JP4254263B2 - ガス流量測定装置及びガス流量測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定ガスの質量流量を測定するガス流量測定装置及びガス流量測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンのエアフローメータに採用しうるガス流量測定装置として、次のものが知られている。すなわち、センサ素子中央に設置されたヒータにより、このヒータの上下流各側に設置された測温抵抗体を加熱し、被測定ガスが素子上を流れるときに検出される抵抗値の差から、被測定ガスの流量を単位時間当たりの通過質量として検出するガス流量測定装置である（下記特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１９４２０２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような熱式流量センサには、次のような問題がある。すなわち、測温抵抗体に生じる抵抗値の変化は、被測定ガスの流量に依存するばかりでなく、その組成にも依存している。組成の変化により被測定ガスの熱伝導率が変化するからである。このため、自動車用エンジンの吸気管内におけるなど、被測定ガスの組成が経時的に変化しない場合は、このセンサにより正確に流量を測定することができる。ところが、被測定ガスの組成が変化する場合は、測定結果にこの変化分に応じた誤差が生じてしまう。具体的には、燃料電池発電システムにおいて燃料ガスの流量を測定する場合に、この被測定ガスに高い濃度で水蒸気が含まれ、かつその濃度が大きく変化することがあることから、充分な精度を期待することができなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、被測定ガスの組成が変化したとしても、被測定ガスの流量を正確に測定することができ、さらに被測定ガスに含まれる特定ガス成分の流量をも測定することができる装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明では、被測定ガスに特定ガス成分としての若しくはこれとは異なるガスとしての対象ガスを添加するか、対象ガスを被測定ガスから抽出する手段を設け、この手段の上流における特定ガス成分の濃度を検出するとともに、その下流における対象ガスを添加又は抽出した後の特定ガス成分の濃度を検出し、これら検出された特定ガス成分の濃度と、前記手段により添加又は抽出された対象ガスの量とに基づいて、特定ガス成分の流量を算出する。
【０００７】
本発明によれば、被測定ガスの組成が変化した場合でも、その特定ガス成分の流量を正確に測定することが可能となる。また、特定ガス成分の濃度を同時に検出するので、この濃度を把握する必要がある場合は、特に有用である。
【０００８】
また、本発明では、被測定ガスに特定ガス成分としての若しくはこれとは異なるガスとしての対象ガスを添加するか、対象ガスを被測定ガスから抽出する手段を設け、この手段の上流における特定ガス成分の濃度、対象ガスを添加又は抽出した後の特定ガス成分の濃度、及び対象ガスの添加若しくは抽出前又は添加若しくは抽出後の被測定ガス又は特定ガス成分の流量を検出し、これら検出された特定ガス成分の濃度と、被測定ガス又は特定ガス成分の流量とに基づいて、前記手段により添加又は抽出された対象ガスの量を算出する。そして、対象ガスの添加又は抽出前の被測定ガスの流量が検出される場合は、検出された被測定ガスの流量に算出された対象ガスの量を加算して、対象ガスの添加又は抽出後の被測定ガスの流量を算出することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明による流量の測定原理について、図１により説明する。同図（ａ）は、流量の測定に際して被測定ガスに対象ガスが添加される場合を、（ｂ）は、被測定ガスから対象ガスが抽出される場合を示している。対象ガスとして添加又は抽出されるガスは、濃度の検出対象である被測定ガスの特定ガス成分であってもよいし、それ以外のガス（被測定ガスを組成するガス成分（以下「組成ガス成分」という。）を含む。）であってもよい。
【００１０】
符号１０，２０は、被測定ガスが流れる通路を示しており、これらの通路１０，２０の接続部に他の通路３０が接続されている。通路３０は、対象ガスが流れる通路である。通路１０，２０と通路３０との接続部には、ガス成分増減手段４０が設けられている。記号Ｑ，ｑ，Ｃ及びｑｘの添え字は、通路１０〜３０の別を示しており、Ｑ１，ｑ１，Ｃ１及びｑｘ１は、ガス成分増減手段４０の上流における被測定ガスＡの状態量として、被測定ガスの流量、特定ガス成分の流量、特定ガス成分の濃度及び特定ガス成分以外の組成ガス成分の流量を示している。同様に、Ｑ２，ｑ２，Ｃ２及びｑｘ２は、ガス成分増減手段４０の下流における被測定ガスＢの状態量として、被測定ガスの流量、特定ガス成分の流量、特定ガス成分の濃度及び特定ガス成分以外の組成ガス成分の流量を示している。Ｑ３，ｑ３，Ｃ３及びｑｘ３は、通路３０を流れるガスＣの状態量として、全流量、特定ガス成分の流量、特定ガス成分の濃度及び特定ガス成分以外のガスの流量を示している。
【００１１】
第１の類型として、対象ガスとして被測定ガスの特定ガス成分が添加される場合について説明する。
図１（ａ）において、被測定ガスの状態量に関して対象ガスの添加前後で次の関係が成り立つ。
【００１２】
Ｃ１＝ｑ１／Ｑ１ ・・・（１．１）
Ｃ２＝ｑ２／Ｑ２＝（ｑ１＋ｑ３）／（Ｑ１＋ｑ３） ・・・（１．２）
（１．１）及び（１．２）式から、次の関係を導くことができる。
【００１３】
ｑ１＝ｑ３×Ｃ１×（Ｃ２−１）／（Ｃ１−Ｃ２） ・・・（１．３）
ｑ３＝ｑ１×（Ｃ１−Ｃ２）／｛Ｃ１×（Ｃ２−１）｝ ・・・（１．４）
（１．３）式から、ガス成分増減手段４０の上下流各側における特定ガス成分の濃度Ｃ１，Ｃ２と、対象ガスとしての特定ガス成分の流量ｑ３とを特定することができれば、特定ガス成分の流量ｑ１及び被測定ガスの流量Ｑ１（＝ｑ１／Ｃ１）を算出可能であることが分かる。
【００１４】
また、（１．４）式から、特定ガス成分の濃度Ｃ１，Ｃ２と、特定ガス成分の流量ｑ１とを特定することができれば、対象ガスとしての特定ガス成分の流量ｑ３及び対象ガスの添加後における被測定ガスの流量Ｑ２（＝Ｑ１＋ｑ３）を算出可能であることが分かる。
【００１５】
第２の類型として、対象ガスとして特定ガス成分以外のガスが添加される場合について説明する。
図１（ａ）において、被測定ガスの状態量に関して対象ガスの添加前後で次の関係が成り立つ。
【００１６】
Ｃ１＝ｑ１／Ｑ１ ・・・（２．１）
Ｃ２＝ｑ２／Ｑ２＝ｑ１／（Ｑ１＋ｑｘ３） ・・・（２．２）
（２．１）及び（２．２）式から、次の関係を導くことができる。
【００１７】
ｑ１＝ｑｘ３×Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１−Ｃ２） ・・・（２．３）
