JP2006302666A - 供試体の評価装置及び評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 設備費の低減及び設置スペースの削減を実現する供試体の評価装置及び評価方法を提供すること。
【解決手段】 供試体５Ａ〜５Ｃに対して反応ガスを供給する一つの流体供給源２と、流体供給源２を各供試体５Ａ〜５Ｃに対して選択的に接続する切替弁１０とを備える。さらに、切替弁１０の切り替えと、各供試体５Ａ〜５Ｃの発電とを制御する総合自動運転制御装置１９を備える。総合自動運転制御装置１９は、切替弁１０を切り換えて流体供給源２を一つの供試体５Ａに接続して該供試体５Ａでの発電を行わせ、該供試体５Ａにおける発電終了後に、切替弁１０を切り替えて流体供給源２を他の供試体５Ｂに接続して発電を行わせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば燃料電池や改質器等の供試体に対して耐久性能等を評価する供試体の評価装置及び評価方法に係り、特に、設備費低減とスペース削減に有効な技術に関する。

例えば、固体高分子電解質型の燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなるセルを積層して構成されており、アノード側電極に水素（反応ガス）が供給され、カソード側電極に酸素（反応ガス）が供給されることで、発電反応が行われる。このような燃料電池を開発する際には、耐久（加速）評価が必須であり、例えば特許文献１には、燃料電池の発電出力（電位）を周期的に変化させて寿命を評価する技術が開示されている。
特開２００４−３９４９０号公報

ところで、燃料電池の評価装置には、例えば、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、燃料電池の発電電力を消費する電力消費部と、これら反応ガス供給部及び電力消費部の動作を制御する制御部とで主に評価装置を構成し、反応ガス供給及び電力消費に対するＯＮ-ＯＦＦ動作を繰返し、耐久加速するものがある。

しかしながら、このような評価装置を使用した場合には、ＯＦＦ時間が長く、その間主要な設備は活用されない。その一方で、耐久評価は、例えば発電に伴い上昇した燃料電池温度が所定温度に低下するのを待って検査等を行うため、一般に評価時間が長い。このため、所定期間内に多くの燃料電池を評価するには、多くの台数の評価装置が必要であり、設備費及び設置スペースが嵩むという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、設備費の低減とスペースの削減を実現する供試体の評価装置及び評価方法を提供することを目的とする。

本発明においては、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、流体の供給を受けて所定の反応結果を出力する供試体を評価する装置であって、二つ以上の供試体と、前記供試体に流体を供給する一つの流体供給源と、選択要求に応じて前記流体供給源と前記供試体の一つとを選択的に接続する流体供給先選択部と、を備える。

この構成によれば、流体供給源が流体供給先選択部によって複数の供試体に共有されるので、供試体毎に流体供給源を設ける必要がない。つまり、一つの供試体へ流体が供給されて所定の反応が行われた後では、該一つの供試体では流体は不要となるところ、上記構成によれば、一つの供試体で所定の反応が終了した後は、流体の供給を他の供試体へ切り替え、該他の供試体で反応を行わせることができる。一つの供試体においては、流体が他の供試体に切り替わった後で、各供試体に付随して設けられた装置を用いて他の処理を行うことが可能である。

本発明に係る供試体の評価装置において、前記供試体は、反応ガスの供給を受けて発電した電力を出力する燃料電池でもよいし、原燃料を改質して燃料電池に水素リッチガスを供給する改質器でもよい。

本発明に係る供試体の評価装置において、前記供試体が燃料電池である場合には、前記燃料電池で発電された電力を消費する一つの電力消費装置と、選択要求に応じて前記電力消費装置と前記燃料電池の一つとを選択的に接続する電力消費元選択部と、を備えていてもよい。

この構成によれば、電力消費装置が電力消費元選択部によって複数の燃料電池に共有されるので、燃料電池毎に電力消費装置を設ける必要がない。

本発明に係る供試体の評価装置においては、一つの燃料電池の発電が終了した後に、他の燃料電池が選択されるようにしてもよい。

本発明に係る供試体の評価装置においては、一つの燃料電池の発電が終了して該燃料電池の内部をガスパージした後に、他の燃料電池が選択されるようにしてもよい。

この構成によれば、ガスパージ後に供試体を切り替えることにより、パージガスの供給装置を一つに共通化できる。

本発明に係る供試体の評価方法は、二つ以上の供試体に対して一つの流体供給源から選択的に流体を供給する流体供給工程と、前記供試体を検査する検査工程との間に、所定の検査前工程を備える供試体の評価方法であって、一つの供試体に対する前記検査前工程の少なくとも一部と、他の供試体に対する前記流体供給工程の少なくとも一部とを並行して行う。

