JP2010282727A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】外部系統電源の停電時の補助電源としての利用が可能であるとともに、小容量・小重量かつメンテナンスコストの低い燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池発電システム１００は、水素ガス供給配管Ｌ１を通じて供給される水素ガスと酸化剤ガス供給配管Ｌ２を通じて供給される酸化剤ガスとの電気化学反応に基づいて、発電する燃料電池スタック１と、水素ガス供給配管Ｌ１に設けられた水素ガス開閉弁７と、酸化剤ガス供給配管Ｌ２に設けられた酸化剤ガス開閉弁９と、水素ガス開閉弁７を介して、水素ガス供給配管Ｌ１に水素ガスを供給する水素ガス供給源６と、酸化剤ガス開閉弁９を介して、酸化剤ガス供給配管Ｌ２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給源８とを具備する。水素ガス開閉弁７及び酸化剤ガス開閉弁９は、外部系統電源からの通電が停止すると弁開状態になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関する。

近年、燃料電池発電システムは、発電効率が高い発電システムとして注目を集めており、停電時の補助電源としての利用も検討されている。

図３は、従来の燃料電池発電システムの概略構成図である。図３に示すように、従来の燃料電池発電システム２００では、燃料電池スタック１の燃料極１ａに供給される水素ガスと空気極１ｂに供給される空気との電気化学反応に基づいて、発電が行われる。燃料電池スタック１において発電した電力は、電圧調整器２により電圧が調整された後で、外部負荷に供給されるとともにバッテリー１１に蓄積される（例えば、特許文献１）。

このような燃料電池発電システム２００において発電を開始する際には、バッテリー１１に蓄積された電力により、水素ガス開閉弁７を弁開状態にするとともに、空気ブロワ３を起動する。そうすると、水素ガス供給源６から燃料極１ａへの水素ガスの供給と、空気ブロワ３から空気極１ｂへの空気の供給とが開始され、上述の電気化学反応に基づく発電が開始される。また、燃料電池発電システム２００では、バッテリー１１に蓄積された電力により、ラジエター４及び冷却水ポンプ５を起動し、発電に伴う発熱を除去する。

このように、燃料電池発電システム２００では、空気ブロワ３、水素ガス開閉弁７等の補機の起動電源としてバッテリー１１を用いている。ところで、バッテリー１１は、一般に、容量や重量が大きく、定期的なメンテナンスが必要である。このため、上述のように補機の起動電源としてバッテリー１１を用いる燃料電池発電システム２００では、システム全体の容量や重量が大きくなってしまい、かつ、メンテナンスコストも高くなってしまうという問題点があった。

そこで、補機の起動電源として、バッテリー１１の代わりに外部系統電源を用いる燃料電池発電システムも検討されている（例えば、特許文献２）。

特開平８-１９０９２４号公報 特開２００４-３３５３７６号公報

しかしながら、補機の起動電源として外部系統電源を用いる燃料電池発電システムでは、外部系統電源の停電時には、補機を起動できず、発電の開始や発電環境の維持が不可能となってしまう。したがって、補機の起動電源として外部系統電源を用いる燃料電池発電システムは、バッテリーを用いる燃料電池発電システムと比較して小容量・小重量かつ小メンテナンスコストではあるが、外部系統電源の停電時の補助電源として利用することができないという問題点があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、外部系統電源の停電時の補助電源としての利用が可能であるとともに、小容量・小重量かつメンテナンスコストの低い燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池発電システムは、水素ガス供給配管を通じて供給される水素ガスと酸化剤ガス供給配管を通じて供給される酸化剤ガスとの電気化学反応に基づいて、発電する燃料電池スタックと、前記水素ガス供給配管に設けられた水素ガス開閉弁と、前記酸化剤ガス供給配管に設けられた酸化剤ガス開閉弁と、前記水素ガス開閉弁を介して、前記水素ガス供給配管に前記水素ガスを供給する水素ガス供給源と、前記酸化剤ガス開閉弁を介して、前記酸化剤ガス供給配管に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給源と、を具備し、前記水素ガス開閉弁及び前記酸化剤ガス開閉弁は、外部系統電源からの通電が停止すると弁開状態になることを特徴とする。

