JP2006134733A - 加湿装置、ガス供給装置、並びに、燃料電池評価試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スケールの析出等に伴う加熱手段の損傷や故障の可能性を未然に検知できる加湿装置、当該加湿装置を備えたガス供給装置、並びに、燃料電池評価試験装置の提供を目的とする。
【解決手段】 ＦＣ評価試験装置は、ガス供給用に設けられたガス流路の中途に加湿装置２３を備えている。ＦＣ評価試験装置の制御手段は、水温検知センサ４２、蒸気温検知センサ４４により一意的に定まる理論出力と、ガスを加湿装置２３によって所望の露点温度まで加湿するのに要する実出力とに基づいて導出される過負荷度が所定の閾値を超えるか否かを確認する。ＦＣ評価試験装置の制御手段は、前記過負荷度が閾値を超えたことを検知するとヒーター４１に過負荷が作用したものと判断し、警告信号を発信する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、所定の気体を加湿可能な加湿装置、当該加湿装置を備えたガス供給装置、並びに、当該ガス供給装置を備えた燃料電池評価試験装置に関する。

近年、自動車用の電源や家庭用の電源として燃料電池が着目されつつある。かかる用途に燃料電池を採用するためには、長期にわたって使用した場合を想定した燃料電池の性能評価試験を行わねばならない。かかる要望に基づき、例えば下記特許文献１に開示されているようなガス供給装置を備えた燃料電池評価試験装置が提供されている。
特開２００４−２７３２２２号公報

上記特許文献１に開示されているようなガス供給装置の多くは、純水等の液体を貯留した水槽中に加熱手段を設け、この加熱手段によって液体を加熱することにより発生する蒸気を用いて気体を加湿する加湿装置を備えている。

従来技術のガス供給装置や燃料電池評価試験装置に採用されている加湿装置は、長期にわたって使用を継続すると、加熱手段の表面に水中に溶存してる珪酸やカルシウム、マグネシウム等のようないわゆるスケールが析出してくる。加熱手段の表面にスケールが析出すると、加熱手段から水等の液体への伝熱効率が低下する。そのため、適切なメンテナンス等を怠り、スケールが付着したまま加熱手段を作動させると、加熱手段に対して大きな負荷が作用することとなり、この負荷が過度に大きくなると加熱手段が損傷や故障を起こしてしまうという問題があった。

また、従来技術の燃料電池評価試験装置やガス供給装置は、上記したような構成の加湿装置を具備したものであるため、燃料電池の評価試験の途中やガス供給動作の途中に予期せぬ加熱手段の損傷や故障によってガスの加湿が行えなくなり、長期にわたって継続していた評価試験等が中断されてしまうおそれがあった。そのため、従来技術の燃料電池評価システムやガス供給装置では、加熱手段の損傷や故障を防止すべく頻繁にメンテナンスを行わねばならないという問題があった。

そこで、上記した問題に鑑み、本発明は、スケールの析出等に伴う加熱手段の損傷や故障の可能性を未然に検知できる加湿装置、当該加湿装置を備えたガス供給装置、並びに、燃料電池評価試験装置の提供を目的とする。

上記した課題を解決すべく提供される請求項１に記載の発明は、液体を貯留する貯留手段と、当該貯留手段内に貯留された液体を加熱して蒸気を発生させる加熱手段とを有し、前記蒸気によって気体を加湿するものであり、加湿後の気体の露点温度に基づいて前記加熱手段の出力を制御する制御手段を有し、当該制御手段が、気体を所定の露点温度まで加湿するのに要する加熱手段の理論出力と、露点検知手段によって検知される露点温度に基づいて出力される加熱手段の実出力とを比較し、前記理論出力と実出力との差に基づいて導出される出力差あるいは当該出力差に基づいて導出される変数が所定の閾値を超えることを条件として加熱手段から貯留手段内に貯留されている液体への伝熱抵抗の増大によって加熱手段が過負荷状態となっているものと判断することを特徴とする加湿装置である。

上記したように、液体中に溶存しているスケールが加熱手段の表面に析出してくると、このスケールが伝熱抵抗となる。そのため、本発明の加湿装置のように蒸気によって加湿された気体の露点温度に基づいて加熱手段の出力を制御する構成とした場合、スケールの析出量が増えると、加熱手段の実出力を理論出力よりも大きくせざるを得ない。そのため、加熱手段の表面におけるスケールの析出量が変動すると、理論出力と実出力との差に基づいて導出される出力差が変動したり、当該出力差に基づいて導出される変数が加熱手段にスケールが付着していない場合や、当該スケールの析出量が少ない場合における値から乖離する傾向を示す。従って、出力差が増加したり、出力差に基づく変数が変動する場合は、加熱手段に過負荷がかかった状態となる。すなわち、加熱手段の出力差や、これに基づいて導出される変数は、加熱手段に作用する負荷の程度を示すパラメーターとして機能する。

