JP2009266561A - ガス供給装置、燃料電池評価試験装置、並びに、燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】供給されるガスの露点を容易かつスムーズに調整可能なガス供給装置、燃料電池評価試験装置、並びに、燃料電池システムの提供を目的とした。
【解決手段】ガス供給装置１０は、低湿度流路３３を流れる低湿度ガスと、高湿度流路３５を流れる高湿度ガスとを混合することで、所定の露点温度Ｔ_dに調製された混合ガスを燃料電池３０に供給することができる。低湿度ガスおよび高湿度ガスの混合比ｒは、燃料電池３０に供給される混合ガスの供給圧力Ｐ、当該混合ガスの供給目標露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐ_DP、並びに、高湿度ガスの飽和水蒸気圧Ｐ_Bを下記の（数式１）に代入して導出される値に設定される。
【数１】

【選択図】図１

Description

本発明は、ガス供給装置、当該ガス供給装置を採用した燃料電池評価試験装置、並びに、燃料電池システムに係り、特に供給されるガスの露点を容易かつ精度良く調整可能なものに関する。

従来より、燃料電池に供給される正極ガスや負極ガスは、下記特許文献１のようにして露点（湿度）を調整して供給されている。下記特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、加湿を行ったガスが流れる供給ラインと、加湿を行っていないガスが流れる供給ラインとがあり、各供給ラインに設けられた弁を予め設定された開度に調整し、各供給ラインを流れるガスを混合することで燃料電池に供給されるガスの露点を調整している。また、下記特許文献２に記載の燃料電池システムでは、加湿を行ったガスと加湿を行っていないガスとで供給ラインを共用した構成とされている。
特開２００２−１４１０８５号公報 特開２００６−８５９６６号公報

しかし、上記特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、露点にあわせて弁の開度を調整する方法が確立されていない。そのため、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、別途設けた露点計の検知結果に基づいて、フィードバック制御等により弁の開度を調整せねばならず、露点の調整が困難であったり、露点を正確に調整するまでに相当の時間を要するという問題があった。

また、上記特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、加湿を行ったガスと、加湿を行っていないガスとを別々に供給する構成とされている。そのため、特許文献２の燃料電池システムでは、加湿を行ったガスの露点、あるいは、加湿を行っていないガスの露点に調整することができるに過ぎず、露点を逐次微調整することができないという問題があった。

そこで、本発明は、供給されるガスの露点を容易かつスムーズに調整可能なガス供給装置、燃料電池評価試験装置、並びに、燃料電池システムの提供を目的とした。

上記した課題を解決すべく提供される本発明のガス供給装置は、所定の低湿度ガスが流れる低湿度ガス流路と、前記低湿度ガスよりも高湿度となるように湿度調整された高湿度ガスが流れる高湿度ガス流路と、前記低湿度ガスおよび高湿度ガスを混合して混合ガスを調製可能な混合手段と、当該混合ガスが流通可能な混合ガス流路と、前記混合手段における低湿度ガスおよび高湿度ガスの混合比ｒを、前記混合ガス流路を介して供給される混合ガスの供給圧力Ｐ、当該混合ガスの供給目標露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐ_DP、並びに、高湿度ガスの飽和水蒸気圧Ｐ_Bを下記の（数式１）に代入して導出する混合比導出手段と、を有し、混合手段において、低湿度ガスと高湿度ガスとが（１−ｒ）：ｒの割合で混合されることを特徴としている（請求項１）。

本発明のガス供給装置は、混合比導出手段を有し、これにより混合ガスの露点を供給目標露点に調整するのに適した混合比ｒの値を導出することができる。ここで、本発明のガス供給装置において、混合比導出手段は、混合ガス流路を介して供給される混合ガスの供給圧力Ｐと、当該混合ガスの供給目標露点に対応して決定される飽和水蒸気圧Ｐ_DPや、高湿度ガスの飽和水蒸気圧Ｐ_Bの値を上述の（数式１）に代入するだけで導出することができる。そのため、本発明のガス供給装置では、従来公知のもののように別途設けた露点計の検知結果に基づいて混合比をフィードバック制御したり、経験則で混合比を調整する場合に比べ、露点を迅速かつ精度良く調整することができる。

上記した本発明のガス供給装置は、供給源から供給されたガスを加湿して高湿度ガスを調製可能な加湿手段を有し、当該加湿手段が、水を貯留可能な貯留槽と、当該貯留槽内に貯留されている水中にガスを供給可能なガス供給管と、前記貯留槽内の水温を調整可能な水温調整手段と、を有するものとすることができる。かかる構成とした場合には、飽和水蒸気圧Ｐ_Bが、前記貯留槽内の水温における飽和水蒸気圧であってもよい（請求項２）。

