(57)【要約】  燃料電池（１０）を備える燃料電池システム（１）のアノードガス回路（５０）における再循環率（ＲＲ）を求める方法に関する。アノード室（１３）からのアノードガス（５２）は、アノードガス再循環路（５１）を介してガス搬送装置（７０）を用いて燃料電池（１０）に送られ、再循環路に設けられた熱交換器（６０）により温度管理される。本方法は、以下の処理を含む：  燃料電池システムの動作時に第１質量流量（Ｍ１＿２）が通過する再循環路（５１）の第１流路部（１０１）における第１圧力損失（ΔＰ１＿２）を測定し、  動作時に第１質量流量とは異なる流量の第２質量流量（Ｍ３＿４；Ｍ２＿３）が通過する第２流路部（１０２、１０３）における第２圧力損失（ΔＰ３＿４、ΔＰ２＿３）を測定し、  第１、第２圧力損失の商により圧力損失比（ＲΔＰ）を算出し、  システム特性曲線（Ｓ）を、圧力損失比の関数として用いることで回路（５０）における再循環率を決定する。
2018538668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム（１）のアノードガス回路（５０）における再循環率（ＲＲ）を求める測定方法において、
燃料電池システム（１）は、カソード室（１１）に配置された少なくとも１つのカソード（１２）と、アノード室（１３）に配置された少なくとも１つのアノード（１４）と、カソード室（１１）とアノード室（１３）との間に配置された電解質（１５）と、を有する少なくとも１つの燃料電池（１０）を有し、少なくとも１つのガス搬送装置（７０）により、アノードガス再循環路（５１）を介して前記アノード室（１３）から前記少なくとも１つの燃料電池（１０）へとアノードガス（５２）を供給し、前記アノードガス（５２）は前記アノードガス再循環路（５１）に配置された少なくとも１つのアノードガス熱交換器（６０）により温度管理されるものであって、当該方法は、
前記燃料電池システム（１）の動作時に第１質量流量（Ｍ１＿２）が通過する前記アノードガス再循環路（５１）の第１流路部（１０１）における第１圧力損失（ΔＰ１＿２）を測定し、
前記燃料電池システム（１）の動作時に前記第１質量流量とは異なる流量を持つ第２質量流量（Ｍ３＿４；Ｍ２＿３）が通過する前記アノードガス再循環路（５１）の第２流路部（１０２、１０３）における第２圧力損失（ΔＰ３＿４；ΔＰ２＿３）を測定し、
算出した第１圧力損失（ΔＰ１＿２）に対する第２圧力損失（ΔＰ３＿４；ΔＰ２＿３）の前記割合を示す商により、前記圧力損失比（ＲΔＰ）を算出し、
前記燃料電池システム（１）のシステム特性曲線（Ｓ）を前記算出した圧力損失比（ＲΔＰ）の関数として用いることで前記アノードガス回路（５０）における再循環率（ＲＲ）を決定する、ことを特徴とする。
【請求項２】
請求項１に係る測定方法において、
前記圧力損失比（ＲΔＰ）と前記再循環率（ＲＲ）との相関関係を示す前記特性曲線（Ｓ）が、本質的に電流負荷から独立していることを特徴とする。
【請求項３】
請求項１又は２に係る測定方法において、
前記特性曲線（Ｓ）が、前記圧力損失比（ＲΔＰ）と前記再循環率（ＲＲ）との線形的な相関関係を示すことを特徴とする。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に係る測定方法において、
再循環率（ＲＲ）の増加に伴い、前記圧力損失比（ＲΔＰ）が前記特性曲線（Ｓ）に沿って減少することを特徴とする。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に係る測定方法において、
燃料電池システム（１）の特性曲線（Ｓ）は、異なる再循環率（ＲＲ）における前記圧力損失比（ＲΔＰ）を求めることによってキャリブレーションされることを特徴とする。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に係る測定方法において、
第１流路部（１０１）における前記第１圧力損失（ΔＰ１＿２）は、前記少なくとも１つのアノードガス熱交換器（６０）の低温側（６１）に設けられた前記アノードガス供給路（５３）において測定され、第２流路部（１０２）における前記第２圧力損失（ΔＰ３＿４）は、前記同一のアノードガス熱交換器（６０）の高温側（６２）に設けられた前記アノードガス排出路（５４）において測定されることを特徴とする。
【請求項７】
請求項６に係る測定方法において、
