ガス組成分析装置及びガス組成分析方法並びに燃料電池システム
【課題】ガスの組成分析を行うにあたり、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ内部における水分の凝縮を抑制するとともに、マスフローコントローラの構造に起因する分析計の応答遅れを抑制することにより、組成分析の精度を向上させる。
【解決手段】ガス組成分析装置１０は、分析対象となるガスをサンプリングするサンプリング手段（バルブ１２等）と、このサンプリング手段でサンプリングしたサンプルガスの流量を調整するマスフローコントローラ１３と、マスフローコントローラ１３で流量を調整したサンプルガスの組成分析を行う組成分析手段１４と、を備え、さらに、サンプリング手段でサンプリングされマスフローコントローラ１３に導入されるサンプルガスに希釈ガスを供給してサンプルガスを希釈する希釈手段（希釈ガス用のマスフローコントローラ１５等）を備える。
【解決手段】ガス組成分析装置１０は、分析対象となるガスをサンプリングするサンプリング手段（バルブ１２等）と、このサンプリング手段でサンプリングしたサンプルガスの流量を調整するマスフローコントローラ１３と、マスフローコントローラ１３で流量を調整したサンプルガスの組成分析を行う組成分析手段１４と、を備え、さらに、サンプリング手段でサンプリングされマスフローコントローラ１３に導入されるサンプルガスに希釈ガスを供給してサンプルガスを希釈する希釈手段（希釈ガス用のマスフローコントローラ１５等）を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス組成分析装置及びこれを備えた燃料電池システム並びにガス組成分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池システムの運転条件の維持等を目的として、燃料電池に供給されるガスや燃料電池から排出されるガスの組成を分析する技術が提案されている。例えば、現在においては、燃料ガス生成用の燃料改質器に供給されるプロセスガス中の水蒸気流量を測定する技術が提案されている（特許文献１参照）。かかる技術においては、水蒸気に不活性ガスを供給して、温度変化に起因する水蒸気分圧の変動の影響を緩和することにより、プロセスガス中の水蒸気流量の測定精度を向上させている。
【０００３】
また、近年においては、図５に示すようなオリフィスを用いたガス組成分析システムが提案されている。かかるガス組成分析システムは、燃料電池１００から排出されるガスをサンプリングしてガス分析計１０１で分析するものであり、燃料電池１００とガス分析計１０１との間には、燃料電池１００からの排出ガスの流量を絞って調節するサンプル流量調整用オリフィス１０２と、排出ガスをサンプリングして円滑にガス分析計１０１に送出するサンプリングポンプ１０３と、が配置される。
【０００４】
しかし、このような従来の技術においては、排出ガスの組成成分によってガス粘性が異なり、サンプル流量が変化することまでは考慮されていなかった。すなわち、燃料電池の運転条件やサンプリングポイントによっては、排出ガス中に高濃度の水蒸気（Ｈ2Ｏ）や水素（Ｈ2）が含まれるため、空気雰囲気を一定量（例えば50ml/min）でサンプリングしても、ガス組成が変化して水素（Ｈ2）が高濃度になると、オリフィスを通過する排出ガスの流量は約２倍になることがある。これは、オリフィスを通過する際に排出ガスの粘性の違いが作用し、ガス種によって、流れ易い場合と流れ難い場合との違いが生じるからである。また、燃料電池のガス分析においては、燃料電池の性能を変化させずに燃料電池からガス分析のために抽出できるサンプル量は所定量（例えば50ml/min）と限られており、組成成分の変化によってこの流量を超えると、目的とする正確なガス分析ができない虞がある。一方、サンプル流量を極端に少なく設定すると、排出ガスの組成が変化したときに分析計の測定値の変化に大きな時間遅れ（応答遅れ）が生じ、正確なガス分析ができない場合がある。
【０００５】
そこで、近年においては、図６に示すようなマスフローコントローラを用いたガス組成分析システムが提案されている。かかるガス組成分析システムにおいては、燃料電池２００からの排出ガスをサンプリングするサンプリング手段（バルブ２０１及びサンプリングポンプ２０２）と、サンプリングポンプ２０２の上流に配置され排出ガスの流量を調節するマスフローコントローラ２０３と、流量が調節された排出ガスの組成を分析するガス分析計２０４と、を備えるものである。かかるシステムを採用すると、燃料電池からの排出ガスの組成を、組成成分の粘性の相違による影響を受けずに、比較的高精度に分析することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−２６２９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記した従来のガス組成分析システムにおいては、サンプル流量を調整するマスフローコントローラに高濃度（例えば60vol％）の水蒸気がサンプルとして流入する可能性がある。このように流入した水蒸気がマスフローコントローラの内部で冷却されて凝縮すると、ガス分析計で正確な水蒸気濃度を測定できず、マスフローコントローラの故障原因となる場合もある。このため、共存する水蒸気濃度が所定の閾値（例えば60vol％）を超える場合にはマスフローコントローラを例えば９０℃程度に加熱する必要があるが、一般的な高温用マスフローコントローラの保証最大温度は８０℃程度であり、凝縮を防ぐには不十分であった。
【０００８】
また、サンプル流量を調整するマスフローコントローラは、一定の内容積を有しており、しかもその機械的構造が複雑である。このため、サンプルガスが小流量（例えば50ml/min程度）であると、マスフローコントローラ上流側のガス組成が変化した場合に、マスフローコントローラ内部に既に存在するガスと完全に置換するのに時間を要するため、分析計の測定値の変化に時間遅れ（応答遅れ）が生じ、正確なガス分析ができない場合があった。
【０００９】
なお、前記したマスフローコントローラを用いた従来のガス組成分析システムを採用すると、ガス組成（特に水蒸気濃度）の変動が大きい場合には、マスフローコントローラによる調整後においても依然としてガス流量に幾分かの変動が生じ、この結果、ガス組成分析の精度が低下する場合があった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ガスの組成分析を行うにあたり、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ内部における水分の凝縮を抑制するとともに、マスフローコントローラの構造に起因する分析計の応答遅れを抑制することにより、ガスの組成分析の精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明に係るガス組成分析装置は、分析対象となるガスをサンプリングするサンプリング手段と、このサンプリング手段でサンプリングしたサンプルガスの流量を調整するマスフローコントローラと、このマスフローコントローラで流量を調整したサンプルガスの組成分析を行う組成分析手段と、を備え、さらに、サンプリング手段でサンプリングされマスフローコントローラに導入されるサンプルガスに希釈ガスを供給してサンプルガスを希釈する希釈手段を備えるものである。
【００１２】
また、本発明に係るガス組成分析方法は、分析対象となるガスをサンプリングするサンプリング工程と、このサンプリング工程でサンプリングしたサンプルガスの流量をマスフローコントローラで調整する流量調整工程と、この流量調整工程で流量を調整したサンプルガスの組成分析を行う組成分析工程と、を備え、さらに、サンプリング工程でサンプリングされマスフローコントローラに導入されるサンプルガスに希釈ガスを供給してサンプルガスを希釈する希釈工程を備えるものである。
【００１３】
かかる構成及び方法を採用すると、サンプルガスを希釈した状態でマスフローコントローラに導入することができるので、サンプル中の水蒸気濃度を低下させ、露点温度を低下させることができる。従って、高温を用いることなく、マスフローコントローラ内部における水分凝縮を抑制することができる。また、サンプルガスを希釈するとサンプル流量が増大し、マスフローコントローラ内部でのガス置換も早くなるため、分析計の応答遅れを抑制することができる。この結果、サンプルガスの組成分析の精度を向上させることが可能となる。
