(57)【要約】【課題】露点計を用いることなく、燃料電池に供給される加湿ガスの流量を測定できる燃料電池の試験方法とその装置の提供。【解決手段】（１）本発明の燃料電池の試験方法は、質量流量コントローラー２でガスを流量測定するとともにガス流量をコントロールする第１の工程と、ガスを加湿器３で加湿する第２の工程と、加湿されたガスを体積式流量計７で流量測定するとともに、体積式流量計７の流量値から質量流量コントローラー２の流量値を減算してガスに含まれる水分量を求める第３の工程と、を有する。この方法には、露点計は含まれない。（２）本発明の燃料電池の試験装置は、ガス流れ方向に順に、質量流量コントローラー２、加湿器３、体積式流量計７と、体積式流量計７の流量値から質量流量コントローラー２の流量値を減算して水分量を求める演算装置８と、を有する。この装置には、露点計は含まれない。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加湿器の上流に設けられた質量流量コントローラーでガスを流量測定するとともにガス流量をコントロールする工程と、
ガスを加湿器に流入させて加湿する工程と、
加湿されたガスを加湿器と燃料電池との間のガス供給通路に設けられた体積式流量計で燃料電池に供給される加湿ガスの流量を流量測定するとともに、体積式流量計で測定された流量値から質量流量コントローラーで測定された流量値を減算して燃料電池への供給ガスに含まれる水分量を求める工程と、
を有する燃料電池の試験方法。
【請求項２】
燃料電池へのガスの供給通路に、ガス流れ方向に順に、質量流量コントローラー、加湿器、体積式流量計が設けられており、質量流量コントローラーと体積式流量計は、体積式流量計で測定された流量値から質量流量コントローラーで測定された流量値を減算して燃料電池への供給ガスに含まれる水分量を求める演算装置に接続されている燃料電池の試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の試験方法とその装置に関し、とくに、燃料電池に供給される、加湿状態にあるガスの流量を測定できる燃料電池の試験方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単位燃料電池（セル）、たとえば単位固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを重ねたものからなる。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の一側に設けられたアノードと、電解質膜の他側に設けられたカソードとを、有する。ＭＥＡの一側のセパレータにはアノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、ＭＥＡの他側のセパレータにはカソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成される。
アノードでは、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソードでは酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われ、発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
プロトンが電解質膜中を移動するには、電解質膜が適宜に湿潤状態になければならないので、燃料電池の運転において、燃料ガス、酸化ガスは、加湿して供給される。
【０００３】
従来の燃料電池の評価試験では、燃料電池の実際の運転条件に近づけて試験を行うために、ガスは加湿して燃料電池に供給される。燃料電池の評価の精度を上げるためには、燃料電池に供給される加湿ガスの流量を高精度に測定することが必要である。
【０００４】
燃料電池評価試験では、燃料電池に供給されるガスの流量は、本来であれば、加湿器の下流でかつ燃料電池の直近で計測、制御することが、流量を高精度に測定する上で望ましい。従来使われている流量計は質量流量コントローラー（Mass Flow Controller、質量流量計兼流量制御装置、以下ＭＦＣともいう）で、ＭＦＣの流量計部分は熱式流量センサーからなる。そして、熱式流量センサーはドライガスの流量計測を前提としており、その特性上水分を含んだガスは計測できない（たとえば、特開２００４−１３８５９５号公報参照）。熱式流量センサーはヒータ部位を通るガスが持ち去る熱量を演算しそれに基づいてガスの質量流量を求めるもので、ガスに水分が含まれると熱量が変わり、正確には計測できなくなる。
