(57)【要約】  【課題】ガス流量の多寡、設定露点の高低に拘わらず高精度で安定した露点制御が可能で、しかも速い応答性を得られる新規有用な燃料電池の加湿システムを提供する。  【解決手段】フィードバック露点制御部５ｉ及びフィードフォワード露点制御部５ｊを設け、フィードバック露点制御部５ｉによるフィードバック露点制御中に、露点を変えたいとき、又は、ガス流量などの変動により露点が変わる可能性があるときには、制御出力値調節部５ｋにより、蒸気流量調節手段４１、４２の制御を、フィードバック露点制御からフィードフォワード露点制御に切り替えて行われるようにした。  【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給するガスの加湿量を調節可能な加湿量調節手段と、
前記加湿量調節手段により加湿されたガスの露点を測定する露点センサと、
前記露点センサにより測定した加湿ガスの測定露点と設定露点とを比較し、前記測定露点を前記設定露点に近づけるべく、前記加湿量調節手段をフィードバック制御するフィードバック露点制御部と、
設定露点に基づいて、前記加湿量調節手段をフィードフォワード露点制御するフィードフォワード露点制御部と、
前記フィードバック露点制御部の出力値と前記フィードフォワード露点制御部の出力値とを所定比率にして前記加湿量調節手段に出力する制御出力値調節部と、を具備して成ることを特徴とする燃料電池の加湿システム。
【請求項２】
前記フィードバック露点制御部の動作中に、前記環境パラメータの少なくとも一つの値に所定量の変化がある場合に、前記制御出力値調節部が、フィードフォワード露点制御の比率を大きくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項３】
前記フィードバック露点制御部の動作中に、前記環境パラメータの少なくとも一つの値に所定量の変化がある場合に、前記制御出力値調節部が、前記フィードバック露点制御からフィードフォワード露点制御に切り替えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項４】
前記フィードフォワード露点制御部の動作中に、前記所定量の変化があった環境パラメータの値が安定する場合に、前記制御出力値調節部が、フィードバック露点制御の比率を大きくすることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池の加湿システム。
【請求項５】
前記加湿量調節手段が、蒸気を発生する蒸気発生源と、この蒸気発生源から延出して設けられ、燃料電池にガスを供給するガス供給ラインに接続されている蒸気供給ラインと、前記蒸気供給ライン上に設けられ、当該蒸気供給ラインを流れる蒸気量を調節可能な蒸気流量調節手段と、を具備することを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の燃料電池の加湿システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に特に好適に適用され、電解質として用いられる固体高分子膜の加湿量をダイナミックに変化させることができる燃料電池の加湿システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学的エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。その中でも、イオン導電性を有する固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、出力密度が高いこと、構造が単純であること、動作温度が比較的低いことなどの特徴があり、より一層の技術開発への期待が高まっている。
【０００３】
ところで、前記固体高分子膜には、プロトンを伝導させるために水分が必要不可欠であり、その含水率に応じて発電性能が変化しやすいなどの理由から、含水率を適切な範囲に保つ必要がある。このため、燃料電池に供給するガス（アノードガス及びカソードガス）を加湿器により適度に加湿するようにしている。
【０００４】
そしてそのための加湿器としては、従来、液相中に細かな気泡としたガスを通し、加湿するいわゆるバブリング方式と称されるもの（特許文献１）や、水を加熱して蒸気を生成しこれを前記ガスに混合させるインジェクション方式のもの（特許文献２）などが知られている。
【特許文献１】特開２００２−２５２０１１号公報
【特許文献２】特開２００４−２２０８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池は、ガス流量を変化させガス露点を一定にして試験を行ったり、ガス流量を一定にしてガス露点を変化させて試験を行ったりする等、さまざまな条件で試験が行われるため、試験中に蒸気混合ガスを精度良く設定露点に保つことができ、また、ガス流量の多寡、設定露点の高低にかかわらず安定した露点制御を行え、さらに、ガス供給を安定した状態で広いレンジ変更においても迅速な応答を実現することが要求される。
【０００６】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、主たる目的は、ガス流量の多寡、設定露点の高低に拘わらず高精度で安定した露点制御が可能で、しかも速い応答性を得られる新規有用な燃料電池の加湿システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
【０００８】
