JP2009123594A

JP2009123594A - 燃料電池評価試験装置

Info

Publication number: JP2009123594A
Application number: JP2007297925A
Authority: JP
Inventors: Akira Ueda; 晃上田; Hidekazu Otsubo; 秀和大坪; Masayoshi Kataoka; 正嘉片岡
Original assignee: Espec Corp
Current assignee: Espec Corp
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-06-04

Abstract

【課題】燃料電池に低温の試験用ガスを供給することが可能であり、且つ消費エネルギーが少ない燃料電池評価試験装置の提供を目的とする。
【解決手段】燃料電池評価試験装置１は、燃料電池１０に対して試験用ガスを供給するための試験用ガス流路２を持ち、その中途に流量調整手段２０と、加熱手段２５と、加湿手段２２及び冷却手段２６が設けられている。冷却手段２６は、冷凍機３０を含む冷却回路であり、圧縮機３１と凝縮器３２と第１膨張弁３３と蒸発用熱交換器３５とが順次環状に接続され、さらに蒸発用熱交換器３５と圧縮機３１との間に第２膨張弁（制御弁）４０が設けられている。第２膨張弁（制御弁）４０は、制御装置５０から受ける信号によって制御され、試験用ガス温度センサー５１の信号がフィードバックされて試験用ガス温度センサー５１の検知温度が設定温度と一致する様に第２膨張弁（制御弁）４０の開度が調節される。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池評価試験装置に関するものであり、特に、燃料電池に供給する試験用ガスの温度を調整可能なものに関する。

近年、自動車等のような負荷変動や使用環境温度の変動が激しい装置類の電源として使用しうる燃料電池を開発すべく、燃料電池に供給する試験用ガスの流量や温度、湿度等の条件をさらに大幅かつ精度よく調整可能な燃料電池評価試験装置の提供が望まれている。

そこで、かかる要望に応えるべく、従来技術では、下記特許文献１に開示されているような評価試験用ガス供給装置を備えた試験装置が燃料電池の性能試験に採用されている。下記特許文献１に開示されている評価試験用ガス供給装置は、燃料電池の活物質として使用される水素や酸素を主成分とする試験用ガスを加熱したり、当該試験用ガスを所定の水槽内に貯留されている貯留水中にくぐらせる、いわゆるバブリングという手法で加湿することにより、燃料電池に供給する試験用ガスの温度や湿度を調整可能な構成とされている。
特開２００４−２７３２２２号公報

かかる構成の評価試験装置によれば、出力条件や作動雰囲気温度等の条件を様々に変化させて燃料電池の評価試験を行うことができる。

特許文献１に開示された燃料電池評価試験装置では、試験用ガス供給流路に試験用ガス加熱器が設けられており、燃料電池に供給する試験用ガスを昇温することができる。
ところで、燃料電池を評価する際、低温の試験用ガスを燃料電池に供給して性能や耐久性を試験したい場合もある。
これに対して前記した特許文献１に開示された燃料電池評価試験装置は、燃料電池に供給する試験用ガスを昇温することはできるが、試験用ガスを冷却する手段については開示がない。

試験用ガスを冷却する場合は、一般に冷凍機を使用し、冷凍機の蒸発用熱交換器の二次側に試験用ガスを通過させることとなる。しかしながら、一般に冷凍機は、蒸発用熱交換器の温度を正確にコントロールすることが困難である。そのため蒸発用熱交換器の温度を調節することによって試験用ガスを定められた低温に調整することは困難である。
そこで試験用ガスを定められた低温に調整するための方策としては、一旦冷凍機で設定温度たる低温よりもさらに低温状態に冷却し、電気ヒータでこれを設定温度まで昇温することが考えられる。

