JP7748275B2 - 蒸気生成装置および蒸気生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気生成装置および蒸気生成方法に関する。

高温水蒸気を電気分解することにより水素を製造するＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolyser Cell：固体酸化物形電解セル）が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された水素製造装置では、外部熱源である原子炉から供給される９００℃の熱との熱交換により予熱された水蒸気がＳＯＥＣへと供給される。

特開２０１０－９０４２５号公報

ＳＯＥＣに供給される水蒸気に液体である液滴が含まれていると、液滴が、ＳＯＥＣ内で高温壁面に付着して瞬間的に気化する。気化した液滴の体積は、１０００倍程度まで急増する。そのため、液滴の瞬間的な気化により、ＳＯＥＣ内の圧力が急激に変動する。これらの圧力変動は、水蒸気を生成している装置および水蒸気の原料となる水を送っているポンプの脈動を招くおそれがある。また、液滴の瞬間的な気化により、ＳＯＥＣ内での水蒸気量が不安定になると、ＳＯＥＣ電極等へのダメージが発生するおそれがある。この点について、特許文献１にはＳＯＥＣ内での液滴の気化による影響について何ら考慮されていない。このような液滴の気化の課題は、ＳＯＥＣの分野にかかわらず、液体を気化させた蒸気を利用する装置全般に共通する課題であった。

本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、蒸気を利用する装置に供給される蒸気内の液滴の発生を抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、蒸気生成装置が提供される。この蒸気生成装置は、液体を加熱することにより蒸気を発生させる蒸気発生部と、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を調整する流量制御部と、前記蒸気発生部から供給された蒸気中の液滴を捕集して蒸発させる液滴捕集部を有する蒸気検出部であって、前記液滴捕集部を通過した蒸気を排出する蒸気検出部と、前記液滴捕集部よりも上流側において、前記蒸気発生部から前記蒸気検出部へと供給される蒸気圧である上流側蒸気圧を取得する圧力取得部と、前記蒸気検出部内の蒸気の温度を取得する蒸気温度取得部と、を備え、前記流量制御部は、前記上流側蒸気圧が予め設定された第１圧力以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を減少させ、前記上流側蒸気圧が前記第１圧力未満、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が予め設定された第１温度以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を増加させ、前記上流側蒸気圧が前記第１圧力未満、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が前記第１温度未満の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を変化させない。

この構成によれば、蒸気発生部で発生した蒸気は、蒸気検出部に流入する。蒸気検出部に流入した蒸気に含まれる液滴は、液滴捕集部により蒸気へと気化する。そのため、蒸気発生部で発生した蒸気が蒸気検出部を通過することにより、蒸気中の液滴の量が低減する。この結果、蒸気検出部から排出される蒸気を利用する装置（例えば、ＳＯＥＣ）に供給される蒸気内の液滴の発生を抑制できる。そのため、蒸気に含まれる液滴の瞬間的な気化による当該装置へのダメージを抑制できる。また、液滴捕集部が蒸気に含まれる液滴を蒸発させることにより、蒸気検出部内の蒸気圧が増加する。圧力取得部により取得された蒸気圧が第１圧力以上の場合に、蒸気発生部に供給される液滴の流量が減少する。ここで、液滴捕集部による液滴の蒸発は、蒸気発生部において蒸気へと気化していない液体が存在するためである。この場合に、本構成では、流量制御部により蒸気発生部に供給される液体の流量が減少することで、蒸気発生部内における２相域の拡大速度が抑制され、伝熱面過熱度の増大に起因した液滴の発生を抑制できる。これにより、蒸気発生部が発生させる蒸気の流量が安定する。また、圧力取得部により取得された蒸気圧が第１圧力未満であり、かつ、蒸気温度取得部により取得された蒸気検出部内の蒸気の温度が第１温度以上の場合に、蒸気発生部に供給される液体の流量が増加する。蒸気発生部内の温度が第１温度以上の場合には、蒸気発生部内における２相域が縮小して気相域が拡大している状態である。この場合に、本構成では、蒸気発生部に供給される液体の流量が増加することにより、蒸気発生部内の気相域を確保しつつ、蒸気発生部から飽和温度以上の蒸気を排出できる。これにより、蒸気検出部から排出された蒸気を利用する装置が要求する蒸気の流量までの追従性を向上させることができる。

（２）上記態様の蒸気生成装置において、前記圧力取得部は、前記上流側蒸気圧を取得する上流側圧力取得部と、前記液滴捕集部よりも下流側において、前記蒸気検出部から排出される蒸気圧である下流側蒸気圧を取得する下流側圧力取得部と、を有し、前記流量制御部は、前記上流側蒸気圧と前記第１圧力との比較に応じた液体の流量の調整に代えて、前記上流側蒸気圧から、前記下流側蒸気圧を差し引いた圧力差が予め設定された第２圧力以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を減少させ、前記圧力差が前記第２圧力未満、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が予め設定された第１温度以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を増加させ、前記圧力差が前記第２圧力未満、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が前記第１温度未満の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を変化させなくてもよい。
この構成によれば、液滴捕集部の上流側の上流側蒸気圧の代わりに、上流側蒸気圧から、液滴捕集部の下流側の下流側蒸気圧を差し引いた圧力差を用いて、蒸気発生部に供給される液体の流量が増減する。上流側蒸気圧および下流側蒸気圧は、蒸気検出部の下流側に接続される装置の影響（例えば、背圧）に応じて変化する。本構成では、当該装置の影響を受けない上流側蒸気圧と下流側蒸気圧との圧力差に応じて、蒸気発生部に供給される液体の流量が制御される。この結果、本構成では、蒸気発生部内における２相域の拡大速度をより抑制でき、伝熱面過熱度の増大に起因した液滴の発生を抑制できる。また、蒸気発生部内の気相域を確保しつつ、蒸気検出部から排出された蒸気を利用する装置が要求する蒸気の流量までの追従性をさらに向上させることができる。

（３）上記態様の蒸気生成装置において、前記流量制御部は、前記圧力差を用いて、前記液滴捕集部により蒸発した液滴の量を算出し、算出された液滴の量を用いて、前記蒸気発生部に供給される減少後の液体の流量を算出してもよい。
この構成によれば、蒸気発生部において気化せずに液滴のまま蒸気検出部へと流入して、液滴捕集部により気化した液滴の量が算出される。本構成では、算出された液滴の量に相当する流量を減少させた液体が蒸気発生部に供給されるため、蒸気発生部から排出される液滴の量を抑制できる。

（４）本発明の他の一形態によれば、蒸気生成装置が提供される。この蒸気生成装置は、液体を加熱することにより水蒸気を発生させる蒸気発生部と、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を調整する流量制御部と、前記蒸気発生部から供給された蒸気中の液滴を捕集して蒸発させる液滴捕集部を有する蒸気検出部であって、前記液滴捕集部を通過した水蒸気を排出する蒸気検出部と、前記蒸気検出部内の水蒸気の温度を取得する蒸気温度取得部と、前記液滴捕集部の温度を取得する捕集部温度取得部と、を備え、前記流量制御部は、前記捕集部温度取得部により取得された温度が予め設定された第２温度以下の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を減少させ、前記捕集部温度取得部により取得された温度が前記第２温度を超え、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が予め設定された第１温度以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を増加させ、前記捕集部温度取得部により取得された温度が前記第２温度を超え、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が前記第１温度未満の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を変化させなくてもよい。
この構成によれば、蒸気検出部に流入した蒸気に含まれる液滴は、液滴捕集部により蒸気へと気化する。そのため、蒸気発生部で発生した蒸気が蒸気検出部を通過することにより、水蒸気中の液滴の量が低減する。この結果、蒸気検出部から排出される蒸気を利用する装置に供給される蒸気内の液滴の発生が抑制されるため、蒸気に含まれる液滴の瞬間的な気化による当該装置へのダメージを抑制できる。また、液滴捕集部が蒸気に含まれる液滴を蒸発させることにより、液滴捕集部の温度が低下する。捕集部温度取得部により取得された液滴捕集部の温度が第２温度以下の場合に、蒸気発生部に供給される液滴の流量が減少する。この場合に、本構成では、蒸気発生部に供給される液体の流量が減少することで、蒸気発生部から排出される液滴の量が減少し、蒸気発生部から発生する蒸気の流量が安定する。また、液滴捕集部の温度が第２温度を超え、かつ、蒸気検出部内の蒸気の温度が第１温度以上の場合に、蒸気発生部に供給される液体の流量が増加する。これにより、蒸気発生部内の気相域を確保しつつ、蒸気発生部から飽和温度以上の蒸気を排出できる。この結果、蒸気検出部から排出された蒸気を利用する装置が要求する蒸気の流量までの追従性を向上させることができる。