この構成では、既に反応ガスの供給が不要な一つの供試体に対する検査に先立って行われる工程、例えば反応に伴い昇温した供試体を所定温度まで冷却する工程と、反応ガスの供給を待つ他の供試体に流体を供給する工程とがオーバーラップする。

本発明によれば、流体供給源を一つだけ備え、この流体供給源が複数の供試体に対して選択的に接続されるので、供試体毎に流体供給源を備える必要がない。したがって、設備費の低減および設置スペースの削減を実現することができる。

また、電力消費装置を一つだけ備え、この電力消費装置が複数の燃料電池に対して選択的に切り替えて接続されるので、燃料電池毎に電力消費装置を備える必要がない。したがって、供試体毎に流体供給源を備える必要がないことと相まって、設備費の更なる低減および設置スペースの更なる削減を実現することができる。

次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態において示す供試体の評価装置は、供試体として３台の燃料電池を同時に評価するものであるが、供試体の数は２台以上であれば以下の例に限定されるものではない。また、供試体の種類も燃料電池に限定されるものではない。

図１に示したように、本実施形態の燃料電池の評価装置１は、一台の流体供給源２と、一台の放電装置（電力消費装置）３と、３台の供試体（燃料電池）５Ａ，５Ｂ，５Ｃとを備える。

流体供給源２は、反応流体であるアノードガス（水素）、カソードガス（酸化ガス）、パージ窒素ガス、および純水の各貯蔵タンク（図示略）と、これら反応流体の供給制御を行うガス・液流量制御装置６と、該アノードガスおよびカソードガスの加湿制御を行う加湿装置７とを備える。ガス・液流量制御装置６および加湿装置７は、ガス配管８により各供試体５Ａ〜５Ｃに各ガスを供給する構成となっている。

ガス配管８は、切替弁１０により、それぞれ供試体５Ａ，５Ｂ，５Ｃにガスを供給するガス配管８Ａ，８Ｂ，８Ｃに対して選択的に接続されるようになっている。すなわち、切替弁１０を切り替えることにより、アノードガス、カソードガス、およびパージ窒素ガスが、供試体５Ａ〜５Ｃのいずれかに供給されるようになっている。

すなわち、本実施形態の流体供給先選択部は、これら切替弁１０及びガス配管８Ａ〜８Ｃと、後述の総合自動運転制御装置１９とを備えて構成される。

放電装置３は、供試体５Ａ〜５Ｃによって発電された電力を消費するための負荷であり、配線１０により電源側と接続されているとともに、配線１１がスイッチ１５に接続されている。スイッチ１５は、供試体５Ａ，５Ｂ，５Ｃと電気的に接続される配線１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃとも接続されており、スイッチ１５を切り替えることで、配線１１が配線１１Ａ〜１１Ｃに対して選択的に接続されるようになっている。

すなわち、本実施形態の電力消費元選択部は、これら配線１１Ａ〜１１Ｃ及びスイッチ１５と、後述の総合自動運転制御装置１９とを備えて構成される。

配線１１は放電装置３と接続されているとともに、検査装置・セルモニター１６にも接続されている。検査装置・セルモニター１６は、各供試体５Ａ〜５Ｃの温度、電圧・電流等を測定する装置である。すなわち、スイッチ１５を切り替えることにより、放電装置３及び検査装置・セルモニター１６が、供試体５Ａ〜５Ｃのいずれかと接続されるようになっている。

また、本評価装置における制御は、総合自動運転制御装置１９により制御される。総合自動運転制御装置１９は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、制御プログラムが格納されたＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。

総合自動制御装置１９により、例えば、切替弁１０およびスイッチ１５の切り替え、供試体５Ａ〜５Ｃの発電が制御される。また、総合自動運転制御装置１９には、検査装置・セルモニター１６の検出出力、および供試体５Ａ〜５Ｃの圧漏れ検出機構（不図示）の出力が与えられる。

