JP2016081724A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
第1の燃料電池サブシステム及び第2の燃料電池サブシステムを備え、各燃料電池サブシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料ガスタンクと、燃料ガスタンク内の燃料ガスを燃料電池スタックに供給するための燃料ガス供給路と、を備えている、燃料電池システムが公知である(例えば、特許文献1参照)。 A first fuel cell subsystem and a second fuel cell subsystem, each fuel cell subsystem comprising: a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas; a fuel gas tank; A fuel cell system including a fuel gas supply path for supplying fuel gas in a fuel gas tank to a fuel cell stack is known (for example, see Patent Document 1).
ところで、特許文献1のように2つの燃料電池サブシステムを備えた燃料電池システムでは、一方の燃料電池サブシステムでのみ発電を行ったり、一方の燃料電池サブシステムの発電量と他方の燃料電池サブシステムの発電量とを互いに異ならせたりすることが可能である。その結果、第1の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンク内の残存燃料ガス量と、第2の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンク内の残存燃料ガス量とが互いに異なるおそれがある。すなわち、燃料ガスタンクへの燃料ガスの充填が開始される時点での燃料ガスタンク内の圧力を初期圧力と称すると、第1の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクの初期圧力と第2の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクの初期圧力とが互いに異なるおそれがある。第1の燃料電池サブシステムの燃料電池スタックの発電効率と第2の燃料電池サブシステムの燃料電池スタックの発電効率とが互いに異なる場合にも同様な状態になりうる。 By the way, in a fuel cell system including two fuel cell subsystems as in Patent Document 1, power generation is performed only in one fuel cell subsystem, or the power generation amount of one fuel cell subsystem and the other fuel cell subsystem. It is possible to make the power generation amount of the system different from each other. As a result, the residual fuel gas amount in the fuel gas tank of the first fuel cell subsystem may be different from the residual fuel gas amount in the fuel gas tank of the second fuel cell subsystem. That is, when the pressure in the fuel gas tank at the start of filling of the fuel gas into the fuel gas tank is referred to as the initial pressure, the initial pressure of the fuel gas tank of the first fuel cell subsystem and the second fuel cell subsystem The initial pressure of the fuel gas tank may be different from each other. The same state can be obtained when the power generation efficiency of the fuel cell stack of the first fuel cell subsystem and the power generation efficiency of the fuel cell stack of the second fuel cell subsystem are different from each other.
一方、特許文献1のように第1の燃料電池サブシステム及び第2の燃料電池サブシステムを備えた燃料電池システムでは、各燃料ガスタンク内に燃料ガスを充填するための燃料ガス充填路が各燃料ガスタンクに連結され、第1の燃料電池サブシステムの燃料ガス充填路と第2の燃料電池サブシステムの燃料ガス充填路とが共通の燃料ガス充填口に連結されていると考えられる。この場合、第1の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンク及び第2の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクに燃料ガス充填口から燃料ガスを充填すると、第1の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンク内の圧力及び第2の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンク内の圧力は互いに等しい圧力まで上昇する。そこで、この圧力があらかじめ定められた上限値に達するまで燃料ガスの充填を行う充填方法が考えられる。 On the other hand, in the fuel cell system including the first fuel cell subsystem and the second fuel cell subsystem as in Patent Document 1, the fuel gas filling path for filling the fuel gas in each fuel gas tank is provided for each fuel. It is considered that the fuel gas filling path of the first fuel cell subsystem and the fuel gas filling path of the second fuel cell subsystem are connected to a common fuel gas filling port connected to the gas tank. In this case, when fuel gas is filled in the fuel gas tank of the first fuel cell subsystem and the fuel gas tank of the second fuel cell subsystem from the fuel gas filling port, the pressure in the fuel gas tank of the first fuel cell subsystem and The pressure in the fuel gas tank of the second fuel cell subsystem rises to an equal pressure. Therefore, a filling method in which the fuel gas is filled until the pressure reaches a predetermined upper limit value can be considered.
