(57)【要約】【課題】  沸点の異なる２種類の気体が混合された混合気体の、低沸点側の気体流量を測定することが可能な気体流量測定装置と、この気体流量測定装置を用いて簡便かつ高精度に気体流量を測定する方法とを実現する。【解決手段】  気体流量測定装置１は、沸点の異なる２種類の気体が混合された混合気体を凝縮する凝縮槽３と、混合気体の流量を測定する流量計５とを備えている。混合気体を凝縮槽３にて凝縮して高沸点側の気体流量を既知とした後に、流量計５にて流量値を測定することにより低沸点側の気体流量を算出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸点の異なる２種類の気体が混合された混合気体の流量を測定する流量計を備えた気体流量測定装置であって、
上記混合気体を凝縮する凝縮槽を備えていることを特徴とする気体流量測定装置。
【請求項２】
上記凝縮槽にて混合気体を凝縮する温度を検出する温度検出器をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の気体流量測定装置。
【請求項３】
上記２種類の気体を混合する混合槽をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の気体流量測定装置。
【請求項４】
上記２種類の気体のうち、低沸点側の気体の流量を制御する流量制御手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の気体流量測定装置。
【請求項５】
沸点の異なる２種類の気体を混合する混合工程と、混合気体の流量を測定する流量測定工程とを含む気体流量測定方法であって、
上記流量測定工程の前に、混合気体を凝縮する凝縮工程を含むことを特徴とする気体流量測定方法。
【請求項６】
あらかじめ、上記２種類の気体のうち、低沸点側の気体の流量を測定した後に、２種類の気体を混合し、該混合気体の流量を測定することにより、混合気体に含まれる低沸点側の気体の流量値を補正する補正値を算出しておき、
上記流量測定工程にて測定された流量値を、上記補正値を用いて補正する補正工程をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の気体流量測定方法。
【請求項７】
上記凝縮工程は、２種類の気体のうち、高沸点側の気体を飽和状態にすることを特徴とする請求項５または６に記載の気体流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体流量測定装置、及び気体流量測定方法に関するものである。より詳しくは、沸点の異なる２種類の気体を混合した混合気体のうち、低沸点側の気体流量を算出する気体流量測定装置、及び気体流量測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の気体流量測定装置としては、燃料電池発電システム等の高露点プロセスガス供給系の水蒸気流量を測定する水蒸気流量測定装置が開示されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の水蒸気流量測定装置は、水蒸気の流量（露点温度）を測定する計測器（露点計）を用いて水蒸気流量をより正確に測定する装置である。特許文献１に記載の水蒸気流量測定装置では、水蒸気を含むサンプル系統のガスに既知量の不活性ガスを混入させ、水蒸気の分圧を小さくして、計測する露点の温度を下げるようになっている。
【０００３】
すなわち、特許文献１の水蒸気流量測定装置は、水蒸気を含むサンプル系統のガスを、あらかじめ計測された流量の不活性ガスにて希釈することによって、露点温度を下げた状態で露点温度を計測している。これにより、高露点域においては、わずかな露点温度計測誤差が大きな水蒸気分圧の差となることを回避している。そして、計測した露点温度と、露点測定点での圧力から不活性ガス混合後の水蒸気分圧を測定し、この水蒸気分圧や混入した不活性ガス流量に基づいて水蒸気流量を測定している。
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載の水蒸気流量測定装置は、水蒸気流量を測定するものであり、複数成分の気体が混合された混合ガスの各成分の気体流量を測定することはできない。
【０００５】
これに対して、これまで、複数成分の気体が混合された混合ガスの各成分の気体流量を、１つの装置にて測定することができる装置等については知られておらず、従来では、混合ガスの各成分の気体流量は、一般的に以下のようにして測定されている。
【０００６】
まず、気体の種類に依存しない体積流量計等を用いて混合ガスの流量を測定した後に、ガスクロマトグラフィ、質量分析計または分光光度計等を用いて各成分の気体濃度を求める。これらの結果から各成分の気体流量を算出している。
【特許文献１】特許第２６４６７８８号明細書（１９９７年５月９日登録）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
すなわち、上記体積流量計では、混合ガスの各成分の気体種類が既知であったとしても、各成分の気体濃度比を求めなければ各成分毎の気体流量を求めることができないため、ガスクロマトグラフィや質量分析計等の他の分析機器を必要とする。したがって、混合ガスの流量測定と濃度比の測定との複数の測定を行う必要があるため、流量を求めるための作業が煩雑であるとともに、測定結果の精度が十分なものではないという問題点を有している。また、上記ガスクロマトグラフィや質量分析計は、高価であるとともに、大型であるため、そのためのスペースを必要とするとともに、取扱いには熟練を要するという問題点をも有している。
【０００８】
なお、体積流量計の代わりに面積流量計や熱線式質量流量計を用いた場合には、混合ガスの各成分の気体種類が既知であり、気体濃度比が既知であったとしても、各成分毎の気体流量を求めることはできない。これは、面積流量計や熱線式質量流量計は、混合ガスの各成分毎に、気体が流れる際の温度変化を流量に換算する必要があるためである。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、沸点の異なる２種類の気体が混合された混合気体の、低沸点側の気体流量を測定することが可能な気体流量測定装置と、この気体流量測定装置を用いて簡便かつ高精度に気体流量を測定する方法とを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る気体流量測定装置は、上記課題を解決するために、沸点の異なる２種類の気体が混合された混合気体の流量を測定する流量計を備えた気体流量測定装置であって、上記混合気体を凝縮する凝縮槽を備えていることを特徴としている。
