JP2004353915A

JP2004353915A - Humidifier

Info

Publication number: JP2004353915A
Application number: JP2003150581A
Authority: JP
Inventors: Taizo Okada; 泰三岡田; Hisaaki Yamashita; 尚晃山下; Toshihiko Funo; 俊彦布野; Yoshiaki Ueno; 良明上野; Satoshi Tanada; 聡棚田; Terunaga Neriki; 照永練木; Hitoshi Umemura; 均梅村
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a humidifier with the dew point measuring function following to a response of a dry gas mass flow rate. <P>SOLUTION: The dew point temperature is calculated from a saturated steam table, by determining humidified steam quantity, by using a mass flowmeter instead of a dew point thermometer. Feedback control of dry gas mass flow rate measurement control including measurement of the dry gas mass flow rate Qpv of a mass flow rate controller 2, humidified gas pressure measurement control, and humidified gas measurement control, is executed. Humidified gas dew point control and humidified gas dew point measurement are separately processed. Dew point measurement processing reads humidified gas mass flow rate Qwpv of a thermal type mass flowmeter 6, and calculates a humidified steam flow rate Qw, by subtracting the dry gas mass flow rate Qpv from the humidified gas mass flow rate Qwpv. The thermal type mass flowmeter 6 is a system for determining a mass flow rate by specific heat of measurement gas, and calculates the humidified gas dew point Rpv, by calculating true humidified steam quantity Wpv, by correcting the humidified steam flow rate Qw by a calculation expression for a dry gas conversion value. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乾燥ガスに蒸気を混合して加湿ガスを得るための加湿装置に係り、特に、燃料電池システム、燃料電池評価装置等の質量流量、圧力、温度および露点温度の制御機能を有する加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素を使って水しか出さないクリーンなエネルギー源として燃料電池が注目されている。
【０００３】
ガソリンエンジンに換わる自動車用および小型自家発電用の燃料電池は、小型化でき、低温（１００℃前後）で稼動できる固体高分子膜形燃料電池が適しており、開発および製品化が進められている。
【０００４】
固体高分子形燃料電池システムの構成を図８に示す。図８において、固体高分子形燃料竃池（以後燃料電池と略す）５０は、固体高分子膜、触媒、拡散層、アノードセパレータ（水素極）およびカソードセパレータ（空気極）で構成されている。
【０００５】
水素極、空気極に供給された水素ガスと空気（酸素）とを内部でイオン化して反応させて水を生成させ、この時の電気エネルギーを取り出して電気負荷を駆動する。燃料電池に供給される水素ガス、空気は質量流量、圧力、温度および湿度（露点温度）を制御して供給する必要がある。
【０００６】
そこで、上記制御機能を有した加湿装置ａ、ｂを備えて乾燥ガス（水素および空気）を所定の質量流量、圧力、温度および露点温度に調節した加湿ガスにしてから燃料電池に供給している。
【０００７】
燃料電池には水素用と空気用との２台の加湿装置が必要であるが、その内部構成は同様であるので以下、１台分の構成で説明する。
【０００８】
ガス入力端に供給された乾燥ガスを質量流量コントローラを介してバブラ方式加湿器に供給する。そして、加湿したガスを、露点温度計等を介して燃料電池に供給する。
【０００９】
また、バブラ方式加湿器は、温度計とヒータとで温度制御されたバブラ水中に微細気泡の乾燥ガスを通過させて加湿する方式の加湿器である。
【００１０】
以上のように構成された加湿装置において、オペレーターズコンソールからの設定信号をコントローラに取り込む。続いて、乾燥ガス質量流量計測制御、加湿ガス圧力計測制御、加湿ガス温度計測制御のフィードバック制御を順次実行する。
【００１１】
そして、露点温度計で加湿ガス露点温度計測と、バブラ方式加湿器の温度制御で代行する加湿ガス露点温度制御とを別々に処理する。
【００１２】
なお、燃料電池にガスを供給するガス供給装置が特許文献１に記載されている。この特許文献１においては、ガス供給部から導入されるガスがヒータ及び冷却器により温度調整し、加熱のみならず冷却できることにより温度制御の追従性と安定性との両立を図っている。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００３−６８３４０号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術における加湿装置には以下の間題がある。
加湿ガスの温度は１００℃前後と高いため、露点温度計測に使用できる加湿ガス露点温度計測のための露点温度計は静電容量式等に限定され、応答が数十秒から数分になってしまい、数秒程度で変動させることのある乾燥ガス質量流量の変動に追従できない。
【００１５】
このため、乾燥ガス質量流量変化等の過渡時には露点温度計測はできず、定常状態でしか露点温度を計測できない。
【００１６】
したがって、露点温度計の計測値をプロセス値としてフィードバック制御を行なうことができず、開ルーブ制御方式で対応せざる得ず、露点温度の高精度制御は困難であった。
【００１７】
さらに、従来の技術においては、バブラ方式加湿器のバブラ水温度をヒータで変化させて露点温度設定変化に対応する方式であるため、その応答が数分から数十分と遅くなってしまい、これもフィードバック制御ができない一因となっていた。
【００１８】
本発明の目的は、乾燥ガス質量流量の応答に追従可能な露点温度詐測機能付きの加湿装置を実現することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するに、本発明は、次のように構成される。
（１）第１の加湿装置として、本発明は、コントローラの内部記億装置に予め飽和蒸気特性を格納しておくと共に、露点温度計に換えて質量流量計を具備して加湿ガス質量流量を計測し、コントローラで加湿ガス質量流量と乾燥ガス質量流量との差から加湿蒸気量を求め、この値と同じになる温度を飽和蒸気特性と乾燥ガス質量流量と加湿ガス圧力を基に算出し、これを露点温度とする。
【００２０】
本発明によれば、乾燥ガス質量流量の応答に追従可能な。露点温度計測機能付きの加湿装置を実現できる。
【００２１】
（２）第２の加湿装置として、本発明は、上記第１の加湿装置の各手段を具備すると共に、コントローラの内部記億装置に予め質量流量計の温度特性を格納しておき、コントローラで加湿蒸気量を補正を施すことを付加したことを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、質量流量計の温度影響がなく、乾燥ガス質量流量の応答にも追従可能な露車温度計測機能付きの加湿装置を提供できる。
【００２３】
（３）第３の加湿装置として、本発明は、上記第１の加湿装置の各手段を具備すると共に、コントローラで飽和蒸気特性と乾燥ガス質量流量と加湿ガス圧力と露点温度設定値を基に露点温度時の蒸気量を算出し、加湿蒸気量と露点温度時の蒸気量との差を制御偏差としてフィードバック制御を行なう。
【００２４】
本発明によれば、露点温庫のフィードバック制御可能な加湿装置を提供できる。
【００２５】
（４）第４の加湿手段して、本発明は、上記第１の加湿装置の各手段を具備すると共に、コントローラの内部記億装置に予め質量流量計の温度特性を格納しておき、コントローラで加湿蒸気量を補正を施すことを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、質量流量計の温度影響がなく、露点温度のフィードバック制御可能な加湿装置を提供できる。
【００２７】
（５）第５の加湿装置として、本発明は、上記第２の加湿装置の各手段を具備すると共に、乾燥ガスを分岐管で分岐して一方をバブラ方式加湿器を介し、他方はそのまま合流管に接続すると共に、分岐管とバブラ方式加軍器との間または分岐管と合流管との間の何れかに流量調節機構を挿入して、バブラ方式加湿器への乾燥ガス質量流量を調節できるよう構成する。
【００２８】
本発明によれば、高速に露点温度制御が可能な加湿装置を提供することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
本発明の第１の実施形態を図１及び図２を参照して説明する。
【００３０】
図１は装置構成を示し、図２は制御フローを示している。まず、図１を用いて本発明を実施するための加湿装置の構成例を説明する。
【００３１】
図１において、ガス系として、ガス入力端１に供給された乾燥ガスを熱式質量流量コントローラ２を介してバブラ方式加湿器４に供給する。そして、バブラ方式加湿器４で加湿した加湿ガスを、熱式質量流量計６、温度計５、圧力計８および出カ端９を介して燃料電池５０に供給する。
【００３２】
また、温度計４１ａおよび４４ａ、ヒータ４１ｂ、４３ｂおよび４４ｂ、圧力調節機構５２を図示の通り備えている。ここで、この例においては、熱式質量流量コントローラ１２は熱式の質量流量計２ａと流量調節機構２ｂとで構成している。
【００３３】
また、バブラ方式加湿器４は、温度計４４ａとヒータ４４ｂとで温度制御されたバブラ水中に微細気泡の乾燥ガスを通過させて加湿する方式の加湿器である。また、加湿器４は、操作・制御系として、設定信差号を指示するためのオペレーターズコンソール６０および制御を行なうためのコントローラ１０を備えている。
【００３４】
コントローラ１０の内部記億装置には、表１に示す飽和蒸気特性および表２に示す熱式質量流量計６の温度特性を予め格納している。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【表２】