（５）上記態様の蒸気生成装置において、さらに、前記蒸気検出部よりも下流側に配置されている蒸気利用部を備え、前記蒸気発生部は、液体の水が供給されて、水蒸気を発生させ、前記蒸気利用部は、前記蒸気検出部よりも高温下で、前記蒸気検出部から排出された水蒸気を用いて水素を生成してもよい。
この構成によれば、蒸気検出部には液体の水が供給され、蒸気検出部には水蒸気が供給される。蒸気利用部は、蒸気検出部から排出される水蒸気を用いて、蒸気検出部よりも高温下で水素を生成する。本構成では、蒸気利用部よりも温度が低い中温域の蒸気検出部が水蒸気中の液滴を気化させる。この結果、蒸気利用部に水滴が流入しないため、蒸気利用部内における水滴の瞬間的な気化による蒸気利用部へのダメージを抑制できる。

（６）上記態様の蒸気生成装置において、前記液滴捕集部は、前記蒸気検出部内の水蒸気の流れ方向に交差するように配置され、複数の目開きを有するメッシュであり、前記目開きの長さは、噴霧流の平均ミスト径以下であり、かつ、前記蒸気発生部から前記蒸気利用部までで許容される圧力損失から算出される最大の長さ以上であってもよい。
この構成によれば、液滴捕集部であるメッシュの目開きの長さが噴霧流の平均ミスト径以下であるため、噴霧流の液滴は、メッシュに接触して気化する。一方で、目開きの長さは、蒸気発生部から蒸気利用部までで許容される圧力損失から算出される最大の長さ以上であるため、液滴捕集部を通過する蒸気に対する圧力損失は、許容される数値である。この結果、本構成では、設計上許容される圧力損失以下、かつ、噴霧流の液滴が気化する範囲で、蒸気検出部内に液滴捕集部が形成される。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、蒸気生成装置、水蒸気生成装置、水素製造システム、ＳＯＥＣ、蒸気生成方法、水蒸気生成方法、およびこれらの装置を備えるシステム、これら装置を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての蒸気生成装置のブロック図である。 蒸気発生部の断面概略図である。 図２に示される状態の壁面の温度の説明図である。 ２相域の拡大と、水滴の発生とについての説明図である。 水の供給流量の減少後の蒸気発生部の概略断面図である。 図５に示される状態の壁面の温度の説明図である。 蒸気利用部の要求蒸気量と、２相域の長さとの関係の説明図である。 ２相域における流れ方向距離と、水蒸気の割合との関係の説明図である。 本実施形態の水蒸気生成方法のフローチャートである。 要求蒸気量が増加した場合の蒸気生成量の時間変化の説明図である。 要求蒸気量が増加した場合の蒸気生成量の時間変化の説明図である。 第２実施形態の蒸気生成装置のブロック図である。 平均ミスト径の説明図である。 第２実施形態の水蒸気生成方法のフローチャートである。 第３実施形態の蒸気生成装置のブロック図である。 第３実施形態の水蒸気生成方法のフローチャートである。 要求蒸気量が増加した場合の蒸気生成量の時間変化の説明図である。

＜第１実施形態＞
１．蒸気生成装置の構成：
図１は、本発明の一実施形態としての蒸気生成装置１００のブロック図である。本実施形態の蒸気生成装置１００は、水を加熱することにより蒸気発生部１０で発生させた高温水蒸気を用いて、蒸気利用部３０において水素を生成する。本実施形態の蒸気生成装置１００では、蒸気発生部１０から供給された水蒸気中の水滴を、蒸気検出部４０が有する液滴捕集部４１が蒸発させる。液滴捕集部４１を通過して蒸気検出部４０から排出される水蒸気が蒸気利用部３０へと流入し、蒸気利用部３０で水素が生成される。

図１に示されるように、蒸気生成装置１００は、ポンプ７０と、流量調整部２０と、蒸気発生部１０と、蒸気検出部４０と、蒸気利用部３０と、蒸気温度センサ（蒸気温度取得部）６０と、上流側圧力センサ（上流側圧力取得部）５０と、蒸気生成装置１００の各部を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）９０と、を備えている。

ポンプ７０は、液体の水を流量調整部２０へと供給する。流量調整部２０は、ＥＣＵ９０の制御により開閉するバルブである。流量調整部２０は、ポンプ７０から供給された水の流量である供給流量を調整して蒸気発生部１０へと水を供給する。蒸気発生部１０は、流量調整部２０から供給された液体の水を加熱することにより、水蒸気を発生させる。蒸気発生部１０は、金属製の円筒状の配管である。円筒状の配管内を水が通過する。配管の外側から加えられる熱と、配管内を通過する水とが熱交換することにより、水が気化して水蒸気へと変化する。配管内では、流量調整部２０側である上流側から順番に、液相域、２相域（液相および気相）、気相域が形成される。なお、配管内の各相域の詳細については、後述する。

蒸気発生部１０により発生した水蒸気は、蒸気検出部４０に供給される。蒸気検出部４０は、図１に示されるように、供給された水蒸気中の水滴を捕集して蒸発させる液滴捕集部４１を備えている。蒸気検出部４０は、金属製の円筒状の配管である。円筒状の配管内を、蒸気発生部１０から供給された水蒸気が通過する。配管途中には、配管の断面上に形成された液滴捕集部４１としての金属製のメッシュが配置されている。換言すると、液滴捕集部４１であるメッシュは、蒸気検出部４０内の水蒸気の流れ方向（図１の矢印の向き）に直交するように配置されている。当該メッシュは、複数の正方形の目開きを有している。蒸気検出部４０内で液滴捕集部４１を通過した水蒸気は、蒸気利用部３０に向かって排出される。本実施形態では、蒸気検出部４０内の温度は、摂氏１２０度（℃）以上１３０℃以下に維持されている。

本実施形態の蒸気利用部３０は、蒸気検出部４０から排出された水蒸気を用いて水素を生成するＳＯＥＣである。蒸気利用部３０は、蒸気検出部４０の下流側に配置されている。蒸気利用部３０の温度は、３００℃以上であり、蒸気検出部４０の温度よりも高い。なお、図１において実線で示される部分は、配管により構成され、配管中を水蒸気が流れる。

蒸気温度センサ６０は、蒸気発生部１０から蒸気検出部４０へと供給される水蒸気の温度である蒸気温度Ｔ１を検出する。蒸気温度センサ６０は、蒸気検出部４０内の蒸気温度Ｔ１を検出しているとも換言できる。上流側圧力センサ５０は、液滴捕集部４１よりも上流側において、蒸気発生部１０から蒸気検出部４０へと供給される水蒸気圧（上流側蒸気圧）Ｐを検出する。

ＥＣＵ９０は、蒸気利用部３０から要求される水蒸気の量である要求蒸気量を取得する。ＥＣＵ９０は、取得された要求蒸気量を用いて、流量調整部２０を制御することにより、流量調整部２０から蒸気発生部１０への供給流量を制御する。また、ＥＣＵ９０は、蒸気温度センサ６０により検出された蒸気温度Ｔ１と、上流側圧力センサ５０により検出された水蒸気圧Ｐとを取得する。ＥＣＵ９０は、取得された蒸気温度Ｔ１と水蒸気圧Ｐと用いて、流量調整部２０から蒸気発生部１０への供給流量を変化させる。ＥＣＵ９０は、検出された水蒸気圧Ｐが予め設定された閾値としての第１圧力Ｐｃ以上の場合に、蒸気発生部１０への供給流量を減少させる。ＥＣＵ９０は、蒸気発生部１０への供給流量の変化速度を減少させることにより、供給流量を減少させる。ＥＣＵ９０は、検出された水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ未満の場合に、検出された蒸気温度Ｔ１が予め設定された閾値としての第１温度Ｔｃ１以上であるか否かを判定する。ＥＣＵ９０は、検出された水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ未満、かつ、検出された蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１以上である場合に、蒸気発生部１０への供給流量を増加させる。ＥＣＵ９０は、蒸気発生部１０への供給流量の変化速度を増加させることにより、供給流量を上昇させる。ＥＣＵ９０は、検出された水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ未満、かつ、検出された蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１未満である場合には、蒸気発生部１０への供給流量を変化させずに、変化前の供給流量を維持する。なお、本実施形態におけるＥＣＵ９０と流量調整部２０とは、流量制御部に相当する。

