(57)【要約】【課題】燃料電池が発電する際の条件が変動する場合であっても、燃料電池に供給するガスおよび／または燃料電池から排出されるガスにおける湿度を精度良く計測する。【解決手段】燃料電池１５を備える燃料電池システムであって、燃料電池１５に接続されるガスの流路に設けられる湿度センサと、流路において、湿度センサよりもガスの流れの上流に設けられ、ガス中の水分が水蒸気として存在するように、ガス中の水分の状態を調整する水蒸気含有状態調整部と、水蒸気含有状態調整部から湿度センサへと流れるガスについて、湿度センサで湿度を検出する際の精度に係る前記ガスの状態を調整するガス状態調整部と、を備える燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に接続されるガスの流路に設けられる湿度センサと、
前記流路において、前記湿度センサよりも前記ガスの流れの上流に設けられ、前記ガス中の水分が水蒸気として存在するように、前記ガス中の水分の状態を調整する水蒸気含有状態調整部と、
前記水蒸気含有状態調整部から前記湿度センサへと流れる前記ガスについて、前記湿度センサで湿度を検出する際の精度に係る前記ガスの状態を調整するガス状態調整部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記湿度センサへと供給される前記ガスの流速および／または温度である
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記ガスの温度であり、
前記ガス状態調整部は、前記水蒸気含有状態調整部を経由した前記ガスから熱の供給を受ける前記湿度センサの温度が、前記ガスにおいて予測される露点温度よりも高く、前記湿度センサが許容する上限温度よりも低い温度となるように、前記ガスを加熱する加熱部である
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記加熱部は、前記水蒸気含有状態調整部と前記湿度センサとを接続する配管全体を加熱することによって前記ガスの加熱を行なう配管ヒータを備える
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または４記載の燃料電池システムであって、
前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池から排出されるガスが流れる流路であり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記燃料電池における生成水量と、前記燃料電池における想定される水の分配状態と、前記燃料電池に供給されたガスの流量と、前記燃料電池で消費されたガスの流量と、に基づいて、前記湿度センサへと流れる前記ガスにおける前記露点温度を予測する露点温度予測部を備え、
前記加熱部は、前記湿度センサの温度が、前記露点温度予測部が予測した前記露点温度よりも高くなるように、前記ガスを加熱する
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３ないし５いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記湿度センサは、前記ガスの露点温度を検出する露点計であり、
前記加熱部は、前記露点計が検出した露点温度に応じて前記ガスに対する加熱の程度を変更する
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記加熱部は、前記露点計が検出した露点温度が、前記露点計が許容する下限温度を下回るときには、前記露点温度と前記下限温度との差に応じて、前記ガスに対する加熱の程度を低下させる
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記ガスの流速であり、
前記ガス状態調整部は、
前記水蒸気含有状態調整部に連通して設けられ、前記湿度センサを経由することなく前記ガスを導くバイパス流路と、
前記湿度センサに供給される前記ガスの流速が、前記湿度センサが許容する上限値以下となるように、前記湿度センサおよび前記バイパス流路に分配される前記ガスの流量を調整する流量調整部と
を備える燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池から排出されるガスが流れる流路であり、
前記水蒸気含有状態調整部は、前記燃料電池から排出されたガスを加熱して、前記ガス中に存在する液水の全量を気化させる気化器である
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１ないし４および８のうちのいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池へと供給されるガスが流れる流路であり、
前記水蒸気含有状態調整部は、前記燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿器である
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１ないし１０いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記湿度センサにおける検出値に基づいて前記燃料電池における水の挙動を評価するための、燃料電池評価部を備える
燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池における水の挙動を評価するための燃料電池の評価装置であって、
前記燃料電池に供給される供給燃料ガスの流路に設けられる第１の湿度センサと、
前記燃料電池に供給される供給酸化ガスの流路に設けられる第２の湿度センサと、
前記燃料電池から排出される排出燃料ガスの流路に設けられる第３の湿度センサと、
前記燃料電池から排出される排出酸化ガスの流路に設けられる第４の湿度センサと、
前記供給燃料ガスと、前記供給酸化ガスと、前記排出燃料ガスと、前記排出酸化ガスのそれぞれのガスの流路において、前記湿度センサよりもガスの流れの上流側に設けられ、前記燃料電池に供給されるガス中の水分あるいは前記燃料電池から排出されるガス中の水分が水蒸気として存在するように、前記ガス中の水分の状態を調整する水蒸気含有状態調整部と、
前記水蒸気含有状態調整部から前記湿度センサへと供給される前記ガスについて、前記湿度センサで湿度を検出する際の精度に係る前記ガスの状態を調整するガス状態調整部と、
を備える燃料電池の評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムおよび燃料電池評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池が備える電解質膜は、湿潤状態となったときに高いプロトン伝導性を示し、含水量が低下するほどプロトン伝導性も低下する。そのため、燃料電池の電池性能を保つには、電解質膜の含水量を充分に維持する必要がある。したがって、燃料電池を用いて発電を行なう際には、燃料電池に供給されるガス中の水の量および／または燃料電池から排出されるガス中の水の量を管理することが重要となる。従来、このように燃料電池に供給されるガス中の水の量を管理する構成の一つとして、燃料ガスを加湿して燃料電池に供給する際に、燃料ガスの露点温度を計測した結果に基づいて、燃料ガスを加湿するときの加湿温度を制御する燃料電池試験装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３４６８５５
【特許文献２】特開２００４−２９６２３３
【特許文献３】特開２００７−１９２６８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このように燃料電池に供給するガスおよび／または燃料電池から排出されるガスにおける湿度を計測する場合であっても、ガス中の水の量（水蒸気量および液水の量）や、ガスの流量、ガスの温度等の条件が変動する場合には、ガス中における液水の状態や、露点計のような湿度を計測するための計測装置の性質により、ガス湿度を計測する際の精度が不十分となる場合があった。そのため、燃料電池が発電する際の条件であって、ガスの湿度計測に影響し得る条件が変動する場合であっても、燃料電池に供給するガスおよび／または燃料電池から排出されるガスにおける湿度を精度良く計測する技術が望まれていた。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池が発電する際の条件が変動する場合であっても、燃料電池に供給するガスおよび／または燃料電池から排出されるガスにおける湿度を精度良く計測することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態または適用例として実施することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に接続されるガスの流路に設けられる湿度センサと、
前記流路において、前記湿度センサよりも前記ガスの流れの上流に設けられ、前記ガス中の水分が水蒸気として存在するように、前記ガス中の水分の状態を調整する水蒸気含有状態調整部と、
前記水蒸気含有状態調整部から前記湿度センサへと流れる前記ガスについて、前記湿度センサで湿度を検出する際の精度に係る前記ガスの状態を調整するガス状態調整部と、を備える燃料電池システム。
【０００８】
適用例１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池に接続される流路内を流れるガス中の水分が水蒸気として存在するように、ガス中の水分の状態を水蒸気含有状態調整部で調整した後に、上記ガスについて、湿度センサで湿度を検出する際の精度に係る状態をガス状態調整部で調整して、湿度センサにおいて上記ガスの湿度を検出する。したがって、燃料電池が発電する際の条件が変動する場合であっても、ガス中の水分が水蒸気として存在するように水分の状態を調整されたガスにおける湿度を、精度良く計測することが可能になる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記湿度センサへと供給される前記ガスの流速および／または温度である燃料電池システム。適用例２に記載の燃料電池システムによれば、流速および／または温度を調整したガスを湿度センサに供給することにより、湿度センサでガスの湿度を検出する際の精度を確保することができる。
【００１０】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記ガスの温度であり、前記ガス状態調整部は、前記水蒸気含有状態調整部を経由した前記ガスから熱の供給を受ける前記湿度センサの温度が、前記ガスにおいて予測される露点温度よりも高く、前記湿度センサが許容する上限温度よりも低い温度となるように、前記ガスを加熱する加熱部である燃料電池システム。適用例３記載の燃料電池システムによれば、ガス状態調整部が、水蒸気含有状態調整部を経由したガスを加熱することにより、ガスから熱の供給を受ける湿度センサの温度が、ガスにおいて予測される露点温度よりも高くなる。そのため、湿度センサにおいてガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができ、凝縮した液水に起因する湿度センサの検出精度の低下を抑制することができる。また、湿度センサの温度が、湿度センサが許容する上限温度よりも低い温度となるため、湿度センサの耐久性の低下を抑制することができる。
【００１１】
［適用例４］