ｑｘ３＝ｑ１×（Ｃ１−Ｃ２）／（Ｃ１×Ｃ２） ・・・（２．４）
（２．３）式から、特定ガス成分の濃度Ｃ１，Ｃ２と、対象ガスの流量ｑｘ３とを特定することができれば、特定ガス成分の流量ｑ１及び被測定ガスの流量Ｑ１（＝ｑ１／ｃ１）を算出可能であることが分かる。
【００１８】
また、（２．４）式から、特定ガス成分の濃度Ｃ１，Ｃ２と、特定ガス成分の流量ｑ１とを特定することができれば、対象ガスの流量ｑｘ３及び対象ガスの添加後における被測定ガスの流量Ｑ２（＝Ｑ１＋ｑｘ３）を算出可能であることが分かる。
【００１９】
第３の類型として、対象ガスとして被測定ガスの特定ガス成分が抽出される場合について説明する。
図１（ｂ）において、被測定ガスの状態量に関して対象ガスの抽出前後で次の関係が成り立つ。
【００２０】
Ｃ１＝ｑ１／Ｑ１ ・・・（３．１）
Ｃ２＝ｑ２／Ｑ２＝（ｑ１−ｑ３）／（Ｑ１−ｑ３） ・・・（３．２）
（３．１）及び（３．２）式から、次の関係を導くことができる。
【００２１】
ｑ１＝ｑ３×Ｃ１×（１−Ｃ２）／（Ｃ１−Ｃ２） ・・・（３．３）
ｑ３＝ｑ１×（Ｃ２−Ｃ１）／｛Ｃ１×（Ｃ２−１）｝ ・・・（３．４）
（３．３）式から、特定ガス成分の濃度Ｃ１，Ｃ２と、対象ガスとしての特定ガス成分の流量ｑ３とを特定することができれば、特定ガス成分の流量ｑ１及び被測定ガスの流量Ｑ１（＝ｑ１／Ｃ１）を算出可能であることが分かる。
【００２２】
また、（３．４）式から、特定ガス成分の濃度Ｃ１，Ｃ２と、特定ガス成分の流量ｑ１とを特定することができれば、対象ガスとしての特定ガス成分の流量ｑ３及び対象ガスの抽出後における被測定ガスの流量Ｑ２（＝Ｑ１−ｑ３）を算出可能であることが分かる。
【００２３】
第４の類型として、対象ガスとして特定ガス成分以外のガスが抽出される場合について説明する。
図１（ｂ）において、被測定ガスの状態量に関して対象ガスの抽出前後で次の関係が成り立つ。
【００２４】
Ｃ１＝ｑ１／Ｑ１ ・・・（４．１）
Ｃ２＝ｑ２／Ｑ２＝ｑ１／（Ｑ１−ｑｘ３） ・・・（４．２）
（４．１）及び（４．２）式から、次の関係を導くことができる。
【００２５】
ｑ１＝ｑｘ３×Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ２−Ｃ１） ・・・（４．３）
ｑｘ３＝ｑ１×（Ｃ２−Ｃ１）／（Ｃ１×Ｃ２） ・・・（４．４）
（４．３）式から、特定ガス成分の濃度Ｃ１，Ｃ２と、対象ガスの流量ｑｘ３とを特定することができれば、特定ガス成分の流量ｑ１及び被測定ガスの流量Ｑ１（＝ｑ１／Ｃ１）を算出可能であることが分かる。
【００２６】
また、（２．４）式から、特定ガス成分の濃度Ｃ１，Ｃ２と、特定ガス成分の流量ｑ１とを特定することができれば、対象ガスの流量ｑｘ３及び対象ガスの抽出後における被測定ガスの流量Ｑ２（＝Ｑ１−ｑｘ３）を算出可能であることが分かる。
【００２７】
以上では、ガス成分増減手段４０により対象ガスのみが添加又は抽出される場合について説明した。本発明は、これに限らず、少なくとも通路３０における対象ガスの濃度が判明していることを条件に、対象ガスを含む２種以上の気体分子で構成されるガスを被測定ガスに添加する場合等に適用することが可能である。ただし、被測定ガスに添加されるガスによりガス成分増減手段４０の上流及び下流における濃度Ｃ１，Ｃ２の検出に直接的な影響が生じてはならない。対象ガスとして特定ガス成分とは異なるガスを添加する場合は、対象ガスは、被測定ガスに対する化学的な特定を考慮して選択し、被測定ガスとの反応を生じ難い、被測定ガスに対して不活性な性質を有するガスを選択するのが好ましい。対象ガスとして一般的に不活性ガスと呼ばれる窒素ガス、ヘリウムガス又は水蒸気を選択することは、勿論可能である。これら以外にも、たとえば被測定ガスが水蒸気である場合等は、被測定ガスに含まれない酸素ガス又は水素ガスといった、いわゆる活性ガスを選択することができる。
【００２８】
以下に、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るガス流量測定装置１０１の概念図である。
【００２９】
被測定ガスを流すための本管としての被測定ガス流通路１には、流れ方向に上流側から順に、第１のガス濃度検出手段としての上流側濃度センサ１１１、ガス成分増減手段１１２、及び第２のガス濃度検出手段としての下流側濃度センサ１１３が設置されている。本実施形態では、被測定ガスとして空気を、特定ガス成分として酸素ガスを採用する。また、ガス成分増減手段１１２として、酸素イオン伝導性電解質成型体と、この電解質を挟む一対の電極と、これらの電極に接続された電源若しくは電気負荷とを含んで構成される電気化学セルを採用する。
【００３０】
本実施形態に係る装置１０１の動作は、次の通りである。上流側濃度センサ１１１は、空気の特定ガス成分としての酸素ガスの濃度を検出し、濃度検出信号Ｃ１をガス流量算出手段としての計算装置１１４に出力する。ガス成分増減手段１１２は、電気化学セルのポンピング作用により、被測定ガス流通路１を流れる空気から酸素ガスを選択的に抽出し、この通路１外の空間に輸送する。酸素抽出量ｑ３は、単位時間当たりに抽出される酸素分子の数として、モル流量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］で表される。そして、下流側濃度センサ１１３は、酸素抽出後の空気に残された酸素ガスの濃度を検出し、濃度検出信号Ｃ２を計算装置１１４に出力する。計算装置１１４は、酸素濃度Ｃ１，Ｃ２及び酸素抽出量ｑ３に基づいて、本装置流入前の空気及びこれに含まれる酸素ガスの各流量Ｑ１，ｑ１［ｍｏｌ／ｓｅｃ］を算出し、その結果（Ｑ１，ｑ１）を表示装置１１５に出力する。
【００３１】
ここで、空気の組成ガス成分が同じ流速で流れているものと近似すれば、酸素濃度Ｃ１を空気全体の流量Ｑ１に対する酸素ガスの流量ｑ１の比として扱うことができる。計算装置１１４は、空気及び酸素ガスの流量Ｑ１，ｑ１を次の（５），（６）式により算出する。ただし、酸素抽出後の空気に含まれる酸素ガスの流量をｑ２［ｍｏｌ／ｓｅｃ］とする。
【００３２】
Ｃ１＝ｑ１／Ｑ１ ・・・（３．１）
Ｃ２＝ｑ２／（Ｑ１−ｑ３）
＝（ｑ１−ｑ３）／（Ｑ１−ｑ３） ・・・（３．２）
Ｑ１＝ｑ３（１−Ｃ２）／（Ｃ１−Ｃ２） ・・・（５）
ｑ１＝Ｃ１×ｑ３（１−Ｃ２）／（Ｃ１−Ｃ２） ・・・（６）
なお、ガス成分増減手段１１２による酸素抽出量ｑ３がモル流量で表されているので、（５），（６）式により算出される空気及び酸素ガスの流量Ｑ１，ｑ１の単位もモル流量となる。従って、算出されたＱ１，ｑ１に空気又は酸素の分子量を乗算することで、質量流量［ｇ／ｓｅｃ］に換算することができる。例えば、酸素ガスの流量ｑ１［ｍｏｌ／ｓｅｃ］から酸素３２の質量流量は、ｑ１×３２［ｇ／ｓｅｃ］となる。また、酸素ガスの流量ｑ１から乾燥空気２８．８への換算も可能である。
【００３３】