上記した知見に基づき、本発明では、理論出力と実出力との差に基づく出力差や、出力差に基づいて導出される変数の値が所定の閾値を超えることを条件として、加熱手段に過負荷が作用しているものと判断することとしている。そのため、本発明によれば、加熱手段に対するスケールの析出量の増加に伴う加熱手段の負荷の増大を的確に把握でき、スケールの析出に伴う加熱手段の損傷や故障の可能性を精度良く予測可能な加湿装置を提供できる。

請求項２に記載の発明は、制御手段が、貯留手段に貯留される液体の液温、貯留手段内で発生する蒸気の蒸気温度、並びに、当該蒸気温度の蒸気を発生させるのに要する加熱量に基づいて加熱手段の理論出力を導出するものであることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置である。

かかる構成によれば、加熱手段の理論出力を精度良く導出でき、スケールの析出量の増加に伴う加熱手段の負荷増大を的確に把握できる。従って、本発明によれば、加熱手段の故障や損傷の可能性を精度良く把握可能な加湿装置を提供できる。

請求項３に記載の発明は、制御手段が、出力差あるいは当該出力差に基づいて導出される変数が閾値を超えることを条件として、警告信号を発信することを特徴とする請求項１又は２に記載の加湿装置である。

かかる構成によれば、スケールの析出に伴って加熱手段が損傷や故障を起こすのに先だって、加熱手段のメンテナンスに適したタイミングで警告信号を発信できる。

請求項４に記載の発明は、ガスが流通するガス流路を有し、当該ガス流路の中途に、請求項１乃至３のいずれかに記載の加湿装置が設けられていることを特徴とするガス供給装置である。

本発明のガス供給装置は、上記したような加湿装置を具備したものであるため、加湿装置のスケールの析出量の増加に伴う加熱手段の負荷の増大を把握でき、スケールの析出に伴う加熱手段の損傷や故障の可能性を的確に予測できる。そのため、本発明によれば、加湿装置の加熱手段が予期せぬタイミングで故障や損傷を起こすのを防止でき、所望の湿度に加湿されたガスを安定供給可能なガス供給装置を提供できる。

請求項５に記載の発明は、ガスが流通するガス流路と、当該ガス流路内を流れるガスの湿度を調整可能な調湿手段とを有し、当該ガス流路が、低湿度のガスが流れる低湿度流路と、当該低湿度流路内を流れるガスよりも湿度が高いガスが流れる高湿度流路と、当該高湿度流路と低湿度流路とが合流する合流部とを有し、高湿度流路の中途に請求項１乃至３のいずれかに記載の加湿装置を設けたものであり、前記調湿手段が、前記低湿度流路を流れるガスと高湿度流路を流れるガスとの流量比および／または加湿装置を構成する加熱手段の出力を調整することによりガスの湿度を調整するものであることを特徴とするガス供給装置である。

本発明のガス供給装置は、上記した加湿装置を備えたものであるため、スケールの析出に伴って加湿手段の加熱手段に作用する負荷が増大して加熱手段が損傷や故障を起こす可能性を的確に予測し、これに伴う不具合を未然に防止することができる。そのため、本発明によれば、加湿手段の加熱手段の損傷や故障に伴う予期せぬ加湿不良を未然に防止可能なガス供給装置を提供できる。

本発明のガス供給装置は、高湿度流路に設けられた加湿装置の加熱手段の出力や、高湿度流路および低湿度流路を流れるガスの流量比を調整することにより所望の湿度のガスを供給できる。

請求項６に記載の発明は、ガス流路内を流れるガスの温度を調整可能な温調装置を備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載のガス供給装置である。

かかる構成によれば、所望の温度に加熱されたガスを供給することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載のガス供給装置を具備し、当該ガス供給装置により調製されたガスを燃料電池に供給可能であることを特徴とする燃料電池評価試験装置である。

本発明の燃料電池評価試験装置は、上記したガス供給装置を備えたものであるため、所望の湿度（露点温度）に加湿したガスを燃料電池に供給し、評価試験を行うことができる。また、本発明の燃料電池評価試験装置は、ガス供給装置を構成する加湿装置の加熱手段がスケールの析出に伴う損傷や故障の可能性を的確に予測することができる。そのため、本発明の燃料電池評価試験装置は、加湿手段の加熱手段が予期せぬ損傷や故障を起こすことによるガスの加湿不良を未然に防止でき、ガスの加湿不良に伴う評価試験の精度の低下を防止できる。

