燃料電池用水収支計測装置、燃料電池評価試験装置、並びに、燃料電池システム
【課題】燃料電池における水収支の算出結果の精度が、燃料電池から排出されるガス中に含まれている水分の液化を原因として低下するのを防止可能な燃料電池用水収支計測装置や、当該装置を備えた燃料電池評価試験装置、燃料電池システムの提供を目的とした。
【解決手段】試験装置１は、燃料電池３０から排出される気体が流れるガス排出系統２０に、水を気化させることが可能な気化手段７１を有する。そのため、気化手段７１を作動させることにより、燃料電池３０から排出されるガス中に含まれている水分が液化するのを防止でき、制御部８０により排出水分量Ｗoを正確に導出することができる。従って、試験装置１は、燃料電池から排出されるガス中に含まれている水分の液化を原因として燃料電池における水収支の算出結果の精度が低下するのを防止できる。
【解決手段】試験装置１は、燃料電池３０から排出される気体が流れるガス排出系統２０に、水を気化させることが可能な気化手段７１を有する。そのため、気化手段７１を作動させることにより、燃料電池３０から排出されるガス中に含まれている水分が液化するのを防止でき、制御部８０により排出水分量Ｗoを正確に導出することができる。従って、試験装置１は、燃料電池から排出されるガス中に含まれている水分の液化を原因として燃料電池における水収支の算出結果の精度が低下するのを防止できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用水収支計測装置や、当該水収支計測装置を備えた燃料電池評価試験装置、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、下記特許文献１に開示されている燃料電池の評価装置のように燃料電池における水収支を計測手段によって計測された種々のデータに基づいて算出できる装置が提供されている。
【特許文献１】特開２００７−１３４２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述した従来技術の評価装置では、燃料電池から排出されたガス中に含まれている水分が、背圧調整用に設けられた背圧調整器や、弁、継手などの部材において冷却されて液化してしまい、排出ガス中に含まれている水分量を正確に算出できないという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、燃料電池における水収支の算出結果の精度が、燃料電池から排出されるガス中に含まれている水分の液化を原因として低下するのを防止可能な燃料電池用水収支計測装置や、当該装置を備えた燃料電池評価試験装置、燃料電池システムの提供を目的とした。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題を解決すべく提供される本発明の燃料電池用水収支計測装置は、燃料電池に供給される気体に含まれている流入水分量、並びに、燃料電池から排出される気体に含まれている排出水分量に基づき、前記燃料電池における水収支を計測可能な水収支計測装置であって、前記燃料電池から排出される気体が流れる排気系統と、前記燃料電池から排出された水を気化させることが可能な気化手段と、を有し、前記気化手段に対して気体の流れ方向下流側に、気体の露点を計測可能な露点検出手段が設けられており、当該露点検出手段によって検出された値に基づいて前記排出水分量が導出されることを特徴とする燃料電池用水収支計測装置である。
【０００６】
本発明の燃料電池用水収支計測装置は、燃料電池から排出された気体が露点検出手段に至る前に、気中に含まれている水分を気化手段で加熱して気化させることができる。そのため、本発明の燃料電池用水収支計測装置では、燃料電池から排出された気体中に含まれている水分量（排出水分量）を露点検出手段の検出値に基づいて精度良く導出することができる。従って、本発明の燃料電池用水収支計測装置は、燃料電池における水収支の計測精度が高い。
【０００７】
また同様の知見に基づいて提供される本発明の燃料電池評価試験装置は、燃料電池に供給される気体に含まれている流入水分量Ｗi、並びに、燃料電池から排出される気体に含まれている排出水分量Ｗoに基づき、前記燃料電池における水収支を計測可能な水収支計測装置であって、前記燃料電池から排出される気体が流れる排気系統と、前記燃料電池から排出された水を気化させることが可能な気化手段と、を有する。本発明の燃料電池用水収支計測装置では、前記流入水分量Ｗiが、前記燃料電池に供給される気体の露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐwiと、前記燃料電池に対して供給される気体の供給圧Ｐoiと、前記燃料電池に供給される気体の流量Ｑiと、前記燃料電池に対して供給される気体の分子量Ｍと、を下記（数式１）に代入することにより導出される。また、本発明の燃料電池用水収支計測装置では、前記排出水分量Ｗoが、前記気化手段により気化された水分を含み前記排気系統を流れる気体の露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐwoと、前記排気系統を流れる気体の排気圧Ｐooと、前記排気系統を流れる気体の流量Ｑoと、を下記（数式２）に代入することにより導出される（請求項２）。
【数１】
【数２】
【０００８】
本発明の燃料電池用水収支計測装置は、気化手段を有し、これにより排気系統に排出された水分を気化させることができる。そのため、本発明の燃料電池用水収支計測装置では、気化手段により気化された水分を含み前記排気系統を流れる気体の露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐwoや、前記排気系統を流れる気体の排気圧Ｐoo、前記排気系統を流れる気体の流量Ｑoを上記（数式２）に代入することにより燃料電池から排出された水分量（排出水分量Ｗo）を正確かつ容易に導出することができる。また、本発明の燃料電池用水収支計測装置では、上記（数式１）により、燃料電池に流入する水分量（流入水分量Ｗi）も正確かつ容易に導出することができる。従って、本発明の燃料電池用水収支計測装置によれば、燃料電池における水収支を容易かつ正確に計測することができる。
【０００９】
上述した本発明の燃料電池用水収支計測装置は、燃料電池に供給される気体の流量Ｑiと、当該気体のストイキ比Ｓと、に基づいて排気系統を流れる気体の流量Ｑoが導出され、当該流量Ｑoが（数式２）に代入されるものであることが望ましい（請求項３）。
【００１０】
かかる構成によれば、気体の流量Ｑoを導出するための手段として流量計などを設ける必要がなく、その分水分が液化してしまい、水収支の計測精度が低下する可能性を低減することができる。また、上述したような構成とすれば、燃料電池用水収支計測装置の装置構成を簡略化することができる。
【００１１】
具体的には、燃料電池に所定の気体Ａを導入する場合は、その気体Ａの流量Ｑiと、その気体中に含まれている活物質（酸素あるいは水素）についてのストイキ比Ｓと、気体Ａ中に含まれている活物質（酸素あるいは水素）の割合Ｒ［％］に基づき、下記（数式７）に基づいて排気系統を流れる気体Ａの流量Ｑoを導出することができる。
【数３】
【００１２】
さらに具体的には、燃料電池の正極側に空気を導入する場合は、空気の流量Ｑiと、酸素についてのストイキ比ＳO2と、空気中に含まれている酸素の割合Ｒ［％］（Ｒ＝２０．８％）に基づき、下記（数式３）に基づいて排気系統を流れる空気の流量Ｑoを導出することができる。
【数４】
【００１３】
また、燃料電池に負極側ガスとして水素そのものを導入する場合は、水素の流量Ｑiと、水素のストイキ比ＳH2と、に基づき、下記（数式４）に基づいて負極側の排気系統を流れる水素の流量Ｑoを導出することができる。
【数５】
【００１４】
