JP2023011020A - 気相媒質の品質を監視するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タンクステーションから放出可能な気相媒質、特に水素の品質を監視するための、気相不純物も確認できる方法及び装置を改良する。
【解決手段】タンクステーションから放出可能な気相媒質、特に水素の品質を前記赤外測定装置４２によって監視するための方法及び装置であり、前記赤外測定装置４２は、気相の媒質がタンクステーションから出て消費機器に達する放出経路に接続されていて、種々異なる波長と圧力の赤外線の透過を測定し、それに基づいて品質に影響する不純物の濃度を計算し、少なくとも設定可能な品質パラメータを超えるとそのことが表示される。
【選択図】図１

Description

本発明は、タンクステーションから放出可能な気相媒質、特に水素の品質を監視するための方法及び装置に関する。

ある特許文献において、高圧下にある水素の粒子負荷を決定するための試験装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この試験装置は、試料室を包含するハウジングを有しており、試料室内には試験フィルターのためのフィルター受容部が設けられており、試験フィルターは試験過程で検査量の水素が貫流でき、試験過程の終了後は粒子の堆積を評価するために試料室から取り出すことができ、さらに試料室内に進入する流れを様々な強さで絞ることを可能にする調節可能な絞り要素がある。

公知の装置で試験過程を開始する際に、最初無圧の試料室を高圧下にある水素の放出源、例えば水素充填用の計量器と接続するが、このとき試験フィルターが有害な圧力衝撃に暴露されないように絞り要素で最初の流れを調節できる。このようにして最初の圧力衝撃によって試験フィルターが破損する危険が回避される一方で、その後の本来の試験過程に対して、充填過程が起きている間、試験フィルターの貫流が試験結果にとって最適な、例えば６０ｇ／ｓｅｃの範囲、即ち自動車の充填過程に適した範囲の流量で起こるようにする絞り効果が減少する恐れがある。

前述のように、そのような装置は主として水素充填システム又はタンクステーションでの使用、具体的に言えば水素を気相燃料として用いるか、又は燃料電池に水素を放出するために用いる自動車用途に利用できる。水素で駆動されるエンジンでは、燃料電池と同様、支障なく運転するために決定的に重要なのは、水素が粒子状異物を全く含んでいないことであり、これはそのような試験装置によって検出可能である。

公知の解決策は、水素流中の粒子状不純物を検出するのに非常によく適している。しかしこのようにして、特に燃料電池の形式による水素駆動に同様に有害な影響を与える可能性のある水素の気相不純物を確認することはできない。

国際公開第２０１３／１３９４６２号

それゆえ、本発明の課題は、この先行技術から出発して、タンクステーションから放出可能な気相媒質、特に水素の品質を監視するための、気相不純物も確認できる方法及び装置を提供することである。上記の課題は、特許請求項１の特徴をその全体において有する方法、並びに特許請求項８の特徴を有する装置によって解決される。

本発明による方法においては、赤外（ＩＲ）測定装置が使用され、赤外測定装置は、気相の媒質、特に水素がタンクステーションから出て消費機器に達する放出経路に接続されていて、種々異なる波長と圧力の赤外線若しくは赤外光の透過を測定し、それに基づいて品質に影響する不純物の濃度を計算し、少なくとも設定可能な品質パラメータを超えるとそのことが表示される。

水素中の気相不純物は、通常は前段階の調製（改質）又はコンプレッサーの障害から発生し、何よりも自動車駆動装置の敏感な燃料電池に障害を引き起こす。したがってＳＡＥＪ２７１９又はＩＳＯ／ＤＩＳ１４６４７－２などの規格は、水素タンクステーションにおける水素の純度要件を定めている。通常の水素の不純物は、水の他に炭化水素である。さらに気相不純物として一酸化炭素及び二酸化炭素が生じる。この他に水素ガス中には不純物としてホルムアルデヒド、ギ酸及びアンモニアもそれぞれ気相で存在する。その他の不純物は酸素、ヘリウム、窒素、アルゴン、ハロゲンの各気体、並びに硫黄ガスからなることがある。上に挙げた全ての水素の気相不純物は水を含めて実験室で確認できるが、化合物が多く限界値が低いために相応の実験室分析を行うことが既に大きな課題であり、複数の測定方法、例えばガスクロマトグラフィーやイオンクロマトグラフィーなど種々異なる方法を必要とする。この実験室測定方法をタンクステーションで水素品質をオンライン測定するためのセンサー装置に転用することは可能ではない。

