(57)【要約】【課題】超音波式ガス濃度計を用いて、水蒸気，水素，窒素からなる３成分混合ガス中の水素濃度（窒素濃度）を精度良く測定する。【解決手段】音波測定管１の上流側に内径の大きな拡径部９を形成し、該拡径部９の底部に水を溜め、この溜められた水分が蒸発して、音速測定部が飽和水蒸気状態に維持されるようにする。そして、被測定ガスが飽和水蒸気状態であると見なして、水蒸気濃度を、温度測定器３０で測定される温度及び圧力計５２で測定される圧力から演算し、水素濃度（窒素濃度）を、超音波送受信器４ａ，４ｂを用いて測定される音速Ｃに基づいて求める。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を含む３成分混合ガス中における音速を測定する音速測定手段と、
該音速測定手段における測定部を加湿する加湿手段と、
前記測定部における温度及び圧力を測定する温度・圧力測定手段と、
前記３成分混合ガス中の水蒸気を飽和水蒸気として前記温度及び圧力に基づいて水蒸気濃度を演算し、水蒸気以外の成分濃度を前記音速測定手段で測定される音速に基づいて演算する演算手段と、を含んで構成されることを特徴とするガス濃度計測装置。
【請求項２】
前記音速測定手段が、超音波の伝播時間を測定することで音速を測定する構成であることを特徴とする請求項１記載のガス濃度計測装置。
【請求項３】
前記３成分混合ガスが、水素，水蒸気，窒素からなる混合ガスであることを特徴とする請求項１又は２記載のガス濃度計測装置。
【請求項４】
前記加湿手段が、前記音速測定手段の測定部及び／又は測定部の上流側に設けられる水溜まり部を含んで構成され、前記水溜まり部に溜められた水分の蒸発によって前記測定部を加湿することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス濃度計測装置。
【請求項５】
前記水溜まり部が、前記３成分混合ガスの配管の径を一部で大きくして設けられることを特徴とする請求項４記載のガス濃度計測装置。
【請求項６】
前記水溜まり部が、前記３成分混合ガスの配管の一部を下方に偏心させることで設けられることを特徴とする請求項４記載のガス濃度計測装置。
【請求項７】
前記水溜まり部が、前記３成分混合ガスの配管の底部に形成した凹状の溝によって形成されることを特徴とする請求項４記載のガス濃度計測装置。
【請求項８】
前記加湿手段が、前記水溜まり部と共に、該水溜まり部に水を補給する水補給手段を含んで構成されることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１つに記載のガス濃度計測装置。
【請求項９】
前記水補給手段が、前記音速測定手段の測定部の下流側で３成分混合ガス中の水蒸気を凝縮させる凝縮器を含んで構成され、該凝縮器で凝縮された水を前記水溜まり部に供給することを特徴とする請求項８記載のガス濃度計測装置。
【請求項１０】
前記凝縮器で凝縮された水を溜める取水受けと、該取水受けと前記水溜まり部とを連通させる配水管とを設け、前記配水管を介して凝縮器で凝縮された水を前記水溜まり部に供給することを特徴とするガス濃度計測装置。
【請求項１１】
前記加湿手段が、前記水溜まり部と共に、該水溜まり部の水を吸水し、かつ、前記３成分混合ガスを通過させる気化フィルタを含んで構成されることを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１つに記載のガス濃度計測装置。
【請求項１２】
前記気化フィルタが、吸水性を有する材料によりメッシュ状に形成されることを特徴とする請求項１１記載のガス濃度計測装置。
【請求項１３】
前記音速測定手段，加湿手段及び温度・圧力測定手段が、燃料電池のアノード側還流路に設けられることを特徴とすると請求項１〜１２のいずれか１つに記載のガス濃度計測装置。
【請求項１４】
水蒸気を含む３成分混合ガスを飽和水蒸気状態に加湿し、
該飽和水蒸気状態の３成分混合ガスの温度及び圧力から水蒸気濃度を演算し、前記３成分混合ガス中における音速と前記水蒸気濃度とに基づいて水蒸気以外の成分濃度を演算することを特徴とするガス濃度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気を含む３成分混合ガスを被測定ガスとするガス濃度計測装置及び方法に関し、詳しくは、純水素燃料電池の還流ガス経路における窒素ガス濃度の計測に好適なガス濃度計測装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
