(57)【要約】【課題】燃料電池のガス供給流路に設けられている露点計をガス供給流路から取り外すことなく簡便にかつ精度よく校正が行える燃料電池評価装置を実現すること。【解決手段】燃料電池のガス供給流路に露点計が設けられた燃料電池評価装置において、前記燃料電池のオフガス排気流路に水分量計測装置を設け、この水分量計測装置の水分量測定値に基づき前記露点計による水分量測定値を校正することを特徴とするもの。  【選択図】                    図１
2010080248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のガス供給流路に露点計が設けられた燃料電池評価装置において、
前記燃料電池のオフガス排気流路に水分量計測装置を設け、
この水分量計測装置の水分量測定値に基づき前記露点計による水分量測定値を校正することを特徴とする燃料電池評価装置。
【請求項２】
前記露点計および水分量計測装置は、燃料ガスおよび酸化ガスの少なくともいずれかの系統に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池評価装置。
【請求項３】
前記燃料電池のインピーダンスを測定して電解質膜の水分量の変化を検出するインピーダンス測定装置を設け、このインピーダンス測定装置の測定値に基づき前記露点計および水分量計測装置による水分量測定値を校正することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池評価装置。
【請求項４】
前記インピーダンス測定装置の測定値に基づき前記燃料電池の流路内の滞留水分量を補正することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池評価装置に関し、詳しくは、燃料電池のガス供給流路に設けられた露点計の校正に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、酸化ガスおよび燃料ガスを反応させることにより発電を行うものであり、ガスを加湿して燃料電池に供給するように構成されている。そこで、加湿用の水分を確保するために、熱交換器やヒートパイプやフィンなどの冷却手段を用いて、燃料電池の排気ガスから水分を回収することが行われている。
【０００３】
ガスの湿度条件（露点）は燃料電池の性能を決める重要なファクターであることから、燃料電池の性能を評価する燃料電池評価装置では、燃料電池に供給される加湿ガスの露点を測定する露点計がガスの入口側に設けられている。
【０００４】
ところが、燃料電池の性能試験は露点計の使用環境条件としては厳しく、長時間にわたって測定していると露点計は測定誤差を生じることがあり、定期的に露点計の測定値について校正を行う必要がある。
【０００５】
露点計の校正にあたっては、燃料電池評価装置から露点計を取り外して校正用の露点計や湿度標準発生器と比較することが考えられるが、このような方法では校正された露点計を再び取り付けなければならず、かなりの作業工数が発生することになる。そこで、たとえば図５に示すように、露点計を燃料電池評価装置に取り付けた状態で校正を行う方法が提案されている(特許文献１)。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１９２６８６号公報
【０００７】
図５において、燃料電池評価装置１０のアノード側には、燃料電池１１に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス供給流路１２と、燃料電池１１を通過した水素オフガスを排出する水素オフガス排気流路１３が設けられている。
【０００８】
水素ガス供給流路１２の上流側には水素ガスの流量を検出する流量計１５が設けられ、この流量計１５の下流には温度計１６を有し水素ガスの液相温度および気相温度を一定に制御可能で水素ガスを加湿する加湿器１７が設けられ、この加湿器１７の下流には水素ガスを加熱するヒータ１８が設けられ、このヒータ１８の下流で燃料電池１１の水素ガス供給口の近傍には水素ガスの露点を計測する露点計１９が設けられている。
【０００９】
