JP2021128924A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】中性子の遮蔽効果が高く、且つシステムの簡略化、軽量化、省スペース化を実現可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟み込み、前記燃料極の水素供給部に水素を供給し、前記酸化剤極の気体供給部に酸素を含む気体を供給して発電を行う燃料電池セルと、前記燃料電池セルを覆って配置され、内部に水素を充てん可能に構成された水素被覆部と、前記水素被覆部に水素を導入する水素導入部とを備える。【選択図】図11

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池は、水素等の燃料と空気(酸素)等の酸化剤とを電気化学的に反応させることにより、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。その中でも、電解質に高分子形水素イオン交換膜等を用いた固体高分子電解質形燃料電池は、出力密度が高いこと、構造が単純であること、動作温度が比較的低いこと等の優れた特徴を有しているため、航空機や車両などの移動体に搭載可能な燃料電池についての様々な技術開発が進められている。
従来の燃料電池として、例えば、液体の水から分離された酸素含有ガスを通過させる第1のガスセパレータ、及び、液体の水から分離された水素含有ガスを通過させる第2のガスセパレータが積層され、セルの積層方向に実質的に垂直な第1の方向において、水の供給又は排出を行う水流路と、セルの積層方向に実質的に垂直な第2の方向において、酸素含有ガスの排出又は供給を行う酸素含有ガス流路と、セルの積層方向に実質的に垂直な第3の方向において、水素含有ガスの排出又は供給を行う水素含有ガス流路とを備え、酸素側電極層及び水素側電極層が撥水性電極層である水電解/燃料電池発電用セルが提案されている(特許文献1)。
この燃料電池では、水の供給及び排出を積層方向と実質的に垂直な第1の方向において行い、酸素ガス及び水素ガスの供給及び排出を積層方向と実質的に垂直なそれぞれ第2及び第3の方向において行うようにしたことによって、第1のセルと第2のセルという複数のセルを積層することによって、積層方向におけるコンパクトな寸法を実現でき、水電解セル及び燃料電池発電セルの能力を向上させることができるとされている。
上記のように構成される燃料電池スタックを、大気のない宇宙空間や原子炉周辺で使用する場合、放射線被ばくにより、電極やイオン交換膜の劣化が早まる。また、低速の中性子が同程度の質量を有する原子と衝突することによりγ線が発生し、施設内の機器の破損をもたらす虞もある。
そこで、放射線被ばくを防止するために、例えば、水素元素含有率の高いゼオライトと、高エネルギー中性子線及びガンマ線に高い遮蔽効果を示すイオン交換性元素及び原子番号40以上の重金属、並びに熱中性子吸収材を組み合わせてなる放射線遮蔽材が提案されている(特許文献2)。
また、(A成分)変性グリシジルエステル系エポキシ樹脂とビスフェノールA−エピクロルヒドリン重合物とを混合したエポキシ樹脂混合物、(B成分)アミノポリアミド硬化剤、(C成分)リチウム含有化合物、(D成分)ホウ素含有化合物、及び(E成分)水酸化アルミニウムを含む組成物を硬化させる中性子遮蔽材が提案されている(特許文献3)。
特開2018−78098号公報 特開2006−329915号公報 特開2011−27460号公報
しかしながら、月面等で用いられる探査車(ローバー)をはじめとする移動体への搭載を考慮して、中性子の遮蔽効果が高く、且つシステムの簡略化、軽量化、省スペース化を実現可能な燃料電池システムが求められている。
本発明の目的は、中性子の遮蔽効果が高く、且つシステムの簡略化、軽量化、省スペース化を実現可能な燃料電池システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
[1]電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟み込み、前記燃料極の水素供給部に水素を供給し、前記酸化剤極の気体供給部に酸素を含む気体を供給して発電を行う燃料電池セルと、
前記燃料電池セルを覆って配置され、内部に水素を充てん可能に構成された水素被覆部と、
前記水素被覆部に水素を導入する水素導入部と
を備える燃料電池システム。
[2]前記水素被覆部から水素を排出する水素排出部を更に備え、
前記水素被覆部の内部空間が、前記水素供給部と連通しており、
前記水素導入部から前記水素被覆部に水素を導入することにより、前記水素供給部に水素が供給される、上記[1]に記載の燃料電池システム。
[3]前記水素被覆部と前記燃料電池セルとの間に設けられた中性子遮蔽部材を更に備える、上記[1]に記載の燃料電池システム。
[4]前記中性子遮蔽部材は、重金属を含有する材料で構成される、上記[3]に記載の燃料電池システム。
[5]前記燃料電池セルと連通し、前記燃料電池セル内で生成した水を前記水素被覆部の外部に排出するポートを更に備える、上記[1]に記載の燃料電池システム。
[6]前記ポートの下流側端部が、キャピラリ形状を有する、上記[3]に記載の燃料電池システム。
[7]前記燃料電池セルに取り付けられた吸湿部材を更に備え、
前記ポートの上流側端部が、前記吸湿部材に当接するか又はその近傍に配置される、上記[5]に記載の燃料電池システム。
[8]前記水素被覆部内が水素によって加圧された状態で保持される、上記[1]に記載の燃料電池システム。
[9]前記気体供給部の気体排出路に接続され、一の水回収タンクから他の水回収タンクに切り替え可能に構成された除湿器を更に備え、
前記燃料電池セルに接続された負荷への通電時間と電流値の積に基づいて前記水回収タンクが切り替えられる、上記[1]に記載の燃料電池システム。
[10]前記燃料電池セルの温度を測定する温度測定部と、
前記燃料電池セルの温調を行う温度調節部と、を更に備える、上記[1]に記載の燃料電池システム。
[11]前記燃料電池セルに電気的に並列接続されたバッテリを更に備える、上記[1]に記載の燃料電池システム。
[12]前記燃料極、前記電解質膜及び前記酸化剤極が、鉛直方向に沿ってこの順に積層される、上記[1]に記載の燃料電池システム。
[13]前記燃料極が、前記電解質膜の下方に配置される、上記[12]に記載の燃料電池システム。
