水素流量測定：課題と超音波ソリューション

水素流量の測定は、2つの物性により天然ガスの計量よりも困難です。水素中の音速は、20 °C、0.101325 MPaにおいて1,304.7 m/sであり、メタンの約2.9倍です。また、同じ条件下での密度はメタンの約8分の1です（NIST Chemistry WebBook、2026年閲覧；比率はNISTデータから算出）。1つ目の特性により、音波パルスがガス中に留まる時間は短くなります。2つ目の特性により、受信器に到達するパルスは弱くなります。

超音波伝搬時間差流量計は、トランスデューサ、タイミング電子回路、流路をこれら2つの特性に合わせて設計すれば、水素を測定できます。伝搬時間差とは、音波パルスが流れと同方向および逆方向に進むのに要する時間の差であり、ガス速度に比例します。本稿ではOEMシステム、すなわち1～20 barのPEM電解装置およびPEM燃料電池を対象とし、湿潤ガスおよび混合ガスについて説明します。パイプライン、混合、充填計量は異なる課題であるため、背景情報としてのみ扱います。

なぜ水素の流量測定は天然ガスより難しいのでしょうか？

天然ガスや空気から水素へ対象を移すと、超音波流量計が分解すべき物理量が変わります。以下のNIST値は、その差がどの程度であるかを示しています。

出典： NIST Chemistry WebBook。インピーダンスは、密度に音速を乗じて算出しています。

水素の音速が伝搬時間を短縮する仕組み

20 °Cでは、水素中の音速は大気圧で1,304.7 m/s、10.1 MPaで1,391.5 m/s、70.1 MPaで1,910.3 m/sです（NISTの等温線データ）。パルスは、メタン中と比べて同じ経路を約2.9倍速く通過します。

伝搬時間差の原理では、流量計は上流方向と下流方向の伝搬時間の差からガス速度を推定します。伝搬時間が短いほど、速度単位あたりの時間差は小さくなるため、タイミング電子回路にはより高い分解能が必要です。また、パルスを捉えるために受信ウィンドウをより早く開く必要があります。

低密度により水素中の超音波信号が弱くなる理由

水素の20 °Cにおける密度は0.083752 kg/m3であり、メタンは0.66816 kg/m3、窒素は1.1648 kg/m3です。音響インピーダンスは密度と音速の積であり、トランスデューサからガスへどれだけ音響エネルギーが伝わるかを決定します。水素では約109 Raylであるのに対し、メタンは約297、窒素は約407です（NISTデータから算出）。

トランスデューサは、高インピーダンスのアクティブ材料と低インピーダンスのガスを橋渡しする必要があります。この点については、 Gani、O'Leary、Galbraith（IEEE Sensors Journal、2026）が説明しています。水素ではインピーダンスの不整合が大きくなるため、ガスに入るエネルギーが減少し、信号対雑音比（SNR：受信パルスの強度と電気的・音響的なバックグラウンドノイズとの比較）が低下します。したがって、弱い信号はトランスデューサの界面から始まるため、最初に取り組むべき要素はトランスデューサ設計です。

温度は音響経路の近くで測定する必要があります。水素の音速は0～100 °Cの間で1 Kあたり約2.07 m/s上昇しますが、メタンでは約0.65 m/sです（いずれもNISTデータから算出）。同じ温度誤差でも、水素では音速が約3倍変化します。その音速から算出される流量値や組成値にも、同じ誤差が含まれます。

PEM電解装置および燃料電池における水素流量測定

OEMの水素流は湿潤状態で、運転中に組成が変化します。そのため、乾燥した純水素用に校正した流量計では、ループ内の実際とは異なるガスを測定することになります。圧力は通常1～20 barであり、密度はさらに低下します。

PEM電解装置出口における湿潤水素

NISTによると、水（18.0153 g/mol）は水素（2.01588 g/mol）より約9倍重い物質です。したがって、電解装置出口に数パーセントの水蒸気が含まれるだけでも、混合ガスのモル質量と音速は大きく変化します。水が5 mol%含まれると、モル質量は約40%上昇します（理想混合として算出）。アルカリ電解では、超音波流量計は液体側でも使用され、流量と併せて KOH電解液濃度を監視します。

