JP2014165063A - ガス流量制御装置及びガス流量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】未反応のガスの循環を伴う燃料電池へのガスの流量制御を可能にする。
【解決手段】燃料電池２の出口から入口に向かって帰還するループ状の循環流路４が燃料ガス供給装置３Ａに接続される。循環流路４における燃料電池２の入口に近い位置から流量計５、ループ内減圧弁６、昇圧ポンプ８が順に配置接続される。制御部１３は、燃料電池２の発電時に、流量計５が計測した流量が、所望する性能評価条件の目標設定流量に近づくようにループ内減圧弁６の開閉を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アノードガス（例えば水素などの燃料ガス）とカソードガス（例えば空気、酸素などの酸化剤ガス）との電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池の発電性能や耐久性などの評価試験を行う燃料電池評価試験システムに好適に採用され、発電時に燃料電池から排出される未反応のガスを循環させて再利用する際のガスの流量を制御することができるガス流量制御装置及びガス流量制御方法に関する。

燃料電池は、補充可能な負極活物質と正極活物質とを常温又は高温環境で供給し反応させることで継続的に電力を取り出せる発電装置であって、熱機関を用いる通常の発電システムとは異なり、化学エネルギーから電気エネルギーへの変換途上で熱エネルギーや運動エネルギーという形態を経由しない。しかも、燃料電池は、熱機関特有のカルノー効率に依存しないことからも発電効率が高く、システム規模の大小にあまり影響されず騒音や振動も少ない。このため、例えばノートパソコンや携帯電話などの携帯端末機器、自動車や鉄道、民生用・産業用コジェネレーション発電所など多様な用途に用いられるエネルギー源として期待されている。

そして、上記のように多様な用途のエネルギー源として利用可能な燃料電池を開発するにあたっては、例えば下記特許文献１などに開示される評価試験装置を用いて燃料電池の性能試験や耐久試験を実施し、燃料電池の総合的な評価を行っている。

特開２００５−１６６６０１号公報（特許第４５１１１６２号公報）

ところで、燃料電池をエネルギー源とする燃料電池車では、スタック構成される燃料電池から排出される未反応のアノードガス（例えば水素などの燃料ガス）を排気させずに循環して再利用している。また、燃料電池は、供給されるアノードガスの流量が同じであってもスタック数、膜／電極接合体（ＭＥＡ）の構造、セパレータの構造、材料など燃料電池の構成によって圧力損失が異なる。さらに、単体の燃料電池を運転している時には、例えば水による流路の閉塞や膜の膨潤などにより内部の圧力損失が変動し、この圧力損失の変動に伴って発電時の燃料電池の入口圧力と出口圧力との間の圧力差、いわゆる差圧も変動する。このため、未反応のアノードガスの循環に伴う燃料電池の入口圧力と出口圧力との間の差圧を制御し、その結果としてアノードガスをユーザが所望する性能評価条件の流量に調整して燃料電池の性能試験を行える評価試験装置の提供が望まれていた。

しかしながら、従来の燃料電池の評価試験装置では、未反応のアノードガスを循環することなく全て排気していたので、未反応のアノードガスの循環に伴う燃料電池の入口圧力と出口圧力との間の差圧を制御してアノードガスをユーザが所望する流量に調整することができず、試験室レベルで実車運転を模擬しながら燃料電池の評価試験が行えなかった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、未反応のガスの循環に伴う燃料電池へのガスの流量制御が可能なガス流量制御装置及びガス流量制御方法を提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するため、請求項１記載のガス流量制御装置は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池に供給されるガスの流量を制御する燃料電池のガス流量制御装置において、
前記燃料電池にガスを供給するための燃料ガス供給装置を有し、
前記燃料電池の出口から入口に向かって帰還するループ状の循環流路が前記燃料ガス供給装置に接続され、
前記循環流路における前記燃料電池の入口に近い位置から流量計、ループ内減圧弁、昇圧ポンプが順に配置して設けられており、
前記燃料電池の発電時に、前記流量計が計測した流量が、予め設定される性能評価条件の目標設定流量に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御する制御部を備えたことを特徴とする。

