JP3742900B2 - 燃料電池スタックシミュレータ - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは、燃料電池システムを構成する複数の装置、例えば空気供給器、冷却水ポンプ、ラジエーター、熱交換器、イオン除去器、凝縮器、質量流量計、複数のセンサーなど周辺装置の特性を評価することにおいて、燃料電池スタックの代わりに用いることができる燃料電池スタックシミュレータに関する。

図１は、燃料電池システムの一般的な構成を示したブロック図である。
図１に示すような燃料電池システムの一般的な構成を実験室において試作的に製作設置する燃料電池システムをブレッドボードという。燃料電池スタックと燃料電池スタックの周辺装置（ＢＯＰ：Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ）とが開発されると、まず、実験室にブレッドボード形態にて燃料電池システムを構築設置して運転することによって、燃料電池システムの特性を調査したり評価したりする（例えば、特許文献１参照）。

図１に示すように、一般的な燃料電池システムは、空気流動系、燃料ガス流動系、冷却水流動系を含む。燃料電池システムの空気流動系を通じて供給される空気は、空気清浄器１０１、空気供給器１０２を経て燃料電池スタック１０６に導入され、燃料電池スタック１０６からの未反応空気は、空気凝縮器１０８を通じて排出される。

一方、燃料電池システムの燃料ガス流動系を通じて供給される燃料ガスは、燃料電池スタック１０６に導入され、燃料電池スタック１０６からの未反応燃料ガスは、燃料ガス凝縮器１０９を経て排出される。

冷却水流動系の冷却水は、冷却水タンク１０７、ラジエータ１０３、冷却水ポンプ１０７、及びイオン除去器１０４を経て循環し、燃料電池スタック１０６を冷却する。

したがって、ブレッドボードを製作して運転する場合、空気の量及び圧力、燃料ガスの量及び圧力を含む様々な運転条件を適用して、ブレッドボードに採用された周辺装置を評価し、周辺装置の最適な仕様を導き出すのである。

しかし、新たな周辺装置がブレッドボードに採用される場合、周辺装置の性能が保障されないので、燃料電池スタックが損傷を受ける可能性があり、こうして燃料電池スタックが損傷した場合、これを交換しなければならず、様々な運転条件を適用するのに制限があった。

特開２００２−０５０３８０公報

そこで、本発明は上記従来の燃料電池システムブレッドボードにおける問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、燃料電池システムの周辺装置を評価する場合に、燃料電池スタックの代わりに用いることができる燃料電池スタックシミュレータを提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明による燃料電池スタックシミュレータは、燃料電池スタックの周辺装置を評価するための燃料電池スタックシミュレータにおいて、供給される空気を減圧及び加熱した後、燃料電池スタックシミュレータ外部に排出する空気流動系と、供給される燃料ガスを減圧及び加熱した後、燃料電池スタックシミュレータ外部に排出する燃料ガス流動系と、供給される冷却水を減圧及び加熱した後、燃料電池スタックシミュレータ外部に排出する冷却水流動系と、燃料電池スタックシミュレータ内部に水分を供給する水分供給系と、前記空気流動系に連結されて、減圧及び加熱された空気の一部を外部に引き出す空気引出系と、前記燃料ガス流動系に連結されて、減圧及び加熱された燃料ガスの一部を引き出す燃料ガス引出系とを含むことを特徴とする。

前記空気流動系、前記燃料ガス流動系、及び前記冷却水流動系は、各々流体の圧力を降下させるコントロールバルブと流体を加熱するヒーターとを含むことを特徴とする。

前記空気流動系、前記燃料ガス流動系、及び前記冷却水流動系の各々の前段及び後段は、温度センサーと圧力センサーとを含むことを特徴とし前記複数の流動系の前段及び後段の温度及び圧力を検出する。

前記コントロールバルブは、前記圧力センサーから検出された圧力に基づいて制御されることを特徴とする。
前記ヒーターは、前記温度センサーから検出された温度に基づいて制御されることを特徴とする。

前記空気引出系及び前記燃料ガス引出系は、各々流体の流量を検出するＭＦＭ（Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｅｒ）と流体を燃料電池スタックシミュレータ外部に引き出すポンプとを含むことを特徴とする。
前記ポンプは、前記ＭＦＭから検出される流体の流量に基づいて制御されることを特徴とする。