本発明によれば、中性子の遮蔽効果が高く、且つシステムの簡略化、軽量化、省スペース化を実現することができる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池装置の制御方法が適用される燃料電池システムの構成の一例を概略的に示す図である。 図2(a)は、図1のセパレータの水素供給部、及び酸素供給部の一例を示す側面図であり、図2(b)は、図2(a)における流路パターンの変形例である。 図3は、図1の燃料電池スタック内での水移動モデルを説明する図である。 図4は、図1の燃料電池システムで実行される燃料電池装置の起動制御の一例を示すフローチャートである。 図5は、図4の燃料電池装置の起動制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。 図6は、図1の燃料電池システムで実行される燃料電池装置の定常運転制御の一例を示すフローチャートである。 図7は、図6の燃料電池装置の定常運転制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。 図8は、定常運転時における燃料電池装置の緊急停止制御の一例を示すフローチャートである。 図9は、図1の燃料電池システムで実行される燃料電池装置の終了制御の一例を示すフローチャートである。 図10は、図9の燃料電池装置の起動制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。 図11は、本発明の第2実施形態に係る、水素被覆部を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。 図12は、図11における燃料電池装置の構成の変形例を示す図である。 図13は、図12における燃料電池スタックのレイアウトを示す部分拡大図である。 図14は、図12におけるセパレータの水素供給側部分の一例を示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[燃料電池システムの構成]
図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池の制御方法が適用される燃料電池システムの構成の一例を概略的に示す図であり、図2(a)は、図1のセパレータの水素供給部、及び酸素供給部(気体供給部)の一例を示す側面図である。尚、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の形状、寸法比率等は図示するものに限らないものとする。
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池装置2と、後述する各種機器との間で信号を送受して燃料電池装置2を統括的に制御する制御部3とを備えている。
燃料電池装置2には、燃料電池スタック21が設けられている。燃料電池スタック21は、電解質膜22、燃料極23、酸化剤極24、水素供給部25、酸素供給部26で構成された燃料電池セル21Aをセパレータ27(図2(a)参照)で複数積層させることで構成されている。本実施形態では、説明の便宜上、燃料電池スタック21が1つの燃料電池セル21Aで構成される場合を示している。
燃料極23及び酸化剤極24の上部には、水素供給口28、酸素排出口29がそれぞれ設けられ、また、燃料極23及び酸化剤極24の下部には、水素排出口30、酸素供給口31がそれぞれ設けられている。
セパレータ27は、図2(a)に示すように、平板状を成し、正面側の燃料極側部分32と、背面側の酸化剤極側部分33とで構成されている。燃料極側部分32には、水素供給口28に対応する水素入口34と、水素排出口30に対応する水素出口35とが設けられている。また、酸化剤極側部分33には、酸素供給口31に対応する酸素入口36と、酸素排出口29に対応する酸素出口37とが設けられている。燃料極側部分32及び酸化剤極側部分33それぞれの流路パターン38A,39Aは、例えばサーペンタイン形状をなしており、燃料極側部分32を流れる水素と酸化剤極側部分33を流れる酸素との全体的な流れの向き(図2(a)中の黒色太矢印)が対向するように形成されている。図2(b)に示すように、流路パターン38B,39Bが、櫛状(ストレート形状)をなしていてもよい。この形状でも、燃料極側部分32を流れる水素と酸化剤極側部分33を流れる酸素との流れの向き(図2(b)中の黒色太矢印)が対向するように形成される。
燃料電池システム1には、水素供給源41、水素供給源41から燃料電池装置2に水素を供給する水素導入路42、燃料電池装置2から水素を排出する水素排出路43が設けられている(図1)。水素導入路42は水素供給口28に、水素排出路43は水素排出口30にそれぞれ接続されている。また、燃料電池システム1には、酸素供給源51、酸素供給源51から燃料電池装置2に気体(例えば、酸素)を供給する酸素導入路52(気体導入路)、及び、燃料電池装置2から気体を排出する酸素排出路53(気体排出路)が設けられている。酸素導入路52は酸素供給口31に、酸素排出路53は酸素排出口29にそれぞれ接続されている。
水素導入路42には、三方弁44が設けられており、水素導入路42が連結流路45を介して酸素導入路52に接続されている。水素導入路42は、水素供給部25に水素を供給すると共に、必要に応じて連結流路45を介して酸素供給部26にも水素を供給可能に構成されている。また、水素導入路42には、水素供給部25に供給される水素の圧力(例えばゲージ圧)を測定する水素圧測定部46が設けられている。
水素排出路43には、流路の開放/遮断を行う弁47が設けられており、水素の外部への排出(パージ)、あるいは排出の停止を行うことが可能に構成されている。
酸素導入路52には、流路の開放/遮断を行う弁54が設けられており、酸素の供給/停止を行うことが可能に構成されている。また、酸素導入路52には、酸素供給部26に供給される気体の圧力(例えばゲージ圧)を測定する気体圧測定部55が設けられている。
酸素排出路53には、三方弁56が設けられており、酸素排出路53が循環路57を介して酸素導入路52に接続されている。酸素排出路53は、気体を外部に排出(パージ)すると共に、必要に応じて循環路57を介して酸素供給部26に気体を戻すことが可能に構成されている。すなわち本実施形態では、酸素導入路52、酸素供給部26、酸素排出路53及び循環路57が、循環ラインを形成している。循環路57には循環ポンプ58、圧力調整部59及び流量測定部60が設けられており、それぞれ気体(例えば、酸素)の送出、減圧/増圧、及び流量測定を行う。燃料電池システム1で消費される気体の量は、例えば流量測定部60にて測定することができ、その測定値に基づいて循環ポンプ58を用いて酸素循環量を調整することができる。本実施形態では、循環ポンプ58は循環路57に設けられているが、これに限られず、酸素排出路53など、上記循環ライン上のいずれかの位置に設けられてもよい。
また、酸素排出路53には、凝縮器61及び除湿器62が設けられている。凝縮器61は、酸素排出路53を流れる気体の水分を凝縮する。除湿器62は、凝縮器61を通った気体から水分を除去し、水回収タンク63で水分を回収する。除湿器62の構成の詳細については、後述する。