請求項２記載のガス流量制御装置は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池に供給されるガスの流量を制御する燃料電池のガス流量制御装置において、
前記燃料電池にガスを供給するための燃料ガス供給装置を有し、
前記燃料電池の出口から入口に向かって帰還するループ状の循環流路が前記燃料ガス供給装置に接続され、
前記燃料電池の入口に近い位置からループ内減圧弁、昇圧ポンプが順に配置して設けられており、
前記循環流路における前記燃料電池の入口圧力と出口圧力との圧力差による差圧を計測する差圧計と、
前記ループ内減圧弁と前記燃料電池の入口との間の少なくとも水分、圧力、温度、ガス成分の各ガス組成の濃度を計測する計測器と、
前記燃料電池の発電時に、予め設定される性能評価条件の目標設定流量と前記計測器による計測結果に基づいて目標設定差圧を演算し、前記差圧計が計測する差圧が、前記演算した目標設定差圧に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

請求項３記載のガス流量制御装置は、請求項１又は２のガス流量制御装置において、
前記循環流路を介して前記昇圧ポンプに吸引されるガスの圧力を計測する圧力計と、
前記圧力計が計測した圧力に応じて前記制御部により開閉制御される供給側減圧弁とを備えたことを特徴とする。

請求項４記載のガス流量制御方法は、請求項１のガス流量制御装置を用いたガス流量制御方法であって、
前記昇圧ポンプの運転開始後に、前記流量計により計測した流量と前記目標設定流量とを比較し、前記流量計により計測した流量が前記目標設定流量に達していないときに、前記流量計により計測される流量が前記目標設定流量に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御するステップを含むことを特徴とする。

請求項５記載のガス流量制御方法は、請求項２のガス流量制御装置を用いたガス流量制御方法であって、
前記昇圧ポンプの運転開始後に、前記差圧計により計測した差圧と前記演算した目標設定差圧とを比較し、前記差圧計により計測した差圧が前記目標設定差圧に達していないときに、前記差圧計により計測される差圧が前記目標設定差圧に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御するステップを含むことを特徴とする。

請求項６記載のガス流量制御方法は、請求項３のガス流量制御装置を用いたガス流量制御方法であって、
前記循環流路を介して前記昇圧ポンプに吸引されるガスの圧力を計測するステップと、
前記計測された圧力が予め設定される最小設定圧力以下のときに、前記供給側減圧弁の開閉を制御するステップとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池に供給されるガス流量をユーザが所望する燃料電池の性能評価条件の流量に調整することができる。これにより、未反応のガスを排気させずに循環して再利用する燃料電池車の実装レベルでの燃料電池の評価試験を行うことができる。

本発明に係るガス流量制御装置の第１実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係るガス流量制御装置の第１実施の形態における処理内容を示すフローチャートである。 本発明に係るガス流量制御装置の第２実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係るガス流量制御装置の第３実施の形態を示す概略構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。また、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、この形態に基づいて当業者などによりなされる実施可能な他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれる。

本発明に係るガス流量制御装置は、アノードガス（例えば水素などの燃料ガス）とカソードガス（例えば空気、酸素などの酸化剤ガス）との電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池の発電性能や耐久性などの評価試験を行う燃料電池評価試験システムに好適に採用される。

そして、本発明に係るガス流量制御装置では、特に、発電時に燃料電池から排出される未反応のガス（アノードガスやカソードガス）を循環させて再利用する際のガス流量を燃料電池の入口圧力と出口圧力との間の差圧制御により調整する機能を有している。

本発明において、評価試験対象物としての燃料電池は、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ電解質形燃料電池（ＡＦＣ）、バイオ燃料電池等からなる。