【０００５】
そのため、燃料電池評価試験では、図３の比較例の試験装置に示すように、燃料ガス側流路１Ａも酸化ガス側流路１Ｂも、ＭＦＣ２を加湿器３の上流に設置している。そして、加湿器３を通った後のガスの水分量を管理するため、加湿器３の下流で燃料電池１０の上流に露点計４を設置している。燃料電池からのガスは背圧弁５を経て排気される。なお、加湿ガスが流れる流路にはパイプにヒータ６が装備してある。
【特許文献１】特開２００４−１３８５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、露点計による計測には、露点計の耐久性や、水滴付着時に計測できなくなるなどの大きな課題を抱えている。
【０００７】
本発明の目的は、露点計を用いることなく、燃料電池に供給される加湿ガスの流量を測定できる燃料電池の試験方法とその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明はつぎの通りである。
【０００９】
本発明の燃料電池の試験方法は、加湿器の上流に設けられた質量流量コントローラーでガスを流量測定するとともにガス流量をコントロールする第１の工程と、ガスを加湿器に流入させて加湿する第２の工程と、加湿されたガスを加湿器と燃料電池との間のガス供給通路に設けられた体積式流量計で燃料電池に供給される加湿ガスの流量を流量測定するとともに、体積式流量計で測定された流量値から質量流量コントローラーで測定された流量値を減算して燃料電池への供給ガスに含まれる水分量を求める第３の工程と、を有する方法からなる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池の試験装置は、燃料電池へのガスの供給通路に、ガス流れ方向に順に、質量流量コントローラー、加湿器、体積式流量計が設けられており、質量流量コントローラーと体積式流量計は、体積式流量計で測定された流量値から質量流量コントローラーで測定された流量値を減算して燃料電池への供給ガスに含まれる水分量を求める演算装置に接続されている装置からなる。
【発明の効果】
【００１１】
上記の本発明の燃料電池の試験方法が、加湿器の上流に設けられた質量流量コントローラーでガスを流量測定するとともにガス流量をコントロールする第１の工程と、加湿されたガスを加湿器と燃料電池との間のガス供給通路に設けられた体積式流量計で燃料電池に供給される加湿ガスの流量を流量測定するとともに、体積式流量計で測定された流量値から質量流量コントローラーで測定された流量値を減算して燃料電池への供給ガスに含まれる水分量を求める第３の工程と、を有するので、上記の本発明の燃料電池の試験方法によれば、質量流量コントローラーと体積式流量計でガス流量と水分量を計測できるとともに、質量流量コントローラーでガス流量をコントロールすることができる。したがって、従来の露点計を用いることなく、燃料電池に供給される加湿ガスの流量（ガス流量および水分量）を測定できる。
【００１２】
上記の本発明の燃料電池の試験装置が、燃料電池へのガスの供給通路に、ガス流れ方向に順に設けられた、質量流量コントローラー、加湿器、体積式流量計を有し、体積式流量計で測定された流量値から質量流量コントローラーで測定された流量値を減算して燃料電池への供給ガスに含まれる水分量を求める演算装置を有するので、上記の本発明の燃料電池の試験装置によれば、質量流量コントローラーと体積式流量計でガス流量と水分量を計測できるとともに、質量流量コントローラーでガス流量をコントロールすることができる。したがって、従来の露点計を用いることなく、燃料電池に供給される加湿ガスの流量（ガス流量および水分量）を測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の燃料電池の試験方法とその装置（本発明の燃料電池の試験方法の実施に直接使用する装置）を図１、図２を参照して説明する。本発明の燃料電池の試験方法とその装置で評価試験される燃料電池（Fuel Cell 、ＦＣと略してもよい）１０は、発電に燃料ガス、酸化ガスを使用する燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。
【００１４】
