JP7117009B2 - GAS MEASURING DEVICE, GAS MEASURING METHOD AND PROGRAM - Google Patents

GAS MEASURING DEVICE, GAS MEASURING METHOD AND PROGRAM Download PDF

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Description

特許法第30条第2項適用 令和1年6月20日、矢部川電気工業株式会が、東京ガス株式会社応用技術研究所において公開。Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law On June 20, 2019, Yabegawa Electric Industry Co., Ltd. published at Tokyo Gas Co., Ltd. Applied Technology Research Institute.

本発明は、気体計測装置、気体分析システム、気体計測方法、気体分析方法及びプログラムに関し、特に、気体の中の不純物を計測する気体計測装置等に関する。 The present invention relates to a gas measurement device, a gas analysis system, a gas measurement method, a gas analysis method and a program, and more particularly to a gas measurement device and the like for measuring impurities in gas.

近年、燃料電池の実用化に向けて良質な水素気体を提供するニーズが高まっている。図10を参照して、水素ステーションにおける不純物濃度監視の一例について述べる。図10は、水素燃料の製造から供給までの流れの一例を示すフロー図である。まず、都市ガスやLPGが例えば0.6MPaのような低圧で水素製造装置101に供給される。水素製造装置101で製造された水素ガスは、圧縮機103に供給される。この際に、水素製造装置101から圧縮機103への供給ラインに気体計測装置105が接続されて不純物濃度が監視される。続いて、圧縮機103で例えば87.5MPaのような高圧とされた水素ガスは蓄圧器107に供給される。蓄圧器107からディスペンサー111に供給される前に点検用低圧配管へ接続された水素ガスが気体計測装置109に接続されて不純物濃度が監視される。最終的に、ディスペンサー111から燃料電池車113に水素ガスが供給されて消費される。 In recent years, there has been an increasing need to provide good-quality hydrogen gas for the practical use of fuel cells. An example of impurity concentration monitoring in a hydrogen station will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a flow diagram showing an example of the flow from production to supply of hydrogen fuel. First, city gas or LPG is supplied to the hydrogen production device 101 at a low pressure such as 0.6 MPa. Hydrogen gas produced by the hydrogen production device 101 is supplied to the compressor 103 . At this time, a gas measuring device 105 is connected to the supply line from the hydrogen production device 101 to the compressor 103 to monitor the impurity concentration. Subsequently, the hydrogen gas pressurized to a high pressure such as 87.5 MPa by the compressor 103 is supplied to the pressure accumulator 107 . The hydrogen gas connected to the inspection low-pressure pipe before being supplied from the pressure accumulator 107 to the dispenser 111 is connected to the gas measuring device 109 to monitor the impurity concentration. Finally, hydrogen gas is supplied from the dispenser 111 to the fuel cell vehicle 113 and consumed.

なお、圧縮機103に供給されるルートとしては、上記のオンサイト供給の他、オフサイトに供給される場合もある。この場合、水素カードルが水素トレーラーにより運搬され、14.7MPa~45MPaに圧縮された水素カードル内の水素が圧縮機103に供給される。ここに記載した以外は、オンサイト供給と同様である。 In addition to the above-described on-site supply, the supply route to the compressor 103 may be an off-site supply. In this case, the hydrogen cardle is transported by a hydrogen trailer, and the hydrogen in the hydrogen cardle compressed to 14.7 MPa to 45 MPa is supplied to the compressor 103 . Same as onsite supply except as noted here.

本願発明者は、これまでに燃料電池セルの保護装置、温湿度調整装置、流体移送装置等を開発してきた(特許文献1~3)。 The inventor of the present application has developed a protection device for fuel cells, a temperature/humidity adjustment device, a fluid transfer device, and the like (Patent Documents 1 to 3).

また、ガスクロマトグラフィー法により連続的にサンプルガスを分析するガスクロマトグラフィー装置が知られていた(特許文献4)。さらに、1つのセンサーセルで燃料水素中の各種の不純物を監視するセンサーセルが知られていた(特許文献5)。 Also, a gas chromatography apparatus that continuously analyzes a sample gas by gas chromatography has been known (Patent Document 4). Furthermore, a sensor cell that monitors various impurities in fuel hydrogen with a single sensor cell has been known (Patent Document 5).

特開2018-092786号公報JP 2018-092786 A 特開2016-039139号公報JP 2016-039139 A 特開2014-177892号公報JP 2014-177892 A 特開2002-181798号公報JP-A-2002-181798 特許第5597004号公報Japanese Patent No. 5597004

しかしながら、硫化水素ガス(H2S)を高精度に連続で計測できる装置は提供されていなかった。ここで、計測セルは、硫化水素ガスがわずか4ppb混入するだけで破壊されてしまう。硫化水素ガスを連続で計測できないと、硫化水素ガスの混入を即座に検出できず、計測セルを十分に保護できていなかった。その結果、10ppbの硫化水素ガスが混入したために水素ステーションを全て停止させるという事態も生じていた。 However, no device has been provided that can continuously measure hydrogen sulfide gas (H2S) with high accuracy. Here, the measurement cell will be destroyed if only 4 ppb of hydrogen sulfide gas is mixed. If the hydrogen sulfide gas could not be measured continuously, it would not be possible to immediately detect the contamination of the hydrogen sulfide gas, and the measurement cell could not be sufficiently protected. As a result, 10 ppb of hydrogen sulfide gas was mixed in, resulting in the shutdown of all hydrogen stations.

特許文献5に記載の装置は、精度の高さの点で有利と言えるが、不純物が短期間のうちに蓄積して3日ほどで計測セルが寿命を迎える点で改善の余地があった。 The device described in Patent Document 5 can be said to be advantageous in terms of high accuracy, but there is room for improvement in that impurities accumulate in a short period of time and the life of the measurement cell ends in about three days.

ゆえに、本発明は、連続的に不純物を計測すると共に、計測セルの寿命が長い気体計測装置等を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a gas measuring device or the like that continuously measures impurities and has a measuring cell with a long life.

本発明の第1の観点は、気体の中の不純物を計測する気体計測装置であって、前記不純物を通さない電解質膜と、前記気体を前記電解質膜に送る流路と、前記電解質膜に電圧を印加する電源と、前記電源を制御する電源制御部と、前記電解質膜に印加される電圧を計測する電圧計と、前記電解質膜に流れる電流を計測する電流計とを備え、前記電源制御部は、前記電源を制御して、前記電解質膜に交流電圧を印加する、気体計測装置である。 A first aspect of the present invention is a gas measuring device for measuring impurities in a gas, comprising: an electrolyte membrane impervious to the impurities; a channel for sending the gas to the electrolyte membrane; a power supply that applies a power supply, a power supply control unit that controls the power supply, a voltmeter that measures the voltage applied to the electrolyte membrane, and an ammeter that measures the current flowing through the electrolyte membrane, wherein the power supply control unit is a gas measurement device that controls the power supply to apply an alternating voltage to the electrolyte membrane.

本発明の第2の観点は、第1の観点の気体計測装置であって、前記電源は、前記交流電圧として、正弦波を用いる。 A second aspect of the present invention is the gas measurement device according to the first aspect, wherein the power source uses a sine wave as the AC voltage.

本発明の第3の観点は、第1又は第2の観点の気体計測装置であって、前記流路の一部がイオン交換樹脂を壁の素材とする筒状の水蒸気付与流路であり、前記水蒸気付与流路の周囲に水蒸気を発生させる水蒸気発生部をさらに備え、前記水蒸気付与流路の壁を介して当該水蒸気付与流路の中の前記気体に湿度を与える。 A third aspect of the present invention is the gas measurement device according to the first or second aspect, wherein a part of the flow channel is a tubular water vapor imparting flow channel whose walls are made of an ion exchange resin, A steam generator for generating steam is further provided around the steam imparting channel, and humidity is imparted to the gas in the steam imparting channel through the wall of the steam imparting channel.

本発明の第4の観点は、第3の観点の気体計測装置であって、前記イオン交換樹脂は、ナフィオンである。 A fourth aspect of the present invention is the gas measuring device according to the third aspect, wherein the ion exchange resin is Nafion.

本発明の第5の観点は、第3又は第4の観点の気体計測装置であって、前記水蒸気発生部は、前記水蒸気付与流路に対して、30℃以上かつ50℃以下の水蒸気の雰囲気を発生させる。 A fifth aspect of the present invention is the gas measuring device according to the third or fourth aspect, wherein the water vapor generating section is provided with a water vapor atmosphere of 30°C or higher and 50°C or lower with respect to the water vapor imparting flow path. generate

本発明の第6の観点は、第1から第5のいずれかの観点の気体計測装置であって、前記電解質膜を挟む一対の触媒層と、前記電解質膜及び前記一対の触媒層とを安定に保持するセンサホルダーをさらに備え、前記センサホルダーは、前記一対の触媒層を挟む一対の金網と、前記金網を挟み込み、一端が信号を出力するコネクタ部である複数の棒状の集電電極と、複数の前記集電電極の前記一端とは逆の端を保持する保持サポータと、前記集電電極の前記保持サポータ及び前記コネクタ部の間を保持し、複数の前記集電電極の間の距離を固定して保持する固定サポータとを有する。 A sixth aspect of the present invention is the gas measuring device according to any one of the first to fifth aspects, wherein a pair of catalyst layers sandwiching the electrolyte membrane and the electrolyte membrane and the pair of catalyst layers are stabilized. a pair of wire meshes sandwiching the pair of catalyst layers; a plurality of bar-shaped current collecting electrodes sandwiching the wire meshes, one end of which is a connector portion for outputting a signal; a holding supporter holding the end opposite to the one end of the plurality of current collecting electrodes; and a fixed supporter for fixedly holding.