燃料電池装置2では、還元剤(燃料)として水素(好ましくは純水素)が用いられる。酸化剤としては、酸素を含む気体、例えば酸素(好ましくは純酸素)や空気が使用される。以下、酸素を含む気体を、単に「気体」ともいう。水素は、水素供給口28を介して燃料極23側に供給され、気体は、酸素供給口31を介して酸化剤極24側に供給される。燃料電池スタック21内に供給された水素及び気体は、電解質膜22に沿って互いに対向する向きに流れる。水素と気体の反応時に酸素側で発生する生成水は、図3に示すように、電解質膜22を通じて移動し、拡散し、水素側へ水を供給する。これにより、水素供給口28付近の水素が加湿される。加湿された水素は、上記気体の流れに対向する向きに流れ、水素の消費と共に水蒸気量が多くなり、水素排出口30付近では、水素側から酸素側に水分移動が生じ、酸素供給口31付近が加湿される。この結果、燃料電池スタック21内では、電解質膜22を介して気体側と水素側間で水分の相互移動が行われる。
燃料電池セル21Aでは、電解質膜22を燃料極23及び酸化剤極24で挟み込み、燃料極23の水素供給部25に水素を供給し、酸化剤極24の酸素供給部26に気体を供給して発電を行う。燃料電池装置2は、車両などの移動体の負荷4に電気的に接続されており、負荷4に電力を供給する。
[水素被覆部]
図11は、本発明の第2実施形態に係る、水素被覆部を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。図11の燃料電池システム1は、主に水素被覆部を有する点で、図1の燃料電池システム1と異なる。図11の燃料電池システム1の構成は、図1の燃料電池システム1の構成と基本的に同じであり、以下に異なる部分を説明する。
図11に示すように、本実施形態の燃料電池装置2は、燃料電池スタック21と、燃料電池スタック21を覆って配置され、内部に水素を充てん可能に構成された水素被覆部71と、水素被覆部71に水素を導入する水素導入部72とを備える。
水素被覆部71は、内部空間に燃料電池装置2を収容すると共に、当該内部空間を密閉可能に構成された容器である。水素被覆部71は、直方体形状や円筒形状など、様々な形状を取りうるが、強度の観点からは俵形状や樽形状が好ましい。水素被覆部71は、中性子を遮蔽することが可能な材料で構成されることが好ましく、例えばアルミニウムなどの金属で構成されている。水素被覆部71内は、水素によって加圧された状態で保持されるのが好ましい。これにより、水素被覆部71に微小な亀裂等が生じた場合にも、水素の充てん状態を維持することができる。
水素導入部72は、例えば他の系統と接続されており、当該他の系統に設けられた水素供給源からの水素を水素被覆部71に供給する。水素導入部72は、水素供給源としての水素タンク41Aに接続されてもよく、その場合、水素タンク41Aからの水素が水素供給部25及び水素被覆部71のいずれか又は双方に供給可能に構成される。また、本実施形態では、気体供給源としての酸素タンク51Bが設けられており、酸素タンク51Bの酸素が酸素導入路52に供給される。
また、燃料電池装置2は、燃料電池スタック21と連通し、燃料電池スタック21内で生成した水を水素被覆部71の外部に排出するキャピラリポート(ポート)73と、水素被覆部71に設けられ、水素被覆部71の内部空間を開放可能なパージポート74とを備える。キャピラリポート73は、例えば宇宙空間に開放されており、フラッシングが生じたり或いはその傾向が現れた場合に、キャピラリポート73に設けられた弁を開くことにより、水素被覆部71内の不要な水分や気体が宇宙空間に排出される。キャピラリポート73は、少なくとも下流側先端部73aがキャピラリ形状を有しているのが好ましい。これにより、急激なパージを抑制して、気体を徐々に宇宙空間に排出することができる。パージポート74は、例えば宇宙空間に開放されており、安全確保が必要な場合や緊急時に、パージポート74に設けられた弁を開く或いは破壊することで、水素被覆部71内の気体等を可及的速やかにパージすることができる。
図12は、図11における燃料電池装置2の構成の変形例を示す図である。
図12に示すように、本変形例の燃料電池装置2は、水素被覆部71と、水素導入部72と、水素被覆部71から水素を排出する水素排出部75とを備える。水素被覆部71の内部空間Aは、水素供給部25と連通しており(図11)、水素導入部72から水素被覆部71に水素を導入することにより、水素供給部25に水素が供給される。すなわち、図12の燃料電池装置2では、水素導入部72、水素被覆部71の内部空間A及び水素排出部75によって一の水素ガス系統が設けられており、この水素ガス系統によって水素被覆部71に水素が供給されると共に、水素供給部25に水素が供給される。
また、本変形例では、図13に示すように、燃料極23、電解質膜22及び酸化剤極24が、鉛直方向(例えば、図中のD3方向)に沿ってこの順に積層されている。この場合、燃料極23が、電解質膜22の下方に配置されるのが好ましい。このように燃料電池スタック21を水平置き(横置き)にすることで、重力環境下において、水素供給部25を流れる水素及び酸素供給部26を流れる気体の双方を、鉛直方向に対して垂直な方向に流すことができ、重力の影響が少ない、良好なガス流れを実現することができる。
セパレータ27(図2参照)のうちの水素供給側部分76は、例えば図14に示すように、燃料電池スタック21の長さ方向(図12のD1方向)の全体に亘って形成された複数の溝76aを有している。複数の溝76aの上部は燃料電池セルの積層によって塞がれており、これにより水素被覆部71の内部空間Aと連通した複数の流路パターンが形成されている。
ここで、月面のように中性子線濃度が高い環境では、燃料電池スタック21を透過した放射線により電解質膜の劣化等が懸念される。そこで、燃料電池装置2では、水素被覆部71に充てんされた水素で中性子を遮蔽する構成としている。また、水素被覆部71に水素を充てんした構成とすることで、図13に示すように、セパレータ27の水素供給側部分76が溝形状等の単純な流路パターンを有する構造体であっても、このような構成のセパレータ27を使用しつつ、上記基準電圧の基となる水素をセパレータ27に供給し続けることができる。また、一の水素ガス系統を用いて、水素被覆部71に水素を充てんしつつ、水素供給部25に水素を供給することができ、燃料電池装置を簡略化することが可能となる。
燃料電池装置2は、水素被覆部71と燃料電池スタック21との間に設けられた中性子遮蔽部材77を備えてもよい(図12)。中性子遮蔽部材77の配置位置は、特に制限されないが、例えば、水素被覆部71の内面に取り付けられ、好ましくは燃料電池スタック21を覆って配置される。中性子遮蔽部材77の形状も特に制限されず、シート状等の様々な形状を取りうる。中性子遮蔽部材77は、例えばベリリウムやベリリウムを含む合金や、重金属を含有する材料等で構成される。重金属としては、例えば鉛や鉛を含む合金が挙げられる。
