JP4068928B2

JP4068928B2 - セクタ型質量分析計

Info

Publication number: JP4068928B2
Application number: JP2002271260A
Authority: JP
Inventors: 正之足立; 茂中谷
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2022-09-18
Also published as: JP2004108915A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、セクタ型質量分析計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００２−２３６１０９号公報
近年、燃料電池の開発に伴い、この燃料電池に燃料ガスとしての水素を供給する改質器、例えば、メタノール改質器、ガソリン改質器、メタン改質器などの開発が進められている。そして、このような改質器で生成されるガス中の水素濃度の測定にセクタ型質量分析計が用いることが試みられている。
【０００３】
図２は、前記セクタ型質量分析計の測定原理を概略的に示すもので、高真空に保たれた分析部に導入されたサンプルガス分子は、電子衝撃によって一部がイオン化され、セクタ型磁場２１に導かれる。水素イオンのように電荷を持った粒子は、セクタ型磁場２１内を移動するとローレンツ力を受ける。このローレンツ力は、各イオンの質量と電荷量に依存するため、セクタ型磁場２１を飛行する荷電粒子の進行方向はイオン種によって異なる。言い換えれば、イオンの出射方向がイオンの質量および電荷量に応じて振り分けられることになる。そこで、質量数２のイオンの出射位置にスリット２２を設け、このスリット２２の後段にイオンコレクタを設けることにより、水素分子イオンだけを選択的に検出することができ、前記イオンコレクタによってパルスカウントすることにより、単位時間当たりの水素イオン数が分析値として得られ、分析部に導入されるガス流量とから、サンプルガス中の水素濃度が算出される。
【０００４】
上述のように、セクタ型質量分析計は機構がシンプルであり、耐久性に優れており、低価格であるとともに、例えば水素やヘリウムなどのように質量数が比較的小さい元素の測定に好適であるところから、近年、ガス中の水素の濃度測定に用いられるようになっている。
【０００５】
図３は、前記セクタ型質量分析計を用いた水素濃度測定装置の構成を概略的に示すもので、この図において、３１は改質器（例えばメタノール改質器）で、その下流側のガス流路３２に水素ガスを主として含むガスが流れるが、このガス流路３２にはフィルタ３３および吸引ポンプ３４が介装され、吸引ポンプ３４の下流側の流路３２の点３５に、流量調整用のキャピラリ３６を備えたガス導入路３７が接続され、キャピラリ３６の下流側はセクタ型質量分析計３８に接続されている。なお、ガス流路３２の接続点３５の下流側は、図示していない燃料電池に接続されている。
【０００６】
上記構成の水素濃度測定装置においては、キャピラリ３６を挟んで一定の差圧状態で、このキャピラリ３６を通してサンプルガスが微量流れてセクタ型質量分析計３８に送られ、水素濃度の定量分析が行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記セクタ型質量分析計を用いた水素濃度測定装置においては、セクタ型質量分析計３８によって検出される水素濃度は、改質器３１において生成される水素量に応じて変動するが、セクタ型質量分析計３８内の真空度、水素のイオン化効率の変動、ガス導入路３７における詰まり、ガス導入路３７およびセクタ型質量分析計３８全体の雰囲気温度の変化などの各種の要因（以下、バックグラウンド要因という）に基づく感度の変動によっても変動する。
【０００８】
しかしながら、従来のセクタ型質量分析計においては、水素の濃度のみを検出する構造であったため、水素の濃度を連続的に検出することはできても、その水素濃度が、改質器３１における水素生成量の増減に起因するものであるか、前記バックグラウンド要因に基づく感度変化に起因するものであるかの判別が困難であった。
【０００９】
ところで、前記改質器３１から出力されるガスには、水素のみならず、窒素や酸素などのベースガスが含まれており、このベースガスの濃度は常にほぼ一定である。つまり、このようなベースガスの濃度をモニターすることにより、セクタ型質量分析計の感度変化を検出することができる。
【００１０】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、感度変化の補正を巧みに行うことにより、所望の測定対象成分の濃度を精度よく測定することのできるセクタ型質量分析計を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明のセクタ型質量分析計は、生成される量に応じて変動する濃度の測定対象ガス成分及び常にほぼ一定濃度のベースガス成分が含まれているサンプルガスで、流量調整手段を有するサンプルガス導入路の下流端から分岐されている二つの流路のうち一方の流路に流れる大半のガスより分岐されて他方の流路に流れるガスの分子をイオン化するイオン化部と、そのイオン化されたガス分子に対して所定の磁力を付与することにより前記測定対象ガス成分分子及び前記ベースガス成分分子をそれぞれのイオン質量及び電荷量に応じて規定される方向に振り分けるセクタ型磁場と、このセクタ型磁場の後段に設けられて前記測定対象ガス成分の分子イオン及び前記ベースガス成分の分子イオンをそれぞれ検出する二つのイオン検出器と、これら二つのイオン検出器により検出された各分子イオンに基づいてサンプルガス中の測定対象ガス成分及びベースガス成分の濃度を算出する演算制御部とを備え、かつ、算出されたベースガス成分の濃度が所定の範囲を超えて変動しているか否かを判断し、所定の範囲を超えて変動していると判断した場合、前記サンプルガスの生成量の変動以外の要因が生じていると判断して、ベースガス成分の濃度の変動分に基づいて測定対象ガス成分の濃度補正を行う手段を有していることを特徴としている。
