first embodiment, since the sample gas F1 and the dilution gas F2 whose flow rates are controlled are mixed in the introduction pipe 3, it is possible to generate a homogenized measurement gas. .

上記実施形態1によれば、非分散型赤外線濃度計23を負圧状態にして測定するので、より正確な特定ガスの濃度検出が可能である。   According to the first embodiment, since measurement is performed with the non-dispersive infrared densitometer 23 in a negative pressure state, the concentration of the specific gas can be detected more accurately.

上記実施形態1のガス分析装置によれば、負圧バルブVを設けたので、非分散型赤外線濃度計23の内部圧力および質量分析計24の入口圧力を安定させることができる。よって、非分散型赤外線濃度計23における測定誤差および質量分析計24における測定誤差の双方を効果的に抑制可能である。   According to the gas analyzer of the first embodiment, since the negative pressure valve V is provided, the internal pressure of the non-dispersive infrared concentration meter 23 and the inlet pressure of the mass spectrometer 24 can be stabilized. Therefore, both the measurement error in the non-dispersive infrared densitometer 23 and the measurement error in the mass spectrometer 24 can be effectively suppressed.

(実施形態2)
図6は、本発明の実施形態2に係るガス分析装置の構成図である。
図6に示すように、本ガス分析装置における配管構造は、上記実施形態1とほぼ同様の構成を備えているが、第1の分岐路4を減圧状態に維持する第1の減圧手段、すなわち負圧バルブVと第1の真空ポンプ25が設けられていない点が異なる。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a configuration diagram of a gas analyzer according to Embodiment 2 of the present invention.
As shown in FIG. 6, the piping structure in the present gas analyzer has substantially the same configuration as that of the first embodiment, but the first decompression means for maintaining the first branch path 4 in a decompressed state, that is, The difference is that the negative pressure valve V and the first vacuum pump 25 are not provided.

本実施形態2における動作は、上記実施形態1と同様(図4)である。
但し、本実施形態2では非分散型赤外線濃度計23は大気圧に維持されて特定ガスの検出を行うように構成されている。質量分析計と異なり、非分散型赤外線濃度計は大気圧においてもガス濃度の検出が可能であるため、このような構成を採用することができる。また本実施形態2では、第1の分岐路4はほぼ大気圧に維持されるので、質量分析計24の入口圧力となる第2の分岐路5もほぼ大気圧に維持され、質量分析計24の入口圧力が大きく変動することが無いので、質量分析計24における測定誤差を抑制することが可能である。
The operation in the second embodiment is the same as that in the first embodiment (FIG. 4).
However, in the second embodiment, the non-dispersive infrared concentration meter 23 is configured to detect a specific gas while being maintained at atmospheric pressure. Unlike the mass spectrometer, the non-dispersive infrared densitometer can detect the gas concentration even at atmospheric pressure, and thus can adopt such a configuration. In the second embodiment, since the first branch 4 is maintained at substantially atmospheric pressure, the second branch 5 serving as the inlet pressure of the mass spectrometer 24 is also maintained at substantially atmospheric pressure. Therefore, the measurement error in the mass spectrometer 24 can be suppressed.

(その他の実施形態)
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
例えば、本実施形態のガス分析装置は、いかなるガスの分析にも適用可能である。特に、燃料電池システムでは、燃料ガスの一つとして空気を使用するため排気ガス中に窒素が多数含まれており、排気ガス中のガス組成を正確に分析するためには好適である。
(Other embodiments)
The present invention can be applied with various modifications other than the above embodiment.
For example, the gas analyzer of this embodiment is applicable to any gas analysis. In particular, in a fuel cell system, since air is used as one of the fuel gases, a large amount of nitrogen is contained in the exhaust gas, which is suitable for accurately analyzing the gas composition in the exhaust gas.

上記実施形態では、マスフローコントローラ21および/または22を用いていたが、供給される試料ガスの量が安定していれば、また、試料ガスに多量の水分が含まれていなければ、マスフローコントローラは用いなくてもよい。   In the above embodiment, the mass flow controllers 21 and / or 22 are used. However, if the amount of sample gas supplied is stable, and if the sample gas does not contain a large amount of moisture, the mass flow controller is It may not be used.

上記実施形態では、希釈ガスを用いていたが、供給される試料ガスにおける検出対象となる特定ガス濃度が適当であれば、希釈ガスを必ずしも用いる必要はない。   In the above embodiment, the dilution gas is used. However, the dilution gas is not necessarily used if the concentration of the specific gas to be detected in the supplied sample gas is appropriate.

実施形態1に係るガス分析装置の構成図Configuration diagram of a gas analyzer according to Embodiment 1 非分散型赤外線濃度計の構成図Configuration diagram of non-dispersive infrared densitometer 質量分析計の構成図Mass spectrometer configuration diagram 実施形態1に係るガス分析方法のフローチャートFlowchart of gas analysis method according to embodiment 1 マススペクトルの測定例Example of mass spectrum measurement 実施形態2に係るガス分析装置の構成図Configuration diagram of a gas analyzer according to Embodiment 2

符号の説明Explanation of symbols

1…第1の供給路、2…第2の供給路、3…導入配管、4…第1の分岐路、5…第2の分岐路、21…第1のマスフローコントローラ、22…第2のマスフローコントローラ、23…非分散型赤外線濃度計、24…質量分析計、25…第1の真空ポンプ、26…第2の真空ポンプ、30…演算部、V1…第1の遮断弁、V2…第2の遮断弁、F1…試料ガス、F2…希釈ガス、F3…混合ガス DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st supply path, 2 ... 2nd supply path, 3 ... Introductory piping, 4 ... 1st branch path, 5 ... 2nd branch path, 21 ... 1st mass flow controller, 22 ... 2nd Mass flow controller, 23 ... Non-dispersion type infrared densitometer, 24 ... Mass spectrometer, 25 ... First vacuum pump, 26 ... Second vacuum pump, 30 ... Calculation unit, V1 ... First shut-off valve, V2 ... First 2 shutoff valve, F1 ... sample gas, F2 ... dilution gas, F3 ... mixed gas