純水素燃料ガスを使用する燃料電池においては、水素と水蒸気と窒素の３成分混合ガス系になるアノード側の還流路における水素の供給制御・窒素の排出制御のために、水素濃度，窒素濃度を測定することが要求される。
【０００３】
上記のような混合ガスにおける成分濃度を測定する装置・方法としては、従来、特許文献１〜４に開示されるものがあった。
特許文献１には、平均比熱比γを一定値扱いにして、ガス温度Ｔ及び音速Ｃ（超音波伝播速度）を測定することにより、ガスの平均分子量Ｍを求めて、この平均分子量Ｍから２成分混合ガスの成分濃度を各々求める方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、特許文献１のものと同様に、音速を求める関係式を利用して２成分ガス系の組成分析を行う一方、平均比熱比γと平均分子量Ｍをモル分率ｘの関数とし、該モル分率ｘを求めることによって２成分混合ガスの成分濃度を各々求める方法が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、メタンガス中に混合されている窒素ガスの含有率と音速との関係指標を予め求めておき、音速の測定結果を前記関係指標に当て嵌めることで、窒素ガスの含有率を求める方法が開示されている。
【０００６】
更に、特許文献４には、水素と水蒸気と窒素の３成分混合ガスを被測定ガスとする構成において、水蒸気を一定濃度にして、実質、水素と窒素の２成分混合ガスとして、水素濃度と音速の関係指標を用いる構成の開示がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２５７８０１号公報
【特許文献２】
特開平１０−０７３５７４号公報
【特許文献３】
特開２０００−３３８０９３号公報
【特許文献４】
特開２０００−３０４７３２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、音速を求める関係式を用いてガス濃度を求める従来方法は、いずれも２成分混合ガスへの適用が基本であり、３成分混合ガスに対して適用する場合には、１成分を既知に設定して２成分系化する方法を採るか、或いは、ガス分子量の観点で特筆するほどに軽い水素とその他の重いガスに２分して擬似的に２成分系化して、軽い水素ガス濃度を求める便宜的な方法を採るなど、適用が限定されており、それぞれの成分濃度が未知である３成分混合ガスに対して適用した例はなかった。
【０００９】
このため、超音波式ガス濃度計を前述の燃料電池アノード側還流系における水素と水蒸気と窒素の３成分混合ガスに適用して、窒素濃度を検出することは困難であり、また、水素濃度を求める際でも、他の成分である水蒸気と窒素の比率が未知であると音速の値が一義的には定まらないことから、精度良く水素濃度を求めることができないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、２成分混合ガスに適用される超音波式ガス濃度計を基本にしつつ、水蒸気を含む３成分混合ガス中の特定ガス成分濃度を精度良くかつ廉価に求めることができるガス濃度計測装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明に係るガス濃度計測装置及び方法では、水蒸気を含む３成分混合ガス中の音速を測定する測定部を加湿することで、３成分混合ガス中の水蒸気を飽和水蒸気状態にして、測定部における温度及び圧力から水蒸気濃度が演算できるようにし、残る２成分の混合比率を音速から演算する構成とした。
【００１２】
【発明の効果】
上記構成によると、水蒸気を含む３成分混合ガスのうち、水蒸気分を飽和水蒸気として扱えるようにしたことで、他の特定ガス濃度を、音速を求める関係式を用いて精度良く求めることができるという効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、ガス濃度計測装置の第１実施形態を示す。
【００１４】
図１において、測定管１は、軸を略水平（Ｘ−Ｙ平面）として設置される。
前記測定管１の上流端には、フランジ８ａが形成され、該フランジ８ａに対して配管１１に形成されたフランジ１２を、結合器具３１を用いて結合させることで、測定管１と配管１１とが接続される。
【００１５】
また、図示省略したが、測定管１の下流端に形成されるフランジ８ｂにも、同様にして配管が接続される。
