JP4297862B2 - ガス流可視化方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス流の可視化技術、特に、極めて細い径や間隙の流路を通るガス流の可視化に好適なガス流可視化方法及び装置に関するものである。

従来のこの種の可視化技術としては、ガス流中に粉体粒子を注入し、この粒子に光を照射した時の散乱光を撮影・観察するという方法があった（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１４２２５０号公報

しかしながら上記従来技術では、極めて細い径や間隙からなる流路を通るガス流については上記散乱光の撮影・観察（可視化）が困難になった。
具体的には、例えば燃料電池に用いる極細（１ｍｍ以下）の径を有する流路においては、粉体粒子からの散乱光よりも、流路壁面や背面からの散乱光の方が強くなり、粉体粒子、つまりガス流についての撮影・観察ができなくなった。また、上記のような極細径の流路においては、粉体粒子が空気流路壁面や背面等に付着して流路形状を変えたり、可視化部が汚れて見えなくなってしまうこともあり、これらによっても上記と同様にガス流の撮影・観察ができなくなった。
さらに、実発電時の燃料電池内のガス流は、何らかの可視化用トレーサを混入しなければ見えない。しかし、上記のような粉体粒子からなるトレーサを供給し続ければ、燃料電池は発電しなくなる。可視化のために用いる上記粉体粒子は不純物であって、長時間供給し続けると物理的にも化学的にも燃料電池性能を低下させるからであり、このため、実発電時における上記ガス流の撮影・観察が充分にできなくなった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解消するためになされたもので、極めて細い径や間隙の流路、特に燃料電池本体内部に形成された空気流路を通る空気流を、発電動作中であっても容易、かつ充分に可視化できるガス流可視化方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載のガス流可視化方法は、燃料電池本体内部に形成された各流路に水素及び空気を供給し、燃料電池の実発電中の空気流路中の空気の流れを可視化するガス流可視化方法であって、蛍光剤をオイルに溶解して得られた蛍光オイルから生成した微細な蛍光オイルミストを前記空気中に供給し、前記蛍光オイルミストを含む空気を前記空気流路中に供給し、この空気流路中を流れる空気流に対して光を照射し、前記空気流中に含まれる前記蛍光オイルミストから発生する蛍光を検出し、前記検出した蛍光に基づいて、前記空気流路中における空気の流れを可視化することを特徴とする。
特許請求の範囲の請求項２に記載のガス流可視化装置は、燃料電池本体内部に形成された各流路に水素及び空気を供給し、燃料電池の実発電中の空気流路中の空気の流れを可視化するガス流可視化装置であって、蛍光剤をオイルに溶解して得られた蛍光オイルから微細な蛍光オイルミストを生成し、この蛍光オイルミストを前記空気中に供給する蛍光オイルミスト供給手段と、前記蛍光オイルミストが供給された空気を流す前記空気流路に、光を照射する光照射手段と、前記空気に含まれる前記蛍光オイルミストからの蛍光信号を検出する蛍光検出手段と、この蛍光検出手段により検出された蛍光信号に基づいて、前記空気流路中の空気の流れを可視化可能に表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。
特許請求の範囲の請求項３に記載のガス流可視化装置は、請求項２に記載のガス流可視化装置がさらに、微細な蛍光オイルミストのみを前記空気流路に供給するように空気中に含まれる蛍光オイルミストを分別する分別手段を備えていることを特徴とする。
特許請求の範囲の請求項４に記載のガス流可視化装置は、請求項２に記載のガス流可視化装置がさらに、前記空気流路に接続する第１流路と、この第１流路に対して鉛直方向に交差するように分岐する第２流路とを備えた分岐路を備えており、前記蛍光オイルミスト供給手段によって蛍光オイルミストが供給された空気が前記空気流路に流入する前に、前記分岐路を通過することで、微細な蛍光オイルミストのみが前記第１流路側に流れるように構成されていることを特徴とする。