【００１１】
本発明の気体流量測定装置は、上記構成に加え、上記凝縮槽にて混合気体を凝縮する温度を検出する温度検出器をさらに備えていることを特徴としている。
【００１２】
本発明の気体流量測定装置は、上記構成に加え、上記２種類の気体を混合する混合槽をさらに備えていることを特徴としている。
【００１３】
本発明の気体流量測定装置は、上記構成に加え、上記２種類の気体のうち、低沸点側の気体の流量を制御する流量制御手段をさらに備えていることを特徴としている。
【００１４】
本発明に係る気体流量測定方法は、上記課題を解決するために、沸点の異なる２種類の気体を混合する混合工程と、混合気体の流量を測定する流量測定工程とを含む気体流量測定方法であって、上記流量測定工程の前に、混合気体を凝縮する凝縮工程を含むことを特徴としている。
【００１５】
本発明の気体流量測定方法は、上記構成に加え、あらかじめ、上記２種類の気体のうち、低沸点側の気体の流量を測定した後に、２種類の気体を混合し、該混合気体の流量を測定することにより、混合気体に含まれる低沸点側の気体の流量値を補正する補正値を算出しておき、上記流量測定工程にて測定された流量値を、上記補正値を用いて補正する補正工程をさらに含むことを特徴としている。
【００１６】
本発明の気体流量測定方法は、上記構成に加え、上記凝縮工程は、２種類の気体のうち、高沸点側の気体を飽和状態にすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る気体流量測定装置は、以上のように、沸点の異なる２種類の気体が混合された混合気体の流量を測定する流量計を備えた気体流量測定装置であって、上記混合気体を凝縮する凝縮槽を備えているので、流量計にて測定された流量値から混合気体の低沸点側の気体流量を正確に測定することができる。
【００１８】
すなわち、上記凝縮槽にて混合気体を凝縮することにより、混合気体のうち、高沸点側の気体の露点温度が分かり、その結果、高沸点側の濃度が既知となる。このため、例えば、凝縮した混合気体の流量を測定し、あらかじめ算出した補正値等を用いることにより、流量計にて測定した流量値から低沸点側の気体流量を測定することができる。補正値は、高沸点側の気体を所定の温度にて凝縮させ、この所定温度での飽和気体とした後に、この濃度既知の高沸点側の気体が存在することによる測定誤差を計測することにより算出することができる。このように、上記にて算出された補正値を用いることにより、流量計にて測定した混合気体の流量値を求めれば、高沸点側の気体の影響を排除して低沸点側の気体流量を正確に測定することができるという効果を奏する。
【００１９】
また、流量計としては、例えば熱線式流量計等の種々の流量計を用いることができ、これら種々の流量計は、従来の露点計と比較して応答速度が速く、しかも精度が良好なため、気体流量の測定を迅速かつ高精度に行うことができるという効果を併せて奏する。
【００２０】
上記の気体流量測定装置において、上記凝縮槽にて混合気体を凝縮する温度を検出する温度検出器をさらに備えているので、凝縮槽にて混合気体を凝縮する温度を所定温度に保つことができる。これにより、凝縮槽での凝縮を所望の温度にて行うことができるという効果を奏する。また、上記気体流量測定装置における測定精度は、流量計及び温度検出器の精度のみに依存し、これら流量計及び温度検出器は一般に高精度である。さらに、上記気体流量測定装置は、ペルチェ素子やピエゾ素子等のアクチュエータを用いていないため制御精度が要求されない。従って、気体流量測定装置のシステム全体としての精度に優れているという効果をも奏する。また、上記気体流量測定装置は、流量計、凝縮槽及び温度検出器から構成されているため、簡易な構成であるとともに、露点計を用いた装置と比較して安価であるという効果を併せて奏する。
【００２１】
上記の気体流量測定装置において、上記２種類の気体を混合する混合槽をさらに備えているので、沸点の異なる２種類の気体を混合槽にて混合すれば、均一に混合することができるという効果を奏する。
【００２２】
上記の気体流量測定装置において、上記２種類の気体のうち、低沸点側の気体の流量を制御する流量制御手段をさらに備えているので、混合する前の低沸点側の気体流量を所望の流量とすることができるという効果を奏する。例えば、気体流量測定装置が、低沸点側の気体の濃度が変化する系である場合に、上記流量計にて測定した流量値と流量制御手段にて制御した流量値とを比較することにより、濃度変化量を求めることができる。
【００２３】
本発明に係る気体流量測定方法は、以上のように、沸点の異なる２種類の気体を混合する混合工程と、混合気体の流量を測定する流量測定工程とを含む気体流量測定方法であって、上記流量測定工程の前に、混合気体を凝縮する凝縮工程を含むので、沸点の異なる２種類の気体を混合した混合気体のうち、低沸点側の気体流量を測定することができる。
【００２４】
すなわち、上記混合気体が完全に分離することが不可能な２種類の気体からなる混合気体であっても、混合気体を凝縮することにより、凝縮した温度における高沸点側の気体流量を既知とすることができる。このため、混合気体の流量を測定することにより、低沸点側の気体流量を算出することができる。従って、高価で取扱いに熟練を要するガスクロマトグラフィ等の分析機器を使用することなく、２種類の気体が混合された混合気体の流量を測定するだけで、混合気体の低沸点側の気体流量を測定することができるという効果を奏する。
【００２５】
上記の気体流量測定方法において、あらかじめ、上記２種類の気体のうち、低沸点側の気体の流量を測定した後に、２種類の気体を混合し、該混合気体の流量を測定することにより、混合気体に含まれる低沸点側の気体の流量値を補正する補正値を算出しておき、上記流量測定工程にて測定された流量値を、上記補正値を用いて補正する補正工程をさらに含むので、混合気体の低沸点側の気体流量をより正確に測定することができる。