これにより、前記測定管１は、被測定ガスを流す配管途中に介装され、測定管１の上流のガス取入口２から、測定管１内に被測定ガスが導入され、測定管１の下流のガス排出口３から排出される。
【００１６】
前記配管１１は、純水素燃料ガスを使用する燃料電池においてアノード側の還流路を構成するものであり、該配管経路内を水素と水蒸気と窒素の３成分混合ガスが流れる。
【００１７】
前記測定管１内には、管の軸に対して斜めに交差する方向を軸とし、流路を挟んで対向する一対の格納スペース５ａ，５ｂが形成されており、該格納スペース５ａ，５ｂには、超音波送受信器４ａ，４ｂが設置される。
【００１８】
即ち、超音波送受信器４ａ，４ｂの間で送受信される超音波の伝播経路６は、３成分混合ガスの流れ（図中矢印）を斜めに横断することになる。
ここで、超音波送受信器４ａ，４ｂの間の距離をＬ、３成分混合ガスの流速をＶ、音速をＣ、超音波送受信器４ａ，４ｂのジオメトリをθとすると、前記超音波送受信器４ａ，４ｂ間を超音波が交互に伝播する時間ｔ１，ｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ・ｃｏｓθ）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ・ｃｏｓθ）
となり、前記伝播時間ｔ１，ｔ２を測定することで、音速Ｃは、次式から求められる。
【００１９】
Ｃ＝０．５Ｌ（１／ｔ１＋１／ｔ２）
前記超音波送受信器４ａ，４ｂにおける超音波の送信を制御し、受信信号を入力する計測ユニット５１が設けられており、マイクロコンピュータを内蔵する前記計測ユニット５１が、前記伝播時間ｔ１，ｔ２の計測及び音速Ｃの算出を行う。
また、前記測定管１の上流側には、内径を他の部分よりも大きくした拡径部９が形成されており、測定管１を流れる加湿ガスの液分若しくは結露水が、前記拡径部９の底側（水溜まり部）に溜められるようになっている。
【００２０】
ここで、フランジ８ａ，１２及び結合器具３１が放熱機能を発揮することから、係る放熱部に近い管内壁は結露し易い状況となり、結露した水分は、前記拡径部９に溜められることになる。
【００２１】
尚、前記拡径部９の底側に溜められる水位１０の最大は、図１（ｂ）に点線で示すように、隣接する内径の小さい部分の下端と一致する水位となる。
前記拡径部９の底側に溜められた水分が蒸発することで、超音波送受信器４ａ，４ｂが対向配置される音波測定部が飽和水蒸気状態に維持される。
【００２２】
即ち、前記水溜まり部を形成する前記拡径部９が、本実施形態における加湿手段を構成する。
一方、前記音波測定部の上方には、温度測定器３０が設置されている。
【００２３】
前述のように、音波測定部は飽和水蒸気状態に維持されるから、前記計測ユニット５１は、前記温度測定器３０で測定された温度に基づいて飽和水蒸気圧Ｐｗを算出する。
【００２４】
更に、前記配管１１に設置され、被測定ガスの圧力を検出する圧力計５２の検出信号が、前記計測ユニット５１に入力され、前記計測ユニット５１は、前記飽和水蒸気圧Ｐｗと圧力とから、水蒸気分圧、即ち、水蒸気濃度を演算する。
【００２５】
本実施形態において、前記被測定ガスは、水素と水蒸気と窒素の３成分混合ガスであるから、上記のようにして水蒸気濃度が求まれば、混合ガスは残る成分である水素と窒素の２成分に簡素化されることになり、２成分化されれば、前記音速Ｃを基にして、２成分の濃度を求めることができる。
【００２６】
即ち、３成分混合ガスのうちの水蒸気濃度が分かっていれば、残る２成分は水素，窒素に限定されるから、２成分の一方の濃度は同時に他方の濃度を示すことになり、水蒸気濃度毎に水素濃度（又は窒素濃度）と音速Ｃとの相関が決まるから、音速Ｃから水素濃度（窒素濃度）を求めることができる。
【００２７】
但し、水蒸気濃度の算出結果を基に、音速Ｃから水蒸気濃度（窒素濃度）を求める方法は、数値解析を行う方法、及び、検量データを用いる方法のいずれであっても良い。
【００２８】
このように、拡径部９を設けてその底側に水分を溜め、該水分の蒸発により被測定ガスを飽和水蒸気状態に維持するようにしたので、温度及び圧力から水蒸気濃度を求めることが可能となり、水蒸気濃度が求められることで、３成分混合ガスが２成分化され、音速Ｃから水蒸気濃度（窒素濃度）を精度良く測定することができる。
【００２９】
また、濃度検出のために超音波伝播時間を計測することで、同時に流量測定も可能で、混合ガス系の特定ガス成分の質量流量を求めることができる。
