(57)【要約】  【課題】燃料電池の性能試験などを中断することなく、露点センサが故障しているか否かを判断することができる燃料電池の加湿システムを提供する。  【解決手段】環境パラメータの値が所定量より小さい場合において、露点センサＭ１、Ｍ２が正常動作しているか否かを、該露点センサＭ１、Ｍ２で測定した測定露点と予測露点又は設定露点とに基づいて判定する故障判定部５ｐと、フィードバック露点制御部５ｉの動作中に、故障判定部５ｐが露点センサＭ１、Ｍ２が正常動作していないと判定した場合に、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制御切替部５ｇとを具備して成るようにした。  【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露点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、
前記環境パラメータの値が所定量より小さい場合において、前記露点センサが正常動作しているか否かを、該露点センサで測定した測定露点と、前記予測露点又は設定露点とに基づいて判定する故障判定部と、
前記フィードバック露点制御部の動作中に、前記故障判定部が前記露点センサが正常動作していないと判定した場合に、前記フィードバック露点制御部から前記フィードフォワード露点制御部に切り替えて動作させる制御切替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】
前記故障判定部が、前記測定露点と前記予測露点又は前記設定露点との偏差が、所定範囲にない場合に、前記露点センサが正常動作していないと判定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。
【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状態を良好に保持す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、高精度な湿度制御をするために、露点センサ信号出力にてフィードバック制御する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２２０８６８号公報（段落００１７、図１）
【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、高露点であるため少々の環境変化等により露点センサに水滴が発生しやすく、結露水によるピーク出力のみならず露点センサそのものにダメージを与えることがある。従来の監視機構は、水滴の発生を測定露点などに基づいて人が判断し、運転モードを手動に切り替える、若しくは、燃料電池の電圧が低下した場合、運転条件を設定した条件に変更する救済シーケンスのみであり、湿度に関するインターロックは行われていない。
【０００６】
このように、燃料電池の性能試験中に、測定露点に異常があると判断された場合、性能評価用プログラムの実行を止め、性能試験や長期連続運転を行う耐久試験を中断しなければならないといった問題点を有している。
【０００７】
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、燃料電池の性能試験などを中断することなく、露点センサが故障しているか否かを判断することができるといった、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】
【０００８】
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。
【０００９】
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露点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、前記環境パラメータの値が所定量より小さい場合において、前記露点センサが正常動作しているか否かを、該露点センサで測定した測定露点と、前記予測露点又は設定露点とに基づいて判定する故障判定部と、前記フィードバック露点制御部の動作中に、前記故障判定部が前記露点センサが正常動作していないと判定した場合に、前記フィードバック露点制御部から前記フィードフォワード露点制御部に切り替えて動作させる制御切替部とを具備して成ることを特徴とする。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
このようなものであれば、フィードバック露点制御中に、故障判定部で前記露点センサが正常動作していないと判定されると、制御切替部により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られ、加湿ガスの供給は、露点センサの出力である「測定露点」を用いずに、設定露点に基づいて行われる。すなわち、該システムの運転を中断させること無く、露点センサが実際に故障しているか否かを好適に判断することができ、且つ、露点センサが故障している場合には、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へ切り替えるため、システムの運転を中断させることなく連続して試験ができる。
【００１７】
また、このように露点センサが実際に故障しているか否かを好適に判断できるため、間接的ではあるが加湿供給量のリアルタイムな監視に繋がり、燃料電池に適切な加湿ガスを供給できているか否かを好適に判断できる。結果、燃料電池にも加湿ガスの供給量不良によるダメージを与えることがない。
【００１８】
本発明の望ましい具体的な態様としては、前記故障判定部が、前記測定露点と前記予測露点又は前記設定露点との偏差が、所定範囲にない場合に、前記露点センサが正常動作していないと判定するものが挙げられる。
【発明の効果】
【００１９】
このように本発明によれば、露点センサの故障の有無を好適に判断することができ、なおかつ、フィードバック露点制御中に故障と判断した場合、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へと切り替えるため、燃料電池の性能試験などを中断することなく、加湿供給量の不具合による燃料電池へのダメージも防止できるといった、燃料電池の加湿システムを供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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の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。そして、蒸気発生源３と蒸気供給ラインＳＬ１、ＳＬ２と蒸気流量調節手段４１、４２とで、本発明の「加湿量調節手段」を構成している。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
具体的には、出力値ＭＶを、下式（式１）及び（式２）に従わせるようにしている（図５、図６参照）。
【００５９】
ＭＶ＝α×ＭＶ１＋β×ＭＶ２・・・（式１）
【００６０】