前記第１圧力損失（ΔＰ１＿２）は、前記低温側（６１）に設けられた前記アノードガス供給路（５３）において、前記少なくとも１つのアノードガス熱交換器の上流（Ｐ１）と下流（Ｐ２）とで測定され、前記第２圧力損失（ΔＰ３＿４）は、前記高温側（６２）に設けられた前記アノードガス排出路（５４）において、前記同一のアノードガス熱交換器（６０）の上流（Ｐ３）と下流（Ｐ４）とで測定されることを特徴とする。
【請求項８】
請求項１から６の何れか一項に係る測定方法において、
前記第１圧力損失（ΔＰ１＿２）は、前記低温側（６１）に設けられた前記アノードガス供給路（５３）において、前記少なくとも１つのアノードガス熱交換器の上流（Ｐ１）と下流（Ｐ２）とで測定され、前記第２圧力損失（ΔＰ２＿３）は、前記アノードガス再循環路（５１）の第２流路部（１０３）において、前記アノード室（１３）の上流（Ｐ２）と下流（Ｐ３）とで測定されることを特徴とする。
【請求項９】
請求項１から６の何れか一項に係る測定方法において、
前記少なくとも１つのガス搬送装置（７０）を用いて前記アノードガス（５２）を改質器（８０）に供給することを特徴とする。
【請求項１０】
燃料電池システム（１）のアノードガス回路（５０）における再循環率（ＲＲ）を測定する、請求項１から９の何れか一項に係る測定方法を実行するための測定装置（２００）であって、
アノードガス再循環路（５１）の第１流路部（１０１）に沿ってに配置された、互いに離れた２つの測定点（Ｐ１、Ｐ２）から第１圧力損失（ΔＰ１＿２）を測定する少なくとも１つの第１圧力損失測定ユニット（９１）と、
前記アノードガス再循環路（５１）の第２流路部（１０２、１０３）に配置された、互いに離れた２つの測定点（Ｐ３とＰ４、Ｐ２とＰ３）から第２圧力損失（ΔＰ３＿４；ΔＰ２＿３）を測定する少なくとも１つの第２圧力損失ユニット（９２、９３）と、
圧力損失比（ＲΔＰ）を算出する演算ユニット（２０１）と、
評価ユニット（２０２）と、を備え、
前記第１流路部（１０１）には、前記燃料電池システム（１）の動作時、第１質量流量（Ｍ１＿２）が流れ、
前記第２流路部（１０２）には、前記燃料電池システム（１）の動作時、前記第１質量流量（Ｍ１＿２）とは異なる流量を持つ第２質量流量（Ｍ３＿４；Ｍ３＿４）が流れ、
前記演算ユニット（２０１）は、算出した第１圧力損失（ΔＰ１＿２）に対する第２圧力損失（ΔＰ３＿４；ΔＰ２＿３）の前記割合を表す商により前記圧力損失比（ＲΔＰ）を算出し、
前記評価ユニットは、前記算出された圧力損失比（ＲΔＰ）と、前記算出された圧力損失比（ＲΔＰ）の関数となる前記燃料電池システム（１）のシステム特性曲線（Ｓ）と、に基づいて、対応する前記再循環率（ＲＲ）を算出し、
該再循環率を表示ユニット（２０３）により表示する
ことを特徴とする。
【請求項１１】
請求項１０に係る測定装置（２００）であって、
前記演算ユニット（２０１）と、前記評価ユニット（２０２）と、前記表示ユニット（２０３）とは、信号線（２１０）で連結されていることを特徴とする。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に係る測定装置（２００）であって、
前記システム特性曲線（Ｓ）は、燃料電池システム（１）のために、異なる再循環率（ＲＲ）における前記圧力損失比（ＲΔＰ）を求めることによってキャリブレーションされることを特徴とする。
【請求項１３】
請求項１０から１２の何れか一項に係る測定装置（２００）であって、
前記システム特性曲線（Ｓ）を、電流負荷から独立している前記圧力損失比（ＲΔＰ）と前記再循環率（ＲＲ）との相関関係を用いて選択することを特徴とする。
【請求項１４】
請求項１０から１３の何れか一項に係る測定装置（２００）であって、
前記システム特性曲線（Ｓ）を前記圧力損失比（ＲΔＰ）と前記再循環率（ＲＲ）との線形的相関関係を用いて選択することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムのアノードガス回路における再循環率の測定方法に関する。燃料電池システムは少なくとも一つの燃料電池を備え、該燃料電池は、カソード室に設けられた少なくとも一つのカソードと、アノード室に設けられた少なくとも一つのアノードと、カソード室とアノード室との間に存する電解質と、を有する。少なくとも一つの燃料電池のアノード室からのアノードガスは、少なくとも一つのガス搬送装置を用いてアノードガス再循環路により供給され、該アノードガス再循環路に設けられた少なくとも一つのアノードガス熱交換器において温度管理がされる。