JP2014075292A

JP2014075292A - 燃料電池評価装置

Info

Publication number: JP2014075292A
Application number: JP2012222607A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Nakata; 敏之中田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-04-24

Abstract

【課題】燃料電池評価においてガス流量を過渡的に変化させる場合に発生するガスの湿度や温度の変動を防止する。
【解決手段】本発明の設定流量のガスを供給して評価対象の燃料電池の特性を評価する燃料電池評価装置は、設定流量よりも多い流量のガスの湿度および温度を調整する湿温調整部と、設定流量のガスが燃料電池へ供給されるように、湿度および温度が制御されたガスのうち設定流量以外のガスを分岐させるガス流量調整部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の特性を評価するために用いられる燃料電池評価装置に関する。

従来の燃料電池評価装置は、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料電池へガスを供給する流通路の最上流部で流量を調整し、流量調整後のガスの湿度および温度を調整して評価対象の燃料電池へ供給する構成として、燃料電池へ供給するガスの流量、湿度および温度の調整を行っている。また、特許文献２には、複数の燃料電池を試験するための加湿ガス供給システムとして、加湿ガス製造装置で発生した加湿ガスを複数に分岐し、分岐された各加湿ガスのそれぞれに対して流量調整、冷却および加熱を行って、それぞれの燃料電池に供給する構造が記載されている。また、特許文献３には、燃料電子システムとして、通流制御手段が酸化ガスの一部をバイパス路へ分流することで燃料電池への酸化ガス流量の制御を可能とする構造が記載されている。

特開２００５−１３５８５７号公報特開２００６−１７２７９４号公報特開２００８−０４１５５９号公報

ここで、燃料電池の発電評価において、実使用条件を想定した試験の例として、ガス流量を過渡的に変化させた場合の影響を評価する場合がある。これに対して、特許文献１の構造では、例えば、ガス流量の変化に対して、加湿制御や加熱制御の応答が遅れてガスの湿度や温度が所定の値に調整されるまでに時間を要することになり、ガスの温度や湿度が一定に保たれず乱れが生じてしまう。このように、特許文献１の構造では、ガス流量の変化による影響の評価であるにも関わらず、ガス流量以外の湿度や温度のパラメータも同時に変化してしまうと、ガス流量の過渡的な変化に対する燃料電池の評価という目的を満足させることができない、という課題があった。また、特許文献２の構造でも、分岐された各加湿ガスのそれぞれに対して流量調整、冷却および加熱を行っているので、同様の課題が発生する。また、特許文献３の構造でも、バイパス路へ分流することによって流量が調整された酸化ガスに対して加湿を行っているので、同様の課題が発生する。その他、従来の燃料電池評価装置では、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、設定流量のガスを供給して評価対象の燃料電池の特性を評価する燃料電池評価装置が提供される。この燃料電池評価装置は、前記設定流量よりも多い流量のガスの湿度および温度を調整する湿温調整部と；前記設定流量のガスが前記燃料電池へ供給されるように、前記湿度および温度が制御されたガスのうち前記設定流量以外のガスを分岐させるガス流量調整部と；を備える。この形態の燃料電池評価装置によれば、設定ガス流量よりも多い流量で湿度および温度が調整されたガスのうち、設定ガス流量分のガスを燃料電池へ供給することができる。これにより、設定ガス流量を過渡的に変化させても、ガスの湿度および温度の乱れを防止することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池評価装置、燃料電池評価用ガス供給装置燃料電池システム、および、燃料電池評価のためのガス供給方法などの種々の形態で実現することが可能である。

一実施例としての燃料電池評価装置のうちガス供給系の概略構成を示すブロック図である。

図１は、一実施例としての燃料電池評価装置のうちガス供給系の概略構成を示すブロック図である。この燃料電池評価装置１０は、評価対象の燃料電池（「被試験体」あるいは「供試体」とも呼ぶ）ＴＦＣに対して、そのアノード（Ａｎｏｄｅ）に燃料ガスである水素（Ｈ₂）を供給する燃料ガス供給系１００と、そのカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）に酸化ガスである空気（Ａｉｒ，厳密には空気に含まれる酸素が酸化ガスである）を供給する酸化ガス供給系２００と、を備える。なお、燃料電池評価装置１０は、その他、各種センサーや制御装置等を備えるが、説明の便宜上図示および説明を省略する。

