JP2005293906A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの温度制御方法、並びに結露検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高湿度のガス流体を使用する燃料電池のような装置・システムに供給することが求められる場合に、結露を防止しようとするものであり、このために装置・システム内の温度が最も低い点で起る結露の温度を正確にかつ簡便に判定し、温度の制御によって運転のためのエネルギー損失を減少させることのできる装置および方法を提供する。
【解決手段】
燃料電池要素にヒータと温度センサと差圧測定器を備え付けて、加熱され、徐々に温度が下げられた燃料ガスの温度と差圧との関係を計測し、該温度と差圧との関係を入力し、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して計測された結露温度を設定し、温度制御信号の出力処理を行う演算処理装置を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各種の電源として使用される燃料電池等の高湿度のガス流体を使用する装置・システムに関し、特にガス流体の結露温度を計測する技術に関する。

燃料電池では発電性能を高く保ち、劣化を起こさないために、１００％ＲＨに近い高湿度のガスを燃料電池セルに供給することが求められる。また、燃料電池発電システムでは、ガス流体は改質器、ＣＯ除去装置、加湿器、燃料電池セル、配管、バルブなどの多数の要素を経由して流れ、これらすべての要素で結露しないことが求められる。

燃料電池発電システムのガス流体の湿度を計測する従来方法としては、一般に鏡面冷却露点計が用いられる（例えば特許文献１参照）。この方法では、対象となるガスを分岐して鏡面冷却露点計に導入し、鏡面を電子冷却器で冷却し、鏡面での結露が起る温度を測定することで露点を計測している。

特許文献２には、高分子電解質型燃料電池の運転中、燃料ガスあるいは酸化剤ガス流路内で結露水が発生し、電池性能の低下が起こるとき、その前兆として前記燃料ガスの前記電池スタック部分での圧力損失、前記酸化剤ガスの前記電池スタック部分での圧力損失、前記スタック部分の出力電圧または前記単電池の出力電圧が、時間的な先鋭的変動、すなわちスパイク的な脈動を起こすことを、当該発明者は見出したことが記載されている。

特許文献３には、ガス流の相対湿度を検出し、相対湿度信号を発生する湿度センサを含み、圧力センサは、ガス流の圧力を検出し、圧力信号を発生させ、温度センサは、ガス流の温度を検出し、温度信号を発生させ、湿度センサ、温度センサ、および／または圧力センサに補償装置が接続され、この補償装置は、相対湿度信号、温度信号、および／または圧力信号に基づいて、補償された相対湿度信号を発生することが記載されている。

特許文献４には、高湿度状態で抵抗値が急激に増大する湿度センサを用いた結露検出回路において、湿度センサの抵抗値のばらつきに対して、結露状態と検出する湿度範囲の精度を向上させることが記載されている。

特許文献５には、燃料電池に供給される燃料ガスを加湿する加湿手段と、加湿された燃料ガスの露点温度を計測する露点温度計測手段と、制御手段とを備え、そして制御手段が、露点温度計測手段で計測された燃料ガスの露点温度に応じて加湿手段が燃料ガスを加湿するときの加熱温度を制御するように構成することが記載されている。

特開平６−５８８９１号公報 特開２００１−１４８２５３号公報 特開２００２−３７３６９４号公報 実開平５−４３３３０号公報 特開２００３−３４６８５５号公報

鏡面冷却露点計による方法は、測定対象として採取したガスの露点測定精度の点で優れているものの、測定対象物内で結露が生じているかどうかは評価できない。測定対象である装置の中には温度分布があり、低温の箇所で結露が生じるが、計測された露点からは結露の有無を感知できない。また、鏡面冷却露点計では、測定用ガスの採取口から露点計までの配管で結露が生じないよう温度制御に注意が必要なため、燃料電池発電システムのように複数箇所の露点を計測する場合に測定準備に時間を要する。
燃料発電システムにおいては、高湿度ガスを必要とすると同時に、装置内での結露も防がなければならない。結露は装置内の温度が最も低い点で起るが、一般にその温度は不明である。

従来は、どのような温度に設定すると結露が発生するか不明のため、結露防止のために配管温度を高めに設定していた。８０℃の運転に対し配管温度は１１０℃程度にすることが多かった。

本発明は、１００％ＲＨに近い高湿度のガス流体を使用する燃料電池のような装置・システムに供給することが求められる場合に、結露を防止しようとするものであり、このために装置・システム内の温度が最も低い点で起る結露の温度を正確にかつ簡便に判定し、温度の制御によって運転のためのエネルギー損失を減少させて運転のできる装置および方法を提供することを特徴とする目的とする。