また、本発明は上記測定処理を実行する測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動車両の補助電源装置や「定置発電所（stationary power plant）」として用いられる燃料電池システムは、通常、カソード空気や改質ガスから発電する少なくとも一つの燃料電池を備える。かかる燃料電池は、一般的に、縦に積み重ねられた多数の燃料電池エレメントからなり、これらは燃料電池スタックと呼ばれる。改質ガスを生成するため、燃料電池システムは、燃料（一般的には、天然ガスのような炭化水素）や、改質用空気及び／又は水蒸気から改質ガスを生成する改質器を備える。生成された改質ガスは、水素ガスや一酸化炭素を含む。この改質処理は、別体の改質器で行っても良く、燃料電池自身の内部で行っても良い。また、燃料電池システムは、燃料電池システムの置かれた環境からエアコンベア装置を用いて大気を取り込むと共に、これを、例えば改質用空気やカソード空気に細分化する空気供給装置を備えても良い。その後、改質用空気は改質用空気路を介して改質器に供給される。一方、カソード空気はカソード空気路を介して少なくとも一つの燃料電池のカソード側に供給される。通常、この種の燃料電池システムでは、対応する燃料電池からのアノード排出ガスを改質器に戻すため、当該少なくとも一つの燃料電池のアノード側のアノードガスが再循環路を用いて改質器へと送られる。アノード排出ガスを送るには、通常は高温のアノード排出ガスを搬送するガス搬送装置を再循環路に配置し、当該目的を達成するため、エジェクタと呼ばれる再循環ポンプやジェットポンプが用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
かかる燃料電池における処理の最適化には、再循環されるアノード排出ガスの正確な再循環率を知る必要がある。これにより、改質処理に必要な水をどれだけ再循環により供給するかを決定すると共に、望ましくない炭素化を防ぐことが可能となる。なお、炭素化は固体酸化物形燃料電池を燃料電池として用いる場合に特に発生し易い。この処理は、メタンガスにより直接的に操作される。この結果、燃料の利用率を高めることができる。
【０００４】
現在の技術水準では、再循環率は、通常、ベルヌーイの定理にしたがい、循環する媒体や液体の圧力を測定する圧力計を設けることで判断される。その例としては、それ自体が圧力計として知られる、流量絞り（flow aperture）、ピトー管、ベンチュリノズルが挙げられる。かかる圧力計は、再循環路に配置され、計測される圧力差に基づいて再循環率が得られる。即ち、ベンチュリ管を用いる場合、ベルヌーイの定理に従い、ベンチュリ管により発生する圧力差を測定することで、結果的に再循環率が測定できる。しかしながら、圧力計やベンチュリ管を追加すると、アノード排出ガスの再循環路において相当程度の圧力損が生じる。特に単一の圧力計を用いて幅広い測定範囲をカバーする場合にこの問題は顕著となる。また、低質量流量においても圧力計による正確な測定を可能とするには、少なくとも小さな、測定可能な圧力差が得られなければならない。したがって、圧力計の流量絞りやベンチュリ管内における自由流れの断面積を比較的小さくする必要がある。ただし、この場合、高質量流量では再循環路にかなりの圧力損が発生してしまう。別の問題点として、圧力計を追加することによるコストの増加や、ベンチュリ管を用いた正確な差圧測定を実現するために、再循環路において再循環パイプ内の圧力計に対する最も均一で直接的な流入を確保できるだけのスペースを確保する必要がある。
【０００５】
ベンチュリ管のような圧力計を追加することによる、別の大きな問題点として、圧力差を用いてアノード回路内の再循環率を精度良く測定するには、圧力計を通過するアノード排出ガスの正確な組成を把握している必要があることが挙げられる。しかし、動作中に気体組成を正確に把握することは困難であるため、再循環率を正確に測定することも難しくなる。
【０００６】
以上から、本発明の目的は、上記した問題点を回避しつつ、燃料電池のアノード回路内における再循環率を精度良く容易に測定できる方法を提供することにある。本発明の別の目的は、本発明に基づく上記測定方法を実行するのに適した測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に依れば、１つ目の目的、即ち改良された測定方法の提供は、燃料電池システムのアノードガス回路内における再循環率を決定する一般的な測定方法に、以下の処理を追加することによって解決される：
