(57)【要約】【課題】  バブラー内に充填されている水の温度低下を防止すると共に装置自体の大きさを抑えた加湿ガス供給装置を実現する。【解決手段】  水蒸気と混合して加湿ガスを生成する加湿ガス供給装置において、下部に気体導入口を有し、上部に加湿ガスが排出される加湿ガス出口を有し、内部に水が充填されるバブラーと、バブラーの外周に取り付けられ、バブラーに充填された水を温めるバブラーヒータと、バブラーヒータの外周に取り付けられ、余熱槽に充填された水を余熱する第１の余熱槽ヒータと、第１の余熱槽ヒータの外周に取り付けられ、バブラーに余熱した水を供給する余熱槽と、余熱槽の外周に取り付けられ、余熱槽に充填された水を余熱する第２の余熱槽ヒータと、余熱槽に与える熱量をあらかじめ計算し、計算で得られた結果を元に、余熱槽ヒータ及びバブラーへの給水を制御する演算制御手段とを備える。【選択図】                    図１
2007000793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気と混合して加湿ガスを生成する加湿ガス供給装置において、
下部に気体導入口を有し、上部に加湿ガスが排出される加湿ガス出口を有し、内部に水が充填されるバブラーと、
前記バブラーの外周に取り付けられ、前記バブラーに充填された水を温めるバブラーヒータと、
前記バブラーヒータの外周に取り付けられ、前記余熱槽に充填された水を余熱する第１の余熱槽ヒータと、
前記第１の余熱槽ヒータの外周に取り付けられ、前記バブラーに余熱した水を供給する余熱槽と、
前記余熱槽の外周に取り付けられ、前記余熱槽に充填された水を余熱する第２の余熱槽ヒータと、
前記余熱槽に与える熱量をあらかじめ計算し、前記計算で得られた結果に基づき、前記余熱槽ヒータ及び前記バブラーへの給水を制御する演算制御手段とを備えたことを特徴とする加湿ガス供給装置。
【請求項２】
水蒸気と混合して加湿ガスを生成する加湿ガス供給装置において、
下部に気体導入口を有し、上部に加湿ガスが排出される加湿ガス出口を有し、内部に水が充填されるバブラーと、
前記バブラーに余熱した水を供給する余熱槽と、
前記バブラーと前記余熱槽の間に取り付けられ、前記バブラー及び前記余熱槽に充填された水を温める共通ヒータと、
前記余熱槽の外周に取り付けられ、前記余熱槽に充填された水を余熱する余熱槽ヒータと、
前記余熱槽に与える熱量をあらかじめ計算し、前記計算で得られた結果に基づき、前記余熱槽ヒータ及び前記バブラーへの給水を制御する演算制御手段とを備えたことを特徴とする加湿ガス供給装置。
【請求項３】
前記演算制御手段が、
前記バブラーに入るガスの流量と、前記余熱槽へ供給される水の温度とから前記熱量を計算することを特徴とする
請求項１もしくは請求項２記載の加湿ガス供給装置。
【請求項４】
前記演算制御手段が、
前記第１の余熱槽ヒータ及び前記第２の余熱槽ヒータにより前記余熱槽の水が前記バブラーに供給された時点で前記バブラーに充填されている水の温度と同じになるように制御することを特徴とする
請求項１記載の加湿ガス供給装置。
【請求項５】
前記演算制御手段が、
前記余熱槽ヒータにより前記余熱槽の水が前記バブラーに供給された時点で前記バブラーに充填されている水の温度と同じになるように制御することを特徴とする
請求項２記載の加湿ガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム内の改質装置や燃料電池スタックに水蒸気と混合して加湿ガスを生成する加湿ガス供給装置に関し、特にバブラーへの給水によりバブラー内に充填されている水温の低下を防止すると共に小型化が可能な加湿ガス供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システム内の改質装置や燃料電池スタックに水蒸気と混合して加湿ガスを生成する加湿ガス供給装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特公平６−９０１１８号公報
【０００４】
図６はこのような従来の加湿ガス供給装置の一例を示す構成断面図である。図６において１は加湿ガスを排出する加湿ガス出口、２は気体を加湿するバブラー、３はバブラー２で気体が入ってくる気体導入口、４はバブラー２に入る気体の流量を調節するバルブである。