図３は、本発明者らが試作した燃料電池評価試験装置の構成図である。
試作した燃料電池評価試験装置１００では、冷凍機１０１を備え、冷凍機１０１の蒸発用熱交換器１０２の二次側に試験用ガスを通過させている。また試験用ガス供給流路１０３に電気ヒータ１０５が設けられている。
試作した燃料電池評価試験装置１００では、冷凍機１０１を駆動させて蒸発用熱交換器１０２を冷却し、蒸発用熱交換器１０２の二次側を流れる試験用ガスを設定温度たる低温よりもさらに低温状態となるまで冷却し、電気ヒータ１０５でこれを設定温度まで昇温する。
例えば燃料電池に供給する試験用ガスの設定温度が摂氏マイナス２０度であれば、冷凍機１０１によって試験用ガス供給流路１０３を流れる試験用ガスを一旦摂氏マイナス４０度程度まで冷却し、温度センサー１０６の検知温度をフィードバックして電気ヒータ１０５に通電し、過冷却状態の摂氏マイナス４０度の試験用ガスを電気ヒータ１０５で昇温し、設定温度たる摂氏マイナス２０度に調整する。

しかしながら本発明者らが試作した燃料電池評価試験装置１００は、試験用ガスを一旦過冷却して昇温するものであるから、エネルギーの無駄が大きい。特に燃料電池評価試験装置は、その性質上、長時間にわたって連続運転することも多いので、大量のエネルギーを無駄に消費することとなり、改善が望まれる。

そこで本発明は、燃料電池に低温の試験用ガスを供給することが可能であり、且つ消費エネルギーが少ない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、燃料電池に対して試験用のガスを供給する試験用ガス供給流路と、前記試験用ガスの温度を所定の設定温度に調節する温度調節手段とを備えた燃料電池評価試験装置において、前記温度調節手段は、圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発用熱交換器とが順次環状に接続され内部に冷媒が循環する冷凍機を備え、さらに前記冷凍機は蒸発用熱交換器と圧縮機との間に開度を調整可能な制御弁が介在され、前記蒸発用熱交換器は冷凍機を循環する冷媒と試験用ガス供給流路を流れる試験用ガスとの間で熱交換するものであり、試験用ガス供給流路には燃料電池に供給される試験用ガスの温度を検知する試験用ガス温度検知手段が備えられ、前記制御弁は前記試験用ガス温度検知手段の検知温度に応じ当該検知温度が設定温度に近づく様に開度が調節されることを特徴とする燃料電池評価試験装置である。

前記した制御弁の具体的な動作としては、試験用ガス温度検知手段の検知温度が設定温度よりも高い場合にその開度が増大し、試験用ガス温度検知手段の検知温度が設定温度よりも低い場合に開度が減少する様に制御されることとなる。
なお制御弁の「開度」の増減とは、単なる流路面積の増減だけを指すのではなく、単位時間あたりの開閉回数を増減させる場合も含む概念である。

本発明の燃料電池評価試験装置は、冷凍機を備え、冷凍機によって試験用ガスを冷却するものであるが、本発明で採用する冷凍機は、蒸発用熱交換器と圧縮機との間に開度を調整可能な制御弁が介在されている。したがって制御弁の開度を調節することによって蒸発用熱交換器内の圧力が変化し、冷媒の蒸発温度が変わる。すなわち制御弁の開度が減少すると、蒸発用熱交換器から排出される冷媒量が減少し、蒸発用熱交換器内の圧力が上昇し、冷媒の蒸発温度が上昇する。逆に制御弁の開度が増大すると、蒸発用熱交換器内の圧力が低下し、冷媒の蒸発温度が降下する。
本発明の燃料電池評価試験装置では、さらに燃料電池に供給される試験用ガスの温度を検知する試験用ガス温度検知手段が備えられ、制御弁は試験用ガス温度検知手段の検知温度が設定温度よりも高い場合に開度が増大し、試験用ガス温度検知手段の検知温度が設定温度よりも低い場合に開度が減少する様に制御されるので、試験用ガス温度検知手段の検知温度が制御弁にフィードバックされ、燃料電池に供給される試験用ガスの温度が設定温度に近づく。

制御弁としては、電子膨張弁を採用することができる。（請求項２）

請求項３に記載の発明は、制御弁をバイパスする制御弁バイパス流路を備え、制御弁バイパス流路に開閉弁が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池評価試験装置である。

バイパス流路及び開閉弁は制御弁を補助するものであり、制御弁を全開にしても蒸発用熱交換器内の圧力が所定の圧力まで低下しない場合（試験用ガス温度検知手段の検知温度が設定温度まで低下しない場合）に開閉弁を開く。

