(57)【要約】【課題】燃料電池の運転条件と燃料電池内における水の挙動との関係を評価するための燃料電池の評価装置における解析の精度を向上させる。【解決手段】燃料電池１５内を流れるガスの圧力を含む運転条件と、燃料電池１５が備える電解質膜における水の挙動との関係を評価するための燃料電池の評価装置１０は、燃料電池１５に供給されるガスの露点、圧力および流量を検出する供給ガス条件検出部２２，４２と、燃料電池１５から排出される排出ガスの流路に接続して設けられ、排出ガスと共に流路内を流れる液水を気化させる気化器３６，５６と、気化器の上流側流路と下流側流路とを接続するバイパス路３７，５７と、気化器の下流側に設けられ、気化器あるいはバイパス路を経由した後に合流した排出ガスの露点および流量を検出する排出ガス条件検出部３２，５２と、を備える。【選択図】図１
2009193722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池内を流れるガスの圧力を含む運転条件と、前記燃料電池が備える電解質膜における水の挙動との関係を評価するための燃料電池の評価装置であって、
前記燃料電池に供給されるガスの露点、圧力および流量を検出する供給ガス条件検出部と、
前記燃料電池から排出される排出ガスの流路に接続して設けられ、前記排出ガスと共に前記流路内を流れる液水を気化させる気化器と、
前記気化器の上流側流路と下流側流路とを接続するバイパス路と、
前記気化器の下流側に設けられ、前記気化器あるいは前記バイパス路を経由した後に合流した前記排出ガスの露点および流量を検出する排出ガス条件検出部と
を備える燃料電池評価装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池評価装置であって、
前記供給ガス条件検出部、気化器、バイパス路、および前記排出ガス条件検出部は、前記燃料電池に対して給排される燃料ガス、および、前記燃料電池に対して給排される酸化ガスの両方の流路について設けられており、
前記燃料電池評価装置は、さらに、
発電に伴って前記燃料電池内で生じる生成水量を導出する生成水量導出部と、
前記供給ガス条件検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池に供給された前記燃料ガス中の水分量および供給された前記酸化ガス中の水分量である供給水分量を導出する供給水分量導出部と、
前記排出ガス条件検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池から排出された前記燃料ガス中の水分量および排出された前記酸化ガス中の水分量である排出水分量を導出する排出水分量導出部と
を備える燃料電池評価装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池評価装置であって、さらに、
前記生成水量と、前記供給水分量と、前記排出水分量と、に基づいて、前記生成水の、前記燃料電池が備える電解質膜における前記燃料ガス側あるいは前記酸化ガス側への分配割合を導出する分配割合導出部を備える
燃料電池評価装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池評価装置であって、さらに、
前記排出ガスの流路と前記バイパス路との接続部のうち、上流側の接続部に設けられ、前記排出ガスの流路内の圧力が基準値以上であるときに、前記排出ガスの一部を前記バイパス路に流入させるパージ部を備える
燃料電池評価装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池評価装置であって、さらに、
前記排出ガスの流路において、前記排出ガス条件検出部よりも下流に設けられて、前記排出ガスの流路抵抗を調節することによって、前記燃料電池内を流れるガスの圧力を調節するガス圧調節部を備える
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、燃料電池の評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池が備える電解質膜は、湿潤状態となったときに高いプロトン伝導性を示し、含水量が低下するほどプロトン伝導性も低下する。そのため、燃料電池の電池性能を保つには、電解質膜の含水量を充分に維持する必要がある。このような燃料電池を評価するためには、燃料電池における水の出入りを解析することが望まれる。燃料電池における水の出入りを解析する際に、特に燃料電池から排出される水分量を求める際には、排出ガス中には液水が存在し得るため、排出ガス中の水分量として、水蒸気と液水の合計量を測定する必要がある。特に、燃料電池の発電量が多い条件や、燃料電池に供給されるガスの加湿量が多い条件では、排出ガス中の液水量が多くなり、多量の液水の量を水蒸気量と共に精度良く測定することが求められる。液水を含む排出ガス中の水分量を測定する方法の一つとして、従来、排出ガスの流路に気液分離器を設けて排出ガスから液水を分離し、液水量と水蒸気量とを別々に測定する方法が提案されている。また、排出ガス中の水分量を測定する他の方法として、排出ガスの流路に気化器を設けて排出ガス中の液水を気化させ、水蒸気として全体の水分量を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１３４２８７