【００３７】
なお、表２は、乾燥ガスを水素としたときの特性を示しており、乗算係数Ｋｗは次式（１）で算出した値である。
【００３８】

なお、Ｃ_ＰＨは乾燥ガス（水素）の比熱（ｋＪ／ｋｇ−ｍｏｌ・ｋ）であり、Ｃ_ＰＷは蒸気の比熱（ｋＪ／ｋｇ−ｍｏｌ・ｋ）である。
【００３９】
次に、図２を参照して第１の実施形態の制御フローを説明する。
まず、オペレーターズコンソール６０からの設定信号をコントローラ１０に取り込む（ステップ１００）。次に、質量流量コントローラ２の乾燥ガス質量流量Ｑｐｖの計測を含めた乾燥ガス質量流量計測制御（ステップ１１０）、加湿ガス圧力計測御御（ステップ１２０）、加湿ガス温度計測制御（ステップ１３０）のフィードバック制御を順次実行する。
【００４０】
続いて、バブラ方式加湿器の温度制御で代行する加湿ガス露点温度制御（ステップ１５０）と以下に説明する加湿ガス露点温度計測（ステップ１４０）とを別々に処理する。
【００４１】
露点温度計測（ステップ１４０）の処理において、まず、熱式質量流量計６の加湿ガス質量流量Ｑｗｐｖを読み込む（ステップ１４０ａ）。次に、加湿ガス質量流量Ｑｗｐｖから乾燥ガス質量流量Ｑｐｖを減算して加湿蒸量流量Ｑｗを算出する（ステップ１４１ｂ）。
【００４２】
ここで、熱式質量流量計６は、測定ガスの比熱で質量流量を求める方式であるので、上記加湿蒸量流量Ｑｗは、乾燥ガス換算（たとえば水素ガス換算）された値となっている。このため、表２の乗算係数Ｋｗを用いて、次式（２）に示す計算式で補正して真の加湿蒸気量Ｗｐｖを計算する（ステップ１４１ｃ）。
【００４３】

なお、上記（２）式において、Ｑｗは加湿蒸気流量（ｎｌ／ｍｏｌ）、ａは１モル当たりの容積（２２．４（ｎｌ／ｍｏｌ））、ｂは蒸気重さ（１８（ｇ／ｍｏｌ））である。
【００４４】
続いて、表１の飽和蒸気圧Ｐｗおよび飽和蒸気密度ρｗ（ｋｇ／ｍ^３）を用いて、次式（３）から（６）に示す計算式を用いて加湿ガス露点温度Ｒｐｖの算出を行なう（ステップ１４２）。
【００４５】