ところが、第1の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクの初期圧力と第2の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクの初期圧力とが互いに異なっているときに上述の充填方法が行われると、初期圧力が低い方の燃料ガスタンクにおける圧力上昇幅が、初期圧力が高い方の燃料ガスタンクおける圧力上昇幅よりも大きくなる。その結果、初期圧力が低い方の燃料ガスタンクにおける温度上昇幅が、初期圧力が高い方の燃料ガスタンクにおける温度上昇幅よりも大きくなる。したがって、初期圧力が低い方の燃料ガスタンクにおける充填率(SOC)が低くなる。すなわち、燃料ガスの充填量が少なくなってしまう。逆に、初期圧力が低い方の燃料ガスタンクの充填率が更に高い充填率になるまで燃料ガスの充填を継続すると、今度は、初期圧力が高い方の燃料ガスタンクの充填率が目標充填率を越え、更には100%を越えるおそれがある。 However, if the above filling method is performed when the initial pressure of the fuel gas tank of the first fuel cell subsystem and the initial pressure of the fuel gas tank of the second fuel cell subsystem are different from each other, the initial pressure is low. The pressure increase width in the fuel gas tank of the one becomes larger than the pressure increase width in the fuel gas tank of the higher initial pressure. As a result, the temperature increase width in the fuel gas tank with the lower initial pressure becomes larger than the temperature increase width in the fuel gas tank with the higher initial pressure. Therefore, the filling rate (SOC) in the fuel gas tank having the lower initial pressure is lowered. That is, the amount of fuel gas filling is reduced. Conversely, if fuel gas filling is continued until the filling rate of the fuel gas tank with the lower initial pressure reaches a higher filling rate, the filling rate of the fuel gas tank with the higher initial pressure now exceeds the target filling rate. Furthermore, there is a risk of exceeding 100%.
本発明によれば、第1の燃料電池サブシステム及び第2の燃料電池サブシステムを備え、各燃料電池サブシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンク内の燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給するために前記燃料ガスタンクに連結された燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料ガス供給路内の圧力を調節するための圧力調節弁と、前記燃料ガスタンク内に燃料ガスを充填するために前記燃料ガスタンクに連結された燃料ガス充填路と、を備えており、前記第1の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス充填路と前記第2の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス充填路とが共通の燃料ガス充填口に連結されている、燃料電池システムであって、前記第1の燃料電池サブシステムの前記圧力調節弁上流の前記燃料ガス供給路と前記第2の燃料電池サブシステムの前記圧力調節弁上流の前記燃料ガス供給路とを互いに連通する連通路を更に備える、燃料電池システムが提供される。 According to the present invention, a fuel cell stack including a first fuel cell subsystem and a second fuel cell subsystem, each fuel cell subsystem generating electric power through an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas. A fuel gas tank, a fuel gas supply path connected to the fuel gas tank for supplying the fuel gas in the fuel gas tank to the fuel cell stack, and the fuel gas supply path. A pressure regulating valve for regulating a pressure in the passage; and a fuel gas filling passage connected to the fuel gas tank for filling the fuel gas tank with the fuel gas; and the first fuel cell. A fuel cell system in which the fuel gas filling path of the subsystem and the fuel gas filling path of the second fuel cell subsystem are connected to a common fuel gas filling port. The fuel gas supply path upstream of the pressure control valve of the first fuel cell subsystem and the fuel gas supply path upstream of the pressure control valve of the second fuel cell subsystem. There is provided a fuel cell system further comprising a communication passage.
複数の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクに燃料ガスをそれぞれ過不足なく充填することができる。 Fuel gas tanks of a plurality of fuel cell subsystems can be filled with fuel gas without excess or deficiency.