【特許文献２】特開２００１−２３６９７７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、気液分離器を用いる場合には、ガスと分離して回収した液水量を重量測定等により測定する動作を、一定時間ごとに行う必要があるため、液水量測定の時間分解能が不十分となる場合があった。これに対して気化器を用いる場合には、液水を測定のために貯留する必要が無く、水分量測定の時間分解能は良好となる。そのため、気化器を用いて排出ガス中の液水を気化させて、燃料電池から排出されるすべての水分を水蒸気として含有するガスの圧力および露点を測定すれば、燃料電池から排出される水分量を精度良く求めることができる。しかしながら、気化器は、一般に、排出ガスの流路表面積が大きくなるように内部流路を形成することで、加熱による液水の気化効率を確保しているため、排出ガスが流れる際の流路抵抗が大きくなる。その結果、気化器の下流で測定される排出ガスの圧力は、燃料電池の内部のガス圧に対して、気化器での圧損分の誤差を有することとなる。したがって、このような誤差を有する値を用いて燃料電池を評価する場合には、燃料電池の運転条件と、燃料電池内における水の挙動と、の関係の解析の精度が不十分となる可能性がある。
【０００５】
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、燃料電池の運転条件と燃料電池内における水の挙動との関係を評価するための燃料電池の評価装置における解析の精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池の評価装置は、燃料電池内を流れるガスの圧力を含む運転条件と、前記燃料電池が備える電解質膜における水の挙動との関係を評価するための燃料電池の評価装置であって、
前記燃料電池に供給されるガスの露点、圧力および流量を検出する供給ガス条件検出部と、
前記燃料電池から排出される排出ガスの流路に接続して設けられ、前記排出ガスと共に前記流路内を流れる液水を気化させる気化器と、
前記気化器の上流側流路と下流側流路とを接続するバイパス路と、
前記気化器の下流側に設けられ、前記気化器あるいは前記バイパス路を経由した後に合流した前記排出ガスの露点および流量を検出する排出ガス条件検出部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の燃料電池の評価装置によれば、バイパス路を設けることにより、排出ガスの一部が気化器を迂回するため、気化器における流路抵抗に起因する排出ガス圧力の上昇を抑制することができる。すなわち、排出ガス圧力を検出する排出ガス条件検出部を気化器よりも下流側に設けると、検出されるガス圧は、燃料電池に加えて気化器における圧損が加味された値となるが、バイパス路を設けることで、気化器における圧損の影響を抑えることができる。そのため、燃料電池内を流れるガスの圧力を含む運転条件と、燃料電池の電解質膜における水の挙動との関係を評価する際に、燃料電池から排出されるガスの圧力として、気化器の影響を抑えた真の値に近い値を検出して、精度良く評価を行なうことが可能になる。
【０００８】
本発明の燃料電池の評価装置において、
前記供給ガス条件検出部、気化器、バイパス路、および前記排出ガス条件検出部は、前記燃料電池に対して給排される燃料ガス、および、前記燃料電池に対して給排される酸化ガスの両方の流路について設けられており、
前記燃料電池評価装置は、さらに、
発電に伴って前記燃料電池内で生じる生成水量を導出する生成水量導出部と、
前記供給ガス条件検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池に供給された前記燃料ガス中の水分量および供給された前記酸化ガス中の水分量である供給水分量を導出する供給水分量導出部と、
前記排出ガス条件検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池から排出された前記燃料ガス中の水分量および排出された前記酸化ガス中の水分量である排出水分量を導出する排出水分量導出部と
を備えることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、燃料ガスと酸化ガスのそれぞれに対して、発電に伴って生じた生成水がどのように分配されたかを求めて、電解質膜における水の挙動を評価することが可能になる。燃料ガスと酸化ガスのそれぞれに対して生成水がどのように分配されたのかは、例えば、本発明の燃料電池評価装置において、さらに、前記生成水量と、前記供給水分量と、前記排出水分量と、に基づいて、前記生成水の、前記燃料電池が備える電解質膜における前記燃料ガス側あるいは前記酸化ガス側への分配割合を導出する分配割合導出部を備えることとすれば良い。