適用例３記載の燃料電池システムであって、前記加熱部は、前記水蒸気含有状態調整部と前記湿度センサとを接続する配管全体を加熱することによって前記ガスの加熱を行なう配管ヒータを備える燃料電池システム。適用例４記載の燃料電池システムによれば、ガスを加熱する加熱部が、水蒸気含有状態調整部と湿度センサとを接続する配管全体を加熱するため、水蒸気含有状態調整部で水蒸気の含有状態が調整されたガスにおいて、途中で水蒸気が凝縮することが無く、水蒸気含有状態調整部で調整された水蒸気含有状態を維持したガスの湿度を、湿度センサにおいて検出することができる。
【００１２】
［適用例５］
適用例３または４記載の燃料電池システムであって、前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池から排出されるガスが流れる流路であり、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池における生成水量と、前記燃料電池における想定される水の分配状態と、前記燃料電池に供給されたガスの流量と、前記燃料電池で消費されたガスの流量と、に基づいて、前記湿度センサへと流れる前記ガスにおける前記露点温度を予測する露点温度予測部を備え、前記加熱部は、前記湿度センサの温度が、前記露点温度予測部が予測した前記露点温度よりも高くなるように、前記ガスを加熱する燃料電池システム。適用例５記載の燃料電池システムによれば、燃料電池が発電する際の具体的な条件によって燃料電池から排出されるガスの露点を予測するため、湿度センサの温度がガスの露点温度よりも高くなるようにガスを加熱する動作の精度を向上させることができ、湿度センサにおける湿度検出の動作の信頼性を高めることができる。
【００１３】
［適用例６］
適用例３ないし５いずれか記載の燃料電池システムであって、前記湿度センサは、前記ガスの露点温度を検出する露点計であり、前記加熱部は、前記露点計が検出した露点温度に応じて前記ガスに対する加熱の程度を変更する燃料電池システム。適用例６記載の燃料電池システムによれば、ガスに対する加熱の程度を変更することにより、ガス中の湿度が変動する場合であっても、ガスの露点温度を精度良く検出することが可能になる。
【００１４】
［適用例７］
適用例６記載の燃料電池システムであって、前記加熱部は、前記露点計が検出した露点温度が、前記露点計が許容する下限温度を下回るときには、前記露点温度と前記下限温度との差に応じて、前記ガスに対する加熱の程度を低下させる燃料電池システム。適用例７記載の燃料電池システムによれば、検出した露点温度が下限温度を下回るときには、露点温度と下限温度との差に応じてガスに対する加熱量を低下させるため、ガスの露点温度が低下する場合であっても、露点計において露点温度を精度良く検出することが可能になる。
【００１５】
［適用例８］
適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記ガスの流速であり、前記ガス状態調整部は、前記水蒸気含有状態調整部に連通して設けられ、前記湿度センサを経由することなく前記ガスを導くバイパス流路と、前記湿度センサに供給される前記ガスの流速が、前記湿度センサが許容する上限値以下となるように、前記湿度センサおよび前記バイパス流路に分配される前記ガスの流量を調整する流量調整部とを備える燃料電池システム。適用例８記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の運転状態が変動して、水蒸気含有状態調整部を経由するガスの流量が変動する場合であっても、湿度センサに供給されるガスの流速が上限値以下に抑えられるため、湿度センサにおける検出精度の低下を抑制し、精度良くガスの湿度を計測することが可能になる。
【００１６】
［適用例９］
適用例１ないし８いずれか記載の燃料電池システムであって、前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池から排出されるガスが流れる流路であり、前記水蒸気含有状態調整部は、前記燃料電池から排出されたガスを加熱して、前記ガス中に存在する液水の全量を気化させる気化器である燃料電池システム。適用例９記載の燃料電池システムによれば、気化器によって、ガス中に存在する液水の全量が気化されるため、ガス中の水分をすべて水蒸気の状態にして、ガス中の水分の全量を湿度センサを用いて精度良く計測することが可能になる。また、湿度センサにおいては、液水の全量が気化されたガスが供給されるため、ガス中の水分量を、良好な時間分解能にて精度良く検出することができる。
【００１７】
［適用例１０］
適用例１ないし４および８のうちのいずれか記載の燃料電池システムであって、前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池へと供給されるガスが流れる流路であり、前記水蒸気含有状態調整部は、前記燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿器である燃料電池システム。適用例１０記載の燃料電池システムによれば、加湿器によって加湿されて燃料電池に供給されるガス中の水蒸気量を、湿度センサを用いて精度良く計測することができる。
【００１８】
［適用例１１］
適用例１ないし１０いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記湿度センサにおける検出値に基づいて前記燃料電池における水の挙動を評価するための、燃料電池評価部を備える燃料電池システム。適用例１１記載の燃料電池システムによれば、燃料電池に供給されるガスおよび／または燃料電池から排出されるガス中の湿度を、湿度センサによって精度良く検出することができるため、燃料電池における水の挙動を、より精度良く評価することが可能になる。
【００１９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムを、燃料電池の評価装置として用いる装置などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池評価装置１０に、評価の対象となる燃料電池１５を取り付けて、全体として燃料電池システムとして動作させた様子の概略構成を表すブロック図である。燃料電池評価装置１０は、燃料ガス供給部２０と、燃料ガス供給路６０と、燃料ガス排出路６２と、酸化ガス供給部３０と、酸化ガス供給路６４と、酸化ガス排出路６６と、制御部７０と、を備えている。
【００２１】
燃料ガス供給部２０は、燃料電池１５のアノードに対して、水素を含有する燃料ガスを供給するための装置である。本実施例では、燃料ガス供給部２０は、水素を貯蔵する水素タンクによって構成している。
【００２２】
燃料ガス供給路６０は、燃料ガス供給部２０と燃料電池１５とを接続する流路である。燃料ガス供給路６０には、第１マスフロメータ２１が設けられており、この第１マスフロメータ２１によって、燃料電池１５に供給する燃料ガス流量を、加湿前のドライガスの状態で調節している。燃料ガス供給路６０において、第１マスフロメータ２１の下流側には、第１加湿器２２が設けられている。本実施例では、第１加湿器２２をバブラによって構成しており、バブラの温度を調節することにより、燃料ガスに対する加湿量を制御可能となっている。ここで、第１加湿器２２であるバブラ内に燃料ガスを導く流路として、燃料ガス供給路６０から分岐してバブラを経由した後に再び燃料ガス供給路６０へと合流する第１加湿ガス分岐路８０が設けられている。燃料ガス供給路６０と第１加湿ガス分岐路８０との接続部においては、三方弁６８が設けられている。この三方弁６８を切り替えることにより、燃料ガスを加湿しない状態とすることも可能である。
【００２３】
燃料ガス供給路６０において、第１加湿器２２の下流側には、第１露点計２４、第１圧力計２５、第１流量計２６が設けられている。これら第１露点計２４、第１圧力計２５、第１流量計２６によって、燃料ガス供給路６０を流れる加湿後の燃料ガスの、露点温度、圧力、流量がそれぞれ検出される。ここで、本実施例では、第１露点計２４として鏡面式露点計を用いている。鏡面式露点計の他にも、高分子容量式湿度センサや、レーザー露点計など、種々の湿度センサを用いることにより、燃料ガスの湿度を検出することが可能であるが、鏡面式露点計は、精度に対する信頼性が特に高く（例えば、誤差が±０．２℃程度）、望ましい。用いる湿度センサは、燃料電池１５の発電に係る条件が変動して燃料ガス中の水蒸気分圧が変動する場合にも、水蒸気分圧を精度良く検出可能であって、良好な時間分解能で水蒸気分圧を検出可能であれば良い。
【００２４】
ここで、第１露点計２４には、第１露点計ヒータ８２が併設されている。この第１露点計ヒータ８２は、第１露点計２４で露点温度が計測される燃料ガスを加熱するためのものであり、このように第１露点計ヒータ８２によって燃料ガスを加熱することで、第１露点計２４の近傍における燃料ガス中での水蒸気の凝縮を抑制している。この第１露点計ヒータ８２による燃料ガスの加熱量の制御については、後に詳しく説明する。また、第１露点計２４には、第１温度センサ８３が併設されている。この第１温度センサ８３は、第１露点計ヒータ８２によって加熱されて第１露点計２４において露点温度が計測される燃料ガスの温度を検出する。
【００２５】
燃料ガス供給路６０において、第１加湿器２２と第１露点計２４との間には、第１配管ヒータ２３が設けられている。本実施例では、第１配管ヒータ２３は、第１加湿器２２と第１露点計２４とを接続する配管（第１加湿ガス分岐路８０において、第１加湿器２２を経由した燃料ガスが流れる部分と、燃料ガス供給路６０において、第１加湿ガス分岐路８０を経由した燃料ガスが流れる部分）上に設けられ、通電によって所望の温度へと燃料ガスの加熱を行なう。より具体的には、第１配管ヒータ２３は、内部に伝熱コイルを配置したリボン状のヒータを用いて上記配管を被覆し、さらにその外側を断熱材により被覆することにより形成されている。本実施例では、この第１配管ヒータ２３と、既述した第１露点計ヒータ８２とによって、第１加熱部が形成されている。そして、第１加熱部は、加熱された燃料ガスが供給される第１露点計２４の温度が、燃料ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第１露点計２４における耐熱温度よりも低い温度となるように、燃料ガスを加熱する。第１加熱部における加熱の様子については、後に詳しく説明する。
【００２６】
また、燃料ガス供給路６０において第１配管ヒータ２３が設けられている部分の途中で燃料ガス供給路６０から分岐して、第１露点計２４、第１圧力計２５、第１流量計２６を経由することなく、燃料ガス供給路６０のさらに下流へと燃料ガスを導く供給燃料ガスバイパス路６１が設けられている。この供給燃料ガスバイパス路６１には、第１流量調整バルブ２７が設けられている。このような供給燃料ガスバイパス路６１を設けることにより、第１加湿器２２で加湿された燃料ガスの一部は供給燃料ガスバイパス路６１を流れ、第１露点計２４、第１圧力計２５および第１流量計２６を経由する燃料ガス流量が抑制される。供給燃料ガスバイパス路６１によって、第１露点計２４等を経由する燃料ガス流量が抑制される構成については、後に詳しく説明する。
【００２７】
燃料ガス供給路６０において、第１流量計２６よりも下流であって、供給燃料ガスバイパス路６１との合流部よりも下流には、第２圧力計２８が設けられている。この第２圧力計２８によって、燃料電池１５に流入する燃料ガスの圧力が検出される。さらに、燃料ガス供給路６０において、燃料電池１５との接続部近傍（図１では、第２圧力計２８と、燃料ガス供給路６０および燃料電池１５の接続部との間）には、第１温度調節部２９が設けられている。本実施例では、第１温度調節部２９は、第２圧力計２８と燃料電池１５とを接続する配管を覆って設けられた、温度調整用の流体の流路によって構成されている。第１温度調節部２９が備える上記流路内に、所定の温度に制御した温度調整用流体を流すことによって、燃料電池１５に供給する燃料ガス温度を所望の温度とすることができる。
