JP2021133264A - 水蒸気濃縮器、水蒸気濃縮方法、加湿気体製造方法、燃料電池自動車、及びガソリン自動車 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)概要
第1実施形態に係る水蒸気濃縮器1は、水蒸気含有気体G1から水蒸気濃縮気体G2を分離して取り出すための装置である。さらに水蒸気濃縮気体G2中の水蒸気の一部が凝縮した凝縮水W(第1凝縮水W1及び第2凝縮水W2)を取り出すことも可能である。
<水蒸気濃縮器>
以下、第1実施形態に係る水蒸気濃縮器1について、図面を参照して説明する。
送風手段2は、第1筐体11内に設けられている。送風手段2は、水蒸気含有気体G1を移送する。具体的には、送風手段2は、第1筐体11の外部から内部へ水蒸気含有気体G1を移送する。本実施形態において、送風手段2は、ファン20で構成されている。
加熱手段3は、第1筐体11内に設けられている。加熱手段3は、送風手段2と対向している。加熱手段3は、送風手段2による水蒸気含有気体G1の移送方向に存在する。そのため、送風手段2により移送された水蒸気含有気体G1は、加熱手段3に当たりやすい。加熱手段3は、移送された水蒸気含有気体G1を加熱する。上述のように、加熱手段3は、送風手段2と対向しているので、第1筐体11内に取り込まれた水蒸気含有気体G1を効率よく加熱することができる。
濃縮手段4は、第2筐体12内に設けられている。第2筐体12は、第1筐体11の上部に設けられている。第2筐体12は、入口46と、出口47と、を有する。入口46と出口47とは上下方向につながっている。入口46は下方に位置し、出口47は上方に位置する。入口46を介して第1筐体11の内部と第2筐体12の内部とは連通されている。出口47を介して第2筐体12の内部と水蒸気濃縮器1の外部とは繋がっている。第2筐体12には、第1配管51が設けられている。具体的には、第2筐体12には、第1配管51の上流側端部が接続されている。第2筐体12の内部と第1配管51の内部とは連通されている。
気体分離膜45は、高分子成分451と、無機充填材452と、を含有する。高分子成分451は、高分子鎖を有し、高分子鎖間に空隙が存在する。無機充填材452は、高分子鎖に接着されている。なお、気体分離膜45は、無機充填材452を含有しなくてもよい。
支持体42の材料は、特に限定されず、気体分離膜複合体41の気体分離性能に影響を及ぼさず、気体分離膜45を支持できる強度を有するものを用いればよい。支持体42は、1層で構成されていてもよく、2層以上の複数の層から構成されていてもよい。
吸引手段5は、濃縮手段4の上流側と下流側との間に圧力差を生み出す。具体的には、吸引手段5は、濃縮手段4で仕切られた上流側空間12aと下流側空間12bとの間に圧力差を生み出し、この圧力差が、濃縮手段4を介しての分離の駆動力となり得る。
冷却手段6は、第1筐体11内に設けられている。冷却手段6は、第1筐体11内の第2配管52と対向している。冷却手段6は、第2配管52を冷却する。これにより、冷却手段6は、水蒸気濃縮気体G2を冷却する。すなわち、冷却手段6は、第2配管52内を流れる水蒸気濃縮気体G2を冷却することができる。このように、冷却手段6で水蒸気濃縮気体G2を冷却することで、凝縮水W(第2凝縮水W2)を得ることができる。このように、第2凝縮水W2は、水蒸気濃縮気体G2に含有される水蒸気が冷却手段6により凝縮して生じる。第2凝縮水W2は、第2配管52の下流側端部に向かって流れる。
排出手段7は、第2配管52の下流側端部に設けられている。本実施形態において、排出手段7は、排出口70で構成されている。排出口70は、第2配管52の下流側端部が開口している部分である。排出手段7は、第2凝縮水W2、及び水蒸気濃縮気体G2を排出する。排出手段7により、第2凝縮水W2及び水蒸気濃縮気体G2を、水蒸気濃縮器1の外部に排出することができる。