なお、燃料電池に負極側ガスとして、水素を主成分とし、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した気体を供給する場合は、上述した酸素を正極側ガスとして供給する場合と同様に、上記（数式７）に対し、水素の流量Ｑiと、水素のストイキ比ＳH2に加え、供給するガス中に含まれる水素の割合Ｒ［％］を代入することにより、負極側の排気系統を流れる水素の流量Ｑoを導出することができる。
【００１５】
同様に、燃料電池に正極側ガスとして空気でなく酸素自体を導入する場合は、酸素の流量Ｑiと、酸素のストイキ比ＳO2と、に基づき、下記（数式８）に基づいて正極側の排気系統を流れる水素の流量Ｑoを導出することができる。
【数６】
【００１６】
また、本発明の燃料電池評価試験装置は、燃料電池の評価試験を行うためのものであって、上述した本発明の燃料電池用水収支計測装置を有している。本発明の燃料電池評価試験装置は、前記燃料電池用水収支計測装置により、評価試験対象である燃料電池の正極および負極のうち、少なくとも一方における水収支を計測可能であることを特徴としている（請求項４）。
【００１７】
かかる構成によれば、供試体たる燃料電池の正極や負極における水収支を正確に計測可能な燃料電池評価試験装置を提供できる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、当該燃料電池の正極から排出される気体が流れる正極側排気系統と、前記燃料電池の負極から排出される気体が流れる負極側排気系統と、を有している。本発明の燃料電池システムは、前記正極ガス供給系統および負極ガス供給系統のうち、少なくとも一方に上述したの燃料電池用水収支計測装置が設けられていることを特徴としている（請求項５）。
【００１９】
かかる構成によれば、燃料電池の正極や負極における水収支を正確に計測し、この計測結果を燃料電池の運転等に活用可能な燃料電池システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池における水収支を正確に計測可能な燃料電池用水収支計測装置、燃料電池評価試験装置、並びに、燃料電池システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
続いて、本発明の一実施形態に係る燃料電池用評価試験装置１（以下、試験装置１とも称す）について、特徴的構成である燃料電池用水収支計測装置１００（以下、計測装置１００とも称す）を中心として説明する。図１に示すように、試験装置１は、燃料電池３０に対して接続されたガス供給系統１０と、ガス排出系統２０（排気系統）と、制御部８０と、に大別される。ガス供給系統１０は、さらに燃料電池３０の正極（カソード極）側に接続された正極側ガス供給系統１１と、負極（アノード極）側に接続された負極側ガス供給系統１５と、に大別される。同様に、ガス排出系統２０は、燃料電池３０の正極（カソード極）側に接続された正極側ガス排出系統２１と、負極（アノード極）側に接続された負極側ガス排出系統２５と、に大別される。
【００２２】
正極側ガス供給系統１１、負極側ガス供給系統１５、正極側ガス排出系統２１、並びに、負極側ガス排出系統２５は、それぞれ独立的に設けられている。正極側ガス供給系統１１は、燃料電池３０に対して正極活物質として使用される酸素を主成分とする正極側ガス（カソードガス）を供給する正極側供給路１２を有する。本実施形態では、正極側ガスとして空気が採用されている。また、負極側ガス供給系統１５は、燃料電池３０に対して負極活物質として使用される水素を主成分とするガスなどの負極側ガス（アノードガス）を供給する負極側供給路１６を有する。正極側ガス排出系統２１は、燃料電池３０の正極側からガス等を排出するための正極側排出路１３を有する。負極側ガス排出系統２５は、燃料電池３０の負極側からガス等を排出するための負極側排出路１７を有する。
【００２３】
正極側ガス供給系統１１および負極側ガス供給系統１５は、それぞれ同様の構成とされている。正極側供給路１２および負極側供給路１６は、ガスの流れ方向上流側にマスフローコントローラなどの流量調整手段３７を有し、その下流側において一旦低湿度流路３３と高湿度流路３５の２系統に分岐した後、再度合流する流路構成とされている。具体的には、正極側供給路１２および負極側供給路１６は、ガスの流れ方向上流側の分岐点に、それぞれ三方弁３８を有し、これよりも下流側において、低湿度流路３３と高湿度流路３５の２系統に分岐している。また、低湿度流路３３および高湿度流路３５は、前記した分岐点よりもガスの流れ方向下流側において三方弁４０に接続され、合流している。正極側供給路１２および負極側供給路１６は、それぞれ合流点に設けられた三方弁４０に混合ガス流路３６が接続されており、これを介して下流側に設けられた燃料電池３０に向けて正極側ガスや負極側ガスを供給することができる。
【００２４】
低湿度流路３３は、図示しない供給源から供給された正極側ガスや負極側ガスが加湿されることなくそのまま流れる流路である。また、高湿度流路３５は、上述した分岐点において分岐した流路であり、図示しない供給源から供給された正極側ガスや負極側ガスを加湿して供給する流路である。高湿度流路３５の中途には、加湿手段４３が設けられている。低湿度流路３３に流入するガスと、高湿度流路３５に流入するガスと、の比（分流比）は、両流路３３，３５の分岐点に設けられた三方弁３８を開度調整することにより調整できる。また、上述した合流部に設けられた三方弁４０において合流する低湿度ガスと、高湿度ガスと、の比（混合比）は、三方弁４０を開度調整することにより調整できる。そのため、正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５では、三方弁３８，４０を通過する低湿度ガスおよび高湿度ガスの流量を調整することにより、合流点において所定の割合で低湿度ガスおよび高湿度ガスを混合させ、混合ガスを調製することができる。
【００２５】
加湿手段４３は、高湿度流路３５の中途であって、三方弁３８よりもガスの流れ方向下流側の位置に配されている。加湿手段４３は、貯留水を貯留する密閉型の貯留槽５０と、この貯留槽５０内の貯留水を加熱するためのヒーター５１（水温調整手段）とを具備している。通常、貯留槽５０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。貯留槽５０の底部側には、ガス導入部５３が設けられており、これを介して、高湿度流路３５により供給された正極側ガスや負極側ガスを貯留槽５０内の貯留水中に吐出可能とされている。
【００２６】
また、貯留槽５０の頂部側には、ガス排出部５５が設けられており、これを介して貯留水中に吐出されたガスを加湿手段４３の下流側に送り出すことができる。貯留槽５０内には、水温検知センサ５７が設けられており、これにより貯留槽５０内に貯留されている貯留水の水温を検知することができる。高湿度流路３５において、三方弁３８を通過してきたガスは、ヒーター５１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。これにより、貯留槽５０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５５から排出される。
【００２７】
高湿度流路３５は、上記した貯留槽５０の下流側の合流点に設けられた三方弁４０に接続されている。そのため、ガス排出部５５を介して貯留槽５０から導出された高湿度ガスは、合流点に設けられた三方弁４０において低湿度流路３３を介して供給される低湿度ガスと合流して混合され、所定の露点に調整された混合ガスとなる。このようにして調製された混合ガスは、混合ガス流路３６を介して燃料電池３０に供給される。混合ガス流路３６の中途には、従来公知の圧力センサ等からなる供給側圧力計６０や、供給側露点計６１が設けられており、これにより燃料電池３０に供給される混合ガスの供給圧力や露点を検知することができる。
【００２８】
