(57)【要約】【課題】燃料電池の水収支を正確に把握できる燃料電池の評価装置および評価方法を提供する。【解決手段】計測手段１０１は、燃料電池に対する水分の出入りを計測する。水収支算出手段１０２は、計測手段１０１による計測結果に基づいて水収支を算出する。また、生成水量算出手段１０３は、燃料電池の発電により生成される水分量を算出する。この場合、水収支算出手段１０２は生成水量算出手段１０３の算出結果を加味して水収支を算出することができる。制御手段１０４は、水収支算出手段１０２による算出結果に応じて、燃料電池に対する水分の出入りを制御する。【選択図】図１
2007134287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の動作状態を評価する燃料電池の評価装置において、
燃料電池に対する水分の出入りを計測する計測手段と、
前記計測手段による計測結果に基づいて水収支を算出する水収支算出手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の評価装置。
【請求項２】
前記計測手段は燃料電池に供給される水分量を計測することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の評価装置。
【請求項３】
前記計測手段は燃料電池から排出される水分量を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の評価装置。
【請求項４】
燃料電池の発電により生成される水分量を算出する生成水量算出手段を備え、
前記水収支算出手段は前記生成水量算出手段の算出結果を加味して水収支を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の評価装置。
【請求項５】
前記計測手段は、燃料電池に対する水分の出入りをカソードおよびアノードについてそれぞれ計測することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池の評価装置。
【請求項６】
前記水収支算出手段による算出結果に応じて、燃料電池に対する水分の出入りを制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池の評価装置。
【請求項７】
燃料電池の動作状態を評価する燃料電池の評価方法において、
燃料電池に対する水分の出入りを計測するステップと、
前記計測するステップによる計測結果に基づいて水収支を算出するステップと、
を備えることを特徴とする燃料電池の評価方法。
【請求項８】
前記計測するステップでは、燃料電池に供給される水分量を計測することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の評価方法。
【請求項９】
前記計測するステップでは、燃料電池から排出される水分量を計測することを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池の評価方法。
【請求項１０】
燃料電池の発電により生成される水分量を算出するステップを備え、
前記水収支を算出するステップでは、前記生成される水分量を算出するステップの算出結果を加味して水収支を算出することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池の評価方法。
【請求項１１】
前記計測するステップでは、燃料電池に対する水分の出入りをカソードおよびアノードについてそれぞれ計測することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池の評価方法。
【請求項１２】
前記水収支を算出するステップによる算出結果に応じて、燃料電池に対する水分の出入りを制御するステップを備えることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の動作状態を評価する燃料電池の評価装置および評価方法に関し、とくに燃料電池の水収支を評価できる評価装置および評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスおよび酸化ガスを供給して発電を行わせる燃料電池が知られている。燃料電池を効率的に安定して動作させるためには、燃料電池に対する水の出し入れである水収支の管理が重要なファクターとなる。水収支は燃料電池に与える供給ガスの湿度に応じて変化するため、供給ガスの湿度を制御する方法としては、ドライガスに混合するウェットガスの分量を調整する方法などがある。ドライガスに混合されるウェットガスは、加湿装置を用いて供給ガスに水蒸気を含ませることにより生成される。
