JP4795668B2 - Humidification device, gas supply device, and fuel cell evaluation test device - Google Patents
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Description
本発明は、所定の気体を加湿可能な加湿装置、当該加湿装置を備えたガス供給装置、並びに、当該ガス供給装置を備えた燃料電池評価試験装置に関する。 The present invention relates to a humidifier capable of humidifying a predetermined gas, a gas supply device including the humidifier, and a fuel cell evaluation test device including the gas supply device.
近年、自動車用の電源や家庭用の電源として燃料電池が着目されつつある。かかる用途に燃料電池を採用するためには、長期にわたって使用した場合を想定した燃料電池の性能評価試験を行わねばならない。かかる要望に基づき、例えば下記特許文献1に開示されているようなガス供給装置を備えた燃料電池評価試験装置が提供されている。
上記特許文献1に開示されているようなガス供給装置の多くは、純水等の液体を貯留した水槽中に加熱手段を設け、この加熱手段によって液体を加熱することにより発生する蒸気を用いて気体を加湿する加湿装置を備えている。 Many of the gas supply devices disclosed in Patent Document 1 are provided with a heating means in a water tank storing a liquid such as pure water, and using steam generated by heating the liquid by the heating means. A humidifier is provided to humidify the gas.
従来技術のガス供給装置や燃料電池評価試験装置に採用されている加湿装置は、長期にわたって使用を継続すると、加熱手段の表面に水中に溶存してる珪酸やカルシウム、マグネシウム等のようないわゆるスケールが析出してくる。加熱手段の表面にスケールが析出すると、加熱手段から水等の液体への伝熱効率が低下する。そのため、適切なメンテナンス等を怠り、スケールが付着したまま加熱手段を作動させると、加熱手段に対して大きな負荷が作用することとなり、この負荷が過度に大きくなると加熱手段が損傷や故障を起こしてしまうという問題があった。 When the humidifier used in the gas supply device and fuel cell evaluation test device of the prior art continues to be used for a long period of time, a so-called scale such as silicic acid, calcium, magnesium, etc. dissolved in water on the surface of the heating means. Precipitates. When scale deposits on the surface of the heating means, the heat transfer efficiency from the heating means to a liquid such as water decreases. Therefore, if the heating unit is operated with negligible maintenance, etc., with the scale attached, a large load will be applied to the heating unit. If this load becomes excessively large, the heating unit may be damaged or malfunctioned. There was a problem that.
また、従来技術の燃料電池評価試験装置やガス供給装置は、上記したような構成の加湿装置を具備したものであるため、燃料電池の評価試験の途中やガス供給動作の途中に予期せぬ加熱手段の損傷や故障によってガスの加湿が行えなくなり、長期にわたって継続していた評価試験等が中断されてしまうおそれがあった。そのため、従来技術の燃料電池評価システムやガス供給装置では、加熱手段の損傷や故障を防止すべく頻繁にメンテナンスを行わねばならないという問題があった。 Further, since the fuel cell evaluation test apparatus and the gas supply apparatus of the prior art are equipped with the humidifying apparatus configured as described above, unexpected heating during the fuel cell evaluation test or during the gas supply operation is performed. Due to damage or failure of the means, the gas could not be humidified, and there was a possibility that the evaluation test and the like continued for a long time were interrupted. Therefore, the conventional fuel cell evaluation system and gas supply apparatus have a problem that frequent maintenance must be performed to prevent damage or failure of the heating means.
そこで、上記した問題に鑑み、本発明は、スケールの析出等に伴う加熱手段の損傷や故障の可能性を未然に検知できる加湿装置、当該加湿装置を備えたガス供給装置、並びに、燃料電池評価試験装置の提供を目的とする。 Therefore, in view of the above-described problems, the present invention provides a humidifier capable of detecting in advance the possibility of damage or failure of the heating means accompanying scale deposition, a gas supply device including the humidifier, and a fuel cell evaluation. The purpose is to provide test equipment.
上記した課題を解決すべく提供される請求項1に記載の発明は、液体を貯留する貯留手段と、当該貯留手段内に貯留された液体を加熱して蒸気を発生させる加熱手段とを有し、前記蒸気によって気体を加湿するものであり、前記加熱手段の出力を制御する制御手段を有し、当該制御手段が、気体を加湿するのに要する加熱手段の理論出力と、加熱手段の実出力とを比較し、前記理論出力と実出力との差に基づいて導出される出力差あるいは当該出力差に基づいて導出される変数が所定の閾値を超えることを条件として、加熱手段から貯留手段内に貯留されている液体への伝熱抵抗の増大によって加熱手段が過負荷状態となっているものと判断することを特徴とする加湿装置である。 The invention according to claim 1, which is provided to solve the above-described problem, includes a storage unit that stores a liquid, and a heating unit that heats the liquid stored in the storage unit to generate steam. The gas is humidified by the steam, and has a control means for controlling the output of the heating means, and the control means has a theoretical output of the heating means required to humidify the gas, and an actual output of the heating means. And the output difference derived based on the difference between the theoretical output and the actual output or the variable derived based on the output difference exceeds a predetermined threshold value, the heating means and the storage means It is determined that the heating means is overloaded due to an increase in heat transfer resistance to the liquid stored in the humidifier.
