特表 2023-518524 混合ガスを生成するための調量ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-05-01

(54)【発明の名称】混合ガスを生成するための調量ユニット

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/24 20160101AFI20230424BHJP

   F23K 5/00 20060101ALI20230424BHJP

   G05D 11/13 20060101ALI20230424BHJP

   H01M 8/04 20160101ALN20230424BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALN20230424BHJP

【ＦＩ】

H01M8/24

F23K5/00 303

G05D11/13 Z

H01M8/04 Z

H01M8/0606

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022558082

(86)(22)【出願日】2021-03-26

(85)【翻訳文提出日】2022-09-26

(86)【国際出願番号】 AT2021060103

(87)【国際公開番号】W WO2021189093

(87)【国際公開日】2021-09-30

(31)【優先権主張番号】A50250/2020

(32)【優先日】2020-03-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】AT

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】500461457

【氏名又は名称】アーファウエル リスト ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ミヒャエル ブーフナー

【テーマコード（参考）】

3K068

5H126

5H127

5H309

【Ｆターム（参考）】

3K068AA05

3K068AB04

3K068BB01

3K068BB02

3K068BB12

3K068BB18

3K068BB22

3K068CA04

5H126AA22

5H127BA56

5H309AA01

5H309AA11

5H309BB01

5H309CC04

5H309CC05

5H309DD08

5H309EE03

5H309EE06

5H309FF01

5H309GG03

5H309JJ06

(57)【要約】

混合ガスを生成するための調量ユニットであって、主ガス源（１４）と、この主ガス源（１４）から主ガスを搬送することができ、第１の質量流量調整器（２０；２０’；２０’’）が配置された主ガス二次管路（１８；１８’；１８’’）と、付加ガス源（２８；２８’；２８’’）と、付加ガスを搬送することができ、第２の質量流量調整器（２６，２６’，２６’’）が配置された付加ガス管路（２４；２４’；２４’’）と、主ガス二次管路（１８；１８’；１８’’）と付加ガス管路（２４；２４’；２４’’）とに接続されていて、主ガスと付加ガスとから成る混合ガスが貯蔵されている貯蔵容器（２２；２２’；２２’’）と、この貯蔵容器（２２；２２’；２２’’）から混合ガスを導出することができるガス抜き管路（３０；３０’；３０’’）と、このガス抜き管路（３０；３０’；３０’’）内に配置されていて、規定された開放圧を有する逆止弁（３２；３２’；３２’’）または過圧弁と、貯蔵容器（２２；２２’；２２’’）から混合ガスを搬送することができ、第３の質量流量調整器（３６；３６’；３６’’）が配置された混合ガス管路（３４；３４’；３４’’）とを備える、混合ガスを生成するための調量ユニットが知られている。大きな濃度差にわたって極めて正確な混合を行うことができるようにするために、本発明によれば、混合ガス管路（３４；３４’；３４’’）と、主ガスを搬送することができる主ガス管路（１２）とが、混合ゾーン（３８）に流体接続されており、この混合ゾーン（３８）には、主ガス管路（１２）から主ガスが連続的に流入しかつ混合ガス管路（３４；３４’；３４’’）から混合ガスが連続的に流入し、混合ゾーン（３８）からは、測定ガスが、流出管路（４０）を介して消費器（１０）に案内可能であることが提案される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

混合ガスを生成するための調量ユニットであって、
主ガス源（１４）と、
前記主ガス源（１４）から主ガスを搬送することができ、第１の質量流量調整器（２０；２０’；２０’’）が配置された主ガス二次管路（１８；１８’；１８’’）と、
付加ガス源（２８；２８’；２８’’）と、
付加ガスを搬送することができ、第２の質量流量調整器（２６，２６’，２６’’）が配置された付加ガス管路（２４；２４’；２４’’）と、
前記主ガス二次管路（１８；１８’；１８’’）と前記付加ガス管路（２４；２４’；２４’’）とに接続されていて、前記主ガスと前記付加ガスとから成る混合ガスが貯蔵されている貯蔵容器（２２；２２’；２２’’）と、
前記貯蔵容器（２２；２２’；２２’’）から前記混合ガスを導出することができるガス抜き管路（３０；３０’；３０’’）と、
前記ガス抜き管路（３０；３０’；３０’’）内に配置されていて、規定された開放圧を有する逆止弁（３２；３２’；３２’’）または過圧弁と、
前記貯蔵容器（２２；２２’；２２’’）から前記混合ガスを搬送することができ、第３の質量流量調整器（３６；３６’；３６’’）が配置された混合ガス管路（３４；３４’；３４’’）と
を備える、混合ガスを生成するための調量ユニットにおいて、
前記混合ガス管路（３４；３４’；３４’’）と、前記主ガスを搬送することができる主ガス管路（１２）とが、混合ゾーン（３８）に流体接続されており、該混合ゾーン（３８）には、前記主ガス管路（１２）から前記主ガスが流入しかつ前記混合ガス管路（３４；３４’；３４’’）から前記混合ガスが流入し、前記混合ゾーン（３８）からは、測定ガスが、流出管路（４０）を介して消費器（１０）に案内可能であることを特徴とする、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【請求項2】