燃料ガス供給系１００は、燃料ガス供給部１１０と燃料ガス湿温調整部１２０と燃料ガス流量調整部１３０とを備える。燃料ガス供給部１１０は、開閉弁１１２とマスフローコントローラー（以下、「ＭＦＣ」とも呼ぶ）１１４とを備える。燃料ガス湿温調整部１２０は、予備加熱ヒーター１２２と加湿バブラー１２４と加熱ヒーター１２６とを備える。燃料ガス流量調整部１３０は、開閉弁１３２とＭＦＣ１３４とポンプ１３６とを備える。燃料ガス供給部１１０のＭＦＣ１１４と燃料ガス湿温調整部１２０の加湿バブラー１２４とは配管（以下、「上流配管」とも呼ぶ）１０２ａで接続され、加湿バブラー１２４と燃料電池ＴＦＣとは配管（以下、「下流配管」とも呼ぶ）１０２ｂで接続される。また、燃料ガス流量調整部１３０の開閉弁１３２は下流配管１０２ｂから分岐した分岐配管１０４に接続される。燃料ガス湿温調整部１２０の予備加熱ヒーター１２２は上流配管１０２ａを加熱するように配置され、加熱ヒーター１２６は下流配管１０２ｂを加熱するように配置される。

酸化ガス供給系２００も、燃料ガス供給系１００と同様に、酸化ガス供給部２１０と酸化ガス湿温調整部２２０と酸化ガス流量調整部２３０とを備える。酸化ガス供給部２１０と酸化ガス湿温調整部２２０と酸化ガス流量調整部２３０のそれぞれの構成要素も、燃料ガス供給系１００の燃料ガス供給部１１０と燃料ガス湿温調整部１２０と燃料ガス流量調整部１３０のそれぞれの構成要素と同じである。ただし、それぞれの構成要素の符号の上位１桁の数字を「２」に変更して付している。

燃料ガス供給系１００では、以下で説明するように燃料電池ＴＦＣに燃料ガスが供給される。まず、燃料ガス供給部１１０において、ＭＦＣ１１４によって、開閉弁１１２を開けて図示しない燃料ガスタンクから供給が開始され上流配管１０２ａを介して加湿バブラー１２４に供給される燃料ガスの流量が、実施する評価試験において燃料電池ＴＦＣに対して供給する流量として設定する流量（以下、「設定流量」とも呼ぶ）Ｖｓを十分満たす流量（以下、「供給流量」とも呼ぶ）Ｖｆ（＞Ｖｓ）となるように調整される。

次に、燃料ガス湿温調整部１２０において、燃料ガス供給部１１０から上流配管１０２ａを介して送り出された燃料ガスは、予備加熱ヒーター１２２によって、評価試験の条件として設定されているガス露点温度（以下、「試験条件ガス露点温度」とも呼ぶ）付近の温度に加熱される。ここで、加湿バブラー１２４では、あらかじめ、内部に溜められている水が試験条件ガス露点温度に加熱されている。従って、予備加熱ヒーター１２２によって予備加熱された燃料ガスは、加湿バブラー１２４内を通過する際に試験条件ガス露点温度に対応する湿度に調整され、下流配管１０２ｂを介して燃料電池ＴＦＣへ向けて送り出される。このとき、加湿バブラー１２４から下流配管１０２ｂを介して送り出された湿度調整済みの燃料ガスは、加熱ヒーター１２６によって、評価試験の条件として設定されているガス温度となるように加熱調整される。

そして、燃料ガス流量調整部１３０において、燃料ガス湿温調整部１２０から下流配管１０２ｂを介して送り出された湿度および温度が調整済みの燃料ガス（以下、「湿温調整済み燃料ガス」とも呼ぶ）は、開閉弁１３２が開けられることにより、分岐配管１０４への分岐が可能とされる。そして、ＭＦＣ１３４によって、下流配管１０２ｂから分岐配管１０４へ分岐される燃料ガスの流量（以下、「分岐流量」とも呼ぶ）Ｖｃが調整され、ポンプ１３６によって排出される。このとき、分岐流量Ｖｃは、供給流量Ｖｆから分岐流量Ｖｃを除いた流量が設定流量Ｖｓとなるように調整される。従って、燃料ガス湿温調整部１２０から下流配管１０２ｂを介して送り出された供給流量Ｖｆの湿温調整済み燃料ガスのうち、設定流量Ｖｓの湿温調整済み燃料ガスのみが燃料電池ＴＦＣに供給される。