また、燃料電池装置2は、燃料電池スタック21に取り付けられた吸湿部材78を備えてもよい。この場合、キャピラリポート73の上流側端部73bが、吸湿部材78に当接するか又はその近傍に配置される。吸湿部材78は、例えば網目状部材や多孔質部材で構成され、網目状部材としては、例えばウイックが挙げられる。これにより、水素被覆部71内で生成された水が吸湿部材78を介して宇宙空間に排出されるので、水がキャピラリポート73から排出される際の水素の排出量を少なくすることができる。
吸湿部材78は、燃料電池スタック21の下面に配置されてもよい。重力環境下であれば、燃料電池スタック21の下に吸湿部材78を敷き詰めることで、緊急を要する水の排出の際にバッファとして機能させることができる。
また、吸湿部材78の配置位置を含む部分を冷却して、水素被覆部71の他の部分よりも相対的に低温となるように構成されてもよい。これにより、吸湿部材78で水が生成され易くなり、水がキャピラリポート73から排出される際の水素の排出量を更に少なくすることができる。
また、本実施形態の燃料電池システム1では、除湿器62は、酸素供給部26の酸素排出路53に接続され、一の水回収タンク63から他の水回収タンク63に切り替え可能に構成されている(図11)。そして、制御部3は、燃料電池スタック21に接続された負荷4への通電時間(t)と電流値(I)の積(t)×(I)に基づいて水回収タンク63を切り替える。
閉鎖環境及び酸素供給の環境下にあっては、水の効率的な回収が求められるにも関わらず、短時間のうちに大量の水が発生する。水回収タンク63に設けられた水量検知だけでは、水量検知用のセンサ故障等が生じた場合に、水が燃料電池システム1内に溢れ出して、発電停止、ひいてはフラッディング等の不具合が発生する可能性がある。本実施形態では、複数の水回収タンク63を切り替え可能に具備した除湿器62を用い、制御部3にて負荷4への通電時間(t)を計測し、且つ電流測定部7にて電流値(I)を測定し、これらの積(t)×(I)を算出する。積(t)×(I)の算出値が、積(t)×(I)と水の理論生成量との相関に基づいて設定された所定の閾値以上である場合、使用中の水回収タンク63内の水が容量一杯であると判断し、使用中の一の水回収タンク63が未使用の他の水回収タンク63に切り替えられる。これにより、燃料電池システム1内での水の漏洩を確実に防止し、フラッティング等の不具合の発生を更に防止することができる。
また、燃料電池システム1は、燃料電池スタック21(或いは燃料電池セル21A)の温度を測定する温度測定部81と、燃料電池スタック21の温調を行う温度調節部82とを備えてもよい。この場合、制御部3は、燃料電池スタック21の温度の測定値に基づいて温度調節部82に制御信号を送信し、温度調節部82は、制御部3から送信された制御信号に基づいて燃料電池スタック21を冷却或いは加熱する。これにより、発電時に燃料電池スタック21を適正な温度に維持することができる。
温度測定部81は、例えば燃料電池スタック21の水素ラインに取り付けられる水素側温度センサと、気体(酸素)ラインに取り付けられる気体側温度センサとを有していてもよい。
燃料電池スタック21の温調は、特に制限されないが、例えば水冷式である。水冷式の温調では、燃料電池装置2の発電によって生成された水を使用することができる。
制御部3或いは温度調節部82は、電圧測定部6から送信された燃料電池スタック21の電圧Vの測定値に基づいて、燃料電池スタック21の温調を行ってもよい。また、制御部3或いは温度調節部82は、燃料電池スタック21の電圧Vの測定値を、データロガー等の記録媒体に読出し可能に記録してもよい。
また、燃料電池システム1は、燃料電池スタック21に電気的に並列接続されたバッテリ8を備えてもよい(図11)。バッテリ8は、移動体内の電力系統に接続されており、例えば異常検知の際や、起動の際など、燃料電池装置2での十分な発電が困難な場合に、他の電力系統に電力を供給することができる。起動時のみにバッテリ8を用いる場合には、バッテリ8を必要最小限の容量とすることができ、バッテリ8を小型化して省スペース化を図ることができる。
このように燃料電池スタック21にバッテリ8を接続することにより、燃料電池装置2で何らかの不具合が生じた場合、バッテリ8を非常用電源として用い、移動体を緊急帰還させることが可能となる。また、バッテリ8は、ローバーに搭載された太陽光発電装置や温度差発電装置に接続されてもよい。この場合、月面探査において太陽光発電装置や温度差発電装置で発電された電力をバッテリ8に補充電することができる。
本実施形態によれば、水素被覆部71が燃料電池スタック21を覆って配置され且つ内部に水素を充てん可能に構成され、水素導入部72が水素被覆部71に水素を導入するので、燃料電池スタック21を水素で被覆することにより、水素との衝突により中性子のエネルギーが消失し、電解質膜22の劣化、損耗を大幅に抑制することができ、これにより燃料電池スタック21の劣化や故障の発生を防止することができる。また、燃料電池スタック21の還元剤として使用される水素を、水素被覆部71の内部空間への充てん材としても使用するため、中性子遮蔽部材を別途設ける必要がなく、システムの簡略化、軽量化、省スペース化を実現することができる。
また、燃料電池システム1は、燃料電池装置2、すなわち燃料電池スタック21のインピーダンスZを測定するインピーダンス測定部5と、燃料電池スタック21の電圧Vを測定する電圧測定部6と、負荷4に流れる電流Iを測定する電流測定部7とを備えている(図1、図11)。インピーダンス測定部5の測定結果に応じた信号、電圧測定部6の測定結果に応じた信号、及び電流測定部7の測定結果に応じて信号が、それぞれ制御部3に送信される。
次に、図4〜図10を参照しながら、燃料電池システム1に適用される燃料電池装置2の制御として、燃料電池の起動制御、定常運転制御、及び終了制御を順に説明する。尚、燃料電池の起動制御、定常運転制御及び終了制御は、図1の燃料電池システムで実行されてもよいし、図11の燃料電池システムで実行されてもよい。
[起動制御]
図4は、図1の燃料電池システム1で実行される燃料電池装置2の起動制御の一例を示すフローチャートである。図5は、図4の燃料電池装置2の起動制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。本起動制御の各工程は、制御部3によって実行することができる。
本実施形態においては、保存状態(時刻t)では減圧封止の状態にあり、水素および酸素の供給も行われていない。したがって、電圧Vは0Vとなっているのが望ましい状態である。
先ず、燃料電池装置2の発電開始時に、燃料極23の水素供給部25及び酸化剤極24の酸素供給部26を減圧する(ステップS11、図5の時刻t)。例えば、宇宙空間では、水素排出路43及び酸素排出路53をパージすることで、水素供給部25及び酸素供給部26を減圧することができる。また、大気圧下では、水素排出路43及び酸素排出路53に不図示のポンプ等を設けることにより、水素供給部25及び酸素供給部26を減圧することができる。これにより、水素供給部25内の残留水素が排出され、また、酸素供給部26内の残留酸素が排出される。また、後述するように、燃料電池装置2を保管する際に、水素供給部25及び酸素供給部26のそれぞれに不活性ガスなどの気体が充てんされていた場合、それらの気体が排出される。