【００２８】
燃料ガス排出路６２は、燃料電池１５に接続されて、燃料電池１５のアノードを経由して排出される排出燃料ガスが流れる流路である。燃料ガス排出路６２において、燃料電池１５との接続部近傍には、第３圧力計３１が設けられており、この第３圧力計３１によって、燃料電池１５から排出された排出燃料ガスの圧力が検出される。さらに、燃料ガス排出路６２には、第３圧力計３１よりも下流側に、第１気化器３２が設けられている。本実施例の第１気化器３２は、既述した第１配管ヒータ２３と同様に、燃料ガス排出路６２を構成する配管の一部を覆って設けられるヒータを備えている。ただし、この第１気化器３２では、第１配管ヒータ２３よりも高い温度で排出燃料ガスの加熱が行なわれる。燃料電池が発電する際には発電に伴って水が生じ、燃料電池から排出されるガス中には多くの水蒸気が含まれることになるため、これらの水蒸気が配管中で凝縮して液水になる場合があるが、本実施例では、第１気化器３２を設けることによって、燃料ガス排出路６２中の液水をすべて気化させている。したがって、第１気化器３２における設定温度は、燃料電池１５における発電量が想定される最大量となって、生成水量が最大となる場合であっても、燃料ガス排出路６２中の水をすべて水蒸気にすることができる温度として設定されている。具体的には、第１気化器３２における設定温度は、例えば１００〜２２０℃の範囲の一定の温度とすることができる。本実施例では、第１気化器３２の設定温度は２００℃としている。なお、第１気化器３２に供給される排出燃料ガスの流量や燃料電池１５における発電量（発生する生成水量）に応じて、第１気化器３２の設定温度を変更することも可能である。
【００２９】
燃料ガス排出路６２において、第１気化器３２の下流側には、第２露点計３４、第４圧力計３５、第２流量計３６が設けられている。第２露点計３４は、第１露点計２４と同様の構成を備えている。これら第２露点計３４、第４圧力計３５、第２流量計３６によって、燃料ガス排出路６２を流れる排出燃料ガスの、露点温度、圧力、流量がそれぞれ検出される。ここで、第２露点計３４には、第１露点計２４における第１露点計ヒータ８２および第１温度センサ８３と同様の、第２露点計ヒータ８４および第２温度センサ８５が併設されている。上記第２露点計ヒータ８４によって、第２露点計３４で露点温度が計測される燃料ガスが加熱されると共に、加熱された燃料ガスの温度が、第２温度センサ８５によって検出される。このような燃料ガス排出路６２において、第１気化器３２と第２露点計３４との間には、第２配管ヒータ３３が設けられている。第２配管ヒータ３３は、燃料ガス供給路６０に設けた第１配管ヒータ２３と同様の構成を有しており、第２露点計ヒータ８４と共に、第２加熱部を形成している。第２加熱部は、第２加熱部によって加熱された排出燃料ガスが供給される第２露点計３４の温度が、排出燃料ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第２露点計３４における耐熱温度よりも低い温度となるように、排出燃料ガスを加熱している。第２加熱部における加熱の様子については、後に詳しく説明する。
【００３０】
また、燃料ガス排出路６２から分岐して、第２露点計３４、第４圧力計３５、第２流量計３６を経由することなく、燃料ガス排出路６２の下流へと排出燃料ガスを導く排出燃料ガスバイパス路６３が設けられている。この排出燃料ガスバイパス路６３には、第２流量調整バルブ３７が設けられている。このような排出燃料ガスバイパス路６３を設けることにより、第１気化器３２で液水の気化が行なわれた排出燃料ガスの一部は排出燃料ガスバイパス路６３を流れ、第２露点計３４、第４圧力計３５および第２流量計３６を経由する排出燃料ガス流量が抑制される。排出燃料ガスバイパス路６３によって、第２露点計３４等を経由する排出燃料ガス流量が抑制される構成については、後に詳しく説明する。
【００３１】
燃料ガス排出路６２において、第２流量計３６よりも下流であって、排出燃料ガスバイパス路６３との合流部よりも下流には、第１背圧弁３８が設けられている。本実施例では、第３圧力計３１の検出信号に基づいて第１背圧弁３８の開度を調節することによって、燃料電池１５内における燃料ガスの圧力を調節している。
【００３２】
酸化ガス供給部３０は、燃料電池１５のカソード側に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給するための装置である。酸化ガス供給部３０は、例えば、空気を取り込んで圧縮するブロワによって構成することができる。
【００３３】
酸化ガス供給路６４は、酸化ガス供給部４０と燃料電池１５とを接続するための流路である。酸化ガス供給路６４には、第２マスフロメータ４１が設けられており、この第２マスフロメータ４１によって、燃料電池１５に供給する酸化ガス流量を、加湿前のドライガスの状態で調節している。また、酸化ガス供給路６４において、第２マスフロメータ４１の下流側には、燃料ガス供給路６０における第１加湿器２２と同様の第２加湿器４２が、三方弁６９および第２加湿ガス分岐路８１を介して設けられている。
【００３４】
酸化ガス供給路６４において、第２加湿器４２の下流側には、燃料ガス供給路６０に設けられたセンサと同様の、第３露点計４４、第５圧力計４５、第３流量計４６が設けられている。これら第３露点計４４、第５圧力計４５、第３流量計４６によって、酸化ガス供給路６４を流れる加湿後の酸化ガスの、露点温度、圧力、流量がそれぞれ検出される。ここで、第３露点計４４には、第１露点計２４における第１露点計ヒータ８２および第１温度センサ８３と同様の、第３露点計ヒータ８６および第３温度センサ８７が併設されている。上記第３露点計ヒータ８６によって、第３露点計４４で露点温度が計測される酸化ガスが加熱されると共に、加熱された酸化ガスの温度が、第３温度センサ８７によって検出される。このような酸化ガス供給路６４において、第２加湿器４２と第３露点計４４との間には、第１配管ヒータ２３と同様の第３配管ヒータ４３が設けられている。この第３配管ヒータ４３は、第３露点計ヒータ８６と共に、第３加熱部を形成している。第３加熱部は、第３加熱部によって加熱された酸化ガスが供給される第３露点計４４の温度が、供給酸化ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第３露点計４４における耐熱温度よりも低い温度となるように、酸化ガスを加熱する。第３加熱部における加熱の様子については、後に詳しく説明する。
【００３５】
また、酸化ガス供給路６４から分岐して、第３露点計４４、第５圧力計４５、第３流量計４６を経由することなく、酸化ガス供給路６４の下流へと酸化ガスを導く供給酸化ガスバイパス路６５が設けられている。この供給酸化ガスバイパス路６５には、第１流量調整バルブ２７と同様の、第３流量調整バルブ４７が設けられており、第３露点計４４、第５圧力計４５、第３流量計４６が設けられた酸化ガス供給路６４における酸化ガス流量が抑制される。供給酸化ガスバイパス路６５によって、第３露点計４４等を経由する供給酸化ガス流量が抑制される構成については、後に詳しく説明する。
【００３６】
また、酸化ガス供給路６４において、供給酸化ガスバイパス路６５との合流部よりも下流には、第６圧力計４８が設けられており、この第６圧力計４８によって、燃料電池１５に流入する酸化ガスの圧力が検出される。さらに、酸化ガス供給路６４において、燃料電池１５との接続部近傍には、第１温度調節部２９と同様の第２温度調節部４９が設けられており、この第２温度調節部４９によって、燃料電池１５に供給する酸化ガス温度を所望の温度に調節している。
【００３７】
酸化ガス排出路６６は、燃料電池１５に接続されて、燃料電池１５のカソードを経由して排出される排出酸化ガスが導入される流路である。酸化ガス排出路６６には、第７圧力計５１が設けられており、この第７圧力計５１によって、燃料電池１５から排出された排出酸化ガスの圧力が検出される。さらに、酸化ガス排出路６６には、第７圧力計５１よりも下流側に、第１気化器３２と同様の第２気化器５２が設けられており、この第２気化器５２によって、酸化ガス排出路６６中の液水をすべて気化させている。
【００３８】
酸化ガス排出路６６において、第２気化器５２よりも下流側には、第４露点計５４、第８圧力計５５、第４流量計５６が設けられている。これら第４露点計５４、第８圧力計５５、第４流量計５６によって、酸化ガス排出路６６を流れる排出酸化ガスの、露点温度、圧力、流量がそれぞれ検出される。ここで、第４露点計５４には、第１露点計２４における第１露点計ヒータ８２および第１温度センサ８３と同様の、第４露点計ヒータ８８および第４温度センサ８９が併設されている。上記第４露点計ヒータ８８によって、第４露点計５４で露点温度が計測される酸化ガスが加熱されると共に、加熱された酸化ガスの温度が、第４温度センサ８９によって検出される。このような酸化ガス排出路６６において、第２気化器５２と第４露点計５４との間には、第１配管ヒータ２３と同様の第４配管ヒータ５３が設けられている。この第４配管ヒータ５３は、第４露点計ヒータ８８と共に、第４加熱部を形成している。第４加熱部は、第４加熱部によって加熱された排出酸化ガスが供給される第４露点計５４の温度が、排出酸化ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第４露点計５４における耐熱温度よりも低い温度となるように、排出酸化ガスを加熱している。第４加熱部における加熱の様子については、後に詳しく説明する。
【００３９】
また、酸化ガス排出路６６から分岐して、第４露点計５４、第８圧力計５５、第４流量計５６を経由することなく、酸化ガス排出路６６の下流へと排出酸化ガスを導く排出酸化ガスバイパス路６７が設けられている。この排出酸化ガスバイパス路６７には、第１流量調整バルブ２７と同様の、第４流量調整バルブ５７が設けられており、第４露点計５４、第８圧力計５５、第４流量計５６が設けられた酸化ガス排出路６６における排出酸化ガス流量が抑制される。排出酸化ガスバイパス路６７によって、第４露点計５４等を経由する排出酸化ガス流量が抑制される構成については、後に詳しく説明する。
【００４０】
酸化ガス排出路６６において、第４流量計５６よりも下流であって、排出酸化ガスバイパス路６７との合流部よりも下流には、第２背圧弁５８が設けられている。本実施例では、第７圧力計５１の検出信号に基づいて第２背圧弁５８の開度を調節することによって、燃料電池１５内における酸化ガスの圧力を調節している。
【００４１】
制御部７０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部７０は、露点計２４，３４，４４，５４、圧力計２５，２８，３１，３５，４５，４８，５１，５５、流量計２６，３６，４６，５６、温度センサ８３，８５，８７，８９が出力する検出信号や、評価の対象となる燃料電池１５に係る情報（例えば、燃料電池１５の運転温度を検出する図示しない温度センサの検出信号や、発電量として燃料電池１５の出力電流値を検出する図示しない電流センサからの検出信号）を取得すると共に、マスフロメータ２１，４１や、背圧弁３８，５８など、燃料電池１５の運転条件の調節に係る各部に対して駆動信号を出力する。また、各加熱部等に駆動信号を出力して、露点計２４，３４，４４，５４等が検出を行なう際の条件を調節する。このような制御部７０は、燃料電池評価装置１０および燃料電池１５の各部の動きを制御すると共に、燃料電池１５における運転条件に対応した燃料電池１５内における水の挙動を評価する評価部としても機能する。