本発明の燃料電池評価試験装置では、冷凍機側の温度を変化させて試験用ガスの温度を設定温度に至らせることができるので、試験用ガスの温度を調節するのに要するエネルギーが少なく、省エネルギーに寄与することができる。

続いて、本発明の一実施形態である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は、本発明の実施形態の燃料電池評価試験装置の構成図である。図２は、図１の燃料電池評価試験装置に内蔵されている冷却部の構成図である。
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。ＦＣ試験装置１は、燃料電池１０の正極に導入される試験用ガス（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試験用ガス（以下、必要に応じて負極側ガスと称す）の温度や湿度といったような供給条件を調整したり、燃料電池１０の設置環境の条件を調整した状態で燃料電池１０の性能の評価試験を行うものである。

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や正極活物質として使用される酸素等を供給するための試験用ガス流路２を備えている。

試験用ガス流路２は、水素や酸素等の試験用ガスの供給源２８，２９と、燃料電池１０とを繋ぐ流路である。試験用ガス流路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、その流路構成は同一である。すなわち、正極側ガス流路１１および負極側ガス流路１２には、それぞれ中途に流量調整手段２０と、加熱手段２５と、加湿手段２２及び冷却手段２６が設けられている。また加湿手段２２をバイパスする加湿バイパス流路１９が設けられ、加湿手段２２へ流れる流路（本流）と加湿バイパス流路１９とを切り換える切り換え弁２４が両者の分岐部に設けられている。
なお本実施形態では、加熱手段２５と、冷却手段２６とが温度調節手段２１として機能する。
本実施態では、加熱手段２５は、電気ヒータである。

冷却手段２６は、図２に示すように冷凍機３０を含む冷却回路であり、蒸発用熱交換器３５の一次側流路に代替フロン等の冷媒が流れ、蒸発用熱交換器３５の二次側流路が試験用ガス流路２（１１，１２）の一部を構成し、冷凍機３０の蒸発用熱交換器３５によって試験用ガスを所望の温度に冷却するものである。

すなわち冷却手段２６は、圧縮機３１と凝縮器３２と第１膨張弁３３と蒸発用熱交換器３５とが順次環状に接続され内部に代替フロン等の冷媒が循環する冷凍機３０を備えている。
第１膨張弁３３は、電子膨張弁であり、電気信号によって開度が調節されるものである。第１膨張弁３３の構造は特に限定されるものではなく、公知のステッピング（パルス）モータ駆動方式、リニア電磁駆動方式、パルス電磁駆動方式、バイメタル熱動駆動方式、ワックス熱動駆動方式その他の駆動方式のものが採用可能である。

本実施形態で採用する冷凍機３０では、さらに蒸発用熱交換器３５と圧縮機３１との間に第２膨張弁（制御弁）４０が設けられている。
第２膨張弁（制御弁）４０も電子膨張弁であり、電気信号によって開度が調節されるものである。第２膨張弁（制御弁）４０についても構造は特に限定されるものではなく、公知のステッピング（パルス）モータ駆動方式、リニア電磁駆動方式、パルス電磁駆動方式、バイメタル熱動駆動方式、ワックス熱動駆動方式その他の駆動方式のものが採用可能である。

また第２膨張弁（制御弁）４０をバイパスする制御弁バイパス流路４１が設けられており、制御弁バイパス流路４１には電磁弁４５が設けられている。
さらに圧縮機３１をバイパスするホットガスバイパス流路４６が設けられ、ホットガスバイパス流路４６にも電磁弁４７が設けられている。

本実施形態では、蒸発用熱交換器３５の入り側に第１冷媒温度センサー３６が設けられ、蒸発用熱交換器３５の吐出側に第２冷媒温度センサー３７が設けられている。
当該温度センサー３６，３７の信号は制御装置５０に入力されている。