【００２６】
すなわち、流量計にて測定された混合気体の流量値は、高沸点側の気体が存在することによる誤差を含む場合があり、あらかじめこの誤差を補正する補正値を求めておき、この補正値を用いて流量値を補正することにより、より正確な流量値を求めることが可能となる。なお、低沸点側の気体の流量を測定した後に、２種類の気体を混合して、この混合気体の流量を測定することにより高沸点側の気体が存在することによる誤差を求めることができる。補正値はこの誤差を用いて算出することができる。これにより、高沸点側の気体の影響を排除して低沸点側の気体流量を正確に測定することができるという効果を奏する。
【００２７】
上記の気体流量測定方法において、上記凝縮工程は、２種類の気体のうち、高沸点側の気体を飽和状態にするので、高沸点側の気体流量を既知とすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
〔実施の形態１〕
本発明の第１の実施の形態について図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本発明の気体流量測定装置１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の気体流量測定装置は、気体格納槽２、凝縮槽３、温度検出器４、流量計５を備えている。
【００２９】
気体格納槽２は、内部に気体が格納されており、必要に応じて所定量の気体を排出するようになっている。気体格納槽２にて格納されている気体は、本発明の気体流量測定装置１にて流量を測定する対象となっている気体であり、以下においては第１成分と称する。気体格納槽２は、気体を格納し排出するものであればよく、ボンベ等を用いることが好ましい。なお、気体格納槽２から排出された第１成分は、第１成分よりも沸点の高い気体（以下、第２成分と称する）と混合された後に凝縮槽３へと送られる。
【００３０】
凝縮槽３は、流入した第１成分及び第２成分の混合気体を凝縮する槽である。凝縮槽３では、第２成分が飽和状態となるように混合気体を凝縮するようになっている。従って、凝縮は第２成分を飽和状態とすることができる温度又は圧力にて行えばよいが、第１成分が気体格納槽２から排出される温度と同じ温度にて行うことが好ましい。凝縮槽３にて凝縮された混合気体は、流量計５へと送られる。
【００３１】
なお、凝縮槽３は、混合気体を凝縮することにより第２成分を飽和状態とすることで、第２成分を液化させて第１成分と分離させる分離槽であってもよい。第１成分と第２成分とは完全に分離することができない気体同士ではあるものの、分離槽とすることで第２成分の流量を低減させることが可能となるため、第１成分の流量を測定する際の誤差を低減させることができる。第２成分の分離は、凝縮にて行うことのみならず、吸着にて行ってもよい。
【００３２】
温度検出器４は、凝縮槽３にて混合気体を凝縮する際の温度を検出するものである。温度検出器４にて凝縮槽３の温度を検出することにより、凝縮槽３での温度調節を行うことが可能となり、所望の温度にて凝縮することができるようになっている。また、温度検出器４は、凝縮槽３の温度を検出することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、白金側温抵抗体や熱電対等を用いることができる。なお、凝縮槽３での凝縮が第２成分を飽和状態とすることができる圧力にて行われる場合には、温度検出器４の代わりに、混合気体を凝縮する際の圧力を検出する圧力検出器を用いればよい。
【００３３】
流量計５は、凝縮槽３から排出された混合気体の流量を測定するものである。流量計５としては、凝縮槽３から排出された混合気体の流量を測定することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、熱線式流量計、体積流量計、面積流量計、石鹸膜流量計、コリオリ式流量計、湿式流量計等を用いることができる。流量計５は、第１成分の流量を測定するための仕様となるように設定すればよく、この場合には、後述する事前の測定にて算出した補正値等を用いることにより、第１成分の流量を正確に測定することが可能となっている。
【００３４】
なお、流量計５は、第１成分用の仕様となるように設定することに限定されるものではなく、後述する補正値を考慮した上で混合気体用の仕様となるように設定してもよい。この場合には、混合気体の流量を測定することにより、流量計５にて示された流量値が第１成分の正確な流量値となる。
【００３５】
なお、本発明の気体流量測定装置１は、気体格納槽２から排出された第１成分の流量を制御する流量制御手段を備えていてもよい。この場合、気体格納槽２から排出された第１成分は、流量制御手段にて流量を制御されながら排出されるため、常に所望の流量を排出することが可能となる。また、流量制御手段による流量の制御は、第１成分の流量が一定の流量となるように制御することが好ましい。
【００３６】
また、気体流量測定装置１は、第１成分と第２成分とを混合するための混合槽を備えていてもよい。混合槽を備えていることにより、第１成分と第２成分とを均一に混合することが可能となる。さらに、混合槽は、第１成分と第２成分とを混合するとともに、ある特定の温度にて第２成分を飽和状態とするようになっている飽和槽であってもよい。
【００３７】
次に、上記構成を有する気体流量測定装置１を用いた気体流量測定方法について説明する。本発明の気体流量測定方法は、完全に分離することが不可能な２種類の成分が共存する流体のうち、一方の流体の流量を正確に測定する方法である。すなわち、沸点の異なる２種類の気体が混合された混合気体のうち、低沸点側の気体の流量を測定する方法である。
【００３８】
従って、本発明の気体流量測定方法は、流量を測定する対象である第１成分と、第１成分とは完全に分離することが不可能な第２成分との混合気体の流量を、第１成分用の流量計を用いて測定したとしても、第２成分の影響を排除して第１成分の流量を正確に測定することができるものである。また、流量計にて測定した流量値を、あらかじめ算出した補正値にて補正することによって、より正確な流量を測定することができるものである。
【００３９】