本発明の第7の観点は、気体の中の不純物を計測して分析する気体分析システムであって、第1から第5のいずれかの観点の前記気体計測装置と、前記気体計測装置の計測結果を分析する分析部とを備え、前記分析部は、複数の前記不純物として第1不純物及び第2不純物を分析するものであり、前記第2不純物の不純物濃度に基づく第2パラメータを前記第1不純物の不純物濃度に基づく第1パラメータに換算する換算部を有する、気体分析システムである。 A seventh aspect of the present invention is a gas analysis system for measuring and analyzing impurities in a gas, comprising: the gas measuring device according to any one of the first to fifth aspects; an analysis unit for analyzing results, wherein the analysis unit analyzes a first impurity and a second impurity as the plurality of impurities, and a second parameter based on the impurity concentration of the second impurity is set to the first impurity. A gas analysis system having a conversion unit for converting into a first parameter based on an impurity concentration of an impurity.

本発明の第8の観点は、第7の観点の気体分析システムであって、前記電源は、前記電解質膜に一定の振幅の電流を流すように前記交流電圧を印加するものであり、前記換算部は、前記第2不純物の不純物濃度に基づく前記交流電圧の上昇値から、前記第1不純物に換算した場合の不純物濃度を算出する。 An eighth aspect of the present invention is the gas analysis system according to the seventh aspect, wherein the power supply applies the AC voltage so as to cause a current of constant amplitude to flow through the electrolyte membrane, and the conversion calculates the impurity concentration when converted to the first impurity from the increase value of the AC voltage based on the impurity concentration of the second impurity.

本発明の第9の観点は、気体の中の不純物を計測する気体計測装置を用いた気体計測方法であって、前記気体計測装置は、前記不純物を通さない電解質膜と、前記気体を前記電解質膜に送る流路と、前記電解質膜に電圧を印加する電源と、前記電源を制御する電源制御部とを備え、前記電源制御部が、前記電源を制御して、前記電解質膜に交流電圧を印加する交流印加ステップを含む、気体計測方法である。 A ninth aspect of the present invention is a gas measuring method using a gas measuring device for measuring impurities in a gas, wherein the gas measuring device comprises an electrolyte membrane impermeable to the impurities, A power source for applying a voltage to the electrolyte membrane, and a power control section for controlling the power source, wherein the power control section controls the power source to apply an alternating voltage to the electrolyte membrane. It is a gas measurement method including an alternating current application step to apply.

本発明の第10の観点は、気体の中の不純物を計測する気体計測装置を用いた気体分析方法であって、前記気体計測装置は、前記不純物を通さない電解質膜と、前記気体を前記電解質膜に送る流路と、前記電解質膜に電圧を印加する電源と、前記電源を制御する電源制御部と、複数の前記不純物として第1不純物及び第2不純物を分析する分析部とを備え、前記電源制御部が、前記電源を制御して、前記電解質膜に交流電圧を印加する交流印加ステップと、前記分析部が、前記第2不純物の不純物濃度に基づく第2パラメータを前記第1不純物の不純物濃度に基づく第1パラメータに換算する換算ステップを含む、気体分析方法である。 A tenth aspect of the present invention is a gas analysis method using a gas measuring device for measuring impurities in a gas, wherein the gas measuring device comprises an electrolyte membrane impervious to the impurities, a flow path for feeding to a membrane, a power source for applying a voltage to the electrolyte membrane, a power control section for controlling the power source, and an analysis section for analyzing a first impurity and a second impurity as the plurality of impurities, an alternating voltage applying step in which the power supply control unit controls the power supply to apply an alternating voltage to the electrolyte membrane; A gas analysis method including a conversion step of converting to a concentration-based first parameter.

本発明の第11の観点は、コンピュータを、第9又は第10の観点の前記電源制御部、又は、第10の観点の分析部として機能させるためのプログラムである。 An eleventh aspect of the present invention is a program for causing a computer to function as the power control section of the ninth or tenth aspect or the analysis section of the tenth aspect.

本発明の各観点によれば、気体中の一酸化炭素等の不純物によって計測セル中の電解質膜が劣化するのを遅らせて計測セルの寿命を延ばすことが可能となる。このため、連続的に不純物を計測すると共に、計測セルの寿命が長い気体計測装置等を提供することが可能となる。本発明者らは、従来の直流を用いる方法に比べて、100倍以上に寿命を延ばすことができることを実験により確認した。 According to each aspect of the present invention, it is possible to extend the life of the measurement cell by delaying deterioration of the electrolyte membrane in the measurement cell due to impurities such as carbon monoxide in the gas. Therefore, it is possible to continuously measure impurities and provide a gas measuring device or the like having a measuring cell with a long life. The present inventors have confirmed through experiments that the life can be extended by 100 times or more compared to the conventional method using direct current.

また、本発明の第2の観点によれば、本発明に係る気体計測装置においては、他の波形の交流を印加する場合と比較して安定したデータを得ることが容易となる。 Moreover, according to the second aspect of the present invention, in the gas measuring device according to the present invention, it becomes easier to obtain stable data as compared with the case of applying an alternating current with another waveform.

ここで、本発明に係る気体計測装置においては、電解質膜に80%等の一定の湿度を安定的に供給することが計測に必要である。本発明の第3及び第4の観点によれば、細かい粒径の水蒸気を気体に提供することにより、結露しにくい状態で安定した湿度を気体に供給することが可能となる。 Here, in the gas measuring device according to the present invention, it is necessary for measurement to stably supply constant humidity such as 80% to the electrolyte membrane. According to the third and fourth aspects of the present invention, it is possible to supply the gas with stable humidity in a state in which dew condensation is difficult to occur by providing the gas with water vapor having fine particle diameters.

さらに、本発明の第5の観点によれば、比較的低温で気化した水蒸気を水蒸気付与流路に供給することにより、細かい粒径の水蒸気を提供して結露しにくい状態で安定した湿度を気体に供給することが容易となる。 Furthermore, according to the fifth aspect of the present invention, by supplying water vapor vaporized at a relatively low temperature to the water vapor supply channel, water vapor having a fine particle size is provided, and stable humidity is maintained in a state where condensation is difficult to occur. It becomes easier to supply to

また、本発明の第6の観点によれば、センサと被計測ガスとの接触面積を安定させつつ、センサと電極との均一な接触を実現できるため、安定した信号の取得が可能となる。そのため、センサの感度と信号取得の両方の安定性向上を両立させることが容易となる。 Further, according to the sixth aspect of the present invention, uniform contact between the sensor and the electrode can be achieved while stabilizing the contact area between the sensor and the gas to be measured, so that stable signal acquisition is possible. Therefore, it becomes easy to simultaneously improve both the sensitivity of the sensor and the stability of signal acquisition.

さらに、本発明の第7又は第8の観点によれば、異なる種類の不純物濃度による計測セルへの劣化の影響を共通の指標により評価することが可能となる。そのため、計測セルの寿命及び寿命に与えられた影響を評価することが容易となる。 Furthermore, according to the seventh or eighth aspect of the present invention, it is possible to evaluate the influence of deterioration on the measurement cell due to different types of impurity concentrations using a common index. Therefore, it becomes easy to evaluate the lifetime of the measurement cell and the effect on the lifetime.

本実施例に係る気体計測装置1による気体計測結果の(a)個別表示方式、及び、(b)一括表示方式による表示例を示す図である。It is a figure which shows the display example by (a) an individual display method and (b) collective display method of the gas measurement result by the gas measuring device 1 which concerns on a present Example. 水素供給ラインの連続計測の必要性について示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the necessity of continuous measurement of the hydrogen supply line; 気体分析システム1の構成の概要の一例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an example of an overview of the configuration of a gas analysis system 1; FIG. 気体分析システム1の配管系統の一例を示す図である。2 is a diagram showing an example of a piping system of the gas analysis system 1; FIG. 水素ポンプ型セルの原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of a hydrogen pump type cell. 検出セル15を保持するセンサホルダーの一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a sensor holder that holds detection cells 15. FIG. 気体分析システム1を用いた分析結果の一例を示す図である。4 is a diagram showing an example of analysis results using the gas analysis system 1; FIG. 検出セル15に直流電圧を印加した場合の約5日間の出力電圧等の経時変化の一例を示すグラフである。5 is a graph showing an example of changes over time such as output voltage for about five days when a DC voltage is applied to the detection cell 15. FIG. 検出セル15に交流電圧を印加した場合の約27日間の出力電圧等の経時変化の一例を示すグラフである。4 is a graph showing an example of changes over time such as output voltage for about 27 days when an AC voltage is applied to the detection cell 15. FIG. 水素燃料の製造から供給までの流れの一例を示すフロー図である。FIG. 2 is a flow diagram showing an example of the flow from production to supply of hydrogen fuel.