すなわち、本発明に係る燃料電池の加湿システムは、燃料電池に供給するガスの加湿量を調節可能な加湿量調節手段と、前記加湿量調節手段により加湿されたガスの露点を測定する露点センサと、前記露点センサにより測定した加湿ガスの測定露点と設定露点とを比較し、前記測定露点を前記設定露点に近づけるべく、前記加湿量調節手段をフィードバック制御するフィードバック露点制御部と、設定露点に基づいて、前記加湿量調節手段をフィードフォワード露点制御するフィードフォワード露点制御部と、前記フィードバック露点制御部の出力値と前記フィードフォワード露点制御部の出力値とを所定比率にして前記加湿量調節手段に出力する制御出力値調節部と、を具備して成ることを特徴とする。
【０００９】
ここで、露点センサは、例えば、静電容量タイプ等の湿度と温度とを測定し演算により露点を求めるタイプや、鏡面冷却タイプなど、各種タイプのものを用いることができる。
【００１０】
また、環境パラメータとは、当該加湿システムに設けた各種センサ等による実測値や設定値を言う。例えば、ライン上を流れる加湿される前のガスの流量、露点、温度、圧力及び燃料電池の背圧など、これらの値を単独又は組み合わせたものが挙げられる。
【００１１】
また、フィードフォワード露点制御に用いる設定露点は、環境パラメータから得られる予測露点であってもよい。
【００１２】
ここで、設定露点とは、オペレータからの入力やシステムにより設定される加湿ガスの目標露点値を言う。
【００１３】
測定露点とは、露点センサにより測定される実際の値を言う。
【００１４】
予測露点とは、環境パラメータを１または複数用いて算出される値を言う。
【００１５】
このようなものであれば、例えば、測定露点と設定露点との比較した値に基づき制御するフィードバック露点制御と、設定露点に基づき制御するフィードフォワード露点制御とを、並行して若しくは切り替えて用いることができため、精度に優れるフィードバック露点制御、および、応答性や外乱（ガス流量の変化や背圧の変化など）に対する安定性に優れるフィードフォワード露点制御のそれぞれの利点を生かすことができる。
【００１６】
例えば、ガス流量はほぼ同じで、露点にも変化が無いなどの場合には、制御出力値調節部で、フィードバック露点制御の比率が大きくなるようにすれば良い。露点センサにより測定した加湿ガスの測定露点と設定露点とに基づき、加湿量調節手段がフィードバック露点制御される。したがって、加湿ガスを精度良く設定露点に保つことができる。
【００１７】
また、例えば、露点を変えるとき、又は、ガス流量や背圧などの変動や、発電量の変化などがあるときには、制御出力値調節部で、フィードフォワード露点制御の比率が大きくなるようにすれば良い。このようにすれば、このフィードフォワード露点制御は、設定露点及び予測露点に基づいて行われるため、露点制御の応答性が向上し、ガス流量の多寡、設定露点の高低にかかわらず安定した露点制御に資するようになる。
【００１８】
したがって、ガス流量の多寡、設定露点の高低に拘わらず高精度で安定した露点制御が可能で、しかも速い応答性を得られる新規有用な燃料電池の加湿システムを提供することができる。
【００１９】
また、前記フィードバック露点制御部の動作中に、前記環境パラメータの少なくとも一つの値に所定量の変化がある場合に、前記制御出力値調節部が、フィードフォワード露点制御の比率を大きくすることが望ましい。
【００２０】
ここで、「所定量の変化がある」とは、これから起こり得る変化を予測する場合と、変化があった後の場合とを含む。
【００２１】
このように構成すれば、システムの動作中に、設定露点に変更がある場合や、ガス流量、背圧、発電量などに変更がある場合に、自動的にフィードフォワード露点制御の比率が大きくなるので、応答性と外乱に対する安定性とをより高めることができる。
【００２２】
露点制御のより早い応答性を実現するには、前記フィードバック露点制御部の動作中に、前記環境パラメータの少なくとも一つの値に所定量の変化がある場合に、前記制御出力値調節部が、前記フィードバック露点制御からフィードフォワード露点制御に切り替えることが望ましい。
【００２３】
精度良い露点制御を実現するには、前記フィードフォワード露点制御部の動作中に、前記所定量の変化があった環境パラメータの値が安定する場合に、前記制御出力値調節部が、フィードバック露点制御の比率を大きくすることが好ましい。ここで、所定量の変化があった環境パラメータの値が安定するとは、偏差が所定量以下になることを指す。
【００２４】
本発明の望ましい態様としては、前記加湿量調節手段が、蒸気を発生する蒸気発生源と、この蒸気発生源から延出して設けられ、燃料電池にガスを供給するガス供給ラインに接続されている蒸気供給ラインと、前記蒸気供給ライン上に設けられ、当該蒸気供給ラインを流れる蒸気量を調節可能な蒸気流量調節手段と、を具備するものが挙げられる。
【００２５】
なお、燃料電池に供給されるガスを加湿する方式としては、例えば、水を加熱して蒸気を生成しこれをガスに混合させるインジェクション方式や、液相中に細かな気泡としたガスを通し、加湿するいわゆるバブリング方式や、その他ガスを加湿する方式は、さまざまであるが、本発明の加湿システムには、各種方式を採用することができる。
【００２６】
その中でも特に本発明の加湿システムにインジェクション方式のものを用いた場合、特に、大流量高露点から小流量低露点まで幅広いレンジを必要とされる自動車用燃料電池評価装置などに好適に使用することができる。以下、従来のインジェクション方式及びバブリング方式の特質を述べつつ、本発明の燃料電池の加湿システムにインジェクション方式のものを用いた場合の利点を説明する。
【００２７】
従来のバブリング方式の代表的なものとしては、ＤＲＹガスラインと、バブラーを流路上に配したＷＥＴガスラインとを設けるタイプがある。
【００２８】
バブリング方式の場合、ＤＲＹガスラインとＷＥＴガスラインとのガス流量比率を変更することにより、ガス露点を変更できるため、比較的速いガス露点応答性を得られるが、加湿ガスとドライガスの流量比率により供給可能なガス露点下限が決定するため、少流量低露点には限界がある。
【００２９】
