(57)【要約】 【課題】  評価方法の変更等に柔軟に対応し、装置全体の設計の自由度を高めることができる燃料電池評価装置を提供すること。【解決手段】  燃料電池の性能を評価する燃料電池評価装置であって、燃料電池の発電に用いられる反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、燃料ガス供給手段により供給される反応ガスの状態を整える複数のガス状態調整手段と、反応ガスの流れ方向に沿って相互に連結され、反応ガスの流路を形成する複数の流路ブロックと、を備え、各流路ブロックは、反応ガスの流路に連通可能な接続口を複数有し、反応ガス供給手段及び前記複数のガス状態調整手段は、複数の流路ブロックの複数の接続口のうちのいずれかに接続されることを特徴とする。【選択図】  図３
2007087635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の性能を評価する燃料電池評価装置であって、
前記燃料電池の発電に用いられる反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段により供給される反応ガスの状態を要求される状態に整える、複数のガス状態調整手段と、
前記反応ガスの流れ方向に沿って相互に連結され、前記反応ガスの流路を形成する複数の流路ブロックと、を備え、
各流路ブロックは、前記反応ガスの流路に連通可能な接続口を複数有し、該複数の接続口に、前記反応ガス供給手段及び前記複数のガス状態調整手段が接続されることを特徴とする、
燃料電池評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池評価装置であって、
前記複数のガス状態調整手段は、前記複数の流路ブロックの複数の接続口に接続可能に規格化された手段である、
燃料電池評価装置。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池評価装置であって、
前記複数のガス状態調整手段は、アダプタを用いて前記複数の流路ブロックの複数の接続口に接続可能とした手段である、
燃料電池評価装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池評価装置であって、
前記複数の流路ブロックは、口径の異なる複数の種類の環状の流路ブロックである、
燃料電池評価装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池評価装置であって、
前記複数のガス状態調整手段は、噴霧により反応ガスを加湿する加湿手段、反応ガスの湿度を検出する湿度検出手段、反応ガスを加熱する過熱手段、反応ガスの温度を検出する温度検出手段、反応ガスの圧力を検出する圧力検出手段、のうち少なくとも一つを含む、
燃料電池評価装置。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載の燃料電池評価装置であって、
前記複数の流路ブロックが備える複数の接続口の一部は、前記反応ガスの流れ方向に沿うように傾斜して設けられていることを更に特徴とする、
燃料電池評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の性能を評価する燃料電池評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素やメタノール等の化学反応で発電する発電装置であり、従来のガソリン等のエネルギーに比して、二酸化炭素（ＣＯ２）や窒素酸化物（ＮＯｘ）に代表される有害な排出ガスが少ないことや、エネルギー効率が高いこと、天然ガスやメタノール等の多様な燃料が利用可能であること等の利点を有している。この燃料電池は、種々の原因で出力電圧が理論値よりも低下するため、実際の性能を評価するためには、供給する水素や酸素（空気）等の反応ガスの量や湿度、温度、圧力等を変化させて出力を計測する等の手法により燃料電池の性能を評価する燃料電池評価装置が必要となる。
【０００３】
従来、この種の燃料電池評価装置としては、反応ガスの供給装置から燃料電池に至るガス流路をＳＵＳ配管等で構成し、その途中に加湿器やヒーター、各種センサ類を配置して構成されたものがある。
【０００４】