ここで、（５），（６）式によれば、酸素濃度Ｃ１，Ｃ２が等しい場合に分母が０となる。しかしながら、このような事態は、流れがないときや、流れがあったとしても流量が微小のときに生じるものであるので、Ｃ１，Ｃ２の測定精度等からその限界を予め設定しておくことで対応することが可能である。
【００３４】
以上では、ガス成分増減手段１１２により、被測定ガスとしての空気から特定ガス成分としての酸素ガスを抽出する場合について説明した。しかしながら、対象ガスは、必ずしも特定ガス成分である必要はなく、特定ガス成分以外のガスであってもよい。電解質として水素イオン伝導性電解質成型体や、水蒸気分離膜を使用することも可能である。ガス成分増減手段１１２に水素イオン伝導性電解質成型体を備えることで、被測定ガスから水素ガスを抽出することができ、さらに第１及び第２のガス濃度検出手段１１１，１１３として水素濃度センサを設置することで、（６）式により水素ガスの流量ｑ１を算出することができる。また、ガス成分増減手段１１２に水蒸気透過膜を備えることで、被測定ガスから水蒸気を抽出することができる。また、水蒸気の抽出は、凝縮器を備えることによっても達成することが可能である。被測定ガスから特定ガス成分以外のガスを抽出する場合は、（４．３）式により特定ガス成分の流量ｑ１を、次の（７）式により被測定ガスの流量Ｑ１を算出することができる。
【００３５】
Ｑ１＝ｑｘ３×Ｃ２／（Ｃ２−Ｃ１） ・・・（７）
本発明に係るガス流量測定装置は、本管としての被測定ガス流通路と並列に枝管を設置し、本管から枝管に被測定ガスの一部を導入してこの分流成分の流量を測定し、分流成分の流量を換算することにより全体としての流量を算出するように構成してもよい。図３は、そのように構成された、本発明の第２の実施形態に係るガス流量測定装置１０２の概念図である。
【００３６】
本実施形態に係る装置１０２は、本管としての被測定ガス流通路１から分岐して、被測定ガスの一部を上流側濃度センサ１２１に供給するとともに、前記分岐点の下流側で本管１と接続して、下流側濃度センサ１２３を通過した被測定ガスを本管１に合流させる、枝管としての被測定ガス流通路２を備える。上流側濃度センサ１２１、ガス成分増減手段１２２及び下流側濃度センサ１２３は、この枝管２に介装されている。計算装置１２４は、枝管２における空気及び酸素ガスの流量Ｑ１，ｑ１を（５），（６）式により算出する。計算装置１２４は、分流成分の流量Ｑ１，ｑ１を本管１における流量Ｑ１’及びｑ１’に換算するための係数を記憶している。この係数は、本管１と枝管２との流路面積比から予め設定する。
【００３７】
以上のようにガス成分増減手段１１２，１２２により被測定ガスから対象ガスを抽出する場合は、抽出された対象ガスを被測定ガスに還流する手段を設けるとよい。図４は、そのための構成を示している。図３のガス流量測定装置１０２において、ガス成分増減手段１２２と、本管としての被測定ガス流通路１とを還流手段としての戻し管２１で接続し、抽出されたガス成分を、この戻し管２１を通して分流点の下流側で本管１に還流させるようにしている。勿論、対象ガスは、下流側濃度センサ１１３の下流において、本管１との合流点の上流側で枝管２に還流させるようにしてもよい（図中点線２１’）。
【００３８】
また、対象ガスを抽出する場合に限らず、特定ガス成分若しくはこれとは異なるガスを対象ガスとして、これをガス成分増減手段１１２，１２２により被測定ガスに添加することでも、空気及び酸素ガスの流量Ｑ１，ｑ１を算出することができる。対象ガスとして特定ガス成分を添加する場合は、先に酸素抽出量として扱ったｑ３の符号を逆に修正した（１．３）式により流量Ｑ１，ｑ１を算出することができる。図５は、この場合の構成を示している。ガス成分増減手段１２２により添加される対象ガスは、供給手段１２６により、本管としての被測定ガス流通路１を流れる被測定ガスから抽出して得るとよい。この供給手段１２６は、電気化学セルを含んで構成することができる。対象ガスは、分流点の下流側で本管１から抽出するばかりでなく、下流側濃度センサ１２３の下流において、本管１との合流点の上流側で枝管２から抽出し、ガス成分増減手段１２２に供給するようにしてもよい（図中符号１２６’）。
【００３９】
図６は、第２の実施形態に係るガス流量測定装置１０２の第１の具体例１０２ａの構成図である。
本装置１０２ａは、上流側濃度センサ１２１、ガス成分増減手段１２２及び下流側濃度センサ１２３が収まるケース１０２１を備える。ケース１０２１は、本管１を貫通する支柱１０２２により支持され、この管１内に固定されている。支柱１０２２は、一側でケース１０２１と結合する一方、本管１外で回路ボックス１０２３と結合している。また、各濃度センサ１２１，１２３とガス成分増減手段１２２との電気化学セルが１つの酸素イオン伝導性電解質成型体１０２４上に形成されており、この電解質１０２４上に、上流側濃度センサ１２１の電極１２１１ａ及び１２１１ｂ、ガス成分増減手段１２２の電極１２２１ａ及び１２２１ｂ、下流側濃度センサの電極１２３１ａ及び１２３１ｂが形成されている。そして、ケース１０２１内に、電解質１０２４の一側が面する被測定ガス流通路２が形成されており、この流通路２は、流れ方向の前後で本管１内と連通している。従って、本管１を流れる被測定ガスの一部が枝管としての被測定ガス流通路２に流入し、上流側濃度センサ１２１、ガス成分増減手段１２２及び下流側濃度センサ１２３を順に通過して、本管１に還流される。
【００４０】
上流側濃度センサ１２１の電極１２１１ａ，１２１１ｂは、回路ボックス１０２３に収納された第１の濃度検出回路１２４１と接続されており、濃度検出時に所定の電圧が印加される。ケース１０２１と電解質１０２４との間に電極１２１１ａが面する空間１２１２が形成されており、この空間１２１２に、電解質１０２４を貫通して設けられた孔１２１３を介して被測定ガスが流入するようになっている。電極１２１１ａ，１２１１ｂに電圧が印加されると、ポンピング作用により酸素が輸送され、電極間に電流が流れるが、孔１２１３により空間１２１２への被測定ガスの流入が制限されるため、印加電圧に応じた限界電流が生じる。濃度検出回路１２４１は、この限界電流値から酸素濃度Ｃ１を検出する。
【００４１】
また、下流側濃度センサ１２３も構造及び機能において上流側濃度センサ１２１と同様であり、電極１２３１ａ，１２３１ｂが第２の濃度検出回路１２４３と接続され、電極１２３１ａが面する空間１２３２が形成されるとともに、電解質１０２４に被測定ガス流通路２とこの空間１２３２とを連通する孔１２３３が設けられている。電極１２３１ａ，１２３１ｂに電圧が印加されると、孔１２３３により空間１２３２への被測定ガスの流入が制限されるため、電極間に印加電圧に応じた限界電流が流れる。濃度検出回路１２４３は、この限界電流値から酸素濃度Ｃ２を検出する。
【００４２】