かかる構成とした場合は、ガスを加湿するための構成として上述したような加湿手段を採用した場合であっても、水温調整手段によって調整される水温に応じて決定される飽和水蒸気圧Ｐ_Bを（数式１）に代入して導出される混合比ｒにより低湿度ガスと高湿度ガスとを混合するだけで混合ガスの露点調整を容易かつ精度良く行うことができる。

本発明の燃料電池評価試験装置は、燃料電池の評価試験を行うための燃料電池評価試験装置であって、評価試験対象である燃料電池の正極に対して正極ガスを供給するための正極ガス供給系統と、前記燃料電池の負極に対して負極ガスを供給するための負極ガス供給系統とを有し、前記正極ガス供給系統および負極ガス供給系統のうち、少なくとも一方に上述した本発明のガス供給装置が設けられていることを特徴とするものである（請求項３）。

本発明の燃料電池評価試験装置は、正極ガス供給系統および負極ガス供給系統のうち少なくとも一方に、上述した本発明のガス供給装置を備えている。そのため、本発明の燃料電池評価試験装置では、正極ガス供給系統や負極ガス供給系統を介して供給される正極ガスや負極ガスの露点を迅速かつ正確に調整することができる。従って、本発明の燃料電池評価試験装置によれば、正極ガスや負極ガスの露点が燃料電池の性能に与える影響を、容易かつ精度良く試験することができる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、当該燃料電池の正極に対して正極ガスを供給するための正極ガス供給系統と、前記燃料電池の負極に対して負極ガスを供給するための負極ガス供給系統とを有し、前記正極ガス供給系統および負極ガス供給系統のうち、少なくとも一方に上述した本発明のガス供給装置が設けられていることを特徴としている（請求項４）。

本発明の燃料電池システムは、正極ガス供給系統および負極ガス供給系統のうち少なくとも一方に上述した本発明のガス供給装置を備えているため、正極ガスや負極ガスの露点を迅速かつ正確に調整することができる。従って、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池の作動条件の変化等により正極ガスや負極ガスの供給目標露点を変化させねばならない状態になっても、これに対して迅速に対応することができる。

本発明によれば、供給されるガスの露点を容易かつスムーズに調整可能なガス供給装置、燃料電池評価試験装置、並びに、燃料電池システムを提供できる。

続いて、本発明の一実施形態に係る燃料電池評価試験装置１、並びに、ガス供給装置１０について、図面を参照しつつ詳細に説明する。燃料電池評価試験装置１（以下、単に試験装置１とも称す）は、ガス供給装置１０によって燃料電池３０の正極（カソード極）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（アノード極）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３０の性能の評価試験を行うものである。本実施形態では、正極側ガス（カソードガス）として酸素や、空気などの酸素を含むガスを供給し、負極側ガス（アノードガス）として、水素や、水素を含むガスを供給して燃料電池３０の性能評価試験が実施される。加湿手段４３は、ガス供給装置１０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。

試験装置１は、図１に示すように燃料電池３０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１０とを備えている。

ガス流路２は、水素や酸素等のガスの供給源と、燃料電池３０とを繋ぐ流路である。ガス流路２は、燃料電池３０の正極（酸素極）に繋がる正極側ガス系統３１と、負極（燃料極）に繋がる負極側ガス系統３２の２系統によって構成されている。正極側ガス系統３１および負極側ガス系統３２は、それぞれ正極側ガスおよび負極側ガスが流れる配管により構成されている。

正極側ガス系統３１および負極側ガス系統３２は、互いに独立したガス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、正極側ガス系統３１および負極側ガス系統３２は、それぞれ中途にガス供給装置１０を有する。正極側ガス系統３１および負極側ガス系統３２を構成するガス流路は、それぞれガス供給装置１０内に設けられた分岐点Ｓにおいて低湿度流路３３と高湿度流路３５の２系統に分岐している。また、低湿度流路３３および高湿度流路３５は、前記した分岐点Ｓよりもガスの流れ方向下流側に設けられた合流点Ｍで合流している。正極側ガス系統３１および負極側ガス系統３２は、それぞれ合流点Ｍよりも下流側の位置に、燃料電池３０に向けて正極側ガスや負極側ガスを供給するための混合ガス流路３６を有する。

低湿度流路３３は、図示しない供給源から供給された正極側ガスや負極側ガスが加湿されることなくそのまま流れる流路である。低湿度流路３３の中途には、従来公知のマスフローコントローラや弁などからなる流量調整手段３８が設けられており、低湿度流路３３を流れる正極側ガスや負極側ガス（以下、これらを低湿度ガスとも称す）の流量を調整することができる。

