JP2022106335A - 燃料電池システム - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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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