ガス排出系統２０を構成する正極側ガス排出系統２１および負極側ガス排出系統２５は、それぞれ同様の構成とされている。正極側ガス排出系統２１および負極側ガス排出系統２５は、それぞれ、燃料電池３０の正極側に接続された正極側排出路１３と、負極側に接続された負極側排出路１７を有する。正極側排出路１３および負極側排出路１７には、それぞれ、気化手段７１や、排出側圧力計７２、排出側露点計７３、背圧調整器７５、熱交換器７６が設けられている。気化手段７１は、従来公知のヒーターなどによって構成されており、燃料電池３０に対して正極側ガスや負極側ガスの流れ方向下流側に位置する正極側排出路１３や、負極側排出路１７に設けられている。気化手段７１は、燃料電池３０の正極および負極から正極側排出路１３や負極側排出路１７に向けて排出された水分を加熱し、気化させることができる。
【００２９】
排出側圧力計７２は、正極側排出路１３や負極側排出路１７の中途であって、上記した気化手段７１に対して正極側ガスや負極側ガスの流れ方向上流側に設けられている。具体的には、排出側圧力計７２は、燃料電池３０における正極側ガスや負極側ガスの排出口近傍に設けられており、燃料電池３０と気化手段７１との間に位置している。また、排出側露点計７３は、上述した気化手段７１に対して正極側ガスや負極側ガスの流れ方向下流側であって、背圧調整器７５よりも上流側の位置に設けられている。そのため、排出側露点計７３は、正極側排出路１３や負極側排出路１７において、気化手段７１により水分が気化した状態で含まれているガス（正極側ガス、負極側ガス）の露点を計測可能とされている。
【００３０】
背圧調整器７５は、燃料電池３０の背圧調整用に設けられたものであり、正極側排出路１３や負極側排出路１７の中途に取り付けられた弁７７と、この弁７７に対して並列に設けられた弁７８とを有する。また、熱交換器７６は、背圧調整器７５に対して正極側ガスや負極側ガスの流れ方向下流側に隣接する位置に設けられている。熱交換器７６は、ガス排出系統２０において背圧調整器７５を通過してきたガスを冷却し、排気することができる。
【００３１】
試験装置１は、上述した構成に加えて従来公知のＣＰＵや論理回路などで構成された制御部８０を備えている。試験装置１は、制御部８０から発信される制御信号に基づき、三方弁３８，４０の開度や、貯留槽５０に設けられたヒーター５１の出力を調整できる。そのため、試験装置１は、制御部８０により、低湿度流路３３および高湿度流路３５を流れるガスの比（分流比）や、これらのガスが三方弁４０で合流する比率（混合比）、混合ガス流路３６を介して燃料電池３０に供給されるガスの露点を調整することができる。制御部８０には、ガス供給系統１０側から、水温検知センサ５７により検知される貯留槽５０における水温Ｔwについてのデータや、供給側圧力計６０により検知される燃料電池３０に対する混合ガスの供給圧力（給気圧力Ｐoi）のデータ、供給側露点計６１によって検知される混合ガスの露点（給気露点Ｔoi）のデータが入力される。
【００３２】
制御部８０には、ガス排出系統２０側から、排出側圧力計７２によって検知される燃料電池３０の排出ガスの排気圧Ｐooや、排出側露点計７３によって検知される排出ガスの露点（排気露点Ｔoo）のデータが入力される。また、制御部８０は、排出ガス中に含まれている水分を十分気化可能な温度にガス排出系統２０側に設けられた気化手段７１の出力を調整したり、背圧調整器７５を構成する弁７７，７８の開度調整により燃料電池３０の背圧調整を行うことができる。
【００３３】
制御部８０は、給気露点Ｔoiに基づき、これに対応する飽和水蒸気圧Ｐwiを導出することができる。具体的には、制御部８０は、下記（数式６）に示すＧｏｆｆ−Ｇｒａｔｃｈの式などを用いて飽和水蒸気圧Ｐwiを導出することができる。本実施形態では、下記（数式６）のＴoに給気露点Ｔoiを代入することにより、飽和水蒸気圧Ｐwiが導出される。
【数７】
【００３４】
また、制御部８０は、下記（数式１）により燃料電池３０に対して正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５を介して供給される混合ガス中に含まれている流入水分量Ｗi［ｇ／ｍｉｎ］を導出することができる。下記（数式１）において、飽和水蒸気圧Ｐwi［Ｐａ］には、正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５のうち、流入水分量Ｗiを導出する系統に設けられた排出側露点計７３によって導出された給気露点Ｔoiに基づいて導出された値が代入される。また、給気圧力Ｐoi［Ｐａ］や、供給ガス流量Ｑi［ＮＬ／ｍｉｎ］には、正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５のうち、流入水分量Ｗiを導出する系統に設けられた供給側圧力計６０の検出値や、流量調整手段３７により設定されたガスの流量が代入される。下記（数式１）の分子量Ｍには、正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５を介して燃料電池３０に供給される混合ガス中に含まれている活物質、すなわち正極活物質として使用される酸素の分子量（Ｍ＝１８）、あるいは、負極活物質として使用される水素の分子量（Ｍ＝２）が代入される。
【数８】
【００３５】
制御部８０は、下記（数式７）に基づいて、燃料電池３０から正極側ガス排出系統２１に排出される正極側ガスの流量Ｑo［ＮＬ／ｍｉｎ］や負極側ガス排出系統２５に排出される負極側ガスの流量Ｑo［ＮＬ／ｍｉｎ］を導出することができる。下記（数式７）において、Ｓは、燃料電池において活物質として作用する酸素や水素についてのストイキ比である。具体的には、酸素についてのストイキ比Ｓ（以下、ストイキ比ＳO2とも称す）は、燃料電池３０に供給された酸素量（ＱO2・in）と、燃料電池３０で消費された酸素量（ＱO2・ex）と、の比（ＱO2・in／ＱO2・ex）に相当する。同様に、水素についてのストイキ比Ｓ（以下、ストイキ比ＳH2とも称す）は、燃料電池３０に供給された水素量（ＱH2・in）と、燃料電池３０で消費された水素量（ＱH2・ex）と、の比（ＱH2・in／ＱH2・ex）に相当する。また、下記（数式７）において、Ｒ［％］は、燃料電池３０に対して正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５を介して供給される気体中に含まれている酸素や水素の割合である。
【数９】
【００３６】
本実施形態では、上述したように、燃料電池３０に対して正極側ガスとして空気が供給されている。また、空気中には、酸素が約２０．８［％］含まれている。そのため、制御部８０は、下記（数式３）に基づき、燃料電池３０から正極側ガス排出系統２１に排出される正極側ガスの流量Ｑo［ＮＬ／ｍｉｎ］（以下、排出ガス流量ＱoAとも称す）を導出することができる。
【数１０】
【００３７】
また、本実施形態では、燃料電池３０に対し、負極側ガスとして水素が供給されており、上記（数式７）において水素の割合Ｒは１００［％］とみなすことができる。そのため、制御部８０は、下記（数式４）に基づき、燃料電池３０から負極側ガス排出系統２５に排出される負極側ガスの流量Ｑo［ＮＬ／ｍｉｎ］（以下、排出ガス流量ＱoCとも称す）を導出することができる。
【数１１】
【００３８】
制御部８０は、上述した（数式３）や（数式４）により導出されたガスの流量Ｑo（排出ガス流量ＱoA、あるいは、排出ガス流量ＱoC）を下記（数式２）に代入することにより、燃料電池３０から正極側ガス排出系統２１、あるいは、負極側ガス排出系統２５に混合ガスと共に排出された水分量（排出水分量Ｗo［ｇ／ｍｉｎ］）を導出することができる。下記（数式２）における飽和水蒸気圧Ｐwo［Ｐａ］は、排出側露点計７３によって導出された排気露点Ｔooを上述したＧｏｆｆ−Ｇｒａｔｃｈの式などの近似式に代入する等して導出した値が代入される。また、排気圧Ｐoo［Ｐａ］には、正極側ガス排出系統２１や負極側ガス排出系統２５のうち、流入水分量Ｗiを導出しようとしている系統に設けられた排出側圧力計７２の検出値が代入される。下記（数式２）の分子量Ｍ［ｇ／ｍｏｌ］には、上述したのと同様に、燃料電池３０に正極活物質として供給される酸素の分子量（Ｍ＝１８）や、負極活物質として供給される水素の分子量（Ｍ＝２）が代入される。