特許請求の範囲の請求項１及び２に記載の各発明によれば、これら各請求項に記載した構成により、極めて細い径や間隙の流路、特に燃料電池本体内部に形成された空気流路を通る空気流を、発電動作中であっても容易、かつ充分に可視化できるガス流可視化方法／装置を提供できる。
また、特許請求の範囲の請求項３及び４に記載の各発明によれば、これら各請求項に記載した構成により、微細な蛍光オイルミストのみを空気流路に供給でき、微細蛍光オイルミストの動き、つまり空気流を、より一層容易にかつ正確に捉えることができると共に、空気流路中に蛍光オイルミストが付着して汚すことのない構成とすることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明によるガス流可視化装置が適用されたガス流流速分布測定装置の一例を示す構成図である。図示例においては、可視化され、その流速分布が測定される対象が、燃料電池のガスの流れ、具体的には燃料電池の酸素供給源としての空気の流れ（空気流）である場合について説明する。

始めに燃料電池１について説明すると、図中、１１は燃料電池本体であり、内部には発電のための水素や空気の流れ（ガス流）が各々極めて小さな流路、例えば一辺が１ｍｍ以下の矩形の流路に供給され、流される。図中の矢印１２は、本実施形態において可視化され、その流速分布が測定される対象である空気流を示す。なお、矢印１２は上記空気流を可視化させるための後述微細蛍光オイルミスト・空気流をも示す。
水素ボンベ１３は水素Ｈ2の供給源、エアーコンプレッサ１４は空気（Ａｉｒ）の供給源であって、これら水素ボンベ１３、エアーコンプレッサ１４からのガス（Ｈ2，Ａｉｒ）は各々流量計１５及びバブラ１６を順に介して燃料電池本体１１の各流路に供給されるように構成されている。そして、これら水素ボンベ１３及びエアーコンプレッサ１４は、上記燃料電池本体１１とで燃料電池１の主要部をなす。空気の供給源としては、エアーコンプレッサ１４に代えてエアーボンベを用いてもよい。
エアーコンプレッサ１４側のバブラ１６の出口側の配管（空気流配管）１７には、バブラ１６の出口側を大気中に開放自在の第１弁１８と、この第１弁１８の閉弁時にエアーコンプレッサ１４からの空気流１９の燃料電池本体１１への供給を操作自在の第２弁２０とを有する。
なお図中２１は、燃料電池本体１１からの排水・排気ガス２２を回収する回収箱であり、この回収箱２１に回収された水・ガスはフィルタ２３を通して外部に排出される。また２４は、燃料電池１の負荷、ここでは可変負荷である。

蛍光ミスト・空気流発生装置３は、蛍光剤をオイルに溶解して得られた蛍光オイル３３から微細な蛍光オイルミストを生成すると共に、この蛍光オイルミストを所望のガス、図示例ではエアーコンプレッサ１４からの空気中に供給して微細蛍光オイルミスト・空気流３４を発生させる蛍光オイルミスト供給手段であって、光照射装置４と共にガス流可視化装置の主要部をなす。
上記蛍光オイル３３としては、具体的にはナイルレッド（ＮｉｌｅＲｅｄ）等の蛍光色素をオリーブオイル中に、蛍光色素／オリーブオイル＝２０ｍｇ／２０ｍｌ等の割合で混合・攪拌し、溶解して得られた蛍光オイルが用いられる。
上記オイルはオリーブオイルに限らず、例えばサラダオイルを用いてもよい。要は、オリーブオイル程度の粘性及び蛍光剤を溶解させ得る性質を有していればオリーブオイルに代えて使用することができる。蛍光剤も蛍光色素：ナイルレッドに限らない。要は、蛍光剤への光照射装置４からの照明光（励起光）Ｌ１とは異なる波長の蛍光を発生するものであればよい。これらオイル及び蛍光剤は、人体に対して無毒なものがよいことは勿論である。
図示例では、照明光Ｌ１として後述するようにＳＨＧ−Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光（５３２ｎｍ）が用いられており、蛍光剤として蛍光色素：ナイルレッドが用いられた、微細蛍光オイルミスト・空気流３４中の微細蛍光オイルミスト（粒子）からは、上記Ｎｄ：ＹＡＧレーザのＳＨＧ光である照明光Ｌ１の照射時（蛍光体励起時）に５３０〜６１０ｎｍの蛍光が発生する。つまり、照明光５３２ｎｍに対して５３０〜６１０ｎｍの蛍光が発生するので、この蛍光を用いることによって、空気流路壁面や背面等からの照明光Ｌ１の散乱光の影響を受けることなく、又は照明光Ｌ１をカットすることなく、空気流１２についての撮影・観察が可能となる。