【００１４】
前記ガス組成分析装置において、分析対象となるガスに含まれる特定成分（例えば、水蒸気や水素）の濃度を測定する分析手段を採用することができる。さらに、希釈ガスの流量を調整する希釈ガス用のマスフローコントローラを有する希釈手段を採用することができる。
【００１５】
また、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給されるガスを流通させる供給流路と、燃料電池から排出されるガスを流通させる排出流路と、を備える燃料電池システムであって、供給流路及び／又は排出流路を流通するガスの組成分析を行う前記ガス組成分析装置を備えるものである。
【００１６】
かかる構成を採用すると、燃料電池に供給されるガスや燃料電池から排出されるガスの組成分析を高精度で行うことができるため、システムの運転状態を正確に把握することができる。この結果、的確な運転条件の設定が可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ガスの組成分析を行うにあたり、サンプルガスの流量を調整するマスフローコントローラ内部における水分の凝縮を抑制するとともに、マスフローコントローラの構造に起因する分析計の応答遅れを抑制することにより、ガスの組成分析の精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るガス組成分析装置を示す構成図である。
【図３】図２に示したガス組成分析装置に設けられるマスフローコントローラの構成図である。
【図４】図２に示したガス組成分析装置を用いたガス組成分析方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】従来のガス組成分析装置を示す構成図である。
【図６】従来のガス組成分析装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図１〜図４を用いて、本発明の実施形態に係るガス組成分析装置を備えた燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００２０】
まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成の概要について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２を中心として構成され、燃料電池２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源３、燃料電池２に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給源４、システム全体を統合制御する図示されていない制御装置等を備えて構成されている。また、燃料電池システム１は、燃料電池２に供給されるガスや燃料電池２から排出されるガスの組成分析を行うガス組成分析装置１０（図２）を備えている。ガス組成分析装置１０の構成については、図２等を用いて後に詳述する。
【００２１】
燃料電池２は、単電池（燃料電池セル）を所要数積層した燃料電池スタックを備えている。燃料電池２には、発電された電力を蓄える図示されていない蓄電池や、発電された電力及び／又は蓄電池に蓄えられた電力によって駆動する図示されていないモータ等が接続されている。
【００２２】
燃料電池２の水素供給口には、本発明における供給流路として機能する水素供給流路３１が接続されており、この水素供給流路３１を介して燃料ガスが燃料ガス供給源３から供給される。本実施形態においては、燃料ガス供給源３として高圧水素タンクを採用している。なお、高圧水素タンクに代えて、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等を採用することもできる。水素供給流路３１には、燃料ガス供給源３から水素ガスを供給し又は供給を停止する遮断弁、燃料電池２への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁、燃料電池２の水素供給口と水素供給流路３１との間を開閉する遮断弁等が設けられている。なお、各種弁については図示を省略している。
【００２３】
燃料電池２の水素排出口には、本発明における排出流路として機能する水素循環流路３２が接続されており、燃料電池２で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環流路３２に排出されて水素供給流路３１に戻される。水素循環流路３２には、燃料電池２と水素循環流路３２とを連通させ又は遮断する遮断弁、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３３、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３４等が設けられている。水素オフガスは、水素供給流路３１で水素ガスと合流し、燃料電池２に供給されて再利用される。
【００２４】
燃料電池２の空気供給口には、本発明における供給流路として機能する空気供給流路４１が接続されており、この空気供給流路４１を介して酸化ガスが酸化ガス供給源４から供給される。また、燃料電池２の空気排出口には、本発明における排出流路として機能する空気排出流路４２が接続されており、この空気排出流路４２を介して酸化オフガスが外部に放出される。
【００２５】
ガス組成分析装置１０は、燃料電池システム１を流通する各種ガスの組成分析を行うものである。本実施形態においては、図１に示すように、システム内に５箇所のサンプリングポイントＰ1〜Ｐ5を設定し、これらサンプリングポイントＰ1〜Ｐ5でサンプリングされた分析対象となるガス（水素ガス、水素オフガス、酸化ガス、酸化オフガス）の組成分析を行うこととしている。第１のサンプリングポイントＰ1は、水素ガスをサンプリングするために水素供給流路３１に設定されており、第２及び第３のサンプリングポイントＰ2及びＰ3は、水素オフガスをサンプリングするために水素循環流路３２の気液分離器３３の上流側及び下流側に設定されている。また、第４のサンプリングポイントＰ4は、酸化ガスをサンプリングするために空気供給流路４１に設定されており、第５のサンプリングポイントＰ5は、酸化オフガスをサンプリングするために空気排出流路４２に設定されている。
【００２６】
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態に係るガス組成分析装置１０の構成について説明する。
【００２７】
ガス組成分析装置１０は、図２に示すように、燃料電池システム１に設定されたサンプリングポイントＰN（Ｎ：１〜５）に連通接続されたサンプリング流路１１、サンプリング流路１１に設けられたバルブ１２、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３、サンプルガスの組成分析を行うガス分析計１４、各流路からサンプリングポイントＰNを介してガスを吸引してガス分析計１４へと送り込む図示されていないサンプリングポンプ、サンプルガスを希釈するための希釈ガスを供給する図示されていない希釈ガス供給源、希釈ガス用のマスフローコントローラ１５等を有している。
【００２８】
バルブ１２は、電磁式に排気ガスの流通を遮断・開放するシャットバルブ（遮断弁）としての構成を備えており、各流路からサンプリングポイントＰNを介してサンプルガスをガス分析計１４へと導くためのものである。バルブ１２の開閉動作は、図示されていない制御装置によって制御され、ガスの組成分析を行わない場合は閉じられるようになっている。なお、サンプリング流路１１、バルブ１２及びサンプリングポンプにより、本発明におけるサンプリング手段が構成される。
【００２９】
サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３は、サンプリングしたサンプルガスの流量を調整するものである。マスフローコントローラ１３は、図３に示すように、質量流量を検出する流量検出センサ部２０、サンプルガスが流入する金属細管２１、金属細管２１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２２、２つの発熱感温抵抗線２２の抵抗値の差をセンサ電圧値の差として検出し出力するブリッジ回路２３、ブリッジ回路２３の出力電圧を増幅する増幅回路２４、電気回路用の電源２５、後述する比較制御回路２８の比較結果を表示する表示器２６、比較制御回路２８に比較の基準となる基準電圧値を設定する設定器２７、増幅回路２４の出力電圧値と設定器２７で設定された基準電圧値とを比較する比較制御回路２８、比較制御回路２８による比較結果に基づいて制御されるソレノイドバルブ２９、ソレノイドバルブ２９によって開閉されるバルブ３０等を有している。
【００３０】
流量検出センサ部２０を構成する金属細管２１は、マスフローコントローラ１３内に形成されるサンプルガス流路のバイパス流路となっている。金属細管２１の２箇所（上流部と下流部）には発熱感温抵抗線２２が巻き付けられている。発熱感温抵抗線２２を構成する素材は、例えば温度に感応する抵抗電線である。金属細管２１の上流部に巻き付けられた発熱感温抵抗線２２は、金属細管２１の上流部の温度に対応した抵抗値を検出するためのものである。また、金属細管２１の下流部に巻き付けられた発熱感温抵抗線２２は、金属細管２１の下流部の温度に対応した抵抗値を検出するためのものである。
【００３１】
ここで、金属細管２１にサンプルガスが流れると、サンプルガスによって金属細管２１の上流部の温度が奪われる。このとき、金属細管２１の下流部の温度もサンプルガスによって奪われるが、下流部の温度は上流部の温度よりも高くなる。この金属細管２１における上流部と下流部との温度差は、金属細管２１を流れるサンプルガスの質量流量に比例する。この温度差は、２つの発熱感温抵抗線２２の抵抗値の差異を生じさせ、ブリッジ回路２３を介してセンサ電圧の差（すなわちブリッジ回路２３の出力電圧値）として検出される。
【００３２】
ブリッジ回路２３の出力電圧は増幅回路２４で増幅され、センサ流量信号として比較制御回路２８の比較電圧端子の一方に入力される。比較制御回路２８の比較電圧端子の他方には、設定器２７により設定された基準電圧（即ち設定流量信号）が入力されている。比較制御回路２８の比較結果であるサンプルガスの流量は、表示器２６で表示されるとともに、ソレノイドバルブ２９に伝達されてソレノイドバルブ２９のソレノイド部に流れる電流を制御する。これにより、バルブ３０が開又は閉の方向に移動し、サンプルガスの流量が変化する。サンプルガスの流量が変化すると、前記したセンサ流量信号が変化する。
【００３３】
このような一連のフィードバックシステムにより、設定流量信号とセンサ流量信号とが一致するまでバルブ３０の開度が調整され、設定流量信号で設定した質量流量が自動的に維持されて流路に流される。
【００３４】
ガス分析計１４は、マスフローコントローラ１３で流量を調整したサンプルガスの組成を分析するものであり、本発明における組成分析手段として機能する。ガス分析計１４は、サンプルガスの目的に応じて種々変更可能であり、例えば、サンプルガスに含まれる特定成分（水蒸気（Ｈ2Ｏ）や水素（Ｈ2）等）の濃度を測定するものを採用することができる。
【００３５】
希釈ガス供給源は、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３に導入されるサンプルガスに、希釈ガス（サンプルガスの組成分析に影響を与えない不活性ガス）を供給する。希釈ガス用のマスフローコントローラ１５は、希釈ガス供給源から供給される希釈ガスの流量を調整するものであり、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３と実質的に同一の構成を有している。これら希釈ガス供給源及びマスフローコントローラ１５により、一定量の希釈ガスがサンプルガスに供給され、サンプルガスが希釈される。すなわち、希釈ガス供給源及びマスフローコントローラ１５により、本発明における希釈手段が構成される。
【００３６】
このような希釈手段を採用することにより、サンプル中の水分濃度（及び露点温度）を低下させることができるので、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３の性能仕様範囲内温度での加熱でサンプル中の水分の凝縮を抑制することが可能となり、サンプルガスの組成分析の精度を向上させることができる。また、このような希釈手段を採用することにより、少量のサンプルでも、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３を通過するガス流量が増加し、マスフローコントローラ１３内部でのガス置換速度が高まるため、ガス分析計１４の応答遅れを抑制することができ、この点からもサンプルガスの組成分析精度を向上させることができる。
【００３７】
また、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３がサンプルガスの組成変動の影響を受けても、希釈後における水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度からコンバージョンファクタ（ガス濃度100vol％において窒素ガス（Ｎ2）の流量を基準にして設定した各ガス成分の流量）を算出し、このコンバージョンファクタを用いて、各測定成分ガスの誤差を補正した希釈前濃度を算出することが可能となる。
【００３８】
以下、マスフローコントローラ１３に導入されるサンプルガスを希釈することによる作用効果について、コンバージョンファクタを用いて具体的に説明することとする。
【００３９】
サンプルガスの組成変動に起因するガス流量変動の指標となるコンバージョンファクタＣXは、サンプルガスが例えば３種類のガス（Ａ、Ｂ、Ｃ）が混合されてなる混合ガスである場合、次式で算出される。但し、次式において、ＭA、ＭB、ＭCは、各々、ガスＡ、ガスＢ、ガスＣの混合比を意味し（ＭA＋ＭB＋ＭC＝１）、ＣA、ＣB、ＣCは、各々、ガスＡ、ガスＢ、ガスＣのコンバージョンファクタを意味する。
【００４０】
【数１】
【００４１】
ここで、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３の基準流量を250ml/min（200ml/minの希釈用窒素ガス（Ｎ2）でサンプルガスを５倍に希釈したもの）と設定し、サンプルガスの組成が「水素ガス（Ｈ2）100vol％」から「水蒸気（Ｈ2Ｏ）80vol％、水素ガス（Ｈ2）20vol％」へと変化した場合を考える。
【００４２】
ガスＡを窒素ガス（Ｎ2）、ガスＢを水蒸気（Ｈ2Ｏ）、ガスＣを水素ガス（Ｈ2）とすると、組成変化前の希釈後サンプルガスのコンバージョンファクタＣXは「1.004」と算出される（ＭA＝0.8、ＭB＝０、ＭC＝0.2、ＣA＝１、ＣC＝1.02）。これにより、流量調整後の希釈後サンプルガスの流量は「251ml/min」と算出され、希釈用の窒素ガス（Ｎ2）を差し引いた流量は「51ml/min」と算出される。また、組成変化後の希釈後サンプルガスのコンバージョンファクタＣXは「0.975」と算出される（ＭA＝0.8、ＭB＝0.16、ＭC＝0.04、ＣA＝１、ＣB＝0.86、ＣC＝1.02）。これにより、流量調整後の希釈後サンプルガスの流量は「243.8ml/min」と算出され、希釈用の窒素ガス（Ｎ2）を差し引いた流量は「43.8ml/min」と算出される。
【００４３】
ここで、燃料電池排出ガスにおける組成ガス（窒素ガス（Ｎ2）、酸素ガス（Ｏ2）、水素ガス（Ｈ2）、一酸化炭素ガス（ＣＯ）、二酸化炭素ガス（ＣＯ2）等）においては、その予想される最大濃度でのコンバージョンファクタはほぼ「1」である。これに対し、水蒸気（Ｈ2Ｏ）の予想される最大濃度（100vol％）でのコンバージョンファクタは「0.86」であり、組成変動に起因する測定誤差の主たる原因は水蒸気（Ｈ2Ｏ）であると推察される。このため、計測した希釈後の水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度から、この濃度でのコンバージョンファクタを算出することにより、マスフローコントローラ１３を通過する真のガス流量を算出し、そのガス流量と希釈用窒素ガス（Ｎ2）の比（希釈比）を求め、各測定対象成分から正確な希釈前濃度を算出することができる。
【００４４】