請求項８に記載の発明は、恒温手段を有し、当該恒温手段が雰囲気温度を所定の条件に調整可能な恒温室を有し、当該恒温室内に燃料電池の一部または全部を収容可能であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池評価試験装置である。

かかる構成によれば、所望の雰囲気下で燃料電池の評価試験を実行可能な燃料電池評価試験装置を提供できる。

請求項９に記載の発明は、ガス流路が恒温室内に引き込まれ燃料電池に繋がる引き込み部を有し、当該引き込み部の中途に熱交換手段が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池評価試験装置である。

本発明の燃料電池評価試験装置では、ガスが燃料電池に導入される前に、恒温室内に配された熱交換手段を通過する。そのため、本発明の燃料電池評価試験装置では、燃料電池の評価試験雰囲気たる恒温室内の雰囲気温度下において熱交換され、温度調整されたガスが燃料電池に供給される。従って、本発明の燃料電池評価試験装置によれば、燃料電池の評価試験に適した温度に調整されたガスを供給できる。

本発明によれば、加熱手段に対してスケール等が析出することによる加熱手段の損傷や故障を的確に予測可能な加湿装置を提供できる。また、本発明によれば、加湿装置の加熱手段が予期せぬタイミングで故障するのを防止でき、所望の湿度に加湿されたガスを安定供給可能なガス供給装置を提供できる。さらに、本発明によれば、ガスの加湿不良を未然に防止でき、ガスの加湿不良に伴う評価試験の精度の低下を防止可能な燃料電池評価試験装置を提供できる。

続いて、本発明の一実施形態である加湿装置、ガス供給装置、並びに、燃料電池評価試験装置について図面を参照しながら詳細に説明する。図１において、１は本実施形態の燃料電池評価試験装置（以下、ＦＣ試験装置１と称す）である。また、図１において、３は本実施形態のガス供給装置であり、２３は本実施形態の加湿装置である。

ＦＣ試験装置１は、ガス供給装置３によって燃料電池１０の正極に導入されるガス（以下、必要に応じて正極側ガスと称す）や負極に導入されるガス（以下、必要に応じて負極側ガスと称す）の温度や湿度等の供給条件を調整して燃料電池１０の性能の評価試験を行うものである。加湿装置２３は、ガス供給装置３の一部を構成するものであり、正極側ガスや負極側ガスの湿度を調整するものである。

ＦＣ試験装置１は、図１に示すように燃料電池１０の負極活物質として使用される水素を主成分とするガスや正極活物質として使用される酸素を主成分とするガス等を供給するためのガス流路２と、ガス流路２を通過する水素や酸素等のガスを所定の温度や湿度（露点温度）に調整するガス供給装置３と、試験対象である燃料電池１０を収容可能な恒温手段５とに大別される。

ガス流路２は、水素や酸素等のガスの供給源と、恒温手段５内に配された燃料電池１０とを繋ぐ流路である。ガス流路２は、燃料電池１０の正極（酸素極）に繋がる正極側ガス流路１１と、負極（燃料極）に繋がる負極側ガス流路１２の２系統によって構成されている。正極側ガス流路１１および負極側ガス流路１２は、それぞれ正極側ガスおよび負極側ガスが流れる配管である。

正極側ガス流路１１および負極側ガス流路１２は、互いに独立した流路を形成しているが、その流路構成はほぼ同一とされている。すなわち、正極側ガス流路１１および負極側ガス流路１２は、それぞれ中途にガス供給装置３を有する。そして、ガス流路２は、後述する冷却手段２７に対してガスの流れ方向上流側に配された流路切替手段２５よりもさらに上流側において低湿度流路１３と高湿度流路１５の２系統に分岐されている。低湿度流路１３は湿度が低いガスが流れる流路であり、高湿度流路１５は湿度が高いガスが流れる流路である。低湿度流路１３と高湿度流路１５とは、流路切替手段２５よりも上流側の合流部４７で合流している。また、ガス流路２は、流路切替手段２５よりも下流側に冷却流路１６を有する。冷却流路１６は、ガス流路２内を流れるガスを迂回させ、冷却手段２７を通過させるための流路である。

ガス供給装置３は、低湿度流路１３の中途に設けられた流量調整手段２０と加熱手段２１、高湿度流路１５の中途に設けられた流量調整手段２２と加湿装置２３、ガス流路２と冷却流路１６との境界部分に設けられた流路切替手段２５，２６、並びに、冷却流路１６の中途に設けられた冷却手段２７とを具備している。さらに具体的に説明すると、低湿度流路１３および高湿度流路１５は、ＦＣ試験装置１の外部に存在する正極側ガス供給源２８あるいは負極側ガス供給源２９（以下、必要に応じて供給源２８，２９と称す）に接続されている。流量調整手段２０，２２は、それぞれ低湿度流路１３や高湿度流路１５を流れるガス（以下、必要に応じて低湿度ガス、高湿度ガスと称す）の流量を調整するものである。

