JP6349241B2

JP6349241B2 - 燃料電池評価装置

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Publication number: JP6349241B2
Application number: JP2014247920A
Authority: JP
Inventors: 朗水柿; 勝政須山; 美智哉日下; 浩喜坂根
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Current assignee: Espec Corp
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2018-06-27
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Description

本発明は、燃料電池評価装置に関し、より特定的には、車両の実走行状態を想定した過渡応答性能評価に適した燃料電池評価装置に関する。

従来、発電容量やガス消費量などの燃料電池の性能を定常状態において評価する燃料電池評価装置が知られている。この評価装置は、燃料電池の発電に用いられる燃料ガス（Ｈ_２）や酸化ガス（Ｏ_２）などの流量制御を行うガス流量制御部、当該ガスの湿度制御を行う加湿量制御部、当該ガスを加熱する加熱制御部、当該ガスの圧力制御を行う圧力制御部および燃料電池の放電を行う放電部などからなっている。そして、各パラメータを変化させた後の定常状態において、電流−電圧特性などの燃料電池の特性を評価することができる。

この種の燃料電池評価装置の例が、たとえば特開２０１４−７５２９２号公報（以下、特許文献１という）に記載されている。この公報には、燃料電池に供給されるガスの流量（設定流量）よりも多い流量のガスの温度および湿度を予め調整しておき、当該設定流量を超えた分のガスを排気することが可能な評価装置が記載されている。この評価装置においては、マスフローコントローラを用いて供給ガス流量を過渡的に変化させる条件で評価を行った場合でも、当該ガスの温度や湿度の変動を抑制することができる。

特開２０１４−７５２９２号公報

上記特許文献１に記載された燃料電池評価装置では、ガス流量を過渡的に変化させる条件で評価を行った場合でも、ガスの温度や湿度の変動を抑制することができる。しかしながら、この評価装置ではマスフローコントローラを用いてガス流量が切り替えられるため、応答性良くガス流量を切り替えることが困難であった。すなわち、マスフローコントローラを用いたガス流量の制御では、一般に内部センサ内の熱移動変化を捉えて流量換算してフィードバック制御が行われるため、ガス流量の切り替えにおいて高い応答性を実現することは困難であった。そのため、従来の燃料電池評価装置は、車両の実走行状態を想定した過渡応答性能評価など、応答性良くガス流量を切り替えることが要求される評価には適さないという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の発電に用いられるガスの流量切り替えにおいて高い応答性を実現することにより、車両の実走行状態を想定した過渡応答性能評価に適した燃料電池評価装置を提供することである。

本発明の一局面に係る燃料電池評価装置は、供給されるガス流量が調整された状態で燃料電池の特性を評価する燃料電池評価装置である。上記燃料電池評価装置は、ガス供給部と、制御部とを備えている。ガス供給部は、燃料電池の発電に用いられるガスを燃料電池に供給する。制御部は、ガス供給部の動作を制御する。ガス供給部は、第１のガス供給流路と、第２のガス供給流路と、スタンバイ回路と、切替手段とを含んでいる。第１のガス供給流路は、ガスの流量を第１のガス流量に調整する第１の流量調整部を有し、第１のガス流量に調整されたガスを燃料電池に供給するためのものである。第２のガス供給流路は、ガスを貯めるガス貯留部を有し、ガス貯留部に貯められたガスを燃料電池に供給するためのものである。前記スタンバイ回路は、前記第１のガス供給流路内のガスを前記燃料電池を避けて流すためのものである。切替手段は、第１のガス供給流路によるガス供給から第２のガス供給流路によるガス供給への切り替えを、制御部からの信号に基づいて行う。前記切替手段により前記第２のガス供給流路によるガス供給へ切り替えられると、前記第１のガス供給流路内のガスが前記スタンバイ回路に流れるように制御される。
本発明の他の局面に係る燃料電池評価装置は、供給されるガス流量が調整された状態で燃料電池の特性を評価する燃料電池評価装置である。上記燃料電池評価装置は、ガス供給部と、制御部とを備えている。前記ガス供給部は、前記燃料電池の発電に用いられるガスを前記燃料電池に供給する。前記制御部は、前記ガス供給部の動作を制御する。前記ガス供給部は、第１のガス供給流路と、第２のガス供給流路と、切替手段とを含んでいる。前記第１のガス供給流路は、ガスの流量を第１のガス流量に調整する第１の流量調整部を有し、前記第１のガス流量に調整されたガスを前記燃料電池に供給するためのものである。前記第２のガス供給流路は、ガスを貯めるガス貯留部を有し、前記ガス貯留部に貯められたガスを前記燃料電池に供給するためのものである。前記切替手段は、前記第１のガス供給流路を通じた前記燃料電池へのガス供給が行われると共に前記第２のガス供給流路を通じた前記燃料電池へのガス供給が停止される第１のガス供給状態から、前記第１のガス供給流路を通じた前記燃料電池へのガス供給が停止されると共に前記第２のガス供給流路を通じた前記ガス貯留部から前記燃料電池へのガス供給が行われる第２のガス供給状態への切り替えを、前記制御部からの信号に基づいて行う。

上記燃料電池評価装置では、第１のガス供給流路によるガス供給の間に、第２のガス供給流路に設けられたガス貯留部において予めガスを貯めることができる。そして、第２のガス供給流路によるガス供給へ切り替えることにより、ガス貯留部に貯められたガスを燃料電池に供給することができる。そのため、マスフローコントローラによりガス流量の切り替えが行われる場合と異なり、応答性良くガス流量を切り替えることができる。したがって、上記燃料電池評価装置によれば、燃料電池の発電に用いられるガスの流量切り替えにおいて高い応答性を実現することにより、車両の実走行状態を想定した過渡応答性能評価を行うことができる。