一方、従来のインジェクション方式は、露点を変更する場合、蒸気供給量の変更で対応できるため、応答は速い。しかし、ガス流量変化時にはガス露点を一定にするためには水分量を正確な量に変化させねばならず、フィードバック露点制御のみだと、安定性が悪いといった弱点がある。
【００３０】
そこで、フィードバック露点制御、フィードフォワード露点制御の切り替えと、インジェクション方式とを組み合わせて採用すると、従来のインジェクション方式の弱点である安定性の悪さを克服することができる。
【００３１】
つまり、環境パラメータの少なくとも一つの値に所定量の変化がある場合、例えば、設定露点に変更がある場合や、ガス流量、背圧、発電量などに変更がある場合に、フィードフォワード露点制御を行うことにより、設定露点と予測露点とを用いて蒸気供給量を制御できるため、環境パラメータの変化に対応した蒸気供給量変化も速くなり、安定性も向上する。
【００３２】
このように本発明にインジェクション方式を採用すれば、ガス露点を迅速に変動させる必要が生じたときなどの対応が容易であり、小ガス流量で低露点から大ガス流量で高露点への変化においても速い応答性、且つ、加湿ガスが間欠することなく供給することができるので、発電した状態でガス流量、露点を、変更することができる。また、バブリング方式に比べワイドレンジ化を図ることができる。
【発明の効果】
【００３３】
このように本発明によれば、ガス流量の多寡、設定露点の高低に拘わらず高精度で安定した露点制御が可能で、しかも速い応答性を得られる新規有用な燃料電池の加湿システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００３５】
図１に示す燃料電池１は、内部構造の図示は省略するが、例えば固体高分子型のもので、イオン導電性を有する固体高分子膜と、その固体高分子膜を両側から挟み込む２枚の平行平板電極であるアノード（燃料極［負極］）及びカソード（空気極［正極］）と、それら電極に水素を含むアノードガス（燃料ガス）ＡＧ及び酸素を含むカソードガス（酸化ガス）ＣＧを接触させるための燃料極流路及び空気極流路とを備えたセルによって構成される。
【００３６】
前記燃料極流路及び空気極流路の導入ポート１１、１２は、アノードガス供給ラインＬ１及びカソードガス供給ラインＬ２に接続してあって、これら各ガス供給ラインＬ１、Ｌ２（以下、「ガス供給ラインＬ」と総称する場合もある）を介してアノードガスＡＧ及びカソードガスＣＧが前記各電極に送り込まれることにより燃料電池１による発電が営まれる。
【００３７】
ところで、アノードガスＡＧ及びカソードガスＣＧは、図示しないボンベ等からドライ状態で各ガス供給ラインＬ１、Ｌ２に送り込まれてくるところ、そのドライガスの流量は、ガス流量調節手段であるマスフローコントローラ２１、２２によってそれぞれ所定流量に制御される。また、前記固体高分子膜には、水分を補給する必要があるため、この実施形態では、各ガス供給ラインＬ１、Ｌ２に途中から水蒸気（以下、蒸気とも言う）を添加する加湿システムＷＳを設けている。なお以下の説明中、ドライ状態のガスと水蒸気が添加されてウェット状態となったガスとの区別が必要なときは、添え字にＤ及びＷをそれぞれ付す。
【００３８】
次に、本発明の一実施形態である加湿システムＷＳを、図面を参照して説明する。
【００３９】
本実施形態の加湿システムＷＳは、様々な環境における燃料電池の発電性能を評価する燃料電池評価装置の一部を構成するものであって、図１、図２に示すように、加湿量調節手段として蒸気を発生する蒸気発生源３と、その蒸気発生源３から延出して、前記アノードガス供給ラインＬ１及びカソードガス供給ラインＬ２にそれぞれ接続された一対の蒸気供給ラインＳＬ１、ＳＬ２と、前記各蒸気供給ラインＳＬ１、ＳＬ２を流れる蒸気量をそれぞれ調節する蒸気流量調節手段４１、４２とを設け、前記各ガス供給ラインＬ１、Ｌ２における前記各蒸気供給ラインＳＬ１、ＳＬ２が合流した後のラインＬ１ｂ、Ｌ２ｂ上に設けられ蒸気が混合されたアノードガスＡＧＷ及びカソードガスＣＧＷ（これらを、蒸気混合ガスＧＷとも呼ぶ）の露点を測定する露点センサＭ１、Ｍ２と、アノードガスＡＧＷ及びカソードガスＣＧＷがそれぞれ予め定めた設定露点となるようにフィードバック露点制御（ＦＢ露点制御）又はフィードフォワード露点制御（ＦＦ露点制御）する制御装置５とを備えている。ここで、本加湿システムＷＳの加湿制御方式は、蒸気発生源３で水を加熱させて蒸気を生成しこれをガス供給ラインＬ１、Ｌ２上を流れるガスに混合させるインジェクション方式を採用している。以下、各部を具体的に説明する。なお、アノードガスＡＧ及びカソードガスＣＧを制御する構成は同様であるため、図２では、カソードガスＣＧ側の制御ブロックを適宜省略している。
【００４０】
蒸気発生源３は、水を貯蔵した密閉タンク３１と、その水を加熱するヒータ３２とを備えてなるものであり、この水をヒータ３２で加熱することにより蒸気を生成し、密閉タンク３１の空間部分が、蒸気は少なくとも背圧以上になるように制御されていてその蒸気で充満されるように構成している。そして、この密閉タンク３１の空間部分には蒸気導出ポート３ａを設けており、このポート３ａに前記蒸気供給ラインＳＬ１、ＳＬ２の基端を接続することで、生成した蒸気が当該蒸気供給ラインＳＬ１、ＳＬ２に供給されるように構成している。
【００４１】