燃料電池アノード再循環におけるH2/N2/H2O混合ガス

アノード再循環とは、PEM燃料電池において、スタック出口から未使用水素に窒素と水蒸気を加えたものを入口へ戻すループです。再循環する媒体には重い窒素が蓄積し、混合ガスの特性が変化します。あるアノード再循環モデルでは、水素と窒素の体積比が80:20を下回るとパージが開始されます。また、窒素と水蒸気の蓄積に伴い、混合ガスの比熱容量は約9,000 J/(kg·K)から約4,000 J/(kg·K)へ低下します（Nachtigal et al., ETC 2023）。

純水素を前提とした流量測定値は、窒素が蓄積するとドリフトします。音速による組成測定（音速からガス混合比を読み取る方法）でループ内の組成を追跡すれば、体積流量および質量流量の測定値を有効に保ち、パージのタイミングも把握できます。

OEMシステムにおける低圧・低流量・過渡状態

低圧になると密度が低下し、結合もさらに弱くなります。クランプオン式流量計では、天然ガスの場合の約3倍の最低流体圧力が必要です（Hoheisel and Schwede, GFMW 2024）。そのため、低圧ループには水素向けに設計されたインライン形状が求められます。

起動、負荷変化、パージでは流量と組成が急速に変化するため、応答時間が重要です。ターンダウン比、つまり規定精度内で流量計が測定できる最大流量と最小流量の比率により、1台の流量計でアイドル状態から全負荷まで対応できるかが決まります。ベンチスケールの電解装置や試験ベンチでは、低い最小流量への対応も求められます。

水素流量測定の精度に影響する要因とは？

音響特性以外に、水素流量測定の誤差予算を決める要因は、ガス組成、質量または体積による出力、校正方法、圧力と温度の補正の4つです。

TÜV SÜD NEL、VSL、DNVの研究（Chinello et al., 2025）によると、一部の超音波モデルではガス組成によるバイアスの補正が必要です。純水素用の低圧ガス流量計を用いた試験では、窒素不純物2%が超音波体積流量に影響しました（Mussard et al., Hydrogen, 2026）。

質量出力と体積出力は、意図を持って選択してください。体積流量はライン条件における単位時間あたりの体積です。質量流量は単位時間あたりのキログラム数であり、圧力、温度、組成に依存する密度が必要です。ノルマル（標準）体積は、測定値を固定された基準圧力および基準温度に換算するため、値を比較できます。

比較として、OIML R 139は水素充填システムに対して精度等級2および4を定めており、等級2の流量計における最大許容誤差は1.5%です。充填および取引計量は、別の計量課題です。

代替ガスによる水素流量計の校正

MetroHyVe 2 Good Practice Guide（2023）によると、現実的な圧力（最大700 bar）および温度（-40～50 °C）で水素を使用するトレーサブルな流量校正設備は稼働していません。そのため、ほとんどの流量計は空気、窒素、水、またはヘリウムで校正されています。同ガイドでは、空気および窒素による校正の拡張不確かさは低流量域で0.67～0.77%、水では0.16～0.42%でした。ISO 17025認定の水素校正は限られています。

流れのプロファイルを表す、慣性力と粘性力の無次元比であるレイノルズ数を一致させれば、あるガスで行った校正を別のガスへ移行できます。ただし、同程度のレイノルズ数では、水素は天然ガスの約7倍の速度で流れます（Krajcin, Chudoba and Laan, GFMW 2022）。 Cavuoto et al.（Int. J. Hydrogen Energy, 2025）は、水素リッチガスに近い音速を持つヘリウムを基準流体として使用し、0.09%の拡張不確かさ（k=2）を達成しています。

水素流量計の材料、脆化、ATEX要件

水素脆化とは、水素原子が材料内部に侵入することで一部の金属の延性が失われ、応力下で亀裂が発生する可能性がある現象です。 Sandia National Laboratoriesは、316ステンレス鋼が他の多くのオーステナイト系ステンレス鋼よりも水素助長破壊に強いと報告しています。同じ資料では、ニッケル含有量が多いほど耐性が向上し、脆化は200 K付近で最も強くなるとされています。 