−アノードガス再循環路の第１流路部における第１圧力損失を測定する。なお、該第１流路部には、燃料電池システムの動作時に第１質量流量が通過する。
−アノードガス再循環路の第２流路部における第２圧力損失を測定する。なお、該第２流路部には、燃料電池システムの動作時に第１質量流量とは異なる流量を持つ第２質量流量が通過する。
−測定した第１圧力損失に対する第２圧力損失の割合を表す商により、圧力損失比を算出する。
−燃料電池システムのシステム特性曲線を算出した圧力損失比の関数として用い、アノードガス回路内の再循環率を決定する。
【０００８】
本発明の測定方法又は本発明の測定装置におけるより好ましい設計内容や実施例については、各従属項により表現する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、アノードガス回路の複数個所における圧力状態を利用する。これは、燃料電池システムの動作中における電流負荷要求の高まりに伴って発生するアノードの下流の質量流量の変化を利用するものである。電流負荷の要求により、酸素を多く含むカソードから酸素イオンが発生する。発生した酸素イオンは、カソード室とアノード室とを分ける膜を通過してアノード室へと流れ、アノード室内の水素と反応して水蒸気を生成する。生成された水蒸気はアノード出口に現れるため、アノード室下流におけるアノードガス再循環路の質量流量を増加させる。
【００１０】
第１圧力損失をアノードガス再循環路の第１流路部に沿って測定する。なお、燃料電池システムの動作中、第１流路部には第１質量流量が流れる。例として、アノードガス供給路（アノード室の入口側）における第１圧力損失の測定は、比較的低温側のアノードガス熱交換器の上流及び下流の２点差圧測定として実行される。
【００１１】
アノードガス再循環路の第２流路部に沿って第２圧力損失も、原則同時に測定される。なお、燃料電池システムの動作中、第２流路部には第１質量流量と異なる（即ち、第１流路部を流れる第１質量流量よりも大きい又は小さい）第２質量流量が流れる。例として、アノードガス排出路（アノード室の出口側）における第２圧力損失の測定は、アノードガス熱交換器の比較的高温側において、該熱交換器の上流及び下流における２点差圧測定として実行される。
【００１２】
例えば、電流負荷が増加すると、アノード入力側に比してアノード出力側の質量流量が増加する。また、電流負荷の増加により、カソードから電解質を通ってアノード室へと流れると共に、アノードガス排出路を流れるアノードガスへと送られる酸素の質量流量も増加する。このとき、例えば熱交換器を介して測定される２つの圧力損失は、いずれも同様の挙動を示す。
【００１３】
驚くべきことに、負荷要求とは独立して、（比較的、質量流量が高い時等に測定される）第２圧力損失と（比較的、質量流量が低い時等に測定される）第１圧力損失との商として算出される圧力損失比と、再循環率との間には相関性が見られる。このことから、算出された圧力損失比を用い、アノードガス回路の目標再循環率が設定値となるように、ガス搬送装置（例えば再循環ポンプ）を制御することが可能となる。
【００１４】
従来、完全な特性マップを求めるには、追加した圧力計の圧力損失と、異なる電流負荷に対する質量流量との相関関係を取得し、これを個別の再循環率と関連付ける作業が必要であった。動作中、アノードガス再循環路の何れかの位置や電流負荷の何れかの点で圧力損失が見つかると、目標再循環率を達成するために、再循環ポンプを再調節される。この場合、圧力計の追加による流量−負荷依存の圧力上昇の測定とアノードガスの温度測定に加え、アノードガスの気体組成も測定する必要がある。気体組成は、キャリブレーションの精度範囲内で測定することが可能ではあるが、非常に複雑であるため、実際の動作において再循環率を定める上では実用的ではない。
【００１５】
しかし、本発明は、アノードガス再循環路に構成を加えることなく、再循環率の迅速な制御を可能とする。本発明に係る方法の利点の一つは、電流負荷とは独立した圧力差と再循環率との相関関係を用いるものであるため、単一の電流負荷範囲においてのみキャリブレーションを行えば済む点である。
【００１６】