一方、試験用ガス流路２側であって蒸発用熱交換器３５の下流には、試験用ガス温度センサー５１が設けられている。
試験用ガス温度センサー５１の信号についても制御装置５０に入力されている。
また制御装置５０が発する信号によって第１膨張弁３３及び第２膨張弁（制御弁）４０等が制御される。
すなわち第１膨張弁３３は制御装置５０から受ける信号によって制御され、第１冷媒温度センサー３６が検知する温度と第２冷媒温度センサー３７が検知する温度の差が一定の温度差となる様に開度が調節される。言いかえると第１膨張弁３３は蒸発用熱交換器３５の前後の温度差が一定となる様に制御され、具体的には両者の温度差が大きい場合には第１膨張弁３３の開度を増大させて蒸発する冷媒の量を増加させ、両者の温度差が小さい場合には第１膨張弁３３の開度を減少させて蒸発する冷媒の量を減少させる。

第２膨張弁（制御弁）４０についても制御装置５０から受ける信号によって制御され、試験用ガス温度センサー５１の信号がフィードバックされて試験用ガス温度センサー５１の検知温度が設定温度と一致する様に第２膨張弁（制御弁）４０の開度が調節される。すなわち試験用ガス温度センサー５１の検知温度が設定温度よりも高ければ第２膨張弁（制御弁）４０の開度を増大させ、検知温度が設定温度より低い場合には開度を減少させる。

ここで第２膨張弁（制御弁）４０は、蒸発用熱交換器３５の下流側にあるから、第２膨張弁（制御弁）４０が絞られると蒸発用熱交換器３５の出口側が絞られ、圧縮機３１に戻る冷媒が減少し、蒸発用熱交換器３５の内の圧力が上昇する。その結果、冷媒の蒸発温度が上昇し、蒸発用熱交換器３５の一次側の温度（冷媒温度）が上昇する。逆に第２膨張弁（制御弁）４０の開度が広がると、圧縮機３１に戻る冷媒が増加し、蒸発用熱交換器３５側の内の圧力が降下する。その結果、冷媒の蒸発温度が降下し、蒸発用熱交換器３５の一次側の温度が降下する。
本実施形態では、試験用ガス温度センサー５１は試験用ガス流路２側であって蒸発用熱交換器３５の下流にあるから、燃料電池に供給される試験用ガスの温度が設定温度よりも高い場合には第２膨張弁（制御弁）４０の開度が広げられて冷媒の蒸発温度が降下し、蒸発用熱交換３５の一次側の温度が低下して二次側を流れる試験用ガスの温度を低下させる。逆に燃料電池に供給される試験用ガスの温度が設定温度よりも低い場合には第２膨張弁（制御弁）４０の開度が絞られて冷媒の蒸発温度が上昇し、蒸発用熱交換３５の一次側の温度が上昇して二次側を流れる試験用ガスの温度が上がる。

また第２膨張弁（制御弁）４０を全開状態にしても試験用ガス温度が所定の温度まで低下しない場合には、制御弁バイパス流路４１の電磁弁４５を開く。その結果、蒸発用熱交換器３５内の圧力がさらに低下し、蒸発用熱交換器３５の一次側の温度をさらに低下させることができる。
なお制御弁バイパス流路４１の電磁弁４５を開いた状態で、第２膨張弁（制御弁）４０の開度を調節してもよい。例えば制御弁バイパス流路４１の直径を細く設計し、制御弁バイパス流路４１の電磁弁４５を開いた状態であっても制御弁バイパス流路４１が絞りとしての効果を発揮する様に設定する。この状態で第２膨張弁（制御弁）４０の開度を調節すれば、蒸発用熱交換器３５内の圧力が変化し、試験用ガス温度センサー５１の検知温度に応じて蒸発用熱交換器３５の温度を変化させることができる。

逆に、試験用ガス流路２側で消費する冷熱量が少なく、蒸発用熱交換器３５の前後の温度差が一定未満となってしまう場合は、電磁弁４７を開いてホットガスバイパス流路４６を開き、凝縮される冷媒の量を減少させる。