本発明による解決策で意味する特にクリティカルな気相不純物を最も多くカバーする分析方法は赤外分光法である。赤外分光法では、検出しようとする物質が赤外スペクトルの範囲で光を吸収することを利用する。この吸収はそれぞれ物質特有の波長で行われる。この場合、全ての物質が赤外活性というわけではない。即ち、全ての物質が赤外光を吸収するのではなく、赤外活性物質は一般的に双極子モーメントを持たなければならない。対称分子、例えば上に挙げた酸素、ヘリウム、窒素、アルゴン及びハロゲンは双極子モーメントがないため、本発明による測定方法では検知できない。しかしながら水素中に含まれる上記以外の全ての気相不純物は、現場で本発明による赤外測定装置を使用することにより赤外分光法によって検知でき、水素タンクステーションでは充填過程中にオンラインで検知できる。

本発明による方法は赤外測定装置を使用することにより、タンクステーションにおいて高圧での水素放出にもかかわらずオンラインで実施でき、充填過程は品質測定によって損なわれないことが、特に有利であることが分かった。このようにしてタンクステーションにおいてオンラインで測定記録を作成することができ、これをタンクステーション利用者に放出された水素の純度に対する証明書として手渡して、その自動車の燃料電池運転が充填された水素で引き続き不都合なく行われることを保証する。このような赤外測定方法を実施するために本発明による装置は、耐圧管部材からなる高耐圧赤外キュベットを有しており、管部材には好ましくは金めっきされた内管が赤外導波管として挿入されそこで固定される。好ましくは試料の入口と出口のための遮断可能な接続部が、適当なエミッタ及び適当な検出器を用いて赤外測定過程のために耐圧管部材に水素を供給し、若しくは耐圧管部材から水素を排出する働きをする。次に決定された値は、例えば測定記録を作成するため、又はアラームを発するために制御・計算ユニットに接続でき、制御・計算ユニットは水素の圧力及び／又は温度の値も取り入れて信号処理をオンライン運転で実行できる。

本発明による解決策の別の有利な実施は、その他の従属請求項に記載されている。

以下に本発明による方法を、この方法を実施するための本発明による装置に基づいて詳細に説明する。図面は原理図であり、縮尺通りに表現されていない。

図１は、本発明による測定装置を示す。 図２は、本発明による別の種類の測定装置を示す。 図３は、図１に従う実施形態に対して補足された装置の解決策を示す。 図４は、一酸化炭素に対する赤外スペクトルを示し、横座標に波数が１／ｃｍでプロットされ、立て座標には吸光度Ａがプロットされている。 図５は、二酸化炭素に対する赤外スペクトルを示し、横座標に波数が１／ｃｍでプロットされ、立て座標には吸光度Ａがプロットされている。 図６は、エタンに対する赤外スペクトルを示し、横座標に波数が１／ｃｍでプロットされ、立て座標には吸光度Ａがプロットされている。

図１に従う本発明による装置は、耐圧管部材１２で高耐圧性に形成された赤外キュベット１０を示す。管部材１２の内部には赤外導波管１４があり、これは好適には金めっきされた内管として形成されて管部材１２内に挿入され、そこで図１に示すように固定されている。導波管１４の下方では管状接続部１６が媒質を案内するように管部材１２内に開口し、同様に導波管１４の上方では別の管状接続部１８が開口している。接続部１６は矢印が示すように気相媒質の供給に用いられ、接続部１８はそれによって管部材１２内に導入された気体量の排出に用いられる。検査のためにそれ自体任意の気相媒質を導入及び導出できるが、以下では引き続き専ら、水素タンクステーション（図示されていない）から赤外キュベット１０に試料として非常に高い圧力、例えば７０ＭＰａ（７００バール）の範囲の圧力で供給される水素ガスについて考察する。

