(57)【要約】【課題】加湿ガスの露点温度を乱すことなく、ガス温度を効率良く下げることができる加湿ガスのガス温度制御方法とガス温度制御装置を提供する。【解決手段】加湿ガスのガス温度制御装置Ｄは、出発ガスＧが流れるガス管路１と、出発ガスに蒸気を混入して加湿ガスＷを生成するためガス管路に接続部１２で接続する蒸気管路７と、ガス管路および蒸気管路に備えた流量調整手段２，４と、加湿ガスの温度を測定する露点計９と、加湿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露点計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９ａ、とを少なくとも備え、ガス管路１から分岐され接続部１２より下流側に接続される副管路１５を備えており、この副管路には、出発ガスを冷却するガス冷却器１７が備えられていると共に、該副管路の流量を調整する調節弁１８が備えられている。調節弁は温度計１０の情報に基づいて開度が制御される。【選択図】図１
2008243452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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混入し、混入後の加湿ガスの温度を測定し、測定した加湿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混入量を制御して生成した加湿ガスのガス温度制御方法であって、
該ガス温度制御方法は、前記出発ガスを分流し、分流された出発ガスを冷却したあと加湿ガスに合流させ、冷却された出発ガスの合流量を制御して前記加湿ガスの温度を降温させることを特徴とする加湿ガスのガス温度制御方法。
【請求項２】
前記冷却された出発ガスは、前記加湿ガスの温度に基づいて、その合流量が制御されることを特徴とする請求項１に記載の加湿ガスのガス温度制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の加湿ガスのガス温度制御方法を用いた燃料電池のガス温度制御方法であって、
前記出発ガスとして燃料ガス及び／又は酸化剤ガスを使用し、冷却された前記燃料ガス及び／又は酸化剤ガスの合流量を制御して前記燃料電池に供給されるガス温度を降温させることを特徴とする燃料電池のガス温度制御方法。
【請求項４】
出発ガスが流れるガス管路と、出発ガスに蒸気を混入して加湿ガスを生成するため前記ガス管路に接続部で接続する蒸気管路と、前記ガス管路および蒸気管路に備えた流量調整手段と、加湿ガスの温度を測定する温度センサと、加湿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前記流量調整手段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のガス温度制御装置であって、
該ガス温度制御装置は、前記ガス管路から分岐され前記接続部より下流側に接続される副管路を備えており、
該副管路には、前記出発ガスを冷却するガス冷却器が備えられていると共に、該副管路の流量を調整する調節弁が備えられていることを特徴とする加湿ガスのガス温度制御装置。
【請求項５】
前記加湿ガスの温度を測定する温度計をさらに備えており、該温度計からの情報に基づき前記調節弁の開度を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の加湿ガスのガス温度制御装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の加湿ガスのガス温度制御装置を用いた燃料電池のガス温度制御装置であって、
前記出発ガスは燃料ガス及び／又は酸化剤ガスであり、冷却された前記燃料ガス及び／又は酸化剤ガスの合流量を制御して前記燃料電池へ供給する加湿ガス温度を降温させることを特徴とする燃料電池のガス温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等に供給する加湿ガスのガス温度制御方法とガス温度制御装置に係り、特に、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスを供給する際、蒸気を混入した加湿ガスのガス温度を制御して運転させる燃料電池のガス温度制御装置と、そのガス温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の加湿ガスのガス温度制御方法として、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加湿ガスの生成方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この生成方法では、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。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という多大な効果を奏するものである。
