JP7001616B2 - ガス分析装置及びガス分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関から排出される排ガスなどのサンプルガスを分析するガス分析装置及びガス分析方法に関するものである。

この種のガス分析装置としては、排ガスからメタン以外の炭化水素を除去するためのノンメタンカッタと呼ばれる酸化触媒を用いて、排ガスに含まれるメタンやそれ以外の炭化水素を測定できるように構成されたものがある。

ノンメタンカッタにおいてメタンとそれ以外の炭化水素を分離する分離能は、メタンの透過効率（メタン透過効率という）と、メタン以外の炭化水素である例えばエタンの透過効率（エタン透過効率という）とによって評価される。メタン透過効率は高いほど良く、エタン透過効率は低いほど良いとされており、具体的に要求されるレベルとしては、例えばメタン透過効率が８５％以上となり、且つ、エタン透過効率が２％以下となる分離能が挙げられる。

ここで、特許文献１に記載されたガス分析装置は、ノンメタンカッタの分離能を向上させるべく、ノンメタンカッタに水分を添加できるように構成されており、これによりノンメタンカッタにけるメタンの燃焼を抑制してメタン透過効率を向上させている。

一方、この水分の添加によってエタンの燃焼が抑制されてエタン透過効率も向上するので、ノンメタンカッタの分離能を要求されるレベルに担保するためには、ノンメタンカッタに供給される水分量を調整する必要がある。

しかしながら、特許文献１では、排ガスに含まれる水分は一切考慮されておらず、エンジンの運転状態に応じて排ガスの水分濃度が変動するとノンメタンカッタに供給される水分量が増減するので、ノンメタンカッタの分離能が変動する。
その結果、特許文献１のガス分析装置では、ノンメタンカッタに要求される分離能を得られずに測定精度が低下するという問題が生じ得る。

特開平８－３５９５０号公報

そこで、本願発明は、上述した問題を解決すべくなされたものであり、ノンメタンカッタなどの触媒に要求される分離能を担保して、サンプルガスを精度良く測定できるようにすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るガス分析装置は、サンプルガスが流れるサンプルガスラインと、前記サンプルガスラインに設けられ、前記サンプルガスに含まれる特定成分の濃度を検出する分析計と、前記サンプルガスラインにおける前記分析計の上流側に設けられ、前記サンプルガスと反応する触媒と、前記サンプルガスラインにおける前記触媒の上流側に設けられ、前記サンプルガスの水分濃度を調整する水分濃度調整部とを備えることを特徴とするものである。

このように構成されたガス分析装置によれば、サンプルガスラインに導入されるサンプルガスの水分濃度が変動したとしても、サンプルガスラインにおける触媒の上流側に設けた水分濃度調整部によってサンプルガスの水分濃度を調整することで、水分濃度を一定に保つことができ、触媒に供給される水分量の増減を抑えることができる。
これにより、触媒に要求される分離能を担保するとともに、サンプルガスを精度良く測定することができる。

サンプルガスラインに含まれる水分濃度が低いと触媒に供給される水分量が不十分となり、触媒における例えばメタンの燃焼量が多くなり、十分な分離能を得ることができない恐れがある。
そこで、前記サンプルガスラインにおける前記水分濃度調整部と前記触媒との間に水分を供給するための水分供給部を備えることが好ましい。
このような構成であれば、水分濃度調整部によって水分濃度が一定に保たれたサンプルガスに、水分供給部から所定量の水分を供給することで、触媒に所望量の水分を供給することができ、触媒に要求される分離能をより確実に得ることができる。

前記水分供給部の具体的な実施態様としては、前記サンプルガスラインにおける前記水分濃度調整部と前記触媒との間に接続された水分供給ラインと、前記水分供給ラインに水素を導入する水素導入ラインと、前記水分供給ラインに酸素を導入する酸素導入ラインと、前記水分供給ラインに設けられて水素と酸素とを反応させて水分を生成するための水分生成用触媒とを有している構成が挙げられる。