前記した例においては、ガスＡを窒素ガス（Ｎ2）、ガスＢを水蒸気（Ｈ2Ｏ）、ガスＣを水素ガス（Ｈ2）とすると、組成変化後の希釈後サンプルガスのコンバージョンファクタＣXは「0.975」と算出され（ＭA＝0.8、ＭB＝0.16、ＭC＝0.04、ＣA＝１、ＣB＝0.86、ＣC＝1.02）、流量調整後の希釈後サンプルガスの流量は「243.8ml/min」と算出され、希釈用の窒素ガス（Ｎ2）を差し引いた流量は「43.8ml/min」と算出されるとした。希釈前の水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度は80vol％と設定したため、希釈後の水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度は14.4（＝80×(43.8/243.8)）vol％と算出される。
【００４５】
例えば、ガス分析計１４で計測された希釈後の水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度が14.4vol％であるとすると、そのときのコンバージョンファクタは「0.98」と算出され（ＭA＝0.856、ＭB＝0.144、ＣA＝１、ＣB＝0.86）、流量調整後の希釈後サンプルガスの流量は「245ml/min」と算出され、希釈用の窒素ガス（Ｎ2）を差し引いた流量は「45ml/min」と算出される。希釈前濃度は、希釈後濃度と、希釈比の逆数と、の積で算出され、例えば水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度であれば、78.4（＝14.4×(245/45)）vol％となり、理論上設定した値（80vol％）に近い値が得られる。このような演算をガス分析計１４で連続して行うことにより、サンプルガスの組成変動に起因した測定精度の低下を抑制し、ガス組成分析の精度を向上させることが可能となる。
【００４６】
次に、図４等を用いて、本実施形態に係るガス組成分析装置１０を用いたガス組成分析方法について説明する。
【００４７】
まず、燃料電池システム１の制御装置は、ガス組成分析装置１０のバルブ１２を開くとともにサンプリングポンプを作動させることにより、システム内の各流路からサンプリングポイントＰNを介して分析対象となるガス（サンプルガス）を吸引して、サンプリング流路１１に流入させる（サンプリング工程：Ｓ１）。
【００４８】
次いで、制御装置は、希釈ガス供給源からサンプリング流路１１へと希釈ガスを供給して、サンプリング工程Ｓ１でサンプリングしたサンプルガスを希釈する（希釈工程：Ｓ２）。かかる希釈工程Ｓ２において、希釈ガスの流量は、希釈ガス用のマスフローコントローラ１５により、一定量に調整される。
【００４９】
サンプリング工程Ｓ１でサンプリングされ希釈工程Ｓ２で希釈されたサンプルガスは、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３に導入されて流量調整され（流量調整工程：Ｓ３）、その後、ガス分析計１４により組成分析されることとなる（組成分析工程：Ｓ４）。
【００５０】
以上の実施形態に係るガス組成分析装置１０においては、サンプルガスを希釈した状態でマスフローコントローラ１３に導入することができるので、サンプル中の水分濃度を低下させ、露点温度を低下させることができる。従って、高温を用いることなく、マスフローコントローラ１３内部における水分凝縮を抑制することができる。例えば、水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度が60vol％の場合、水蒸気を凝縮させないためにはマスフローコントローラ１３の温度を約９０℃に設定する必要があるが、５倍希釈して水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度を12vol％まで低下させると、約５０℃で水蒸気の凝縮を防止することができ、一般的な高温用マスフローコントローラで充分対応できる。また、５倍希釈するとサンプル流量は５倍となり、マスフローコントローラ１３内部でのガス置換も理論上では５倍早くなるため、ガス分析計１４の応答遅れを抑制することができる。この結果、サンプルガスの組成分析の精度を向上させることが可能となる。
【００５１】
また、以上の実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２に供給されるガスや燃料電池２から排出されるガスの組成分析を高精度で行うことができるため、システム１の運転状態を正確に把握することができる。この結果、的確な運転条件の設定が可能となる。
【００５２】
なお、以上の実施形態においては、サンプリング流路１１とバルブ１２とサンプリングポンプとによってサンプリング手段を構成した例を示したが、サンプリング手段の構成はこれに限られるものではない。例えば、バルブ１２に代えてオリフィスを採用することもできる。また、サンプリングポンプとしては、強制的にサンプルガスを吸引することができるものであれば、その構成に限定はない。また、以上の実施形態においては、組成分析手段としてガス分析計を用いた例を示したが、組成分析手段の構成はこれに限られるものではない。
【００５３】
また、以上の実施形態においては、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３に導入されるサンプルガスを希釈した例を示したが、図２に破線で示すように、サンプル流量増加用のマスフローコントローラ１６を採用し、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３を通過したサンプルガスにさらに不活性ガスを供給して、サンプルガスの流量を増加させることもできる。
【００５４】
また、以上の実施形態においては、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムに本発明を適用した例について説明したが、燃料電池車両以外の各種構造体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載される燃料電池システムについても本発明を適用することができる。また、本発明に係るガス組成分析装置及びガス組成分析方法を、燃料電池システム以外のシステム（例えば半導体製造装置等）に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、１０…ガス組成分析装置、１１…サンプリング流路（サンプリング手段）、１２…バルブ（サンプリング手段）、１３…サンプル流量調整用のマスフローコントローラ、１４…ガス分析計（組成分析手段）、１５…希釈ガス用のマスフローコントローラ（希釈手段）、３１…水素供給流路（供給流路）、３２…水素循環流路（排出流路）、４１…空気供給流路（供給流路）、４２…空気排出流路（排出流路）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス組成分析装置及びこれを備えた燃料電池システム並びにガス組成分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池システムの運転条件の維持等を目的として、燃料電池に供給されるガスや燃料電池から排出されるガスの組成を分析する技術が提案されている。例えば、現在においては、燃料ガス生成用の燃料改質器に供給されるプロセスガス中の水蒸気流量を測定する技術が提案されている（特許文献１参照）。かかる技術においては、水蒸気に不活性ガスを供給して、温度変化に起因する水蒸気分圧の変動の影響を緩和することにより、プロセスガス中の水蒸気流量の測定精度を向上させている。
【０００３】
また、近年においては、図５に示すようなオリフィスを用いたガス組成分析システムが提案されている。かかるガス組成分析システムは、燃料電池１００から排出されるガスをサンプリングしてガス分析計１０１で分析するものであり、燃料電池１００とガス分析計１０１との間には、燃料電池１００からの排出ガスの流量を絞って調節するサンプル流量調整用オリフィス１０２と、排出ガスをサンプリングして円滑にガス分析計１０１に送出するサンプリングポンプ１０３と、が配置される。
【０００４】