ここで、沸点の異なる２種類の気体とは、沸点の異なる２種類の液体が各々気体状となった場合における２種類の気体のことであり、また、各気体の露点及び凝固点が互いに大きく異なり、混合気体が共沸混合物を形成しない気体をいう。また、２種類の気体とは、例えば水素ガスや酸素ガス等といった単一成分の気体同士の組み合わせである場合のみならず、複数成分の気体が混合されて共沸混合物の如く単一成分のように振舞う気体同士の組み合わせや、単一成分の気体と、単一成分のように振舞う気体との組み合わせであってもよい。すなわち、実質的に２種類の気体とみなすことができる気体同士の組み合わせであればよい。
【００４０】
本発明に用いられる気体の組み合わせとしては、例えば、水素／水蒸気の組み合わせや、水素／水及びアルコールの共沸混合物の組み合わせ、ヒドラジン／空気の組み合わせや、メタノール／空気の組み合わせ、酸素／窒素及び水蒸気の混合気体の組み合わせや、酸素／窒素及びエタノールの混合気体の組み合わせ等を挙げることができる。
【００４１】
また、補正値とは、気体流量測定装置１にて測定した混合気体の流量を補正するためのものであり、この補正値を用いることにより、完全に分離することができない混合気体の第１成分の流量を正確に測定することができるようになっている。また、補正値は、第２成分を所定の温度にて凝縮して飽和気体とすることにより濃度既知とし、この濃度既知の第２成分の存在による測定誤差を計測することにより算出される。
【００４２】
まず、補正値の算出方法について説明する。補正値は、図２に示す補正用気体流量測定装置６を用いて、第１成分及び第２成分が共存する混合気体の流量を測定し、この測定結果から算出する。以下、具体的に説明する。図２に示すように、気体格納槽７から排出された第１成分は、流量制御手段８にて一定の流量となるように制御される。次いで、第１成分と、第１成分よりも高沸点の第２成分とを混合した後に、凝縮槽９へと送られる。凝縮槽９では、温度検出器１０を用いながら混合気体を特定温度にて凝縮して第２成分を飽和状態とする。そして、流量計１１にて凝縮された混合気体の流量を測定する。第２成分は、特定温度での飽和気体であるのでその流量は既知となるため第１成分の流量値を求めることができる。流量制御手段８にて制御された流量値と、流量計１１にて測定された第１成分の流量値とから、第２成分の存在による測定誤差を計測する。そして、この測定誤差から補正値を算出する。
【００４３】
補正値は、種々のパラメータを変化させて流量を測定した結果を用いて流量偏差として算出される。算出結果は補正表、補正式又は補正グラフとして表すことができる。流量偏差は、流量制御手段８にて一定に制御された流量値から、流量計１１にて測定された第１成分の流量値を引いた値である。また、パラメータとしては、例えば、第１成分の初期流量、系内（流路内）の圧力、凝縮温度、第１成分の種類等である。これらのパラメータを変化させて流量を測定することにより、様々な条件における流量偏差、すなわち補正値を算出することができる。
【００４４】
次に、本発明の気体流量測定装置１を用いて第１成分の流量を測定する方法について図１に基づいて説明する。まず、第１成分を気体格納槽２から排出して、第２成分と混合させ（混合工程）、この混合気体を凝縮槽３へ流入させる。そして、凝縮槽３にて、混合気体を凝縮する（凝縮工程）。凝縮は、第２成分が飽和状態となるように特定温度にて行われる。特定温度とは、第２成分を飽和状態とすることができる温度であれば特に限定されるものではないが、第１成分が気体格納槽２から排出される温度と同じ温度であることが好ましい。この第１成分の流量を測定することが目的であるためである。また、凝縮は温度検出器４を用いて行われる。温度検出器４を用いることにより、温度調節が可能となる。
【００４５】
また、混合気体の凝縮は、特定温度での凝縮に限定されるものではなく、特定圧力で行うこともできる。この場合、上記と同様に、第２成分を飽和状態とすることができる圧力にて凝縮すればよい。この場合、温度検出器の代わりに圧力検出器を備えていることが好ましい。
【００４６】
凝縮槽３にて特定温度で凝縮された混合気体は、第２成分が特定温度における飽和気体となって流量計５へと排出される。そして、流量計５にて混合気体の流量を測定し（流量測定工程）、流量計５から排出される。流量計５は第１成分用の仕様に設定されているものの、第２成分を飽和状態として濃度が既知であるため、混合気体の流量を測定することにより、第１成分の流量を測定することが可能となる。しかしながら、第２成分が混合した状態では、第１成分の真の流量値を測定することが困難であるため、上記補正値を用いて流量値を補正することが好ましい（補正工程）。補正値を用いることによって第１成分のより正確な流量を算出することが可能となる。具体的には、本発明の気体流量測定装置１にて求めた混合気体の流量値に、あらかじめ算出した補正値を加えることによって第１成分のより正確な流量値を算出することができる。補正値は、あらかじめ算出・作成した補正表、補正式又は補正グラフから求めればよく、実際に気体流量測定装置１にて用いた条件と同一条件に相当する補正値を用いればよい。
【００４７】
なお、上述のように混合気体を凝縮する温度が既知であるため第２成分の流量は既知となる。このため、気体流量測定装置１による測定条件（第１成分の初期流量、系内の圧力、凝縮温度等）が既知であり、かつ一定である場合には、あらかじめ流量計５の仕様を、第１成分と第２成分とが混合した混合気体用の仕様とすることにより、その指示値から真の第１成分の流量を算出することもできる。すなわち、この場合、流量値を測定した後に補正値にて補正する必要はなく、流量計５の値が真の第１成分の流量値となる。
【００４８】
以上により、完全に分離することが不可能な沸点の異なる２種類の気体が混合した混合気体の低沸点側の気体流量を、露点計やガスクロマトグラフィや室力分析計等を用いずとも容易かつ高精度に測定することができる。
【００４９】
〔実施の形態２〕
本発明の第２の実施の形態について図３に基づいて説明する。なお、本発明の気体流量測定方法は、上述のように、凝縮槽にて混合気体を凝縮することにより、第２成分の濃度が既知となり、その結果、混合気体の流量値を測定することにより第１成分の流量値を求めることができるものである。従って、第１成分が気体格納槽から排出されて凝縮槽に流入するまでの間に濃度が変化する系であっても第１成分の流量を正確に測定することができる。以下、第１成分の濃度が変化する気体流量測定装置を例に挙げて本発明の気体流量測定方法について説明する。