本発明のさらに他の局面に係る燃料電池評価装置は、供給されるガス流量が調整された状態で燃料電池の特性を評価する燃料電池評価装置である。上記燃料電池評価装置は、ガス供給部と、制御部とを備えている。前記ガス供給部は、前記燃料電池の発電に用いられるガスを前記燃料電池に供給する。前記制御部は、前記ガス供給部の動作を制御する。前記ガス供給部は、第１のガス供給流路と、第２のガス供給流路と、切替手段と、第３のガス供給流路と、を含む。前記第１のガス供給流路は、ガスの流量を第１のガス流量に調整する第１の流量調整部を有し、前記第１のガス流量に調整されたガスを前記燃料電池に供給するためのものである。前記第２のガス供給流路は、ガスを貯めるガス貯留部を有し、前記ガス貯留部に貯められたガスを前記燃料電池に供給するためのものである。前記切替手段は、前記第１のガス供給流路によるガス供給から前記第２のガス供給流路によるガス供給への切り替えを、前記制御部からの信号に基づいて行う。前記第３のガス供給流路は、ガスの流量を前記第１のガス流量と異なる第２のガス流量に調整する第２の流量調整部と、前記第３のガス供給流路におけるガスの流量を前記第２のガス流量に維持する維持部と、を有する。前記切替手段は、前記第２のガス供給流路によるガス供給から前記第３のガス供給流路によるガス供給への切り替えを、前記制御部からの信号に基づいて行う。

これにより、第１のガス供給流路によるガス供給の間に第３のガス供給流路におけるガスの流量を第２のガス流量に維持し、その後、第３のガス供給流路によるガス供給へ切り替えることにより、第２のガス流量に維持されたガスを速やかに燃料電池に供給することができる。

上記燃料電池評価装置において、制御部は、切替手段が第１のガス供給流路によるガス供給に切り替えられているときに第３のガス供給流路におけるガスの流量を第２のガス流量に維持する制御を行ってもよい。

これにより、第３のガス供給流路におけるガスの流量を第２のガス流量に調整するための時間を別途設ける必要がなく、評価試験の時間をより短縮することができる。

上記燃料電池評価装置において、ガス貯留部に貯められるガスの圧力は、燃料電池の容積、第１のガス供給流路による供給ガス圧力、第３のガス供給流路による供給ガス圧力、および第２のガス供給流路による供給時間に基づいて設定されてもよい。

これにより、第２のガス供給流路によるガス供給の間のガス圧力の時間変化の割合を調整し、その結果燃料電池の過渡応答性能評価に要求される過渡時間を実現することができる。

上記燃料電池評価装置において、第２のガス供給流路は、ガス貯留部よりもガスの流れ方向の上流側において、ガス貯留部に貯められるガスの圧力を調整する圧力調整部をさらに有していてもよい。

これにより、ガス貯留部に貯められるガスの圧力を調整することができる。その結果、第２のガス供給流路からのガス供給の間におけるガス圧力の時間変化の割合を調整することができる。

上記燃料電池評価装置において、第２のガス供給流路には、ガス貯留部へのガスの流入およびその停止を切り替える流入側開閉部が設けられていてもよい。また切替手段は、ガス貯留部からのガスの流出およびその停止を切り替える流出側開閉部を有していてもよい。

これにより、第１のガス供給流路によるガス供給の間に流入側開閉部を開いて流出側開閉部を閉じることでガス貯留部にガスを流入させて貯めることができる。そして、第２のガス供給流路によるガス供給への切り替え時に流入側開閉部を閉じて流出側開閉部を開くことにより、ガス貯留部に貯められたガスを流出させて燃料電池に供給することができる。

上記燃料電池評価装置において、制御部は、切替手段が第１のガス供給流路によるガス供給に切り替えられているときにガス貯留部にガスが貯められるように、流入側開閉部を開き、かつ流出側開閉部を閉じる制御を行ってもよい。

これにより、ガス貯留部にガスを貯めるための時間を別途設ける必要がなくなり、評価試験の時間をより短縮することができる。

上記燃料電池評価装置は、燃料電池の放電負荷を制御する放電部をさらに備えていてもよい。また放電部は、第２のガス供給流路からのガス供給におけるガス圧力の時間変化に対して、遅れ時間を確保しながら追従するように放電電流を制御してもよい。これにより、車両の実走行状態により近い条件で燃料電池の性能評価を行うことができる。

本発明によれば、燃料電池の発電に用いられるガスの流量切り替えにおいて高い応答性を実現することにより、車両の実走行状態を想定した過渡応答性能評価に適した燃料電池評価装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池評価装置の構成を概略的に示す図である。本発明の実施形態に係る燃料電池評価装置による過渡応答性能評価の流れを概略的に示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る燃料電池評価装置を用いた過渡応答性能評価におけるガスの流量および圧力ならびに放電電流の時間変化の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る燃料電池評価装置を用いた過渡応答性能評価においてアイドリング状態にある場合のガスの流れを示す概略図である。本発明の実施形態に係る燃料電池評価装置を用いた過渡応答性能評価において過渡状態にある場合のガスの流れを示す概略図である。本発明の実施形態に係る燃料電池評価装置を用いた過渡応答性能評価において定常状態にある場合のガスの流れを示す概略図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。

