JP2006128063A - 目標露点を持つ加湿ガスの生成方法と生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 例えば燃料電池のテストベンチ等で必要とされる目標露点を持つ加湿ガスを、効率よく比較的低コストかつ省スペース的に生成する。
【解決手段】 目標露点Ｋ゜よりも低い温度の出発ガス流Ｇに目標露点よりも高い温度の蒸気Ｓを連続的に混入し、混入後の混合ガスの温度を測定し、測定した混合ガス温度が目標露点と同じとなるように、出発ガス流への蒸気の供給量を連続的に制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、目標露点を持つ加湿ガスの生成方法と生成装置に関し、限定されるものではないが、燃料電池テストベンチにおいて目標露点に設定された調整された燃料ガスあるいは酸化剤ガスを得るのに特に好適な目標露点を持つ加湿ガスの生成方法と生成装置に関する。

幾つかの熱機器等の分野において、当該機器の性能を客観的に評価するため、あるいは最適な稼働条件を入手するため等の理由から、予め設定した露点（目標露点）を持つ加湿ガスを連続的に生成し使用することが必要となる。例えば、固体高分子型燃料電池スタックのベンチテストにおいて、スタックを構成する電解質膜や触媒層やガス拡散層、さらにはドレインセパレータ等の性能を客観的に性能評価するためには、予め所望露点を持つように調整された燃料ガスと酸化剤ガスを生成し、それを燃料極および空気極にそれぞれ供給してベンチテストを行うことが必要となる。

特許文献１には、そのような目的で用いられるプロセスガス流の加湿方法および装置が記載されており、そこでは、露点目標温度よりも高い温度となるように、プロセスガス流に蒸気を加えて過飽和させると共に加熱した後、露点目標温度まで冷却することにより、目標露点のプロセスガスを得、さらにこのプロセスガスより復水した過剰水（結露水）を除去後、目標露点のプロセスガスを目標とするプロセスガス温度まで加熱することにより、目標露点と目標ガス温度を備えたプロセスガス流を生成するようにしている。ここで生成されるプロセスガス流は燃料ガス流および酸化剤ガス流であり、供給ラインを介して燃料電池に送られる。

特許文献２には、燃料ガスを加湿して燃料電池に供給するにあたり、露点温度の変動を防ぐことができる燃料電池の試験装置が記載されており、そこにおいて、装置は、燃料電池に供給される燃料ガスを加湿する加湿手段と、加湿された燃料ガスの露点温度を計測する露点温度計測手段とを備え、露点温度計測手段で計測された燃料ガスの露点温度に応じて、加湿手段が燃料ガスを加湿するときの加熱温度を制御するようにしている。

特表２００４−５０５４３１号公報 特開２００３−３４６８５５号公報

特許文献１に記載の方法および装置によれば、目標露点と目標温度を備えたプロセスガス流を精度高く生成することができる。しかし、この方法では、最初に、露点目標よりも高いガス温度となるように蒸気を加えた後、露点目標までプロセスガスを冷却するようにしており、エネルギーおよび蒸気の使用量に無駄が生じている。装置としても、蒸気を過剰に加えるために蒸気発生用のボイラが大型化し、また、ガス冷却用の熱交換器も必要とする等、スペース的にもコスト的に改善すべき課題がある。特許文献２に記載のものは、高価な露点温度計測手段の使用を前提としており、コスト的な課題を有している。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、例えば燃料電池のテストベンチ等で必要とされる目標露点を持つ加湿ガス流を、効率よく比較的低コストかつ省スペース的に生成することのできる、新規な加湿ガスの生成方法と生成装置とを提供することを目的とする。

本発明による目標露点を持つ加湿ガスの生成方法は、目標露点よりも低い温度の出発ガス流に目標露点よりも高い温度の蒸気を連続的に混入し、混入後の混合ガスの温度を測定し、測定した混合ガス温度が目標露点と同じとなるように、出発ガス流への蒸気の供給量を制御することを特徴とする。