前記水分濃度調整部の具体的な実施態様としては、前記サンプルガスの温度又は圧力の少なくとも一方を調整して、前記サンプルガスの水分濃度を調整するものが挙げられる。

水分濃度調整部を簡単に構成するためには、前記水分濃度調整部が水分濃度を一定濃度まで下げる除湿器であることが好ましい。

前記サンプルガスが内燃機関から排出される排ガスであれば、内燃機関の運転状態に応じて水分濃度が変動するので、本発明の効果がより顕著に現れる。

また、本発明に係るガス分析方法は、サンプルガスラインにサンプルガスを流し、前記サンプルガスを前記サンプルガスラインに設けられて前記サンプルガスと反応する触媒に通過させ、前記触媒を通過した前記サンプルガスに含まれる特定成分の濃度を分析計によって検出するガス分析方法であって、前記サンプルガスを前記触媒に通過させる前に前記サンプルガスを水分濃度調整部に通過させて、前記サンプルガスの水分濃度を調整することを特徴とする方法である。
このようなガス分析方法であれば、上述したガス分析装置と同様の作用効果を得ることができる。

サンプルガスの測定時と分析計の校正時とにおいて、触媒の分離能を同等にするためには、前記分析計を校正するための校正ガスを前記サンプルガスラインに導入して、前記校正ガスが前記水分濃度調整部を通過した後、前記触媒を通過する前に、前記校正ガスに水分を供給することが好ましい。

このように構成した本発明によれば、ノンメタンカッタなどの触媒に要求される分離能を担保するとともに、サンプルガスを精度良く測定することができる。

本実施形態のガス分析装置の構成を示す模式図。 同実施形態のガス分析装置の動作フローチャートを示す図。 変形実施形態のガス分析装置の構成を示す模式図。

１００・・・ガス分析装置
Ｌ１ ・・・サンプルガスライン
１０ ・・・分析計
２０ ・・・酸化触媒
３０ ・・・水分濃度調整部
４０ ・・・水分供給部
４１ ・・・白金触媒

以下に本発明に係るガス分析装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態のガス分析装置１００は、例えば車両の内燃機関から排出される排ガスなどのサンプルガスに含まれる成分濃度を測定する排ガス分析装置であり、ここでは例えば排ガスを希釈空気で希釈した混合ガスを一定流量にしてサンプリングする定容量サンプリング装置（ＣＶＳ）とともに排ガス分析システムを構築する。なお、排ガス分析システムとしては、排ガスを希釈して濃度測定する希釈サンプリング方式のものであっても良いし、希釈せずにそのまま濃度測定する直接サンプリング方式のものであっても良い。

具体的にこのガス分析装置１００は、図１に示すように、サンプルガスである排ガスが流れるサンプルガスラインＬ１と、サンプルガスラインＬ１に設けられてサンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するための分析計１０とを備えている。

分析計１０は、有機化合物である炭化水素（ＨＣ）を測定対象成分として測定するものであり、水素炎イオン化分析法（ＦＩＤ）を用いたＦＩＤ検出器を有し、ここではサンプルガスに含まれる全炭化水素（ＴＨＣ）の濃度を測定する。

具体的にこの分析計１０は、分析用ガスたる水素ガスが供給される分析用ガスラインＬ２と、助燃ガスたる空気が供給される助燃ガスラインＬ３とが接続されており、採取されたサンプルガスに分析用ガス及び助燃ガスを一定の割合で混合して水素炎に導入し、このときの燃焼によりＨＣがイオン化されて生じるイオン電流に基づいて炭化水素（ＨＣ）の濃度を連続測定できるように構成されている。

本実施形態のガス分析装置１００は、図１に示すように、サンプルガスラインＬ１における分析計１０の上流側に設けられ、サンプルガスからメタン以外の炭化水素（除去対象成分）を除去するための酸化触媒２０を備えている。
さらにここでは、酸化触媒２０の上流側から分岐して下流側に合流する分岐ラインＬ４と、サンプルガスを分岐ラインＬ４又は酸化触媒２０に択一的に流すための三方弁などの切替弁Ｖとが設けられている。

この構成により、サンプルガスを分岐ラインＬ４に流すことで全炭化水素（ＴＨＣ）の濃度を測定することができ、サンプルガスを酸化触媒２０に流すことでサンプルガスに含まれるメタンの濃度を測定することができ、これらの差に基づいてサンプルガスに含まれるノンメタンハイドロカーボン（ＮＭＨＣ）の濃度を算出することができる。

ところで、上述した酸化触媒２０は所謂ノンメタンカッタと呼ばれる金属触媒であり、具体的には二酸化マンガン（ＩＶ）や酸化銅（ＩＩ）を含んでおり、例えば６００Ｋ以上など規定された温度範囲で使用される。このノンメタンカッタの分離能は、例えばメタンの透過効率とメタン以外の炭化水素であるエタンの透過効率とによって評価されるが、これらの透過効率はメタンカッタの温度に応じて変動するところ、分離能もノンメタンカッタの温度に応じて変わる。

