JP2005134138A - 精密流量測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 気温、気圧変化などに左右されず、外乱等に強い気体流量の測定を実時間で可能とし、且つ流量計の校正を容易に行うことができるようにする。
【解決手段】 ガス供給系統１のガスボンベ２からパイプ３を介して外部のガス利用機器９に供給されるガスの流量を流量計４によって計測し、演算装置５にその計測結果を出力し、演算装置５ではその計測データの他、秤６の計測データにより所定の流量が供給されるようにバルブ８の開度調整を行うようにしている。この秤６はガスボンベ２の全重量を計測し、所定時間間隔で重量変化を求めるものであり、ガスボンベ２からガスが消費された量としてのガス質量流量を求めて比較器７に入力している。演算装置５に入力する秤６からの精密な流量値によって流量計４を校正して流量計校正データを得る。また秤６と流量計４の流量計測データを統計処理してバルブ８の開度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種のガスを実時間で混合しながら、精密に流量を測定するための実時間校正方法と精密流量測定方法及びその測定方法を実施する測定装置、並びにその測定装置を専ら利用する混合気体供給装置に関する。

従来より流量計は種々の形式のものが、各種分野に利用されており、例えば特開２００１−５１７２３号公報に従来例として示されているようなものが存在する。これは概略図４に示すようなものである。即ち、このガス供給系統６０においては、ガスボンベ５１からパイプ５２を介して外部のガス利用機器５６に供給されるガスの流量を流量計５３によって計測し、演算装置５４にその計測結果を出力し、演算装置５４ではその計測データにより所定の流量が供給されるように演算してバルブ５５の開度調整を行うようにしている。

上記のようにして用いられる流量計は極めて簡単に利用することができるが、気体の供給温度は、その日の気温などに左右され、高々１％程度の精度しか得ることができない。また、混合された気体の場合、それらの物性値は温度、圧力などによる変化が大きいため、流量の精密な測定は難しく、予め測定された物性値データなどから個別に算出する方法がとられており、直接測定することは不可能であった。

一方、各種の分野において種々の成分からなる混合気体を利用することが多い。例えば燃料電池においては、図５に固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの基本構成を示すように、図中のタンク６１の天然ガス、メタノール、石炭ガス等の燃料を改質装置６２によって水素を主成分とするガスに改質し、これを固体電解質を備えた燃料電池本体６３に供給して、水素と酸素の反応により電気を発生させるものであるが、このような燃料電池を高効率にする研究において、実際にどの程度効率が向上したかを知るためには、特に、改質装置６２において改質した後に、燃料電池本体６３に対してアノードガスとして供給される、水蒸気を含んだガスの成分、及びその供給量を実時間で正確に知る必要がある。

即ち、燃料電池の効率を測定するに際して、改質後の燃料によって作動する燃料電池本体の効率については、供給したガスの燃焼熱（Ｑ）に対する発電電力（Ｗ）を求めて、効率（η＝Ｗ／Ｑ）を計算することとなるが、供給したガスの燃焼熱を求めるには供給しているガスの組成及び供給量を実時間で計測して燃焼熱を演算する必要がある。

しかしながら、例えばガスの成分を測定するガス分析を上記のような改質後のガスに対して行うに際して、従来のガスクロマトグラフィーによる測定では、燃料電池ラインからガスをサンプリングして測定するためバッジ処理となり、電池の過渡応答特性等を観測モニターすることができない等、種々の問題がある。また、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）や４重極形質量分析計（ＱＭＳ）によって測定することもできるが、改質によって加えられた水蒸気の凝縮防止対策が必要となるほか、各分析装置特有の種々の問題もあり、これらの分析計を組み合わせて使用してより精度の高い計測を行うことも考えられるが、複雑な作業を必要とし、且ついずれにしても各分析計の標準ガスによる校正は必ず必要とされる。

したがって燃料電池の効率測定に際しては、時々刻々変化するガスの組成を正確に測定することは極めて困難であるため、その対策として例えば改質後に燃料電池本体に供給するガスの標準組成を予め設定し、その標準組成になるようにガスの種類を選択し、各ガスの混合割合を調整して燃料電池本体に供給することが考えられる。このような標準組成のガスが供給される燃料電池において、燃料電池本体を所定の雰囲気で所定の負荷により作動すると、前記のようなガス分析を行う必要が無く正確な効率測定を行うことができる。ここで供給する標準ガスは、各種燃料電池が種々の燃料で使用されることを考慮し、種々の組成のガスを予め決めておくことが望ましい。