管部材１２の対向する自由端には、１対の互いに関連するフランジ部分２０、２２及び２４、２６が隣接している。図１で最上部に配置された第１のフランジ部分２０は、高出力赤外線エミッタ２８を受容するための連行凹部を有する。その下に位置して第２のフランジ部分２２受容部内に受容された赤外透過性高耐圧窓３０がある。窓３０は、正面側に配置されて管部材１２の内部を周囲に対して密封するリングシール３２を備えている。図１にさらに略示されているように、両フランジ部分２０及び２２はボルト接合部３４によりリングシール３２を介在させて互いに圧密に結合されている。窓３０に対する材料として、特に設定可能な波範囲で赤外線を透過するシリコン及びゲルマニウムが用いられる。

管部材１２を下方に閉じるフランジ部分２４はやはり連行凹部を有しており、その中に別の赤外透過性窓３６が嵌め込まれている。窓３６は、正面側で窓３６の上側に配置されたはんだ接合部３８によって、管部材１２の内部を周囲に対して密封する。その下に位置するフランジ部分２６には、当該フランジ部分２６の連行凹部に赤外線検出器４０が嵌め込まれていて、受信した赤外スペクトルを評価するのに用いられる。したがってそれぞれの窓３０、３６の後方の無圧領域には赤外線エミッタ２８若しくは赤外線検出器４０がある。

高耐圧キュベット１０内で気相不純物の体積濃度は圧力に比例して上昇するので、例えば水素の送入圧力が５０ＭＰａ（５００バール）では、測定セル内の赤外吸収は０．１ＭＰａ（１バール）の送入圧力に対して５００倍になる。このように測定効果が数倍になることによって、提示された廉価に実現される堅牢なＩＲ赤外測定技術が可能となる。

したがって図１に示された測定構成又は測定装置は、全体として方法のために設けられた赤外測定装置４２を構成する。

例えば図３の表現が示すように、図１に示す赤外測定装置４２は全測定装置４４の構成要素であり、ガス不純物のオンライン測定のために、例えば水素の放出タンクステーションに僅かな組付け費用で接続できる。水素ガスの供給及び排出を遮断するために、接続部１６、１８には電磁操作可能な２ポート２／２方向切換弁が接続されている。したがって測定装置４４によって水素ガスをタンク放出導管（図示されていない）からオンラインで採取し、測定過程のために方向切換弁４６を閉じた後で外キュベット１０内に評価プロセスのために受容することもできる。

この場合、赤外線エミッタ２８も赤外線検出器４０も相応の電気接続導線４８若しくは５０を介して信号処理電子装置に接続されているが、これは図３ではブラックボックスの方式で制御・計算ユニット５２として再現されている。このような信号処理に相応のセンサーＰ、Ｔを通して、管部材１２の内部によって形成された測定区間内のそれぞれの圧力値若しくは温度値も取り込み、決定された光学的結果の評価に併せて利用できる。信号処理制御・計算ユニット５２の出口側には出力装置５４も接続でき、これは例えばタンクステーションによって放出された水素の品質（不純物の不順度と種類）に関する測定記録を作成し、好ましくは必要な場合にガスの設定可能な品質パラメータを超えたらアラームを発する。

図２に示す実施形態は、上側フランジ部分２０内の連行凹部に赤外線エミッタ２８も赤外線検出器４０も相並んで収容されていることを条件として、図１に示す実施形態による赤外測定装置４２にほぼ対応している。さらに異なるのは、やはりはんだ接合部３８によってここでは赤外線を反射する鏡４６が管部材１２の下端で第３のフランジ部分２４内に受容されている。ボルト接合部３４と比較可能な詳細に図示されていないボルト接合部によって、下側の両フランジ部分２４及び２６も、管部材１２の内部の周囲に対する圧密密封が達成されるように互いに固く結合されている。管部材１２の内部の両矢の表現が示すように、鏡５６に基づきエミッタ２８と検出器４０との間の距離測定区間は図１に示す解決策に対して２倍となり、その限りで図２に示す構成による測定装置４２の測定精度は相応に高くなる。

上述した本発明による解決策は、詳細に図示されていない水素タンクステーションで図３に示す実施例に従う全測定装置４４により水素品質を監視するための方法を実施するのに用いられる。この全測定装置４４は実質的に既述の高耐圧赤外キュベット１０、赤外線エミッタ２８、赤外線検出器４０、並びに少なくとも１つの圧力センサーＰ及び制御・計算ユニット５２からなり、測定装置４４は全体として水素タンクステーションに組み込まれていて、必要な場合は周期的に弁４６によって測定過程のために水素で満たされ、再び空にすることができる。このような赤外測定装置４２、４４によって種々異なる波長と圧力の赤外線若しくは赤外光の透過が測定され、それに基づいて特に水素中の気相不純物の濃度が計算される。決定された測定値が懸念を引き起こす場合は、設定可能な限界値を超えたら電気信号処理装置として構成された制御・計算ユニット５２に接続されている出力装置５４が警報を発することができる。