各蒸気供給ラインＳＬ１、ＳＬ２は、その基端部が共通の一本の配管になっており、途中から分岐して、終端がそれぞれアノードガス供給ラインＬ１及びカソードガス供給ラインＬ２の途中に設けた合流部Ｊ１、Ｊ２に接続されている（以下、ガス供給ラインＬ１、Ｌ２における合流部Ｊ１、Ｊ２より下流側を、合流ラインＬ１ｂ、Ｌ２ｂとも呼び、上流側を合流前ラインＬ１ａ、Ｌ２ａとも呼ぶ。）。一方、この蒸気供給ラインＳＬ１、ＳＬ２において、分岐部Ｓよりも下流側には、順に蒸気の上流側への戻りを防止する逆止弁ＣＶ１、ＣＶ２、蒸気の流量を調節する前記蒸気流量調節手段４１、４２が設けられている。なお、各蒸気供給ラインＳＬ１、ＳＬ２は、テープヒータ等の温度調節機構（図示しない）を有しており、内部で結露しない所定温度以上となるように配管温度又はガス温度が制御されている。また、各ガス供給ラインＬ１、Ｌ２は、合流部Ｊ１、Ｊ２の上流側及び下流側には、該ラインＬ１、Ｌ２上を流れるガスの温度を制御する第１のガス温度制御手段６１１、６２１及び第２のガス温度制御手段６１２、６２２をそれぞれ設けてある（図１では図示略）。そして、これら各ガス温度制御手段６１１、６２１、６１２、６２２には、外部信号により温度コントロール可能なヒータを用いている。
【００４２】
さらに、アノードガス供給ラインＬ１上にある第１のガス温度制御手段６１１と第２のガス温度制御手段６１２とが、後述する混合前フィードバック温度制御部５ｇ１と混合後フィードバック温度制御部５ｇ２とによってそれぞれＦＢ温度制御されるようにしている。
【００４３】
また、同様に、カソードガス供給ラインＬ２上にある第１のガス温度制御手段６２１と第２のガス温度制御手段６２２とが、混合前フィードバック温度制御部５ｇ１と混合後フィードバック温度制御部５ｇ２とによってそれぞれＦＢ温度制御されるようにしている。
【００４４】
蒸気流量調節手段４１、４２は、外部からの信号によってその弁開度を制御し、内部流量を調節可能なリモート操作式のものである。そして、この蒸気流量調節手段４１の下流には、温度センサＴ１１、Ｔ１２が設けてある。具体的には、温度センサＴ１１は、前記蒸気供給ラインＳＬ１上に取り付けてあり、温度センサＴ１２は、ガス供給ラインＬ１における合流部Ｊ１より下流側（燃料電池１のガス導入ポート１１近傍）に取り付けてある。このうち、温度センサＴ１２で検知された温度は、後述する混合後フィードバック温度制御部５ｇ２に入力される。同様に、この蒸気流量調節手段４２の下流には、温度センサＴ２１、Ｔ２２が設けてあり、このうち、温度センサＴ２２で検知された温度は、混合後フィードバック温度制御部５ｇ２に入力される。また、この蒸気流量調節手段４１、４２には、バルブ内部の温度を測定する図示しない温度センサを設けてあり、適宜ＦＢ温度制御されるように構成している。
【００４５】
また、この蒸気流量調節手段４１、４２の上流及び下流にはそれぞれ圧力センサＰＣ、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ２１、Ｐ２２が設けてあり、蒸気流量調節手段４１、４２の一次圧（上流側流体圧力）及び二次圧（下流側流体圧力）を検知できるように構成している。蒸気流量調節手段４１、４２の一次圧を検知する一次圧センサである圧力センサＰＣは、前記蒸気供給ラインＳＬ１、ＳＬ２の分岐部Ｓに設けてあり、各蒸気流量調節手段４１、４２の一次圧をこの単一の圧力センサＰＣで共通に検知する。蒸気流量調節手段４１の二次圧センサである圧力センサＰ１１、Ｐ１２のうち、圧力センサＰ１１は、ガス供給ラインＬ１における合流部Ｊ１より下流側（燃料電池１のガス導入ポート１１近傍）且つ燃料電池１の上流側に設けてあり、圧力センサＰ１２は、燃料電池１の下流側（燃料電池１のガス導出ポート近傍）に設けてある。また、蒸気流量調節手段４２の二次圧センサである圧力センサＰ２１、Ｐ２２のうち、圧力センサＰ２１は、ガス供給ラインＬ２における合流部Ｊ２より下流側（燃料電池１のガス導入ポート１２近傍）且つ燃料電池１の上流側に設けてあり、圧力センサＰ２２は、燃料電池１の下流側（燃料電池１のガス導出ポート近傍）に設けてある。なお、圧力センサＰ１１〜Ｐ２２は表示部を有しており、圧力モニタとしての役割も果たす。
【００４６】
露点センサＭ１、Ｍ２は、静電容量タイプのものを用いている。この静電容量タイプの露点センサＭ１、Ｍ２は、鏡面冷却タイプの露点センサＭ１、Ｍ２に比べ、応答性に優れているからである。なお、実施態様に応じて、鏡面冷却タイプのものを用いることができるし、また、各種タイプのものを用いることができる。
【００４７】
制御装置５は、汎用乃至専用のコンピュータを利用したものであり、図３に示すように、内部バス５０１、ＣＰＵ５０２、メモリ５０３、Ｉ／Ｏチャネル５０４、Ａ／Ｄコンバータ５０５等を備えている。そしてメモリ５０３に予め記憶させた所定プログラムにしたがって前記ＣＰＵ５０２が動作することにより、この制御装置５が、図４に示すように、データ受信部５ａ、ガス流量設定部５ｂ、露点設定部５ｃ、ガス温度設定部５ｄ、背圧設定部５ｅ、蒸気圧力設定部５ｙ、ガス流量制御部５ｆ、混合前フィードバック温度制御部５ｇ１、混合後フィードバック温度制御部５ｇ２、フィードバック背圧制御部５ｈ、フィードバック露点制御部５ｉ、フィードフォワード露点制御部５ｊ、制御出力値調節部５ｋ等としての機能を発揮するように構成している。以下、各部を詳述する。なお、以下の説明文及び図面中、アノード側とカソード側との区別が必要なときは、添え字にＡ及びＤをそれぞれ付す。
【００４８】
データ受信部５ａは、種々のデータを受信するものである。ここでは、測定パラメータに係るデータの一部、すなわち、前記圧力センサＰＣ及び圧力センサＰ１１、Ｐ１２、Ｐ２１、Ｐ２２から出力されてくる各蒸気流量調節手段４１、４２の一次圧データ及び二次圧データ、ガス温度制御手段６１１、６２１よりも下流で且つ合流部Ｊ１、Ｊ２よりも上流に設けた温度センサＴ１０、Ｔ２０や蒸気流量調節手段４１、４２の下流に設けた温度センサＴ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２から出力されてくる測定温度データ、露点センサＭ１、Ｍ２から出力されてくる測定露点データを少なくとも受信する。なお、この他の測定パラメータとしては、後述する各ガスの流量測定値があり、これら測定パラメータに係るデータは、メモリ５０３の所定領域に設定した測定パラメータデータ格納部Ｄ１に格納される。