【００５０】
図３は、第１成分の濃度が変化する気体流量測定装置１２の概略構成を示すブロック図である。図３に示すように、気体流量測定装置１２は、気体格納槽１３、反応槽１４、凝縮槽１５、温度検出器１６、流量計１７を備えている。このうち、気体格納槽１３、凝縮槽１５、温度検出器１６、流量計１７は、上記実施の形態１にて説明した気体格納槽２、凝縮槽３、温度検出器４、流量計５と同一である。すなわち、本実施の形態における気体流量測定装置１２は、上記実施の形態１にて説明した気体流量測定装置１に反応槽１４を加えた構成となっている。このため、説明の便宜上、上記実施の形態１にて示した部材に関する説明は省略する。また、本実施の形態に用いられる気体（第１成分及び第２成分）についても、上記実施の形態１にて用いた気体と同様の気体とする。
【００５１】
反応槽１４は、第１成分と第２成分とが混合した混合気体が流入するようになっており、この流入した混合気体の第１成分を反応させる槽である。混合気体は、反応槽１４にて所定の反応を行った後に、反応槽１４から排出されて凝縮槽１５へと送られるようになっている。従って、反応槽１４に流入する第１成分と、排出される第１成分との濃度が異なるようになっている。なお、反応槽１４は、説明の便宜上「反応槽」と称しているが、流入した混合気体に何らかの作用を施し、低沸点側の気体である第１成分の濃度が変化するシステムであればよく、第１成分が反応するものに限定されない。反応槽１４としては、例えば、燃料電池、原油精製装置、蒸留装置等を挙げることができる。
【００５２】
なお、気体流量測定装置１２は、流量制御手段や混合槽等を備えていてもよい。流量制御手段を備えている場合は、気体格納槽１３から排出された第１成分は、流量制御手段にて流量を制御されながら排出されるため、常に所望の流量を排出することが可能となる。また、混合槽を備えている場合は、第１成分と第２成分とを均一に混合することが可能となる。さらに、混合槽が飽和槽である場合には、第１成分と第２成分とを混合するとともに、ある特定の温度にて第２成分を飽和状態にすることができる。
【００５３】
次に、上記構成を有する気体流量測定装置１２を用いた気体流量測定方法について説明する。まず、上記実施の形態１と同様の方法にて補正値を算出しておく。そして、気体流量測定装置１２の気体格納槽１３から第１成分を排出し、第１成分と第２成分とを混合した後に混合気体を反応槽１４へ流入させる。ここで、流量制御手段を備えている場合には、第１成分は、流量制御手段によって一定の流量となるように制御しながら排出される。また、混合槽を備えている場合には、第１成分と第２成分とが混合槽にて均一に混合された後に反応槽１４へ流入する。さらに、混合槽が飽和槽である場合には、第１成分と第２成分とが均一に混合され、第２成分が飽和状態となった後に反応槽１４へ流入する。
【００５４】
反応槽１４に流入した混合気体は、反応槽１４にて所定の反応が行われ第１成分の一部が反応により消費される。また、第１成分の反応によって、第１成分及び第２成分以外の副生成物が生成する場合もある。反応槽１４での反応が終了した後には、残留する第１成分と第２成分と副生成物とが、残留気体として凝縮槽１５へ流入する。
【００５５】
凝縮槽１５では、流入した残留気体を特定温度で凝縮する。凝縮は、温度検出器１６を用いて行われ、反応槽１４での反応による発熱又は加熱等によって高温状態となった残留気体を低温状態とすることにより行われる。凝縮する温度は、上記実施の形態１と同様に、第１成分が気体格納槽１３から排出される際の温度と同じ温度であることが好ましい。また、凝縮は特定温度にて行うことの他に、特定圧力にて行ってもよい。この場合、温度検出器１６を圧力検出器に代えて行えばよい。
【００５６】
凝縮槽１５にて凝縮された残留気体は、その第２成分が飽和気体となって流量計１７へと排出され、流量計１７にて流量が測定される。そして、流量計１７で測定した流量値をあらかじめ算出した補正値にて補正することにより、第１成分の正確な流量を求めることができる。
【００５７】
以上により、完全に分離することが不可能な沸点の異なる２種類の気体を混合した混合気体のうち、低沸点側の気体の濃度に変化が生じる系であっても、その低沸点側の気体流量を、露点計やガスクロマトグラフィや質量分析計等を用いずとも容易かつ精度よく測定することができる。
【００５８】
〔実施の形態３〕
本発明の第３の実施の形態について図４に基づいて説明する。上記実施の形態１及び２においては、流量を測定する気体を含む混合気体が１種類の場合について説明したが、本発明では、流量を測定する気体を含む混合気体が２種類の場合であっても流量を測定することができる。例えば、実施の形態１に示すように、流量を測定する気体の濃度が変化しない系の場合や、実施の形態２に示すように、流量を測定する気体の濃度が変化する系の場合であっても、流量を測定する各混合気体同士が混合されない場合には、各混合気体の流量を測定する系をそれぞれ設ければよい。以下においては、流量を測定する気体を含む混合気体が２種類の場合であって、流量測定対象の気体濃度が変化する系の場合について説明する。
【００５９】
図４は、本実施の形態における気体流量測定装置１８の概略構成を示すブロック図である。流量を測定する気体を第１成分ａ及び第１成分ｂとする。第１成分ａ及び第１成分ｂは、互いに同一の気体であってもよく、異なる気体であってもよい。図４に示すように、気体流量測定装置１８は、第１成分ａに対応した気体格納槽１９ａ、凝縮槽２１ａ、温度検出器２２ａ及び流量計２３ａと、第１成分ｂに対応した気体格納槽１９ｂ、凝縮槽２１ｂ、温度検出器２２ｂ及び流量計２３ｂと、第１成分ａ及び第１成分ｂに対応した反応槽２０とを備えている。これら各部材は、上記実施の形態１及び２にて用いられる各部材と同一のため、説明は省略する。また、本実施の形態に用いられる気体（第１成分ａ・第１成分ｂ及び第２成分ａ・第２成分ｂ）についても、上記実施の形態１及び２にて用いた気体（第１成分及び第２成分）と同様とし、補正値の算出方法についても同様とする。