また、高湿度流路３５は、上述した分岐点Ｓにおいて分岐した流路である。高湿度流路３５は、図示しない供給源から供給された正極側ガスや負極側ガスを加湿して供給する流路である。高湿度流路３５の中途には、上述した流量調整手段３８と同様に、従来公知のマスフローコントローラや弁などによって構成された流量調整手段４０と、加湿手段４３とが設けられている。

流量調整手段４０は、高湿度流路３５を通過して合流点Ｍに向けて供給される正極側ガスや負極側ガス（以下、これらを高湿度ガスとも称す）の流量を調整することができる。流量調整手段４０は、上述した流量調整手段３８と組み合わさって混合手段４５を構成している。混合手段４５は、低湿度流路３３および高湿度流路３５において流量調整手段３８，４０を通過する低湿度ガスおよび高湿度ガスの流量を調整することで、合流点Ｍにおいて所定の割合で低湿度ガスおよび高湿度ガスを混合させ、混合ガスを調製することができる。

加湿手段４３は、高湿度流路３５の中途であって、流量調整手段４０よりもガスの流れ方向下流側の位置に配されている。加湿手段４３は、図２に示すように貯留水を貯留する密閉型の貯留槽５０と、この貯留槽５０内の貯留水を加熱するためのヒーター５１（水温調整手段）とを具備している。通常、貯留槽５０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。貯留槽５０の底部側には、ガス導入部５３が設けられており、これを介して、高湿度流路３５により供給された正極側ガスや負極側ガスを貯留槽５０内の貯留水中に吐出可能とされている。また、貯留槽５０の頂部側には、ガス排出部５５が設けられており、これを介して貯留水中に吐出されたガスを加湿手段４３の下流側に送り出すことができる。貯留槽５０内には、水温検知センサ５７が設けられており、これにより貯留槽５０内に貯留されている貯留水の水温を検知することができる。高湿度流路３５において、流量調整手段４０を通過してきたガスは、ヒーター５１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。これにより、貯留槽５０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５５から排出される。

高湿度流路３５は、上記した貯留槽５０の下流側に設けられた合流部Ｍにおいて低湿度流路３３と合流している。そのため、ガス排出部５５を介して貯留槽５０から導出された高湿度ガスは、合流部Ｍにおいて低湿度流路３３を介して供給される低湿度ガスと合流して混合され、混合ガスとなる。合流部Ｍにおける混合により調製された混合ガスは、合流部Ｍよりもガスの流れ方向下流側に位置する混合ガス流路３６を介して燃料電池３０に供給される。混合ガス流路３６の中途には、従来公知の圧力センサ等からなる圧力検知手段６０が設けられており、これにより燃料電池３０に供給される混合ガスの供給圧力を検知可能とされている。

試験装置１は、上述した構成に加えて従来公知のＣＰＵや論理回路などで構成された制御手段７０（混合比導出手段）と、入力手段７１とを備えている。試験装置１は、制御手段７０から発信される制御信号に基づき、流量調整手段３８，４０の開度や、貯留槽５０に設けられたヒーター５１の出力を調整することができる。また、制御手段７０には、水温検知センサ５７により検知される貯留槽５０における水温Ｔ_wについてのデータや、圧力検知手段６０により検知される燃料電池３０に対する混合ガスの供給圧力についてのデータが入力される。

入力手段７１は、これに対して電気的に接続されたキーボードやスイッチ類によって構成されており、これを介して燃料電池３０の試験条件を制御手段７０に対して入力することができる。試験装置１では、試験条件として、燃料電池３０に対して供給される正極側ガスや負極側ガスの供給目標露点Ｔ_fcを入力することができる。

ここで、制御手段７０は、標準大気圧をＰ_O［ｋＰａ］、摂氏０［℃］におけるケルビン温度をＴ_O、露点温度Ｔ_d［℃］をケルビン温度に変換したものをＴ［Ｋ］（Ｔ＝Ｔ_O＋Ｔ_d）とした場合、飽和蒸気圧Ｐ_Sは、下記の（数式２）に示すＧｏｆｆ−Ｇｒａｔｃｈの式により導出することができる。そのため、制御手段７０は、入力手段７１を介して入力された供給目標露点Ｔ_fc［℃］をケルビン温度に変換した値を下記（数式２）のＴに代入することにより、供給目標露点Ｔ_fcに対応する飽和蒸気圧Ｐ_S（以下、特に目標飽和水蒸気圧Ｐ_DPとも称す）を導出することができる。また、制御手段７０は、水温検知センサ５７によって検知される水温Ｔ_w［℃］をケルビン温度に変換した値を下記（数式２）のＴに代入することにより、水温Ｔ_wにおける飽和蒸気圧Ｐ_S（以下、特に供給飽和水蒸気圧Ｐ_Bとも称す）を導出することができる。

