(57)【要約】【課題】  露点計を用いた試験装置に比べて応答性を改善できる燃料電池の試験装置の提供。【解決手段】（１）燃料電池１３へのガスの供給経路１に、ガス流れ方向に順に、乾燥したガスの質量流量を制御する流量制御部２と、流量制御部２で流量制御されたガスの少なくとも一部を加湿する加湿部と、加湿部を通った後のガスの質量流量を計測する質量流量計１０を設け、  流量制御部２で制御された乾燥ガスの流量値と質量流量計１０で計測された混合ガスの質量流量値とに基づいて混合ガスの露点を演算するようにした、燃料電池の試験装置。（２）質量流量計１０がコリオリ式流量計である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へのガスの供給経路に、ガス流れ方向に順に、乾燥したガスの質量流量を制御する流量制御部と、流量制御部で流量制御されたガスの少なくとも一部を加湿する加湿部と、加湿部を通った後のガスの質量流量を計測する質量流量計を設け、
流量制御部で制御された乾燥ガスの流量値と質量流量計で計測された混合ガスの質量流量値とに基づいて混合ガスの露点を演算するようにした、燃料電池の試験装置。
【請求項２】
前記質量流量計がコリオリ式流量計である請求項１記載の燃料電池の試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の試験装置に関し、とくに燃料電池に供給するガスの露点計測の応答性を向上させた燃料電池の試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単位燃料電池（セル）、たとえば単位固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを重ねたものからなる。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の一側に設けられたアノードと、電解質膜の他側に設けられたカソードとを、有する。ＭＥＡの一側のセパレータにはアノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、ＭＥＡの他側のセパレータにはカソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成される。
アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
プロトンが電解質膜中を移動するには、電解質膜が適宜に湿潤状態になければならないので、燃料電池の運転において、燃料ガス、酸化ガスは、加湿して供給される。
【０００３】
燃料電池の試験において、水素、エアの加湿ガスにより試験する。その際、露点（湿度）は重要なファクターとなる。従来は、特開２００３−３４６８５５号公報に開示されているように、燃料電池の試験装置で、供給ガスの加湿条件を露点温度に基づき制御している。この露点温度は露点計で計測され、露点計は静電容量式（湿度の変化によって静電容量が変化するのを検出して露点を計測する方式）露点計である。
【特許文献１】特開２００３−３４６８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、露点計による露点計測には、つぎの問題がある。
（イ）計測の応答性が悪い（３〜４分かかる）。自動車用燃料電池のように条件が変化するものへの適用が困難である。
（ロ）ガスが過飽和となって露点計の検出部が液滴をかぶると計測が不可能でなる。
本発明の目的は、露点計を用いた試験装置に比べて応答性を改善できる燃料電池の試験装置を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、露点計を用いた試験装置に比べて応答性を改善でき、かつ液滴による計測不能の問題を生じない燃料電池の試験装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する本発明はつぎの通りである。
（１）  燃料電池へのガスの供給経路に、ガス流れ方向に順に、乾燥したガスの質量流量を制御する流量制御部と、流量制御部で流量制御されたガスの少なくとも一部を加湿する加湿部と、加湿部を通った後のガスの質量流量を計測する質量流量計を設け、
流量制御部で制御された乾燥ガスの流量値と質量流量計で計測された混合ガスの質量流量値とに基づいて混合ガスの露点を演算するようにした、燃料電池の試験装置。
（２）  前記質量流量計がコリオリ式流量計である（１）記載の燃料電池の試験装置。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）の燃料電池の試験装置によれば、（従来の露点計に代えて）質量流量計を設け、流量制御部で制御された乾燥ガスの流量値と質量流量計で計測された混合ガスの質量流量値とに基づいて混合ガスの露点を演算するようにしたので、従来の露点計がなくなり、露点計を用いたために生じていた、応答性が低い、水滴付着時の計測不能、のいずれの問題もなくなる。
