JP2010123337A - Fuel cell system and apparatus for evaluating fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池システムおよび燃料電池評価装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell evaluation device.
固体高分子型燃料電池が備える電解質膜は、湿潤状態となったときに高いプロトン伝導性を示し、含水量が低下するほどプロトン伝導性も低下する。そのため、燃料電池の電池性能を保つには、電解質膜の含水量を充分に維持する必要がある。したがって、燃料電池を用いて発電を行なう際には、燃料電池に供給されるガス中の水の量および/または燃料電池から排出されるガス中の水の量を管理することが重要となる。従来、このように燃料電池に供給されるガス中の水の量を管理する構成の一つとして、燃料ガスを加湿して燃料電池に供給する際に、燃料ガスの露点温度を計測した結果に基づいて、燃料ガスを加湿するときの加湿温度を制御する燃料電池試験装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 The electrolyte membrane included in the polymer electrolyte fuel cell exhibits high proton conductivity when in a wet state, and the proton conductivity decreases as the water content decreases. Therefore, in order to maintain the battery performance of the fuel cell, it is necessary to sufficiently maintain the water content of the electrolyte membrane. Therefore, when performing power generation using a fuel cell, it is important to manage the amount of water in the gas supplied to the fuel cell and / or the amount of water in the gas discharged from the fuel cell. Conventionally, as one configuration for managing the amount of water in the gas supplied to the fuel cell in this way, when the fuel gas is humidified and supplied to the fuel cell, the dew point temperature of the fuel gas is measured. Based on this, a fuel cell test apparatus that controls the humidification temperature when humidifying the fuel gas has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、このように燃料電池に供給するガスおよび/または燃料電池から排出されるガスにおける湿度を計測する場合であっても、ガス中の水の量(水蒸気量および液水の量)や、ガスの流量、ガスの温度等の条件が変動する場合には、ガス中における液水の状態や、露点計のような湿度を計測するための計測装置の性質により、ガス湿度を計測する際の精度が不十分となる場合があった。そのため、燃料電池が発電する際の条件であって、ガスの湿度計測に影響し得る条件が変動する場合であっても、燃料電池に供給するガスおよび/または燃料電池から排出されるガスにおける湿度を精度良く計測する技術が望まれていた。 However, even when the humidity in the gas supplied to the fuel cell and / or the gas discharged from the fuel cell is measured in this way, the amount of water in the gas (the amount of water vapor and the amount of liquid water), the gas When the conditions such as the flow rate of the gas and the temperature of the gas fluctuate, the accuracy of measuring the gas humidity depends on the state of the liquid water in the gas and the nature of the measuring device for measuring the humidity such as a dew point meter. May be insufficient. Therefore, even when the fuel cell generates power and conditions that may affect the measurement of gas humidity vary, the humidity in the gas supplied to the fuel cell and / or the gas discharged from the fuel cell There is a need for a technique for accurately measuring the above.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池が発電する際の条件が変動する場合であっても、燃料電池に供給するガスおよび/または燃料電池から排出されるガスにおける湿度を精度良く計測することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and even if the conditions under which the fuel cell generates power fluctuate, the gas supplied to the fuel cell and / or the fuel cell is discharged. The purpose is to accurately measure the humidity in the generated gas.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に接続されるガスの流路に設けられる湿度センサと、
前記流路において、前記湿度センサよりも前記ガスの流れの上流に設けられ、前記ガス中の水分が水蒸気として存在するように、前記ガス中の水分の状態を調整する水蒸気含有状態調整部と、
前記水蒸気含有状態調整部から前記湿度センサへと流れる前記ガスについて、前記湿度センサで湿度を検出する際の精度に係る前記ガスの状態を調整するガス状態調整部と、を備える燃料電池システム。
[Application Example 1]
A fuel cell system comprising a fuel cell,
A humidity sensor provided in a gas flow path connected to the fuel cell;
In the flow path, provided in the upstream of the flow of the gas from the humidity sensor, a water vapor containing state adjusting unit that adjusts the state of moisture in the gas so that the moisture in the gas exists as water vapor,
A fuel cell system comprising: a gas state adjusting unit that adjusts a state of the gas related to accuracy when the humidity is detected by the humidity sensor for the gas flowing from the water vapor containing state adjusting unit to the humidity sensor.
適用例1に記載の燃料電池システムでは、燃料電池に接続される流路内を流れるガス中の水分が水蒸気として存在するように、ガス中の水分の状態を水蒸気含有状態調整部で調整した後に、上記ガスについて、湿度センサで湿度を検出する際の精度に係る状態をガス状態調整部で調整して、湿度センサにおいて上記ガスの湿度を検出する。したがって、燃料電池が発電する際の条件が変動する場合であっても、ガス中の水分が水蒸気として存在するように水分の状態を調整されたガスにおける湿度を、精度良く計測することが可能になる。 In the fuel cell system described in Application Example 1, after the moisture state in the gas is adjusted by the steam-containing state adjustment unit so that the moisture in the gas flowing in the flow path connected to the fuel cell exists as water vapor. With respect to the gas, the gas state adjustment unit adjusts the state related to the accuracy when the humidity is detected by the humidity sensor, and the humidity of the gas is detected by the humidity sensor. Therefore, even when the conditions under which the fuel cell generates electricity fluctuate, it is possible to accurately measure the humidity in the gas whose moisture state has been adjusted so that the moisture in the gas exists as water vapor. Become.
[適用例2]
適用例1記載の燃料電池システムであって、前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記湿度センサへと供給される前記ガスの流速および/または温度である燃料電池システム。適用例2に記載の燃料電池システムによれば、流速および/または温度を調整したガスを湿度センサに供給することにより、湿度センサでガスの湿度を検出する際の精度を確保することができる。
[Application Example 2]
The fuel cell system according to Application Example 1, wherein the state adjusted by the gas state adjusting unit is a flow rate and / or a temperature of the gas supplied to the humidity sensor. According to the fuel cell system described in Application Example 2, by supplying the humidity sensor with the gas whose flow rate and / or temperature has been adjusted, the accuracy in detecting the humidity of the gas with the humidity sensor can be ensured.
[適用例3]
適用例2記載の燃料電池システムであって、
前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記ガスの温度であり、前記ガス状態調整部は、前記水蒸気含有状態調整部を経由した前記ガスから熱の供給を受ける前記湿度センサの温度が、前記ガスにおいて予測される露点温度よりも高く、前記湿度センサが許容する上限温度よりも低い温度となるように、前記ガスを加熱する加熱部である燃料電池システム。適用例3記載の燃料電池システムによれば、ガス状態調整部が、水蒸気含有状態調整部を経由したガスを加熱することにより、ガスから熱の供給を受ける湿度センサの温度が、ガスにおいて予測される露点温度よりも高くなる。そのため、湿度センサにおいてガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができ、凝縮した液水に起因する湿度センサの検出精度の低下を抑制することができる。また、湿度センサの温度が、湿度センサが許容する上限温度よりも低い温度となるため、湿度センサの耐久性の低下を抑制することができる。
[Application Example 3]
A fuel cell system according to Application Example 2,
The state adjusted by the gas state adjusting unit is the temperature of the gas, and the gas state adjusting unit is supplied with heat from the gas via the water vapor-containing state adjusting unit, and the temperature of the humidity sensor is A fuel cell system that is a heating unit that heats the gas so that the temperature is higher than a dew point temperature predicted for the gas and lower than an upper limit temperature allowed by the humidity sensor. According to the fuel cell system of Application Example 3, the gas state adjusting unit heats the gas that has passed through the water vapor-containing state adjusting unit, so that the temperature of the humidity sensor that receives heat supply from the gas is predicted in the gas. Higher than the dew point temperature. Therefore, condensation of water vapor in the gas can be suppressed in the humidity sensor, and a decrease in detection accuracy of the humidity sensor due to the condensed liquid water can be suppressed. Moreover, since the temperature of a humidity sensor becomes temperature lower than the upper limit temperature which a humidity sensor accept | permits, the fall of durability of a humidity sensor can be suppressed.
[適用例4]
適用例3記載の燃料電池システムであって、前記加熱部は、前記水蒸気含有状態調整部と前記湿度センサとを接続する配管全体を加熱することによって前記ガスの加熱を行なう配管ヒータを備える燃料電池システム。適用例4記載の燃料電池システムによれば、ガスを加熱する加熱部が、水蒸気含有状態調整部と湿度センサとを接続する配管全体を加熱するため、水蒸気含有状態調整部で水蒸気の含有状態が調整されたガスにおいて、途中で水蒸気が凝縮することが無く、水蒸気含有状態調整部で調整された水蒸気含有状態を維持したガスの湿度を、湿度センサにおいて検出することができる。
[Application Example 4]
The fuel cell system according to Application Example 3, wherein the heating unit includes a pipe heater that heats the gas by heating an entire pipe connecting the water vapor content state adjusting unit and the humidity sensor. system. According to the fuel cell system of Application Example 4, the heating unit that heats the gas heats the entire pipe connecting the water vapor content adjustment unit and the humidity sensor. In the adjusted gas, water vapor does not condense on the way, and the humidity of the gas maintaining the water vapor containing state adjusted by the water vapor containing state adjusting unit can be detected by the humidity sensor.
[適用例5]
適用例3または4記載の燃料電池システムであって、前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池から排出されるガスが流れる流路であり、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池における生成水量と、前記燃料電池における想定される水の分配状態と、前記燃料電池に供給されたガスの流量と、前記燃料電池で消費されたガスの流量と、に基づいて、前記湿度センサへと流れる前記ガスにおける前記露点温度を予測する露点温度予測部を備え、前記加熱部は、前記湿度センサの温度が、前記露点温度予測部が予測した前記露点温度よりも高くなるように、前記ガスを加熱する燃料電池システム。適用例5記載の燃料電池システムによれば、燃料電池が発電する際の具体的な条件によって燃料電池から排出されるガスの露点を予測するため、湿度センサの温度がガスの露点温度よりも高くなるようにガスを加熱する動作の精度を向上させることができ、湿度センサにおける湿度検出の動作の信頼性を高めることができる。
[Application Example 5]
5. The fuel cell system according to Application Example 3 or 4, wherein the flow path of the gas provided with the humidity sensor is a flow path through which the gas discharged from the fuel cell flows, and the fuel cell system further includes: , Based on the amount of water produced in the fuel cell, the assumed distribution of water in the fuel cell, the flow rate of gas supplied to the fuel cell, and the flow rate of gas consumed in the fuel cell, A dew point temperature predicting unit that predicts the dew point temperature of the gas flowing to the humidity sensor, and the heating unit is configured such that the temperature of the humidity sensor is higher than the dew point temperature predicted by the dew point temperature predicting unit. And a fuel cell system for heating the gas. According to the fuel cell system of Application Example 5, the temperature of the humidity sensor is higher than the gas dew point temperature in order to predict the dew point of gas discharged from the fuel cell according to specific conditions when the fuel cell generates power. Thus, the accuracy of the operation of heating the gas can be improved, and the reliability of the humidity detection operation in the humidity sensor can be improved.
[適用例6]
適用例3ないし5いずれか記載の燃料電池システムであって、前記湿度センサは、前記ガスの露点温度を検出する露点計であり、前記加熱部は、前記露点計が検出した露点温度に応じて前記ガスに対する加熱の程度を変更する燃料電池システム。適用例6記載の燃料電池システムによれば、ガスに対する加熱の程度を変更することにより、ガス中の湿度が変動する場合であっても、ガスの露点温度を精度良く検出することが可能になる。
[Application Example 6]
6. The fuel cell system according to any one of Application Examples 3 to 5, wherein the humidity sensor is a dew point meter that detects a dew point temperature of the gas, and the heating unit is in accordance with a dew point temperature detected by the dew point meter. A fuel cell system that changes the degree of heating of the gas. According to the fuel cell system described in Application Example 6, it is possible to accurately detect the dew point temperature of the gas even when the humidity in the gas varies by changing the degree of heating of the gas. .
[適用例7]
適用例6記載の燃料電池システムであって、前記加熱部は、前記露点計が検出した露点温度が、前記露点計が許容する下限温度を下回るときには、前記露点温度と前記下限温度との差に応じて、前記ガスに対する加熱の程度を低下させる燃料電池システム。適用例7記載の燃料電池システムによれば、検出した露点温度が下限温度を下回るときには、露点温度と下限温度との差に応じてガスに対する加熱量を低下させるため、ガスの露点温度が低下する場合であっても、露点計において露点温度を精度良く検出することが可能になる。
[Application Example 7]
In the fuel cell system according to application example 6, when the dew point temperature detected by the dew point meter is lower than a lower limit temperature allowed by the dew point meter, the heating unit determines a difference between the dew point temperature and the lower limit temperature. Accordingly, a fuel cell system that reduces the degree of heating of the gas. According to the fuel cell system described in Application Example 7, when the detected dew point temperature is lower than the lower limit temperature, the amount of heating with respect to the gas is decreased according to the difference between the dew point temperature and the lower limit temperature, so the gas dew point temperature decreases. Even in this case, the dew point temperature can be accurately detected by the dew point meter.