ここで、燃料電池３０に対して供給される混合ガス（正極側ガス，負極側ガス）の流量をＱ、混合ガスを構成する高湿度ガスと低湿度ガスの分流比をｒとし、高湿度ガスと低湿度ガスとをｒ：（１−ｒ）で混合するとした場合、高湿度ガスの流量Ｑ_wetおよび低湿度ガスの流量Ｑ_dryの間には、以下の（数式３）および（数式４）の関係が成立する。

また、燃料電池に供給する水分の消費率をδ_fc［ｇ／ｓｅｃ］、加湿手段４３における水分の消費率をδ_d［ｇ／ｓｅｃ］とした場合、分流比ｒについては、下記の（数式５）の関係に基づいて導出することができる。さらに、燃料電池に供給する水分の消費率δ_fcや加湿手段４３における水分の消費率δ_dは、水の分子量をＭ_H2O、飽和蒸気圧をＰ_S、標準大気圧をＰ_O、燃料電池３０に対して供給される混合ガスのゲージ圧をＰ_fc、燃料電池３０に対して供給される混合ガスの絶対圧をＰ［ｋＰａ ＡＢＳ］とした場合、下記の（数式６）および（数式７）の関係から導出することができる。

上記（数式１）〜（数式７）のような関係が成立するため、分流比ｒ（ｒ＝δ_fc／δ_d）については、下記の（数式１）のように、燃料電池３０に対して供給される混合ガスの供給圧力（絶対圧）Ｐ［ｋＰａ ＡＢＳ］に依存して決定される。従って、制御手段７０は、絶対圧で示される供給圧力Ｐ［ｋＰａ ＡＢＳ］に基づいて分流比ｒを決定し、高湿度ガスと低湿度ガスとをｒ：（１−ｒ）で混合可能なように流量調整手段３８，４０の開度調整を行う。これにより、燃料電池３０に供給される正極側ガスや負極側ガスの露点が所定の露点に調製される。

上記したように、本実施形態の試験装置１では、圧力検知手段６０で検知される混合ガスの供給圧力Ｐ［ｋＰａ ＡＢＳ］を上記（数式１）に代入すると共に、混合ガスの供給目標露点Ｔ_fcに対応して決定される目標飽和水蒸気圧Ｐ_DPや、貯留槽５０内の水温における供給飽和水蒸気圧Ｐ_Bを上記（数式１）に代入することにより導出される分流比ｒに基づき、流量調整手段３８，４０の開度調整を行い、高湿度ガスと低湿度ガスとを混合するだけで燃料電池３０に供給される混合ガス（正極側ガス，負極側ガス）の露点を調整できる。そのため、本実施形態の試験装置１では、例えば露点計を別途設けてこれにより検知される露点に基づいて混合比ｒをフィードバックするような方策を講じたり、経験則で混合比ｒを調整する場合よりも迅速かつ正確に混合ガスの露点を調整できる。従って、試験装置１によれば、所定の露点に調整された混合ガスを供給したり、露点を変化させて実施するような燃料電池３０の試験を精度良く実施することができる。

上記したように、試験装置１は、試験対象である燃料電池３０に対して供給される混合ガス（正極側ガス，負極側ガス）の露点をスムーズかつ正確に調整できるため、燃料電池３０に供給される正極側ガスや負極側ガスの露点や、露点の変化が燃料電池３０の動作に与える影響を正確に試験することができる。

上記実施形態で示した試験装置１は、加湿手段４３として水が貯留された貯留槽５０に図示しない供給源から供給された正極側ガスや負極側ガスを供給してバブリングするものを採用したものであり、貯留槽５０内の水温Ｔ_wにおける供給飽和水蒸気圧Ｐ_Bを上記（数式１）に代入することで混合比ｒを導出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い。具体的には、試験装置１は、加湿手段４３を設けてこれにより正極側ガスや負極側ガスを加湿する代わりに、図示しない供給源において予め加湿された正極側ガスや負極側ガスを低湿度ガスとは別に供給する構成とすることも可能である。かかる構成とした場合は、予め加湿された状態で供給される高湿度ガスの供給飽和水蒸気圧Ｐ_Bを（数式１）に代入して混合比ｒを導出し、これに基づいて低湿度ガスと高湿度ガスとを混合することにより、上記実施形態で示したものと同様に燃料電池３０に供給される混合ガスの露点を迅速かつ正確に調整できる。