図1を参照すると、燃料電池システムAは第1の燃料電池サブシステム1A及び第2の燃料電池サブシステム1Bを備える。
第1の燃料電池サブシステム1Aは燃料電池スタック2Aを備え、燃料電池スタック2Aは互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。燃料電池スタック2Aには、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック2Aに供給するための水素ガス供給管3Aが連結される。水素ガス供給管3A内には、水素ガス供給管3A内の圧力を調節するための電磁式の圧力調節弁4Aが配置される。また、水素ガス供給管3Aは供給マニホルド5Aに連結される。供給マニホルド5Aはそれぞれ対応する供給枝管6Aを介して複数、例えば4つの水素ガスタンク7Aに連結される。水素ガスタンク7A内には水素ガスがそれぞれ充填されている。供給枝管6A内には電磁式の遮断弁8Aが配置される。水素ガスタンク7Aは更に、充填枝管9Aを介して充填マニホルド10Aに連結される。充填枝管9A内には、充填マニホルド10Aから水素ガスタンク7Aに向けてのみ流通可能な逆止弁11Aが配置される。一方、燃料電池スタック2Aには、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック2Aに供給するための空気供給管(図示しない)が連結される。
Referring to FIG. 1, the fuel cell system A includes a first
The first
同様に、第2の燃料電池サブシステム1Bは燃料電池スタック2Aを備え、燃料電池スタック2Bは互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。燃料電池スタック2Bには、水素ガスを燃料電池スタック2Bに供給するための水素ガス供給管3Bが連結される。水素ガス供給管3B内には、水素ガス供給管3B内の圧力を調節するための電磁式の圧力調節弁4Bが配置される。また、水素ガス供給管3Bは供給マニホルド5Bに連結される。供給マニホルド5Bはそれぞれ対応する供給枝管6Bを介して複数、例えば4つの水素ガスタンク7Bに連結される。水素ガスタンク7B内には水素ガスがそれぞれ充填されている。供給枝管6B内には電磁式の遮断弁8Bが配置される。水素ガスタンク7Bは更に、充填枝管9Bを介して充填マニホルド10Bに連結される。充填枝管9B内には、充填マニホルド10Bから水素ガスタンク7Bに向けてのみ流通可能な逆止弁11Bが配置される。一方、燃料電池スタック2Bには、空気を燃料電池スタック2Bに供給するための空気供給管(図示しない)が連結される。
Similarly, the second
ここで、水素ガス供給管3A,3B、供給マニホルド5A,5B、及び供給枝管6A,6Bは、水素ガスタンク7A,7B内の水素ガスを燃料電池スタック2A,2Bにそれぞれ供給するために水素ガスタンク7A,7Bにそれぞれ連結された水素ガス供給路と考えることができる。また、水素ガス充填管12A,12B、充填マニホルド10A,10B、及び充填枝管9A,9Bは、水素ガスタンク7A,7B内に水素ガスを充填するために水素ガスタンク7A,7Bに連結された水素ガス充填路と考えることができる。
Here, the hydrogen
第1の燃料電池サブシステム1Aの充填マニホルド10A及び第2の燃料電池サブシステム1Bの充填マニホルド10Bはそれぞれ対応する水素ガス充填管12A,12Bを介して共通の水素ガス充填口13に連結される。
The
供給マニホルド5A,5Bには、供給マニホルド5A,5B内の圧力をそれぞれ検出する圧力センサ14SA,14SBがそれぞれ取り付けられる。また、充填マニホルド10A,10Bには、充填マニホルド10A,10B内の圧力をそれぞれ検出する圧力センサ14LA,14LBがそれぞれ取り付けられる。
Pressure sensors 14SA and 14SB for detecting the pressure in the
更に図1を参照すると、燃料電池システムAは電動車両駆動用の電気モータ16を備える。この電気モータ16は第1の燃料電池サブシステム1Aの燃料電池スタック2A及び第2の燃料電池サブシステム1Bの燃料電池スタック2Bに電気的に接続される。
Still referring to FIG. 1, the fuel cell system A includes an
燃料電池システムAは更に、第1の燃料電池サブシステム1Aの圧力調節弁4A上流の水素ガス供給管3Aと、第2の燃料電池サブシステム1Bの圧力調節弁4B上流の水素ガス供給管3Bとを互いに連通する連通管20を更に備える。
The fuel cell system A further includes a hydrogen
さて、第1の燃料電池サブシステム1Aにおいて、燃料電池スタック2Aに水素ガスを供給すべきときには、遮断弁8A及び圧力調節弁4Aが開弁される。その結果、水素ガスタンク7Aから水素ガスが燃料電池スタック2Aに供給される。燃料電池スタック2Aに水素ガス及び空気が供給されると、燃料電池スタック2Aにおいて電気化学反応(H2→2H++2e−,(1/2)O2+2H++2e−→H2O)が起こり、電気エネルギが発生される。同様に、第2の燃料電池サブシステム1Bにおいて、燃料電池スタック2Bに水素ガスを供給すべきときには、遮断弁8B及び圧力調節弁4Bが開弁される。その結果、水素ガスタンク7Bから水素ガスが燃料電池スタック2Aに供給される。燃料電池スタック2Bに水素ガス及び空気が供給されると、燃料電池スタック2Bにおいて上述の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生される。