次に、水素供給部25に水素を供給する(ステップS12、図5の時刻t)。水素供給源41からの水素は、水素導入路42を介して水素供給部25に供給される。なお、図5においては説明の簡単のために、水素の圧力PH2は時刻tでON状態となっているが、徐々に供給量を増やすようにしてもよい。
その後、燃料極23と酸化剤極24との間の電圧を測定し、該電圧が基準電圧Vs1以上であるか否かを判定する(ステップS13)。基準電圧Vs1(起電力)の値は、特に限定されないが、例えば100mVである。本ステップでは、水素濃度に対応して発生する両電極の電位の差、すなわち濃淡電池としての起電力を活用し、水素供給部25に水素が正常に供給されていることを確認することができる。
燃料極23と酸化剤極24との間の電圧が基準電圧Vs1以上であるときは(ステップS13:YES)、水素供給部25に水素が正常に供給されていると判断し、酸素供給部26に気体を供給しつつ、酸素供給部26から気体を外部に排出する(ステップS14、図5の時刻t)。このとき、循環ポンプ58を作動させて、循環路57を介して気体を循環させてもよい。気体が酸素である場合、酸素の供給量は、特に制限されないが、例えば水素の供給量に対して0.5〜10倍である。酸化剤として酸素を供給する場合、フラッティングが起こりやすいため、酸化剤として空気と用いる場合と比較して酸素の供給量を増大させる。本ステップにより、酸素供給部26における酸素の流れによって電解質膜22からの水分の脱離が促進され、不要な水分が酸素と共に外部に排出され、フラッティングの発生を防止することができる。
燃料極23と酸化剤極24との間の電圧が基準電圧Vs1未満である場合(ステップ13:NO)、ステップS12に戻り、水素供給部25への水素供給を継続する。なお、水素供給部25への水素供給を予め定めた所定時間以上継続しても、電圧が基準電圧Vs1未満である場合は、燃料電池システム1に障害が発生したと判断し、起動制御を中断する。
また、酸化剤として酸素を供給する場合、何らかの理由で水素のリークが生じていると、酸素供給部26に酸素が供給された際に水素と酸素が急激に反応し、その反応によって燃料電池スタック21が破壊される虞がある。更に、水素供給部25に水素を供給する前に酸素供給部26に気体を供給すると、特に電解質膜22に隣接する電極の触媒層の炭素が酸化し、燃料電池スタック21の劣化や故障の発生の原因となる。本ステップのように、水素供給部25に水素を供給した後に酸素供給部26に気体を供給することで、水素と酸素の急激な反応の発生が防止され、燃料電池スタック21の劣化や故障を防止することができる。
次に、外部抵抗を使用して通電を行いつつ、燃料電池装置2の電流密度(或いは電流I)を所定値Iまで増大させる(ステップS15、図5の時刻t〜時刻t)。電流密度の所定値Iは、特に制限されないが、例えば0〜0.1A/cmである。燃料電池装置2には、上述のように、例えば閉鎖環境で使用されるヒータ、モータ等の負荷4が接続されており、負荷4(抵抗)を小さくすることで、燃料電池装置2の電流密度を増大させることができる。
その後、燃料極23と酸化剤極24との間のインピーダンスZが所定の閾値Z以下であるか否かを判定する(ステップS16、図5の時刻t)。インピーダンスZの所定の閾値は、特に制限されないが、例えば1kHzにおいて、5mΩ〜20mΩである。電解質膜22の水分が不足している場合、インピーダンスZは高くなることから、インピーダンスZが所定の閾値以下であれば、電解質膜22の水分が適量であると判断でき、ドライアウトの発生を抑制することができる。特に、酸化剤として空気を用いる場合にはドライアウトが起こりやすいため、本ステップによってドライアウトが発生しているか否かを精度良く確認することができる。
燃料極23と酸化剤極24との間のインピーダンスZが所定の閾値Z以下であるときは(ステップS16:YES)、弁47を閉鎖して水素排出路43への流路を遮断し、その後に循環路57を介して酸素供給部26の酸素導入路52と酸素排出路53とを接続して循環ラインを形成し、酸素排出路53の気体を酸素導入路52に戻す(ステップS17、図5の時刻t)。このようにすることで、燃料極23と酸化剤極24との間の差圧が適正に維持される。
燃料極23と酸化剤極24との間のインピーダンスZが所定の閾値Zを越える場合(ステップS16:NO)、ドライアウトが発生していると判断して、酸素循環量を下げる。また、インピーダンスZが閾値Z以下である場合であっても、電圧が上記基準電圧Vs1よりも低い所定値を下回る場合は、フラッディングが発生したと判断して、酸素循環量を上げることができる。
循環ライン上に循環ポンプ58及び除湿器62を設けている場合には、上記ステップS17において、上記循環ラインに設けられた除湿器62を用いて気体を除湿しながら循環させてもよい。これにより、循環ラインを流れる気体から不要な水分を除去することができ、フラッティングの発生を更に抑制することができる。特に、酸化剤として酸素を用いる場合にはフラッティングが起こりやすいため、本ステップによってフラッティングの発生を確実に抑制することができる。
また、循環ライン上であって且つ循環路57に循環ポンプ58を設けている場合(図1参照)、上記ステップS17において、インピーダンスZが所定の閾値Z以下であるときに、気体の酸素供給源51から、酸素導入路52、酸素供給部26及び酸素排出路53を介して外部まで気体を流通させている状態で、循環ポンプ58を起動させることができる。この場合、その後に酸素排出路53から気体を外部に排出する排気系を閉じることにより、酸素排出路53の気体を酸素導入路52に戻す。排気系の閉塞は、例えば三方弁56を用いて行うことができる。これにより、酸素排出路53を流れる全ての気体が、循環路57を介して酸素導入路52に送出され、外部には排出されない状態となる。
次いで、水素供給部25の水素と酸素供給部26の気体との圧力差ΔPを計測し、圧力差ΔPが所定の閾値以下であるか否かを判定する(ステップS18)。所定の閾値は、特に制限は無いが、例えば0より大きく且つ50kPaである(0<ΔP<50kPa)。そして、圧力差ΔPが上記所定の閾値よりも大きいときに(ステップS18:YES)、気体の循環量を減少させる(ステップS19)。上記圧力差を所定の閾値以下とすることで、電解質膜22がガス圧によって破れるのを防止することができる。また、気体の圧力PGASを水素の圧力PH2よりも高くすることが好ましい(ΔP=PGAS− PH2)。これにより、より安全な運転を実現することができる。圧力差ΔPが前記所定の閾値以下である場合には(ステップS18:NO)、本起動制御を終了し、後述する定常運転制御に移行する。