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５３５８０６号公報
【特許文献２】特開２００５−２８５６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、燃料電池の水収支を管理する場合には、供給ガスを供給する燃料電池の入口、あるいは、加湿装置の出口での湿度あるいは露点を計測し、これを管理する方法が採られている。しかし、この方法では、燃料電池の水収支を直接的に把握できないという問題がある。
【０００５】
燃料電池においてアノード極およびカソード極における水収支を管理することは、安定した発電あるいは燃料電池の耐久性維持のために重要である。さらに、燃料電池の水収支を正確に制御することで、燃料電池の乾燥やフラッディングを回避することができるとともに、水収支が管理された環境下で燃料電池を評価することで、燃料電池の本来の特性等を正確に把握できる。
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池の水収支を正確に把握できる燃料電池の評価装置および評価方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池の評価装置は、燃料電池の動作状態を評価する燃料電池の評価装置において、燃料電池に対する水分の出入りを計測する計測手段と、前記計測手段による計測結果に基づいて水収支を算出する水収支算出手段と、を備えることを特徴とする。
この評価装置によれば、燃料電池に対する水分の出入りを計測し、その結果に基づいて燃料電池の水収支を算出するので、水収支を正確に把握できる。
【０００８】
前記計測手段は燃料電池に供給される水分量を計測してもよい。
【０００９】
前記計測手段は燃料電池から排出される水分量を計測してもよい。
【００１０】
燃料電池の発電により生成される水分量を算出する生成水量算出手段を備え、前記水収支算出手段は前記生成水量算出手段の算出結果を加味して水収支を算出してもよい。
【００１１】
前記計測手段は、燃料電池に対する水分の出入りをカソードおよびアノードについてそれぞれ計測してもよい。
【００１２】
前記水収支算出手段による算出結果に応じて、燃料電池に対する水分の出入りを制御する制御手段を備えてもよい。
この場合には、燃料電池の水収支を適切に維持した状態で、燃料電池を動作させることができる。
【００１３】
本発明の燃料電池の評価方法は、燃料電池の動作状態を評価する燃料電池の評価方法において、燃料電池に対する水分の出入りを計測するステップと、前記計測するステップによる計測結果に基づいて水収支を算出するステップと、を備えることを特徴とする。
この評価方法によれば、燃料電池に対する水分の出入りを計測し、その結果に基づいて燃料電池の水収支を算出するので、水収支を正確に把握できる。
【００１４】
前記計測するステップでは、燃料電池に供給される水分量を計測してもよい。
【００１５】
前記計測するステップでは、燃料電池から排出される水分量を計測してもよい。
【００１６】
燃料電池の発電により生成される水分量を算出するステップを備え、前記水収支を算出するステップでは、前記生成される水分量を算出するステップの算出結果を加味して水収支を算出してもよい。
【００１７】
前記計測するステップでは、燃料電池に対する水分の出入りをカソードおよびアノードについてそれぞれ計測してもよい。
【００１８】
前記水収支を算出するステップによる算出結果に応じて、燃料電池に対する水分の出入りを制御するステップを備えてもよい。
この場合には、燃料電池の水収支を適切に維持した状態で、燃料電池を動作させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池の評価装置によれば、燃料電池に対する水分の出入りを計測し、その結果に基づいて燃料電池の水収支を算出するので、水収支を正確に把握できる。
【００２０】
本発明の燃料電池の評価方法によれば、燃料電池に対する水分の出入りを計測し、その結果に基づいて燃料電池の水収支を算出するので、水収支を正確に把握できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明による燃料電池の評価装置を機能的に示すブロック図である。
【００２２】
図１において、計測手段１０１は、燃料電池に対する水分の出入りを計測する。水収支算出手段１０２は、計測手段１０１による計測結果に基づいて水収支を算出する。
【００２３】