[適用例8]
適用例2記載の燃料電池システムであって、
前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記ガスの流速であり、前記ガス状態調整部は、前記水蒸気含有状態調整部に連通して設けられ、前記湿度センサを経由することなく前記ガスを導くバイパス流路と、前記湿度センサに供給される前記ガスの流速が、前記湿度センサが許容する上限値以下となるように、前記湿度センサおよび前記バイパス流路に分配される前記ガスの流量を調整する流量調整部とを備える燃料電池システム。適用例8記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の運転状態が変動して、水蒸気含有状態調整部を経由するガスの流量が変動する場合であっても、湿度センサに供給されるガスの流速が上限値以下に抑えられるため、湿度センサにおける検出精度の低下を抑制し、精度良くガスの湿度を計測することが可能になる。
[Application Example 8]
A fuel cell system according to Application Example 2,
The state adjusted by the gas state adjusting unit is a flow rate of the gas, and the gas state adjusting unit is provided in communication with the water vapor containing state adjusting unit, and the gas is adjusted without passing through the humidity sensor. The flow rate of the gas distributed to the humidity sensor and the bypass flow path is adjusted so that the flow rate of the gas supplied to the bypass flow path and the humidity sensor is less than or equal to the upper limit value allowed by the humidity sensor. A fuel cell system comprising a flow rate adjusting unit to be adjusted. According to the fuel cell system described in Application Example 8, even when the operating state of the fuel cell fluctuates and the flow rate of the gas passing through the water vapor containing state adjusting unit fluctuates, the gas supplied to the humidity sensor Since the flow velocity is suppressed to the upper limit value or less, it is possible to suppress a decrease in detection accuracy in the humidity sensor and to measure the gas humidity with high accuracy.
[適用例9]
適用例1ないし8いずれか記載の燃料電池システムであって、前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池から排出されるガスが流れる流路であり、前記水蒸気含有状態調整部は、前記燃料電池から排出されたガスを加熱して、前記ガス中に存在する液水の全量を気化させる気化器である燃料電池システム。適用例9記載の燃料電池システムによれば、気化器によって、ガス中に存在する液水の全量が気化されるため、ガス中の水分をすべて水蒸気の状態にして、ガス中の水分の全量を湿度センサを用いて精度良く計測することが可能になる。また、湿度センサにおいては、液水の全量が気化されたガスが供給されるため、ガス中の水分量を、良好な時間分解能にて精度良く検出することができる。
[Application Example 9]
The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 8, wherein the gas flow path provided with the humidity sensor is a flow path through which gas discharged from the fuel cell flows, and the water vapor content adjustment The fuel cell system is a vaporizer that heats the gas discharged from the fuel cell and vaporizes the entire amount of liquid water present in the gas. According to the fuel cell system described in Application Example 9, since the entire amount of liquid water present in the gas is vaporized by the vaporizer, all the moisture in the gas is changed to water vapor, and the total amount of moisture in the gas is reduced. It becomes possible to measure with high accuracy using a humidity sensor. Further, since the humidity sensor is supplied with a gas in which the entire amount of liquid water is vaporized, the amount of moisture in the gas can be accurately detected with good time resolution.
[適用例10]
適用例1ないし4および8のうちのいずれか記載の燃料電池システムであって、前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池へと供給されるガスが流れる流路であり、前記水蒸気含有状態調整部は、前記燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿器である燃料電池システム。適用例10記載の燃料電池システムによれば、加湿器によって加湿されて燃料電池に供給されるガス中の水蒸気量を、湿度センサを用いて精度良く計測することができる。
[Application Example 10]
9. The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 4, and 8, wherein the gas flow path provided with the humidity sensor is a flow path through which a gas supplied to the fuel cell flows. The water vapor-containing state adjusting unit is a fuel cell system that is a humidifier that humidifies the gas supplied to the fuel cell. According to the fuel cell system of Application Example 10, the amount of water vapor in the gas humidified by the humidifier and supplied to the fuel cell can be accurately measured using the humidity sensor.
[適用例11]
適用例1ないし10いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記湿度センサにおける検出値に基づいて前記燃料電池における水の挙動を評価するための、燃料電池評価部を備える燃料電池システム。適用例11記載の燃料電池システムによれば、燃料電池に供給されるガスおよび/または燃料電池から排出されるガス中の湿度を、湿度センサによって精度良く検出することができるため、燃料電池における水の挙動を、より精度良く評価することが可能になる。
[Application Example 11]
The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 10, further comprising a fuel cell evaluation unit for evaluating the behavior of water in the fuel cell based on a detection value of the humidity sensor. According to the fuel cell system described in the application example 11, the humidity in the gas supplied to the fuel cell and / or the gas discharged from the fuel cell can be accurately detected by the humidity sensor. The behavior of can be evaluated with higher accuracy.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムを、燃料電池の評価装置として用いる装置などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the fuel cell system of the present invention can be realized in the form of an apparatus that is used as a fuel cell evaluation apparatus.
A.装置の全体構成:
図1は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池評価装置10に、評価の対象となる燃料電池15を取り付けて、全体として燃料電池システムとして動作させた様子の概略構成を表すブロック図である。燃料電池評価装置10は、燃料ガス供給部20と、燃料ガス供給路60と、燃料ガス排出路62と、酸化ガス供給部30と、酸化ガス供給路64と、酸化ガス排出路66と、制御部70と、を備えている。
A. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel
燃料ガス供給部20は、燃料電池15のアノードに対して、水素を含有する燃料ガスを供給するための装置である。本実施例では、燃料ガス供給部20は、水素を貯蔵する水素タンクによって構成している。
The fuel
燃料ガス供給路60は、燃料ガス供給部20と燃料電池15とを接続する流路である。燃料ガス供給路60には、第1マスフロメータ21が設けられており、この第1マスフロメータ21によって、燃料電池15に供給する燃料ガス流量を、加湿前のドライガスの状態で調節している。燃料ガス供給路60において、第1マスフロメータ21の下流側には、第1加湿器22が設けられている。本実施例では、第1加湿器22をバブラによって構成しており、バブラの温度を調節することにより、燃料ガスに対する加湿量を制御可能となっている。ここで、第1加湿器22であるバブラ内に燃料ガスを導く流路として、燃料ガス供給路60から分岐してバブラを経由した後に再び燃料ガス供給路60へと合流する第1加湿ガス分岐路80が設けられている。燃料ガス供給路60と第1加湿ガス分岐路80との接続部においては、三方弁68が設けられている。この三方弁68を切り替えることにより、燃料ガスを加湿しない状態とすることも可能である。
The fuel
燃料ガス供給路60において、第1加湿器22の下流側には、第1露点計24、第1圧力計25、第1流量計26が設けられている。これら第1露点計24、第1圧力計25、第1流量計26によって、燃料ガス供給路60を流れる加湿後の燃料ガスの、露点温度、圧力、流量がそれぞれ検出される。ここで、本実施例では、第1露点計24として鏡面式露点計を用いている。鏡面式露点計の他にも、高分子容量式湿度センサや、レーザー露点計など、種々の湿度センサを用いることにより、燃料ガスの湿度を検出することが可能であるが、鏡面式露点計は、精度に対する信頼性が特に高く(例えば、誤差が±0.2℃程度)、望ましい。用いる湿度センサは、燃料電池15の発電に係る条件が変動して燃料ガス中の水蒸気分圧が変動する場合にも、水蒸気分圧を精度良く検出可能であって、良好な時間分解能で水蒸気分圧を検出可能であれば良い。
In the fuel
ここで、第1露点計24には、第1露点計ヒータ82が併設されている。この第1露点計ヒータ82は、第1露点計24で露点温度が計測される燃料ガスを加熱するためのものであり、このように第1露点計ヒータ82によって燃料ガスを加熱することで、第1露点計24の近傍における燃料ガス中での水蒸気の凝縮を抑制している。この第1露点計ヒータ82による燃料ガスの加熱量の制御については、後に詳しく説明する。また、第1露点計24には、第1温度センサ83が併設されている。この第1温度センサ83は、第1露点計ヒータ82によって加熱されて第1露点計24において露点温度が計測される燃料ガスの温度を検出する。
Here, the first
燃料ガス供給路60において、第1加湿器22と第1露点計24との間には、第1配管ヒータ23が設けられている。本実施例では、第1配管ヒータ23は、第1加湿器22と第1露点計24とを接続する配管(第1加湿ガス分岐路80において、第1加湿器22を経由した燃料ガスが流れる部分と、燃料ガス供給路60において、第1加湿ガス分岐路80を経由した燃料ガスが流れる部分)上に設けられ、通電によって所望の温度へと燃料ガスの加熱を行なう。より具体的には、第1配管ヒータ23は、内部に伝熱コイルを配置したリボン状のヒータを用いて上記配管を被覆し、さらにその外側を断熱材により被覆することにより形成されている。本実施例では、この第1配管ヒータ23と、既述した第1露点計ヒータ82とによって、第1加熱部が形成されている。そして、第1加熱部は、加熱された燃料ガスが供給される第1露点計24の温度が、燃料ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第1露点計24における耐熱温度よりも低い温度となるように、燃料ガスを加熱する。第1加熱部における加熱の様子については、後に詳しく説明する。
In the fuel
また、燃料ガス供給路60において第1配管ヒータ23が設けられている部分の途中で燃料ガス供給路60から分岐して、第1露点計24、第1圧力計25、第1流量計26を経由することなく、燃料ガス供給路60のさらに下流へと燃料ガスを導く供給燃料ガスバイパス路61が設けられている。この供給燃料ガスバイパス路61には、第1流量調整バルブ27が設けられている。このような供給燃料ガスバイパス路61を設けることにより、第1加湿器22で加湿された燃料ガスの一部は供給燃料ガスバイパス路61を流れ、第1露点計24、第1圧力計25および第1流量計26を経由する燃料ガス流量が抑制される。供給燃料ガスバイパス路61によって、第1露点計24等を経由する燃料ガス流量が抑制される構成については、後に詳しく説明する。
Further, the fuel
燃料ガス供給路60において、第1流量計26よりも下流であって、供給燃料ガスバイパス路61との合流部よりも下流には、第2圧力計28が設けられている。この第2圧力計28によって、燃料電池15に流入する燃料ガスの圧力が検出される。さらに、燃料ガス供給路60において、燃料電池15との接続部近傍(図1では、第2圧力計28と、燃料ガス供給路60および燃料電池15の接続部との間)には、第1温度調節部29が設けられている。本実施例では、第1温度調節部29は、第2圧力計28と燃料電池15とを接続する配管を覆って設けられた、温度調整用の流体の流路によって構成されている。第1温度調節部29が備える上記流路内に、所定の温度に制御した温度調整用流体を流すことによって、燃料電池15に供給する燃料ガス温度を所望の温度とすることができる。
In the fuel