上述したように、本起動制御によれば、水素供給部25に水素を供給し(ステップS12)、燃料極23と酸化剤極24との間の電圧Vが基準電圧Vs1以上であるときに(ステップS13でYES)、酸素供給部26に気体を供給しつつ、酸素供給部26から気体を外部に排出するので(ステップS14)、水素供給部25に水素が正常に供給されていることを、基準電圧を用いて正確に判断することができ、また、その判断結果に基づいて酸素供給部26に気体が供給されるので、燃料電池スタック21の劣化や故障の発生を防止することができる。したがって、起動時における燃料電池装置2の不具合の発生を防止して安全性、信頼性を向上することが可能となる。
[定常運転制御]
図6は、図1の燃料電池システム1で実行される燃料電池装置2の定常運転制御の一例を示すフローチャートである。図7は、図6の燃料電池装置2の定常運転制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。本定常運転制御の各工程は、上記起動制御と同様、制御部3によって実行することができる。
先ず、燃料電池装置2の定常運転時に、燃料極23と酸化剤極24との間のインピーダンスZが所定の閾値よりも大きいか否かを判定する(ステップS21)。インピーダンスZの所定の閾値は、例えば、上記と同様に1kHz(固定値)として計測してもよいし、10mHz〜1kHzの間での適切な3点程度のインピーダンスに基づいて設定してもよい。上記所定の閾値を3点程度のインピーダンスに基づいて設定する場合、例えば、燃料電池装置2の健全な状態にて、インピーダンスデータ(ナイキスト線図)を取得し、典型的なインピーダンスを示す周波数3点を決定し、その際のインピーダンスを用いて上記所定の閾値を決定することができる。
インピーダンスZが所定の閾値よりも大きいときには(ステップS21:YES、図7の時刻t31)、電解質膜22でドライアウトと判断し、酸素導入路52と酸素排出路53とを接続する循環路57を介して循環する気体の流量を減少させる(ステップS22、図7の時刻t31〜t32)。これにより、電解質膜22の水分が酸素供給部26の気体の流れによって排出されるのを抑制することができ、電解質膜22を適正な加湿状態にすることができる。
ステップS22では、ドライアウトの発生をインピーダンスZに基づいて判断するが、これに限らず、電流遮断、負荷変動及びDC抵抗のいずれか又は複数に基づいて、ドライアウトの発生を判断してもよい。また、インピーダンスZと、電流遮断、負荷変動及びDC抵抗のいずれか又は複数とに基づいてドライアウトの発生を判断してもよい。これにより、ドライアウトの発生をより正確に判断することが可能となる。
また本実施形態では、インピーダンスZが所定の閾値よりも大きいときに循環路57を介して循環する気体の流量を減少させるが、これに限らず、循環路57を介して循環する気体の流量を減少させると共に、当該気体の流速を減少させてもよい。これにより、より短時間で電解質膜22を適正な加湿状態にすることができる。
一方、インピーダンスZが所定の閾値以下であるときは(ステップS21:NO)、燃料極23と酸化剤極24との間の電圧Vを測定し、電圧Vが所定の第1閾値以下であるか否かを判定する(ステップS23)。電圧Vの所定の第1閾値は、特に制限されないが、例えば500mV〜600mVの範囲の値である。
電圧Vが所定の第1閾値以下であるときは(ステップS23:YES、図Aの時刻t33〜t34)、フラッティングと判断し、循環路57を介して循環する気体の流量を増大させる(ステップS24、図7の時刻t33〜t34)。例えば、インピーダンスZが所定の閾値以下であり、かつ電圧Vが所定の第1閾値以下であるときに、循環ポンプ58の吐出量を増大して、気体の循環量を上昇させる。これにより、電解質膜22の水分が酸素供給部26の気体の流れによって排出されるのを促進することができ、電解質膜22を適正な加湿状態にすることができる。ステップS24の制御により電圧Vが所定の第1閾値を越えたときは、循環路57を介して循環する気体の流量を定常状態に戻す(図7の時刻t35)。
ステップS24では、電圧Vが所定の第1閾値以下であるときに循環路57を介して循環する気体の流量を増大させるが、これに限らず、循環路57を介して循環する気体の流量を増大させると共に、当該気体の流速を増大させてもよい。これにより、より短時間で電解質膜22を適正な加湿状態にすることができる。
次に、燃料極23と酸化剤極24との間の電圧Vが所定の第1閾値以下であるか否かを再度判定する(ステップS25)。再度の判定において電圧Vが所定の第1閾値以下であるときは(ステップS25:YES)、水素供給部25をパージし(ステップS26、図7の時刻t34)、その後動作を停止する(ステップS27)。通常、上記の気体の流量調整を行うことで電解質膜22を適正な加湿状態とすることができるが、何らかの原因で上記電圧Vが正常値まで回復しない場合がある。その場合、本ステップS27にて水素供給部25をパージすることで、電解質膜22の水分がパージによって排出され、上記電圧Vを所定の第1閾値以上の正常値まで回復させることが可能となる。
ステップS23において電圧Vが所定の第1閾値よりも大きいか(ステップS23:NO)、又は、ステップS25の再度の判定において電圧Vが第1所定の閾値よりも大きい場合には(ステップS25:NO)、ステップS21の処理に戻る。また、必要に応じて後述する終了制御に移行する。
水素供給部25のパージ方法は、特に制限されないが、例えば宇宙空間では、水素排出路43に不図示のキャピラリを設け、キャピラリを介して水素を宇宙空間に開放する。燃料電池装置2は、通常、人が活動する与圧部に配置されるため、キャピラリの圧力損失により、水素排出路43の水素が徐々に減圧され、水素の急激な排出が防止される。これにより、簡便な構成で水素供給部25を安全にパージすることができる。
また、ステップS27では電圧Vが所定の第1閾値以下であるときに水素供給部25をパージするが、これに限らず、電圧Vが所定の第1閾値以下であるときに水素供給部25をパージすると共に、別途所定のタイミングで定期的に水素供給部25をパージしてもよい。パージの所定のタイミングは、特に制限されないが、例えば15分間隔である。
更に、水素導入路42や水素排出路43に不図示の保温部材を設けてもよい。これにより、水素供給部25のパージによって生じうる結露や凍結を防止して、より安全かつ確実にパージすることが可能となる。