この構成によれば、水素ガス開閉弁及び酸化剤ガス開閉弁が、外部系統電源からの通電停止に伴い弁開状態になる。この結果、水素ガス及び酸化剤ガスの燃料電池スタックへの供給が開始されて、燃料電池スタックにおける発電が開始される。このように、この燃料電池発電システムは、外部系統電源からの通電停止に伴い、自動的に発電を開始するため、外部系統電源の停電時の補助電源としての利用が可能である。さらに、水素ガス開閉弁及び酸化剤ガス開閉弁の起動電源としてバッテリーを燃料電池発電システム内部に設ける必要がないため、燃料電池発電システムの容量及び重量を小さくできるとともに、メンテナンスコストを低くすることができる。

また、本発明は、上記燃料電池発電システムにおいて、前記酸化剤ガス開閉弁よりも下流側に第２の酸化剤ガス開閉弁と、前記第２酸化剤ガス開閉弁の下流側の前記酸化剤ガス供給配管へ空気を供給する空気ブロワとを具備し、前記水素ガス開閉弁及び前記酸化剤ガス開閉弁は、前記外部系統電源からの通電中は弁閉状態を保持し、前記外部系統電源からの通電停止中は弁開状態を保持するものであり、前記空気ブロワは、前記燃料電池スタックにおいて発電した電力により起動し、前記第２の酸化剤ガス開閉弁は、前記空気ブロワの起動前は弁閉状態、前記空気ブロワが起動したら弁開状態に制御されるものであることを特徴とする。

また、本発明は、上記燃料電池発電システムにおいて、前記水素ガス供給源は、水素吸蔵合金を有する水素ガス供給源で構成されることを特徴とする。

また、本発明は、上記燃料電池発電システムにおいて、前記水素ガス供給源は、前記水素ガスを圧縮して貯蔵する水素圧縮ボンベで構成されることを特徴とする。

また、本発明は、上記燃料電池発電システムにおいて、前記酸化剤ガス供給源は、酸素濃度１０％以上の酸化剤ガスを圧縮して貯蔵する酸化剤圧縮ガスボンベで構成されることを特徴とする。

本発明によれば、外部系統電源の停電時の補助電源としての利用が可能であるとともに、小容量・小重量かつメンテナンスコストの低い燃料電池発電システムを提供できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池発電システム１００の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池発電システム１００の起動動作を示すフローチャートである。 従来の燃料電池発電システム２００の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池発電システム１００の概略構成図である。図１に示すように、燃料電池発電システム１００は、燃料電池スタック１、電圧調整器２、空気ブロワ３、ラジエター４、冷却水ポンプ５、水素ガス供給源６、水素ガス開閉弁７、酸化剤ガス供給源８、酸化剤ガス開閉弁９，酸化剤ガス開閉弁１０等から構成されている。各種機器は、水素ガス供給配管Ｌ１、酸化剤ガス供給配管Ｌ２、冷却水循環配管Ｌ３等により接続されている。また、各種機器には、後述するように、発電電力供給系Ｌ４又は外部系統電力供給系Ｌ５のいずれかを通じて、起動電力が供給される。なお、図１において、図３に示す従来の燃料電池発電システム２００の機器及び配管と同じ機器及び配管については同じ符号を付している。

燃料電池スタック１は、燃料極１ａ、空気極１ｂ、冷却部１ｃとから構成される。燃料極１ａは、水素ガス供給配管Ｌ１に接続されており、空気極１ｂは、酸化剤ガス供給配管Ｌ２に接続されており、冷却部１ｃは、冷却水循環配管Ｌ３に接続されている。

燃料電池スタック１は、水素ガス供給配管Ｌ１を通じて供給された水素ガスと、酸化剤ガス供給配管Ｌ２を通じて供給された酸化剤ガスとの電気化学反応に基づいて発電する。発電に伴い発熱した燃料電池スタック１は、冷却部１ｃに組み込まれた冷却水循環配管Ｌ３を通流する冷却水により冷却される。燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。