以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, embodiment of this invention is not limited to the following examples.

本実施例に係る気体分析システム1(本願請求項に記載の「気体分析システム」の一例である)の概要を述べる。気体分析システム1は、燃料電池自動車の性能低下を引き起こす水素燃料中の一酸化炭素(CO)等の複数の被毒物質(本願請求項に記載の「不純物」の一例である)を一括で、リアルタイムにかつ連続的に品質監視する分析システムである。 An outline of the gas analysis system 1 (which is an example of the "gas analysis system" described in the claims of the present application) according to the present embodiment will be described. The gas analysis system 1 collectively detects a plurality of poisoning substances such as carbon monoxide (CO) in hydrogen fuel (an example of the "impurities" described in the claims of the present application) that cause performance deterioration of fuel cell vehicles. It is an analysis system that monitors quality continuously in real time.

そもそも、不純物成分が複数あれば、その数に対応したセンサーを配置して監視する必要がある。しかし、従来、選択的に識別できる高感度なセンサーは実用化されていない。そのため、複数の計測装置を必要としていた。 In the first place, if there are multiple impurity components, it is necessary to arrange and monitor the sensors corresponding to the number. However, a highly sensitive sensor capable of selective identification has not been put into practical use. Therefore, a plurality of measuring devices were required.

これに対して、気体分析システム1が有する水素ポンプ型セル3は、1つのセルで少なくとも一酸化炭素及び硫化水素を検出可能である。 On the other hand, the hydrogen pump type cell 3 of the gas analysis system 1 can detect at least carbon monoxide and hydrogen sulfide in one cell.

また、図1を参照して一括表示について述べる。図1は、気体分析システム1による気体分析結果の表示例を示す図である。気体分析システム1は、一酸化炭素(本願請求項における「第1不純物」の一例)及び硫化水素(本願請求項における「第2不純物」の一例)のような複数の不純物を別々に表示するだけでなく、CO換算で一括して表示することも可能である。しかも、校正ガス以外の不純物も計測及び表示可能である。これにより、図1(a)に示すように、予想された不純物のみを個別に表示することに加え、予想外の不純物も個別に表示できる。しかも、図1(b)に示すように、COが触媒層に接したときの抵抗値の増大や電圧の増大のような単一のCO換算基準で不純物の混入の度合いを一括して表示可能である。ここで、CO換算値を求めるには、例えば、CO標準ボンベで校正した計器で、CO以外のガスを計測した際の指示値を参照することで求められる。例えば、CO200ppbで校正した計器にH2S100ppbを流したとき、計器の指示値が200ppbであった。この場合、H2S100ppbのCO換算値は、CO200ppbとなる。さらに、H2SをCO換算したときの換算値を、比例関係にあると考えてH2S1ppbに対してCO2ppbとしてもよいし、他の関係式を用いてもよい。 Also, collective display will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing a display example of a gas analysis result by the gas analysis system 1. As shown in FIG. The gas analysis system 1 only separately displays a plurality of impurities such as carbon monoxide (an example of the "first impurity" in the claims of the present application) and hydrogen sulfide (an example of the "second impurity" in the claims of the present application). It is also possible to collectively display CO conversion instead. Moreover, impurities other than the calibration gas can also be measured and displayed. As a result, as shown in FIG. 1(a), in addition to individually displaying only expected impurities, unexpected impurities can also be individually displayed. Moreover, as shown in Fig. 1(b), it is possible to collectively display the degree of impurity contamination based on a single CO conversion standard, such as the increase in resistance value and voltage increase when CO contacts the catalyst layer. is. Here, in order to obtain the CO conversion value, for example, it is obtained by referring to the indicated value when measuring gases other than CO with an instrument calibrated with a CO standard cylinder. For example, when 100 ppb of H 2 S was passed through a meter calibrated at 200 ppb of CO, the reading of the meter was 200 ppb. In this case, the CO conversion value of H 2 S100ppb is CO200ppb. Furthermore, considering that the conversion value of H 2 S converted to CO is proportional to H 2 S 1 ppb, CO 2 ppb may be used, or another relational expression may be used.

次に、図2を参照して、連続計測の必要性について述べる。図2は、水素供給ラインの連続計測の必要性について示す図である。従来、水素ガス中の不純物を連続的に計測する計測器は存在せず、抜取検査が行われていた。しかし、図2に示すように、一時的に不純物ガスが混入した水素ガスが供給されてしまうと、その後は不純物ガスが混入していない水素ガスがラインに供給される。そのため、抜取検査においては、混入のタイミングと検査のタイミングが合致した場合のみ不純物ガスの混入が検出される。他方、混入のタイミングと検査のタイミングが合致しなければ不純物ガスの混入が見逃されてしまう。これに対して、連続計測(連続検査)の場合であれば、常時検査を行っているため、どのようなタイミングで不純物が混入したとしても検出可能である。連続計測を行うことにより、不純物混入による異常値を早期に発見し、ガスクロマトグラフィー等で検証し、対策を図ることが可能となる。 Next, with reference to FIG. 2, the need for continuous measurement will be described. FIG. 2 is a diagram showing the necessity of continuous measurement of the hydrogen supply line. Conventionally, there was no measuring instrument for continuously measuring impurities in hydrogen gas, and sampling inspections were performed. However, as shown in FIG. 2, when the hydrogen gas mixed with the impurity gas is temporarily supplied, the hydrogen gas without the impurity gas is then supplied to the line. Therefore, in the sampling inspection, the contamination of the impurity gas is detected only when the timing of the contamination and the timing of the inspection match. On the other hand, if the timing of mixing does not match the timing of inspection, the mixing of the impurity gas will be overlooked. On the other hand, in the case of continuous measurement (continuous inspection), since inspection is always performed, it is possible to detect impurities at any timing. Continuous measurement enables early detection of abnormal values due to contamination by impurities, verification by gas chromatography, etc., and implementation of countermeasures.

気体分析システム1で連続計測を行う場合、サンプルガス及びゼロガスを常時供給する必要がある。従来、不純物の計測装置としてガスクロマト装置があるが、カラムで試料を分離するために3L/minといった多量のキャリアガスを必要としていた。しかし、気体分析システム1は、ガスクロマト装置を用いないため、そのように多量のキャリアガスを使用しない。また、従来の分析システムでは不純物成分ごとに分析システムを要していたところ、気体分析システム1は、後述する検出セルを使用することにより、複数の不純物を1台で分析することが可能である。そのため、必要とするガス量が一般的な計測装置の流量の30分の1で済み、ランニングコストを低減できる。 When performing continuous measurement with the gas analysis system 1, it is necessary to constantly supply the sample gas and the zero gas. Conventionally, there is a gas chromatograph as an impurity measurement device, but a large amount of carrier gas such as 3 L/min is required to separate a sample with a column. However, since the gas analysis system 1 does not use a gas chromatograph, it does not use such a large amount of carrier gas. In addition, while the conventional analysis system requires an analysis system for each impurity component, the gas analysis system 1 can analyze a plurality of impurities with a single unit by using a detection cell to be described later. . Therefore, the amount of gas required is 1/30 of the flow rate of a general measuring device, and the running cost can be reduced.

続いて、図3を参照して、気体分析システム1の構成について述べる。図3は、気体分析システム1の構成の概要の一例を示すブロック図である。気体分析システム1は、気体計測装置3(本願請求項に記載の「気体計測装置」の一例である)と、電子クーラ5と、分析部7(本願請求項における「分析部」の一例)と、無停電装置9とを備える。気体計測装置3は、水素燃料供給部11と、加湿器13(本願請求項に記載の「水蒸気発生部」の一例である)と、検出セル15と、排出部17と、流路19と、流量調整部21と、電力調整部23と、セル電源25と、表示部27と、制御部29とを備える。加湿器13は、水蒸気付与流路31(本願請求項に記載の「水蒸気付与流路」の一例である)を有する。制御部29は、気体流量制御部33と、加湿器温度制御部35と、流路温度制御部37と、電源制御部39(本願請求項に記載の「電源制御部」の一例である)と、セル温度制御部41と、セル湿度制御部43とを有する。分析部7は、換算部45(本願請求項における「換算部」の一例)を有する。 Next, the configuration of the gas analysis system 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a block diagram showing an example of an overview of the configuration of the gas analysis system 1. As shown in FIG. The gas analysis system 1 includes a gas measurement device 3 (an example of the "gas measurement device" in the claims of the present application), an electronic cooler 5, and an analysis section 7 (an example of the "analysis section" in the claims of the present application). , and an uninterruptible device 9 . The gas measurement device 3 includes a hydrogen fuel supply unit 11, a humidifier 13 (which is an example of the "steam generation unit" described in the claims of the present application), a detection cell 15, a discharge unit 17, a flow path 19, It includes a flow rate adjusting section 21 , a power adjusting section 23 , a cell power source 25 , a display section 27 and a control section 29 . The humidifier 13 has a water vapor imparting flow path 31 (an example of the "water vapor imparting flow path" described in the claims of the present application). The control unit 29 includes a gas flow control unit 33, a humidifier temperature control unit 35, a flow path temperature control unit 37, and a power supply control unit 39 (which is an example of the "power supply control unit" described in the claims of the present application). , a cell temperature controller 41 and a cell humidity controller 43 . The analysis unit 7 has a conversion unit 45 (an example of a "conversion unit" in the claims of the present application).