２．蒸気圧および水蒸気温度と、蒸気発生部１０内の２相域との関係：
上流側圧力センサ５０により検出された水蒸気圧Ｐおよび蒸気温度センサ６０により検出された蒸気温度Ｔ１と、蒸気発生部１０内における２相域の長さは、関連している。図２は、蒸気発生部１０の断面概略図である。図２には、上流側圧力センサ５０が検出した水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ以上の場合の水の状態変化のイメージが示されている。図２に示されるように、蒸気発生部１０に供給された水は、ポンプ側から順番に、液相域と、液体の水と水蒸気とが混在している２相域と、気相域とを経て水蒸気へと気化する。水は、上流のポンプ７０側から、気泡流、スラグ流、環状流、噴霧流と変化する。蒸気発生部１０の円筒状の空間を形成する壁面１１の温度は、図２においてハッチングの種類により表されるように、液相域・２相域と、気相域とで異なっている。なお、本実施形態では、２相域内の熱流束は一定であり、２相域内における壁面１１の熱伝達率は均一であると仮定した。

図３は、図２に示される状態の壁面１１の温度の説明図である。図３には、蒸気発生部１０におけるポンプ７０側の入口から蒸気検出部４０側の出口までの流れ方向距離に応じて変化する壁面１１の温度が実線で示されている。蒸気発生部１０に流入した水の温度は、流入温度から飽和温度、過熱蒸気温度へと上昇する。壁面１１の温度は、水の温度の上昇および水の相変化に伴って上昇する。蒸気発生部１０への供給流量が増加すると、壁面１１の２相域と気相域とにおける温度は、発生する水蒸気量に応じて異なる。そのため、蒸気発生部１０への供給流量が増加することにより２相域が拡大して気相域が２相域へと変化する領域では、壁面１１の温度と飽和温度との差である伝熱面過熱度が増大する。その後、壁面１１の温度は、水蒸気量が多い場合の温度分布となる。

図４は、２相域の拡大と、水滴ＡＤの発生とについての説明図である。図４には、図２におけるＡ部分の概略の拡大図が示されている。図４に示されるように、壁面１１に付着している液膜ＷＴのうちの一部は、壁面１１を介した熱交換により水蒸気へと気化する。一方で、蒸気発生部１０への供給流量が増えて蒸気発生部１０内の２相域が拡大すると、壁面１１の熱容量が大きいため、水の温度は、時定数の大きな壁面１１の温度よりも早く変化する。この供給流量が少ない状態から多くなる遷移状態の場合に、供給流量の増加前に高温の気相域であった伝熱面には、主に環状流で構成される２相流れが形成され、高い伝熱面過熱度下での液膜蒸発形態となる。液膜蒸発形態では、広い界面からの蒸発と、薄い液膜ＷＴとによる低熱抵抗により２相域における伝熱面過熱度とがバランスすることで水の蒸発が成立している。しかしながら、遷移状態では、気相域の高温の壁面１１上に液膜ＷＴが形成されると薄い液膜ＷＴ内の核沸騰の発生や、壁面１１と液膜ＷＴ間に形成される局所的な蒸気膜が発生する。これにより、図４に示されるように、液膜ＷＴは、破断して水滴ＡＤとして流路内に気化し、水蒸気と共に蒸気発生部１０から排出される。すなわち、蒸気発生部１０内の２相域の拡大が、水蒸気に含まれる水滴ＡＤを増加させる。

蒸気検出部４０に供給される水蒸気中の水滴ＡＤが液滴捕集部４１に接触して気化すると、蒸気検出部４０内の水蒸気圧が上昇する。本実施形態のＥＣＵ９０は、第１圧力Ｐｃを基準として、一定量以上の水滴ＡＤが液滴捕集部４１により気化した場合に、蒸気発生部１０への供給流量を減少させる。これにより、蒸気発生部１０内の２相域は縮小し、蒸気発生部１０内での水滴ＡＤの発生が抑制される。

図５は、水の供給流量の減少後の蒸気発生部１０の概略断面図である。蒸気発生部１０への供給流量が減少すると、蒸気発生部１０内で発生する水蒸気の量が減少するため、図５に示されるように、蒸気発生部１０内の２相域が縮小する。

図６は、図５に示される状態の壁面１１の温度の説明図である。図６には、蒸気発生部１０内の２相域の縮小後における流れ方向距離に応じて変化する壁面１１の温度が実線で示されている。また、図６には、図３に示される２相域の縮小前の壁面１１の温度が破線で示されている。供給流量が少ない状態から多くなる図６に示される状態では、蒸気発生部１０への供給流量が減少しているため、２相域が縮小して２相域が気相域へと変化し、伝熱面過熱度は緩やかに上昇する。その後、壁面１１の温度は、蒸気量が少ない場合の温度分布となる。

本実施形態のＥＣＵ９０は、蒸気検出部４０に供給される蒸気温度Ｔ１が閾値である第１温度Ｔｃ１以上の場合に、蒸気発生部１０への供給流量を増加させる。これにより、蒸気発生部１０内の２相域が拡大すると共に、蒸気発生部１０が発生させる水蒸気の量が増加する。水蒸気の量が増加することにより、蒸気利用部３０の要求蒸気量が増加した際の応答性が向上する。

図７は、蒸気利用部３０の要求蒸気量Ｆｓ，ｔと、２相域の長さとの関係の説明図である。蒸気発生部１０が発生させる水蒸気の量は、２相域の長さによって決定される。そのため、図７に示されるように、本実施形態では、ＥＣＵ９０は、第１圧力Ｐｃおよび第１温度Ｔｃ１を閾値とする供給流量の制御により、蒸気発生部１０内の２相域長さがｘ１以上ｘ２以下になるように制御する。

図８は、２相域における流れ方向距離と、水蒸気の割合との関係の説明図である。図８には、２相域の流れ方向距離に応じて変化する、２相域中の水蒸気の割合を表す液クオリティと、液体の水の割合を表す液クオリティとの割合が示されている。図８では、２相域の流れ方向に沿う距離がｘ１の場合の蒸気クオリティＱ_G1と、液クオリティＱ_L1とが破線で示されている。また、図８では、２相域の流れ方向距離がｘ１からｘ２へと拡大した場合の蒸気クオリティＱ_G2と、液クオリティＱ_L2とが実線で示されている。

本実施形態では、ＥＣＵ９０は、上流側圧力センサ５０により検出された水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ以上の場合に、供給流量Ｆｌを減少させるための変化速度である流量変化速度ΔＦｌを、図８に示されるｘ１，ｘ２を用いて下記式（１）により算出する。
Δｔ：制御時間
Ｖ：蒸発流路容積（ｍ³）
ρ_L：液体比重（ｇ／ｍ³）
なお、蒸気温度センサ６０により検出された蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１以上の場合に増加させる蒸気発生部１０への供給流量の変化速度も、上記式（１）により算出される流量変化速度ΔＦｌと同じである。

３．水蒸気生成フロー：
図９は、本実施形態の水蒸気生成方法のフローチャートである。図９に示される水蒸気生成フローでは、初めに、ＥＣＵ９０は、蒸気利用部３０からの要求蒸気量Ｆｓ，ｔを取得する（ステップＳ１）。ＥＣＵ９０は、流量調整部２０を制御することにより、取得された要求蒸気量Ｆｓ，ｔに対応する流量の水を蒸気発生部１０へと供給する（ステップＳ２）。蒸気発生部１０に供給される水の流量が制御されることにより、蒸気発生部１０内の２相域の長さが変化する。