また、生成水量算出手段１０３は、燃料電池の発電により生成される水分量を算出する。この場合、水収支算出手段１０２は生成水量算出手段１０３の算出結果を加味して水収支を算出することができる。
【００２４】
制御手段１０４は、水収支算出手段１０２による算出結果に応じて、燃料電池に対する水分の出入りを制御する。
【００２５】
以下、図２〜図１０を参照して、本発明による燃料電池の評価装置の一実施形態について説明する。
【００２６】
図２は本実施形態の評価装置、および評価対象となる燃料電池に対するガスを供給するガス供給システムの構成を示すブロック図である。
【００２７】
図２に示すように、燃料電池１のカソード１１には、酸化ガス供給装置２により酸化ガスが供給される。酸化ガス供給装置２は、酸化ガスを供給する酸化ガス供給源２１と、酸化ガスのドライ流量を制御するドライガス流量制御器２２と、酸化ガスのウェット流量を制御するウェットガス流量制御器２３と、ウェットガス流量制御器２３から供給される酸化ガスを加湿するバブラー等の加湿装置２４と、を備える。
【００２８】
また、燃料電池１のアノード１２には、燃料ガス供給装置３により燃料ガスが供給される。燃料ガス供給装置３は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給源３１と、燃料ガスのドライ流量を制御するドライガス流量制御器３２と、燃料ガスのウェット流量を制御するウェットガス流量制御器３３と、ウェットガス流量制御器３３から供給される燃料ガスを加湿するバブラー等の加湿装置３４と、を備える。
【００２９】
本実施形態の評価装置１００は、酸化ガス供給装置２からカソード１１に供給される酸化ガスの湿度、圧力および温度を検出するための検出部５１と、カソード１１から排出されるガスと液体とを分離する気液分離器５２と、気液分離器５２により分離された水分量を計測する水位計、質量計等の水量計５３と、カソード１１から排出される排気ガスの湿度、圧力および温度を検出する検出部５４と、燃料ガス供給装置３からアノード１２に供給される燃料ガスの湿度、圧力および温度を検出するための検出部６１と、アノード１２から排出されるガスと液体とを分離する気液分離器６２と、気液分離器６２により分離された水分量を計測する水位計、質量計等の水量計６３と、アノード１２から排出される排気ガスの湿度、圧力および温度を検出する検出部６４と、カソード１１およびアノード１２の間に接続され、燃料電池から所望の電流を消費するための電子負荷４と、電子負荷４に流れる消費電流を検出する電流計測器７１と、を備える。
【００３０】
図３は本実施形態の評価装置の制御系の構成を示すブロック図である。
【００３１】
図３に示すように、本実施形態の評価装置１００は、検出部５１、検出部５４、検出部６１、検出部６４、水量計５３、水量計６３および電流計測器７１からの情報に基づく演算を実行する演算部７２と、検出部５１、検出部５４、検出部６１、検出部６４、水量計５３、水量計６３、電流計測器７１、演算部７２および電子負荷４を制御する制御部７３と、を備える。
【００３２】
また、評価装置１００は、ドライガス流量制御器２２、ウェットガス流量制御器２３、ドライガス流量制御器３２およびウェットガス流量制御器３３からそれぞれ送信される、酸化ガスのドライガス流量、酸化ガスのウェットガス流量、燃料ガスのドライガスおよび燃料ガスのウェットガス流量を受信する。
【００３３】
次に、評価装置１００における水収支の計算手順を説明する。
【００３４】
図４は計算手順を示すフローチャートである。この手順は制御部７３の制御に基づき、演算部７２において実行される。図５〜図８は計算手順を説明する図である。
【００３５】
図４のステップＳ１では、図５に示すように、ドライガス流量制御器２２から送信されたドライガス流量およびウェットガス流量制御器２３から送信されたウェットガス流量を加算して、酸化ガス供給流量を算出する。酸化ガス供給流量は酸化ガス供給源２１の供給量に等しい。
【００３６】
次に、ステップＳ２では、図５に示すように、検出部５１により検出される供給酸化ガスの湿度、圧力および温度に基づく演算を実行し、カソード１１に供給される酸化ガスのガス分圧、水蒸気分圧および水蒸気流量を算出する。
【００３７】
次に、ステップＳ３では、図５に示すように、ドライガス流量制御器３２から送信されたドライガス流量およびウェットガス流量制御器３３から送信されたウェットガス流量を加算して、燃料ガス供給流量を算出する。燃料ガス供給流量は燃料ガス供給源３１の供給量に等しい。
【００３８】