一方、ガス成分増減手段１２２の電極１２２１ａ，１２２１ｂは、ポンピング回路１２４２と接続しており、流量測定時に、これらの電極間に流れる電流（ポンピング電流）が一定となるように、電極間の電圧が制御される。また、電極１２２１ａが面する空間１２２２が形成され、この空間１２２２は、ケース１０２１を貫通して設けられた孔１２２３を介して本管１内と連通している。電極１２２１ａ，１２２１ｂに電圧が印加されると、被測定ガス流通路２を流れる被測定ガスに含まれる酸素が汲み出され、電解質１０２４を通して空間１２２２に輸送される。このようにして空間１２２２に輸送された酸素ガスは、孔１２２３から本管１に還流される。ここで、上記ポンピング電流Ｉｐと、汲み出される酸素の量ｑ３との間には、次のような関係がある。ただし、電荷の数（酸素で４、水素で２）をｎ、ファラデー定数をＦ［Ｃ／ｍｏｌ］、イオン輸送量をＪ（＝ｑ３）［ｍｏｌ／ｓｅｃ］とする。
【００４３】
Ｉｐ＝ｎ×Ｆ×Ｊ ・・・（９）
ポンピング回路１２４２は、（９）式によりポンピング電流Ｉｐからイオン輸送量Ｊを算出する。
【００４４】
ガス流量算出手段にとしての流量演算回路１２４は、濃度検出回路１２４１，１２４３及びポンピング回路１２４２により検出された酸素濃度Ｃ１，Ｃ２及びイオン輸送量Ｊ（＝ｑ３）、さらに予め記憶されている分流比ｒ＝Ｑ１／Ｑ１’に基づいて、空気及び酸素ガスの流量Ｑ１，ｑ１を算出する。
【００４５】
なお、符号１０２５は、算出されたＱ１，ｑ１を表示装置若しくは他の制御機器に出力するためのコネクタである。
また、ポンピング回路１２４２により、イオン輸送量Ｊ（＝ｑ３）を可変に制御することも可能である。流量が大きく変動する場合に、イオン輸送量Ｊを一定として、小流量時に適合させて設定したとすると、大流量時に酸素ガスの抽出量が少な過ぎ、濃度センサ１２１，１２３の間で充分な濃度差が形成されず、分解能が低下するからである。そこで、ポンピング回路１２４２に制御手段としての回路を組み込み、濃度差（Ｃ１−Ｃ２）に応じてイオン輸送量Ｊを可変とし、常に良好な濃度差が得られるようにポンピング電流Ｉｐを制御する。
【００４６】
なお、ガス成分増減手段１２２により対象ガスを添加する場合は、電極１２２１ａ，１２２１ｂ間の電圧の印加方向を、抽出時とは反対に設定する。この場合でも、濃度センサ１２１，１２３により検出される濃度差に応じてポンピング電流Ｉｐを制御することで、測定精度を向上させることができる。
【００４７】
以上に述べた第１及び第２の実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、ガス流量測定装置１０１，１０２では、ガス成分増減手段１１２，１２２により添加若しくは抽出された対象ガスの流量ｑ３と、この手段１１２，１２２の上下流各側で検出された特定ガス成分の濃度Ｃ１，Ｃ２とに基づいて被測定ガス及び特定ガス成分の流量Ｑ１，ｑ１を測定することとした。このため、本管１を流れる被測定ガスの組成が変化し、その熱的特性が変化したとしても、流量Ｑ１，ｑ１を正確に検出することができる。また、測定に際してガス濃度検出手段１１１，１２１により特定ガス成分の濃度Ｃ１を検出するので、流量ばかりでなくこの濃度Ｃ１を把握する必要がある場合は、特に有用である。
【００４８】
第２に、ガス成分増減手段１１２，１２２において、電極間でのイオン輸送量Ｊを可変に制御し、小流量時と比較して大流量時のイオン輸送量Ｊを増量させることで、広範な測定領域で正確な測定に必要な濃度差（Ｃ１−Ｃ２）を形成することが可能となる。
【００４９】
第３に、図６に示したように、ガス濃度検出手段としての濃度センサ１２１，１２３を構成する電解質と、ガス成分増減手段１２２を構成する電解質とを一体としたことで、ガス流量測定装置１０２ａを小型軽量化し、コストを削減することができる。また、濃度センサ１２１，１２３を近くに配置することができるので、センサ間での測定時間差を正確に補正することができ、被測定ガスの過渡的流量変化時の測定精度を向上させることができる。
【００５０】
第４に、図３，６に示したように、ガス流量測定装置１０２，１０２ａに本管１を流れる被測定ガスの一部を流入させ、この分流成分の流量Ｑ１，ｑ１から全体としての流量Ｑ１’，ｑ１’を測定することで、特定ガス成分を被測定ガスの分流成分中に均一に分布させることができる。このため、特定ガス成分の濃度の検出精度を向上させ、より正確に流量を測定することができる。
【００５１】
以下に、本発明に係るガス流量測定装置の他の構成例について説明する。
図７は、第２の実施形態に係るガス流量測定装置の第２の具体例１０２ｂの構成図である。
【００５２】
本装置１０２ｂは、攪拌手段５及び可変手段６を備える。攪拌手段５として多孔質体が採用されており、多孔質体５は、枝管としての被測定ガス流通路２において、ガス成分増減手段１２２と下流側濃度センサ１２３との間に介装されている。一方、可変手段６は、本管としての被測定ガス流通路１において、本装置１０２ｂの上流に設置されている。可変手段６は、本管１の流路面積を縮小させる手段として構成されており、管壁に対して回動自在に軸支された平板６１ａ，６１ｂと、これら各平板と管壁との間に装着された、弾性体としてのスプリング６２ａ，６２ｂとを備える。
【００５３】
攪拌手段５によれば、対象ガスとして特定ガス成分である酸素ガスが添加又は抽出される場合に、下流側濃度センサ１２３の検出精度を向上させることができる。ガス成分増減手段１２２により酸素ガスが局所的に添加等された空気が攪拌されることで、下流側濃度センサ１２３の設置位置での酸素ガスの分布が均一化されるからである。また、攪拌手段５を付設することで、ガス成分増減手段１２２と下流側濃度センサ１２３とを比較的近くに配置したとしても、下流側濃度センサ１２３から信頼性の高い濃度を得ることができるので、本装置１０２ｂの小型化を図ることができる。
【００５４】
一方、可変手段６において、平板６１ａ，６１ｂは、本管１における流量Ｑ１’に応じて開閉する弁として機能し、流れから受ける力と、スプリング６２ａ，６２ｂから受ける力とが釣り合う位置に変位する。従って、大流量時には、平板６１ａ，６１ｂが倒れて流路面積が広がるので、流れに対して過大な抵抗を与えないようにすることができる。小流量時には、各平板が起き上がり、本装置１０２ｂに供給される被測定ガスの被測定ガス全体に対する比率が増すので、小流量域における測定精度を向上させるとともに、測定可能下限流量を引き下げることができる。なお、可変手段６は、枝管２に設置してもよく、この場合は、小流量時に流路が開かれるようにスプリング等を設置する。可変手段６は、可変ベンチュリにより構成することもできる。
【００５５】
図８は、第１の実施形態に係るガス流量測定装置の第１の具体例１０１ａの構成図である。
本装置１０１ａでは、ガス成分増減手段１１２として燃料電池を採用する。この燃料電池１１２は、高分子固体電解質若しくは酸化物固体電解質等の水素イオン伝導性電解質成型体１１２１の各側に、アノード又はカソードとしての電極１１２２，１１２３を形成して構成され、アノード１１２２には、燃料ガスとしての水素含有ガスが、カソード１１２３には、酸化剤ガスとしての空気が供給される。また、アノード１１２２とカソード１１２３との間に電気負荷１１２４が接続され、この負荷１１２４に流れる電流Ｉｇを検出するための電流センサ１１２５が設置されている。