特許文献２は、電池内部で発生する結露水によって流露が閉塞気味となり圧力損失が急増したり回復したりして圧力損失の変動が起こる現象で結露を検出する原理によるものである。これに対して、本発明は、これとは結露検出の原理が異なり、結露により水蒸気量が減少し、圧力損失が減少することを検知して結露を検出するものである。本発明では流路が閉塞するという末期症状の段階（圧力損失の脈動が起こり、性能低下も発生する段階）で検出するものではなく、閉塞する前段階の結露が生じ始めた段階での検出（圧力損失は脈動せず、性能の低下もない段階）が可能であり、また閉塞が生じることのない配管など広い空間部分での結露でも検出可能である。
特許文献２では、結露水による流路の閉塞による圧力変動に着目しているので圧力損失の時間差分値あるいは時間差分値で結露を検知する解決手段を取っている。

本発明は、結露による水蒸気量の変化で結露を検出する方法であるから、圧力損失の時間微分が重要ではなく、圧力損失の温度微分が重要である。時間に対する圧力損失の変化を計測するのは、温度を下げながら計測するという手段を用いているためである。

本発明は、燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測された結露温度に応じて燃料ガスの温度を制御するようにした燃料電池システムにおいて、前記燃料電池要素にヒータと温度センサと差圧測定器を備え付けて、加熱され、徐々に温度が下げられた燃料ガスの温度と差圧との関係を計測する手段と、該温度と差圧との関係を入力する手段と、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して結露温度を設定する手段と、温度制御信号の出力処理を行う手段とを備えた演算処理装置を設けた燃料電池システムを提供する。

また、本発明は、燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測された結露温度に応じて燃料ガスの温度を制御するようにした燃料電池システムにおいて、前記燃料電池要素を流過する燃料ガスについての温度と圧力損失との関係を計測する計測手段を設け、温度の変化と圧力損失の変化との関係を求めて該変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して結露温度を設定する手段と、該結露温度に対して所定の温度を加算して温度制御信号の出力処理を行う手段を備えた演算処理装置を設けた燃料電池システムを提供する。

また、本発明は、燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測されて結露温度に応じて前記燃料電池要素を流過する燃料ガスの温度制御を行う燃料電池システムの温度制御方法において、加熱され、徐々に温度が下げられた燃料ガスの温度と差圧との関係を計測し、演算処理装置に、前記温度と差圧との関係を入力し、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して結露温度を設定し、温度制御信号を出力する燃料電池システムの温度制御方法を提供する。

また、本発明は、燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測されて結露温度に応じて前記燃料電池要素を流過する燃料ガスの温度制御を行う燃料電池システムの温度制御方法において、前記燃料電池要素を流過する燃料ガスについての温度と圧力損失との関係を計測し、演算処理装置によって、温度の変化と圧力損失との関係を求めて該変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して、結露温度を設定し、該結露温度に対して１０℃±１０℃（ただし±１０℃自体は含まない）、望ましくは１０℃±５℃の温度を加算して温度制御信号の出力処理を行う燃料電池システムの温度制御方法を提供する。

また、本発明は、燃料電池を含む測定対象要素にガス流体を流過させ、ガス流体の結露温度を計測する結露検知装置を備え、計測された結露温度に応じてガス流体の温度を制御する温度制御装置を備えた結露検知、温度制御装置において、加熱され、徐々に温度が下げられたガス流体の温度と差圧との関係を計測する温度センサと差圧測定器を備え、計測された温度と差圧との関係を入力し、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して結露温度を設定する結露検知装置を有し、かつ前記結露検知装置によって計測された結露温度を入力し、該温度に所定の温度を加算して温度制御信号として出力し、該温度制御信号に応じて前記測定対象要素の温度の制御を行う温度制御装置を有する結露検知、温度制御装置を提供する。

本発明によれば、１００％ＲＨに近い高湿度のガス流体を使用する燃料電池のような装置・システムに供給することが求められる場合に、結露を結露温度よりわずかに高い温度に設定、運転して防止することができる。この場合に、装置・システム内の温度が最も低い温度で起こる結露の温度を正確にかつ簡便に予測し、結露検知に要する時間を少なくして結露の閉塞を防止し、小さくて済む温度制御によって運転のためのエネルギー損失を小さなものとすることができる。

本発明によれば、結露条件が明確になるので、結露条件より１０℃程度制御温度を高く設定しておけば充分である。配管温度を下げることができれば放熱も小さくなりエネルギー損失も減少するし、材料の熱劣化も起こりにくくなる。

結露が懸念される測定対象要素は、ヒータを備え温度調節を可能とする。差圧測定のために接続される配管などで結露が生じないよう差圧測定器から測定対象要素に向けて微量のガスを流しながら測定対象要素内を流れるガス流体により発生する圧力損失を差圧測定器で計測する。