【０００４】
この加湿ガスを生成する装置としては、図３に示される構成となっている。すなわち、出発ガスＧとして例えばＨ２等の燃料ガスが供給されるドライガス管路２１には、ドライ側のガスの流量を制御する流量コントローラ２２が設置され、蒸気Ｓを供給するための空気Ａを流す空気管路２３には、ウェット側の蒸気の流量を制御する流量コントローラ２４が設置されている。空気管路２３は加湿器２５に接続され、この加湿器から燃料電池２６に蒸気管路２７が接続されている。この蒸気管路２７には途中に、ヒータ２８、露点計２９、温度計３０が設置されている。また、ドライガス管路２１は途中にヒータ３１が設置され、蒸気管路のヒータ２８の上流側に接続されている。
【０００５】
図３に示される加湿ガスの生成装置では、露点計２９の温度データに基づいてドライガス管路２１に設置されたドライ側のガスの流量を制御する流量コントローラ２２で出発ガスＧの流量を制御し、同様に露点計２９の温度データに基づいて空気管路２３に設置されたウェット側の空気Ａの流量を制御する流量コントローラ２４で空気の流量を制御して、出発ガス流への蒸気Ｓの混入量を連続的に制御して、出発ガスに蒸気が混入された加湿ガスＷの温度が目標露点と同じになるようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１２８０６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記加湿ガスの生成装置では、生成された加湿ガスＷのガス温度を上げたいときにはヒータ２８，３１の能力により比較的良い応答性を示すが、加湿ガスＷのガス温度を下げたいときには効率良く下げることができなかった。特に、ガスが流通する配管には保温材２１ａ，２７ａが巻いてあるためガス温度の降温には時間がかかり、目標温度に到達するまで多くの待ち時間が発生する問題点があった。このため、例えば燃料電池に加湿ガスを供給してのテスト運転や、評価等を実施するとき、ガス温度を変化させた過渡特性試験を行なうことができなかった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、生成された加湿ガスの露点温度を乱すことなく、ガス温度を効率良く下げることができ、目標温度までの到達時間を短縮することができる加湿ガスのガス温度制御方法と、ガス温度制御装置を提供することにある。また、前記の加湿ガスのガス温度制御方法と、ガス温度制御装置を用いて、燃料電池の過渡特性等の試験や評価を行なうことができる燃料電池のガス温度制御方法とガス温度制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成すべく、本発明に係る加湿ガスのガス温度制御方法は、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混入し、混入後の加湿ガスの温度を測定し、測定した加湿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混入量を制御して生成した加湿ガスのガス温度制御方法であって、前記出発ガスを分流し、分流された出発ガスを冷却したあと加湿ガスに合流させ、冷却された出発ガスの合流量を制御して加湿ガスの温度を降温させることを特徴としている。
【００１０】
前記のごとく構成された本発明の加湿ガスのガス温度制御方法は、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混入量を連続的に制御し、出発ガスをガス管路から分流し、分流された出発ガスを冷却したあと加湿ガスの温度情報に基づいて合流量を制御して加湿ガスに合流させるため、露点温度を乱すことなく加湿ガスのガス温度を降温させることができ、高応答なガス温度制御を行なうことができる。
【００１１】
また、本発明に係る加湿ガスのガス温度制御方法の好ましい具体的な態様としては、前記冷却された出発ガスは、加湿ガスの温度に基づいて、その合流量が制御されることを特徴としている。冷却された出発ガスは、加湿ガスの温度を測定する温度計の出力データに基づいてその合流量が制御されるため、所望の加湿ガス温度に合わせることができ、高精度なガス温度制御が可能となる。
【００１２】
本発明による加湿ガスのガス温度制御方法は、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、燃料電池の運転に使用する加湿ガスのガス温度制御方法として採用することは有効であり、その際に、ガス温度が制御される加湿ガスは、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。