ＥＣＵ９０は、蒸気温度センサ６０により検出された蒸気温度Ｔ１と、上流側圧力センサ５０により検出された水蒸気圧Ｐとを取得する（ステップＳ３）。ＥＣＵ９０は、水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ以上であると判定された場合には（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ＥＣＵ９０は、蒸気発生部１０へと供給される水の供給流量Ｆｌを減少させ（ステップＳ５）、ステップＳ３以降の処理が再度行われる。ＥＣＵ９０は、蒸気発生部１０の供給流量Ｆｌの変化速度から、上記式（１）により算出される流量変化速度ΔＦｌを差し引いた変化速度の供給流量Ｆｌを蒸気発生部１０へと供給する。

ステップＳ４の処理において、水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ未満であると判定された場合には（ステップＳ４：ＮＯ）、ＥＣＵ９０は、蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１以上であると判定された場合には（ステップＳ６：ＹＥＳ）、ＥＣＵ９０は、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを増加させ（ステップＳ７）、ステップＳ３以降の処理が再度行われる。ＥＣＵ９０は、蒸気発生部１０の供給流量Ｆｌの変化速度から、流量変化速度ΔＦｌを足した変化速度の供給流量Ｆｌを蒸気発生部１０へと供給する。

ステップＳ６の処理において、蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１未満で有ると判定された場合には（ステップＳ６：ＮＯ）、ＥＣＵ９０は、蒸気利用部３０からの要求蒸気量Ｆｓ，ｔが変化したか否かを判定する（ステップＳ８）。要求蒸気量Ｆｓ，ｔが変化したと判定された場合には（ステップＳ８：ＹＥＳ）、ステップＳ１以降の処理が行われる。

ステップＳ８の処理において、要求蒸気量Ｆｓ，ｔが変化していないと判定された場合には（ステップＳ８：ＮＯ）、ＥＣＵ９０は、水蒸気の生成を終了するか否かを判定する（ステップＳ９）。水蒸気の生成を終了すると判定された場合には（ステップＳ９：ＹＥＳ）、ＥＣＵ９０は、水蒸気の生成を終了して、水蒸気生成フローが終了する。ＥＣＵ９０は、要求蒸気量Ｆｓ，ｔから要求信号がなくなる、または、の蒸気生成装置１００の稼働を停止する等の場合に、水蒸気の生成を終了する。ステップＳ９の処理において、水蒸気の生成を終了しないと判定された場合には（ステップＳ９：ＮＯ）、ステップＳ３以降の処理が行われる。

４．効果：
図１０および図１１は、要求蒸気量Ｆｓ，ｔが増加した場合の蒸気生成量Ｆｇの時間変化の説明図である。蒸気利用部３０の要求蒸気量Ｆｓ，ｔに応じて、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌが変化すると、蒸気発生部１０で発生する蒸気生成量Ｆｇが変化する。図１０には、要求蒸気量Ｆｓ，ｔが低い状態から高い状態へと変化した場合に、供給流量Ｆｌと、蒸気生成量Ｆｇと、水蒸気圧Ｐとの時間推移が示されている。

図１０に示されるように、時刻Ｔ０において、要求蒸気量が低い状態から高い状態へと変化すると、ＥＣＵ９０の制御により、供給流量Ｆｌおよび蒸気生成量Ｆｇは、増加し始める。蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌが増加すると、蒸気発生部１０内で２相域が拡大し、蒸気発生部１０内で気化されなかった水滴ＡＤが発生する場合がある。水滴ＡＤを含む水蒸気が蒸気検出部４０へと流入すると、水滴ＡＤが液滴捕集部４１に接触して気化する。この結果、図１０の領域ＡＲ１に示されるように、水蒸気圧Ｐが瞬間的に増加する。本実施形態では、ＥＣＵ９０は、水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ以上の場合に、蒸気発生部１０への供給流量の流量変化速度ΔＦｌの分だけ、要求蒸気量Ｆｓ，ｔから決定する供給流量Ｆｌよりも減少させる。その結果、図１０の領域ＡＲ２に示されるように、供給流量Ｆｌの増加速度が一時的に減少し、水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ未満に抑制されている。すなわち、液滴捕集部４１における水滴ＡＤの気化が抑制されている。

図１１には、図１０と同じように要求蒸気量Ｆｓ，ｔが変化した場合の蒸気温度Ｔ１の時間推移が示されている。図１１に示されるように、時刻Ｔ０を過ぎると、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌが増加するため、蒸気発生部１０内で水蒸気を発生させるための熱量が増加する。この結果、蒸気温度Ｔ１が減少し始める。図１０，１１に示される状態では、生成される水蒸気量が少ない状態から多い状態に遷移するため、蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１以上である。

以上説明したように、本実施形態の蒸気生成装置１００では、蒸気検出部４０は、供給された水蒸気中の水滴を捕集して蒸発させる液滴捕集部４１を備えている。ＥＣＵ９０は、上流側圧力センサ５０により検出された蒸気圧が予め設定された閾値としての第１圧力Ｐｃ以上の場合に、蒸気発生部１０に供給される水の流量を減少させる。ＥＣＵ９０は、検出された蒸気圧が第１圧力Ｐｃ未満、かつ、蒸気温度センサ６０により検出された水蒸気の温度が第１温度Ｔｃ１以上である場合に、蒸気発生部１０に供給される水の流量を増加させる。ＥＣＵ９０は、検出された蒸気圧が第１圧力Ｐｃ未満、かつ、検出された水蒸気の温度が第１温度Ｔｃ１未満である場合には、蒸気発生部１０に供給される水の流量を変化させずに、変化前の流量を維持する。そのため、本実施形態の蒸気生成装置１００では、蒸気検出部４０に流入した水蒸気に含まれる水滴ＡＤは、液滴捕集部４１により水蒸気へと気化する。そのため、蒸気発生部１０で発生した水蒸気が蒸気検出部４０を通過することにより、水蒸気中の水滴ＡＤの量が低減する。この結果、蒸気検出部４０から排出される水蒸気を利用する蒸気利用部３０に供給される水蒸気内の水滴ＡＤの発生を抑制できる。そのため、水蒸気に含まれる水滴ＡＤの瞬間的な気化による蒸気利用部３０へのダメージを抑制できる。また、液滴捕集部４１が水蒸気に含まれる水滴ＡＤを蒸発させることにより、蒸気検出部４０内の水蒸気圧Ｐが増加する。上流側圧力センサ５０により検出された水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ以上の場合に、蒸気発生部１０に供給される水滴ＡＤの流量が減少する。ここで、液滴捕集部４１による水滴ＡＤの蒸発は、蒸気発生部１０において水蒸気へと気化していない液体の水が存在するためである。この場合に、本実施形態では、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌが減少することで、蒸気発生部１０内における２相域の拡大速度が抑制され、伝熱面過熱度の増大に起因した水滴ＡＤの発生を抑制できる。これにより、蒸気発生部１０が発生させる水蒸気の流量が安定する。また、水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ未満であり、かつ、蒸気温度センサ６０により検出された蒸気検出部４０内の蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１以上の場合に、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌが増加する。蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１以上の場合には、蒸気発生部１０内における２相域が縮小して気相域が拡大している状態である。この場合に、蒸気温度Ｔ１が飽和温度以上に設定されると、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌが増加することにより、蒸気発生部１０内の気相域を確保しつつ、蒸気発生部１０から飽和温度以上の水蒸気を排出できる。これにより、蒸気検出部４０から排出された水蒸気を利用する蒸気利用部３０が要求する要求蒸気量Ｆｓ，ｔまでの追従性を向上させることができる。

また、本実施形態の蒸気生成装置１００は、蒸気検出部４０から排出された水蒸気を用いて水素を生成する蒸気利用部３０を備えている。蒸気利用部３０は、蒸気検出部４０の下流側に配置されている。蒸気利用部３０の温度は、蒸気検出部４０の温度よりも高い。そのため、本実施形態では、蒸気利用部３０よりも温度が低い中温域の蒸気検出部４０が水蒸気中の水滴ＡＤを気化させる。この結果、蒸気利用部３０に水滴ＡＤが流入しないため、蒸気利用部３０内における水滴ＡＤの瞬間的な気化による蒸気利用部３０へのダメージを抑制できる。