【数１２】
【００３９】
制御部８０は、上述した（数式１）や（数式２）により導出された流入水分量Ｗiや排出水分量Ｗoを下記（数式５）に代入することにより、下記燃料電池３０における電気化学反応によって生成した水分量Ｗfcを導出することができる。
【数１３】
【００４０】
上記したように本実施形態の試験装置１では、気化手段７１が設けられており、燃料電池３０から排出された混合ガス中に含まれている水分を気化させることができる。そのため、試験装置１では、正極側ガス排出系統２１や負極側ガス排出系統２５を流れる混合ガスの排気露点Ｔooに対応する飽和水蒸気圧Ｐwoや、排気圧Ｐoo、流量Ｑoを上記（数式２）に代入することにより、燃料電池３０から排出された排出水分量Ｗoを正確かつ容易に導出することができる。また、試験装置１では、上記（数式１）により、燃料電池３０に供給される混合ガスに含まれている流入水分量Ｗiも正確かつ容易に導出することができる。従って、試験装置１では、上記（数式１）や（数式２）により導出された流入水分量Ｗiや排出水分量Ｗoを（数式５）に代入することにより燃料電池３０における水収支を容易かつ正確に計測することができる。
【００４１】
上記実施形態では、気化手段７１を、排出側圧力計７２に対して気体の流れ方向下流側に配した構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、気化手段７１における水分の蒸発により排出側露点計７３の部分において圧力上昇することが想定される場合や、このような圧力上昇が、制御部８０による水分量の導出において許容しうる範囲を超えて誤差を発生する要因となりうるような場合は、排出側圧力計７２を気化手段７１に対して気体の流れ方向下流側に配した構成とすることも可能である。
【００４２】
また、試験装置１では、上記（数式３）や（数式４）に基づき、燃料電池３０に供給される気体の供給ガス流量Ｑiや、ストイキ比Ｓ（ＳO2，ＳH2）から燃料電池３０から排気される混合ガスの流量Ｑoを導出することができる。そのため、試験装置１は、混合ガスの排気流量Ｑoを導出するために流量計などを設ける必要がなく、当該流量計などにおいて水分が液化し、上述した（数式２）により導出される排出水分量Ｗoの精度が低下してしまうのを防止できる。従って、（数式３）や（数式４）に基づいて混合ガスの流量Ｑoを導出することとすれば、装置構成の簡略化に加え、水収支の計測精度の低下を最小限に抑制することができる。
【００４３】
上記実施形態では、排気流量Ｑoを（数式３）や（数式４）に基づいて導出する構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、流量計などを別途設けて排気流量Ｑoを導出することとしてもよい。なお、かかる構成とする場合は、燃料電池３０から排出された混合ガス中に含まれている水分の液化に伴い排出水分量Ｗoの検出精度が低下するのを防止すべく、流量計などが低温にならないように温度調整する等の方策を講じることが望ましい。
【００４４】
上記実施形態の試験装置１では、正極側ガスや負極側ガスの供給源からガス供給系統１０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３０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系統１０に別途設けた構成としたり、ガス供給系統１０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。
【００４５】
本実施形態では、試験装置１について、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の試験用のものであることを前提として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、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。
【００４６】
上記実施形態では、計測装置１００を採用した燃料電池３０用の試験装置１について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、計測装置１００が単体で使用されるものであってもよい。また、計測装置１００は、試験装置１に限らず、燃料電池３０を備えて構成される燃料電池システム１１０に採用されるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係る試験装置の作動原理図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 燃料電池評価試験装置（試験装置）
１０ ガス供給系統
２０ ガス排出系統（排気系統）
３０ 燃料電池
７１ 気化手段
１００ 燃料電池用水収支計測装置（計測装置）
１１０ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用水収支計測装置や、当該水収支計測装置を備えた燃料電池評価試験装置、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、下記特許文献１に開示されている燃料電池の評価装置のように燃料電池における水収支を計測手段によって計測された種々のデータに基づいて算出できる装置が提供されている。
【特許文献１】特開２００７−１３４２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述した従来技術の評価装置では、燃料電池から排出されたガス中に含まれている水分が、背圧調整用に設けられた背圧調整器や、弁、継手などの部材において冷却されて液化してしまい、排出ガス中に含まれている水分量を正確に算出できないという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、燃料電池における水収支の算出結果の精度が、燃料電池から排出されるガス中に含まれている水分の液化を原因として低下するのを防止可能な燃料電池用水収支計測装置や、当該装置を備えた燃料電池評価試験装置、燃料電池システムの提供を目的とした。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題を解決すべく提供される本発明の燃料電池用水収支計測装置は、燃料電池に供給される気体に含まれている流入水分量、並びに、燃料電池から排出される気体に含まれている排出水分量に基づき、前記燃料電池における水収支を計測可能な水収支計測装置であって、前記燃料電池から排出される気体が流れる排気系統と、前記燃料電池から排出された水を気化させることが可能な気化手段と、を有し、前記気化手段に対して気体の流れ方向下流側に、気体の露点を計測可能な露点検出手段が設けられており、当該露点検出手段によって検出された値に基づいて前記排出水分量が導出されることを特徴とする燃料電池用水収支計測装置である。
【０００６】
本発明の燃料電池用水収支計測装置は、燃料電池から排出された気体が露点検出手段に至る前に、気中に含まれている水分を気化手段で加熱して気化させることができる。そのため、本発明の燃料電池用水収支計測装置では、燃料電池から排出された気体中に含まれている水分量（排出水分量）を露点検出手段の検出値に基づいて精度良く導出することができる。従って、本発明の燃料電池用水収支計測装置は、燃料電池における水収支の計測精度が高い。
【０００７】