【００１０】
本発明の燃料電池評価装置において、さらに、前記排出ガスの流路と前記バイパス路との接続部のうち、上流側の接続部に設けられ、前記排出ガスの流路内の圧力が基準値以上であるときに、前記排出ガスの一部を前記バイパス路に流入させるパージ部を備えることとしても良い。このような構成とすれば、排出ガスの流路内の圧力が上記基準値以上となるときには、気化器を迂回して排出ガスの一部がバイパス路に導かれるため、排出ガスにおける気化器に起因する圧損の影響を抑制することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池の評価装置において、さらに、前記排出ガスの流路において、前記排出ガス条件検出部よりも下流に設けられて、前記排出ガスの流路抵抗を調節することによって、前記燃料電池内を流れるガスの圧力を調節するガス圧調節部を備えることとしても良い。このような構成とすれば、ガス圧制御部によって調節されるガス圧は、燃料電池内の圧損に加えて気化器の圧損の影響を受けるが、排出ガスの一部をバイパス路に導いて気化器の圧損の影響を抑制しているため、上記ガス圧調節部によって、燃料電池内のガス圧力を精度良く調節可能になる。
【００１２】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池の評価装置を用いた燃料電池の評価方法などの形態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】
【００１３】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池評価装置１０に、評価の対象となる燃料電池１５を取り付けた様子の概略構成を表すブロック図である。燃料電池評価装置１０は、燃料ガス供給部２０と、燃料ガス供給路２１と、燃料ガス排出路３１と、酸化ガス供給部４０と、酸化ガス供給路４１と、酸化ガス排出路５１と、制御部６０と、を備えている。
【００１４】
燃料ガス供給部２０は、燃料電池１５のアノード側に対して、水素を含有する燃料ガスを供給するための装置である。燃料ガス供給部２０は、本実施例では、水素を貯蔵する水素タンクと、水素タンクから放出された水素を加湿する加湿器によって構成している。
【００１５】
燃料ガス供給路２１は、燃料ガス供給部２０と燃料電池１５とを接続するための流路である。燃料ガス供給路２１は、供給燃料ガス条件検出部２２として、燃料ガスの流れ方向に沿って、第１流量計２３、第１圧力計２４、および、第１露点計２５を備えている。上記第１流量計２３、第１圧力計２４、および、第１露点計２５によって、燃料電池１５に供給される燃料ガスの、流量、圧力および露点がそれぞれ検出される。なお、本実施例では、燃料ガス供給部２０は既述したように水素タンクおよび加湿器を備えているが、これらの内の加湿器は、第１流量計２３の下流に設けられており、第１流量計２３は、加湿する前の水素流量を検出している。
【００１６】
燃料ガス排出路３１は、燃料電池１５に接続されて、燃料電池１５のアノードを経由して排出される排出燃料ガスが導入される流路である。燃料ガス排出路３１は、排出燃料ガス条件検出部３２として、排出燃料ガスの流れ方向に沿って、第２露点計３５および第２圧力計３４を備えている。上記第２露点計３５および第２圧力計３４によって、燃料電池１５から排出される燃料ガスの、露点および圧力がそれぞれ検出される。
【００１７】
また、燃料ガス排出路３１には、上記排出燃料ガス条件検出部３２よりも上流側に、第１気化器３６が設けられている。燃料ガス排出路３１における第１気化器３６周辺（図１において一点鎖線で囲む部分）の様子を、拡大して図２に示す。第１気化器３６は、排出燃料ガスが流れる内部流路と、内部流路を加熱する加熱部とを備えており、排出燃料ガスが上記内部流路を流れる際に加熱されることによって、排出燃料ガスと共に燃料ガス排出路３１を流れる液水が気化される。加熱による気化の効率を確保するために、第１気化器３６が備える内部流路は、流路の表面積が燃料ガス排出路３１よりも大きくなる形状（例えば、図２に示すコイル状）に形成されている。このように、流路表面積が大きくなる形状に内部流路が形成されているため、第１気化器３６を排出燃料ガスが通過する際の流路抵抗は、燃料ガス排出路３１よりも大きくなる。
【００１８】
さらに、本実施例の燃料電池評価装置１０では、燃料ガス排出路３１から分岐して、第１気化器３６を迂回しつつ第１気化器３６の上流側と下流側とを接続して排出燃料ガスを導く第１バイパス路３７が設けられている。また、この第１バイパス路３７と燃料ガス排出路３１との接続部であって、第１気化器３６の上流側の接続部には、燃料ガス排出路３１を流れる排出燃料ガスの一部の第１バイパス路３７への流入を許容するパージ部３８が設けられている。本実施例では、パージ部３８は、燃料ガス排出路３１を流れる排出燃料ガスの圧力が基準値（パージ圧）を超えるときに開弁して第１バイパス路３７へと排出燃料ガスを流入させるリリーフ弁によって構成されている。なお、上記パージ部３８が設けられた第１バイパス路３７と燃料ガス排出路３１との接続部は、燃料ガス排出路３１の流路壁の内の、重力方向上側の流路壁に設けられている。このように、パージ部３８における開口部が重力方向上側に設けられることにより、燃料ガス排出路３１内を流れる液水のバイパス路３７内への流入が抑えられている。