前記混合ゾーン（３８）は、前記測定ガスが貯蔵されているバッファ容器（４２）内にまたはバッファ容器（４２）の上流側に形成されていることを特徴とする、請求項１記載の、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【請求項3】

前記バッファ容器（４２）は、再循環管路（６０）に接続されており、前記測定ガスは、前記バッファ容器（４２）から導出して前記再循環管路（６０）を介して再び前記バッファ容器（４２）に導入可能であり、前記再循環管路（６０）には、前記付加ガス用のガス分析器（６６，６６’，６６’’）が配置されていることを特徴とする、請求項１または２記載の、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【請求項4】

前記流出管路（４０）に流出圧調整器（４３）が配置されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【請求項5】

前記主ガス管路（１２）において前記主ガス源（１４）と前記バッファ容器（４２）との間に逆止弁（５８）が配置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【請求項6】

前記調量ユニットは、それぞれ１つの第１の質量流量調整器（２０，２０’，２０’’）を備えた複数の主ガス二次管路（１８，１８’，１８’’）と、それぞれ１つの別の付加ガス源（２８，２８’，２８’’）に接続されていて、それぞれ１つの第２の質量流量調整器（２６，２６’，２６’’）が配置された複数の付加ガス管路（２４，２４’，２４’’）とを有し、それぞれ１つの前記主ガス二次管路（１８，１８’，１８’’）と、それぞれ１つの前記付加ガス管路（２４，２４’，２４’’）とは、貯蔵容器（２２，２２’，２２’’）に接続されており、該貯蔵容器（２２，２２’，２２’’）は、該貯蔵容器（２２，２２’，２２’’）から各々の前記混合ガスを導出することができる逆止弁（３２，３２’，３２’’）または過圧弁が配置されたそれぞれ１つのガス抜き管路（３０，３０’，３０’’）と、各々の前記貯蔵容器（２２，２２’，２２’’）から各々の前記混合ガスを搬送することができ、それぞれ１つの第３の質量流量調整器（３６，３６’，３６’’）が配置されたそれぞれ１つの混合ガス管路（３４，３４’，３４’’）とに接続されており、全ての混合ガス管路（３４，３４’，３４’’）は、前記主ガス管路（１２）との前記混合ゾーン（３８）に延在していることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【請求項7】

全ての前記主ガス二次管路（１８，１８’，１８’’）は、１つの前記主ガス源（１４）に接続されていることを特徴とする、請求項６記載の、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【請求項8】

前記混合ゾーン（３８）と前記第１の貯蔵容器（２２，２２’，２２’’）との間に、逆止弁（５２，５２’，５２’’）または過圧弁が配置されたガス抜き管路（５０，５０’，５０’’）を備えた第２の貯蔵容器（４８，４８’，４８’’）が配置されており、該第２の貯蔵容器（４８，４８’，４８’’）には、前記第１の混合ガス管路（３４，３４’，３４’’）と第２の主ガス二次管路（４４，４４’，４４’’）とが開口しており、前記第２の貯蔵容器（４８，４８’，４８’’）は、第２の混合ガス管路（５４，５４’，５４’’）を介して前記混合ゾーン（３８）に接続されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【請求項9】

前記第２の主ガス二次管路（４４，４４’，４４’’）と、前記第１の混合ガス管路（３４，３４’，３４’’）と、前記第２の混合ガス管路（５４，５４’，５４’’）とに、それぞれ１つの質量流量調整器（３６，３６’，３６’’，４６，４６’，４６’’，５６，５６’，５６’’）が配置されていることを特徴とする、請求項８記載の、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【請求項10】