また同様の知見に基づいて提供される本発明の燃料電池評価試験装置は、燃料電池に供給される気体に含まれている流入水分量Ｗi、並びに、燃料電池から排出される気体に含まれている排出水分量Ｗoに基づき、前記燃料電池における水収支を計測可能な水収支計測装置であって、前記燃料電池から排出される気体が流れる排気系統と、前記燃料電池から排出された水を気化させることが可能な気化手段と、を有する。本発明の燃料電池用水収支計測装置では、前記流入水分量Ｗiが、前記燃料電池に供給される気体の露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐwiと、前記燃料電池に対して供給される気体の供給圧Ｐoiと、前記燃料電池に供給される気体の流量Ｑiと、前記燃料電池に対して供給される気体の分子量Ｍと、を下記（数式１）に代入することにより導出される。また、本発明の燃料電池用水収支計測装置では、前記排出水分量Ｗoが、前記気化手段により気化された水分を含み前記排気系統を流れる気体の露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐwoと、前記排気系統を流れる気体の排気圧Ｐooと、前記排気系統を流れる気体の流量Ｑoと、を下記（数式２）に代入することにより導出される（請求項２）。
【数１】
【数２】
【０００８】
本発明の燃料電池用水収支計測装置は、気化手段を有し、これにより排気系統に排出された水分を気化させることができる。そのため、本発明の燃料電池用水収支計測装置では、気化手段により気化された水分を含み前記排気系統を流れる気体の露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐwoや、前記排気系統を流れる気体の排気圧Ｐoo、前記排気系統を流れる気体の流量Ｑoを上記（数式２）に代入することにより燃料電池から排出された水分量（排出水分量Ｗo）を正確かつ容易に導出することができる。また、本発明の燃料電池用水収支計測装置では、上記（数式１）により、燃料電池に流入する水分量（流入水分量Ｗi）も正確かつ容易に導出することができる。従って、本発明の燃料電池用水収支計測装置によれば、燃料電池における水収支を容易かつ正確に計測することができる。
【０００９】
上述した本発明の燃料電池用水収支計測装置は、燃料電池に供給される気体の流量Ｑiと、当該気体のストイキ比Ｓと、に基づいて排気系統を流れる気体の流量Ｑoが導出され、当該流量Ｑoが（数式２）に代入されるものであることが望ましい（請求項３）。
【００１０】
かかる構成によれば、気体の流量Ｑoを導出するための手段として流量計などを設ける必要がなく、その分水分が液化してしまい、水収支の計測精度が低下する可能性を低減することができる。また、上述したような構成とすれば、燃料電池用水収支計測装置の装置構成を簡略化することができる。
【００１１】
具体的には、燃料電池に所定の気体Ａを導入する場合は、その気体Ａの流量Ｑiと、その気体中に含まれている活物質（酸素あるいは水素）についてのストイキ比Ｓと、気体Ａ中に含まれている活物質（酸素あるいは水素）の割合Ｒ［％］に基づき、下記（数式７）に基づいて排気系統を流れる気体Ａの流量Ｑoを導出することができる。
【数３】
【００１２】
さらに具体的には、燃料電池の正極側に空気を導入する場合は、空気の流量Ｑiと、酸素についてのストイキ比ＳO2と、空気中に含まれている酸素の割合Ｒ［％］（Ｒ＝２０．８％）に基づき、下記（数式３）に基づいて排気系統を流れる空気の流量Ｑoを導出することができる。
【数４】
【００１３】
また、燃料電池に負極側ガスとして水素そのものを導入する場合は、水素の流量Ｑiと、水素のストイキ比ＳH2と、に基づき、下記（数式４）に基づいて負極側の排気系統を流れる水素の流量Ｑoを導出することができる。
【数５】
【００１４】
なお、燃料電池に負極側ガスとして、水素を主成分とし、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した気体を供給する場合は、上述した酸素を正極側ガスとして供給する場合と同様に、上記（数式７）に対し、水素の流量Ｑiと、水素のストイキ比ＳH2に加え、供給するガス中に含まれる水素の割合Ｒ［％］を代入することにより、負極側の排気系統を流れる水素の流量Ｑoを導出することができる。
【００１５】
同様に、燃料電池に正極側ガスとして空気でなく酸素自体を導入する場合は、酸素の流量Ｑiと、酸素のストイキ比ＳO2と、に基づき、下記（数式８）に基づいて正極側の排気系統を流れる水素の流量Ｑoを導出することができる。
【数６】
【００１６】
また、本発明の燃料電池評価試験装置は、燃料電池の評価試験を行うためのものであって、上述した本発明の燃料電池用水収支計測装置を有している。本発明の燃料電池評価試験装置は、前記燃料電池用水収支計測装置により、評価試験対象である燃料電池の正極および負極のうち、少なくとも一方における水収支を計測可能であることを特徴としている（請求項４）。
【００１７】
かかる構成によれば、供試体たる燃料電池の正極や負極における水収支を正確に計測可能な燃料電池評価試験装置を提供できる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、当該燃料電池の正極から排出される気体が流れる正極側排気系統と、前記燃料電池の負極から排出される気体が流れる負極側排気系統と、を有している。本発明の燃料電池システムは、前記正極ガス供給系統および負極ガス供給系統のうち、少なくとも一方に上述したの燃料電池用水収支計測装置が設けられていることを特徴としている（請求項５）。
【００１９】
かかる構成によれば、燃料電池の正極や負極における水収支を正確に計測し、この計測結果を燃料電池の運転等に活用可能な燃料電池システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池における水収支を正確に計測可能な燃料電池用水収支計測装置、燃料電池評価試験装置、並びに、燃料電池システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
続いて、本発明の一実施形態に係る燃料電池用評価試験装置１（以下、試験装置１とも称す）について、特徴的構成である燃料電池用水収支計測装置１００（以下、計測装置１００とも称す）を中心として説明する。図１に示すように、試験装置１は、燃料電池３０に対して接続されたガス供給系統１０と、ガス排出系統２０（排気系統）と、制御部８０と、に大別される。ガス供給系統１０は、さらに燃料電池３０の正極（カソード極）側に接続された正極側ガス供給系統１１と、負極（アノード極）側に接続された負極側ガス供給系統１５と、に大別される。同様に、ガス排出系統２０は、燃料電池３０の正極（カソード極）側に接続された正極側ガス排出系統２１と、負極（アノード極）側に接続された負極側ガス排出系統２５と、に大別される。
【００２２】
正極側ガス供給系統１１、負極側ガス供給系統１５、正極側ガス排出系統２１、並びに、負極側ガス排出系統２５は、それぞれ独立的に設けられている。正極側ガス供給系統１１は、燃料電池３０に対して正極活物質として使用される酸素を主成分とする正極側ガス（カソードガス）を供給する正極側供給路１２を有する。本実施形態では、正極側ガスとして空気が採用されている。また、負極側ガス供給系統１５は、燃料電池３０に対して負極活物質として使用される水素を主成分とするガスなどの負極側ガス（アノードガス）を供給する負極側供給路１６を有する。正極側ガス排出系統２１は、燃料電池３０の正極側からガス等を排出するための正極側排出路１３を有する。負極側ガス排出系統２５は、燃料電池３０の負極側からガス等を排出するための負極側排出路１７を有する。
【００２３】