本実施形態では、蒸気発生部１０と、液滴捕集部４１を備える蒸気検出部４０と、蒸気利用部３０と、が別々に構成されている。液滴捕集部４１が蒸気発生部１０内に配置されると、水滴ＡＤの捕集温度が低くなる（沸点＋α）。これにより、液滴捕集部４１により気化しない水滴ＡＤが液滴捕集部４１に堆積して流路を閉塞するおそれがあり、水滴ＡＤの発生を蒸気圧として検出できないおそれがある。さらに、水滴ＡＤが自重落下によって蒸気発生部１０内で水蒸気を発生している部分に還流すると、蒸気発生量の不安定要因となる。一方で、液滴捕集部４１が蒸気利用部３０内に配置されると、液滴捕集部４１の温度が高くなるため（≧３００℃）、蒸気利用部３０内の壁面温度と飽和蒸気温度との差は大きくなる（≧２００Ｋ）。この結果、高温の液滴捕集部４１近傍の壁が水滴ＡＤの気化により発生する水蒸気に覆われやすくなり、水滴ＡＤの壁面への衝突を阻害するライデンフロスト現象が発生しやすくなる。この点について、本実施形態では、液滴捕集部４１を備える蒸気検出部４０を、蒸気発生部１０と蒸気利用部３０とのいずれとも異なる独立した構成とすることにより、蒸気発生部１０と蒸気利用部３０とは別に、液滴捕集部４１の温度を適切な温度レベル（１２０℃～１３０℃）に調整できる。この結果、蒸気検出部４０内の壁面蒸気膜形成による水滴ＡＤの跳ね返りを回避できる。また、蒸気発生部１０における蒸気発生量の不安定化を抑制できる。また、要求蒸気量の変動に対して発生する水滴ＡＤを検出できる。

液滴捕集部４１により水滴ＡＤが気化すると、蒸気圧により圧力が急激に上昇する。液滴捕集部４１が蒸気発生部１０内に配置されると、圧力上昇に伴い２相流域内の液相を介して、上昇した圧力がポンプ７０へと伝播する。本実施形態では、液滴捕集部４１を備える蒸気検出部４０と、蒸気発生部１０とが別々に構成されることにより、蒸気発生部１０と蒸気検出部４０との間に気相空間が存在するため、ポンプ７０への圧力伝播の影響を抑制できる。一方で、液滴捕集部４１が蒸気利用部３０内に配置されると、水滴ＡＤの気化により蒸気利用部３０への蒸気供給量が一時的に上昇する。蒸気利用部３０における負荷変動中に水滴ＡＤの気化に起因した供給蒸気量が不安定になると、蒸気利用部３０にダメージ（例えば、高蒸気利用率下での蒸気量不足による電極劣化、蒸気量不足による改質時のカーボン柝出等）を与えるおそれがある。この点について、液滴捕集部４１を備える蒸気検出部４０を、蒸気発生部１０と蒸気利用部３０とのいずれとも異なる独立した構成とすることにより、水滴ＡＤの気化により起因した一時的な圧力上昇を空間容積により緩和できる。また、水滴ＡＤの気化による蒸気発生部１０、ポンプ７０、および蒸気利用部３０への圧力伝播の影響を抑制できる。

＜第２実施形態＞
図１２は、第２実施形態の蒸気生成装置１００ａのブロック図である。第２実施形態の蒸気生成装置１００ａでは、第１実施形態の蒸気生成装置１００と比較して、凝縮器８０および下流側圧力センサ５５を備える点と、ＥＣＵ９０ａの制御内容とが異なる。そのため、第２実施形態では、第１実施形態と同じ構成および制御についての説明を省略し、第１実施形態と異なる構成および制御について説明する。

蒸気生成装置１００ａは、図１２に示されるように、蒸気利用部３０で利用されなかった水蒸気を含む空気を冷却して水を凝縮する凝縮器８０と、蒸気検出部４０内の水蒸気圧を検出する下流側圧力センサ５５と、を備えている。下流側圧力センサ５５は、液滴捕集部４１の下流側において、蒸気検出部４０から排出される水蒸気圧（下流側蒸気圧）を検出する。凝縮器８０は、凝縮された未利用の水と、凝縮後の空気とを分離して外部へと排出する。未利用の水は、ポンプ７０へと循環する。なお、上流側圧力センサ５０と、下流側圧力センサ５５とは、圧力取得部に相当する。

第２実施形態では、ＥＣＵ９０ａは、上流側圧力センサ５０により検出された上流側の水蒸気圧Ｐと第１圧力Ｐｃとの比較に応じた供給流量Ｆｌの調整に代えて、上流側の水蒸気圧Ｐと、下流側圧力センサ５５により検出された下流側の水蒸気圧との圧力差ΔＰに応じて、供給流量Ｆｌを変化させる。ＥＣＵ９０ａは、圧力差ΔＰが予め設定された第２圧力ΔＰｃ以上の場合に、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを減少させる。ＥＣＵ９０ａは、圧力差ΔＰが第２圧力ΔＰｃ未満、かつ、蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１以上である場合に、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを増加させる。ＥＣＵ９０ａは、圧力差ΔＰが第２圧力ΔＰｃ未満、かつ、蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１未満である場合には、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを変化させずに、変化前の供給流量Ｆｌを維持する。

第２実施形態のＥＣＵ９０ａは、圧力差ΔＰを用いて、液滴捕集部４１により蒸発した水の量を算出する。ＥＣＵ９０ａは、算出された水の量を用いて、蒸気発生部１０への減少後の供給流量Ｆｌを算出する。ＥＣＵ９０ａは、圧力差ΔＰが第２圧力ΔＰｃ以上の場合に、上記実施形態と同じように流量変化速度ΔＦｌを差し引いた変化速度の供給流量Ｆｌを蒸気発生部１０へと供給する。圧力差ΔＰは、下記式（２）のように表される。また、蒸気検出部４０を通過する通過蒸気量Ｆ_sは、下記式（３）のように表される。

ｆ：液滴捕集部の相当摩擦抵抗係数
Ｌ：液滴捕集部の長さ（ｍ）
ｄ：液滴捕集部の直径（ｍ）
ρ_s：水蒸気の密度（ｋｇ／ｍ³）
ｕ：流速（ｍ／ｓ）
ε：液滴捕集部の空隙率
Ａ：液滴捕集部の面積（ｍ²）
Ｍ_s：水蒸気の分子量（ｇ／ｍｏｌ）

上記式（２），（３）から、流速ｕを除去することにより、液滴捕集部４１により気化する水滴ＡＤの水蒸気量Ｆ（ｍｍｏｌ／ｓ）が、下記式（４）のように表される。

上記式（４）について、微小期間において気化する水滴ＡＤの水蒸気量ΔＦを、下記式（５）のように積分することにより、制御時間Δｔの間に気化する水滴ＡＤと同じ供給流量Ｆｌの減少分である供給流量ΔＦ_l（ｔ）を算出できる。
ＥＣＵ９０ａは、圧力差ΔＰが第２圧力ΔＰｃ以上の場合に、供給流量Ｆｌから、算出された供給流量ΔＦ_l（ｔ）を制御時間で除した流量変化速度ΔＦｌを減少させた変化速度の供給流量Ｆｌを蒸気発生部１０へと供給する。

第２実施形態では、液滴捕集部４１であるメッシュの目開きの長さ（径）ｄ_trpは、噴霧流の水滴ＡＤの平均ミスト径ｄ１以下である。さらに、目開きの長さｄ_trpは、蒸気発生部１０から蒸気利用部３０までで許容される圧力損失から算出される最大の長さｄ２以上になるように設定されている。

図１３は、平均ミスト径ｄ１の説明図である。図１３には、蒸気発生部１０の一部の概略断面図が示されている。第２実施形態では、噴霧流に含まれる水滴ＡＤの平均ミスト径がｄ１として定義され、水滴ＡＤの蒸気流速がｕ_s（ｍ／ｓ）として定義されている。平均ミスト径ｄ１（ｍ）は、実験式である下記式（６）を用いて算出される。