また、ガス供給装置と、ガス流量計測器と、ストップバルブとを取り付け可能なプレートを備えるガス流量制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、プレートに取り付ける機器の形状を規格化して、着脱可能にしている。
【特許文献１】特開２００１−１４７７２２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、上記従来の燃料電池評価装置では、装置全体のサイズが大きくなる上、評価方法の変更等に伴って反応ガス流量の変更や機器類および各種センサの追加・置換などを行なう必要性が生じた場合に、配管の再設計が煩雑になる等の問題点があった。
【０００６】
また、上記従来のガス流量制御装置のようにガス供給装置やセンサ等を着脱可能な配管構造を備える燃料電池評価装置では、配管に接続される各種センサの追加・置換などには柔軟に対応できるものの、例えば燃料電池評価装置の設置された実験室における機器類のレイアウト変更によって配管自体の構造を組み替える必要があるときには対応できない場合が生じる。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、評価方法の変更等に柔軟に対応し、装置全体の設計の自由度を高めることができる燃料電池評価装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の一態様は、燃料電池の性能を評価する燃料電池評価装置であって、燃料電池の発電に用いられる反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、燃料ガス供給手段により供給される反応ガスの状態を要求された状態に整える、複数のガス状態調整手段と、反応ガスの流れ方向に沿って接続され、反応ガスの流路を形成する複数の流路ブロックと、を備え、各流路ブロックは、反応ガスの流路に連通可能な接続口を複数有し、反応ガス供給手段及び複数のガス状態調整手段は、複数の流路ブロックの複数の接続口のうちのいずれかに接続されることを特徴とする、ものである。ここで、反応ガスには、例えば、水素等の燃料ガスと、空気（実際にはその中に含まれる酸素ガス）がある。
【０００９】
この本発明の一態様によれば、反応ガス供給手段やガス状態調整手段を流路ブロックの接続口に接続する組み合わせを変更することにより、評価方法の変更等に柔軟に対応することができる。また、相互に接続可能な流路ブロックにより反応ガスの流路を形成するから、この流路ブロックの組み合わせにより、装置全体の設計の自由度を高めることができる。
【００１０】
本発明の一態様において、複数のガス状態調整手段は、好ましくは、複数の流路ブロックの複数の接続口に接続可能に規格化された手段であり、また、アダプタを用いて複数の流路ブロックの複数の接続口に接続可能とした手段であってもよい。これにより、接続口への接続が容易となる。
【００１１】
また、本発明の一態様において、複数の流路ブロックは、好ましくは、口径の異なる複数の種類の環状の流路ブロックである。こうすれば、例えば、反応ガスの流量に応じた異なる口径の異なる流路を複数形成し、それらを選択的に用いることにより、反応ガスの流量を簡便に変更することができる。
【００１２】
また、本発明の一態様において、複数のガス状態調整手段は、例えば、噴霧により反応ガスを加湿する加湿手段、反応ガスの湿度を検出する湿度検出手段、反応ガスを加熱する過熱手段、反応ガスの温度を検出する温度検出手段、反応ガスの圧力を検出する圧力検出手段、のうち少なくとも一つを含むものである。
【００１３】
また、本発明の一態様は、好ましくは、複数の流路ブロックが備える複数の接続口の一部が、反応ガスの流れ方向に沿うように傾斜して設けられていることを更に特徴とするものである。こうすれば、例えば、反応ガス供給手段からの反応ガス等が、反応ガス流路に衝突して乱流等を生じることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、評価方法の変更等に柔軟に対応し、装置全体の設計の自由度を高めることができる燃料電池評価装置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】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。本発明の一実施例に係る燃料電池評価装置１０は、被験体９０として設置される種々の燃料電池に反応ガス（水素ガスおよび空気（酸素ガス））を供給し、出力電力等を計測することにより、燃料電池の性能を評価する。燃料電池評価装置１０は、この反応ガスを被験体９０に供給する流路の少なくとも一部が、流路ブロック２０により構成されている。そこで、まず流路ブロック２０の構成及び機能について説明し、次に燃料電池評価装置１０の全体構成について説明する。