前記測定ガスの前記混合ゾーン（３８）から、逆止弁（７０）または過圧弁が配置されたガス抜き管路（６８）が分岐していることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【請求項11】

前記ガス抜き管路（６８）に各々の付加ガス用のガス分析器（６６，６６’，６６’’）が配置されていることを特徴とする、請求項１０記載の、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【請求項12】

前記主ガス管路（１２）において前記主ガス源（１４）と前記逆止弁（５８）との間に流出圧調整器（４３）が配置されていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の、混合ガスを生成するための調量ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、混合ガスを生成するための調量ユニットであって、主ガス源と、この主ガス源から主ガスを搬送することができ、第１の質量流量調整器が配置された主ガス二次管路と、付加ガス源と、付加ガスを搬送することができ、第２の質量流量調整器が配置された付加ガス管路と、主ガス二次管路と付加ガス管路とに接続されていて、主ガスと付加ガスとから成る混合ガスが貯蔵されている貯蔵容器と、この貯蔵容器から混合ガスを導出することができるガス抜き管路と、このガス抜き管路内に配置されていて、規定された開放圧を有する逆止弁または過圧弁と、貯蔵容器から混合ガスを搬送することができ、第３の質量流量調整器が配置された混合ガス管路とを備える、混合ガスを生成するための調量ユニットに関する。

【0002】

このような調量ユニットは、例えば、燃料電池をテストするための混合ガス流を生成すべく、水素に１つ以上の有害ガスを混加し、次いで、この有害ガスが燃料電池スタックにどのような影響を及ぼすのかを求めるために使用される。このことは、酸素含有の空気流の種々異なるガス組成の影響をシミュレートするために、カソード側に利用されてもよい。このために、燃料電池スタックには、正確に調量された規定の質量流量の混合ガスが供給される。

【0003】

このような混合ユニットは、例えば、水素とモノホスフィンとの混合物を製造するための中国実用新案第２０９４０６０８１号明細書に記載されている。同明細書では、モノホスフィンと水素とが、ダイヤフラム弁と、逆止弁と、質量流量センサとを介して調整されて貯蔵容器に案内され、そこに貯蔵される。この貯蔵器からは、過圧弁が配置されたガス抜き管路が外向きに延在している。さらに、貯蔵容器からは、ガス分析器が配置された管路が分岐している。

【0004】

記載されている構造では、かなり不正確な混合比しか達成することができない。この場合には、混合すべき両方の成分の類似の量比が存在している。この混合ユニットでは、主ガスがｐｐｍの範囲内またはｐｐｔの範囲内ですら有害ガスによってのみ混合される混合を達成することはできない。なぜならば、従来の弁およびコリオリ式のセンサでは、ナノグラムを調量することができず、ひいては、十分に正確な調量が不可能となってしまうからである。最近のマイクロエレクトロニクス型の調量器の使用時でさえ、約０．１ｍｌ／分しか正確に調量を行うことができないのに対して、より少ない量の場合には、調量誤差が著しく高まってしまう。逆に、より小さな調量器を使用すると、より大きな量を調量供給することがもはや不可能となってしまう。さらに、既知の構造では、連続的な調量および測定が不可能である。運転中に濃度の変化を伴う連続的な混合も実施することはできない。

【0005】

したがって、課題は、混加すべき付加ガスの割合に左右されることなく、ｐｐｍ、ｐｐｂまたはｐｐｔの範囲内までの所望の濃度を常に極めて正確に混合することができるようにすることである。さらに、測定を連続的に実施することができ、相応して、正確な混合物を連続的に生成することができることが求められる。また、測定中の混合比の変化も望まれる。