燃料ガス排出路62は、燃料電池15に接続されて、燃料電池15のアノードを経由して排出される排出燃料ガスが流れる流路である。燃料ガス排出路62において、燃料電池15との接続部近傍には、第3圧力計31が設けられており、この第3圧力計31によって、燃料電池15から排出された排出燃料ガスの圧力が検出される。さらに、燃料ガス排出路62には、第3圧力計31よりも下流側に、第1気化器32が設けられている。本実施例の第1気化器32は、既述した第1配管ヒータ23と同様に、燃料ガス排出路62を構成する配管の一部を覆って設けられるヒータを備えている。ただし、この第1気化器32では、第1配管ヒータ23よりも高い温度で排出燃料ガスの加熱が行なわれる。燃料電池が発電する際には発電に伴って水が生じ、燃料電池から排出されるガス中には多くの水蒸気が含まれることになるため、これらの水蒸気が配管中で凝縮して液水になる場合があるが、本実施例では、第1気化器32を設けることによって、燃料ガス排出路62中の液水をすべて気化させている。したがって、第1気化器32における設定温度は、燃料電池15における発電量が想定される最大量となって、生成水量が最大となる場合であっても、燃料ガス排出路62中の水をすべて水蒸気にすることができる温度として設定されている。具体的には、第1気化器32における設定温度は、例えば100〜220℃の範囲の一定の温度とすることができる。本実施例では、第1気化器32の設定温度は200℃としている。なお、第1気化器32に供給される排出燃料ガスの流量や燃料電池15における発電量(発生する生成水量)に応じて、第1気化器32の設定温度を変更することも可能である。
The fuel
燃料ガス排出路62において、第1気化器32の下流側には、第2露点計34、第4圧力計35、第2流量計36が設けられている。第2露点計34は、第1露点計24と同様の構成を備えている。これら第2露点計34、第4圧力計35、第2流量計36によって、燃料ガス排出路62を流れる排出燃料ガスの、露点温度、圧力、流量がそれぞれ検出される。ここで、第2露点計34には、第1露点計24における第1露点計ヒータ82および第1温度センサ83と同様の、第2露点計ヒータ84および第2温度センサ85が併設されている。上記第2露点計ヒータ84によって、第2露点計34で露点温度が計測される燃料ガスが加熱されると共に、加熱された燃料ガスの温度が、第2温度センサ85によって検出される。このような燃料ガス排出路62において、第1気化器32と第2露点計34との間には、第2配管ヒータ33が設けられている。第2配管ヒータ33は、燃料ガス供給路60に設けた第1配管ヒータ23と同様の構成を有しており、第2露点計ヒータ84と共に、第2加熱部を形成している。第2加熱部は、第2加熱部によって加熱された排出燃料ガスが供給される第2露点計34の温度が、排出燃料ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第2露点計34における耐熱温度よりも低い温度となるように、排出燃料ガスを加熱している。第2加熱部における加熱の様子については、後に詳しく説明する。
In the fuel
また、燃料ガス排出路62から分岐して、第2露点計34、第4圧力計35、第2流量計36を経由することなく、燃料ガス排出路62の下流へと排出燃料ガスを導く排出燃料ガスバイパス路63が設けられている。この排出燃料ガスバイパス路63には、第2流量調整バルブ37が設けられている。このような排出燃料ガスバイパス路63を設けることにより、第1気化器32で液水の気化が行なわれた排出燃料ガスの一部は排出燃料ガスバイパス路63を流れ、第2露点計34、第4圧力計35および第2流量計36を経由する排出燃料ガス流量が抑制される。排出燃料ガスバイパス路63によって、第2露点計34等を経由する排出燃料ガス流量が抑制される構成については、後に詳しく説明する。
In addition, the fuel
燃料ガス排出路62において、第2流量計36よりも下流であって、排出燃料ガスバイパス路63との合流部よりも下流には、第1背圧弁38が設けられている。本実施例では、第3圧力計31の検出信号に基づいて第1背圧弁38の開度を調節することによって、燃料電池15内における燃料ガスの圧力を調節している。
In the fuel
酸化ガス供給部30は、燃料電池15のカソード側に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給するための装置である。酸化ガス供給部30は、例えば、空気を取り込んで圧縮するブロワによって構成することができる。
The oxidizing gas supply unit 30 is an apparatus for supplying an oxidizing gas containing oxygen to the cathode side of the
酸化ガス供給路64は、酸化ガス供給部40と燃料電池15とを接続するための流路である。酸化ガス供給路64には、第2マスフロメータ41が設けられており、この第2マスフロメータ41によって、燃料電池15に供給する酸化ガス流量を、加湿前のドライガスの状態で調節している。また、酸化ガス供給路64において、第2マスフロメータ41の下流側には、燃料ガス供給路60における第1加湿器22と同様の第2加湿器42が、三方弁69および第2加湿ガス分岐路81を介して設けられている。
The oxidizing
酸化ガス供給路64において、第2加湿器42の下流側には、燃料ガス供給路60に設けられたセンサと同様の、第3露点計44、第5圧力計45、第3流量計46が設けられている。これら第3露点計44、第5圧力計45、第3流量計46によって、酸化ガス供給路64を流れる加湿後の酸化ガスの、露点温度、圧力、流量がそれぞれ検出される。ここで、第3露点計44には、第1露点計24における第1露点計ヒータ82および第1温度センサ83と同様の、第3露点計ヒータ86および第3温度センサ87が併設されている。上記第3露点計ヒータ86によって、第3露点計44で露点温度が計測される酸化ガスが加熱されると共に、加熱された酸化ガスの温度が、第3温度センサ87によって検出される。このような酸化ガス供給路64において、第2加湿器42と第3露点計44との間には、第1配管ヒータ23と同様の第3配管ヒータ43が設けられている。この第3配管ヒータ43は、第3露点計ヒータ86と共に、第3加熱部を形成している。第3加熱部は、第3加熱部によって加熱された酸化ガスが供給される第3露点計44の温度が、供給酸化ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第3露点計44における耐熱温度よりも低い温度となるように、酸化ガスを加熱する。第3加熱部における加熱の様子については、後に詳しく説明する。
In the oxidizing
また、酸化ガス供給路64から分岐して、第3露点計44、第5圧力計45、第3流量計46を経由することなく、酸化ガス供給路64の下流へと酸化ガスを導く供給酸化ガスバイパス路65が設けられている。この供給酸化ガスバイパス路65には、第1流量調整バルブ27と同様の、第3流量調整バルブ47が設けられており、第3露点計44、第5圧力計45、第3流量計46が設けられた酸化ガス供給路64における酸化ガス流量が抑制される。供給酸化ガスバイパス路65によって、第3露点計44等を経由する供給酸化ガス流量が抑制される構成については、後に詳しく説明する。
Further, the supply oxidation that branches from the oxidizing
また、酸化ガス供給路64において、供給酸化ガスバイパス路65との合流部よりも下流には、第6圧力計48が設けられており、この第6圧力計48によって、燃料電池15に流入する酸化ガスの圧力が検出される。さらに、酸化ガス供給路64において、燃料電池15との接続部近傍には、第1温度調節部29と同様の第2温度調節部49が設けられており、この第2温度調節部49によって、燃料電池15に供給する酸化ガス温度を所望の温度に調節している。
Further, a
酸化ガス排出路66は、燃料電池15に接続されて、燃料電池15のカソードを経由して排出される排出酸化ガスが導入される流路である。酸化ガス排出路66には、第7圧力計51が設けられており、この第7圧力計51によって、燃料電池15から排出された排出酸化ガスの圧力が検出される。さらに、酸化ガス排出路66には、第7圧力計51よりも下流側に、第1気化器32と同様の第2気化器52が設けられており、この第2気化器52によって、酸化ガス排出路66中の液水をすべて気化させている。
The oxidizing
酸化ガス排出路66において、第2気化器52よりも下流側には、第4露点計54、第8圧力計55、第4流量計56が設けられている。これら第4露点計54、第8圧力計55、第4流量計56によって、酸化ガス排出路66を流れる排出酸化ガスの、露点温度、圧力、流量がそれぞれ検出される。ここで、第4露点計54には、第1露点計24における第1露点計ヒータ82および第1温度センサ83と同様の、第4露点計ヒータ88および第4温度センサ89が併設されている。上記第4露点計ヒータ88によって、第4露点計54で露点温度が計測される酸化ガスが加熱されると共に、加熱された酸化ガスの温度が、第4温度センサ89によって検出される。このような酸化ガス排出路66において、第2気化器52と第4露点計54との間には、第1配管ヒータ23と同様の第4配管ヒータ53が設けられている。この第4配管ヒータ53は、第4露点計ヒータ88と共に、第4加熱部を形成している。第4加熱部は、第4加熱部によって加熱された排出酸化ガスが供給される第4露点計54の温度が、排出酸化ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第4露点計54における耐熱温度よりも低い温度となるように、排出酸化ガスを加熱している。第4加熱部における加熱の様子については、後に詳しく説明する。
In the oxidizing
また、酸化ガス排出路66から分岐して、第4露点計54、第8圧力計55、第4流量計56を経由することなく、酸化ガス排出路66の下流へと排出酸化ガスを導く排出酸化ガスバイパス路67が設けられている。この排出酸化ガスバイパス路67には、第1流量調整バルブ27と同様の、第4流量調整バルブ57が設けられており、第4露点計54、第8圧力計55、第4流量計56が設けられた酸化ガス排出路66における排出酸化ガス流量が抑制される。排出酸化ガスバイパス路67によって、第4露点計54等を経由する排出酸化ガス流量が抑制される構成については、後に詳しく説明する。
Further, the exhaust gas is branched from the oxidant
酸化ガス排出路66において、第4流量計56よりも下流であって、排出酸化ガスバイパス路67との合流部よりも下流には、第2背圧弁58が設けられている。本実施例では、第7圧力計51の検出信号に基づいて第2背圧弁58の開度を調節することによって、燃料電池15内における酸化ガスの圧力を調節している。
In the oxidizing
制御部70は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、CPU、ROM、RAM、および、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部70は、露点計24,34,44,54、圧力計25,28,31,35,45,48,51,55、流量計26,36,46,56、温度センサ83,85,87,89が出力する検出信号や、評価の対象となる燃料電池15に係る情報(例えば、燃料電池15の運転温度を検出する図示しない温度センサの検出信号や、発電量として燃料電池15の出力電流値を検出する図示しない電流センサからの検出信号)を取得すると共に、マスフロメータ21,41や、背圧弁38,58など、燃料電池15の運転条件の調節に係る各部に対して駆動信号を出力する。また、各加熱部等に駆動信号を出力して、露点計24,34,44,54等が検出を行なう際の条件を調節する。このような制御部70は、燃料電池評価装置10および燃料電池15の各部の動きを制御すると共に、燃料電池15における運転条件に対応した燃料電池15内における水の挙動を評価する評価部としても機能する。
The
燃料電池評価装置10による評価の対象となる燃料電池15は、固体高分子型燃料電池が代表的であるが、固体酸化物型燃料電池など、他の形体の燃料電池にも適用可能である。燃料電池15は、発電の単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。燃料電池15の内部には、単セルの積層方向に平行に設けられ、各単セル内のガス流路に対してガスを給排する複数のマニホールドが設けられている。具体的には、各単セル内の燃料ガス流路に燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドと、各単セル内の燃料ガス流路から排出された燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドと、各単セル内の酸化ガス流路に酸化ガスを分配する酸化ガス供給マニホールドと、各単セル内の酸化ガス流路から排出された酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドと、が設けられている。
The
燃料電池評価装置10を用いて燃料電池15を評価する際には、燃料電池評価装置10が備えるガス流路と、評価対象である燃料電池15が備えるガスマニホールドとを接続する。すなわち、燃料ガス供給路60と燃料ガス供給マニホールドとの間、燃料ガス排出路62と燃料ガス排出マニホールドとの間、酸化ガス供給路64と酸化ガス供給マニホールドとの間、酸化ガス排出路66と酸化ガス排出マニホールドとの間、を、それぞれ接続する。
When the
B.供給ガスの加熱に係る動作:
既述したように、本実施例では、第1加熱部によって加熱された供給燃料ガスが流れる第1露点計24の温度が、供給燃料ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第1露点計24における耐熱温度よりも低い温度となるように、制御部70によって第1加熱部の加熱量の制御を行なう。また、第3加熱部によって加熱された供給酸化ガスが流れる第3露点計44の温度が、供給酸化ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第3露点計44における耐熱温度よりも低い温度となるように、制御部70によって第3加熱部の加熱量の制御を行なう。以下に、このような加熱部における加熱の動作について説明する。なお、以下では、燃料電池15に供給する燃料ガスを加熱する第1加熱部の動作について説明を行なうが、酸化ガスを加熱する第3加熱部における動作も同様である。
B. Operations related to heating of supply gas:
As described above, in the present embodiment, the temperature of the first
ここで、燃料ガスをすべて第1加湿器22に導いて加湿を行なう場合には、第1加湿器22から第1加熱部側へと排出される燃料ガスの温度と、この燃料ガスにおける露点温度は、第1加湿器22を構成するバブラの設定温度にほぼ等しくなる。したがって、本実施例では、バブラの設定温度を、第1加湿器22から排出される燃料ガスにおける予測される露点温度としている。ここで、第1加熱部で加熱された燃料ガスから熱の供給を受ける第1露点計24においては、第1露点計24に供給される燃料ガス中の水蒸気が凝縮することなく精度良く露点温度が検出されるように、燃料ガスにおける予測される露点温度(バブラ温度)よりも高い温度が目標温度とされる。具体的には、例えば、バブラにおける設定温度よりも5〜25℃高い温度であって、第1露点計24における耐熱温度よりも低い温度を、第1露点計24の目標温度とすればよい。本実施例では、第1露点計24の目標温度は、バブラにおける設定温度よりも20℃高い温度としている。第1加熱部においては、この第1加熱部において加熱した燃料ガスが有する熱によって第1露点計24を上記した目標温度とすることができるように、燃料ガスに対する加熱量の制御が行なわれる。
Here, when all the fuel gas is guided to the
第1露点計24は、第1露点計24に供給される燃料ガスによって加熱されるが、この第1露点計24に供給される燃料ガスは、第1露点計24に併設された第1露点計ヒータ82と、第1配管ヒータ23とによって加熱される。本実施例では、第1配管ヒータ23による加熱量は一定としており、第1露点計ヒータ82による加熱量が多いほど、第1露点計24の温度は高くなる。このとき、燃料ガスから第1露点計24に与えられる熱量は、燃料ガス流量が多いほど、また、第1露点計ヒータ82におけるヒータ制御温度(燃料ガスに対する加熱量)が高いほど、また、バブラ温度(加熱前の燃料ガス温度)が高いほど、多くなる。図2は、バブラ温度を所定の温度に設定したときの、燃料ガス流量(第1マスフロメータ21におけるドライガス流量)と、第1露点計ヒータ82におけるヒータ制御温度との関係を表わす説明図である。このように、ガス流量が多いほど露点計ヒータ制御温度を低く設定することにより、燃料ガスにより加熱される第1露点計24の温度を、既述した目標温度にすることが可能になる。本実施例では、このような燃料ガス流量と露点計ヒータ制御温度との関係を、バブラ温度ごとに予めマップとして制御部70内に記憶しており、制御部70が、バブラ温度とドライガス流量に基づいて上記マップを参照することによって、第1露点計ヒータ82におけるヒータ制御温度を決定し、第1露点計ヒータ82への通電量を制御している。ただし、実際にはバブラ温度ごとに膨大なマップを記憶しておくことは現実的ではないため、本実施例では、バブラ温度をある程度の範囲ごとに区切って、設定した範囲ごとにマップを用意している。このようなマップは、設定した範囲内でバブラ温度が変動し、さらに、燃料電池15の発電に係る他の条件が変動する場合であっても、第1露点計24の温度が、露点温度よりも高く第1露点計24の耐熱温度よりも低い状態を維持できるように、設定すればよい。なお、ここでは、第1配管ヒータ23による加熱量は、配管内で液水が凝縮しないように設定された一定量であり、第1露点計ヒータ82による燃料ガスに対する加熱によって、第1露点計24の温度を所望の温度に昇温させているため、第1露点計ヒータ82における制御温度は、第1露点計24の目標温度よりも高くなる。