なお、Ｄｗは蒸気分圧、Ｐｗは飽和蒸気圧力（ｋＰａａｂｓ）、Ｐｐｖは加湿ガス圧力（（ｋＰａａｂｓ）、ｔは温度（℃）、Ｑｐｖは乾燥ガス質量流量（ｎｌ／ｍｉｎ）である。
【００４６】
上記式（５）及び（６）において、式（５）の温度ｔを、例えば、１℃単位で変化させて式（６）の飽和蒸気量Ｗ_Ｒ１００を逐次計算し、加湿蒸気量Ｗｐｖと等しくなる温度ｔを求めて、これを加湿ガス露点温度Ｒｐｖとする。
【００４７】
ここで、熱式質量流量計６を、熱式質量流量コントローラ２と応答時間が同等とすれば、本発明の目的である乾燥ガス質量流量計の応答に追従可能な露点温度計測機能付きの加湿装置を実現することができる。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施形態を、図３及び図４を参照して説明する。
図３は装置構成を、図４は制御フローを示している。
【００４９】
図３において、ガス系として、ガス入力端１に供給された乾燥ガスを熱式質量流量コントローラ２を介して分岐管２０の入力部に接続する。乾燥ガスの一部は、分岐管の一方の出力部から熱式質量流量コントローラ３を介してバブラ方式加湿器４に供給する。
【００５０】
バブラ方式加湿器４で加湿した加湿ガスを、合流管３０の一方の入力部に接続する。乾燥ガスの一部は、分岐管２０の他方の出力部から合流管３０の他方の入力部に接続する。
【００５１】
合流管３０で合流させたガスを、熱式質量流量計６、温度計５、圧力計８及びガス出力端９を介して燃料電池５０に供給する。
【００５２】
また、加湿装置は、温度計４１ａ、４２ａ及び４４ａ、ヒータ４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ及び４４ｂ、圧力調節機構５２を備えている。
【００５３】
ここで、熱式質量流量コントローラ２および３は、熱式の質量流量計２ａおよび３ａと、流量調節機構２ｂおよび３ｂとを備えている。また、バブラ方式加湿器４は、温度計４４ａとヒータ４４ｂとで温度制御されたバブラ水中に微細気泡の乾燥ガスを通過させて加湿するものである。
【００５４】
一方、操作・制御系は、設定信号を指示するためのオペレーターズコンソール６０および制御を行なうためのコントローラ１０を備えている。コントローラ１０の内部記億装置には、上記表１に示す飽和蒸気特性および表２に示す熱式質量流量計６の温度特性を予め格納している。
【００５５】
次に、図４を用いて第２の実施形態の制御フローを説明する。
まず、第１の実施形態と同様に、オペレーターズコンソール６０からの設定信号をコントローラ１０に取り込み（ステップ１００）、質量流量コントローラ２の乾燥ガス質量流量Ｑｐｖの計測を含めた乾燥ガス質量流量計測制御（ステップ１１０）、加湿ガス圧力計測制御（ステップ１２０）、加湿ガス温度計測制御（ステップ１３０）および露点温度計測（ステップ１４０）を行なう。
【００５６】
続いて、以下に説明する加湿ガス露点温度制御（ステップ１５０）を行なう。
まず、上記式（３）から（６）を用いて露点温度時の蒸気量Ｗ_Ｒ１００を算出する（ステップ１５１）。このとき、上記式（５）の計算式に用いる温度ｔの値を露点温度設定値Ｋｓｖとして計算する。
【００５７】
次に、露点温度計測（ステップ１４０）で求めた加湿蒸気量Ｗｐｖと露点温度時の蒸気量Ｗ_Ｒ１００との蒸気量偏差△Ｗを計算する（ステップ１５２）。続いて、蒸気量偏差△Ｗをフィードバック制御の偏差として質量流量コントローラ３の質量流量値、すなわちバブラ方式加湿器４への供給ガスを△Ｑｓｖ分だけ変化させてフィードバック制御を行なう（ステップ１５３）。
【００５８】
ここで、蒸気量偏差△Ｗに比例した質量流量コントローラ３の設定値変化分△Ｑｓｖは、次式（７）から式（１０）を計算することで求めることができる。
【００５９】