In the first
第1の燃料電池サブシステム1Aの燃料電池スタック2Aで発生された電気エネルギ及び第2の燃料電池サブシステム1Bの燃料電池スタック2Bで発生された電気エネルギはそれぞれ電気モータ16に送られ、電気モータ16が駆動される。その結果、電動車両が駆動される。
The electric energy generated in the
この電動車両は例えばバスのような大型車から構成される。すなわち、図1に示される燃料電池システムAは大型車を駆動するのに適している。一方、第1の燃料電池サブシステム1A及び第2の燃料電池サブシステム1Bはそれぞれ、例えば乗用車のような小型車を駆動するのに適している。したがって、図1に示される燃料電池システムAは、小型車を駆動するのに適した燃料電池システムを組み合わせることにより形成されるということになる。このようにすると、大型車を駆動するのに適した燃料電池システムの開発コスト及び製造コストを低減することができる。
This electric vehicle is composed of a large vehicle such as a bus. That is, the fuel cell system A shown in FIG. 1 is suitable for driving a large vehicle. On the other hand, each of the first
ところで、上述したように、燃料電池スタック2A,2Bに水素ガスを供給すべきときには遮断弁8A,8Bが開弁される。図1に示される燃料電池システムAでは、第1の燃料電池サブシステム1Aの水素ガス供給管3Aと、第2の燃料電池サブシステム1Bの水素ガス供給管3Bとが連通管20により互いに連通されているので、第1の燃料電池サブシステム1Aの遮断弁8A及び第2の燃料電池サブシステム1B遮断弁8Bが同時に開弁されると、第1の燃料電池サブシステム1Aの水素ガスタンク7A内の圧力と、第2の燃料電池サブシステム1Bの水素ガスタンク7B内の圧力とが互いにほぼ等しくなる。
By the way, as described above, when hydrogen gas is to be supplied to the
その結果、水素ガスタンク7A,7Bへの水素ガスの充填が開始される時点での水素ガスタンク7A,7B内の圧力を初期圧力と称すると、第1の燃料電池サブシステム1Aの水素ガスタンク7Aの初期圧力と、第2の燃料電池サブシステム1Bの水素ガスタンク7Bの初期圧力とが互いにほぼ等しくなっている。したがって、水素ガスタンク7Aへの充填と水素ガスタンク7Bへの充填とが互いにほぼ同様に行われることになる。すなわち、水素ガスタンク7A内に充填された水素ガス量と水素ガスタンク7B内に充填された水素ガス量とは互いにほぼ等しくなっており、したがって水素ガスタンク7Aの水素ガス充填率SOCと水素ガスタンク7Bの水素ガス充填率SOCとは互いにほぼ等しくなっている。このため、水素ガスタンク7A,7B両方に水素ガスを十分に充填することができ、過剰に充填されるのを阻止することができる。
As a result, if the pressure in the
なお、水素ガスタンク7A,7Bに水素ガスを充填すべきときには、水素ガス充填口13から水素ガスが充填される。この水素ガスは水素ガス充填管12A,12B、充填マニホルド10A,10B、及び充填枝管9A,9Bをそれぞれ介して水素ガスタンク7A,7B内に流入する。水素ガス充填方法の一例では、水素ガスタンク7A内の圧力及び水素ガスタンク7B内の圧力のいずれか一方があらかじめ定められた上限圧力に達したら水素ガスの充填が終了される。別の例では、水素ガスタンク7A,7B内の圧力から水素ガスタンク7Aの水素ガス充填率SOC及び水素ガスタンク7Bの水素ガス充填率SOCがそれぞれ算出され、算出された水素ガス充填率SOCが水素ステーションに送信され、いずれか一方の水素ガス充填率SOCがあらかじめ定められた上限充填率に達したら水素ステーションでの水素ガスの充填が終了される。
When the
図2は、本発明による別の実施例を示している。この実施例では、連通管20内に電磁式の開閉弁21が配置され、第1の燃料電池サブシステム1Aの水素ガス供給管3Aと第2の燃料電池サブシステム1Bの水素ガス供給管3Bとの間の連通及び遮断が切り換え可能になっている。すなわち、開閉弁21が開弁されると、水素ガス供給管3Aと水素ガス供給管3Bとが連通管20により互いに連通される。これに対し、開閉弁21が閉弁されると、水素ガス供給管3Aと水素ガス供給管3Bとの間の連通が遮断される。このように水素ガス供給管3Aと水素ガス供給管3Bとの間の連通が遮断されると、燃料電池システムAにおいて水素ガスの漏れの有無を検査する場合に、第1の燃料電池サブシステム1Aと第2の燃料電池サブシステム1Bとを別個に検査することができる。