次に、ステップＳ４では、図５に示すように、検出部６１により検出される供給燃料ガスの湿度、圧力および温度に基づく演算を実行し、アノード１２に供給される燃料ガスのガス分圧、水蒸気分圧および水蒸気流量を算出する。
【００３９】
ステップＳ５では、図６に示すように、電流計測器７１により計測される電流値に基づいて、燃料電池１で消費される酸化ガス流量、燃料ガス流量と、発電により生成する水分量とを算出する。
【００４０】
次いでステップＳ６では、図７に示すように、ステップＳ１で算出した酸化ガス供給流量から、ステップＳ５で算出した、燃料電池１で消費される酸化ガス流量を減算して、燃料電池１から排出される酸化ガス流量を算出する。
【００４１】
ステップＳ７では、図７に示すように、ステップＳ６で求めた、燃料電池１から排出される酸化ガス流量と、検出部５４により検出される排気酸化ガスの湿度、圧力および温度と、に基づく演算を実行し、カソード１１から排気されるガスの分圧、水蒸気分圧および水蒸気流量を算出する。
【００４２】
次いでステップＳ８では、図７に示すように、ステップＳ３で算出した燃料ガス供給流量から、ステップＳ５で算出した、燃料電池１で消費される燃料ガス流量を減算して、燃料電池１から排出される燃料ガス流量を算出する。
【００４３】
ステップＳ９では、図７に示すように、ステップＳ８で求めた、燃料電池１から排出される燃料ガス流量と、検出部６４により検出される排気燃料ガスの湿度、圧力および温度と、に基づく演算を実行し、アノード１２から排気されるガスの分圧、水蒸気分圧および水蒸気流量を算出する。
【００４４】
次に、ステップＳ１０では、図８に示すように、ステップＳ２で算出したカソード供給水蒸気流量、ステップＳ４で算出したアノード供給水蒸気流量、およびステップＳ５で算出した発電により生成する水分量を加算して、燃料電池１に供給される水分量および燃料電池１における発電で生成される水分量の総和を算出する。
【００４５】
次に、ステップＳ１１では、図８に示すように、ステップＳ７で算出したカソード１１からの排気水蒸気流量、水量計５３で計測されたカソード１１からの排出水量、ステップＳ９で算出したアノード１２からの排気水蒸気流量、および水量計６３で計測されたアノード１２からの排出水量を加算して、燃料電池１１から排出される水分量の総和を算出する。
【００４６】
次に、ステップＳ１２では、図８に示すように、ステップＳ１０で算出した燃料電池１に供給される水分量および燃料電池１における発電で生成される水分量の総和と、ステップＳ１１で算出した燃料電池１１から排出される水分量の総和とを比較する処理を実行する。
【００４７】
図９はステップＳ１２の処理手順を示すフローチャートである。図９に示すように、ステップＳ１１の処理を終了後、ステップＳ１２１では、燃料電池１に供給される水分量および燃料電池１で生成される水分量の総和が、燃料電池１１から排出される水分量の総和よりも大きいか否か判断し、判断が肯定されればステップＳ１２２において燃料電池１の水分が増加傾向にあると判定し、ステップＳ１３へ進む。ステップＳ１２１における判断が否定されればステップＳ１２３へ進む。
【００４８】
ステップＳ１２３では、燃料電池１に供給される水分量および燃料電池１で生成される水分量の総和が、燃料電池１１から排出される水分量の総和よりも小さいか否か判断し、判断が肯定されればステップＳ１２４において燃料電池１の水分が減少傾向にあると判定し、ステップＳ１３へ進む。ステップＳ１２３における判断が否定されればステップＳ１２５へ進む。
【００４９】
ステップＳ１２５では、燃料電池１の水収支が良好であると判定し、ステップＳ１３へ進む。なお、ステップＳ１２５へ進むのは、燃料電池１に供給される水分量および燃料電池１で生成される水分量の総和と、燃料電池１１から排出される水分量の総和とが等しい場合である。
【００５０】
図４に示すように、ステップＳ１３では、ステップＳ１２の処理における判定結果を出力して、一連の処理手順を終了する。
【００５１】
以上のように、本実施形態の評価装置によれば、燃料電池に供給される水分量、燃料電池で生成する水分量、および燃料電池から排出される水分量を算出し、これらの値に基づいて水の出入りの状態を求めている。このため、燃料電池１の水収支を正確に把握することができる。また、本実施形態では、カソードおよびアノードの両極の水の出入りの総和を、燃料電池の水収支として算出している。このため、発電により生成された生成水のアノードへの逆拡散の影響も含めた水収支を正確に把握できる。
【００５２】
上記実施形態では、排気ガスの流量を算出するにあたり、燃料電池に供給されるガス量から、燃料電池で消費されるガス量を減算して求めている（ステップＳ６およびステップＳ８）。しかし、流量計等を用いて、燃料電池から排気されるガスの流量を直接計測してもよい。この場合には、排気ガスの流量を算出する際に、消費電流の計測値を使用する必要がなくなる。