上記のような燃料電池の正確な効率測定は、燃料電池の研究開発分野において常に必要となるほか、特に各研究部門で研究開発された燃料電池が、実験条件を統一した基準の状態で、実際にどのような値を示すかを公的機関等で検査する必要がある。その際には特に燃料電池本体に供給されるガスの組成が統一されていることが必要であり、前記のような標準ガスを作って供給することが一つの重要な手法となる。

標準ガスはこのような燃料電池本体に供給するガスに限らず、カソードガスの供給に際しても同様に必要となり、更に、前記のような標準ガスを用いない場合において供給する改質後のガスの組成を前記各種分析計によって精密に測定することができるようになった場合においても、分析計にはその校正のための標準ガスが必要となる。

このような標準ガスを得るには、所定の成分のガスを流量計で正確に測定しつつ所定の流量が供給されるようにバルブの制御を行って混合する必要があり、この場合も前記図４に示したような従来の流量計を用いた場合には、前記と同様に気体の供給温度は、その日の気温などに左右され、高々１％程度の精度しか得ることができない、という問題が生じ、前記のような燃料電池の高精度の効率測定に際してはこのような流量計を使用することはできない。

また、前記のように流量計は各種の分野で広く利用されており、正確な測定を長期間維持するためには定期的に校正を行う必要があるが、流量計の校正には多くの手数と時間を要するため、何らかの対策が望まれている。
特開２００１−５１７２３号公報

本発明が解決しようとする課題は、気温、気圧変化などに左右されず、外乱等に強い気体流量の測定を実時間で可能とし、且つ流量計の校正を容易に行うことができる精密流量測定方法及びその測定方法を実施する装置を提供する点である。

本発明による精密流量測定方法は、供給される気体の質量流量を質量流量計によって計測し、前記質量流量計のデータにより前記気体の流量を測定する他の流量計を校正して精密流量計とし、前記両流量計の流量計測データにより流量供給管のバルブを制御するようんびしたものである。

また、本発明による他の精密流量測定方法は、供給される気体の流量を質量流量計で校正された精密流量計によって計測し、前記精密流量計の計測データにより、前記気体の流量を測定する他の流量計である計測用流量計を校正し、前記両流量計の流量データにより流体供給管のバルブを制御するようにしたものである。

また、本発明による精密流量測定装置は、供給される気体の質量流量を計測する質量流量計と、前記気体の流量を計測する他の流量計と、前記質量流量計のデータにより前記他の流量計を校正して精密流量計とする手段と、前記両流量計の流量計測データにより流量供給管のバルブを制御する制御手段とを備えたものである。

また、本発明による他の精密流量測定装置は、質量流量計測手段で校正され、供給される気体の流量を計測する精密流量計と、前記気体の流量を計測する他の流量計である計測用流量計と、前記精密流量計の計測データにより、前記計測用流量計を校正する手段と、前記両流量計の流量データにより流体供給管のバルブを制御する制御手段とを備えたものである。

また、本発明による他の精密流量測定装置は、前記精密流量測定装置を複数備え、各精密流量測定装置の前記バルブ制御手段で制御された気体を混合して供給する精密流量測定装置利用混合気体供給装置としたものである。

また、前記複数の精密流量測定装置からの複数の気体を所定割合で混合し、標準ガスを得る精密流量測定装置利用混合気体供給装置としたものである。

また、前記精密流量測定装置利用混合気体供給装置で得られた標準ガスは、燃料電池に供給するガスとして利用するものである。

本発明は上記のように構成したので、二次標準となりうる質量法での流量測定を用いて、実時間で逐次校正しながら、流量の高精度な測定及び制御を行うことができる。したがって、高純度成分ガスの定量供給に関する実用標準としての精密流量制御が可能となる。また、高精度混合ガス製造について、標準へ関連づけうるトレーサビリティー領域が拡大し、利用価値を高くすることが可能となる。そのため、高精度流量測定のトレーサビリティー拡大と同時に実時間校正制御方式による高精度化の両方の効果によって、ガス利用機器への正確な性能評価を可能とし、省エネルギー化に寄与することができる。