電圧調整器２は、発電電力供給系Ｌ４に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池スタック１から供給された発電電力の電圧を変換する。具体的には、電圧調整器２は、燃料電池スタック１から供給された発電電力の電圧を、外部負荷、空気ブロワ３、ラジエター４、冷却水ポンプ５に適合した電圧（例えば、２４Ｖ）に変換する。電圧調整器２は、電圧変換した発電電力を、外部負荷に供給するとともに、空気ブロワ３、ラジエター４、冷却水ポンプ５、酸化剤ガス開閉弁１０に供給する。

空気ブロワ３は、後述する酸化剤ガス開閉弁１０より下流側から酸化剤ガス供給配管Ｌ２に接続されており、酸化剤ガス供給配管Ｌ２から空気極１ｂに酸化剤ガスとして空気を供給する。また、空気ブロワ３は、発電電力供給系Ｌ４に接続されており、発電電力供給系Ｌ４を通じた発電電力の供給が開始されると、起動する。例えば、空気ブロワ３は、最大流量６０ＮＬ／ｍｉｎ、２４Ｖ駆動である。

ラジエター４は、冷却水循環配管Ｌ３に接続されており、冷却水循環配管Ｌ３を通流する冷却水を冷却する。また、ラジエター４は、発電電力供給系Ｌ４に接続されており、発電電力供給系Ｌ４を通じた発電電力の供給が開始されると、起動する。例えば、ラジエター４は、冷却能力２ｋＷ、２４Ｖ駆動のアルミ製ラジエターである。

冷却水ポンプ５は、冷却水循環配管Ｌ３に接続されており、ラジエター４で冷却された冷却水を燃料電池スタック１の冷却部１ｃに供給する。また、冷却水ポンプ５は、発電電力供給系Ｌ４に接続されており、発電電力供給系Ｌ４を通じた発電電力の供給が開始されると、起動する。例えば、冷却水ポンプ５は、最大流量６０ＮＬ／ｍｉｎ、２４Ｖ駆動のポンプである。

水素ガス供給源６は、後述する水素ガス開閉弁７を介して水素ガス供給配管Ｌ１に接続されており、水素ガス供給配管Ｌ１から燃料極１ａに供給される水素ガスを貯蔵する。例えば、水素ガス供給源６は、水素吸蔵合金を有する水素ガス供給源で構成されてもよい。また、水素ガス供給源６は、水素ガスを圧縮して貯蔵する水素圧縮ガスボンベで構成されてもよく、例えば、容量４７Ｌ、圧力１８ＭＰａである。

水素ガス開閉弁７は、水素ガス供給配管Ｌ１に設けられた開閉電磁弁である。水素ガス開閉弁７が弁開状態になると、水素ガス供給源６から燃料極１ａに水素ガスが供給される。一方、水素ガス開閉弁７が弁閉状態になると、水素ガス供給源６から燃料極１ａへの水素ガスの供給が停止する。

また、水素ガス開閉弁７は、外部系統電力供給系Ｌ５に接続されており、外部系統電力供給系Ｌ５を通じて外部系統電源から供給される電力により制御される。具体的には、水素ガス開閉弁７は、通電時閉タイプであり、外部系統電源からの通電中は弁閉状態を保持する。水素ガス開閉弁７は、外部系統電源からの通電が停止されたときに弁開状態となり、外部系統電源からの通電停止中は弁開状態を保持する。

酸化剤ガス供給源８は、後述する酸化剤ガス開閉弁９および酸化剤ガス開閉弁１０を介して酸化剤ガス供給配管Ｌ２に接続されており、酸化剤ガス供給配管Ｌ２から空気極１ｂに供給する酸化剤ガスを貯蔵する。例えば、酸化剤ガス供給源８は、酸素濃度１０％以上の酸化剤ガスを圧縮して貯蔵する酸化剤圧縮ガスボンベで構成されてもよく、例えば、容量４７Ｌ、圧力１８ＭＰａである。

酸化剤ガス開閉弁９は、酸化剤ガス供給配管Ｌ２に設けられた開閉電磁弁である。酸化剤ガス開閉弁９が弁開状態になると、酸化剤ガス供給源８から空気極１ｂに酸化剤ガスが供給される。一方、酸化剤ガス開閉弁９が弁閉状態になると、空気極１ｂへの酸化剤ガスの供給が停止する。