【００１９】
既述したように、第１気化器３６の内部では、燃料ガス排出路３１よりも内部抵抗が高いため、排出燃料ガスの全量を第１気化器３６内に導く場合には、第１気化器３６を設けない場合よりも、燃料電池１５内を流れる燃料ガス全体の圧力が高くなる。本実施例では、第１バイパス路３７を設けて、排出燃料ガスの一部について第１気化器３６を迂回させることによって、第１気化器３６に起因する燃料ガス圧の上昇を抑えている。このように、第１気化器３６に起因する燃料ガス圧の上昇を抑えるためには、パージ部３８であるリリーフ弁は、パージ圧ができるだけ小さく、感度が高い弁であることが望ましい。なお、このように第１気化器３６に起因する燃料ガス圧の上昇を抑えるためには、バイパス路３７における流路抵抗は、第１気化器３６の内部流路における流路抵抗に比べて充分に小さければよい。
【００２０】
また、燃料ガス排出路３１には、排出燃料ガス条件検出部３２よりも下流側に、第１背圧弁３９が設けられている。本実施例では、第１背圧弁３９の開度を調節することによって、燃料電池１５内における燃料ガスの圧力を調節している。
【００２１】
酸化ガス供給部４０は、燃料電池１５のカソード側に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給するための装置である。酸化ガス供給部４０は、例えば、空気を取り込んで圧縮するブロワによって構成することができる。
【００２２】
酸化ガス供給路４１は、酸化ガス供給部４０と燃料電池１５とを接続するための流路である。酸化ガス供給路４１は、供給酸化ガス条件検出部４２として、酸化ガスの流れ方向に沿って、第３流量計４３、第３圧力計４４、および、第３露点計４５を備えている。上記第３流量計４３、第３圧力計４４、および、第３露点計４５によって、燃料電池１５に供給される酸化ガスの、流量、圧力および露点がそれぞれ検出される。なお、酸化ガス供給部４０としてさらに加湿器を設ける場合には、燃料ガス流路側と同様に、第３流量計４３の下流に設ければ良い。
【００２３】
酸化ガス排出路５１は、燃料電池１５に接続されて、燃料電池１５のカソードを経由して排出される排出酸化ガスが導入される流路である。酸化ガス排出路５１は、排出酸化ガス条件検出部５２として、排出酸化ガスの流れ方向に沿って、第４露点計５５および第４圧力計５４を備えている。上記第４露点計５５および第４圧力計５４によって、燃料電池１５から排出される酸化ガスの、露点および圧力がそれぞれ検出される。
【００２４】
また、酸化ガス排出路５１には、上記排出酸化ガス条件検出部５２よりも上流側に、第２気化器５６が設けられている。第２気化器５６は、第１気化器３６と同様の構成を有しており、排出酸化ガスと共に酸化ガス排出路５１内を流れる液水が気化される。また、酸化ガス排出路５１から分岐して、第２気化器５６を迂回しつつ第２気化器５６の上流側と下流側とを接続して排出酸化ガスを導く第２バイパス路５７が設けられている。この第２バイパス路５７と酸化ガス排出路５１との接続部であって、第２気化器５６の上流側の接続部には、パージ部３８と同様の構成のパージ部５８が設けられている。このように、排出酸化ガスの流路においても、排出燃料ガスの流路と同様に、第２バイパス路５７を設けて排出酸化ガスの一部について第２気化器５６を迂回させ、第２気化器５６に起因する酸化ガス圧の上昇を抑えている。さらに、酸化ガス排出路５１には、排出酸化ガス条件検出部５２よりも下流側に、第１背圧弁３９と同様の第２背圧弁５９が設けられており、第２背圧弁５９の開度によって、燃料電池１５内における酸化ガスの圧力を調節している。
【００２５】
制御部６０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部６０は、供給燃料ガス条件検出部２２，排出燃料ガス条件検出部３２、供給酸化ガス条件検出部４２、排出酸化ガス条件検出部５２が出力する検出信号や、評価の対象となる燃料電池１５に係る情報（例えば運転温度や発電量）を取得すると共に、背圧弁３９，５９や気化器３６，５６の加熱部に対して駆動信号を出力する。このような制御部６０は、燃料電池評価装置１０および燃料電池１５の各部の動きを制御すると共に、燃料電池１５内を流れるガスの圧力を含む運転条件に対応した燃料電池１５内における水の挙動を評価する評価部としても機能する。
【００２６】