正極側ガス供給系統１１および負極側ガス供給系統１５は、それぞれ同様の構成とされている。正極側供給路１２および負極側供給路１６は、ガスの流れ方向上流側にマスフローコントローラなどの流量調整手段３７を有し、その下流側において一旦低湿度流路３３と高湿度流路３５の２系統に分岐した後、再度合流する流路構成とされている。具体的には、正極側供給路１２および負極側供給路１６は、ガスの流れ方向上流側の分岐点に、それぞれ三方弁３８を有し、これよりも下流側において、低湿度流路３３と高湿度流路３５の２系統に分岐している。また、低湿度流路３３および高湿度流路３５は、前記した分岐点よりもガスの流れ方向下流側において三方弁４０に接続され、合流している。正極側供給路１２および負極側供給路１６は、それぞれ合流点に設けられた三方弁４０に混合ガス流路３６が接続されており、これを介して下流側に設けられた燃料電池３０に向けて正極側ガスや負極側ガスを供給することができる。
【００２４】
低湿度流路３３は、図示しない供給源から供給された正極側ガスや負極側ガスが加湿されることなくそのまま流れる流路である。また、高湿度流路３５は、上述した分岐点において分岐した流路であり、図示しない供給源から供給された正極側ガスや負極側ガスを加湿して供給する流路である。高湿度流路３５の中途には、加湿手段４３が設けられている。低湿度流路３３に流入するガスと、高湿度流路３５に流入するガスと、の比（分流比）は、両流路３３，３５の分岐点に設けられた三方弁３８を開度調整することにより調整できる。また、上述した合流部に設けられた三方弁４０において合流する低湿度ガスと、高湿度ガスと、の比（混合比）は、三方弁４０を開度調整することにより調整できる。そのため、正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５では、三方弁３８，４０を通過する低湿度ガスおよび高湿度ガスの流量を調整することにより、合流点において所定の割合で低湿度ガスおよび高湿度ガスを混合させ、混合ガスを調製することができる。
【００２５】
加湿手段４３は、高湿度流路３５の中途であって、三方弁３８よりもガスの流れ方向下流側の位置に配されている。加湿手段４３は、貯留水を貯留する密閉型の貯留槽５０と、この貯留槽５０内の貯留水を加熱するためのヒーター５１（水温調整手段）とを具備している。通常、貯留槽５０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。貯留槽５０の底部側には、ガス導入部５３が設けられており、これを介して、高湿度流路３５により供給された正極側ガスや負極側ガスを貯留槽５０内の貯留水中に吐出可能とされている。
【００２６】
また、貯留槽５０の頂部側には、ガス排出部５５が設けられており、これを介して貯留水中に吐出されたガスを加湿手段４３の下流側に送り出すことができる。貯留槽５０内には、水温検知センサ５７が設けられており、これにより貯留槽５０内に貯留されている貯留水の水温を検知することができる。高湿度流路３５において、三方弁３８を通過してきたガスは、ヒーター５１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。これにより、貯留槽５０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５５から排出される。
【００２７】
高湿度流路３５は、上記した貯留槽５０の下流側の合流点に設けられた三方弁４０に接続されている。そのため、ガス排出部５５を介して貯留槽５０から導出された高湿度ガスは、合流点に設けられた三方弁４０において低湿度流路３３を介して供給される低湿度ガスと合流して混合され、所定の露点に調整された混合ガスとなる。このようにして調製された混合ガスは、混合ガス流路３６を介して燃料電池３０に供給される。混合ガス流路３６の中途には、従来公知の圧力センサ等からなる供給側圧力計６０や、供給側露点計６１が設けられており、これにより燃料電池３０に供給される混合ガスの供給圧力や露点を検知することができる。
【００２８】
ガス排出系統２０を構成する正極側ガス排出系統２１および負極側ガス排出系統２５は、それぞれ同様の構成とされている。正極側ガス排出系統２１および負極側ガス排出系統２５は、それぞれ、燃料電池３０の正極側に接続された正極側排出路１３と、負極側に接続された負極側排出路１７を有する。正極側排出路１３および負極側排出路１７には、それぞれ、気化手段７１や、排出側圧力計７２、排出側露点計７３、背圧調整器７５、熱交換器７６が設けられている。気化手段７１は、従来公知のヒーターなどによって構成されており、燃料電池３０に対して正極側ガスや負極側ガスの流れ方向下流側に位置する正極側排出路１３や、負極側排出路１７に設けられている。気化手段７１は、燃料電池３０の正極および負極から正極側排出路１３や負極側排出路１７に向けて排出された水分を加熱し、気化させることができる。
【００２９】
排出側圧力計７２は、正極側排出路１３や負極側排出路１７の中途であって、上記した気化手段７１に対して正極側ガスや負極側ガスの流れ方向上流側に設けられている。具体的には、排出側圧力計７２は、燃料電池３０における正極側ガスや負極側ガスの排出口近傍に設けられており、燃料電池３０と気化手段７１との間に位置している。また、排出側露点計７３は、上述した気化手段７１に対して正極側ガスや負極側ガスの流れ方向下流側であって、背圧調整器７５よりも上流側の位置に設けられている。そのため、排出側露点計７３は、正極側排出路１３や負極側排出路１７において、気化手段７１により水分が気化した状態で含まれているガス（正極側ガス、負極側ガス）の露点を計測可能とされている。
【００３０】
背圧調整器７５は、燃料電池３０の背圧調整用に設けられたものであり、正極側排出路１３や負極側排出路１７の中途に取り付けられた弁７７と、この弁７７に対して並列に設けられた弁７８とを有する。また、熱交換器７６は、背圧調整器７５に対して正極側ガスや負極側ガスの流れ方向下流側に隣接する位置に設けられている。熱交換器７６は、ガス排出系統２０において背圧調整器７５を通過してきたガスを冷却し、排気することができる。
【００３１】
試験装置１は、上述した構成に加えて従来公知のＣＰＵや論理回路などで構成された制御部８０を備えている。試験装置１は、制御部８０から発信される制御信号に基づき、三方弁３８，４０の開度や、貯留槽５０に設けられたヒーター５１の出力を調整できる。そのため、試験装置１は、制御部８０により、低湿度流路３３および高湿度流路３５を流れるガスの比（分流比）や、これらのガスが三方弁４０で合流する比率（混合比）、混合ガス流路３６を介して燃料電池３０に供給されるガスの露点を調整することができる。制御部８０には、ガス供給系統１０側から、水温検知センサ５７により検知される貯留槽５０における水温Ｔwについてのデータや、供給側圧力計６０により検知される燃料電池３０に対する混合ガスの供給圧力（給気圧力Ｐoi）のデータ、供給側露点計６１によって検知される混合ガスの露点（給気露点Ｔoi）のデータが入力される。
【００３２】
制御部８０には、ガス排出系統２０側から、排出側圧力計７２によって検知される燃料電池３０の排出ガスの排気圧Ｐooや、排出側露点計７３によって検知される排出ガスの露点（排気露点Ｔoo）のデータが入力される。また、制御部８０は、排出ガス中に含まれている水分を十分気化可能な温度にガス排出系統２０側に設けられた気化手段７１の出力を調整したり、背圧調整器７５を構成する弁７７，７８の開度調整により燃料電池３０の背圧調整を行うことができる。
【００３３】
制御部８０は、給気露点Ｔoiに基づき、これに対応する飽和水蒸気圧Ｐwiを導出することができる。具体的には、制御部８０は、下記（数式６）に示すＧｏｆｆ−Ｇｒａｔｃｈの式などを用いて飽和水蒸気圧Ｐwiを導出することができる。本実施形態では、下記（数式６）のＴoに給気露点Ｔoiを代入することにより、飽和水蒸気圧Ｐwiが導出される。
【数７】
【００３４】
