JP4950545B2 - 背圧制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、背圧制御装置に関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されているように、例えば燃料電池等の被供試体の背圧制御を行う装置が公知となっている。この文献に開示された装置では、燃料電池から排出されるオフガスの流路に背圧弁を設け、この背圧弁によって燃料電池の背圧を制御するようにしている。
特開２００５−１０８６５９号公報

しかしながら、前述のように単に背圧弁を設けただけの構成では、広範囲の流量レンジに対して高精度に圧力制御することは困難である。すなわち、背圧弁の弁開度を調整する場合において、大流量の流量に応じた背圧弁を選定したときには、高精度な背圧制御が困難になる一方、高精度な背圧制御を可能にするためには、大流量の流量に対処するのが困難となる。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、広範囲な流量レンジに亘って高精度な背圧制御を可能にすることにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、流体を流通させる配管に設けられた被供試体である燃料電池の背圧を制御する装置であって、弁開度を調整可能に構成される開閉弁と背圧調整弁とが、前記配管における前記燃料電池の下流側に並列に設けられ、前記開閉弁の制御を行う制御手段を備え、前記制御手段は、前記燃料電池に導入されるガス流量と前記開閉弁の弁開度とを関連付けるマップを記憶しており、当該マップに基づいて前記開閉弁の制御を行うものであって、前記ガス流量は、ガス供給源から前記配管を通して供給される乾きガスの体積流量と、加湿された後前記燃料電池へ供給されるガスの露点と、前記背圧調整弁の設定圧力とによって規定されている。

本発明では、被供試体である燃料電池から排出された流体が流れる配管に開閉弁と背圧調整弁とが並列に接続されているので、開閉弁の開度を調整することにより、背圧調整弁への流体の流入流量を調整することができる。そして、制御手段が被供試体である燃料電池に導入されるガス流量と開閉弁の弁開度とを関連付けるマップに基づいて弁開度の調整を行い、このガス流量がガス供給源から供給される乾きガスの体積流量と、加湿後に燃料電池に供給されるガスの露点と、背圧調整弁の設定圧力とによって規定されるので、この弁開度調整によって背圧調整弁への流体の流入流量を所定の範囲に収めることが可能となる。この結果、背圧調整弁には背圧調整可能な範囲の流量しか流体が流入しないので、被供試体へ供給される流体の流量レンジが広範囲に亘る場合であっても、背圧調整弁による背圧調整を行うことができる。したがって、本発明によれば、広範囲な流量レンジで高精度な背圧制御が可能となる。
また、燃料電池へ流入するときのガスの露点と背圧調整弁での設定圧力とを考慮して弁開度を調整するので、体積流量で規定される乾きガスがガス供給源から供給される場合であっても、燃料電池へ流入するガスの流量を正確に把握することができる。そして、この燃料電池への流体の流入流量に基づいて開閉弁の弁開度制御を行うことにより、背圧調整弁の調圧特性がより良くなるように背圧調整弁への流入流量を設定し易くすることができる。

ここで、前記背圧調整弁はドームロード弁であるのが好ましい。この態様では、正確かつ俊敏に背圧制御を行うことができる。

また、前記開閉弁は、前記弁開度と流量とがほぼ線形の特性を有するのが好ましい。この態様では、開閉弁を流れる流量を弁開度で容易に割り付けることができるので、流量レンジが広範囲に亘る場合にも、開閉弁への流体の流量を正確に設定することができる。この結果、広範囲な流量レンジで背圧調整弁を調圧特性の良い領域に設定し易くすることができる。

また、前記被供試体は、燃料電池であるので、高精度な背圧制御を行いつつ、燃料電池から排出される流体の流量レンジを広範囲に設定することができる。

以上説明したように、本発明によれば、広範囲な流量レンジに亘って高精度な背圧制御を行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る背圧制御装置の一実施形態が適用された燃料電池評価装置１０の概略構成を示している。同図に示すように、燃料電池評価装置１０は、被供試体の一例としての燃料電池１２の性能評価を行うための装置であり、背圧制御装置１４はこの燃料電池１２の背圧を制御するために設けられている。

背圧制御装置１４は、配管２０と、この配管２０に設けられた背圧調整弁の一例としてのドームロード弁２２とを備えている。前記燃料電池１２は配管２０に接続されており、ドームロード弁２２はこの配管２０における燃料電池１２の下流側に設けられている。ドームロード弁２２は、燃料電池１２のガス流路に所望の背圧を与えるためのものである。