The first
なお、第1配管ヒータ23は、既述したように、第1加湿器22と第1露点計24とを接続する流路全体を覆って設けられている。このように第1加湿器22と第1露点計24とを接続する流路全体で燃料ガスの加熱が行なわれるため、流路内で燃料ガス中の水蒸気が凝縮することが無く、第1加湿器22で付与された水蒸気量が維持された状態で、第1露点計24において燃料ガスの露点温度を計測することができる。
In addition, the
C.排出ガスの加熱に係る動作:
既述したように、本実施例では、第2加熱部によって加熱された排出燃料ガスが供給される第2露点計34の温度が、排出燃料ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第2露点計34における耐熱温度よりも低い温度となるように、制御部70によって第2加熱部の加熱量の制御を行なう。また、第4加熱部によって加熱された排出酸化ガスが供給される第4露点計54の温度が、排出酸化ガスにおいて予測される露点温度よりも高く第4露点計54における耐熱温度よりも低い温度となるように、制御部70によって第4加熱部の加熱量の制御を行なう。以下に、このような加熱部における加熱の動作について説明する。なお、以下では、排出燃料ガスを加熱する第2加熱部の動作について説明を行なうが、排出酸化ガスを加熱する第4加熱部における動作も同様である。
C. Operations related to exhaust gas heating:
As described above, in the present embodiment, the temperature of the second
ここで、排出燃料ガス中の水蒸気量は、燃料電池15に供給される燃料ガス中の水蒸気量に、燃料電池15内で付加された水蒸気量(電解質膜を介してカソード側から移動した生成水量)を加えた値となる。また、排出燃料ガスの流量は、燃料電池15に供給した燃料ガスの流量から、燃料電池15で発電のために消費された水素量を減じ、さらに燃料電池15内で付加された水蒸気量を加えた値となる。排出燃料ガス中の露点温度は、排出燃料ガス中の水蒸気量および排出燃料ガス流量の影響を受けるが、上記したように、排出燃料ガス中の水蒸気量および排出燃料ガス流量は、燃料電池15が発電する際の種々の条件によって変動する。そのため、排出燃料ガスによって加熱される第2露点計34の温度が排出燃料ガスの予測露点温度よりも高くなるように第2露点計34における目標温度を定める際には、本実施例では、燃料電池15における発電条件に基づいて、排出燃料ガスにおける露点温度の予測を行なっている。第2露点計34における目標温度は、予測した排出燃料ガスの露点温度よりも5〜25℃高い温度であって、第2露点計34における耐熱温度よりも低い温度とすればよい。本実施例では、第2露点計34の目標温度は、予測した排出燃料ガスの露点温度よりも20℃高い温度としている。第2加熱部においては、この第2加熱部において加熱した排出燃料ガスが有する熱によって第2露点計34を上記した目標温度とすることができるように、排出燃料ガスに対する加熱量の制御が行なわれる。
Here, the amount of water vapor in the exhausted fuel gas is the amount of water vapor added in the
排出ガスの露点温度の予測について、さらに説明する。図3は、燃料電池15に対して給排される燃料ガスと酸化ガスのそれぞれについて、流量および圧力の関係をまとめて示す説明図である。ガス流量の総量をQtotal、水蒸気量をQvapor、ドライガス流量をQdry、ガスの全圧をPtotal、水蒸気分圧をPvaporと表わしている。また、流量あるいは圧力に係る各値において、供給燃料ガスについては数字1を付し、排出燃料ガスについては数字2を付し、供給酸化ガスについては数字3を付し、排出酸化ガスについては数字4を付している。排出燃料ガス中の露点温度は、排出燃料ガス中の水蒸気分圧(Pvapor2)と、排出燃料ガスの圧力とから求めることができる。このようにして露点温度を予測する際に用いる排出燃料ガス中の水蒸気分圧(Pvapor2)は、排出燃料ガスの流量(Qtotal2)、排出燃料ガス中の水蒸気量(Qvapor2)、排出燃料ガスの全圧(Pvapor2)を用いて、以下の(1)式により求められる。
The prediction of the exhaust gas dew point temperature will be further described. FIG. 3 is an explanatory diagram collectively showing the relationship between the flow rate and the pressure for each of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to and discharged from the
Pvapor2=Ptotal2×Qvaper2/Qtotal2 …(1) Pvapor2 = Ptotal2 × Qvaper2 / Qtotal2 (1)
ここで、(1)式における排出燃料ガスの全圧(Ptotal2)は、第3圧力計31が検出した圧力を用いればよい。また、(1)式における排出燃料ガス中の水蒸気量(Qvapor2)は、既述したように、燃料電池15に供給された供給燃料ガス中の水蒸気量(Qvapor1)と、燃料電池15内で燃料ガスに付加された水蒸気量(Qadd1)との合計であり、以下の(2)式により求めることができる。
Here, the pressure detected by the
Qvapor2=Qvapor1 + Qadd1 …(2) Qvapor2 = Qvapor1 + Qadd1 (2)
(2)式における供給燃料ガス中の水蒸気量(Qvapor1)は、供給燃料ガス中の水蒸気分圧(Pvapor1)と、第2圧力計28が検出した供給燃料ガスの全圧(Ptotal1)と、第1マスフロメータ21における供給燃料ガスのドライガス流量(Qdry1)と、に基づいて、以下の(3)式により求めることができる。ここで、ガス中の水蒸気分圧は、ガスの露点温度とガス圧とに基づいて求めることができる値であり、制御部70は、第1露点計24が検出した露点温度および第1圧力計25が検出した第1露点計24における圧力を取得して、供給燃料ガス中の水蒸気分圧(Pvapor1)を導出する。
The amount of water vapor (Qvapor1) in the supplied fuel gas in the equation (2) is the water vapor partial pressure (Pvapor1) in the supplied fuel gas, the total pressure (Ptotal1) of the supplied fuel gas detected by the
Qvapor1=Qdry1×Pvapor1/(Ptotal1−Pvapor1) …(3) Qvapor1 = Qdry1 × Pvapor1 / (Ptotal1-Pvapor1) (3)
また、(2)式における燃料電池15内で燃料ガスに付加された水蒸気量(Qadd1)は、燃料電池15で生じた生成水量と、燃料電池15内における水の分配割合とに基づいて求めることができる。すなわち、燃料電池15内で生じた生成水のうち、所定の割合でカソード側からアノード側へと分配された生成水の量が、燃料電池15内で燃料ガスに付加された水蒸気量(Qadd1)となる。ここで、上記燃料電池15で生じた生成水量は、燃料電池15における発電量(電流密度)に基づいて算出することができる。燃料電池15における発電量は、燃料電池15に接続された負荷における負荷要求の大きさとして取得しても良いし、図示しない電流計により燃料電池15の出力電流を検出することにより取得しても良い。また、上記燃料電池15内における水の分配割合は、例えば、予め定めて制御部70に記憶しておくこととすれば良い。予め定めて記憶しておく分配割合は、例えば、予備的な実験を予め行なうことにより求めることができる。あるいは、燃料電池評価装置10を用いた評価を行なう際に、使用者により任意の数値を入力することとしても良い。なお、本実施例の燃料電池評価装置10は、後述するように、供給ガス中の水分量と排出ガス中の水分量とを実際に測定することによって、燃料電池の運転条件と燃料電池の膜−電極接合体(MEA)における水の挙動との関係を評価する装置であり、評価の過程において水の分配割合を求めている。したがって、上記した(3)式に基づく処理において、燃料電池15内で燃料ガスに付加された水蒸気量(Qadd1)を求めるために用いる水の分配割合は、評価に伴って得られる値を用いて補正を行なっても良い。
Further, the amount of water vapor (Qadd1) added to the fuel gas in the
(1)式に戻って、(1)式における排出燃料ガスの流量(Qtotal2)は、燃料ガス排出路62において例えば第3圧力計31の近傍に流量計をさらに設け、排出燃料ガス流量(Qtotal2)を実測することとしても良い。あるいは、供給燃料ガス流量(Qtotal1)と、燃料電池15における消費水素量(QconH)と、燃料電池15内で燃料ガスに付加された水蒸気量(Qadd1)とを用いて、以下の(4)式により算出しても良い。
Returning to the equation (1), the flow rate (Qtotal2) of the discharged fuel gas in the equation (1) is further provided with a flow meter, for example, in the vicinity of the
Qtotal2=Qtotal1 − QconH + Qadd1 …(4) Qtotal2 = Qtotal1-QconH + Qadd1 (4)
この(4)式において、供給燃料ガス流量(Qtotal1)は、以下の(5)式に示すように、第1マスフロメータ21における供給燃料ガスのドライガス流量(Qdry1)と、既述した(3)式に基づいて求められる供給燃料ガス中の水蒸気量(Qvapor1)との和として求めることができる。また、(4)式において、燃料電池15における消費水素量(QconH)は、燃料電池15における発電量(電流密度)に基づいて求めることができる。また、(4)式において、燃料電池15内で燃料ガスに付加された水蒸気量(Qadd1)は、既述したように、燃料電池15で生じた生成水量と、燃料電池15内における水の分配割合とに基づいて求めることができる。
In the equation (4), the supply fuel gas flow rate (Qtotal1) is the dry gas flow rate (Qdry1) of the supply fuel gas in the first
Qtotal1=Qdry1 + Qvapor1 …(5) Qtotal1 = Qdry1 + Qvapor1 (5)
本実施例では、このようにして(1)式に基づいて求めた排出燃料ガス中の水蒸気分圧(Pvapor2)と、第3圧力計45が検出した圧力(第2露点計34における排出燃料ガスの圧力)とに基づいて、第2露点計34における露点温度を予測する。そして、このようにして予測した第2露点計34における露点温度よりも20℃高い温度を、排出燃料ガスによって加熱される第2露点計34の目標温度としている。
In the present embodiment, the partial pressure of water vapor (Pvapor2) in the exhausted fuel gas thus obtained based on the formula (1) and the pressure detected by the third pressure gauge 45 (exhaust fuel gas in the second dew point meter 34). The dew point temperature in the second
第2露点計34は、第2露点計34に供給される排出燃料ガスによって加熱されるが、この第2露点計34に供給される排出燃料ガスは、第2露点計34に併設された第2露点計ヒータ84と、第2配管ヒータ33とによって加熱される。本実施例では、第2配管ヒータ33による加熱量は一定としており、第2露点計ヒータ84による加熱量が多いほど、第2露点計34の温度は高くなる。このとき、排出燃料ガスから第2露点計34に与えられる熱量は、排出燃料ガス流量が多いほど、また、第2露点計ヒータ84におけるヒータ制御温度(排出燃料ガスに対する加熱量)が高いほど、多くなる。図4は、排出燃料ガス流量(Qtotal2)と、第2露点計ヒータ84におけるヒータ制御温度との関係を表わす説明図である。既述したように、排出燃料ガス流量(Qtotal2)は、実測値であっても良く、理論的に算出した値であっても良い。このように、ガス流量が多いほど露点計ヒータ制御温度を低く設定することにより、第2露点計34における温度を、所定の目標温度にすることができる。本実施例では、このような排出燃料ガス流量と露点計ヒータ制御温度との関係を、予測される露点温度ごとに予めマップとして制御部70内に記憶しており、排出燃料ガス流量に基づいて上記マップを参照することによって、第2露点計ヒータ84におけるヒータ制御温度を決定し、第2露点計ヒータ84への通電量を制御している。ただし、実際には予測される露点温度ごとに膨大なマップを記憶しておくことは現実的ではないため、本実施例では、予測される露点温度をある程度の範囲ごとに区切って、設定した範囲ごとにマップを用意している。このようなマップは、設定した範囲内で露点温度が変動し、さらに、燃料電池15の発電に係る他の条件が変動する場合であっても、第2露点計34の温度が、露点温度よりも高く第2露点計34の耐熱温度よりも低い状態を維持できるように、設定すればよい。なお、ここでは、第2配管ヒータ33による加熱量は、配管内で液水が凝縮しないように設定された一定量であり、第2露点計ヒータ84による排出燃料ガスに対する加熱によって、第2露点計34の温度を所望の温度に昇温させているため、第2露点計ヒータ84における制御温度は、第2露点計34の目標温度よりも高くなる。また、第1気化器32における設定温度を、燃料電池15で発生する生成水量(燃料電池15における発電量)等に応じて変更する場合には、第1気化器32の設定温度が高いほど、排出燃料ガスから第2露点計34に与えられる熱量が多くなる。したがって、このような場合には、第2露点計ヒータ84におけるヒータ制御温度を決定する際には、さらに第1気化器32の設定温度を考慮すれば良い。
The second
なお、第2配管ヒータ33は、既述したように、第1気化器32と第2露点計34とを接続する流路全体を覆って設けられている。このように第1気化器32と第2露点計34とを接続する流路全体で排出燃料ガスの加熱が行なわれるため、流路内で排出燃料ガス中の水蒸気が凝縮することが無く、第1気化器32で水の全量が気化された水蒸気量が維持された状態で、第2露点計34において排出燃料ガスの露点温度を計測することができる。
As described above, the
D.露点温度低下時の動作:
既述した供給ガスの加熱に係る動作および排出ガスの加熱に係る動作の説明では、各露点計の温度が、各ガスにおける予測される露点温度よりも高くなるように各加熱部におけるヒータ制御温度を設定することにより、ガス中の湿度が高まる場合であっても、各露点計において正確に露点温度を計測可能にしている。ここで、燃料電池15の運転条件によっては、各露点計で計測すべきガスの露点温度が、予測を超えて大きく低下する場合も考えられる。ガスの露点温度が、露点計の温度に比較して低すぎる場合には、露点計における露点温度検出の精度が低下する可能性がある。本実施例では、このようにガスの露点温度が予測を超えて変化する場合には、各露点計の上流側に設けた加熱部における加熱の程度を変更することにより、露点計における検出精度の確保を図っている。以下に、露点計で検出される露点温度が変化する際の、加熱部における加熱量の補正の動作について説明する。
D. Operation when dew point temperature drops:
In the description of the operation related to the heating of the supply gas and the operation related to the heating of the exhaust gas described above, the heater control temperature in each heating unit is set so that the temperature of each dew point meter is higher than the predicted dew point temperature in each gas. By setting, the dew point temperature can be accurately measured in each dew point meter even when the humidity in the gas increases. Here, depending on the operating conditions of the