水素オフガス排気流路１３の上流端部となる燃料電池１１の水素オフガス出力口には水素オフガスを気液分離する気液分離器としての熱交換器２１が設けられ、この熱交換器２１の下流には水素オフガスの圧力を検出する圧力計２２が設けられ、この圧力計２２の下流には熱交換器２１で気液分離されて生成された凝縮水を貯留する凝縮水タンク２３が設けられ、この凝縮水タンク２３の下流には水素オフガスの背圧を制御するための背圧弁２４が設けられている。
【００１０】
また、アノード側には、凝縮水タンク２３の重量を測定して凝縮水タンク２３内の凝縮水の重量を検出する重量計２６と、露点計１９の計測値に基づいて求められる水素ガス中の水分量と重量計２６で検出される水素オフガスの気液分離後の水分量（実際の水分量）とを比較して露点計１９の精度を検証する露点計精度検証装置（露点計精度検証手段）２７が設けられている。
【００１１】
露点計精度検証装置２７は、水素供給源側を制御することにより流量計１５で計測される水素ガスの流量を一定とし、また、加湿器１７で水素ガスを加湿するとともに液相温度および気相温度を一定に制御する。そして、このように一定流量で流れる水素ガスを加湿し液相温度および気相温度を一定に制御した条件下における露点計１９の計測値と流量計１５における一定流量と圧力計２２で検出される圧力と水素ガスの流通時間に基づいて、水素ガス中の水分量を求める。
【００１２】
一方、燃料電池評価装置１０のカソード側には、燃料電池１１に酸化ガス（流体）としての空気を供給する空気供給流路３２と、燃料電池１１を通過した空気オフガスを排出する空気オフガス排気流路３３が設けられている。
【００１３】
空気供給流路３２の上流側には空気の流量を検出する流量計３５が設けられ、この流量計３５の下流には温度計３６を有し空気の液相温度および気相温度を一定に制御可能で空気を加湿する加湿器３７が設けられ、この加湿器３７の下流には空気を加熱するヒータ３８が設けられ、このヒータ３８の下流で燃料電池１１の空気供給口の近傍には空気の露点を計測する露点計３９が設けられている。
【００１４】
空気オフガス排気流路３３の上流端部となる燃料電池１１の空気オフガスの出力口には空気オフガスを気液分離する気液分離器としての熱交換器４１が設けられ、この熱交換器４１の下流には空気オフガスの圧力を検出する圧力計４２が設けられている。なお、熱交換器２１と４１は一部の構成を共用している。さらに、圧力計４２の下流には熱交換器４１で気液分離されて生成された凝縮水を貯留する凝縮水タンク４３が設けられ、この凝縮水タンク４３の下流には空気オフガスの背圧を制御するための背圧弁４４が設けられている。
【００１５】
なお、カソード側にも、アノード側と同様に、凝縮水タンク４３の重量を測定して凝縮水タンク４３内の凝縮水の重量を検出する重量計４６と、流量計３５で計測される空気の流量を一定として加湿器３７で空気を加湿するとともに液相温度および気相温度を一定に制御した条件下で露点計３９の計測値と流量計３５での一定の流量と圧力計４２で検出される圧力と空気の流通時間に基づき求められる水分量と重量計４６で検出される空気オフガスの気液分離後の水分量とを比較して露点計３９の精度を検証する露点計精度検証装置（露点計精度検証手段）４７が設けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、このような従来の水分量計測手法は、気液分離器２１，４１で気液分離された凝縮水を凝縮水タンク２３，４３に貯留して重量計２６，４６で計測するものであって、ある一定時間を掛けて計測する手法であり、水分量は一般的にはｇ／ｍｉｎなどの単位時間当たりの重量として計測される。このとき、計測している時間中に電解質膜中の水分量が変化すると、計測誤差となる。
【００１７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池のガス供給流路に設けられている露点計をガス供給流路から取り外すことなく簡便にかつ精度よく校正が行える燃料電池評価装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような問題を解決するため、請求項１記載の発明は、
燃料電池のガス供給流路に露点計が設けられた燃料電池評価装置において、
前記燃料電池のオフガス排気流路に水分量計測装置を設け、
この水分量計測装置の水分量測定値に基づき前記露点計による水分量測定値を校正することを特徴とする。
【００１９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池評価装置において、