しかし、このような従来の技術においては、排出ガスの組成成分によってガス粘性が異なり、サンプル流量が変化することまでは考慮されていなかった。すなわち、燃料電池の運転条件やサンプリングポイントによっては、排出ガス中に高濃度の水蒸気（Ｈ2Ｏ）や水素（Ｈ2）が含まれるため、空気雰囲気を一定量（例えば50ml/min）でサンプリングしても、ガス組成が変化して水素（Ｈ2）が高濃度になると、オリフィスを通過する排出ガスの流量は約２倍になることがある。これは、オリフィスを通過する際に排出ガスの粘性の違いが作用し、ガス種によって、流れ易い場合と流れ難い場合との違いが生じるからである。また、燃料電池のガス分析においては、燃料電池の性能を変化させずに燃料電池からガス分析のために抽出できるサンプル量は所定量（例えば50ml/min）と限られており、組成成分の変化によってこの流量を超えると、目的とする正確なガス分析ができない虞がある。一方、サンプル流量を極端に少なく設定すると、排出ガスの組成が変化したときに分析計の測定値の変化に大きな時間遅れ（応答遅れ）が生じ、正確なガス分析ができない場合がある。
【０００５】
そこで、近年においては、図６に示すようなマスフローコントローラを用いたガス組成分析システムが提案されている。かかるガス組成分析システムにおいては、燃料電池２００からの排出ガスをサンプリングするサンプリング手段（バルブ２０１及びサンプリングポンプ２０２）と、サンプリングポンプ２０２の上流に配置され排出ガスの流量を調節するマスフローコントローラ２０３と、流量が調節された排出ガスの組成を分析するガス分析計２０４と、を備えるものである。かかるシステムを採用すると、燃料電池からの排出ガスの組成を、組成成分の粘性の相違による影響を受けずに、比較的高精度に分析することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−２６２９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記した従来のガス組成分析システムにおいては、サンプル流量を調整するマスフローコントローラに高濃度（例えば60vol％）の水蒸気がサンプルとして流入する可能性がある。このように流入した水蒸気がマスフローコントローラの内部で冷却されて凝縮すると、ガス分析計で正確な水蒸気濃度を測定できず、マスフローコントローラの故障原因となる場合もある。このため、共存する水蒸気濃度が所定の閾値（例えば60vol％）を超える場合にはマスフローコントローラを例えば９０℃程度に加熱する必要があるが、一般的な高温用マスフローコントローラの保証最大温度は８０℃程度であり、凝縮を防ぐには不十分であった。
【０００８】
また、サンプル流量を調整するマスフローコントローラは、一定の内容積を有しており、しかもその機械的構造が複雑である。このため、サンプルガスが小流量（例えば50ml/min程度）であると、マスフローコントローラ上流側のガス組成が変化した場合に、マスフローコントローラ内部に既に存在するガスと完全に置換するのに時間を要するため、分析計の測定値の変化に時間遅れ（応答遅れ）が生じ、正確なガス分析ができない場合があった。
【０００９】
なお、前記したマスフローコントローラを用いた従来のガス組成分析システムを採用すると、ガス組成（特に水蒸気濃度）の変動が大きい場合には、マスフローコントローラによる調整後においても依然としてガス流量に幾分かの変動が生じ、この結果、ガス組成分析の精度が低下する場合があった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ガスの組成分析を行うにあたり、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ内部における水分の凝縮を抑制するとともに、マスフローコントローラの構造に起因する分析計の応答遅れを抑制することにより、ガスの組成分析の精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明に係るガス組成分析装置は、分析対象となるガスをサンプリングするサンプリング手段と、このサンプリング手段でサンプリングしたサンプルガスの流量を調整するマスフローコントローラと、このマスフローコントローラで流量を調整したサンプルガスの組成分析を行う組成分析手段と、を備え、さらに、サンプリング手段でサンプリングされマスフローコントローラに導入されるサンプルガスに希釈ガスを供給してサンプルガスを希釈する希釈手段を備えるものである。
【００１２】
また、本発明に係るガス組成分析方法は、分析対象となるガスをサンプリングするサンプリング工程と、このサンプリング工程でサンプリングしたサンプルガスの流量をマスフローコントローラで調整する流量調整工程と、この流量調整工程で流量を調整したサンプルガスの組成分析を行う組成分析工程と、を備え、さらに、サンプリング工程でサンプリングされマスフローコントローラに導入されるサンプルガスに希釈ガスを供給してサンプルガスを希釈する希釈工程を備えるものである。
【００１３】
かかる構成及び方法を採用すると、サンプルガスを希釈した状態でマスフローコントローラに導入することができるので、サンプル中の水蒸気濃度を低下させ、露点温度を低下させることができる。従って、高温を用いることなく、マスフローコントローラ内部における水分凝縮を抑制することができる。また、サンプルガスを希釈するとサンプル流量が増大し、マスフローコントローラ内部でのガス置換も早くなるため、分析計の応答遅れを抑制することができる。この結果、サンプルガスの組成分析の精度を向上させることが可能となる。
【００１４】
前記ガス組成分析装置において、分析対象となるガスに含まれる特定成分（例えば、水蒸気や水素）の濃度を測定する分析手段を採用することができる。さらに、希釈ガスの流量を調整する希釈ガス用のマスフローコントローラを有する希釈手段を採用することができる。
【００１５】
また、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給されるガスを流通させる供給流路と、燃料電池から排出されるガスを流通させる排出流路と、を備える燃料電池システムであって、供給流路及び／又は排出流路を流通するガスの組成分析を行う前記ガス組成分析装置を備えるものである。
【００１６】
かかる構成を採用すると、燃料電池に供給されるガスや燃料電池から排出されるガスの組成分析を高精度で行うことができるため、システムの運転状態を正確に把握することができる。この結果、的確な運転条件の設定が可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ガスの組成分析を行うにあたり、サンプルガスの流量を調整するマスフローコントローラ内部における水分の凝縮を抑制するとともに、マスフローコントローラの構造に起因する分析計の応答遅れを抑制することにより、ガスの組成分析の精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るガス組成分析装置を示す構成図である。
【図３】図２に示したガス組成分析装置に設けられるマスフローコントローラの構成図である。
【図４】図２に示したガス組成分析装置を用いたガス組成分析方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】従来のガス組成分析装置を示す構成図である。
【図６】従来のガス組成分析装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図１〜図４を用いて、本発明の実施形態に係るガス組成分析装置を備えた燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００２０】
まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成の概要について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２を中心として構成され、燃料電池２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源３、燃料電池２に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給源４、システム全体を統合制御する図示されていない制御装置等を備えて構成されている。また、燃料電池システム１は、燃料電池２に供給されるガスや燃料電池２から排出されるガスの組成分析を行うガス組成分析装置１０（図２）を備えている。ガス組成分析装置１０の構成については、図２等を用いて後に詳述する。