また、酸化剤ガス開閉弁９は、外部系統電力供給系Ｌ５に接続されており、外部系統電力供給系Ｌ５を通じて外部系統電源から供給される電力により制御される。具体的には、酸化剤ガス開閉弁９は、通電時閉タイプであり、外部系統電源からの通電中は弁閉状態を保持する。酸化剤ガス開閉弁９は、外部系統電源からの通電が停止されたときに弁開状態となり、外部系統電源からの通電停止中は弁開状態を保持する。

酸化剤ガス開閉弁１０は，酸化剤ガス供給配管Ｌ２に設けられた開閉電磁弁である。酸化剤ガス開閉弁１０は、空気ブロワ３が駆動されていないときは弁開状態であり、酸化剤ガス開閉弁９が弁開状態になると、酸化剤ガス供給源８から空気極１ｂに酸化剤ガスが供給される。

また、酸化剤ガス開閉弁１０は、電圧調整器２に接続されており、発電電力供給系Ｌ４を通じて燃料電池スタック１から供給される発電電力により制御される。具体的には、酸化剤ガス開閉弁１０は、燃料電池スタック１における発電が開始されて、燃料電池スタック１からの通電が開始されると、弁閉状態となり、燃料電池スタック１からの通電中は弁閉状態を保持する。このとき、酸化剤ガス開閉弁１０は、燃料電池スタック１からの通電に伴い空気ブロワ３が起動されると同時または駆動された後、弁閉状態とされることが好ましい。例えば、電圧調整器２から酸化剤ガス開閉弁１０への通電経路上に遅延回路を設けることにより、空気ブロワ３が駆動された後に、酸化剤ガス開閉弁１０を弁閉状態とすることができる。また、酸化剤ガス開閉弁１０は、燃料電池スタック１からの発電電力の供給が停止されたとき、すなわち、空気ブロワ３が駆動を停止したときに弁開状態となり、燃料電池スタック１からの発電電力の供給停止中は弁開状態を保持する。

次に、以上のように構成された第１の実施形態に係る燃料電池発電システム１００の起動動作について説明する。ここで、燃料電池発電システム１００は、外部系統電源の停電時の補助電源として利用される。したがって、燃料電池発電システム１００は、外部系統電源の稼働時には、発電動作を停止しており、外部系統電源の停電時に起動される。

図２は、燃料電池発電システム１００の起動動作を示すフローチャートである。図２のフローチャートの開始時においては、外部系統電力供給系Ｌ５を通じた外部系統電源からの通電があるため、水素ガス開閉弁７と酸化剤ガス開閉弁９とは弁閉状態である。また、酸化剤ガス開閉弁１０は、電圧調整器２からの燃料電池スタック１における発電電力の供給がないため、弁開状態である。また、空気ブロワ３、ラジエター４及び冷却水ポンプ５は、燃料電池スタック１からの発電電力の供給がないため、停止状態である。

外部系統電源の停電等により、外部系統電力供給系Ｌ５を通じた外部系統電源からの通電が停止する（ステップＳ１）。

外部系統電源からの通電が停止すると、水素ガス供給配管Ｌ１に設けられた水素ガス開閉弁７と酸化剤ガス供給配管Ｌ２に設けられた酸化剤ガス開閉弁９とが弁開状態になる（ステップＳ２）。

水素ガス開閉弁７が弁開状態になると、水素ガス供給源６から燃料極１ａへの水素ガスの供給が開始される。また、酸化剤ガス開閉弁９が弁開状態になると、酸化剤ガス開閉弁１０は弁開状態なので、酸化剤ガス供給源８から空気極１ｂへの酸化剤ガスの供給が開始される。この結果、燃料電池スタック１において、燃料極１ａの水素ガスと空気極１ｂの酸化剤ガスとの電気化学反応に基づく発電が開始される（ステップＳ３）。

燃料電池スタック１における発電開始に伴い、発電電力供給系Ｌ４への発電電力の供給が開始される。発電電力供給系Ｌ４を通じて供給される発電電力により、空気ブロワ３、ラジエター４、冷却水ポンプ５が起動される（ステップＳ４）。