前記露点計および水分量計測装置は、燃料ガスおよび酸化ガスの少なくともいずれかの系統に設けられていることを特徴とする。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の燃料電池評価装置において、
前記燃料電池のインピーダンスを測定して電解質膜の水分量の変化を検出するインピーダンス測定装置を設け、このインピーダンス測定装置の測定値に基づき前記露点計および水分量計測装置による水分量測定値を校正することを特徴とする。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池評価装置において、
前記インピーダンス測定装置の測定値に基づき前記燃料電池の流路内の滞留水分量を補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
これらにより、燃料電池のガス供給流路に設けられている露点計をガス供給流路から取り外すことなく簡便にかつ精度よく校正が行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図５の相違点は、図５の露点計１９の精度を検証する露点計精度検証装置（露点計精度検証手段）２７に代えて水分量計測装置４８を設け、露点計３９の精度を検証する露点計精度検証装置（露点計精度検証手段）４７に代えて水分量計測装置４９を設け、さらに燃料電池１１の電気特性を評価するためのインピーダンス測定装置５０を設けていることである。図１では、これらの変更に関連する主要部分を示して他の図５と共通する部分は省略している。
【００２４】
図１において、燃料電池１１の燃料ガスの供給口には燃料ガス供給流路１２が接続されるとともにその近傍には燃料ガス供給流路１２に接続された露点計１９が設けられ、燃料オフガスの出力口には燃料オフガス排気流路１３が接続されている。
【００２５】
酸化ガスの供給口には酸化ガス供給流路３２が接続されるとともにその近傍には酸化ガス供給流路３２に接続された露点計３９が設けられ、酸化オフガスの出力口には酸化オフガス排気流路３３が接続されている。
【００２６】
そして、燃料電池１１の各オフガスの出力口の近傍には各排気流路１３，３３に接続された水分量計測装置４８，４９が設けられている。
【００２７】
さらに、燃料電池１１には、燃料電池１１の電気特性を評価するためのインピーダンス測定装置５０が接続されている。
【００２８】
このような構成において、露点計１９，３９の校正は、以下の手順で行われる。
露点計１９，３９における水分量は、図５に示した従来の構成と同様に、各露点計１９，３９に関連した温度、圧力、供給ガス流量の値から式（１）で求めることができる。
水分量＝{(相対湿度×飽和水蒸気圧)×流量}／{全圧−(相対湿度×飽和水蒸気圧)}
・・・（１）
【００２９】
一方、燃料オフガス側、酸化オフガス側の燃料電池出口の水分量は、燃料電池１１の出口側に設置された水分量計測装置４８，４９で計測される。
【００３０】
これら露点計１９，３９における水分量の測定値と水分量計測装置４８，４９の測定値を比較することにより、露点計１９，３９の水分量測定値の校正が可能になる。
【００３１】
しかし、燃料ガスおよび酸化ガスの供給条件によっては、燃料電池１１における電解質膜中の水分の吸収、放出によって水分量に誤差を含むことになる。
【００３２】
そこで、水分量の計測中に、無負荷状態でインピーダンス測定装置５０により燃料電池１１の電解質膜の膜抵抗の変化を計測し、電解質膜中の水分の吸収、放出の有無を確認する。そして、電解質膜抵抗の変化を検出した場合には、電解質膜抵抗の変化に応じて水分量を加減算する補正を行う。
【００３３】
図２はコールコールプロット例図であり、燃料電池１１の負荷電流に重畳する交流電流周波数を変化させながら、燃料電池の等価回路となる内部インピーダンスを実数部と虚数部に分けて測定した結果をプロットしたものである。ここで、印加する周波数が高い時には電気二重層容量で電流がバイパスされるため、溶液抵抗のみを測定できる（コールコールプロットの円弧の左端）。印加する交流電流の周波数が十分低い時には、電気二重層容量に電流が流れないため、溶液抵抗と反応抵抗の加算した抵抗値が現れる（コールコールプロットの円弧の右端）。
【００３４】