上記したように、液体中に溶存しているスケールが加熱手段の表面に析出してくると、このスケールが伝熱抵抗となる。そのため、本発明の加湿装置のような構成とした場合、スケールの析出量が増えると、加熱手段の実出力を理論出力よりも大きくせざるを得ない。そのため、加熱手段の表面におけるスケールの析出量が変動すると、理論出力と実出力との差に基づいて導出される出力差が変動したり、当該出力差に基づいて導出される変数が加熱手段にスケールが付着していない場合や、当該スケールの析出量が少ない場合における値から乖離する傾向を示す。従って、出力差が増加したり、出力差に基づく変数が変動する場合は、加熱手段に過負荷がかかった状態となる。すなわち、加熱手段の出力差や、これに基づいて導出される変数は、加熱手段に作用する負荷の程度を示すパラメーターとして機能する。 As described above, when the scale dissolved in the liquid is deposited on the surface of the heating means, this scale becomes a heat transfer resistance. Therefore, in the case of the configuration as the humidifying device of the present invention, the amount of precipitation of the scale increases, greater inevitable than the theoretical output actual output of the heating means. Therefore, if the amount of scale deposition on the surface of the heating means fluctuates, the output difference derived based on the difference between the theoretical output and the actual output fluctuates, or the variable derived based on the output difference changes to the heating means. It shows a tendency to deviate from the value when the scale is not attached or when the amount of precipitation of the scale is small. Therefore, when the output difference increases or the variable based on the output difference fluctuates, the heating means is overloaded. That is, the output difference of the heating means and the variable derived based on this function as a parameter indicating the degree of load acting on the heating means.
上記した知見に基づき、本発明では、理論出力と実出力との差に基づく出力差や、出力差に基づいて導出される変数の値が所定の閾値を超えることを条件として、加熱手段に過負荷が作用しているものと判断することとしている。そのため、本発明によれば、加熱手段に対するスケールの析出量の増加に伴う加熱手段の負荷の増大を的確に把握でき、スケールの析出に伴う加熱手段の損傷や故障の可能性を精度良く予測可能な加湿装置を提供できる。 Based on the above knowledge, in the present invention, the heating means is excessive on the condition that the output difference based on the difference between the theoretical output and the actual output or the value of the variable derived based on the output difference exceeds a predetermined threshold value. It is determined that the load is acting. Therefore, according to the present invention, it is possible to accurately grasp the increase in the load of the heating unit accompanying the increase in the amount of scale deposition on the heating unit, and it is possible to accurately predict the possibility of damage or failure of the heating unit due to scale deposition. A humidifier can be provided.
請求項2に記載の発明は、制御手段が、貯留手段に貯留される液体の液温、貯留手段内で発生する蒸気の蒸気温度、並びに、当該蒸気温度の蒸気を発生させるのに要する加熱量に基づいて加熱手段の理論出力を導出するものであることを特徴とする請求項1に記載の加湿装置である。 According to the second aspect of the present invention, the control means causes the liquid temperature of the liquid stored in the storage means, the vapor temperature of the vapor generated in the storage means, and the heating amount required to generate the vapor at the vapor temperature. The humidifying device according to claim 1, wherein the theoretical output of the heating means is derived based on the above.
かかる構成によれば、加熱手段の理論出力を精度良く導出でき、スケールの析出量の増加に伴う加熱手段の負荷増大を的確に把握できる。従って、本発明によれば、加熱手段の故障や損傷の可能性を精度良く把握可能な加湿装置を提供できる。 According to this configuration, the theoretical output of the heating means can be derived with high accuracy, and the increase in the load on the heating means accompanying an increase in the amount of scale deposition can be accurately grasped. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a humidifier capable of accurately grasping the possibility of failure or damage of the heating means.
請求項3に記載の発明は、制御手段が、出力差あるいは当該出力差に基づいて導出される変数が閾値を超えることを条件として、警告信号を発信することを特徴とする請求項1又は2に記載の加湿装置である。 The invention according to claim 3 is characterized in that the control means transmits a warning signal on condition that the output difference or a variable derived based on the output difference exceeds a threshold value. It is a humidification apparatus as described in above.
かかる構成によれば、スケールの析出に伴って加熱手段が損傷や故障を起こすのに先だって、加熱手段のメンテナンスに適したタイミングで警告信号を発信できる。 According to such a configuration, a warning signal can be transmitted at a timing suitable for the maintenance of the heating unit before the heating unit is damaged or failed due to the deposition of the scale.
請求項4に記載の発明は、ガスが流通するガス流路を有し、当該ガス流路の中途に、請求項1乃至3のいずれかに記載の加湿装置が設けられていることを特徴とするガス供給装置である。 Invention of Claim 4 has a gas flow path through which gas distribute | circulates, The humidification apparatus in any one of Claim 1 thru | or 3 is provided in the middle of the said gas flow path, It is characterized by the above-mentioned. A gas supply device.
本発明のガス供給装置は、上記したような加湿装置を具備したものであるため、加湿装置のスケールの析出量の増加に伴う加熱手段の負荷の増大を把握でき、スケールの析出に伴う加熱手段の損傷や故障の可能性を的確に予測できる。そのため、本発明によれば、加湿装置の加熱手段が予期せぬタイミングで故障や損傷を起こすのを防止でき、所望の湿度に加湿されたガスを安定供給可能なガス供給装置を提供できる。 Since the gas supply apparatus of the present invention includes the humidifier as described above, it is possible to grasp the increase in the load of the heating means accompanying the increase in the amount of precipitation of the scale of the humidifier, and the heating means accompanying the precipitation of the scale. It is possible to accurately predict the possibility of damage or failure. Therefore, according to the present invention, it is possible to prevent the heating unit of the humidifier from causing a failure or damage at an unexpected timing, and it is possible to provide a gas supply device that can stably supply a gas humidified to a desired humidity.