好ましくは制御・計算ユニット５２は、種々異なる密度で透過測定を実施し、これらを保存し、次にこれらを互いに減算する。密度を決定するために前述したように圧力センサーＰによって圧力測定を行うことができ、さらに圧力測定は温度センサーＴによる温度測定で補完されてよい。

本発明による方法を実施するために、赤外線エミッタ２８として好ましくは広帯域赤外線を放出するホットプレート型エミッタを用いることが特に有利であることが分かった。さらに、赤外線検出器４０は波数範囲１０００～４０００のフィルターを有すマルチチャンネル検出器であると有利である。この場合、有利には赤外線検出器４０はスペクトロメーターである。図２の表現に従い、エミッタ２８と検出器４０が管部材１２の同じ側、即ち上側フランジ部分２０内にある限り、このような部材２８及び４０のために唯一の共通電子装置のみ必要とする。

以下になお詳細に説明するように、若干の不純物で検出された赤外活性帯の分布を、それぞれの不純物の種類の波数に関してプロットして示す。そうすると１０００前後の波数ではアンモニアガスが不純物として見出され、２０００台の波数の範囲ではギ酸、水、一酸化炭素及び二酸化炭素が不純物として見出される。３０００前後の波数ではホルムアルデヒドと炭化水素、４０００に近い波数では再び水である。既に説明したように、関連のある測定範囲は１０００～４０００波数、即ち赤外線の波長で２．５μｍ～１０μｍである。それゆえ吸光帯の位置から、前述のように物質そのものを特定することができ、赤外線が水素試料を透過する際の減衰からランベルト・ベールの法則に基づき次式によって濃度が生じる。
Ａ＝ｌｇ（Ｉ₀／Ｉ₁）＝ｌｇ（１／Ｔ）＝ε（λ）・ｃ・ｄ
この式において、
Ａ 吸光度
Ｉ₀ 入射光の強度［Ｗ／ｍ²］
Ｉ₁ 減衰光の強度［Ｗ／ｍ²］
Ｔ＝Ｉ₀／Ｉ₁透過度
ε（λ） （十進法による）分子吸光係数［ｍ²／ｍｏｌ］
ｃ 濃度［ｍｏｌ／Ｌ］
ｄ 光線が試料を通過する距離［ｍ］

それゆえ吸光の波長依存性は、ランベルト・ベールの法則において分子吸光係数の波長依存性に再び見出される。

ランベルト・ベールの法則から低い濃度を測定するための標準法が明らかである。濃度が低い場合は試料を通る赤外光線の距離ｄが拡大される。これはキュベット１０の形をした測定セルを長くすることによって、又は図２に示す表現に従い鏡５６を備える鏡装置によりキュベット１０を複数回透光することによって行うことができる。しかしながら、ここで述べた応用にとって、距離ｄを長くすることには実用上の限界があり、図１及び図２に従い測定区間として形成された管部材１２を好ましくは５００ｍｍの長さで作製すると有利であることが分かったが、１００ｍｍ～１５００ｍｍの長さも全く可能である。さらに管部材１０の直径は、好ましくは３～１５ｍｍ、特に好適には５ｍｍである。

この他に、上記のランベルト・ベールの式の右辺でもう１つの影響可能な要因をなす濃度ｃを考察しなければならない。ｃは前述のように、検出しようとする物質の赤外キュベット１０内における濃度をｍｏｌ／Ｌで表す。このｃの大きさは、圧力を高めることによって簡単に著しく拡大できるが、このことは水素タンクステーションの場合には特に有利である。なぜならここでは分析すべきガスは既に非常に高い圧力、例えば７０ＭＰａ（７００バール）～８０ＭＰａ（８００バール）のオーダーにあるからである。図４～図６に示す赤外スペクトルから、７０ＭＰａ（７００バール）という非常に高い圧力では直ちに、０．１ＭＰａ（１バール）（破線で示す測定線）では見られなかった顕著な測定像（実線で示す測定線）が現れることが明らかとなる。