【0006】

この課題は、独立請求項１の特徴を有する、混合ガスを生成するための調量ユニットによって解決される。

【0007】

調量ユニットは、主ガス源と、混加すべきガスが供給される少なくとも１つの付加ガス源とを有している。主ガスは、主ガス管路と、第１の質量流量調整器が配置された主ガス二次管路とに搬送可能である。付加ガスは、第２の質量流量調整器が配置された付加ガス管路に搬送可能である。主ガス二次管路と付加ガス管路とは、個々に貯蔵容器に開口しているか、または貯蔵容器の上流側で合流させられ、これによって、混合ガスが貯蔵容器に流入する。この貯蔵容器は、相応して、主ガス二次管路と付加ガス管路とに直接的または間接的に接続されており、貯蔵容器内には、主ガスと付加ガスとから成る混合ガスが貯蔵される。貯蔵容器は、付加的にガス抜き管路に流体接続されており、このガス抜き管路を介して、混合ガスが貯蔵容器から導出可能であり、ガス抜き管路内には、規定された開放圧を有する逆止弁または過圧弁が配置されている。さらに、貯蔵容器からは、この貯蔵容器から混合ガスを搬送することができ、第３の質量流量調整器が配置された混合ガス管路が、混合ゾーンに延在している。この混合ゾーンには、主ガス管路も開口しており、これによって、混合ゾーンには少なくとも、主ガス管路から主ガスが流入し、混合ガス管路から混合ガスが流入し、主ガスと混合ガスとが、流出管路を介して、例えば燃料電池として形成された消費器に流入する測定ガスの少なくとも一部を形成している。このことは、第１の段階で第１の混合比が形成され、第２の段階で主ガスの添加による付加的な希釈が行われる、調量ユニットの２段階の構造が提供されていることを意味している。この２つの段階によって、主ガス内の付加ガスのｐｐｔ濃度範囲内までの極めて正確な混合比を達成することができる。したがって、付加ガスとして、相応に窒素で希釈されていない純ガスを使用することもできる。なぜならば、調量ユニット自体で低い濃度を達成することができるからである。逆止弁または過圧弁の使用によって、混合ガスが常時幾分かガス抜き管路を介して導出されることにより、貯蔵容器内の圧力を常に一定に保つことができる。これによって、混合ガスの一定の質量流量が維持され、ひいては、１つには、混合ゾーンにおいて一定の混合比を維持することができ、もう１つには、運転中に連続的に所望の混合比を形成することができ、また、変化させることができる。付加的には、逆止弁と、この逆止弁により生じる連続的な流れとによって、ガスの分離が阻止される。主ガスとして、用途に応じて、水素および窒素または酸素が使用されてよく、これらに付加ガスとして二酸化炭素、一酸化炭素、希ガスまたはこれに類するものが混加される。

【0008】

好ましくは、混合ゾーンは、測定ガスが貯蔵されているバッファ容器の上流側にまたはバッファ容器内に形成されている。これによって、急激な消費量変化時でも、それにもかかわらず、規定された濃度を有する所望の混合ガス流を流出管路に連続的に供給することができる。バッファ容器は消費量変化を緩衝する。このために、バッファ容器は、通流量変化中に生じた誤調量を後続の調整に基づき無視し続けることができるようなサイズに設計されなければならない。

【0009】

さらに、バッファ容器が、再循環管路に接続されており、測定ガスが、バッファ容器から導出して再循環管路を介して再びバッファ容器に導入可能であり、再循環管路には、付加ガス用のガス分析器が配置されていると有利である。これによって、混合精度を付加的に向上させることができる。なぜならば、完全な混合ガス内の付加ガスの割合を決定することができ、相応に後調整することができるからである。付加的には、流れによって、バッファ容器内のガスの分離が阻止される。

【0010】

さらに、好適な実施形態では、流出管路に流出圧調整器が配置されており、これによって、燃料電池に、一定の圧力を有する混合ガス流が供給され、望ましくない圧力変動またはこれに基づき結果的に生じる質量流量変動が回避される。

【0011】

さらに、主ガス管路において主ガス源とバッファ容器との間に逆止弁が配置されていると好適であり、これによって、主ガス源への混合ガスの逆流が阻止される。相応して、バッファ容器に純粋な主ガスが供給され、質量流量調整器に所要の圧力差が提供される。