【００１６】
図１は、燃料電池評価装置１０が備える流路ブロック２０の構成の一例を示す図である。流路ブロック２０は、例えば、ステンレス鋼等で形成され、長さ数十ｃｍの略円筒状の形状をしており、相互に連結されて反応ガスの流路を構成する。なお、この連結には、例えばサニタリーフランジの構造を利用しており、連結に伴う反応ガスの漏れを抑制している。流路ブロック２０は、補強部材の略中央部に設けられると共に反応ガスの流路に連通した、２つの噴射器用接続口２２と、４つのセンサ用接続口２３と、を備える。これらの接続口には、後述する各種デバイスが着脱可能であり、接続が不要であるときは穴埋め部材により密閉される。図２は、図１におけるＡ−Ａ´方向の断面図を表した図である。図示するように、噴射器用接続口２２は流路に沿って傾斜するように形成されており、噴射された反応ガス等が噴射後すぐに流路に衝突してしまうことを抑制する構造となっている。なお、流路ブロック２０における、２つの噴射器用接続口２２と４つのセンサ用接続口２３の配列は如何なるものでも構わない。
【００１７】
流路ブロック２０に接続されるデバイスは、例えば、反応ガスを噴射する反応ガス供給ノズル３１や、霧状の水を噴射する噴霧ノズル３２、流路ブロック２０内の圧力を検出する圧力センサ３３、流路ブロック２０内の湿度を検出する湿度センサ３４、ヒーター３５、流路ブロック２０内の温度を検出する温度センサ３６である。ヒーター３５は、例えば棒状のシーズヒーターである。これらのデバイスのうち、反応ガス供給ノズル３１と噴霧ノズル３２が噴射器用接続口２２に、それ以外がセンサ用接続口２３に接続されるよう規格化されている。噴射器用接続口２２の傾斜により、噴射された反応ガスが流路に衝突して乱流となったり、霧状の水が流路に衝突して液化したりする現象を抑制することができる。また、デバイスの着脱が可能であることから、評価方法に応じて自由にデバイスを組み合わせることが可能となっている。
【００１８】
流路ブロック２０には、反応ガスの流量に応じて異なる直径のものが用意されており、例えば、直径約１ｃｍの小流量用流路ブロック２０Ａ、直径約３ｃｍの中流量用流路ブロック２０Ｂ、直径約１０ｃｍの大流量用流路ブロック２０Ｃ等がある。また、それぞれの口径にあったエルボ型のもの（小エルボ２１Ａ、中エルボ２１Ｂ、大エルボ２１Ｃ）も用意されている。
【００１９】
次に、燃料電池評価装置１０の全体構成について説明する。図３は、上記の流路ブロック２０を用いて設計される、燃料電池評価装置１０の全体構成の一例を模式的に表す模式図である。燃料電池評価装置１０は、流路ブロック２０や各種デバイスの他、水素ガス供給部４０と、空気供給部４５と、水供給部５０と、小流量用配管構造６０Ａと、中流量用配管構造６０Ｂと、大流量用配管構造６０Ｃと、制御部７０と、評価部８０と、を備える。なお、図中、空気供給側の配管構造は、水素ガス供給側と構造及び機能において同一であるため、図示を省略している。
【００２０】
水素ガス供給部４０は、例えば、水素ガスを蓄える水素タンク４１と、水素タンク４１からの水素ガスの供給量を制御部７０からの入力信号に基づいて調節する水素ガス供給部マスフローコントローラー４２とを備え、装置全体に水素ガスを供給する。
【００２１】
空気供給部４５は、例えば、空気中の不純物を除去するエアフィルター４６と、エアフィルター４６から流入する空気を圧縮するコンプレッサー４７と、空気の供給量を制御部７０からの入力信号に基づいて調節する空気供給部マスフローコントローラー４８とを備え、装置全体に空気（酸素ガス）を供給する。
【００２２】
水供給部５０は、制御部７０により駆動されるウォーターポンプ５１と、ウォーターポンプ５１から供給される水の水圧を検出して制御部７０に送信する水圧センサ５２とを備え、装置全体に水を供給する。
【００２３】