【００５３】
また、上記実施形態では、燃料電池１の排気側に気液分離器を設け、気体と水とを分離している。しかし、気液分離器に代えて加温装置を設け、排出される水分をすべて蒸気にしてから、排気ガスの湿度、圧力および温度を計測してもよい。この計測値を用いて燃料電池から排出される水分量を算出することができる。
【００５４】
また、一般に燃料電池の運転においては、その発電特性を向上させるために、加圧環境化での運転を実行する場合がある。例えば、ガスの供給側に圧力調整弁を設置することで燃料電池に供給するガスの圧力を制御し、あるいは、排気側に圧力制御弁を設置することで燃料電池に供給するガスの圧力もしくは燃料電池から排出されるガスの圧力を制御することができる。本実施形態の評価装置は、このような加圧環境化での運転を行う場合であっても、燃料電池の水収支を正確に把握することができる。
【００５５】
本発明による評価装置を用いて、燃料電池に対するガス供給システムを構成することができる。
【００５６】
図１０は評価装置を用いたガス供給システムの構成を示すブロック図である。
【００５７】
図１０に示すように、ガス供給システムは、酸化ガス供給装置２および燃料ガス供給装置３を制御する制御装置８を備える。
【００５８】
制御装置８は上記実施形態の評価装置１００による水収支の判定結果を受け、酸化ガス供給装置２および燃料ガス供給装置３を制御することで、水収支を良好に維持し、あるいは燃料電池の運転状態を最適化する。制御装置８による制御として、例えば、供給ガスにおけるドライガスとウェットガスとの比率を制御することで、燃料電池１の水分量を制御することができる。また、燃料電池１の水分量が増加していると判定された場合に、ガス供給量を増加させて水分の排出を促進するような制御をすることもできる。
【００５９】
以上説明したように、本発明の燃料電池の評価装置および評価方法によれば、燃料電池に対する水分の出入りを計測し、その結果に基づいて燃料電池の水収支を算出するので、水収支を正確に把握できる。
【００６０】
また、図１０に示すように、水収支の算出結果に応じて燃料電池に対する水分の出入りを制御すれば、水収支を適切に維持した状態で、燃料電池を動作させることができる。
【００６１】
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、燃料電池の動作状態を評価する燃料電池の評価装置および評価方法に対し、広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明による燃料電池の評価装置を機能的に示すブロック図。
【図２】本実施形態の評価装置、および評価対象となる燃料電池に対するガスを供給するシステムの構成を示すブロック図。
【図３】本実施形態の評価装置の制御系の構成を示すブロック図。
【図４】計算手順を示すフローチャート。
【図５】計算手順を説明する図。
【図６】計算手順を説明する図。
【図７】計算手順を説明する図。
【図８】計算手順を説明する図。
【図９】ステップＳ１２の処理手順を示すフローチャート。
【図１０】評価装置を用いたガス供給システムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００６３】
８      制御装置（制御手段）
２２    ドライガス流量制御器（計測手段）
２３    ウェットガス流量制御器（計測手段）
３２    ドライガス流量制御器（計測手段）
３３    ウェットガス流量制御器（計測手段）
５１    検出部（計測手段）
５４    検出部（計測手段）
６１    検出部（計測手段）
６４    検出部（計測手段）
７１    電流計測器（生成水量算出手段）
７３    演算部（水収支算出手段、生成水量算出手段）
１０１  計測手段
１０２  水収支算出手段
１０３  生成水量算出手段
１０４  制御手段
【図１】
2007134287.tif 000003
【図２】
2007134287.tif 000004
【図３】
2007134287.tif 000005
【図４】
2007134287.tif 000006
【図５】
2007134287.tif 000007
【図６】
2007134287.tif 000008
【図７】
2007134287.tif 000009
【図８】
2007134287.tif 000010
【図９】
2007134287.tif 000011
【図１０】
2007134287.tif 000012