蛍光ミスト・空気流発生装置３は、具体的には図２に取り出し、拡大して示すように構成されている。すなわち、上記エアーコンプレッサ１４からの空気流３１を密閉容器３２に入れられた蛍光オイル３３中で噴出させ、微細な蛍光オイルミストを生成すると共に、この蛍光オイルミストを空気流３１中に供給して微細蛍光オイルミスト・空気流３４を発生させるように構成されている。
この場合、空気流３１は、先端３５ａが塞がれ、蛍光オイル３３中に浸漬されたパイプ３５の先端部３５ｂの軸回り方向に９０度間隔で開けられた直径０．５ｍｍ程度の４つの空気流噴出口３５ｃから、例えばＯ．３ＭＰａ−２．４ｌ／ｍｉｎ等の圧力−流量で噴出される。なお、図２中のＡは、パイプ３５の先端部３５ｂの拡大図である。
上記空気流３１の空気流噴出口３５ｃからの噴出により生成した微細蛍光オイルミスト３６は、空気流３１と共に、先端３７ａが蛍光オイル液面３３ａの上方に開口する蛍光ミスト流配管３７内に流体（微細蛍光オイルミスト・空気流３４）となって送給される。
蛍光ミスト流配管３７の後端３７ｂは、微細蛍光オイルミスト・空気流３４を燃料電池本体１１の空気流路１２ａに供給可能に延出されている。この蛍光ミスト流配管３７の燃料電池本体１１近傍部分は、上記空気流配管１７に設けられた第２弁２０から燃料電池本体１１側の同燃料電池本体１１近傍部分と共用されているが、この共用配管部分３７ｃ（１７ａ）よりも密閉容器３２側の蛍光ミスト流配管３７部分には第３弁３８が設けられている。
なお、第１ドレン３９は、一端が密閉容器３２内の蛍光オイル液面３３ａの上方に開口し、他端が排気回収箱２１内で開口し、中間部分には第１ドレン弁４０が設けられている。

上記光照射装置４は、所望の流路、ここでは燃料電池本体１１の空気流路１２ａに供給された微細蛍光オイルミスト・空気流１２に照明光Ｌ１を照射してこのオイルミスト・空気流１２をなす蛍光オイルミスト（粒子）から蛍光を発生させ、空気流路１２ａにおける空気の流れを可視化する装置である。この光照射装置４には、ここでは微細蛍光オイルミスト・空気流１２に照明光Ｌ１としてＮｄ：ＹＡＧレーザのＳＨＧ光を照射するために、ＳＨＧ−Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（ダブルパルスレーザ）装置が用いられている。
なお、燃料電池本体１１の空気流路１２ａに係る部分は、ここを流れる微細蛍光オイルミスト・空気流１２に光Ｌ１を照射するために、また、これにより蛍光オイルミストから発生する蛍光、換言すれば微細蛍光オイルミスト・空気流１２を撮影・観察するために、その一部又は全部を透光性の部材で形成されている。