なお、Ｄ_ＷＢはバブラ水温度相当の蒸気分圧、Ｐ_ＷＢはバブラ水温度相当の飽和蒸気圧力（ｋＰａａｂｓ）、Ｐ_ＰＶは加湿ガス圧力（ｋＰａａｂｓ）、Ｄ_ＤＢはバブラ水温度相当の乾燥ガス分圧、Ｄ_ＤＢｎはノルマライズした乾燥ガス分圧、Ｔ_Ｂはバブラ水温度（℃）、ΔＱｓｖは質量流量コントローラ３の設定値変化分、ΔＷは蒸気量偏差（ｇ／ｍｉｎ）、ρ_Ｗ _Ｂはバブラ水温度相当の飽和蒸気密度（ｋｇ／ｍ^３）である。
【００６０】
本発明の第２の実施形態によれば、露点温度のフィードバック制御が可能で、かつ高速露点温度制御ができる加湿装置を実現することができる。
【００６１】
次に、図５を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。
第３の実施形態においては、第２の実施形態と同一部は同一符号で示している。この第３の実施形態と第２の実施形態との相違点は、熱式質量流量２の挿入場所が異なるのみで、その他の構成は同一である。
【００６２】
図５に示すように、熱式質量流量コントローラ２をガス入力端１と分岐管２０の入力部との間ではなく、分岐管２０の出力部と合流管３０の入力部との間に挿入したところのみが第２の実施形態と異なっている。
【００６３】
本発明の第３の実施形態においては、乾燥ガス質量流量設定値Ｑｓｖおよび乾燥ガス質量流量Ｑｐｖを、熱式質量流量コントローラ２および３の合計値で扱うことで第２の実施形態と同様の制御が可能であり、露点温度のフィードバック制御が可能で、かつ高速露点温度制御ができる加湿装置を実現することができる。
【００６４】
図６は、本発明とは異なり、露点温度のフィードバック制御が困難な加湿装置の構成例を示す図であり、本発明とを比較するための図である
図６において、ガス系として、ガス入力端１に供給された乾燥ガスを質量流量コントローラ２を介してバブラ方式加湿器４に供給する。バブラ方式加湿器で加湿した加湿ガスを、温度計５、露点温度計７、圧力計８及びガス出力端９を介して燃料電池５０に供給する。
【００６５】
また、温度計４１ａ及び４４ａ、ヒータ４１ｂ、４３ｂ及び４４ｂ、圧力調節機構５２を図示の通り備えている。ここで、質量流量コントローラ２は熱式の質量流量計２ａと流量調節機構２ｂとで構成している。
【００６６】
また、バブラ方式加湿器４は、温度計４４ａとヒータ４４ｂとで温度制御されたバブラ水中に微細気泡の乾燥ガスを通過させて加湿する方式の加湿器である。一方、操作・制御系として、設定信号を指示するためのオペレーターズコンソール６０と、制御を行なうためのコントローラ１０とを備えている。
【００６７】
以上のように構成した図６に示す加湿装置（本発明とは異なる）の制御フローを図７に示す。まず、オペレーターズコンソール６０からの設定信号をコントローラ１０に取り込む（ステップ１００）。続いて、乾燥ガス質量流量計測制御（ステップ１１０）、加湿ガス圧力計測制御（ステップ１２０）、加湿ガス温度計測制御（ステップ１３０）のフィードバック制御を順次実行する。
【００６８】
そして、露点温度計７で加湿ガス露点温度計測（ステップ１４０）と、バブラ方式加湿器の温度制御で代行する加湿ガス露点温度制御（ステップ１５０）とを別々に処理する。
【００６９】
図６及び図７に示した例では、本発明とは異なり、乾燥ガス質量流量の応答に追従することが困難である。
【００７０】
なお、以上説明した本発明の各実施形態において、乾燥ガス質量流量の計測制御機器を熱式質量流量コントローラ２および３と、熱式質量流量計６とで構成したが、熱式だけでなく全ての質量流量コントローラおよび質量流量計に適用することができる。
【００７１】
また、質量流量コントローラ２および３は、質量流量計と流量調節機構とを一体で構成した機器であるが、質量流量計と流量調節機構とを分けて構成しても良い。
【００７２】
また、質量流量計６は、体積流量計と温圧補正とを組み合わせて質量流量に換算する方式で構成しても良い。
【００７３】
また、コントローラ１０の演算の一例として表１および表２と式（１）から式（１０）を用いて演算する方法を説明したが、機器の構成と処理内容が同一であればこれら表１、表２、式（１）〜（１０）以外のものでも適用可能である。
【００７４】
また、上記実施形態においては、燃料電池用の加湿装置として説明したが、乾燥ガスを質量流量、圧力、温度および露点温度を制御して加湿ガスを得るための全ての加湿装置に適用可能である。
【００７５】
また、上記実施形態においては、バブラ方式加湿器を用いた構成としたが、加湿に必要な水を直接蒸気に気化させる方式の加湿器や小型ボイラ等を用いても良い。
【００７６】
さらに、乾燥ガスは、完全な乾燥ガス（蒸気が零）だけではなく、予め蒸気の混入割合が明示されているガスについても適用可能である。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明した本発明を用いれば、乾燥ガス質量流量の応答に追従可能な露点温度計測ができ、かつ高速の露点温度制御が可能な加湿装置を実現することがきる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の装置構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の制御フローを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の装置構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の制御フローを示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の装置構成を示す図である。
【図６】本発明とは異なる装置構成例を示す図である。
【図７】図６に示した装置の制御フローを示す図である。
【図８】燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ガス入力端
２、３質量流量コントローラ
２ａ、３ａ、６質量流量計
２ｂ、３ｂ流量調節機構
４バブラ方式加湿器
５温度計
７露点温度計
８圧力計
９ガス出力端
１０コントローラ
２０分岐管
３０合流管
５０燃料電池[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a humidifier for obtaining a humidified gas by mixing steam with a dry gas, and more particularly to a humidifier having a control function of a mass flow rate, a pressure, a temperature, and a dew point temperature of a fuel cell system, a fuel cell evaluation device, and the like. Related to the device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have attracted attention as a clean energy source that produces only water using hydrogen.
[0003]
As a fuel cell for an automobile and a small private power generation replacing a gasoline engine, a solid polymer membrane fuel cell which can be downsized and can be operated at a low temperature (around 100 ° C.) is suitable, and is being developed and commercialized. .
[0004]
FIG. 8 shows the configuration of the polymer electrolyte fuel cell system. In FIG. 8, a polymer electrolyte fuel tank (hereinafter abbreviated as a fuel cell) 50 includes a solid polymer membrane, a catalyst, a diffusion layer, an anode separator (hydrogen electrode), and a cathode separator (air electrode).
[0005]
The hydrogen gas and air (oxygen) supplied to the hydrogen electrode and the air electrode are ionized and reacted inside to generate water, and the electric energy at this time is taken out to drive an electric load. Hydrogen gas and air supplied to the fuel cell must be supplied while controlling the mass flow rate, pressure, temperature and humidity (dew point temperature).
[0006]
Therefore, the humidifiers a and b having the above-described control functions are provided, and the dry gas (hydrogen and air) is converted into a humidified gas adjusted to a predetermined mass flow rate, pressure, temperature and dew point temperature, and then supplied to the fuel cell. .
[0007]
The fuel cell requires two humidifiers, one for hydrogen and the other for air, but since the internal configuration is the same, the configuration for one unit will be described below.
[0008]
The dry gas supplied to the gas input end is supplied to a bubbler humidifier via a mass flow controller. Then, the humidified gas is supplied to the fuel cell via a dew point thermometer or the like.
[0009]
The bubbler humidifier is a humidifier of a type in which dry gas of fine bubbles is passed through bubbler water whose temperature is controlled by a thermometer and a heater to humidify the bubble gas.
[0010]
In the humidifier configured as described above, the setting signal from the operator's console is taken into the controller. Subsequently, feedback control of dry gas mass flow rate measurement control, humidification gas pressure measurement control, and humidification gas temperature measurement control is sequentially performed.
[0011]
Then, the humidification gas dew point temperature measurement by the dew point thermometer and the humidification gas dew point temperature control performed by the temperature control of the bubbler humidifier are separately processed.
[0012]