上記の生成方法では、混合後のガス温度が目標露点となるように流量を制御しながら、出発ガス流に蒸気を加えるようにしていることを特徴とする。そのために、蒸気の無駄を少なくすることができ、低コスト化が図られる。また、蒸気発生用のボイラ等の設備も小型化することができ、省スペース化も可能となる。本発明の方法では、ａ）加えた蒸気の一部は蒸気のまま目標露点よりも低い温度にある出発ガス温まで降温し、この際に放出されるエネルギーは、混合ガス温（および周囲の管温等）を昇温させる、また、ｂ）蒸気の残り（過飽和分）は結露潜熱を放出し、混合ガス温（および周囲の管温等）を昇温させてドレイン（結露水）となる、という２つの現象が起き、最終的に、「ガスの温度＝露点」での飽和状態に加湿混合ガスは達するようになる。すなわち、混合後の混合ガス温度を継続的に測定し、混合ガス温＝目標露点となるように、出発ガス流に混入する蒸気量を制御すれば、目標露点を持つ加湿ガスを無駄な蒸気を多量に使用することなく生成することができる。

本発明の方法では、機構上、出発ガス流の温度よりも目標露点は高いものとなる。そのために、比較的低い露点である加湿ガスを生成することが求められる場合には、適宜の熱交換器等により、出発ガス流を冷却することが必要となる。すなわち、本発明において、出発ガス流の温度が目標露点よりも高い場合には、目標露点よりも低い温度に出発ガス流の温度を降温させる工程をさらに行うようにする。それにより、実際の運用において、目標露点範囲を拡大することが可能となる。また、本発明の方法においては、機構上、加湿ガスの生成過程で大量の結露水が副生されることはないとしても、副生した結露水をドレインセパレータのような手段で分離することは好ましく、分離した水分をボイラ供給水へ還流することにより、さらに省エネルギー化を図ることができる。

本発明により加湿ガス生成方法は、半導体や化学製品の製造プロセスのような多くの技術分野で使用することができる。中でも、燃料電池のテストベンチで使用する加湿ガスの生成方法として採用することは有効であり、その際に、生成される加湿ガスは、燃料電池で用いる燃料ガス（例えば、水素を主成分とするドライガスと蒸気との混合ガス）、および酸化剤ガス（空気と蒸気との混合ガス）のいずれかまたは双方となる。その場合、生成された加湿ガスは、前記のように副生した結露水を除去した後、ヒータ等の適宜の加熱手段により、目標とする所定温度まで加熱昇温された後、燃料電池スタックの燃料極または空気極に送られる。

本発明は、さらに、上記した目標露点を持つ加湿ガスの生成方法を好適に実施するための装置として、出発ガスが流れるガス管路と、出発ガスに蒸気を混入するためのガス管路に接続する蒸気管路と、蒸気管路に備えた流量調整弁と、ガス管路における蒸気管路との接続部よりも下流側であるガス−蒸気混合領域と、ガス−蒸気混合領域内での加湿混合ガスの温度を測定する温度センサと、加湿混合ガスの温度が目標露点となる量の蒸気流量が得られるように温度センサからの情報に基づき流量調整弁の開度を制御する制御手段、とを少なくとも備える加湿ガス生成装置も開示する。

上記の生成装置では、通常の温度センサを用いて、ガス−蒸気混合領域内での加湿混合ガスの温度を測定し、その温度情報に基づき流量調整弁の開度を制御して、制御された量（すなわち、混合ガス温度＝目標露点となる量）の蒸気を出発ガス流に混入するようにしており、露点温度計のような高コストの機材を使用しないので、装置全体の低コスト化を図ることができる。また、必要最小限の蒸気量で所期の目的を達成することができるので、蒸気発生源としてのボイラ等に過剰な設備投資が不要となり、この点からも、低コストと省スペース化が図られる。

本発明の装置をより効率よく運転するには、蒸気の持つエネルギーを効率よく出発ガス流に伝えることが望ましい。そのための一つの態様として、ガス管路を流れる出発ガス流と蒸気管路から供給される蒸気流とが並行流となり得るようにガス管路における蒸気管路の接続部を構成することが挙げられる。この構成により、蒸気管路からの蒸気流がガス管路の壁面に強く衝突するのを回避することができ、ガス管路の局部的な加熱による蒸気エネルギーの損失を防ぐことができる。