上記（２）の燃料電池の試験装置によれば、質量流量計にコリオリ式流量計を用いたため、応答性が高い（１秒以内）、耐久性がよい、検出子がなく検出子への水滴の付着がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の燃料電池の試験装置を図１〜図４を参照して説明する。
本発明の燃料電池の試験装置で試験される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１３である。該燃料電池１３は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
図４に示すように、固体高分子電解質型燃料電池（セル）１３は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ２２とを重ねたものからなる。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１７と、電解質膜１７の一側に設けられたアノード１８と、電解質膜１７の他側に設けられたカソード１９とを、有する。ＭＥＡとセパレータ２２との間には、アノード側に拡散層２０が、カソード側に拡散層２１が、それぞれ設けられてもよい。ＭＥＡの一側のセパレータ２２にはアノード１８に燃料ガス（たとえば、水素）を供給するための燃料ガス流路２３が形成され、ＭＥＡの他側のセパレータ２２にはカソード１９に酸化ガス（たとえば、酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２４が形成される。セパレータ１８のＭＥＡに対向する側の面と反対側の面には冷却水流路２５が形成される。ＭＥＡを挟んで対向するセパレータ２２は、流路まわりを、接着剤２６にてシールされる。
【０００９】
図１〜図３に示すように、燃料電池の試験装置は、試験される燃料電池１３（この燃料電池は単一の燃料電池でもよいし、複数セルを互いに接着したモジュール状態の燃料電池でもよいし、複数のモジュールを積層したスタック状態の燃料電池でもよい）に接続されるガスの供給経路１が２本設けられる。この２本のガスの供給経路１（１Ａ、１Ｂ）は互いに同じ経路構成を有しており、一方のガスの供給経路１（１Ａ）を通して燃料電池１３に燃料ガス（たとえば、水素）が供給され、他方のガスの供給経路１（１Ｂ）を通して燃料電池１３に酸化ガス（たとえば、エア）が供給される。燃料ガス、酸化ガスは乾燥状態でガスの供給経路１に供給され、燃料電池１３に至るまでの途中で、少なくとも一部が、加湿部にて加湿される。
【００１０】
燃料電池１３へのガスの供給経路１（１Ａ、１Ｂ）には、ガス流れ方向に順に、乾燥したガスの質量流量を制御する流量制御部２（たとえば、流量制御弁）と、流量制御部２で流量制御されたガスの少なくとも一部を加湿する加湿部（符号３、４、５、６、７、８、９を付した構造部分）と、加湿部を通った後のガスの質量流量を計測する質量流量計１０が設けられる。質量流量計１０が設けられる位置には、従来は、露点計が設けられていて露点計で露点が計測されていたが、本発明では露点計は使用されず、質量流量計１０が設けられる。本発明では、質量流量計１０では質量流量が測定され、流量制御部２で制御された流量値とから、露点温度が演算で求められる。
また、望ましくは、燃料電池１３へのガスの供給経路１には、燃料電池１３のすぐ上流部位に、加熱部１２が設けられ、燃料電池１３からのガスの排出経路１には、燃料電池１３の背圧を制御することができる背圧制御部１４が設けられる。試験される燃料電池１３には、試験中、電子負荷１５が接続され、また、冷却水経路１６が接続される。
【００１１】
ガスの少なくとも一部を加湿する加湿部は、２つの流路部分６、７と、流量制御部２で流量制御されて流れてきたガスを流路部分６、７に分配する分配部３（分岐部）と、ガスの流路部分６、７に流れる量の分配割合を制御する流量制御バルブ４、５（バルブ４、５は一つの三方弁に置換されてもよい）と、一方の流路部分６に設けられた加湿器８（上流から流れてきたガスを水中にバブリングさせ、ほぼ１００％湿度の加湿ガスとして流出させる加湿器）と、他方の流路部分７を流れてきた乾燥ガスと流路部分６から流れてきたほぼ１００％湿度の加湿ガスとを混合させる流路合流部９と、を有する。
ただし、ガスの少なくとも一部を加湿できるものであれば、加湿部は上記以外の構成をとってもよい。たとえば、流路が１本で、そこにミストを噴霧するタイプの加湿部でもよい。
【００１２】
加湿部を通った後のガスの質量流量を計測する質量流量計１０は、たとえば、コリオリ式流量計（質量流量計１０と同じものであるため、コリオリ式流量計の符号も「１０」とする）を使用することができる。ただし、質量流量を計測する質量流量計であれば、コリオリ式流量計以外の流量計を使用してもよい。
【００１３】