【００６０】
上記構成を有する気体流量測定装置１８を用いて第１成分ａ及び第１成分ｂの流量を測定する方法について説明する。まず、第１成分ａが気体格納槽１９ａから排出される。そして、第１成分ａと、第１成分ａよりも高沸点の気体（以下、第２成分ａと称する）とを混合した後に、この混合気体（以下、混合気体ａと称する）を反応槽２０に流入させる。一方、第１成分ｂは気体格納槽１９ｂから排出される。そして、第１成分ｂと、第１成分ｂよりも高沸点の気体（以下、第２成分ｂと称する）とを混合した後に、この混合気体（以下、混合気体ｂと称する）を反応槽２０に流入させる。
【００６１】
なお、気体流量測定装置１８においても、各気体に対応する流量制御手段や混合槽等を備えていてもよい。流量制御手段を備えている場合には、第１成分ａ及び第１成分ｂは、それぞれに対応する流量制御手段によって流量を制御されながら排出される。また、混合槽を備えている場合には、第１成分ａと第２成分ａとの混合や第１成分ｂと第２成分ｂとの混合が均一に行われた後に、それぞれの混合気体が反応槽２０へ流入する。混合槽が飽和槽である場合には、第２成分ａが飽和状態となった混合気体ａと、第２成分ｂが飽和状態となった混合気体ｂとがそれぞれ反応槽２０へ流入する。
【００６２】
反応槽２０では、混合気体ａ及び混合気体ｂは、互いに混合されることはなく分離した状態となっている。そして、反応槽２０では、流入した混合気体ａと混合気体ｂとがそれぞれ独立して反応が行われる。
【００６３】
そして、反応槽２０での反応が終了した後に、反応に用いられなかった混合気体ａの残留物と、混合気体ａの反応にて生成した副生成物との混合物（以下、残留気体ａと称する）が凝縮槽２１ａへ流入する。また、反応に用いられなかった混合気体ｂの残留物と、混合気体ｂの反応にて生成した副生成物との混合物（以下、残留気体ｂと称する）が凝縮槽２１ｂへ流入する。
【００６４】
凝縮槽２１ａでは、温度検出器２２ａを用いながら残留気体ａを特定温度にて凝縮した後に流量計２３ａへ排出する。特定温度とは、第１成分ａを気体格納槽１９ａから排出する際の温度と同じ温度であることが好ましい。また、凝縮槽２１ｂでは、温度検出器２２ｂを用いながら残留気体ｂを特定温度にて凝縮した後に流量計２３ｂへ排出する。この場合の特定温度は、第１成分ｂを気体格納槽１９ｂから排出する際の温度と同じ温度であることが好ましい。
【００６５】
その後、凝縮された残留気体ａは流量計２３ａにて流量を測定された後に排出され、凝縮された残留気体ｂは流量計２３ｂにて流量を測定された後に排出される。次いで、各々の流量計２３ａ・２３ｂにて測定した流量を、あらかじめ算出した補正値を用いてそれぞれ補正することによって、第１成分ａ及び第１成分ｂの正確な流量を求めることができる。補正値は、第１成分ａ及び第１成分ｂが気体流量測定装置１８を移動する際の条件に応じた補正値を用いればよい。また、流量計２３ａが混合気体ａ用の仕様であり、流量計２３ｂが混合気体ｂ用の仕様である場合には、各流量計にて示された流量が各々第１成分ａ及び第１成分ｂの正確な流量となる。
【００６６】
以上により、流量を測定する気体が２種類の場合であっても、各々の気体流量を測定することができる。なお、流量を測定する気体が３種類以上の場合においても、上記と同様にして行うことができる。すなわち、各気体毎にあらかじめ補正値を算出しておき、各気体毎に気体格納槽、凝縮槽、流量計を設ければよい。このようにすれば、３種類以上の気体を用いた場合であっても、上記と同様にして各々の気体流量を個別に正確に測定することができる。
【００６７】
なお、本発明は、成分の特定された沸点の異なる２物質の混合流体の流量測定において、低沸点物質に対し目盛り付けされた流量計を用い、かつ高沸点成分を特定温度で凝縮させ、その成分の流量を既知とすることで、流量測定を可能ならしめる気体流量測定装置、及び気体流量測定方法と表現することもできる。
【００６８】
また、本発明の気体流量測定方法は、沸点の異なる２種類の気体を混合した混合気体における低沸点側の気体流量を測定する方法であって、混合気体を特定温度で凝縮することにより高沸点側の気体流量を既知としておき、あらかじめ低沸点側の気体で目盛り付けされた流量計を用いて混合気体の流量を測定し、その測定結果と上記気体温度との関係から低沸点側の気体流量を算出する方法と表現することもできる。
【実施例】
【００６９】
本発明の気体流量測定装置について以下の実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本実施例では、気体流量測定装置が反応槽として燃料電池を備えている場合について説明する。
【００７０】
燃料電池は、燃料を電気化学的に酸化させながら、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。また、燃料電池とは、反応に関与する物質が電池外から連続的に供給される電池をいい、基本的には燃料極（陰極）、酸化剤極（陽極）及び電解質から構成されている。燃料電池では、陰極側で燃料の燃焼反応（すなわち、燃料の酸化反応）が行われ、陽極側で酸化剤の還元反応が行われる。本実施例では、燃料電池として、電解質にイオン交換膜を用いた、高分子電解質形燃料電池について説明する。
【００７１】
高分子電解質形燃料電池は、高純度の水素及び酸素をそれぞれ燃料及び酸化剤とし、イオン交換膜を電解質とする燃料電池である。高分子電解質形燃料電池は、陰極側にて水素が発電に供され、陽極側にて酸素が発電に供される。すなわち、陰極側にて燃料の酸化反応が行われ、陽極側にて酸素の還元反応が行われる。その結果、水素の一部が燃焼して水を生じる。また、本実施例では、水素ガス及び酸素ガスと混合する高沸点側の気体として、水蒸気を用いる。
【００７２】
図５は、本実施例にて用いる気体流量測定装置２４の概略構成を示すブロック図である。図４に示すように、本実施例の気体流量測定装置２４は、水素ボンベ２５、窒素ボンベ２６、酸素ボンベ２７、第１流量制御手段２８、第２流量制御手段２９、第１飽和槽３０、第２飽和槽３１、燃料電池３２、恒温槽３３、第１トラップ槽３４、第１温度センサ３５、第２トラップ槽３６、第２温度センサ３７、第１流量計３８、第２流量計３９を備えている。
【００７３】