出発ガス流と蒸気とが短い距離で全体的に混合し合うようにすることも、蒸気の持つエネルギーを効率よく出発ガス流に伝え、かつ装置を小型するのに好ましい。そのために、本発明による装置の好ましい態様では、ガス−蒸気混合領域の上流域に流入する蒸気を拡散するための蒸気拡散手段が配置される。蒸気拡散手段の具体例としては、蒸気の直進を妨げる適宜の蒸気衝突体、蒸気拡散体等が挙げられる。他の好ましい態様では、ガス−蒸気混合領域にそこを流れる加湿混合ガスの混合を促進する混合促進手段が配置される。混合促進手段は任意のものであってよいが、より好ましくは、羽根車形状のガス拡散板のように、加湿混合ガス流を旋回流とする手段が挙げられる。この混合促進手段はそれ単独で配置されてもよく、前記した蒸気拡散手段に加えて配置するようにしてもよい。

本発明の装置において、蒸気管路に備える流量調整弁は１個であってもよく、主流路に大流量用の流量調整弁を取り付け、並列に配置した分岐路に微調整専用弁を取り付けるようにしてもよい。必要とされる総蒸気量あるいは必要とされる制御精度等を考慮して実機において適宜選択すればよい。他の好ましい態様として、少なくとも１つ以上のＯＮ−ＯＦＦ弁と少なくとも１つの調整弁とを並列に配置する態様も挙げられる。一般にＯＮ−ＯＦＦ弁は流量調整弁と比べて安価であり、この態様とすることにより、例えば、１個の調整弁と２個のＯＮ−ＯＦＦ弁という安価な構成でありながら、３個の流量調整弁を備える場合と同様の流量範囲で適切に流量制御することが可能となる。

なお、本発明による装置においても、前記加湿ガスの生成方法の説明において記載したと同じ理由から、出発ガスの温度を調整する手段をさらに備えること、あるいは、ガス−蒸気混合領域内に、加湿ガスの生成過程で副生した結露水を分離するドレインセパレータを設けること等は、好ましい態様となる。ドレインセパレータを備える場合、加湿混合ガスの温度を測定する温度センサは、当該ドレインセパレータの直前あるいは直後に配置することが望ましい。また、ドレインセパレータを加湿混合ガスが通過するときに、加湿混合ガスからの伝熱等でドレインセパレータの温度は上昇し、その放熱分のため混合ガス温は目標露点よりは低い温度となる。目標露点精度が高くない場合、この状態で使用するようにしてもよく、また、降下分を見こして予め目標ガス温度を高めに設定するようにしてもよい。ドレインセパレータにバンドヒータ等を巻き付ける等の保温対策を施して目標露点温度で保温して結露が発生するのを防ぐようにすることにより、目標露点精度をより高精度化することができる。

本発明による装置は、多くの技術分野で使用することができるが、中でも、燃料電池のテストベンチで使用する加湿ガスの生成装置として用いることは有効であり、その際に、生成される加湿ガスは、前記方法発明で説明したように、燃料電池で用いる燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれかまたは双方となる。そして、その場合、装置には、副生した結露水を除去した後、生成された目標露点の加湿ガスを目標とする所定温度まで加熱昇温するための加熱手段が備えられ、さらに好ましくは、加湿ガス加熱手段の下流側に生成した加湿ガスの流れを乱流化するための邪魔部材が備えられる。このような邪魔部材を備えることにより、生成した加湿ガスを短い配管路内で均熱化することが可能となり、装置の一層の省スペース化に寄与することとなる。

本発明の装置を燃料電池のテストベンチに用いるような場合、目標露点の変更が頻繁に行われる場合があり、特に高露点→低露点への切換時間を短縮することが求められる場合には、ドレインセパレータを急冷するための手段をさらに設けることが望まれる。急冷手段の一例としては、ドレインセパレータに銅管を巻き付け、そこに冷却水を通すような手段が挙げられる。