ここでノンメタンカッタに対して水分を供給すると、メタンやメタン以外の炭化水素は燃焼しにくくなるので、これらはノンメタンカッタを透過しやすくなり透過効率は増大する。このとき、メタンの透過効率の増大度合いは、メタン以外の炭化水素の透過率の増大度合いよりも大きいので、上述の規定された温度範囲において、ノンメタンカッタに適切な水分量を供給すれば、メタン以外の炭化水素の透過効率を低く維持しつつ、メタンの透過効率を高くすることができる。すなわち、ノンメタンカッタに供給する水分量を適切に調整することで、ノンメタンカッタの分離能を高くすることができる（例えばメタンの透過効率が８５％以上、エタンの透過効率が２％以下）。

然して、本実施形態のガス分析装置１００は、図１に示すようにサンプルガスラインＬ１における酸化触媒２０の上流側に設けられ、サンプルガスの水分濃度を調整する水分濃度調整部３０をさらに具備してなる。

この水分濃度調整部３０は、サンプルガスの温度を変更して水分濃度を一定に保つように構成されており、サンプルガスに含まれる水分濃度を予め設定された設定濃度まで下げるものである。ここでの水分濃度調整部３０は、サンプルガスを冷却して除湿する除湿器を利用したものであり、この除湿器は、例えば圧縮機を用いたコンプレッサ式のものである。なお、設定濃度は仕様などに応じて適宜変更可能である。
また、水分濃度調整部３０としては、サンプルガスの圧力を変更して水分濃度を調整するものであっても良いし、サンプルガスの温度及び圧力の両方を変更して水分濃度を調整するものであってもよい。

さらに本実施形態のガス分析装置１００は、図１に示すように、サンプルガスラインＬ１における水分濃度調整部３０と酸化触媒２０との間に水分を供給する水分供給部４０を具備している。

この水分供給部４０は、サンプルガスラインＬ１における水分濃度調整部３０と酸化触媒２０との間に接続された水分供給ラインＬ５と、水分供給ラインＬ５に水素を導入する水素導入ラインＬ６と、水分供給ラインＬ５に酸素を導入する酸素導入ラインＬ７と、水分供給ラインＬ５に設けられて水素と酸素とを反応させて水分を生成するための水分生成用触媒たる白金触媒４１とを備えている。

水素導入ラインＬ６は、水素のみからなるガス又は水素を所定濃度含むガスが流れるラインであり、ここではその一部を上述した分析用ガスラインＬ２と兼用している。

酸素導入ラインＬ７は、酸素のみからなるガス又は酸素を所定濃度含むガスを導入するラインである。ここでの酸素導入ラインＬ７は、空気が流れるラインであり、その一部を上述した助燃ガスラインＬ３と兼用している。

水素導入ラインＬ６及び酸素導入ラインＬ７は、それぞれレギュレータＲが設けられており、このレギュレータＲによって水分生成用触媒に供給される水素及び酸素の流量を調整することで、生成される水分量、すなわちサンプルガスラインＬ１に供給する水分量を所定量に制御できるようにしてある。なお、本実施形態の水分供給部４０は、サンプルガスラインＬ１に１～２ｖｏｌ％の水分を供給する。

ところで、本実施形態では分析計１０を校正する場合、例えば濃度が既知のメタンを含む校正ガスをサンプルガスラインＬ１に導入するようにしいている。これにより、校正ガスに含まれるメタンの既知濃度と、分析計１０を用いて得られたメタンの測定濃度とを比較することで、必要に応じて分析計１０を校正することができる。なお、校正ガスとしては、濃度が既知のエタンやプロパンを含むガスとしても良い。

ここでの校正ガスは、サンプルガスである排ガスよりも含まれる水分量が少ないガスを用いている。そのため、仮に水分濃度調整部３０が設けられていなければ、校正時と分析時とでノンメタンカッタに供給される水分量が異なることになる。そうすると、校正時と分析時とにおけるノンメタンカッタの分離能が異なり、分析精度の低下を招来する。
そこで本実施形態では、校正時に用いる校正ガスをサンプルガスラインＬ１に導入することで、校正ガスが水分濃度調整部３０を通過するようにしている。