露点計においては、一般に、その動作原理に応じて、精度良く露点温度を検出可能となるガス温度の下限値がある。図5は、鏡面式露点計である第1露点計24の概略構成を表わす説明図であるが、燃料電池評価装置10が備える他の露点計も、同様の構成を備えている。第1露点計24は、発光素子90と、受光素子91と、ミラー92と、ペルチェ素子93とを備える。発光素子90および受光素子91は、計測対象ガス(ここでは燃料ガス)が供給されるサンプリングチャンバSCを挟んで、ミラー92と対向するように配置されている。具体的には、発光素子90は、ミラー92の鏡面に向かって光を射出可能なように配置されており、受光素子91は、ミラー92の鏡面によって反射された発光素子90の射出光を受光できる位置に配置されている。ミラー92は、その一方の面が鏡面として形成されて、サンプリングチャンバSCに供給される燃料ガスに曝されるように配置されている。ペルチェ素子93は、ミラー92における鏡面とは異なる面側に配置されており、制御部70からの信号により、ミラー92の冷却を行なう。このような第1露点計24では、ペルチェ素子93によって冷却されるミラー92の鏡面に燃料ガス中の水蒸気が結露するのを、発光素子90および受光素子91によって光学的に検出する。すなわち、ミラー92の鏡面上に結露が開始されるときの鏡面温度を、燃料ガスの露点温度として検出する。このように、鏡面式露点計では、ペルチェ素子93がミラー92を冷却してガス中の水蒸気を結露させることによって露点温度を検出するため、ペルチェ素子の冷却能力を超えて露点温度が低い場合には、露点温度を正確に検出できない場合が生じ得る。すなわち、ガスの露点温度が、検出対象のガスをペルチェ素子によって冷却可能な温度よりも低い場合には、露点計によってガスの露点温度を正確に検出できない可能性がある。
In general, a dew point meter has a lower limit value of the gas temperature at which the dew point temperature can be accurately detected according to the operating principle. FIG. 5 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the first
図6は、燃料電池評価装置10を用いて燃料電池15の評価を行なう際に、制御部70において所定時間ごとに繰り返し実行されるヒータ制御温度補正処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが実行されると、制御部70は、まず、マップを参照して(第1露点計24および第3露点計34に係る制御の際には図2に示したマップに従い、第2露点計34および第4露点計54に係る制御の際には図4に示したマップに従って)露点計ヒータ制御温度Tcを求める(ステップS100)。次に、制御部70は、各露点計が検出する露点温度Tdと、各露点計に併設された温度センサの検出値(以下、露点計温度Tsと呼ぶ)とを取得する(ステップS105)。なお、以下の説明では、第1露点計24と第1温度センサ83とを例に挙げて説明するが、他の露点計および温度センサの組み合わせにおいても、それぞれ同様の制御を行なう。
FIG. 6 is a flowchart showing a heater control temperature correction processing routine that is repeatedly executed by the
次に、制御部70は、現在の第1露点計24において精度良く測定可能な露点温度の下限値Tdminを算出する(ステップS110)。ここで、下限値Tdminは、検出した露点計温度Tsから、第1露点計24が備えるペルチェ素子における冷却可能温度を減算することによって求められる。ペルチェ素子による冷却能力は、一般に40〜50℃であり、冷却可能温度を50℃とすると、ステップS105で取得された露点計温度Tsが90℃である場合には、下限値Tdminは、40℃(=90℃−50℃)となる。
Next, the
次に、制御部70は、ステップS105で取得した露点温度Tdと、ステップS110で算出した下限値Tdminとを比較する(ステップS120)。露点温度Tdが、下限値Tdmin以上である場合には、第1露点計24が、精度良く露点温度Tdを検出できる温度条件であると判断することができる。ステップS120において、露点温度Tdが下限温度Tdmin以上である場合には、制御部70は、加熱部が備える露点計ヒータの制御温度の補正が既に行なわれているか否かを判断する(ステップS130)。露点計ヒータ制御温度の補正については、後に説明する。
Next, the
ステップS130において、露点計ヒータ制御温度の補正が行なわれていないと判断される場合には、制御部70は、ステップS100で求めた露点計ヒータ制御温度Tcを維持して(ステップS140)、この露点計ヒータ制御温度Tcに基づいて、第1露点計ヒータ82への通電量を制御して(ステップS210)、本ルーチンを終了する。ステップS130において、ヒータ制御温度の補正が行なわれていると判断されたときの動作については、後述する。
If it is determined in step S130 that the dew point meter heater control temperature is not corrected, the
ステップS120において、露点温度Tdが、下限値Tdmin未満である場合には、第1露点計24が、精度良く検出できる下限の露点温度よりも低い露点温度を検出していることになる。そこで、次に制御部70は、露点温度Tdが、(下限値Tdmin−10℃)以上であるか否かを判断する(ステップS160)。露点温度Tdが、(下限値Tdmin−10℃)以上である場合には、制御部70は、ステップS100で求めた露点計ヒータ制御温度Tcに対する補正量を1段階上げて露点計ヒータ制御温度を設定し(ステップS170)、第1露点計ヒータ82への通電量を制御して(ステップS210)、本ルーチンを終了する。
In step S120, if the dew point temperature Td is less than the lower limit value Tdmin, the first
ここで、図2のマップから求められる露点計ヒータ制御温度Tcに対する補正のパターンについて説明する。本実施例では、検出した露点温度Tdが下限値Tdminを下回るときには、マップから求められる露点計ヒータ制御温度Tcよりも低い温度を露点計ヒータ制御温度として設定する補正を行なっており、このような補正の段階として、3段階を用意している。具体的には、実際に設定する露点計ヒータ制御温度を、マップから求められる露点計ヒータ制御温度Tcよりも20℃低くする第1の補正と、30℃低くする第2の補正と、40℃低くする第3の補正という3段階の補正パターンを用意している。上記ステップS170において補正量を1段階上げる際には、例えば、その時点で補正を行なっていない場合には、露点計ヒータ制御温度を、マップから求められる露点計ヒータ制御温度Tcよりも20℃低くする第1の補正パターンを選択する。既に補正を行なっている場合には、既に行なっている補正が第1の補正パターンである場合には第2の補正パターンへ、第2の補正パターンである場合には第3の補正パターンへと、露点計ヒータ制御温度の設定のための補正パターンを変更する。 Here, a correction pattern for the dew point heater control temperature Tc obtained from the map of FIG. 2 will be described. In this embodiment, when the detected dew point temperature Td falls below the lower limit value Tdmin, correction is performed to set a temperature lower than the dew point meter heater control temperature Tc obtained from the map as the dew point meter heater control temperature. Three stages are prepared as correction stages. Specifically, a first correction for lowering the dew point heater control temperature actually set by 20 ° C. from the dew point meter heater control temperature Tc obtained from the map, a second correction for lowering by 30 ° C., and 40 ° C. A three-stage correction pattern is prepared as a third correction to be lowered. When the correction amount is increased by one step in step S170, for example, when correction is not performed at that time, the dew point meter heater control temperature is 20 ° C. lower than the dew point meter heater control temperature Tc obtained from the map. The first correction pattern to be selected is selected. When the correction has already been performed, if the correction that has already been performed is the first correction pattern, the second correction pattern is used. If the correction is already performed, the third correction pattern is used. The correction pattern for setting the dew point heater control temperature is changed.
ステップS160において、露点温度Tdが、(下限値Tdmin−10℃)未満であると判断された場合には、制御部70は、露点温度Tdが、(下限値Tdmin−20℃)以上であるか否かを判断する(ステップS180)。露点温度Tdが、(下限値Tdmin−20℃)以上である場合には、制御部70は、ステップS100で求めた露点計ヒータ制御温度Tcに対する補正量を2段階上げて露点計ヒータ制御温度を設定し(ステップS190)、第1露点計ヒータ82への通電量を制御して(ステップS210)、本ルーチンを終了する。補正量を2段階上げるとは、例えば、その時点で補正を行なっていない場合には、ヒータ制御温度をマップから求められる露点計ヒータ制御温度Tcよりも30℃低くする第2の補正パターンを選択する。既に第1の補正パターンで補正を行なっている場合には、第3の補正パターンへと、露点計ヒータ制御温度の設定のための補正パターンを変更する。
If it is determined in step S160 that the dew point temperature Td is lower than (lower limit value Tdmin-10 ° C.), the
ステップS180において、露点温度Tdが、(下限値Tdmin−20℃)未満であると判断される場合には、制御部70は、ステップS100で求めた露点計ヒータ制御温度Tcに対する補正量を3段階上げて露点計ヒータ制御温度を設定し(ステップS200)、第1露点計ヒータ82への通電量を制御して(ステップS210)、本ルーチンを終了する。補正量を3段階上げるとは、その時点で補正を行なっていない場合には、露点計ヒータ制御温度をマップから求められるヒータ制御温度Tcよりも40℃低くする第3の補正パターンを選択する。
When it is determined in step S180 that the dew point temperature Td is less than (lower limit value Tdmin-20 ° C.), the
このように、露点計が検出した露点温度Tdが、露点計において精度良く検出できる下限値Tdminを下回るときには、露点計ヒータ制御温度をより低く補正するため、露点計内を流れるガスの温度が低下し、ガスから露点計に供給される熱量が減少する。これにより、露点計温度Tsが低下するため、露点計温度Tsからペルチェ素子による冷却可能温度を減算した下限値Tdminの値も低下する。したがって、ガスの露点温度が低い場合であっても、露点計によって精度良く露点温度を検出可能な状態に近づく。なお、本実施例では、マップから求められる露点計ヒータ制御温度Tcに対する補正量の上限値を、−40℃に設定しており、また、露点温度Tdと下限値Tdminとの差の大きさを10℃ずつ区切ることにより3段階の補正パターンを用意しているが、このような補正量の上限値や、補正パターンを変更するための基準の値、あるいは補正パターンの数は、燃料電池評価装置の特性等に応じて適宜設定すればよい。 In this way, when the dew point temperature Td detected by the dew point meter is below the lower limit value Tdmin that can be accurately detected by the dew point meter, the temperature of the gas flowing in the dew point meter is lowered in order to correct the dew point meter heater control temperature lower. In addition, the amount of heat supplied from the gas to the dew point meter decreases. Thereby, since the dew point meter temperature Ts is lowered, the value of the lower limit value Tdmin obtained by subtracting the coolable temperature by the Peltier element from the dew point meter temperature Ts is also lowered. Therefore, even when the dew point temperature of the gas is low, the dew point temperature is close to a state where the dew point temperature can be detected with high accuracy. In this embodiment, the upper limit value of the correction amount for the dew point meter heater control temperature Tc obtained from the map is set to −40 ° C., and the magnitude of the difference between the dew point temperature Td and the lower limit value Tdmin is set. Three stages of correction patterns are prepared by dividing each by 10 ° C. The upper limit value of the correction amount, the reference value for changing the correction pattern, or the number of correction patterns is determined by the fuel cell evaluation device. What is necessary is just to set suitably according to the characteristic of this.