FIG. 2 shows another embodiment according to the present invention. In this embodiment, an electromagnetic on-off
図3は、本発明による更に別の実施例を示している。この実施例では、第1の燃料電池サブシステム1Aの圧力調節弁4A上流の水素ガス供給管3Aと、第2の燃料電池サブシステム1Bの圧力調節弁4B上流の水素ガス供給管3Bとが一対の連通管20a,20bにより互いに連結される。一方の連通管20a内には水素ガス供給管3Aから水素ガス供給管3Bへのみ流通可能な逆止弁22aが配置され、他方の連通管20b内には水素ガス供給管3Bから水素ガス供給管3Aへのみ流通可能な逆止弁22bが配置される。この場合、水素ガスタンク7A内の圧力と水素ガスタンク7B内の圧力との差が逆止弁22a,22bの開弁圧を越えるまでは逆止弁22a,22bは開弁されず、したがって水素ガス供給管3Aと水素ガス供給管3Bとは互いに連通されない。一方、水素ガスタンク7A内の圧力と水素ガスタンク7B内の圧力との差が逆止弁22a,22bの開弁圧を越えると逆止弁22a,22bが開弁され、したがって水素ガス供給管3Aと水素ガス供給管3Bとが互いに連通される。
FIG. 3 shows a further embodiment according to the invention. In this embodiment, a pair of a hydrogen
A 燃料電池システム
1A 第1の燃料電池サブシステム
1B 第2の燃料電池サブシステム
2A,2B 燃料電池スタック
3A,3B 水素ガス供給管
4A,4B 圧力調節弁
7A,7B 水素ガスタンク
12A,12B 水素ガス充填管
13 水素ガス充填口
20 連通管
A
Claims (5)
各燃料電池サブシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンク内の燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給するために前記燃料ガスタンクに連結された燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料ガス供給路内の圧力を調節するための圧力調節弁と、前記燃料ガスタンク内に燃料ガスを充填するために前記燃料ガスタンクに連結された燃料ガス充填路と、を備えており、
前記第1の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス充填路と前記第2の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス充填路とが共通の燃料ガス充填口に連結されている、
燃料電池システムであって、
前記第1の燃料電池サブシステムの前記圧力調節弁上流の前記燃料ガス供給路と前記第2の燃料電池サブシステムの前記圧力調節弁上流の前記燃料ガス供給路とを互いに連通する連通路を更に備える、
燃料電池システム。 A first fuel cell subsystem and a second fuel cell subsystem;
Each fuel cell subsystem includes a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a fuel gas tank, and the fuel gas in the fuel gas tank to supply the fuel cell stack with the fuel gas. A fuel gas supply path connected to the fuel gas tank; a pressure control valve disposed in the fuel gas supply path for adjusting the pressure in the fuel gas supply path; and the fuel gas tank is filled with the fuel gas. And a fuel gas filling path connected to the fuel gas tank,
The fuel gas filling path of the first fuel cell subsystem and the fuel gas filling path of the second fuel cell subsystem are connected to a common fuel gas filling port;
A fuel cell system,
A communication path that communicates the fuel gas supply path upstream of the pressure control valve of the first fuel cell subsystem and the fuel gas supply path upstream of the pressure control valve of the second fuel cell subsystem; Prepare
Fuel cell system.
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