燃料電池２は、図１、図３及び図４に示すように、アノード（燃料極）２ａとカソード（空気極）２ｂとを有し、アノード２ａにアノードガスが供給され、カソード２ｂにカソードガスが供給されることにより、アノードガスとカソードガスとが電気化学反応を起こして発電を行う。尚、アノード２ａに供給されるアノードガスとしては、例えば水素ガス、メタンガス、プロパンガス等があるが、ここでは水素ガスをアノードガスとした場合を例にとって説明する。

図１は本発明に係るガス流量制御装置の第１実施の形態の概略構成を示している。図１に示すように、第１実施の形態のガス流量制御装置１（１Ａ）は、不図示のガス貯留タンクから供給側減圧弁３を介して燃料電池２に水素ガスを供給するためのガス供給装置３Ａを備えている。

供給側減圧弁３は、不図示のガス貯留タンクと配管接続され、燃料電池２の発電に必要な水素ガス（アイドリング状態の水素ガス、燃料電池２の発電による消費分の水素ガスを含む）を必要に応じて供給するための入口３ａを有している。また、供給側減圧弁３は、出口３ｂ側の圧力が調整できる弁であり、後述する操作部１２から操作入力される目標設定圧力と圧力計１０による圧力との比較結果に応じて制御部１３により開閉（開度）が制御される。これにより、供給側減圧弁３は、ガス供給装置３Ａから入口３ａに供給される高圧の水素ガスを減圧し、出口３ｂ側を一定の設定圧力に保持している。

供給側減圧弁３の出口３ｂ側には、燃料電池２から排出される未反応の水素ガスを再利用するための循環流路４が形成されている。循環流路４は、図１に黒の太線（循環方向：点線矢印）で示すように、燃料電池２のアノード２ａの出口２ａ２から入口２ａ１に向かって帰還するように閉ループを形成しており、合流部４Ａを介して供給側減圧弁３の出口３ｂと接続されている。

そして、循環流路４における燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１側には、入口２ａ１に近い位置から流量計５、ループ内減圧弁６、バッファタンク７、昇圧ポンプ８が順に配置して設けられている。また、循環流路４における燃料電池２のアノード２ａの出口２ａ２には背圧弁９の入口９ａが接続され、背圧弁９の出口９ｂと昇圧ポンプ８の入口８ａとの間には圧力計１０が接続されている。さらに、ガス流量制御装置１Ａは、燃料電池２のアノード２ａの入口圧力と出口圧力との間の差圧を計測する差圧計１１と、操作パネルからなる操作部１２と、各弁（供給側減圧弁３、ループ内減圧弁６、背圧弁９）の開閉（開度）を制御する制御部１３を備えている。

尚、循環流路４は、昇圧ポンプ８の出口８ｂとループ内減圧弁６の入口６ａとの間を接続して形成されるガス昇圧流路４ａと、ループ内減圧弁６の出口６ｂと背圧弁９の入口９ａとの間を接続して形成されるガス供給流路４ｂと、背圧弁９の出口９ｂと昇圧ポンプ８の入口８ａとの間を接続して形成されるガス帰還流路４ｃとからなる。また、各流路間の圧力関係は、ガス昇圧流路４ａの圧力が最も高く、ガス昇圧流路４ａ→ガス供給流路４ｂ→ガス帰還流路４ｃの順に圧力が低くなっている。

流量計５は、循環流路４における燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１とループ内減圧弁６の出口６ｂとの間に設けられている。流量計５は、ガス供給流路４ｂ、すなわちループ内減圧弁６から燃料電池２に供給される水素ガスの流量を計測し、計測した水素ガスの流量を計測結果として制御部１３に出力している。

ループ内減圧弁６は、循環流路４における流量計５とバッファタンク７の出口７ｂとの間に接続され、燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１の圧力を決めるものである。ループ内減圧弁６は、制御部１３によって開閉（開度）が制御され、昇圧ポンプ８で昇圧された水素ガスを減圧してガス供給流路４ｂの圧力を一定の設定圧力に保持している。これにより、燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１には、ユーザが所望する燃料電池２の性能評価条件の流量（目標設定流量）の水素ガスが燃料電池２の内圧に関わらず一定の設定圧力で供給される。

