(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される燃料ガスを水を一定温度に加熱して発生させた蒸気を与えて加湿する加湿手段と、
前記加湿された燃料ガスの露点温度を計測する露点温度計測手段と、
前記露点温度計測手段で計測された燃料ガスの露点温度に応じて前記加湿手段が加熱する温度を制御する制御手段とを備える燃料電池の試験装置。
【請求項２】
前記制御手段が前記計測された燃料ガスの露点温度に応じて前記加湿手段が加熱する温度の制御を６０秒に１回以上のサイクルで行うように構成された請求項１に記載の燃料電池の試験装置。
【請求項３】
前記燃料ガスを加湿手段により加湿する前に予備加熱する予備加熱手段を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池の試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の性能を試験するための燃料電池の試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池では、水素と酸素との化学反応で生じた電子の流れによって発電が行われる。そして、燃料電池には、水素を供給するための水素ガスを含む燃料ガスと、酸素を供給するための酸化剤ガスとが供給される。
【０００３】
そして、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給するにあたっては、加湿して水分を与えた後に供給するようにされている。このように、燃料ガス及び酸化剤ガスに水分を与えて供給することにより、燃料電池内でのイオン導電性を高めて発電効率を高めるようにされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記加湿した燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電を行うにあたり、前記加湿されたガスの露点温度は、燃料電池内でのイオン導電性に影響し発電の特性に影響を与える。
【０００５】
従って、燃料電池の各種の性能を試験するための試験装置において供給するガスの露点温度が変動すると、燃料電池の発電特性自体が変化するので、各種試験に対する燃料電池の性能を客観的に評価することができない。
【０００６】
一方、従来、燃料電池に供給する加湿したガスの露点温度は加湿するための水分添加量と加熱温度とから演算で求めていた。そして、燃料電池にガスを供給するにあたり、この演算により求められた露点温度を得るための条件でガスの加湿を行っていた。
【０００７】
従って、実際に燃料電池に供給されるガスの露点温度は前記演算で求めた露点温度と一致しないので、燃料電池の発電の特性に変動を生じ、燃料電池の性能の客観的な試験を行うことは困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料ガスを加湿して燃料電池に供給するにあたり、その露点温度の変動を防ぐことができる燃料電池の試験装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、燃料電池に供給される燃料ガスを水を一定温度に加熱して発生させた蒸気を与えて加湿する加湿手段と、
前記加湿された燃料ガスの露点温度を計測する露点温度計測手段と、
前記露点温度計測手段で計測された燃料ガスの露点温度に応じて前記加湿手段が水を加熱する温度を制御する制御手段とを備える燃料電池の試験装置である（請求項１）。
【００１０】
本発明の燃料電池の試験装置によると、燃料電池に供給する加湿された燃料ガスの露点温度を計測し、該計測された露点温度に応じて加湿手段が加湿を行う際の加熱温度を制御する。これにより、燃料電池に供給される燃料ガスの露点温度が目標の温度から変動することを防ぐことができる。これにより、燃料電池が発電する動作を安定させることができ、燃料電池に対する客観的な性能試験を行うことができる。
【００１１】
また、上記燃料電池の試験装置について、前記制御手段が前記計測された燃料ガスの露点温度に応じて前記加湿手段が加熱する温度の制御を６０秒に１回以上のサイクルで行うように構成することができる（請求項２）。
【００１２】
これにより、少なくとも６０秒に１回以上のサイクルで、燃料ガスの露点温度を計測し、該計測に基づいて加湿手段が加熱する温度の制御を行うので、露点温度の変動を確実に防ぐことができる。
【００１３】
また、上記燃料電池の試験装置について、前記燃料ガスを加湿手段により加湿する前に予備加熱する予備加熱手段を備えることができる（請求項３）。これにより、燃料ガスを加湿する前に予備加熱するので、加湿する際の燃料ガスの露点温度を短時間で目標の温度に到達させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一例である燃料電池の試験装置２０（以下、「試験装置２０」という）の構成の概略を示す図である。また、図２は、図１に示される試験装置２０の燃料電池に対する制御系を示すブロック図である。