配管２０の上流端には、ガス供給源２４が設けられている。ガス供給源２４は、２つのマスフローコントローラ２４ａ，２４ｂからなる。すなわち、配管２０の上流端は、２つに分岐されていて、第１分岐管２０ａの上流端には第１マスフローコントローラ２４ａが、また第２分岐管２０ｂの上流端には第２マスフローコントローラ２４ｂがそれぞれ配設されている。そして、前記燃料電池１２は、第１分岐管２０ａと第２分岐管２０ｂとの合流部２５よりも下流側に設けられている。

各マスフローコントローラ２４ａ，２４ｂは、それぞれ水分を含まない乾いたガス（乾きガス）を発生させるものであり、発生させる乾きガスの体積流量を調整可能に構成されている。

第２分岐管２０ｂには加湿器２６が設けられている。この加湿器２６は、第２分岐管２０ｂを燃料電池１２に向かって流れる乾きガスを加湿するためのものである。加湿器２６は、コントローラ３１の露点制御部３３によって通過ガスの加湿量を調整できるようになっている。すなわち、コントローラ３１の露点制御部３３は、下記露点計２８からの信号に基づいて、第１マスフローコントローラ２４ａから供給される乾きガス（ＤＲＹ）と、加湿器２６で加湿された湿りガス（ＷＥＴ）との流量比を調整することにより、燃料電池１２に供給されるガスの露点を制御する。

第１分岐管２０ａと第２分岐管２０ｂとの合流部２５の下流側には露点計２８が設けられていて、この露点計２８によって燃料電池１２へ供給されるガスの露点が計測される。

第１分岐管２０ａ、第２分岐管２０ｂにはそれぞれヒータ２９ａ，２９ｂが設けられ、配管２０における合流部２５と燃料電池１２との間にもヒータ２９ｃが配設されている。これらヒータ２９ａ，２９ｂ，２９ｃは何れもコントローラ３１と接続されていて、加熱制御が可能となっている。

背圧制御装置１４は、開閉弁の一例としてのボールバルブ３０と、制御手段の一例としてのバルブ制御部３２とを備えている。バルブ制御部３２は、コントローラ３１に設けられている。

ボールバルブ３０は、配管２０に設けられた分岐管３４に設けられている。この分岐管３４の一端部は、配管２０における燃料電池１２とドームロード弁２２との間に接続され、分岐管３４の他端部は、配管２０におけるドームロード弁２２よりも下流側に接続されている。したがって、ボールバルブ３０とドームロード弁２２とは、配管２０における燃料電池１２の下流側に並列に設けられている。

ボールバルブ３０は、弁体（図示省略）と、この弁体を駆動する駆動部３０ａとを有している。駆動部３０ａはバルブ制御部３２と通信可能に接続されていて、弁体の開度をバルブ制御部３２で制御できるようになっている。これにより、配管２０から分岐管３４へ分流されるガス流量を調整可能となっている。ボールバルブ３０は、図２に示すように弁開度と流量がほぼ線形の特性を有するものが用いられている。

前記ドームロード弁２２は、図３に示すように、内部にドーム４１が形成されたブロック４３を有している。ドーム４１内にはダイアフラム４５が配設されていて、このダイアフラム４５によってドーム４１内が与圧室４７とガス流通室４８とに仕切られている。

ブロック４３には、流入側の配管２０を接続可能に構成された流入ポート５０と、流出側の配管２０を接続可能に構成された流出ポート５２とが設けられている。これら流入ポート５０と流出ポート５２は、前記ガス流通室４８に連通されている。

ブロック４３には、前記与圧室４７に所望の圧力を付与するための与圧ポート５４が設けられている。この与圧ポート５４は、レギュレータ５６（図１参照）を接続可能に構成されている。このレギュレータ５６によってドームロード弁２２の設定圧力が調整される。

ガス流通室４８には、弁座６０が設けられていて、この弁座６０にはダイアフラム４５と連動する弁体６２が着座するようになっている。そして、弁体６２はダイアフラム４５を介して動くことにより、流入ポート５０に前記設定圧力と同じガス圧力を生じさせる。これにより、燃料電池１２には、ドームロード弁２２の設定圧力に応じた背圧が生じる。

前記バルブ制御部３２は、燃料電池１２に導入されるガスの流量に基づいて、ボールバルブ３０の弁開度制御を行うものである。燃料電池１２に導入されるガス流量は、両マスフローコントローラ２４ａ，２４ｂから送出される乾きガスの体積流量と、第２マスフローコントローラ２４ｂから加湿器２６を経て燃料電池１２に流入するガスの露点と、ドームロード弁２２での設定圧力とから導出することができる。