バッファタンク７は、循環流路４におけるループ内減圧弁６の入口６ａと昇圧ポンプ８の出口８ｂとの間に接続されている。バッファタンク７は、昇圧ポンプ８により昇圧されたガス昇圧流路４ａ内の水素ガスを一時的に溜め込んでいる。

尚、バッファタンク７は、必要不可欠な構成ではなく、例えばダイヤフラム式昇圧ポンプなどのように、脈動を生じる昇圧ポンプ８が採用された場合に設けられるものであり、低減したい脈動の度合いに応じて容積が決まる。

昇圧ポンプ８は、循環流路４におけるバッファタンク７の入口７ａと背圧弁９の出口９ｂとの間に接続されている。昇圧ポンプ８は、供給側減圧弁３からの水素ガスや背圧弁９からの循環経路４を介して循環される未反応の水素ガスを吸引し、ガス昇圧流路４ａにおける水素ガスの圧力を燃料電池２に供給できる圧力まで昇圧させている。

背圧弁９は、循環流路４における燃料電池２のアノード２ａの出口２ａ２と昇圧ポンプ８の入口８ａとの間に接続されている。背圧弁９は、ガス供給流路４ｂの圧力を決めるものであり、ガス供給流路４ｂの圧力が目標設定圧力になるように、制御部１３により開閉（開度）が制御される。

圧力計１０は、背圧弁９の出口９ｂと昇圧ポンプ８の入口８ａとの間のガス帰還流路４ｃに設けられている。圧力計１０は、背圧弁９の出口９ｂから排気されてガス帰還流路４ｃを流れる水素ガスの圧力を計測し、計測した圧力を計測結果として制御部１３に出力している。

差圧計１１は、燃料電池２のアノード２ａの入口圧力と出口圧力との間の水素ガスの圧力差を計測している。すなわち、差圧計１１は、発電時に燃料電池２の内部での水による流路の閉塞や膜の膨潤などによって圧力損失が変動し、この圧力損失の変動に伴って変動する水素ガスの差圧を計測し、計測した差圧を計測結果として制御部１３に出力している。

尚、図示はしないが、差圧計１１に代えて、燃料電池２の入口圧力を計測する入口側圧力計と、燃料電池２の出口圧力を計測する出口側圧力計をそれぞれ設け、入口側圧力計が計測する圧力と出口側圧力計が計測する圧力との差圧を計測結果として制御部１３に出力することもできる。

操作部１２は、例えばボタン、キー、スイッチ、表示器などを含む操作パネルから構成されている。操作部１２は、ユーザが所望する燃料電池２の性能評価条件の水素ガスの目標設定流量や目標設定圧力、燃料電池２の発電に必要な最小流量に基づく最小設定圧力などの初期条件を操作入力して設定している。

制御部１３は、流量制御装置１を統括制御するＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ等のマイクロコンピューター等で構成される。制御部１３は、操作部１２から操作入力される目標設定流量と流量計５が計測した流量との比較結果に基づき、ガス供給流路４ｂの流量が目標設定流量になるようにループ内減圧弁６の開閉（開度）を制御している。また、制御部１３は、操作部１２から操作入力される目標設定圧力と差圧計１１が計測した差圧との比較結果に基づき、燃料電池２の入口圧力（ガス供給流路４ｂの圧力）が目標設定圧力になるように背圧弁９の開閉（開度）を制御している。さらに、制御部１３は、操作部１２から操作入力される最小設定圧力と圧力計１０が計測した圧力との比較結果に基づき、ガス帰還流路４ｃの圧力が最小設定圧力以上になるように供給側減圧弁３の開閉（開度）を制御している。

次に、上記のように構成される第１実施形態のガス流量制御装置１の動作について説明する。ここでは、燃料電池２の発電性能を試験する際に、燃料電池２のアノード２ａの入口圧力と出口圧力との間の差圧制御により循環流路４を循環する水素ガスの流量を制御する場合を例にとって図２を参照しながら説明する。