【００１５】
試験装置２０は、図１に示されるように、燃料電池１と、燃料電池１によって動作させる負荷装置２と、コントローラ３を備えている。燃料電池１は、後に説明するように、内部で発電を行い外部へ電力を出力する。そして、燃料電池１の電力は、特に図示しないインバータによって所定の周波数の交流電力に変換して外部へ供給されるようにされている。
【００１６】
燃料電池１より出力された電力は負荷装置２に供給される。燃料電池１より出力された電力は、電流が電流線６によって供給され、電圧が電圧線７を介して印加されることにより負荷装置２で燃料電池１の電流、電圧が測定される。また、負荷装置２と連携して、周波数アナライザ９に燃料電池１のインピーダンス測定が計測される。負荷装置２、周波数アナライザ９で測定された電圧、電流、インピーダンスはコントローラ３に収集される。また、コントローラ３により、負荷装置２及び周波数アナライザ９により測定する条件の設定もできる。
【００１７】
コントローラ３は、この試験装置２０の制御を行う。そして、コントローラ３は、試験装置２０の制御を行うために必要な、特に図示されない記憶部や演算部を備えている。
【００１８】
コントローラ３は、これを操作することにより燃料電池１の性能試験を行うことができる。また、コントローラ３には、露点温度制御プログラムが格納されており、該露点温度制御プログラムを実行することによって燃料電池１に供給する燃料ガスの露点温度を制御することができる。コントローラ３は、加湿された燃料ガスの露点温度を制御するための制御手段にあたる。
【００１９】
コントローラ３は、図１に示されるように、入力用のキーボードとテレビモニタを備えるデスクトップ型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）により構成することができる。また、コントローラ３を、デスクトップ型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）に代えて、図１に示されるノート型パソコン（ＰＣ）により構成することもできる。
【００２０】
コントローラ３にはシーケンサ１１が接続されている。そして、コントローラ３による燃料電池１の動作の制御は、シーケンサ１１を介する燃料電池１の制御系との所要のデータの入出力によって行う。
【００２１】
また、燃料電池１の性能試験を行う場合には、コントローラ３により燃料電池１を発電させて電力を出力させ、この電力により負荷装置２を動作させる。そして、負荷装置２で測定された電圧データ、電流データ、及び周波数アナライザ９で測定されたインピーダンスデータがコントローラ３に収集される。
【００２２】
このように、この試験装置２０は、燃料電池１により負荷装置２を動作させた場合の負荷装置２側の電圧データ、電流データ及び周波数データをコントローラ３に収集し、これら収集された測定データに基づいて燃料電池１の性能を評価することができる。
【００２３】
次に、燃料電池１の制御系について、図２に基づき説明する。
【００２４】
燃料電池１は、本体内に電解質と燃料極と酸素極とが設けられており、水素ガスを含む燃料ガスと酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気とを供給することにより、その本体内での水素及び酸素の電気化学反応によって発電させることができ、外部に電力を出力する。
【００２５】
燃料電池１の電解質におけるイオン伝導性を向上させて発電能力を高めるためには、燃料電池１に供給するガスに水分を与える必要があり、前記ガスを加湿してから燃料電池１に供給する。また、燃料電池１として、前記電解質が高分子型電解質である高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いると、特に発電効率が高い。これにより、高い発電効率を利用して、より多くの試験項目を選択することができる。
【００２６】
水素ガスを含む燃料ガスは、燃料ガス供給系３０より燃料電池１に供給される。燃料ガス供給系３０は、水素バランス供給系３２と水素ガス供給系３５とを備える。水素バランス供給系３２により供給される水素バランス（Ｈ2バランス）は水素ガスに加え幾分かの不純物ガスを含んでいる。一方、水素ガス供給系３５からは、純粋の水素（Ｈ2）ガスが供給される。
【００２７】
水素バランス供給系３２には、水素バランスを送るための第一の供給管３１が設けられている。また、水素ガス供給系３５には、水素ガスを送るための第二の供給管３６が設けられている。
【００２８】