気体計測装置3は、分析対象である水素燃料の不純物濃度を計測する。電子クーラ5は、気体分析システム1の温度を調整する。分析部7は、気体計測装置3の計測結果を取得して分析する。無停電装置9は、バッテリーを有しており、停電等で電力が電源から正常に供給されない電源異常時に気体計測装置等に電力を供給する。水素燃料供給部11は、水素燃料を供給する。加湿器13は、水蒸気付与流路において水素燃料に水蒸気を付与して水素燃料を加湿する。検出セル15は、水素燃料中の不純物を検出して電圧の変化として出力する。排出部17は、計測後の水素燃料や水滴を排出する。水素燃料は、水素燃料供給部11から排出部17に至るまで流路19(本願請求項に記載の「流路」の一例である)を通過する。流量調整部21は、水素燃料供給部11から流路19に供給される水素燃料の流量を調整する。電力調整部23は、検出セル15に印加される電力、特に、電圧を調整する。セル電源25(本願請求項に記載の「電源」の一例である)は、検出セル15に電圧を印加する。表示部27は、気体分析システム1の分析結果及び/又は気体計測装置3の計測結果を使用者に表示する。 The gas measuring device 3 measures the concentration of impurities in the hydrogen fuel to be analyzed. Electronic cooler 5 regulates the temperature of gas analysis system 1 . The analysis unit 7 acquires and analyzes the measurement result of the gas measuring device 3 . The uninterruptible device 9 has a battery, and supplies power to the gas measuring device or the like in the event of a power failure such as when power is not normally supplied from the power source due to a power failure or the like. The hydrogen fuel supply unit 11 supplies hydrogen fuel. The humidifier 13 humidifies the hydrogen fuel by giving steam to the hydrogen fuel in the steam giving channel. The detection cell 15 detects impurities in the hydrogen fuel and outputs them as changes in voltage. The discharge unit 17 discharges hydrogen fuel and water droplets after measurement. Hydrogen fuel passes through a channel 19 (which is an example of a “channel” described in the claims of the present application) from the hydrogen fuel supply unit 11 to the discharge unit 17 . The flow rate adjusting section 21 adjusts the flow rate of the hydrogen fuel supplied from the hydrogen fuel supplying section 11 to the flow path 19 . The power adjuster 23 adjusts the power, particularly the voltage, applied to the detection cell 15 . A cell power supply 25 (which is an example of a “power supply” described in the claims) applies a voltage to the detection cell 15 . The display unit 27 displays the analysis result of the gas analysis system 1 and/or the measurement result of the gas measuring device 3 to the user.

制御部29は、気体計測装置の各パラメータを制御する。気体流量制御部33は、水素燃料供給部11を制御して、供給される水素燃料の流量を調整させる。流路温度制御部37は、流路19の温度、特に、加湿器13と検出セル15の間の流路の温度の計測結果に基づき、例えば検出セル15の温度よりも高く保つように制御する。電源制御部39は、検出セル15に流れる電流の計測結果に基づき、電力調整部23を制御して一定の電流が検出セル15に流れるように、セル電源25が検出セル15に印加する電圧を調節させる。セル温度制御部41は、検出セル15の温度の計測結果に基づき、例えば加湿器温度制御部35により制御される温度と同じ又は同程度であるように調節させる。セル湿度制御部43は、検出セル15の湿度の計測結果に基づき、加湿器13の温度を制御して、加湿器13が水蒸気付与流路31に付与する水蒸気を調節させる。 The control unit 29 controls each parameter of the gas measuring device. The gas flow rate control unit 33 controls the hydrogen fuel supply unit 11 to adjust the flow rate of the supplied hydrogen fuel. The flow channel temperature control unit 37 controls the temperature of the flow channel 19, particularly the temperature of the flow channel between the humidifier 13 and the detection cell 15, to be kept higher than the temperature of the detection cell 15, for example. . Based on the measurement result of the current flowing through the detection cell 15, the power control unit 39 controls the power adjustment unit 23 to adjust the voltage applied to the detection cell 15 by the cell power supply 25 so that a constant current flows through the detection cell 15. adjust. The cell temperature control unit 41 adjusts the temperature of the detection cell 15 based on the measurement result so that the temperature is the same as or approximately the same as the temperature controlled by the humidifier temperature control unit 35, for example. The cell humidity control unit 43 controls the temperature of the humidifier 13 based on the humidity measurement result of the detection cell 15 to adjust the water vapor given to the water vapor giving channel 31 by the humidifier 13 .

気体流量制御部33は、定期的に純粋な水素燃料を流路19に流す。これにより、専門の分析員による校正が不要となる。 The gas flow controller 33 periodically causes pure hydrogen fuel to flow through the flow path 19 . This eliminates the need for calibration by a professional analyst.

加湿器13が有する水蒸気付与流路31は、流路19の一部である。加湿器13が水蒸気付与流路31に水蒸気を付与することにより、水蒸気付与流路31及びその下流に位置する流路19が加湿され、結果として検出セル15が加湿される。 A steam supply channel 31 of the humidifier 13 is part of the channel 19 . When the humidifier 13 gives water vapor to the water vapor application channel 31, the water vapor application channel 31 and the water vapor application channel 19 positioned downstream thereof are humidified, and as a result, the detection cell 15 is humidified.

分析部7が有する換算部45は、一酸化炭素以外の水素燃料中の不純物による検出セル15の電圧上昇の値と、一酸化炭素による検出セル15の電圧上昇の値とを比較することにより、一酸化炭素以外の不純物濃度を一酸化炭素の場合の不純物濃度に換算する。 The conversion unit 45 of the analysis unit 7 compares the value of the voltage rise in the detection cell 15 due to impurities in the hydrogen fuel other than carbon monoxide with the value of the voltage rise in the detection cell 15 due to carbon monoxide. The concentration of impurities other than carbon monoxide is converted into the concentration of impurities in the case of carbon monoxide.

次に、図4を参照して、気体分析システム1の配管系統について述べる。図4は、気体計測装置1の配管系統の一例を示す図である。 Next, the piping system of the gas analysis system 1 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing an example of a piping system of the gas measuring device 1. As shown in FIG.

水素燃料電池61~61に水素を供給する水素パイプライン62の途中に水素受入装置63がある。分析対象となるサンプル水素ガスが、水素受入装置63から元栓65を経由して、例えば屋外のキャビネットに収納された気体分析システム1に供給される。サンプル水素ガスは、例えば0.1Mpa、0.2L/minで供給される。サンプル水素ガスを気体計測装置3に供給するラインは、弁69及びゼロガスフィルター71を経由して気体計測装置3に入るラインと、弁73のみを経由して気体計測装置3に入るラインに分岐している。また、気体計測装置3には、標準ガスを収容するガスボンベ75から、例えば0.2ppmのCOが混入した水素ガスが供給されるラインも接続されている。気体計測装置3は、電気的に無停電装置9を経由して電子クーラ5、データロガー77、電源67(AC100V,15A)に接続されている。データロガー77は、例えば分析部7を有するノートパソコンである。 There is a hydrogen receiving device 63 in the middle of a hydrogen pipeline 62 that supplies hydrogen to the hydrogen fuel cells 61 1 to 61 n . A sample hydrogen gas to be analyzed is supplied from the hydrogen receiving device 63 via the main valve 65 to the gas analysis system 1 housed in, for example, an outdoor cabinet. Sample hydrogen gas is supplied, for example, at 0.1 Mpa and 0.2 L/min. The line that supplies the sample hydrogen gas to the gas measuring device 3 branches into a line that enters the gas measuring device 3 via the valve 69 and the zero gas filter 71 and a line that enters the gas measuring device 3 via only the valve 73. ing. Also connected to the gas measuring device 3 is a line through which hydrogen gas mixed with 0.2 ppm of CO, for example, is supplied from a gas cylinder 75 containing a standard gas. The gas measuring device 3 is electrically connected via an uninterruptible device 9 to an electronic cooler 5, a data logger 77, and a power supply 67 (AC100V, 15A). The data logger 77 is, for example, a notebook computer with an analysis unit 7 .

ゼロガスフィルター71を用いることにより、ゼロ調整が安定化し、計測の安定化を図ることが可能となる。また、純粋な水素ボンベを用意する費用とボンベ交換の手間を削減することが可能となる。 By using the zero gas filter 71, it becomes possible to stabilize the zero adjustment and stabilize the measurement. In addition, it is possible to reduce the cost of preparing a pure hydrogen cylinder and the labor of replacing the cylinder.