請求項5に記載の発明は、ガスが流通するガス流路と、当該ガス流路内を流れるガスの湿度を調整可能な調湿手段とを有し、当該ガス流路が、低湿度のガスが流れる低湿度流路と、当該低湿度流路内を流れるガスよりも湿度が高いガスが流れる高湿度流路と、当該高湿度流路と低湿度流路とが合流する合流部とを有し、高湿度流路の中途に請求項1乃至3のいずれかに記載の加湿装置を設けたものであり、前記調湿手段が、前記低湿度流路を流れるガスと高湿度流路を流れるガスとの流量比および/または加湿装置を構成する加熱手段の出力を調整することによりガスの湿度を調整するものであることを特徴とするガス供給装置である。
The invention according to
本発明のガス供給装置は、上記した加湿装置を備えたものであるため、スケールの析出に伴って加湿手段の加熱手段に作用する負荷が増大して加熱手段が損傷や故障を起こす可能性を的確に予測し、これに伴う不具合を未然に防止することができる。そのため、本発明によれば、加湿手段の加熱手段の損傷や故障に伴う予期せぬ加湿不良を未然に防止可能なガス供給装置を提供できる。 Since the gas supply device of the present invention includes the humidification device described above, the load acting on the heating unit of the humidifying unit increases with the deposition of the scale, which may cause damage or failure of the heating unit. It is possible to accurately predict and prevent problems associated therewith. Therefore, according to this invention, the gas supply apparatus which can prevent the unexpected humidification failure accompanying the damage and failure of the heating means of a humidification means can be provided.
本発明のガス供給装置は、高湿度流路に設けられた加湿装置の加熱手段の出力や、高湿度流路および低湿度流路を流れるガスの流量比を調整することにより所望の湿度のガスを供給できる。 The gas supply apparatus of the present invention is a gas having a desired humidity by adjusting the output of the heating means of the humidifier provided in the high humidity flow path and the flow rate ratio of the gas flowing through the high humidity flow path and the low humidity flow path. Can supply.
請求項6に記載の発明は、ガス流路内を流れるガスの温度を調整可能な温調装置を備えていることを特徴とする請求項4又は5に記載のガス供給装置である。
The invention according to
かかる構成によれば、所望の温度に加熱されたガスを供給することができる。 According to such a configuration, a gas heated to a desired temperature can be supplied.
請求項7に記載の発明は、請求項4乃至6のいずれかに記載のガス供給装置を具備し、当該ガス供給装置により調製されたガスを燃料電池に供給可能であることを特徴とする燃料電池評価試験装置である。 A seventh aspect of the invention is a fuel comprising the gas supply device according to any one of the fourth to sixth aspects, wherein the gas prepared by the gas supply device can be supplied to the fuel cell. This is a battery evaluation test apparatus.
本発明の燃料電池評価試験装置は、上記したガス供給装置を備えたものであるため、所望の湿度(露点温度)に加湿したガスを燃料電池に供給し、評価試験を行うことができる。また、本発明の燃料電池評価試験装置は、ガス供給装置を構成する加湿装置の加熱手段がスケールの析出に伴う損傷や故障の可能性を的確に予測することができる。そのため、本発明の燃料電池評価試験装置は、加湿手段の加熱手段が予期せぬ損傷や故障を起こすことによるガスの加湿不良を未然に防止でき、ガスの加湿不良に伴う評価試験の精度の低下を防止できる。 Since the fuel cell evaluation test apparatus of the present invention includes the gas supply device described above, the evaluation test can be performed by supplying a gas humidified to a desired humidity (dew point temperature) to the fuel cell. In addition, the fuel cell evaluation and test apparatus of the present invention can accurately predict the possibility of damage or failure accompanying the deposition of scale in the heating means of the humidifying device constituting the gas supply device. Therefore, the fuel cell evaluation test apparatus of the present invention can prevent the humidification of the gas due to unexpected damage or failure of the heating means of the humidification means, and decrease the accuracy of the evaluation test accompanying the poor humidification of the gas. Can be prevented.
請求項8に記載の発明は、恒温手段を有し、当該恒温手段が雰囲気温度を所定の条件に調整可能な恒温室を有し、当該恒温室内に燃料電池の一部または全部を収容可能であることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池評価試験装置である。
The invention according to claim 8 has a thermostatic means, the thermostatic means has a thermostatic chamber capable of adjusting the atmospheric temperature to a predetermined condition, and a part or all of the fuel cell can be accommodated in the thermostatic chamber. 8. The fuel cell evaluation test apparatus according to
かかる構成によれば、所望の雰囲気下で燃料電池の評価試験を実行可能な燃料電池評価試験装置を提供できる。 According to this configuration, it is possible to provide a fuel cell evaluation test apparatus capable of executing a fuel cell evaluation test in a desired atmosphere.
請求項9に記載の発明は、ガス流路が恒温室内に引き込まれ燃料電池に繋がる引き込み部を有し、当該引き込み部の中途に熱交換手段が設けられていることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池評価試験装置である。 The invention according to claim 9 is characterized in that the gas flow path has a lead-in part that is drawn into the temperature-controlled room and is connected to the fuel cell, and a heat exchanging means is provided in the middle of the lead-in part. It is a fuel cell evaluation test apparatus as described in above.
本発明の燃料電池評価試験装置では、ガスが燃料電池に導入される前に、恒温室内に配された熱交換手段を通過する。そのため、本発明の燃料電池評価試験装置では、燃料電池の評価試験雰囲気たる恒温室内の雰囲気温度下において熱交換され、温度調整されたガスが燃料電池に供給される。従って、本発明の燃料電池評価試験装置によれば、燃料電池の評価試験に適した温度に調整されたガスを供給できる。 In the fuel cell evaluation test apparatus of the present invention, before the gas is introduced into the fuel cell, it passes through the heat exchange means arranged in the temperature-controlled room. Therefore, in the fuel cell evaluation test apparatus of the present invention, heat exchange is performed under the atmospheric temperature in the temperature-controlled room, which is the fuel cell evaluation test atmosphere, and the temperature-adjusted gas is supplied to the fuel cell. Therefore, according to the fuel cell evaluation test apparatus of the present invention, the gas adjusted to a temperature suitable for the evaluation test of the fuel cell can be supplied.