小流量用配管構造６０Ａは、小流量用流路ブロック２０Ａを直列に複数個連結し、制御部７０からの入力信号により反応ガス供給量を調節する小流量用マスフローコントローラー６１Ａとエルボ２１Ａを介して被験体９０に連結されたチーズ２５に至る反応ガス流路である。連結された小流量用流路ブロック２０Ａの最上流部には、ブロックキャップ６２Ａが取り付けられており、上流部から順に反応ガス供給ノズル３１および圧力センサ３３、噴霧ノズル３２および湿度センサ３４、ヒーター３５および温度センサ３６がそれぞれ１つ接続されている。
【００２４】
中流量用配管構造６０Ｂは、中流量用流路ブロック２０Ｂを直列に複数個連結し、制御部７０からの入力信号により反応ガス供給量を調節する中流量用マスフローコントローラー６１Ｂを介してチーズ２５に至る反応ガス流路である。連結された中流量用流路ブロック２０Ｂの最上流部には、ブロックキャップ６２Ｂが取り付けられており、上流部から順に反応ガス供給ノズル３１が２つと圧力センサ３３が１つ、噴霧ノズル３２および湿度センサ３４、ヒーター３５および温度センサ３６がそれぞれ１つ接続されている。
【００２５】
大流量用配管構造６０Ｃは、大流量用流路ブロック２０Ｃを直列に複数個連結し、制御部７０からの入力信号により反応ガス供給量を調節する大流量用マスフローコントローラー６１Ｃとエルボ２１Ｃを介してチーズ２５に至る反応ガス流路である。連結された大流量用流路ブロック２０Ｃの最上流部には、ブロックキャップ６２Ｃが取り付けられており、上流部から順に反応ガス供給ノズル３１が４つと圧力センサ３３が１つ、噴霧ノズル３２および湿度センサ３４、ヒーター３５および温度センサ３６がそれぞれ１つ接続されている。
【００２６】
これらの配管構造に接続された、反応ガス供給ノズル３１には、水素ガス供給手段４０や空気供給手段４５からの反応ガスが、噴霧ノズル３２には水供給手段５０からの水が、図示しない流路を通じてそれぞれ供給される。また、圧力センサ３３や湿度センサ３４、温度センサ３６が検出した値は、図示しない通信手段により、制御部７０に入力される。ヒーター３５の制御も、制御部７０からの入力信号により行なわれる。
【００２７】
制御部７０は、例えばＣＰＵを中心とするコンピュータであり、操作者の設定入力により被験体９０に供給される反応ガスの供給量や湿度、温度等が設定され、これが実現されるように上述した水素ガス供給部マスフローコントローラー４２やコンプレッサー４７、空気供給部マスフローコントローラー４８、ウォーターポンプ５１、および配管構造に接続された小〜大流量用マスフローコントローラー６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ等に制御信号を出力する。例えば、被験体９０が車載用に研究されているような単セルを数百枚積層したスタックであるときには、大流量用マスフローコントローラー６１Ｃを開放して比較的多量の反応ガスを被験体９０に供給し、小，中流量用マスフローコントローラー６１Ａ，６１Ｂを閉止する。また、被験体９０が単セル１枚〜１０枚程度の積層であるときには、中流量用マスフローコントローラー６１Ｂを開放し、小，大流量用マスフローコントローラー６１Ａ，６１Ｃを閉止する。さらに、材料物性を研究する等の場合には小流量用マスフローコントローラー６１Ａを開放し、中，大流量用マスフローコントローラー６１Ｂ，６１Ｃを閉止する。このように、予め流量に応じて配管構造を複数備えるように設計することで、反応ガスの流量を迅速に切替えることが可能である。もとより、評価内容に応じて、水素ガス供給部マスフローコントローラー４２やコンプレッサー４７、空気供給部マスフローコントローラー４８、ウォーターポンプ５１の制御量を適度に調整するのは言うまでもない。
【００２８】
評価部８０は、被験体９０の電力端子にリレーを介して電気的に接続されている。評価部８０は、被験体９０から負荷電流を出力させるための負荷装置、電流を遮断するためのスイッチ、波形観測器等により構成されている。また、オフガスの成分を判定する機器などを備えるものとしてもよい。
【００２９】
ＦＣスタック４０の評価方法には、種々のものがあるが、例えば、水素ガスと空気の供給量や湿度，温度などを変化させながらターフェルプロットの測定を行なう方法や、交流インピーダンス法、電流遮断法などが挙げられる。評価方法自体については、本発明の中核をなさないので詳細な説明を省略する。
【００３０】