水素ボンベ２５、窒素ボンベ２６及び酸素ボンベ２７は、各々水素ガス、窒素ガス及び酸素ガスを格納したボンベである。水素ガス及び酸素ガスが燃料電池３２の発電に用いられるものであり、窒素ガスは水素ガス及び酸素ガスの置換用である。
【００７４】
第１流量制御手段２８は、水素ガスの流量を制御するものであり、第２流量制御手段２９は、酸素ガスの流量を制御するものである。水素ボンベ２５から排出された水素ガスは、第１流量制御手段２８にて流量が決定され、この流量で一定となるように制御されながら第１飽和槽３０へと送られる。また、酸素ボンベ２７から排出された酸素ガスは、第２流量制御手段２９にて流量が決定され、この流量で一定となるように制御されながら第２飽和槽３１へと送られる。なお、水素ガスを水素ボンベ２５から排出する際の温度は室温とする。また、酸素ガスを酸素ボンベ２７から排出する際の温度も同様に室温とする。
【００７５】
第１飽和槽３０では、流入した水素ガスと、水素ガスよりも高沸点の気体である水蒸気とを混合した後に、水蒸気を飽和状態とする。第２飽和槽３１では、流入した酸素ガスと、酸素ガスよりも高沸点の気体である水蒸気とを混合した後に、水蒸気を飽和状態とする。そして、水蒸気が飽和状態となった水素ガス及び水蒸気の混合気体は、燃料電池３２へと送られる。また、水蒸気が飽和状態となった酸素ガス及び水蒸気の混合気体も、燃料電池３２へと送られる。
【００７６】
燃料電池３２は、燃料電池３２の周囲温度を一定にするための恒温槽３３内に設けられている。燃料電池３２では、陰極側の水素ガス及び陽極側の酸素ガスが発電に供される。陰極側では酸化反応が行われ、水素ガスの一部が消費されて水を生じる。また、陽極側では還元反応が行われ、酸素ガスの一部が還元される。また、陰極側及び陽極側の反応では、熱を生じるため燃料電池３２は高温環境となる。この結果、陰極側では、発電に用いられなかった水素ガスと、第１飽和槽３０で混合された水蒸気と、発電により生じた水に起因する水蒸気とが残留する。同様に、陽極側では、発電に用いられなかった酸素ガスと、第２飽和槽３１で混合された水蒸気とが残留する。また、水素ガスの一部は水素分子のままクロスリークして陰極側に漏れ出す場合もある。さらに、燃料電池３２がスタックである場合には、シール部から外部へと水素ガスが拡散することにより、水素ガスの損失が発生する場合もある。
【００７７】
そして、陰極側で残留した水素ガス及び水蒸気の混合気体は第１トラップ槽３４へと送られ、陽極側で残留した酸素ガス及び水蒸気の混合気体は第２トラップ槽３６へと送られる。第１トラップ槽３４では、第１温度センサ３５を用いて室温状態にして、流入した混合気体を凝縮し、第２トラップ槽３６では、第２温度センサ３７を用いて室温状態にして、流入した混合気体を凝縮する。本実施例において、流量を測定する気体は水素ガス及び酸素ガスであり、この水素ガス及び酸素ガスは、上述のように、共に水素ボンベ２５及び酸素ボンベ２７から排出される際に、特に加熱又は冷却を行っておらず室温で排出されている。このため、第１トラップ槽３４及び第２トラップ槽３６での凝縮は室温で行われる。
【００７８】
第１トラップ槽３４及び第２トラップ槽３６にて凝縮された混合気体は、各々室温露点の気体となって第１流量計３８及び第２流量計３９に送られる。第１流量計３８及び第２流量計３９は、流入した混合気体の流量を測定する。本実施例では第１流量計３８及び第２流量計３９として熱線式流量計を用いる。熱線式流量計は、流体が流れる際の温度変化を流量に換算して表示する流量計である。本実施例においては、流量を測定する気体が水素ガス及び酸素ガスであるため、第１流量計３８及び第２流量計３９は、各々水素ガス及び酸素ガス用に目盛り付けされたものである。水素ガス用の目盛り付けとは、上記熱線式流量計が温度変化を流量に換算する際に用いる換算式は流体の種類によって異なるため、水素ガス用の換算式を用いて流量を表示することを意味する。酸素ガス用の目盛り付けに関しても同様である。
【００７９】
以上により、燃料電池３２を通過した後の水素ガス及び水蒸気の混合気体の流量と、酸素ガス及び水蒸気の混合気体の流量とが測定される。
【００８０】
なお、上記にて測定された流量は、混合気体の流量であることから、この流量から水素ガス及び酸素ガスの正確な流量を求める必要がある。水素ガス及び酸素ガスの正確な流量は、上記にて測定した流量に、あらかじめ算出した補正値を用いて補正することにより算出する。補正値は、燃料電池のない系、すなわち、水素ガス及び酸素ガスの濃度変化のない系において、水素ガスと水蒸気との混合気体、及び酸素ガスと水蒸気との混合気体の流量を測定し補正グラフとして算出する。
【００８１】
図６ないし図１２は、補正値を表したグラフである。図６ないし図１２に示すグラフは、燃料電池のない系にて水素ガス及び水蒸気の混合気体、又は酸素ガス及び水蒸気の混合気体の流量を測定した結果であり、いずれの図においても、流量制御手段にて制御された流量の値から流量計にて測定された流量の値を引いた差の値を流量偏差として示している。補正値を求めるパラメータは、水素ガス及び酸素ガスの初期流量（各流量制御手段にて制御する流量）、系内（流路内）の圧力（背圧）、凝縮温度、低沸点側の気体の種類である。高沸点側の気体とは水蒸気である。
【００８２】
図６及び図７は、水素ガス及び酸素ガスの初期流量を変化させた場合の水素ガス及び酸素ガスの流量偏差を示すグラフである。図６及び図７は、水素ガス及び酸素ガスの双方にて、凝縮温度が５℃、１６℃及び３５℃の場合を示している。また、背圧は大気圧である。
【００８３】
図８ないし図１０は、背圧を変化させた場合の水素ガスの流量偏差を示すグラフである。凝縮温度は、図８は５℃、図９は１６℃、図１０は３５℃であり、各図において水素ガスの初期流量が２ｌ／ｍｉｎ、６ｌ／ｍｉｎ、及び９ｌ／ｍｉｎの場合の流量偏差を示している。
【００８４】
図１１及び図１２は、背圧を変化させた場合の酸素ガスの流量偏差を示すグラフである。凝縮温度は、図１１は１６℃、図１２は３５℃であり、各図において酸素ガスの初期流量が２ｌ／ｍｉｎ、６ｌ／ｍｉｎ、及び９ｌ／ｍｉｎの場合の流量偏差を示している。
【００８５】