図２に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ１１（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１２とを重ねたものから構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１３と、電解質膜１３の一側に設けられたアノード１４と、電解質膜１３の他側に設けられたカソード１５とを、有する。ＭＥＡとセパレータ１２との間には、アノード側に拡散層１６が、カソード側に拡散層１７が、それぞれ設けられてもよい。ＭＥＡの一側のセパレータ１２にはアノード１４に燃料ガス（たとえば、水素）を供給するための燃料ガス流路１８が形成され、ＭＥＡの他側のセパレータ１２にはカソード１５に酸化ガス（たとえば、酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路１９が形成される。セパレータ１２のＭＥＡに対向する側の面と反対側の面には冷却水流路２０が形成される。ＭＥＡを挟んで対向するセパレータ１２は、流路まわりを、接着剤２１にてシールされる。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池の試験装置は、試験される燃料電池１０（この燃料電池は単一の燃料電池でもよいし、複数セルを互いに接着したモジュール状態の燃料電池でもよいし、複数のモジュールを積層したスタック状態の燃料電池でもよい）に接続されるガスの供給通路１が２本設けられる。この２本のガスの供給通路１（１Ａ、１Ｂ）は互いに同じまたは類似の通路構成を有しており、一方のガスの供給通路１（１Ａ）を通して燃料電池１０に燃料ガス（たとえば、水素）が供給され、他方のガスの供給通路１（１Ｂ）を通して燃料電池１０に酸化ガス（たとえば、エア）が供給される。燃料ガス、酸化ガスは、加湿器３より上流で、乾燥状態でガスの供給経路１に供給され、燃料電池１０に至るまでの途中で、少なくとも一部が、加湿器３にて加湿される。
【００１６】
燃料電池１０へのガスの供給通路１（１Ａ、１Ｂ）には、ガス流れ方向に順に、乾燥したガスの質量流量を計測し流量を所定流量に制御する質量流量コントローラー２（Mass Flow Controller、質量流量計兼流量制御装置、以下ＭＦＣともいう）と、質量流量コントローラー２で流量制御されたガスの少なくとも一部を加湿する加湿器３と、加湿器３を通った後の加湿ガスの体積流量を計測する体積式流量計（容積式流量計）７が設けられる。体積式流量計７は、流量計７を通過するガスにより回転される回転部材７ａの回転数×１回の回転でのガス流容積から、流量計７を通過するガスの流量を計測する。質量流量コントローラー２は加湿器３より上流側に設けられ、体積式流量計７は加湿器３より下流側で燃料電池１０より上流側に設けられる。体積式流量計７が設けられる位置には、従来は、露点計が設けられていて露点計で露点が計測されていたが、本発明では露点計は設置されず、体積式流量計７が設けられる。
【００１７】
質量流量コントローラー２と体積式流量計７は、演算装置８に接続されている。演算装置８は、体積式流量計７で測定された流量値（加湿ガスの流量値）から質量流量コントローラー２で測定された流量値（乾燥ガスの流量値）を減算して燃料電池１０への供給ガスに含まれる水分量を求める。加湿器３と燃料電池１０との間のガス通路部分にはヒータ６が巻き付けてあり、ガス通路部分内での結露を防止している。また、燃料電池１０より下流側のガス流路には、背圧弁５が設けられている。背圧弁５を通過した後のガスは、そのまま外気に排出されてもよいし、水素の場合は循環させて、再度使用されてもよい。本発明の試験装置は、燃料電池の評価装置であるが、運転中の燃料電池の流量測定、水分測定にも使用されてもよく、その場合も、本発明に含まれる。
【００１８】
本発明の燃料電池の試験方法は、上記の燃料電池の試験装置を用いて直接実施される。本発明の燃料電池の試験方法は、加湿器３の上流に設けられた質量流量コントローラー２でガス（乾燥ガス）を流量測定するとともにガス（乾燥ガス）流量をコントロールする第１の工程と、ガスを加湿器３に流入させて加湿する第２の工程と、加湿されたガスを加湿器３と燃料電池１０との間のガス供給通路部位に設けられた体積式流量計７で燃料電池に供給される加湿ガス（水分を含むガス、水分は水蒸気であってもよい）の流量を流量測定するとともに、体積式流量計７で測定された流量値から質量流量コントローラー２で測定された流量値を減算して燃料電池１０への供給ガスに含まれる水分量を求める第３の工程と、を有する方法からなる。本発明の燃料電池の試験方法は、第１の工程、第２の工程、第３の工程の順に行われる。体積式流量計７は、ガスが水分を含んでいても、流量計測が可能であり、水分を含んだガス流量を高精度に計測できる。第３の工程の水分量演算は、演算装置８に行われる。本発明の試験方法は、燃料電池の評価試験方法であるが、運転中の燃料電池の流量測定、水分測定にも使用されてもよく、その場合も、本発明に含まれる。