【００４２】
燃料電池評価装置１０による評価の対象となる燃料電池１５は、固体高分子型燃料電池が代表的であるが、固体酸化物型燃料電池など、他の形体の燃料電池にも適用可能である。燃料電池１５は、発電の単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。燃料電池１５の内部には、単セルの積層方向に平行に設けられ、各単セル内のガス流路に対してガスを給排する複数のマニホールドが設けられている。具体的には、各単セル内の燃料ガス流路に燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドと、各単セル内の燃料ガス流路から排出された燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドと、各単セル内の酸化ガス流路に酸化ガスを分配する酸化ガス供給マニホールドと、各単セル内の酸化ガス流路から排出された酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドと、が設けられている。
【００４３】
燃料電池評価装置１０を用いて燃料電池１５を評価する際には、燃料電池評価装置１０が備えるガス流路と、評価対象である燃料電池１５が備えるガスマニホールドとを接続する。すなわち、燃料ガス供給路６０と燃料ガス供給マニホールドとの間、燃料ガス排出路６２と燃料ガス排出マニホールドとの間、酸化ガス供給路６４と酸化ガス供給マニホールドとの間、酸化ガス排出路６６と酸化ガス排出マニホールドとの間、を、それぞれ接続する。
【００４４】
Ｂ．供給ガスの加熱に係る動作：
既述したように、本実施例では、第１加熱部によって加熱された供給燃料ガスが流れる第１露点計２４の温度が、供給燃料ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第１露点計２４における耐熱温度よりも低い温度となるように、制御部７０によって第１加熱部の加熱量の制御を行なう。また、第３加熱部によって加熱された供給酸化ガスが流れる第３露点計４４の温度が、供給酸化ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第３露点計４４における耐熱温度よりも低い温度となるように、制御部７０によって第３加熱部の加熱量の制御を行なう。以下に、このような加熱部における加熱の動作について説明する。なお、以下では、燃料電池１５に供給する燃料ガスを加熱する第１加熱部の動作について説明を行なうが、酸化ガスを加熱する第３加熱部における動作も同様である。
【００４５】
ここで、燃料ガスをすべて第１加湿器２２に導いて加湿を行なう場合には、第１加湿器２２から第１加熱部側へと排出される燃料ガスの温度と、この燃料ガスにおける露点温度は、第１加湿器２２を構成するバブラの設定温度にほぼ等しくなる。したがって、本実施例では、バブラの設定温度を、第１加湿器２２から排出される燃料ガスにおける予測される露点温度としている。ここで、第１加熱部で加熱された燃料ガスから熱の供給を受ける第１露点計２４においては、第１露点計２４に供給される燃料ガス中の水蒸気が凝縮することなく精度良く露点温度が検出されるように、燃料ガスにおける予測される露点温度（バブラ温度）よりも高い温度が目標温度とされる。具体的には、例えば、バブラにおける設定温度よりも５〜２５℃高い温度であって、第１露点計２４における耐熱温度よりも低い温度を、第１露点計２４の目標温度とすればよい。本実施例では、第１露点計２４の目標温度は、バブラにおける設定温度よりも２０℃高い温度としている。第１加熱部においては、この第１加熱部において加熱した燃料ガスが有する熱によって第１露点計２４を上記した目標温度とすることができるように、燃料ガスに対する加熱量の制御が行なわれる。
【００４６】
第１露点計２４は、第１露点計２４に供給される燃料ガスによって加熱されるが、この第１露点計２４に供給される燃料ガスは、第１露点計２４に併設された第１露点計ヒータ８２と、第１配管ヒータ２３とによって加熱される。本実施例では、第１配管ヒータ２３による加熱量は一定としており、第１露点計ヒータ８２による加熱量が多いほど、第１露点計２４の温度は高くなる。このとき、燃料ガスから第１露点計２４に与えられる熱量は、燃料ガス流量が多いほど、また、第１露点計ヒータ８２におけるヒータ制御温度（燃料ガスに対する加熱量）が高いほど、また、バブラ温度（加熱前の燃料ガス温度）が高いほど、多くなる。図２は、バブラ温度を所定の温度に設定したときの、燃料ガス流量（第１マスフロメータ２１におけるドライガス流量）と、第１露点計ヒータ８２におけるヒータ制御温度との関係を表わす説明図である。このように、ガス流量が多いほど露点計ヒータ制御温度を低く設定することにより、燃料ガスにより加熱される第１露点計２４の温度を、既述した目標温度にすることが可能になる。本実施例では、このような燃料ガス流量と露点計ヒータ制御温度との関係を、バブラ温度ごとに予めマップとして制御部７０内に記憶しており、制御部７０が、バブラ温度とドライガス流量に基づいて上記マップを参照することによって、第１露点計ヒータ８２におけるヒータ制御温度を決定し、第１露点計ヒータ８２への通電量を制御している。ただし、実際にはバブラ温度ごとに膨大なマップを記憶しておくことは現実的ではないため、本実施例では、バブラ温度をある程度の範囲ごとに区切って、設定した範囲ごとにマップを用意している。このようなマップは、設定した範囲内でバブラ温度が変動し、さらに、燃料電池１５の発電に係る他の条件が変動する場合であっても、第１露点計２４の温度が、露点温度よりも高く第１露点計２４の耐熱温度よりも低い状態を維持できるように、設定すればよい。なお、ここでは、第１配管ヒータ２３による加熱量は、配管内で液水が凝縮しないように設定された一定量であり、第１露点計ヒータ８２による燃料ガスに対する加熱によって、第１露点計２４の温度を所望の温度に昇温させているため、第１露点計ヒータ８２における制御温度は、第１露点計２４の目標温度よりも高くなる。
【００４７】
なお、第１配管ヒータ２３は、既述したように、第１加湿器２２と第１露点計２４とを接続する流路全体を覆って設けられている。このように第１加湿器２２と第１露点計２４とを接続する流路全体で燃料ガスの加熱が行なわれるため、流路内で燃料ガス中の水蒸気が凝縮することが無く、第１加湿器２２で付与された水蒸気量が維持された状態で、第１露点計２４において燃料ガスの露点温度を計測することができる。
【００４８】
Ｃ．排出ガスの加熱に係る動作：
既述したように、本実施例では、第２加熱部によって加熱された排出燃料ガスが供給される第２露点計３４の温度が、排出燃料ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第２露点計３４における耐熱温度よりも低い温度となるように、制御部７０によって第２加熱部の加熱量の制御を行なう。また、第４加熱部によって加熱された排出酸化ガスが供給される第４露点計５４の温度が、排出酸化ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第４露点計５４における耐熱温度よりも低い温度となるように、制御部７０によって第４加熱部の加熱量の制御を行なう。以下に、このような加熱部における加熱の動作について説明する。なお、以下では、排出燃料ガスを加熱する第２加熱部の動作について説明を行なうが、排出酸化ガスを加熱する第４加熱部における動作も同様である。
【００４９】
ここで、排出燃料ガス中の水蒸気量は、燃料電池１５に供給される燃料ガス中の水蒸気量に、燃料電池１５内で付加された水蒸気量（電解質膜を介してカソード側から移動した生成水量）を加えた値となる。また、排出燃料ガスの流量は、燃料電池１５に供給した燃料ガスの流量から、燃料電池１５で発電のために消費された水素量を減じ、さらに燃料電池１５内で付加された水蒸気量を加えた値となる。排出燃料ガス中の露点温度は、排出燃料ガス中の水蒸気量および排出燃料ガス流量の影響を受けるが、上記したように、排出燃料ガス中の水蒸気量および排出燃料ガス流量は、燃料電池１５が発電する際の種々の条件によって変動する。そのため、排出燃料ガスによって加熱される第２露点計３４の温度が排出燃料ガスの予測露点温度よりも高くなるように第２露点計３４における目標温度を定める際には、本実施例では、燃料電池１５における発電条件に基づいて、排出燃料ガスにおける露点温度の予測を行なっている。第２露点計３４における目標温度は、予測した排出燃料ガスの露点温度よりも５〜２５℃高い温度であって、第２露点計３４における耐熱温度よりも低い温度とすればよい。本実施例では、第２露点計３４の目標温度は、予測した排出燃料ガスの露点温度よりも２０℃高い温度としている。第２加熱部においては、この第２加熱部において加熱した排出燃料ガスが有する熱によって第２露点計３４を上記した目標温度とすることができるように、排出燃料ガスに対する加熱量の制御が行なわれる。
【００５０】
排出ガスの露点温度の予測について、さらに説明する。図３は、燃料電池１５に対して給排される燃料ガスと酸化ガスのそれぞれについて、流量および圧力の関係をまとめて示す説明図である。ガス流量の総量をＱtotal、水蒸気量をＱvapor、ドライガス流量をＱdry、ガスの全圧をＰtotal、水蒸気分圧をＰvaporと表わしている。また、流量あるいは圧力に係る各値において、供給燃料ガスについては数字１を付し、排出燃料ガスについては数字２を付し、供給酸化ガスについては数字３を付し、排出酸化ガスについては数字４を付している。排出燃料ガス中の露点温度は、排出燃料ガス中の水蒸気分圧（Ｐvapor2）と、排出燃料ガスの圧力とから求めることができる。このようにして露点温度を予測する際に用いる排出燃料ガス中の水蒸気分圧（Ｐvapor2）は、排出燃料ガスの流量（Ｑtotal2）、排出燃料ガス中の水蒸気量（Ｑvapor2）、排出燃料ガスの全圧（Ｐvapor2）を用いて、以下の（１）式により求められる。
【００５１】
Ｐvapor2＝Ｐtotal2×Ｑvaper2／Ｑtotal2      …（１）
【００５２】
ここで、（１）式における排出燃料ガスの全圧（Ｐtotal2）は、第３圧力計３１が検出した圧力を用いればよい。また、（１）式における排出燃料ガス中の水蒸気量（Ｑvapor2）は、既述したように、燃料電池１５に供給された供給燃料ガス中の水蒸気量（Ｑvapor1）と、燃料電池１５内で燃料ガスに付加された水蒸気量（Ｑadd1）との合計であり、以下の（２）式により求めることができる。
【００５３】
Ｑvapor2＝Ｑvapor1  ＋  Ｑadd1      …（２）
【００５４】
（２）式における供給燃料ガス中の水蒸気量（Ｑvapor1）は、供給燃料ガス中の水蒸気分圧（Ｐvapor1）と、第２圧力計２８が検出した供給燃料ガスの全圧（Ｐtotal1）と、第１マスフロメータ２１における供給燃料ガスのドライガス流量（Ｑdry1）と、に基づいて、以下の（３）式により求めることができる。ここで、ガス中の水蒸気分圧は、ガスの露点温度とガス圧とに基づいて求めることができる値であり、制御部７０は、第１露点計２４が検出した露点温度および第１圧力計２５が検出した第１露点計２４における圧力を取得して、供給燃料ガス中の水蒸気分圧（Ｐvapor1）を導出する。
【００５５】
Ｑvapor1＝Ｑdry1×Ｐvapor1／（Ｐtotal1−Ｐvapor1）    …（３）
【００５６】