本発明によれば、例えば燃料電池のテストベンチ等で必要とされるような、目標露点を持つ加湿ガス流を、効率よく、低コストかつ省スペース的に生成することが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は本発明による目標露点を持つ加湿ガスの生成方法における生成プロセスを説明するための概念図であり、図２はそのための装置の一例を示す模式図である。図３は本発明による方法と装置を燃料電池のテストベンチで用いる場合のシステムズであり、図４、図５はそこでのガス−蒸気混合領域近傍を説明するための図である。さらに、図６は蒸気流量を調整する場合の１つの態様を説明するグラフであり、図７は図３に示した装置を用いて本発明による加湿ガスの生成方法を実施したときのテスト結果を示すグラフである。

本発明による目標露点を持つ加湿ガスの生成方法では、最初に、目標露点Ｋ゜が設定される。そして、該目標露点Ｋ゜よりも低い露点ｋ１とガス温（例えば、常温）ｔ１である出発ガス（ドライガス）Ｇと、目標露点Ｋ゜よりも高いガス温（例えば、１６５゜）ｔ２である蒸気Ｓとが混合される（図２も参照）。混合の瞬間、加えた蒸気Ｓの一部Ｓ１は蒸気のまま目標露点Ｋ゜よりも低い温度にある出発ガス温ｔ１まで降温し、この際に放出されるエネルギーは、ガス温を昇温させる。また、蒸気Ｓの残り（過飽和分）は結露潜熱を放出し、ガス温を昇温させて結露水（ドレイン）Ｄとなる。この２つの現象が起き、その過程で、混合ガスの温度を連続的に測定して、混合ガスの温度が目標露点と同じ温度であるＫ゜となるように蒸気Ｓの供給量（混入量）を調整する。そして、最終的には、図１にＲで示すように、混合ガス温度＝露点（Ｋ゜）という飽和状態に達した加湿ガスが生成される。

上記のように、本発明の加湿ガス生成方法では、供給する蒸気量を制御してガスと蒸気の混合ガスの温度を目標露点の温度に維持した状態で、最終的に飽和状態に達した加湿ガスを生成するようにしており、理論上は、混合ガスを過飽和状態とすることはないので、無駄な蒸気（すなわち、最終的に結露水して副生される蒸気）を最小限に押さえることができ、低コストでの運用が可能となる。また、蒸気発生用のボイラ設備等も小規模なものでよく、省スペース化も図られる。

より具体的には、図２に示すように、ガス管路１に出発ガス（ドライガス）Ｇを供給する。ガス管路１には蒸気管路２が接続しており、ボイラからの蒸気Ｓは該蒸気管路２からガス管路１に流入する。該蒸気管路２には流量調整弁３が備えてあり、流量調整弁３の開度を調整することにより、供給される蒸気量は制御される。なお、図示の例では、蒸気管路２は並行する分岐管路２ａを有しており、主蒸気管路２に大容量用調整弁３を配置し、分岐管路２ａに微調整用調整弁３ａを配置するようにしているが、１つの流量調整弁で所要の流量調整を行うことももちろん可能である。

ガス管路１における蒸気管路２の接続部以降の領域は「ガス−蒸気混合領域」４とされ、その領域４内で、ガスと蒸気の混合が進行する。ガス−蒸気混合領域４内での混合ガス温度は温度センサＴにより測定され、温度情報が制御手段５に送られる。温度センサＴの位置は混合が十分進行した場所、すなわち流れの後流側であることが好ましい。制御手段５は、目標露点と測定した混合ガス温度のと温度差と、該差分を埋めるのに必要な蒸気量（エネルギー量）との関係から、差分を埋めるのに必要な量の蒸気が通過できるだけの弁開度信号を流量調整弁３、３ａに送る機能を持つものであり、従来知られたこの種の制御機構をそのまま用いればよい。必要な場合には適宜のフィードバック制御も行うことにより、混合ガス温度をより精度高く制御することができる。この制御を行うことにより、前記したようにガス温度＝目標露点となって加湿ガスが生成される。生成した加湿ガスは、必要な場合には、ドレインセパレータ７により生成された加湿ガスから副生された結露水を除去した後、適宜の使用機器に供給される。