【0012】

本発明の特に有利な構成では、調量ユニットは、それぞれ１つの第１の質量流量調整器を備えた複数の主ガス二次管路と、それぞれ１つの別の付加ガス源に接続されていて、それぞれ１つの第２の質量流量調整器が配置された複数の付加ガス管路とを有し、それぞれ１つの主ガス二次管路と、それぞれ１つの付加ガス管路とは、貯蔵容器に接続されており、この貯蔵容器は、この貯蔵容器から各々の混合ガスを導出することができる逆止弁または過圧弁が配置されたそれぞれ１つのガス抜き管路と、各々の貯蔵容器から各々の混合ガスを搬送することができ、それぞれ１つの第３の質量流量調整器が配置されたそれぞれ１つの混合ガス管路とに接続されており、これら全ての混合ガス管路は、主ガス管路との混合ゾーンに開口している。したがって、複数の種々異なる付加ガスを、予め混合されたガスとして並行して生成することができ、主ガス管路内の主ガス流に供給することができる。相応して、任意の数の付加ガスが混加されてよく、例えば、それぞれ異なる空気組成が具体的に混合されてもよい。その際、全ての混合ガスは連続的に生成される。

【0013】

構造を簡略化するために、全ての主ガス二次管路は、１つの主ガス源に接続されており、これによって、複数の主ガス源が不要となり、複数の分岐点が設けられさえすればよい。

【0014】

一改良実施形態では、混合ゾーンと第１の貯蔵容器との間に、逆止弁または過圧弁が配置されたガス抜き管路を備えた第２の貯蔵容器が配置されており、この第２の貯蔵容器には、第１の混合ガス管路と第２の主ガス二次管路とが開口しており、第２の貯蔵容器は、第２の混合ガス管路を介して混合ゾーンに接続されている。この構造によって、第３の混合段が提供され、これによって、混合ガス内に極端に低い濃度の付加ガスを形成することができる。なお、このために、極微調整式の質量流量調整器が使用される必要はない。なぜならば、主ガス内の付加ガスの割合が、各々の段階において、より少なくなるからである。この構造の下流側に任意の数の後続の段が接続されてよい。この形態では、すでにこの第３の段によってｐｐｔ範囲内の濃度が形成可能であり、これによって、検出可能な限界への到達がすでに可能となっている。

【0015】

３つ全ての段を介した、連続的に変化させられてもよい確実に調整可能な混合比のために、第２の主ガス二次管路と、第１の混合ガス管路と、第２の混合ガス管路とに、それぞれ１つの質量流量調整器が配置されている。

【0016】

さらに、測定ガスの混合ゾーンから、逆止弁または過圧弁が配置されたガス抜き管路が分岐していると有利であり得る。このような逆止弁によって、調量ユニットの連続的な運転が可能となる。このことは、付加ガスが、廉価な主ガス流に混加される、つまり、例えば、燃料電池ユニットの酸素側で混加される場合に特に有利である。なぜならば、そこでは、主ガスの損失が許容可能であるからである。この場合には、バッファ容器を不要にすることができ、それにもかかわらず、少ない所要スペースで、極めて迅速に反応する最大限正確な運転が得られる。

【0017】

一改良実施形態では、ガス抜き管路に逆止弁の上流側で各々の付加ガス用のガス分析器が配置されており、これによって、ここでも、ガス流の組成の正確な分析が可能となる。

【0018】

このために、主ガス管路において、主ガス源とバッファ容器または逆止弁との間に、主ガス源の圧力を、例えば約１ｂａｒ近辺に減圧調整する出口圧調整器が配置されていると有利であり、これによって、急激な消費量変動時に、バッファ容器を補うための予備圧（Druckreserve）が存在している。出口圧調整器は、主ガス源における圧力変動が調量ユニットに作用することを阻止する。

【0019】

したがって、ｐｐｔ（１兆分の１）の割合未満までの極めて低い濃度の混加すべきガスを主ガス流内で混合することができるだけでなく、混合物を等しいオーダの量で製造することもできる、混合ガスを生成するための調量ユニットが提供される。これらの混合物は、任意に多種の異なるガスから成っていてよく、好適な構成では、連続的に混合されてもよい。この場合、成分の割合は連続的に変化させられてよい。総量に対して極めて少ない量を混加することができるので、あり得る連続的な運転にもかかわらず、例えばガスボンベから成る純粋なガス源を使用することができる。付加的には、ガスのより大きな急激な消費量変動時でも、一定の組成の混合ガスを後続の測定のために連続的に生成することができる。

【0020】

以下に、混合ガスを製造するための本発明に係る調量ユニットの実施例を図面に基づき説明する。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明に係る調量ユニットのフロー図である。