第一の供給管３１は、図２に示されるように、その途中で分岐した三つの経路が並列に設けられている。この第一の供給管３１の三つの経路は、通過させるガス流量が異なっている。そして、選択した経路の電磁弁を開くとともに他の経路の電磁弁を閉じることによって、選択した経路によりガスを導くことができ、ガスの通過流量を制御することができる。この各経路の通過させるガス流量は、コントローラ３により設定することができる。また、各経路に設けられる電磁弁の開閉は、コントローラ３により制御できる。
【００２９】
また、第二の供給管３６についても、図２に示されるように、その途中で分岐した三つの経路が並列に設けられている。この第二の供給管３６の三つの経路についても、第一の供給管３１の三つの経路と同様に、各経路が通過させるガス流量が異なっており、各経路の電磁弁を開閉することにより、ガスを導く経路を選択することができる。また、各経路の通過させるガス流量をコントローラ３により設定できるとともに、各経路の電磁弁の開閉をコントローラ３により制御できる。
【００３０】
第一の供給管３１と第二の供給管３６とは、その燃料電池１側にあたる下流側で燃料ガス伝達管３７に接続される。この燃料ガス伝達管３７には、その上流側に内部を通る燃料ガスを加熱するための第一の加熱器３８が設けられている。
【００３１】
第一の加熱器３８は、燃料ガス伝達管３７に配設された巻線式ヒータによって加熱できるようにされるとともに、加熱温度調節機構（ＴＩＣ−１５２）によって加熱対象の温度を検出しつつ目標の温度に加熱できるようにされている。この第一の加熱器３８は、コントローラ３により加熱温度調節機構（ＴＩＣ−１５２）を介して制御されるようにされている。この第一の加熱器３８は、燃料ガスを気化器３３で加湿する前に予備加熱し、予備加熱手段にあたる。
【００３２】
また、燃料ガス伝達管３７のさらに下流側には、気化器３３が設けられている。図２に示されるように、気化器３３には、純水タンク４０より送り出された水が水供給系４１を介して供給される。この水供給系４１は、途中で分岐した三つの経路が並列に設けられており、各経路の通過させる水の流量が異なり、各経路の電磁弁を開閉することにより、水を導く経路を選択することができる。また、各経路の通過させる水の流量はコントローラ３により設定できるとともに、各経路の電磁弁の開閉をコントローラ３により制御できる。
【００３３】
気化器３３には、第二の加熱器３９が設けられている。第二の加熱器３９は、巻線式ヒータによって気化器３３内に供給された水を加熱できるようにされるとともに、加熱温度調節機構（ＴＩＣ−１５３）によって加熱対象の温度を検出しつつ目標の温度に加熱できるようにされている。そして、第二の加熱器３９は、コントローラ３により、加熱温度調節機構（ＴＩＣ−１５３）を介して制御されるようにされている。
【００３４】
気化器３３について、図３に基づいて説明する。図３は、気化器３３の内部を図示する拡大図である。気化器３３内のガスが導かれる通路３３ａには、直径約１ｍｍ程度のガラスビーズが充填される。そして、気化器３３の通路３３ａには水が導入されるが、この水は第二の加熱器３９により加熱されて蒸気化する。
【００３５】
気化器３３には、水が１時間あたり約１〜１０ｃｃ程度の量で供給される。また、第二の加熱器３９により気化器３３内の通路３３ａが加熱される温度は約１１０℃以上２００℃以下の範囲とされる。そして、気化器３３に供給された燃料ガスが通路３３ａ内を通過する際に水蒸気と混合され、加湿された燃料ガスとされて気化器３３より送り出される。
【００３６】
以上に説明したように、気化器３３は、燃料ガスを水蒸気を付与して加湿することができる。また、気化器３３は、第二の加熱器３９により水蒸気を発生させる際の加熱の温度によって、加湿された燃料ガスの露点の温度を制御することもできる。この気化器３３は、燃料ガス伝達管３７より導かれた燃料ガスを加湿する加湿手段にあたる。
【００３７】
また、図２に示されるように、気化器３３のさらに下流側には、一端が気化器３３に接続され、他端が燃料電池１に接続される燃料ガス導入管４５が設けられている。この燃料ガス導入管４５は、気化器３３より送り出された燃料ガスを燃料電池１へ導く。そして、燃料ガスは、燃料ガス導入管４５より燃料電池１の本体内へと導かれる。
【００３８】
この燃料ガス導入管４５の燃料電池１に対する手前側には、露点センサ４６が設けられる。この露点センサ４６は、燃料ガス導入管４５内の燃料ガスの露点温度を計測するものであり、露点温度計測手段にあたる。この露点センサ４６により計測された露点温度データは、コントローラ３に入力されるようにされている。
【００３９】
なお、以上の燃料ガスを燃料電池１に供給するにあたり、水素バランス供給系により水素バランスのみ供給することができ、水素供給系より水素ガスのみ供給することもでき、水素バランス及び水素ガスを混合して供給することもできる。この燃料ガスの供給は、コントローラ３による水素バランス供給系３２及び水素ガス供給系３５の制御によって決まる。