【００２１】
燃料電池２は、単電池（燃料電池セル）を所要数積層した燃料電池スタックを備えている。燃料電池２には、発電された電力を蓄える図示されていない蓄電池や、発電された電力及び／又は蓄電池に蓄えられた電力によって駆動する図示されていないモータ等が接続されている。
【００２２】
燃料電池２の水素供給口には、本発明における供給流路として機能する水素供給流路３１が接続されており、この水素供給流路３１を介して燃料ガスが燃料ガス供給源３から供給される。本実施形態においては、燃料ガス供給源３として高圧水素タンクを採用している。なお、高圧水素タンクに代えて、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等を採用することもできる。水素供給流路３１には、燃料ガス供給源３から水素ガスを供給し又は供給を停止する遮断弁、燃料電池２への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁、燃料電池２の水素供給口と水素供給流路３１との間を開閉する遮断弁等が設けられている。なお、各種弁については図示を省略している。
【００２３】
燃料電池２の水素排出口には、本発明における排出流路として機能する水素循環流路３２が接続されており、燃料電池２で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環流路３２に排出されて水素供給流路３１に戻される。水素循環流路３２には、燃料電池２と水素循環流路３２とを連通させ又は遮断する遮断弁、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３３、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３４等が設けられている。水素オフガスは、水素供給流路３１で水素ガスと合流し、燃料電池２に供給されて再利用される。
【００２４】
燃料電池２の空気供給口には、本発明における供給流路として機能する空気供給流路４１が接続されており、この空気供給流路４１を介して酸化ガスが酸化ガス供給源４から供給される。また、燃料電池２の空気排出口には、本発明における排出流路として機能する空気排出流路４２が接続されており、この空気排出流路４２を介して酸化オフガスが外部に放出される。
【００２５】
ガス組成分析装置１０は、燃料電池システム１を流通する各種ガスの組成分析を行うものである。本実施形態においては、図１に示すように、システム内に５箇所のサンプリングポイントＰ1〜Ｐ5を設定し、これらサンプリングポイントＰ1〜Ｐ5でサンプリングされた分析対象となるガス（水素ガス、水素オフガス、酸化ガス、酸化オフガス）の組成分析を行うこととしている。第１のサンプリングポイントＰ1は、水素ガスをサンプリングするために水素供給流路３１に設定されており、第２及び第３のサンプリングポイントＰ2及びＰ3は、水素オフガスをサンプリングするために水素循環流路３２の気液分離器３３の上流側及び下流側に設定されている。また、第４のサンプリングポイントＰ4は、酸化ガスをサンプリングするために空気供給流路４１に設定されており、第５のサンプリングポイントＰ5は、酸化オフガスをサンプリングするために空気排出流路４２に設定されている。
【００２６】
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態に係るガス組成分析装置１０の構成について説明する。
【００２７】
ガス組成分析装置１０は、図２に示すように、燃料電池システム１に設定されたサンプリングポイントＰN（Ｎ：１〜５）に連通接続されたサンプリング流路１１、サンプリング流路１１に設けられたバルブ１２、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３、サンプルガスの組成分析を行うガス分析計１４、各流路からサンプリングポイントＰNを介してガスを吸引してガス分析計１４へと送り込む図示されていないサンプリングポンプ、サンプルガスを希釈するための希釈ガスを供給する図示されていない希釈ガス供給源、希釈ガス用のマスフローコントローラ１５等を有している。
【００２８】
バルブ１２は、電磁式に排気ガスの流通を遮断・開放するシャットバルブ（遮断弁）としての構成を備えており、各流路からサンプリングポイントＰNを介してサンプルガスをガス分析計１４へと導くためのものである。バルブ１２の開閉動作は、図示されていない制御装置によって制御され、ガスの組成分析を行わない場合は閉じられるようになっている。なお、サンプリング流路１１、バルブ１２及びサンプリングポンプにより、本発明におけるサンプリング手段が構成される。
【００２９】
サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３は、サンプリングしたサンプルガスの流量を調整するものである。マスフローコントローラ１３は、図３に示すように、質量流量を検出する流量検出センサ部２０、サンプルガスが流入する金属細管２１、金属細管２１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２２、２つの発熱感温抵抗線２２の抵抗値の差をセンサ電圧値の差として検出し出力するブリッジ回路２３、ブリッジ回路２３の出力電圧を増幅する増幅回路２４、電気回路用の電源２５、後述する比較制御回路２８の比較結果を表示する表示器２６、比較制御回路２８に比較の基準となる基準電圧値を設定する設定器２７、増幅回路２４の出力電圧値と設定器２７で設定された基準電圧値とを比較する比較制御回路２８、比較制御回路２８による比較結果に基づいて制御されるソレノイドバルブ２９、ソレノイドバルブ２９によって開閉されるバルブ３０等を有している。
【００３０】
流量検出センサ部２０を構成する金属細管２１は、マスフローコントローラ１３内に形成されるサンプルガス流路のバイパス流路となっている。金属細管２１の２箇所（上流部と下流部）には発熱感温抵抗線２２が巻き付けられている。発熱感温抵抗線２２を構成する素材は、例えば温度に感応する抵抗電線である。金属細管２１の上流部に巻き付けられた発熱感温抵抗線２２は、金属細管２１の上流部の温度に対応した抵抗値を検出するためのものである。また、金属細管２１の下流部に巻き付けられた発熱感温抵抗線２２は、金属細管２１の下流部の温度に対応した抵抗値を検出するためのものである。
【００３１】
ここで、金属細管２１にサンプルガスが流れると、サンプルガスによって金属細管２１の上流部の温度が奪われる。このとき、金属細管２１の下流部の温度もサンプルガスによって奪われるが、下流部の温度は上流部の温度よりも高くなる。この金属細管２１における上流部と下流部との温度差は、金属細管２１を流れるサンプルガスの質量流量に比例する。この温度差は、２つの発熱感温抵抗線２２の抵抗値の差異を生じさせ、ブリッジ回路２３を介してセンサ電圧の差（すなわちブリッジ回路２３の出力電圧値）として検出される。
【００３２】
ブリッジ回路２３の出力電圧は増幅回路２４で増幅され、センサ流量信号として比較制御回路２８の比較電圧端子の一方に入力される。比較制御回路２８の比較電圧端子の他方には、設定器２７により設定された基準電圧（即ち設定流量信号）が入力されている。比較制御回路２８の比較結果であるサンプルガスの流量は、表示器２６で表示されるとともに、ソレノイドバルブ２９に伝達されてソレノイドバルブ２９のソレノイド部に流れる電流を制御する。これにより、バルブ３０が開又は閉の方向に移動し、サンプルガスの流量が変化する。サンプルガスの流量が変化すると、前記したセンサ流量信号が変化する。
【００３３】
このような一連のフィードバックシステムにより、設定流量信号とセンサ流量信号とが一致するまでバルブ３０の開度が調整され、設定流量信号で設定した質量流量が自動的に維持されて流路に流される。
【００３４】
ガス分析計１４は、マスフローコントローラ１３で流量を調整したサンプルガスの組成を分析するものであり、本発明における組成分析手段として機能する。ガス分析計１４は、サンプルガスの目的に応じて種々変更可能であり、例えば、サンプルガスに含まれる特定成分（水蒸気（Ｈ2Ｏ）や水素（Ｈ2）等）の濃度を測定するものを採用することができる。
