JP2022106335A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧な電源を用いることなく燃料電池システムを運転させる。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２１と、燃料電池スタック２１に空気を圧送するとともに燃料電池スタック２１から給電される第１エアーコンプレッサー４１と、駆動電圧が第１エアーコンプレッサー４１の駆動電圧よりも低く、燃料電池スタック２１に空気を圧送する第２エアーコンプレッサー４５と、第２エアーコンプレッサー４５に給電する補助電源４７と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来から、例えば下記特許文献１から３に示されるような、燃料電池スタックを備える燃料電池システムが知られている。燃料電池スタックは、燃料ガスと、空気中の酸素と、を反応させて発電する。空気は、エアーコンプレッサーによって燃料電池スタックに圧送される。

特開２０１８－１１６８５５号公報 特開２００６－２６９３７１号公報 特開２００５－１０８７５１号公報

上記燃料電池システムにおいて、本願発明者は以下の課題を見出した。すなわち、燃料電池スタックの発電容量を高めるためには、エアーコンプレッサーの吐出能力を高める必要がある。この場合、エアーコンプレッサーの駆動電力が高まる。これに伴って、エアーコンプレッサーを駆動させるための電源も高電圧化が求められる。しかしながら、電源は低電圧であることが望まれる。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、高電圧な電源を用いることなく燃料電池システムを運転させることを目的とする。

＜１＞本発明の一態様に係る燃料電池システム（例えば、実施形態での燃料電池システム１０）は、燃料電池スタック（例えば、実施形態での燃料電池スタック２１）と、前記燃料電池スタックに空気を圧送するとともに前記燃料電池スタックから給電される第１エアーコンプレッサー（例えば、実施形態での第１エアーコンプレッサー４１）と、駆動電圧が前記第１エアーコンプレッサーの駆動電圧よりも低く、前記燃料電池スタックに空気を圧送する第２エアーコンプレッサー（例えば、実施形態での第２エアーコンプレッサー４５）と、前記第２エアーコンプレッサーに給電する補助電源（例えば、実施形態での補助電源４７）と、を備えている。

燃料電池システムの起動時には、例えば、人または制御装置が、第２エアーコンプレッサーを運転させて第２エアーコンプレッサーから燃料電池スタックに空気を供給する。ここで、第２エアーコンプレッサーの駆動電圧が第１エアーコンプレッサーの駆動電圧よりも低い。そのため、第２エアーコンプレッサーに給電する補助電源は低電圧の電源で足りる。
燃料電池スタックが発電し始めた後には、例えば、人または制御装置が、第１エアーコンプレッサーを運転させて第２エアーコンプレッサーを停止させる。そして、例えば、人または制御装置が、第１エアーコンプレッサーから燃料電池スタックに空気を供給する。よって、燃料電池スタックが発電し始め、燃料電池スタックがより多くの空気を求めるときには、駆動電圧が第２エアーコンプレッサーの駆動電圧よりも高い第１エアーコンプレッサーから、燃料電池スタックに多くの空気を圧送することができる。ここで、第１エアーコンプレッサーには、燃料電池スタックから給電される。よって、第１エアーコンプレッサーに給電するときにも、高電圧な電源は必要としない。
以上より、本態様に係る燃料電池システムによれば、高電圧な電源を用いることなく燃料電池システムを運転させることができる。

＜２＞上記＜１＞に係る燃料電池システムでは、前記第１エアーコンプレッサーから吐出された空気が前記第２エアーコンプレッサーに流入すること、および、前記第２エアーコンプレッサーから吐出された空気が前記第１エアーコンプレッサーに流入することを規制する弁機構（例えば、実施形態での弁機構４０）が更に備えられている、構成を採用してもよい。

第１エアーコンプレッサーから吐出された空気が第２エアーコンプレッサーに流入すること、および、第２エアーコンプレッサーから吐出された空気が第１エアーコンプレッサーに流入することを、弁機構が規制する。よって、各エアーコンプレッサーから吐出される空気が予期せず他のエアーコンプレッサーに流入することが抑えられる。その結果、燃料電池システムが安定して運転される。

＜３＞上記＜１＞または＜２＞に係る燃料電池システムでは、前記第１エアーコンプレッサーおよび前記第２エアーコンプレッサーを制御する制御装置（例えば、実施形態での制御装置５１）を更に備え、前記制御装置は、前記燃料電池システムの起動時に、前記第２エアーコンプレッサーを運転させて前記第２エアーコンプレッサーから前記燃料電池スタックに空気を供給し、前記燃料電池スタックが発電し始めた後、前記第１エアーコンプレッサーを運転させて前記第２エアーコンプレッサーを停止させ、前記第１エアーコンプレッサーから前記燃料電池スタックに空気を供給する、構成を採用してもよい。

制御装置が、第１エアーコンプレッサーおよび第２エアーコンプレッサーを制御する。したがって、第１エアーコンプレッサーと第２エアーコンプレッサーとを円滑に切り替えることができる。その結果、燃料電池システムが安定して運転される。