まず、操作部１２の操作入力により燃料電池２の入口２ａ１に供給される水素ガスの目標設定流量、目標設定圧力、最小設定圧力を含む初期条件の設定を行う（ＳＴ１）。この設定を終えた後、昇圧ポンプ８をＯＮして運転を開始する（ＳＴ２）。昇圧ポンプ８の運転が開始されると、昇圧ポンプ８により吸引される水素ガスは、ガス供給流路４ｂの圧力が燃料電池２に供給できる圧力まで昇圧され、バッファタンク７からループ内減圧弁６を介して燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１に供給される。

そして、燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１に水素ガスが供給され、燃料電池２のカソード２ｂの入口２ｂ１に酸素ガスが供給されると、水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生して発電する。燃料電池２の発電時には、燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１に供給される水素ガスの流量がユーザが所望する性能評価条件の流量（目標設定流量）に近づくように、以下に示す処理（１）〜（３）が並行して実行される。

尚、燃料電池２が発電した際の未反応の水素ガスは、循環流路４（ガス帰還流路４ｃ→ガス供給流路４ｂ→ガス昇圧流路４ａ）を循環して昇圧ポンプ８により昇圧され、バッファタンク７からループ内減圧弁６を介して再び燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１に供給される。

処理（１）
制御部１３は、操作部１２から操作入力される目標設定流量と流量計５の計測による流量とを比較し、流量計５の計測による流量が目標設定流量になったか否かを判別する（ＳＴ３）。制御部１３は、流量計５の計測による流量が目標設定流量になっていないと判断すると（ＳＴ３−Ｎｏ）、流量計５の計測による流量が目標設定流量になるまでループ内減圧弁６を「開／閉」制御する（ＳＴ４）。そして、制御部１３は、昇圧ポンプ８がＯＦＦであるか否かを判別する（ＳＴ５）。これに対し、流量計５の計測による流量が目標設定流量になったと判断すると（ＳＴ３−Ｙｅｓ）、昇圧ポンプ８がＯＦＦであるか否かを判別する（ＳＴ５）。そして、制御部１３は、昇圧ポンプ８がＯＦＦであると判断すると（ＳＴ５−Ｙｅｓ）、処理（１）を終了する。これに対し、制御部１３は、昇圧ポンプ８がＯＦＦでないと判断すると（ＳＴ５−Ｎｏ）、ＳＴ３の判別処理に戻る。

処理（２）
制御部１３は、操作部１２から操作入力される目標設定圧力と差圧計１１の計測による差圧とを比較し、差圧計１１の計測による差圧が目標設定圧力になったか否かを判別する（ＳＴ６）。制御部１３は、差圧計１１の計測による差圧が目標設定圧力になっていないと判断すると（ＳＴ６−Ｎｏ）、差圧計１１の計測による差圧が目標設定圧力になるまで背圧弁９を「開／閉」制御する（ＳＴ７）。そして、制御部１３は、昇圧ポンプ８がＯＦＦであるか否かを判別する（ＳＴ８）。これに対し、制御部１３は、差圧計１１の計測による差圧が目標設定圧力になったと判断すると（ＳＴ６−Ｙｅｓ）、昇圧ポンプ８がＯＦＦであるか否かを判別する（ＳＴ８）。そして、制御部１３は、昇圧ポンプ８がＯＦＦであると判断すると（ＳＴ８−Ｙｅｓ）、処理（２）を終了する。これに対し、制御部１３は、昇圧ポンプ８がＯＦＦでないと判断すると（ＳＴ８−Ｎｏ）、ＳＴ６の判別処理に戻る。