本発明によれば、加熱手段に対してスケール等が析出することによる加熱手段の損傷や故障を的確に予測可能な加湿装置を提供できる。また、本発明によれば、加湿装置の加熱手段が予期せぬタイミングで故障するのを防止でき、所望の湿度に加湿されたガスを安定供給可能なガス供給装置を提供できる。さらに、本発明によれば、ガスの加湿不良を未然に防止でき、ガスの加湿不良に伴う評価試験の精度の低下を防止可能な燃料電池評価試験装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the humidification apparatus which can predict correctly the damage and failure of a heating means by a scale etc. depositing with respect to a heating means can be provided. Further, according to the present invention, it is possible to provide a gas supply device that can prevent the heating means of the humidifier from failing at an unexpected timing and can stably supply a gas humidified to a desired humidity. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell evaluation test apparatus capable of preventing a gas humidification failure and preventing a decrease in accuracy of an evaluation test due to a gas humidification failure.
続いて、本発明の一実施形態である加湿装置、ガス供給装置、並びに、燃料電池評価試験装置について図面を参照しながら詳細に説明する。図1において、1は本実施形態の燃料電池評価試験装置(以下、FC試験装置1と称す)である。また、図1において、3は本実施形態のガス供給装置であり、23は本実施形態の加湿装置である。 Subsequently, a humidifier, a gas supply device, and a fuel cell evaluation test device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a fuel cell evaluation test apparatus (hereinafter referred to as an FC test apparatus 1) of the present embodiment. Moreover, in FIG. 1, 3 is the gas supply apparatus of this embodiment, 23 is a humidification apparatus of this embodiment.
FC試験装置1は、ガス供給装置3によって燃料電池10の正極に導入されるガス(以下、必要に応じて正極側ガスと称す)や負極に導入されるガス(以下、必要に応じて負極側ガスと称す)の温度や湿度等の供給条件を調整して燃料電池10の性能の評価試験を行うものである。加湿装置23は、ガス供給装置3の一部を構成するものであり、正極側ガスや負極側ガスの湿度を調整するものである。
The FC test apparatus 1 includes a gas introduced into the positive electrode of the
FC試験装置1は、図1に示すように燃料電池10の負極活物質として使用される水素を主成分とするガスや正極活物質として使用される酸素を主成分とするガス等を供給するためのガス流路2と、ガス流路2を通過する水素や酸素等のガスを所定の温度や湿度(露点温度)に調整するガス供給装置3と、試験対象である燃料電池10を収容可能な恒温手段5とに大別される。
As shown in FIG. 1, the FC test apparatus 1 supplies a gas mainly containing hydrogen used as a negative electrode active material of the
ガス流路2は、水素や酸素等のガスの供給源と、恒温手段5内に配された燃料電池10とを繋ぐ流路である。ガス流路2は、燃料電池10の正極(酸素極)に繋がる正極側ガス流路11と、負極(燃料極)に繋がる負極側ガス流路12の2系統によって構成されている。正極側ガス流路11および負極側ガス流路12は、それぞれ正極側ガスおよび負極側ガスが流れる配管である。
The
正極側ガス流路11および負極側ガス流路12は、互いに独立した流路を形成しているが、その流路構成はほぼ同一とされている。すなわち、正極側ガス流路11および負極側ガス流路12は、それぞれ中途にガス供給装置3を有する。そして、ガス流路2は、後述する冷却手段27に対してガスの流れ方向上流側に配された流路切替手段25よりもさらに上流側において低湿度流路13と高湿度流路15の2系統に分岐されている。低湿度流路13は湿度が低いガスが流れる流路であり、高湿度流路15は湿度が高いガスが流れる流路である。低湿度流路13と高湿度流路15とは、流路切替手段25よりも上流側の合流部47で合流している。また、ガス流路2は、流路切替手段25よりも下流側に冷却流路16を有する。冷却流路16は、ガス流路2内を流れるガスを迂回させ、冷却手段27を通過させるための流路である。
The positive electrode side
ガス供給装置3は、低湿度流路13の中途に設けられた流量調整手段20と加熱手段21、高湿度流路15の中途に設けられた流量調整手段22と加湿装置23、ガス流路2と冷却流路16との境界部分に設けられた流路切替手段25,26、並びに、冷却流路16の中途に設けられた冷却手段27とを具備している。さらに具体的に説明すると、低湿度流路13および高湿度流路15は、FC試験装置1の外部に存在する正極側ガス供給源28あるいは負極側ガス供給源29(以下、必要に応じて供給源28,29と称す)に接続されている。流量調整手段20,22は、それぞれ低湿度流路13や高湿度流路15を流れるガス(以下、必要に応じて低湿度ガス、高湿度ガスと称す)の流量を調整するものである。
The gas supply device 3 includes a flow
加熱手段21や冷却手段27は、正極側ガス流路11や負極側ガス流路12を流れるガスの温度を調整する温調手段6として機能する。加熱手段21は、例えば従来公知のヒーター等で構成することができる。また、冷却手段27は、従来公知の冷却装置によって構成することができる。
The heating means 21 and the cooling means 27 function as the temperature adjusting means 6 that adjusts the temperature of the gas flowing through the
流量調整手段20,22および加湿装置23は、正極側ガス流路11や負極側ガス流路12を流れるガスの湿度(露点温度)を調整する調湿手段7として機能する。すなわち、調湿手段7は、流量調整手段20,22を調整することにより、供給源28,29から低湿度流路13に供給されたガス(低湿度ガス)と、供給源28,29から高湿度流路15に供給されたガスを加湿装置23において加湿した高湿度ガスとを合流部47において所定比で合流させ、混合することにより燃料電池10に供給するガスの露点温度(湿度)を調整するものである。
