(57)【要約】【課題】  燃料電池と背圧弁の間におけるガス流路の容積を増大させることなく、背圧応答性を向上させる。【解決手段】  本発明の燃料電池評価装置（１０）は、燃料電池（５０）から排出されるオフガスのガス流路（１０３，１０４）の上流側に背圧弁（６１，６２）が配置され、さらにその下流側に気液分離手段としてのドレンポッド（７１，７２）が配置されている。燃料電池（５０）と背圧弁（６１，６２）との間には、オフガスが結露しないように適度な温度に保温し、背圧弁（６１，６２）への水分供給を抑制するためのヒータ（８１，８２）が設置されている。かかる構成により、燃料電池（５０）と背圧弁（６１，６２）との間の容積増大に伴う背圧応答性の低下を回避しつつ、良好な背圧制御を可能にできる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出されるオフガスの排出経路を構成するガス流路の上流側に背圧弁が配置され、さらにその下流側に気液分離手段が配置された構造を備える燃料電池装置であって、前記燃料電池と前記背圧弁との間の前記ガス流路の容積を変えることなく前記背圧弁への水分供給を抑制するための抑制手段を備える、燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池装置であって、前記抑制手段は前記燃料電池と前記背圧弁との間の前記ガス流路に設けられた加熱手段である、燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池装置は、燃料電池の性能を評価するために用いられる燃料電池評価装置である、燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池装置に関し、特に、燃料電池の背圧応答性を向上させるための改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２は従来の燃料電池評価装置の主要構成を示している。燃料電池評価装置１００は、主に、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力発電を行う燃料電池５０と、燃料電池５０に反応ガスを供給するためのガス流路１０１，１０２と、燃料電池５０からオフガス（水素オフガス、酸素オフガス）を排出するためのガス流路１０３，１０４とを備えて構成されている。ガス流路１０１，１０２には、それぞれ反応ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラ２１，２２と、反応ガス温度を昇温させるための加熱器３１，３２と、適度に昇温した反応ガスを過湿するための加湿器４１，４２が設置されている。燃料電池５０は固体分子電解質型の燃料電池スタックであり、電池反応を良好な条件で進行させるために、加湿器４１，４２を用いて反応ガスを過湿している。
【０００３】
一方、ガス流路１０３，１０４には、背圧を調整するための背圧弁６１，６２が設置されている。オフガスには電池反応で生じた水分等が含まれているため、燃料電池５０からのオフガスを直接に背圧弁６１，６２に導くと、背圧弁６１，６２のオリフィスに水分が次第に溜まり始めて液膜を形成する。その液膜がある程度成長すると、背圧の影響で吹き飛ばされて、予期しない背圧変動が生じる虞がある。このため、燃料電池５０と背圧弁６１，６２の間には、オフガスを冷却して気液分離するためのドレンポッド７１，７２が設置されている。
【０００４】
燃料電池から排出される酸素オフガスの排出経路の上流側に気液分離器を配置し、下流側に背圧弁を配置した構成として、例えば、特開２００１−２５６９８９号公報が知られている。また、酸素オフガスの排出経路の上流側に背圧弁を配置し、下流側に気液分離器を配置した構成として、例えば、特開２００２−３７３６９１号公報が知られている。
【特許文献１】特開２００１−２５６９８９号公報
【特許文献２】特開２００２−３７３６９１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、燃料電池５０と背圧弁６１，６２との間にドレンポッド７１，７２を設置すると、この間のガス流路１０３，１０４の容積がドレンポッド７１，７２の容積の分だけ増加してしまうため、デッドボリュームの増大によって背圧応答に遅れが生じ、背圧応答性が著しく低下する。レンポッド７１，７２を除去すれば、背圧応答性は向上するが、水分含有ガスが背圧弁６１，６２へ直接導かれるため、上述の理由により背圧変動が生じ、背圧制御が困難になる。
【０００６】
そこで、本発明は上述の問題を解決し、燃料電池と背圧弁の間におけるガス流路の容積増大させることなく、背圧応答性を向上させるための燃料電池装置を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池装置は、燃料電池から排出されるオフガスの排出経路を構成するガス流路の上流側に背圧弁が配置され、さらにその下流側に気液分離手段が配置された構造を備える燃料電池装置であって、燃料電池と背圧弁との間のガス流路の容積を変えることなく背圧弁への水分供給を抑制するための抑制手段を備える。かかる構成により、燃料電池と背圧弁との間におけるガス流路の容積増大を回避して良好な背圧応答性を確保するとともに、背圧弁への水分供給を抑制できるため、水分が背圧制御に与える影響を抑制できる。
【０００８】
本発明の好適な形態として、上述の抑制手段は燃料電池と背圧弁との間のガス流路に設けられた加熱手段であることが望ましい。加熱手段の加熱作用によりオフガスを適度に昇温し、結露しないように構成することで、背圧弁への水分供給を抑制できる。
【０００９】
