特開 2023-28677 水素流量濃度計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023028677

(43)【公開日】2023-03-03

(54)【発明の名称】水素流量濃度計

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/66 20220101AFI20230224BHJP

   G01N 29/024 20060101ALI20230224BHJP

【ＦＩ】

G01F1/66 101

G01N29/024

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021134529

(22)【出願日】2021-08-20

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002527

【氏名又は名称】弁理士法人北斗特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松田 正誉

(72)【発明者】

【氏名】三好 麻子

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 真人

【テーマコード（参考）】

2F035

2G047

【Ｆターム（参考）】

2F035DA03

2F035DA13

2F035DA14

2F035DA19

2G047AA01

2G047BC02

2G047BC15

2G047EA10

2G047GG43

(57)【要約】

【課題】水素を含む混合ガスが高湿度の状態であっても、水素の流量や濃度を計測できる計測装置の提供を目的とする。
【解決手段】計測流路１の流れをよぎる様に配置された超音波送受波器２、３と、超音波送受波器２、３間の超音波伝搬路６における水素を含む被計測混合ガスの温度、圧力、相対湿度を計測するための温度センサ９、１０と圧力センサ１１と、相対湿度センサ１３とを有した構成において、超音波送受波器２、３間の伝搬時間と、温度センサ９、１０、圧力センサ１１、および相対湿度センサ１３、それぞれの計測値とを用いることにより、被計測混合ガスが高湿度状態であっても、水素の流量と濃度を精度良く計測することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素を含む混合ガスが流れる計測流路と、
前記混合ガスの流れをよぎるように前記計測流路に配置された一対の超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器間で超音波の送受信を行うための送受信回路と、
前記送受信回路の信号を処理するための第１の信号処理部と、
前記混合ガスの温度、圧力、湿度を計測するためのセンサ部と、
前記センサ部を用いて、前記混合ガスの温度、圧力、湿度の計測値を取得する第２の信号処理部と、
前記第１の信号処理部において得られた超音波送受波器間の伝搬時間と、前記第２の信号処理部において得られた、前記温度、前記圧力、および前記湿度の計測値と、を用いて、前記混合ガスの水素の流量、および濃度を算出する演算部と、
を備えた水素流量濃度計。

【請求項2】

前記計測流路は、仕切板で区切られた多層流路により構成した請求項１記載の水素流量濃度計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波を用いた水素流量濃度計の構成に関するものである。

【背景技術】

【0002】

燃料電池や、燃料電池車（ＦＣＶ）等、燃料電池を使用する分野において、高湿度の水素混合ガスにおける、水素の流量と濃度の計測が必要とされている。

【0003】

従来、水素を含む混合ガスの濃度を計測する方法として、超音波を利用するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

この装置では、まず、超音波の伝搬時間計測値より混合ガスの音速を求め、その値と計測温度を用いて、混合ガスの平均分子量を求める。次に、既知である成分ガスそれぞれの分子量を用いて、成分ガスである水素の濃度を求める。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０－９１４８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、前記従来の構成では、成分ガスである水素の濃度を求めるに際して、対象ガスが高湿度状態である場合の水素濃度計算については記載されておらず、高湿度状態にある混合ガスの水素濃度計測が課題となっていた。

【0007】

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水素を含む混合ガスが高湿度状態であっても、その混合ガスの水素の流量や濃度を精度よく計測できる計測装置の提供を目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記従来の課題を解決するために、本発明の水素流量濃度計は、水素を含む混合ガスが流れる計測流路と、前記混合ガスの流れをよぎるように前記計測流路に配置された一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間で超音波の送受信を行うための送受信回路と、前記送受信回路の信号を処理するための第１の信号処理部と、前記混合ガスの温度、圧力、湿度を計測するためのセンサ部と、前記センサ部を用いて、前記混合ガスの温度、圧力、湿度の計測値を取得する第２の信号処理部と、前記第１の信号処理部において得られた超音波送受波器間の伝搬時間と、前記第２の信号処理部において得られた、前記温度、前記圧力、および前記湿度の計測値と、を用いて、前記混合ガスの水素の流量、および濃度を算出する演算部と、を備えたことにより、被計測流体が高湿度の状態でも、被計測流体に含まれる水素の流量、濃度を精度良く計測でき、実用的な水素流量濃度計を実現できる。