（燃料電池評価装置の構成）
はじめに、図１を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池評価装置の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池評価装置１は、供給されるガス流量が調整された状態で燃料電池ＦＣの特性（たとえば電流−電圧特性）を評価する装置である。燃料電池評価装置１は、ガス供給部１０と、ガス排気部２０と、放電部３０と、制御部４０とを主に有している。

ガス供給部１０は、燃料電池ＦＣの発電に用いられる燃料ガス（Ｈ_２）や酸化ガス（Ｏ_２）を含む空気を燃料電池ＦＣに供給するためのものである。ガス供給部１０は、供給配管９１と、アイドリング回路１１と、第２のガス供給流路としてのバッファ回路１２と、定常回路１３と、合流配管９２とを主に有している。なお、図１では、燃料ガスの供給系のみがガス供給部１０として示されているが、酸化ガスを含む空気の供給系も同様に備えられていてもよい。

アイドリング回路１１は、たとえばアイドリング状態を想定した条件で燃料電池ＦＣへガス供給を行うための流路である。アイドリング回路１１は、ガス配管５１，５５と、レギュレータ５２と、第１の流量調整部としてのマスフローコントローラ５３と、圧力センサ５４と、空圧式背圧弁５６と、電空レギュレータ５７とを主に有している。

ガス配管５１の上流端は供給配管９１の下流端に接続され、ガス配管５１の下流端は合流配管９２の上流端に接続されている。合流配管９２には、配管内の圧力測定を行うための圧力センサ９３が設けられている。レギュレータ５２は、ガス配管５１内のガスの圧力を調整するものである。マスフローコントローラ５３は、ガス配管５１内のガスの流量を所定の流量、たとえばアイドリング状態を想定した流量（第１のガス流量）に調整する。マスフローコントローラ５３は、たとえばＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御などのフィードバック制御によりガスの流量を調整する。圧力センサ５４は、ガス配管５１内のガスの圧力を測定するものである。

ガス配管５５の上流端は、ガス配管５１におけるマスフローコントローラ５３よりも下流側の部位５１ａに接続されている。空圧式背圧弁５６および空圧式背圧弁５６に設けられた電空レギュレータ５７は一次側のガスの圧力を調整するものであり、ガス配管５５に設けられている。

ガス配管５１から部位５１ａを経由してガス配管５５に至る流路は、アイドリング回路１１におけるガスの流量および圧力を所定値に維持するためのスタンバイ回路となっている。すなわち、マスフローコントローラ５３により流量調整され、かつ空圧式背圧弁５６により圧力調整されたガスを上記スタンバイ回路に流して排気することで、アイドリング回路１１におけるガスの流量および圧力を調整された所望の値に維持することができる。

バッファ回路１２は、たとえばアイドリング状態からアクセル全開の定常状態へ移行する際の過渡状態を想定した条件で燃料電池ＦＣへガス供給を行うための流路である。バッファ回路１２は、ガス配管６１と、圧力調整部６２と、ガス貯留部としてのバッファタンク６３と、圧力センサ６５とを主に有している。

ガス配管６１の上流端は供給配管９１の下流端に接続され、ガス配管６１の下流端は合流配管９２の上流端に接続されている。圧力調整部６２は、ガス配管６１において二次側の圧力を調整するものであり、バッファタンク６３よりもガスの流れ方向の上流側に設けられている。圧力調整部６２は、たとえば空圧式背圧弁および当該空圧式背圧弁に設けられた電空レギュレータにより構成される圧力調整弁であってもよい。

バッファタンク６３は、圧力調整部６２により圧力が調整されたガスを貯めるためのものである。圧力センサ６５は、バッファタンク６３内の圧力を測定するものであり、当該バッファタンク６３に設けられている。

バッファタンク６３内の圧力は、バッファタンク６３から燃料電池ＦＣに至る流路における流量係数Ｃ_ｖを規定する下記の式（１）を変形した下記の式（２）により算出することができる。下記の式（１）および（２）において、Ｐ_１はバッファタンク６３内の圧力、Ｑはバッファタンク６３から燃料電池ＦＣに至る流路におけるガスの流量、Ｇはガスの比重、Ｔはバッファタンク６３から燃料電池ＦＣに至る流路におけるガスの温度である。なお、下記の式（１）および（２）は、バッファタンク６３と燃料電池ＦＣとの圧力差をΔＰとし、ΔＰ＞１／２Ｐ_１の関係式が満たされるときに成立する。

定常回路１３は、たとえばアクセル全開の定常状態を想定した条件で燃料電池ＦＣへガス供給を行うための流路である。定常回路１３は、ガス配管７１，７５と、レギュレータ７２と、第２の流量調整部としてのマスフローコントローラ７３と、圧力センサ７４と、空圧式背圧弁７６と、電空レギュレータ７７とを主に有している。

ガス配管７１の上流端は供給配管９１の下流端に接続され、ガス配管７１の下流端は合流配管９２の上流端に接続されている。レギュレータ７２は、ガス配管７１内のガスの圧力を調整するものである。マスフローコントローラ７３は、ガス配管７１内のガスの流量をガス配管５１内のガスの流量（第１のガス流量）と異なる流量、たとえばアクセル全開の定常状態を想定したガスの流量（第２のガス流量）に調整する。マスフローコントローラ７３は、ガス配管７１においてレギュレータ７２の下流側に配置され、たとえばＰＩＤ制御などのフィードバック制御によりガス流量を調整する。圧力センサ７４は、ガス配管７１においてマスフローコントローラ７３の下流側に配置され、ガス配管７１内のガスの圧力を測定する。