燃料電池評価装置１０による評価の対象となる燃料電池１５は、固体高分子型燃料電池である。燃料電池１５は、発電の単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。燃料電池１５の内部には、単セルの積層方向に平行に設けられ、各単セル内のガス流路に対してガスを給排する複数のマニホールドが設けられている。具体的には、各単セル内の燃料ガス流路に燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドと、各単セル内の燃料ガス流路から排出された燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドと、各単セル内の酸化ガス流路に酸化ガスを分配する酸化ガス供給マニホールドと、各単セル内の酸化ガス流路から排出された酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドと、が設けられている。
【００２７】
燃料電池評価装置１０を用いて燃料電池１５を評価する際には、燃料電池評価装置１０が備えるガス流路と、評価対象である燃料電池１５が備えるガスマニホールドとを接続する。すなわち、燃料ガス供給路２１と燃料ガス供給マニホールドとの間、燃料ガス排出路３１と燃料ガス排出マニホールドとの間、酸化ガス供給路４１と酸化ガス供給マニホールドとの間、酸化ガス排出路５１と酸化ガス排出マニホールドとの間、を、それぞれ接続する。
【００２８】
Ｂ．評価に係る動作：
燃料電池評価装置１０は、既述したように、燃料電池１５内を流れるガスの圧力を含む運転条件と、燃料電池１５内における水の挙動との関係を評価するための装置である。ここで、燃料電池の性能を評価する際には、一般に、出力電流値に対する出力電圧値の測定が行なわれる。所定の電流値に対して出力電圧値が高いほど、電池性能が優れていると判断できる。このような出力電圧値の低下を引き起こす要因としては、種々の要因が考えられ、例えば、内部抵抗の増大や、ガス利用率の低下を挙げることができる。燃料電池の内部抵抗の増大は、例えば、燃料電池の構成部材における内部抵抗の増大や、燃料電池の構成部材間における接触抵抗の増大によって引き起こされる。また、ガス利用率の低下は、例えば、電解質膜上に存在する過剰な液水によって引き起こされる。上記した電池性能の低下を引き起こす種々の要因の中でも、燃料電池の構成部材である電解質膜における内部抵抗の増大は、電解質膜の水分不足によって引き起こされるものであり、電解質膜上に存在する過剰な液水の問題と共に、電解質膜内における水の移動に関わる問題である。燃料電池の評価を行なう際に、本実施例の燃料電池評価装置１０を用いて、燃料電池内における水の挙動を調べることにより、電池性能に関わる問題のうち、燃料電池内部での水の移動に係る問題を明らかにすることができる。
【００２９】
燃料電池１５内における水の挙動は、燃料電池１５に供給されるガス中の水分量と、燃料電池１５から排出されるガス中の水分量と、発電に伴って燃料電池１５内で発生した生成水量と、に基づいて判断される。燃料電池においては、通常は、一定の条件下で発電を継続して行なうと、燃料電池に供給されるガス中の水分量および発電に伴って生じた生成水量の総量と、燃料電池から排出されるガス中の水分量と、が釣り合う定常状態に達する。本実施例の燃料電池評価装置１０では、例えば、このような定常状態における燃料電池内の水の挙動、具体的には電解質膜内をカソード側からアノード側へと移動する水の挙動を解析することにより、燃料電池の性能を評価することができる。
【００３０】
以下に、燃料電池評価装置１０が、燃料電池１５内における水の挙動を解析する動作について説明する。図３は、燃料電池評価装置１０における水の挙動の解析に関わる各部の関係を表わす機能ブロック図である。燃料電池評価装置１０が備える制御部６０は、生成水量導出部６１、供給水分量導出部６２、排出水分量導出部６３、分配割合導出部６４を備えている。
【００３１】
生成水量導出部６１は、発電に伴って燃料電池１５内で生じる生成水量を導出する。具体的には、本実施例の燃料電池評価装置１０は、燃料電池１５の出力電流値を測定する図示しない電流計をさらに備えており、生成水量導出部６１は、上記電流計の検出値である出力電流値を取得して、この出力電流値に基づいて、生成水量の理論値を算出する。
【００３２】
供給水分量導出部６２は、燃料電池１５に供給される燃料ガス中の水分量、および、燃料電池１５に供給される酸化ガス中の水分量を算出する。このような水分量を算出するために、供給水分量導出部６２は、供給ガス条件検出部２２，４２が備える流量計２３，４３、圧力計２４，４４、および、露点計２５，４５からの検出信号、すなわち、各ガスの流量、圧力、露点を用いている。具体的には、供給水分量導出部６２は、各ガスの露点に基づいて各ガス中の水蒸気分圧（Ｐvapor）を求める。このような水蒸気分圧（Ｐvapor）と、圧力計２４，４４が検出した各ガスの全圧（Ｐtotal)と、流量計２３，４３が検出した各ガス流量から、ガス中の水蒸気量を算出することができる。ここで、流量計２３，４３が検出する各ガスの流量は、加湿前のドライガス流量（Ｑdry）である。そのため、ガス中の水蒸気量（Ｑvapor）は、各々のガスについて、以下の（１）式に基づいて求めることができる。