ステップS120において露点温度Tdが下限値Tdmin以上と判断され、ステップS130において、露点計ヒータ制御温度の補正が既に行なわれていると判断されたときには、制御部70は、ステップS100で求めた露点計ヒータ制御温度Tcに対する補正量を1段階下げて露点計ヒータ制御温度を設定し(ステップ150)、第1露点計ヒータ82への通電量を制御して(ステップS210)、本ルーチンを終了する。これにより、燃料電池15の運転条件の変動の影響が小さくなったときには、定常運転時における制御状態に近づけることができる。
If it is determined in step S120 that the dew point temperature Td is equal to or higher than the lower limit value Tdmin, and it is determined in step S130 that the dew point meter heater control temperature has already been corrected, the
E.露点計に流入するガス流速の調整:
既述したように、燃料ガス供給路60から分岐して設けられた供給燃料ガスバイパス路61には第1流量調整バルブ27が設けられ、燃料ガス排出路62から分岐して設けられた排出燃料ガスバイパス路63には第2流量調整バルブ37が設けられ、酸化ガス供給路64から分岐して設けられた供給酸化ガスバイパス路65には第3流量調整バルブ47が設けられ、酸化ガス排出路66から分岐して設けられた排出酸化ガスバイパス路67には第4流量調整バルブ57が設けられている。上記した各バイパス路を設けることによって、第1ないし第4露点計を設けた流路を流れるガス流量が抑制され、各々の露点計に流入するガス流速が抑えられる。以下に、このような流量調整バルブを備えるバイパス流路を用いたガス流速の調整について説明する。なお、以下では、供給燃料ガスが流れる供給燃料ガスバイパス路61と、この流路に設けられた第1流量調整バルブ27について説明を行なうが、他のバイパス流路および流量調整バルブにおける動作も同様である。
E. Adjusting the gas flow rate into the dew point meter:
As described above, the supply fuel
ここで、供給燃料ガスバイパス路61が備える第1流量調整バルブ27における開度は、第1露点計24を流れる燃料ガスの流速が、第1露点計23における検出の精度を確保するために許容できる上限を超えないように設定されている。本実施例では、燃料電池15における発電の条件が変動して、第1気化器32から排出される排出燃料ガス量が変動する場合であっても、第1露点計23を流れる燃料ガスの流速が上記上限を超えないように、第1流量調整バルブ27の開度が一定の開度に固定されている。
Here, the opening degree of the first flow
第1露点計24における検出の精度を確保するために許容できる上限の燃料ガスの流速とは、用いる露点計によって定まる値である。以下に、本実施例で第1露点計24として用いる鏡面式露点計における許容できる上限の燃料ガスの流速について説明する。図5に基づいて既に説明したように、露点温度を検出する際には、ミラー92の鏡面上で結露が発生し始める状態で気化と凝縮が平衡状態となるように、ペルチェ素子93による冷却状態を制御しながら、すなわち水バランスおよび熱バランスを維持した状態で、露点温度の測定を行なう。このような露点計において、計測対象となる燃料ガスの流速が速すぎる場合には、サンプリングチャンバSC内でいわゆる吹き飛ばし(凝縮した液水が速いガス流れによって吹き飛ばされる現象)が生じ、水バランスおよび熱バランスを維持した平衡状態が崩れ、露点計測の精度が不十分となる可能性がある。上記した上限の燃料ガスの流速とは、このような検出精度の低下を充分に抑制できる燃料ガスの流速の上限として設定される値である。本実施例では、燃料電池15における発電の条件が変動して、マスフロメータ21における供給燃料ガス流量や加湿器22における加湿量、あるいは背圧弁38によって調節される燃料電池内部の圧力が変化する場合であっても、第1露点計23におけるガス流速が上記上限値を超えないように、第1流量調整バルブ27の開度が一定の開度に固定されている。なお、鏡面式露点計に代えて、異なる方式の湿度センサを用いる場合にも、それぞれの検出原理等に応じて、用いる湿度センサごとに、許容できるガス流速の上限を定めればよい。
The upper limit of the flow rate of the fuel gas that is acceptable for ensuring the detection accuracy in the first
ここで、ガスの流速とは、ガス流量を流路断面積で除することによって得られる値である。本実施例では、第1加湿器22から排出される燃料ガスの流量は、燃料電池15を評価するための条件に基づいて設定される、第1マスフロメータ21からの供給ガス流量および第1加湿器22における加湿量によって定まる。また、燃料ガスの流路断面積は、第1露点計24が配置された燃料ガス供給路60の断面積と、供給燃料ガスバイパス路61断面積の合計となる。このように、本実施例では、供給燃料ガスバイパス路61を設けて燃料ガス流路の断面積を増加させることにより、第1露点計24に流入する燃料ガスの流速を抑制することが可能となっている。換言すれば、本実施例では、供給燃料ガスバイパス路61を設けて、第1露点計24が設けられた燃料ガス供給路60を流れるガス流量を減少させることにより、第1露点計24に流入する燃料ガスの流速を抑制することが可能になっている。
Here, the gas flow velocity is a value obtained by dividing the gas flow rate by the flow path cross-sectional area. In the present embodiment, the flow rate of the fuel gas discharged from the
さらに本実施例では、流路を分岐させて流路断面積を増加させることによって第1露点計24に流入する燃料ガスの流速を抑えることに加えて、分岐させた流路に第1流量調整バルブ27を設けることによって、燃料ガス供給路60と供給燃料ガスバイパス路61とに分配される燃料ガスの分配状態を、所望の状態にすることが可能となっている。燃料ガス供給路60には、第1露点計24の他にも、第1圧力計25や第1流量計26が設けられており、それぞれのセンサには、充分な検出精度を実現可能となる望ましいガス流速やガス流量がある。本実施例では、第1流量調整バルブ27の開度を設定して、燃料ガス供給路60を流れるガスの流速や流量が、上記した各センサに対応した望ましい範囲となるように、燃料ガスの分配状態を調整している。
Furthermore, in this embodiment, in addition to suppressing the flow rate of the fuel gas flowing into the first
なお、流路断面積を増加させることによる第1露点計24でのガス流速の抑制は、第1流量調整バルブ27を設けることなく、分岐させる流路の数を単に増加させることによっても実現可能である。ただしこの場合には、流路断面積は、分岐した個々の流路の断面積を合計した値となるため、分岐させる流路の本数に応じた不連続な値としてしか変化させることができない。したがって、各センサが設けられた流路における燃料ガスの分配割合も、分岐させる流路の本数に応じた不連続な値としてしか変化させることができない。これに対して本実施例では、第1流量調整バルブ27の開度によって供給燃料ガスバイパス路61における圧損を調節することで、燃料ガス供給路60と供給燃料ガスバイパス路61との間のガスの分配割合を調節可能となり、各センサが設けられた燃料ガス供給路60における流量を連続的な値として変化させることができる。これにより、各センサにおけるガス流量を、より望ましい値に近づけることが可能になる。
In addition, suppression of the gas flow rate in the first
ここで、各センサが設けられた燃料ガス供給路60におけるガス流速を抑えると共に、ガス流量を連続的に制御するためには、例えば、燃料ガス供給路60にバイパス路を設けることなく、燃料ガス供給路60に流量調整バルブを設ける構成も可能である。ただしこの場合には、ガスの全量が通過する流量調整バルブにおいて、圧損が高まることになるため、燃料電池15に供給するガス流量や燃料電池内部の圧力が影響を受けてしまい、燃料電池評価装置全体における燃料電池の運転条件の制御が困難になる。これに対して、本実施例では、流量調整バルブ27を供給燃料ガスバイパス路61に設けているため、流量調整バルブ27に起因する圧損増加の影響を抑えつつ、各センサにおける燃料ガスの流速及び流量を調整することが可能になる。
Here, in order to control the gas flow rate in the fuel
なお、第1流量調整バルブ27の開度は、既述したように一定の開度に固定する構成とする他、供給燃料ガス量に応じて制御しても良い。すなわち、第1加湿器22を経由した燃料ガスの流量が多いほど、第1流量調整バルブ27の開度を大きくして、供給燃料ガスバイパス路61における流路抵抗を小さくし、第1露点計24を流れる燃料ガスの流速の高まりを抑えることとしても良い。あるいは、第1加湿器22を経由した燃料ガスの全量を第1露点計24側に流しても、燃料ガスの流速が上限以下になる場合には、第1流量調整バルブ27を閉弁することとしても良い。
In addition, the opening degree of the first flow
また、本実施例では、第1露点計24および供給燃料ガスバイパス路61に分配される燃料ガスの流量を調整する流量調整部として、第1流量調整バルブ27を設けたが、上記流量調整部は、さらに異なる構成としても良い。例えば、第1露点計24に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給路60と、供給燃料ガスバイパス路61と、の接続部において、流量調整部としての三方弁を設け、この三方弁の開度を調節することにより、第1露点計24および供給燃料ガスバイパス路61に分配される燃料ガスの流量を調整しても良い。第1露点計24に供給される燃料ガスの流速が、第1露点計24が許容する上限値以下になるように燃料ガスの流れを調整することができれば、同様の効果が得られる。
In this embodiment, the first flow
F.評価に係る動作:
燃料電池評価装置10は、燃料電池15内を流れるガスに係る運転条件と、燃料電池15内における水の挙動との関係を評価するための装置である。ここで、燃料電池の性能を評価する際には、一般に、出力電流値に対する出力電圧値の測定が行なわれる。所定の電流値に対して出力電圧値が高いほど、電池性能が優れていると判断できる。このような出力電圧値の低下を引き起こす要因としては、種々の要因が考えられ、例えば、内部抵抗の増大や、ガス利用率の低下を挙げることができる。燃料電池の内部抵抗の増大は、例えば、燃料電池の構成部材における内部抵抗の増大や、燃料電池の構成部材間における接触抵抗の増大によって引き起こされる。また、ガス利用率の低下は、例えば、電解質膜上に存在する過剰な液水によって引き起こされる。上記した電池性能の低下を引き起こす種々の要因の中でも、燃料電池の構成部材である電解質膜における内部抵抗の増大は、電解質膜の水分不足によって引き起こされるものであり、電解質膜上に存在する過剰な液水の問題と共に、電解質膜内における水の移動に関わる問題である。燃料電池の評価を行なう際に、本実施例の燃料電池評価装置10を用いて、燃料電池内における水の挙動を調べることにより、電池性能に関わる問題のうち、燃料電池内部での水の移動に係る問題を明らかにすることができる。
F. Operations related to evaluation:
The fuel
燃料電池15内における水の挙動は、燃料電池15に供給されるガス中の水分量と、燃料電池15から排出されるガス中の水分量と、発電に伴って燃料電池15内で発生した生成水量と、に基づいて判断される。燃料電池においては、通常は、一定の条件下で発電を継続して行なうと、燃料電池に供給されるガス中の水分量および発電に伴って生じた生成水量の総量と、燃料電池から排出されるガス中の水分量と、が釣り合う定常状態に達する。本実施例の燃料電池評価装置10では、例えば、このような定常状態における燃料電池内の水の挙動、具体的には電解質膜内をカソード側からアノード側へと移動する水の挙動を解析することにより、燃料電池の性能を評価することができる。
The behavior of water in the
以下に、燃料電池評価装置10が、燃料電池15内における水の挙動を解析する動作について説明する。燃料電池15内における水の挙動を解析する際には、燃料電池15における生成水量の導出と、供給水分量の導出と、排出水分量の導出と、水の分配割合の導出を行なう。
Below, the operation | movement which the fuel
燃料電池15における生成水量の導出は、既述したように、燃料電池15における発電量(具体的には、燃料電池15における出力電流値)に基づいて、理論的に求めることができる。
The derivation of the generated water amount in the
燃料電池における供給水分量の導出は、燃料電池15に供給される燃料ガス中の水蒸気量(Qvapor1)と、燃料電池15に供給される酸化ガス中の水蒸気量(Qvapor3)とを合算することにより行なわれる。ここで、燃料電池15に供給される供給燃料ガス中の水蒸気量(Qvapor1)は、既述したように、第1露点計24が検出した露点温度および第1圧力計25が検出した第1露点計24における燃料ガス圧力から求められる供給燃料ガス中の水蒸気分圧(Pvapor1)と、第2圧力計28が検出した供給燃料ガスの全圧(Ptotal1)と、第1マスフロメータ21における供給燃料ガスのドライガス流量(Qdry1)に基づいて、(3)式により求めることができる。同様に、燃料電池15に供給される供給酸化ガス中の水蒸気量(Qvapor3)は、第3露点計44が検出した露点温度および第5圧力計45が検出した第3露点計44における酸化ガス圧力から求められる供給酸化ガス中の水蒸気分圧(Pvapor3)と、第6圧力計48が検出した供給酸化ガスの全圧(Ptotal3)と、第2マスフロメータ41における供給酸化ガスのドライガス流量(Qdry3)に基づいて、以下の(6)式により求めることができる。
The amount of water supply in the fuel cell is derived by adding the amount of water vapor (Qvapor1) in the fuel gas supplied to the
Qvapor3=Qdry3×Pvapor3/(Ptotal3−Pvapor3) …(6) Qvapor3 = Qdry3 × Pvapor3 / (Ptotal3−Pvapor3) (6)
燃料電池15における排出水分量の導出は、燃料電池15から排出される排出燃料ガス中の水蒸気量(Qvapor2)と、燃料電池15から排出される排出酸化ガス中の水蒸気量(Qvapor4)とを合算することにより行なわれる。ここで、燃料電池15から排出される排出燃料ガス中の水蒸気量(Qvapor2)は、第2露点計34が検出した露点温度および第4圧力計35が検出した第2露点計34における排出燃料ガス圧力から求められる排出燃料ガス中の水蒸気分圧(Pvapor2)と、第3圧力計31が検出した排出燃料ガスの全圧(Ptotal2)と、排出燃料ガスのドライガス流量(Qdry2)に基づいて、以下の(7)式により求めることができる。ここで、(7)式における排出燃料ガスのドライガス流量(Qdry2)は、以下の(8)式に示すように、第1マスフロメータ21における供給燃料ガスのドライガス流量(Qdry1)から、燃料電池15において発電によって消費された水素量(QconH)を減算することによって求められる。この燃料電池15における消費水素量(QconH)は、既述したように、燃料電池15における発電量(電流密度)に基づいて求めることができる。
Derivation of the amount of moisture discharged from the
Qvapor2=Qdry2×Pvapor2/(Ptotal2−Pvapor2) …(7)
Qdry2=Qdry1 − QconH …(8)
Qvapor2 = Qdry2 × Pvapor2 / (Ptotal2-Pvapor2) (7)
Qdry2 = Qdry1−QconH (8)
同様に、燃料電池15から排出される排出酸化ガス中の水蒸気量(Qvapor4)は、第4露点計54が検出した露点温度および第8圧力計55が検出した第4露点計54における排出酸化ガス圧力から求められる排出酸化ガス中の水蒸気分圧(Pvapor4)と、第7圧力計51が検出した排出酸化ガスの全圧(Ptotal4)と、排出酸化ガスのドライガス流量(Qdry4)に基づいて、以下の(9)式により求めることができる。ここで、(9)式における排出酸化ガスのドライガス流量(Qdry4)は、以下の(10)式に示すように、第2マスフロメータ41における供給酸化ガスのドライガス流量(Qdry3)から、燃料電池15において発電によって消費された酸素量(QconO)を減算することによって求められる。この燃料電池15における消費酸素量(QconO)は、既述したように、燃料電池15における発電量(電流密度)に基づいて求めることができる。