また、制御部８０は、下記（数式１）により燃料電池３０に対して正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５を介して供給される混合ガス中に含まれている流入水分量Ｗi［ｇ／ｍｉｎ］を導出することができる。下記（数式１）において、飽和水蒸気圧Ｐwi［Ｐａ］には、正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５のうち、流入水分量Ｗiを導出する系統に設けられた排出側露点計７３によって導出された給気露点Ｔoiに基づいて導出された値が代入される。また、給気圧力Ｐoi［Ｐａ］や、供給ガス流量Ｑi［ＮＬ／ｍｉｎ］には、正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５のうち、流入水分量Ｗiを導出する系統に設けられた供給側圧力計６０の検出値や、流量調整手段３７により設定されたガスの流量が代入される。下記（数式１）の分子量Ｍには、正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５を介して燃料電池３０に供給される混合ガス中に含まれている活物質、すなわち正極活物質として使用される酸素の分子量（Ｍ＝１８）、あるいは、負極活物質として使用される水素の分子量（Ｍ＝２）が代入される。
【数８】
【００３５】
制御部８０は、下記（数式７）に基づいて、燃料電池３０から正極側ガス排出系統２１に排出される正極側ガスの流量Ｑo［ＮＬ／ｍｉｎ］や負極側ガス排出系統２５に排出される負極側ガスの流量Ｑo［ＮＬ／ｍｉｎ］を導出することができる。下記（数式７）において、Ｓは、燃料電池において活物質として作用する酸素や水素についてのストイキ比である。具体的には、酸素についてのストイキ比Ｓ（以下、ストイキ比ＳO2とも称す）は、燃料電池３０に供給された酸素量（ＱO2・in）と、燃料電池３０で消費された酸素量（ＱO2・ex）と、の比（ＱO2・in／ＱO2・ex）に相当する。同様に、水素についてのストイキ比Ｓ（以下、ストイキ比ＳH2とも称す）は、燃料電池３０に供給された水素量（ＱH2・in）と、燃料電池３０で消費された水素量（ＱH2・ex）と、の比（ＱH2・in／ＱH2・ex）に相当する。また、下記（数式７）において、Ｒ［％］は、燃料電池３０に対して正極側ガス供給系統１１や負極側ガス供給系統１５を介して供給される気体中に含まれている酸素や水素の割合である。
【数９】
【００３６】
本実施形態では、上述したように、燃料電池３０に対して正極側ガスとして空気が供給されている。また、空気中には、酸素が約２０．８［％］含まれている。そのため、制御部８０は、下記（数式３）に基づき、燃料電池３０から正極側ガス排出系統２１に排出される正極側ガスの流量Ｑo［ＮＬ／ｍｉｎ］（以下、排出ガス流量ＱoAとも称す）を導出することができる。
【数１０】
【００３７】
また、本実施形態では、燃料電池３０に対し、負極側ガスとして水素が供給されており、上記（数式７）において水素の割合Ｒは１００［％］とみなすことができる。そのため、制御部８０は、下記（数式４）に基づき、燃料電池３０から負極側ガス排出系統２５に排出される負極側ガスの流量Ｑo［ＮＬ／ｍｉｎ］（以下、排出ガス流量ＱoCとも称す）を導出することができる。
【数１１】
【００３８】
制御部８０は、上述した（数式３）や（数式４）により導出されたガスの流量Ｑo（排出ガス流量ＱoA、あるいは、排出ガス流量ＱoC）を下記（数式２）に代入することにより、燃料電池３０から正極側ガス排出系統２１、あるいは、負極側ガス排出系統２５に混合ガスと共に排出された水分量（排出水分量Ｗo［ｇ／ｍｉｎ］）を導出することができる。下記（数式２）における飽和水蒸気圧Ｐwo［Ｐａ］は、排出側露点計７３によって導出された排気露点Ｔooを上述したＧｏｆｆ−Ｇｒａｔｃｈの式などの近似式に代入する等して導出した値が代入される。また、排気圧Ｐoo［Ｐａ］には、正極側ガス排出系統２１や負極側ガス排出系統２５のうち、流入水分量Ｗiを導出しようとしている系統に設けられた排出側圧力計７２の検出値が代入される。下記（数式２）の分子量Ｍ［ｇ／ｍｏｌ］には、上述したのと同様に、燃料電池３０に正極活物質として供給される酸素の分子量（Ｍ＝１８）や、負極活物質として供給される水素の分子量（Ｍ＝２）が代入される。
【数１２】
【００３９】
制御部８０は、上述した（数式１）や（数式２）により導出された流入水分量Ｗiや排出水分量Ｗoを下記（数式５）に代入することにより、下記燃料電池３０における電気化学反応によって生成した水分量Ｗfcを導出することができる。
【数１３】
【００４０】
上記したように本実施形態の試験装置１では、気化手段７１が設けられており、燃料電池３０から排出された混合ガス中に含まれている水分を気化させることができる。そのため、試験装置１では、正極側ガス排出系統２１や負極側ガス排出系統２５を流れる混合ガスの排気露点Ｔooに対応する飽和水蒸気圧Ｐwoや、排気圧Ｐoo、流量Ｑoを上記（数式２）に代入することにより、燃料電池３０から排出された排出水分量Ｗoを正確かつ容易に導出することができる。また、試験装置１では、上記（数式１）により、燃料電池３０に供給される混合ガスに含まれている流入水分量Ｗiも正確かつ容易に導出することができる。従って、試験装置１では、上記（数式１）や（数式２）により導出された流入水分量Ｗiや排出水分量Ｗoを（数式５）に代入することにより燃料電池３０における水収支を容易かつ正確に計測することができる。
【００４１】
上記実施形態では、気化手段７１を、排出側圧力計７２に対して気体の流れ方向下流側に配した構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、気化手段７１における水分の蒸発により排出側露点計７３の部分において圧力上昇することが想定される場合や、このような圧力上昇が、制御部８０による水分量の導出において許容しうる範囲を超えて誤差を発生する要因となりうるような場合は、排出側圧力計７２を気化手段７１に対して気体の流れ方向下流側に配した構成とすることも可能である。
【００４２】
また、試験装置１では、上記（数式３）や（数式４）に基づき、燃料電池３０に供給される気体の供給ガス流量Ｑiや、ストイキ比Ｓ（ＳO2，ＳH2）から燃料電池３０から排気される混合ガスの流量Ｑoを導出することができる。そのため、試験装置１は、混合ガスの排気流量Ｑoを導出するために流量計などを設ける必要がなく、当該流量計などにおいて水分が液化し、上述した（数式２）により導出される排出水分量Ｗoの精度が低下してしまうのを防止できる。従って、（数式３）や（数式４）に基づいて混合ガスの流量Ｑoを導出することとすれば、装置構成の簡略化に加え、水収支の計測精度の低下を最小限に抑制することができる。
【００４３】
上記実施形態では、排気流量Ｑoを（数式３）や（数式４）に基づいて導出する構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、流量計などを別途設けて排気流量Ｑoを導出することとしてもよい。なお、かかる構成とする場合は、燃料電池３０から排出された混合ガス中に含まれている水分の液化に伴い排出水分量Ｗoの検出精度が低下するのを防止すべく、流量計などが低温にならないように温度調整する等の方策を講じることが望ましい。
【００４４】
上記実施形態の試験装置１では、正極側ガスや負極側ガスの供給源からガス供給系統１０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３０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系統１０に別途設けた構成としたり、ガス供給系統１０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。
【００４５】