処理（３）
制御部１３は、圧力計１０の計測による圧力と操作部１２から操作入力される最小設定圧力とを比較し、圧力計１０の計測による圧力が最小設定圧力以下であるか否かを判別する（ＳＴ９）。制御部１３は、圧力計１０の計測による圧力が最小設定圧力以下であると判断すると（ＳＴ９−Ｙｅｓ）、不足する水素ガスをガス供給装置３Ａから供給するべく、圧力計１０の計測による圧力が最小設定圧力以上になるまで供給側減圧弁３を「開／閉」制御する（ＳＴ１０）。そして、制御部１３は、昇圧ポンプ８がＯＦＦであるか否かを判別する（ＳＴ１１）。これに対し、制御部１３は、圧力計１０の計測による圧力が最小設定圧力以下でないと判断すると（ＳＴ９−Ｎｏ）、昇圧ポンプ８がＯＦＦであるか否かを判別する（ＳＴ１１）。そして、制御部１３は、昇圧ポンプ８がＯＦＦであると判断すると（ＳＴ１１−Ｙｅｓ）、処理（３）を終了する。これに対し、制御部１３は、昇圧ポンプ８がＯＦＦでないと判断すると（ＳＴ１１−Ｎｏ）、ＳＴ９の判別処理に戻る。

そして、上記処理（１）〜（３）により燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１に供給される水素ガスの流量が性能評価条件の流量（目標設定流量）に制御されると、燃料電池２の発電性能を試験する。そして、ユーザが所望する燃料電池２の性能評価条件の流量（目標設定流量）や圧力（目標設定圧力）を所定ステップで可変設定し、供給側減圧弁３、ループ内減圧弁６、背圧弁９の開閉により、燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１に供給される水素ガスの流量を調整し、性能評価条件の流量毎の燃料電池２の発電性能を試験する。

このように、図１の第１実施形態のガス流量制御装置１Ａでは、流量計５、圧力計１０、差圧計１１を設け、これらの計測結果に基づき、図２のフローチャートの手順に従って供給側減圧弁３、ループ内減圧弁６、背圧弁９をそれぞれ開／閉制御し、燃料電池２に供給されるガス流量を目標設定流量に調整している。

ところで、図１のガス流量制御装置１Ａでは、ユーザが所望する燃料電池２の性能評価条件の流量（目標設定流量）を得るため、流量計５と差圧計１１の両方を循環流路４に配置して接続した構成としているが、流量計５のみ、又は差圧計１１のみを循環流路４に配置して接続する構成としても良い。以下、これらの構成について図３及び図４を参照しながら説明する。

図３は第２実施形態のガス流量制御装置１（１Ｂ）の概略構成を示している。尚、図３において、図１のガス流量制御装置１Ａと同一の構成要素には同一番号を付し、その説明を省略している。

図３のガス流量制御装置１Ｂは、図１のガス流量制御装置１Ａから背圧弁９と差圧計１１を省いた構成であり、循環流路４を含む配管内が真空でないことを条件として、図２のフローチャートにおける処理（１）〜（３）のうち、処理（１）と処理（３）を並行して実行している。すなわち、図３のガス流量制御装置１Ｂでは、流量計５の計測結果に基づく処理（１）によりループ内減圧弁６を制御し、燃料電池２の入口２ａ１から供給される水素ガスの流量が目標設定流量に近づくように調整している。これにより、差圧計１１が無くてもループ内減圧弁６の開閉により燃料電池２の入口圧力と出口圧力の差圧制御を行い、水素ガスの流量をユーザが所望する燃料電池２の性能評価条件の流量に制御することができる。

次に、図４は第３実施形態のガス流量制御装置１（１Ｃ）の概略構成を示している。尚、図４において、図１のガス流量制御装置１Ａと同一の構成要素には同一番号を付し、その説明を省略している。

図４のガス流量制御装置１Ｃは、図１のガス流量制御装置１Ａから流量計５を省いた構成であり、ループ内減圧弁６の出口６ｂと燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１との間のガス供給流路４ｂの状態をモニタする計測器１４が設けられた構成である。