Claims (7)

試料ガスに含まれるガス濃度を測定するガス分析装置であって、
前記試料ガスを供給する第1の供給路と、
前記第1の供給路に設けられ、前記試料ガスの流量を第1の量に調節する第1のマスフローコントローラと、
前記試料ガスを希釈するための希釈ガスを供給する第2の供給路と、
前記第2の供給路に設けられ、前記希釈ガスの流量を第2の量に調節する第2のマスフローコントローラと、
前記第1の供給路からの前記試料ガスと前記第2の供給路からの前記希釈ガスとを混合して混合ガスとする導入配管と、
前記導入配管から供給される前記混合ガスに含まれる特定の赤外線吸収波長を有する特定ガスの濃度を測定する非分散型赤外線濃度計と、
前記混合ガスに含まれる、前記特定ガスを含む複数種類のガスの質量ごとの存在量を測定する質量分析計と、
前記非分散型赤外線濃度計により測定された特定ガスの濃度と前記質量分析計により測定された前記複数種類のガスの質量ごとの存在量とに基づいて、前記試料ガスに含まれるガスの濃度を演算する演算部と、を備え、
前記演算部は、
前記非分散型赤外線濃度計により測定された特定ガスの濃度を前記特定ガスの存在量に換算し、
前記質量分析計により測定された前記複数種類のガスの質量ごとの存在量のうち、前記特定ガスの質量について測定された存在量から、換算された前記特定ガスの存在量を減算して、前記特定ガスと同じ質量を有する異種類のガスの存在量を演算すること、
を特徴とするガス分析装置。
A gas analyzer for measuring a gas concentration contained in a sample gas,
A first supply path for supplying the sample gas;
A first mass flow controller provided in the first supply path for adjusting the flow rate of the sample gas to a first amount;
A second supply path for supplying a dilution gas for diluting the sample gas;
A second mass flow controller, provided in the second supply path, for adjusting the flow rate of the dilution gas to a second amount;
An introduction pipe that mixes the sample gas from the first supply path and the dilution gas from the second supply path to form a mixed gas;
A non-dispersive infrared concentration meter that measures the concentration of a specific gas having a specific infrared absorption wavelength contained in the mixed gas supplied from the introduction pipe ;
A mass spectrometer for measuring the abundance of each mass of a plurality of types of gas the mixed contained in the gas, containing the specific gas,
On the basis of the abundance of each of the non-dispersive infrared concentration plural types which are measured by the concentration and the mass spectrometer of the specific gas measured by meter gas mass, the concentration of the gas contained in the sample gas A computing unit for computing,
The computing unit is
Converting the concentration of the specific gas measured by the non-dispersive infrared densitometer abundance of the specific gas,
Wherein among the abundance of each mass of the plurality of types of gas measured by the mass spectrometer, said the abundance measured for mass of the specific gas, by subtracting the abundance of the specific gas that is converted, the Calculating the abundance of different types of gas with the same mass as the specific gas,
Gas analyzer characterized by.
前記導入配管からの前記混合ガスを前記非分散型赤外線濃度計に分岐する第1の分岐路と、
前記導入配管からの前記混合ガスを前記質量分析計に分岐する第2の分岐路と、を備え、
該第1の分岐路または該第2の分岐路における圧力状態を変更可能に構成されている、
請求項に記載のガス分析装置。
A first branch path for branching the mixed gas from the introduction pipe to the non-dispersive infrared densitometer;
A second branch path for branching the mixed gas from the introduction pipe to the mass spectrometer,
The pressure state in the first branch path or the second branch path is configured to be changeable.
The gas analyzer according to claim 1 .
前記第1の分岐路には、前記非分散型赤外線濃度計を第1の減圧状態にする第1の減圧手段を備える、
請求項に記載のガス分析装置。
The first branch path includes first decompression means for bringing the non-dispersive infrared densitometer into a first decompressed state,
The gas analyzer according to claim 2 .
前記第1の減圧手段は、
前記非分散型赤外線濃度計に連通する閉空間を減圧する第1の真空ポンプと、
該閉空間を一定の負圧に維持する負圧弁と、を備える、
請求項に記載のガス分析装置。
The first decompression means includes
A first vacuum pump for depressurizing a closed space communicating with the non-dispersive infrared densitometer;
A negative pressure valve that maintains the closed space at a constant negative pressure,
The gas analyzer according to claim 3 .
前記第2の分岐路には、前記質量分析計を第2の減圧状態にする第2の減圧手段を備える、
請求項に記載のガス分析装置。
The second branch path includes second decompression means for bringing the mass spectrometer into a second decompressed state,
The gas analyzer according to claim 2 .
前記第2の減圧手段は、
前記質量分析計に連通する閉空間を減圧する第2の真空ポンプを備える、
請求項に記載のガス分析装置。
The second decompression means includes
A second vacuum pump for depressurizing a closed space communicating with the mass spectrometer;
The gas analyzer according to claim 5 .
前記特定ガスは一酸化炭素であり、前記特定ガスと同じ質量電荷比を有する異種類のガスは窒素である、請求項1に記載のガス分析装置。   The gas analyzer according to claim 1, wherein the specific gas is carbon monoxide, and the different kind of gas having the same mass-to-charge ratio as the specific gas is nitrogen.
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