加熱手段２１や冷却手段２７は、正極側ガス流路１１や負極側ガス流路１２を流れるガスの温度を調整する温調手段６として機能する。加熱手段２１は、例えば従来公知のヒーター等で構成することができる。また、冷却手段２７は、従来公知の冷却装置によって構成することができる。

流量調整手段２０，２２および加湿装置２３は、正極側ガス流路１１や負極側ガス流路１２を流れるガスの湿度（露点温度）を調整する調湿手段７として機能する。すなわち、調湿手段７は、流量調整手段２０，２２を調整することにより、供給源２８，２９から低湿度流路１３に供給されたガス（低湿度ガス）と、供給源２８，２９から高湿度流路１５に供給されたガスを加湿装置２３において加湿した高湿度ガスとを合流部４７において所定比で合流させ、混合することにより燃料電池１０に供給するガスの露点温度（湿度）を調整するものである。

加湿装置２３は、図２に示すように貯留水を貯留する密閉型の貯水タンク４０と、この貯水タンク４０内の貯留水を加熱するためのヒーター４１とを具備している。通常、貯水タンク４０に貯留される貯留水には純水が使用されるが、試験条件等に合わせて適宜変更することも可能である。貯水タンク４０の底部側には、高湿度流路１５を介して供給源２８，２９から供給されたガスを貯水タンク４０内の貯留水中に吐出可能なようにガス導入部４３が設けられている。また、貯水タンク４０の頂部側には、貯留水中に吐出されたガスを加湿装置２３の下流側に送り出すためのガス排出部４５が設けられている。貯水タンク４０内には、内部に貯留されている貯留水の水温を検知するための水温検知センサ４２と、貯留タンク４０内において発生している蒸気の温度を検知するための蒸気温検知センサ４４とが設けられている。

流量調整手段２２を通過してきた高湿度流路１５内を流れるガスは、ヒーター４１によって所定温度に加熱された貯留水中に吐出され、いわゆるバブリング処理が施される。そして、貯水タンク４０に導入されたガスは、所定の湿度に加湿された状態でガス排出部４５から排出される。ヒーター４１の出力Ｇは、ガス排出部４５の下流に配された露点計４６（露点検知手段）によって検知される露点温度Ｄ等に基づいてフィードバック制御される。

図１に示すように、加熱手段２１や加湿装置２３の下流側に設けられた合流部４７において低湿度流路１３と高湿度流路１５とが合流している。そのため、低湿度流路１３を通過した低湿度ガス、高湿度流路１５を通過した高湿度ガスとが合流部４７において混合され、ガスの温度および露点温度（湿度）が調整された状態となり、下流側（燃料電池１０側）に送られる。

合流部４７よりも下流側に設けられた冷却流路１６には、冷却手段２７が設けられている。冷却流路１６と正極側ガス流路１１や負極側ガス流路１２との境界部分には、流路切替手段２５，２６が設けられている。流路切替手段２５，２６は、冷却手段２７の作動時に冷却流路１６側に開状態となり、正極側ガス流路１１や負極側ガス流路１２を流れるガスが冷却手段２７を通過するのを許すものである。冷却手段２７は、冷却されたガスが燃料電池１０に供給されるまでに昇温してしまうのを防止すべく恒温手段５に対して隣接した位置に設けられている。

図１に示すように、正極側ガス流路１１および負極側ガス流路１２のうち、流路切替手段２５，２６よりも下流側の部位、すなわち引き込み部Ａは、恒温手段５内に引き込まれている。そして、引き込み部Ａの中途には、微温調手段５０（熱交換手段）が接続されている。微温調手段５０は、例えば従来公知のコイル式の熱交換器や、ヘッダーに対して複数の受熱管を接続したいわゆる多管型の熱交換器、プレートフィン型と称される熱交換器をはじめとする従来公知の熱交換器（図示せず）と、加熱手段（図示せず）とを具備した構成とされている。微温調手段５０は、燃料電池１０に対してガスの流れ方向上流側に隣接する位置に配されており、内部を流れるガスを恒温室６０の雰囲気温度下で熱交換することができ、必要に応じて前記した加熱手段を動作させることにより燃料電池１０に供給するガスの温度を微調整することができるものである。