【発明の効果】

【0009】

本発明の水素流量濃度計は、計測対象の混合ガスが高湿度であっても、相対湿度・温度・圧力の計測値を用いて対象とするガスに含まれている水素の流量、濃度を精度良く計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施の形態１における水素流量濃度計の構成断面図

【図2】本発明の実施の形態１における図１のＡ－Ａ部分断面図

【図3】本発明の実施の形態１における水素流量濃度計の流路部の外観斜視図

【図4】本発明の実施の形態１における水素流量濃度計の構成要素の分解組立図

【発明を実施するための形態】

【0011】

第１の発明は、水素を含む混合ガスが流れる計測流路と、前記混合ガスの流れをよぎるように前記計測流路に配置された一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間で超音波の送受信を行うための送受信回路と、前記送受信回路の信号を処理するための第１の信号処理部と、前記混合ガスの温度、圧力、湿度を計測するためのセンサ部と、前記センサ部を用いて、前記混合ガスの温度、圧力、湿度の計測値を取得する第２の信号処理部と、前記第１の信号処理部において得られた超音波送受波器間の伝搬時間と、前記第２の信号処理部において得られた、前記温度、前記圧力、および前記湿度の計測値と、を用いて、前記混合ガスの水素の流量、および濃度を算出する演算部と、を備えた構成とすることで、前記流れに含まれる水素の流量、濃度を算出するもので、計測対象ガスが高湿度の状態でも、計測された温度・圧力・相対湿度を用いて水素の流量、濃度を精度良く計測でき、実用性の高い水素流量濃度計を実現できる。

【0012】

第２の発明は、第１の発明において、前記計測流路は、仕切板で区切られた多層流路により構成したことで、流れの整流化、乱れの安定化が図られ、計測物理量（温度、圧力、相対湿度）の変動を抑えることができ、安定した流量および濃度の計測が実現できる。

【0013】

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

【0014】

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0015】

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１～図４を用いて説明する。

【0016】

［１－１．構成］
図１は本発明の実施の形態１における水素流量濃度計の本体断面と構成要素を示す構成図であり、図２は図１のＡ－Ａ断面を示す部分断面図である。

【0017】

図１、図２において、流路部本体１７の中央には、水素を含む混合ガスなどの被計測流体が流れる計測流路１が形成されており、計測流路１には、被計測流体の流れをよぎるように上流と下流に配置された一対の超音波送受波器２、３と、この一対の超音波送受波器２、３間で超音波の送受信を行うための送受信回路４ａと、送受信回路４ａの信号を処理するための第１の信号処理部５ａとがある。

【0018】

送受信回路４ａは、超音波送受波器２、３と電気的に接続されて信号の送受を行い、第１の信号処理部５ａは送受信回路４ａと接続されて信号の処理を行う。送受信回路４ａから延びた線の末端にかかれた記号Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ、超音波送受波器２、３との接続を表している。

【0019】

そして、超音波送受波器２、３間において超音波を伝搬させる超音波伝搬路６が形成さ
れる。

【0020】

本実施の形態１では、計測流路１の高さＨ、幅Ｗの矩形断面の高さＨ方向を５つの仕切板７により６つに分割し多層流路８を形成している。この構成により多層の各層の流路断面のアスペクト比を大きくし、流れの二次元化を図ると共に、レイノルズ数を低減化し、流れの整流、乱れの安定化を図っている。

【0021】

また、被計測流体の温度、圧力、湿度を計測する為のセンサ部４ｂを有しており、センサ部４ｂは、後述する温度センサ、圧力センサ、相対湿度センサで構成されている。

【0022】

超音波伝搬路６における被計測流体の温度を計測するため、計測流路１の入口側および出口側には温度センサ９、１０を設けている。

【0023】

また、被計測流体の圧力を計測する圧力センサ１１は、超音波伝搬路６の流れ方向の中央部に配置しており、多層に形成した超音波伝搬路６では最外側層に連通する圧力接続孔１２を介して計測するように構成されている。

【0024】

また、相対湿度センサ１３は、超音波伝搬路６における流れに対しての影響が生じないよう、超音波伝搬路６よりも下流側への配置とし、流路部本体１７の上面から、流れ方向に対して下流側に向けて鋭角の角度θで斜めに挿入されている。