【図2】第２の代替的な本発明に係る調量ユニットのフロー図である。

【図3】第３の本発明に係る調量ユニットのフロー図である。

【図4】第４の本発明に係る調量ユニットのフロー図である。

【0022】

図１に示した本発明に係る調量ユニットは、主ガスとしての水素を付加ガスとしての一酸化炭素と混合するために用いられる。この一酸化炭素は少ない量で水素に混加され、これによって、テストすべき消費器１０としての燃料電池スタックへの一酸化炭素の作用を判断することができる。

【0023】

このために、消費器１０は、主ガス管路１２を介して主ガス源１４に流体接続されている。この主ガス源１４には、水素が含まれている。主ガス管路１２には、質量流量測定および圧力調整ユニット１６が配置されている。この質量流量測定および圧力調整ユニット１６では、主ガス源１４の圧力が、燃料電池ユニットとして形成された消費器１０のために必要となる一定の圧力に減圧調整され、相応の質量流量が、消費器１０のアノード側に提供される。

【0024】

主ガス源１４は、付加的に、主ガス管路１２から分岐しかつ第１の質量流量調整器２０が配置された主ガス二次管路１８を介して貯蔵容器２２に接続されている。この貯蔵容器２２は、図示の実施例ではガス分配器管として形成されていて、例えば、単にガス分配器の配管に相応しているだけでよい相応に小さな容積を有している。この極めて小さな容積によって、組成変化が即座に提供されるのに対して、過度に大きな貯蔵容器は濃度変化を鈍らせ、場合によっては、分離作用を招いてしまう。

【0025】

貯蔵容器２２は、付加的に、第２の質量流量調整器２６が配置された付加ガス管路２４を介して付加ガス源２８に接続されている。この付加ガス源２８には、混加すべきガス、例えば一酸化炭素が貯蔵されている。質量流量調整器２０，２６によって、貯蔵容器２２に、調整された２つの質量流量が供給され、これによって、貯蔵容器２２に、規定された混合比を有する混合ガスが供給される。

【0026】

貯蔵容器２２から、ガス抜き管路３０が外向きに延在している。このガス抜き管路３０には、逆止弁３２が配置されており、これによって、貯蔵容器２２に連続的にかつ混合ガスの消費量に左右されずに、常に等しい質量流量と一定の圧力とを有する混合ガスを供給することができる。この混合ガスは、第１の混合ガス管路３４に搬送され、第３の質量流量調整器３６を介して混合ゾーン３８に搬送される。この混合ゾーン３８では、混合ガス管路３４が主ガス管路１２に開口しており、そこで、主ガス流が混合ガス流と混合される。運転中、逆止弁３２は常時開放されており、これによって、必要とされない生成された混合ガス流が常時導出される。相応して、混合ガスによる付加ガスの２段階の希釈が行われ、これによって、測定ガスが生成される。この測定ガスは、流出管路４０を介して消費器１０、つまり、図示の実施例では燃料電池ユニットに供給され、主ガス二次管路１８および付加ガス管路２４内の質量流量の変化によって連続的に変化させることができる。この場合、この変化は、貯蔵容器２２の小さな貯蔵容積の利用によって極めて短い期間で生じさせることができる。逆止弁３２は、この場合には常時開放されており、これによって、僅かな混合ガス流がガス抜き管路を介して失われていくものの、一定の圧力を有する第１の混合ガスは常に提供される。

【0027】

ここで、例えば、第１の質量流量調整器２０が、１０ｌ／分の体積流量に調整され、第２の質量流量調整器２６が、１ｍｌ／分の体積流量に調整されると、貯蔵容器２２内には、１００ｐｐｍの付加ガス濃度を有する混合ガスが生じる。ここで、改めて１ｍｌ／分のこの混合ガスの体積流量が、同じく１０ｌ／分の主流量に混加されると、約１０ｐｐｂの範囲内の付加ガスの濃度が生じる。

【0028】

付加的に、消費器１０の消費量変化に極めて動的に反応することができるようにするために、図２に示したように、主ガス管路１２において質量流量測定および圧力調整ユニット１６の上流側にバッファ容器４２が配置される。このバッファ容器４２には、測定ガスが貯蔵され、バッファ容器４２は混合ゾーン３８を形成している。このために、図示の実施例では、混合ガス管路がバッファ容器４２に直接接続されている。さらに、主ガス管路１２においてバッファ容器４２と主ガス源１４との間に出口圧調整器４３が配置されている。この出口圧調整器４３を介して、主ガス流が一定の圧力に減圧調整され、これによって、質量流量調整器に圧力変動が生じないようになっている。