恒温手段５は、従来公知の恒温装置と同様に恒温室６０を有し、恒温室６０の内部雰囲気温度等を試験条件にあわせて調整可能なものである。恒温室６０は、試験対象である燃料電池１０と、微温調手段５０，５０とを収容可能な大きさの空間を有する。

続いて、本実施形態のＦＣ試験装置１の動作について説明する。ＦＣ試験装置１は、制御装置７０を具備しており、制御装置７０によって各部の動作を制御する構成とされている。制御手段７０は、各部に設けられた温度センサや露点計４６等の検知信号に基づきガス供給装置３や恒温手段５等の動作を制御するものである。さらに具体的には、図３に示すように、制御装置７０は、露点計４６や貯水タンク４０に設置された水温検知センサ４２、蒸気温検知センサ４４等のセンサ類がＡ／Ｄ変換装置７１を介して接続され、これらの検知信号に基づいてヒーター４１の出力制御を行う加湿装置２３用の制御回路を形成している。

さらに具体的には、制御手段７０は、燃料電池１０の評価試験の条件に基づいて恒温室６０の内部雰囲気温度Ｋｃを調整すると共に、加熱手段２１や冷却手段２７を作動させて正極側ガス流路１１を流れる正極側ガスの温度Ｋｐや負極側ガス流路１２を流れる負極側ガスの温度Ｋｎの温度調整を行う。

また、制御手段７０は、調湿手段７の動作を制御することにより正極側ガスや負極側ガスの露点温度Ｄの調整を行う。さらに具体的には、制御手段７０は、予め設定された正極側ガスや負極側ガスの供給予定流量や設定露点温度Ｄｐ，Ｄｎ、加湿装置２３の加湿能力、正極側ガス供給源２８や負極側ガス供給源２９から供給される各ガスの露点温度等の条件に基づき、正極側ガス流路１１および負極側ガス流路１２に設置された流量調整手段２０，２２を調整し、低湿度ガスと高湿度ガスの流量比（混合比）を調整する。これと共に、制御手段７０は、加湿手段２３を通過した後、合流部４７に至る正極側ガスや負極側ガス（以下、必要に応じて正極側高湿度ガス、負極側高湿度ガスと称する）の目標露点温度Ｄｔｐ，Ｄｔｎを設定する。

一方、制御手段７０は、加湿手段２３に導入された正極側ガスや負極側ガスを目標露点温度Ｄｔｐ，Ｄｔｎまで加湿するのに要するヒーター４１の理論上の出力（以下、必要に応じて理論出力Ｇｔと称す）を導出する。さらに詳細には、理論出力Ｇｔは、貯水タンク４０内に貯留されている貯留水の水温Ｔｗと、貯水タンク４０内において発生する蒸気の蒸気温度Ｔｓと、目標露点温度Ｄｔｐ，Ｄｔｎとに基づいて一意的に決定されるものである。そのため、制御手段７０は、貯水タンク４０に設置された水温検知センサ４２によって検知される水温Ｔｗや、蒸気温検知センサ４４によって検知される蒸気温度Ｔｓと、上記した手順で設定された目標露点温度Ｄｔｐ，Ｄｔｎに基づいてヒーター４１の理論出力Ｇｔを導出する。

一方、制御手段７０は、水温Ｔｗや蒸気温度Ｔｓ、目標露点温度Ｄｔｐ，Ｄｔｎと露点計４６によって検知される実際の露点温度Ｄとの差である露点温度差ΔＤに基づいてヒーター４１の出力（以下、必要に応じて実出力Ｇａと称す）を調整する。これにより、ガス導入部４３から貯水タンク４０内に導入されたガスが加湿され、目標露点温度Ｄｔｐ，Ｄｔｎのガスとなってガス排出部４５から排出される。ガス排出部４５から排出された高湿度ガスは、低湿度流路１３を介して供給される低湿度ガスと合流部４７において合流して混合され、設定露点温度Ｄｐ，Ｄｎに調製される。合流部４７を通過した正極側ガスや負極側ガスは、それぞれ正極側ガス流路１１や負極側ガス流路１２を介して恒温室６０内に設置された燃料電池１０に供給される。

上記したようにして燃料電池１０に対する正極側ガスや負極側ガスの供給が開始され加湿手段２３による加湿動作が開始されるのに伴って、制御手段７０は、加湿手段２３のヒーター４１に対して過負荷が作用しているか否かの確認動作を開始する。さらに具体的には、加湿手段２３が起動すると、制御手段７０は、正極側ガスや負極側ガスを目標露点温度Ｄｔｐ，Ｄｔｎまで加湿するために作動しているヒーター４１の実出力Ｇａと理論出力Ｇｔとの差ΔＧに基づき、ヒーター４１に過剰に大きな負荷が作用していないかを確認する。さらに具体的には、制御手段７０は、所定のタイミングにおけるヒーター４１の実出力Ｇａと理論出力Ｇｔとの差ΔＧ（ΔＧ＝Ｇａ−Ｇｔ）に基づき、ヒーター４１の過負荷度Ｌ（Ｌ＝ΔＧ／Ｇｔ）を導出する。