次に、図5を参照して、気体計測装置1の不純物検出を担う検出セル15の一例である、水素ポンプ型セルについて述べる。図5は、水素ポンプ型セルの原理を説明する図であり、(a)純水素ガスを流す場合と、(b)水素ガスにCO等の不純物が混入した場合とを示す図である。水素ポンプ型セルは、ナフィオン(登録商標)等の電解質膜81(本願請求項に記載の「電解質膜」の一例である)と、電解質膜を挟むように存在する第1触媒層83及び第2触媒層85(本願請求項に記載の「一対の触媒層」の一例である)と、図示しないセル電源と、電流計87と、電圧計89とを備える。電解質膜81は、水素イオンを通過させる。第1触媒層83及び第2触媒層85は、それぞれ白金を素材として有する。電解質膜81の正極側に第1触媒層83が存在する場合、第1触媒層83が有する白金は、水素分子と接触すると、水素分子を2つの水素イオンに分解する分解反応の触媒として作用する。発生した水素イオンは、電解質膜81を通って負極側に存在する第2触媒層85に達する。第2触媒層85が有する白金は、2つの水素イオンが結合して水素分子を形成する触媒として作用する。電源は、第1触媒層83、電解質膜81、第2触媒層85の間に電圧を印加する。 Next, with reference to FIG. 5, a hydrogen pump type cell, which is an example of the detection cell 15 responsible for detecting impurities in the gas measuring device 1, will be described. FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of the hydrogen pump type cell, and shows (a) the case where pure hydrogen gas is flowed and (b) the case where impurities such as CO are mixed in the hydrogen gas. The hydrogen pump type cell includes an electrolyte membrane 81 such as Nafion (registered trademark) (an example of the "electrolyte membrane" described in the claims of the present application), and a first catalyst layer 83 and a second catalyst layer 83 sandwiching the electrolyte membrane. It includes a catalyst layer 85 (which is an example of the “pair of catalyst layers” described in the claims of the present application), a cell power source (not shown), an ammeter 87 and a voltmeter 89 . The electrolyte membrane 81 allows hydrogen ions to pass through. The first catalyst layer 83 and the second catalyst layer 85 each have platinum as a material. When the first catalyst layer 83 exists on the positive electrode side of the electrolyte membrane 81, the platinum contained in the first catalyst layer 83 acts as a catalyst for the decomposition reaction that decomposes the hydrogen molecule into two hydrogen ions when it comes into contact with the hydrogen molecule. . The generated hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 81 and reach the second catalyst layer 85 existing on the negative electrode side. The platinum included in the second catalyst layer 85 acts as a catalyst that binds two hydrogen ions to form a hydrogen molecule. A power supply applies a voltage between the first catalyst layer 83 , the electrolyte membrane 81 and the second catalyst layer 85 .

図5(a)に示すように、第1触媒層83、電解質膜81、第2触媒層85の間に一定の電流が流れるように電圧を管理することにより、不純物が存在しない間は、電圧は一定に保たれる。ここで、図5(b)に示すように、一酸化炭素などの不純物が第1触媒層83に接触すると、水素分子が第1触媒層83に接触することが阻害されるため、抵抗値が増大する。その場合も一定の電流が流れるように電圧が管理されているため、電圧の値が大きくなる。この電圧上昇により、不純物の存在を検出することが可能となる。 As shown in FIG. 5A, by controlling the voltage so that a constant current flows between the first catalyst layer 83, the electrolyte membrane 81, and the second catalyst layer 85, the voltage is kept constant. Here, as shown in FIG. 5B, when impurities such as carbon monoxide come into contact with the first catalyst layer 83, the contact of hydrogen molecules with the first catalyst layer 83 is inhibited, and the resistance value increases. Increase. In that case as well, the voltage value is increased because the voltage is controlled so that a constant current flows. This voltage rise makes it possible to detect the presence of impurities.

従来、不純物の検出にはガスクロマトグラフィーが使用されていたが、高度な知識が必要だった。水素ポンプ型セルは、ポンプ型であることから、最初に不純物がない純粋な水素ガスを流してゼロ点を決め、計測対象のガスを流すというシンプルな構造とできる。しかも、安定なゼロ点を得ることができる。 Conventionally, gas chromatography was used to detect impurities, but it required advanced knowledge. Since the hydrogen pump type cell is of a pump type, it can have a simple structure in which pure hydrogen gas with no impurities is first flowed to determine the zero point, and then the gas to be measured is flowed. Moreover, a stable zero point can be obtained.

ここで、上記の水素ポンプ型セルは、加湿をしないとインピーダンスが高く陽子が移動できないため計測できない。また湿度は、超精密に制御しないと計測値が不安定となる。また、高湿度(80%)にすると長寿命になるが結露しやすくなる等、水素ポンプ型セルを用いた水素ガス分析には湿度制御が制御の中でも最重要である。気体計測装置3においては、イオン交換樹脂であるナフィオンの壁を通して水蒸気付与流路31でサンプル気体に水蒸気が付与される。ペルチェ素子で30℃以上50℃以下、さらに好ましくは、35℃以上40℃以下に温度制御して加湿することと、壁を通らせることで粒子サイズが小さい水蒸気を付与可能となる。結果として、結露せずに安定に湿度を80.00%のように高く安定に制御することが可能である。また、仮に結露してもすぐに気化することとなる。 Here, the above hydrogen pump type cell cannot be measured without humidification because the impedance is high and protons cannot move. In addition, the measured value of humidity becomes unstable unless it is controlled very precisely. Humidity control is the most important control for hydrogen gas analysis using a hydrogen pump cell, as high humidity (80%) prolongs the life of the cell, but dew condensation is likely to occur. In the gas measurement device 3, water vapor is applied to the sample gas in the water vapor application flow path 31 through the wall of Nafion, which is an ion exchange resin. By controlling the temperature with a Peltier element to 30° C. or higher and 50° C. or lower, more preferably 35° C. or higher and 40° C. or lower, and passing through the wall, water vapor having a small particle size can be applied. As a result, it is possible to stably control the humidity as high as 80.00% without condensation. Moreover, even if dew condensation occurs, it will soon evaporate.

電源が検出セル15に直流電流を流す場合、感度の観点からは優れているものの、不純物が蓄積して3日程度でセルの交換が必要となっていた。これに対して電源が交流電圧を検出セル15に印加する場合、1年以上を想定した耐久試験において十分に計測できることを確認した。 When the power supply supplies a direct current to the detection cell 15, although the sensitivity is excellent, the cell needs to be replaced after about three days due to accumulation of impurities. On the other hand, when the power source applies an AC voltage to the detection cell 15, it was confirmed that sufficient measurement can be performed in an endurance test assuming one year or more.

本実施例では、検出セル15に印加する交流電圧の波形として正弦波を用いた。なお、正弦波の代わりに矩形波や三角波を用いることとしてもよい。交流の周波数は、電解質膜を水素イオンが通過する速度との関係で決定すればよく、安定した結果を得られる周波数であればよい。 In this embodiment, a sine wave is used as the waveform of the AC voltage applied to the detection cell 15 . A rectangular wave or a triangular wave may be used instead of the sine wave. The frequency of the alternating current may be determined in relation to the speed at which hydrogen ions pass through the electrolyte membrane, and may be any frequency that yields stable results.

さらに、図6を参照して、検出セル15を保持するセンサホルダーについて述べる。図6は、本発明者らが開発したセンサホルダー151の一例を示す図であり、(a)正面図、(b)平面図、(c)底面図、(d)右側面図、(e)側面図の一部の拡大参考図を示す図である。なお、背面図及び左側面図は、それぞれ正面図及び右側面図と同一に表れるため、省略している。 Furthermore, referring to FIG. 6, a sensor holder that holds the detection cell 15 will be described. 6A and 6B are views showing an example of the sensor holder 151 developed by the present inventors, including (a) front view, (b) plan view, (c) bottom view, (d) right side view, and (e). It is a figure which shows the one part expansion reference view of a side view. Note that the rear view and left side view are omitted because they appear the same as the front view and right side view, respectively.

そもそも、水素ガスの雰囲気下において、CO等の不純物ガスに反応するセンサをいかに固定して被計測ガス内に設置し、信号を取り出すかが課題であった。 In the first place, the problem was how to fix the sensor that reacts to impurity gases such as CO in the atmosphere of hydrogen gas, install it in the gas to be measured, and extract the signal.

従来、以下のような方法で固定及び設置し、信号を取得していた。すなわち、電極を兼ねたばねの力でセンサを挟み、絶縁体で固定して使用していた。あるいは、固定電極とねじ電極でセンサを挟み、絶縁体で固定して使用していた。あるいは、センサに蒸着法などにより電極を形成して使用していた。 Conventionally, signals were acquired by fixing and installing by the following method. That is, the sensor is sandwiched by the force of a spring that also serves as an electrode, and is fixed with an insulator. Alternatively, the sensor is sandwiched between a fixed electrode and a screw electrode and fixed with an insulator. Alternatively, the sensor has been used with electrodes formed by vapor deposition or the like.