このようにして、水素及び／又は窒素の濃度又は質量流量を検出することにより、燃料電池への水素供給量，窒素蓄積量，水蒸気量をリアルタイムに把握することができる。
【００３０】
更に、上記のように、拡径部９を設けて水分を溜め、被測定ガスを飽和水蒸気状態に維持する構成であれば、廉価に飽和水蒸気状態に加湿することができる。ところで、上記実施形態では、測定管１に拡径部９を形成することで、水溜まり部を設けたが、水溜まり部は種々の方法で設けることができ、以下に、その例を示す。
【００３１】
尚、以下に示す実施形態は、水溜まり部を含む加湿手段が異なる実施形態であり、温度・圧力に基づく水蒸気濃度の検出、及び、音速Ｃに基づく水蒸気濃度（窒素濃度）の測定は、上記第１の実施形態と同様にして行われるものとする。
【００３２】
図２は、第２の実施形態を示すものである。
図２に示す第２の実施形態においても、測定管１の上流端に形成されたフランジ８ａに対して、配管１１に形成されたフランジ１２を、結合器具３１を用いて結合させることで、測定管１上流側に配管１１が接続される。
【００３３】
また、測定管１の下流端に形成されたフランジ８ｂに対して、配管２１に形成されたフランジ２２を、結合器具３２を用いて結合させることで、測定管１下流側に配管２１が接続される。
【００３４】
ここで、測定管１の内径Ｄを、配管１１，２１の内径Ｄ１，Ｄ２よりも大きくすることで、測定管１内の底部全域が水溜まり部として機能し、該水溜まり部に溜められた水分が蒸発することで、音波測定部が飽和水蒸気状態に維持されるようにしてある。
【００３５】
係る構成であれば、測定管１の内部に特別な加工を施すことなく水溜まり部を形成して、飽和水蒸気状態に維持するための加湿手段を構成させることができるから、より廉価な構成とすることができる。
【００３６】
図３は、第３の実施形態を示すものである。
本実施形態では、図２に示した第２の実施形態と同様に、測定管１の上流側・下流側に配管１１，２１が接続されるが、測定管１及び配管１１，２１の内径は、全て同じに径Ｄに設定されている。
【００３７】
第３の実施形態では、同軸に配置される配管１１，２１の軸心に対して、測定管１の軸心を下方に偏心させることで、測定管１内の底部全域が水溜まり部として機能するようにしてある。
【００３８】
係る構成の場合も、測定管１の内部に特別な加工を施すことなく水溜まり部を形成して、飽和水蒸気状態に維持するための加湿手段を構成させることができるから、廉価な構成とすることができる。
【００３９】
また、上記構成によると、測定管１の上流端において、天井が段差を介して下がる構造となるから、この段差部分で飛沫水を下部に落として、測定管１内の底部に水分を積極的に溜めることができる。
【００４０】
図４は、第４の実施形態を示すものである。
本実施形態では、測定管１の底部に軸方向に沿って溝１ｂを形成し、該溝１ｂが水溜まり部として機能し、該溝１ｂに溜められた水分が蒸発して、被測定ガスを加湿し、飽和水蒸気状態に維持されるようにしてある。
【００４１】
係る構成では、溝１ｂの深さ・幅をある程度自由に選択できるため、溜める水分量及び溝１ｂからの蒸発量の設定に自由度を与えることができる。
図５は、第５の実施形態を示すものである。
【００４２】
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、測定管１の上流側に拡径部９を設けて、その底側（水溜まり部）に水が溜められるようにするが、更に、前記拡径部９の底側の水溜まり部に対して外部から水分を補給するための水補給手段として、前記拡径部９に補給管３３を接続させてある。
【００４３】
即ち、前記拡径部９の底側に溜められる水分が不足するようになると、前記補給管３３を介して外部から水分を補給し、水分不足によって飽和水蒸気状態に維持できなくなることを回避する。
【００４４】
尚、水分の補給は定期的に行わせても良いし、水分量の不足を判断して補給させる構成であっても良い。
また、水分補給は、水噴射弁を介して行わせる構成であっても良い。
【００４５】
図６は、第６の実施形態を示すものである。
図６の構成では、測定管１の軸を含む垂直な平面上において超音波伝播経路がＶ字型をなすように、格納スペース５ａ，５ｂを形成すると共に、これら格納スペース５ａ，５ｂに超音波送受信器４ａ，４ｂを設置してある。
【００４６】
即ち、図６に示す場合、一方の超音波送受信器４から送信された超音波は、測定管１の内壁に反射して他方の超音波送受信器４に受信される。