測定対象要素の温度を結露のない高温度の状態から徐々に下げながら差圧を測定する。温度が下がるに従いガスの体積が減少するため一定の割合で圧力損失も減少するが、結露が生じると水蒸気流量が減少するため、より大きな圧力損失の現象が現われるので結露を検知できる。この場合結露が生じている箇所の温度が正確に計測できる場合はガス流体の露点もわかる。結露が生じている箇所の温度が正確に計測できない場合においても、測定対象要素に設けられた温度センサの指示温度が何℃のときに結露が生じたかが分かるので、その温度以上にヒータの温度調節をしておけば測定対象要素内での結露を防止できる。

本実施例によれば、具体的には、燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測された結露温度に応じて燃料ガスの温度を制御するようにした燃料電池システムにおいて、燃料ガスの温度変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとからΔＰ／ΔＴが急激に変化する現象に基づいて予め定めた結露温度との関係情報を予めマップとして記憶する記憶手段を有し、前記燃料電池要素にヒータと温度センサと差圧測定器を備え付けて、加熱され、徐々に温度が下げられた燃料ガスの温度と差圧との関係を計測する手段と、該温度と差圧との関係を入力する手段と、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めて前記マップとして記憶された関係情報から結露温度を計測して設定する手段と、温度制御信号の出力処理を行う手段を備えた演算処理装置を設けた燃料電池システムが構成される。
更に、前記差圧測定器を含む差圧計測系統に乾燥ガスを微量流した状態で差圧を計測する手段を有する燃料電池システムが構成される。

また、燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測されて結露温度に応じて前記燃料電池要素を流過する燃料ガスの温度制御を行う燃料電池システムの温度制御方法において、燃料ガスの温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰと予め定めた結露温度との関係情報を予めマップとして記憶し、加熱され、徐々に温度が下げられた燃料ガスの温度と差圧との関係を計測し、演算処理装置に、前記温度と差圧との関係を入力し、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めて前記マップとして記憶された関係情報から結露温度を計測して設定し、温度制御信号の出力処理を行い、該温度制御信号に基づいて前記ヒータを加熱することによって流過する燃料ガスの温度を上げるようにした燃料電池システムの温度制御方法が構成される。

また、燃料電池を含む測定対象要素にガス流体を流過させ、ガス流体の結露温度を計測する結露検知装置において、加熱され、徐々に温度が下げられたガス流体の温度と差圧との関係を計測する温度センサと差圧測定器を備え、計測された温度と差圧との関係を入力し、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して結露温度を設定する結露検知装置が構成される。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１から図６は、実施例１の構成を示す。図１は、燃料電池発電システム全体と測定すべき箇所とを示す図である。図１において、１は燃料電池スタック、２、３は気化器、４は燃焼器、５はコンデンサ、６は各部に設けたヒータ、７は各部に設けた接続端子（圧力測定用コネクタ）、８は水素ボンベ、９は空気ブロア、１０は水ポンプ、１１はバルブおよび１２は上述の装置、部分を接続する配管である。１３は、上述の燃料電池発電システムの制御を行うコンピュータ機能を備えた制御装置である。この制御装置は、当然にＲＯＭ、ＲＡＭなどの記憶装置を備え、結露検知装置および温度制御装置を含む。

図２は、実施例２の結露検知装置１００、結露検知、温度制御装置２００、および燃料電池発電システムの要部となる燃料電池システム３００の構成を示す図である。図において、２１は燃料電池要素であり、この場合この燃料電池要素は、燃料電池（スタック）の一要素であり、また圧力損失要素でもあり、測定対象要素（対象要素と言うこともある。）でもある。燃料電池発電システムでは燃料ガスであるガス流体は改質器、ＣＯ除去装置、加湿器、燃料電池セル、配管、バルブなどの多数の要素を経由して流れ、これらすべての要素で結露しないことが求められる。従って、これらの各要素が本実施例において燃料電池セルを含む燃料電池要素ということになる。ここでは、それらの内の１つを燃料電池要素として２１で示すことにする。

燃料電池要素２１にはヒータ２２、温度センサ２３が装置され、入口側に燃料ガスの入口側配管２４、出口側に燃料ガスの出口側配管２５が接続され、それぞれの配管２４、２５には他のヒータ２６、２７が装置される。そして、それぞれの配管２６、２７にはそれぞれ分岐管２８、２９が設けられ、それらの先端に接続端子３０、３１が設けられる。