【００３３】
Ｑvapor＝Ｑdry×Ｐvapor／（Ｐtotal−Ｐvapor）    …（１）
【００３４】
排出水分量導出部６３は、燃料電池１５から排出される燃料ガス中の水分量、および、燃料電池１５から排出される酸化ガス中の水分量を算出する。このような水分量を算出するために、排出水分量導出部６３は、排出ガス条件検出部３２，５２が備える圧力計３４，５４、および、露点計３５，５５からの検出信号、すなわち、各ガスの圧力および露点を用いている。ガス中の水蒸気量の算出は、供給水分量導出部６２と同様にして行なわれるが、排出水分量導出部では、ガス流量（ドライガス流量Ｑdry）は、供給ガス条件検出部２２，４２が備える流量計２３，４３の検出信号と、発電量とに基づいて求められる。具体的には、発電によって消費された水素量および酸素量を発電量に基づいて理論的に算出し、算出した消費量を、供給ガスについて流量計２３，４３が検出したドライガス流量から減算することによって、各々の排出ガスにおけるドライガス流量（Ｑdry）を求めている。なお、既述したように、本実施例の燃料電池評価装置１０では、各排出ガス条件検出部３２，５２の上流に気化器３６，５６を設けている。そのため、圧力計３４，５４が検出するガス圧力は、すべての水分を水蒸気として含むガスの全圧（Ｐtotal）であり、露点計３５，５５の検出値からは、すべての水分量を反映する水蒸気分圧（Ｐvapor）が求められる。これらの値を（１）式に代入することにより、排出ガス中の水蒸気量（Ｑvapor）を算出することができる。
【００３５】
分配割合導出部６４は、燃料電池１５のカソードで生じた生成水が、アノード側とカソード側のそれぞれに対して、どのような割合で分配されたかを導出する。既述したように、燃料電池が一定の条件で発電を継続して定常状態に達すると、燃料電池における水収支は、全体として釣り合った状態になる。具体的には、燃料ガスにおける供給側の水分量に対する排出側の水分量の増加分と、酸化ガスにおける供給側の水分量に対する排出側の水分量の増加分と、の合計は、生成水量に等しくなる。このような状態で、酸化ガスにおける供給側の水分量に対する排出側の水分量の増加量は、カソードで発生した生成水の内、酸化ガス中に気化した水の量を反映する。また、燃料ガスにおける供給側の水分量に対する排出側の水分量の増加量は、カソードで発生した生成水の内、カソード側からアノード側へと電解質膜内を移動して、燃料ガス中に気化した水の量を反映する。そのため、分配割合導出部６４では、定常状態において、供給水分量導出部６２および排出水分量導出部６３が導出した結果に基づいて、各々のガスにおける供給側の水分量に対する排出側の水分量の増加分を求めることにより、燃料電池内における生成水の分配状態を求めている。
【００３６】
燃料電池において、各々のガスを介して排出される生成水の割合が、各々のガスの間で偏りの無い近い値であれば、電解質膜内を生成水が行き渡り、電解質膜の湿潤状態が良好に維持されていると考えられる。これに対して、生成水の大部分が一方のガスを介して排出され、他方のガスにおいて含まれる水分の絶対値が小さくなったときには、水分量が少ないガスが流れる側の電解質膜表面が水不足となっており、電解質膜の乾燥に起因する電池性能の低下が生じている可能性があることが分かる。このような解析を行なう際には、評価の対象となる燃料電池１５において、燃料電池内部のガス圧、発電時の運転温度、供給ガスの加湿量、あるいは、燃料電池における発電量（出力電流値）などの条件を一つずつ変動させつつ、上記生成水の分配割合を求めることで、燃料電池１５の性能評価を行なうことができる。
【００３７】
本実施例では、燃料電池内部のガス圧は、圧力計３４，５４の検出値に基づいて、既述した背圧弁３９，５９の開度によって調節している。ここで、本実施例では、流路抵抗が大きい気化器３６，５６を迂回して排出ガスを導くバイパス路３７，５７が設けられているため、ガス流路内を流れるガスの圧力は、気化器３６，５６における流路抵抗の影響が抑えられて、主として燃料電池１５における流路抵抗の影響を受けた値となる。そのため、圧力計３４，５４によって検出されるガス排出路内の圧力は、バイパス路３７，５７を設けることにより、気化器３６，５６を設けない場合のガス排出路内のガスの圧力に近い値となる。
【００３８】
以上のように構成された本実施例の燃料電池評価装置１０によれば、排出ガスの流路に気化器を設けて、ガス排出路中の液水を気化させた上で排出ガス中の水分の総量を検出する際に、気化器を迂回して排出ガスを導くバイパス路を設けているため、気化器に起因する排出ガス圧力の上昇を抑制することができる。特に、実施例の燃料電池評価装置１０では、排出ガス圧力を検出する圧力計３４，５４を、気化器３６，５６よりも下流側に設けているため、検出されるガス圧は、燃料電池１５に加えて気化器３６，５６における圧損が加味された値となるが、バイパス路３７，５７によって、気化器３６，５６における圧損の影響を抑えることができる。そのため、燃料電池内部のガス圧、発電時の運転温度、供給ガスの加湿量、あるいは、燃料電池における発電量（出力電流値）などの運転条件と、燃料電池内部（特に、電解質膜）における水の挙動との関係を評価する際に、燃料電池から排出されるガスの圧力として、気化器の影響を抑えた真の値に近い値を検出して、精度良く評価を行なうことが可能になる。
