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2015年1月20日 (火)

真・MFC千夜一夜物語 第177話 ミライは水素社会、MFCと水素の関係 その2

日本工業出版さんの「計測技術」 で 「マスフロー千夜一夜物語<質量流量計の基礎>」という連載も20151月号で10回目を迎えさせて頂きました。これも一重に、本ブログや連載をお読み頂いている皆様のおかげと思っております。改めてお礼申し上げます。

さて、燃料電池(FC)評価装置の特に水素ガス制御でのMFC(マスフローコントローラ)で気をつけたいことをお話ししましょう。半導体製造装置のようなMFCの二次側が真空チャンバーで真空条件の場合(一部例外もあります)と、FC評価装置のような大気圧以上、与圧条件の場合、気になるのは背圧が立った状態でMFCがちゃんと流量制御できるかという問題です。

「Decoさん、今頃何を言っているのですか?MFCには動作可能な差圧条件が定義されているのだから、それをクリアできるように、二次圧が与圧ならば、その分供給圧力を上げれば良いのでしょう?」という声が聞こえてきそうな気もしますが、果たしてそれだけでいいのでしょうか?

以前にお話しした内容の復習です。

差圧は同じ49KPaでも、MFCの1次圧49kPa2次圧0kPaの場合と、1次圧549kPa2次圧500kPaの場合とではMFCのバルブ構造によっては、制御性能に差が出ることがあるというお話です。(詳しくは真・MFC千夜一夜物語第41からお読みください。)

150120_01

 

具体的には、応答特性のオーバーシュート過多、ハンチングによる流量制御不良、バルブが閉まらず出流れが発生し、それよる低設定域の制御不良等の問題が生じる現象が生じる可能性があります。

しかも、相手はMFCにとって隠れた苦手ガス「水素」です。

水素は密度が小さく、拡散しやすい=小さな隙間からでも流れていきやすいガスですので、大流量MFCを作るには比較的楽なのですが、これを小流量で制御しようとしたり、高い圧力仕様で作ろうとすると、「流れやすい」という性質が仇になります。

水素用のMFCは、窒素と比べてかなり小径のオリフィスを使って、バルブのリフト量も小さく抑えて、μmレ ベルの動きで「流れにくいように」調整したバルブをほんの少し動かして、ガスを漏らすように制御しているのですが、それでもアクチュエーターにかかる圧力 (MFCの差圧ではない)が高くなってくると、少しバルブを動かしたら一気に水素ガスが流れることになり、容易に制御を失います。
また、締め切り性能もバルブシートの材質により漏れが発生してしまったりします。
*漏れに関してはSUS等のメタルバルブで大きく、PTFE等の樹脂、バイトン等のフッ素ゴム系の順番で小さくなっていきますが、温度変化による線膨張係数を考慮するとSUS-316L16.4PTFE 10、バイトン5.8(いずれも記載数値×10-6/ ℃)となりますので微妙なところです。

 

150120_02

近年、MFCのカタログスペックで差圧以外に、最大動作(使用)圧力という項目が記載されるようになってきました。
これは最大動作(使用)圧力 450kPaとある場合、まず第1条件としてMFCへの供給圧力を450kPa以下にするという前提で、更に差圧条件を守って使ってくださいね、という意味合いです。
更に水素の場合は、MFCメーカーさんに事前に確認してみた方が良いかもしれません。

MFC調整時に使用されるガスは窒素の場合が多く、水素を使うケースは希です。
それは水素の危険性に拠ります。
閉鎖空間で使う場合、水素の爆発限界範囲、特に空気との混合では爆発下限4%という非常に爆発しやすい性質と、拡散しやすい性質の組み合わせは、取扱いを間違えば大きな事故に繋がるからです。

それだけに実際の水素を使用する条件を伝え、見解を確認することをお勧めします。

 【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

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