The flow rate adjusting means 20 and 22 and the
加湿装置23は、図2に示すように貯留水を貯留する密閉型の貯水タンク40と、この貯水タンク40内の貯留水を加熱するためのヒーター41とを具備している。通常、貯水タンク40に貯留される貯留水には純水が使用されるが、試験条件等に合わせて適宜変更することも可能である。貯水タンク40の底部側には、高湿度流路15を介して供給源28,29から供給されたガスを貯水タンク40内の貯留水中に吐出可能なようにガス導入部43が設けられている。また、貯水タンク40の頂部側には、貯留水中に吐出されたガスを加湿装置23の下流側に送り出すためのガス排出部45が設けられている。貯水タンク40内には、内部に貯留されている貯留水の水温を検知するための水温検知センサ42と、貯留タンク40内において発生している蒸気の温度を検知するための蒸気温検知センサ44とが設けられている。
As shown in FIG. 2, the
流量調整手段22を通過してきた高湿度流路15内を流れるガスは、ヒーター41によって所定温度に加熱された貯留水中に吐出され、いわゆるバブリング処理が施される。そして、貯水タンク40に導入されたガスは、所定の湿度に加湿された状態でガス排出部45から排出される。ヒーター41の出力Gは、ガス排出部45の下流に配された露点計46(露点検知手段)によって検知される露点温度D等に基づいてフィードバック制御される。
The gas flowing through the high-
図1に示すように、加熱手段21や加湿装置23の下流側に設けられた合流部47において低湿度流路13と高湿度流路15とが合流している。そのため、低湿度流路13を通過した低湿度ガス、高湿度流路15を通過した高湿度ガスとが合流部47において混合され、ガスの温度および露点温度(湿度)が調整された状態となり、下流側(燃料電池10側)に送られる。
As shown in FIG. 1, the low-
合流部47よりも下流側に設けられた冷却流路16には、冷却手段27が設けられている。冷却流路16と正極側ガス流路11や負極側ガス流路12との境界部分には、流路切替手段25,26が設けられている。流路切替手段25,26は、冷却手段27の作動時に冷却流路16側に開状態となり、正極側ガス流路11や負極側ガス流路12を流れるガスが冷却手段27を通過するのを許すものである。冷却手段27は、冷却されたガスが燃料電池10に供給されるまでに昇温してしまうのを防止すべく恒温手段5に対して隣接した位置に設けられている。
A cooling means 27 is provided in the
図1に示すように、正極側ガス流路11および負極側ガス流路12のうち、流路切替手段25,26よりも下流側の部位、すなわち引き込み部Aは、恒温手段5内に引き込まれている。そして、引き込み部Aの中途には、微温調手段50(熱交換手段)が接続されている。微温調手段50は、例えば従来公知のコイル式の熱交換器や、ヘッダーに対して複数の受熱管を接続したいわゆる多管型の熱交換器、プレートフィン型と称される熱交換器をはじめとする従来公知の熱交換器(図示せず)と、加熱手段(図示せず)とを具備した構成とされている。微温調手段50は、燃料電池10に対してガスの流れ方向上流側に隣接する位置に配されており、内部を流れるガスを恒温室60の雰囲気温度下で熱交換することができ、必要に応じて前記した加熱手段を動作させることにより燃料電池10に供給するガスの温度を微調整することができるものである。
As shown in FIG. 1, a portion of the positive-
恒温手段5は、従来公知の恒温装置と同様に恒温室60を有し、恒温室60の内部雰囲気温度等を試験条件にあわせて調整可能なものである。恒温室60は、試験対象である燃料電池10と、微温調手段50,50とを収容可能な大きさの空間を有する。
The constant temperature means 5 has a
続いて、本実施形態のFC試験装置1の動作について説明する。FC試験装置1は、制御装置70を具備しており、制御装置70によって各部の動作を制御する構成とされている。制御手段70は、各部に設けられた温度センサや露点計46等の検知信号に基づきガス供給装置3や恒温手段5等の動作を制御するものである。さらに具体的には、図3に示すように、制御装置70は、露点計46や貯水タンク40に設置された水温検知センサ42、蒸気温検知センサ44等のセンサ類がA/D変換装置71を介して接続され、これらの検知信号に基づいてヒーター41の出力制御を行う加湿装置23用の制御回路を形成している。
Subsequently, the operation of the FC test apparatus 1 of the present embodiment will be described. The FC test apparatus 1 includes a
さらに具体的には、制御手段70は、燃料電池10の評価試験の条件に基づいて恒温室60の内部雰囲気温度Kcを調整すると共に、加熱手段21や冷却手段27を作動させて正極側ガス流路11を流れる正極側ガスの温度Kpや負極側ガス流路12を流れる負極側ガスの温度Knの温度調整を行う。
More specifically, the control means 70 adjusts the internal atmosphere temperature Kc of the temperature-controlled
また、制御手段70は、調湿手段7の動作を制御することにより正極側ガスや負極側ガスの露点温度Dの調整を行う。さらに具体的には、制御手段70は、予め設定された正極側ガスや負極側ガスの供給予定流量や設定露点温度Dp,Dn、加湿装置23の加湿能力、正極側ガス供給源28や負極側ガス供給源29から供給される各ガスの露点温度等の条件に基づき、正極側ガス流路11および負極側ガス流路12に設置された流量調整手段20,22を調整し、低湿度ガスと高湿度ガスの流量比(混合比)を調整する。これと共に、制御手段70は、加湿手段23を通過した後、合流部47に至る正極側ガスや負極側ガス(以下、必要に応じて正極側高湿度ガス、負極側高湿度ガスと称する)の目標露点温度Dtp,Dtnを設定する。
In addition, the
一方、制御手段70は、加湿手段23に導入された正極側ガスや負極側ガスを目標露点温度Dtp,Dtnまで加湿するのに要するヒーター41の理論上の出力(以下、必要に応じて理論出力Gtと称す)を導出する。さらに詳細には、理論出力Gtは、貯水タンク40内に貯留されている貯留水の水温Twと、貯水タンク40内において発生する蒸気の蒸気温度Tsと、目標露点温度Dtp,Dtnとに基づいて一意的に決定されるものである。そのため、制御手段70は、貯水タンク40に設置された水温検知センサ42によって検知される水温Twや、蒸気温検知センサ44によって検知される蒸気温度Tsと、上記した手順で設定された目標露点温度Dtp,Dtnに基づいてヒーター41の理論出力Gtを導出する。
On the other hand, the control means 70 provides a theoretical output of the
一方、制御手段70は、水温Twや蒸気温度Ts、目標露点温度Dtp,Dtnと露点計46によって検知される実際の露点温度Dとの差である露点温度差ΔDに基づいてヒーター41の出力(以下、必要に応じて実出力Gaと称す)を調整する。これにより、ガス導入部43から貯水タンク40内に導入されたガスが加湿され、目標露点温度Dtp,Dtnのガスとなってガス排出部45から排出される。ガス排出部45から排出された高湿度ガスは、低湿度流路13を介して供給される低湿度ガスと合流部47において合流して混合され、設定露点温度Dp,Dnに調製される。合流部47を通過した正極側ガスや負極側ガスは、それぞれ正極側ガス流路11や負極側ガス流路12を介して恒温室60内に設置された燃料電池10に供給される。