【００３９】
特に、本実施例の燃料電池の評価装置１０では、燃料電池１５内のガス圧力を、気化器３６，５６および排出ガス条件検出部３２，５２の下流に設けた背圧弁３９，５９によって調節しているため、燃料電池内のガス圧力と、圧力計３４，５４の検出値と、背圧弁３９，５９の制御目標値とを、精度良く関連づけて解析することが可能になる。
【００４０】
上記のように、本実施例の燃料電池評価装置１０を用いて、燃料電池内部のガス圧を含む運転条件と、燃料電池内部における水の挙動との関係を、精度良く検出可能になると、例えば、所望の運転温度や加湿条件における燃料電池の性能を評価したり、電池性能をより高めることができる運転条件を明らかにすることが可能になる。したがって、本実施例の燃料電池評価装置１０を用いて種々の燃料電池について評価を行うことで、例えば、より高温・低加湿な運転状態であっても良好に動作する燃料電池を選別し、あるいは、より高温・低加湿な運転状態であっても燃料電池を良好に動作させることができる運転条件を設定することが可能になる。より高温の運転状態であっても燃料電池が良好に動作可能になることで、例えば、燃料電池内を循環する冷却水を冷却するラジエータを小型化することが可能になる。また、より低加湿の運転状態であっても燃料電池が良好に動作可能になることで、例えば、供給ガスの加湿装置を小型化したり、不要とすることが可能になる。そのため、本実施例の燃料電池評価装置１０を用いて燃料電池の評価を行い、より高温・低下質な運転状態であっても良好に動作する燃料電池を選別し、また、燃料電池が良好に動作できる運転条件を設定することで、燃料電池システム全体の小型化や、システム効率の向上が可能になる。
【００４１】
なお、燃料電池１５から排出されるガスの圧力を、より精度良く測定するためには、排出ガス圧力を検出するための圧力計を、気化器３６，５６よりも上流に設けることも可能である。しかしながらこの場合には、排出ガス圧力を検出するために気化器の上流に設ける圧力計と、排出ガス中の水分量を算出するために気化器の下流に設ける圧力計とを、別個に用意する必要がある。本実施例のようにバイパス路３７，５７を設けることにより、燃料電池から排出されるガス圧力の測定と、ガス中の水分量を算出するためのガス圧力の測定とを、気化器の下流に設ける単一の圧力計を用いて精度良く行なうことが可能になる。
【００４２】
さらに、本実施例の燃料電池評価装置１０では、気化器３６，５６を迂回するバイパス路３７，５７を設けているため、燃料電池の運転条件を変動させつつ燃料電池の評価を行なう際に、変動を予定しておらず評価対象としていない運転条件の変動を、抑制することができる。すなわち、燃料電池の運転条件としては、既述したように、燃料電池内部のガス圧、発電時の運転温度、供給ガスの加湿量、あるいは、燃料電池における発電量（出力電流値）など、種々の条件があるが、これらの条件の内の一つについて変動させて、燃料電池の電解質膜における水の挙動を評価しようとする際に、変動を望んでいない他の条件が変動してしまうのを抑制することができる。
【００４３】
例えば、燃料電池の出力電流値を変動させて評価を行なう際に、燃料電池内部のガス圧が一緒に変動してしまうのを抑制することができる。燃料電池が発電する際に生じる生成水は、発電量に比例して増大するため、発電量が多くなるほど、気化器３６，５６に導入される液水量も増大する。このように導入される液水量が増大するほど、気化器３６，５６内の流路では、未だ気化されていない液水によって圧損の増大が引き起こされる。そして、気化器３６，５６における圧損が増大すると、背圧弁３９，５９の開度を一定値に維持しているにも関わらず、燃料電池１５内におけるガス圧の低下が引き起こされる。その結果、出力電流値を変動させた際の水の挙動を評価しようとしているにも関わらず、燃料電池内部のガス圧も一緒に変動してしまい、正しい評価を行なうことができなくなる。本実施例では、バイパス路３７，５７を設けて気化器３６，５６における圧損の影響を抑制しているため、上記問題の発生を抑え、評価の精度を向上させることができる。すなわち、燃料電池から排出されるガスの圧力が、パージ部３８，５８を構成するリリーフ弁のパージ圧よりも高くなるときには、排出ガスを迂回させることによって気化器３６，５６における圧損上昇の影響を抑制して、出力電流値と電解質膜における水の挙動との関係を、精度良く評価可能になる。
【００４４】
また、供給ガスの加湿量を変動させた場合にも、燃料電池から排出されるガス中の液水量が変動して、気化器３６，５６における圧損が変動し、燃料電池内部のガス圧が変動し得る。そのため、バイパス路３７，５７を設けて気化器３６，５６における圧損の影響を抑制することにより、同様の効果が得られる。
【００４５】