ここで、上記構成の燃料ガス供給系１００において、燃料電池ＴＦＣへ供給する設定流量Ｖｓを、例えば、Ｖｓ＝Ｖ１の状態からＶｓ＝２・Ｖ１の状態に変化させた場合を考える。なお、前提として供給流量ＶｆをＶｓ＝２・Ｖ１よりも多い流量の状態、例えば、Ｖｆ＝４・Ｖ１とする。設定流量ＶｓがＶｓ＝Ｖ１となるように分岐流量ＶｃをＶｃ＝３・Ｖ１に調整していた状態から、Ｖｓ＝２・Ｖ１の状態とするには、燃料ガス湿温調整部１２０から下流配管１０２ｂを介して送り出された供給流量Ｖｆの湿温調整済み燃料ガスから、燃料ガス流量調整部１３０によって分岐配管１０４を介して分岐させる燃料ガスの分岐流量ＶｃをＶｃ＝２・Ｖ１に変更するだけでよい。このため、燃料電池へ供給する燃料ガスの流量（設定流量）を過渡的に変化させるような条件で評価試験を行なったとしても、従来技術で説明したように湿度や温度が変動してしまう状態を防止することが可能となる。

なお、説明は省略するが、酸化ガス供給系２００においても燃料ガス供給系１００と同様に動作させることにより、燃料電池へ供給する酸化ガスの設定流量を過渡的に変化させるような条件で評価試験を行なったとしても、同様に、湿度や温度が変動してしまう状態を防止することが可能となる。

なお、上記実施形態では、燃料ガス供給系１００において、燃料ガス流量調整部１３０によって分岐された燃料ガスは排気されるとして説明したが、燃料ガス供給部１１０の開閉弁１１２とＭＦＣ１１２との間に戻して再利用する構成としてもよい。また、ＭＦＣ１１２と燃料ガス湿温調整部１２０との間に戻して再利用する構成としてもよい。また、酸化ガス供給系２００においても同様である。

本発明は、上述の実施形態や参考形態、実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池評価装置
１００…燃料ガス供給系
１０２ａ…上流配管
１０２ｂ…下流配管
１０４…分岐配管
１１０…燃料ガス供給部
１１２…開閉弁
１１４…マスフローコントローラー（ＭＦＣ）
１２０…燃料ガス湿温調整部
１２２…予備加熱ヒーター
１２４…加湿バブラー
１２６…加熱ヒーター
１３０…燃料ガス流量調整部
１３２…開閉弁
１３４…マスフローコントローラー（ＭＦＣ）
１３６…ポンプ
２００…酸化ガス供給系
２０２ａ…上流配管
２０２ｂ…下流配管
２０４…分岐配管
２１０…酸化ガス供給部
２１２…開閉弁
２１４…マスフローコントローラー（ＭＦＣ）
２２０…酸化ガス湿温調整部
２２２…予備加熱ヒーター
２２４…加湿バブラー
２２６…加熱ヒーター
２３０…酸化ガス流量調整部
２３２…開閉弁
２３４…マスフローコントローラー（ＭＦＣ）
２３６…ポンプ
Ｖｃ…分岐流量
Ｖｆ…供給流量
Ｖｓ…設定流量
ＴＦＣ…燃料電池

Claims

設定流量のガスを供給して評価対象の燃料電池の特性を評価する燃料電池評価装置であって、
前記設定流量よりも多い流量のガスの湿度および温度を調整する湿温調整部と、
前記設定流量のガスが前記燃料電池へ供給されるように、前記湿度および温度が制御されたガスのうち前記設定流量以外のガスを分岐させるガス流量調整部と、
を備えることを特徴とする燃料電池評価装置。