(57)【要約】【課題】燃料電池から排出される排出ガスの背圧の安定な制御を実現する。【解決手段】燃料電池から排出されるオフガスの背圧を制御する背圧制御装置は、燃料電池から排出される、オフガスと燃料電池で生成された液水のうち、液水のみを貯留しオフガスのみを排出する液水タンクと、液水タンクからの排水を行う排水部と、液水タンクへの給水を行う給水部と、排水および給水を制御して、液水タンクに貯留する液水の水位を制御する水位制御部と、を備え、液水タンクに貯留する液水の水位を制御することにより、オフガスの背圧を制御する。【選択図】図２
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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背圧を制御する背圧制御装置であって、
前記燃料電池から排出される、前記オフガスと前記燃料電池で生成された液水のうち、前記液水のみを貯留し前記オフガスのみを排出する液水タンクと、
前記液水タンクからの排水を行う排水部と、
前記液水タンクへの給水を行う給水部と、
前記排水および前記給水を制御して、前記液水タンクに貯留する液水の水位を制御する水位制御部と、を備え、
前記液水タンクに貯留する液水の水位を制御することにより、前記オフガスの背圧を制御することを特徴とする背圧制御装置。
【請求項２】
燃料電池の性能を評価するための燃料電池評価装置であって、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスの背圧を制御する燃料オフガス背圧制御部と、を備え、
前記燃料オフガス背圧制御部は、
前記燃料電池から排出される、前記燃料オフガスと前記燃料電池で生成された液水のうち、前記液水のみを貯留し前記燃料オフガスのみを排出する燃料オフガス分離用液水タンクと、
前記燃料オフガス分離用液水タンクからの排水を行う燃料オフガス分離用排水部と、
前記燃料オフガス分離用液水タンクへの給水を行う燃料オフガス分離用給水部と、
前記排水および前記給水を制御して、前記燃料オフガス分離用液水タンクに貯留する液水の水位を制御する燃料オフガス分離用水位制御部と、を備え、
前記燃料オフガス分離用液水タンクに貯留する液水の水位を制御することにより、前記燃料オフガスの背圧を制御することを特徴とする燃料電池評価装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池評価装置であって、さらに、
前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスの背圧を制御する酸化剤オフガス背圧制御部を備え、
前記酸化剤オフガス背圧制御部は、
前記燃料電池から排出される、前記酸化剤オフガスと前記燃料電池で生成された液水のうち、前記液水のみを貯留し、前記酸化剤オフガスのみを排出する酸化剤オフガス分離用液水タンクと、
前記酸化剤オフガス分離用液水タンクからの排水を行う酸化剤オフガス分離用排水部と、
前記酸化剤オフガス分離用液水タンクへの給水を行う酸化剤オフガス分離用給水部と、
前記排水および前記給水を制御して、前記酸化剤オフガス分離用液水タンクに貯留する液水の水位を制御する酸化剤オフガス分離用水位制御部と、
前記酸化剤オフガス分離用液水タンクに貯留する液水の水位を制御することにより、前記酸化剤オフガスの背圧を制御することを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】
この発明は、燃料電池の安定な性能評価を実現するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しいエネルギ源として注目されている燃料電池は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての酸素（空気）の電気化学反応によって発電するものである。
【０００３】
燃料電池の評価試験において、各種動作条件における安定な性能評価を実現するためには、燃料電池へ供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量や、温度、湿度の安定な制御のみならず、燃料電池から排出される排出ガスの圧力（背圧）の安定な制御が重要である。
【０００４】
従来の燃料電池の評価装置では、燃料電池に接続した排出ガスの配管に設けられている背圧弁の開度を調整することによって背圧の制御を行っている。また、運転範囲の広い燃料電池の評価における背圧の制御は、広範囲かつ高精度が要求されるため、１つの背圧弁の開度の調整では制御しきれず、通常、複数の背圧弁を用いて制御を行っている。このため、複数の背圧弁を用いる分だけ、制御が複雑となり、背圧のバラつきも大きくなる可能性がある、という問題が発生する。