水素は小さな分子であり、透過・漏洩しやすいため、流量計本体だけでなくシールやセンサーダイアフラムも確認する必要があります。水素はGroup IICのガスであるため、危険場所で使用する電子機器には、そのグループおよびゾーンに適合したATEXまたはIECEx認証が必要です。

超音波流量計で水素を測定できますか？

超音波伝搬時間差流量計は、トランスデューサのインピーダンス、周波数、タイミング電子回路、流路を水素の音速と密度に合わせて設計すれば、純水素および水素混合ガスを測定できます。以下の各設計変更は、弱い信号から温度感度まで、水素固有の問題に対応します。

-        弱い信号：低インピーダンスの整合層を備えたトランスデューサにより、ガスに入るエネルギーを高めます（Gani et al., 2026）。

-        クロストーク：流量計本体または配管壁を通り、ガス中を伝わるパルスより先に受信器へ到達する音は、フィルターと周波数設定で処理します（Krajcin, Chudoba and Laan, GFMW 2022）。

-        短い伝搬時間：高速なタイミング電子回路と早期受信ウィンドウにより、パルスを捉えます。

-        低圧：低圧向けに設計された流路形状により、信号を使用可能な状態に保ちます。

-        温度感度：温度は音響経路の近くで測定します。

この方式には可動部品がなく、直線状のボアでは圧力損失もほとんどありません。圧力の回復にコストがかかる電解装置では、これは重要な特長です。

ガス混合物中の水素濃度はどのように測定しますか？

音速は、c = √(γRT/M)という関係でモル質量に依存します。ここでγは比熱比、Rは気体定数、Tは温度、Mはモル質量です。したがって、既知の2成分ガス混合物では、測定した音速と温度から 混合比を求めることができます。マイクロマシン加工された超音波トランスデューサは、天然ガス混合物中の水素濃度2 mol%未満の変化も識別しました（Monsalve et al., 2024）。燃料電池ループ内の3成分ガスH2/N2/H2Oについては、別途湿度を測定して水の割合を求め、その後、音速からH2/N2比を算出します。

水素における超音波流量測定の限界

水素の超音波計量には、次の5つの明示された限界があります。

-        組成バイアス：一部の超音波モデルでは、ガス組成によるバイアスの補正が必要です（Chinello et al., 2025）。

-        天然ガス用に構築された流量計：水素最大20%で行われた欧州初の相互比較試験では、天然ガス向けに設計された超音波流量計の再現性が限定的であり、標準不確かさは0.50%でした（Mussard et al., 2026）。

-        校正の移行：トレーサブルな流量校正設備が現実的な圧力・温度条件で水素を使用して稼働していないため、空気、窒素、水、ヘリウムによる校正では不確かさが加わります（MetroHyVe 2, 2023）。

-        現場結果：DN250ではクランプオン式流量計がインライン超音波流量計に対して約1.5%過大指示し、DN400では3台のCoriolis流量計に対して平均約1%の偏差がありました（Hoheisel and Schwede, GFMW 2024）。

-        組成範囲：音速から混合比を求められるのは、ガスが既知の2成分混合物である場合に限られます。

水素ガスにはどの流量計が最適ですか？

すべての水素用途に適合する単一の流量計タイプはありません。Coriolis流量計は質量を直接測定でき、充填用途では標準的な選択肢ですが、低圧のOEMループでは別の設計が必要になることが多くあります。以下の表では、水素向けの 主なタイプを比較しています。

適切な選択は、圧力、組成、質量と体積のどちらが必要か、そして校正媒体によって決まります。

H2/N2/H2O混合物向けAllengra Hydrogen Flow Meter

Allengra Hydrogen Flow Meterは、PEM電解装置および燃料電池ループに見られる、湿潤状態で組成が変動する低圧水素向けの超音波流量計です。1台で体積流量、質量流量、湿度、温度、圧力、H2/N2/H2O組成を測定できます。想定用途は、PEM燃料電池のアノード再循環、電解装置、燃料電池スタック監視、試験ベンチです。