温度センサ２３の例としては熱電対が採用し得る。従って、温度センサ２３は、圧力損失要素装置ヒータということになる。

燃料電池要素２１は、差圧計（差圧測定器）３２、乾燥ガス流路系３３を備える。差圧計３２には入口側配管３６、出口側配管３７が設けられ、これらの配管は計測用の配管３８、３９にそれぞれ接続され、配管３８、３９のそれぞれの先端には接続端子４０、４１が設けてある。接続端子４０、４１は接続端子３０、３１に接続され、高湿度燃料ガスの圧力が引き出される構成とされている。これらの装置流路系から差圧計測系統が構成される。従って、この差圧計測系統に乾燥ガスが微量流され、この状態で差圧計３２によって差圧が計測される。ここで重要なことは、圧力が引き出されていることであって燃料ガスを含む流体は測定系統に引き出される必要がないということである。これによって測定点における結露対策がいらなくなるというメリットを得ることができるようになる。

配管３８、３９にはそれぞれバルブ４２、４３が設けてあり、これらのバルブ４２、４３にはそれぞれヒータ４４、４５が装着してある。

乾燥ガス流路系３３は、配管３８、３９の一部およびこれらの配管に設けた流量計４６、４７、ガスボンベ４８およびこれらを結ぶ配管４９、５０、配管５０に設けたバルブ５１からなる。

差圧計３２には、半導体ダイヤフラム式ディジタルマノメータを用いることができる。ガスボンベ４８は燃料電池要素側から差圧計３２に水蒸気を含む燃料ガスが流れて来ないよう流量調整機能付の流量計４６、４７を介して微量の乾燥ガスを流すためのものである。バルブ４２、４３は測定時のみ開とする遮断バルブであり、非測定時に燃料ガスが入ることを防止するためのものである。ヒータ４４、４５はバルブ４２、４３および接続端子３０、３１、４０、４１からバルブ４２、４３までの配管温度を結露しない温度に保持するために用いる。バルブ４２、４３から差圧計３２の配管３８、３９は温度調整が不要である。

差圧計３２は測定対象の燃料ガス等のガス流体のガス温度に耐えるような仕様を有する機器である必要はなく、常温で使用可能な差圧計測器を用いることができる。これは、ガスボンベ４８から乾燥ガスを微量流しながら差圧測定する方式に構成したことによって測定系での結露がなく、測定系を高温に保つ必要がないことによる。

この実施例における圧力損失要素の１つである燃料電池要素２１は、燃料電池セルのアノードガス入口からアノードガス出口までのガス系である。上述のように、この場合の燃料電池セルにはヒータ２２と温度センサ２３が装着してあり、セル温度が所定の値になるように温度調節を行っている。この燃料電池セルのアノード上流側には、燃料ガスボンベから始まり、減圧弁、圧力計、流量計、加湿器などがあり、アノード下流側には水トラップなどがあるが、図示を省略してある。

接続端子３０、３１を接続端子４０、４１に接続して接続端子３０、３１の間の差圧を差圧計３２によって測定し、コンピュータを含む制御装置の記憶装置に記憶する。

上述の結露検知装置１００は、図１に示すように加熱され、徐々に温度が下げられたガス流体の温度と差圧との関係を計測する温度センサと差圧計３２を備え、計測された温度と差圧との関係を入力し、後述するように、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して結露温度を設定する手段を有する。

また、上述の結露検知、温度制御装置２００は、加熱され、徐々に温度が下げられたガス流体の温度と差圧との関係を計測する温度センサと差圧計３２を備え、計測された温度と差圧との関係を入力し、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して結露温度を設定する結露検知装置１００を有し、かつ前記結露検知装置によって計測された結露温度を入力し、該温度に所定の温度を加算して温度制御信号として出力し、該温度制御信号に応じて前記測定対象要素の温度の制御を行う温度制御装置を有する温度制御装置を有する。

図３は、図２の結露検知装置を用いて、図２の燃料電池要素内で発生する結露を検出した実験例を示す。アノードガスとして水素１００ｍｌ／ｍｉｎを供給し、６０℃の水の中をバブリングして燃料電池セルに供給した場合の実験結果である。

図２の圧力損失要素すなわち燃料電池セルに所定のガスを流した状態で、図２のヒータ２２の電流を遮断すると燃料電池セルに装着した温度センサ２３が示す温度は、図３に示すように３０分間で８４℃から５０℃まで徐々に低下した。このとき接続端子３０、３１の間の差圧は、図３に示すように１．３６ｋＰａから１．０１ｋＰａに低下した。セル温度は特別な屈曲点はなく一様に低下しているのに対し、差圧は２０分までの勾配と２０分以後の勾配が明らかに変化している。２０分までの差圧低下は温度低下でガス流速が減少しているためである。すなわち、急激に差圧低下を起こす現象を呈している。２０分後差圧低下の勾配が増加しているのは結露によりガス流量が減少しているためである。この図から２０〜２１分後、セル温度の指示値が５９℃で結露が発生していることがわかる。

図４は、図３と同様、図２の結露検知装置を用いて、図２の圧力損失要素内で発生する結露を検出した実験例を示す。アノードガスとして水素１００ｍｌ／ｍｉｎを供給し、８０℃の水の中をバブリングして燃料電池セルに供給した場合の実験結果である。