本発明によれば、高電圧な電源を用いることなく燃料電池システムを運転させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。

以下、図１を参照し、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０を説明する。
実施形態の燃料電池システム１０は、例えば、定置型である。定置型の燃料電池システム１０は、移動体に搭載されない。ただし、燃料電池システム１０は、船舶や、ディーゼル区間を有する鉄道などの移動体にも好適に適用可能である。この燃料電池システム１０が好適に適用される移動体としては、この燃料電池システム１０の他には電源を有さない移動体が挙げられる。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２１と、燃料タンク３１と、第１エアーコンプレッサー４１と、第２エアーコンプレッサー４５と、補助電源４７と、弁機構４０と、制御装置５１と、を備えている。

燃料電池スタック２１は、例えば、固体高分子形燃料電池である。例えば、固体高分子形燃料電池は、積層された複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの積層体を挟み込む一対のエンドプレートとを備える。燃料電池セルは、電解質電極構造体と、電解質電極構造体を挟み込む一対のセパレータと備える。電解質電極構造体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟み込む燃料極及び酸素極とを備える。固体高分子電解質膜は、陽イオン交換膜等を備える。燃料極（アノード）は、アノード触媒及びガス拡散層等を備える。酸素極（カソード）は、カソード触媒及びガス拡散層等を備える。

燃料電池スタック２１は、燃料タンク３１からアノードに供給される燃料ガスと、エアーコンプレッサー４１、４５からカソードに供給される酸素を含む空気等の酸化剤ガスとの触媒反応によって発電する。
燃料タンク３１は、例えば水素等の燃料を貯留する。燃料タンク３１は、開閉弁３２を介して燃料電池スタック２１のアノードに接続されている。燃料タンク３１は、燃料を燃料電池スタック２１に供給する。開閉弁３２は、燃料電池スタック２１に対する燃料の供給有無及び圧力等を切り替える。

第１エアーコンプレッサー４１および第２エアーコンプレッサー４５はそれぞれ、燃料電池システム１０の発電時に燃料電池スタック２１のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給する。第１エアーコンプレッサー４１および第２エアーコンプレッサー４５はそれぞれ、燃料電池スタック２１のカソードに接続されている。第１エアーコンプレッサー４１および第２エアーコンプレッサー４５はそれぞれ、燃料電池スタック２１に空気を圧送する。

以下では、第１エアーコンプレッサー４１および第２エアーコンプレッサー４５それぞれから燃料電池スタック２１に供給される空気の流れについて、第１エアーコンプレッサー４１および第２エアーコンプレッサー４５それぞれから燃料電池スタック２１に向かう方向を下流といい、その反対を上流という。

第２エアーコンプレッサー４５の駆動電圧は、第１エアーコンプレッサー４１の駆動電圧よりも低い。第１エアーコンプレッサー４１の駆動電圧は、例えば１００～４００Ｖである。第２エアーコンプレッサー４５の駆動電圧は、例えば１２～４８Ｖ、好ましくは４８Ｖである。
第１エアーコンプレッサー４１は、燃料電池スタック２１から給電される。第１エアーコンプレッサー４１と燃料電池スタック２１とは、給電可能に接続されている。

第２エアーコンプレッサー４５は、補助電源４７から給電される。第２エアーコンプレッサー４５と補助電源４７とは、給電可能に接続されている。
補助電源４７は、燃料電池スタック２１とは独立した電源である。補助電源４７としては、例えば鉛蓄電池（鉛バッテリー）などが挙げられる。補助電源４７は、燃料電池システム１０の起動時に用いられる起動用の電源である。

弁機構４０は、第１エアーコンプレッサー４１から吐出された空気が第２エアーコンプレッサー４５に流入することを規制する。弁機構４０は、第２エアーコンプレッサー４５から吐出された空気が第１エアーコンプレッサー４１に流入することも規制する。本実施形態では、弁機構４０が、第１開閉弁４２と、第２開閉弁４６と、を備えている。

第１開閉弁４２は、第１エアーコンプレッサー４１の下流に配置されている。第２開閉弁４６は、第２エアーコンプレッサー４５の下流に配置されている。第１開閉弁４２および第２開閉弁４６はいずれも、第１エアーコンプレッサー４１が吐出する空気と、第２エアーコンプレッサー４５が吐出する空気と、の合流点よりも上流に配置されている。なお弁機構４０は、第１開閉弁４２および第２開閉弁４６を備えていなくてもよい。例えば、弁機構４０が、前記合流点に配置された三方弁であってもよい。

制御装置５１は、燃料電池システム１０の動作を統合的に制御する。
制御装置５１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵなどのプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びタイマーなどの電子回路を備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置５１の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路であってもよい。

制御装置５１は、各構成を制御する。本実施形態では、制御装置５１は、燃料電池スタック２１、開閉弁３２、第１エアーコンプレッサー４１、第２エアーコンプレッサー４５、補助電源４７、弁機構４０それぞれに接続されている。制御装置５１は、燃料電池スタック２１、開閉弁３２、第１エアーコンプレッサー４１、第２エアーコンプレッサー４５、補助電源４７、弁機構４０それぞれを制御する。