ガス管路１に出発ガスＧを冷却するための適宜の熱交換器８を設けることもできる。出発ガスＧの温度が目標露点よりも高い場合、あるいは低い場合でもその温度差がわずかである場合には、本発明の方法は実施できない。そのような場合には、熱交換器８を利用して出発ガスＧの温度を目標露点よりも所要幅だけ低い温度に予め降温させ、該降温した出発ガスＧと蒸気Ｓとを混合させるようにする。

図３を参照して、上記した本発明による加湿ガス生成方法及び装置を実際に使用する例を燃料電池のテストベンチを用いて説明する。燃料電池のテストベンチでは、目標露点・目標ガス温に制御された燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池へ供給する必要があり、図３の例では、燃料ガスの出発ガスとして水素（Ｈ２）、酸化剤ガスの出発ガスとして空気（Ａｉｒ）を用い、双方の出発ガスに対して本発明による加湿ガス生成方法を適用して目標露点・目標ガス温に制御された燃料ガスと酸化剤ガスを生成し、それを燃料電池ＦＣへ供給するようにしている。なお、図３において、図２に示した装置の部材と同じ機能を奏する部材には同じ符号を付している。

図３に示すシステムにおいて、純水ＰＷが用意され、ガス管路１Ｈを流れる水素ガス流およびガス管路１Ａを流れる空気流は、熱交換器８、８で純水ＰＷとの間で熱交換され冷却（降温）される。冷却された水素ガスと空気はマスフローコントローラ１０、１０で定流量に制御されて、それぞれのガス管路を流下する。熱交換器８、８で昇温した純水ＰＷは純水タンク１１に送られる。純水タンク１１には燃料電池ＦＣの冷却水ＨＷが循環しており、純水ＰＷと熱交換する。

熱交換により昇温した純水はボイラ１２、１２に送られ、例えば、１６５゜、０．７ＭＰａ程度の蒸気が作られる。一方のボイラ１２からの蒸気は流量制御弁３を備えた蒸気管路２Ｈを通って水素ガス管路１Ｈに流入し、水素と蒸気の混合ガスを形成する。他方のボイラ１２からの蒸気は流量制御弁３を備えた蒸気管路２Ａを通って空気ガス管路１Ａに流入し、空気と蒸気の混合ガスを形成する。そして、それぞれの混合ガスは各管路でのガス−蒸気混合領域４Ｈ、４Ａを通過する。

図示のシステム例では、各ガス−蒸気混合領域４Ｈ、４Ａの終わりにドレインセパレータ７Ｈ、７Ａが取り付けてあり、各ドレインセパレータ７Ｈ、７Ａには混合ガスの温度を測定するための温度センサＴＨ、ＴＡが備えてある。そして、各温度センサＴＨ、ＴＡの情報は、制御手段５を介して流量制御弁３、３側に送られ、すでに図２に示した装置において説明したように、各流量制御弁３、３の弁開度が調整され、制御された量の蒸気Ｓがガス−蒸気混合領域４Ｈ、４Ａに供給される。その結果、各混合ガスは、目標露点に制御された燃料ガスと酸化剤ガスとして生成される。

生成された燃料ガスと酸化剤ガスはヒータ１３、１３で目標ガス温に昇温された後、テストすべき燃料電池ＦＣにそれぞれ送り込まれる。燃料電池ＦＣには背圧制御弁１４が備えられ、運転環境を整えると共に、高温状態にある冷却水は前記した純水タンク１１に送られて純水と熱交換する。なお、図３に示すシステム図では、蒸気管路には１つの流量調整弁が備えられているが、図２に示した装置のように、２個の流量調整弁３、３ａを並列に配置するようにしてもよい。また、出発ガスである水素と空気の温度と目標露点の間に十分な開きがある場合には熱交換器８を省略するあるいはそれを稼働させないでもよいことは、前記したとおりである。さらに、ドレインセパレータ７を用いる場合、ドレインセパレータ７をバンドヒータ１５等で巻き付けて目標露点温度で保温することにより、所望しない結露が生じるのを防ぐことができ、さらに高い精度での目標露点を持つ加湿ガス生成が可能となる。図示しないが、ドレインセパレータ７で分離した水をボイラ供給水へ還流させるようにして、水エネルギーを節約することもできる。