【００５６】
アノード１１２２の入口に接続する燃料ガス供給管１１２６には、上流側水素濃度センサ１１１ａが設置されており、出口に接続する燃料ガス排出管１１２７には、下流側水素濃度センサ１１３ａが設置されている。計算装置は、各濃度センサ１１１ａ，１１３ａにより検出された水素濃度Ｃ１１，Ｃ２１と、電解質１１２１の水素通過量（イオン輸送量に相当する。）ｑ３１［ｍｏｌ／ｓｅｃ］とに基づいて、（５），（６）式により燃料ガスの流量Ｑ１１及び燃料ガスに含まれる水素ガスの流量ｑ１１を算出する。ここで、水素通過量ｑ３１は、電流センサ１１２５により検出される電流値Ｉｇとの一義的な関係から求めることができる。
【００５７】
一方、カソード１１２３の入口に接続する空気供給管１１２８には、上流側酸素濃度センサ１１１ｂが設置されており、出口に接続する空気排出管１１２９には、下流側酸素濃度センサ１１３ｂが設置されている。計算装置は、各濃度センサ１１１ｂ，１１３ｂにより検出された酸素濃度Ｃ１２，Ｃ２２と、水に変換されることで実質的に抽出される酸素抽出量ｑ３２［ｍｏｌ／ｓｅｃ］とに基づいて、空気及び酸素ガスの流量Ｑ１２，ｑ１２を算出する。なお、酸素抽出量ｑ３２は、電流センサ１１２５により検出された電流値Ｉｇとの一義的な関係から求めることができる。各流量Ｑ１２，ｑ１２は、次のように算出する。
【００５８】
カソード１１２３では、アノード１１２２とは異なり、燃料電池１１２の発電動作に伴って水が生成される。その量は、２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏの化学反応式が示すように、酸素抽出量ｑ３２の２倍である。従って、（３．２）式に相当する式は、次のようになる。
【００５９】
Ｃ２＝（ｑ１−ｑ３）／（Ｑ１−ｑ３＋２ｑ３）
＝（ｑ１−ｑ３）／（Ｑ１＋ｑ３） ・・・（３．２．２）
そして、（５），（６）式に相当する式は、次のようになる。
【００６０】
Ｑ１＝ｑ３（１＋Ｃ２）／（Ｃ１−Ｃ２） ・・・（８）
ｑ１＝Ｃ１×ｑ３（１＋Ｃ２）／（Ｃ１−Ｃ２）・・・（９）
計算装置は、（８），（９）式により空気及び酸素ガスの流量Ｑ１２，ｑ１２を算出する。
【００６１】
図９は、第２の実施形態に係るガス流量測定装置の第３の具体例１０２ｃの構成図である。
本装置１０２ｃは、ガス成分増減手段１２２として、燃料電池発電システムの電源としての燃料電池８０１とは別のより小型な燃料電池を備える。符号８０２は、電気負荷を示している。
【００６２】
本装置１０２ｃでは、高分子固体電解質等の水素イオン伝導性電解質成型体１２２６の各側に形成されたアノード１２２７若しくはカソード１２２８に、枝管２ａ，２ｂを介して、本管１ａ，１ｂを流れる水素ガス又は酸素ガスの一部が供給される。また、枝管２ａには、アノード１２２７を挟んで上流側水素濃度センサ１２１ａ及び下流側水素濃度センサ１２３ａが、枝管２ｂには、カソード１２２８を挟んで上流側酸素センサ１２１ｂ及び下流側酸素センサ１２３ｂが設置されている。符号１２２９は、この流量測定用燃料電池１２２の電気負荷であり、電源用燃料電池８０１の負荷８０２の一部を構成する。計算装置は、各濃度センサ１２１ａ，１２３ａ，１２１ｂ及び１２３ｂにより検出された濃度Ｃ１１，Ｃ２１，Ｃ１２及びＣ２２、負荷１２２９に流れる電流Ｉｇ、及び分流比ｒに基づいて、（５），（６），（８）及び（９）式により本管１ａにおける燃料ガス及び水素ガスの流量Ｑ１１’，ｑ１１’と、本管１ｂにおける空気及び酸素ガスの流量Ｑ１２’，ｑ１２’とを算出する。
【００６３】
本装置１０１ｃによれば、電源用燃料電池８０１とは別に小型の流量測定用燃料電池１２２を設けたことで、図８に示したように電源用燃料電池１１２で流量測定用電気化学セルを兼ねた場合と比較して、応答性を向上させることができ、過渡運転時にも高い測定精度を維持することができる。また、流量測定用燃料電池１２２を電源用燃料電池８０１の上流側に位置させたことで、本管１ａ，１ｂを流れる燃料ガスの流量Ｑ１１’等を、燃料電池８０１への供給前に測定することができるので、燃料電池８０１を的確に制御することができる。
【００６４】
図１０は、第１の実施形態に係るガス流量測定装置の第２の具体例１０１ｂの構成図である。
本装置１０１ｂでは、燃料電池発電システムの電源用燃料電池８０１から排出され、燃料電池８０１に還流される燃料ガス（以下「還流燃料ガス」という。）を被測定ガスとして採用し、これに補填分又は増量分として加えられる新規分の水素ガスを対象ガスとして採用する。本装置１０１ｂにより、燃料電池８０１に供給される水素ガスの流量ｑ２を測定する。図示しない水素タンクと燃料電池８０１とを接続する燃料ガス供給管３０１１，２０１１に、ガス成分増減手段として合流部１１２が介装されており、燃料電池８０１のアノード８０１１の出口から延伸する燃料ガス排出管１０１１がこの合流部１１２に接続され、燃料ガス排出管１０１１及び燃料ガス供給管２０１１により燃料ガスの還流経路が構成されている。新規分の水素ガスは、水素タンクから供給され、合流部１１２で還流燃料ガスと合流し、下流側の燃料ガス供給管２０１１に流入する。燃料ガス排出管１０１１には、第１のガス濃度検出手段としてのジルコニア酸素センサ１１１が、燃料ガス供給管２０１１には、第２のガス濃度検出手段としてのジルコニア酸素センサ１１３が設置されている。これらの濃度センサ１１１，１１３は、燃料ガスの水素濃度Ｃ１，Ｃ２を検出する。また、合流部１１２の上流側の燃料ガス供給管３０１１には、水素ガスの流量ｑ３を検出するマスフローメータ５０１１が設置されている。水素タンクから供給される水素ガスは、他の成分を含まない乾燥した水素ガスであるため、一般的なマスフローメータ５０１１を採用することができる。
【００６５】
計算装置は、ジルコニア酸素センサ１１１，１１３により検出された水素濃度Ｃ１，Ｃ２と、マスフローメータ５０１１により検出された水素ガスの流量ｑ３とに基づいて、（１．３）式により燃料ガス供給管１０１１を流れる還流燃料ガスに含まれる水素ガスの流量ｑ１を算出する。また、計算装置は、算出したｑ１と新規分の流量ｑ３とを加算して、燃料電池８０１に供給される水素ガスの流量ｑ２を算出する（ｑ２＝ｑ１＋ｑ３）。
【００６６】
本装置１０１ｂによれば、還流燃料ガスに含まれる水素ガスの流量ｑ１を測定するとともに、新規分の水素ガスが添加された燃料ガスに含まれる水素ガスの流量ｑ２を測定することができる。燃料電池８０１の発電量は、水素ガスの供給量に依存するので、このようにｑ１，ｑ２を応答性良く測定することができることは、燃料電池８０１の効率向上に寄与する。
【００６７】
図１１は、第１の実施形態に係るガス流量測定装置の第３の具体例１０１ｃの構成図である。