【0029】

消費器１０の急激な消費量変動が生じた場合には、３つの質量流量調整器２０，２６，３６は遅れて反応することしかできず、これによって、バッファ容器４２がないと、測定ガスの組成が短時間で著しく変化してしまう。バッファ容器４２の十分に大きな設計によって、過度に少ない付加ガスまたは過度に多くの付加ガスが短時間調量供給されるとしても、バッファ容器４２には、ある程度の期間にわたってほぼ一定の濃度が含まれている。なぜならば、バッファ容器内で濃度が測定され得るように変化する前に、質量流量調整器２０，２６，３６が再び反応して、バッファ容器４２内に所望の濃度が提供されるようになっているからである。このためには、やや多くの付加ガス量もしくはやや少ない付加ガス量が短時間調量供給され、次いで、バッファ容器４２内に所望の濃度が再び提供されなければならない。相応して、バッファ容器４２のサイズは、濃度の最大限許容可能な偏差に応じて設計されてよい。

【0030】

図３には、本発明の拡張された変化構成が示してある。この構成では、複数のユニットが並列接続されることにより、複数の異なる付加ガスを主ガスに調量供給することができる。調量ユニットは、相応して、まず、主ガス源１４に接続された３つの並列の第１の主ガス二次管路１８，１８’，１８’’を有している。これらの第１の主ガス二次管路１８，１８’，１８’’の各々には、それぞれ１つの第１の質量流量調整器２０，２０’，２０’’が配置されている。さらに、調量ユニットは、３つの異なる付加ガス管路２４，２４’，２４’’を有している。これらの付加ガス管路２４，２４’，２４’’は、それぞれ異なる付加ガス源２８，２８’，２８’’に接続されており、付加ガス管路２４，２４’，２４’’には、それぞれ１つの第２の質量流量調整器２６，２６’，２６’’が配置されている。それぞれ１つの主ガス二次管路１８，１８’，１８’’および付加ガス管路２４，２４’，２４’’は、逆止弁３２，３２’，３２’’が配置されたそれぞれ１つのガス抜き管路３０，３０’，３０’’を備えた第１の貯蔵容器２２，２２’，２２’’に開口している。これらの貯蔵容器２２，２２’，２２’’の各々から、混合ガスは、それぞれ１つの第１の混合ガス管路３４，３４’，３４’’に流入する。この第１の混合ガス管路３４，３４’，３４’’には、それぞれ１つの第３の質量流量調整器３６，３６’，３６’’が配置されている。

【0031】

調量ユニットは、付加的に別の混合段も有している。このために、主ガス源１４には、３つの第２の主ガス二次管路４４，４４’，４４’’が接続されている。これらの第２の主ガス二次管路４４，４４’，４４’’には、それぞれ１つの第４の質量流量調整器４６，４６’，４６’’が配置されている。これらの第４の質量流量調整器４６，４６’，４６’’は、それぞれ付加的な第２の貯蔵容器４８，４８’，４８’’に開口している。この第２の貯蔵容器４８，４８’，４８’’には、それぞれ１つの第１の混合ガス管路３４，３４’，３４’’も開口している。これらの第１の混合ガス管路３４，３４’，３４’’には、それぞれ第３の質量流量調整器３６，３６’，３６’’が配置されている。そして、第２の貯蔵容器４８，４８’，４８’’は、それぞれ新たに第２のガス抜き管路５０，５０’，５０’’に接続されている。これらの第２のガス抜き管路５０，５０’，５０’’には、それぞれ１つの第２の逆止弁５２，５２’，５２’’が配置されている。

【0032】

各々の第２の貯蔵容器４８，４８’，４８’’からバッファ容器４２に向かって、それぞれ１つの第５の質量流量調整器５６，５６’，５６’’が配置されたそれぞれ１つの第２の混合ガス管路５４，５４’，５４’’が配置されている。したがって、付加的な混合段が提供される。この混合段によって、付加ガスをいっそう低い濃度で主ガスに供給し、こうして、有害ガスの濃度が極端に低い測定ガス流を生成することが可能となる。