バルブ制御部３２には、燃料電池１２に導入されるガス流量とボールバルブ３０の弁開度（ＣＶ値）とを関連付けるマップが記憶されている。具体的に、マップには両マスフローコントローラ２４ａ，２４ｂから送出される乾きガスの体積流量と、第２マスフローコントローラ２４ｂから加湿器２６を経て燃料電池１２に流入するガスの露点と、ドームロード弁２２の設定圧力とに応じたＣＶ値が記憶されている。すなわち、供給される乾きガスの体積流量が一定の場合でも、加湿器２６を通過したガスの露点に応じてガスの体積流量が変動し、また背圧によってもガスの体積流量が変化するので、これらに基づいてＣＶ値が割り付けられている。ボールバルブ３０が燃料電池１２に導入されるガス流量に応じたＣＶ値に設定されるようになっているので、ドームロード弁２２には、所定範囲のガス流量のガスしか流れないようにすることができる。言い換えると、ドームロード弁２２には常に所定範囲の流量が流れ、余剰流量のガスが分岐管３４へ分流されるようにボールバルブ３０の開度調整が行われる。

ＣＶ値は、例えばボールバルブ３０が閉鎖された状態を示す値を「０」とし、ボールバルブ３０の全開状態を示す値を「１５」とする１６段階に割り付けられている。そして、マップでは、図４に示すように、ガスの体積流量が大きくなるほどＣＶ値が大きくなり、また設定圧力が大きくなるほどＣＶ値が小さくなるように設定されている。設定圧力は、例えば絶対圧で１００ｋＰａから４００ｋＰａまでを５０ｋＰａ単位で割り振られ、乾きガスの体積流量は、０から２５０リットル／分を６段階に割り振られている。

図４は、例えば露点が乾きガスの温度と同じ温度の場合のＣＶ値を示すものであり、露点がこれよりも低くなるほどＣＶ値がここに示される値よりも小さくなるように設定されている。すなわち、第１マスフローコントローラ２４ａから出される乾きガスの体積流量が一定流量の場合であっても、第２マスフローコントローラ２４ｂを経由するガスによって露点温度が高くなるほど燃料電池１２に導入されるガスの体積流量が増大するので、この増大した体積流量に対応するようにＣＶ値が大きくなるように設定される。

次に、本燃料電池評価装置１０の動作について説明する。この燃料電池評価装置１０では、燃料電池１２に導入されるガス流量、ガス温度及びガス圧力（背圧）を種々変更して、燃料電池１２の性能評価をすることができる。したがって、燃料電池評価装置１０を動作させる際には、まず各マスフローコントローラ２４ａ，２４ｂにおいて供給される乾きガスの体積流量を設定し、加湿器２６においてガスの露点を設定し、ドームロード弁２２での圧力（背圧）を設定する。

そして、第２マスフローコントローラ２４ｂを駆動すると、設定温度の乾きガスがマスフローコントローラ２４から送り出され、この乾きガスは第２分岐管２０ｂを流れる。乾きガスは加湿器２６で加湿されて設定された露点のガスとなる。一方、第１マスフローコントローラ２４ａからは全く加湿されない乾燥ガスが供給され、この乾燥ガスは合流部２５で第２分岐管２０ｂのガスと合流ミキシングされて所望の温湿度を得る。このガスは、配管２０を流れて燃料電池１２に導入される。このときガスの露点が露点計２８によって計測されている。なお、顕熱分はヒータ２９ａ，２９ｂ，２９ｃで与えられる。

そして、マップを用い、露点の計測値と、マスフローコントローラ２４で設定された乾きガスの体積流量と、ドームロード弁２２での設定圧力とに基づいてボールバルブ３０の弁開度が調整されている。

燃料電池１２で所定の反応に供されたガスは燃料電池１２から排出されるが、このとき、ボールバルブ３０のＣＶ値がマップを利用して調整されているので、配管２０を通ってドームロード弁２２に流入するガスの流量は、このドームロード弁２２の調圧特性が良好な範囲に制限されることととなり、余分なガスは、配管２０からボールバルブ３０のある分岐管３４へ分流される。このため、ドームロード弁２２によって燃料電池１２の背圧が精度よく調整されている。