【００４９】
ガス流量設定部５ｂは、オペレータからの入力や他のコンピュータからの信号等に基づいて、蒸気混合前の各ガスの目標流量をそれぞれ設定し、その値を示す設定流量データを、メモリ５０３の所定領域に設けた設定データ格納部Ｄ２に格納するものである。
【００５０】
露点設定部５ｃは、オペレータからの入力や他のコンピュータからの信号等に基づいて、各ガスの目標露点をそれぞれ設定し、その値を示す設定露点データを、前記設定データ格納部Ｄ２に格納するものである。
【００５１】
ガス温度設定部５ｄは、オペレータからの入力や他のコンピュータからの信号等に基づいて、蒸気混合前及び蒸気混合後の各ガスの目標温度を設定し、それぞれの値を示す混合前設定温度データ及び混合後設定温度データを、メモリ５０３の所定領域に設けた設定データ格納部Ｄ２に格納するものである。
【００５２】
背圧設定部５ｅは、オペレータからの入力や他のコンピュータからの信号等に基づいて、燃料電池１の目標背圧を設定し、その値を示す設定背圧データを、メモリ５０３の所定領域に設けた設定データ格納部Ｄ２に格納するものである。
【００５３】
蒸気圧力設定部５ｙは、オペレータからの入力や他のコンピュータからの信号等に基づいて、蒸気供給ラインＳＬ１、ＳＬ２における各蒸気流量調節手段４１、４２の上流側を流れる蒸気の圧力を設定し、その値を示す蒸気圧力データを、メモリ５０３の所定領域に設けた設定データ格納部Ｄ２に格納するものである。
【００５４】
ガス流量制御部５ｆは、前記マスフローコントローラ２１、２２を流れる各ガスＡＧＤ、ＣＧＤの流量が、設定値となるような指令信号を出力するものである。具体的には、設定データ格納部Ｄ２から各ガスＡＧＤ、ＷＧＤの設定流量データをそれぞれ取得し、それらの値（ガス流量設定値）に所定演算を施して、前記各指令信号の値を演算する。この実施形態でのガス流量制御部５ｆは、実際のガス流量がガス流量設定値となるように、マスフローコントローラ２１、２２の差圧等からその弁開度を算出し、当該弁開度となるような指令信号を出力するようにしている。なお、マスフローコントローラによっては、設定流量データさえ与えれば、内部でローカルにＦＢ流量制御を行い、その流量設定値となるように自身で弁開度を調整するものもあり、その場合は、ガス設定流量データをそのまま指令信号として出力するようにすればよい。
【００５５】
混合前フィードバック温度制御部５ｇ１Ａは、前記合流前ラインＬ１ａ上に設けた温度センサＴ１０で測定する混合前測定温度と混合前設定温度とを比較し、前記混合前測定温度を前記混合前設定温度に近づけるべく、前記第１のガス温度制御手段６１１を、ＦＢ温度制御するものである。
【００５６】
具体的には、測定温度データを、測定パラメータデータ格納部Ｄ１から取得し、混合前設定温度データを、設定データ格納部Ｄ２から取得する。そして、混合前測定温度データの示す値（混合前測定温度）と混合前設定温度データの示す値（混合前設定温度）とを比較し、混合前測定温度が混合前設定温度より低ければ、アノードガス供給ラインＬ１上のガス温度制御手段６１１の温度を上げる値を出力し、高ければガス温度制御手段６１１の温度を下げる値を出力する。混合前設定温度は、ある一つの値である必要はなく、範囲を有していてもよい。
【００５７】
混合前フィードバック温度制御部５ｇ１Ｃは、混合前フィードバック温度制御部５ｇ１Ａと同様にして、前記合流前ラインＬ２ａ上に設けた温度センサＴ２０で測定する混合前測定温度と混合前設定温度とを比較し、前記混合前測定温度を前記混合前設定温度に近づけるべく、前記第１のガス温度制御手段６２１を、ＦＢ温度制御するものである。
【００５８】
混合後フィードバック温度制御部５ｇ２Ａは、前記合流ラインＬ１ｂ上に設けた温度センサＴ１２で測定する混合後測定温度と混合後設定温度とを比較し、前記混合後測定温度を前記混合後設定温度に近づけるべく、第２のガス温度制御手段６１２を、各ラインごとに、ＦＢ温度制御するものである。
【００５９】
具体的には、測定温度データを、測定パラメータデータ格納部Ｄ１から取得し、混合後設定温度データを、設定データ格納部Ｄ２から取得する。そして、混合後測定温度データの示す値（混合後測定温度）と混合後設定温度データの示す値（混合後設定温度）とを比較し、混合後測定温度が混合後設定温度より低ければ、アノードガス供給ラインＬ１上のガス温度制御手段の温度を上げる値を出力し、高ければガス温度制御手段６１２の温度を下げる値を出力する。混合後設定温度は、ある一つの値である必要はなく、範囲を有していてもよい。
【００６０】
混合後フィードバック温度制御部５ｇ２Ｃは、混合後フィードバック温度制御部５ｇ２Ａと同様にして、前記合流ラインＬ２ｂ上に設けた温度センサＴ２２で測定する混合後測定温度と混合後設定温度とを比較し、前記混合後測定温度を前記混合後設定温度に近づけるべく、第２のガス温度制御手段６２２を、ＦＢ温度制御するものである。
【００６１】
アノード側のフィードバック背圧制御部５ｈＡは、圧力センサＰ１１により測定した蒸気混合ガスＧＷの測定圧力から求められる測定背圧と設定背圧とを比較し、測定背圧を設定背圧に近づけるべく、燃料電池１の出口側ライン上に設けた背圧制御手段７１をＦＢ背圧制御するものである。ここで、背圧制御に圧力センサＰ１１を用いているが、燃料電池１より下流側に設けた圧力センサＰ１２を用いて制御しても良い。
【００６２】
具体的には、測定圧力データを、測定パラメータデータ格納部Ｄ１から取得し、設定背圧データを、設定データ格納部Ｄ２から取得する。そして、測定圧力データの示す値（測定圧力）から算出される測定背圧と設定背圧データの示す値（設定背圧）とを比較し、測定背圧が設定背圧より低ければ、背圧制御手段７１の出力を下げる（すなわち弁を閉じる）値を出力し、高ければ背圧制御手段７１の出力を上げる（すなわち弁を開く）値を出力する。設定背圧は、ある一つの値である必要はなく、範囲を有していてもよい。