A gas supply device that supplies gas to a fuel cell is described in Patent Document 1. In this Patent Document 1, the temperature of the gas introduced from the gas supply unit is adjusted by a heater and a cooler, and not only heating but also cooling can be performed, thereby achieving both the followability and stability of the temperature control.
[0013]
[Patent Document 1]
JP 2003-68340 A
[Problems to be solved by the invention]
However, the humidifier in the above-mentioned conventional technology has the following problems.
Since the temperature of the humidifying gas is as high as about 100 ° C, the dew point thermometer for humidifying gas dew point temperature measurement that can be used for dew point temperature measurement is limited to a capacitance type or the like, and the response becomes several tens seconds to several minutes. As a result, it is not possible to follow a change in the mass flow rate of the dry gas which can be changed in about several seconds.
[0015]
Therefore, the dew point temperature cannot be measured during a transition such as a change in the dry gas mass flow rate, and the dew point temperature can be measured only in a steady state.
[0016]
Therefore, feedback control cannot be performed using the measured value of the dew-point thermometer as a process value, and the open-loop control method must be used, and high-precision control of the dew-point temperature is difficult.
[0017]
Furthermore, in the conventional technology, since the bubbler water temperature of the bubbler type humidifier is changed by the heater to respond to the change in the dew point temperature setting, the response becomes slow from several minutes to several tens of minutes. This was one of the reasons that feedback control was not possible.
[0018]
An object of the present invention is to realize a humidifier having a dew point temperature deceptive function capable of following a response of a dry gas mass flow rate.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
(1) As a first humidifying device, the present invention stores a saturated steam characteristic in advance in an internal storage device of a controller, and has a mass flow meter in place of a dew point thermometer to reduce a humidified gas mass flow rate. Measure, the controller calculates the humidified steam amount from the difference between the humidified gas mass flow rate and the dry gas mass flow rate, and calculates a temperature that is equal to this value based on the saturated steam characteristics, the dry gas mass flow rate, and the humidified gas pressure, This is defined as the dew point temperature.
[0020]
According to the present invention, it is possible to follow the response of the dry gas mass flow rate. A humidifier with a dew point temperature measurement function can be realized.
[0021]
(2) As a second humidifier, the present invention includes the respective units of the first humidifier, and stores the temperature characteristics of the mass flow meter in advance in an internal storage device of the controller. It is characterized in that correction of the amount of humidified steam is added.
[0022]
According to the present invention, it is possible to provide a humidifying device with an open-air temperature measurement function that is not affected by the temperature of the mass flow meter and can follow the response of the dry gas mass flow rate.
[0023]
(3) As a third humidifier, the present invention includes the respective units of the first humidifier, and the controller uses the set values of the saturated steam characteristic, the dry gas mass flow rate, the humidified gas pressure, and the dew point temperature. The steam amount at the dew point temperature is calculated, and the feedback control is performed using the difference between the humidified steam amount and the steam amount at the dew point temperature as a control deviation.
[0024]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the humidifier which can feedback-control a dew point temperature storage can be provided.
[0025]
(4) As a fourth humidifying means, the present invention includes each means of the first humidifying device, and stores the temperature characteristics of the mass flow meter in advance in the internal storage device of the controller. The correction of the amount of humidified steam is performed by means of.
[0026]
Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a humidifier capable of feedback control of the dew point temperature without being affected by the temperature of the mass flow meter.
[0027]
(5) As a fifth humidifier, the present invention comprises the respective means of the second humidifier, and branches the dry gas through a branch pipe, one of which passes through a bubbler humidifier, and the other merges as it is. Connect to the pipe and insert a flow control mechanism either between the branch pipe and the bubbler type humidifier or between the branch pipe and the junction pipe to adjust the dry gas mass flow rate to the bubbler humidifier. Configure to be able to.
[0028]
According to the present invention, it is possible to provide a humidifier capable of controlling the dew point temperature at high speed.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0030]
FIG. 1 shows an apparatus configuration, and FIG. 2 shows a control flow. First, an example of the configuration of a humidifier for implementing the present invention will be described with reference to FIG.
[0031]
In FIG. 1, a dry gas supplied to a gas input terminal 1 is supplied to a bubbler humidifier 4 via a thermal mass flow controller 2 as a gas system. Then, the humidified gas humidified by the bubbler humidifier 4 is supplied to the fuel cell 50 via the thermal mass flow meter 6, the thermometer 5, the pressure gauge 8, and the output end 9.
[0032]
Further,