ガス配管７５の上流端は、ガス配管７１におけるマスフローコントローラ７３の下流側の部位７１ａに接続されている。空圧式背圧弁７６および空圧式背圧弁７６に設けられた電空レギュレータ７７は一次側のガスの圧力を調整するものであり、ガス配管７５に設けられている。

ガス配管７１から部位７１ａを経由してガス配管７５に至るガス流路は、定常回路１３におけるガスの流量および圧力を所定値に維持するためのスタンバイ回路（維持部）となっている。すなわち、マスフローコントローラ７３により流量調整され、かつ空圧式背圧弁７６により圧力調整されたガスを上記スタンバイ回路に流して排気することで、定常回路１３におけるガスの流量および圧力を調整された所望の値に維持することができる。そして、流量および圧力が維持されたガスを必要に応じて燃料電池ＦＣに供給することができる。

ガス供給部１０は、アイドリング回路１１、バッファ回路１２および定常回路１３の各々によるガス供給を切り替える切替手段１４をさらに有している。切替手段１４は、電磁弁１０ａと、電磁弁１０ｂと、電磁弁１０ｃとを有している。各電磁弁１０ａ〜１０ｃは、制御部４０からの信号に基づいて配管内におけるガスの流通と遮断とを切り替えるものである。電磁弁１０ａは、ガス配管５１においてマスフローコントローラ５３および圧力センサ５４よりもガスの流れ方向の下流側に設けられている。電磁弁１０ｂは、流出側開閉部として、ガス配管６１においてバッファタンク６３よりもガスの流れ方向の下流側に設けられており、バッファタンク６３から下流側へのガスの流出およびその停止を切り替える。電磁弁１０ｃは、ガス配管７１においてマスフローコントローラ７３および圧力センサ７４よりもガスの流れ方向の下流側に設けられている。

ガス供給部１０は、電磁弁１０ｄと、流入側開閉部としての電磁弁１０ｅと、電磁弁１０ｆとをさらに有している。各電磁弁１０ｄ〜１０ｆは、制御部４０からの信号に基づいて配管内におけるガスの流通と遮断とを切り替えるものである。電磁弁１０ｄは、ガス配管５５に設けられている。電磁弁１０ｄは、ガス配管５５において空圧式背圧弁５６の上流側に設けられてもよいし、下流側に設けられてもよい。

電磁弁１０ｅは、ガス配管６１においてバッファタンク６３よりもガスの流れ方向の上流側に設けられており、バッファタンク６３への上流側からのガスの流入およびその停止を切り替える。電磁弁１０ｅは、ガス配管６１において圧力調整部６２よりも下流側に設けられてもよいし、上流側に設けられてもよい。電磁弁１０ｆは、ガス配管７５に設けられている。電磁弁１０ｆは、ガス配管７５において空圧式背圧弁７６の上流側に設けられてもよいし、下流側に設けられてもよい。電磁弁１０ａ〜１０ｆの開閉動作の切り替えによる燃料電池ＦＣへのガス供給については、後に詳述する。

なお、流入側開閉部は、ガス配管６１の途中に設けられた電磁弁１０ｅに限られず、バッファタンク６３のガスの入口部に設けられる開閉部であってもよい。また流出側開閉部は、ガス配管６１の途中に設けられた電磁弁１０ｂに限られず、バッファタンク６３のガスの出口部に設けられた開閉部であってもよい。

ガス排気部２０は、燃料電池ＦＣからガスを排気するためのものである。ガス排気部２０は、ガス配管８１と、圧力センサ８２と、空圧式背圧弁８３と、電空レギュレータ８４とを主に有している。

ガス配管８１の上流端は、燃料電池ＦＣに接続されている。圧力センサ８２は、ガス配管８１内の圧力を測定するものである。空圧式背圧弁８３および空圧式背圧弁８３に設けられた電空レギュレータ８４は一次側のガスの圧力を調整するものであり、ガス配管８１に設けられている。

放電部３０は、燃料電池ＦＣの放電負荷を制御するものであり、たとえば定電流制御回路を含む電子負荷装置を有している。放電部３０は、たとえばＰＩＤ制御またはモデル予測制御により燃料電池ＦＣの放電負荷を制御する。放電部３０を設けることにより、燃料電池ＦＣに負荷が接続された使用状態に近い状態での性能評価が可能となる。放電部３０による放電電流制御の詳細については後述する。

制御部４０は、ガス供給部１０、ガス排気部２０および放電部３０の動作を制御するものである。制御部４０は、たとえばパーソナルコンピュータであって、制御プログラム等が記憶された記憶部と、一次記憶部と、演算部と、表示器等からなる出力部とを備える。制御部４０は、電磁弁１０ａ〜１０ｆ、マスフローコントローラ５３，７３および圧力調整部６２に接続されており（図１中破線）、各機器の動作を制御する。

（燃料電池評価装置を用いた過渡応答性能評価）
次に、上記燃料電池評価装置１による燃料電池ＦＣの過渡応答性能評価について、図２〜図６および表１を参照して説明する。この評価においては、アイドリング状態、過渡状態および定常状態を想定した条件下において燃料電池ＦＣの性能が評価される。

図２は、過渡応答性能評価の流れを示すフローチャートである。図３は、過渡応答性能評価における（Ａ）ガスの流量および圧力の時間変化、ならびに（Ｂ）放電電流の時間変化を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はガスの流量および圧力ならびに放電電流を示している。このグラフは、制御部４０の出力部において表示可能である。図４は、アイドリング状態にある場合のガスの流れを示している。図５は、過渡状態にある場合のガスの流れを示している。図６は、定常状態にある場合のガスの流れを示している。表１は、アイドリング状態、過渡状態および定常状態における各動作機器の作動状態を示している。