図２あるいは図３に示す装置において、出発ガスＧ中に蒸気Ｓを混入する態様は、測温される箇所において両者が均一に混合していることを条件に基本的には任意である。しかし、ａ）周囲の管壁等に熱が過剰に伝熱するとその分蒸気のエネルギーが無駄になること、また、ｂ）ガスＧと蒸気Ｓの自然拡散による混合では、蒸気Ｓの流速が大きいことから均一に混合するまでに長い管路長を要し、装置が大型化してしまうこと、等の不都合が生じる。

前記ａ）の不都合を回避するために、好ましくは、ガス管路１を流れる出発ガス流と蒸気管路２から供給される蒸気流とが並行流となるようにガス管路１における蒸気管路２の接続部が構成される。図４はその一形態であり、ガス管路１に蒸気管路２の差し込み口３１を設け、そこに差し込んだ蒸気管路２をガスの流れ方向に延長させ、該延長部３２の軸心線方向とガス管１の軸心線方向とを一致させるようにしている。なお、図４ではもう一つの差し込み口３３を形成し、前記した差し込み口３１には、図２に示す大容量弁３を取り付けた主蒸気管路２を差し込み、もう一つの差し込み口３３には微調整専用弁３ａを取り付けた分岐蒸気管路２ａを差し込んでいる。当然に、分岐蒸気管路２ａの延長部３４の軸心線方向もガス管１の軸心線方向と一致させている。この形態とすることにより、蒸気Ｓがガス管路２の周壁に強く当たることがなくなり、蒸気のエネルギーが周壁側で無駄に消費されるのを効果的に防ぐことができる。

また、前記ｂ）の不都合を回避するために、好ましくは、並行流としてガス−蒸気混合領域の上流域に入り込んだ蒸気流を拡散するための蒸気拡散手段を、ガス−蒸気混合領域の上流域に配置する。図５ａ、ｂはその一形態を示しており、図５ｂに示すように、蒸気が衝突して拡散するのを補助する拡散板５１を有する拡散部材５０を、図５ａに示すように、図４に示した蒸気管路の延長部の先端近傍に取り付けるようにしている。このように蒸気を強制的に拡散させる部材を取り付けることにより、ガス−蒸気混合領域の長さを短くすることができ、装置の小型化がもたらされる。なお、図示する拡散部材５０は結果的にガス流も拡散することとなるので、ガス流と蒸気流との混合は一層促進される。図示しないが、蒸気管路の延長部の先端部のみに、すなわちガス流は積極的に拡散させない場所に適宜の拡散部材を取り付けても、所期の効果は十分に達成可能である。

ガス−蒸気混合領域４を流れるガスと蒸気の混合流を積極的に混合する手段をガス−蒸気混合領域４に配置することによっても、前記ｂ）の不都合を回避することができる。図６ａ，ｂはその一形態を示しており、ここでは、図６ｂに示すように、放射方向に広がる複数枚の翼６１を持つ羽根車形状のガス拡散板６０を、図６ａに示すように、ガス−蒸気混合領域４内に１枚以上、図示の例では３枚、取り付けている。混合ガスは、ガス拡散板６０を通過する毎に、翼６１の開き角に応じた旋回流となり、ガス流と蒸気流との混合は確実に促進される。そのために、短い距離での出発ガスと蒸気との均一な混合が可能となり、ガス−蒸気混合領域４の長さを短くすることがでるので、装置のさらなる小型化がもたらされる。なお、図６ａでは、図５ｂに示した拡散部材５０を同時に用いているが、装置運転環境によつては、拡散部材５０を用いずに、ガス拡散板６０のみをガス−蒸気混合領域４に配置しても、所期の目的は達成可能である。さらに、上記のように、羽根車形状のガス拡散板６０を用いて混合ガス流を旋回流とすることは、混合促進の観点から最も好ましい態様であるが、これに限らず、金網（多孔体）のような形状の混合促進手段をガス−蒸気混合領域４内に配置しても、所期の目的は達成可能である。