thermometers

41a and 44a,

heaters

41b, 43b and 44b, and a pressure adjusting mechanism 52 are provided as shown. Here, in this example, the thermal mass flow controller 12 includes a thermal mass flow meter 2a and a flow control mechanism 2b.
[0033]
The bubbler-type humidifier 4 is a humidifier of a type in which dry gas of fine bubbles is passed through bubbler water whose temperature is controlled by a thermometer 44a and a heater 44b to humidify. Further, the humidifier 4 includes an operator's console 60 for instructing a set difference signal and a controller 10 for performing control as an operation / control system.
[0034]
The internal storage device of the controller 10 stores in advance the saturated steam characteristics shown in Table 1 and the temperature characteristics of the thermal mass flow meter 6 shown in Table 2.
[0035]
[Table 1]

[0036]
[Table 2]

[0037]
Table 2 shows characteristics when the dry gas is hydrogen, and the multiplication coefficient Kw is a value calculated by the following equation (1).
[0038]

Note that C _PH is the specific heat (kJ / kg-mol · k) of the dry gas (hydrogen), and _CPW is the specific heat of the steam (kJ / kg-mol · k).
[0039]
Next, a control flow according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
First, a setting signal from the operator's console 60 is taken into the controller 10 (step 100). Next, the control of the dry gas mass flow rate measurement including the measurement of the dry gas mass flow rate Qpv of the mass flow rate controller 2 (step 110), the humidification gas pressure measurement control (step 120), and the humidification gas temperature measurement control (step 130) The feedback control is executed sequentially.
[0040]
Subsequently, the humidification gas dew point temperature control (step 150), which is performed by the temperature control of the bubbler humidifier, and the humidification gas dew point temperature measurement (step 140) described below are separately processed.
[0041]
In the process of dew point temperature measurement (step 140), first, the humidifying gas mass flow rate Qwpv of the thermal mass flow meter 6 is read (step 140a). Next, the humidification steam flow rate Qw is calculated by subtracting the dry gas mass flow rate Qpv from the humidification gas mass flow rate Qwpv (step 141b).
[0042]
Here, since the thermal mass flowmeter 6 is a method of obtaining the mass flow rate by the specific heat of the measurement gas, the humidification steam flow rate Qw is a value converted into a dry gas (for example, converted into a hydrogen gas). For this reason, the true humidified steam amount Wpv is calculated by using the multiplication coefficient Kw in Table 2 and correcting it with the calculation formula shown in the following equation (2) (step 141c).
[0043]

In the above formula (2), Qw is the humidified steam flow rate (nl / mol), a is the volume per mole (22.4 (nl / mol)), and b is the steam weight (18 (g / mol)). ).
[0044]
Subsequently, using the saturated vapor pressure Pw and the saturated vapor density ρw (kg / m ³ ) in Table 1, the humidified gas dew point temperature Rpv is calculated using the following equations (3) to (6). (Step 142).
[0045]

In addition, Dw is a steam partial pressure, Pw is a saturated steam pressure (kPa abs), Ppv is a humidification gas pressure ((kPa abs), t is a temperature (° C.), and Qpv is a dry gas mass flow rate (nl / min).
[0046]
In the above formulas (5) and (6), the temperature t of the formula (5) is changed, for example, in units of 1 ° C., and the saturated steam amount W _R100 of the formula (6) is sequentially calculated, and is equal to the humidified steam amount Wpv. The temperature t obtained is determined and set as the humidified gas dew point temperature Rpv.
[0047]
If the thermal mass flow meter 6 has a response time equivalent to that of the thermal mass flow controller 2, humidification with a dew point temperature measurement function capable of following the response of the dry gas mass flow meter, which is an object of the present invention, The device can be realized.
[0048]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 shows an apparatus configuration, and FIG. 4 shows a control flow.
[0049]
In FIG. 3, as a gas system, a dry gas supplied to a gas input terminal 1 is connected to an input portion of a branch pipe 20 via a thermal mass flow controller 2. A part of the drying gas is supplied from one output of the branch pipe to the bubbler humidifier 4 via the thermal mass flow controller 3.
[0050]
The humidified gas humidified by the bubbler humidifier 4 is connected to one input portion of the merging pipe 30. Part of the drying gas is connected from the other output of the branch pipe 20 to the other input of the junction pipe 30.
[0051]
The gas joined by the joining pipe 30 is supplied to the fuel cell 50 via the thermal mass flow meter 6, the thermometer 5, the pressure gauge 8, and the gas output terminal 9.
[0052]
Further, the humidifier includes

thermometers

41a, 42a and 44a,

heaters

41b, 42b, 43b and 44b, and a pressure adjusting mechanism 52.
[0053]
Here, the thermal

mass flow controllers

2 and 3 include thermal

mass flow meters

2a and 3a, and flow control mechanisms 2b and 3b. The bubbler humidifier 4 humidifies the bubbler water whose temperature is controlled by a thermometer 44a and a heater 44b, by passing dry gas of fine bubbles through the bubbler water.
[0054]
On the other hand, the operation / control system includes an operator's console 60 for instructing a setting signal and a controller 10 for performing control. The internal storage device of the controller 10 stores in advance the saturated steam characteristics shown in Table 1 and the temperature characteristics of the thermal mass flow meter 6 shown in Table 2.
[0055]
Next, a control flow according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
First, similarly to the first embodiment, a setting signal from the operator's console 60 is taken into the controller 10 (step 100), and the mass flow controller 2 controls the measurement of the dry gas mass flow rate including the measurement of the dry gas mass flow rate Qpv ( Step 110), humidification gas pressure measurement control (step 120), humidification gas temperature measurement control (step 130), and dew point temperature measurement (step 140).
[0056]
Subsequently, humidification gas dew point temperature control (step 150) described below is performed.
First, the steam amount _WR100 at the time of the dew point temperature is calculated using the above equations (3) to (6) (step 151). At this time, the value of the temperature t used in the equation (5) is calculated as the dew point temperature set value Ksv.
[0057]
Next, calculate the amount of steam deviation △ W with steam flow _{W R100} dew point temperature measurement during the humidifying steam amount Wpv and dew point temperature obtained in step 140 (step 152). Subsequently, feedback control is performed by changing the mass flow rate value of the mass flow controller 3, that is, the supply gas to the bubbler humidifier 4 by ΔQsv by using the steam amount deviation ΔW as the deviation of the feedback control (step 153).
[0058]
Here, the set value change ΔQsv of the mass flow controller 3 proportional to the steam amount deviation ΔW can be obtained by calculating Expression (10) from the following Expression (7).
[0059]