本発明に係る測定方法では、圧力損失比と再循環率との相関関係を示すシステム特性曲線は、電流負荷とは本質的に独立しているという利点を有する。この測定方法の変形例にあっては、アノードガス回路内の再循環率を燃料電池システムのシステム特性曲線を用いて決定する。なお、燃料電池システムのシステム特性曲線は、電流負荷とは独立している、又は電流負荷とは本質的に独立していると推定される。したがって、システム特性曲線を求める際に、異なる多数の電流負荷を測定する必要はない。燃料電池システムのシステム特性曲線を決定する際の参考点となる、圧力損失比と対応する再循環率の組合せを数個取得すれば足りる。
【００１７】
ある測定方法では、システム特性曲線は圧力損失比と再循環率との相関関係が線形を示すことがある。かかる測定方法の実施例にあっては、圧力損失比と再循環率との相関関係が線形であると推定される。したがって、システム特性曲線は線形関数として描かれる。線形システム特性曲線を求めるには、異なる電流負荷における複数回の測定は必要なく、圧力損失比と対応する再循環率の組合せが２つあれば足りる。
【００１８】
本発明に係る測定方法では、再循環率の上昇に伴い、圧力損失比がシステム特性曲線に沿って減少する。かかる測定方法の変形例では、再循環率と対応する圧力損失比とが反比例するシステム特性曲線を示す。
【００１９】
ある測定方法では、燃料電池システムのシステム特性曲線は、異なる再循環率における圧力損失比を求めることでそれぞれキャリブレーションすることができる。
【００２０】
好ましい実施例では、第１流路部における第１圧力損失は、少なくとも１つのアノードガス熱交換器の低温側に設けられたアノードガス供給路において測定され、第２流路部における第２圧力損失は、同一のガス熱交換器の高温側に設けられたアノードガス排出路において測定される。即ち、本実施例では、両圧力損失が、同一の熱交換器における低温側／高温側で測定される。
【００２１】
別の実施例では、第１圧力損失は、熱交換器低温側に設けられたアノードガス供給路において、少なくとも１つのアノードガス熱交換器の上流及び下流で測定され、第２圧力損失は、熱交換器高温側に設けられたアノードガス排出路において、同一のアノードガス熱交換器の上流及び下流で測定される。したがって、圧力損失比は、単一の構成要素（アノードガス再循環路における熱交換器）によって得ることができる。
【００２２】
別の実施例では、第１圧力損失は、熱交換器低温側に設けられたアノードガス供給路において、少なくとも１つのアノードガス熱交換器の上流及び下流で測定され、第２圧力差は、アノードガス再循環路の第２流路部において、アノード室の上流及び下流で測定される。この実施例では、アノードガス供給路における熱交換器の上流と下流の第１圧力損失が、アノード室の上流及び下流における第２圧力損失と比較される。よって、この実施例では、熱交換器における圧力損失と燃料電池のアノード室における圧力損失とを比較して圧力損失比を求めている。
【００２３】
本発明のさらに別の実施例では、少なくとも１つのガス搬送装置を用いてアノードガスを改質器に供給する。
【００２４】
本発明のもう１つの目的、即ち本発明の測定方法を実行する測定装置の提供は、本発明に係る測定装置によって実現される。該測定装置は、アノードガス再循環路の第１流路部に沿って離れて配置された２つの圧力測定点を用い、第１圧力損失を測定する少なくとも１つの第１圧力損失測定ユニットと、アノードガス再循環路の第２流路部に沿って配置された２つの離れた圧力測定点を用いて第２圧力損失を測定する少なくとも１つの第２圧力損失測定ユニットと、演算ユニットと、評価ユニットと、を備える。燃料電池システムの動作時、第１流路部には第１質量流量が流れる。また、燃料電池システムの動作時、第２流路部には第１流路部を流れる第１質量流量とは異なる第２質量流量が流れる。演算ユニットは、測定した第１圧力損失に対する第２圧力損失の割合を表す商により圧力損失比を算出する。また、評価ユニットは、算出した圧力損失比と、該圧力損失比の関数としての燃料電池システムのシステム特性曲線とに基づき、各再循環率を求める。なお、求められた再循環率は表示ユニットによって表示される。  
【００２５】
本測定装置の有利な実施例では、演算ユニット、評価ユニット、及び表示ユニットが信号線を介して互いに連結される。測定装置に係る本実施例では、演算ユニット、評価ユニット、表示ユニットは、それぞれ信号線で連結されている。また、好適には、これらのユニットは測定装置の一つのハウジング内に包括的に配置されるか、該ハウジングと一体化される。したがって、アノードガス回路の各再循環率が測定されて表示されるように当該測定装置が提供される。