【００１２】
【００１３】
上記構成のセクタ型質量分析計においては、例えば、サンプルガス中の水素濃度を測定する場合、前記サンプルガス中にベースガスとして含まれ、濃度変化がほとんどない窒素を、感度を代表しうる参照成分として前記水素の濃度と同時に測定し、前記窒素濃度が所定の範囲内において変動している場合、バックグラウンド要因が生じていないと判断して、前記水素濃度をそのまま採用する。そして、前記窒素濃度が所定の範囲を超えて変動している場合には、なんらかのバックグラウンド要因が生じていると判断し、前記窒素濃度の変動分に基づいて前記水素濃度を補正する。これにより、セクタ型質量分析計の感度変化の補正を巧みに行うことができ、測定対象成分である水素の濃度を精度よく測定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１は、この発明のセクタ型質量分析計の構成の一例を概略的に示すもので、この図において、１はサンプルガス導入路で、その一端側は、例えばメタノールを主原料として水素を生成するメタノール改質器（図示していない）に接続されている。したがって、このサンプルガス導入路１には、窒素や酸素などのベースガスに水素が混入したガス（サンプルガス）Ｓが流れる。このサンプルガス導入路１には、流量調整手段用としてのキャピラリ２が設けられ、その下流端は二つの流路３，４に分岐している。一方の流路３には高真空用ポンプとしてのターボ分子ポンプ５と荒引き用ポンプとしてのロータリポンプ６がこの順で直列に介装され、ロータリポンプ６の下流側は、例えば燃料電池（図示していない）に接続されている。また、他方の流路４の下流側にはセクタ型質量分析計の分析部７が設けられている。
【００１５】
上記構成においては、ターボ分子ポンプ５およびロータリポンプ６の作用によりサンプルガス導入路１を流れるサンプルガスＳの大半は、燃料電池側の流路３にオーバーフローされ、分析部７側の流路４にはごく僅かしか流れない。
【００１６】
そして、前記分析部７は、次のように構成されている。すなわち、８はフィラメントよりなるイオン化部で、流路４を経て導入されるサンプルガスＳに含まれるガスの分子を電子衝撃によってイオン化するもので、この実施の形態においては、測定対象ガス成分である水素や、ベースガス成分としての窒素や酸素がイオン化される。９は前記イオン化された各ガス分子に一定の電荷を付与する電極で、１０ａ，１０ｂはスリット、１１は飛行空間である。１２は飛行空間１１の下流側にスリット１０ｃを介して設けられるセクタ型磁場で、その後段には、イオン検出部１３が設けられている。
【００１７】
前記イオン検出部１３は、この実施の形態においては、二つのイオン検出器としてのイオンコレクタ１３ａ，１３ｂからなり、一方のイオンコレクタ１３ａは測定対象ガス成分である水素の検出用であり、他方のイオンコレクタ１３ａはベースガス成分である窒素の検出用であり、互いに並列かつ独立して設けられている。この場合、イオンの出射方向がイオンの質量および電荷量に応じて振り分けられるので、質量数２の水素分子イオン１５の出射位置および質量数１４の窒素分子イオン１６の出射位置にそれぞれスリット１４ａ，１４ｂを設け、これらのスリット１４ａ，１４ｂの後段にそれぞれイオンコレクタ１３ａ，１３ｂを互いに並列かつ独立して設けることにより、水素分子イオン１５および窒素分子イオン１６をそれぞれ選択的に検出することができ、イオンコレクタ１３ａ，１３ｂによってパルスカウントすることにより、単位時間当たりの水素イオン数および窒素イオン数が分析値として得られ、分析部７に導入されるサンプルガス流量とから、サンプルガスＳ中の水素濃度および窒素濃度が算出される。これらの演算は、例えば、セクタ型質量分析計全体を制御する演算制御部（図示していない）において行われる。
【００１８】
上記構成のセクタ型質量分析計においては、サンプルガスＳ中の測定対象ガス成分である水素濃度を測定するに際して、水素濃度のみならず、サンプルガスＳ中にベースガス成分として含まれる窒素の濃度が測定される。そして、窒素濃度が所定の範囲内において変動している場合、分析部７内の真空度、水素のイオン化効率の変動、ガス導入路２における詰まり、ガス導入路２および分析部７全体の雰囲気温度の変化などの各種の要因、すなわち、バックグラウンド要因が生じていないと判断して、前記水素濃度をそのまま採用する。そして、前記窒素濃度が所定の範囲を超えて変動している場合には、なんらかのバックグラウンド要因が生じていると判断し、前記窒素濃度の変動分に基づいて前記水素濃度を補正する。これにより、セクタ型質量分析計の感度変化の補正を巧みに行うことができ、測定対象成分である水素の濃度を精度よく測定することができる。
【００１９】
上述の実施の形態においては、ベースガス成分として窒素の濃度を測定していたが、酸素濃度を測定してもよい。すなわち、サンプルガスＳ中にほぼ一定濃度で含まれるベースガスを参照成分として用いることができる。また、測定対象ガス成分は、水素に限られるものではなく、ヘリウムなど他の軽元素であってもよい。さらに、上記実施の形態では、サンプルガス導入路１はメタノール改質器に接続されていたが、この発明は燃料電池システムに限られるものではなく、広く他のシステムにも適用することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のセクタ型質量分析計によれば、感度変化の補正を巧みに行うことができ、所望の測定対象ガス成分の濃度を精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のセクタ型質量分析計の構成の一例を概略的に示す図である。
【図２】セクタ型質量分析計の測定原理を説明するための図である。
【図３】従来技術を説明するための図である。
【符号の説明】
２…キャピラリ（流量調整手段）、３，４…分岐流路、８…イオン化部、１２…セクタ型磁場、１３ａ…測定対象ガス成分用イオン検出器、１３ｂ…ベースガス成分用イオン検出器。