燃料電池１０の試験を開始する場合、燃料電池１０の試験条件にあわせて正極側ガスや負極側ガスの温度、湿度、流量等の条件が予め制御手段５０に設定される。

ＦＣ試験装置１は、供給源２８，２９から供給されるガスの供給温度よりも高温に加熱された状態でガスを燃料電池１０に供給することも、供給源２８，２９から供給されるガスの供給温度よりも低温に冷却された状態でガスを燃料電池１０に供給することも可能である。すなわち、ＦＣ試験装置１は、供給源２８，２９から供給される供給温度Ｋ以上に加熱したガスを燃料電池１０に供給して行う高温試験モードでの試験に加えて、供給温度Ｋ未満に冷却されたガスを燃料電池１０に供給して行う低温試験モードでの試験も行えるものである。さらに具体的には、本実施形態のＦＣ試験装置１は、摂氏マイナス４０度から摂氏１２０度の範囲内で燃料電池１０の動作試験を行える。

ＦＣ試験装置１が高温試験モードで動作する場合、制御手段５０は、燃料電池１０に対して供給すべき正極側ガスの温度および湿度に基づき、正極側ガスを加熱手段２５のヒーターで加熱すると共に加湿手段２２で所望の湿度に調整し、燃料電池１０に供給する。
負極側ガスについても同様であり、燃料電池１０に対して供給すべき負極側ガスの温度および湿度に基づき、負極側ガスを加熱手段２５のヒーターで加熱すると共に加湿手段２２で所望の湿度に調整し、燃料電池１０に供給する。

一方、ＦＣ試験装置１が低温試験モードで動作する場合、制御手段５０は、冷却手段２６を起動し、試験用ガス温度センサー５１の信号をフィードバックして第２膨張弁（制御弁）４０を調節し、蒸発用熱交換器３５の温度を昇降させて正極側ガス及び負極側ガスの温度を設定温度に調整し、燃料電池１０に供給する。なおＦＣ試験装置１が低温試験モードで動作する場合には、試験用ガス流路２の凍結を避けるために加熱手段２２がバイパスされる。

本実施形態のＦＣ試験装置１では、冷凍機３０を流れる冷媒の圧力を調節し、蒸発用熱交換器３５の温度を昇降させて試験用ガスの温度を所望の温度と一致させるものであるから、試験用ガスを過度に冷却したり、それを再度昇温するといった無駄が無い。そのため本実施形態のＦＣ試験装置１は、消費電力が小さく、省エネルギーである。

上記実施形態の燃料電池評価試験装置１は、正極側ガス供給源２８や負極側ガス供給源２９から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別途設けた構成としたり、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２５や加湿手段２２、冷却手段２６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。

上記した実施形態では、蒸発用熱交換器３５の温度を昇降させて試験用ガスの温度を所望の温度と一致させ、図３の様な電気ヒータを使用しないものであるが、本発明は、電気ヒータの併用を否定するものではなく、試験用ガスの温度を微調整するために電気ヒータを使用してもよい。

本発明の実施形態の燃料電池評価試験装置の構成図である。図１の燃料電池評価試験装置に内蔵されている冷却部の構成図である。本発明者らが試作した燃料電池評価試験装置の構成図である。

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
１０燃料電池
１１正極側ガス流路
１２負極側ガス流路
２２加湿手段
２５加熱手段（温度調節手段）
２６冷却手段（温度調節手段）
３３第１膨張弁
４０第２膨張弁（制御弁）
４１制御弁バイパス流路
４５電磁弁
４６ホットガスバイパス流路
４７電磁弁

Claims

燃料電池に対して試験用のガスを供給する試験用ガス供給流路と、前記試験用ガスの温度を所定の設定温度に調節する温度調節手段とを備えた燃料電池評価試験装置において、前記温度調節手段は、圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発用熱交換器とが順次環状に接続され内部に冷媒が循環する冷凍機を備え、さらに前記冷凍機は蒸発用熱交換器と圧縮機との間に開度を調整可能な制御弁が介在され、前記蒸発用熱交換器は冷凍機を循環する冷媒と試験用ガス供給流路を流れる試験用ガスとの間で熱交換するものであり、試験用ガス供給流路には燃料電池に供給される試験用ガスの温度を検知する試験用ガス温度検知手段が備えられ、前記制御弁は前記試験用ガス温度検知手段の検知温度に応じ当該検知温度が設定温度に近づく様に開度が調節されることを特徴とする燃料電池評価試験装置。
制御弁は電子膨張弁であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池評価試験装置。
制御弁をバイパスする制御弁バイパス流路を備え、制御弁バイパス流路に開閉弁が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池評価試験装置。