計測器１４は、例えば露点計、圧力計、温度計、ガス分析計、ガス濃度計を備えている。露点計は、燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１側におけるガス供給流路４ｂ内の水分を計測している。圧力計は、燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１側におけるガス供給流路４ｂ内の圧力を計測している。温度計は、燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１側におけるガス供給流路４ｂ内の温度を計測している。ガス分析計は、燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１側におけるガス供給流路４ｂ内を流れるガス成分のガス組成を分析している。ガス濃度計は、燃料電池２のアノード２ａの入口２ａ１側におけるガス供給流路４ｂ内のガス成分の各ガス組成毎の濃度を計測している。これら計測された水分、圧力、温度、ガス成分の各ガス組成毎の濃度は、モニタ情報として制御部１３に入力される。尚、ガス供給流路４ｂを流れるガス成分のガス組成が予め判っていれば、ガス分析計の構成を省くことができる。

図４のガス流量制御装置１Ｃにおいて、制御部１３は、操作部１２から操作入力される水素ガスの目標設定流量と、計測器１４の計測によって得られるモニタ情報（水分、圧力、温度、ガス成分の各ガス組成毎の濃度）に基づいて目標設定差圧を演算している。そして、制御部１３は、差圧計１１が計測した差圧と、演算により得られる目標設定差圧とを比較し、差圧計１１の計測による差圧が目標設定差圧となるように、ループ内減圧弁６を開閉制御する。これにより、流量計５が無くてもループ内減圧弁６の開閉により燃料電池２の入口圧力と出口圧力の差圧制御を行い、水素ガスの流量をユーザが所望する燃料電池２の性能評価条件の流量に制御することができる。

尚、図４のガス流量制御装置１Ｃでは、差圧計１１の計測結果に基づいて図２のフローチャートにおける処理（２）を実行して背圧弁９の開閉を制御する構成であるが、背圧弁９を省き、処理（２）を実行しない構成としても良い。

ところで、図１の流量計５と差圧計１１の両方を循環流路４に設けたガス流量制御装置１Ａにおいて、制御部１３は、燃料電池２の発電時に、流量計５又は差圧計１１からの計測結果を選択的に取り込み、燃料電池２に供給される水素ガスの流量が、ユーザが所望する燃料電池２の性能評価条件の流量（目標設定流量）に近づくように、流量計５又は差圧計１１の計測結果に応じて供給側減圧弁３やループ内減圧弁６の開閉（開度）を制御しても良い。

また、上述した各実施形態のガス流量制御装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、燃料電池２のアノード２ａの出口２ａ２から入口２ａ１に向かって帰還するループ状の循環流路４を形成した構成について説明したが、この構成をカソード２ｂに採用することもできる。すなわち、燃料電池２のカソード２ｂの出口２ｂ２から入口２ｂ１に向かって帰還するループ状の循環流路４を形成し、アノード２ａ側と同様の構成をカソード２ｂ側にも採用することができる。

このように、本発明のガス流量制御装置１では、燃料電池２の発電時に、燃料電池２のアノード２ａに供給される水素ガスの流量が、ユーザが所望する燃料電池２の性能評価条件の流量（目標設定流量）に近づくように供給側減圧弁３、ループ内減圧弁６、背圧弁９の開閉（開度）を必要に応じて適宜制御している。これにより、発電時に燃料電池２から排気された未反応の水素ガス（燃料ガス）を循環流路４を介して燃料電池２に再度供給する際の水素ガスの流量を調整して性能評価条件の流量（目標設定流量）にすることができる。その結果、未反応の水素ガス（燃料ガス）を排気させずに循環して再利用する燃料電池車の実装レベルでの燃料電池の評価試験を行うことができる。具体的には、ユーザが所望する燃料電池２の性能評価条件の流量（目標設定流量）を所定ステップで可変し、燃料電池車に実装される燃料電池２の発電性能を性能評価条件の流量毎に計測し、最も発電性能を引き出せる燃料ガスの流量を把握することができる。また、流量制御装置１に各種燃料電池をセットして試験を行うことにより、燃料電池の種類に応じた性能評価条件の流量毎の発電性能を把握することもできる。