回収手段8は、濃縮手段4と吸引手段5との間に設けられる。具体的には、回収手段8は、第1配管51に設けられる。上述のように、水蒸気濃縮気体G2は加熱されて温度が高くなっているので、濃縮手段4を透過した直後には凝縮しにくくなっている。ところが、水蒸気濃縮気体G2は、濃縮手段4から吸引手段5に至るまでの間に放冷されることで、飽和水蒸気量が減少し、凝縮水W(第1凝縮水W1)が生じるおそれがある。このように、第1凝縮水W1は、水蒸気濃縮気体G2に含有される水蒸気が凝縮して生じる。回収手段8は、第1凝縮水W1を回収する。このようにして、濃縮手段4と吸引手段5との間で生成した第1凝縮水W1を回収することができる。
次に、上述した水蒸気濃縮器1を用いた水蒸気濃縮方法について説明する。水蒸気濃縮方法は、加熱工程と、分離工程と、吸引工程と、を含む。好ましくは、水蒸気濃縮方法は、送風工程を更に含む。好ましくは、水蒸気濃縮方法は、冷却工程を更に含む。
送風工程では、送風手段2により、水蒸気濃縮器1の外部に存在する水蒸気含有気体G1を、水蒸気濃縮器1の内部に移送する。具体的には、送風手段2により水蒸気含有気体G1を第1筐体11内に取り込み、水蒸気含有気体G1を加熱手段3に当てる。
加熱工程では、加熱手段3により水蒸気含有気体G1を加熱する。加熱された水蒸気含有気体G1は、第1筐体11内から入口46を通って第2筐体12の上流側空間12a内に入る。
分離工程では、濃縮手段4により、加熱された水蒸気含有気体G1から水蒸気濃縮気体G2を分離する。濃縮手段4を介しての分離は、上流側空間12aと下流側空間12bとの間の圧力差を駆動力として行われる。この駆動力は、吸引手段5が生み出している。吸引手段5により、上流側空間12a内に比べて、下流側空間12b及び第1配管51内が減圧される。水蒸気含有気体G1が入口46から出口47まで移送される間に、水蒸気含有気体G1の一部が濃縮手段4を透過して水蒸気濃縮気体G2となる。水蒸気含有気体G1の残りは、水蒸気希釈気体G3となって、出口47を通って水蒸気濃縮器1の外部へ放散される。
吸引工程では、吸引手段5により水蒸気濃縮気体G2を吸引する。濃縮手段4を透過した水蒸気濃縮気体G2を、吸引手段5により下流側空間12bから第1配管51内へ送り、さらに第1配管51内から第2配管52内に送る。
冷却工程では、冷却手段6により水蒸気濃縮気体G2を冷却する。具体的には、冷却手段6により第2配管52を冷却することで、第2配管52内を流れる水蒸気濃縮気体G2を冷却する。このように、水蒸気濃縮気体G2を冷却することで、第2凝縮水W2を得ることができる。凝縮しなかった水蒸気濃縮気体G2は、第2凝縮水W2と共に、排出手段7により、水蒸気濃縮器1の外部に排出される。
次に、上述した水蒸気濃縮器1を用いたガソリン自動車200について、図面を参照して説明する。
<水蒸気濃縮器>
以下、第2実施形態に係る水蒸気濃縮器1について、図面を参照して説明する。第2実施形態では、第1実施形態と同様の構成要素には第1実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する場合がある。
混合手段9は、吸引手段5と排出手段7との間に設けられる。本実施形態では、混合手段9は、吸引手段5と冷却手段6との間に設けられる。混合手段9は、乾燥気体G4を、水蒸気濃縮気体G2に混合する。具体的には、第2配管52内を吸引手段5側から冷却手段6側へ流れる水蒸気濃縮気体G2に乾燥気体G4を混合する。乾燥気体G4は、水蒸気濃縮気体G2よりも単位体積当たりの水蒸気量が少ない気体である。乾燥気体G4は、水蒸気含有気体G1よりも単位体積当たりの水蒸気量が少ない気体でもよい。乾燥気体G4には、水蒸気を含有しない気体も含まれる。乾燥気体G4には、例えば、乾燥した水素ガスが含まれる。
次に、上述した水蒸気濃縮器1を用いた加湿気体製造方法について説明する。加湿気体製造方法は、加熱工程と、分離工程と、吸引工程と、混合工程と、を含む。混合工程以外の工程については、上述した水蒸気濃縮方法と同様であるので詳細な説明を省略する。