【０００５】
また、背圧弁で圧力を調整する場合において、設定した背圧値が現状の背圧値よりも高いため、背圧を高くする際には、背圧弁の開度を減少させて、ガス流量が少なくなるように制御する。この状態において、燃料電池の発電量が多くなるほど電気化学反応の結果としての水が多量に生成される。この生成水は、燃料電池に接続された排出ガスの配管を介して背圧弁に流れ込む。この結果、生成水のうち、液体状の水（液水）が背圧弁のガス流路を閉塞することになり、燃料電池からの排出ガスの背圧の更なる上昇を招くことになる。排出ガスの背圧がさらに上昇すると、設定した背圧値まで背圧を下げるために背圧弁の開度が増加するように制御される。また、背圧の上昇の原因となった液水が、上昇した背圧によって背圧弁から押し出されることになる。背圧の上昇の原因となった液水が背圧弁から押し出されると、開度を増加させた背圧弁は、本来の開度よりも高くなっているため、背圧は、液水による閉塞が発生する前の圧力よりも低下してしまう。この結果、ハンチングと呼ばれる背圧の変動が発生し、これに応じて燃料電池の性能評価の結果も変動してしまう、という問題が発生する。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２６８９２号公報
【特許文献２】特開２００６−９２８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池から排出される排出ガスの背圧の安定な制御を実現する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］
燃料電池から排出されるオフガスの背圧を制御する背圧制御装置であって、
前記燃料電池から排出される、前記オフガスと前記燃料電池で生成された液水のうち、前記液水のみを貯留し前記オフガスのみを排出する液水タンクと、
前記液水タンクからの排水を行う排水部と、
前記液水タンクへの給水を行う給水部と、
前記排水および前記給水を制御して、前記液水タンクに貯留する液水の水位を制御する水位制御部と、を備え、
前記液水タンクに貯留する液水の水位を制御することにより、前記オフガスの背圧を制御することを特徴とする背圧制御装置。
【００１０】
適用例１の背圧制御装置によれば、燃料電池から排出されるオフガスの背圧で問題となるハンチング現象を抑制し、オフガスの背圧の安定な制御を実現することができる。
【００１１】
［適用例２］
燃料電池の性能を評価するための燃料電池評価装置であって、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスの背圧を制御する燃料オフガス背圧制御部と、を備え、
前記燃料オフガス背圧制御部は、
前記燃料電池から排出される、前記燃料オフガスと前記燃料電池で生成された液水のうち、前記液水のみを貯留し前記燃料オフガスのみを排出する燃料オフガス分離用液水タンクと、
前記燃料オフガス分離用液水タンクからの排水を行う燃料オフガス分離用排水部と、
前記燃料オフガス分離用液水タンクへの給水を行う燃料オフガス分離用給水部と、
前記排水および前記給水を制御して、前記燃料オフガス分離用液水タンクに貯留する液水の水位を制御する燃料オフガス分離用水位制御部と、を備え、
前記燃料オフガス分離用液水タンクに貯留する液水の水位を制御することにより、前記燃料オフガスの背圧を制御することを特徴とする燃料電池評価装置。
【００１２】
適用例２の燃料電池評価装置によれば、燃料電池から排出される燃料オフガスの背圧で問題となるハンチング現象を抑制し、燃料オフガスの背圧の安定な制御を実現することができるので、これに応じて燃料電池の安定な性能評価を実現することができる。
【００１３】
［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池評価装置であって、さらに、
前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスの背圧を制御する酸化剤オフガス背圧制御部を備え、
前記酸化剤オフガス背圧制御部は、
前記燃料電池から排出される、前記酸化剤オフガスと前記燃料電池で生成された液水のうち、前記液水のみを貯留し、前記酸化剤オフガスのみを排出する酸化剤オフガス分離用液水タンクと、
前記酸化剤オフガス分離用液水タンクからの排水を行う酸化剤オフガス分離用排水部と、
前記酸化剤オフガス分離用液水タンクへの給水を行う酸化剤オフガス分離用給水部と、
前記排水および前記給水を制御して、前記酸化剤オフガス分離用液水タンクに貯留する液水の水位を制御する酸化剤オフガス分離用水位制御部と、
前記酸化剤オフガス分離用液水タンクに貯留する液水の水位を制御することにより、前記酸化剤オフガスの背圧を制御することを特徴とする燃料電池評価装置。
【００１４】