また、本実施例では、各供給ガスあるいは排出ガス中の水蒸気量を算出する際に、ドライガス流量Ｑdryを用いており、センサとして、ガス供給路２１，４１において、加湿器の上流に配置する流量計２３，４３だけを設けているため、装置構成を簡素化できる。このように、加湿前の供給ガス流量を検出する流量計を設けておけば、例えば燃料電池の発電状態の制御のために、燃料電池に供給する水素量あるいは酸素量を計測する必要がある場合であっても、上記流量計の検出値を用いることができ、センサを増設する必要がない。また、ガス流路においては、流量計自体が流路抵抗として働く。そのため、加湿器の上流に設けた単一の流量計の検出値によって、供給ガス中の水蒸気量および排出ガス流の水蒸気量を算出することにより、流量計に起因する流路抵抗の影響を抑えることができ、燃料電池を評価する際の精度を向上させることができる。
【００４６】
なお、本実施例の燃料電池評価装置１０では、燃料電池１５から排出された排出ガスは、その一部が、水蒸気に加えて液水を有する状態で気化器３６，５６へと導かれ、他の一部は水分として水蒸気のみを含有する状態でバイパス路３７，５７へと導かれる。ここで、気化器３６，５６、では、既述したように流路表面積を確保することによって気化効率が確保されているため、液水が気化する応答性は充分に高い。そのため、一旦分岐させたガスを、気化器の下流で再び合流させるときの合流するガス間のタイムラグは非常に小さく、バイパス路３７，５７を設けても、排出ガス中の水分量を精度良く測定することができる。
【００４７】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４８】
実施例では、排出ガス流量は、加湿器の上流に設けた流量計２３，４３が検出した供給ガス流量と、理論的に算出された消費ガス量（消費水素量あるいは消費酸素量）と、に基づいてドライガス流量として算出しているが、加湿後のガス流量を測定しても良い。加湿後のガス流量を測定するには、供給ガス流量については、ガス供給路２１，４１における加湿器の下流に流量計を設ければよく、排出ガス流量については、ガス排出路３１，５１における気化器３６，５６の下流に流量計を設ければ良い。この場合には、供給燃料ガス、供給酸化ガス、排出燃料ガス、排出酸化ガスの各々について、以下のように水蒸気量を算出すればよい。すなわち、流量計が検出する加湿後のガス流量をＱtotal、圧力計が検出するガスの全圧をＰtotal、露点計の検出値から求められる各ガスにおける水蒸気分圧をＰvaporとすると、以下に示す（２）式より、各ガス中の水蒸気量Ｑvaporを算出することができる。
【００４９】
Ｑvapor＝Ｑtotal  ×  Ｐvapor／Ｐtotal    …（２）
【００５０】
また、圧力計と露点計の配置の順序は、実施例とは異なる順序であっても良い。露点計が露点を計測するガスの圧力と圧力計の検出するガス圧との間の誤差を抑えるために、露点計と圧力計とは、充分に近くに配置すればよい。
【００５１】
また、実施例では、燃料電池評価装置１０が備える制御部６０は、生成水量導出部６１と、供給水分量導出部６２と、排出水分量導出部６３と、分配割合導出部６４とを備えることとしたが、異なる構成としても良い。すなわち、燃料電池評価装置１０は、少なくとも、燃料電池の運転条件と、供給ガス中の水分量と、排出ガス中の水分量と、生成水量と、に係る情報を取得可能であればよい。これらの情報を取得可能であれば、取得した情報に基づいて、既述した電解質膜における水の挙動（生成水の分配割合）の導出を含む燃料電池の評価のための処理を実行するのは、別体の装置であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】燃料電池評価装置１０に燃料電池１５を取り付けた様子を表すブロック図である。
【図２】第１気化器３６周辺の様子を拡大して示す説明図である。
【図３】水の挙動の解析に関わる各部の関係を表わす機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…燃料電池評価装置
１５…燃料電池
２０…燃料ガス供給部
２１…燃料ガス供給路
２２…供給燃料ガス条件検出部
２３…第１流量計
２４…第１圧力計
２５…第１露点計
３１…燃料ガス排出路
３２…排出燃料ガス条件検出部
３４…第２圧力計
３５…第２露点計
３６…第１気化器
３７…第１バイパス路
３８，５８…パージ部
３９…第１背圧弁
４０…酸化ガス供給部
４１…酸化ガス供給路
４２…供給酸化ガス条件検出部
４３…第３流量計
４４…第３圧力計
４５…第３露点計
５１…酸化ガス排出路
５２…排出酸化ガス条件検出部
５４…第４圧力計
５５…第４露点計
５６…第２気化器
５７…第２バイパス路
５９…第２背圧弁
６０…制御部
６１…生成水量導出部
６２…供給水分量導出部
６３…排出水分量導出部
６４…分配割合導出部
【図１】
2009193722.tif 000003
【図２】
2009193722.tif 000004
【図３】
2009193722.tif 000005