混合工程では、乾燥気体G4を、水蒸気濃縮気体G2に混合する。本実施形態では、乾燥気体G4を第3配管53の上流側端部から下流側端部に向けて注入する。これにより、乾燥気体G4は、第3配管53内を通り、下流側端部から第2配管52内に入る。乾燥気体G4は、第2配管52内を流れる水蒸気濃縮気体G2と合流し、加湿気体G5となる。このように、乾燥気体G4を加湿気体G5にすることができる。具体例を挙げると、乾燥気体G4として、乾燥した水素ガスを用いると、加湿気体G5として、加湿された水素ガスが得られる。
次に、上述した水蒸気濃縮器1を用いた燃料電池自動車100について、図面を参照して説明する。
第2実施形態に係る水蒸気濃縮器1をガソリン自動車200に用いてもよい。
上記実施形態及び変形例から明らかなように、本開示は、下記の態様を含む。以下では、実施形態との対応関係を明示するためだけに、符号を括弧付きで付している。
2 送風手段
3 加熱手段
30 ペルチェ素子
31 発熱部
32 吸熱部
4 濃縮手段
5 吸引手段
6 冷却手段
7 排出手段
8 回収手段
81 貯留容器
82 排出弁
9 混合手段
100 燃料電池自動車
151 燃料電池
200 ガソリン自動車
251 エンジン
G1 水蒸気含有気体
G2 水蒸気濃縮気体
G4 乾燥気体
G5 加湿気体
W 凝縮水
W1 第1凝縮水
W2 第2凝縮水
Claims (12)
- 水蒸気含有気体を移送する送風手段と、
移送された前記水蒸気含有気体を加熱する加熱手段と、
加熱された前記水蒸気含有気体から、前記水蒸気含有気体よりも単位体積当たりの水蒸気量が多い水蒸気濃縮気体を分離する濃縮手段と、
前記水蒸気濃縮気体を吸引する吸引手段と、を備える、
水蒸気濃縮器。 - 前記水蒸気濃縮気体を冷却する冷却手段を更に備える、
請求項1に記載の水蒸気濃縮器。 - 前記冷却手段により、前記水蒸気濃縮気体に含有される水蒸気が凝縮して生じた凝縮水、及び前記水蒸気濃縮気体を排出する排出手段を更に備える、
請求項2に記載の水蒸気濃縮器。 - 前記濃縮手段と前記吸引手段との間に設けられ、前記水蒸気濃縮気体に含有される水蒸気が凝縮して生じた凝縮水を回収する回収手段を更に備える、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の水蒸気濃縮器。 - 前記回収手段は、前記凝縮水を溜める貯留容器と、前記貯留容器に設けられ、前記凝縮水を排出する排出弁と、を有する、
請求項4に記載の水蒸気濃縮器。 - 前記加熱手段は、ペルチェ素子の発熱部で構成され、前記冷却手段は、前記ペルチェ素子の吸熱部で構成される、
請求項2に記載の水蒸気濃縮器。 - 前記吸引手段と前記排出手段との間に設けられ、前記水蒸気濃縮気体よりも単位体積当たりの水蒸気量が少ない乾燥気体を、前記水蒸気濃縮気体に混合する混合手段を更に備える、
請求項3に記載の水蒸気濃縮器。 - 水蒸気含有気体を加熱する加熱工程と、
加熱された前記水蒸気含有気体から、前記水蒸気含有気体よりも単位体積当たりの水蒸気量が多い水蒸気濃縮気体を分離する分離工程と、
前記水蒸気濃縮気体を吸引する吸引工程と、を含む、
水蒸気濃縮方法。 - 前記水蒸気濃縮気体を冷却する冷却工程を更に含む、
請求項8に記載の水蒸気濃縮方法。 - 水蒸気含有気体を加熱する加熱工程と、
加熱された前記水蒸気含有気体から、前記水蒸気含有気体よりも単位体積当たりの水蒸気量が多い水蒸気濃縮気体を分離する分離工程と、
前記水蒸気濃縮気体を吸引する吸引工程と、
前記水蒸気濃縮気体よりも単位体積当たりの水蒸気量が少ない乾燥気体を、前記水蒸気濃縮気体に混合する混合工程と、を含む、
加湿気体製造方法。 - 水素含有気体と酸素含有気体とを電解質に供給して電気化学反応させて発電する燃料電池と、請求項1〜7のいずれか1項に記載の水蒸気濃縮器と、を備える、
燃料電池自動車。 - エンジンと、請求項1〜7のいずれか1項に記載の水蒸気濃縮器と、を備える、
ガソリン自動車。
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