＜アイドリング状態＞
はじめに、アイドリング状態を想定した条件下での燃料電池ＦＣの性能評価について説明する（図２：Ｓ１０）。まず、図４および表１を参照して、アイドリング条件での燃料電池ＦＣへのガス供給について説明する。制御部４０からの信号により電磁弁１０ａ，１０ｅ、１０ｆが開状態とされ、かつ電磁弁１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが閉状態とされる。また、マスフローコントローラ５３，７３および圧力調整部６２においてＰＩＤ制御が実行される。図４において、開状態の電磁弁は黒色で示され、配管に沿った矢印によりガスの流れ方向が示されている（図５および図６も同様）。

アイドリング回路１１において、マスフローコントローラ５３によりガスの流量がアイドリング状態を想定した流量（第１のガス流量Ｇ１：図３）に調整される。つまり、アイドリング回路１１が第１のガス供給流路として機能する。そして、流量調整されたガスが合流配管９２を通過して燃料電池ＦＣに供給される。また、ガス排気部２０により燃料電池ＦＣのガス排気が行われる。燃料電池ＦＣ内の圧力は、空圧式背圧弁８３によりアイドリング状態を想定した圧力（圧力Ｐ１：図３）に調整される。

一方、バッファ回路１２では、電磁弁１０ｅが開状態とされ、かつ電磁弁１０ｂが閉状態とされるため、圧力調整部６２により圧力調整されたガスがバッファタンク６３に貯められる。このときのタンク内の圧力は、燃料電池ＦＣの容積、アイドリング回路１１による供給ガス圧力Ｐ１（図３）、定常回路１３による供給ガス圧力Ｐ２（図３）、およびバッファ回路１２によるガスの供給時間（過渡時間Ｔ１：図３）に基づいて設定可能である。

一方、定常回路１３では、電磁弁１０ｃが閉状態とされ、かつ電磁弁１０ｆが開状態とされるため、ガス配管７１から部位７１ａを経由してガス配管７５へガスが流れる。このガスの流量はマスフローコントローラ７３により定常状態を想定した流量（第２のガス流量Ｇ２：図３）に調整され、圧力は空圧式背圧弁７６により定常状態を想定した圧力（圧力Ｐ２：図３）に調整される。つまり、定常回路１３が第３のガス供給流路として機能する。

また放電部３０では、制御部４０からの信号に基づいて、初期の放電電流値を設定値としたＰＩＤ制御が実行されて燃料電池ＦＣの放電負荷が制御される。

＜過渡状態＞
外部信号が入力されると、アイドリング状態から定常状態に移行する。この途中である過渡状態（図２：Ｓ２０）における燃料電池ＦＣへのガス供給について、図５および表１を参照して説明する。制御部４０からの信号に基づいて電磁弁１０ａ，１０ｅが閉状態に切り替えられ、かつ電磁弁１０ｂ，１０ｄが開状態に切り替えられる。また、マスフローコントローラ５３および圧力調整部６２によるＰＩＤ制御が停止される。なお、ＰＩＤ制御を停止せず、制御を続けるようにしてもよい。

これにより、アイドリング回路１１によるガス供給からバッファ回路１２によるガス供給へ切り替えられる。その結果、バッファタンク６３と燃料電池ＦＣとの圧力差により、バッファタンク６３に貯められたガスが合流配管９２を通過して燃料電池ＦＣに供給され、燃料電池ＦＣ内の圧力がＰ１からＰ２にまで変化する（図３（Ａ））。この圧力変化の割合は、バッファタンク６３内の圧力により調整される。すなわち、バッファタンク６３内の圧力に応じて、燃料電池ＦＣの圧力をＰ１からＰ２にまで変化させるための過渡時間Ｔ１が、過渡応答性能評価の条件に応じて適宜調整される。

一方、定常回路１３では、上記アイドリング状態と同様に、ガスの流量が定常状態を想定した流量Ｇ２に維持され、かつガスの圧力が定常状態を想定した圧力Ｐ２に維持される。

次に、過渡状態における燃料電池ＦＣの放電負荷の制御について説明する。放電部３０は、バッファ回路１２からのガス供給におけるガス圧力の時間変化（図３（Ａ））に対して、遅れ時間Ｔ２が一定の範囲内にあるように放電電流を制御する。放電電流は、線形に変化するよう制御されてもよいし（図３（Ｂ））、非線形に変化するよう制御されてもよい。

放電部３０による放電電流制御は、たとえば車両の実走行状態の情報に基づいて構築されたモデルを用いて行われる。このモデル予測制御では、まず、過渡状態にあるときの放電電流の時系列データの目標となる設定値が設定される。また、放電部３０の定電流制御回路に対して入力される電圧量が操作量として用いられる。また、操作量が与えられたときの放電電流の時系列データを出力するモデルが用意されている。そして、設定値とモデルによる出力とを比較して最小二乗法を用いて両者の差が評価基準以下か否かを判定する。そして、両者の差が評価基準以下である場合には制御が終了し、評価基準を超える場合には再び操作量の設定に戻って制御プロセスが繰り返される。なお、設定値は、ガス供給系の遅れを加味しながら逐次見直しするようにしてもよく、またモデル予測制御に加えて、操作量と放電電流の関係があらかじめルール化されている場合はその関係をマップで示すなど、フィードフォワード制御を使用してもよい。