また、循環流路４における昇圧ポンプ８とループ内減圧弁６との間にバッファタンク７を配置接続すれば、例えばダイヤフラム式昇圧ポンプなどの昇圧ポンプ８を採用した場合の脈動を低減してガスの流れを安定させることができる。

１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ） ガス流量制御装置
２ 燃料電池
３ 供給側減圧弁
３Ａ ガス供給装置
４ 循環流路
４ａ ガス昇圧流路
４ｂ ガス供給流路
４ｃ ガス帰還流路
５ 流量計
６ ループ内減圧弁
７ バッファタンク
８ 昇圧ポンプ
９ 背圧弁
１０ 圧力計
１１ 差圧計
１２ 操作部
１３ 制御部
１４ 計測器

Claims (6)

1. アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池に供給されるガスの流量を制御する燃料電池のガス流量制御装置において、
   前記燃料電池にガスを供給するための燃料ガス供給装置を有し、
   前記燃料電池の出口から入口に向かって帰還するループ状の循環流路が前記燃料ガス供給装置に接続され、
   前記循環流路における前記燃料電池の入口に近い位置から流量計、ループ内減圧弁、昇圧ポンプが順に配置して設けられており、
   前記燃料電池の発電時に、前記流量計が計測した流量が、予め設定される性能評価条件の目標設定流量に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御する制御部を備えたことを特徴とするガス流量制御装置。
2. アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池に供給されるガスの流量を制御する燃料電池のガス流量制御装置において、
   前記燃料電池にガスを供給するための燃料ガス供給装置を有し、
   前記燃料電池の出口から入口に向かって帰還するループ状の循環流路が前記燃料ガス供給装置に接続され、
   前記燃料電池の入口に近い位置からループ内減圧弁、昇圧ポンプが順に配置して設けられており、
   前記循環流路における前記燃料電池の入口圧力と出口圧力との圧力差による差圧を計測する差圧計と、
   前記ループ内減圧弁と前記燃料電池の入口との間の水分、圧力、温度、ガス成分の各ガス組成の濃度を計測する計測器と、
   前記燃料電池の発電時に、予め設定される性能評価条件の目標設定流量と前記計測器による計測結果に基づいて目標設定差圧を演算し、前記差圧計が計測する差圧が、前記演算した目標設定差圧に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御する制御部とを備えたことを特徴とするガス流量制御装置。
3. 前記循環流路を介して前記昇圧ポンプに吸引されるガスの圧力を計測する圧力計と、
   前記圧力計が計測した圧力に応じて前記制御部により開閉制御される供給側減圧弁とを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載のガス流量制御装置。
4. 請求項１のガス流量制御装置を用いたガス流量制御方法であって、
   前記昇圧ポンプの運転開始後に、前記流量計により計測した流量と前記目標設定流量とを比較し、前記流量計により計測した流量が前記目標設定流量に達していないときに、前記流量計により計測される流量が前記目標設定流量に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御するステップを含むことを特徴とするガス流量制御方法。
5. 請求項２のガス流量制御装置を用いたガス流量制御方法であって、
   前記昇圧ポンプの運転開始後に、前記差圧計により計測した差圧と前記演算した目標設定差圧とを比較し、前記差圧計により計測した差圧が前記目標設定差圧に達していないときに、前記差圧計により計測される差圧が前記目標設定差圧に近づくように前記ループ内減圧弁の開閉を制御するステップを含むことを特徴とするガス流量制御方法。
6. 請求項３のガス流量制御装置を用いたガス流量制御方法であって、
   前記循環流路を介して前記昇圧ポンプに吸引されるガスの圧力を計測するステップと、
   前記計測された圧力が予め設定される最小設定圧力以下のときに、前記供給側減圧弁の開閉を制御するステップとを含むことを特徴とするガス流量制御方法。

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