本装置１０１ｃでは、被測定ガスとして空気を採用し、対象ガスとして空気に添加される水蒸気を採用する。本装置１０１ｃにより、燃料電池発電システムの燃料改質器９０１に供給される水蒸気の流量ｑｘ２及び濃度Ｃｘ２を測定する。水蒸気は、蒸発器４０１により水を蒸発させて発生させる。本管としての空気通路１０１２，２０１２は、一端で大気に開放され、他端で改質器９０１に接続されている。水蒸気は、図示しない水タンクから供給され、合流部１１２で空気に添加される。合流部１１２は、蒸発器４０１とともにガス成分増減手段を構成する。合流部１１２の上流側の空気通路１０１２には、第１のガス濃度検出手段としてのジルコニア酸素センサ１１１が、下流側の空気通路２０１２には、第２のガス濃度検出手段としてのジルコニア酸素センサ１１３が設置されている。これらの濃度センサ１１１，１１３は、空気の酸素濃度Ｃ１，Ｃ２を検出する。また、蒸発器４０１に供給される水の流量ｑｘ３を検出するマスフローメータ５０１２が設置されており、検出されたｑｘ３を空気に添加される水蒸気の流量としている。
【００６８】
計算装置は、ジルコニア酸素センサ１１１，１１３により検出された酸素濃度Ｃ１，Ｃ２及びマスフローメータ５０１２により検出された水蒸気の流量ｑｘ３に基づいて、（２．３）式により改質器９０１に供給される酸素ガスの流量ｑ１（＝ｑ２）を算出する。計算装置は、上流側のジルコニア酸素センサ１１１により空気の酸素濃度Ｃ１が検出されているため、（２．１）式により空気の流量Ｑ１を算出するとともに、空気における酸素及び窒素の混合比を１：３．７７として、合流部１１２の上流側の空気通路１０１２における水蒸気の流量ｑｘ１を、次の（１０）式により算出する。
【００６９】
ｑｘ１＝Ｑ１−ｑ１−３．７７×ｑ１ ・・・（１０）
計算装置は、さらに合流部１１２の下流側の空気通路２０１２における水蒸気の流量ｑｘ２及び濃度Ｃｘ２を、次の（１１），（１２）式により算出する。
【００７０】
ｑｘ２＝ｑｘ１＋ｑｘ３ ・・・（１１）
Ｃｘ２＝ｑｘ２／（Ｑ１＋ｑｘ３） ・・・（１２）
本実施形態に係るガス流量測定装置では、被測定ガスが空気のように特定ガス成分以外に複数の組成ガス成分を含む場合であっても、特定ガス成分に対する比が判明しているものについては、その種類の数が問題とならない。上記第３の具体例１０１ｃでは、空気の組成ガス成分として、特定ガス成分である酸素ガス以外に窒素ガスが含まれているが、窒素ガスの酸素ガスに対する比（＝３．７７）が判明しているので、酸素ガスの流量等に加えて、窒素ガスの流量及び濃度を測定することができる。
【００７１】
図１２は、本発明の第３の実施形態に係るガス流量測定装置１０３の概念図である。
被測定ガスを流すための本管としての被測定ガス流通路１には、流れ方向に上流側から順に、第１のガス濃度検出手段としての上流側濃度センサ１１１、ガス成分増減手段１１２、及び第２のガス濃度検出手段としての下流側濃度センサ１１３が設置されている。また、ガス成分増減手段１１２の上流には、流量検出手段としてのマスフローメータ５０２が設置されている。
【００７２】
上流側濃度センサ１１１は、被測定ガスに含まれる特定ガス成分の濃度Ｃ１を検出する。ガス成分増減手段１１２は、特定ガス成分又はこれとは異なるガスである対象ガスを被測定ガスに添加し又は被測定ガスから抽出する。下流側濃度センサ１１３は、特定ガス成分の添加又は抽出後における空気の特定ガス成分の濃度Ｃ２を検出する。マスフローメータ５０２は、被測定ガスの流量Ｑ１を検出する。ガス流量算出手段としての計算装置１１４は、各濃度センサ１１１，１１３により検出された特定ガス成分の濃度Ｃ１，Ｃ２と、マスフローメータ５０２により検出された流量Ｑ１とに基づいて、（１．４），（２．４），（３．４）又は（４．４）式により対象ガスの流量ｑ３，ｑｘ３を算出するとともに、特定ガス成分の添加又は抽出後における被測定ガスの流量Ｑ２等を算出する。
【００７３】
図１３は、第３の実施形態に係るガス流量測定装置の第１の具体例１０３ａの構成図である。
本装置１０３ａでは、被測定ガスとして空気を採用し、対象ガスとして空気に添加される水蒸気を採用する。本装置１０３ａにより、燃料電池発電システムの燃料改質器９０１に供給される水蒸気の流量ｑｘ２を測定する。水蒸気は、蒸発器４０１により水を蒸発させて発生させる。本管としての空気通路１０１３，２０１３は、一端で大気に開放され、他端で改質器９０１に接続されている。蒸発器４０１により発生させた水蒸気は、ガス成分増減手段としての合流部１１２で空気に添加される。空気通路１０１３，２０１３には、合流部１１２の上下流各側にジルコニア酸素センサ１１１，１１３が設置されている。これらの濃度センサ１１１，１１３は、空気の酸素濃度Ｃ１，Ｃ２を検出する。また、合流部１１２の上流側の空気通路１０１３には、空気の流量Ｑ１を検出するマスフローメータ５０２１が設置されている。大気から取り込まれる空気は、乾燥しているか、たとえ湿っていても湿度が安定しているため、一般的なマスフローメータ５０２１により流量Ｑ１を検出することができる。なお、空気の湿度が不安定であり、その変化を無視することができない場合は、検出されたＱ１を予め測定した湿度で補正するか、あるいは被測定ガス流通路１に湿度センサを設置して、その検出値により補正するとよい。
【００７４】
改質器９０１に供給される空気に含まれる水蒸気の流量ｑｘ２は、蒸発器４０１により添加される水蒸気の流量ｑｘ３に等しく、（２．４）式により算出することができる。
【００７５】
なお、大気から取り込まれる空気が乾燥している場合は、空気における酸素ガスの通常の混合率である２０．９％を利用して、上流側のジルコニア酸素センサ１１１を省略することができる。
【００７６】
図１４は、第３の実施形態に係るガス流量測定装置の第２の具体例１０３ｂの構成図である。
本装置１０３ｂでは、被測定ガスとして空気を採用し、対象ガスとして空気に添加される水蒸気を採用する。本装置１０３ｂにより、燃料電池発電システムの加湿器１１２による水蒸気の添加量を流量ｑｘ３として測定する。加湿器１１２は、ガス成分増減手段を構成する。空気通路１０１４，２０１４には、加湿器１１２の上下流各側にジルコニア酸素センサ１１１，１１３が設置されている。これらの濃度センサ１１１，１１３は、空気の酸素濃度Ｃ１，Ｃ２を検出する。また、加湿器１１２の上流側の空気通路１０１４には、空気の流量Ｑ１を検出するマスフローメータ５０２１が設置されている。
【００７７】
燃料電池に供給される空気に含まれる水蒸気の流量ｑｘ２は、加湿器１１２による水蒸気の添加量ｑｘ３に等しい。従って、ｑｘ２（＝ｑｘ３）は、ジルコニア酸素センサ１１１，１１３により検出された酸素濃度Ｃ１，Ｃ２及びマスフローメータ５０２１により検出された空気の流量Ｑ１に基づいて、（２．４）式により算出することができる。
【００７８】
なお、大気から取り込まれる空気が乾燥している場合に上流側のジルコニア酸素センサ１１１を省略可能であることは、前述と同様である。
図１５は、第３の実施形態に係るガス流量測定装置の第３の具体例１０３ｃの構成図である。
【００７９】