また、（２）式における燃料電池１５内で燃料ガスに付加された水蒸気量（Ｑadd1）は、燃料電池１５で生じた生成水量と、燃料電池１５内における水の分配割合とに基づいて求めることができる。すなわち、燃料電池１５内で生じた生成水のうち、所定の割合でカソード側からアノード側へと分配された生成水の量が、燃料電池１５内で燃料ガスに付加された水蒸気量（Ｑadd1）となる。ここで、上記燃料電池１５で生じた生成水量は、燃料電池１５における発電量（電流密度）に基づいて算出することができる。燃料電池１５における発電量は、燃料電池１５に接続された負荷における負荷要求の大きさとして取得しても良いし、図示しない電流計により燃料電池１５の出力電流を検出することにより取得しても良い。また、上記燃料電池１５内における水の分配割合は、例えば、予め定めて制御部７０に記憶しておくこととすれば良い。予め定めて記憶しておく分配割合は、例えば、予備的な実験を予め行なうことにより求めることができる。あるいは、燃料電池評価装置１０を用いた評価を行なう際に、使用者により任意の数値を入力することとしても良い。なお、本実施例の燃料電池評価装置１０は、後述するように、供給ガス中の水分量と排出ガス中の水分量とを実際に測定することによって、燃料電池の運転条件と燃料電池の膜−電極接合体（ＭＥＡ）における水の挙動との関係を評価する装置であり、評価の過程において水の分配割合を求めている。したがって、上記した（３）式に基づく処理において、燃料電池１５内で燃料ガスに付加された水蒸気量（Ｑadd1）を求めるために用いる水の分配割合は、評価に伴って得られる値を用いて補正を行なっても良い。
【００５７】
（１）式に戻って、（１）式における排出燃料ガスの流量（Ｑtotal2）は、燃料ガス排出路６２において例えば第３圧力計３１の近傍に流量計をさらに設け、排出燃料ガス流量（Ｑtotal2）を実測することとしても良い。あるいは、供給燃料ガス流量（Ｑtotal1）と、燃料電池１５における消費水素量（ＱconH）と、燃料電池１５内で燃料ガスに付加された水蒸気量（Ｑadd1）とを用いて、以下の（４）式により算出しても良い。
【００５８】
Ｑtotal2＝Ｑtotal1  −  ＱconH  ＋  Ｑadd1      …（４）
【００５９】
この（４）式において、供給燃料ガス流量（Ｑtotal1）は、以下の（５）式に示すように、第１マスフロメータ２１における供給燃料ガスのドライガス流量（Ｑdry1）と、既述した（３）式に基づいて求められる供給燃料ガス中の水蒸気量（Ｑvapor1）との和として求めることができる。また、（４）式において、燃料電池１５における消費水素量（ＱconH）は、燃料電池１５における発電量（電流密度）に基づいて求めることができる。また、（４）式において、燃料電池１５内で燃料ガスに付加された水蒸気量（Ｑadd1）は、既述したように、燃料電池１５で生じた生成水量と、燃料電池１５内における水の分配割合とに基づいて求めることができる。
【００６０】
Ｑtotal1＝Ｑdry1  ＋  Ｑvapor1      …（５）
【００６１】
本実施例では、このようにして（１）式に基づいて求めた排出燃料ガス中の水蒸気分圧（Ｐvapor2）と、第３圧力計４５が検出した圧力（第２露点計３４における排出燃料ガスの圧力）とに基づいて、第２露点計３４における露点温度を予測する。そして、このようにして予測した第２露点計３４における露点温度よりも２０℃高い温度を、排出燃料ガスによって加熱される第２露点計３４の目標温度としている。
【００６２】
第２露点計３４は、第２露点計３４に供給される排出燃料ガスによって加熱されるが、この第２露点計３４に供給される排出燃料ガスは、第２露点計３４に併設された第２露点計ヒータ８４と、第２配管ヒータ３３とによって加熱される。本実施例では、第２配管ヒータ３３による加熱量は一定としており、第２露点計ヒータ８４による加熱量が多いほど、第２露点計３４の温度は高くなる。このとき、排出燃料ガスから第２露点計３４に与えられる熱量は、排出燃料ガス流量が多いほど、また、第２露点計ヒータ８４におけるヒータ制御温度（排出燃料ガスに対する加熱量）が高いほど、多くなる。図４は、排出燃料ガス流量（Ｑtotal2）と、第２露点計ヒータ８４におけるヒータ制御温度との関係を表わす説明図である。既述したように、排出燃料ガス流量（Ｑtotal2）は、実測値であっても良く、理論的に算出した値であっても良い。このように、ガス流量が多いほど露点計ヒータ制御温度を低く設定することにより、第２露点計３４における温度を、所定の目標温度にすることができる。本実施例では、このような排出燃料ガス流量と露点計ヒータ制御温度との関係を、予測される露点温度ごとに予めマップとして制御部７０内に記憶しており、排出燃料ガス流量に基づいて上記マップを参照することによって、第２露点計ヒータ８４におけるヒータ制御温度を決定し、第２露点計ヒータ８４への通電量を制御している。ただし、実際には予測される露点温度ごとに膨大なマップを記憶しておくことは現実的ではないため、本実施例では、予測される露点温度をある程度の範囲ごとに区切って、設定した範囲ごとにマップを用意している。このようなマップは、設定した範囲内で露点温度が変動し、さらに、燃料電池１５の発電に係る他の条件が変動する場合であっても、第２露点計３４の温度が、露点温度よりも高く第２露点計３４の耐熱温度よりも低い状態を維持できるように、設定すればよい。なお、ここでは、第２配管ヒータ３３による加熱量は、配管内で液水が凝縮しないように設定された一定量であり、第２露点計ヒータ８４による排出燃料ガスに対する加熱によって、第２露点計３４の温度を所望の温度に昇温させているため、第２露点計ヒータ８４における制御温度は、第２露点計３４の目標温度よりも高くなる。また、第１気化器３２における設定温度を、燃料電池１５で発生する生成水量（燃料電池１５における発電量）等に応じて変更する場合には、第１気化器３２の設定温度が高いほど、排出燃料ガスから第２露点計３４に与えられる熱量が多くなる。したがって、このような場合には、第２露点計ヒータ８４におけるヒータ制御温度を決定する際には、さらに第１気化器３２の設定温度を考慮すれば良い。
【００６３】
なお、第２配管ヒータ３３は、既述したように、第１気化器３２と第２露点計３４とを接続する流路全体を覆って設けられている。このように第１気化器３２と第２露点計３４とを接続する流路全体で排出燃料ガスの加熱が行なわれるため、流路内で排出燃料ガス中の水蒸気が凝縮することが無く、第１気化器３２で水の全量が気化された水蒸気量が維持された状態で、第２露点計３４において排出燃料ガスの露点温度を計測することができる。
【００６４】
Ｄ．露点温度低下時の動作：
既述した供給ガスの加熱に係る動作および排出ガスの加熱に係る動作の説明では、各露点計の温度が、各ガスにおける予測される露点温度よりも高くなるように各加熱部におけるヒータ制御温度を設定することにより、ガス中の湿度が高まる場合であっても、各露点計において正確に露点温度を計測可能にしている。ここで、燃料電池１５の運転条件によっては、各露点計で計測すべきガスの露点温度が、予測を超えて大きく低下する場合も考えられる。ガスの露点温度が、露点計の温度に比較して低すぎる場合には、露点計における露点温度検出の精度が低下する可能性がある。本実施例では、このようにガスの露点温度が予測を超えて変化する場合には、各露点計の上流側に設けた加熱部における加熱の程度を変更することにより、露点計における検出精度の確保を図っている。以下に、露点計で検出される露点温度が変化する際の、加熱部における加熱量の補正の動作について説明する。
【００６５】
露点計においては、一般に、その動作原理に応じて、精度良く露点温度を検出可能となるガス温度の下限値がある。図５は、鏡面式露点計である第１露点計２４の概略構成を表わす説明図であるが、燃料電池評価装置１０が備える他の露点計も、同様の構成を備えている。第１露点計２４は、発光素子９０と、受光素子９１と、ミラー９２と、ペルチェ素子９３とを備える。発光素子９０および受光素子９１は、計測対象ガス（ここでは燃料ガス）が供給されるサンプリングチャンバＳＣを挟んで、ミラー９２と対向するように配置されている。具体的には、発光素子９０は、ミラー９２の鏡面に向かって光を射出可能なように配置されており、受光素子９１は、ミラー９２の鏡面によって反射された発光素子９０の射出光を受光できる位置に配置されている。ミラー９２は、その一方の面が鏡面として形成されて、サンプリングチャンバＳＣに供給される燃料ガスに曝されるように配置されている。ペルチェ素子９３は、ミラー９２における鏡面とは異なる面側に配置されており、制御部７０からの信号により、ミラー９２の冷却を行なう。このような第１露点計２４では、ペルチェ素子９３によって冷却されるミラー９２の鏡面に燃料ガス中の水蒸気が結露するのを、発光素子９０および受光素子９１によって光学的に検出する。すなわち、ミラー９２の鏡面上に結露が開始されるときの鏡面温度を、燃料ガスの露点温度として検出する。このように、鏡面式露点計では、ペルチェ素子９３がミラー９２を冷却してガス中の水蒸気を結露させることによって露点温度を検出するため、ペルチェ素子の冷却能力を超えて露点温度が低い場合には、露点温度を正確に検出できない場合が生じ得る。すなわち、ガスの露点温度が、検出対象のガスをペルチェ素子によって冷却可能な温度よりも低い場合には、露点計によってガスの露点温度を正確に検出できない可能性がある。
【００６６】
図６は、燃料電池評価装置１０を用いて燃料電池１５の評価を行なう際に、制御部７０において所定時間ごとに繰り返し実行されるヒータ制御温度補正処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが実行されると、制御部７０は、まず、マップを参照して（第１露点計２４および第３露点計３４に係る制御の際には図２に示したマップに従い、第２露点計３４および第４露点計５４に係る制御の際には図４に示したマップに従って）露点計ヒータ制御温度Ｔcを求める（ステップＳ１００）。次に、制御部７０は、各露点計が検出する露点温度Ｔdと、各露点計に併設された温度センサの検出値（以下、露点計温度Ｔsと呼ぶ）とを取得する（ステップＳ１０５）。なお、以下の説明では、第１露点計２４と第１温度センサ８３とを例に挙げて説明するが、他の露点計および温度センサの組み合わせにおいても、それぞれ同様の制御を行なう。
【００６７】
次に、制御部７０は、現在の第１露点計２４において精度良く測定可能な露点温度の下限値Ｔdminを算出する（ステップＳ１１０）。ここで、下限値Ｔdminは、検出した露点計温度Ｔsから、第１露点計２４が備えるペルチェ素子における冷却可能温度を減算することによって求められる。ペルチェ素子による冷却能力は、一般に４０〜５０℃であり、冷却可能温度を５０℃とすると、ステップＳ１０５で取得された露点計温度Ｔsが９０℃である場合には、下限値Ｔdminは、４０℃（＝９０℃−５０℃）となる。
【００６８】
次に、制御部７０は、ステップＳ１０５で取得した露点温度Ｔdと、ステップＳ１１０で算出した下限値Ｔdminとを比較する（ステップＳ１２０）。露点温度Ｔdが、下限値Ｔdmin以上である場合には、第１露点計２４が、精度良く露点温度Ｔdを検出できる温度条件であると判断することができる。ステップＳ１２０において、露点温度Ｔdが下限温度Ｔdmin以上である場合には、制御部７０は、加熱部が備える露点計ヒータの制御温度の補正が既に行なわれているか否かを判断する（ステップＳ１３０）。露点計ヒータ制御温度の補正については、後に説明する。
【００６９】
ステップＳ１３０において、露点計ヒータ制御温度の補正が行なわれていないと判断される場合には、制御部７０は、ステップＳ１００で求めた露点計ヒータ制御温度Ｔcを維持して（ステップＳ１４０）、この露点計ヒータ制御温度Ｔcに基づいて、第１露点計ヒータ８２への通電量を制御して（ステップＳ２１０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ１３０において、ヒータ制御温度の補正が行なわれていると判断されたときの動作については、後述する。