図６ないし図１２に示すグラフのように、補正値を表すグラフは、各条件において数点の流量を測定し、その間の値は線型補間、スプライン補間等の既存の手法によってもよいし、あるいは、その結果から最小自乗法等によって換算式を導き出してもよい。このようにして、真値へ変換するための補正値をグラフとして保持しておく。なお、本実施例では熱線式流量計について述べているが体積流量計、面積流量計であっても同様にして行えばよい。
【００８６】
上記図６ないし図１２にて流量偏差として示した補正値を用いて、水素ガス及び酸素ガスの正確な流量を求めることができる。例えば、図６において、凝縮温度が３５℃、水素ガスの初期流量が２ｌ／ｍｉｎである場合の流量偏差は、−０．２ｌ／ｍｉｎである。上記気体流量測定装置２４において、第１流量制御手段２８を流れる水素ガスの流量が２ｌ／ｍｉｎであり、第１トラップ槽３４での凝縮温度が３５℃であり、背圧が大気圧である場合には、第１流量計３８にて測定された流量値に、流量偏差の−０．２ｌ／ｍｉｎを足せば、正確な水素ガスの流量となる。
【００８７】
なお、気体流量測定装置２４の条件が、上記条件であることがあらかじめ分かっている場合には、該当する条件の補正値（−０．２ｌ／ｍｉｎ）を用いて、第１流量計３８を水素ガス及び水蒸気の混合気体用に目盛り付けしておき、第２流量計３９を酸素ガス及び水蒸気用に目盛り付けしておくことにより、その測定結果を示す値をもって正確な水素ガス流量、及び酸素ガス流量とすることができる。
【００８８】
以上のようにして、水素ガス及び酸素ガスの濃度が変化する系であっても、濃度変化後の水素ガス及び水蒸気の混合気体、又は酸素ガス及び水蒸気の混合気体の流量を測定するだけで、水素ガス及び酸素ガスの正確な流量を求めることができる。また、燃料電池の流入前の水素ガス流量と、燃料電池から排出された真の水素ガス流量を正確に測定することができるため、その差を求めることにより、燃料電池にて発電に供した水素ガスの正確な量を測定することが可能となる。これにより、例えば、燃料電池の特性評価に用いることができる。また、燃料電池本体から外部へと漏れ出す水素ガスがある場合には、発電量から発電に関わった水素ガス流量を求め、燃料電池に流入する水素ガス流量と排出された水素ガス流量との差と比較することによって、その漏れ出した水素ガスの量を求めることができる。
【００８９】
なお、本実施例における気体流量測定方法は、上記の燃料電池以外にも、例えば、酸素及び窒素と水蒸気との混合気体や、酸素及び窒素とエタノールガスとの混合気体の流量測定にも適用することができる。この場合、流量計は、空気用に目盛り付けされた流量計を用いればよい。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
以上のような本発明に係る気体流量測定装置、及び気体流量測定方法は、完全に分離することが不可能な２種類の成分が混合された気体の、一方の気体の流量を正確に測定することができる装置及び方法であり、混合気体流量測定を必要とする産業分野に広く応用可能である。特に、流量を測定する対象の気体が濃度変化を生じる系においても、簡便かつ精度よく流量を測定することが可能であり、例えば、燃料電池評価装置における、セル出口側水素、酸素、空気流量の計測に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の実施の一形態を示すものであり、気体流量測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の一形態を示すものであり、補正値を算出するための補正用気体流量測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の他の実施の形態を示すものであり、気体流量測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態を示すものであり、気体流量測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例の気体流量測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施例にて算出した補正値を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例にて算出した補正値を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例にて算出した補正値を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例にて算出した補正値を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例にて算出した補正値を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例にて算出した補正値を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例にて算出した補正値を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９２】
１・１２・１８・２４    気体流量測定装置
３・１５・２１ａ・２１ｂ    凝縮槽
４・１６・２２ａ・２２ｂ    温度検出器
５・１７・２３ａ・２３ｂ    流量計
３４    第１トラップ槽（凝縮槽）
３５    第１温度センサ（温度検出器）
３６    第２トラップ槽（凝縮槽）
３７    第２温度センサ（温度検出器）
３８    第１流量計（流量計）
３９    第２流量計（流量計）
【図１】
2005134333.tif 000003
【図２】
2005134333.tif 000004
【図３】
2005134333.tif 000005
【図４】
2005134333.tif 000006
【図５】
2005134333.tif 000007
【図６】
2005134333.tif 000008
【図７】
2005134333.tif 000009
【図８】
2005134333.tif 000010
【図９】
2005134333.tif 000011
【図１０】
2005134333.tif 000012
【図１１】
2005134333.tif 000013
【図１２】
2005134333.tif 000014