_{Incidentally, D WB} is bubbler water temperature corresponding vapor partial _{pressure, P WB} is bubbler water temperature corresponding saturated vapor pressure (kPa _{abs), P PV} is humidified gas pressure (kPa _{abs), D DB} drying the bubbler water temperature corresponding gas partial _{pressure, D DBn} dry gas partial pressure was quota rise, _{T B} is the bubbler water temperature (℃), ΔQsv set value of the mass flow controller 3 variation, [Delta] W is steam amount deviation (g / min), ρ _W _B is the saturated vapor density (kg / m ³ ) corresponding to the bubbler water temperature.
[0060]
According to the second embodiment of the present invention, it is possible to realize a humidifier capable of performing feedback control of the dew point temperature and performing high-speed dew point temperature control.
[0061]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the third embodiment, the same parts as those in the second embodiment are denoted by the same reference numerals. The difference between the third embodiment and the second embodiment is that only the place where the thermal mass flow rate 2 is inserted is different, and other configurations are the same.
[0062]
As shown in FIG. 5, the thermal mass flow controller 2 is inserted not between the gas input end 1 and the input of the branch pipe 20, but between the output of the branch pipe 20 and the input of the junction pipe 30. Only the point is different from the second embodiment.
[0063]
In the third embodiment of the present invention, the same control as in the second embodiment is performed by treating the dry gas mass flow rate set value Qsv and the dry gas mass flow rate Qpv with the total value of the thermal

mass flow controllers

2 and 3. It is possible to realize a humidifier capable of performing dew point temperature feedback control and high speed dew point temperature control.
[0064]
FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a humidifier in which feedback control of the dew point temperature is difficult unlike the present invention. FIG. 6 is a diagram for comparison with the present invention. The dry gas supplied to the end 1 is supplied to a bubbler humidifier 4 via a mass flow controller 2. The humidified gas humidified by the bubbler humidifier is supplied to the fuel cell 50 through the thermometer 5, the dew-point thermometer 7, the pressure gauge 8, and the gas output terminal 9.
[0065]
Further,

thermometers

41a and 44a,

heaters

41b, 43b and 44b, and a pressure adjusting mechanism 52 are provided as shown. Here, the mass flow controller 2 includes a thermal mass flow meter 2a and a flow control mechanism 2b.
[0066]
The bubbler-type humidifier 4 is a humidifier of a type in which dry gas of fine bubbles is passed through bubbler water whose temperature is controlled by a thermometer 44a and a heater 44b to humidify. On the other hand, an operation / control system includes an operator's console 60 for instructing a setting signal and a controller 10 for performing control.
[0067]
FIG. 7 shows a control flow of the humidifier shown in FIG. 6 (different from the present invention) configured as described above. First, a setting signal from the operator's console 60 is taken into the controller 10 (step 100). Subsequently, feedback control of the dry gas mass flow rate measurement control (step 110), the humidification gas pressure measurement control (step 120), and the humidification gas temperature measurement control (step 130) are sequentially executed.
[0068]
Then, the dew point thermometer 7 separately processes the humidification gas dew point temperature measurement (step 140) and the humidification gas dew point temperature control (step 150) performed by the temperature control of the bubbler humidifier.
[0069]
In the example shown in FIGS. 6 and 7, unlike the present invention, it is difficult to follow the response of the dry gas mass flow rate.
[0070]
In each of the embodiments of the present invention described above, the measurement control device for the dry gas mass flow rate is configured by the thermal

mass flow controllers

2 and 3 and the thermal mass flow meter 6, but not only of the thermal type but also of all types. Of the present invention can be applied to mass flow controllers and mass flow meters.
[0071]
Although the

mass flow controllers

2 and 3 are devices in which the mass flow meter and the flow control mechanism are integrally formed, the mass flow meter and the flow control mechanism may be configured separately.
[0072]
Further, the mass flow meter 6 may be configured to convert the mass flow rate by combining the volume flow meter and the temperature / pressure correction.
[0073]
In addition, as an example of the calculation of the controller 10, the method of performing the calculation using Tables 1 and 2 and Equations (1) to (10) has been described. Other than Table 2, Formulas (1) to (10) are also applicable.
[0074]
In the above embodiment, the humidifier for a fuel cell has been described. However, the dry gas can be applied to all humidifiers for obtaining a humidified gas by controlling a mass flow rate, a pressure, a temperature, and a dew point temperature. .
[0075]
Further, in the above-described embodiment, the structure using the bubbler humidifier is used. However, a humidifier or a small boiler that directly vaporizes water required for humidification may be used.
[0076]
Further, the dry gas can be applied not only to a completely dry gas (zero steam) but also to a gas in which the mixing ratio of steam is specified in advance.
[0077]
【The invention's effect】
By using the present invention described above, it is possible to realize a humidifying device that can measure the dew point temperature that can follow the response of the dry gas mass flow rate and that can control the dew point temperature at high speed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an apparatus configuration according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a control flow according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an apparatus configuration according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a control flow according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an apparatus configuration according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a device configuration example different from the present invention.
7 is a diagram showing a control flow of the device shown in FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1

Gas input end

2, 3

Mass flow controller

2a, 3a, 6 Mass flow meter 2b, 3b Flow control mechanism 4 Bubbler humidifier 5 Thermometer 7 Dew point thermometer 8 Pressure gauge 9 Gas output end 10 Controller 20 Branch pipe 30 Merge Tube 50 fuel cell

Claims

In a humidifier that controls the dry gas input from the gas input end to be equal to the mass flow rate set value, the pressure set value, the temperature set value and the dew point temperature set value by the controller and outputs the gas as a humidified gas from the gas output end,
Storage means for storing the saturated steam characteristics;
A first mass flow meter arranged on the gas input end side for measuring a dry gas mass flow rate;
A second mass flow meter arranged on the gas output end side for measuring a humidified gas mass flow rate;
A pressure gauge arranged on the gas output end side to measure the humidified gas pressure,
The controller calculates the humidification steam amount from the difference between the humidification gas mass flow rate and the drying gas mass flow rate, and becomes equal to the humidification steam amount based on the saturated steam characteristics, the drying gas mass flow rate, and the humidification gas pressure. A humidifying device characterized by calculating a temperature and using the calculated dew point as a temperature.

In a humidifier that controls the dry gas input from the gas input end to be equal to the mass flow rate set value, the pressure set value, the temperature set value and the dew point temperature set value by the controller and outputs the gas as a humidified gas from the gas output end,
A first mass flow meter arranged on the gas input end side for measuring a dry gas mass flow rate;
A second mass flow meter arranged on the gas output end side for measuring a humidified gas mass flow rate;
A pressure gauge arranged on the gas output end side to measure the humidified gas pressure,
A thermometer arranged on the gas output end side for measuring the humidified gas temperature,
Storage means for storing the saturated steam characteristics and the temperature characteristics of the mass flow meter;
The controller, based on the humidified gas mass flow rate and the dry gas mass flow rate and the temperature characteristics of the mass flow meter, calculates the humidified steam amount, based on the saturated steam characteristics, the dry gas mass flow rate and the humidified gas pressure, A humidifier, wherein a temperature equal to the humidifying steam amount is calculated, and the calculated temperature is defined as a dew point temperature.