【００６３】
カソード側のフィードバック背圧制御部５ｈＣは、圧力センサＰ２２により測定した燃料電池１の出口側の測定背圧と設定背圧とを比較し、測定背圧を設定背圧に近づけるべく、燃料電池１の出口側ライン上に設けた背圧制御手段７２をＦＢ背圧制御するものである。ただし、背圧制御には、圧力センサＰ２２の代わりに圧力センサＰ２１を用いても良い。
【００６４】
具体的には、測定圧力データを、測定パラメータデータ格納部Ｄ１から取得し、設定背圧データを、設定データ格納部Ｄ２から取得する。そして、測定背圧データの示す値（測定背圧）と設定背圧データの示す値（設定背圧）とを比較し、測定背圧が設定背圧より低ければ、背圧制御手段７２の出力を下げる（すなわち弁を閉じる）値を出力し、高ければ背圧制御手段７２の出力を上げる（すなわち弁を開く）値を出力する。設定背圧は、ある一つの値である必要はなく、範囲を有していてもよい。
【００６５】
フィードバック露点制御部５ｉは、露点センサＭ１、Ｍ２により測定した蒸気混合ガスＧＷの測定露点と設定露点とを比較し、測定露点を設定露点に近づけるべく、前記蒸気流量調節手段４１、４２をフィードバック露点制御（以下、「ＦＢ露点制御」とも称す）するものである。
【００６６】
具体的には、測定露点データを、測定パラメータデータ格納部Ｄ１から取得し、設定露点データを、設定データ格納部Ｄ２から取得する。そして、測定露点データの示す値（測定露点）と設定露点データの示す値（設定露点）とを比較し、測定露点が設定露点より低ければ、蒸気流量調節手段４１、４２の出力を上げる（すなわち弁を開く）値を出力し、高ければ蒸気流量調節手段４１、４２の出力を下げる（すなわち弁を閉じる）値を出力する。設定露点は、ある一つの値である必要はなく、範囲を有していてもよい。
【００６７】
フィードフォワード露点制御部５ｊは、合流前ラインＬ１ａ、Ｌ２ａに流れるガス流量とその露点、及び、燃料電池１の背圧を少なくとも用いて算出される値に基づいて、設定露点にすべく、前記蒸気流量調節手段４１、４２をフィードフォワード露点制御（以下、「ＦＦ露点制御」とも称す）するものである。
【００６８】
具体的には、例えば、設定流量データ、設定露点データ、及び、設定背圧データを、設定データ格納部Ｄ２から取得する。そして、設定流量データの示す値（設定流量）、設定露点データの示す値（設定露点）及び設定背圧データの示す値（設定背圧）から算出される値（算出露点）と設定露点データの示す値（設定露点）とを比較し、設定露点と、設定流量、設定露点、設定背圧から、蒸気流量調節手段４１、４２の制御値を出力する。このときの設定露点も、ある一つの値である必要はなく、範囲を有していてもよい。また、算出露点を算出するためのデータは、上述したように設定温度などの設定値を用いるに限らず、測定値を用いることができる。
【００６９】
また、蒸気流量調節手段４１、４２よりも下流側で且つ燃料電池１の上流側に設けた圧力センサＰ１１、Ｐ２１により測定した測定背圧の瞬時値や平均値から算出される燃料電池の背圧を、フィードフォワード露点制御の算出に用いるに用いることができる。
【００７０】
制御出力値調節部５ｋは、フィードバック露点制御部５ｉの出力値とフィードフォワード露点制御部５ｊの出力値とを所定比率にして蒸気流量調節手段４１、４２に出力するものである。
【００７１】
本実施形態では、フィードバック露点制御部５ｉの動作中に、測定露点、又は、設定露点に所定量の変化がある（例えば、測定露点又は設定露点が数℃変化したなど）と判断した場合に、制御出力値調節部５ｋが、前記フィードバック露点制御部５ｉからフィードフォワード露点制御部５ｊに切り替えて動作させるようにしている（図５参照）。つまり、フィードバック露点制御部５ｉの寄与度が０％、フィードフォワード露点制御部５ｊの寄与度が１００％となる比率にするようにしている。
【００７２】
ここで、「設定露点に所定量の変化がある」とは、「設定露点自体の値」が所定量変化するに限らず、例えば、ガス設定流量や設定背圧さらには燃料電池１の発電量など外乱によって「露点の予測値」が所定量変化した場合も含む。
【００７３】
そして、（ｉ）設定露点（設定露点データの値）と測定露点（測定露点データの値）との差（偏差）が所定量以上である場合、又は、（ｉｉ）設定露点に変化を及ぼすものの値を少なくとも用いて算出される設定露点の予測値と測定露点（測定露点データの値）との差（偏差）が所定量以上である場合、又は、（ｉｉｉ）設定露点の変化が所定値以上の場合に、前記フィードバック露点制御部５ｉからフィードフォワード露点制御部５ｊに切り替えられる。なお、この切り替えは、測定露点又は前記予測値と設定露点との差（偏差）に基づいて行うに限らず、測定露点又は前記予測値と設定露点とを乗算又は除算などして得られる演算値に基づいて行われるようにしてもよい。さらに、測定露点又は前記予測値単独の変化量に基づいて、行われるようにしてもよい。具体的には、測定露点の単位時間当たりの変化量が所定量を超えるなど、測定露点が急激に変化するときに、前記切り替えを行わせることができる。
【００７４】
また、フィードフォワード露点制御部５ｊの動作中に、環境パラメータの少なくとも一つの値に所定量の変化がある場合、例えば、設定露点に変更がある場合や、ガス流量、背圧、発電量などに変更がある場合に、フィードバック露点制御の比率を大きくするようにしている。ここで測定露点と設定露点とを比較する方法は、上記（ｉ）〜（ｉｉｉ）と同様である。
【００７５】
以上のように構成される加湿システムＷＳについて、図６を参照しつつその動作を説明する。
【００７６】