上記のいずれの方法でもセンサとしての機能は確認できた。ただし、ビスの締付具合で接触抵抗が変化し、挟み込み時の力加減や信号取り出し位置の高精度な調整等が必要であり、センサの検知能力のバラツキとして現れ、不確定要素でもあった。振動や温度変化でもデータが変動していた。このような観点から、誰が製作してもきちんと安定した能力が得られ、かつ、できるだけ簡便に作業できるようなセンサ収納器具が必要であった。そこで、本発明者らは、安定したセンサ能力が得られるセンサホルダー等を開発し提供することとした。 The function as a sensor could be confirmed by any of the above methods. However, the contact resistance changes depending on the degree of tightening of the screws, and it is necessary to adjust the force when pinching and the position of picking up the signal with high accuracy. The data also fluctuated due to vibration and temperature changes. From this point of view, there has been a need for a sensor storage device that can provide stable performance regardless of who manufactures it and that can be operated as simply as possible. Therefore, the inventors of the present invention developed and provided a sensor holder or the like that provides stable sensor performance.

このようなセンサホルダーとして、以下の内容が前提となる。センサホルダーが保持するセンサは、ナフィオン膜と、ナフィオン膜を間に挟んだ触媒層とを有する。触媒層の表面を流れる被計測ガスが触媒層に接する際の抵抗変化によりセンサとして機能する。そのため、センサとしての感度を高めるためには、できるだけ多くのガスが触媒層の表面に接することができることが好ましい。 Such a sensor holder is based on the following conditions. The sensor held by the sensor holder has a Nafion membrane and catalyst layers sandwiching the Nafion membrane. It functions as a sensor based on a change in resistance when the gas to be measured flowing on the surface of the catalyst layer comes into contact with the catalyst layer. Therefore, in order to increase the sensitivity as a sensor, it is preferable that as much gas as possible can come into contact with the surface of the catalyst layer.

他方、センサに対して外部から駆動電源を供給し、及び/又は、信号の取り出しをするには触媒層の表面に電極を配置する必要がある。触媒層は、電極を兼ねるものであってもよい。ここで、信号を安定して取得するには、できるだけ触媒層の多くの面積が電極である方が好ましい。 On the other hand, it is necessary to arrange electrodes on the surface of the catalyst layer in order to externally supply a driving power source to the sensor and/or extract a signal. The catalyst layer may also serve as an electrode. Here, in order to stably acquire a signal, it is preferable that as many areas of the catalyst layer as possible are electrodes.

そのため、センサの感度の観点と出力信号の取り出しの観点との相反する要請をできるだけ満たすような妥協点を見出すことが必要となる。 Therefore, it is necessary to find a compromise that satisfies contradictory requirements as much as possible between the viewpoint of sensor sensitivity and the viewpoint of extraction of output signals.

図6を参照して、センサホルダー151は、複数の棒状の集電電極153(本願請求項における「集電電極」の一例)と、保持サポータ155(本願請求項における「保持サポータ」の一例)と、固定サポータ157(本願請求項における「固定サポータ」の一例)と、コネクタ部159(本願請求項における「コネクタ部」の一例)と金網161とを備える。センサホルダー151は、検出セル15を保持する。検出セル15は、ナフィオン膜81と、ナフィオン膜81を間に挟む第1触媒層83及び第2触媒層85とを有する。図6に示すように、センサホルダー151は、4本×2列の8本の集電電極153を有する。集電電極153は、金メッキ処理されており、検出セル15を保持すると共に、検出セル15から出力される信号を取得する。保持サポータ155は、樹脂製であり、2列の集電電極153の間に検出セル15及び1対の金網161(本願請求項に記載の「一対の金網」の一例である)を保持する。固定サポータ157は、樹脂製であり、集電電極153の保持サポータ155及びコネクタ部159の間を保持する。また、固定サポータ157は、複数の集電電極153の間の距離を固定するように複数の集電電極153を保持する。コネクタ部159は、集電電極153の一端であり、又は、集電電極153の一端に接続されており、集電電極153が取得した信号を外部に出力する。金網161は、少なくとも表面が金や白金等の金属でできており、網状の構造をしている。また、金網161は、第1触媒層及び第2触媒層85を挟み込むように一対となっている。 Referring to FIG. 6, a sensor holder 151 includes a plurality of rod-shaped collector electrodes 153 (an example of a "collector electrode" in the claims of the present application) and a holding supporter 155 (an example of the "holding supporter" in the claims of the present application). , a fixed supporter 157 (an example of a “fixed supporter” in the claims of the present application), a connector portion 159 (an example of the “connector portion” in the claims of the present application), and a wire mesh 161 . A sensor holder 151 holds the detection cell 15 . The detection cell 15 has a Nafion membrane 81 and a first catalyst layer 83 and a second catalyst layer 85 with the Nafion membrane 81 interposed therebetween. As shown in FIG. 6, the sensor holder 151 has eight collector electrodes 153 of 4×2 rows. The collector electrode 153 is plated with gold, holds the detection cell 15 and acquires a signal output from the detection cell 15 . The holding supporter 155 is made of resin, and holds the detection cells 15 and a pair of wire meshes 161 (an example of the “pair of wire meshes” described in the claims of the present application) between the two rows of collector electrodes 153 . The fixed supporter 157 is made of resin and holds the collector electrode 153 between the holding supporter 155 and the connector portion 159 . Moreover, the fixed supporter 157 holds the plurality of collector electrodes 153 so as to fix the distance between the plurality of collector electrodes 153 . The connector part 159 is one end of the collector electrode 153 or is connected to one end of the collector electrode 153, and outputs a signal acquired by the collector electrode 153 to the outside. The wire mesh 161 has at least a surface made of metal such as gold or platinum, and has a net-like structure. Also, the wire meshes 161 are paired so as to sandwich the first catalyst layer and the second catalyst layer 85 .

金網161が第1触媒層83及び第2触媒層85の全面に一定間隔で接することにより安定した信号取得が可能となる。しかも、金網161の隙間において被計測ガスが第1触媒層83及び第2触媒層85に接触する面積を確保している。そのため、センサホルダー151は、センサの感度と出力信号の取り出しを両立させることが可能となる。また、保持サポータ155及び固定サポータ157が棒状の集電電極153をしっかり固定することにより、安定した出力信号が得られると共に、集電電極153の一端にあるコネクタ部と外部とを安定に電気的に接続することが容易となる。 The wire mesh 161 is in contact with the entire surfaces of the first catalyst layer 83 and the second catalyst layer 85 at regular intervals, thereby enabling stable signal acquisition. Moreover, the gaps between the wire meshes 161 secure areas where the gas to be measured contacts the first catalyst layer 83 and the second catalyst layer 85 . Therefore, the sensor holder 151 can achieve both sensor sensitivity and output signal extraction. In addition, since the holding supporter 155 and the fixing supporter 157 firmly fix the rod-shaped collector electrode 153, a stable output signal can be obtained, and the connector portion at one end of the collector electrode 153 and the outside can be stably electrically connected. easy to connect to.

センサホルダー151により、センサと被計測ガスとの接触面積を安定させることが可能となる。また、センサと電極との均一な接触を実現できるため、安定した信号の取得が可能となる。さらに、センサホルダー151の組立作業及び検出セル15の組込作業を単純化したため、人的エラーや組立誤差がなく、センサホルダー151の製作精度が向上する。また、センサホルダー151は、温度変化に安定である。さらに、スマートなセンサホルダーで設置した配管内でガスが抵抗なく流れるため、被計測ガスの残留による計測誤差が減少する。結果として、気体計測装置3の向上に寄与する。 The sensor holder 151 makes it possible to stabilize the contact area between the sensor and the gas to be measured. Moreover, since uniform contact between the sensor and the electrode can be achieved, stable signal acquisition is possible. Furthermore, since the assembling work of the sensor holder 151 and the assembling work of the detection cell 15 are simplified, there is no human error or assembling error, and the manufacturing accuracy of the sensor holder 151 is improved. Also, the sensor holder 151 is stable against temperature changes. Furthermore, since the gas flows without resistance in the piping installed with the smart sensor holder, measurement errors due to residual gas to be measured are reduced. As a result, it contributes to improvement of the gas measuring device 3 .

次に、図7を参照して、気体分析システム1を用いた分析結果について説明する。図7は、気体分析システム1を用いた分析結果の一例を示す図である。 Next, with reference to FIG. 7, analysis results using the gas analysis system 1 will be described. FIG. 7 is a diagram showing an example of analysis results using the gas analysis system 1. FIG.