In a humidifier that controls the dry gas input from the gas input end to be equal to the mass flow rate set value, the pressure set value, the temperature set value and the dew point temperature set value by the controller and outputs the gas as a humidified gas from the gas output end,
Storage means for storing the saturated steam characteristics;
A first mass flow meter arranged on the gas input end side for measuring a dry gas mass flow rate;
A second mass flow meter arranged on the gas output end side for measuring a humidified gas mass flow rate;
A pressure gauge arranged on the gas output end side to measure the humidified gas pressure,
The controller calculates a humidified steam amount from a difference between the humidified gas mass flow rate and the dry gas mass flow rate, and calculates a dew point temperature based on the saturated steam characteristics, the dry gas mass flow rate, the humidified gas pressure, and the dew point temperature set value. A humidifying device comprising: calculating a steam amount at the time; and performing feedback control of a dew point temperature using a difference between a humidified steam amount and a steam amount at a dew point temperature as a deviation.

In a humidifier that controls the dry gas input from the gas input end to be equal to the mass flow rate set value, the pressure set value, the temperature set value and the dew point temperature set value by the controller and outputs the gas as a humidified gas from the gas output end,
A first mass flow meter arranged on the gas input end side for measuring a dry gas mass flow rate;
A second mass flow meter arranged on the gas output end side for measuring a humidified gas mass flow rate;
A pressure gauge arranged on the gas output end side to measure the humidified gas pressure,
A thermometer arranged on the gas output end side for measuring the humidified gas temperature,
Storage means for storing the saturated steam characteristics and the temperature characteristics of the mass flow meter;
The controller calculates the humidified steam amount based on the humidified gas mass flow rate, the dry gas mass flow rate and the temperature characteristics of the mass flow meter, and calculates the saturated steam property, the dry gas mass flow rate, the humidified gas pressure and the dew point. A humidifier that calculates a steam amount at a dew point temperature based on a temperature set value and performs feedback control of a dew point temperature using a difference between a humidified steam amount and a steam amount at a dew point temperature as a deviation.

In a humidifier that controls the dry gas input from the gas input end to be equal to the mass flow rate set value, the pressure set value, the temperature set value and the dew point temperature set value by the controller and outputs the gas as a humidified gas from the gas output end,
Branch pipe, bubbler humidifier, merge pipe, first mass flow meter, second mass flow meter, flow control mechanism, thermometer, pressure gauge, saturated steam characteristics and mass flow meter Storage means for storing temperature characteristics of
And connecting the gas input end to the input part of the branch pipe via the first mass flow meter, connecting one output part of the branch pipe to the input part of the bubbler humidifier, The output part of the bubbler humidifier is connected to one input part of the junction pipe, the other output part of the branch pipe is connected to the other input part of the junction pipe, and one output part of the branch pipe is The flow rate adjusting mechanism is inserted between the bubbler type humidifier and the other output section of the branch pipe to the junction pipe, and the second mass flow meter is connected to the output section of the junction pipe. Connected to the gas output end via the thermometer and the pressure gauge, the dry gas mass flow rate by the first mass flow meter, the humidification gas mass flow rate by the second mass flow meter, and the thermometer by the thermometer. Humidifying gas temperature and humidifying gas pressure Each is measured, and the controller calculates the humidified steam amount based on the humidified gas mass flow rate, the dry gas mass flow rate and the temperature characteristic of the mass flow meter, and calculates the saturated steam property, the dry gas mass flow rate, Based on the humidified gas pressure and the dew point temperature set value, calculate the steam amount at the dew point temperature, and determine the difference between the humidified steam amount and the steam amount at the dew point temperature as a deviation to determine the flow rate of the flow rate adjusting mechanism. A humidifying device characterized by performing feedback control of the dew point temperature to control.

In a humidifier that controls the dry gas input from the gas input end to be equal to the mass flow rate set value, the pressure set value, the temperature set value and the dew point temperature set value by the controller and outputs the gas as a humidified gas from the gas output end,
A branch pipe, a bubbler humidifier, a merging pipe, a first mass flow meter, a second mass flow meter, a third mass flow meter, a flow control mechanism, a thermometer, and a pressure gauge. Storage means for storing the saturated steam characteristics and the temperature characteristics of the mass flow meter;
The gas input end is connected to the input part of the branch pipe, and one output part of the branch pipe is connected to the input part of the bubbler humidifier via the first mass flow meter, An output part of the bubbler humidifier is connected to one input part of the junction pipe, and another output part of the branch pipe is connected to the other input part of the junction pipe via the second mass flow meter. Inserting the flow rate adjusting mechanism either from one output part of the branch pipe to the bubbler humidifier or from the other output part of the branch pipe to the merge pipe, An output unit is connected to the gas output terminal via the third mass flow meter, the thermometer, and the pressure gauge, and the first mass flow is applied to the second mass flow meter by the first mass flow. The second mass flow 1) amount, the humidification gas mass flow rate by the former Aoki third tiger flow meter, the humidification gas temperature by the thermometer, and the humidification gas pressure by the pressure gauge, respectively. The controller calculates the sum of the first mass flow rate and the second mass flow rate as a dry gas mass flow rate, and uses the humidified steam based on the humidified gas mass flow rate, the dry gas mass flow rate, and the temperature characteristics of the mass flow meter. Calculate the amount of steam at the dew point temperature based on the saturated steam characteristics, the dry gas mass flow rate, the humidifying gas pressure and the dew point temperature set value, and calculate the output end side steam amount and the dew point temperature. A feedback control of a dew point temperature for controlling a flow rate of the flow rate adjusting mechanism using a difference between the flow rate and the steam amount as a deviation.