図４において炭酸ガスについて濃度１００ｐｐｍ、圧力０．１ＭＰａ（１バール）絶対及び距離１０ｍで測定されたＩＲスペクトルの吸光度約０．０６は、波数２２００ではなおも強度の約８７％が透過されることを意味する。しかしながら規格ＳＡＥＪ２７１９で一酸化炭素に対して定められた限界値は０．２ｐｐｍ、即ち図４に示された測定値の濃度の５００分の１に過ぎない。この濃度では吸光度は０．０００１２、透過率は９９．９７％である。この僅かな透過率の変化は実験室装置で検出するのは極めて困難であろう。図４に実線で示された測定線の表現に従い圧力を７０ＭＰａ（７００バール）に高めると、吸光度も係数７００だけ上昇する。赤外キュベット１０のための管部材１２の長さ構成により距離ｄを約１０ｍから５００ｃｍに縮小すると、吸光度は再び係数２０だけ減少し、０．００４２の値に達する。しかしながらこの値はまたもや透過率９９．０３％に相当する。このほぼ１％の減衰は、標準光学コンポーネントでも十分検出可能である。水、炭化水素、二酸化炭素（図５参照）、ホルムアルデヒド、ギ酸、アンモニア及びエタン（図６参照）について同様の評価をすると上記の考察が確証されて、決定的な要因は、タンクステーションでの水素の放出圧力によって引き起こされる高耐圧ＩＲキュベット１０内における濃度の上昇であることが示される。

最後に図４～図６が示すように、図１～図３に従う上述した本発明による装置によって、高圧の水素ガスで難なく気相不純物、例えば一酸化炭素（図４）、二酸化炭素（図５）又はエタン（図６）を確実に検出することができ、設定可能な限界値を超えると水素充填過程を有利に中断できる。

Claims (11)

1. タンクステーションから放出可能な気相媒質、特に水素の品質を赤外測定装置（４２）によって監視するための方法であって、
   前記赤外測定装置（４２）は、気相の媒質がタンクステーションから出て消費機器に達する放出経路に接続されていて、種々異なる波長と圧力の赤外線の透過を測定し、それに基づいて品質に影響する不純物の濃度を計算し、少なくとも設定可能な品質パラメータを超えるとそのことが表示されるようにし、
   前記放出経路に対するバイパス内で弁装置（４６）により試料が次々と採取されて不純物に関してチェックされ、前記タンクステーションから接続された前記消費機器への気相媒質の同時放出が中断されないように、前記赤外測定装置（４２）が接続されている、方法。
2. 前記赤外測定装置（４２）によって双極子モーメントに基づき赤外活性である不純物が検出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記赤外測定装置（４２）は、赤外分光法を用いて試料の吸光帯の位置から不純物の種類を決定し、赤外線が試料を透過する際に赤外線が減衰することにも基づいてそれぞれの不純物の濃度を決定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 試料中のそれぞれの不純物の濃度を決定するためにランベルト・ベールの法則を用いることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記赤外測定装置（４２）によって試料分析を、５０ＭＰａ（５００バール）を超える非常に高い圧力で行うことを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記圧力は７０ＭＰａ（７００バール）であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記赤外測定装置（４２）の制御・計算ユニット（５２）は、密度が種々異なるそれぞれの試料における透過測定を一時保存して、測定値の決定のために互いに減算すること、及び試料密度を決定するために圧力測定を行うことを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 試料密度を決定するために試料の温度測定を行うことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置であって、前記装置は、赤外測定装置からなり、少なくとも次のコンポーネント、即ち、
   高耐圧赤外キュベット（１０）、
   赤外線エミッタ（２８）、
   赤外線検出器（４０）、
   圧力センサー（Ｐ）、及び、
   制御・計算ユニット（５２）を有することを特徴とする装置。
10. 前記高耐圧赤外キュベット（１０）は、少なくとも次のコンポーネント、即ち、
    耐圧管部材（１２）、
    試料の入口と出口のための接続部（１６；１８）、及び、
    管部材（１２）の内部の赤外導波管（１４）を有することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 高耐圧赤外キュベット（１０）の管端にある少なくとも１つのフランジ部分（２２；２４）は、耐圧赤外線透過窓（３０）及び／又は赤外線反射鏡（５６）を有することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の装置。

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