【００３５】
希釈ガス供給源は、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３に導入されるサンプルガスに、希釈ガス（サンプルガスの組成分析に影響を与えない不活性ガス）を供給する。希釈ガス用のマスフローコントローラ１５は、希釈ガス供給源から供給される希釈ガスの流量を調整するものであり、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３と実質的に同一の構成を有している。これら希釈ガス供給源及びマスフローコントローラ１５により、一定量の希釈ガスがサンプルガスに供給され、サンプルガスが希釈される。すなわち、希釈ガス供給源及びマスフローコントローラ１５により、本発明における希釈手段が構成される。
【００３６】
このような希釈手段を採用することにより、サンプル中の水分濃度（及び露点温度）を低下させることができるので、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３の性能仕様範囲内温度での加熱でサンプル中の水分の凝縮を抑制することが可能となり、サンプルガスの組成分析の精度を向上させることができる。また、このような希釈手段を採用することにより、少量のサンプルでも、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３を通過するガス流量が増加し、マスフローコントローラ１３内部でのガス置換速度が高まるため、ガス分析計１４の応答遅れを抑制することができ、この点からもサンプルガスの組成分析精度を向上させることができる。
【００３７】
また、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３がサンプルガスの組成変動の影響を受けても、希釈後における水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度からコンバージョンファクタ（ガス濃度100vol％において窒素ガス（Ｎ2）の流量を基準にして設定した各ガス成分の流量）を算出し、このコンバージョンファクタを用いて、各測定成分ガスの誤差を補正した希釈前濃度を算出することが可能となる。
【００３８】
以下、マスフローコントローラ１３に導入されるサンプルガスを希釈することによる作用効果について、コンバージョンファクタを用いて具体的に説明することとする。
【００３９】
サンプルガスの組成変動に起因するガス流量変動の指標となるコンバージョンファクタＣXは、サンプルガスが例えば３種類のガス（Ａ、Ｂ、Ｃ）が混合されてなる混合ガスである場合、次式で算出される。但し、次式において、ＭA、ＭB、ＭCは、各々、ガスＡ、ガスＢ、ガスＣの混合比を意味し（ＭA＋ＭB＋ＭC＝１）、ＣA、ＣB、ＣCは、各々、ガスＡ、ガスＢ、ガスＣのコンバージョンファクタを意味する。
【００４０】
【数１】
【００４１】
ここで、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３の基準流量を250ml/min（200ml/minの希釈用窒素ガス（Ｎ2）でサンプルガスを５倍に希釈したもの）と設定し、サンプルガスの組成が「水素ガス（Ｈ2）100vol％」から「水蒸気（Ｈ2Ｏ）80vol％、水素ガス（Ｈ2）20vol％」へと変化した場合を考える。
【００４２】
ガスＡを窒素ガス（Ｎ2）、ガスＢを水蒸気（Ｈ2Ｏ）、ガスＣを水素ガス（Ｈ2）とすると、組成変化前の希釈後サンプルガスのコンバージョンファクタＣXは「1.004」と算出される（ＭA＝0.8、ＭB＝０、ＭC＝0.2、ＣA＝１、ＣC＝1.02）。これにより、流量調整後の希釈後サンプルガスの流量は「251ml/min」と算出され、希釈用の窒素ガス（Ｎ2）を差し引いた流量は「51ml/min」と算出される。また、組成変化後の希釈後サンプルガスのコンバージョンファクタＣXは「0.975」と算出される（ＭA＝0.8、ＭB＝0.16、ＭC＝0.04、ＣA＝１、ＣB＝0.86、ＣC＝1.02）。これにより、流量調整後の希釈後サンプルガスの流量は「243.8ml/min」と算出され、希釈用の窒素ガス（Ｎ2）を差し引いた流量は「43.8ml/min」と算出される。
【００４３】
ここで、燃料電池排出ガスにおける組成ガス（窒素ガス（Ｎ2）、酸素ガス（Ｏ2）、水素ガス（Ｈ2）、一酸化炭素ガス（ＣＯ）、二酸化炭素ガス（ＣＯ2）等）においては、その予想される最大濃度でのコンバージョンファクタはほぼ「1」である。これに対し、水蒸気（Ｈ2Ｏ）の予想される最大濃度（100vol％）でのコンバージョンファクタは「0.86」であり、組成変動に起因する測定誤差の主たる原因は水蒸気（Ｈ2Ｏ）であると推察される。このため、計測した希釈後の水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度から、この濃度でのコンバージョンファクタを算出することにより、マスフローコントローラ１３を通過する真のガス流量を算出し、そのガス流量と希釈用窒素ガス（Ｎ2）の比（希釈比）を求め、各測定対象成分から正確な希釈前濃度を算出することができる。
【００４４】
前記した例においては、ガスＡを窒素ガス（Ｎ2）、ガスＢを水蒸気（Ｈ2Ｏ）、ガスＣを水素ガス（Ｈ2）とすると、組成変化後の希釈後サンプルガスのコンバージョンファクタＣXは「0.975」と算出され（ＭA＝0.8、ＭB＝0.16、ＭC＝0.04、ＣA＝１、ＣB＝0.86、ＣC＝1.02）、流量調整後の希釈後サンプルガスの流量は「243.8ml/min」と算出され、希釈用の窒素ガス（Ｎ2）を差し引いた流量は「43.8ml/min」と算出されるとした。希釈前の水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度は80vol％と設定したため、希釈後の水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度は14.4（＝80×(43.8/243.8)）vol％と算出される。
【００４５】
例えば、ガス分析計１４で計測された希釈後の水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度が14.4vol％であるとすると、そのときのコンバージョンファクタは「0.98」と算出され（ＭA＝0.856、ＭB＝0.144、ＣA＝１、ＣB＝0.86）、流量調整後の希釈後サンプルガスの流量は「245ml/min」と算出され、希釈用の窒素ガス（Ｎ2）を差し引いた流量は「45ml/min」と算出される。希釈前濃度は、希釈後濃度と、希釈比の逆数と、の積で算出され、例えば水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度であれば、78.4（＝14.4×(245/45)）vol％となり、理論上設定した値（80vol％）に近い値が得られる。このような演算をガス分析計１４で連続して行うことにより、サンプルガスの組成変動に起因した測定精度の低下を抑制し、ガス組成分析の精度を向上させることが可能となる。
【００４６】
次に、図４等を用いて、本実施形態に係るガス組成分析装置１０を用いたガス組成分析方法について説明する。
【００４７】
まず、燃料電池システム１の制御装置は、ガス組成分析装置１０のバルブ１２を開くとともにサンプリングポンプを作動させることにより、システム内の各流路からサンプリングポイントＰNを介して分析対象となるガス（サンプルガス）を吸引して、サンプリング流路１１に流入させる（サンプリング工程：Ｓ１）。
【００４８】
次いで、制御装置は、希釈ガス供給源からサンプリング流路１１へと希釈ガスを供給して、サンプリング工程Ｓ１でサンプリングしたサンプルガスを希釈する（希釈工程：Ｓ２）。かかる希釈工程Ｓ２において、希釈ガスの流量は、希釈ガス用のマスフローコントローラ１５により、一定量に調整される。
【００４９】
サンプリング工程Ｓ１でサンプリングされ希釈工程Ｓ２で希釈されたサンプルガスは、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３に導入されて流量調整され（流量調整工程：Ｓ３）、その後、ガス分析計１４により組成分析されることとなる（組成分析工程：Ｓ４）。