【０００５】
加湿ガス出口１はバブラー２の上部に設けられ、気体導入口３はバブラー２の下部に設けられ、バルブ４の一端は気体導入口３に接続され、バルブ４の他端には気体が供給される。
【０００６】
ここで、図６に示す従来例の動作を説明する。バルブ４が開くとバブラー２の下部に設けられた気体導入口３を通過した気体は、細かい気泡となって、バブラー２内の加熱された水の中を通る。そして、加湿ガスとなってバブラー２内の上部気相空間に至り、加湿ガス出口１より排出される。
【０００７】
この結果、バブラー２内の水の温度を一定にすることにより、生成される加湿ガスに含まれる水分量を一定にすることが可能となる。すなわち、水温を高くすれば、水分量が多い加湿ガスを生成することが可能で、水温を低くすれば、水分量が少ない加湿ガスを生成することが可能となる。
【０００８】
図７は凝縮管を使用した加湿ガス供給装置の他の一例を示す構成断面図である。図７において５は気体を加湿するバブラー、６は加湿ガスを通す凝縮管、７は凝縮管６を通ってきた加湿ガスを排出する加湿ガス出口、８はバブラー５で加湿される気体が入ってくる気体導入口、９はバブラー５に入る気体の流量を調節するバルブ、１０は凝縮管６を通ってきた加湿ガスが凝縮されて生じた水の水排出口である。
【０００９】
凝縮管６はバブラー５内に設けられ、凝縮前の加湿ガスの導入端と、凝縮後の加湿ガスの排出端と、加湿ガスが凝縮されて生じた水の排出端とを備えており、凝縮前の加湿ガスの導入端はバブラー５内の加熱された水の水面よりも上に位置し、凝縮後の加湿ガスの排出端はバブラー５内の加熱された水の水面よりも下に位置し、加湿ガスが凝縮されて生じた水の排出端は凝縮後の加湿ガスの排出端よりも下に位置している。
【００１０】
さらに１つの導入端と２つの排出端に分岐する分岐点は、凝縮後の加湿ガスの排出端よりも下に位置し、加湿ガスが凝縮されて生じた水の排出端よりも少し上に位置する。
【００１１】
加湿ガス出口７は凝縮管６の凝縮後の加湿ガスの排出端に接続され、水排出口１０は凝縮管６の加湿ガスが凝縮されて生じた水の排出端に接続され、気体導入口８はバブラー５の下部に設けられ、バルブ９の一端は気体導入口８に接続され、バルブ９の他端には気体が供給される。
【００１２】
ここで、図７に示す従来例の動作を説明する。バルブ９が開くとバブラー５の下部に設けられた気体導入口８を通過した気体は、細かい気泡となって、バブラー５内の加熱された水の中を通り、加湿ガスとなってバブラー５内の上部気相空間に至る。
【００１３】
バブラー５内の上部気相空間に溜まった加湿ガスは凝縮管６を通って加湿ガス出口７より外部に排出される。この時、凝縮管６の水中部分を加湿ガスが通過する際に、加湿ガスが水の温度により凝縮され、その時凝縮された水が水排出口１０より外部に排出される。
【００１４】
この結果、加湿ガスが凝縮管６を通過する際に水温により凝縮されてから排出されるため、加湿ガスの露点温度とバブラー５内の水の温度は一致する。そのため、加湿ガスの露点温度を測定することなく、バブラー５の水の温度を計測することにより、加湿ガス中の水分量を知ることが可能になる。
【００１５】
すなわち、バブラー５内の水の温度により、生成される加湿ガスの水分量を調節することが可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、図６及び図７に示す従来例では、バブラー２及び５に入ってくる気体流量が増大するとバブラー２及び５内の水の消費量も大きくなり、バブラー内の水位が設定した水位以下になると水が供給される。この時、供給された水の温度がほぼ室温のため、バブラー２及び５内の水の温度が急激に低下してしまうと言った問題点があった。
【００１７】
ここで、水蒸気とメタンの混合比であるＳ／Ｃ比（スチームカーボン比：以下、単にＳ／Ｃ比と呼ぶ。）について、図８を用いて説明する。図８はバブラーの水の温度とＳ／Ｃ比の関係を示す特性曲線図である。図８中”ＣＨ０１”に示すようにバブラーの水の温度が高くなるにつれ、Ｓ／Ｃ比も高くなる。
【００１８】