σ：表面張力（ｋｇ／ｓ²）
μ_s：蒸気粘性係数（Ｐａ・ｓ）
ρ_l：液体密度（ｋｇ／ｍ³）
ρ_s：蒸気密度（ｋｇ／ｍ³）
ａ，ｂ，ｃ：実験定数

最大の長さｄ２と、上記式（２）とから、蒸気検出部４０の圧力損失ΔＰ_trpは、下記式（７）のように表される。

また、蒸気発生部１０の圧力損失ΔＰ_evaと、蒸気利用部３０の圧力損失ΔＰ_useとを用いると、蒸気発生部１０から蒸気利用部３０までの合計の圧力損失ΔＰ_supは、下記式（８）のように表される。

上記式（８）において、合計の圧力損失ΔＰ_supが許容される圧力損失として設定された場合に、目開きの長さｄ_trpは、上記式（７）から算出される最大の長さｄ２以下であればよい。すなわち、第２実施形態では、液滴捕集部４１であるメッシュの目開きの長さｄ_trpは、上記式（６）により算出される平均ミスト径ｄ１以下であり、かつ、上記式（７）により算出される最大の長さｄ２以上になるように設定されている。

図１４は、第２実施形態の水蒸気生成方法のフローチャートである。図１４に示される水蒸気生成フローにおけるステップＳ１１～Ｓ１２の処理と、ステップＳ１８～Ｓ２１の処理とは、第１実施形態の水蒸気生成フロー（図９）におけるステップＳ１～Ｓ２と、ステップＳ６～Ｓ９の処理と同じである。そのため、図１４に示される水蒸気生成フローのうち、第１実施形態と異なるステップＳ１３～Ｓ１７の処理について説明する。

図１４に示されるように、流量調整部２０が制御されて水が蒸気発生部１０に供給されると（ステップＳ１２）、ＥＣＵ９０ａは、蒸気温度Ｔ１と、上流側圧力センサ５０により検出された上流側の水蒸気圧Ｐと、下流側圧力センサ５５により検出された下流側の水蒸気圧と、を取得する（ステップＳ１３）。ＥＣＵ９０ａは、上流側の水蒸気圧Ｐから下流側の水蒸気圧を差し引いた圧力差ΔＰを算出する（ステップＳ１４）。

ＥＣＵ９０ａは、算出された圧力差ΔＰが第２圧力ΔＰｃ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。圧力差ΔＰが第２圧力ΔＰｃ以上であると判定された場合には（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、ＥＣＵ９０ａは、上記式（５）を用いて、蒸気発生部１０へと供給される供給流量ΔＦ_l（ｔ）を算出する（ステップＳ１６）。ＥＣＵ９０ａは、流量調整部２０を制御することにより、供給流量Ｆｌから、算出された供給流量ΔＦ_l（ｔ）を制御時間で除した流量変化速度ΔＦｌを減少させた変化速度の供給流量Ｆｌを蒸気発生部１０へと供給し、ステップＳ１３以降の処理が再度行われる。

以上説明したように、第２実施形態では、上流側圧力センサ５０は、液滴捕集部４１よりも上流側において、蒸気発生部１０から蒸気検出部４０へと供給される水蒸気圧Ｐを検出する。下流側圧力センサ５５は、液滴捕集部４１の下流側において、蒸気検出部４０から排出される水蒸気圧（下流側蒸気圧）を検出する。ＥＣＵ９０ａは、上流側圧力センサ５０により検出された上流側の水蒸気圧Ｐと第１圧力Ｐｃとの比較に応じた供給流量Ｆｌの調整に代えて、上流側の水蒸気圧Ｐと、下流側圧力センサ５５により検出された下流側の水蒸気圧との圧力差ΔＰに応じて、供給流量Ｆｌを変化させる。ＥＣＵ９０ａは、圧力差ΔＰが予め設定された第２圧力ΔＰｃ以上の場合に、蒸気発生部１０に供給される供給流量Ｆｌを減少させる。そのため、第２実施形態の蒸気生成装置１００ａでは、液滴捕集部４１の上流側の水蒸気圧Ｐの代わりに、上流側の水蒸気圧Ｐから、液滴捕集部４１の下流側の水蒸気圧を差し引いた圧力差ΔＰを用いて、蒸気発生部１０に供給される水の流量が増減する。上流側の水蒸気圧Ｐおよび下流側の水蒸気圧は、蒸気検出部４０の下流側に接続される蒸気利用部３０の状態（例えば、背圧）に応じて変化する。第２実施形態では、蒸気利用部３０の影響を受けない圧力差ΔＰに応じて、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌが制御される。この結果、蒸気発生部１０内における２相域の拡大速度をより抑制でき、伝熱面過熱度の増大に起因した水滴ＡＤの発生を抑制できる。また、蒸気発生部１０内の気相域を確保しつつ、蒸気利用部３０の要求蒸気量までの追従性をさらに向上させることができる。

また、第２実施形態のＥＣＵ９０ａは、圧力差ΔＰを用いて、液滴捕集部４１により蒸発した水の量を算出する。ＥＣＵ９０ａは、算出された水の量を用いて、蒸気発生部１０に供給される減少後の水の供給流量Ｆｌを算出する。そのため、第２実施形態では、蒸気発生部１０において気化せずに水滴ＡＤのまま蒸気検出部４０へと流入して、液滴捕集部４１により気化した水滴ＡＤの量が算出される。第２実施形態では、算出された水滴ＡＤの量に相当する流量を減少させた水が蒸気発生部１０に供給されるため、蒸気発生部１０から排出される水滴ＡＤの量を抑制できる。

また、第２実施形態の液滴捕集部４１であるメッシュの目開きの長さ（径）ｄ_trpは、噴霧流の水滴ＡＤの平均ミスト径ｄ１以下である。さらに、目開きの長さｄ_trpは、蒸気発生部１０から蒸気利用部３０までで許容される圧力損失から算出される最大の長さｄ２以上になるように設定されている。そのため、第２実施形態では、液滴捕集部４１であるメッシュの目開きの長さｄ_trpが噴霧流の平均ミスト径ｄ１以下であるため、噴霧流の水滴ＡＤは、メッシュに接触して気化する。一方で、目開きの長さｄ_trpは、蒸気発生部１０から蒸気利用部３０までで許容される圧力損失ΔＰ_supから算出される最大の長さｄ２以上であるため、液滴捕集部４１を通過する水蒸気に対する圧力損失ΔＰ_trpは、許容される数値である。この結果、第２実施形態では、設計上許容される圧力損失以下、かつ、噴霧流の水滴ＡＤが気化する範囲で、蒸気検出部４０内に液滴捕集部４１が形成される。

＜第３実施形態＞
図１５は、第３実施形態の蒸気生成装置１００ｂのブロック図である。第３実施形態の蒸気生成装置１００ｂは、第１実施形態の蒸気生成装置１００と比較して、上流側圧力センサ５０の代わりに捕集部温度センサ（捕集部温度取得部）５０ｂを備える点が異なる。そのため、第３実施形態では、第１実施形態と同じ構成および制御についての説明を省略し、第１実施形態と異なる構成および制御について説明する。

図１５に示される捕集部温度センサ５０ｂは、液滴捕集部４１の温度である捕集部温度Ｔ２を検出する。第３実施形態では、ＥＣＵ９０ｂは、捕集部温度Ｔ２と、蒸気温度センサ６０により検出された蒸気温度Ｔ１とを用いて、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを変化させる。ＥＣＵ９０ｂは、捕集部温度Ｔ２が予め設定された第２温度Ｔｃ２以下の場合に、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを減少させる。ＥＣＵ９０ｂは、捕集部温度Ｔ２が第２温度Ｔｃ２を超え、かつ、蒸気温度センサ６０により検出された蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１以上である場合に、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを増加させる。ＥＣＵ９０ｂは、捕集部温度Ｔ２が第２温度Ｔｃ２を超え、かつ、蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１未満である場合には、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを変化させずに、変化前の供給流量Ｆｌを維持する。なお、増減させる供給流量Ｆｌおよび流量変化速度ΔＦｌは、第１実施形態と同じである。