【００５０】
以上の実施形態に係るガス組成分析装置１０においては、サンプルガスを希釈した状態でマスフローコントローラ１３に導入することができるので、サンプル中の水分濃度を低下させ、露点温度を低下させることができる。従って、高温を用いることなく、マスフローコントローラ１３内部における水分凝縮を抑制することができる。例えば、水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度が60vol％の場合、水蒸気を凝縮させないためにはマスフローコントローラ１３の温度を約９０℃に設定する必要があるが、５倍希釈して水蒸気（Ｈ2Ｏ）濃度を12vol％まで低下させると、約５０℃で水蒸気の凝縮を防止することができ、一般的な高温用マスフローコントローラで充分対応できる。また、５倍希釈するとサンプル流量は５倍となり、マスフローコントローラ１３内部でのガス置換も理論上では５倍早くなるため、ガス分析計１４の応答遅れを抑制することができる。この結果、サンプルガスの組成分析の精度を向上させることが可能となる。
【００５１】
また、以上の実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２に供給されるガスや燃料電池２から排出されるガスの組成分析を高精度で行うことができるため、システム１の運転状態を正確に把握することができる。この結果、的確な運転条件の設定が可能となる。
【００５２】
なお、以上の実施形態においては、サンプリング流路１１とバルブ１２とサンプリングポンプとによってサンプリング手段を構成した例を示したが、サンプリング手段の構成はこれに限られるものではない。例えば、バルブ１２に代えてオリフィスを採用することもできる。また、サンプリングポンプとしては、強制的にサンプルガスを吸引することができるものであれば、その構成に限定はない。また、以上の実施形態においては、組成分析手段としてガス分析計を用いた例を示したが、組成分析手段の構成はこれに限られるものではない。
【００５３】
また、以上の実施形態においては、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３に導入されるサンプルガスを希釈した例を示したが、図２に破線で示すように、サンプル流量増加用のマスフローコントローラ１６を採用し、サンプル流量調整用のマスフローコントローラ１３を通過したサンプルガスにさらに不活性ガスを供給して、サンプルガスの流量を増加させることもできる。
【００５４】
また、以上の実施形態においては、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムに本発明を適用した例について説明したが、燃料電池車両以外の各種構造体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載される燃料電池システムについても本発明を適用することができる。また、本発明に係るガス組成分析装置及びガス組成分析方法を、燃料電池システム以外のシステム（例えば半導体製造装置等）に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、１０…ガス組成分析装置、１１…サンプリング流路（サンプリング手段）、１２…バルブ（サンプリング手段）、１３…サンプル流量調整用のマスフローコントローラ、１４…ガス分析計（組成分析手段）、１５…希釈ガス用のマスフローコントローラ（希釈手段）、３１…水素供給流路（供給流路）、３２…水素循環流路（排出流路）、４１…空気供給流路（供給流路）、４２…空気排出流路（排出流路）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの組成分析を行うガス組成分析装置であって、
分析対象となるガスをサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段でサンプリングしたサンプルガスの流量を調整するマスフローコントローラと、
前記マスフローコントローラで流量を調整したサンプルガスの組成分析を行う組成分析手段と、を備え、さらに、
前記サンプリング手段でサンプリングされ前記マスフローコントローラに導入されるサンプルガスに希釈ガスを供給してサンプルガスを希釈する希釈手段を備える、
ガス組成分析装置。
【請求項２】
前記組成分析手段は、分析対象となるガスに含まれる特定成分の濃度を測定するものである、
請求項１に記載のガス組成分析装置。
【請求項３】
前記希釈手段は、希釈ガスの流量を調整する希釈ガス用のマスフローコントローラを有するものである、
請求項１又は２に記載のガス組成分析装置。
【請求項４】
燃料電池と、前記燃料電池に供給されるガスを流通させる供給流路と、前記燃料電池から排出されるガスを流通させる排出流路と、を備える燃料電池システムであって、
前記供給流路及び／又は前記排出流路を流通するガスの組成分析を行う請求項１から３の何れか一項に記載のガス組成分析装置を備える、
燃料電池システム。
【請求項５】
ガスの組成分析を行うガス組成分析方法であって、
分析対象となるガスをサンプリングするサンプリング工程と、
前記サンプリング工程でサンプリングしたサンプルガスの流量をマスフローコントローラで調整する流量調整工程と、
前記流量調整工程で流量を調整したサンプルガスの組成分析を行う組成分析工程と、を備え、さらに、
前記サンプリング工程でサンプリングされ前記マスフローコントローラに導入されるサンプルガスに希釈ガスを供給してサンプルガスを希釈する希釈工程を備える、
ガス組成分析方法。
【請求項１】
ガスの組成分析を行うガス組成分析装置であって、
分析対象となるガスをサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段でサンプリングしたサンプルガスの流量を調整するマスフローコントローラと、
前記マスフローコントローラで流量を調整したサンプルガスの組成分析を行う組成分析手段と、を備え、さらに、
前記サンプリング手段でサンプリングされ前記マスフローコントローラに導入されるサンプルガスに希釈ガスを供給してサンプルガスを希釈する希釈手段を備える、
ガス組成分析装置。
【請求項２】
前記組成分析手段は、分析対象となるガスに含まれる特定成分の濃度を測定するものである、
請求項１に記載のガス組成分析装置。
【請求項３】
前記希釈手段は、希釈ガスの流量を調整する希釈ガス用のマスフローコントローラを有するものである、
請求項１又は２に記載のガス組成分析装置。
【請求項４】
燃料電池と、前記燃料電池に供給されるガスを流通させる供給流路と、前記燃料電池から排出されるガスを流通させる排出流路と、を備える燃料電池システムであって、
前記供給流路及び／又は前記排出流路を流通するガスの組成分析を行う請求項１から３の何れか一項に記載のガス組成分析装置を備える、
燃料電池システム。
【請求項５】
ガスの組成分析を行うガス組成分析方法であって、
分析対象となるガスをサンプリングするサンプリング工程と、
前記サンプリング工程でサンプリングしたサンプルガスの流量をマスフローコントローラで調整する流量調整工程と、
前記流量調整工程で流量を調整したサンプルガスの組成分析を行う組成分析工程と、を備え、さらに、
前記サンプリング工程でサンプリングされ前記マスフローコントローラに導入されるサンプルガスに希釈ガスを供給してサンプルガスを希釈する希釈工程を備える、
ガス組成分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２４３１８０（Ｐ２０１０−２４３１８０Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８８８４７（Ｐ２００９−８８８４７）
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９４２０７６１０）株式会社ベスト測器 (13)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９４２０７６１０）株式会社ベスト測器 (13)
【Ｆターム（参考）】
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