【００１９】
ガスは、加湿器３より上流側で乾燥ガスであり、加湿器３で水分（水蒸気を含む）を付与され、加湿器３より下流でかつ燃料電池１０より上流で水分を含む加湿ガスである。ガスの供給通路１を通して燃料電池１０に供給されるガスは燃料ガスと酸化ガスとがあり、燃料ガスはガス供給通路１Ａを通して供給され、酸化ガスはガス供給通路１Ｂを通して供給される。ガス供給通路１Ａ、１Ｂのうち加湿器３より下流でかつ燃料電池１０より上流の部分はヒータ６で加熱され、ガス通路部分内での結露が防止される。体積式流量計７には熱電対９Ｔ、圧力計９Ｐが設けられ、その測定値を演算装置８に送って演算することにより、体積式流量計７で測定されたガス流量の状態値を質量流量コントローラー２で測定されたガス流量の状態値に合わせることが可能になっている。
【００２０】
つぎに、本発明の燃料電池の試験方法とその装置の作用、効果を説明する。
本発明の燃料電池の試験方法が、加湿器３の上流に設けられた質量流量コントローラー２でガス（乾燥ガス）を流量測定するとともにガス流量をコントロールする第１の工程と、加湿されたガスを加湿器３と燃料電池１０との間のガス供給通路に設けられた体積式流量計７で、燃料電池１０に供給される加湿ガスの流量を流量測定するとともに、体積式流量計７で測定された流量値から質量流量コントローラー２で測定された流量値を減算して燃料電池１０への供給ガス（加湿ガス）に含まれる水分量を求める第３の工程と、を有するので、本発明の燃料電池の試験方法によれば、質量流量コントローラー２と体積式流量計７でガス流量と水分量を計測できるとともに、質量流量コントローラー２でガス流量をコントロールすることができる。したがって、従来用いていた露点計を用いることなく、燃料電池１０に供給される加湿ガスの流量（ガス流量および水分量）を測定できる。その結果、露点計を用いた場合に問題となる、露点計の耐久性の問題、水滴が露点計に付着すると計測ができなくなるという問題を、無くすことができる。
【００２１】
同様に、本発明の燃料電池の試験装置が、燃料電池１０へのガスの供給通路に、ガス流れ方向に順に設けられた、質量流量コントローラー２、加湿器３、体積式流量計７を有し、体積式流量計７で測定された流量値から質量流量コントローラー２で測定された流量値を減算して燃料電池１０への供給ガスに含まれる水分量を求める演算装置８を有するので、本発明の燃料電池の試験装置によれば、質量流量コントローラー２と体積式流量計７でガス流量と水分量を計測できるとともに、質量流量コントローラー２でガス流量をコントロールすることができる。したがって、従来用いていた露点計を用いることなく、燃料電池に供給される加湿ガスの流量（ガス流量および水分量）を測定できる。その結果、露点計を用いた場合に問題となる、露点計の耐久性の問題、水滴が露点計に付着すると計測ができなくなるという問題を、無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の燃料電池の試験方法の実施に直接用いる本発明の燃料電池の試験装置のガス供給通路（排出通路も含む）の系統図である。
【図２】試験される燃料電池（単セルの場合）の一部の断面図である。
【図３】比較例の燃料電池の試験装置のガス供給通路（排出通路も含む）の系統図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  ガス供給通路
１Ａ  燃料ガス供給通路
１Ｂ  酸化ガス供給通路
２  質量流量コントローラー
３  加湿器
４  露点計
５  背圧弁
６  ヒータ
７  体積式流量計
７ａ  回転部材
８  演算装置
９Ｔ  熱電対
９Ｐ  圧力計
１０  試験される燃料電池（ＦＣ、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）
１１  膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）
１２  セパレータ
１３  電解質膜
１４  アノード
１５  カソード
１６、１７  拡散層
１８  燃料ガス流路
１９  酸化ガス流路
２０  冷却水流路
２１  接着剤
【図１】
2007328923.tif 000003
【図２】
2007328923.tif 000004
【図３】
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