【００１３】
そして、本発明の燃料電池のガス温度制御方法は、出発ガスとして燃料ガス及び／又は酸化剤ガスを使用し、冷却された前記燃料ガス及び／又は酸化剤ガスの合流量を制御して前記燃料電池に供給されるガス温度を降温させることを特徴としている。この構成によれば、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの少なくとも一方のガスを、露点温度を乱すことなく迅速に、効率良く冷却することができるため、燃料電池に供給されるガス温度を変化させた過渡応答特性を容易に得ることができ、燃料電池の実験、評価を効率良く実施することができる。
【００１４】
また、本発明に係る加湿ガスのガス温度制御装置は、出発ガスが流れるガス管路と、出発ガスに蒸気を混入して加湿ガスを生成するためガス管路に接続部で接続する蒸気管路と、ガス管路および蒸気管路に備えた流量調整手段と、加湿ガスの温度を測定する温度センサと、加湿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前記流量調整手段の開度を制御する制御手段、とを少なくとも備え、前記ガス管路から分岐され接続部より下流側に接続される副管路を備えており、この副管路には、出発ガスを冷却するガス冷却器が備えられていると共に、該副管路の流量を調整する調節弁が備えられていることを特徴としている。そして、加湿ガスの温度を測定する温度計をさらに備えており、該温度計からの情報に基づき副流路の流量を調整する調節弁の開度を制御する制御手段を備えることが好ましい。
【００１５】
このように構成された加湿ガスのガス温度制御装置では、ガス管路を流れる出発ガスに蒸気管路を流れる蒸気を混入させ加湿ガスを生成し、加湿ガスの温度を測定した温度情報に基づいて出発ガスの流量と蒸気の流量を制御して目標露点としている。そして、ガス管路から分岐した副流路を流れる出発ガスを冷却し、その流量を調節して加湿ガスに合流させるため、迅速に、効率良く加湿ガスを降温することができる。
【００１６】
さらに、本発明に係る燃料電池のガス温度制御装置は、加湿ガスのガス温度制御装置を用いた燃料電池のガス温度制御装置であって、出発ガスは燃料ガス及び／又は酸化剤ガスであり、冷却された燃料ガス及び／又は酸化剤ガスの合流量を制御して燃料電池へ供給する加湿ガス温度を降温させることを特徴としている。
【００１７】
この構成により、燃料電池に供給される加湿燃料ガスや加湿酸化剤ガスの露点を変化させることなく、これらのガスを迅速に冷却することができるため、燃料電池に供給されるガスの温度を変化させた過渡応答特性を容易に得ることができ、燃料電池の評価を効率良く実施することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の加湿ガスのガス温度制御方法、及びガス温度制御装置は、出発ガスの露点温度を乱すことなく高応答なガス温度制御を行なうことができ、燃料電池に用いるとガス温度の過渡特性試験を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る加湿ガスのガス温度制御装置の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る目標露点を持つ加湿ガスのガス温度制御装置を示す構成図であり、加湿ガスを燃料電池に供給する例を示している。
【００２０】
本発明による目標露点を持つ加湿ガスのガス温度制御方法では、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）と、目標露点Ｋ゜よりも高いガス温（例えば、１６５゜）ｔ２である蒸気とが混合される。混合の瞬間、加えた蒸気の一部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）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゜となるように蒸気の供給量（混入量）を調整する。そして、最終的には、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。
【００２１】
このようにして生成された加湿ガスは露点制御については応答性良く制御でき、露点制御された加湿ガスの温度をヒータにより容易に昇温させることはできるが、ガス温度の降温は迅速に行なえないのが現状である。本発明のガス温度制御方法は、このように生成された加湿ガスを迅速に、効率良く降温できるようになされたものであり、出発ガスをガス管路から分流し、分流された出発ガスを冷却したあと、加湿ガスに合流させ、冷却された出発ガスの合流量を制御して加湿ガスの温度を降温させている。
【００２２】