本発明の燃料電池装置として、燃料電池の性能を評価するために用いられる燃料電池評価装置が好適である。燃料電池評価装置は厳密な背圧制御が要求されるため、本発明の燃料電池装置は燃料電池評価装置に好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池と背圧弁との間におけるガス流路の容積増大を回避して良好な背圧応答性を確保するとともに、背圧弁への水分供給を抑制できるため、水分が背圧制御に与える影響を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は本実施形態の燃料電池評価装置１０の主要構成を示している。燃料電池評価装置１０は、主に、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力発電を行う燃料電池５０と、燃料電池５０に反応ガスを供給するためのガス流路１０１，１０２と、燃料電池５０からオフガス（水素オフガス、酸素オフガス）を排出するためのガス流路１０３，１０４とを備えて構成されている。ガス流路１０１，１０２はそれぞれ燃料電池５０に燃料ガス、酸化ガスを供給するためのガス供給経路を構成する配管であり、それぞれのガス流路には反応ガス流量を制御するためのマスフローコントローラ２１，２２と、反応ガス温度を昇温させるための加熱器３１，３２と、適度に昇温した反応ガスを過湿するための加湿器４１，４２が設置されている。
【００１２】
燃料電池５０は複数のセルを直列に接続したスタック構造を備えている。ガス流路１０１を介してアノード極に供給された燃料ガスは（１）式に示す酸化反応を生起させ、ガス流路１０２を介してカソード極に供給された酸化ガスは（２）式に示す還元反応を生起させえる。燃料電池５０全体としては（３）式の起電反応が生じる。燃料電池５０としては固体高分子電解質型燃料電池、アルカリ性電解質型燃料電池、酸性電解質型燃料電池、溶融塩電解質型燃料電池、固体電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池等を利用できる。  
【００１３】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ-  …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ  …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ  …（３）  
【００１４】
一方、ガス流路１０３，１０４はそれぞれ水素オフガス、酸素オフガスを排気するためのオフガス排出経路を構成する配管であり、それぞれのガス流路には背圧制御用の背圧弁６１，６２が設置されている。背圧弁６１，６２の弁開度は燃料電池５０の要求発電量等に対応して調整可能に構成されている。気液分離手段としてのドレンポッド７１，７２は背圧弁６１，６２の下流側に設置されている。ここでは、気液分離手段としてドレンポッド７１，７２を例示するが、これに限られるものではなく、例えば、オフガスを旋回させてその遠心力によって水分を分離するサイクロン式分離器などでもよい。
【００１５】
さらに、燃料電池５０と背圧弁６１，６２との間のガス流路１０３，１０４には、燃料電池５０と背圧弁６１，６２との間のガス流路１０３，１０４の容積を変えることなく背圧弁６１，６２への水分供給を抑制する抑制手段としてのヒータ（加熱手段）８１，８２が設置されている。ヒータ８１，８２の加熱能力としては、オフガスを適度に保温し、オフガス含有水分が結露しない程度の温度に昇温させることができるものが望ましい。オフガス温度としては、例えば、９０℃前後が好適である。また、ヒータ８１，８２の取り付け位置としては、燃料電池５０と背圧弁６１，６２との間にできるだけ均等に設置し、ガス温度に温度分布が生じないように構成するのが望ましい。ヒータ８１，８２としては、例えば、リボンヒータを用いることにより、ガス流路１０３，１０４に巻回するなどして容易に取り付けることができる。ガス流路１０３，１０４は熱伝導性に優れたものが好適である。
【００１６】
本実施形態の構成を従来の構成と比較すると、ドレンポッド７１，７２と背圧弁６１，６２の取り付け位置を交換し、背圧弁６１，６２の下流側にドレンポッド７１，７２を設置することで、燃料電池５０と背圧弁６１，６２との間の容積増大（デッドボリュームの増加）を極力抑えている。これにより、背圧応答性の向上が期待できる。また、ヒータ８１，８２によってオフガスが結露しない程度に保温することにより、背圧弁６１，６２への水分付着を抑止できる。これにより、背圧弁６１，６２への水分の影響による背圧変動を効果的に抑制できる。
【００１７】
尚、上述の説明では、背圧応答性が要求される燃料電池評価装置１０を例示して説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、車両のオンボード発電機として機能する燃料電池発電システムや、家庭用或いはプラント用の燃料電池発電システムなどにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の燃料電池評価装置の主要構成図である。
【図２】従来の燃料電池評価装置の主要構成図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０…燃料電池評価装置  ５０…燃料電池  ６１，６２…背圧弁  ７１，７２…ドレンポッド  ８１，８２…ヒータ  １０３，１０４…ガス流路
【図１】
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【図２】
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