本装置１０３ｃでは、被測定ガスとして燃料電池発電システムの燃料ガス供給管１０１５，２０１５に流れる水素含有ガスを採用し、対象ガスとして還流燃料ガスを採用する。本装置１０３ｃにより、燃料電池から排出される水素ガスの流量ｑ３を測定する。燃料ガス供給管１０１５，２０１５には、ガス成分増減手段としての合流部１１２が介装されており、この合流部１１２に燃料ガス排出管３０１５が接続され、燃料電池のアノードを介した燃料ガスの還流経路が構成されている。水素含有ガスは、合流部１１２で還流燃料ガスに添加され、燃料電池に供給される。燃料ガス供給管１０１５，２０１５には、合流部１１２の上下流各側にジルコニア酸素センサ１１１，１１３が設置されている。これらの濃度センサ１１１，１１３は、各設置位置を流れる水素含有ガスの水素濃度Ｃ１，Ｃ２を検出する。また、合流部１１２の上流側の燃料ガス供給管１０１５には、水素含有ガスの流量Ｑ１を検出するマスフローメータ５０２２が設置されている。
【００８０】
燃料電池から排出された水素ガスの流量ｑ３は、（１．４）式により算出することができる。マスフローメータ５０２２により水素含有ガスの流量Ｑ１が検出されており、その水素濃度Ｃ１も判明しているので、燃料電池に供給される燃料ガスに含まれる水素ガスの流量ｑ２は、還流分及び新規分の水素ガスの流量を加算して、次の（１３）式により算出することができる。
【００８１】
ｑ２＝ｑ３＋Ｑ１×Ｃ１ ・・・（１３）
図１６は、第１の実施形態に係るガス流量測定装置１０１ｃの変更例の構成図である。
【００８２】
本装置１０１ｃは、上流側のジルコニア酸素センサ１１１を備えておらず、水蒸気の添加前及び添加後における空気の酸素濃度Ｃ１，Ｃ２を、合流部１１２の下流側に設置された１つのジルコニア酸素センサ１１３のみにより検出する。このため、空気に対して水蒸気を断続的に供給する。すなわち、図１７のタイムチャートに示すように、添加される水蒸気の流量ｑｘ３を、０若しくは小流量ｑＬと大流量ｑＨとの間で交互に切り換える。そして、ジルコニア酸素センサ１１３により、ｑｘ３を大流量に設定して水蒸気を添加したときの酸素濃度Ｃ２ＬをＣ２として検出し、ｑｘ３を０若しくは小流量に設定して水蒸気の添加を停止したときの酸素濃度Ｃ２ＨをＣ１として検出する。水蒸気の流量ｑｘ３は、蒸発器４０１に供給される水の流量ｑｘ３を検出するマスフローメータ５０１２により検出する。
【００８３】
改質器９０１に供給される酸素ガスの流量ｑ２は、水蒸気の添加前における酸素ガスの流量ｑ１に等しく、（２．３）式により算出することができる。また、合流部１１２の上流における水蒸気の流量ｑｘ１は、空気における酸素ガスと窒素ガスとの混合比を１：３．７７として、ｑｘ１＝Ｑ１−ｑ１−３．７７×ｑ１として算出することができ、合流部１１２の下流における水蒸気の流量ｑｘ２は、ｑｘ１とｑｘ３とを加算して算出することができる（ｑｘ２＝ｑｘ１＋ｑｘ３）。
【００８４】
本装置１０１ｃによれば、１つのジルコニア酸素センサ１１３を使用して第１及び第２のガス濃度検出手段の機能を実現し、水蒸気の添加前及び添加後における空気の酸素濃度Ｃ１，Ｃ２を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による流量の測定原理の説明図
【図２】本発明の第１の実施形態に係るガス流量測定装置の概念図
【図３】本発明の第２の実施形態に係るガス流量測定装置の概念図
【図４】還流手段を備えるガス流量測定装置の概念図
【図５】供給手段を備えるガス流量測定装置の概念図
【図６】図３のガス流量測定装置の具体例
【図７】攪拌手段及び可変手段を備えるガス流量測定装置の具体例
【図８】ガス成分増減手段として燃料電池を備える図２のガス流量測定装置の具体例
【図９】ガス成分増減手段として燃料電池を備える図３のガス流量測定装置の具体例
【図１０】燃料電池に供給される水素ガスの流量の測定に適用されたガス流量測定装置の構成図
【図１１】燃料電池発電システムの燃料改質器に供給される水蒸気の流量及び濃度の測定に適用されたガス流量測定装置の構成図
【図１２】本発明の第３の実施形態に係るガス流量測定装置の概念図
【図１３】燃料改質器に供給される水蒸気の流量の測定に適用されたガス流量測定装置の構成図
【図１４】燃料電池発電システムの加湿器により添加される水蒸気の流量の測定に適用されたガス流量測定装置の構成図
【図１５】燃料電池から排出された水素ガスの流量の測定に適用されたガス流量測定装置の構成図
【図１６】上流側のジルコニア酸素センサを含まずに構成された図１１のガス流量測定装置の変更例
【図１７】同上ガス流量測定装置による酸素濃度の測定原理
【符号の説明】
１…本管としての被測定ガス流通路、２…枝管としての被測定ガス流通路、５…攪拌手段としての多孔質体、６…可変手段、２１…還流手段としての戻し管、１０１，１０２…ガス流量測定装置、１１１，１２１…第１のガス濃度検出手段としての上流側濃度センサ、１１２，１２２…電気化学セルを備えるガス成分増減手段、１１３，１２３…第２のガス濃度検出手段としての下流側濃度センサ、１１４，１２４…ガス流量算出手段としての計算装置、１１５，１２５…表示装置、１２６…供給手段、１０２１…ケース、１０２２…支柱、１０２３…回路ボックス、１０２４…ガス濃度検出手段とガス成分増減手段との共用電解質、１０２５…コネクタ、１２４１…上流側濃度センサの濃度検出回路、１２４２…制御手段を備えるポンピング回路、１２４３…下流側濃度センサの濃度検出回路、１１２１，１２２６…ガス成分増減手段としての燃料電池の電解質、１１２２，１２２７…アノード、１１２３，１２２８…カソード、１１２４，１２２９…電気負荷、１１２５…電流センサ、８０１…電源用燃料電池。

Claims (30)

1. 被測定ガスに対して被測定ガスに含まれる特定ガス成分若しくはこれとは異なるガスである対象ガスを添加するか、あるいは対象ガスを被測定ガスから抽出するガス成分増減手段と、
   ガス成分増減手段の上流における被測定ガスの前記特定ガス成分の濃度を検出するか、あるいはその濃度として予め定められた濃度を設定する第１のガス濃度検出手段と、
   ガス成分増減手段の下流における被測定ガスの前記特定ガス成分の濃度を検出する第２のガス濃度検出手段と、
   第１のガス濃度検出手段により検出又は設定された特定ガス成分の濃度及び第２のガス濃度検出手段により検出された特定ガス成分の濃度と、ガス成分増減手段により添加又は抽出された対象ガスの量とに基づいて、前記特定ガス成分の流量を算出するガス流量算出手段と、を含んで構成されるガス流量測定装置。
2. ガス成分増減手段が電解質と、これを挟む一対の電極とを含んで構成される電気化学セルを備える請求項１に記載のガス流量測定装置。
3. 前記電気化学セルが電解質として、水素イオン伝導性電解質成型体若しくは酸素イオン電解質成型体を備える請求項２に記載のガス流量測定装置。
4. 前記電気化学セルに対し、電極間でのイオン輸送量を制御する制御手段を備える請求項２又は３に記載のガス流量測定装置。