また、各供試体５Ａ〜５Ｃに対応して、それぞれＦＣ冷却装置２０Ａ〜２０Ｃと、背圧制御装置２１Ａ〜２１Ｃとが設けられている。ＦＣ冷却装置２０Ａ〜２０Ｃは、不図示の構成によって供給された冷却水を利用して各供試体５Ａ〜５Ｃを冷却するものである。

背圧制御装置２１Ａ〜２１Ｃは、供試体５Ａ〜５Ｃの排気を調圧する弁である。排気は該背圧制御装置２１Ａ〜２１Ｃから下流の排気系処理装置３０に送られて処理される。なお図示は省略したが、各背圧制御装置２１Ａ〜２１Ｃと排気系処理装置３０との接続も、切り替えバルブにより選択的に切り替えられる。なお、供試体５Ａ〜５Ｃの排気を処理する排気系処理装置３０は、各供試体５Ａ〜５Ｃ毎に設けてもよい。

図２は、総合自動運転制御装置１９による制御タイミングを示した図であり、この総合自動運転制御装置１９は、以下のようにして装置系全体を制御して各供試体５Ａ〜５Ｃの評価を行う。まず、切替弁１０を切り替えて配管８と配管８Ａとを接続し、スイッチ１５を切り替えて配線１１と配線１１Ａとを接続する。次いで、以下のサイクルにより供試体５Ａに関する処理を行う。
（１）発電（流体供給工程）：供試体５Ａにアノードガスおよびカソードガスを供給し、発電を行う。
（２）Ｎ₂パージ処理（検査前工程）：供試体５Ａにパージ窒素ガスを供給してパージを行う。パージの終了判定は、例えば所定時間経過したかにより行う。その後、パージが終了したタイミングで別の供試体５Ｂの発電を開始する。
（３）冷却処理（検査前工程）：ＦＣ冷却装置２０Ａにより、供試体５Ａに冷却水を供給し、供試体５Ａが所定温度となるまで冷却する。
（４）Ｎ₂封入処理（検査前工程）：リーク窒素ガスを供試体５Ａに導入する。
（５）圧漏れ判定処理（検査工程）：総合自動運転制御装置１９が、圧漏れ検出機構の検出出力に基づいて、供試体５Ａに封入された窒素ガスのリークを評価する。

このようにして１サイクルが構成されるが、総合自動運転制御装置１９は、（２）のＮ₂パージ処理が終了するタイミングにて、反応ガス供給と放電装置３の接続を供試体５Ａから供試体５Ｂに切り替える。すなわち、切替弁１０を切り替えて配管８を配管８Ａから切り離すとともに配管８Ｂに接続し、スイッチ１５を切り替えて配線１１を配線１１Ａから切り離すとともに配線１１Ｂに接続する。

供試体５Ａについて上記（３）〜（５）の処理を行っている間に、供試体５Ｂについて上記（１）からの処理を行う。供試体５Ｂについて上記（２）のパージ処理が終了するタイミングにて、上記と同様に反応ガス供給と放電装置３の接続を供試体５Ｂから供試体５Ｃに切り替える。

供試体５Ｃについても同様に（１）からの処理を行う。供試体５Ｃについて上記（２）のパージ処理が終了した後、供試体５Ａの（５）の圧漏れ判定処理が終わるのを待って、供試体５Ａに対して再び反応ガス供給と放電装置３の接続を切り替え、上記のサイクルを行う。上記の処理を所定の評価期間が終了するまで繰返す。

以上のように、本実施形態では、流体供給源２（ガス・液流量制御装置６，加湿装置７）および放電装置３が一つだけ設けられ、これらが複数の供試体５Ａ〜５Ｃに対して選択的に切り替わって接続される。すなわち、アノードガス、カソードガス、及びパージ窒素ガス等を供給する流体供給源２を一つに共通化することができ、さらに、放電装置３および排気系処理装置３０も一つに共通化することができる。したがって、評価装置に係る設備費の低減及び設置スペースの削減が可能となる。
＜他の実施形態＞