On the other hand, the control means 70 outputs the output of the
上記したようにして燃料電池10に対する正極側ガスや負極側ガスの供給が開始され加湿手段23による加湿動作が開始されるのに伴って、制御手段70は、加湿手段23のヒーター41に対して過負荷が作用しているか否かの確認動作を開始する。さらに具体的には、加湿手段23が起動すると、制御手段70は、正極側ガスや負極側ガスを目標露点温度Dtp,Dtnまで加湿するために作動しているヒーター41の実出力Gaと理論出力Gtとの差ΔGに基づき、ヒーター41に過剰に大きな負荷が作用していないかを確認する。さらに具体的には、制御手段70は、所定のタイミングにおけるヒーター41の実出力Gaと理論出力Gtとの差ΔG(ΔG=Ga−Gt)に基づき、ヒーター41の過負荷度L(L=ΔG/Gt)を導出する。
As described above, as the supply of the positive electrode side gas and the negative electrode side gas to the
ここで、ヒーター41に付着しているスケール等の付着物の付着量Xと過負荷度Lとの関係(関数F)は、図4に示すように付着量Xを横軸に取り過負荷度Lを縦軸に取った場合に略比例の関係にある。関数Fは、ヒーター41の出力が大きいほどその傾きが大きい。すなわち、加湿手段23は、ヒーター41の出力が高い程、付着量Xが少なくても過負荷度Lが高くなる傾向にある。そのため、ヒーター41は、実出力Gaと付着量Xとの兼ね合いで過負荷状態となったり、ならなかったりする。
Here, the relationship (function F) between the adhesion amount X of the deposits such as the scale adhered to the
そこで、本実施形態のFC試験装置1では、上記したようにして導出される過負荷度Lに基づいてヒーター41が故障したり損傷したりする可能性を検知している。さらに具体的には、制御手段70には、通電を継続するとヒーター41が断線するなどして損傷したり故障する可能性が高いと想定される通電状態における過負荷度Lが、閾値Vとして設定されている。
Therefore, in the FC test apparatus 1 according to the present embodiment, the possibility that the
制御手段70は、加湿手段23の動作中に、ヒーター41の過負荷度Lが閾値Vよりも低い間はヒーター41に対して大きな負荷が作用していないものと判断して加湿動作を継続させる。一方、制御手段70は、ヒーター41の過負荷度Lが閾値Vを超えることを条件として、ヒーター41が損傷したり故障する可能性が高いものと判断し、所定の警告信号を発信する。FC試験装置1は、制御手段70から警告信号が発信されると、図示しない表示装置やスピーカー、ブザー等によって構成される警告発信装置により文字情報や図形を表示したり、音声信号や警告音を発する等の方法で使用者に対してヒーター41のメンテナンスを行うように警告を発信する。
During the operation of the humidifying means 23, the control means 70 determines that a large load is not acting on the
上記したように、加湿装置23やこれを備えたガス供給装置3は、制御手段70が加湿動作時における理論出力Gtと実出力Gaとの差ΔGに基づいて導出される過負荷度Lを導出し、この過負荷度Lの値が所定の閾値Vを超えることを条件として、ヒーター41に過負荷が作用しているものと判断し、警告を発する構成とされている。そのため、スケールの付着に伴うヒーター41の損傷や故障に伴う正極側ガスや負極側ガスの加湿不良を招く前にヒーター41のメンテナンスを行うよう、使用者に対して確実に報知できる。また、FC評価装置1は、加湿装置23を備えたガス供給装置3により調製された正極側ガスや負極側ガスを燃料電池10に供給して評価試験を行うものであるため、加湿装置23のヒーター41の故障や損傷に伴う加湿不良や、これに伴う評価試験の中断を未然に防止することができる。
As described above, the
また、上記実施形態では、ヒーター41に作用する負荷の大きさを示すパラメーターとして、露点温度Dと貯水タンク40内の水温Tw、蒸気温度Tsおよびヒーター41の出力Gとの間に一意的に定まる関係が存在することに着目し、ヒーター41の理論出力Gtを導出する構成である。そのため、上記した構成によれば、ヒーター41が製造ロット等に起因する出力能力のバラツキによらずヒーター41の個体毎に最適な理論出力Gtを設定することができ、加湿装置23が過負荷状態に有るか否かを的確に判断することができる。なお、FC評価装置1は、ヒーター41の個体毎のバラツキを考慮して理論出力Gtを設定する構成であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、予め記憶されている理論出力Gtの値を用いたり、予め設定された理論出力Gtと他のパラメーターとの間で成立する相関関係に関する情報に基づき理論出力Gtを導出する構成としてもよい。
In the above embodiment, the parameter indicating the magnitude of the load acting on the
上記実施形態では、実出力Gaと理論出力Gtとの差ΔGを理論出力Gtで割ったヒーター41の過負荷度L(L=ΔG/Gt)をヒーター41に作用する負荷の大小を示す変数(パラメータ)とし、この過負荷度Lに基づいてヒーター41に対する通電継続の可否を判断するものであった。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば差ΔGそのものや、差ΔGや過負荷度L等のようなヒーター41に作用する負荷の大きさに基づいて導出される別途の変数に基づいてヒーター41に対する通電継続の可否を判断する構成としてもよい。
In the embodiment described above, the variable (G = G / Gt) of the
上記したように、ガス供給装置3は、高湿度流路15に設けられた加湿装置23のヒーター41の出力を調整することにより正極側ガスや負極側ガスの露点温度を調整すると共に、高湿度流路15および低湿度流路13を流れるガスの流量比を流量調整手段20,22によって調整し混合するものであるため、正極側ガスや負極側ガスの露点温度(湿度)を幅広く調製できる。また、かかる構成のガス供給装置3を備えているため、FC評価装置1は、正極側ガスや負極側ガスの露点温度を幅広く変動させて燃料電池10の評価試験を行うことができる。
As described above, the gas supply device 3 adjusts the dew point temperature of the positive electrode side gas and the negative electrode side gas by adjusting the output of the
なお、上記したガス供給装置3は、低湿度流路13を流れる低湿度のガスと高湿度流路15を流れる高湿度のガスとを混合して調湿するものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、外部の供給源28,29から供給されるガスの全てを加湿装置23に供給してヒーター41の出力Gの調整を行って調湿する構成としてもよい。かかる構成とした場合は、例えば水分を全く含まない乾燥したガスを供給できないなど、調整可能な露点温度(湿度)の幅が狭くなるが、ガス流路2の流路構成をより一層簡略化できる。