以下、本実施形態に係る分析装置を用いた分析方法について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、分析計１０を校正するための校正ガスをサンプルガスラインＬ１に導入する（Ｓ１）。このときの切替弁Ｖは、校正ガスがノンメタンカッタに流れる状態にしてある。

これにより、校正ガスに水分供給部４０から所定量の水分が供給された後、その校正ガスがノンメタンカッタに流れてメタン以外の炭化水素が除去される。そして、分析計１０によって校正ガスに含まれるメタン濃度が測定される（Ｓ２）。

この算出結果に基づき、ユーザは分析計１０により得られたメタンの測定濃度と、校正ガスに実際に含まれるメタンの既知濃度と比較して、必要に応じて分析計１０を校正する（Ｓ３）。

続いて、サンプルガスである排ガスをサンプルガスラインＬ１に導入する（Ｓ４）。このときの切替弁Ｖは、校正ガスが分岐ラインＬ４を流れる状態にしてある。

これにより、サンプルガスはノンメタンカッタを通過することなく分析計１０に導かれ、分析計１０によってサンプルガスに含まれる全炭化水素の濃度が測定される（Ｓ５）。

次に、サンプルガスがノンメタンカッタに流れるように切替弁Ｖを切り替える（Ｓ６）。

これにより、サンプルガスに水分供給部４０から所定量の水分が供給された後、そのサンプルガスがノンメタンカッタに流れてメタン以外の炭化水素が除去される。そして、分析計１０によってサンプルガスに含まれるメタン濃度が測定される（Ｓ７）。

そして、分析計１０が備える或いは分析計１０と別に設けた図示しない演算処理装置が、全炭化水素の濃度とメタン濃度との差に基づいて、サンプルガスに含まれるノンメタンハイドロカーボン（ＮＭＨＣ）の濃度を算出する（Ｓ８）。

このように構成された本実施形態に係るガス分析装置１００によれば、サンプルガスに含まれる水分濃度を除湿器によって一定濃度まで下げ、そのサンプルガスに所定量の水分を供給するので、内燃機関の動作状態に応じて排ガス中の水分濃度が変動したとしても、酸化触媒２０に供給される水分を一定量に保つことができる。
これにより、酸化触媒２０の分離能の変動を抑えることができ、分析精度を向上させることができる。

また、校正ガスをサンプルガスラインＬ１に導入して、水分濃度調整部３０を通過させるとともに所定量の水分を供給しているので、サンプルガスの測定時と分析計１０の校正時とにおいて、酸化触媒２０の分離能を同等にすることができ、分析精度をより向上させることができる。

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、図３に示すように、ノンメタンカッタの上流側から分岐した分岐ラインＬ４は、ノンメタンカッタの下流側に合流することなく、例えば全炭化水素を分析する第２の分析計５０（ＴＨＣ計）に接続されるようにしても良い。この場合、分析計１０としては、メタンの濃度を測定するＣＨ_４計であれば良い。
なお、これらのＴＨＣ計やＣＨ_４計は、本実施形態と同様、ＦＩＤ検出器を有するものである。
このような構成であれば、前記実施形態におけるＳ５の全炭化水素の濃度測定と、Ｓ７におけるメタンの濃度測定とを並行して行うことができる。

また、水分濃度調整部３０によってサンプルガスに含まれる水分が除去されることから、サンプルガスに含まれるメタンやそれ以外の炭化水素の濃度が変化するところ、分析計１０が備える或いは分析計１０と別に設けた演算処理装置に水分分圧補正部を備えさせても良い。
具体的にこの水分分圧補正部としては、水分濃度調整部３０により除去されたサンプルガス中の水分量を示す除去水分量データを取得するとともに、この水分量に応じてメタン濃度や全炭化水素濃度を補正する構成が挙げられる。

さらに、水分濃度調整部３０としては、多孔質の鉱物などの乾燥剤を利用したデシカント式の除湿器を利用したものであっても良い。

そのうえ、水分濃度調整部３０としては、導入されたサンプルガスが例えばタンク内に貯留された液体内を通過するように構成されたものであっても良い。より具体的には、例えばタンク内の液体を一定の温度に保ちながら、サンプルガスにより液体をバブリングすることで、サンプルガスに含まれる水分が飽和状態となり、サンプルガス中の水分量を一定に保つことができる。このような構成でサンプルガス中の水分を所望の量に調整することができれば、前記実施形態における水分供給部４０を不要にすることができる。