気体がメタンガスの場合の水蒸気改質装置では、Ｓ／Ｃ比は図８の”ＳＣ０１”に示すように、一般に”２．５〜３．０”に設定するが、給水によりバブラー内の水温が低下すると、Ｓ／Ｃ比も一時的ではあるが劇的に低下する。このため、水素の発生効率が低下するばかりでなく、改質装置内部に使用されている触媒表面に炭素が析出するなどの悪影響を与えると言った問題点があった。
【００１９】
従って本発明が解決しようとする課題は、バブラーへの給水によりバブラー内に充填されている水の温度低下を防ぐと共に装置自体の大きさを抑えた加湿ガス供給装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
水蒸気と混合して加湿ガスを生成する加湿ガス供給装置において、
下部に気体導入口を有し、上部に加湿ガスが排出される加湿ガス出口を有し、内部に水が充填されるバブラーと、前記バブラーの外周に取り付けられ、前記バブラーに充填された水を温めるバブラーヒータと、前記バブラーヒータの外周に取り付けられ、前記余熱槽に充填された水を余熱する第１の余熱槽ヒータと、前記第１の余熱槽ヒータの外周に取り付けられ、前記バブラーに余熱した水を供給する余熱槽と、前記余熱槽の外周に取り付けられ、前記余熱槽に充填された水を余熱する第２の余熱槽ヒータと、前記余熱槽に与える熱量をあらかじめ計算し、前記計算で得られた結果に基づき、前記余熱槽ヒータ及び前記バブラーへの給水を制御する演算制御手段とを備えたことにより、前記バブラーへの給水により前記バブラー内に充填されている水の温度低下を防止することが可能になる。
【００２１】
請求項２記載の発明は、
水蒸気と混合して加湿ガスを生成する加湿ガス供給装置において、
下部に気体導入口を有し、上部に加湿ガスが排出される加湿ガス出口を有し、内部に水が充填されるバブラーと、前記バブラーに余熱した水を供給する余熱槽と、前記バブラーと前記余熱槽の間に取り付けられ、前記バブラー及び前記余熱槽に充填された水を温める共通ヒータと、前記余熱槽の外周に取り付けられ、前記余熱槽に充填された水を余熱する余熱槽ヒータと、前記余熱槽に与える熱量をあらかじめ計算し、前記計算で得られた結果に基づき、前記余熱槽ヒータ及び前記バブラーへの給水を制御する演算制御手段とを備えたことにより、加湿ガス供給装置自体の大きさを抑えることが可能になる。
【００２２】
請求項３記載の発明は、
請求項１もしくは請求項２記載の発明である加湿ガス供給装置において、
前記演算制御手段が、
前記バブラーに入るガスの流量と、前記余熱槽へ供給される水の温度とから計算することにより、前記バブラーへの給水により前記バブラー内に充填されている水の温度低下を防止することが可能になる。
【００２３】
請求項４記載の発明は、
請求項１記載の発明である加湿ガス供給装置において、
前記演算制御手段が、
前記第１の余熱槽ヒータ及び前記第２の余熱槽ヒータにより前記余熱槽の水の温度を前記バブラーに充填されている水の温度と同じになるように制御することにより、前記バブラーへの給水により前記バブラー内に充填されている水の温度低下を防止することが可能になる。
【００２４】
請求項５記載の発明は、
請求項２記載の発明である加湿ガス供給装置において、
前記演算制御手段が、
前記余熱槽ヒータにより前記余熱槽の水の温度を前記バブラーに充填されている水の温度と同じになるように制御することにより、前記バブラーへの給水により前記バブラー内に充填されている水の温度低下を防止することが可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，３，４及び請求項５の発明によれば、
バブラーに供給する水を余熱槽から供給し、さらに供給する水の温度をバブラーに入るガスの流量及び余熱槽に供給された水の温度から計算し、その計算から得られた熱量を余熱槽に与えることにより、バブラーに充填されている水の温度と同じになるので、バブラー内に充填されている水の温度低下を防止することが可能になる。
【００２６】
また、請求項２の発明によれば、バブラーのヒータとバブラーに供給する水が充填されている余熱槽のヒータを共通に利用することで、加湿ガス供給装置自体の大きさを抑えることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る加湿ガス供給装置の一実施例を示す構成断面図である。