【００７０】
ステップＳ１２０において、露点温度Ｔdが、下限値Ｔdmin未満である場合には、第１露点計２４が、精度良く検出できる下限の露点温度よりも低い露点温度を検出していることになる。そこで、次に制御部７０は、露点温度Ｔdが、（下限値Ｔdmin−１０℃）以上であるか否かを判断する（ステップＳ１６０）。露点温度Ｔdが、（下限値Ｔdmin−１０℃）以上である場合には、制御部７０は、ステップＳ１００で求めた露点計ヒータ制御温度Ｔcに対する補正量を１段階上げて露点計ヒータ制御温度を設定し（ステップＳ１７０）、第１露点計ヒータ８２への通電量を制御して（ステップＳ２１０）、本ルーチンを終了する。
【００７１】
ここで、図２のマップから求められる露点計ヒータ制御温度Ｔcに対する補正のパターンについて説明する。本実施例では、検出した露点温度Ｔdが下限値Ｔdminを下回るときには、マップから求められる露点計ヒータ制御温度Ｔcよりも低い温度を露点計ヒータ制御温度として設定する補正を行なっており、このような補正の段階として、３段階を用意している。具体的には、実際に設定する露点計ヒータ制御温度を、マップから求められる露点計ヒータ制御温度Ｔcよりも２０℃低くする第１の補正と、３０℃低くする第２の補正と、４０℃低くする第３の補正という３段階の補正パターンを用意している。上記ステップＳ１７０において補正量を１段階上げる際には、例えば、その時点で補正を行なっていない場合には、露点計ヒータ制御温度を、マップから求められる露点計ヒータ制御温度Ｔcよりも２０℃低くする第１の補正パターンを選択する。既に補正を行なっている場合には、既に行なっている補正が第１の補正パターンである場合には第２の補正パターンへ、第２の補正パターンである場合には第３の補正パターンへと、露点計ヒータ制御温度の設定のための補正パターンを変更する。
【００７２】
ステップＳ１６０において、露点温度Ｔdが、（下限値Ｔdmin−１０℃）未満であると判断された場合には、制御部７０は、露点温度Ｔdが、（下限値Ｔdmin−２０℃）以上であるか否かを判断する（ステップＳ１８０）。露点温度Ｔdが、（下限値Ｔdmin−２０℃）以上である場合には、制御部７０は、ステップＳ１００で求めた露点計ヒータ制御温度Ｔcに対する補正量を２段階上げて露点計ヒータ制御温度を設定し（ステップＳ１９０）、第１露点計ヒータ８２への通電量を制御して（ステップＳ２１０）、本ルーチンを終了する。補正量を２段階上げるとは、例えば、その時点で補正を行なっていない場合には、ヒータ制御温度をマップから求められる露点計ヒータ制御温度Ｔcよりも３０℃低くする第２の補正パターンを選択する。既に第１の補正パターンで補正を行なっている場合には、第３の補正パターンへと、露点計ヒータ制御温度の設定のための補正パターンを変更する。
【００７３】
ステップＳ１８０において、露点温度Ｔdが、（下限値Ｔdmin−２０℃）未満であると判断される場合には、制御部７０は、ステップＳ１００で求めた露点計ヒータ制御温度Ｔcに対する補正量を３段階上げて露点計ヒータ制御温度を設定し（ステップＳ２００）、第１露点計ヒータ８２への通電量を制御して（ステップＳ２１０）、本ルーチンを終了する。補正量を３段階上げるとは、その時点で補正を行なっていない場合には、露点計ヒータ制御温度をマップから求められるヒータ制御温度Ｔcよりも４０℃低くする第３の補正パターンを選択する。
【００７４】
このように、露点計が検出した露点温度Ｔｄが、露点計において精度良く検出できる下限値Ｔdminを下回るときには、露点計ヒータ制御温度をより低く補正するため、露点計内を流れるガスの温度が低下し、ガスから露点計に供給される熱量が減少する。これにより、露点計温度Ｔsが低下するため、露点計温度Ｔsからペルチェ素子による冷却可能温度を減算した下限値Ｔdminの値も低下する。したがって、ガスの露点温度が低い場合であっても、露点計によって精度良く露点温度を検出可能な状態に近づく。なお、本実施例では、マップから求められる露点計ヒータ制御温度Ｔcに対する補正量の上限値を、−４０℃に設定しており、また、露点温度Ｔdと下限値Ｔdminとの差の大きさを１０℃ずつ区切ることにより３段階の補正パターンを用意しているが、このような補正量の上限値や、補正パターンを変更するための基準の値、あるいは補正パターンの数は、燃料電池評価装置の特性等に応じて適宜設定すればよい。
【００７５】
ステップＳ１２０において露点温度Ｔdが下限値Ｔdmin以上と判断され、ステップＳ１３０において、露点計ヒータ制御温度の補正が既に行なわれていると判断されたときには、制御部７０は、ステップＳ１００で求めた露点計ヒータ制御温度Ｔcに対する補正量を１段階下げて露点計ヒータ制御温度を設定し（ステップ１５０）、第１露点計ヒータ８２への通電量を制御して（ステップＳ２１０）、本ルーチンを終了する。これにより、燃料電池１５の運転条件の変動の影響が小さくなったときには、定常運転時における制御状態に近づけることができる。
【００７６】
Ｅ．露点計に流入するガス流速の調整：
既述したように、燃料ガス供給路６０から分岐して設けられた供給燃料ガスバイパス路６１には第１流量調整バルブ２７が設けられ、燃料ガス排出路６２から分岐して設けられた排出燃料ガスバイパス路６３には第２流量調整バルブ３７が設けられ、酸化ガス供給路６４から分岐して設けられた供給酸化ガスバイパス路６５には第３流量調整バルブ４７が設けられ、酸化ガス排出路６６から分岐して設けられた排出酸化ガスバイパス路６７には第４流量調整バルブ５７が設けられている。上記した各バイパス路を設けることによって、第１ないし第４露点計を設けた流路を流れるガス流量が抑制され、各々の露点計に流入するガス流速が抑えられる。以下に、このような流量調整バルブを備えるバイパス流路を用いたガス流速の調整について説明する。なお、以下では、供給燃料ガスが流れる供給燃料ガスバイパス路６１と、この流路に設けられた第１流量調整バルブ２７について説明を行なうが、他のバイパス流路および流量調整バルブにおける動作も同様である。
【００７７】
ここで、供給燃料ガスバイパス路６１が備える第１流量調整バルブ２７における開度は、第１露点計２４を流れる燃料ガスの流速が、第１露点計２３における検出の精度を確保するために許容できる上限を超えないように設定されている。本実施例では、燃料電池１５における発電の条件が変動して、第１気化器３２から排出される排出燃料ガス量が変動する場合であっても、第１露点計２３を流れる燃料ガスの流速が上記上限を超えないように、第１流量調整バルブ２７の開度が一定の開度に固定されている。
【００７８】
第１露点計２４における検出の精度を確保するために許容できる上限の燃料ガスの流速とは、用いる露点計によって定まる値である。以下に、本実施例で第１露点計２４として用いる鏡面式露点計における許容できる上限の燃料ガスの流速について説明する。図５に基づいて既に説明したように、露点温度を検出する際には、ミラー９２の鏡面上で結露が発生し始める状態で気化と凝縮が平衡状態となるように、ペルチェ素子９３による冷却状態を制御しながら、すなわち水バランスおよび熱バランスを維持した状態で、露点温度の測定を行なう。このような露点計において、計測対象となる燃料ガスの流速が速すぎる場合には、サンプリングチャンバＳＣ内でいわゆる吹き飛ばし（凝縮した液水が速いガス流れによって吹き飛ばされる現象）が生じ、水バランスおよび熱バランスを維持した平衡状態が崩れ、露点計測の精度が不十分となる可能性がある。上記した上限の燃料ガスの流速とは、このような検出精度の低下を充分に抑制できる燃料ガスの流速の上限として設定される値である。本実施例では、燃料電池１５における発電の条件が変動して、マスフロメータ２１における供給燃料ガス流量や加湿器２２における加湿量、あるいは背圧弁３８によって調節される燃料電池内部の圧力が変化する場合であっても、第１露点計２３におけるガス流速が上記上限値を超えないように、第１流量調整バルブ２７の開度が一定の開度に固定されている。なお、鏡面式露点計に代えて、異なる方式の湿度センサを用いる場合にも、それぞれの検出原理等に応じて、用いる湿度センサごとに、許容できるガス流速の上限を定めればよい。
【００７９】
ここで、ガスの流速とは、ガス流量を流路断面積で除することによって得られる値である。本実施例では、第１加湿器２２から排出される燃料ガスの流量は、燃料電池１５を評価するための条件に基づいて設定される、第１マスフロメータ２１からの供給ガス流量および第１加湿器２２における加湿量によって定まる。また、燃料ガスの流路断面積は、第１露点計２４が配置された燃料ガス供給路６０の断面積と、供給燃料ガスバイパス路６１断面積の合計となる。このように、本実施例では、供給燃料ガスバイパス路６１を設けて燃料ガス流路の断面積を増加させることにより、第１露点計２４に流入する燃料ガスの流速を抑制することが可能となっている。換言すれば、本実施例では、供給燃料ガスバイパス路６１を設けて、第１露点計２４が設けられた燃料ガス供給路６０を流れるガス流量を減少させることにより、第１露点計２４に流入する燃料ガスの流速を抑制することが可能になっている。
【００８０】
さらに本実施例では、流路を分岐させて流路断面積を増加させることによって第１露点計２４に流入する燃料ガスの流速を抑えることに加えて、分岐させた流路に第１流量調整バルブ２７を設けることによって、燃料ガス供給路６０と供給燃料ガスバイパス路６１とに分配される燃料ガスの分配状態を、所望の状態にすることが可能となっている。燃料ガス供給路６０には、第１露点計２４の他にも、第１圧力計２５や第１流量計２６が設けられており、それぞれのセンサには、充分な検出精度を実現可能となる望ましいガス流速やガス流量がある。本実施例では、第１流量調整バルブ２７の開度を設定して、燃料ガス供給路６０を流れるガスの流速や流量が、上記した各センサに対応した望ましい範囲となるように、燃料ガスの分配状態を調整している。
【００８１】
なお、流路断面積を増加させることによる第１露点計２４でのガス流速の抑制は、第１流量調整バルブ２７を設けることなく、分岐させる流路の数を単に増加させることによっても実現可能である。ただしこの場合には、流路断面積は、分岐した個々の流路の断面積を合計した値となるため、分岐させる流路の本数に応じた不連続な値としてしか変化させることができない。したがって、各センサが設けられた流路における燃料ガスの分配割合も、分岐させる流路の本数に応じた不連続な値としてしか変化させることができない。これに対して本実施例では、第１流量調整バルブ２７の開度によって供給燃料ガスバイパス路６１における圧損を調節することで、燃料ガス供給路６０と供給燃料ガスバイパス路６１との間のガスの分配割合を調節可能となり、各センサが設けられた燃料ガス供給路６０における流量を連続的な値として変化させることができる。これにより、各センサにおけるガス流量を、より望ましい値に近づけることが可能になる。
【００８２】
ここで、各センサが設けられた燃料ガス供給路６０におけるガス流速を抑えると共に、ガス流量を連続的に制御するためには、例えば、燃料ガス供給路６０にバイパス路を設けることなく、燃料ガス供給路６０に流量調整バルブを設ける構成も可能である。ただしこの場合には、ガスの全量が通過する流量調整バルブにおいて、圧損が高まることになるため、燃料電池１５に供給するガス流量や燃料電池内部の圧力が影響を受けてしまい、燃料電池評価装置全体における燃料電池の運転条件の制御が困難になる。これに対して、本実施例では、流量調整バルブ２７を供給燃料ガスバイパス路６１に設けているため、流量調整バルブ２７に起因する圧損増加の影響を抑えつつ、各センサにおける燃料ガスの流速及び流量を調整することが可能になる。