図４では、セル温度は９５℃から７２℃まで１５分で一様に低下している。差圧低下は、８分後あたりから急増し、１４分あたりでは脈動する結果が得られた。８分後のセル温度は８３℃であり、バブリングした水の温度８０℃より若干高い温度で結露が発生していることが読み取れる。８３℃は、セル中央部の温度が最も高いと思われる部署に装着した温度センサの指示値であり、結露が生じた箇所の温度はこれより数℃低いためにこのような結果になったと推察される。実際に結露した部分の温度は不明であるが、温度センサが８３℃の温度を示すとき結露を検知しているので、温度センサがそれ以上の温度を示す状態で運転を行えば、結露なしの運転が可能となる。なお、１４分後の差圧の脈動は結露した水が流れを妨害するために生じる現象である。本発明の結露検知装置を使えば、配管内の結露水による圧力変動も検出可能である。

図５は、結露温度における圧損変化（ΔＴ＝５℃）と５℃変化に伴う圧損の変化（２０℃ｄｒｙ水素を１００として）の関係を示す。図から判るように、結露有りの場合には、各温度においてほとんど圧損変化は生じない。これに対して、結露なしの場合および結露による圧損の変化は温度が高くなる程大きくなり、特に８０℃、９０℃において顕著になる。

図６は、結露による圧力損失の変化と圧損（２０℃ｄｒｙ水素を１００として）の関係を示す。図から判るように、いずれかの温度で結露が生じると圧損はそれまでの傾向と違って増加傾向が小さくなり、Ｄｒｙ水素圧損分の傾向と類似してくる。これは、前述したように結露により水蒸気量が減少し、圧力損失が減少することによる。本実施例にあってはこの圧力損失の減少現象を検知して結露を検出することを行う。この場合に、結露水によって流路（例えば、燃料電池の流路）が閉塞され圧力が増加する程の長い時間を検知のために使用することは行わない。圧力損失の減少現象を捉える時間があれば充分である。従って、検知のための温度変化が燃料電池の連続運転に悪い影響を与えることが避けられる。このように、本実施例にあっては、結露による水蒸気量の変化で結露を検出しており、圧力損失の時間微分が重要でなく、圧力損失の温度微分が重要である。

図７は、結露を検知、すなわち計測した時の制御装置・方法を示す制御図である。図５において、結露検知装置１００は、結露判定装置（手段）１０１を備える。温度センサ２３で測定され、獲得された温度情報（信号）は信号線６１を介して、そして差圧計３２で測定され、獲得された差圧情報（信号）は信号線６２を介して結露判定装置１０１に入力される。

結露判定は次のようにして行う。
１）測定対象要素の温度Ｔの変化ΔＴに対する測定対象要素の圧力損失Ｐの変化ΔＰの割合を演算し、ΔＰ／ΔＴの値が急激な変動値、すなわち、図５、図６に示すように先鋭的変動を生じていることを検出して当該温度において結露が生じると判定する。ΔＰ／ΔＴの勾配以外に、予め設定圧損を測定することによっても判定できる。
２）判定レベルとして、一定値を設定しておき、ΔＰ／ΔＴに対するＴの値が判定レベルを超えたときに当該温度において、結露が生じると判定する。この例を図８に示す。図８において、ΔＰ／ΔＴに対するＴの値に関係して結露判定レベルを設定しており、この例の場合、５９℃で結露と判定している。
３）判定レベルを設定せず、図８に示すデータを画面表示してパターンからパターン判定によって結露を判定することもできる。

いずれの例にあってもΔＰ／ΔＴの値は時間刻みが小さいとばらつきが大きくなるおそれがある。図８に示す例では前後２分のデータからΔＰ／ΔＴの値を計算している。従ってばらつきを小さくするためにある時間の範囲で平均化処理したデータを使用して結露を判定するのはよい方法といえる。

上述の実験結果をマップとして記憶して、測定値入力したときにマップに記憶した実験結果を使用して結露を判定することができる。この場合には、燃料ガスなどのガス流体の温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰを予め定めた結露温度との関係情報を予めマップとして記憶手段に記憶することになる。マップを使用しなくても直線的に測定を継続して行うことによって結露を判定することもできる。この場合に、装置の温度を徐々に下げ、結露現象を生じさせ、実際の温度と結露温度との差異を計測する手段をとっており、このことは装置事態から見れば、判定による予測制御ということができる。