Note that the gas supply device 3 described above is a device for adjusting the humidity by mixing the low-humidity gas flowing through the low-
ガス供給装置3は、温調手段6として加熱手段21と冷却手段27とを備えたものであるため、正極側ガスや負極側ガスの温度を幅広く調整して燃料電池10に供給できる。そのため、FC評価装置1は、温度条件を幅広く変動させて燃料電池10の評価試験を行うことができる。
Since the gas supply device 3 includes the heating means 21 and the cooling means 27 as the temperature adjusting means 6, the temperature of the positive electrode side gas and the negative electrode side gas can be widely adjusted and supplied to the
上記実施形態において、温調手段6は、加熱手段21と冷却手段27の双方を設けたものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、加熱手段21や冷却手段27のいずれか一方を省略した構成としてもよい。かかる構成とした場合は、燃料電池10に供給される正極側ガスや負極側ガスの温度幅が狭くなるが、FC評価装置1やガス供給装置3の装置構成を簡略化することができる。
In the above embodiment, the temperature adjustment means 6 is provided with both the heating means 21 and the cooling means 27, but the present invention is not limited to this, and any of the heating means 21 and the cooling means 27 is provided. It is good also as a structure which omitted either. In such a configuration, the temperature ranges of the positive electrode side gas and the negative electrode side gas supplied to the
なお、上記したガス供給装置3では、冷却手段27がガス流路2を流れているガスの露点温度よりも低温まで冷却可能な状態で動作している時に冷却手段27に向けてガスが流れると、冷却流路16や冷却手段27が凍結し、冷却手段27等が動作不良や故障を起こす可能性がある。そのため、かかる場合に備えて、ガス供給装置3は、流路切替手段25,26が作動して冷却流路16へのガスの流れを遮断したり、冷却手段27の動作を停止させるインターロック機構を設けた構成とすることが望ましい。
In the gas supply device 3 described above, when the gas flows toward the cooling
上記したように、燃料電池評価試験装置1は、恒温室60内に燃料電池10を設置した状態で燃料電池10の評価試験を行えるものであるため、燃料電池10の設置条件を精度良く調整することができる。
As described above, since the fuel cell evaluation test apparatus 1 can perform the evaluation test of the
また、上記したように、FC評価装置1は、燃料電池10に供給される直前のガスを恒温室60内に配された微温調手段50に通過させ、恒温室60の内部雰囲気下で熱交換させる構成とされている。さらに、微温調手段50は、ヒーター等の加熱手段(図示せず)を具備しており、この加熱手段を作動させることにより微温調手段50内を流れるガスを加熱可能な構成とされている。そのため、恒温室60の雰囲気温度、すなわち燃料電池10の評価試験条件に極めて近い温度のガスを燃料電池10に供給して評価試験を行うことができる。
Further, as described above, the FC evaluation apparatus 1 allows the gas immediately before being supplied to the
上記実施形態のFC評価試験装置1では、正極側ガス供給源28や負極側ガス供給源29からガス供給装置3に正極側ガスや負極側ガスを供給する構成であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば水素や酸素といったような燃料電池10の活物質として機能するガスに窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを所定の混合比で混合するための混合手段をガス供給装置3に別途設けた構成としたり、ガス供給装置3の外部において予め混合比が調整されたガスを供給する構成としてもよい。
In the FC evaluation test device 1 of the above embodiment, the positive electrode side gas and the negative electrode side gas are supplied from the positive electrode side
本実施形態のFC試験装置1は、固体高分子型燃料電池(PEFC)の試験用に好適に使用可能なものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、試験条件にあわせてガスの加熱や冷却、加湿等が可能なように加熱手段21や加湿装置23、冷却手段27等を調整することにより、アルカリ水溶液電解質型燃料電池(AFC)、リン酸水溶液電解質型燃料電池(PAFC) のようないわゆる低温型の燃料電池の評価試験にも好適に使用できる。
Although the FC test apparatus 1 of the present embodiment can be suitably used for the test of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), the present invention is not limited to this, and is adapted to the test conditions. By adjusting the heating means 21, the
上記実施形態では、冷却手段27において冷却されたガスの昇温による設定温度と燃料電池10に対するガス供給温度とのズレが発生するのを防止すべく、冷却手段27を恒温手段5に隣接する位置に設置する構成を例示したが、前記したようなズレが発生しないのであれば、例えば冷却手段27を加湿装置23よりも上流側に配した構成とするなどしてもよい。かかる構成とした場合は、上記したインターロック機構を設ける必要がなく、ガス流路2の流路構成をより一層簡略化することができる。
In the above embodiment, the cooling means 27 is positioned adjacent to the constant temperature means 5 in order to prevent a deviation between the set temperature due to the temperature rise of the gas cooled in the cooling means 27 and the gas supply temperature to the