適用例２の燃料電池評価装置によれば、燃料電池から排出される酸化剤オフガスの背圧で問題となるハンチング現象を抑制し、酸化剤オフガスの背圧の安定な制御を実現することができるので、これに応じて、さらに、燃料電池の安定な性能評価を実現することができる。
【００１５】
なお、本発明は、種々の態様で実現可能であり、例えば、本発明の背圧制御装置や、背圧制御装置を備える燃料電池評価装置だけでなく、背圧制御装置を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える発電装置等の態様で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
Ａ．実施例：
図１は、一実施例としての燃料電池評価システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池評価システムは、供試体としての燃料電池（ＦＣ）の性能を評価するためのものである。燃料電池は、例えば、アノードに供給される燃料ガスとしての水素と、カソードに供給される酸化剤ガスとしての空気（厳密には酸素）とから電気化学反応によって水が生成される過程により発電するモジュールを、１枚〜数百枚積層したものである。図１に示した燃料電池評価システムは、供試体としての燃料電池１０に燃料ガスとしての水素を供給する燃料ガス供給部２０と、燃料電池１０に酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤ガス供給部３０と、燃料電池１０から排出される燃料オフガス（アノードオフガス）を排出するとともに、燃料オフガスの排出の圧力（背圧）を制御する燃料オフガス背圧制御部４０と、燃料電池１０から排出される酸化剤オフガス（カソードオフガス）を排出するとともに、酸化剤オフガスの排出の圧力（背圧）を制御する酸化剤オフガス背圧制御部５０と、燃料電池１０に対して、種々の大きさの負荷を与える負荷供給源６０と、により構成されている。
【００１７】
燃料ガス供給部２０は、高圧水素を貯蔵した水素タンク２１０と供試体としての燃料電池１０の燃料ガス供給口との間を接続する配管２２０を介して、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池１０に供給する。配管２２０には、燃料ガス流量制御器２３０、燃料ガス温度制御器２４０、および、燃料ガス湿度制御器２５０が配置されており、燃料電池１０に供給する燃料ガスとしての水素ガスの流量、温度、および、湿度を制御する。
【００１８】
酸化剤ガス供給部３０は、吸気口３１０と供試体としての燃料電池１０の酸化剤ガス供給口との間を接続する配管３２０を介して、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１０に供給する。配管３２０には、酸化剤ガス流量制御器３３０、酸化剤ガス温度制御器３４０、および、酸化剤ガス湿度制御器３５０が配置されており、燃料電池１０に供給する酸化剤ガスとしての空気の流量、温度、および、湿度を制御する。
【００１９】
燃料オフガス背圧制御部４０は、燃料電池１０で電気化学反応により生成された液水を貯留する液水タンク４２０と、液水タンクに貯留する液水の水位を制御する水位制御回路４７０とを備えている。
【００２０】
液水タンク４２０には、供試体としての燃料電池１０の燃料オフガス排出口に接続される配管４３０と、燃料オフガスを排出する配管４４０と、給水用の配管４５０と、排水用の配管４６０と、が接続されている。
【００２１】
配管４３０は、液水タンク４２０に貯留されている液水の領域（液水領域）４２４の最下端近傍にその先端部が配置されるように設けられている。配管４４０は、液水タンク４２０の液水領域４２４の上層の空間領域４２６の最上端近傍にその先端部が配置されるように設けられている。なお、液水タンク４２０には、液水領域４２４の水位を計測する水位計が設けられている。また、配管４４０には通過する燃料オフガスの圧力を計測する圧力計４４２が配置されている。
【００２２】
給水用の配管４５０には給水弁４５２が設けられており、給水弁４５２を開けることにより液水タンク４２０に給水することができる。また、排水用の配管４６０には排水弁４６２が設けられており、排水弁４６２を開けて液水タンク４２０から排水することができる。
【００２３】
水位制御回路４７０は、水位計４２２により計測される液水タンク４２０の液水の水位および圧力計４４２により計測される配管４４０の燃料オフガスの圧力に基づいて、給水弁４５２および排水弁４６２の開閉を制御することにより、液水タンク４２０の給水および排水を制御し、液水タンク４２０に接続された配管４４０から排出される燃料オフガスの背圧を制御する。
【００２４】
図２は、燃料オフガス背圧制御部による燃料オフガスの背圧制御動作について示す説明図である。