各仕様は、OEMシステムにおける水素測定の課題に対応しています。

-        湿度と組成：湿度測定により、H2/N2/H2Oガス中の水蒸気と窒素の割合を分離できます。

-        圧力範囲：下限の0.8 bar(a)により、密度が最も低くなる低圧ループに対応します。

-        応答時間：起動、負荷変化、パージによる急速な変化を、0.5秒未満の応答で追従します。

-        出力とインターフェース：質量流量と体積流量の両方を利用でき、制御システムとの接続にはCAN-BusとModbusを使用できます。

バリエーション、図面、データシートは、見積依頼にも対応する Allengraの本流量計製品ページでご覧いただけます。カソード側の空気については、 燃料電池吸気用Allengra流量計が同じ超音波方式で湿潤空気を測定します。

実際の水素流量測定：Allengra R&Dへのインタビュー

これらの影響が実システムにどのように現れるかを確認するため、AllengraのR&D EngineerであるCristian Berindeaに、実際の水素測定について4つの質問をしました。

1. 水素を測定する際には、どのような課題がありますか？

主な課題は、ガスそのものの取り扱いに関するものです。水素は高圧（250 bar超）でボンベに貯蔵されているため、試験ベンチに接続する際には、ボンベを確実に固定し、細心の注意を払って取り扱う必要があります。

水素は非常に可燃性の高いガスでもあるため、試験および校正を適切かつ安全な条件で実施できるよう、広範な安全対策を講じなければなりません。

水素を試験ベンチに導入する観点では、もう1つの課題が低密度（空気の約14分の1）です。これにより、システムの気密性を確保することが特に難しくなります。そのため、わずかな漏れでも重大な結果につながる可能性があり、センサーは溶接部や接続部を含めて入念に点検する必要があります。

2. MiNaMi（船舶向け欧州初のメガワット級PEM燃料電池システムを開発するプロジェクト）以外に、当社のセンサーはどのようなプロジェクトに関わっていますか？

さまざまな企業との共同開発を通じて当社が関わるプロジェクトの大半は、燃料電池の開発と改良に焦点を当てています。

その好例が、ZeroAvia、MTU、H2Fly、DLRなどのパートナーと進める航空宇宙産業での当社センサーの利用です。これらのプロジェクトでは航空機推進用燃料電池を開発しており、主にプロトタイプ機や実験機が対象です。長期的な目標は、CO₂排出を完全に無くすことです。

3. 超音波センサーは水素に最適な選択肢ですか？そうであれば、その理由は何ですか？

一般に、超音波センサーは水素流量測定における最良の選択肢の1つと考えられています。

より具体的には、Allengraの超音波センサーは、流れを妨げる機械部品がないため、システム内の圧力損失を最小限に抑えた流量測定ソリューションを提供します。

また、Allengraセンサーは測定対象ガスの組成を特定できます。これにより、システム内に存在するガス混合物と、その相対湿度を把握できます。

超音波センサーは拡張性にも優れたソリューションです。さまざまな流量や配管径に容易に適応できます。

4. 水素流量はどこで測定する必要がありますか？用途には何がありますか？

当社の流量計は、一般に燃料電池と電解装置で使用されています。

燃料電池用途では、未使用水素を再循環・再利用してシステム効率を最大化する前に、その流量を測定するアノード再循環ループで最もよく使用されます。

この場合、水素純度、ガス組成、湿度も測定できます。この情報は、水蒸気をどれだけ効果的に分離・管理しているかを含め、システムがどの程度効率的に動作しているかを判断するのに役立ちます。

用途の例には以下があります。

●       データセンターおよび病院のバックアップ電源：Ceres Powerの燃料電池システムは、地域の電力網に依存せず、信頼性の高い継続的な電力を供給します。

●       水素電解：水の電気分解によって生成される水素の流量と量を測定します。

●       燃料電池による発電：信頼できる電力へのアクセスがない遠隔地での産業用途に使用され、一般に小規模から中規模の生産および採掘事業が対象です。場合によっては、燃料電池は発電の副産物として暖房にも使用されます。これにより、熱エネルギーを無駄にせず利用し、システム全体の効率を高められます。

●       輸送業界：水素燃料電池システムはまだ大規模には使用されていませんが、バス、トラック、乗用車への導入はすでに始まっています。

水素流量測定のベストプラクティス：OEM仕様チェックリスト

データシートの依頼や設計レビューでは、このチェックリストを使用してください。

特定のシステムについてご相談いただく場合は、記入済みのチェックリストを添付して Allengraへ見積もりをご依頼ください。