5. 前記制御手段がイオン輸送量を、前記第１及び第２のガス濃度検出手段により検出された濃度に基づいて制御する請求項４に記載のガス流量測定装置。
6. 第１及び第２のガス濃度検出手段が電気化学セルを備え、これらの電気化学セルの電解質と、ガス成分増減手段の電解質とが一体に形成された請求項２〜５のいずれかに記載のガス流量測定装置。
7. ガス成分増減手段と、第２のガス濃度検出手段との間に被測定ガスを攪拌する攪拌手段を備える請求項１〜６のいずれかに記載のガス流量測定装置。
8. ガス成分増減手段が被測定ガスからガス成分を抽出する場合に、この抽出されたガス成分を被測定ガスに還流する還流手段を備える請求項１〜７のいずれかに記載のガス流量測定装置。
9. ガス成分増減手段が被測定ガスにガス成分を添加する場合に、この添加されるガスを被測定ガスから抽出してガス成分増減手段に供給する供給手段を備える請求項１〜７のいずれかに記載のガス流量測定装置。
10. ガス成分増減手段が前記電気化学セルとして、燃料電池を備える請求項２に記載のガス流量測定装置。
11. 燃料電池発電システムに設置され、ガス成分増減手段が前記電気化学セルとして、この発電システムの電源としての燃料電池の上流に別の燃料電池を備える請求項２に記載のガス流量測定装置。
12. 被測定ガスの一部を第１のガス濃度検出手段、ガス成分増減手段及び第２のガス濃度検出手段に供給するための被測定ガス流通路を備える請求項１〜１１のいずれかに記載のガス流量測定装置。
13. ガス流量算出手段が、被測定ガスにおける前記被測定ガス流通路への分流成分の、予め定められた比率を記憶する請求項１２に記載のガス流量測定装置。
14. 被測定ガスにおける前記被測定ガス流通路への分流成分の比率を変化させる可変手段を備える請求項１２に記載のガス流量測定装置。
15. 前記特定ガス成分が酸素若しくは水素である請求項１〜１４のいずれかに記載のガス流量測定装置。
16. ガス成分増減手段が対象ガスを被測定ガスに断続的に添加するか、あるいは対象ガスを被測定ガスから断続的に抽出し、第２のガス濃度検出手段がガス成分増減手段の下流において、対象ガスの添加又は抽出時における特定ガス成分の濃度を検出し、第１のガス濃度検出手段がガス成分増減手段の下流において、対象ガスの添加又は抽出時以外の停止時における特定ガス成分の濃度を検出する請求項１〜１５のいずれかに記載のガス流量測定装置。
17. 被測定ガスに対して被測定ガスに含まれる特定ガス成分若しくはこれとは異なるガスである対象ガスを添加するか、あるいは対象ガスを被測定ガスから抽出するガス成分増減手段と、
    ガス成分増減手段の上流における被測定ガスの前記特定ガス成分の濃度を検出するか、あるいはその濃度として予め定められた濃度を設定する第１のガス濃度検出手段と、
    ガス成分増減手段の下流における被測定ガスの前記特定ガス成分の濃度を検出する第２のガス濃度検出手段と、
    ガス成分増減手段による対象ガスの添加若しくは抽出前又は添加若しくは抽出後における被測定ガス又は前記特定ガス成分の流量を検出する流量検出手段と、
    第１のガス濃度検出手段により検出又は設定された特定ガス成分の濃度及び第２のガス濃度検出手段により検出された特定ガス成分の濃度と、流量検出手段により検出された被測定ガスの流量又は特定ガス成分の流量とに基づいて、ガス成分増減手段により添加又は抽出された対象ガスの量を算出するガス流量算出手段と、を含んで構成されるガス流量測定装置。
18. 流量検出手段が、ガス成分増減手段による対象ガスの添加又は抽出前における被測定ガスの流量を検出し、
    ガス流量算出手段が、流量検出手段により検出された被測定ガスの流量にガス成分増減手段により添加又は抽出された対象ガスの量を加算して、ガス成分増減手段による対象ガスの添加又は抽出後における被測定ガスの流量を算出する請求項１７に記載のガス流量測定装置。
19. 被測定ガスが空気であり、ガス成分増減手段が対象ガスとして水蒸気を添加し、ガス流量算出手段が添加された水蒸気の流量を算出する請求項１７又は１８に記載のガス流量測定装置。
20. 第１及び第２のガス濃度検出手段が特定ガス成分としての酸素ガスの濃度を検出する請求項１９に記載のガス流量測定装置。
21. ガス成分増減手段により添加された水蒸気を含む空気が燃料電池発電システムの燃料改質器に供給される請求項１９又は２０に記載のガス流量測定装置。
22. ガス成分増減手段により添加された水蒸気を含む空気が燃料電池のカソードに供給される請求項１９又は２０に記載のガス流量測定装置。
23. 被測定ガスが特定ガス成分として水素ガスを含み、第１及び第２のガス濃度検出手段が水素ガスの濃度を検出する請求項１７又は１８に記載のガス流量測定装置。
24. 被測定ガスが燃料電池のアノードに供給される燃料ガスである請求項２３に記載のガス流量測定装置。
25. ガス成分増減手段が対象ガスとして水蒸気を添加し、ガス流量算出手段が添加された水蒸気の流量を算出する請求項２３又は２４に記載のガス流量測定装置。
26. ガス成分増減手段が水を蒸発させて水蒸気を添加する請求項１９〜２２及び２５のいずれかに記載のガス流量測定装置。
27. 第１及び第２のガス濃度検出手段がジルコニア酸素センサである１９〜２６のいずれかに記載のガス流量測定装置。
28. ガス成分増減手段が対象ガスを被測定ガスに断続的に添加するか、あるいは対象ガスを被測定ガスから断続的に抽出し、第２のガス濃度検出手段がガス成分増減手段の下流において、対象ガスの添加又は抽出時における特定ガス成分の濃度を検出し、第１のガス濃度検出手段がガス成分増減手段の下流において、対象ガスの添加又は抽出時以外の停止時における特定ガス成分の濃度をする請求項１７〜２７のいずれかに記載のガス流量測定装置。
29. 被測定ガスに対して被測定ガスに含まれる特定ガス成分若しくはこれとは異なるガスである対象ガスを添加するか、あるいは対象ガスを被測定ガスから抽出する一方、
    対象ガスを添加又は抽出する前の前記特定ガス成分の濃度を検出するとともに、その下流で対象ガスを添加又は抽出した後の前記特定ガス成分の濃度を検出し、
    検出された特定ガス成分のこれらの濃度と、添加又は抽出された対象ガスの量とに基づいて、前記特定ガス成分の流量を算出するガス流量測定方法。
30. 被測定ガスに対して被測定ガスに含まれる特定ガス成分若しくはこれとは異なるガスである対象ガスを添加するか、あるいは対象ガスを被測定ガスから抽出する一方、
    対象ガスを添加又は抽出する前の前記特定ガス成分の濃度を検出するとともに、その下流で対象ガスを添加又は抽出した後の前記特定ガス成分の濃度を検出し、
    対象ガスの添加若しくは抽出前又は添加若しくは抽出後の被測定ガス又は前記特定ガス成分の流量を検出し、
    検出された特定ガス成分のこれらの濃度と、被測定ガスの流量又は特定ガス成分の流量とに基づいて、添加又は抽出された対象ガスの量を算出するガス流量測定方法。

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