上述したように、本定常運転制御によれば、燃料極23と酸化剤極24との間のインピーダンスZが所定の閾値よりも大きいときに(ステップS21:YES)、循環路57を介して循環する気体の流量を減少させる(ステップS22)。また、インピーダンスZが所定の閾値以下であるときには(ステップS21:NO)、燃料極23と酸化剤極24との間の電圧Vが所定の第1閾値以下であるか否かを判定し(ステップS23)、電圧Vが所定の第1閾値以下であるときに、循環路57を介して循環する気体の流量を増大させる。すなわち、インピーダンスZと電圧Vの双方を用いて、燃料電池装置2の発電時にドライアウト及びフラッティングのいずれが生じたかを正確に判断できるとともに、その判断結果に基づいて電解質膜22を適正な加湿状態にすることができる。したがって、フラッディングの発生とドライアウトの発生のいずれも防止して、良好な水バランスを保った発電を実現することが可能となる。
(緊急停止制御)
図8は、定常運転時における燃料電池装置2の緊急停止制御の一例を示すフローチャートである。本緊急停止制御は、上記定常運転制御と並行して、又は単独で実行される。本緊急停止方法の各工程は、上記定常運転制御と同様、制御部3によって実行することができる。
本緊急停止制御では、燃料電池装置2の異常発生として、燃料電池装置2の燃料電池スタック21の温度Tfが所定の閾値よりも大きい場合(ステップS31;YES)、水素供給部25で酸素を検出した場合(ステップS32;YES)、又は、燃料極23と酸化剤極24との間の電圧Vが所定の第2閾値よりも小さい場合(ステップS33;YES)に実行される。
温度Tfの所定の閾値は、特に制限されないが、例えば90〜100℃である。これにより燃料電池装置2の温度異常を検知して当該燃料電池装置2を安全に停止させることができる。水素供給部25の酸素の検出は、例えば水素供給部25に不図示の酸素センサを設けることで行うことができる。これにより燃料電池装置2での酸素の漏洩を検知して当該燃料電池装置2を安全に停止することができる。電圧Vの所定の第2閾値は、特に制限されないが、電圧Vの上記所定の第1閾値よりも低い値であり、例えば水素/酸素で発電している場合にはセル当たり400mV〜500mVである。これにより、万一燃料電池装置2によって水が大量に生成された場合に、燃料電池装置2を安全に停止することができる。
上記の異常発生の判定は、図7では連続して行われているが、それぞれが適宜なタイミングで並列に行われてもよい。
燃料電池スタック21の温度Tfが所定の閾値よりも大きいか、水素供給部25で酸素を検出したか、又は電圧Vが所定の第2閾値よりも小さいときは、先ず、燃料電池スタック21に接続された負荷4を小さくする(ステップS34)。例えば、制御部3から送信された異常信号に基づいて、負荷4(抵抗)を小さくする。
次いで、酸素供給部26への気体の供給を停止すると共に、酸素導入路52と酸素排出路53とを接続する循環路57を介した気体の循環を停止する(ステップS35)。例えば、酸素導入路52の上流に設けられた弁54を閉じて、酸素供給部26への気体の供給を停止する。また、酸素排出路53に設けられた三方弁56にて、酸素排出路53から循環路57への気体の供給を停止し、酸素排出路53から外部に気体を排出する。併せて循環路57の循環ポンプ58を停止してもよい。
更に、水素供給部25及び酸素供給部26を減圧する(ステップS36)。水素供給部25の減圧方法は、特に制限されないが、宇宙空間では、例えば上記のパージ方法と同様にして、水素排出路43を宇宙空間に開放し、水素を宇宙空間に排出することで行うことができる。酸素供給部26の減圧方法も、水素供給部25の減圧方法と同様、酸素排出路53を宇宙空間に開放し、気体を宇宙空間に排出することで行うことができる。これにより、水素供給部25に水素が残留してない状態とすることができ、また、酸素供給部26にも気体が残留してない状態とすることができる。
本緊急停止方法によれば、燃料電池装置2の定常運転時に緊急を要する事態が生じた場合に、燃料電池装置2を安全に停止することができる。
尚、上記に掲げた3種類の異常発生のうちの少なくとも2つを満たすときに、燃料電池スタック21に接続された負荷4を小さくし、酸素供給部26への気体の供給を停止すると共に、循環路57を介した気体の循環を停止し、更に水素供給部25及び酸素供給部26を減圧してもよい。これにより、緊急停止の条件をより厳しくすることができ、誤検知による緊急停止を防止することができる。
[終了制御]
図9は、図1の燃料電池システム1で実行される燃料電池装置2の終了制御の一例を示すフローチャートである。図10は、図8の燃料電池装置2の終了制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。本終了制御の各工程は、上記起動運転と同様、制御部3によって実行することができる。
定常運転制御が実行されている(図7の時刻t30〜t31)燃料電池装置2の運転終了時には、先ず負荷4を下げ(ステップS41、図10の時刻t21〜t22)、その後、水素排出路43を開放して燃料極23の水素供給部25をパージすると共に、酸素排出路53を開放して酸化剤極24の酸素供給部26をパージする(ステップS42、図10の時刻t22)。水素供給部25のパージ方法及び酸素供給部26のパージ方法は、例えば上記のパージ方法と同様にして行うことができる。これにより水素供給部25内の水素が外部に排出されると共に、酸素供給部26内の気体が外部に排出される。
ステップS42のパージを解除した後(図10の時刻t23)、燃料極23と酸化剤極24との間の電圧Vを測定し、電圧Vが所定の閾値Vsよりも大きいか否かを判定する(ステップS43)。電圧Vの所定の閾値Vsは、電極の触媒が酸化されない電圧であれば特に制限されないが、例えばセル当たり300mVである。電圧Vが上記所定の閾値Vsよりも大きいときには(ステップS43:YES)、電圧Vが所定の閾値Vs以下になるまで、燃料電池装置2での発電を継続する(ステップS44、図10の時刻t23〜t24)。燃料極23の水素供給部25及び酸化剤極24の酸素供給部26は共にパージされているため、本ステップでの発電により、燃料極23と酸化剤極24との間の電圧Vを低下させることができる。
電圧Vが上記所定の閾値Vs以下であるときは(ステップS43:NO)、水素供給部25及び酸素供給部26を減圧する(ステップS45、図10の時刻t24)。水素供給部25の減圧方法及び酸素供給部26の減圧方法は、上記の減圧方法と同様にして行うことができる。これにより、水素供給部25に水素がほぼ残留してない状態とすることができ、また、酸素供給部26にも気体がほぼ残留してない状態とすることができる。
その後、必要に応じて、燃料極23と酸化剤極24とを短絡し(ステップS46、図10の時刻t25)、本処理を終了する。これにより、燃料極23と酸化剤極24の電位差を確実に0にすることができる。燃料極23と酸化剤極24の短絡は、例えば燃料電池装置2に対して不図示のスイッチを電気的に並列接続し、スイッチをオンにすることで行うことができる。
電圧Vが前記所定の閾値Vs以下にあるときに(ステップS43:NO)、水素供給部25及び酸素供給部26に水素あるいは不活性ガスを充てんしてもよい。酸素供給部26に水素を充てんする際には、例えば水素導入路42から連結流路45を介して酸素導入路52に水素を送出することができる。これにより燃料電池装置2の電極、特に酸化剤極24の触媒がより酸化されない状態を維持することができる。また、電圧Vが十分に低い状態で水素供給部25及び酸素供給部26に水素を充てんするので、燃焼を含む酸化反応に因る触媒の劣化を回避することができる。