＜定常状態＞
次に、定常状態を想定した条件下での燃料電池ＦＣの性能評価について説明する（図２：Ｓ３０）。まず、図６および表１を参照して、定常条件での燃料電池ＦＣへのガス供給について説明する。制御部４０からの信号に基づいて電磁弁１０ｂ，１０ｆが閉状態に切り替えられ、かつ電磁弁１０ｃが開状態に切り替えられる。

これにより、バッファ回路１２によるガス供給から定常回路１３によるガス供給へ切り替えられる。そして、上記アイドリング状態および過渡状態において流量Ｇ２および圧力Ｐ２に維持されたガスが、合流配管９２を通過して燃料電池ＦＣに供給される。

放電部３０では、制御部４０からの信号に基づいて、最終の放電電流値を設定値としたＰＩＤ制御が実行されて燃料電池ＦＣの放電負荷の制御が行われる。

（燃料電池評価装置による作用効果）
次に、上記燃料電池評価装置１による作用効果について説明する。上記燃料電池評価装置１では、アイドリング回路１１によるガス供給の間に、バッファタンク６３において予めガスを貯めることができる。そして、バッファ回路１２によるガス供給へ切り替えることにより、バッファタンク６３に貯められたガスを燃料電池ＦＣに供給することができる。そのため、マスフローコントローラによりガス流量の切り替えが行われる場合と異なり、応答性良くガス流量を切り替えることができる。したがって、燃料電池ＦＣの出力の応答性を評価する場合等に有効なものとなる。

上記燃料電池評価装置１では、ガス配管６１のバッファタンク６３よりも上流側に圧力調整部６２が配置されている。これにより、バッファタンク６３内の圧力を調整し、バッファ回路１２によるガスの供給時間（過渡時間Ｔ１：図３）を調整することができる。

上記燃料電池評価装置１では、ガス配管６１のバッファタンク６３よりも上流側に電磁弁１０ｅが設けられ、かつバッファタンク６３よりも下流側に電磁弁１０ｂが設けられている。これにより、アイドリング回路１１によるガス供給の間に電磁弁１０ｅを開いて電磁弁１０ｂを閉じることでバッファタンク６３にガスを貯めることができる。そして、バッファ回路１２によるガス供給への切り替え時に電磁弁１０ｅを閉じて電磁弁１０ｂを開くことにより、バッファタンク６３に貯められたガスを燃料電池ＦＣに供給することができる。

上記燃料電池評価装置１では、制御部４０は、アイドリング回路１１によるガス供給の間にバッファタンク６３にガスが貯められるように、電磁弁１０ｅを開き、かつ電磁弁１０ｂを閉じる制御を行う。これにより、バッファタンク６３にガスを貯めるための時間を別途設ける必要がなくなり、評価試験の時間をより短縮することができる。

上記燃料電池評価装置１では、ガス供給部１０は、ガスの流量を第２のガス流量Ｇ２（図３）に維持するためのスタンバイ回路（維持部）を含む定常回路１３を有している。これにより、アイドリング回路１１によるガス供給の間に定常回路１３におけるガスの流量を流量Ｇ２に維持し、その後、定常回路１３によるガス供給へ切り替えることにより、流量Ｇ２に維持されたガスを速やかに燃料電池ＦＣに供給することができる。

上記燃料電池評価装置１では、制御部４０は、アイドリング回路１１によるガス供給の間に定常回路１３におけるガスの流量を第２のガス流量Ｇ２に維持する制御を行う。これにより、定常回路１３におけるガスの流量を第２のガス流量Ｇ２に調整するための時間を別途設ける必要がなくなり、評価試験の時間をより短縮することができる。

上記燃料電池評価装置１では、バッファタンク６３に貯められるガスの圧力は、燃料電池ＦＣの容積、アイドリング回路１１による供給ガス圧力Ｐ１（図３）、定常回路１３による供給ガス圧力Ｐ２（図３）、およびバッファ回路１２による供給時間（過渡時間Ｔ１：図３）に基づいて設定することができる。

これにより、バッファ回路１２によるガス供給の間の圧力の時間変化の割合を調整し、燃料電池ＦＣの過渡応答性能評価に要求される過渡時間Ｔ１を実現することができる。なお、バッファタンク６３の圧力は、下記の式（３）により、昇圧時に燃料電池ＦＣの発電により消費される水素ガスの流量Ｑ_Ｈ２（ＮＬ／ｍｉｎ）を考慮して設定することができる。下記の式（３）において、Ｉは燃料電池ＦＣで生じる電流（Ａ）、セル数は燃料電池ＦＣのセルの数、Ｆはファラデー定数（Ｃ／ｍｏｌ）である。

上記燃料電池評価装置１は、燃料電池ＦＣの放電負荷を制御する放電部３０を有している。放電部３０は、バッファ回路１２からのガス供給におけるガス圧力の時間変化に対して、遅れ時間Ｔ２を確保しながら追従するように放電電流を制御する。これにより、車両の実走行状態により近い条件で燃料電池ＦＣの性能評価を行うことができる。