Claims

生成される量に応じて変動する濃度の測定対象ガス成分及び常にほぼ一定濃度のベースガス成分が含まれているサンプルガスで、流量調整手段を有するサンプルガス導入路の下流端から分岐されている二つの流路のうち一方の流路に流れる大半のガスより分岐されて他方の流路に流れるガスの分子をイオン化するイオン化部と、そのイオン化されたガス分子に対して所定の磁力を付与することにより前記測定対象ガス成分分子及び前記ベースガス成分分子をそれぞれのイオン質量及び電荷量に応じて規定される方向に振り分けるセクタ型磁場と、このセクタ型磁場の後段に設けられて前記測定対象ガス成分の分子イオン及び前記ベースガス成分の分子イオンをそれぞれ検出する二つのイオン検出器と、これら二つのイオン検出器により検出された各分子イオンに基づいてサンプルガス中の測定対象ガス成分及びベースガス成分の濃度を算出する演算制御部とを備え、かつ、算出されたベースガス成分の濃度が所定の範囲を超えて変動しているか否かを判断し、所定の範囲を超えて変動していると判断した場合、前記サンプルガスの生成量の変動以外の要因が生じていると判断して、ベースガス成分の濃度の変動分に基づいて測定対象ガス成分の濃度補正を行う手段を有していることを特徴とするセクタ型質量分析計。