α＋β＝１・・・（式２）
【００６１】
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。
【００６２】
例えば、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った（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、式１でα＝０、β＝１をα＝１、β＝０に変更することで、制御出力値調節部５ｋの、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への切替動作を実現できる。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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したときに、前記切り替えを行わせることができる。
【００６６】
しかして、本実施形態の加湿システムＷＳは、燃料電池１の性能試験中や耐久試験などに、その試験を中断することなく、露点センサＭ１、Ｍ２への水滴の付着やその他の理由により露点センサＭ１、Ｍ２が故障しているか否かを判断することができるように構成してある。この故障判定は、該システムＷＳが自動で実行開始するか人が手動で実行開始するかを問わないし、また、定期的なものであるか非定期的であるかを問わない。
【００６７】
具体的には、故障判定部５ｐと、制御切替部５ｑと、を具備するようにしている。
【００６８】
故障判定部５ｐは、露点センサＭ１、Ｍ２が正常動作しているか否かを、該露点センサＭ１、Ｍ２露点センサＭ１、Ｍ２で測定した測定露点と設定露点とに基づいて判定するものである。
【００６９】
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、故障判定部５ｐが、測定露点と設定露点との差（偏差）が、所定範囲にない場合に、露点センサＭ１、Ｍ２が正常動作していないと判定する。この所定範囲は、オペレータの操作などによって適宜設定変更可能である。また、測定露点は、所定時間における平均値であってもよい。
【００７０】
なお、正常動作しているか否かの判断は、測定露点と設定露点との差（偏差）に基づいて判断するに限らず、測定露点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判断するようにしてもよい。さらに、測定露点単独の変化量に基づいて、正常か否かの判断をす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したときに、正常動作していないと判断させることができる。またさらに、測定露点に変えて、露点センサ以外の各種センサの値や蒸気流量調節手段４１、４２の弁開度などから求められる予測露点を、故障判定に用いることもできる。
【００７１】
制御切替部５ｑは、フィードバック露点制御部５ｉの動作中に、故障判定部５ｐが露点センサＭ１、Ｍ２が正常動作していないと判定した場合に、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命令を、制御出力値調節部５ｋに対して出力する。つまり、制御出力値調節部５ｋを作動させ、フィードバック露点制御部５ｉの寄与度が０％（フィードバック露点制御が０％）、フィードフォワード露点制御部５ｊの寄与度が１００％（フィードフォワード露点制御が１００％）となる比率にする。なお、故障判定部５ｐが露点センサＭ１、Ｍ２が正常動作していないと判定したときに、制御出力値調節部５ｋにより各制御部５ｉ、５ｊが他の比率となっていても、フィードフォワード露点制御が１００％となる上記比率に強制的に変更されるように、制御切替部５ｑは、制御出力値調節部５ｋを作動させる。
【００７２】
そしてさらに、本実施形態では、制御切替部５ｑにより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に切替動作させた後にも、前記故障判定部５ｐが、露点センサＭ１、Ｍ２が正常動作していないと判定した場合、露点センサＭ１、Ｍ２が故障しているか若しくは故障する可能性が高く、例えば、露点センサＭ１、Ｍ２の故障の可能性が高い場合には早急に保護する必要がある。そこで、運転停止部５ｓを具備するようにしている。
【００７３】
運転停止部５ｓは、制御切替部５ｑにより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に切替動作させた後にも、前記故障判定部５ｐが、露点センサＭ１、Ｍ２が正常動作していないと判定した場合、該システムＷＳの運転を停止させるものである。具体的には、該システムＷＳを停止する命令を、制御出力値調節部５ｋに対して出力するように構成している。すなわち、各露点制御部５ｉ、５ｊの出力がゼロとなるように、制御出力値調節部５ｋを作動させる。
【００７４】
ここで、出力をゼロにするのは、瞬時に出力ゼロとなるような制御を行っても良いし、所定のカーブを描かせながら出力ゼロとなるような制御を行っても良い。
【００７５】
以上のように構成される加湿システムＷＳについて、図７を参照しつつその動作を説明する。
【００７６】
なお、故障判定を行う前（例えば、燃料電池１の性能試験や耐久試験の開始前など）に、フィードフォワード露点制御の較正を行うようにしている。
【００７７】
具体的には、露点計Ｍ１、Ｍ２に代えて鏡面露点計を配する。そして、この鏡面露点計で計測した計測露点と、フィードフォワード露点制御を行った場合の予測露点値（例えば、設定流量、設定露点、設定背圧から算出される値）とが一致するように、フィードフォワード露点制御の較正を行う。
【００７８】
燃料電池１の性能試験中などにおけるフィードバック露点制御中で且つ定値制御（環境パラメータの値が安定している、又は、偏差が所定値より小さい場合）中（ステップＳ１０１）に、システム又はオペレータにより故障判断が開始されると（ステップＳ１０２）、故障判定部５ｐが設定露点（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α℃未満であれば（ステップＳ１０３）、「露点センサＭ１、Ｍ２は正常である」旨を出力する（ステップＳ１０４）一方、その偏差がα℃以上であれば（ステップＳ１０３）、「露点センサＭ１、Ｍ２は故障である」旨を出力する（ステップＳ１０５）。なお、ステップＳ１０３において、測定露点と予測露点とを比較して得られる偏差を故障判定に用いることができる。例えば、蒸気量調節手段４１、４２に設けられた弁の弁開度と、露点センサＭ１、Ｍ２との相関をとっておき、弁開度から求めらる予測露点と測定露点とを比較してその偏差が所定値よりも大きいときは、露点センサが故障していると判定することもできるし、また、各種環境パラメータから予測される予測露点と測定露点とを比較し、その偏差が所定値よりも大きいときは、露点センサが故障していると判定することもできる。
【００７９】
また、故障判定は、環境パラメータの値が所定量未満である場合すなわち定値制御のときに行われ、定値制御でない場合は、制御出力値調節部５ｋにより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られる。