次に、本発明の他の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態において示す評価装置は、供試体として３台の改質器を同時に評価するものであるが、供試体の数は２台以上であれば以下の例に限定されるものではない。

図３に示したように、本実施形態の評価装置３１は、一台の流体供給源３２と、一台の排気系処理装置６０と、３台の供試体３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃとを備える。本実施形態の供試体３５Ａ〜３５Ｃは、改質原料を水素リッチガスに改質する改質器であり、高圧水素タンクや水素吸蔵合金等と同様に、例えば燃料電池システムに燃料供給源として適用されるものである。

流体供給源３２は、反応流体である燃焼エア、燃焼水素、パージ窒素ガス、および純水の供給源（図示略）と、これら反応流体の供給制御を行うガス・液流量制御装置３６を備える。ガス・液流量制御装置３６は、配管３８により各供試体３５Ａ〜３５Ｃに各流体を供給する構成となっている。

配管３８は、切替弁４０により、供試体３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃにガスを供給する配管３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃに対して選択的に接続されるようになっている。すなわち、切替弁４０を切り替えることにより、燃焼エア、燃焼水素、パージ窒素ガス、および純水が、供試体３５Ａ〜３５Ｃのいずれかに供給されるようになっている。

すなわち、本実施形態の流体供給先選択部は、これら切替弁４０及び配管３８Ａ〜３８Ｃと、後述する総合自動運転制御装置４９とを備えて構成される。

排気系処理装置６０は、供試体３５Ａ〜３５Ｃの排気を処理する装置であり、給気側の配管４１が、切替弁４５によって供試体３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃの出口側配管４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃに対して選択的に接続されるようになっている。すなわち、本実施形態では、これら切替弁４５及び出口側配管４１Ａ〜４１Ｃと、後述の総合自動運転制御装置１９とを備えて、排気元選択部が構成される。

また、本評価装置における制御は、総合自動運転制御装置４９により制御される。総合自動運転制御装置４９は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、制御プログラムが格納されたＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。

総合自動運転制御装置４９により、例えば、切替弁４０および切替弁４５の切り替え、供試体３５Ａ〜３５Ｃによる改質反応が制御される。また、総合自動運転制御装置４９には、不図示の圧漏れ検出機構の出力、及び供試体３５Ａ〜３５Ｃの温度検出出力が与えられる。

各供試体３５Ａ〜３５Ｃに対応して、それぞれ改質器冷却装置５０Ａ〜５０Ｃと、背圧制御装置５１Ａ〜５１Ｃとが設けられている。改質器冷却装置５０Ａ〜５０Ｃは、不図示の構成によって供給された冷却エア、冷却水、および冷却窒素ガスを利用して各供試体３５Ａ〜３５Ｃを冷却するものである。

背圧制御装置５１Ａ〜５１Ｃは、供試体３５Ａ〜３５Ｃの排気を調圧する弁である。排気は、該背圧制御装置５１Ａ〜５１Ｃから下流の排気系処理装置６０に送られて処理される。

総合自動運転制御装置４９は、以下のようにして装置系全体を制御して各供試体３５Ａ〜３５Ｃの評価を行う。まず、切替弁４０を切り替えて配管３８と配管３８Ａとを接続し、切替弁４５を切り替えて配管４１と配管４１Ａとを接続する。次いで、以下のサイクルにより供試体３５Ａに関する処理を行う。
（１）昇温（流体供給工程）：供試体３５Ａに燃焼エア、燃焼水素、パージ窒素ガス、および純水を供給し、改質反応を行わせる。総合自動運転制御装置４９は、改質による昇温によって目標温度に達したかどうかを監視する。
（２）Ｎ₂パージ処理（検査前工程）：供試体３５Ａにパージ窒素ガスを供給してパージを行う。パージの終了判定は、例えば所定時間経過したかにより行う。その後、パージが終了したタイミングで別の供試体３５Ｂの改質反応を開始させる。
（３）冷却処理（検査前工程）：冷却エア、冷却水、および冷却窒素ガスを改質器冷却装置５０Ａに供給し、供試体３５Ａが所定温度となるまで冷却する。
（４）Ｎ₂封入処理（検査前工程）：リーク窒素ガスを供試体３５Ａに導入する。
（５）圧漏れ判定処理（検査工程）：総合自動運転制御装置４９が、圧漏れ検出機構の検出出力に基づいて、供試体３５Ａに封入されたＮ₂のリークを評価する。