上述したように、微細蛍光オイルミスト・空気流３４は燃料電池本体１１の空気流路１２ａに供給可能であるが、本実施形態においては、この微細蛍光オイルミスト・空気流３４が空気流路１２ａに供給される際に、空気流路１２ａに微細な蛍光オイルミスト（粒子）のみを供給するための蛍光オイルミスト分別手段５を備える。
これは、図３に取り出し拡大して示すように、光照射装置４により光Ｌ１が照射される空気流路１２ａに接続される第１流路１２ｂと、この第１流路１２ｂに対して鉛直方向に交差するように分岐する第２ドレン（第２流路）５２とを有する分岐路５１を備えてなる。すなわち蛍光オイルミスト分別手段５は、上記分岐路５１を備え、微細蛍光オイルミスト・空気流３４が空気流路１２ａに供給される前に分岐路５１を通過することで、例えば１０μｍ以下の微細な蛍光オイルミスト５４のみが第１流路１２ｂ側に流れるように構成されている。
このような構成によれば、微細蛍光オイルミスト・空気流３４が空気流路１２ａに供給される前に、そのオイルミスト・空気流３４中に含まれる相対的に大径の蛍光オイルミスト５３が自重又は慣性によって第２ドレン５２側に流れる。その結果、空気流路１２ｂ，１２ａ側へは相対的に小径の（微細な）蛍光オイルミスト５４のみが供給される。
なお、図３中のＢは、微細蛍光オイルミスト・空気流３４の供給路５１及びその近傍部分の拡大図である。
図３中の第２ドレン５２は、図１に示すように出口部が排気回収箱２１内に延出して開口し、また分岐路５１との中間部分には第２ドレン弁４１を備えている。

上述したガス流可視化装置によれば、例えば燃料電池本体１１内部に形成された極めて細い径や間隙の流路を通るガス流についても容易、かつ充分に可視化できる。
特に、上記蛍光ミスト・空気流発生装置３を用いた構成によれば、
(1)蛍光剤をオイルに溶解して得られた蛍光オイル３３を微細ミスト化して流路１２ａ内に供給することが可能となり、
(2)微細蛍光オイルミスト３６から発生する蛍光を用いる可視化手法が実現され、流路１２ａ壁面や背面等からの照明光Ｌ１の散乱光の影響が除去されることが可能となり、
(3)微細蛍光オイルミスト３６を用いることによる流路１２ａ壁面や背面への付着や汚れが防止されることも可能となる。
したがって、可視化用トレーサとしての蛍光（微細蛍光オイルミスト）の動きを容易、かつ充分に捉えることができ、極めて細い径や間隙の流路を通るガス流についても容易、かつ充分に可視化できるようになる。特に、燃料電池本体１１内部に形成された流路１２ａ中のガス流（空気流１２）の可視化を発電動作中に行う場合にあっても、燃料電池性能を低下させることなく長時間、ガス流を撮影・観察することが可能となる。
また、蛍光オイルミスト分別手段５を備えることによれば、空気流路１２ａ側へは微細な蛍光オイルミスト５４のみが供給されるようになり、特に上掲(3)の流路１２ａ壁面や背面への付着や汚れが防止される効果が増し、可視化用トレーサとしての蛍光（蛍光オイルミスト）の動きを一層、容易、充分に捉えることができようになる。本実施形態では、この蛍光オイルミスト分別手段５が簡単に実現できるという利点もある。