ここで、ヒーター４１に付着しているスケール等の付着物の付着量Ｘと過負荷度Ｌとの関係（関数Ｆ）は、図４に示すように付着量Ｘを横軸に取り過負荷度Ｌを縦軸に取った場合に略比例の関係にある。関数Ｆは、ヒーター４１の出力が大きいほどその傾きが大きい。すなわち、加湿手段２３は、ヒーター４１の出力が高い程、付着量Ｘが少なくても過負荷度Ｌが高くなる傾向にある。そのため、ヒーター４１は、実出力Ｇａと付着量Ｘとの兼ね合いで過負荷状態となったり、ならなかったりする。

そこで、本実施形態のＦＣ試験装置１では、上記したようにして導出される過負荷度Ｌに基づいてヒーター４１が故障したり損傷したりする可能性を検知している。さらに具体的には、制御手段７０には、通電を継続するとヒーター４１が断線するなどして損傷したり故障する可能性が高いと想定される通電状態における過負荷度Ｌが、閾値Ｖとして設定されている。

制御手段７０は、加湿手段２３の動作中に、ヒーター４１の過負荷度Ｌが閾値Ｖよりも低い間はヒーター４１に対して大きな負荷が作用していないものと判断して加湿動作を継続させる。一方、制御手段７０は、ヒーター４１の過負荷度Ｌが閾値Ｖを超えることを条件として、ヒーター４１が損傷したり故障する可能性が高いものと判断し、所定の警告信号を発信する。ＦＣ試験装置１は、制御手段７０から警告信号が発信されると、図示しない表示装置やスピーカー、ブザー等によって構成される警告発信装置により文字情報や図形を表示したり、音声信号や警告音を発する等の方法で使用者に対してヒーター４１のメンテナンスを行うように警告を発信する。

上記したように、加湿装置２３やこれを備えたガス供給装置３は、制御手段７０が加湿動作時における理論出力Ｇｔと実出力Ｇａとの差ΔＧに基づいて導出される過負荷度Ｌを導出し、この過負荷度Ｌの値が所定の閾値Ｖを超えることを条件として、ヒーター４１に過負荷が作用しているものと判断し、警告を発する構成とされている。そのため、スケールの付着に伴うヒーター４１の損傷や故障に伴う正極側ガスや負極側ガスの加湿不良を招く前にヒーター４１のメンテナンスを行うよう、使用者に対して確実に報知できる。また、ＦＣ評価装置１は、加湿装置２３を備えたガス供給装置３により調製された正極側ガスや負極側ガスを燃料電池１０に供給して評価試験を行うものであるため、加湿装置２３のヒーター４１の故障や損傷に伴う加湿不良や、これに伴う評価試験の中断を未然に防止することができる。

また、上記実施形態では、ヒーター４１に作用する負荷の大きさを示すパラメーターとして、露点温度Ｄと貯水タンク４０内の水温Ｔｗ、蒸気温度Ｔｓおよびヒーター４１の出力Ｇとの間に一意的に定まる関係が存在することに着目し、ヒーター４１の理論出力Ｇｔを導出する構成である。そのため、上記した構成によれば、ヒーター４１が製造ロット等に起因する出力能力のバラツキによらずヒーター４１の個体毎に最適な理論出力Ｇｔを設定することができ、加湿装置２３が過負荷状態に有るか否かを的確に判断することができる。なお、ＦＣ評価装置１は、ヒーター４１の個体毎のバラツキを考慮して理論出力Ｇｔを設定する構成であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、予め記憶されている理論出力Ｇｔの値を用いたり、予め設定された理論出力Ｇｔと他のパラメーターとの間で成立する相関関係に関する情報に基づき理論出力Ｇｔを導出する構成としてもよい。

上記実施形態では、実出力Ｇａと理論出力Ｇｔとの差ΔＧを理論出力Ｇｔで割ったヒーター４１の過負荷度Ｌ（Ｌ＝ΔＧ／Ｇｔ）をヒーター４１に作用する負荷の大小を示す変数（パラメータ）とし、この過負荷度Ｌに基づいてヒーター４１に対する通電継続の可否を判断するものであった。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば差ΔＧそのものや、差ΔＧや過負荷度Ｌ等のようなヒーター４１に作用する負荷の大きさに基づいて導出される別途の変数に基づいてヒーター４１に対する通電継続の可否を判断する構成としてもよい。