制御出力値調節部５ｋにより、フィードバック露点制御部５ｉの寄与度が１００％、フィードフォワード露点制御部５ｊの寄与度が０％となるように、フィードバック露点制御部５ｉの出力値のみが蒸気流量調節手段４１、４２に出力され、蒸気流量調節手段４１、４２の制御がフィードバック露点制御部５ｉによる完全なＦＢ露点制御となっているとき（ステップＳ１０１）、例えば、設定露点、ガス流量、背圧、発電量など、環境パラメータの少なくとも一つの値に所定量の変化がある場合には（ステップＳ１０２）、露点の設定値ＤＰＳＶと測定露点（測定露点データの値ＤＰＰＶ）とを比較する（ステップＳ１０３）一方、所定量の変化がなければ、引き続きＦＢ露点制御を続ける（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０３で、設定露点と測定露点との偏差がα℃以上であると判断されれば、設定温度などの設定値に基づき、ＦＦ露点制御のための弁開度を演算し（ステップＳ１０５）、その値に基づきＦＦ露点制御を行う（ステップＳ１０６）。
【００７７】
また、ステップＳ１０３で、その偏差がα℃未満であると判断されても、さらに、変化のある環境パラメータを含む環境パラメータに基づいて算出される露点の予測値ＤＰＰＶ´と測定露点（測定露点データの値ＤＰＰＶ）との比較を行う（ステップＳ１０４）。
【００７８】
そして、ステップＳ１０４で、予測露点と測定露点との偏差がα℃未満であると判断されれば、引き続きＦＢ露点制御を続ける（ステップＳ１０１）一方、その偏差がα℃以上であると判断されれば、設定温度などの設定値に基づき、ＦＦ露点制御のための弁開度を演算し（ステップＳ１０５）、その値に基づきＦＦ露点制御を行う（ステップＳ１０６）。つまり、設定露点が測定露点に対して所定値以上の偏差がある場合や、その偏差がなくても、例えば、露点は一定で外乱（ガス流量、背圧、発電量の変化など）がおこるときに、その時での蒸気供給量で、その変化がおこる、又は、おこったときの予測露点を求め、測定露点とを比較して、その差が所定値以上の場合には、ＦＢ露点制御からＦＦ露点制御に切り替え制御する。
【００７９】
このステップＳ１０６で、制御出力値調節部５ｋにより、フィードバック露点制御部５ｉの寄与度が０％、フィードフォワード露点制御部５ｊの寄与度が１００％となるように、フィードフォワード露点制御部５ｊの出力値のみが蒸気流量調節手段４１、４２に出力され、蒸気流量調節手段４１、４２の制御は、フィードフォワード露点制御部５ｊによる完全なＦＦ露点制御となる。
【００８０】
そして、前記環境パラメータの変動が終了していないのであれば（ステップＳ１０７）、ＦＦ露点制御のための弁開度をさらに演算し（ステップＳ１０５）、その値に基づきＦＦ露点制御を行う（ステップＳ１０６）一方、その変動が終了しているのであれば（ステップＳ１０７）、設定露点（設定露点データの値ＤＰＳＶ）と測定露点（測定露点データの値ＤＰＰＶ）とを比較し、その偏差がβ℃未満であれば（ステップＳ１０８）、ステップＳ１０１に戻ってＦＦ露点制御からＦＢ露点制御に切り替える。一方、一定時間（例えば待機最大時間γ秒）経過しても、その偏差がβ℃未満とならない場合（ステップＳ１０９）、偏差の値にかかわらずＦＦ露点制御からＦＢ露点制御へと切り替える。つまり、露点変更にかかる時間（例えばγ秒）をあらかじめ求め設定しておけば、ＦＦ露点制御からＦＢ露点制御への切り替えを時間で判断することが可能である。
【００８１】
つまり、このように構成した加湿システムＷＳによれば、露点に変化がないときには、露点センサＭ１、Ｍ２により測定した蒸気混合ガスＧＷの測定露点と設定露点とに基づき、蒸気流量調節手段４１、４２がＦＢ露点制御される。したがって、蒸気混合ガスＧＷを精度良く設定露点に保つことができる。
【００８２】
そして、露点を変えたいとき、又は、ガス流量などの変動により露点が変わる可能性があるときには、制御出力値調節部５ｋにより、蒸気流量調節手段４１、４２の制御は、ＦＢ露点制御からＦＦ露点制御に切り替えて行われる。このＦＦ露点制御は、ガス流量、露点、及び、燃料電池１の背圧を少なくとも用いて算出される値に基づいて行われるため、露点制御の応答性が向上し、ガス流量の多寡、設定露点の高低にかかわらず安定した露点制御に資するようになる。
【００８３】
すなわち、ガス流量の多寡、設定露点の高低に拘わらず高精度で安定した露点制御が可能で、しかも速い応答性を得られるといった優れた燃料電池１の加湿システムＷＳを提供することができる。
【００８４】
また、本加湿システムＷＳには、水を加熱させて蒸気を生成しこれをガスに混合させるインジェクション方式を採用しているため、バブリング方式を採用した加湿システムＷＳと比較した場合、露点の変更を迅速に行え、応答性に優れている。また、ガス露点を迅速に変動させる必要が生じたときなどの対応が容易であり、小ガス流量で低露点から大ガス流量で高露点への変化においても速い応答性を実現できるので、ワイドレンジ化を図ることができる。
【００８５】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００８６】
例えば、本実施形態では、フィードバック露点制御部５ｉの動作中に、測定露点、又は、設定露点に所定量の変化があると判断した場合に、制御出力値調節部５ｋが、前記フィードバック露点制御部５ｉからフィードフォワード露点制御部５ｊに切り替えて動作させるようにしているが、フィードフォワード露点制御部５ｊの蒸気流量調節手段４１、４２を制御する比率が大きくなるようにすることもできる。
【００８７】
具体的には、（１）両方の制御部を用いて蒸気流量調節手段４１、４２を制御しているのであれば、（１ａ）フィードバック露点制御部５ｉの制御量をそのままにして、フィードフォワード露点制御部５ｊによる蒸気流量調節手段４１、４２の制御量を増加させたり、（１ｂ）フィードフォワード露点制御部５ｊの制御量をそのままにして、フィードバック露点制御部５ｉによる蒸気流量調節手段４１、４２の制御量を減少又はゼロにさせたりすればよい。