本発明は、気温、気圧変化などに左右されず、外乱等に強い気体流量の測定を実時間で可能とし、且つ流量計の校正を容易に行うことができる精密流量測定方法及びその測定方法を実施する装置を得るため、供給される気体の質量流量を質量流量計によって計測し、前記質量流量計のデータにより前記気体の流量を測定する他の流量計を校正して精密流量計とし、前記両流量計の流量計測データにより流量供給管のバルブを制御する精密流量測定方法とし、また、供給される気体の質量流量を計測する質量流量計と、前記気体の流量を計測する他の流量計と、前記質量流量計のデータにより前記他の流量計を校正して精密流量計とする手段と、前記両流量計の流量計測データにより流量供給管のバルブを制御する制御手段とを備えた精密流量測定装置としたものである。

本発明の流量計において最も基本となる実施例を図１に示している。図１に示す流量計においては、前記図４に示す従来例と同様に、ガス供給系統１のガスボンベ２からパイプ３を介して外部のガス利用機器９に供給されるガスの流量を流量計４によって計測し、演算装置５にその計測結果を出力し、演算装置５ではその計測データの他、後述するような秤６の計測データも用いて、所定の流量が供給されるようにバルブ８の開度調整を行うようにしている。

図１に示す実施例においては、ガスボンベ２の全重量を計測する秤６を備えており、その重量を演算装置５に入力し、所定時間間隔で重量変化を求め、ガスボンベ２からガスが消費された量としてのガス質量流量を求めて比較器７に入力している。秤６によってガスボンベ全体の重量を測定することは、近年の電子天秤等の技術進歩により極めて高精度で測定することが可能となっており、ボンベ内のガスの消費による重量変化は精度０．１％程度で精密に測定することが可能であり、更に気圧変化による浮力補正を行うことで０．０１％オーダーも可能となる。したがって所定時間間隔で重量変化を求めて統計処理を行うと、正確なガス流量を求めることができ、二次標準の流量計として用いることが可能である。

流量計４はその周囲が正確に温度コントロールされており、ある程度正確な流量を検出することができるがこの流量計４は市販の一般的な流量計であるため、このシステムで作動させる前においては通常の誤差を含んでいる。したがってこの流量計４からの流量計測データは演算装置５内の比較器７で比較を行うことにより、前記二次標準としての秤６からの流量計測データと統計処理を行うことによって校正することができる。図１においてはこれを演算装置５内の流量計校正データ１０として示している。

また、このような流量計校正データ１０はそれ以降に流量計４から入力されるデータに対する校正データとして利用することができるので、流量計４のデータを正確なデータの一つとして利用することができ、秤６からの質量流量の計測データと共に統計処理を行うことにより極めて正確な流量データを得ることができる。また、その流量データに基づいてバルブ８を操作することにより、正確な流量のガスを供給することができる。したがって、前記流量計４と、秤６と、それらの計測データによって操作されるバルブ８及びこれらのデータを処理しバルブを制御する演算装置５は、全体として極めて精密な流量制御を行う精密流量制御装置１１となる。

上記のように、本発明は単なる質量法方式から精密流量制御装置１１に置き換えることによって、流量の測定のみならず実時間における質量流量制御ができるため、流量測定と流量制御の両方が可能になるばかりでなく、質量法からの値による流量計の実時間校正を行うこともできるようになる。

このようにして質量法によって校正されて精密流量計となった流量計４は、例えば図２（ａ）に示すように一般的な各種の流量測定に使用することができ、図示の例においては、この校正された精密流量計４を用いて、そのデータを演算装置５に入力し、バルブ８を操作して所定の流量を得ることができるようにしている。なお、このとき前記図１の流量計４は校正される他の流量計と交換されることとなる。

図２（ａ）に示す例においては、バルブ８の下流に通常使用する計測用流量計１５を配置し、この計測用流量計１５の計測データを演算装置５に入力している。演算装置５においては、前記精密流量計４のデータと計測用流量計１５のデータとを統計処理しつつ比較し、計測用流量計１５の校正を行うことができる。

したがって、上記のような一連の校正手法により、図２（ｂ）に示すように、前記図１に示す秤６を用いた質量法によって二次標準流量計２１が得られ、このときに併用する流量計４はこの二次標準流量計２１によって校正されてＭＦＣ流量計等の精密流量計２２が得られる。更に図２（ａ）に示す計測用流量計１５はこの精密流量計２２によって校正されて、計測用流量計２３が得られる。このようにして、実際の流量計測を行っているときに、他の流量計を実時間で校正することができ、極めて容易に各種流量計の校正を行うことができる。また、このときこれらの校正に伴う統計的処理により、気温、気圧などの影響による流量値の変動に短時間で追従できる精密な測定、制御が可能となる。