Similarly, the amount of water vapor (Qvapor4) in the exhausted oxidant gas discharged from the
Qvapor4=Qdry4×Pvapor4/(Ptotal4−Pvapor4) …(9)
Qdry4=Qdry3 − QconO …(10)
Qvapor4 = Qdry4 × Pvapor4 / (Ptotal4-Pvapor4) (9)
Qdry4 = Qdry3−QconO (10)
燃料電池15における水の分配割合の導出は、燃料電池15のカソードで生じた生成水が、アノード側とカソード側のそれぞれに対して、どのような割合で分配されたかを求めることにより行なわれる。既述したように、燃料電池が一定の条件で発電を継続して定常状態に達すると、燃料電池における水収支は、全体として釣り合った状態になる。具体的には、燃料ガスにおける供給側の水分量に対する排出側の水分量の増加分と、酸化ガスにおける供給側の水分量に対する排出側の水分量の増加分と、の合計は、生成水量に等しくなる。このような状態では、酸化ガスにおける供給側の水蒸気量(Qvapor3)に対する排出側の水蒸気量(Qvapor4)の増加量(Qvapor4−Qvapor3)は、カソードで発生した生成水の内、酸化ガス中に気化した水の量を反映する。また、燃料ガスにおける供給側の水蒸気量(Qvapor1)に対する排出側の水蒸気量(Qvapor2)の増加量(Qvapor2−Qvapor1)は、カソードで発生した生成水の内、カソード側からアノード側へと電解質膜内を移動して、燃料ガス中に気化した水の量を反映する。そのため、燃料電池15における水の分配割合の導出は、上記した酸化ガス側における水蒸気量増加量(Qvapor4−Qvapor3)と、燃料ガス側における水蒸気量増加量(Qvapor2−Qvapor1)とを比較することにより行なわれる。
Derivation of the distribution ratio of water in the
燃料電池において、各々のガスを介して排出される生成水の割合が、各々のガスの間で偏りの無い近い値であれば、電解質膜内を生成水が行き渡り、電解質膜の湿潤状態が良好に維持されていると考えられる。これに対して、生成水の大部分が一方のガスを介して排出され、他方のガスにおいて含まれる水分の絶対値が小さくなったときには、水分量が少ないガスが流れる側の電解質膜表面が水不足となっており、電解質膜の乾燥に起因する電池性能の低下が生じている可能性があることが分かる。このような解析を行なう際には、評価の対象となる燃料電池15において、燃料電池内部のガス圧、発電時の運転温度、供給ガスの加湿量、あるいは、燃料電池における発電量(出力電流値)などの条件を一つずつ変動させつつ、上記生成水の分配割合を求めることで、燃料電池15の性能評価を行なうことができる。
In a fuel cell, if the ratio of generated water discharged through each gas is a close value with no deviation among the gases, the generated water will spread throughout the electrolyte membrane and the electrolyte membrane will be in a good wet state. It is thought that it is maintained. In contrast, when most of the generated water is discharged through one gas and the absolute value of moisture contained in the other gas becomes small, the surface of the electrolyte membrane on the side through which the gas with a small amount of moisture flows is insufficient for water. It can be seen that there is a possibility that the battery performance is lowered due to the drying of the electrolyte membrane. When such an analysis is performed, in the
以上のように構成された本実施例の燃料電池評価装置10によれば、燃料電池15に供給するために加湿されたガスの露点温度を検出する際に、あるいは、燃料電池15から排出されて液水がすべて気化されたガスの露点温度を検出する際に、露点計への導入に先立って、露点計で露点温度を検出する際の精度に係るガスの状態を調整している。具体的には、導入されたガスによって加熱される露点計の温度が、ガスの露点温度よりも高く露点計の耐熱温度より低い温度になるように、ガスに対する加熱量を調節している。また、露点計に導入するガスの流速を、露点計の精度を確保するために許容できる上限を超えない流速に抑えている。このような構成とすることにより、燃料電池15が発電する際の条件が変動する場合であっても、燃料電池15への供給ガス、あるいは、燃料電池15からの排出ガスにおける露点温度を精度良く計測することが可能になる。
According to the fuel
より具体的には、導入されたガスによって加熱される露点計の温度が、予測したガスの露点温度よりも高い温度となるように、加熱部においてガスに対する加熱量を調節しているため、燃料電池15が発電する際の条件が変動する場合であっても、露点計に導入されるガス中の水蒸気が凝縮することに起因する露点温度検出精度の低下を抑制することができる。また、導入されたガスによって加熱される露点計の温度が、露点計の耐熱温度よりも低い温度となるように、加熱部においてガスに対する加熱量を調節しているため、露点計の温度が上昇し過ぎることに起因する露点計の耐久性の悪化を抑制することができる。
More specifically, the amount of heating with respect to the gas is adjusted in the heating section so that the temperature of the dew point meter heated by the introduced gas is higher than the predicted dew point temperature of the gas. Even if the conditions under which the
また、露点計に導入するガスの流速を、露点計の精度を確保するために許容できる上限を超えない流速に抑えているため、露点計において、ガス流速が過剰となり水バランスおよび熱バランスを維持した平衡状態が崩れることに起因する検出精度の低下を抑制することができる。 In addition, the flow rate of the gas introduced into the dew point meter is kept at a flow rate that does not exceed the upper limit that is acceptable to ensure the accuracy of the dew point meter, so the gas flow rate becomes excessive in the dew point meter, and the water balance and heat balance are maintained. It is possible to suppress a decrease in detection accuracy due to the collapse of the balanced state.
ここで、本実施例の燃料電池評価装置10では、各露点計に先立って、ガス中の水分が水蒸気として存在するように、ガス中の水分の状態を調整する水蒸気含有状態調整部が設けられている。具体的には、燃料電池15に供給するための供給ガスの流路では、供給ガスを所望の湿度になるように加湿する加湿器が設けられており、燃料電池15から排出された排出ガス流路では、流路中の液水を全量気化させるための気化器が設けられている。本実施例では、上記した加熱部は、加湿器や気化器などの水蒸気含有状態調整部と露点計とを接続する流路全体を加熱するように設けられているため、燃料電池15の発電に係る条件が変動する場合であっても、途中でガス中の水蒸気が凝縮することが無く、水蒸気含有状態調整部で水蒸気含有状態が調整された状態を維持して、露点計で露点温度を計測することができる。
Here, in the fuel
特に、排出ガス側では、水蒸気含有状態調整部として気化器を設けてガス中の水を全量気化させている。そのため、例えば、燃料電池15における発電量が増加して排出ガス中の水分量(水蒸気および液水の合計量)が増加する場合や、供給ガスにおけるストイキ比(理論的に求められる必要なガス量に対する実際に供給したガス量の比)が小さく排出ガスにおける水分量(水蒸気量と液水量の合計)が多くなる場合であっても、露点計において排出ガス中の水分量を水蒸気量として、より具体的には水蒸気濃度である湿度を求めるための露点温度として、精度良く検出することができる。
In particular, on the exhaust gas side, a vaporizer is provided as a water vapor-containing state adjusting unit to vaporize all the water in the gas. Therefore, for example, when the amount of power generation in the
このように、排出ガス側では、露点計に供給する排出ガスを加熱するために、排出ガス中の水を全量気化させるために高温で加熱を行なう気化器と、露点計の温度を目標温度にするために加熱を行なう加熱部と、を組み合わせている。そのため、気化器によって、水が全量気化された状態を確保すると共に、加熱部によって、露点計の耐熱温度を超えることなく所望の温度のガスを露点計に供給する動作の信頼性を高めることができる。 In this way, on the exhaust gas side, in order to heat the exhaust gas supplied to the dew point meter, the vaporizer that heats at high temperature in order to vaporize all the water in the exhaust gas, and the temperature of the dew point meter to the target temperature In order to do this, a heating unit that performs heating is combined. Therefore, it is possible to secure a state where all the water is vaporized by the vaporizer and to improve the reliability of the operation of supplying the gas at a desired temperature to the dew point meter without exceeding the heat resistance temperature of the dew point meter by the heating unit. it can.
また、本実施例の燃料電池評価装置10では、上記のように露点計に供給するガスの温度を調節する際に、ガスの露点温度の予測を行なって、加熱部における加熱量を制御している。そのため、燃料電池15の発電に係る条件が変動しても、露点計における望ましくない結露を抑制し、露点温度の検出精度を確保することができる。ここで、特に排出ガスでは、発電に伴って生じた生成水量や、発電により消費された電極活物質(水素あるいは酸素)の量によって、露点温度が変動する。具体的には、燃料電池15に供給されるガスにおけるストイキ比(理論的に求められる必要なガス量に対する実際に供給したガス量)や、発電量や、燃料電池15内部における生成水の分配比(燃料ガス側に気化する生成水量と、酸化ガス側に気化する生成水量の比)によって、排出ガスにおける露点温度が変動する。このように露点温度が変動する場合であっても、変動の要因となる上記ストイキ比(実施例では、供給したドライガス流量と、発電により消費された電極活物質量)や、発電量や、燃料電池15における分配比に基づいて露点温度を予測して、加熱部における加熱量を設定しているため、露点計における露点温度の計測の精度を充分に確保することができる。
Further, in the fuel
また、本実施例の燃料電池評価装置10では、ガスから熱の供給を受ける露点計における温度が上記の様に予測した露点温度以上になるように、加熱部を制御する際に、ガス流量に基づいて加熱部における加熱量を調節している。そのため、ガス流量が多すぎることにより露点計の温度が上昇しすぎたり、ガス流量が不足することにより露点計の温度が充分に確保できず結露が生じることを抑制可能となる。ここで、供給ガスの流量は、マスフロメータ21,41と、加湿器22,42の設定によって比較的精度良く調節可能である。これに対して排出ガスの流量は、発電により電極活物質が消費されることにより減少すると共に、生成水が気化することにより増加するため、燃料電池15の発電に係る条件の変化に伴って大きく変動し得る。本実施例では、上記のような変動の要因を考慮して排出ガス量を算出して加熱部における加熱量を制御しているため、発電条件が変動しても露点計温度を所望の温度範囲にして、精度良く露点温度の検出を行なうことができる。
Further, in the fuel
さらに、本実施例の燃料評価装置10では、露点計温度Tsに基づいて、露点計が精度良く露点温度を検出可能となる下限値Tdminを求め、露点温度Tdが下限値Tdminを下回るときには、加熱部における加熱量が減少するように加熱部を制御して、ガスから露点計に供給される熱量を抑えることによって、露点計の温度を低下させている。このように、計測された露点温度Tdに応じて露点計温度Tsを変更することにより、検出対象であるガスの露点温度が高い状態と低い状態との間で大きく変動する場合であっても、露点温度検出の精度を確保することが可能になる。
Furthermore, in the
G.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
G. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
G1.変形例1:
実施例では、湿度センサとして、圧力計が併設された露点計を用いたが、異なる種類の湿度センサを用いても良い。他種の湿度センサを用いる場合であっても、本発明を適用して、湿度センサに供給されるガスの温度や流速など、湿度センサにおける検出の精度に関わる状態を調整することにより、燃料電池の発電に係る条件が変動しても、燃料電池に供給するガスあるいは燃料電池から排出されるガスの湿度検出の精度を確保することができる。
G1. Modification 1:
In the embodiment, a dew point meter provided with a pressure gauge is used as the humidity sensor, but different types of humidity sensors may be used. Even when another type of humidity sensor is used, the present invention is applied to adjust the state related to the accuracy of detection by the humidity sensor, such as the temperature and flow rate of the gas supplied to the humidity sensor, so that the fuel cell Even if the conditions relating to the power generation vary, it is possible to ensure the accuracy of humidity detection of the gas supplied to the fuel cell or the gas discharged from the fuel cell.