気体分析システム1の精度を確認するために、CO濃度490ppbのガスボンベ75からガスボンベ75に接続された調節弁を用いて様々な濃度のCOが混入した水素ガスを計測した。約2時間の計測時間の間に、490ppb→400ppb→300ppb→200ppb→100ppb→0ppb→100ppb→200ppb→300ppb→400ppb→490ppbとCOの不純物濃度を変化させた。図7に計測結果を示すように、491ppb→399ppb→294ppb→193ppb→94ppb→0.0ppb→96ppb→191ppb→290ppb→393ppb→494ppbとCO濃度の高精度な分析結果を得られた。また、この間のCOセンサー電圧[mV]は、約352mVで安定していた。 In order to confirm the accuracy of the gas analysis system 1, hydrogen gas mixed with various concentrations of CO was measured from a gas cylinder 75 with a CO concentration of 490 ppb using a control valve connected to the gas cylinder 75 . During the measurement time of about 2 hours, the impurity concentration of CO was changed from 490ppb→400ppb→300ppb→200ppb→100ppb→0ppb→100ppb→200ppb→300ppb→400ppb→490ppb. As shown in the measurement results in FIG. 7, highly accurate analysis results of CO concentration were obtained as 491 ppb→399 ppb→294 ppb→193 ppb→94 ppb→0.0 ppb→96 ppb→191 ppb→290 ppb→393 ppb→494 ppb. The CO sensor voltage [mV] during this period was stable at about 352mV.

続いて、図8及び図9を参照して、検出セルに交流電圧を印加することで検出セルの寿命が飛躍的に伸びることを示す。図8は、検出セル15に直流電圧を印加した場合の約5日間の出力電圧等の経時変化の一例を示すグラフである。図9は、検出セル15に交流電圧を印加した場合の約27日間の(a)出力電圧、(b)検出セル15の湿度、(c)加湿器13の温度の経時変化の一例を示すグラフである。 Next, with reference to FIGS. 8 and 9, it will be shown that application of an AC voltage to the detection cell dramatically extends the life of the detection cell. FIG. 8 is a graph showing an example of temporal changes in the output voltage, etc. for about five days when a DC voltage is applied to the detection cell 15 . FIG. 9 is a graph showing an example of temporal changes in (a) output voltage, (b) humidity of the detection cell 15, and (c) temperature of the humidifier 13 for about 27 days when an AC voltage is applied to the detection cell 15. is.

図8には、横軸に時刻、縦軸に検出セル15に直流電圧を印加した場合の出力電圧[mV]、電流[mA]、出力電圧の変化率[mV]、水素流量[ml/分]、乾燥流量[ml/分]、検出セル15の温度[℃]、検出セル15の湿度[%RH]が示されている。特に、検出セル15の出力電圧は、約2.5日でオーバーフローしてしまい、その後は検出セル15が機能しなくなってしまっている。1年中使用することが想定される検出セルとしては、これほど交換時期が短いと実用的でなくなってしまう。 In FIG. 8, the horizontal axis is time, and the vertical axis is the output voltage [mV], current [mA] when a DC voltage is applied to the detection cell 15, the rate of change of the output voltage [mV], and the hydrogen flow rate [ml/min]. ], drying flow rate [ml/min], temperature of the detection cell 15 [° C.], and humidity of the detection cell 15 [%RH]. In particular, the output voltage of the detection cell 15 overflowed in about 2.5 days, after which the detection cell 15 stopped functioning. For a detection cell that is expected to be used all year round, such a short replacement period would be impractical.

図9(a)に示すように、検出セル15に交流電圧を印加した場合は、出力電圧は27日で56[mV]上昇しただけであり、1日平均で2mV強の増加にすぎなかった。このため、上限の1000[mV]に到達するまで少なくとも1年以上は使用できる見込みである。加えて、500mVを超えると、出力電圧の上昇が1日平均で1mV以下になる傾向を考慮すると、2年近く使用できる計算となる。したがって、検出セル15に交流電圧を印加することにより、実用に堪える気体分析システムを提供することが可能となる。 As shown in FIG. 9(a), when an AC voltage was applied to the detection cell 15, the output voltage increased by only 56 [mV] in 27 days, an average increase of just over 2 mV per day. . Therefore, it is expected to be used for at least one year until the upper limit of 1000 [mV] is reached. In addition, when the output voltage exceeds 500mV, the increase in output voltage tends to be less than 1mV on average per day. Therefore, by applying an AC voltage to the detection cell 15, it is possible to provide a practical gas analysis system.

さらに、検出セル15にとって高精度な検出のためには湿度を高いレベルで安定に保つことが重要である。図9(b)に示すように、27日間にわたって加湿器13の温度を37±0.1℃に制御することが可能であった。また、図9(c)に示すように、27日間にわたって検出セル15の湿度は、70%±0.1%と高い精度で保つことが可能であった。図9(b)及び(c)には、加湿器13の温度を高精度に制御できた結果として、検出セル15の湿度が高精度に制御されていることが示されている。 Furthermore, it is important for the detection cell 15 to keep the humidity stable at a high level for highly accurate detection. As shown in FIG. 9(b), it was possible to control the temperature of the humidifier 13 at 37±0.1° C. for 27 days. Further, as shown in FIG. 9(c), the humidity in the detection cell 15 could be maintained with high accuracy of 70%±0.1% for 27 days. FIGS. 9B and 9C show that the humidity of the detection cell 15 is controlled with high accuracy as a result of the temperature of the humidifier 13 being controlled with high accuracy.

気体分析システム1を用いることにより、従来装置のように専門の分析員を必要とせずに、不純物濃度を確認することができる。そのため、水素社会の到来を間近に控えて、必ずしも専門的な教育を受けていない使用者が、数多くの現場で気体分析システム1を使用することが可能である。また、水素分析システム1により異常値が検出された際には、ガスクロマトグラフィー等と併用することにより、早期検出とトータル成分分析を行って、水素燃料の品質管理を行うことが可能である。 By using the gas analysis system 1, the impurity concentration can be confirmed without requiring a specialized analyst unlike the conventional apparatus. Therefore, with the advent of the hydrogen society approaching, users who have not necessarily received specialized training can use the gas analysis system 1 at many sites. Also, when an abnormal value is detected by the hydrogen analysis system 1, it is possible to carry out quality control of the hydrogen fuel by performing early detection and total component analysis by using it together with gas chromatography or the like.

1;気体分析システム、3;気体計測装置、7;分析部、13;加湿器、15;検出セル、23;電力調整部、25;セル電源、29;制御部、31;水蒸気付与流路、37;流路温度制御部、39;電源制御部、41;セル温度制御部、43;セル湿度制御部、45;換算部、81;電解質膜、83;第1触媒層、85;第2触媒層、87;電流計、89;電圧計、151;センサホルダー 1; gas analysis system, 3; gas measuring device, 7; analysis unit, 13; humidifier, 15; detection cell, 23; power adjustment unit, 25; 37; flow path temperature control unit, 39; power supply control unit, 41; cell temperature control unit, 43; cell humidity control unit, 45; conversion unit, 81; layer, 87; ammeter, 89; voltmeter, 151; sensor holder

Claims (11)