水素供給部25及び酸素供給部26に充てんされた水素等は、次回の起動時に、上記起動制御のステップS11(図4)で行われる減圧により、外部に排出することができる。
水素供給部25及び酸素供給部26への水素等の充てんは、電圧Vが上記所定の閾値Vs以下であって、水素供給部25及び酸素供給部26を減圧する前に行ってもよいし、電圧Vが上記所定の閾値Vs以下であって、水素供給部25及び酸素供給部26を減圧した後に行ってもよい。
また、燃料極23と酸化剤極24との短絡は、水素供給部25及び酸素供給部26に水素あるいは不活性ガスを充てんした後に行ってもよい。これにより、燃焼に因る触媒の劣化を確実に回避することができる。
上述したように、本終了制御によれば、燃料極23の水素供給部25をパージすると共に、酸化剤極24の酸素供給部26をパージし(ステップS42)、燃料極23と酸化剤極24との間の電圧Vが所定の閾値Vsよりも大きいときに、燃料電池装置2での発電を継続し(ステップS44)、電圧Vが所定の閾値Vs以下であるときに、水素供給部25及び酸素供給部26を減圧するので(ステップS45)、水素供給部25に水素がほぼ残留せず、また、酸素供給部26に気体がほぼ残留してない状態で燃料電池装置2の運転を終了することができ、次回の起動時まで燃料電池装置2を安全な状態で保管することができ、また、次回の起動時にも安全に燃料電池装置2を起動することができる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、本燃料電池システム及び燃料電池装置の制御方法は、宇宙用としては、月探査に用いられるローバーなどの車両に適用することができる。また、地上用としては、燃料電池車をはじめとする、重力環境下で使用される車両などの移動体に適用することができる。
また、本燃料電池装置で行われる水素の酸化反応と、水の分解反応とを組み合わせることにより、可逆的に発電を繰り返して行うことが可能となり、非常に有用な再生型燃料電池システムを構築することができる。特に、地上用では、再生可能エネルギーの貯蔵、運搬用水素製造に上記システムを適用することができる。
1 燃料電池システム
2 燃料電池装置
3 制御部
4 負荷
5 インピーダンス測定部
6 電圧測定部
7 電流測定部
8 バッテリ
21 燃料電池スタック
21A 燃料電池セル
22 電解質膜
23 燃料極
24 酸化剤極
25 水素供給部
26 酸素供給部
27 セパレータ
28 水素供給口
29 酸素排出口
30 水素排出口
31 酸素供給口
32 燃料極側部分
33 酸化剤極側部分
34 水素入口
35 水素出口
36 酸素入口
37 酸素出口
38A 流路パターン
38B 流路パターン
39A 流路パターン
38B 流路パターン
41 水素供給源
41A 水素タンク
42 水素導入路
43 水素排出路
44 三方弁
45 連結流路
46 水素圧測定部
47 弁
51 酸素供給源
51B 酸素タンク
52 酸素導入路
53 酸素排出路
54 弁
55 気体圧測定部
56 三方弁
57 循環路
58 循環ポンプ
59 圧力調整部
60 流量測定部
61 凝縮器
62 除湿器
63 水回収タンク
71 水素被覆部
72 水素導入部
73 キャピラリポート
73a 下流側先端部
73b 上流側端部
74 パージポート
75 水素排出部
76 水素供給側部分
76a 溝
77 中性子遮蔽部材
78 吸湿部材
81 温度測定部
82 温度調節部

Claims (13)

  1. 電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟み込み、前記燃料極の水素供給部に水素を供給し、前記酸化剤極の気体供給部に酸素を含む気体を供給して発電を行う燃料電池セルと、
    前記燃料電池セルを覆って配置され、内部に水素を充てん可能に構成された水素被覆部と、
    前記水素被覆部に水素を導入する水素導入部と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 前記水素被覆部から水素を排出する水素排出部を更に備え、
    前記水素被覆部の内部空間が、前記水素供給部と連通しており、
    前記水素導入部から前記水素被覆部に水素を導入することにより、前記水素供給部に水素が供給される、請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記水素被覆部と前記燃料電池セルとの間に設けられた中性子遮蔽部材を更に備える、請求項1に記載の燃料電池システム。
  4. 前記中性子遮蔽部材は、重金属を含有する材料で構成される、請求項3に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池セルと連通し、前記燃料電池セル内で生成した水を前記水素被覆部の外部に排出するポートを更に備える、請求項1に記載の燃料電池システム。
  6. 前記ポートの下流側端部が、キャピラリ形状を有する、請求項5に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池セルに取り付けられた吸湿部材を更に備え、
    前記ポートの上流側端部が、前記吸湿部材に当接するか又はその近傍に配置される、請求項5に記載の燃料電池システム。
  8. 前記水素被覆部内が水素によって加圧された状態で保持される、請求項1に記載の燃料電池システム。
  9. 前記気体供給部の気体排出路に接続され、一の水回収タンクから他の水回収タンクに切り替え可能に構成された除湿器を更に備え、
    前記燃料電池セルに接続された負荷への通電時間と電流値の積に基づいて前記水回収タンクが切り替えられる、請求項1に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池セルの温度を測定する温度測定部と、
    前記燃料電池セルの温調を行う温度調節部と、を更に備える、請求項1に記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃料電池セルに電気的に並列接続されたバッテリを更に備える、請求項1に記載の燃料電池システム。
  12. 前記燃料極、前記電解質膜及び前記酸化剤極が、鉛直方向に沿ってこの順に積層される、請求項1に記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料極が、前記電解質膜の下方に配置される、請求項12に記載の燃料電池システム。
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