図示しないが、図３に示したヒータ１３の下流側であるガス管路内に、生成された加湿ガスを乱流化するための邪魔部材、例えばガス管路内壁に設けた管径に比べて十分な大きさの複数個の突起体、直径方向に横断する複数本の棒部材、多数の貫通孔を備えた板材、等を配置することも好ましい。このような邪魔部材を配置することにより、短い管路長で加熱される加湿ガスの均熱化を図ることが可能となり、管路長を短くして装置全体を小型化することができる。

図７は、図２に示す蒸気管路２に並列に分岐管路２ａを設ける場合のように、蒸気管路を１本以上の分岐管路を並列に配置するときの、蒸気流量制御の他の態様を説明する弁開き量（ＣＶ値）と蒸気流量との関係を示すグラフである。この例では、蒸気管路２は３本の並列管路に分岐され、１本の分岐回路には小流量の調整弁３ｂを取り付け、２本の分岐回路には調整弁３Ｃの全開弁開度に相当するサイズのＯＮ−ＯＦＦ弁４１、４２をそれぞれ取り付けている。この形態では、先ず、小流量側では、２つのＯＮ−ＯＦＦ弁４１、４２は閉じた状態で調整弁３Ｃのみで蒸気の流量を制御する（図７でのＡ領域）。調整弁３Ｃが全開付近になったとき、１つのＯＮ−ＯＦＦ弁４１を開きかつ調整弁３Ｃを全閉にする（図７でＢの点）。その上の流量が必要なときには、ＯＮ−ＯＦＦ弁４１開＋調整弁３Ｃで制御し（図７でのＣ領域）、調整弁３Ｃが再び全開付近になった場合に、２つ目のＯＮ−ＯＦＦ弁４２を開きかつ調整弁３Ｃを全閉にする（図７でＤの点）。さらにその上の流量が必要なときには、ＯＮ−ＯＦＦ弁４１、４２開＋調整弁３Ｃで制御する（図７でのＥ領域）。図７からわかるように、このようにすることによりＯＮ−ＯＦＦ弁を用いた安価な弁構成でもって、高価な調整弁３個相当の流量範囲で、任意の蒸気流量調整を行うことができる。

図８は、図３に示した装置を用いて本発明による加湿ガスの生成方法を実施したときのテスト結果を示すグラフである。グラフで横軸は時間であり、テストでは、目標露点Ｋ゜を、第１ステージＳ１では５０゜、それに続く第２ステージＳ２では７５゜に設定した。曲線Ａは混合ガスの露点温度であり、従来の露点温度計を用いて測定した。曲線Ｂは前記したガス−蒸気混合領域で測温した混合ガスの温度であり、通常の温度センサで測定した。グラフに示されるように、混合ガス温度（曲線Ｂ）は設定目標露点Ｋ゜が変わっても、ほぼそれに追従してほぼ同じ温度に変化している。実測した露点温度も低めにシフトしてはいるものの目標露点にほぼ一致して変化している。目標露点よりも低めにシフトしているのは、テストで用いた装置ではドレインセパレータに保温機構を施さなかったために、そこで結露が生じたためと推測される。

本発明による目標露点を持つ加湿ガスの生成方法における生成プロセスを説明するための概念図。 本発明による目標露点を持つ加湿ガスの生成方法を実施するための装置の一例を示す模式図。 本発明による目標露点を持つ加湿ガスの方法と装置を燃料電池のテストベンチで用いる場合のシステムズ。 図２または図３に示す装置でのガス−蒸気混合領域近傍の一例を説明するための図。 図２または図３に示す装置でのガス−蒸気混合領域の他の例を説明するための図。 図２または図３に示す装置でのガス−蒸気混合領域のさらに他の例を説明するための図。 蒸気流量を調整する場合の１つの態様を説明するグラフ。 図３に示した装置を用いて本発明による加湿ガスの生成方法を実施したときのテスト結果を示すグラフ。