気体の中の不純物を計測する気体計測装置であって、
前記不純物を通さない電解質膜と、
前記電解質膜を挟む一対の触媒層と、
前記気体を前記電解質膜に送る流路と、
源と、
前記電解質膜に一定の振幅の値となる交流電流が生じるように前記一対の触媒層の間に交流電圧を印加する 前記電源を制御する電源制御部と、
前記電解質膜を介した前記一対の触媒層の間で前記不純物の濃度に応じて生じる電圧の値の変化について、前記不純物が含まれない気体の場合をゼロ基準にするとともに、前記ゼロ基準と比較される電圧の値を計測する電圧計と備え、気体計測装置。
A gas measuring device for measuring impurities in a gas,
an electrolyte membrane impervious to said impurities;
a pair of catalyst layers sandwiching the electrolyte membrane;
a channel for sending the gas to the electrolyte membrane;
electric source and
An alternating voltage is applied between the pair of catalyst layers so that an alternating current having a constant amplitude value is generated in the electrolyte membrane. a power control unit that controls the power supply;
the electrolyte membraneThe change in the voltage value that occurs between the pair of catalyst layers via the gas according to the concentration of the impurity is set to a zero reference for the gas that does not contain the impurity, and is compared with the zero reference.VoltageThe value of theand a voltmeter to measureofPreparationrice field, gas meter.
前記電源制御部は、前記電源に対し、前記一定の振幅の値となる交流電流が生じるように、正弦波の交流電圧を印加する制御を行う、請求項1記載の気体計測装置。 2. The gas measurement device according to claim 1, wherein said power supply control unit controls to apply a sinusoidal AC voltage to said power supply so as to generate an AC current having said constant amplitude value . 前記流路の一部がイオン交換樹脂を壁の素材とする筒状の水蒸気付与流路であり、
前記水蒸気付与流路の周囲に水蒸気を発生させる水蒸気発生部をさらに備え、
前記水蒸気付与流路の壁を介して当該水蒸気付与流路の中の前記気体に湿度を与える、請求項1又は2記載の気体計測装置。
A part of the flow path is a tubular water vapor imparting flow path having an ion exchange resin as a wall material,
Further comprising a steam generator for generating steam around the steam imparting channel,
3. The gas measuring device according to claim 1, wherein said gas in said water vapor imparting channel is humidified through a wall of said water vapor imparting channel.
前記イオン交換樹脂は、ナフィオン(登録商標)である、請求項3記載の気体計測装置。 4. The gas measuring device according to claim 3, wherein said ion exchange resin is Nafion (registered trademark) . 前記水蒸気発生部は、前記水蒸気付与流路に対して、30℃以上かつ50℃以下の水蒸気の雰囲気を発生させる、請求項3又は4記載の気体計測装置。 5. The gas measuring device according to claim 3, wherein said steam generator generates a steam atmosphere of 30[deg.] C. or higher and 50[deg.] C. or lower to said steam applying channel. 気体の中の不純物を計測する気体計測装置であって、
前記不純物を通さない電解質膜と、
前記気体を前記電解質膜に送る流路と、
前記電解質膜に電圧を印加する電源と、
前記電源を制御する電源制御部と、
前記電解質膜に印加される電圧を計測する電圧計と、
前記電解質膜に流れる電流を計測する電流計とを備え、
前記電源制御部は、前記電源を制御して、前記電解質膜に交流電圧を印加し、
前記電解質膜を挟む一対の触媒層と、
前記電解質膜及び前記一対の触媒層とを安定に保持するセンサホルダーをさらに備え、
前記センサホルダーは、
前記一対の触媒層を挟む一対の金網と、
前記金網を挟み込み、一端が信号を出力するコネクタ部である複数の棒状の集電電極と、
複数の前記集電電極の前記一端とは逆の端を保持する保持サポータと、
前記集電電極の前記保持サポータ及び前記コネクタ部の間を保持し、複数の前記集電電極の間の距離を固定して保持する固定サポータとを有する、体計測装置。
A gas measuring device for measuring impurities in a gas,
an electrolyte membrane impervious to said impurities;
a channel for sending the gas to the electrolyte membrane;
a power source that applies a voltage to the electrolyte membrane;
a power control unit that controls the power supply;
a voltmeter for measuring the voltage applied to the electrolyte membrane;
and an ammeter that measures the current flowing through the electrolyte membrane,
The power supply control unit controls the power supply to apply an alternating voltage to the electrolyte membrane,
a pair of catalyst layers sandwiching the electrolyte membrane;
further comprising a sensor holder for stably holding the electrolyte membrane and the pair of catalyst layers;
The sensor holder is
a pair of wire meshes sandwiching the pair of catalyst layers;
a plurality of rod-shaped current collecting electrodes sandwiching the wire mesh and one end of which is a connector portion for outputting a signal;
a holding supporter holding ends opposite to the one ends of the plurality of current collecting electrodes;
a fixed supporter that holds between the holding supporter and the connector portion of the current collecting electrodes and fixes and holds the distance between the plurality of current collecting electrodes;airBody measurement device.
気体の中の不純物を計測して分析する気体分析システムであって、
体計測装置備え、
前記気体計測装置は、
前記不純物を通さない電解質膜と、
前記電解質膜を挟む一対の触媒層と、
前記気体を前記電解質膜に送る流路と、
前記電解質膜に電圧を印加する電源と、
前記電源を制御する電源制御部と、
前記電解質膜に印加される電圧を計測する電圧計と、
前記電解質膜に流れる電流を計測する電流計とを備え、
前記電源制御部は、前記電源を制御して、前記電解質膜に交流電圧を印加するものであり、
前記気体計測装置の計測結果を分析する分析部をさらに備え、
前記分析部は、
複数の前記不純物として第1不純物及び第2不純物を分析するものであり、
前記第2不純物の不純物濃度に基づく第2パラメータを前記第1不純物の不純物濃度に基づく第1パラメータに換算する換算部を有する、気体分析システム。
A gas analysis system for measuring and analyzing impurities in gas,
air Body measurement deviceofprepared,
The gas measuring device is
an electrolyte membrane impervious to said impurities;
a pair of catalyst layers sandwiching the electrolyte membrane;
a channel for sending the gas to the electrolyte membrane;
a power source that applies a voltage to the electrolyte membrane;
a power supply control unit that controls the power supply;
a voltmeter for measuring the voltage applied to the electrolyte membrane;
and an ammeter that measures the current flowing through the electrolyte membrane,
The power supply control unit controls the power supply to apply an alternating voltage to the electrolyte membrane,
an analysis unit that analyzes the measurement results of the gas measuring device;moreprepared,
The analysis unit
Analyzing a first impurity and a second impurity as the plurality of impurities,
A gas analysis system comprising a conversion unit that converts a second parameter based on the impurity concentration of the second impurity into a first parameter based on the impurity concentration of the first impurity.
前記電源は、前記電解質膜に一定の振幅の電流を流すように前記交流電圧を印加するものであり、
前記換算部は、前記第2不純物の不純物濃度に基づく前記交流電圧の上昇値から、前記第1不純物に換算した場合の不純物濃度を算出する、請求項7記載の気体分析システム。
The power supply applies the AC voltage so as to flow a current of constant amplitude to the electrolyte membrane,
8. The gas analysis system according to claim 7, wherein said conversion unit calculates the impurity concentration when converted to said first impurity from the increased value of said AC voltage based on said impurity concentration of said second impurity.
気体の中の不純物を計測する気体計測装置を用いた気体計測方法であって、
前記気体計測装置は、
前記不純物を通さない電解質膜と、
前記電解質膜を挟む一対の触媒層と、
前記気体を前記電解質膜に送る流路と、
源と、
前記電解質膜に一定の振幅の値となる交流電流が生じるように前記一対の触媒層の間に交流電圧を印加する 前記電源を制御する電源制御部と、
前記電解質膜に印加される電圧を計測する電圧計とを備え、
前記流路の一部がイオン交換樹脂を壁の素材とする筒状の水蒸気付与流路であり、
前記水蒸気付与流路の周囲に水蒸気を発生させる水蒸気発生部をさらに備え、
前記水蒸気発生部が前記水蒸気付与流路の壁を介して当該水蒸気付与流路の中の前記気体に湿度を与えており、
前記電圧計が、前記電解質膜を介した前記一対の触媒層の間で前記不純物の濃度に応じて生じる電圧の値の変化について、前記不純物が含まれない気体の場合をゼロ基準にするとともに、前記ゼロ基準と比較される電圧の値を計測する 計測ステップを含む、気体計測方法。
A gas measurement method using a gas measurement device for measuring impurities in a gas,
The gas measuring device is
an electrolyte membrane impervious to said impurities;
a pair of catalyst layers sandwiching the electrolyte membrane;
a channel for sending the gas to the electrolyte membrane;
electricsource and
An alternating voltage is applied between the pair of catalyst layers so that an alternating current having a constant amplitude value is generated in the electrolyte membrane. a power supply control unit that controls the power supply;
and a voltmeter for measuring the voltage applied to the electrolyte membrane,
A part of the flow path is a tubular water vapor imparting flow path having an ion-exchange resin as a wall material,
further comprising a steam generator for generating steam around the steam imparting channel,
wherein the water vapor generating part gives humidity to the gas in the water vapor imparting channel through the wall of the water vapor imparting channel,
The voltmeter sets the change in the voltage value generated between the pair of catalyst layers through the electrolyte membrane according to the concentration of the impurity to a zero reference in the case of the gas not containing the impurity, Measure the value of the voltage compared to the zero reference A gas measurement method including a measurement step.
気体の中の不純物を計測する気体計測装置を用いた気体分析方法であって、
前記気体計測装置は、
前記不純物を通さない電解質膜と、
前記電解質膜を挟む一対の触媒層と、
前記気体を前記電解質膜に送る流路と、
前記電解質膜に電圧を印加する電源と、
前記電源を制御する電源制御部と、
複数の前記不純物として第1不純物及び第2不純物を分析する分析部とを備え、
前記電源制御部が、前記電源を制御して、前記電解質膜に交流電圧を印加する交流印加ステップと、
前記分析部が、前記第2不純物の不純物濃度に基づく第2パラメータを前記第1不純物の不純物濃度に基づく第1パラメータに換算する換算ステップを含む、気体分析方法。
A gas analysis method using a gas measuring device for measuring impurities in a gas,
The gas measuring device is
an electrolyte membrane impervious to said impurities;
a pair of catalyst layers sandwiching the electrolyte membrane;
a channel for sending the gas to the electrolyte membrane;
a power source that applies a voltage to the electrolyte membrane;
a power control unit that controls the power supply;
an analysis unit that analyzes a first impurity and a second impurity as the plurality of impurities,
an AC applying step in which the power supply control unit controls the power supply to apply an AC voltage to the electrolyte membrane;
The gas analysis method, wherein the analysis section converts a second parameter based on the impurity concentration of the second impurity into a first parameter based on the impurity concentration of the first impurity.
コンピュータに、請求項9記載の気体計測方法を実現するための計測ステップ、又は、請求項10記載の気体分析方法を実現するための交流印加ステップ及び換算ステップを実行させる ためのプログラム。 The computer is caused to execute the measurement step for realizing the gas measurement method according to claim 9, or the alternating current application step and the conversion step for realizing the gas analysis method according to claim 10. program for.
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