【００４０】
また、図２において、空気供給系５０は、燃料電池１に酸化剤ガスを供給するための空気を供給する。空気供給系には、空気を導くための空気供給管５１、水が蓄えられるリザーバタンク５６を備える恒温器５５及び空気導入管５７が設けられる。リザーバタンク５６には純水タンク４０より送り出された水が蓄えられる。
【００４１】
空気供給系５０では、空気供給管５１に送り出された空気は、恒温器５５のリザーバタンク５６へ導かれて水分を付与される。そして、リザーバタンク５６で水分を付与された空気は、リザーバタンク５６から空気導入管５７に導かれ、空気導入管５７から燃料電池１の本体内へと導かれる。
【００４２】
また、図２に示される窒素供給系６０より窒素ガスが供給され、水素バランス供給系３２や水素供給系３５に設けられる燃料電池１に燃料ガスを送る配管や、空気供給系５０に設けられる燃料電池１に空気を送る配管に窒素ガスを送ることができる。
【００４３】
これにより、燃料電池１が発電する動作を終了した後に配管中に残存している燃料ガスや空気や水分を、窒素ガスとともに回収し除去することができる。これにより、例えば、燃料ガスとして水素バランスを供給して燃料電池１に発電させ、この運転の終了後に燃料ガスとして純粋水素ガスを供給して燃料電池１に発電させる場合に、燃料電池１の試験に対する客観性を損なうことがない。
【００４４】
また、図２において、６１は第一の排出管であり、６２は第二の排出管である。第一の排出管６１及び第二の排出管６２は、燃料電池１内の電気化学反応に伴って生じた水を外部へ排出させるためのものである。
【００４５】
第一の排出管６１より排出された水はドレンポット６３に蓄えられ、第二の排出管６２より排出された水はドレンポット６４に蓄えられる。そして、ドレンポット６３、６４に蓄えられた水分のみが排水系６５により排出される。一方、ドレンポット６３に蓄えられた水分に混在する燃料ガスは、燃料排ガス系６６により排出される。また、ドレンポット６４に蓄えられた水分に混在する空気は空気排ガス系６７により排出される。
【００４６】
この試験装置２０によると、以上に説明したように、水素バランス及び純粋の水素ガスの各々を燃料ガスとして供給することができる。これにより、燃料ガスの種類の違いを燃料電池１の試験の項目にできる。
【００４７】
次に、この試験装置２０により加湿した燃料ガスの露点温度を制御する動作の例を、図４に基づいて説明する。図4は、燃料ガスの露点温度を制御する動作の手順を示すフローチャートである。
【００４８】
まず、試験装置２０の電源をオン（ＯＮ）すると、図２に示される燃料電池１の制御系を動作させることができる。また、制御電源がＯＮ（オン）され（Ｓ１）、コントローラ３により燃料電池１の制御系を制御することができる。また、コントローラ３において露点温度制御プログラムの実行が開始される。
【００４９】
次に、コントローラ３により、加熱温度調節機構（ＴＩＣ−１５２）を介して第一の加熱器３８による加熱を完了し所定の温度に達して昇温完了したか否か判断される（Ｓ２）。そして、昇温完了したと判断されるまで待機する（Ｓ２、ＮＯ）。また、第一の加熱器３８による昇温完了したと判断されると（Ｓ２、ＹＥＳ）、コントローラ３が露点監視タイマーをスタートさせる（Ｓ３）。この露点監視タイマーは、第一の加熱器３８による燃料ガスの予備加熱と気化器３３による燃料ガスの加湿及び加熱の開始から一定時間が経過したことを検知する。
【００５０】
露点監視タイマーは、コントローラ３により露点温度制御プログラムの指令によってスタートさせることができる。また、露点監視タイマーにより検知された時間を露点温度制御プログラムに読み込み、露点温度制御プログラムにおいて時間の経過を判断できるようになっている。
【００５１】
そして、露点監視タイマーにより一定の時間が経過したことが検知されタイムアップと判断されるまで待機する（Ｓ４、ＮＯ）。この燃料ガスに対する予備加熱及び加湿を開始してから一定時間が経過することを待つことにより、加湿された燃料ガスが安定してから露点温度を計測することができる。
【００５２】
次に、タイムアップと判断されると（Ｓ４、ＹＥＳ）、露点監視処理が開始される（Ｓ５）。露点監視処理は、気化器３３により加湿された燃料ガスの露点温度が目標とする温度であるか否か監視する処理である。
【００５３】
露点監視処理が開始されると、露点センサ４６によって検知された燃料ガスの露点温度のデータがコントローラ３に入力され、この露点温度のデータは露点温度制御プログラムに読み込まれる。
【００５４】
そして、検知された燃料ガスの露点温度が上昇したか否か判断し、露点温度が上昇したと判断されると（Ｓ６、ＹＥＳ）、露点温度制御プログラムの指令により、コントローラ３が気化器３３に備わる第二の加熱器３９の加熱温度調節機構（ＴＩＣ−１５３）の温度設定を下げる（ダウン）制御を行う（Ｓ８）。