前記水分供給系は、外部の水を燃料電池スタックシミュレータ内部に引き入れるポンプ、引き入れられる水の量を検出するＭＦＭ、引き入れられる水を予熱するヒーター、及び予熱された水を空気供給系に微細な水粒子または水蒸気の形態で噴射するインジェクターを含むことを特徴とする。
前記ポンプは、前記ＭＦＭから検出される水の量に基づいて制御されることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池スタックシミュレータによれば、燃料電池システムの周辺装置の試験評価時に高価なスタックを新たに製作または購買する必要がないので、ブレッドボードを運転する場合に燃料電池スタックの破損の危険がなく、評価者の評価目的または意図によって様々な運転が可能であるので、燃料電池システムに対する最適な仕様を導き出すことができるという効果がある。

また、燃料電池スタックシミュレータは、膜を含まないので、膜の種類によって決定される圧力制限を考慮する必要がなく、流体の圧力に関係なく同一な形態の燃料電池スタックシミュレータを用いることができるという効果がある。

また、実際のスタックはブレッドボードで正常に運転しても、一定の時間が経過すると劣化するので、スタックを交替しなければならないが、スタックシミュレータの場合には半永久的な使用が可能であるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池スタックシミュレータを実施するための最良の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。

図２は、本発明の一実施例による燃料電池スタックシミュレータの構成を示した図である。

図２に示すように、空気流動系１０、燃料ガス流動系２０、及び冷却水流動系３０が燃料電池スタックシミュレータ１００内に形成される。

まず、燃料電池スタックシミュレータ１００の入出口について見てみると、空気流動系１０の入口には、燃料電池スタックシミュレータ１００に導入される空気の湿度、温度、及び圧力を各々検出する湿度センサー１１、温度センサー１２、圧力センサー１３が設けられ、空気流動系１０の出口には、燃料電池スタックシミュレータ１００から排出される空気の湿度、温度、及び圧力を各々検出する湿度センサー１６、温度センサー１７、圧力センサー１８が設けられる。

次に、燃料ガス流動系２０の入口には、燃料電池スタックシミュレータ１００に導入される燃料ガスの湿度、温度及び圧力を各々検出する湿度センサー２１、温度センサー２２、圧力センサー２３が設けられ、燃料ガス流動系２０の出口には、燃料電池スタックシミュレータ１００から排出される燃料ガスの湿度、温度、及び圧力を各々検出する湿度センサー２６、温度センサー２７、圧力センサー２８が設けられる。

次に、冷却水流動系３０の入口には、燃料電池スタックシミュレータ１００に導入される冷却水の温度及び圧力を検出する温度センサー３２及び圧力センサー３３が設けられ、冷却水流動系３０の出口には、燃料電池スタックシミュレータ１００から排出される冷却水の温度及び圧力を各々検出する温度センサー３７及び圧力センサー３８が設けられる。

実際に、燃料電池スタック内部で流体が流動する場合、流体の圧力降下が発生する。流体の圧力降下を模擬するために、空気流動系１０、燃料ガス流動系２０及び冷却水流動系３０には各々コントロールバルブ１４、２４、３４が設けられる。

また、実際燃料電池スタックで空気と燃料ガスとの化学反応が行われる場合、電気と共に反応熱が生成する。この時、生成される反応熱によって燃料電池スタック外部に排出される空気、燃料ガス、及び冷却水の温度が上昇する。したがって、燃料電池スタックシミュレータに形成された空気流動系１０、燃料ガス流動系２０及び冷却水流動系３０には各々ヒーター１５、２５、３５が設けられて、燃料電池スタックの実際の反応過程で発生する反応熱を模擬する。

コントロールバルブ１４、２４、３４は、空気流動系１０、燃料ガス流動系２０、冷却水流動系３０の入口と出口とで検出された圧力に基づいて制御され、コントロールバルブ１４、２４、３４を制御することによって、燃料電池スタックシミュレータ１００内部で発生する圧力降下の水準を調節することができる。

また、ヒーター１５、２５、３５は、空気流動系１０、燃料ガス流動系２０、冷却水流動系３０の入口と出口とで検出された温度に基づいて制御され、ヒーター１５、２５、３５を制御することによって、燃料電池スタックシミュレータ１００内部で発生する熱の量を調節することができる。

一方、実際の燃料電池スタックの場合には、燃料電池スタック内部で空気と燃料ガスとが化学反応によって消費され、反応後に燃料電池スタック内部に残った剰余燃料ガスと空気とは燃料電池スタック外部に排出される。これを模擬するために、空気流動系１０と燃料ガス流動系２０とのヒーター１５、２５の後段には、各々空気引出系４０及び燃料ガス引出系５０が連結形成される。

空気引出系４０は、排出される空気の量を検出するＭＦＭ（Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｅｒ）４１、及び空気を引き入れて燃料電池スタックシミュレータ１００外部に排出する引出ポンプ４２が設けられ、ＭＦＭ４１から検出される引き出された空気の量が設定された値を有するように引出ポンプ４２が制御される。