上記実施形態では、燃料電池３０に対して接続される正極側ガス系統３１および負極側ガス系統３２の双方にガス供給装置１０を設けた構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、いずれか一方にのみ設けられていてもよい。また、上記実施形態では、正極側ガス系統３１側のガス供給装置１０と、負極側ガス系統３２側のガス供給装置１０とで制御手段７０や入力手段７１を共用した例を例示したが、本発明はこれに限定さるものではなく、それぞれ個別に設けられていてもよい。

上記実施形態では、ガス供給装置１０を燃料電池３０の性能試験を行うための試験装置１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、ガス供給装置１０単体で使用されてもよい。また、ガス供給装置１０は、負極側ガス（アノードガス）として利用される水素や、正極側ガス（カソードガス）として利用される酸素、空気に限らず、いかなるガスの露点調整を行うために使用されてもよい。さらに、ガス供給装置１０は、例えば燃料電池３０を備えて発電を行う燃料電池システム８０等、ガスの露点調整を必要とする機器類と組み合わせて使用されてもよい。なお、燃料電池システム８０は、図１に示すように、上述した試験装置１に燃料電池３０を組み合わせたのと同様の構成とされたものに限定されず、例えば従来公知のコージェネレーションシステムのように燃料電池３０だけでなく、燃料電池３０で発生した廃熱を利用するための構成をさらに備えたもの等、適宜の構成とすることも可能である。

上記実施形態の試験装置１では、正極側ガスや負極側ガスの供給源からガス供給装置１０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３０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１０に別途設けた構成としたり、ガス供給装置１０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、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。

本発明の一実施形態に係る試験装置の作動原理図である。 加湿手段の構造を模式的に示す概念図である。

符号の説明

１ 燃料電池評価試験装置（試験装置）
１０ ガス供給装置
３０ 燃料電池
３１ 正極側ガス系統
３２ 負極側ガス系統
３３ 低湿度流路
３５ 高湿度流路
３６ 混合ガス流路
３８，４０ 流量調整手段
４３ 加湿手段
４５ 混合手段
５０ 貯留槽
５１ ヒーター（水温調整手段）
５７ 水温検知センサ
６０ 圧力検知手段
７０ 制御手段（混合比導出手段）
８０ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 所定の低湿度ガスが流れる低湿度ガス流路と、
   前記低湿度ガスよりも高湿度となるように湿度調整された高湿度ガスが流れる高湿度ガス流路と、
   前記低湿度ガスおよび高湿度ガスを混合して混合ガスを調製可能な混合手段と、
   当該混合ガスが流通可能な混合ガス流路と、
   前記混合手段における低湿度ガスおよび高湿度ガスの混合比ｒを、前記混合ガス流路を介して供給される混合ガスの供給圧力Ｐ、当該混合ガスの供給目標露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐ_DP、並びに、高湿度ガスの飽和水蒸気圧Ｐ_Bを下記の（数式１）に代入して導出する混合比導出手段と、を有し、
   混合手段において、低湿度ガスと高湿度ガスとが（１−ｒ）：ｒの割合で混合されることを特徴とするガス供給装置。
   

   
2. 供給源から供給されたガスを加湿して高湿度ガスを調製可能な加湿手段を有し、
   当該加湿手段が、水を貯留可能な貯留槽と、当該貯留槽内に貯留されている水中にガスを供給可能なガス供給管と、前記貯留槽内の水温を調整可能な水温調整手段と、を有し、
   飽和水蒸気圧Ｐ_Bが、前記貯留槽内の水温における飽和水蒸気圧であることを特徴とする請求項１に記載のガス供給装置。
3. 燃料電池の評価試験を行うための燃料電池評価試験装置であって、
   評価試験対象である燃料電池の正極に対して正極ガスを供給するための正極ガス供給系統と、
   前記燃料電池の負極に対して負極ガスを供給するための負極ガス供給系統とを有し、
   前記正極ガス供給系統および負極ガス供給系統のうち、少なくとも一方に請求項１又は２に記載のガス供給装置が設けられていることを特徴とする燃料電池評価試験装置。
4. 燃料電池と、
   当該燃料電池の正極に対して正極ガスを供給するための正極ガス供給系統と、
   前記燃料電池の負極に対して負極ガスを供給するための負極ガス供給系統とを有し、
   前記正極ガス供給系統および負極ガス供給系統のうち、少なくとも一方に請求項１又は２に記載のガス供給装置が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。

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