加えて、前記実施形態では、サンプルガスに含まれる全炭化水素濃度を測定してからメタン濃度を測定していたが、メタン濃度を測定してから全炭化水素濃度を測定しても良い。

ところで、校正ガスに含まれる水分濃度が非常に低い場合、濃度調整部３０を通過した校正ガスは、濃度調整部３０の設定濃度よりも低いままとなり、校正時と分析時とでノンメタンカッタに供給される水分量に差が生じてしまう。
そこで、校正ガスを用いて分析計１０を校正する場合において、校正ガスを加湿した後、水分濃度調整部３０に流すようにしても良い。
これにより、校正ガスに含まれる水分濃度を水分濃度調整部３０の設定濃度以上にしてから、校正ガスを水分濃度調整部３０に流すことで、水分濃度調整部３０を通過した校正ガスの水分濃度を前記設定濃度とすることができ、校正時と分析時とでノンメタンカッタに供給される水分量の差を可及的に小さくすることができる。

また、分析計１０は、ＣＯ計やＣＯ_２計などの赤外吸収を利用したものであっても良い。

そのうえ本発明に係るガス分析装置１００は、車両に搭載される車載型のものとして用いることができる。なお、車載型のものとして用いる場合、水分濃度調整部３０の電力供給に限りがあることから、水分濃度調整部３０の設定温度を高めて消費電力を抑えたり、水分濃度調整部３０として上述したデシカント式の除湿器を利用しても良い。
また、本発明に係るガス分析装置１００は、触媒評価装置として用いることも可能である。
さらに、サンプルガスとして、内燃機関の排ガスのみならず、ボイラーなどの燃焼機関や化学反応炉等で導出入されるガスなどの種々のガスに適用することも可能である。

その他、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。

本発明に係るガス分析装置を用いることにより、ノンメタンカッタなどの酸化触媒に要求される分離能を担保して、サンプルガスを精度良く測定することができる。

Claims (8)

1. サンプルガスが流れるサンプルガスラインと、
   前記サンプルガスラインに設けられ、前記サンプルガスに含まれる特定成分の濃度を検出する分析計と、
   前記サンプルガスラインにおける前記分析計の上流側に設けられ、前記サンプルガスと反応する触媒と、
   前記サンプルガスラインにおける前記触媒の上流側に設けられ、前記サンプルガスの水分濃度を下げる水分濃度調整部と、
   前記サンプルガスラインにおける前記水分濃度調整部と前記触媒との間に水分を供給するための水分供給部とを備えるガス分析装置。
2. 前記水分供給部が、
   前記サンプルガスラインにおける前記水分濃度調整部と前記触媒との間に接続された水分供給ラインと、
   前記水分供給ラインに水素を導入する水素導入ラインと、
   前記水分供給ラインに酸素を導入する酸素導入ラインと、
   前記水分供給ラインに設けられて水素と酸素とを反応させて水分を生成するための水分生成用触媒とを有している請求項１記載のガス分析装置。
3. 前記水分濃度調整部が、前記サンプルガスの温度又は圧力の少なくとも一方を調整して、前記サンプルガスの水分濃度を下げる請求項１又は２記載のガス分析装置。
4. 前記水分濃度調整部が、水分濃度を一定濃度まで下げる除湿器である請求項１乃至３のうち何れか一項に記載のガス分析装置。
5. 前記サンプルガスが内燃機関から排出される排ガスである請求項１乃至４のうち何れか一項に記載のガス分析装置。
6. サンプルガスラインにサンプルガスを流し、
   前記サンプルガスを前記サンプルガスラインに設けられて前記サンプルガスと反応する触媒に通過させ、
   前記触媒を通過した前記サンプルガスに含まれる特定成分の濃度を分析計によって検出するガス分析方法であって、
   前記サンプルガスを前記触媒に通過させる前に前記サンプルガスを水分濃度調整部に通過させて、前記サンプルガスの水分濃度を下げ、
   前記サンプルガスラインにおける前記水分濃度調整部と前記触媒との間に流れる前記サンプルガスに水分を供給するガス分析方法。
7. 前記分析計を校正するための校正ガスを前記サンプルガスラインに導入して、
   前記校正ガスが前記水分濃度調整部を通過した後、前記触媒を通過する前に、前記校正ガスに水分を供給する請求項６記載のガス分析方法。
8. 前記校正ガスを加湿した後、前記水分濃度調整部に通過させる請求項７記載のガス分析方法。

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