そして、マスフローコントローラ２４からのガス供給流量が増大されたときには、それに応じてボールバルブ３０のＣＶ値が大きくなるように設定されるので、ガス供給流量が増大されたとしても、ドームロード弁２２には所定体積流量のガスが流入し、これによりドームロード弁２２による背圧制御が良好に行われる。一方、ガス供給流量が低減されてボールバルブ３０が閉鎖された場合であっても、ドームロード弁２２には所定範囲内の流量のガスが流入するだけなので、背圧制御が精度よく行われることとなる。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池１２から排出されたガスが流れる配管２０にボールバルブ３０とドームロード弁２２とが並列に接続されているので、ボールバルブ３０の弁開度を調整することにより、ドームロード弁２２への流入流量を調整することができる。そして、バルブ制御部３２が燃料電池１２へのガス供給流量に基づいてＣＶ値の調整を行うので、このＣＶ値の調整によってドームロード弁２２への流入流量を所定の範囲に収めることが可能となる。この結果、ドームロード弁２２には背圧調整可能な範囲のガス流量しか流入しないので、燃料電池１２へ供給されるガスの流量レンジが広範囲に亘る場合であっても、ドームロード弁２２による背圧調整を精度よく行うことができる。したがって、広範囲な流量レンジに亘って高精度な背圧制御が可能となる。しかもドームロード弁２２によって背圧制御を行うので、正確かつ俊敏に背圧制御を行うことができる。

また本実施形態では、燃料電池１２へ流入するガスの露点とドームロード弁２２での設定圧力とを考慮してＣＶ値の設定を行っているので、体積流量で規定される乾きガスがマスフローコントローラ２４ａ，２４ｂから供給される場合であっても、ガスの露点を考慮することにより燃料電池１２へ流入する流体の流量を正確に把握でき、その上でＣＶ値設定を行うことができる。そして、この燃料電池１２への流入流量に基づいてボールバルブ３０の開度制御を行うことにより、ドームロード弁２２の調圧特性がより良くなるようにドームロード弁２２への流入流量を設定し易くすることができる。

また、本実施形態では、ボールバルブ３０がＣＶ値と流量とがほぼ線形の関係となる特性を有している。このため、ボールバルブ３０を流れる流量をＣＶ値で容易に割り付けることができるので、流量レンジが広範囲に亘る場合にも、ボールバルブ３０を流れるガスの流量を正確に設定することができる。この結果、広範囲な流量レンジでドームロード弁２２を調圧特性の良い領域に設定し易くすることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。前記実施形態では、マスフローコントローラ２４からの乾きガスの体積流量等に基づいてＣＶ値を設定したが、例えば燃料電池１２へ流入するガス流量を計測し、その計測値に基づいてＣＶ値を設定してもよい。

また、前記実施形態では、ボールバルブ３０が１つだけ設けられる構成としたが、ガス流量のレンジがさらに大きくなる場合には、このボールバルブ３０と並列になるようにさらに別のボールバルブを設けるようにしてもよい。

図１では、便宜的に燃料電池１２のアノード（又はカソード）だけの代表的な回路の構成を示しているが、これに限られるものではない。すなわち、燃料電池１２のアノード側のガス流路に配管２０を接続するとともに、燃料電池１２のカソード側のガス流路に別の配管２０を接続する構成としてもよい。ただし、一般的にはアノード側とカソード側の双方に背圧制御装置１４が設けられる。この構成では、２セットの背圧制御装置１４が構成されることとなる。これにより、燃料ガス側で前記実施形態で説明した燃料電池１２の背圧制御が行われるとともに、酸化ガス側でも同様に燃料電池１２の背圧制御が行われることになる。

本発明の実施形態に係る背圧制御装置が適用された燃料電池評価装置の構成を概略的に示す図である。 この背圧制御装置に設けられるボールバルブの弁開度特性を示す特性図である。 この背圧制御装置に設けられるドームロード弁の構成を示す断面図である。 この背圧制御装置のバルブ制御部に設けられるマップの一例を示す図である。

符号の説明

１２ 燃料電池
２０ 配管
２２ ドームロード弁
２４ マスフローコントローラ
２６ 加湿器
２８ 露点計
３０ ボールバルブ
３０ａ 駆動部
３２ バルブ制御部
３４ 分岐管

Claims (3)

1. 流体を流通させる配管に設けられた被供試体である燃料電池の背圧を制御する装置であって、
   弁開度を調整可能に構成される開閉弁と背圧調整弁とが、前記配管における前記燃料電池の下流側に並列に設けられ、
   前記開閉弁の制御を行う制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池に導入されるガス流量と前記開閉弁の弁開度とを関連付けるマップを記憶しており、当該マップに基づいて前記開閉弁の制御を行うものであって、
   前記ガス流量は、ガス供給源から前記配管を通して供給される乾きガスの体積流量と、加湿された後前記燃料電池へ供給されるガスの露点と、前記背圧調整弁の設定圧力とによって規定されている背圧制御装置。
2. 前記背圧調整弁は、ドームロード弁である請求項１に記載の背圧制御装置。
3. 前記開閉弁は、前記弁開度と流量とがほぼ線形の特性を有する請求項１又は２に記載の背圧制御装置。
   

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