また、測定管１の下流側の配管２１には凝縮器５０を設けてある。
【００４７】
前記凝縮器５０には、図示省略した放熱手段が熱結合されており、該放熱手段により被測定ガスの露点温度以下の温度に冷却される。
前記凝縮器５０の下方の配管２１底側には、凝縮水を溜めるための取水受け４２が凹陥形成されており、凝縮器５０で凝縮した被測定ガス中の水は、前記取水受け４２に滴下して溜められる。
【００４８】
また、測定管１上流側の配管１１の底側には、加湿タンク４１（水溜まり部）が凹陥形成されており、前記取水受け４２と加湿タンク４１とは配水管４３により連通される。
【００４９】
そして、加湿タンク４１の水位１０が低下すると、前記配水管４３を介して加湿タンク４１に水が補給されるようになっている。
尚、取水受け４２よりも加湿タンク４１が高位にある場合には、ポンプ等の手段を用いて強制的に取水受け４２から加湿タンク４１への水の移送を行わせれば良い。
【００５０】
上記構成によると、飽和水蒸気状態に維持する必要のない測定部の下流側から加湿用水を得て、これを測定部上流側に供給して被測定ガスの加湿に用いるから、測定部を飽和水蒸気状態に安定して保つことができる。
【００５１】
図７は、第７の実施形態を示すものである。
第７の実施形態では、前記図６に示した第６の実施形態の構成に加えて、加湿タンク４１側に気化フィルタ６０を設けてある。
【００５２】
前記気化フィルタ６０は、通気性及び吸水性を有し、その下端部が加湿タンク４１の水に浸され、該フィルタ６０の面に対して被測定ガスが略直角方向に通過するように設置される。
【００５３】
前記気化フィルタ６０は、例えば高分子や中空糸或いは綿などの繊維でメッシュ状に編んで形成される。
前記加湿タンク４１内の水は、浸透圧又は毛細管現象によって気化フィルタ６０へ浸透した後、被測定ガスとの接触によって蒸発し、被測定ガスを加湿して飽和水蒸気状態に維持する。
【００５４】
これにより、加湿タンク４１に溜められる水分をより効率良く蒸発させることができる。
尚、上記実施形態は、純水素燃料ガスを使用する燃料電池においてアノード側の還流路において、水素と水蒸気と窒素の３成分混合ガスにおける水素濃度・窒素濃度を測定する構成としたが、燃料電池におけるガス濃度検出に限定されるものではなく、また、被測定ガスを水素と水蒸気と窒素の３成分混合ガスに限定するものではなく、水蒸気を含む３成分混合ガスであれば、同様に適用可能である。
【００５５】
また、本実施形態では、被測定ガスの流れを横断する超音波伝播経路や、測定管１の内壁に超音波を反射させるＶ字型の超音波伝播経路によって、被測定ガス中における音速の測定を行わせる構成としたが、図８に示すように、一対の超音波送受信器４ａ，４ｂを、被測定ガスの流れ方向に沿って対向させる構成や、図９に示すように、超音波送受信器４を１つだけ用い、対向する壁７からの反射波を自分で受信する構成で、音速を計測させることができ、音速の測定方法を限定するものでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図３】本発明の第３実施形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図４】本発明の第４実施形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図５】本発明の第５実施形態を示す平面図。
【図６】本発明の第６実施形態を示す側面図。
【図７】本発明の第７実施形態を示す側面図。
【図８】超音波伝播経路の別の例を示す側面図。
【図９】超音波伝播経路の別の例を示す側面図。
【符号の説明】
１…測定管
１ｂ…溝
２…ガス取入口
３…ガス排出口
４ａ，４ｂ…超音波送受信器
５ａ，５ｂ…格納スペース
６…超音波伝播経路
８ａ，８ｂ…フランジ
９…拡径部
１０…水位
１１…配管
１２…フランジ
２１…配管
２２…フランジ
３０…温度測定器
３１，３２…結合器具
４１…加湿タンク
４２…取水受け
４３…配水管
５０…凝縮器
５１…計測ユニット
５２…圧力計
６０…気化フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004325297.tif 000008
【図７】
2004325297.tif 000009
【図８】
2004325297.tif 000010
【図９】
2004325297.tif 000011