【００２６】
本発明に係る測定装置にあっては、異なる再循環率での圧力損失比を求めて燃料電池システムのシステム特性曲線をキャリブレーションすることが好ましい。
【００２７】
測定装置のシステム特性曲線は、電流負荷から独立している、圧力損失比と再循環率との相関関係により選択されることが好ましい。
【００２８】
測定装置に係る別の実施例では、圧力損失比と再循環率との線形的相関関係を用いてシステム特性曲線を選択しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
本発明の詳細、特徴、及び効果は、概略的に図示した実施例に対する以下の説明によって明らかとなる。各図は、以下を示す。
【図１】アノードガス回路に、特徴的な圧力損失を測定するための圧力測定装置が追加された最先端の燃料電池システムにおける流れを示す図である。
【図２】アノードガス回路に追加された圧力計を用いて測定された特徴的な圧力損失が、異なる再循環率における電流負荷の関数としてプロットされた、再循環率を求めるための最先端の方法を示す図である。
【図３】アノードガス回路に追加の圧力計を有しない、本発明の燃料電池システムにおける流れの一部を示す図である。
【図４】本発明に係る測定装置を用いた測定方法の実施例を示す、図３の詳細図である。
【図５】燃料電池システムのシステム特性曲線を対応する圧力損失比の関数として用い、アノードガス回路の再循環率を求めるための測定方法を示す図である。
【００３０】
図１は、最先端の燃料電池システム１における流れを概略的に示す。該燃料電池システム１には、カソード室１１に設けられた少なくとも１つのカソード１２と、アノード室１３に設けられた少なくとも１つのアノード１４と、カソード室１１及びアノード室１３の間に設けられた電解質１５と、を有する少なくとも１つの燃料電池１１が設けられる。動作中、矢印１９で示す酸素は、電解質１５を通ってカソードからアノード室１３へと流れる。追加の圧力計２５（例えば、ベンチュリ管２５）は、再循環率を求めるためにアノードガス回路５０に設けられる。また、アノードガス５２の再循環路５１に設けられた圧力計２５に加え、アノードガス回路５０は、アノードガス供給路５３としての回路部と、アノードガス排出路５４としての回路部とを有する。ここで、アノードガス供給路５３は、アノード室１３の入口側に向かう流路であり、アノードガス排出路５４は、アノード室１３の出口側から該アノード室１３から離れる方向に向かう流路である。アノードガス排出路５４は、アノード室１３の後、アノードガス順路５１の下流において、アノードガス排出流５５とアノード再循環ガス流５６とに分かれる。アノード再循環ガス５６は、新しい燃料５７と混合され、その混合気はアノードガス供給路５３を通ってアノード室に供給される。
【００３１】
例えば、いわゆる固体酸化物形燃料電池（SOFC）１０を有する燃料電池システム１が図１に示される。これは、動作温度が約６５０℃から１０００℃となる高温燃料電池である。このタイプの電池における電解質１５は、酸素イオンを伝導できるが、電子に対しては絶縁効果を有する固体セラミックス材料からなる。電極、カソード１２、アノード１４は、電解質層１５の両面に設けられる。これらは、気体を透過可能な電気伝導体である。酸素イオン伝導電解質１５は、例えば、ほとんどエネルギを消費することなく酸素イオンを輸送するために薄膜に設計される。ただし、これは高温下でのみ作用する。電解質の反対側に設けられたカソード１２の外側は空気に囲まれ、アノード１４側の外側は燃料ガスに囲まれる。また、未使用の空気や、未使用の燃料ガス及び焼成生成物が抽出される。
【００３２】
固体酸化物形燃料電池１０は、継続的に電気化学的発電を行うガルヴァーニ電池であり、通常は、いくつかの燃料電池１０を相互に接続して形成される燃料電池スタック（いわゆるSOFCスタック）として動作する。なお、簡略化のため、図１では単一の燃料電池１０のみを示す。また、SOFC燃料電池システム１は、図１に示すように、熱交換器を備える。熱交換器は、アノードガス供給路５３でアノードガス５２を予熱する。即ち、熱交換器の低温側６１において、熱交換器の高温側６２にあるアノードガス排出路５４を通る高温のアノードガス５２との熱交換により、アノードガス５２を予熱する。さらに、かかる燃料電池システム１は、アノードガス回路５０に設けられたガス搬送装置７０と、改質器８０と、その他のモジュール（例えばＤＣ／ＡＣインバータや制御系、その他燃料電池システム１の自動操作に必要な要素）とを有する。改質器８０は、可燃性物質燃料５７等（一般的には、天然ガス（ＮＧ）等の炭化水素）や改質空気及び／又は水蒸気から改質ガスを生成する。したがって、改質ガスは水素ガスと一酸化炭素を含むガスとなる。