結露判定の結果は、結露判定装置１０１からヒータ制御信号線６３から結露温度情報が、そして結露なし運転用ヒータ電流設定信号線６４から結露なしのときの温度情報が温度制御装置２００に伝達される。温度制御装置２００は、これらの情報を受けたときには、結露なしとされたときの設定温度で、そして結露判定があったときには、結露条件より約１０℃高い温度に燃料ガスがなるようにヒータ制御信号を生成する。この制御信号は、制御信号線６５からヒータ２２による燃料ガスに対する加熱がなされる。このように、結露温度を予め予測しており、この温度より一定温度、例えば１０℃高く温度を設定することを行っており、実際に結露が生じるわけではない。従来の例では、８０℃の運転に対して配管温度を１１０℃に設定するなどの温度制御を行っていたが、本実施例によれば結露温度より１０℃高く設定することは極めて容易に行え得るから配管温度を下げることが出来、これに伴なって放熱を小さくしてエネルギー損失を減少させ、材料の熱劣化を起こりにくくした装置・方法を提供することができる。

このように、燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測された結露温度に応じて燃料ガスの温度を制御するようにした燃料電池システムにおいて、前記燃料電池要素にヒータと温度センサと差圧測定器を備え付けて、加熱され、徐々に温度が下げられた燃料ガスの温度と差圧との関係を計測する手段と、該温度と差圧との関係を入力する手段と、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定する手段と、結露温度を設定する手段、および温度制御信号の出力処理を行う手段を備えた演算処理装置を設けた燃料電池システムが提供される。

また、これは前記燃料電池要素を流過する燃料ガスについての温度と圧力損失との関係を計測する計測手段を設け、温度の変化と圧力損失の変化との関係を求めて該変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を予測、判定して計測された結露温度を設定し、該結露温度に対して所定の温度を加算して温度制御信号の出力処理を行う演算処理装置を設けたことでもある。

本実施例によれば、結露の検知に当って温度の変化と圧力損失との変化との関係を用いるものであるから燃料ガスを含む流体を系統外に引き出すことを要しないから検知手段を簡便なものとしてコストの低いものとすることができる。

図９に実施例２の例を示す。実施例１と同一の事項については実施例１と同一の記号を使用し、説明を繰り返さないで、実施例１の説明を援用するものとする。他の例についても同じである。

図９は、本発明に係る結露検知装置と温度を精度よく計測できる圧力損失要素７２を組み合わせて、露点計測装置を構成した図である。圧力損失要素７２には、ヒータで被覆した細いＳＵＳ管が用いられる。ＳＵＳ管の径と長さは測定対象のガス流量によって適正なものを選ぶ。管径が大きく長さが短い場合には、圧力損失が小さくなり、差圧測定の感度不足になるおそれがあり、管径が小さく長さが長い場合には、圧力損失が大きくなり、圧力損失によって測定対象のガスが流れにくくなり、流量が減少するおそれがあるからである。圧力損失要素に細い管を用いる理由は、管内の流れや伝熱現象が単純となり、温度分布が均一になり、ガス温度を精度よく計測できるためである。

図９の装置の接続端子４０、４１を測定対象ガスの入排出口に接続し、測定対象ガスをバルブ４２、４３、圧力損失要素７２、バルブ７２、７３、７４、４３を経由させる。バルブ７３、７４は、図に示すように、配管７５、７６に設けている。バルブ７３、７４はその周囲にヒータ７７、７８を備えている。測定対象ガスは接続端子４１から大気に放出してもよいし、測定対象装置に戻してもよい。

ヒータ２６、２７、７７、７８は、配管およびバルブ内で結露が発生することを防止するために用いている。ヒータ２２で圧力損失要素７２の温度を変化させ差圧を計測し、差圧変化が大きい温度を求め、この温度を露点とする。

実施例１に示す結露検知装置では、ガスボンベ４８から乾燥ガスを流しながら測定する方法を示しているが、ガスを流さず、高温に耐える圧力計を用い、計測計を加熱し結露しない状態で差圧を測定してもよい。
また実施例１に示す結露検知装置のガスボンベ４８の代りに空気ポンプを用いてもよい。小型空気ポンプを用いると装置全体が小型化し、持ち運びが容易となる。

図１０は、実施例３を示し、圧力損失要素８１、８２が直列に接続されたガス系の構成図である。本実施例に係る結露検知装置は、接続端子８３と接続端子８５に接続し両圧力損失要素の圧力損失の合計を計測する。圧力損失要素８１の温度と圧力損失要素８２の温度をそれぞれのヒータ８６、８７で別々に変え、圧力損失の温度依存性を調べれば、各圧力損失要素で結露が発生する条件を調べることができる。この方法では、結露検知装置を接続換えする作業なしに二つの圧力損失要素８１、８２における結露条件を調べることができる。尚、８８、８９は温度センサであり、実施例１の温度センサ２３に該当する。