なお、微細に形成された蛍光剤を、オイルを用いることなく空気（ガス）中に拡散、含有させ、この蛍光剤を含むガスを、微細蛍光オイルミスト・空気流１２に代えて空気流路１２ａ中に供給するようにしてもよい。
図示例のガス流可視化装置では、上述したような実発電中のガス流の可視化を行えることの他、ガス流の可視化を行うことなく、つまり蛍光ミスト・空気流発生装置３からの微細蛍光オイルミスト・空気流３４を空気流路１２ａに供給せず、エアーコンプレッサ１４からの空気流１９を空気流路１２ａに供給することも可能である。すなわち、ガス流の可視化を行わずに発電動作させることも可能である。
第１〜第３弁１８，２０，３８及び第１ドレン弁４０は、上記の動作の切換えを行うためのもので、ガス流の可視化を行いながら発電動作させる可視化発電時には、第１及び第３弁１８，３８を開放しておき、第２弁２０及び第１ドレン弁４０を閉じておく。可視化を行わずに発電動作させる通常発電時には、各弁１８，２０，３８，４０は上述可視化発電時とは逆に操作、つまり、第１及び第３弁１８，３８を閉じておき、第２弁２０及び第１ドレン弁４０を開放しておけばよい。
第２ドレン弁４１は、基本的なガス流可視化に必須のものではなく、蛍光オイルミスト分別手段５を機能させ、空気流路１２ａに微細な蛍光オイルミストのみを供給するときに開放される。蛍光オイルミスト分別手段５を機能させず、微細蛍光オイルミスト・空気流３４をそのまま空気流路１２ｂ，１２ａ側に供給するとき、あるいは上記通常発電時には閉じておく。

次に、ガス流流速分布測定装置について説明する。
ガス流流速分布測定装置は、ここではパルスジェネレータ６１、遅延装置６２、レーザ制御装置６３、ダブルパルスレーザ装置（図示例ではガス流可視化装置の光照射装置４が兼用されている）を備えてなる。ダブルパルスレーザ装置４は、例えば５μｓの時間差で出射される２本のパルスレーザ光を、照明光Ｌ１として燃料電池本体１１内の空気流路１２ａを流れる空気流ないし微細蛍光オイルミスト・空気流１２に側方から照射可能である。
またこのガス流流速分布測定装置は、上記微細蛍光オイルミスト・空気流１２に照明光Ｌ１を照射したときの微細蛍光オイルミスト・空気流１２中の蛍光オイルミストからの蛍光（蛍光信号）を取り込み、撮影するための蛍光顕微鏡６４、トリガカメラ６５及び励起光ブロッキングフィルタ６６（蛍光検出手段）を備える。蛍光顕微鏡及６４びトリガカメラ６５相互間に挿入された励起光ブロッキングフィルタ６６は、波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザのＳＨＧ光が除去され、上記蛍光オイルミストからの蛍光成分の波長、ここでは５３０〜６１０ｎｍ（５３２ｎｍを除く）の光のみをトリガカメラ６５に取り込むために設けられている。
さらにこのガス流流速分布測定装置は、トリガカメラ６５をＯＮさせると共に、同カメラ６５からの撮像信号（蛍光信号）に基づいてディスプレイ６７ａに上記５μｓ間における蛍光オイルミスト、換言すれば空気流を可視化可能に表示し、またこの空気流の流速分布を演算して表示するパーソナルコンピュータ６７を備える。このパーソナルコンピュータ６７は、ディスプレイ６７ａに表示された画像を録画し、あるいは演算して得られた流速分布に基づき種々の解析処理も行い得る。なお、図中６４ａは、蛍光顕微鏡６４の対物レンズである。
このようなガス流流速分布測定装置によれば、上述したガス流可視化装置によって可視化されたガス流（図示例では空気流、以下同じ。）を撮影・観察することができるばかりでなく、得られたガス流の画像データに基づいて、同ガス流の流速分布や、この流速分布に基づいた各種の解析処理が可能となる。