コリオリ式流量計１０は、露点センサーではなく、図３に示すように、Ｕ字型分岐管１０ａを紙面と直行方向に振動させた時にＵ字型分岐管１０ａの全体流れに生じるコリオリ力による抵抗力を測定して質量流量を求める流量計で、市販されている物理的流量計である。質量流量計１０を用いて、ドライガスとウエットガスとの混合ガスの露点をつぎのようにして求めることができる。
（ｉ）流量制御部２でドライガスの流量（Ｘｇ／ｍｉｎ）を計測する。
（ii）ドライガスとウエットガスとの混合ガスの質量流量（Ｙｇ／ｍｉｎ）を質量流量計１０で計測する。
（iii ）Ｘ、Ｙに基づいて、混合ガス中のガスと水蒸気をモル換算する。
（iv）ガスと水蒸気のモル比率を算出する。
（ｖ）質量流量計１０のすぐ上流の位置に設けた圧力計１１で混合ガスの全体圧を計測し、この全体圧とモル比率から、水蒸気分圧を求める。
（vi）水蒸気分圧に対応する温度（露点温度）を飽和水蒸気圧から求める。
このようにして、質量流量計１０で混合ガスの質量流量を計測すれば、後は演算で露点が求まる。
【００１４】
質量流量計１０と流量制御部２（たとえば、流量制御弁）をそれぞれ演算装置３０（コンピュータ）に電気的に接続しておき、質量流量計１０と流量制御部２の計測流量の電気信号を演算装置３０にインプットして、上記（ｉ）〜（vi）の手順で、露点を演算により求める。演算装置３０は、演算で求めた露点が、試験対象燃料電池１３の加湿ガスの目標湿度に対応する露点となるように、流量制御バルブ４、５を制御して分配部３での分配を制御し、加湿器８を通るガス量を制御する。
【００１５】
上記試験装置を用いて、つぎのように、燃料電池の試験方法が実行され、燃料電池１３が試験される。
２本のガスの供給経路１（１Ａ、１Ｂ）の一方のガスの供給経路１（１Ａ）を通して燃料電池１３に燃料ガス（たとえば、水素）を供給し、他方のガスの供給経路１（１Ｂ）を通して燃料電池１３に酸化ガス（たとえば、エア）を供給する。
燃料ガス、酸化ガスは、ガスの供給経路１（１Ａ、１Ｂ）の途中で、燃料ガス、酸化ガスのそれぞれの目標湿度に加湿されて、燃料電池１３に供給される。それぞれの目標湿度への加湿において、ドライガスとウェットガスとの混合ガスの質量流量が質量流量計１０で計測され、この計測値と、流量制御部２の計測流量とから、混合ガスの露点が演算される。そして、この演算で求めた露点が、試験対象燃料電池１３の加湿ガスの目標湿度に対応する露点となるように、流量制御バルブ４、５が制御されそれによって分配部３での分配が制御され、それぞれの目標湿度とされて、燃料電池１３に供給される。
【００１６】
これによって、つぎの本発明の燃料電池の試験装置の効果が得られる。
質量流量計１０、たとえば、コリオリ式流量計による質量流量計測と（演算装置３０による）露点演算は、従来の露点計による露点計測に約３〜４分を要していたのにくらべて、はるかに短い時間（たとえば、約１秒以内）に行うことができる。その結果、試験対象の燃料電池１３に供給する加湿ガスを目標湿度に応答性よく制御することができる。
また、従来の静電容量式の露点計のように検出子がガス流路に臨んでいる露点計測では、過飽和で液滴が検出子に被ると露点を計測することができなくなるが、本発明ではガス流路に臨む検出子をもたないので、液滴による露点計測不能の問題は生じない。
さらに、質量流量を計測するという物理的計測によるので、露点計とそれを用いた試験装置に比べて、試験装置の耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の燃料電池の試験装置の、質量流量計とそれより上流側の、ガス供給経路の系統図である。
【図２】図１のガス供給経路を含む、本発明の燃料電池の試験装置のガス供給・排出系の系統図である。
【図３】コリオリ式流量計の概略系統図である。
【図４】試験される燃料電池（単セルの場合）の一部の断面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  ガス供給経路
１Ａ  燃料ガス供給経路
１Ｂ  酸化ガス供給経路
２  流量制御部（たとえば、流量制御弁）
３  分配部
４、５  （流量制御）バルブ
６  加湿器を含む方のガス流路部分
７  加湿器を含まない方のガス流路部分
８  加湿器
９  流路合流部
１０  質量流量計（コリオリ式流量計）
１０ａ  Ｕ字型分岐管
１１  圧力計
１２  加熱部
１３  試験される燃料電池、（固体高分子電解質型燃料電池）
１４  背圧制御部
１５  電子負荷
１６  冷却水経路
１７  電解質膜
１８  アノード
１９  カソード
２０、  ２１  拡散層
２２  セパレータ
２３  燃料ガス流路
２４  酸化ガス流路
２５  冷却水流路
２６  接着剤
３０  演算装置（コンピュータ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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