図１において、加湿ガスのガス温度制御装置Ｄ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、混入後の加湿ガスの温度を測定し、測定した加湿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混入量を連続的に制御して生成した加湿ガスのガス温度を制御する装置である。そして、加湿ガスのガス温度制御装置Ｄは、出発ガスとして例えばＨ２等の燃料ガスＧが流れるドライガス管路１には、ドライ側のガスの流量を制御する流量コントローラ２が設置され、蒸気を供給するための空気管路３には、ウェット側の空気Ａの流量を制御する流量コントローラ４が設置されている。
【００２３】
空気管路３は加湿器５に接続され、この加湿器から燃料電池６に蒸気管路７が接続されている。蒸気管路７には途中に、ヒータ８、露点計９、温度計１０が設置されている。また、ドライガス管路１は途中にヒータ１１が設置され、蒸気管路７のヒータ８の上流側に接続されている。ドライガス管路１と蒸気管路７は、接続部１２で合流され、ドライガス管路１を流れる燃料ガスＧに、蒸気管路７を流れる蒸気Ｓが混入され、加湿ガスＷが生成される構成となっている。露点計９及び温度計１０は、ドライガス管路１における蒸気管路７との接続部１２よりも下流側の加湿ガスの温度を測定する。そして、蒸気Ｓが混入された加湿ガスＷの露点温度を露点計９で測定し、測定された温度データに基づいて制御手段９ａが流量コントローラ２，４を制御して、加湿ガス温度が目標露点と同じになるように蒸気の混入量を制御している。
【００２４】
ドライガス管路１には、ヒータ１１の上流側に流量調節弁１３が設置されている。そして、この流量調節弁の上流側から副管路１５が分岐され、この副管路は蒸気管路７の露点計９の上流側で、接続部１２の下流側にミキサー１６を介して接続されている。副管路１５は分流された燃料ガスＧより分流された燃料ガスｇが流通し、ミキサー１６は合流される２種のガスを均一に混合する機能を有する。副管路１５の途中には、流通する燃料ガスｇを冷却するガス冷却器１７が設置されている。さらに、副管路１５のガス冷却器１７の上流側には、副管路を流通する燃料ガスＧの流量を調節する流量調節弁１８が設置されている。この構成により、ガス冷却器１７で冷却された燃料ガスｇを、加湿ガスＷが流れる蒸気管路７に合流させ、この合流量を制御して加湿ガスＷの温度を降温させることができるような構成となっている。
【００２５】
ガス冷却器１７は、例えば冷却水をガス管路の周囲に配置し、ガス管路を流通する燃料ガスから熱交換して冷却させる構成のものが用いられているが、どのような構成でもよいことは勿論である。燃料電池６には燃料ガスＧに蒸気Ｓが混入された加湿ガスＷに、冷却された燃料ガスｇが合流され蒸気管路７を通して供給され、燃料電池６で、図示していない別経路から供給される酸素等の酸化剤ガスと共に反応が行われ、排気管路１９から排気される構成となっている。
【００２６】
流量コントローラ２，４は露点計９から出力される温度情報に基づいて、燃料ガスＧに蒸気Ｓが混入された加湿ガスＷのガス温度が目標露点と同じとなるように制御されるように構成されている。ドライガス管路１の流量調節弁１３と、副管路１５の流量調節弁１８は温度計１０から出力される温度データに基づいて制御されるものであり、ドライガス管路１を流通する燃料ガスＧの流量と、副管路１５を流通する冷却された燃料ガスｇの流量とを制御して蒸気管路７を流通する加湿ガスＷの温度を目標の温度に降温するように構成されている。
【００２７】
前記の如く構成された本実施形態の加湿ガスのガス温度制御装置Ｄの動作について以下に説明する。ドライ管路１を流れる燃料ガスＧは流量コントローラ２により、その流量が制御され、空気管路３を流れる空気Ａも流量コントローラ４により、その流量が制御されている。空気管路３を流れる空気Ａは加湿器５を通過することで蒸気が混入され、蒸気管路７を蒸気Ｓが流れる。燃料ガスＧは必要に応じてヒータ１１により加熱され、接続部１２で蒸気Ｓが混入され、加湿ガスＷが生成される。
【００２８】
生成された加湿ガスＷは露点計９を通過して露点温度が測定され、測定された温度情報に基づいて加湿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制御手段９ａが流量コントローラ２，４を連続的に制御し、燃料ガスＧの流量と空気Ａの流量を調節し加湿ガス温度は目標露点と同じになる。このように露点温度が制御された加湿ガスＷは温度計１０を通過し、その温度が測定される。
【００２９】
燃料電池６に供給する加湿ガスＷの温度を上昇させるときはヒータ８を作動させ、加湿ガスを昇温する。また、加湿ガスＷの温度を降下させるときはガス冷却器１７を作動させ、温度計１０の温度データに基づいて制御手段１０ａが流量調節弁１３，１８の開度を制御する。これにより、蒸気管路７を流れる加湿ガスＷに、副管路１５を通して冷却された燃料ガスｇが合流し、ミキサー１６で混合されて温度ムラが均一化する。このように、加湿ガスＷの温度を迅速に、効率良く降温させ、目標温度とすることができる。