【００２５】
燃料電池１０から排出される燃料オフガスは、燃料電池１０で生成された液水とともに、配管４３０から、液水タンク４２０の液水領域４２４中に排出され、この液水領域４２４を通過して、液水タンク４２０の上部の空間領域４２６に蓄えられる。このとき、例えば、燃料オフガスとともに排出される液水は、そのまま液水タンク４２０に貯留されている液水の一部となる。液水タンク上部の空間領域４２６に蓄えられた燃料オフガスは、その空間領域４２６中の気圧に応じて押し出されて配管４４０を介して外部へ排出される。従って、空間領域４２６の大きさを変化させて空間領域４２６の気圧を変化させることにより、排出される燃料オフガスの背圧を制御することが可能となる。
【００２６】
具体的には、背圧を現状より低くする場合には、図２（Ａ）に示すように、給水弁４５２を閉じ排水弁４６２を開けることにより、配管４６０を介して排水を行うことにより、液水タンク４２０の水位が水位ｈｔ１から下降して、液水領域４２４が狭くなり、空間領域４２６が拡がることによって、空間領域４２６の気圧が下降し、配管４４０を介して排出する燃料オフガスの背圧を下降させることができる。
【００２７】
一方、背圧を現状より高くする場合には、図２（Ｂ）に示すように、排水弁４６２を閉じ給水弁４５２を開けることにより、配管４５０を介して給水を行うことにより、液水タンク４２０の水位が水位ｈｔ１から上昇して、液水領域４２４が拡がり、空間領域４２６が狭まることによって、空間領域４２６の気圧が上昇し、配管４４０を介して排出される燃料オフガスの背圧を上昇させることができる。
【００２８】
従って、燃料オフガス背圧制御部４０では、水位制御回路４７０により、給水弁４５２および排水弁４６２の開閉を制御することにより、液水タンク４２０の水位を変化させて、液水タンク４２０の上部の空間領域４２６の大きさを変化させることができるので、空間領域４２６内に蓄えられる燃料オフガスの気圧を変化させることができ、配管４４０を介して排出する燃料オフガスの背圧を変化させることができる。
【００２９】
また、この燃料オフガス背圧制御部４０による背圧制御により制御される背圧は、上記したように、空間領域４２６の気圧に対応し、従来技術で説明したような液水によるガス流路の閉塞を抑制することができるので、これに起因して発生する背圧のハンチングを抑制することが可能であり、燃料電池の性能評価の安定性が向上する。
【００３０】
なお、説明を省略するが、酸化剤オフガス背圧制御部５０も、燃料オフガス背圧制御部４０を構成する液水タンク４２０および水位制御回路４７０と同様に、液水タンク５２０および水位制御回路５７０を備えており、同様に動作し、同様の効果を得ることができる。
【００３１】
Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００３２】
上記実施例において、燃料電池１０の燃料オフガス排出口に接続される配管４３０のうち、液水タンク４２０の液水領域４２４内に配設される部分については、複数本に分岐した構成としてもよい。このようにすれば、分岐した各配管から燃料オフガスを排出することにより、分岐した配管ごとの燃料オフガスの圧力を低減することができるので、液水タンク４２０を小型化することが可能である。
【００３３】
また、分岐した液水領域４２４内の先端部分に発砲金属を設けるようにしてもよい。このようにすれば、分岐した配管ごとの燃料オフガスの圧力をさらに低減することができるので、液水タンク４２０を小型化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】一実施例としての燃料電池評価システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料オフガス背圧制御部による燃料オフガスの背圧制御動作について示す説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…燃料電池
２０…燃料ガス供給部
３０…酸化剤ガス供給部
４０…燃料オフガス背圧制御部
５０…酸化剤オフガス背圧制御部
６０…負荷供給源
２１０…水素タンク
２２０…配管
２３０…燃料ガス流量制御器
２４０…燃料ガス温度制御器
２５０…燃料ガス湿度制御器
３１０…吸気口
３２０…配管
３３０…酸化剤ガス流量制御器
３４０…酸化剤ガス温度制御器
３５０…酸化剤ガス湿度制御器
４２０…液水タンク
４２２…水位計
４２４…液水領域
４２６…空間領域
４３０…配管
４４０…配管
４４２…圧力計
４５０…配管
４５２…給水弁
４６０…配管
４６２…排水弁
４７０…水位制御回路
５７０…水位制御回路
ｈｔ１…水位
【図１】
2009064709.tif 000003
【図２】
2009064709.tif 000004