符号の説明

Ｋ゜…目標露点、Ｇ…出発ガス（ドライガス）、Ｓ…蒸気、Ｄ…結露水（ドレイン）、Ｔ、ＴＨ、ＴＡ…温度センサ、Ｒ…ガス温度＝露点である飽和状態に達した加湿ガス、ＦＣ…燃料電池、ＰＷ…純水、ＨＷ…燃料電池の冷却水、１…ガス管路、１Ｈ…水素ガス管路、１Ａ…空気ガス管路、２、２Ｈ、２Ａ…蒸気管路、２ａ…蒸気管路に並行する分岐管路、３…（大容量）流量調整弁、３ａ…微調整用調整弁、４、４Ｈ、４Ａ…ガス−蒸気混合領域、５…制御手段、７、７Ｈ、７Ａ…ドレインセパレータ、８…熱交換器、１０…マスフローコントローラ、１１…純水タンク、１２…ボイラ、１３…ヒータ、１４…背圧制御弁、１５…バンドヒータ、３１、３３…蒸気管路の差し込み口、３２、３４…蒸気管路の延長部、４１、４２…ＯＮ−ＯＦＦ弁、５０…拡散部材、５１…拡散板、６０…混合促進手段としてのガス拡散板、６１…ガス拡散板の翼

Claims (16)

1. 目標露点を持つ加湿ガスの生成方法であって、目標露点よりも低い温度の出発ガス流に目標露点よりも高い温度の蒸気を連続的に混入し、混入後の混合ガスの温度を測定し、測定した混合ガス温度が目標露点と同じとなるように、出発ガス流への蒸気の供給量を連続的に制御することを特徴とする加湿ガスの生成方法。
2. 出発ガス流の温度が目標露点よりも高い場合に、目標露点よりも低い温度に出発ガス流の温度を降温させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の加湿ガスの生成方法。
3. 加湿ガスの生成過程で副生した結露水を分離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の加湿ガスの生成方法。
4. 加湿ガスが燃料電池で用いる燃料ガスおよびまたは酸化剤ガスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加湿ガスの生成方法。
5. 目標露点となった加湿ガスを所定温度まで昇温する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の加湿ガスの生成方法。
6. 目標露点を持つ加湿ガスの生成装置であって、出発ガスが流れるガス管路と、出発ガスに蒸気を混入するためのガス管路に接続する蒸気管路と、蒸気管路に備えた流量調整弁と、ガス管路における蒸気管路との接続部よりも下流側であるガス−蒸気混合領域と、ガス−蒸気混合領域内での加湿混合ガスの温度を測定する温度センサと、加湿混合ガスの温度が目標露点となる量の蒸気流量が得られるように温度センサからの情報に基づき流量調整弁の開度を制御する制御手段、とを少なくとも備えることを特徴とする加湿ガス生成装置。
7. ガス管路を流れる出発ガス流と蒸気管路から供給される蒸気流とが並行流となり得るようにガス管路における蒸気管路の接続部が構成されていることを特徴とする請求項６に記載の加湿ガス生成装置。
8. ガス−蒸気混合領域の上流域には流入する蒸気を拡散するための蒸気拡散手段が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の加湿ガス生成装置。
9. ガス−蒸気混合領域には、そこを流れる加湿混合ガスの混合を促進する混合促進手段が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の加湿ガス生成装置。
10. 混合促進手段は加湿混合ガス流を旋回流とする手段であることを特徴とする請求項９に記載の加湿ガス生成装置。
11. 蒸気管路に備えた流量調整弁は、並列に配置した少なくとも１つのＯＮ−ＯＦＦ弁と少なくとも１つの調整弁とで構成されていることを特徴とする請求項６に記載の加湿ガス生成装置。
12. 出発ガスの温度を調整する手段をさらに備えることを特徴とする請求項６〜１１のいずれかに記載の加湿ガス生成装置。
13. 加湿ガスの生成過程で副生した結露水を分離するドレインセパレータをさらに備えることを特徴とする請求項６〜１１のいずれかに記載の加湿ガス生成装置。
14. 加湿ガスが燃料電池で用いる燃料ガスおよびまたは酸化剤ガスであることを特徴とする請求項６〜１３のいずれかに記載の加湿ガス生成装置。
15. 目標露点となった加湿ガスを所定温度まで昇温するための加湿ガス加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の加湿ガス生成装置。
16. 加湿ガスの流れを乱流化するための邪魔部材が加湿ガス加熱手段の下流側にさらに備えられていることを特徴とする請求項１５に記載の加湿ガス生成装置。

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