【００３３】
各ガルヴァーニ電池及び電気化学的反応の機能は、一般的に、酸化還元反応に基づくものであって、具体的には、電極と電解質との境界において還元と酸化が別々に生じる。固体酸化物形燃料電池１０の場合、酸化還元反応は酸素と燃料（水素であっても良い）との反応であるが、本実施例の場合、一酸化炭素等も含む。カソード側１２には酸素が多く存するが、アノード側１４では酸素が不足する。これは、酸素が直接水素と反応すること等が原因に挙げられる。この濃度勾配により、カソード１２から電解質１５を介してアノード１４まで酸素１９を拡散させることができる。ただし、電解質１５は酸素イオンのみが通過可能に構成される。即ち、酸素分子がカソードと電解質との境界に到達すると電子２個が吸収されてイオンが生成され、境界を通過可能となる。該酸素イオンがアノード１４との境界に到達すると、燃料ガスと触媒的に反応して熱及び焼成生成物を生み出すと共に、アノードに電子を２個放出する。必要となる前提条件は電流（即ち、固体酸化物形燃料電池の本来の目的）であり、当該電流は他の場所においても利用することができる。
【００３４】
したがって、アノード１４とカソード１５で発生する化学反応や、燃料電池の両電極を介して起こる全反応は、以下のようにまとめることができる：
アノード：          Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
カソード：          １/２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− 
全反応：            ２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
【００３５】
初めに詳細に説明し、図２にも示すように、従来から、アノードガス回路５０の再循環率を求めるには、異なる再循環率ＲＲ毎に各電流負荷の関数として、特徴的な圧力損失を記録すると共に、アノードガス回路５０に追加の圧力計２５を設ける必要があった。例えば、アノードガス回路５０に設けたベンチュリ管２５を用いて特徴的な圧力損失ΔＰ１＿２を生成してこれを記録していた。しかし、再循環率を測定するために必要となる追加の圧力測定機器２５によるアノードガス回路５０内の圧力損失の増加に加え、アノードガス５２の気体組成が既知でなければならないという不都合がある。図２の特性曲線は、再循環率７０％、８０％、９０％における、特徴的な圧力損失ΔＰ１＿２と電流との相関関係を示すが、該特性曲線の値は、各圧力測定点におけるアノードガスの温度や気体組成に依存する。したがって、当該従来技術にあっては、燃料電池システム１の全動作範囲に亘る広範な特性マップを求めなければならないが、そのようなマップは非常に複雑であって正確性に欠ける。
【００３６】
図３は、アノードガス回路５０に追加の圧力計を有しない、燃料電池システム１における流れの一部を示す図である。燃料電池システム１を動作させるために必要なその他の要素や集合体については、例えば、図１に示した構成と対応する。圧力損失は、図３に示すアノードガス回路５０において、例えば図４に示す構成に従って測定される。
【００３７】
図４は、本発明に係る測定装置２００を用いた測定方法の実施例を示す、図３の詳細図である。燃料電池システム１のアノードガス回路５０における再循環率ＲＲは、以下の通り測定装置２００により測定される。
【００３８】
第１圧力損失ΔＰ１＿２は、第１圧力損失測定ユニット９１を用いて測定される。第１圧力損失測定ユニット９１は、アノードガス再循環路５１の第１流路部１０１に沿って離れて配置された２つの圧力測定点Ｐ１、Ｐ２を持つ。燃料電池システム１の動作時、第１質量流量Ｍ１＿２は第１流路部１０１を流れる。圧力測定点Ｐ１は、アノードガス熱交換器６０上流のアノードガス供給路５３に設けられる。圧力測定点Ｐ２は、アノードガス熱交換器６０下流のアノードガス出口５４に設けられる。よって、第１圧力損失ΔＰ１＿２は、第１流路部１０１に沿いのアノードガス熱交換器６０を挟んだ熱交換器低温側６１で測定される。