【００８８】
また、（２）各制御部の出力値を所定比率で加算して蒸気流量調節手段４１、４２に出力する出力値ＭＶを、下式（式１）及び（式２）に従わせてもよい（図７、図８参照）。
【００８９】
ＭＶ＝α×ＭＶ１＋β×ＭＶ２・・・（式１）
【００９０】
α＋β＝１・・・（式２）
【００９１】
ここで、ＭＶ１はＦＦ露点制御開度、ＭＶ２はＦＢ露点制御開度、αはＦＦ係数、βはＦＢ係数である。
【００９２】
例えば、ＦＦ露点制御１００％でＦＢ露点制御０％の状態からＦＦ露点制御０％でＦＢ露点制御１００％の状態に切り替える場合、時間とともにＦＦ係数αを１から少しずつ減少させるとともに、ＦＢ係数βを０から少しずつ増加させ、所定の切替時間後にαが０、βが１となるようにすればよい。このときの切替時間は、精度より応答性を重視するのであれば、切替先であるＦＢ露点制御の応答時間（制御開始から目標露点になるまでの時間）の半分以下にするなど、切替先であるＦＢ露点制御の応答時間以下にすることが好ましい。なお、切替時間は、測定露点の振れ幅が大きいときには短くし、小さいときには長くする等、適宜設定可能である。
【００９３】
また、ＦＦ露点制御０％でＦＢ露点制御１００％の状態からＦＦ露点制御１００％でＦＢ露点制御０％の状態に切り替える場合は、時間とともにＦＦ係数αを０から少しずつ増加させるとともにＦＢ係数βを１から少しずつ減少させ、、所定時間後にαが１、βが０となるようにすればよい。
【００９４】
さらに、（３）フィードバック露点制御部５ｉ単独で蒸気流量調節手段４１、４２を制御しているのであれば、フィードバック露点制御部５ｉの制御量をそのまま又は減少又はゼロにして、フィードフォワード露点制御部５ｊによる制御を始めるようにすればよい。
【００９５】
また、当該加湿システムＷＳの加湿方式を、インジェクション方式としているが、（１）図９に示すように、ＤＲＹガスラインＬＤと、バブラーＢＢを流路上に配したＷＥＴガスラインＬＷとを設けるタイプ、又は、（２）図１０に示すように、１本のＷＥＴガスラインＬＷ上にバブラーＢＢを設けたタイプのバブリング方式としてもよい。
【００９６】
（１）の場合において、フィードバック露点制御するには、ＷＥＴガスラインＬＷ上のＤＲＹガスラインＬＤとの合流点よりも下流側で燃料電池１よりも上流側に設けた露点計Ｍ０で計測した測定露点に基づいて、両ガスライン上にそれぞれ設けた加湿量調節手段を構成する流量調節手段であるマスフローコントローラ（図示せず）で、ガス流量比を制御すればよい。
【００９７】
また、フィードフォワード露点制御するには、設定露点、及び、環境パラメータから得られる予測露点に基づいて、前記マスフローコントローラで、ガス流量比を制御すればよい。
【００９８】
（２）の場合において、フィードバック露点制御するには、ＷＥＴガスライン上に設けた露点計Ｍ０で計測した測定露点に基づいて、加湿量調節手段であるバブラーＢＢ内の温度を制御するように構成すればよい。具体的には、フィードバック露点制御時に、露点を上げたいときは、ヒータ若しくは熱した水をバブラーＢＢに供給することによりバブラーＢＢ内の水の温度を上げる。一方、露点を下げたいときは、一端バブラーＢＢ内の温水を排出して冷却用の水をバブラーＢＢ内に供給することによりバブラーＢＢ内の水の温度を急激に下げることができる。
【００９９】
フィードフォワード露点制御するには、設定露点、及び、環境パラメータから得られる予測露点に基づいて、前記バブラーＢＢ内の温度を制御すればよい。
【０１００】
また、ＦＦ露点制御は、環境パラメータのなかから単独又は組み合わせて得られる値に基づいて行っても良い。
【０１０１】
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の一実施形態を示す模式的な回路図。
【図２】同実施形態における機器構成を示すブロック図。
【図３】同実施形態における制御装置の機器構成図。
【図４】同実施形態における制御装置の機能構成図。
【図５】同実施形態における制御装置の要部説明部。
【図６】同実施形態における制御装置の動作を示すフローチャート。
【図７】本発明の他の実施形態における制御装置の要部説明部。
【図８】同要部の作用説明部。
【図９】本発明の他の実施形態におけるバブリング方式の概略図。
【図１０】本発明の他の実施形態におけるバブリング方式の概略図。
【符号の説明】
【０１０３】
１・・・・・・・・・燃料電池
３・・・・・・・・・蒸気発生源
５ｇ・・・・・・・・フィードバック温度制御部
５ｉ・・・・・・・・フィードバック露点制御部
５ｊ・・・・・・・・フィードフォワード露点制御部
５ｋ・・・・・・・・制御出力値調節部
４１、４２・・・・・蒸気流量調節手段
６１１、６２１・・・第１のガス温度制御手段
６１２、６２２・・・第２のガス温度制御手段
ＡＧＷ・・・・・・・アノードガス
ＣＧＷ・・・・・・・カソードガス
Ｌ１・・・・・・・・アノードガス供給ライン
Ｌ１ｂ、Ｌ２ｂ・・・合流ライン
Ｌ２・・・・・・・・カソードガス供給ライン
Ｍ１、Ｍ２・・・・・露点センサ
ＳＬ１、ＳＬ２・・・蒸気供給ライン
ＷＳ・・・・・・・・燃料電池の加湿システム
【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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【図７】
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【図８】
2008084635.tif 000010
【図９】
2008084635.tif 000011
【図１０】
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