【００８０】
正常である場合は、そのままＦＢ露点制御による前記試験が継続される（ステップＳ１０１）一方、故障である場合は、制御切替部５ｑにより、ＦＢ露点制御からＦＦ露点制御に切り替えられる（ステップＳ１０６）。
【００８１】
そして、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が演算され（ステップＳ１０７）、その値に基づきＦＦ露点制御が行われる（ステップＳ１０８）。
【００８２】
そして、ＦＦ露点制御による所定時間経過後定値制御時に（ステップＳ１０９）、故障判定部５ｐが設定露点（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、その偏差が所定量未満（例えばα℃未満）であれば（ステップＳ１１０）、「露点センサＭ１、Ｍ２は正常である」旨を出力し（ステップＳ１１１）、ＦＦ露点制御からフィードバック露点制御に切り替えられ前記試験が継続される（ステップＳ１０１）。一方、その偏差が所定量以上であれば（ステップＳ１１０）、「露点センサＭ１、Ｍ２は故障である」旨を出力し（ステップＳ１１２）し、運転停止部５ｓにより運転が停止される（ステップＳ１１３）。
【００８３】
つまり、このように構成した加湿システムＷＳによれば、フィードバック露点制御中に、故障判定部５ｐで前記露点センサＭ１、Ｍ２が正常動作していないと判定されると、制御切替部５ｑにより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られ、加湿ガスの供給は、露点センサＭ１、Ｍ２の出力である「測定露点」を用いずに、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行われる。そして、このフィードフォワード露点制御により、露点センサＭ１、Ｍ２が故障していない場合には、測定露点は設定露点に近づく（または一致する）が、故障している場合にはそうとはならない。すなわち、該システムＷＳの運転を中断させること無く、露点センサＭ１、Ｍ２が実際に故障しているか否かを好適に判断することができる。
【００８４】
また、このように露点センサＭ１、Ｍ２が実際に故障しているか否かを好適に判断できるため、間接的ではあるが加湿供給量のリアルタイムな監視に繋がり、燃料電池１に適切な加湿ガスを供給できているか否かを好適に判断できる。結果、燃料電池１にも加湿ガスの供給量不良によるダメージを与えることがない。
【００８５】
すなわち、燃料電池１の性能試験や耐久試験などを中断することなく露点センサＭ１、Ｍ２の故障の有無を好適に判断することができ、加湿供給量の不具合による燃料電池１へのダメージも防止できるといった、燃料電池１の加湿システムＷＳを供給することができる。
【００８６】
フィードフォワード露点制御を行ったにもかかわらず、測定露点と設定露点とが一致しない場合には、運転停止部５ｓにより、該システムＷＳの運転を停止させることもできるので、露点センサＭ１、Ｍ２や燃料電池１が受ける被害を、速やかに最小限に留まらせることができる。
【００８７】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００８８】
例えば、故障判定部５ｐと制御切替部５ｑとに加え、運転停止部５ｓとを具備するようにしているが、少なくとも故障判定部５ｐと制御切替部５ｑとを具備すればよい。つまり、フィードバック露点制御中に故障と判定し、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へ切り替えた後は、故障判定を行わず、フィードフォワード露点制御に継続してシステムを稼動させる。このことにより、耐久試験等において、露点センサＭ１、Ｍ２が故障したとしても、停止することなく継続して試験が続行できる。
【００８９】
また、フィードフォワード露点制御部５ｉを、蒸気混合ガスＧＷの設定温度、設定圧力、及び、燃料電池１の設定背圧を少なくとも用いて算出される値に基づいて、前記設定露点にすべく、蒸気流量調節手段４１、４２をフィードフォワード露点制御させるようにすることができる。これにより、温度センサ、圧力センサ、及び、背圧センサのいずれかに故障があることをも好適に判断できるようになる。
【００９０】
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８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９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。
【００９１】
（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。
【００９２】
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。
【００９３】
（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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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】
【００９７】
【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】同要部の作用説明部。
【図７】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８】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。
【符号の説明】
【００９８】
１・・・・・・・・・燃料電池
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
３・・・・・・・・・蒸気発生源
ＳＬ１、ＳＬ２・・・蒸気供給ライン
４１、４２・・・・・蒸気流量調節手段
Ｍ１、Ｍ２・・・・・露点センサ
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
５ｐ・・・・・・・・故障判定部
５ｑ・・・・・・・・制御切替部
５ｓ・・・・・・・・運転停止部
ＷＳ・・・・・・・・燃料電池１の加湿システム
【図１】
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【図２】
2008084634.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008084634.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008084634.tif 000008
【図７】
2008084634.tif 000009
【図８】
2008084634.tif 000010
【図９】
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