【００３０】
本実施形態の加湿ガスのガス温度制御装置Ｄでは、燃料ガスＧに蒸気Ｓを混入させた加湿ガスＷの温度を、ヒータ８を用いて昇温させると共に、冷却器１７を用いて降温させて連続的に制御できるため、燃料電池装置に供給される加湿ガスＷの温度を連続的に変化させた過渡応答特性や、各種の実験、評価を効率良く行なうことができる。また、他の実験装置での評価等を効率良く実施することができる。
【００３１】
本発明の他の実施形態を図２に基づき詳細に説明する。図２は本発明に係る加湿ガスのガス温度制御装置を燃料電池のベンチテストで用いる場合の燃料電池のガス温度制御装置の要部構成図である。なお、この実施形態は前記した加湿ガスのガス温度制御装置を２セット使用し、燃料電池を駆動するように構成したことを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については図示をもって詳細な説明は省略する。
【００３２】
図２では、図１に示される加湿ガスのガス温度制御装置Ｄと同じ構成のガス温度制御装置Ｄ１の蒸気管路７Ａを燃料電池６の燃料極（アノード極）に接続し、加湿ガスのガス温度制御装置Ｄと同じ構成のガス温度制御装置Ｄ２の蒸気管路７Ｂを燃料電池６の空気極（カソード極）に接続して、燃料電池のガス温度制御装置を構成している。このように構成された燃料電池システムでは、加湿ガスのガス温度制御装置Ｄ１からＨ２等の加湿燃料ガスを燃料電池６の燃料極に供給し、加湿ガスのガス温度制御装置Ｄ２からＯ２等の加湿酸化剤ガスを燃料電池６の空気極に供給し、燃料電池６を運転させることができる。
【００３３】
このように構成された燃料電池のガス温度制御装置では、目標露点温度に制御された加湿燃料ガスＷ１を、加湿ガスのガス温度制御装置Ｄ１から供給し、目標露点温度に制御された加湿酸化剤ガスＷ２を、加湿ガスのガス温度制御装置Ｄ２から供給して燃料電池６を駆動し、加湿ガスのガス温度制御装置Ｄ１で加湿燃料ガスＷ１をヒータ８Ａを用いて昇温させることができると共に、冷却器１７Ａを用いて降温させることができる。また、加湿ガスのガス温度制御装置Ｄ２で加湿酸化剤ガスＷ２をヒータ８Ｂを用いて昇温させることができると共に、冷却器１７Ｂを用いて降温させることができる。
【００３４】
このように、燃料ガスＧ１に蒸気Ｓが混入された加湿燃料ガスＷ１や、酸化剤ガスＧ２に蒸気Ｓが混入された加湿酸化剤ガスＷ２を、露点温度を乱すことなく降温させることができ、迅速に、効率良く温度制御できるため、燃料電池６へ供給されるガス温度を変化させての過渡応答特性試験等を効率良く実施することができる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記の実施形態では、蒸気の流れる蒸気管路に対して直角に燃料ガスを合流させるように構成したが、燃料ガスが流れるガス管路に直角に蒸気管路を接続して蒸気を混入させるように構成してもよい。
【００３６】
また、加湿ガスの生成過程で副生され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ように構成してもよい。ドライガス管路１に設置された流量調節弁１３は、必ずしも必要でなく、流量コントローラ２のみでドライガス管路を流通する出発ガスの流量をコントロールしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の活用例として、加湿ガスのガス温度制御方法を用いて燃料電池のガス温度制御方法以外の各種の実験装置や評価装置に用いることができ、過渡温度特性等の実験や評価の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る加湿ガスのガス温度制御装置の一実施形態を示す構成図。
【図２】図１の加湿ガスのガス温度制御装置を燃料電池のガス温度制御装置に用いた要部構成図。
【図３】従来の加湿ガスの生成装置を燃料電池に適用した構成図。
【符号の説明】
【００３９】
１：ドライガス管路、２，４：流量コントローラ（流量調整手段）、３：空気管路、５：加湿器、６：燃料電池、７蒸気管路、８，８Ａ，８Ｂ，１１：ヒータ、９：露点計（温度センサ）、９ａ：制御手段、１０：温度計、１０ａ：制御手段、１２：接続部、１３，１８：流量調節弁、１５：副管路、１６：ミキサー（混合手段）、１７，１７Ａ，１７Ｂ：ガス冷却器、Ｇ，Ｇ１：燃料ガス（出発ガス）、ｇ：冷却された燃料ガス、Ｇ２：酸化剤ガス（出発ガス）、Ａ：空気、Ｓ：蒸気、Ｗ：加湿ガス、Ｗ１：加湿燃料ガス、Ｗ２：加湿酸化剤ガス、Ｄ，Ｄ１，Ｄ２：加湿ガスのガス温度制御装置
【図１】
2008243452.tif 000003
【図２】
2008243452.tif 000004
【図３】
2008243452.tif 000005