次に、上記燃料電池システム１０の起動方法（運転方法）の一例を説明する。

燃料電池システム１０の起動時には、制御装置５１が、第２エアーコンプレッサー４５を運転させて第２エアーコンプレッサー４５から燃料電池スタック２１に空気を供給する。ここで、第２エアーコンプレッサー４５の駆動電圧が第１エアーコンプレッサー４１の駆動電圧よりも低い。そのため、第２エアーコンプレッサー４５に給電する補助電源４７は低電圧の電源で足りる。
なおこのとき、制御装置５１は、第２開閉弁４６を開弁し、かつ、第１開閉弁４２を閉弁しておく。これにより、第２エアーコンプレッサー４５から吐出される空気が、第１エアーコンプレッサー４１に流入しない。

燃料電池スタック２１が発電し始めた後には、制御装置５１が、第１エアーコンプレッサー４１を運転させて第２エアーコンプレッサー４５を停止させる。そして、制御装置５１が、第１エアーコンプレッサー４１から燃料電池スタック２１に空気を供給する。よって、燃料電池スタック２１が発電し始め、燃料電池スタック２１がより多くの空気を求めるときには、駆動電圧が第２エアーコンプレッサー４５の駆動電圧よりも高い第１エアーコンプレッサー４１から、燃料電池スタック２１に多くの空気を圧送することができる。ここで、第１エアーコンプレッサー４１には、燃料電池スタック２１から給電される。よって、第１エアーコンプレッサー４１に給電するときにも、高電圧な電源は必要としない。
なおこのとき、制御装置５１は、第１開閉弁４２を開弁し、かつ、第２開閉弁４６を閉弁しておく。これにより、第１エアーコンプレッサー４１から吐出される空気が、第２エアーコンプレッサー４５に流入しない。

なお、第２エアーコンプレッサー４５から第１エアーコンプレッサー４１に切り替えるタイミングは、例えば、燃料電池スタック２１が、所定の電圧以上の発電を開始したタイミングなどであってもよい。前記所定の電圧は、例えば、第１エアーコンプレッサー４１の駆動電圧以上である。前記所定の電圧は、例えば、制御装置５１に予め記憶されている。
また、第２エアーコンプレッサー４５から第１エアーコンプレッサー４１に切り替えるタイミングは、上記タイミングの他、例えば、第２エアーコンプレッサー４５が運転し始めた後、所定時間が経過したタイミングであってもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、高電圧な電源を用いることなく燃料電池システム１０を運転させることができる。

第１エアーコンプレッサー４１から吐出された空気が第２エアーコンプレッサー４５に流入すること、および、第２エアーコンプレッサー４５から吐出された空気が第１エアーコンプレッサー４１に流入することを、弁機構４０が規制する。よって、各エアーコンプレッサー４１、４５から吐出される空気が予期せず他のエアーコンプレッサー４１、４５に流入することが抑えられる。その結果、燃料電池システム１０が安定して運転される。

制御装置５１が、第１エアーコンプレッサー４１および第２エアーコンプレッサー４５を制御する。したがって、第１エアーコンプレッサー４１と第２エアーコンプレッサー４５とを円滑に切り替えることができる。その結果、燃料電池システム１０が安定して運転される。

なお、上述した実施形態では、制御装置５１が第１エアーコンプレッサー４１と第２エアーコンプレッサー４５とを切り替えたが、制御装置５１に代えて人が切り替えてもよい。この場合、例えば、燃料電池システム１０に設けられた操作パネルを介して、人が制御信号を入力して各種構成を制御してもよい。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０ 燃料電池システム
２１ 燃料電池スタック
４０ 弁機構
４１ 第１エアーコンプレッサー
４５ 第２エアーコンプレッサー
４７ 補助電源
５１ 制御装置

Claims (3)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに空気を圧送するとともに前記燃料電池スタックから給電される第１エアーコンプレッサーと、
   駆動電圧が前記第１エアーコンプレッサーの駆動電圧よりも低く、前記燃料電池スタックに空気を圧送する第２エアーコンプレッサーと、
   前記第２エアーコンプレッサーに給電する補助電源と、を備えている、燃料電池システム。
2. 前記第１エアーコンプレッサーから吐出された空気が前記第２エアーコンプレッサーに流入すること、および、前記第２エアーコンプレッサーから吐出された空気が前記第１エアーコンプレッサーに流入することを規制する弁機構が更に備えられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１エアーコンプレッサーおよび前記第２エアーコンプレッサーを制御する制御装置を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記第２エアーコンプレッサーを運転させて前記第２エアーコンプレッサーから前記燃料電池スタックに空気を供給し、
   前記燃料電池スタックが発電し始めた後、前記第１エアーコンプレッサーを運転させて前記第２エアーコンプレッサーを停止させ、前記第１エアーコンプレッサーから前記燃料電池スタックに空気を供給する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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