一方、前記図１に示すような精密流量制御装置１１によって極めて正確なガスを供給することができる特性を利用し、例えば図３に示すように、所定の成分のガスを所定量ずつ混合する標準ガス製造手段として利用することができる。

図３に示す例においては、第１ガスボンベ３２の第１ガスと、第２ガスボンベ４２の第２ガスとを混合器３９で混合し、この混合ガスの使用機器に供給する例を示しており、第１ガスボンベ３２の第１ガスは前記図１に示した精密流量制御装置と同様の構成をなす第１精密ガス制御装置３１によって制御され、第２ガスボンベ４２の第２ガスは同様の構成をなす第２精密流量制御装置４１によって制御される。なお、各精密流量制御装置の構成は前記のものと同様であるのでその説明は省略する。上記のような精密ガス制御装置を用いて、更に各種の成分を収容したガスボンベから所定の成分のガスを所定量供給し、混合することができる。

このような装置により、例えば燃料電池の効率を精密に測定するとき、その燃料電池に供給される改質後のガスの標準的な成分と同一成分のガスを所定の精密な混合割合で混合し、これを標準ガスとしてボンベに詰めて研究部署等に搬送することもできる。また、これらの混合ガスをボンベに詰めて搬送するほか、燃料電池へのガス供給管路と前記混合器２９とを接続し、燃料電池を運転しながら前記混合ガスの供給を行うようにすることもでき、その際には高価な標準混合ガスを購入する必要が無くなる。

また、所定の成分のガスを所定量だけ実時間で供給することができる。そのため、例えば燃料電池の過渡特性データを得るため、流量の制御を随時行う必要があるとき、各演算装置３５に予め流量制御データに基づいてバルブを操作できるようにプログラムしておくことによって、容易に燃料電池の過渡特性を含めた種々の負荷における効率の測定を行うことができる。

本発明は、前記のような燃料電池に供給する標準ガス製造に限らず、各種の混合ガスの供給分野、更に各種の単一成分ガスの供給分野に広く利用することができる。

本発明の実施例の流量測定系統を示す図である。 本発明の他の実施例の流量測定系統を示す図である。 本発明による精密流量測定装置を複数用いて混合気体供給装置を構成した例を示す図である。 従来の流量測定系統を示す図である。 固体電解質燃料電池システムの基本構成を示す図である。

符号の説明

１ ガス供給系統
２ ガスボンベ
３ パイプ
４ 流量計
５ 演算装置
６ 秤
７ 比較器
８ バルブ
９ ガス使用機器
１０ 流量計校正データ
１１ 精密流量制御装置

Claims (7)

1. 供給される気体の質量流量を質量流量計によって計測し、
   前記質量流量計のデータにより前記気体の流量を測定する他の流量計を実時間校正して精密流量計とし、
   前記両流量計の流量計測データにより流量供給管のバルブを制御することを特徴とする精密流量測定方法。
2. 供給される気体の流量を質量流量計で校正された精密流量計によって計測し、
   前記精密流量計の計測データにより、前記気体の流量を測定する他の流量計である計測用流量計を実時間校正し、
   前記両流量計の流量データにより流体供給管のバルブを制御することを特徴とする精密流量測定方法。
3. 供給される気体の質量流量を計測する質量流量計と、
   前記気体の流量を計測する他の流量計と、
   前記質量流量計のデータにより前記他の流量計を実時間校正して精密流量計とする手段と、
   前記両流量計の流量計測データにより流量供給管のバルブを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする精密流量測定装置。
4. 質量流量計測手段で校正され、供給される気体の流量を計測する精密流量計と、
   前記気体の流量を計測する他の流量計である計測用流量計と、
   前記精密流量計の計測データにより、前記計測用流量計を実時間校正する手段と、
   前記両流量計の流量データにより流体供給管のバルブを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする精密流量測定装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の精密流量測定装置を複数備え、
   各精密流量測定装置の前記バルブ制御手段で制御された気体を実時間で混合して供給することを特徴とする精密流量測定装置利用混合気体供給装置。
6. 前記複数の精密流量測定装置からの複数の気体を所定割合で実時間で混合し、標準ガスを得ることを特徴とする請求項５記載の精密流量測定装置利用混合気体供給装置。
7. 前記標準ガスは燃料電池に供給するガスであることを特徴とする請求項６記載の精密流量測定装置利用混合気体供給装置。
   

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