世界初、小型センサーで3種以上の混合ガス濃度の高速測定が実環境で可能に

脱炭素社会実現の加速、CO₂の資源化を目指して

資源活用を目指したCO₂の変換技術と、温室効果ガス排出量をCO₂で示すCFPの導入が世界中で進んでいる。CO₂を高効率に資源化、あるいは温室効果ガスの濃度を正確に把握するには、混合ガスにおける各成分や濃度をリアルタイムで正しく測定する必要がある。

ガス濃度の測定には主にGCが用いられるが、測定に時間を要しリアルタイムにモニタリングすることは困難なのが現状だ。またGCはサイズが大きく、分析のために、測定対象を運ぶガスが必要であるため、再生可能エネルギーの電力を利用してCO₂を分解、化学品などに再生する「パワー・ツー・ケミカルズ（Power to Chemicals：P2C）」やCO₂とH₂から天然ガスの主成分であるメタンを合成するメタネーション技術を行う設備への導入はハードルが高くなっていた。

ガス濃度分析装置GCのイメージ

（C）迷子のしろ / PIXTA（ピクスタ）

また小型のガスセンサーには、酸化物半導体型、接触燃焼型、熱伝導型の3種類があり、被毒性の高いガスには熱伝導型が最も耐性が高く重宝する。

しかし3種類以上のガスが含まれている場合、どのガスによって熱が奪われたのか判定できず濃度を算出できないという課題が残っていた。

独自のMEMS技術で小型・高速化を実現

今回の開発では、東芝は感度の異なる複数の熱伝導型ガスセンサーを採用し、センサーごとの検出値をアルゴリズム処理して各ガス濃度の測定値として出力。

これによりどのガスが熱を奪っているかを判定する技術を実現した。

開発された小型センシングモジュール

画像提供：株式会社東芝

さらに、センサーやミラーデバイスなど高機能化が必要不可欠なデバイスに用いる微小電気機械システム（MEMS＝Micro Electro Mechanical Systems）技術を独自開発し小型化、高速化を実現。

熱伝導型ガスセンサーの数を増やすことで、測定するガスの種類を増やすことも可能となった。

東芝独自のMEMS技術を用いた熱伝導型ガスセンサーの模式図と動作原理

画像提供：株式会社東芝

また本技術は、ガスの付着に起因するガスセンサーの被毒がないため、ガスセンサーの高寿命化が期待されている。

実環境にてCO₂、H₂、COの3種類の混合ガスから、それぞれのガス濃度を同時に測定する実験を行った結果、本技術は測定時間が1.7秒と、これまでの測定時間5分と比較して150倍以上の速さでそれぞれ測定できることを実証した。

実環境においてリアルタイムで3種類以上のガス濃度を同時測定できたのは、世界初の快挙となる。

従来技術との測定時間と、センサーのサイズの比較

資料提供：株式会社東芝

小型センシング技術の実用化により、「CO₂資源化技術」がより効率的に進み、信頼性の高いCFPのデータ取得が可能になることで、カーボンニュートラル社会の早期実現を期待したい。