上記したように、ガス供給装置３は、高湿度流路１５に設けられた加湿装置２３のヒーター４１の出力を調整することにより正極側ガスや負極側ガスの露点温度を調整すると共に、高湿度流路１５および低湿度流路１３を流れるガスの流量比を流量調整手段２０，２２によって調整し混合するものであるため、正極側ガスや負極側ガスの露点温度（湿度）を幅広く調製できる。また、かかる構成のガス供給装置３を備えているため、ＦＣ評価装置１は、正極側ガスや負極側ガスの露点温度を幅広く変動させて燃料電池１０の評価試験を行うことができる。

なお、上記したガス供給装置３は、低湿度流路１３を流れる低湿度のガスと高湿度流路１５を流れる高湿度のガスとを混合して調湿するものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、外部の供給源２８，２９から供給されるガスの全てを加湿装置２３に供給してヒーター４１の出力Ｇの調整を行って調湿する構成としてもよい。かかる構成とした場合は、例えば水分を全く含まない乾燥したガスを供給できないなど、調整可能な露点温度（湿度）の幅が狭くなるが、ガス流路２の流路構成をより一層簡略化できる。

ガス供給装置３は、温調手段６として加熱手段２１と冷却手段２７とを備えたものであるため、正極側ガスや負極側ガスの温度を幅広く調整して燃料電池１０に供給できる。そのため、ＦＣ評価装置１は、温度条件を幅広く変動させて燃料電池１０の評価試験を行うことができる。

上記実施形態において、温調手段６は、加熱手段２１と冷却手段２７の双方を設けたものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、加熱手段２１や冷却手段２７のいずれか一方を省略した構成としてもよい。かかる構成とした場合は、燃料電池１０に供給される正極側ガスや負極側ガスの温度幅が狭くなるが、ＦＣ評価装置１やガス供給装置３の装置構成を簡略化することができる。

なお、上記したガス供給装置３では、冷却手段２７がガス流路２を流れているガスの露点温度よりも低温まで冷却可能な状態で動作している時に冷却手段２７に向けてガスが流れると、冷却流路１６や冷却手段２７が凍結し、冷却手段２７等が動作不良や故障を起こす可能性がある。そのため、かかる場合に備えて、ガス供給装置３は、流路切替手段２５，２６が作動して冷却流路１６へのガスの流れを遮断したり、冷却手段２７の動作を停止させるインターロック機構を設けた構成とすることが望ましい。

上記したように、燃料電池評価試験装置１は、恒温室６０内に燃料電池１０を設置した状態で燃料電池１０の評価試験を行えるものであるため、燃料電池１０の設置条件を精度良く調整することができる。

また、上記したように、ＦＣ評価装置１は、燃料電池１０に供給される直前のガスを恒温室６０内に配された微温調手段５０に通過させ、恒温室６０の内部雰囲気下で熱交換させる構成とされている。さらに、微温調手段５０は、ヒーター等の加熱手段（図示せず）を具備しており、この加熱手段を作動させることにより微温調手段５０内を流れるガスを加熱可能な構成とされている。そのため、恒温室６０の雰囲気温度、すなわち燃料電池１０の評価試験条件に極めて近い温度のガスを燃料電池１０に供給して評価試験を行うことができる。

上記実施形態のＦＣ評価試験装置１では、正極側ガス供給源２８や負極側ガス供給源２９からガス供給装置３に正極側ガスや負極側ガスを供給する構成であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば水素や酸素といったような燃料電池１０の活物質として機能するガスに窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを所定の混合比で混合するための混合手段をガス供給装置３に別途設けた構成としたり、ガス供給装置３の外部において予め混合比が調整されたガスを供給する構成としてもよい。

本実施形態のＦＣ試験装置１は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の試験用に好適に使用可能なものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、試験条件にあわせてガスの加熱や冷却、加湿等が可能なように加熱手段２１や加湿装置２３、冷却手段２７等を調整することにより、アルカリ水溶液電解質型燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸水溶液電解質型燃料電池（ＰＡＦＣ） のようないわゆる低温型の燃料電池の評価試験にも好適に使用できる。

上記実施形態では、冷却手段２７において冷却されたガスの昇温による設定温度と燃料電池１０に対するガス供給温度とのズレが発生するのを防止すべく、冷却手段２７を恒温手段５に隣接する位置に設置する構成を例示したが、前記したようなズレが発生しないのであれば、例えば冷却手段２７を加湿装置２３よりも上流側に配した構成とするなどしてもよい。かかる構成とした場合は、上記したインターロック機構を設ける必要がなく、ガス流路２の流路構成をより一層簡略化することができる。