【0033】

バッファ容器４２ひいては混合ゾーン３８は、この実施例では、主ガス管路１２に設けられた出口圧調整器４３と別の逆止弁５８とを介して主ガス源１４に接続されている。このために、逆止弁５８は、測定ガスがバッファ容器４２から主ガス源の方向および主ガス二次管路１８，１８’，１８’’，４４，４４’，４４’’内に逆流することを阻止するために働く。付加的に、バッファ貯蔵器４２から再循環管路６０がポンプ６２とガス混合器６４とを介して３つのガス分析器６６，６６’，６６’’に延在している。これらのガス分析器６６，６６’，６６’’は、それぞれ１つの付加ガスに割り当てられていて、測定ガス内の各々の付加ガスの量を相応に高感度で化学的もしくは物理的に特定することができる。相応して、バッファ容器内での測定ガスの混合を常時検査することができ、必要な場合には、質量流量調整器２０，２０’，２０’’，２６，２６’，２６’’，３６，３６’，３６’’，４６，４６’，４６’’，５６，５６’，５６’’を介して後調整することができる。

【0034】

バッファ容器４２の下流側には、質量流量測定および圧力調整ユニット１６が配置されており、この質量流量測定および圧力調整ユニット１６を介して、測定ガスが消費器１０に供給される。

【0035】

代替的には、図４に示したように、バッファ容器４２を省略し、混合ゾーンに常に存在する測定ガスを導出する付加的なガス抜き管路６８によって、混合ゾーン３８を逆止弁７０に接続することが可能である。この場合、主管路１２において逆止弁５８よりは上流側で主ガス副流管路１８の分岐点よりは下流側に、調整可能な絞り５７が配置されている。この絞り５７は、主管路１２内の質量流量を調整することができるようにするために、ニードル弁として形成されていてよく、これによって、過度に大きな質量流量がガス抜き管路６８を介して失われていかないようになっている。代替的には、質量流量調整器が使用されてもよい。ガス分析器６６，６６’，６６’’は、この実施例では、ガス抜き管路６８において逆止弁７０の上流側に配置されている。

【0036】

この変化形態は、特に主ガス流に適している。この主ガス流のガスは廉価に得ることができ、十分な量で存在している。このことが該当する場合には、調量ユニットを極めて僅かな遅れで調整することができ、これによって、測定運転の実施中に短期間で濃度を変えることができる。圧力低下が十分に大きく、ひいては、逆止弁７０とガス抜き管路６８とを介して導出されるガス量が大きい場合には、急激な消費量変動を補償することもでき、これによって、最大限正確に調量が行われる高過渡的な運転が達成される。このことは、例えばカソード側、つまり、消費器１０としての燃料電池の空気側において重要である。なぜならば、主ガス流として空気を廉価に調量することができるからである。これによって、ガス抜き管路６８を介した損失が妨害されないようになっている。さらに、このような調量ユニットは極めて小さく形成可能である。なぜならば、バッファ容器も省略することができ、ひいては、調量ユニットにおいて、分離を生じさせてしまうより大きな容器がもはや不要となるからである。また、再循環管路も省略される。

【0037】

記載した実施形態は、多段構成によって、主ガス流内への１つ以上の付加ガスの極めて正確な調量を相応に可能にする。この場合、純ガスが混加されてよい。高い精度は、類似の割合が互いに混合される混合物に対してだけでなく、ｐｐｍ、ｐｐｂまたはｐｐｔの範囲内での１つ以上の付加ガスの混加の場合にも達成可能となる。実施形態に応じて、このような調量ユニットは連続的に運転されてよい。この場合、濃度が運転中に変えられてよい。また、濃度は、消費量が迅速に変化する場合には、ほぼ一定に維持することもできる。また、測定ガスの分離も回避される。

【0038】

念のために明らかにしておくと、本発明は、記載した実施例に限定されるものではなく、種々異なる変更が可能である。したがって、逆止弁が、規定された圧力以降に開放する過圧弁によって置き換えられてもよい。重要なのは、こういった弁をガス抜き管路内に使用することによって、質量流量が最初に遅れを伴って調整される必要なしに、混合ガスもしくは測定ガスが、常に十分な圧力ひいては所望の量で存在していることである。直列に接続された回路および並列な回路の個数は、用途に応じて適合可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】