【0025】

相対湿度センサ１３の外周部には、隙間状の外周路１５ａを形成し、相対湿度センサ組込孔１５には多層流路８に連通する連通路１６を形成している。この連通路１６は相対湿度センサ組込孔１５にほぼ直交する方向に設けている。これにより、多層流路８から斜め上方に向かう連通路１６と多層流路８の下流側に開口する外周路１５ａとでバイパス流路が形成されている。

【0026】

そして、温度センサ９、１０、圧力センサ１１および相対湿度センサ１３からなるセンサ部４ｂにより温度、圧力、湿度の計測が行われ、得られた信号は、第２の信号処理部５ｂにて処理される。

【0027】

なお、それぞれのセンサからの電気信号は、別々の配線により、センサ部４ｂと接続されているが、ここでは、便宜上、１本の線で示している。また、線から分岐している末端に書かれている記号、Ｔｐ１、Ｔｐ２、Ｐｒ、Ｈｕは、それぞれ、温度センサ９，１０，圧力センサ１１，相対湿度センサ１３との接続を表している。

【0028】

演算部３０は、第１の信号処理部５ａからの信号と、第２の信号処理部５ｂからの信号に基づき、演算処理を行う。

【0029】

以上の構成において、超音波伝搬路６の上流側と下流側に温度センサ９、１０を配置することで、超音波伝搬や流れに影響を与えることなく、超音波伝搬路６における流体温度を正確に推定する事ができる。

【0030】

また、超音波伝搬路６の中央部に圧力センサ１１を配置し、多層流路８の最外側層に配置することで圧力接続孔１２による流れへの影響が超音波伝搬路６の他の多層流路におよぶのを低減でき、超音波伝搬や流れに大きな影響を与えることなく、超音波伝搬路における流体圧力を推定する事ができる。

【0031】

この様な相対湿度の計測において、相対湿度センサ１３に被計測流体中の水分が凝縮などで付着した場合は計測に支障をきたす。この様な状況を回避するため、多層流路８から
連通路１６を介して、相対湿度センサ１３の外周側の隙間状の外周路１５ａを経由して、多層流路下流側に連通するバイパス通路を形成している。

【0032】

これにより、相対湿度センサ１３の周囲に結露が生じても、滞留することなく、流出させることができる。流速が早い場合には、このバイパス通路により、液滴を下流側に吹き飛ばすことができる。また、流速が遅い場合でも、相対湿度センサ１３およびその周囲の外周路１５ａ、連通路１６共に、計測流路１における流れ方向に対して傾斜しているため、計測流路１が図１のように水平状態に置かれていても、液滴は重力で滴下する。

【0033】

また、外周路１５ａと連通路１６の傾斜方向は計測流路１の鉛直方向に対して互いに逆方向に傾斜しているため、計測流路１の出口が上方に傾斜していても、下方に傾斜していても外周路１５ａか、連通路１６のいずれかが、下方傾斜となるため、重力による滴下が保証されるものである。

【0034】

なお、より重力滴下を促すためには、断面積の広い連通路１６側への滴下を容易にするため、計測流路１を、その出口側が上方になるように設置するのが良い。場合によっては、計測流路１をその出口側を上方として、計測流路１が鉛直になるように設置しても良い。
［１－２．動作］
次に、本発明の水素流量濃度計の動作について説明する。

【0035】

被計測流体は、水素を含む混合ガスであり、高湿度の状態で、図１の白抜き矢印で示す方向より流入する。

【0036】

このとき、超音波送受波器２、３間では、超音波伝搬路６を経由して超音波の送受信を行い、この間の超音波の順方向（下流から上流方向）の伝搬時間（ｔｕｐ）と逆方向（下流から上流方向）の伝搬時間（ｔｄｗ）を送受信回路４ａおよび第１の信号処理部５ａにより計測する。

【0037】

このようにして得られた伝搬時間を基に、公知の方法により、演算部３０にて、流速を求め、計測流路１の断面積を乗じて流量を求めることができる。

【0038】

この値に、後に述べる温度センサ９，１０から得られる温度、および圧力センサ１１から得られる圧力を用いて補正を施すことにより、標準状態の流量（Ｑ）を得る。

【0039】

また、上記の様にして求めた流量（Ｑ）のうち、水素のみの流量は、後に述べる、水素濃度を求めた後、上記の流量（Ｑ）に、この水素濃度を乗じることで求めることができる。

【0040】

被計測流体の温度の測定は、計測流路１の上流側の温度センサ９による上流側の温度（Ｔ１）の計測と、下流側に設けた温度センサ１０による下流側の温度（Ｔ２）を計測して行われる。これら上流側の温度信号と下流側の温度信号とは、第２の信号処理部５ｂに取込まれ処理された後、それぞれの温度として演算部３０に送られる。この２つの温度を基に、演算部３０にて平均化された温度（計測温度Ｔｍ）が求められる。