上記実施形態では、加湿装置２３をガス供給装置３に採用した例を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、加湿装置２３を単独で使用したり、別途の装置に採用した構成としてもよい。また、上記実施形態では、ＦＣ試験装置１に供給される正極側ガスや負極側ガスを加湿するための装置としてガス供給装置３を採用した例を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、単独で使用したり、別途の装置に採用した構成としてもよい。

微温調手段５０は、図示しない熱交換器と加熱手段とを具備したものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば熱交換器あるいは加熱手段のいずれか一方だけを備えたものとしたり、熱交換器と加熱手段とを一体化したものであってもよい。

本発明の一実施形態である燃料電池評価試験装置の作動原理図である。 図１に示す燃料電池評価試験装置において採用されている加湿手段を模式的に示す概念図である。 図２に示す加湿装置の制御回路を模式的に示す概念図である。 図２に示す加湿装置におけるヒーターに析出するスケールの析出量とヒーターの過負荷度との関係を模式的に示すグラフである。

符号の説明

１ 燃料電池評価試験装置（ＦＣ試験装置）
２ ガス流路
３ ガス供給装置
５ 恒温手段
６ 温調手段
７ 調湿手段
１０ 燃料電池
１３ 低湿度流路
１５ 高湿度流路
２１ 加熱手段
２３ 加湿装置
４０ 貯水タンク
４１ ヒーター
４２ 水温検知センサ
４４ 蒸気温検知センサ
４６ 露点計（露点検知手段）
４７ 合流部
５０ 微温調手段（熱交換手段）
６０ 恒温室
７０ 制御手段

Claims (9)

1. 液体を貯留する貯留手段と、当該貯留手段内に貯留された液体を加熱して蒸気を発生させる加熱手段とを有し、前記蒸気によって気体を加湿するものであり、
   加湿後の気体の露点温度に基づいて前記加熱手段の出力を制御する制御手段を有し、
   当該制御手段が、気体を所定の露点温度まで加湿するのに要する加熱手段の理論出力と、露点検知手段によって検知される露点温度に基づいて出力される加熱手段の実出力とを比較し、前記理論出力と実出力との差に基づいて導出される出力差あるいは当該出力差に基づいて導出される変数が所定の閾値を超えることを条件として、加熱手段から貯留手段内に貯留されている液体への伝熱抵抗の増大によって加熱手段が過負荷状態となっているものと判断することを特徴とする加湿装置。
2. 制御手段が、貯留手段に貯留される液体の液温、貯留手段内で発生する蒸気の蒸気温度、並びに、当該蒸気温度の蒸気を発生させるのに要する加熱量に基づいて加熱手段の理論出力を導出するものであることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。
3. 制御手段が、出力差あるいは当該出力差に基づいて導出される変数が閾値を超えることを条件として、警告信号を発信することを特徴とする請求項１又は２に記載の加湿装置。
4. ガスが流通するガス流路を有し、当該ガス流路の中途に、請求項１乃至３のいずれかに記載の加湿装置が設けられていることを特徴とするガス供給装置。
5. ガスが流通するガス流路と、当該ガス流路内を流れるガスの湿度を調整可能な調湿手段とを有し、
   当該ガス流路が、低湿度のガスが流れる低湿度流路と、当該低湿度流路内を流れるガスよりも湿度が高いガスが流れる高湿度流路と、当該高湿度流路と低湿度流路とが合流する合流部とを有し、高湿度流路の中途に請求項１乃至３のいずれかに記載の加湿装置を設けたものであり、
   前記調湿手段が、前記低湿度流路を流れるガスと高湿度流路を流れるガスとの流量比および／または加湿装置を構成する加熱手段の出力を調整することによりガスの湿度を調整するものであることを特徴とするガス供給装置。
6. ガス流路内を流れるガスの温度を調整可能な温調装置を備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載のガス供給装置。
7. 請求項４乃至６のいずれかに記載のガス供給装置を具備し、
   当該ガス供給装置により調製されたガスを燃料電池に供給可能であることを特徴とする燃料電池評価試験装置。
8. 恒温手段を有し、当該恒温手段は、雰囲気温度を所定の条件に調整可能な恒温室を有し、当該恒温室内に燃料電池の一部または全部を収容可能であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池評価試験装置。
9. ガス流路は、恒温室内に引き込まれ燃料電池に繋がる引き込み部を有し、当該引き込み部の中途に熱交換手段が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池評価試験装置。

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