図１１は、実施例１−３の内容をまとめたものである。図において、対策１として１００％ＲＨに近い高湿度の燃料ガスとなるガス流体を燃料電池セルに供給することが求められ、この場合に結露しないことが求められることに対処することがあり、対策２として湿度の度合いの変化に応じて、結露の温度を正確に、かつ簡便に判定することが求められることがあり、対策３として日常的にあるいは適宜に結露の温度を判定し、温度制御をエネルギー損失が減少するようにして行うことによって運転制御（運転を含めて）の改善を求められることがある。

このため、対応として、対象要素内を流れるガス流体により発生する差圧（損失圧力）を対象要素の温度を結露のない高温度（運転温度）の状態から下げながら測定する。そして、対象要素内を流れるガス流体により発生する圧力損失を温度との関係において計測することを行う。本件発明者等は、損失圧力の減少の度合いが温度に依存して急激に変化することを見出した。温度に依存したこの大きな圧力損失現象を利用して結露温度を判定することができる。この判定を行うに当っては、温度の変化ΔＴ、差圧の変化ΔＰについては時間要素を加えて平均化処理するのが望ましい。

結露の判定は、ΔＰ／ΔＴの変化の状態から、あるいはΔＰ／ΔＴについて一定値を設定しておき、これとの対比において行うことができる。詳細は実施例１に記した。

結露の温度を判定処理すると温度制御装置によって対象要素の（流過するガス流体を含めて）温度設定を行う。この場合に、判定した結露温度に対して＋１０℃±１０℃（ただし±１０℃には１０℃そのものは含まない。）という低い加熱温度を設定する。
この温度は望ましくは＋１０℃±５℃とすることである。この設定によって更にエネルギー損失を少なくすることができる。

具体的な構成としては、ヒータと温度センサと差圧測定器を備え、ヒータによる温度を変化（低下）させたときの差圧の急変現象を検出し結露温度を判定する。

対象要素の温度の変化ΔＴに対する対象要素内を流れるガス流体の圧力損失の変化の割合から結露温度を判定する。

差圧力測定器に乾燥ガスを注入しながら差圧判定し、差圧判定器に接続される配管については温度調整不要の構成とした。

コンピュータ、すなわち演算処理装置による結露の判定、それに基づく温度制御を行うが、この場合に、ΔＰ、ΔＴ計測処理、平均化処理、ΔＰ／ΔＴの変化値演算、対比処理、結露温度設定処理、温度制御信号出力処理を行う。これらの処理はルーチン的に行ってもよいし、マップ使用による予測制御としてもよい。

燃料電池セルを取り上げてみれば、結露判定された場合には、燃料電池セルの温度を高める、燃料ガスの加湿量を下げる、燃料ガスの供給を上げるなどの操作を選択、組み合わせて運転することができる。

そして、本発明によれば燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測されて結露温度に応じて前記燃料電池要素を流過する燃料ガスの温度制御を行う燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池要素を流過する燃料ガスについての温度と圧力損失との関係を計測し、演算処理装置によって、温度の変化と圧力損失との関係を求めて該変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して、結露温度を設定し、該結露温度に対して１０℃±５℃の温度を加算して温度制御を行いながら低温運転を継続する燃料電池システムの運転方法が構成される。

本発明の実施例である燃料電池発電システムの概略図。 本発明の実施例の構成図。 燃料電池セル内で発生する結露を検知した例を示す図。 結露を検知した他の例を示す図。 結露温度における圧損変化（ΔＴ＝５℃）と５℃変化に伴う圧損の変化（２０℃ｄｒｙ水素を１００として）の関係を示す図。 結露による圧力損失変化と圧損（２０℃ｄｒｙ水素を１００として）の関係を示す図。 結露を検知した時の制御図。 結露判定方法の例を示す図。 他の実施例の構成を示す図。 他の実施例の構成を示す図。 本発明のまとめ図。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２、３…気化器、４…燃焼器、５…コンデンサ、６、２２、２６、２７…ヒータ、７…接続端子（コネクタ）、１１…バルブ、１２、…配管、１３…制御装置、２１…燃料電池要素（例えば燃料電池セル）、２３…温度センサ、２４…入口側配管、２５…出口側配管、３２…差圧計（差圧測定器）、３３…乾燥ガス流路系、４６、４７…流量計、４８…ガスボンベ、１００…結露検知装置、２００…結露検知、温度制御装置、３００…燃料電池システム。

Claims (10)