G2.変形例2:
実施例では、各加熱部を、配管ヒータと露点計ヒータとによって構成し、配管ヒータによる加熱量は一定としつつ、露点計ヒータによる加熱量を、ガス流量等に基づいて変更することとしたが、異なる構成としても良い。例えば、露点計ヒータに代えて、配管ヒータの加熱量を変更することとしても良く、あるいは、配管ヒータの加熱量と露点計ヒータの加熱量の両方を変更することとしても良い。湿度センサに供給するガスに対する加熱部全体としての加熱量を、ガス流量等に基づいて実施例と同様に制御することにより、実施例と同様の効果を得ることが可能になる。
G2. Modification 2:
In the embodiment, each heating unit is constituted by a pipe heater and a dew point meter heater, and the heating amount by the pipe heater is fixed, while the heating amount by the dew point meter heater is changed based on the gas flow rate or the like. A different configuration may be used. For example, instead of the dew point meter heater, the heating amount of the piping heater may be changed, or both the heating amount of the piping heater and the heating amount of the dew point meter heater may be changed. By controlling the heating amount of the heating unit as a whole for the gas supplied to the humidity sensor in the same manner as in the embodiment based on the gas flow rate or the like, the same effect as in the embodiment can be obtained.
G3.変形例3:
燃料電池評価装置10の各部の構成は、実施例に対して種々の変形が可能である。例えば、圧力計と露点計の配置の順序は、実施例とは異なる順序であっても良い。露点計が露点温度を計測するガスの圧力と、圧力計の検出するガス圧との間の誤差を抑えるために、露点計と圧力計とは、充分に近くに配置すればよい。
G3. Modification 3:
The configuration of each part of the fuel
また、実施例では、燃料電池評価装置10が備える制御部70において、燃料電池15の評価をするための、生成水量の導出と、供給水分量の導出と、排出水分量の導出と、水の分配割合の導出と、を行なうこととしたが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池評価装置10は、燃料電池の運転条件と、供給ガス中の水分量と、排出ガス中の水分量と、生成水量と、に係る情報の取得のみを行なうこととしても良い。そして、取得した情報に基づいて、既述した電解質膜における水の挙動(生成水の分配割合)の導出を含む燃料電池の評価のための処理を実行するのは、別体の装置としても良い。
In the embodiment, the
G4.変形例4:
実施例では、燃料電池評価装置10としたが、異なる構成の装置に本願発明を適用しても良い。例えば、負荷に対して電力を供給するための電源として用いる燃料電池システムにおいて、本願発明を適用しても良い。すなわち、車両などの移動体に駆動用電源として搭載する燃料電池システムや、定置型の発電装置としての燃料電池システムにおいて、本願発明を適用することができる。燃料電池に供給されるガスの流路および/または燃料電池から排出されるガスの流路内を流れるガス中の水蒸気量を検出・監視するためにガス流路に湿度センサを設ける場合には、本願発明を適用することにより、ガス中の湿度検出の精度を向上させて湿度センサの耐久性を確保し、センサの信頼性を高める同様の効果が得られる。このように、燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給するガスあるいは燃料電池から排出されるガス中の水蒸気量を検出・監視する場合には、用いる燃料電池は、固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であっても良い。例えば、固体酸化物型燃料電池のように、固体高分子型燃料電池以外の燃料電池を用いる場合には、電解質膜における水の移動はないが、供給ガスや排出ガス中の水蒸気量を精度良く検出可能になることにより、このような検出結果を、例えば、燃料電池内におけるフラッディングの発生の判定や、フラッディングを抑える運転制御に利用することが可能になる。
G4. Modification 4:
In the embodiment, the fuel
10…燃料電池評価装置
15…燃料電池
20…燃料ガス供給部
21…第1マスフロメータ
22…第1加湿器
23…第1配管ヒータ
24…第1露点計
25…第1圧力計
26…第1流量計
27…第1流量調整バルブ
28…第2圧力計
29…第1温度調節部
30…酸化ガス供給部
31…第3圧力計
32…第1気化器
33…第2配管ヒータ
34…第2露点計
35…第4圧力計
36…第2流量計
37…第2流量調整バルブ
38…第1背圧弁
40…酸化ガス供給部
41…第2マスフロメータ
42…第2加湿器
43…第3配管ヒータ
44…第3露点計
45…第3圧力計
46…第3流量計
47…第3流量調整バルブ
49…第2温度調節部
52…第2気化器
53…第4配管ヒータ
54…第4露点計
56…第4流量計
57…第4流量調整バルブ
58…第2背圧弁
60…燃料ガス供給路
61…供給燃料ガスバイパス路
62…燃料ガス排出路
63…排出燃料ガスバイパス路
64…酸化ガス供給路
65…供給酸化ガスバイパス路
66…酸化ガス排出路
67…排出酸化ガスバイパス路
68,69…三方弁
70…制御部
80…第1加湿ガス分岐路
81…第2加湿ガス分岐路
82…第1露点計ヒータ
83…第1温度センサ
84…第2露点計ヒータ
85…第2温度センサ
86…第3露点計ヒータ
87…第3温度センサ
88…第4露点計ヒータ
89…第4温度センサ
90…発光素子
91…受光素子
92…ミラー
93…ペルチェ素子
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記燃料電池に接続されるガスの流路に設けられる湿度センサと、
前記流路において、前記湿度センサよりも前記ガスの流れの上流に設けられ、前記ガス中の水分が水蒸気として存在するように、前記ガス中の水分の状態を調整する水蒸気含有状態調整部と、
前記水蒸気含有状態調整部から前記湿度センサへと流れる前記ガスについて、前記湿度センサで湿度を検出する際の精度に係る前記ガスの状態を調整するガス状態調整部と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a fuel cell,
A humidity sensor provided in a gas flow path connected to the fuel cell;
In the flow path, provided in the upstream of the flow of the gas from the humidity sensor, a water vapor containing state adjusting unit that adjusts the state of moisture in the gas so that the moisture in the gas exists as water vapor,
For the gas flowing from the water vapor-containing state adjusting unit to the humidity sensor, a gas state adjusting unit that adjusts the state of the gas according to accuracy when the humidity is detected by the humidity sensor;
A fuel cell system comprising:
前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記湿度センサへと供給される前記ガスの流速および/または温度である
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The state adjusted by the gas state adjusting unit is a flow rate and / or temperature of the gas supplied to the humidity sensor.
前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記ガスの温度であり、
前記ガス状態調整部は、前記水蒸気含有状態調整部を経由した前記ガスから熱の供給を受ける前記湿度センサの温度が、前記ガスにおいて予測される露点温度よりも高く、前記湿度センサが許容する上限温度よりも低い温度となるように、前記ガスを加熱する加熱部である
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The state adjusted by the gas state adjusting unit is the temperature of the gas,
The gas condition adjustment unit is configured such that the temperature of the humidity sensor that receives heat supply from the gas via the water vapor content condition adjustment unit is higher than a dew point temperature predicted for the gas, and the humidity sensor allows an upper limit. A fuel cell system, which is a heating unit that heats the gas so that the temperature is lower than a temperature.
前記加熱部は、前記水蒸気含有状態調整部と前記湿度センサとを接続する配管全体を加熱することによって前記ガスの加熱を行なう配管ヒータを備える
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3, wherein
The said heating part is provided with the piping heater which heats the said gas by heating the whole piping which connects the said water vapor containing state adjustment part and the said humidity sensor. Fuel cell system.
前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池から排出されるガスが流れる流路であり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記燃料電池における生成水量と、前記燃料電池における想定される水の分配状態と、前記燃料電池に供給されたガスの流量と、前記燃料電池で消費されたガスの流量と、に基づいて、前記湿度センサへと流れる前記ガスにおける前記露点温度を予測する露点温度予測部を備え、
前記加熱部は、前記湿度センサの温度が、前記露点温度予測部が予測した前記露点温度よりも高くなるように、前記ガスを加熱する
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3 or 4, wherein
The gas flow path provided with the humidity sensor is a flow path through which the gas discharged from the fuel cell flows,
The fuel cell system further includes:
Based on the amount of water produced in the fuel cell, the assumed distribution of water in the fuel cell, the flow rate of gas supplied to the fuel cell, and the flow rate of gas consumed in the fuel cell, A dew point temperature predicting unit for predicting the dew point temperature of the gas flowing to the humidity sensor;
The heating unit heats the gas so that the temperature of the humidity sensor is higher than the dew point temperature predicted by the dew point temperature prediction unit.
前記湿度センサは、前記ガスの露点温度を検出する露点計であり、
前記加熱部は、前記露点計が検出した露点温度に応じて前記ガスに対する加熱の程度を変更する
燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 3 to 5,
The humidity sensor is a dew point meter that detects a dew point temperature of the gas,
The said heating part changes the grade of the heating with respect to the said gas according to the dew point temperature which the said dew point meter detected. Fuel cell system.
前記加熱部は、前記露点計が検出した露点温度が、前記露点計が許容する下限温度を下回るときには、前記露点温度と前記下限温度との差に応じて、前記ガスに対する加熱の程度を低下させる
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6, wherein
When the dew point temperature detected by the dew point meter is lower than a lower limit temperature allowed by the dew point meter, the heating unit reduces the degree of heating of the gas according to a difference between the dew point temperature and the lower limit temperature. Fuel cell system.
前記ガス状態調整部が調整する前記状態は、前記ガスの流速であり、
前記ガス状態調整部は、
前記水蒸気含有状態調整部に連通して設けられ、前記湿度センサを経由することなく前記ガスを導くバイパス流路と、
前記湿度センサに供給される前記ガスの流速が、前記湿度センサが許容する上限値以下となるように、前記湿度センサおよび前記バイパス流路に分配される前記ガスの流量を調整する流量調整部と
を備える燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The state adjusted by the gas state adjusting unit is a flow rate of the gas,
The gas state adjusting unit is
A bypass flow path that is provided in communication with the water vapor-containing state adjusting unit and guides the gas without passing through the humidity sensor;
A flow rate adjusting unit for adjusting a flow rate of the gas distributed to the humidity sensor and the bypass flow path so that a flow rate of the gas supplied to the humidity sensor is equal to or lower than an upper limit value allowed by the humidity sensor; A fuel cell system comprising:
前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池から排出されるガスが流れる流路であり、
前記水蒸気含有状態調整部は、前記燃料電池から排出されたガスを加熱して、前記ガス中に存在する液水の全量を気化させる気化器である
燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 8,
The gas flow path provided with the humidity sensor is a flow path through which the gas discharged from the fuel cell flows,
The water vapor-containing state adjusting unit is a vaporizer that heats the gas discharged from the fuel cell and vaporizes the entire amount of liquid water present in the gas.
前記湿度センサが設けられた前記ガスの流路は、前記燃料電池へと供給されるガスが流れる流路であり、
前記水蒸気含有状態調整部は、前記燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿器である
燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 4 and 8,
The flow path of the gas provided with the humidity sensor is a flow path through which the gas supplied to the fuel cell flows,
The water vapor-containing state adjusting unit is a humidifier that humidifies a gas supplied to the fuel cell.
前記湿度センサにおける検出値に基づいて前記燃料電池における水の挙動を評価するための、燃料電池評価部を備える
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, further comprising:
A fuel cell system comprising a fuel cell evaluation unit for evaluating the behavior of water in the fuel cell based on a detection value in the humidity sensor.
前記燃料電池に供給される供給燃料ガスの流路に設けられる第1の湿度センサと、
前記燃料電池に供給される供給酸化ガスの流路に設けられる第2の湿度センサと、
前記燃料電池から排出される排出燃料ガスの流路に設けられる第3の湿度センサと、
前記燃料電池から排出される排出酸化ガスの流路に設けられる第4の湿度センサと、
前記供給燃料ガスと、前記供給酸化ガスと、前記排出燃料ガスと、前記排出酸化ガスのそれぞれのガスの流路において、前記湿度センサよりもガスの流れの上流側に設けられ、前記燃料電池に供給されるガス中の水分あるいは前記燃料電池から排出されるガス中の水分が水蒸気として存在するように、前記ガス中の水分の状態を調整する水蒸気含有状態調整部と、
前記水蒸気含有状態調整部から前記湿度センサへと供給される前記ガスについて、前記湿度センサで湿度を検出する際の精度に係る前記ガスの状態を調整するガス状態調整部と、
を備える燃料電池の評価装置。 A fuel cell evaluation apparatus for evaluating the behavior of water in a fuel cell,
A first humidity sensor provided in a flow path of a supply fuel gas supplied to the fuel cell;
A second humidity sensor provided in a flow path of a supply oxidizing gas supplied to the fuel cell;
A third humidity sensor provided in a flow path of exhaust fuel gas discharged from the fuel cell;
A fourth humidity sensor provided in a flow path of exhausted oxidant gas discharged from the fuel cell;
Provided upstream of the humidity sensor in the flow path of each of the supply fuel gas, the supply oxidant gas, the exhaust fuel gas, and the exhaust oxidant gas, the fuel cell A water vapor-containing state adjusting unit that adjusts the state of water in the gas so that water in the gas supplied or water in the gas discharged from the fuel cell exists as water vapor;
For the gas supplied from the water vapor containing state adjusting unit to the humidity sensor, a gas state adjusting unit that adjusts the state of the gas according to accuracy when the humidity is detected by the humidity sensor;
A fuel cell evaluation apparatus comprising:
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