上記実施形態では、加湿装置23をガス供給装置3に採用した例を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、加湿装置23を単独で使用したり、別途の装置に採用した構成としてもよい。また、上記実施形態では、FC試験装置1に供給される正極側ガスや負極側ガスを加湿するための装置としてガス供給装置3を採用した例を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、単独で使用したり、別途の装置に採用した構成としてもよい。
In the said embodiment, although the example which employ | adopted the
微温調手段50は、図示しない熱交換器と加熱手段とを具備したものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば熱交換器あるいは加熱手段のいずれか一方だけを備えたものとしたり、熱交換器と加熱手段とを一体化したものであってもよい。 Although the minute temperature adjustment means 50 includes a heat exchanger and a heating means (not shown), the present invention is not limited to this, and includes, for example, only one of the heat exchanger and the heating means. The heat exchanger and the heating means may be integrated.
1 燃料電池評価試験装置(FC試験装置)
2 ガス流路
3 ガス供給装置
5 恒温手段
6 温調手段
7 調湿手段
10 燃料電池
13 低湿度流路
15 高湿度流路
21 加熱手段
23 加湿装置
40 貯水タンク
41 ヒーター
42 水温検知センサ
44 蒸気温検知センサ
46 露点計(露点検知手段)
47 合流部
50 微温調手段(熱交換手段)
60 恒温室
70 制御手段
1 Fuel cell evaluation test equipment (FC test equipment)
2 Gas flow path 3
47
60
Claims (9)
前記加熱手段の出力を制御する制御手段を有し、
当該制御手段が、気体を加湿するのに要する加熱手段の理論出力と、加熱手段の実出力とを比較し、前記理論出力と実出力との差に基づいて導出される出力差あるいは当該出力差に基づいて導出される変数が所定の閾値を超えることを条件として、加熱手段から貯留手段内に貯留されている液体への伝熱抵抗の増大によって加熱手段が過負荷状態となっているものと判断することを特徴とする加湿装置。 It has a storage means for storing the liquid, and a heating means for generating a vapor by heating the liquid stored in the storage means, and humidifies the gas with the vapor,
Control means for controlling the output of the heating means;
The control means compares the theoretical output of the heating means required for humidifying the gas and the actual output of the heating means, and the output difference derived from the difference between the theoretical output and the actual output or the output difference The heating means is overloaded due to an increase in heat transfer resistance from the heating means to the liquid stored in the storage means, provided that the variable derived on the basis of exceeds a predetermined threshold. A humidifier characterized by judging.
当該ガス流路が、低湿度のガスが流れる低湿度流路と、当該低湿度流路内を流れるガスよりも湿度が高いガスが流れる高湿度流路と、当該高湿度流路と低湿度流路とが合流する合流部とを有し、高湿度流路の中途に請求項1乃至3のいずれかに記載の加湿装置を設けたものであり、
前記調湿手段が、前記低湿度流路を流れるガスと高湿度流路を流れるガスとの流量比および/または加湿装置を構成する加熱手段の出力を調整することによりガスの湿度を調整するものであることを特徴とするガス供給装置。 A gas flow path through which the gas flows, and humidity control means capable of adjusting the humidity of the gas flowing in the gas flow path,
The gas flow path includes a low humidity flow path through which a low humidity gas flows, a high humidity flow path through which a gas having a higher humidity than the gas flowing through the low humidity flow path, and the high humidity flow path and the low humidity flow. And a humidifying device according to any one of claims 1 to 3 in the middle of a high-humidity flow path.
The humidity control means adjusts the humidity of the gas by adjusting the flow rate ratio of the gas flowing through the low-humidity channel and the gas flowing through the high-humidity channel and / or the output of the heating unit constituting the humidifier. A gas supply device characterized by the above.
当該ガス供給装置により調製されたガスを燃料電池に供給可能であることを特徴とする燃料電池評価試験装置。 Comprising the gas supply device according to any one of claims 4 to 6,
A fuel cell evaluation test apparatus characterized in that the gas prepared by the gas supply apparatus can be supplied to the fuel cell.
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