【0041】

被計測流体の圧力の測定は、多層流路８により流れを安定化させた超音波伝搬路６の流れ方向の中央部におかれた圧力センサ１１により行われる。圧力センサ１１からの信号は、第２の信号処理部５ｂに取込まれ処理された後、圧力（ｐ）として演算部３０に送られる。

【0042】

被計測流体の相対湿度の測定は、超音波伝搬路６よりも下流側に配置した相対湿度センサ１３により行われる。相対湿度センサ１３からの信号は、第２の信号処理部５ｂに取込まれ処理された後、相対湿度の値（ｈ）として演算部３０に送られる。

【0043】

［１－３．濃度計測の方法］
この様にして計測により得られた被計測流体の物理量（伝搬時間、温度、圧力、相対湿度）を用いて、水素濃度を算出する方法を以下に述べる。

【0044】

まず、２種類の混合ガスにおける濃度については、以下のような手順で求めることができる。

【0045】

気体の音速ｃ、分子量Ｍ、比熱比γ、絶対温度Ｔ、気体定数Ｒには次の関係式がある。

【0046】

【数1】

【0047】

ここで音速ｃは、超音波センサ間の距離Ｌと計測した伝搬時間ｔ_ｕｐ、ｔ_ｄｗの平均値ｔ_ａｖｅから求められ、次式となる。

【0048】

【数2】

【0049】

また、２種の気体の物性を、それぞれ気体１（分子量Ｍ_１、定圧比熱Ｃ_ｐ１、定積比熱Ｃ_ｖ１）と気体２（分子量Ｍ_２、定圧比熱Ｃ_ｐ２、定積比熱Ｃ_ｖ２）と設定し、気体１の濃度をｘとした場合、混合ガスの分子量、比熱比は以下の様に記述できる。

【0050】

【数3】

【0051】

【数4】

【0052】

式（１）に、式（２）～（４）および計測温度Ｔｍを絶対温度Ｔに換算して代入し、ｘについて解くことにより、濃度ｘを求めることができる。

【0053】

今、混合ガスを水素、窒素、水蒸気の３成分からなるものとする。これらの分子量、定積比熱、定圧比熱は既知である。

【0054】

まず、混合ガスにおける水蒸気濃度は、計測された相対湿度（ｈ）、水蒸気分圧（ｐ）、計測温度（Ｔｍ）より求めることができる。このとき、式（３）、（４）と同様にして混合ガスの分子量と比熱比を記述し、水素濃度をｘとして、式（１）をｘについて解くことにより、水素濃度ｘを求めることができる。

【0055】

［１－４．効果］
以上に示した如く、水素を含む混合ガスが流れる計測流路１と、混合ガスの流れをよぎるように計測流路１に配置された一対の超音波送受波器２，３と、一対の超音波送受波器２，３間で超音波の送受信を行うための送受信回路４ａと、送受信回路４ａの信号を処理するための第１の信号処理部５ａと、混合ガスの温度、圧力、湿度を計測するためのセンサ部４ｂと、センサ部４ｂを用いて、混合ガスの温度、圧力、湿度の計測値を取得する第２の信号処理部５ｂと、第１の信号処理部５ａにおいて得られた超音波送受波器２，３間の伝搬時間と、第２の信号処理部５ｂにおいて得られた、温度、圧力、および湿度の計測値と、を用いて、混合ガスの水素の流量、および濃度を算出する演算部３０と、を備えたことで、高湿度の環境下でも水素を含む混合ガスにおける水素濃度の計測精度を確保することができ、実用的な流量および濃度計測を実現することができる。

【0056】

また、計測流路１を仕切板７で区切って多層化した構成とすることにより、流れの整流化により計測物理量（温度、圧力、相対湿度）の変動を抑えることができ、安定した計測が可能となり、精度の良い計測が可能となる。