【００８３】
なお、第１流量調整バルブ２７の開度は、既述したように一定の開度に固定する構成とする他、供給燃料ガス量に応じて制御しても良い。すなわち、第１加湿器２２を経由した燃料ガスの流量が多いほど、第１流量調整バルブ２７の開度を大きくして、供給燃料ガスバイパス路６１における流路抵抗を小さくし、第１露点計２４を流れる燃料ガスの流速の高まりを抑えることとしても良い。あるいは、第１加湿器２２を経由した燃料ガスの全量を第１露点計２４側に流しても、燃料ガスの流速が上限以下になる場合には、第１流量調整バルブ２７を閉弁することとしても良い。
【００８４】
また、本実施例では、第１露点計２４および供給燃料ガスバイパス路６１に分配される燃料ガスの流量を調整する流量調整部として、第１流量調整バルブ２７を設けたが、上記流量調整部は、さらに異なる構成としても良い。例えば、第１露点計２４に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給路６０と、供給燃料ガスバイパス路６１と、の接続部において、流量調整部としての三方弁を設け、この三方弁の開度を調節することにより、第１露点計２４および供給燃料ガスバイパス路６１に分配される燃料ガスの流量を調整しても良い。第１露点計２４に供給される燃料ガスの流速が、第１露点計２４が許容する上限値以下になるように燃料ガスの流れを調整することができれば、同様の効果が得られる。
【００８５】
Ｆ．評価に係る動作：
燃料電池評価装置１０は、燃料電池１５内を流れるガスに係る運転条件と、燃料電池１５内における水の挙動との関係を評価するための装置である。ここで、燃料電池の性能を評価する際には、一般に、出力電流値に対する出力電圧値の測定が行なわれる。所定の電流値に対して出力電圧値が高いほど、電池性能が優れていると判断できる。このような出力電圧値の低下を引き起こす要因としては、種々の要因が考えられ、例えば、内部抵抗の増大や、ガス利用率の低下を挙げることができる。燃料電池の内部抵抗の増大は、例えば、燃料電池の構成部材における内部抵抗の増大や、燃料電池の構成部材間における接触抵抗の増大によって引き起こされる。また、ガス利用率の低下は、例えば、電解質膜上に存在する過剰な液水によって引き起こされる。上記した電池性能の低下を引き起こす種々の要因の中でも、燃料電池の構成部材である電解質膜における内部抵抗の増大は、電解質膜の水分不足によって引き起こされるものであり、電解質膜上に存在する過剰な液水の問題と共に、電解質膜内における水の移動に関わる問題である。燃料電池の評価を行なう際に、本実施例の燃料電池評価装置１０を用いて、燃料電池内における水の挙動を調べることにより、電池性能に関わる問題のうち、燃料電池内部での水の移動に係る問題を明らかにすることができる。
【００８６】
燃料電池１５内における水の挙動は、燃料電池１５に供給されるガス中の水分量と、燃料電池１５から排出されるガス中の水分量と、発電に伴って燃料電池１５内で発生した生成水量と、に基づいて判断される。燃料電池においては、通常は、一定の条件下で発電を継続して行なうと、燃料電池に供給されるガス中の水分量および発電に伴って生じた生成水量の総量と、燃料電池から排出されるガス中の水分量と、が釣り合う定常状態に達する。本実施例の燃料電池評価装置１０では、例えば、このような定常状態における燃料電池内の水の挙動、具体的には電解質膜内をカソード側からアノード側へと移動する水の挙動を解析することにより、燃料電池の性能を評価することができる。
【００８７】
以下に、燃料電池評価装置１０が、燃料電池１５内における水の挙動を解析する動作について説明する。燃料電池１５内における水の挙動を解析する際には、燃料電池１５における生成水量の導出と、供給水分量の導出と、排出水分量の導出と、水の分配割合の導出を行なう。
【００８８】
燃料電池１５における生成水量の導出は、既述したように、燃料電池１５における発電量（具体的には、燃料電池１５における出力電流値）に基づいて、理論的に求めることができる。
【００８９】
燃料電池における供給水分量の導出は、燃料電池１５に供給される燃料ガス中の水蒸気量（Ｑvapor1）と、燃料電池１５に供給される酸化ガス中の水蒸気量（Ｑvapor3）とを合算することにより行なわれる。ここで、燃料電池１５に供給される供給燃料ガス中の水蒸気量（Ｑvapor1）は、既述したように、第１露点計２４が検出した露点温度および第１圧力計２５が検出した第１露点計２４における燃料ガス圧力から求められる供給燃料ガス中の水蒸気分圧（Ｐvapor1）と、第２圧力計２８が検出した供給燃料ガスの全圧（Ｐtotal1）と、第１マスフロメータ２１における供給燃料ガスのドライガス流量（Ｑdry1）に基づいて、（３）式により求めることができる。同様に、燃料電池１５に供給される供給酸化ガス中の水蒸気量（Ｑvapor3）は、第３露点計４４が検出した露点温度および第５圧力計４５が検出した第３露点計４４における酸化ガス圧力から求められる供給酸化ガス中の水蒸気分圧（Ｐvapor3）と、第６圧力計４８が検出した供給酸化ガスの全圧（Ｐtotal3）と、第２マスフロメータ４１における供給酸化ガスのドライガス流量（Ｑdry3）に基づいて、以下の（６）式により求めることができる。
【００９０】
Ｑvapor3＝Ｑdry3×Ｐvapor3／（Ｐtotal3−Ｐvapor3）    …（６）
【００９１】
燃料電池１５における排出水分量の導出は、燃料電池１５から排出される排出燃料ガス中の水蒸気量（Ｑvapor2）と、燃料電池１５から排出される排出酸化ガス中の水蒸気量（Ｑvapor4）とを合算することにより行なわれる。ここで、燃料電池１５から排出される排出燃料ガス中の水蒸気量（Ｑvapor2）は、第２露点計３４が検出した露点温度および第４圧力計３５が検出した第２露点計３４における排出燃料ガス圧力から求められる排出燃料ガス中の水蒸気分圧（Ｐvapor2）と、第３圧力計３１が検出した排出燃料ガスの全圧（Ｐtotal2）と、排出燃料ガスのドライガス流量（Ｑdry2）に基づいて、以下の（７）式により求めることができる。ここで、（７）式における排出燃料ガスのドライガス流量（Ｑdry2）は、以下の（８）式に示すように、第１マスフロメータ２１における供給燃料ガスのドライガス流量（Ｑdry1）から、燃料電池１５において発電によって消費された水素量（ＱconH）を減算することによって求められる。この燃料電池１５における消費水素量（ＱconH）は、既述したように、燃料電池１５における発電量（電流密度）に基づいて求めることができる。
【００９２】
Ｑvapor2＝Ｑdry2×Ｐvapor2／（Ｐtotal2−Ｐvapor2）    …（７）
Ｑdry2＝Ｑdry1  −  ＱconH                            …（８）
【００９３】
同様に、燃料電池１５から排出される排出酸化ガス中の水蒸気量（Ｑvapor4）は、第４露点計５４が検出した露点温度および第８圧力計５５が検出した第４露点計５４における排出酸化ガス圧力から求められる排出酸化ガス中の水蒸気分圧（Ｐvapor4）と、第７圧力計５１が検出した排出酸化ガスの全圧（Ｐtotal4）と、排出酸化ガスのドライガス流量（Ｑdry4）に基づいて、以下の（９）式により求めることができる。ここで、（９）式における排出酸化ガスのドライガス流量（Ｑdry4）は、以下の（１０）式に示すように、第２マスフロメータ４１における供給酸化ガスのドライガス流量（Ｑdry3）から、燃料電池１５において発電によって消費された酸素量（ＱconO）を減算することによって求められる。この燃料電池１５における消費酸素量（ＱconO）は、既述したように、燃料電池１５における発電量（電流密度）に基づいて求めることができる。
【００９４】
Ｑvapor4＝Ｑdry4×Ｐvapor4／（Ｐtotal4−Ｐvapor4）    …（９）
Ｑdry4＝Ｑdry3  −  ＱconO                            …（１０）
【００９５】
燃料電池１５における水の分配割合の導出は、燃料電池１５のカソードで生じた生成水が、アノード側とカソード側のそれぞれに対して、どのような割合で分配されたかを求めることにより行なわれる。既述したように、燃料電池が一定の条件で発電を継続して定常状態に達すると、燃料電池における水収支は、全体として釣り合った状態になる。具体的には、燃料ガスにおける供給側の水分量に対する排出側の水分量の増加分と、酸化ガスにおける供給側の水分量に対する排出側の水分量の増加分と、の合計は、生成水量に等しくなる。このような状態では、酸化ガスにおける供給側の水蒸気量（Ｑvapor3）に対する排出側の水蒸気量（Ｑvapor4）の増加量（Ｑvapor4−Ｑvapor3）は、カソードで発生した生成水の内、酸化ガス中に気化した水の量を反映する。また、燃料ガスにおける供給側の水蒸気量（Ｑvapor1）に対する排出側の水蒸気量（Ｑvapor2）の増加量（Ｑvapor2−Ｑvapor1）は、カソードで発生した生成水の内、カソード側からアノード側へと電解質膜内を移動して、燃料ガス中に気化した水の量を反映する。そのため、燃料電池１５における水の分配割合の導出は、上記した酸化ガス側における水蒸気量増加量（Ｑvapor4−Ｑvapor3）と、燃料ガス側における水蒸気量増加量（Ｑvapor2−Ｑvapor1）とを比較することにより行なわれる。
【００９６】
燃料電池において、各々のガスを介して排出される生成水の割合が、各々のガスの間で偏りの無い近い値であれば、電解質膜内を生成水が行き渡り、電解質膜の湿潤状態が良好に維持されていると考えられる。これに対して、生成水の大部分が一方のガスを介して排出され、他方のガスにおいて含まれる水分の絶対値が小さくなったときには、水分量が少ないガスが流れる側の電解質膜表面が水不足となっており、電解質膜の乾燥に起因する電池性能の低下が生じている可能性があることが分かる。このような解析を行なう際には、評価の対象となる燃料電池１５において、燃料電池内部のガス圧、発電時の運転温度、供給ガスの加湿量、あるいは、燃料電池における発電量（出力電流値）などの条件を一つずつ変動させつつ、上記生成水の分配割合を求めることで、燃料電池１５の性能評価を行なうことができる。
【００９７】
以上のように構成された本実施例の燃料電池評価装置１０によれば、燃料電池１５に供給するために加湿されたガスの露点温度を検出する際に、あるいは、燃料電池１５から排出されて液水がすべて気化されたガスの露点温度を検出する際に、露点計への導入に先立って、露点計で露点温度を検出する際の精度に係るガスの状態を調整している。具体的には、導入されたガスによって加熱される露点計の温度が、ガスの露点温度よりも高く露点計の耐熱温度より低い温度になるように、ガスに対する加熱量を調節している。また、露点計に導入するガスの流速を、露点計の精度を確保するために許容できる上限を超えない流速に抑えている。このような構成とすることにより、燃料電池１５が発電する際の条件が変動する場合であっても、燃料電池１５への供給ガス、あるいは、燃料電池１５からの排出ガスにおける露点温度を精度良く計測することが可能になる。
【００９８】
より具体的には、導入されたガスによって加熱される露点計の温度が、予測したガスの露点温度よりも高い温度となるように、加熱部においてガスに対する加熱量を調節しているため、燃料電池１５が発電する際の条件が変動する場合であっても、露点計に導入されるガス中の水蒸気が凝縮することに起因する露点温度検出精度の低下を抑制することができる。また、導入されたガスによって加熱される露点計の温度が、露点計の耐熱温度よりも低い温度となるように、加熱部においてガスに対する加熱量を調節しているため、露点計の温度が上昇し過ぎることに起因する露点計の耐久性の悪化を抑制することができる。