図３に示した、燃料電池評価装置１０の配管構造は、流路ブロック２０を用いて設計可能な構造の一例である。本実施例の燃料電池評価装置１０は、反応ガスの流量を迅速に切替えることが可能なように構成されたものであるが、流路ブロック２０を用いているため、容易に構成の変更をすることができる。従って、燃料電池評価装置１０が備える水素ガス供給部４０や空気供給部４５、水供給部５０、制御部７０、評価部８０等のレイアウト変更にも柔軟に対応することも可能である。すなわち、評価方法の変更等に柔軟に対応し、装置全体の設計の自由度を高めることができる。
【００３１】
以上、本発明を実施するための最良の形態について一実施例を用いて説明したが、本発明はこうした一実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上述した一実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００３２】
例えば、流路ブロック２０の形状は、実施例で例示した略円筒状のものに限られず、多角形のものでもよい。材質やサイズについても、強度と耐熱・密閉性を満たせば実施例のものに限定されない。
【００３３】
また、流路ブロック２０に形成される噴射器用接続口２２やセンサ用接続口２３のそれぞれの個数についても任意に変更可能である。
【００３４】
また、３種類の直径の異なる流路ブロック２０を例示したが、これに限られず、任意の種類の直径の異なる流路ブロック２０を備えるものとしてもよく、流路ブロック２０は１種類であっても構わない。
【００３５】
また、流路ブロック２０に接続されるデバイスは、接続口に接続可能に規格化されているものとしたが、各接続口に接続可能なアダプタを用いてもよい。
【００３６】
流路ブロック２０以外の構成要素に対しても、種々の変更及び置換が可能である。例えば、水素ガス供給部４０は、水素タンク４１を備え、これにより水素ガスを供給するものとしたが、メタノールや天然ガスを蓄えると共にこれを改質して水素ガスを発生させる装置を備えるものとしてもよい。
【００３７】
また、各マスフローコントローラーは他の種類の供給制御弁であってもよく、制御部７０は評価部８０に含まれてもよい。その他、種々の置換等が考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、少なくとも燃料電池評価装置に利用できる。評価する燃料電池の種類やサイズ、発電量等は問わない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例に係る流路ブロック２０の構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の一実施例に係る流路ブロック２０の断面図である。
【図３】本発明の一実施例に係る流路ブロック２０を用いて設計される、燃料電池評価装置１０の全体構成の一例を模式的に表す模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  燃料電池評価装置
２０  流路ブロック
２０Ａ  小流量用流路ブロック
２０Ｂ  中流量用流路ブロック
２０Ｃ  大流量用流路ブロック
２１Ａ  小流量用エルボ
２１Ｃ  大流量用エルボ
２２  噴射器用接続口
２３  センサ用接続口
２５  チーズ
３１  反応ガス供給ノズル
３２  噴霧ノズル
３３  圧力センサ
３４  湿度センサ
３５  ヒーター
３６  温度センサ
４０  水素ガス供給部
４１  水素タンク
４２  水素ガス供給部マスフローコントローラー４２
４５  空気供給部
４６  エアフィルター
４７  コンプレッサー
４８  空気供給部マスフローコントローラー４８
５０  水供給部５０
５１  ウォーターポンプ
５２  水圧センサ
６０Ａ  小流量用配管構造
６０Ｂ  中流量用配管構造
６０Ｃ  大流量用配管構造
６１Ａ  小流量用マスフローコントローラー
６１Ｂ  中流量用マスフローコントローラー
６１Ｃ  大流量用マスフローコントローラー
６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ  ブロックキャップ
７０  制御部
８０  評価部
９０  被験体
【図１】
2007087635.tif 000003
【図２】
2007087635.tif 000004
【図３】
2007087635.tif 000005