このようにして１サイクルが構成されるが、総合自動運転制御装置４９は、（２）のＮ₂パージ処理が終了するタイミングにて、流体供給と排気系処理装置６０の接続を供試体３５Ａから供試体３５Ｂに切り替える。すなわち、切替弁４０を切り替えて配管３８を配管３８Ａから切り離すとともに配管３８Ｂに接続し、切替弁４５を切り替えて配管４１を配管４１Ａから切り離すとともに配管４１Ｂに接続する。

供試体３５Ａについて上記（３）〜（５）の処理を行っている間に、供試体３５Ｂについて上記（１）からの処理を行う。供試体３５Ｂについて上記（２）のパージ処理が終了するタイミングにて、上記と同様に流体供給と排気系処理装置６０の接続を供試体３５Ｂから供試体３５Ｃに切り替える。

供試体３５Ｃについても同様に（１）からの処理を行う。供試体３５Ｃについて上記（２）の処理が終了した後、供試体３５Ａの（５）の処理が終わるのを待って供試体３５Ａに対して再び流体供給と排気系処理装置６０の接続を切り替え、上記のサイクルを行う。上記の処理を所定の評価期間が終了するまで繰返す。

以上のように、本実施形態では、流体供給源３２および排気系処理装置６０が一つだけ設けられ、これらが複数の供試体３５Ａ〜３５Ｃに対して切り替えて接続される。すなわち、燃焼エア、燃焼水素、パージ窒素ガス、および純水の供給を行う流体供給源３２と排気系処理装置６０を一つに共通化することができる。したがって、評価装置に係る設備費の低減及び設置スペースの削減が可能となる。

本発明の一実施形態として示した燃料電池の評価装置の構成図である。 同燃料電池の評価装置における評価方法について示したタイミング図である。 本発明の他の実施形態として示した改質器の評価装置の構成図である。

符号の説明

１…燃料電池の評価装置、２…流体供給源、３…放電装置（電力消費装置）、５Ａ〜５Ｃ…供試体（燃料電池）、６…ガス・液流量制御装置、１０…切替弁（流体供給先選択部の一部）、１５…スイッチ（電力消費元選択部の一部）、１９…総合自動運転制御装置（流体供給先選択部の一部、電力消費元選択部の一部）、３１…改質器の評価装置、３２…流体供給源、３５Ａ〜３５Ｃ…供試体（改質器）、４０…切替弁（流体供給先選択部の一部）、４５…切替弁、４９…総合自動運転制御装置（流体供給先選択部の一部）

Claims (7)

1. 流体の供給を受けて所定の反応結果を出力する供試体を評価する装置であって、
   二つ以上の供試体と、前記供試体に流体を供給する一つの流体供給源と、選択要求に応じて前記流体供給源と前記供試体の一つとを選択的に接続する流体供給先選択部と、を備える供試体の評価装置。
2. 前記供試体が、反応ガスの供給を受けて発電した電力を出力する燃料電池である請求項１に記載の供試体の評価装置。
3. 前記燃料電池で発電された電力を消費する一つの電力消費装置と、選択要求に応じて前記電力消費装置と前記燃料電池の一つとを選択的に接続する電力消費元選択部と、を備える請求項２に記載の供試体の評価装置。
4. 一つの燃料電池の発電が終了した後に、他の燃料電池が選択される請求項２又は３に記載の供試体の評価装置。
5. 一つの燃料電池の発電が終了して該燃料電池の内部をガスパージした後に、他の燃料電池が選択される請求項２又は３に記載の供試体の評価装置。
6. 二つ以上の供試体に対して一つの流体供給源から選択的に流体を供給する流体供給工程と、前記供試体を検査する検査工程との間に、所定の検査前工程を備える供試体の評価方法であって、
   一つの供試体に対する前記検査前工程の少なくとも一部と、他の供試体に対する前記流体供給工程の少なくとも一部とを並行して行う供試体の評価方法。
7. 前記供試体が、反応ガスの供給を受けて発電した電力を出力する燃料電池である請求項６に記載の供試体の評価方法。
   
   
   

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