1. 燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測された結露温度に応じて燃料ガスの温度を制御するようにした燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池要素にヒータと温度センサと差圧測定器を備え付けて、加熱され、徐々に温度が下げられた燃料ガスの温度と差圧との関係を計測し、
   該温度と差圧との関係を入力する手段と、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定する手段と結露温度を設定する手段、および温度制御信号の出力処理を行う手段を備えた演算処理装置を設けたこと
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測された結露温度に応じて燃料ガスの温度を制御するようにした燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池要素を流過する燃料ガスについての温度と圧力損失との関係を計測する計測手段を設け、
   温度の変化と圧力損失の変化との関係を求めて該変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定する手段と、結露温度を設定する手段と、該結露温度に対して所定の温度を加算して温度制御信号の出力処理を行う手段を備えた演算処理装置を設けたこと
   を特徴とする燃料電池システム。
3. 燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測された結露温度に応じて燃料ガスの温度を制御するようにした燃料電池システムにおいて、
   燃料ガスの温度変化ΔＴと差圧の変化ΔＰと予め定めた結露温度との関係情報を予めマップとして記憶する記憶手段を有し、
   前記燃料電池要素にヒータと温度センサと差圧測定器を備え付けて、加熱され、徐々に温度が下げられた燃料ガスの温度と差圧との関係を計測する手段と、該温度と差圧との関係を入力する手段と、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めて前記マップとして記憶された関係情報から結露温度を計測して設定する手段と、温度制御信号の出力処理を行う手段とを備えた演算処理装置を設けたこと
   を特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれかにおいて、前記差圧測定器を含む差圧計測系統に乾燥ガスを微量流した状態で、差圧を計測する手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
5. 燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測されて結露温度に応じて前記燃料電池要素を流過する燃料ガスの温度制御を行う燃料電池システムの温度制御方法において、
   加熱され、徐々に温度が下げられた燃料ガスの温度と差圧との関係を計測し、
   演算処理装置に、前記温度と差圧との関係を入力し、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して結露温度を設定し、温度制御信号を出力すること
   を特徴とする燃料電池システムの温度制御方法。
6. 燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測されて結露温度に応じて前記燃料電池要素を流過する燃料ガスの温度制御を行う燃料電池システムの温度制御方法において、
   前記燃料電池要素を流過する燃料ガスについての温度と圧力損失との関係を計測し、
   演算処理装置によって、温度の変化と圧力損失との関係を求めて該変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して、結露温度を設定し、該結露温度に対して１０℃±１０℃（ただし±１０℃自体は含まない）の温度を加算して温度制御信号の出力処理を行うこと
   を特徴とする燃料電池システムの温度制御方法。
7. 燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測されて結露温度に応じて前記燃料電池要素を流過する燃料ガスの温度制御を行う燃料電池システムの温度制御方法において、
   燃料ガスの温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰと予め定めた結露温度との関係情報を予めマップとして記憶し、
   加熱され、徐々に温度が下げられた燃料ガスの温度と差圧との関係を計測し、
   演算処理装置に、前記温度と差圧との関係を入力し、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めて前記マップとして記憶された関係情報から結露温度を計測して設定し、温度制御信号の出力処理を行い、
   該温度制御信号に基づいて前記ヒータを加熱することによって流過する燃料ガスの温度を上げること
   を特徴とする燃料電池システムの温度制御方法。
8. 燃料電池を含む測定対象要素にガス流体を流過させ、ガス流体の結露温度を計測する結露検知装置において、
   加熱され、徐々に温度が下げられたガス流体の温度と差圧との関係を計測する温度センサと差圧測定器を備え、
   計測された温度と差圧との関係を入力し、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して結露温度を設定すること
   を特徴とする結露検知装置。
9. 燃料電池を含む測定対象要素にガス流体を流過させ、ガス流体の結露温度を計測する結露検知装置を備え、計測された結露温度に応じてガス流体の温度を制御する温度制御装置を備えた結露検知、温度制御装置において、
   加熱され、徐々に温度が下げられたガス流体の温度と差圧との関係を計測する温度センサと差圧測定器を備え、
   計測された温度と差圧との関係を入力し、温度の変化ΔＴと差圧の変化ΔＰとの関係を求めてΔＰ／ΔＴの変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して結露温度を設定する結露検知装置を有し、かつ
   前記結露検知装置によって計測された結露温度を入力し、該温度に所定の温度を加算して温度制御信号として出力し、該温度制御信号に応じて前記測定対象要素の温度の制御を行う温度制御装置を有すること
   を特徴とする結露検知、温度制御装置。
10. 燃料電池セルを含む燃料電池要素に高湿度の燃料ガスを流過させ、燃料ガスの結露温度を計測して計測されて結露温度に応じて前記燃料電池要素を流過する燃料ガスの温度制御を行う燃料電池システムの運転方法において、
    前記燃料電池要素を流過する燃料ガスについての温度と圧力損失との関係を計測し、
    演算処理装置によって、温度の変化と圧力損失との関係を求めて該変化が急激に変化する現象状況に基づいて結露温度を判定して、結露温度を設定し、該結露温度に対して１０℃±５℃の温度を加算して温度制御を行いながら低温運転を継続すること
    を特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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