（変形例）
最後に、上記実施形態の変形例について説明する。

上記実施形態では、アイドリング回路１１によるガス供給の間にバッファタンク６３にガスを貯め、また定常回路１３におけるガスの流量を第２のガス流量Ｇ２に維持する場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、アイドリング回路１１によるガス供給の開始前にバッファタンク６３へのガスの貯留が完了し、また定常回路１３におけるガスの流量が第２のガス流量Ｇ２に維持されてもよい。また定常回路１３によるガス供給の間にバッファタンク６３へのガスの貯留が行われてもよい。またアイドリング回路１１によるガス供給の間には定常回路１３にガスを流さず、バッファ回路１２によるガス供給の間に定常回路１３へガスを流し始めて定常回路１３におけるガスの流量が第２のガス流量Ｇ２に維持されてもよい。

上記実施形態において、アイドリング状態から過渡状態を経て一つ目の定常状態に移行した後、さらに過渡状態を経由して二つ目の定常状態に移行してもよい。この場合、まず定常回路１３によるガス供給の後、バッファ回路１２による過渡条件のガス供給に切り替わる。この過渡状態中に、定常回路１３においてガスの流量および圧力が変更され、二つ目の定常条件が準備される。その後、再び定常回路１３によるガス供給に切り替わることで、一つ目の定常状態から二つ目の定常状態に移行する。このようにして、アイドリング状態から複数段階にわたって定常状態に移行するときのガス供給条件が再現される。

上記実施形態において、アイドリング状態から過渡状態を経て定常状態に移行した後、再びアイドリング状態に戻ってもよい。この場合、アイドリング状態の終了後にガス配管５１からガス配管５５にガスを流し、アイドリング条件の流量Ｇ１および圧力Ｐ１を維持しておく（図５および図６）。そして、定常回路１３によるガス供給から再びアイドリング回路１１によるガス供給へ切り替わることで、定常状態からアイドリング状態に戻る。このようにアイドリング条件を予め準備しておくことにより、定常状態における性能評価が完了した後アイドリング状態への切り替えを速やかに行うことができる。なお、上記アイドリング条件の準備を過渡状態では行わず、定常状態に移行した後に始めてもよい。

上記実施形態において、アイドリング状態から過渡状態を経て再びアイドリング状態に戻ってもよい。この場合、まずアイドリング回路１１によるガス供給後にバッファ回路１２によるガス供給に切り替わる。この過渡状態中に、アイドリング回路１１のスタンバイ回路にガスが流され、アイドリング条件の流量Ｇ１および圧力Ｐ１が維持される。その後、アイドリング回路１１によるガス供給に再び切り替わることでアイドリング状態に戻る。

上記実施形態において、定常回路１３を第１のガス供給流路として機能させ、かつアイドリング回路１１を第３のガス供給流路として機能させてもよい。この場合、まずマスフローコントローラ７３（第１の流量調整部）により定常状態を想定したガス流量（第１のガス流量）に調整されたガスが燃料電池ＦＣに供給される。この定常状態中に、バッファ回路１２ではバッファタンク６３へのガスの貯留が行われる。またアイドリング回路１１ではスタンバイ回路（維持部）にガスが流され、その流量はマスフローコントローラ５３（第２の流量調整部）によりアイドリング状態を想定した流量（第２のガス流量）に調整される。これにより、アイドリング回路１１におけるガスの流量がアイドリング状態を想定した流量に維持される。

そして、定常回路１３によるガス供給からバッファ回路１２によるガス供給へ切り替わることで、定常状態から過渡状態へ移行する。その後、バッファ回路１２によるガス供給からアイドリング回路１１によるガス供給へ切り替わることで、アイドリング状態へ移行する。このようにして定常状態から過渡状態を経てアイドリング状態へ移行する。

上記実施形態では、アイドリング回路１１および定常回路１３の一方が省略され、アイドリング回路１１および定常回路１３のいずれかが両方を兼ねる共通回路として用いられてもよい。たとえば、定常回路１３が省略される場合には、共通回路となるアイドリング回路１１およびバッファ回路１２によりガス供給が行われる。またアイドリング回路１１が省略される場合には、共通回路となる定常回路１３およびバッファ回路１２によりガス供給が行われる。

この場合、まず共通回路によるアイドリング条件のガス供給からバッファ回路１２による過渡条件のガス供給へ切り替わる。この過渡状態中に、共通回路においてガスの流量および圧力が変更され、一つ目の定常条件が準備される。その後、共通回路によるガス供給に再び切り替わることで、アイドリング状態から定常状態に移行する。このようにして、アイドリング回路１１および定常回路１３の両方が用いられる場合と同様に、アイドリング状態から過渡状態を経て定常状態に切り替わる。

また複数段階にわたって定常状態に移行させる場合、共通回路による一つ目の定常条件のガス供給からバッファ回路１２によるガス供給に切り替わる。この過渡状態中に、共通回路においてガスの流量および圧力が再び変更され、二つ目の定常条件が準備される。その後、共通回路によるガス供給に再び切り替わることで、一つ目の定常状態から二つ目の定常状態に移行する。

なお、上述のように共通回路およびバッファ回路１２を用いた場合においても、アイドリング状態から過渡状態を経て再びアイドリング状態へ移行してもよい。また定常状態から過渡状態を経てアイドリング状態へ移行してもよい。

上記実施形態において、バッファ回路１２は複数設けられていてもよい。また定常回路１３は複数設けられていてもよい。

上記実施形態において、燃料電池評価装置１は、アイドリング状態と過渡状態のみを評価するものであってもよい。また燃料電池評価装置１は、過渡状態と定常状態のみを評価するものであってもよい。