【００５５】
一方、Ｓ６において、露点温度が上昇したと判断されない場合には（Ｓ６、ＮＯ）、露点温度が下降したか否か判断する（Ｓ７）。そして、露点温度が下降したと判断されると（Ｓ７、ＹＥＳ）、露点温度制御プログラムの指令により、コントローラ３が気化器３３に備わる第二の加熱器３９の加熱温度調節機構（ＴＩＣ−１５３）の温度設定を上げる（アップ）制御を行う（Ｓ９）。
【００５６】
また、Ｓ７において、露点温度が下降したと判断されない場合には（Ｓ７、ＮＯ）、待機し、Ｓ５の手順に戻る。
【００５７】
以上のＳ５乃至Ｓ９の手順を実行するにあたり、燃料ガスの露点温度の目標値を１１５℃に設定するのが好ましい。そして、Ｓ６の手順において、露点センサ４６により検知された燃料ガスの露点温度が露点温度の目標値に対して０．３℃以上上昇した場合に露点温度が上昇したと判断するのが好ましい。そして、Ｓ８の手順において第二の加熱器３９の加熱温度調節機構（ＴＩＣ−１５３）の設定温度を下げるにあたり、０．３℃下げるのが好ましい。これにより、燃料ガスの露点温度が上昇した場合に、速やかに対応して露点温度を制御できる。
【００５８】
また、Ｓ７の手順において、露点センサ４６により検知された燃料ガスの露点温度が露点温度の目標値に対して０．５℃以上下降した場合に露点温度が下降したと判断するのが好ましい。そして、Ｓ９の手順において第二の加熱器３９の加熱温度調節機構（ＴＩＣ−１５３）の設定温度を上げるにあたり、０．５℃上げるのが好ましい。これにより、燃料ガスの露点温度が下降した場合に、速やかに対応して露点温度を制御できる。
【００５９】
また、Ｓ６の手順により燃料ガスの露点温度が上昇したか否か判断し、Ｓ７の手順により燃料ガスの露点温度が下降したか否か判断するにあたり、そのサイクルを６０秒に１回以上とするのが好ましい。これにより、燃料ガスの露点温度が目標とする温度より外れた場合に、速やかに対応して露点温度を制御できるからである。
【００６０】
なお、第二の加熱器３９の加熱温度調節機構（ＴＩＣ−１５３）に設定する温度の下限を１１０℃とするのが好ましい。この設定温度を１１０℃未満とすると、気化器３３内の温度を下げすぎることとなり、燃料ガスの露点温度を再度上昇させるのが容易でなくなるからである。
【００６１】
また、第二の加熱器３９の加熱温度調節機構（ＴＩＣ−１５３）に設定する温度の上限を１１７℃とするのが好ましい。該設定温度が１１７℃を越えると、気化器３３内の温度を上げすぎることとなり、燃料ガスの露点温度を再度下降させるのが容易でなくなるからである。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池の試験装置によると、燃料電池に供給する加湿した燃料ガスの露点温度を計測し、その計測結果に応じて燃料ガスを加湿する温度を制御する。
【００６３】
これにより、燃料ガスの露点温度を高精度で目標の温度に制御することができ、かつ短時間で目標の温度に制御することができる。これにより、燃料電池が発電する動作を安定させることができるので、燃料電池に対する客観的な性能試験を行えるという効果を奏する。また、燃料ガスの露点温度を短時間で安定させることにより、該安定させた後の実験を連続して行うことができ、従来長時間を要した実験を短時間で終了させることができるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の試験装置の構成の概略を示すブロック図である。
【図２】燃料電池の制御系の構成の概略を示すブロック図である。
【図３】気化器の構成を示す図である。
【図４】露点温度を制御する動作を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１    燃料電池
２    負荷装置
３    コントローラ
６    電流線
７    電圧線
９    周波数アナライザ
１１    シーケンサ
２０    試験装置
３０    燃料ガス供給系
３１    第一の供給管
３２    水素バランス供給系
３３    気化器
３５    水素ガス供給系
３６    第二の供給系
３７    燃料ガス伝達管
３８    第一の加熱器
３９    第二の加熱器
４０    純水タンク
４１    水供給系
４５    燃料ガス導入管
４６    露点センサ
５０    空気供給系
５１    空気供給管
５５    恒温器
５６    リザーバタンク
５７    空気導入管
６１    第一の排出管
６２    第二の排出管
６３、６４    ドレンポット
【図１】
0003686882.tif 000002
【図２】
0003686882.tif 000003
【図３】
0003686882.tif 000004
【図４】
0003686882.tif 000005