【００２８】
図１において１１は加湿ガスを排出する加湿ガス出口，１２は気体を加湿するバブラー、１３はバブラー１２に水を供給する水が充填されている余熱槽、１４は余熱槽１３に水を供給する給水バルブ、１５は余熱槽を温める余熱槽ヒータ、１６は余熱槽を温める余熱槽ヒータ、１７はバブラーを温めるバブラーヒータ、１８はバブラー１２に余熱槽１３の水を供給する給水バルブ、１９はバブラー１２で加湿される気体が入ってくる気体導入口、２０はバブラー１２に入る気体の流量を調節するバルブである。
【００２９】
加湿ガス出口１１はバブラー１２の上部に設けられ、気体導入口１９はバブラー１２の下部に設けられ、バルブ２０の一端は気体導入口１９に接続され、バルブ２０の他端には気体が供給される。
【００３０】
バブラー１２の側面を巻くようにバブラーヒータ１７が取り付けられ、バブラーヒータ１７の外周を囲うように余熱槽ヒータ１６が取り付けられ、余熱槽ヒータ１６の外周を囲うように余熱槽１３が取り付けられ、さらに余熱槽１３の外周を囲うように余熱槽ヒータ１５が取り付けられる。
【００３１】
また、給水バルブ１８の一端はバブラー１２に接続され、給水バルブ１８の他端は余熱槽１３に接続される。給水バルブ１４の一端は余熱槽１３に接続され、給水バルブ１４の他端には水が給水される。
【００３２】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２、図３、図４及び図５を用いて説明する。図２は本実施例の制御ブロック図、図３はバブラーへの水を給水する時の給水バルブ１８の制御を説明するフロー図、図４は余熱槽への水を給水する時の給水バルブ１４の制御を説明するフロー図、図５は余熱槽１３に与える熱量を計算し、余熱槽ヒータ１５及び余熱槽ヒータ１６を制御する時の手順を説明するフロー図である。
【００３３】
図２において１２，１３，１４，１５，１６，１７及び１８は図１と同一符号を付してあり、２１は加湿ガス供給装置全体を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算制御手段である。
【００３４】
また、１０１は給水バルブ１４の開閉信号、１０２は余熱槽１３内の水の温度を表す温度センサ信号、１０３は余熱槽１３内の水の水位低下を示す信号、１０４は余熱槽ヒータ１５及び余熱槽ヒータ１６への制御信号、１０５は給水バルブ１８の開閉信号、１０６はバブラー１２に入ってくるガスの流量を表す流量センサ信号、１０７はバブラー１２内の水の水位低下を示す信号、１０８はバブラーヒータ１７への制御信号である。
【００３５】
バルブ２０が開くとバブラー１２の下部に設けられた気体導入口１９を通過した気体は、細かい気泡となって、バブラー１２内の加熱された水の中を通り、加湿ガスとなってバブラー１２内の上部気相空間に至り、加湿ガス出口１１より排出される。
【００３６】
この時、図３中”Ｓ００１”において演算制御手段２１は、バブラー１２からの水位低下信号１０７を受信したか否かを判断し、もし、水位低下信号１０７を受信した場合には、図３中”Ｓ００２”において演算制御手段２１は、開閉信号１０５により給水バルブ１８を開き、バブラー１２に水を供給する。
【００３７】
一方、図４中”Ｓ１０１”において演算制御手段２１は、余熱槽１３からの水位低下信号１０３を受信したか否かを判断し、もし、水位低下信号１０３を受信した場合には、図４中”Ｓ１０２”において演算制御手段２１は、開閉信号１０１により給水バルブ１４を開き、余熱槽１３に水を供給する。
【００３８】
さらに、図４中”Ｓ１０３”において演算制御手段２１は、余熱槽ヒータ１５及び余熱槽ヒータ１６への制御信号１０４により温度制御を開始する。図４中”Ｓ１０４”において演算制御手段２１は、余熱槽１３からの温度センサ信号１０２により余熱槽１３の水の温度が設定温度に到達したか否かを判断し、もし、水の温度が設定温度に到達していた場合には、演算制御手段２１は、余熱槽ヒータ１５及び余熱槽ヒータ１６への温度制御を停止する。
【００３９】
一方、図５中”Ｓ２０１”において演算制御手段２１は、バブラー１２に入ってくる気体の流量を流量センサ信号１０６により取得し、図５中”Ｓ２０２”において演算制御手段２１は、余熱槽１３の水の温度を温度センサ信号１０２により取得する。