同様に、燃料ガス引出系５０は、引き出される燃料ガスの量を検出するＭＦＭ５１、及び燃料ガスを引き入れてスタックシミュレータ１００外部に引き出す引出ポンプ５２が設けられ、ＭＦＭ４１から検出される引き出された燃料ガスの量が設定された値を有するように吸入ポンプ５２が制御される。

空気引出系４０から引き出される空気の設定された量と燃料ガス引出系５０から引き出される燃料ガスの設定された量とは、燃料電池スタックから得られる化学反応式に基づいて決定される。

一方、燃料電池スタックシミュレータ１００にはもう一つ水分供給系６０が形成されて、空気流動系１０のヒーター１５の後段に連結される。
実際の燃料電池スタックでは空気と燃料ガスとの反応過程で水が生成されるので、これを模擬するために、水分供給系６０が空気流動系１０に連結されて水分を供給する。

水分供給系６０には、水を引き入れて空気供給系１０に圧送するポンプ６１、供給される水の量を検出するＭＦＭ６２、水を燃料電池スタックシミュレータ内の空気流動系に流れる空気と同一な温度に予熱するヒーター６３、及び供給される水を空気流動系１０に微細な水粒子または水蒸気の形態で噴射するインジェクター６４が設けられる。

実際の反応時に生成される水と同一な量を空気流動系１０に供給するために、ＭＦＭ６２から検出された水の量に基づいてポンプ６１を制御する。

燃料電池システムの一般的な構成を示したブロック図である。 本発明の一実施例による燃料電池スタックシミュレータの構成を示した図である。

符号の説明

１０ 空気流動系
１１、１６、２１、２６ 湿度センサー
１２、１７、２２、２７、３２、３７ 温度センサー
１３、１８、２３、２８、３３、３８ 圧力センサー
２０ 燃料ガス流動系
３０ 冷却水流動系
１４、２４、３４ コントロールバルブ
１５、２５、３５、６３ ヒーター
４０ 空気引出系
４１、５１、６２ ＭＦＭ
４２、５２ 引出ポンプ
５０ 燃料ガス引出系
６０ 水分供給系
６４ インジェクター
１００ 燃料電池スタックシミュレータ

Claims (9)

1. 燃料電池スタックの周辺装置を評価するための燃料電池スタックシミュレータにおいて、
   供給される空気を減圧及び加熱した後、燃料電池スタックシミュレータ外部に排出する空気流動系と、
   供給される燃料ガスを減圧及び加熱した後、燃料電池スタックシミュレータ外部に排出する燃料ガス流動系と、
   供給される冷却水を減圧及び加熱した後、燃料電池スタックシミュレータ外部に排出する冷却水流動系と、
   燃料電池スタックシミュレータ内部に水分を供給する水分供給系と、
   前記空気流動系に連結されて、減圧及び加熱された空気の一部を外部に引き出す空気引出系と、
   前記燃料ガス流動系に連結されて、減圧及び加熱された燃料ガスの一部を引き出す燃料ガス引出系とを含むことを特徴とする燃料電池スタックシミュレータ。
2. 前記空気流動系、前記燃料ガス流動系、及び前記冷却水流動系は、各々流体の圧力を降下させるコントロールバルブと流体を加熱するヒーターとを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックシミュレータ。
3. 前記空気流動系、前記燃料ガス流動系、及び前記冷却水流動系の各々の前段及び後段は、温度センサーと圧力センサーとを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタックシミュレータ。
4. 前記コントロールバルブは、前記圧力センサーから検出された圧力に基づいて制御されることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池スタックシミュレータ。
5. 前記ヒーターは、前記温度センサーから検出された温度に基づいて制御されることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池スタックシミュレータ。
6. 前記空気引出系及び前記燃料ガス引出系は、各々流体の流量を検出するＭＦＭ（Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｅｒ）と流体を燃料電池スタックシミュレータ外部に引き出すポンプとを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックシミュレータ。
7. 前記ポンプは、前記ＭＦＭから検出される流体の流量に基づいて制御されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタックシミュレータ。
8. 前記水分供給系は、外部の水を燃料電池スタックシミュレータ内部に引き入れるポンプ、引き入れられる水の量を検出するＭＦＭ、引き入れられる水を予熱するヒーター、及び予熱された水を空気供給系に微細な水粒子または水蒸気の形態で噴射するインジェクターを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックシミュレータ。
9. 前記ポンプは、前記ＭＦＭから検出される水の量に基づいて制御されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池スタックシミュレータ。

Images