なお、上記実施形態および変形例は例示であって、本発明の範囲は上記実施形態および変形例に制限されるものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記実施形態および変形例ではなく特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１燃料電池評価装置、１０ガス供給部、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ電磁弁、１１アイドリング回路、１２バッファ回路、１３定常回路、１４切替手段、２０ガス排気部、３０放電部、４０制御部、５１，５５，６１，７１，７５，８１ガス配管、５１ａ，７１ａ部位、５２，７２レギュレータ、５３，７３マスフローコントローラ、５４，６５，７４，８２，９３圧力センサ、５６，７６，８３空圧式背圧弁、５７，７７，８４電空レギュレータ、６２圧力調整部、６３バッファタンク、９１供給配管、９２合流配管、ＦＣ燃料電池。

Claims

供給されるガス流量が調整された状態で燃料電池の特性を評価する燃料電池評価装置であって、
前記燃料電池の発電に用いられるガスを前記燃料電池に供給するガス供給部と、
前記ガス供給部の動作を制御する制御部とを備え、
前記ガス供給部は、
ガスの流量を第１のガス流量に調整する第１の流量調整部を有し、前記第１のガス流量に調整されたガスを前記燃料電池に供給するための第１のガス供給流路と、
ガスを貯めるガス貯留部を有し、前記ガス貯留部に貯められたガスを前記燃料電池に供給するための第２のガス供給流路と、
前記第１のガス供給流路内のガスを前記燃料電池を避けて流すスタンバイ回路と、
前記第１のガス供給流路によるガス供給から前記第２のガス供給流路によるガス供給への切り替えを、前記制御部からの信号に基づいて行う切替手段とを含み、
前記切替手段により前記第２のガス供給流路によるガス供給へ切り替えられると、前記第１のガス供給流路内のガスが前記スタンバイ回路に流れるように制御される、燃料電池評価装置。
供給されるガス流量が調整された状態で燃料電池の特性を評価する燃料電池評価装置であって、
前記燃料電池の発電に用いられるガスを前記燃料電池に供給するガス供給部と、
前記ガス供給部の動作を制御する制御部とを備え、
前記ガス供給部は、
ガスの流量を第１のガス流量に調整する第１の流量調整部を有し、前記第１のガス流量に調整されたガスを前記燃料電池に供給するための第１のガス供給流路と、
ガスを貯めるガス貯留部を有し、前記ガス貯留部に貯められたガスを前記燃料電池に供給するための第２のガス供給流路と、
前記第１のガス供給流路を通じた前記燃料電池へのガス供給が行われると共に前記第２のガス供給流路を通じた前記燃料電池へのガス供給が停止される第１のガス供給状態から、前記第１のガス供給流路を通じた前記燃料電池へのガス供給が停止されると共に前記第２のガス供給流路を通じた前記ガス貯留部から前記燃料電池へのガス供給が行われる第２のガス供給状態への切り替えを、前記制御部からの信号に基づいて行う切替手段とを含む、燃料電池評価装置。
供給されるガス流量が調整された状態で燃料電池の特性を評価する燃料電池評価装置であって、
前記燃料電池の発電に用いられるガスを前記燃料電池に供給するガス供給部と、
前記ガス供給部の動作を制御する制御部とを備え、
前記ガス供給部は、
ガスの流量を第１のガス流量に調整する第１の流量調整部を有し、前記第１のガス流量に調整されたガスを前記燃料電池に供給するための第１のガス供給流路と、
ガスを貯めるガス貯留部を有し、前記ガス貯留部に貯められたガスを前記燃料電池に供給するための第２のガス供給流路と、
前記第１のガス供給流路によるガス供給から前記第２のガス供給流路によるガス供給への切り替えを、前記制御部からの信号に基づいて行う切替手段と、
第３のガス供給流路と、を含み、
前記第３のガス供給流路は、ガスの流量を前記第１のガス流量と異なる第２のガス流量に調整する第２の流量調整部と、前記第３のガス供給流路におけるガスの流量を前記第２のガス流量に維持する維持部と、を有し、
前記切替手段は、前記第２のガス供給流路によるガス供給から前記第３のガス供給流路によるガス供給への切り替えを、前記制御部からの信号に基づいて行う、燃料電池評価装置。
前記制御部は、前記切替手段が前記第１のガス供給流路によるガス供給に切り替えられているときに前記第３のガス供給流路におけるガスの流量を前記第２のガス流量に維持する制御を行う、請求項３に記載の燃料電池評価装置。
前記ガス貯留部に貯められるガスの圧力は、前記燃料電池の容積、前記第１のガス供給流路による供給ガス圧力、前記第３のガス供給流路による供給ガス圧力、および前記第２のガス供給流路による供給時間に基づいて設定される、請求項３又は４に記載の燃料電池評価装置。
前記第２のガス供給流路は、前記ガス貯留部よりもガスの流れ方向の上流側において、前記ガス貯留部に貯められるガスの圧力を調整する圧力調整部をさらに有する、請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池評価装置。
前記第２のガス供給流路には、前記ガス貯留部へのガスの流入およびその停止を切り替える流入側開閉部が設けられ、
前記切替手段は、前記ガス貯留部からのガスの流出およびその停止を切り替える流出側開閉部を有する、請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池評価装置。
前記制御部は、前記切替手段が前記第１のガス供給流路によるガス供給に切り替えられているときに前記ガス貯留部にガスが貯められるように、前記流入側開閉部を開き、かつ前記流出側開閉部を閉じる制御を行う、請求項７に記載の燃料電池評価装置。
前記燃料電池の放電負荷を制御する放電部をさらに備え、
前記放電部は、前記第２のガス供給流路からのガス供給におけるガス圧力の時間変化に対して、遅れ時間を確保しながら追従するように放電電流を制御する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池評価装置。