【００９９】
また、露点計に導入するガスの流速を、露点計の精度を確保するために許容できる上限を超えない流速に抑えているため、露点計において、ガス流速が過剰となり水バランスおよび熱バランスを維持した平衡状態が崩れることに起因する検出精度の低下を抑制することができる。
【０１００】
ここで、本実施例の燃料電池評価装置１０では、各露点計に先立って、ガス中の水分が水蒸気として存在するように、ガス中の水分の状態を調整する水蒸気含有状態調整部が設けられている。具体的には、燃料電池１５に供給するための供給ガスの流路では、供給ガスを所望の湿度になるように加湿する加湿器が設けられており、燃料電池１５から排出された排出ガス流路では、流路中の液水を全量気化させるための気化器が設けられている。本実施例では、上記した加熱部は、加湿器や気化器などの水蒸気含有状態調整部と露点計とを接続する流路全体を加熱するように設けられているため、燃料電池１５の発電に係る条件が変動する場合であっても、途中でガス中の水蒸気が凝縮することが無く、水蒸気含有状態調整部で水蒸気含有状態が調整された状態を維持して、露点計で露点温度を計測することができる。
【０１０１】
特に、排出ガス側では、水蒸気含有状態調整部として気化器を設けてガス中の水を全量気化させている。そのため、例えば、燃料電池１５における発電量が増加して排出ガス中の水分量（水蒸気および液水の合計量）が増加する場合や、供給ガスにおけるストイキ比（理論的に求められる必要なガス量に対する実際に供給したガス量の比）が小さく排出ガスにおける水分量（水蒸気量と液水量の合計）が多くなる場合であっても、露点計において排出ガス中の水分量を水蒸気量として、より具体的には水蒸気濃度である湿度を求めるための露点温度として、精度良く検出することができる。
【０１０２】
このように、排出ガス側では、露点計に供給する排出ガスを加熱するために、排出ガス中の水を全量気化させるために高温で加熱を行なう気化器と、露点計の温度を目標温度にするために加熱を行なう加熱部と、を組み合わせている。そのため、気化器によって、水が全量気化された状態を確保すると共に、加熱部によって、露点計の耐熱温度を超えることなく所望の温度のガスを露点計に供給する動作の信頼性を高めることができる。
【０１０３】
また、本実施例の燃料電池評価装置１０では、上記のように露点計に供給するガスの温度を調節する際に、ガスの露点温度の予測を行なって、加熱部における加熱量を制御している。そのため、燃料電池１５の発電に係る条件が変動しても、露点計における望ましくない結露を抑制し、露点温度の検出精度を確保することができる。ここで、特に排出ガスでは、発電に伴って生じた生成水量や、発電により消費された電極活物質（水素あるいは酸素）の量によって、露点温度が変動する。具体的には、燃料電池１５に供給されるガスにおけるストイキ比（理論的に求められる必要なガス量に対する実際に供給したガス量）や、発電量や、燃料電池１５内部における生成水の分配比（燃料ガス側に気化する生成水量と、酸化ガス側に気化する生成水量の比）によって、排出ガスにおける露点温度が変動する。このように露点温度が変動する場合であっても、変動の要因となる上記ストイキ比（実施例では、供給したドライガス流量と、発電により消費された電極活物質量）や、発電量や、燃料電池１５における分配比に基づいて露点温度を予測して、加熱部における加熱量を設定しているため、露点計における露点温度の計測の精度を充分に確保することができる。
【０１０４】
また、本実施例の燃料電池評価装置１０では、ガスから熱の供給を受ける露点計における温度が上記の様に予測した露点温度以上になるように、加熱部を制御する際に、ガス流量に基づいて加熱部における加熱量を調節している。そのため、ガス流量が多すぎることにより露点計の温度が上昇しすぎたり、ガス流量が不足することにより露点計の温度が充分に確保できず結露が生じることを抑制可能となる。ここで、供給ガスの流量は、マスフロメータ２１，４１と、加湿器２２，４２の設定によって比較的精度良く調節可能である。これに対して排出ガスの流量は、発電により電極活物質が消費されることにより減少すると共に、生成水が気化することにより増加するため、燃料電池１５の発電に係る条件の変化に伴って大きく変動し得る。本実施例では、上記のような変動の要因を考慮して排出ガス量を算出して加熱部における加熱量を制御しているため、発電条件が変動しても露点計温度を所望の温度範囲にして、精度良く露点温度の検出を行なうことができる。
【０１０５】
さらに、本実施例の燃料評価装置１０では、露点計温度Ｔsに基づいて、露点計が精度良く露点温度を検出可能となる下限値Ｔdminを求め、露点温度Ｔdが下限値Ｔdminを下回るときには、加熱部における加熱量が減少するように加熱部を制御して、ガスから露点計に供給される熱量を抑えることによって、露点計の温度を低下させている。このように、計測された露点温度Ｔdに応じて露点計温度Ｔsを変更することにより、検出対象であるガスの露点温度が高い状態と低い状態との間で大きく変動する場合であっても、露点温度検出の精度を確保することが可能になる。
【０１０６】
Ｇ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や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。
【０１０７】
Ｇ１．変形例１：
実施例では、湿度センサとして、圧力計が併設された露点計を用いたが、異なる種類の湿度センサを用いても良い。他種の湿度センサを用いる場合であっても、本発明を適用して、湿度センサに供給されるガスの温度や流速など、湿度センサにおける検出の精度に関わる状態を調整することにより、燃料電池の発電に係る条件が変動しても、燃料電池に供給するガスあるいは燃料電池から排出されるガスの湿度検出の精度を確保することができる。
【０１０８】
Ｇ２．変形例２：
実施例では、各加熱部を、配管ヒータと露点計ヒータとによって構成し、配管ヒータによる加熱量は一定としつつ、露点計ヒータによる加熱量を、ガス流量等に基づいて変更することとしたが、異なる構成としても良い。例えば、露点計ヒータに代えて、配管ヒータの加熱量を変更することとしても良く、あるいは、配管ヒータの加熱量と露点計ヒータの加熱量の両方を変更することとしても良い。湿度センサに供給するガスに対する加熱部全体としての加熱量を、ガス流量等に基づいて実施例と同様に制御することにより、実施例と同様の効果を得ることが可能になる。
【０１０９】
Ｇ３．変形例３：
燃料電池評価装置１０の各部の構成は、実施例に対して種々の変形が可能である。例えば、圧力計と露点計の配置の順序は、実施例とは異なる順序であっても良い。露点計が露点温度を計測するガスの圧力と、圧力計の検出するガス圧との間の誤差を抑えるために、露点計と圧力計とは、充分に近くに配置すればよい。
【０１１０】
また、実施例では、燃料電池評価装置１０が備える制御部７０において、燃料電池１５の評価をするための、生成水量の導出と、供給水分量の導出と、排出水分量の導出と、水の分配割合の導出と、を行なうこととしたが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池評価装置１０は、燃料電池の運転条件と、供給ガス中の水分量と、排出ガス中の水分量と、生成水量と、に係る情報の取得のみを行なうこととしても良い。そして、取得した情報に基づいて、既述した電解質膜における水の挙動（生成水の分配割合）の導出を含む燃料電池の評価のための処理を実行するのは、別体の装置としても良い。
【０１１１】
Ｇ４．変形例４：
実施例では、燃料電池評価装置１０としたが、異なる構成の装置に本願発明を適用しても良い。例えば、負荷に対して電力を供給するための電源として用いる燃料電池システムにおいて、本願発明を適用しても良い。すなわち、車両などの移動体に駆動用電源として搭載する燃料電池システムや、定置型の発電装置としての燃料電池システムにおいて、本願発明を適用することができる。燃料電池に供給されるガスの流路および／または燃料電池から排出されるガスの流路内を流れるガス中の水蒸気量を検出・監視するためにガス流路に湿度センサを設ける場合には、本願発明を適用することにより、ガス中の湿度検出の精度を向上させて湿度センサの耐久性を確保し、センサの信頼性を高める同様の効果が得られる。このように、燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給するガスあるいは燃料電池から排出されるガス中の水蒸気量を検出・監視する場合には、用いる燃料電池は、固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であっても良い。例えば、固体酸化物型燃料電池のように、固体高分子型燃料電池以外の燃料電池を用いる場合には、電解質膜における水の移動はないが、供給ガスや排出ガス中の水蒸気量を精度良く検出可能になることにより、このような検出結果を、例えば、燃料電池内におけるフラッディングの発生の判定や、フラッディングを抑える運転制御に利用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】燃料電池評価装置１０に燃料電池１５を取り付けた様子の概略構成を表すブロック図である。
【図２】供給燃料ガス流量とヒータ制御温度との関係を表わす説明図である。
【図３】燃料電池１５に対して給排される燃料ガスと酸化ガスのそれぞれについて、流量および圧力の関係をまとめて示す説明図である。
【図４】排出燃料ガス流量とヒータ制御温度との関係を表わす説明図である。
【図５】鏡面式露点計である第１露点計２４の概略構成を表わす説明図である。
【図６】ヒータ制御温度補正処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１３】
１０…燃料電池評価装置
１５…燃料電池
２０…燃料ガス供給部
２１…第１マスフロメータ
２２…第１加湿器
２３…第１配管ヒータ
２４…第１露点計
２５…第１圧力計
２６…第１流量計
２７…第１流量調整バルブ
２８…第２圧力計
２９…第１温度調節部
３０…酸化ガス供給部
３１…第３圧力計
３２…第１気化器
３３…第２配管ヒータ
３４…第２露点計
３５…第４圧力計
３６…第２流量計
３７…第２流量調整バルブ
３８…第１背圧弁
４０…酸化ガス供給部
４１…第２マスフロメータ
４２…第２加湿器
４３…第３配管ヒータ
４４…第３露点計
４５…第３圧力計
４６…第３流量計
４７…第３流量調整バルブ
４９…第２温度調節部
５２…第２気化器
５３…第４配管ヒータ
５４…第４露点計
５６…第４流量計
５７…第４流量調整バルブ
５８…第２背圧弁
６０…燃料ガス供給路
６１…供給燃料ガスバイパス路
６２…燃料ガス排出路
６３…排出燃料ガスバイパス路
６４…酸化ガス供給路
６５…供給酸化ガスバイパス路
６６…酸化ガス排出路
６７…排出酸化ガスバイパス路
６８，６９…三方弁
７０…制御部
８０…第１加湿ガス分岐路
８１…第２加湿ガス分岐路
８２…第１露点計ヒータ
８３…第１温度センサ
８４…第２露点計ヒータ
８５…第２温度センサ
８６…第３露点計ヒータ
８７…第３温度センサ
８８…第４露点計ヒータ
８９…第４温度センサ
９０…発光素子
９１…受光素子
９２…ミラー
９３…ペルチェ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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