【００３９】
第２圧力損失ΔＰ３＿４は、第２圧力損失測定ユニット９２を用いて測定される。第２圧力損失測定ユニット９２は、アノードガス再循環路５１の第２流路部１０２に沿って離れて配置された２つの圧力測定点Ｐ３、Ｐ４を持つ。燃料電池システム１の動作時、第２質量流量Ｍ３＿４は第２流路部１０２を流れる。なお、第２質量流量Ｍ３＿４にはアノードガス供給路５３のアノードガス５２に加え、カソード１２からアノード空間１３に流れる酸素１９が加わるため、第２質量流量Ｍ３＿４は、第１質量流量Ｍ１＿２よりも流量が大きい。したがって、本発明の実施例は、第１質量流量よりも大きな第２質量流量のもとで実行されることとなるが、その比率が、１点か複数点、あるいは全ての圧力測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４で現れる。圧力点Ｐ３は、アノードガス出口５４のアノードガス熱交換器６０上流に設けられる。圧力点Ｐ４は、アノードガス出口５４のアノードガス熱交換器６０下流に設けられる。第２圧力損失ΔＰ３＿４は、第２流路部１０２に沿いのアノードガス熱交換器６０を挟んだ熱交換器高温側６２で測定される。
【００４０】
算出ユニット２０１は、測定した第２圧力損失ΔＰ３＿４に対する第１圧力損失ΔＰ１＿２の割合を除算して圧力損失比ＲΔＰを算出する。また、評価ユニット２０２は、算出ユニット２０１によって算出された圧力損失比ＲΔＰと燃料電池システム１のシステム特性曲線Ｓとに基づき、再循環率ＲＲを求める。この再循環率ＲＲは、算出された圧力損失比ＲΔＰの関数として機能し、表示ユニット２０３により表示される。
【００４１】
あるいは、第２圧力損失ΔＰ２＿３は、アノードガス再循環路５１の第２流路部又はその他の流路部１０３に沿って、２つの離れた圧力測定点Ｐ２、Ｐ３と共に設けられた第２圧力損失測定ユニット９３による差圧測定の影響を受け得る。なお、圧力測定点Ｐ２は、アノードガス出口路５４においてアノードガス熱交換器６０の下流に設けられる。圧力測定点Ｐ３は、アノードガス出口路５４においてアノードガス熱交換器６０の上流に設けられる。よって、第２圧力損失ΔＰ２＿３は、燃料電池１０のアノード区画１３を介して決まる。また、第２流路部又はその他の流路部１０３を流れる質量流量Ｍ２＿３は、第１流路部１０１の質量流量Ｍ１＿２よりも大きい。再循環率ＲＲを求めるために、当該第２圧力損失ΔＰ２＿３は、第１流路部１０１に沿って求められた第１圧力損失ΔＰ１＿２と比較される。
【００４２】
また、簡略化のために図４には示していないが、測定装置２００を用いた測定処理の実行や、燃料電池システムの自動制御に必要となり得る測定・制御装置が、燃料電池自体の分野の専門家に知られている。
【００４３】
図５は、燃料電池システム１のシステム特性曲線Ｓを、対応する圧力損失比ＲΔＰの関数として用いてアノードガス回路５０の再循環率ＲＲを求める測定方法を示す図である。圧力低下比ＲΔＰと再循環率ＲＲとの相関関係を示すシステム特性曲線Ｓは、電流負荷５０％、７５％、１００％においてそれぞれ測定された３つのデータが示すように、本質的に電流負荷とは独立している。また、本発明の方法をより簡略化するために、求められる精度によっては、システム特性曲線Ｓが電流負荷と独立しているものと推定しても良く、その場合、システム特性曲線Ｓは、各電流負荷とは独立した異なる複数の再循環率における圧力損失比ＲΔＰを求めて燃料電池システム１用にキャリブレーションされる。
【００４４】
あるいは、システム特性曲線Ｓが、圧力低下比ＲΔＰと再循環率ＲＲとの線形的な相関関係を示すものと推定しても良い。この場合、キャリブレーションも簡略化され、少なくとも各電流負荷と独立した２点において圧力損失比ＲΔＰを求めれば足りる。なお、圧力損失比ＲΔＰと再循環率ＲＲとの相関関係が線形にならず、例えば指数となる場合には、少なくとも３つの再循環率ＲＲにおいて圧力損失比ＲΔＰを求める必要がある。
【図１】
2018538668.tif 000003
【図２】
2018538668.tif 000004
【図３】
2018538668.tif 000005
【図４】
2018538668.tif 000006
【図５】
2018538668.tif 000007
【国際調査報告】
2018538668.tif 000008
2018538668.tif 000009
2018538668.tif 000010
2018538668.tif 000011