【００４０】
図５中”Ｓ２０３”において演算制御手段２１は、余熱槽１３に与える熱量Ｑを計算する。具体的には以下のような計算が行われる。
【００４１】
バブラー１２に入ってくる気体がメタンの場合、Ｓ／Ｃ比が”２．５”となるように仮定すると、図８よりバブラー１２の水温は９２℃に維持しなければならない。メタンガスが２５℃でバブラー１２に供給される場合、バブラー１２の水温とメタンの温度の差”ΔＴ１”は
ΔＴ１＝９２℃−２５℃＝６７℃  （１）
となる。
【００４２】
従って、メタンを２５℃から９２℃に熱する際の顕熱”Ｑｃｈ４”は、メタンの質量流量を”Ｗｃｈ４”、メタンの比熱を”Ｃｃｈ４”、バブラー１２の１回の給水に要する時間を”ｔｓ”とすると、
Ｑｃｈ４＝ΔＴ１×Ｗｃｈ４×Ｃｃｈ４×ｔｓ  （２）
で求められる。
【００４３】
また、余熱槽１３に給水される水の温度を２５℃と仮定すると、バブラー１２の水温と余熱槽１３に給水される水の温度の差”ΔＴ２”は
ΔＴ２＝９２℃−２５℃＝６７℃  （３）
となる。
【００４４】
１回あたりの給水で余熱槽１３内の水に与える熱量”Ｑｗ”は、余熱槽１３内の水の質量を”Ｗｗ”、水の比熱を”Ｃｗ”とすると、
Ｑｗ＝ΔＴ２×Ｗｗ×Ｃｗ  （４）
で求められる。
【００４５】
また、水の９２℃における気化熱”Ｑｓ”は、水の気化熱を”Ｌ”とすると、
Ｑｓ＝Ｗｗ×Ｌ  （５）
で求められる。
【００４６】
式（２）、式（４）、式（５）より、余熱槽１３の水に与えられる熱量”Ｑ”は、
Ｑ＝Ｑｃｈ４＋Ｑｗ＋Ｑｓ  （６）
となる。
【００４７】
図５中”Ｓ２０４”において演算制御手段２１は、余熱槽１３に与える上述の熱量”Ｑ”を元に余熱槽ヒータ１５及び余熱槽ヒータ１６を制御する。
【００４８】
この結果、余熱槽１３からバブラー１２へ給水される水の温度は、バブラー１２に充填されている水の温度と同じに調節されているので、余熱槽１３からバブラー１２へ水が給水されてもバブラー１２の水の温度の低下を防止することが可能になる。
【００４９】
なお、余熱槽ヒータ１６とバブラーヒータ１７を１つにまとめて共通ヒータとすることにより、加湿ガス供給装置を小型化することが可能になる。
【００５０】
また、説明の簡単のために、図１に示す実施例に際しては余熱槽１３からバブラー１２へ給水される水の温度はバブラー１２に充填されている水の温度と同じに調節されているとしているが、余熱槽１３からバブラー１２へ給水される水の温度にバブラー１２に導入される気体の流量も考慮し、気体がバブラー１２内の水を通過する時に水から奪っていく熱量を加えても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る加湿ガス供給装置の一実施例を示す構成断面図である。
【図２】実施例の制御ブロック図である。
【図３】バブラーへの水を給水する時の給水バルブの制御を説明するフロー図である。
【図４】余熱槽への水を給水する時の給水バルブの制御を説明するフロー図である。
【図５】余熱槽に与える熱量を計算し、余熱槽ヒータを制御する時の手順を説明するフロー図である。
【図６】従来の加湿ガス供給装置の一例を示す構成断面図である。
【図７】従来の加湿ガス供給装置の他の一例を示す構成断面図である。
【図８】バブラーの水の温度とＳ／Ｃ比の関係を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
【００５２】
１，７，１１  加湿ガス出口
２，５，１２  バブラー
３，８，１９  気体導入口
４，９，２０  バルブ
６  凝縮管
１０  水排出口
１３  余熱槽
１４，１８  給水バルブ
１５  余熱槽ヒータ
１６  余熱槽ヒータ
１７  バブラーヒータ
２１  演算制御手段
【図１】
2007000793.tif 000003
【図２】
2007000793.tif 000004
【図３】
2007000793.tif 000005
【図４】
2007000793.tif 000006
【図５】
2007000793.tif 000007
【図６】
2007000793.tif 000008
【図７】
2007000793.tif 000009
【図８】
2007000793.tif 000010