図１６は、第３実施形態の水蒸気生成方法のフローチャートである。図１６に示される水蒸気生成フローにおけるステップＳ３１～Ｓ３２の処理と、ステップＳ３５～Ｓ３９の処理とは、第１実施形態の水蒸気生成フロー（図９）におけるステップＳ１～Ｓ２と、ステップＳ６～９の処理とそれぞれ同じである。そのため、図１６に示される水蒸気生成フローのうち、第１実施形態と異なるステップＳ３３～Ｓ３４の処理について説明する。

図１６に示されるように、流量調整部２０が制御されて水が蒸気発生部１０に供給されると（ステップＳ３２）、ＥＣＵ９０ｂは、液滴捕集部４１の捕集部温度Ｔ２と、蒸気温度Ｔ１と、を取得する（ステップＳ３３）。ＥＣＵ９０ｂは、検出された捕集部温度Ｔ２が第２温度Ｔｃ２以下であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。捕集部温度Ｔ２が第２温度Ｔｃ２以下であると判定された場合には（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、ＥＣＵ９０ｂは、蒸気発生部１０の供給流量Ｆｌの変化速度から、上記式（１）により算出される流量変化速度ΔＦｌを差し引いた変化速度の供給流量Ｆｌを蒸気発生部１０へと供給し（ステップＳ３５）、ステップＳ３３以降の処理が再度行われる。

図１７は、要求蒸気量が増加した場合の蒸気生成量Ｆｇの時間変化の説明図である。図１７には、図１０，１１と同じように要求蒸気量Ｆｓ，ｔが変化した場合の捕集部温度Ｔ２の時間推移が示されている。図１７に示されるように、時刻Ｔ０を過ぎて蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌが増加すると、蒸気発生部１０内で２相域が拡大し、蒸気発生部１０内で気化されなかった水滴ＡＤが発生する場合がある。水滴ＡＤを含む水蒸気が蒸気検出部４０へと流入すると、水滴ＡＤが液滴捕集部４１に接触して気化する。この結果、図１７の領域ＡＲ３に示されるように、水滴ＡＤの気化により、捕集部温度Ｔ２が瞬間的に低下する。第３実施形態では、ＥＣＵ９０ｂは、捕集部温度Ｔ２が第２温度Ｔｃ２以下の場合に、蒸気発生部１０に供給される供給流量Ｆｌを、要求蒸気量Ｆｓ，ｔから決定する供給流量Ｆｌよりも減少させる。その結果、図１７の領域ＡＲ３に示されるように、供給流量Ｆｌの増加速度が一時的に減少し、捕集部温度Ｔ２が第２温度Ｔｃ２よりも高く維持されている。すなわち、液滴捕集部４１における水滴ＡＤの気化が抑制されている。

以上説明したように、第３実施形態の捕集部温度センサ５０ｂは、液滴捕集部４１の温度を検出する。ＥＣＵ９０ｂは、検出された液滴捕集部４１の捕集部温度Ｔ２と、蒸気温度Ｔ１とを用いて、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを変化させる。ＥＣＵ９０ｂは、捕集部温度Ｔ２が予め設定された第２温度Ｔｃ２以下の場合に、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを減少させる。また、ＥＣＵ９０ｂは、捕集部温度Ｔ２が第２温度Ｔｃ２を超え、かつ、蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１以上である場合に、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを増加させる。ＥＣＵ９０ｂは、捕集部温度Ｔ２が第２温度Ｔｃ２を超え、かつ、検出された蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１未満である場合には、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを変化させずに、変化前の供給流量Ｆｌを維持する。そのため、第３実施形態では、蒸気検出部４０に流入した水蒸気に含まれる水滴ＡＤは、液滴捕集部４１により水蒸気へと気化する。この結果、蒸気発生部１０で発生した水蒸気が蒸気検出部４０を通過することにより、水蒸気中の水滴ＡＤの量が低減する。そのため、蒸気利用部３０に供給される水蒸気内の水滴ＡＤの発生が抑制されるため、水蒸気に含まれる水滴ＡＤの瞬間的な気化による蒸気利用部３０へのダメージを抑制できる。また、液滴捕集部４１が水蒸気に含まれる水滴ＡＤを蒸発させることにより、液滴捕集部４１の温度が低下する。捕集部温度センサ５０ｂにより検出された捕集部温度Ｔ２が第２温度Ｔｃ２以下の場合に、蒸気発生部１０に供給される供給流量Ｆｌが減少する。この場合に、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌが減少することで、蒸気発生部１０から排出される水滴ＡＤの量が減少し、蒸気発生部１０から発生する水蒸気の流量が安定する。また、捕集部温度Ｔ２が第２温度Ｔｃ２を超え、かつ、蒸気検出部４０内の蒸気温度Ｔ１が第１温度Ｔｃ１以上の場合に、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌが増加する。これにより、蒸気発生部１０内の気相域を確保しつつ、蒸気発生部１０から飽和温度以上の水蒸気を排出できる。この結果、蒸気利用部３０の要求蒸気量Ｆｓ，ｔまでの追従性を向上させることができる。

＜上記実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

＜変形例１＞
上記第１実施形態から第３実施形態の各実施形態では、蒸気生成装置１００，１００ａ，１００ｂの一例について説明したが、蒸気生成装置は、水蒸気圧Ｐと、圧力差ΔＰと、捕集部温度Ｔ２とのいずれかを用いて、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを増減させる範囲で変形可能である。蒸気発生部１０が液体から気体へと変化させる媒体は、水に限られず、周知の物質を適用できる。蒸気生成装置１００は、ポンプ７０と、蒸気利用部３０とを備えていたが、ポンプ７０と蒸気利用部３０との少なくとも一方を備えていなくてもよい。この場合に、変形例の蒸気生成装置は、他の装置から液体が供給されてもよいし、別の他の装置へと蒸気検出部４０から排出される蒸気を供給してもよい。蒸気利用部３０は、ＳＯＥＣ以外の水蒸気を利用する装置であってもよい。図１に示されるように、蒸気発生部１０と蒸気検出部４０とを接続する配管途中に配置されたが、例えば、蒸気検出部４０内の液滴捕集部４１よりも上流側に配置されてもよい。

蒸気第１実施形態のＥＣＵ９０は、蒸気検出部４０への供給流量Ｆｌを、流量変化速度ΔＦｌを用いて変化速度を制御することにより増減させたが、供給流量Ｆｌの増減方法については変形可能である。ＥＣＵ９０は、例えば、水蒸気圧Ｐが第１圧力Ｐｃ以上の場合に、現時点での供給流量Ｆｌから所定量の供給流量を減少させてもよい。第１実施形態における蒸気検出部４０の温度は、１２０℃以上１３０℃以下であったが、１２０℃未満であってもよいし、１３０℃を超えていてもよい。また、第１実施形態の蒸気利用部３０の温度は３００℃以上であったが、３００℃未満であってもよい。蒸気検出部の温度は、蒸気発生部の温度よりも高いことが好ましい。また、蒸気利用部の温度は、蒸気検出部の温度よりも高いことが好ましい。この場合に、蒸気利用部を高温部として定義すると、蒸気検出部は、高温部よりも温度が低く、蒸気発生部よりも温度が高い中温部として換言できる。

＜変形例２＞
上記第２実施形態のＥＣＵ９０ａは、圧力差ΔＰおよび蒸気温度Ｔに応じて、上記式（２）～（５）により算出される供給流量ΔＦ_l（ｔ）を用いて、蒸気発生部１０への供給流量Ｆｌを増減させたが、その他の方法により決定した流量により増減させてもよい。例えば、ＥＣＵ９０ａは、第１実施形態と同じように、流量変化速度ΔＦｌを用いて、供給流量Ｆｌを制御してもよい。