【0057】

なお、本実施の形態では、温度センサは超音波伝搬路の上流側と下流側に２個設置したが、いずれか一個でも超音波伝搬路での温度を推定することができる。

【0058】

さらに流れや超音波伝搬への影響が少ない形態であれば、超音波伝搬路への挿入も可能である。

【0059】

また、圧力センサは超音波伝搬路に直接開口する場合を示したが、圧力連通路を利用して、圧力センサを流路から離れた位置に配置することも可能である。また、本実施の形態では多層流路の、最外層側の上面に配置する構成を示したが、多層にわたって計測して平均化された圧力を得ることができる側方配置も可能である。

【0060】

また、相対湿度センサは超音波伝搬路の下流側に配置する構成を示したが、連通路を利用して、相対湿度センサを流路から離れた位置に配置することも可能である。さらに、小型コンパクトで低コストの相対湿度センサを超音波伝搬路の上流側と下流側に２個配置して平均化した値を採用することもできる。

【0061】

［１－５．組立構成］
図３、図４は、図１、図２で示した水素流量濃度計の組立構成について示したものであり、図３は、水素流量濃度計１００の流路部１４の外観斜視図であり、図４は、図３における水素流量濃度計１００の全体の分解組立図である。

【0062】

図３は、超音波送受波器２、３、温度センサ９、１０、圧力センサ１１および相対湿度センサ１３を配置した流路部１４の外観斜視図である。流路部本体１７は、図１に示す様に計測流路１を収容しており、配管接続するため、計測流路１の入口側に入口接続部１８を設け、出口側には出口接続部１９を備えている。

【0063】

図４は、水素流量濃度計１００の構成要素の分解組立図である。流路部本体１７は、計測流路１を収容すると共に、その上方には温度センサ９、圧力センサ１１、相対湿度センサ１３を挿入する取付穴２０ａ、２０ｂ、２０ｃが設けられ、図４の手前側面には超音波送受波器３を挿入する取付穴２０ｄを配置し、さらに送受信回路４ａおよび第１の信号処理部５ａ、第２の信号処理部５ｂが配置された制御基板２１を取り付ける為の複数の取付部２２を設けている。図４の奥側側面には超音波送受波器２を挿入する取付穴２０ｅ（図示せず）を配置している。

【0064】

なお、超音波送受波器２、３、温度センサ９、１０、圧力センサ１１および相対湿度センサ１３は、それぞれ気密シール部材２３を介して流路部本体１７に気密に取付けられて、流路部１４が構成される。そして、流路部１４に、制御基板２１がビス２６により取付部２２にビス止めし、外装ケース２４を上から覆い被せるように組付けることで装置全体が組み立てられる。なお、図３，４において、超音波送受波器２、３、温度センサ９、１０、圧力センサ１１および相対湿度センサ１３と制御基板２１との配線及び、外部と接続する為の接続コネクタ２７、２８と制御基板２１との配線は省略している。

【0065】

このように、流路部本体１７に、上面および両側面から超音波送受波器２、３、温度センサ９、１０、圧力センサ１１、相対湿度センサ１３および制御基板２１を組付け、上方から外装ケース２４を組付ける構成として、コンパクトな装置を具現化している。この構成により、組立が容易となり生産性の向上が図れる。

【0066】

以上、本発明の実施の形態においては、計測流路１を多層で構成したが、仕切板７で分割しない単層の構成も可能である。また、その計測流路１の断面形状も矩形断面に限るものではなく円形断面や略円形断面であっても良い。

【産業上の利用可能性】

【0067】

以上のように、本発明の水素流量濃度計は、水素を含む混合ガスが高湿度状態であっても、水素の流量、濃度を精度良く計測できるため、そのような状況を生じる、燃料電池、燃料電池車を始め、燃料電池を使用する各種用途の制御用計測部品として、幅広く適用が可能である。

【符号の説明】

【0068】

１ 計測流路
２、３ 超音波送受波器
４ａ 送受信回路
４ｂ センサ部
５ａ 第１の信号処理部
５ｂ 第２の信号処理部
６ 超音波伝搬路
７ 仕切板
８ 多層流路
９、１０ 温度センサ
１１ 圧力センサ
１２ 圧力接続孔
１３ 相対湿度センサ
１４ 流路部
１５ 相対湿度センサ組込孔
１５ａ 外周路
１６ 連通路
１７ 流路部本体
１８ 入口接続部
１９ 出口接続部
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ 取付穴
２１ 制御基板
２２ 取付部
２３ 気密シール部材
２４ 外装ケース
３０ 演算部
１００ 水素流量濃度計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】