図３は電解質膜の抵抗値と電解質膜中の水分量の関係を示す特性例図であり、
Δ電解質膜中の水分量＝α×Δ電解質膜の抵抗値Ｒｍｅｍ      ・・・（２）
α：実験により求められる係数
の関係を表している。
【００３５】
燃料電池の特性を正確に評価するためには、燃料電池のガス供給口における水分量計測は重要な計測項目であり、その水分量を計測するための手段としての露点計の精度維持、管理は重要な項目となっているが、図１のように構成することにより、燃料電池から露点計を外すことなく校正が行える。
【００３６】
そして、校正時の誤差の要因と考えられる燃料電池の電解質膜中の水分量の吸収や放出の有無を燃料電池のインピーダンス計測値から確認して必要に応じて水分量の補正を行うことができ、より高い精度での露点計の校正が可能になる。
【００３７】
なお、上記の説明では燃料電池の流路内の滞留水分量については補正していないが、図４に示すようなフローチャートの処理手順を実行することにより必要に応じて燃料電池の流路内の滞留水分量についても補正することができる。
【００３８】
図４において、燃料電池にドライガスを流して流路を乾燥させる（ステップＳＰ１）。燃料電池の出入口の露点温度が０℃よりも低くなる（ステップＳＰ２）まで燃料電池にドライガスを流す。
【００３９】
燃料電池の出入口の露点温度が０℃よりも低くなったら、前述のような水分量計測を行う（ステップＳＰ３）。ここで測定される水分量は次の３種類であり、流路における滞留水分量は計測できない。
１．燃料電池のガス供給口における水分量→式（１）
２．燃料電池のオフガス出力口における水分量→水分量計測装置４８，４９
３．燃料電池の電解質膜中の水分量→式（２）
【００４０】
その後、再び燃料電池にドライガスを流して流路を乾燥させる（ステップＳＰ４）。ここでは、燃料電池の電解質膜のインピーダンスの変化がないことおよび燃料電池のオフガス出力口における水分量の増加がないことを確認できる（ステップＳＰ５）まで燃料電池にドライガスを流す。
【００４１】
ここで、燃料電池の電解質膜のインピーダンスの変化がないことおよび燃料電池のオフガス出力口における水分量の増加がないことが確認できることにより、次の２種類の水分量を測定できる。
４．燃料電池の電解質膜中からの脱水量→式（２）
５．燃料電池のオフガス出力口における水分量→水分量計測装置４８，４９
【００４２】
これらに基づき、流路からの脱水量を、式（３）の計算から求めることができる。
流路からの脱水量＝（５．の水分量）−（１．の水分量）−（４．の水分量）
・・・（３）
【００４３】
式（３）の値から、燃料電池の流路中の滞留水を計測できるので水分量計測の補正が可能になり、より高精度の露点計校正が実現できる。
【００４４】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池のガス供給流路に設けられている露点計を取り外すことなく簡便にかつ精度よく校正することができ、燃料電池評価装置の高精度化に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施例の主要部分を示すブロック図である。
【図２】燃料電池の等価回路となる内部インピーダンスを実数部と虚数部に分けて測定した結果をプロットしたコールコールプロット例図である。
【図３】燃料電池の電解質膜の抵抗値と電解質膜中の水分量の関係を示す特性例図である。
【図４】燃料電池の流路内の滞留水分量を補正する動作の流れを示すフローチャートである。
【図５】従来の燃料電池評価装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１  燃料電池
１２，３２  供給流路
１３，３３  排気流路
１５，３５  流量計
１６，３６  温度計
１９，３９  露点計
２２，４２  圧力計
４８，４９  水分量計測装置
５０  インピーダンス測定装置
【図１】
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【図２】
2010080248.tif 000004
【図３】
2010080248.tif 000005
【図４】
2010080248.tif 000006
【図５】
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