上記第２実施形態の液滴捕集部４１は、長さｄ_trpを有する正方形が複数形成されたメッシュであったが、液滴を蒸発させ、上記を通過させる範囲で変形径可能である。液滴捕集部は、正方形以外の目開き（または貫通孔）が形成されたメッシュおよびメッシュ以外の部材であってもよい。なお、例えば目開きの形状を長方形とする場合、目開きの長さには、長手方向の径と短手方向の径との平均値を採用できる。例えば目開きの形状をひし形とする場合、目開きの長さには、２本の対角線の平均値を採用できる。例えば目開きの形状を六角形とする場合、目開きの長さには、対角線の長さを採用できる。例えば目開きの形状を円形とする場合、目開きの長さには、円の内径を採用できる。液滴捕集部は、蒸気検出部４０内を通過する媒体の材質に応じて選択されてもよい。液滴捕集部は、上記の流れ方向に直交するように配置されたが、液滴を捕集可能な範囲で変形可能である。液滴捕集部は、蒸気検出部４０内に配置された、異なる複数のメッシュであってもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１０…蒸気発生部
１１…蒸気発生部の壁面
２０…流量調整部（流量制御部）
３０…蒸気利用部
４０…蒸気検出部
４１…液滴捕集部
５０…上流側圧力センサ（圧力取得部）
５０ｂ…捕集部温度センサ（捕集部温度取得部）
５５…下流側圧力センサ（圧力取得部）
６０…蒸気温度センサ（蒸気温度取得部）
７０…ポンプ
８０…凝縮器
１００，１００ａ，１００ｂ…蒸気生成装置
ＡＤ…水滴
ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３…領域
ｄ１…平均ミスト径
ｄ２…圧力損失から算出される最大の長さ
ｄ_trp…目開きの長さ（径）
Ｆ…流量
ΔＦｌ…流量変化速度
Ｆｌ，ΔＦ_l（ｔ）…供給流量
Ｆｓ，ｔ…要求蒸気量
Ｐ…水蒸気圧（上流側蒸気圧）
ΔＰ…圧力差
Ｐｃ…第１圧力
Ｔ１…蒸気温度
Ｔ２…捕集部温度
Ｔｃ１…第１温度
Ｔｃ２…第２温度
ＷＴ…液膜
Δｔ…制御時間

Claims (8)

1. 蒸気生成装置であって、
   液体を加熱することにより蒸気を発生させる蒸気発生部と、
   前記蒸気発生部に供給される液体の流量を調整する流量制御部と、
   前記蒸気発生部から供給された蒸気中の液滴を捕集して蒸発させる液滴捕集部を有する蒸気検出部であって、前記液滴捕集部を通過した蒸気を排出する蒸気検出部と、
   前記液滴捕集部よりも上流側において、前記蒸気発生部から前記蒸気検出部へと供給される蒸気圧である上流側蒸気圧を取得する圧力取得部と、
   前記蒸気検出部内の蒸気の温度を取得する蒸気温度取得部と、
   を備え、
   前記流量制御部は、
   前記上流側蒸気圧が予め設定された第１圧力以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を減少させ、
   前記上流側蒸気圧が前記第１圧力未満、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が予め設定された第１温度以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を増加させ、
   前記上流側蒸気圧が前記第１圧力未満、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が前記第１温度未満の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を変化させない、蒸気生成装置。
2. 請求項１に記載の蒸気生成装置であって、
   前記圧力取得部は、
   前記上流側蒸気圧を取得する上流側圧力取得部と、
   前記液滴捕集部よりも下流側において、前記蒸気検出部から排出される蒸気圧である下流側蒸気圧を取得する下流側圧力取得部と、
   を有し、
   前記流量制御部は、前記上流側蒸気圧と前記第１圧力との比較に応じた液体の流量の調整に代えて、
   前記上流側蒸気圧から、前記下流側蒸気圧を差し引いた圧力差が予め設定された第２圧力以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を減少させ、
   前記圧力差が前記第２圧力未満、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が前記第１温度以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を増加させ、
   前記圧力差が前記第２圧力未満、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が前記第１温度未満の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を変化させない、蒸気生成装置。
3. 請求項２に記載の蒸気生成装置であって、
   前記流量制御部は、
   前記圧力差を用いて、前記液滴捕集部により蒸発した液滴の量を算出し、
   算出された液滴の量を用いて、前記蒸気発生部に供給される減少後の液体の流量を算出する、蒸気生成装置。
4. 蒸気生成装置であって、
   液体を加熱することにより蒸気を発生させる蒸気発生部と、
   前記蒸気発生部に供給される液体の流量を調整する流量制御部と、
   前記蒸気発生部から供給された蒸気中の液滴を捕集して蒸発させる液滴捕集部を有する蒸気検出部であって、前記液滴捕集部を通過した蒸気を放出する蒸気検出部と、
   前記蒸気検出部内の蒸気の温度を取得する蒸気温度取得部と、
   前記液滴捕集部の温度を取得する捕集部温度取得部と、
   を備え、
   前記流量制御部は、
   前記捕集部温度取得部により取得された温度が予め設定された第２温度以下の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を減少させ、
   前記捕集部温度取得部により取得された温度が前記第２温度を超え、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が予め設定された第１温度以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を増加させ、
   前記捕集部温度取得部により取得された温度が前記第２温度を超え、かつ、前記蒸気温度取得部により取得された温度が前記第１温度未満の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を変化させない、蒸気生成装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の蒸気生成装置であって、さらに、
   前記蒸気検出部よりも下流側に配置されている蒸気利用部を備え、
   前記蒸気発生部は、液体の水が供給されて、水蒸気を発生させ、
   前記蒸気利用部は、前記蒸気検出部よりも高温下で、前記蒸気検出部から排出された水蒸気を用いて水素を生成する、蒸気生成装置。
6. 請求項５に記載の蒸気生成装置であって、
   前記液滴捕集部は、前記蒸気検出部内の蒸気の流れ方向に交差するように配置され、複数の目開きを有するメッシュであり、
   前記目開きの長さは、噴霧流の平均ミスト径以下であり、かつ、前記蒸気発生部から前記蒸気利用部までで許容される圧力損失から算出される最大の長さ以上である、蒸気生成装置。
7. 蒸気生成方法であって、コンピュータが、
   蒸気発生部が液体を加熱することにより蒸気を発生させる蒸気発生工程と、
   前記蒸気発生部に供給される液体の流量を調整する流量制御工程と、
   前記蒸気発生部から供給された蒸気中の液滴を捕集して蒸発させる液滴捕集部を通過した蒸気を排出する蒸気検出工程と、
   前記液滴捕集部よりも上流側において、前記蒸気発生部から前記液滴捕集部へと供給される蒸気圧である上流側蒸気圧を取得する圧力取得工程と、
   前記液滴捕集部に供給される蒸気の温度を取得する蒸気温度取得工程と、
   を備え、
   前記流量制御工程は、
   前記上流側蒸気圧が予め設定された第１圧力以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を減少させ、
   前記上流側蒸気圧が前記第１圧力未満、かつ、前記蒸気温度取得工程により取得された温度が予め設定された第１温度以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を増加させ、
   前記上流側蒸気圧が前記第１圧力未満、かつ、前記蒸気温度取得工程により取得された温度が前記第１温度未満の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を変化させない、蒸気生成方法。
8. 蒸気生成方法であって、コンピュータが、
   蒸気発生部が液体を加熱することにより蒸気を発生させる蒸気発生工程と、
   前記蒸気発生部に供給される液体の流量を調整する流量制御工程と、
   前記蒸気発生部から供給された蒸気中の液滴を捕集して蒸発させる液滴捕集部を通過した蒸気を放出する蒸気検出工程と、
   前記液滴捕集部に供給される蒸気の温度を取得する蒸気温度取得工程と、
   前記液滴捕集部の温度を取得する捕集部温度取得工程と、
   を備え、
   前記流量制御工程は、
   前記捕集部温度取得工程により取得された温度が予め設定された第２温度以下の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を減少させ、
   前記捕集部温度取得工程により取得された温度が前記第２温度を超え、かつ、前記蒸気温度取得工程により取得された温度が予め設定された第１温度以上の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を増加させ、
   前記捕集部温度取得工程により取得された温度が前記第２温度を超え、かつ、前記蒸気温度取得工程により取得された温度が前記第１温度未満の場合に、前記蒸気発生部に供給される液体の流量を変化させない、蒸気生成方法。