空気ブロワ３の起動に伴い、空気ブロワ３から空気極１ｂへ酸化剤ガスとしての空気の供給が開始される。この結果、酸化剤ガス供給源８から空気極１ｂへの酸化剤ガスの供給が不要となるため、発電電力供給系４を通じて供給される発電出力により酸化剤ガス開閉弁１０が弁閉状態になる（ステップＳ５）。

第１の実施形態に係る燃料電池発電システム１００によれば、水素ガス開閉弁７及び酸化剤ガス開閉弁９が、外部系統電源からの通電停止に伴い弁開状態になる。この結果、水素ガス及び酸化剤ガスの燃料電池スタック１への供給が開始されて、燃料電池スタック１における発電が開始される。このように、この燃料電池発電システム１００は、外部系統電源からの通電停止に伴い、自動的に発電を開始するため、外部系統電源の停電時の補助電源としての利用が可能である。さらに、水素ガス開閉弁７及び酸化剤ガス開閉弁９の起動電源としてバッテリーを燃料電池発電システム１００内部に設ける必要がないため、燃料電池発電システム１００の容量及び重量を小さくできるとともに、メンテナンスコストを低くすることができる。

また、第１の実施形態に係る燃料電池発電システム１００によれば、燃料電池スタック１における発電電力により、空気ブロワ３、ラジエター４、冷却水ポンプ５を起動することができるため、これら補機の起動電源としてバッテリーを１００内部に設ける必要がない。したがって、燃料電池発電システム１００の容量及び重量を小さくできるとともに、メンテナンスコストを低くすることができる。さらに、燃料電池スタック１の起動と空気ブロワ３の起動に伴い、酸化剤ガス開閉弁１０が弁閉状態になるため、酸化剤ガス供給源８に貯蔵された酸化剤ガスの消耗を防ぐことができる。

１００、２００…燃料電池発電システム、１…燃料電池スタック、１ａ…燃料極、１ｂ…空気極、１ｃ…冷却部、２…電圧調整器、３…空気ブロワ、４…ラジエター、５…冷却水ポンプ、６…水素ガス供給源、７…水素ガス開閉弁、８…酸化剤ガス供給源、９…酸化剤ガス開閉弁、１０…酸化剤ガス開閉弁，１１…バッテリー、Ｌ１…水素ガス供給配管、Ｌ２…酸化剤ガス供給配管、Ｌ３…冷却水循環系、Ｌ４…発電電力供給系、Ｌ５…外部系統電力供給系、

Claims (5)

1. 水素ガス供給配管を通じて供給される水素ガスと酸化剤ガス供給配管を通じて供給される酸化剤ガスとの電気化学反応に基づいて、発電する燃料電池スタックと、
   前記水素ガス供給配管に設けられた水素ガス開閉弁と、
   前記酸化剤ガス供給配管に設けられた酸化剤ガス開閉弁と、
   前記水素ガス開閉弁を介して、前記水素ガス供給配管に前記水素ガスを供給する水素ガス供給源と、
   前記酸化剤ガス開閉弁を介して、前記酸化剤ガス供給配管に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給源と、を具備し、
   前記水素ガス開閉弁及び前記酸化剤ガス開閉弁は、外部系統電源からの通電が停止すると弁開状態になることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記酸化剤ガス開閉弁よりも下流側に第２の酸化剤ガス開閉弁と、前記第２酸化剤ガス開閉弁の下流側の前記酸化剤ガス供給配管へ空気を供給する空気ブロワとを具備し、
   前記水素ガス開閉弁及び前記酸化剤ガス開閉弁は、前記外部系統電源からの通電中は弁閉状態を保持し、前記外部系統電源からの通電停止中は弁開状態を保持し、
   前記空気ブロワは、前記燃料電池スタックにおいて発電した電力により起動し、
   前記第２の酸化剤ガス開閉弁は、前記空気ブロワの起動前は弁閉状態、前記空気ブロワが起動したら弁開状態に制御されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水素ガス供給源は、水素吸蔵合金を有する水素ガス供給源で構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記水素ガス供給源は、前記水素ガスを圧縮して貯蔵する水素圧縮ボンベで構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記酸化剤ガス供給源は、酸素濃度１０％以上の酸化剤ガスを圧縮して貯蔵する酸化剤圧縮ガスボンベで構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。

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