なお上述実施形態では、可視化され、その流速分布が測定される対象が、燃料電池の酸素供給源としての空気流である場合について説明したが、同燃料電池の水素ガス流であってもよいことは勿論である。非発電時の燃料電池の流路におけるガス流の可視化の場合には、空気流に代えて窒素ガス流等を用いてもよい。
また、燃料電池におけるガス流に限定されることもない。要は、１ｍｍ程度以下の極細径の円や楕円、一辺が１ｍｍ程度以下の極小辺の長方形や正方形あるいは相互間隔が１ｍｍ程度以下の狭隘部等に流されるガス流の全てについて適用可能である。本発明は、このような微細な流路内のガス流の可視化を可能とすることで、既知のＰＩＶ／ＰＴＶ法を用いた画像解析で、ガス流の流速分布等を計測することが可能となるため、ガス流路の設計・シミュレーションに有効に利用することができる。
さらに上述実施形態では、ガス流に照射する光Ｌ１としてレーザ光を用いたが、これのみに限定されることはない。要は、蛍光剤から蛍光を発生させ得る光であればよい。
なお本発明は、例えば自動車の排気管、エンジン筒等の流路のように大径の流路におけるガス流の可視化も可能であることは勿論である。

本発明によるガス流可視化装置が適用されたガス流流速分布測定装置の一例を示す構成図である。 図１中の蛍光ミスト・空気流発生装置の一例を説明するための図である。 同じく蛍光オイルミスト分別手段の一例を説明するための図である。

符号の説明

１：燃料電池、１１：燃料電池本体、１２：空気流，微細蛍光オイルミスト・空気流、１２ａ：空気流路、１２ｂ：第１流路、３：蛍光ミスト・空気流発生装置（蛍光オイルミスト供給手段）、３３：蛍光オイル、３４：微細蛍光オイルミスト・空気流、４：光照射装置（光照射手段）、５：蛍光オイルミスト分別手段、５１：供給路、５２：第２ドレン（第２流路）、６５：蛍光顕微鏡（蛍光検出手段）、６５：トリガカメラ（蛍光検出手段）、６６：励起光ブロッキングフィルタ（蛍光検出手段）、６７ａ：ディスプレイ（表示部）、Ｌ１：照明光。

Claims (4)

1. 燃料電池本体内部に形成された各流路に水素及び空気を供給し、燃料電池の実発電中の空気流路中の空気の流れを可視化するガス流可視化方法であって、
   蛍光剤をオイルに溶解して得られた蛍光オイルから生成した微細な蛍光オイルミストを前記空気中に供給し、
   前記蛍光オイルミストを含む空気を前記空気流路中に供給し、この空気流路中を流れる空気流に対して光を照射し、
   前記空気流中に含まれる前記蛍光オイルミストから発生する蛍光を検出し、
   前記検出した蛍光に基づいて、前記空気流路中における空気の流れを可視化することを特徴とするガス流可視化方法。
2. 燃料電池本体内部に形成された各流路に水素及び空気を供給し、燃料電池の実発電中の空気流路中の空気の流れを可視化するガス流可視化装置であって、
   蛍光剤をオイルに溶解して得られた蛍光オイルから微細な蛍光オイルミストを生成し、この蛍光オイルミストを前記空気中に供給する蛍光オイルミスト供給手段と、
   前記蛍光オイルミストが供給された空気を流す前記空気流路に、光を照射する光照射手段と、
   前記空気に含まれる前記蛍光オイルミストからの蛍光信号を検出する蛍光検出手段と、
   この蛍光検出手段により検出された蛍光信号に基づいて、前記空気流路中の空気の流れを可視化可能に表示する表示部と、
   を備えたことを特徴とするガス流可視化装置。
3. 請求項２に記載のガス流可視化装置がさらに、微細な蛍光オイルミストのみを前記空気流路に供給するように空気中に含まれる蛍光オイルミストを分別する分別手段を備えていることを特徴とするガス流可視化装置。
4. 請求項２に記載のガス流可視化装置がさらに、前記空気流路に接続する第１流路と、この第１流路に対して鉛直方向に交差するように分岐する第２流路とを備えた分岐路を備えており、
   前記蛍光オイルミスト供給手段によって蛍光オイルミストが供給された空気が前記空気流路に流入する前に、前記分岐路を通過することで、微細な蛍光オイルミストのみが前記第１流路側に流れるように構成されていることを特徴とするガス流可視化装置。

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