本実施形態では、試験装置１について、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の試験用のものであることを前提として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、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。
【００４６】
上記実施形態では、計測装置１００を採用した燃料電池３０用の試験装置１について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、計測装置１００が単体で使用されるものであってもよい。また、計測装置１００は、試験装置１に限らず、燃料電池３０を備えて構成される燃料電池システム１１０に採用されるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係る試験装置の作動原理図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 燃料電池評価試験装置（試験装置）
１０ ガス供給系統
２０ ガス排出系統（排気系統）
３０ 燃料電池
７１ 気化手段
１００ 燃料電池用水収支計測装置（計測装置）
１１０ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される気体に含まれている流入水分量、並びに、燃料電池から排出される気体に含まれている排出水分量に基づき、前記燃料電池における水収支を計測可能な水収支計測装置であって、
前記燃料電池から排出される気体が流れる排気系統と、前記燃料電池から排出された水を気化させることが可能な気化手段と、を有し、
前記気化手段に対して気体の流れ方向下流側に、気体の露点を計測可能な露点検出手段が設けられており、
当該露点検出手段によって検出された値に基づいて前記排出水分量が導出されることを特徴とする燃料電池用水収支計測装置。
【請求項２】
燃料電池に供給される気体に含まれている流入水分量Ｗi、並びに、燃料電池から排出される気体に含まれている排出水分量Ｗoに基づき、前記燃料電池における水収支を計測可能な水収支計測装置であって、
前記燃料電池から排出される気体が流れる排気系統と、前記燃料電池から排出された水を気化させることが可能な気化手段と、を有し、
前記流入水分量Ｗiが、前記燃料電池に供給される気体の露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐwiと、前記燃料電池に対して供給される気体の供給圧Ｐoiと、前記燃料電池に供給される気体の流量Ｑiと、前記燃料電池に対して供給される気体の分子量Ｍと、を下記（数式１）に代入することにより導出され、
前記排出水分量Ｗoが、前記気化手段により気化された水分を含み前記排気系統を流れる気体の露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐwoと、前記排気系統を流れる気体の排気圧Ｐooと、前記排気系統を流れる気体の流量Ｑoと、を下記（数式２）に代入することにより導出されることを特徴とする燃料電池用水収支計測装置。
【数１】
【数２】
【請求項３】
燃料電池に供給される気体の流量Ｑiと、当該気体のストイキ比Ｓと、に基づいて排気系統を流れる気体の流量Ｑoが導出され、当該流量Ｑoが（数式２）に代入されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用水収支計測装置。
【請求項４】
燃料電池の評価試験を行うための燃料電池評価試験装置であって、
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用水収支計測装置を有し、
当該燃料電池用水収支計測装置により、評価試験対象である燃料電池の正極および負極のうち、少なくとも一方における水収支を計測可能であることを特徴とする燃料電池評価試験装置。
【請求項５】
燃料電池と、
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用水収支計測装置と、を有し、
当該燃料電池用水収支計測装置により、前記燃料電池の正極および負極のうち、少なくとも一方における水収支を計測可能であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池に供給される気体に含まれている流入水分量、並びに、燃料電池から排出される気体に含まれている排出水分量に基づき、前記燃料電池における水収支を計測可能な水収支計測装置であって、
前記燃料電池から排出される気体が流れる排気系統と、前記燃料電池から排出された水を気化させることが可能な気化手段と、を有し、
前記気化手段に対して気体の流れ方向下流側に、気体の露点を計測可能な露点検出手段が設けられており、
当該露点検出手段によって検出された値に基づいて前記排出水分量が導出されることを特徴とする燃料電池用水収支計測装置。
【請求項２】
燃料電池に供給される気体に含まれている流入水分量Ｗi、並びに、燃料電池から排出される気体に含まれている排出水分量Ｗoに基づき、前記燃料電池における水収支を計測可能な水収支計測装置であって、
前記燃料電池から排出される気体が流れる排気系統と、前記燃料電池から排出された水を気化させることが可能な気化手段と、を有し、
前記流入水分量Ｗiが、前記燃料電池に供給される気体の露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐwiと、前記燃料電池に対して供給される気体の供給圧Ｐoiと、前記燃料電池に供給される気体の流量Ｑiと、前記燃料電池に対して供給される気体の分子量Ｍと、を下記（数式１）に代入することにより導出され、
前記排出水分量Ｗoが、前記気化手段により気化された水分を含み前記排気系統を流れる気体の露点に対応する飽和水蒸気圧Ｐwoと、前記排気系統を流れる気体の排気圧Ｐooと、前記排気系統を流れる気体の流量Ｑoと、を下記（数式２）に代入することにより導出されることを特徴とする燃料電池用水収支計測装置。
【数１】
【数２】
【請求項３】
燃料電池に供給される気体の流量Ｑiと、当該気体のストイキ比Ｓと、に基づいて排気系統を流れる気体の流量Ｑoが導出され、当該流量Ｑoが（数式２）に代入されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用水収支計測装置。
【請求項４】
燃料電池の評価試験を行うための燃料電池評価試験装置であって、
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用水収支計測装置を有し、
当該燃料電池用水収支計測装置により、評価試験対象である燃料電池の正極および負極のうち、少なくとも一方における水収支を計測可能であることを特徴とする燃料電池評価試験装置。
【請求項５】
燃料電池と、
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用水収支計測装置と、を有し、
当該燃料電池用水収支計測装置により、前記燃料電池の正極および負極のうち、少なくとも一方における水収支を計測可能であることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【公開番号】特開２０１０−１０８６２８（Ｐ２０１０−１０８６２８Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７６７６９（Ｐ２００８−２７６７６９）
【出願日】平成２０年１０月２８日（２００８．１０．２８）
【出願人】（０００１０８７９７）エスペック株式会社 (282)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２８日（２００８．１０．２８）
【出願人】（０００１０８７９７）エスペック株式会社 (282)
【Ｆターム（参考）】
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