JP7264932B2 - 燃料電池システムの運転方法および燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムの運転方法および燃料電池システムに関する。
従来、燃料電池スタックは、発電機、電気自動車等に適用されている。
燃料電池スタックを構成する燃料電池は、一般に、水素極（アノード）および酸素極（カソード）により固体高分子電解質膜が挟持されており、水素極に水素ガスを供給し、酸素極に空気を供給して発電する。このとき、タンクに貯蔵されている液体水素を気化した後、水素ガスを水素極に供給するが、外部からタンクに侵入した熱により、液体水素が気化してボイルオフガスが発生する。これにより、タンク内の圧力が上昇するため、タンク内のボイルオフガスを排出する必要がある。
そこで、タンクから排出されたボイルオフガスを昇圧して貯蔵した後、水素極に供給して発電する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３－５６７９９号公報
ここで、燃料電池スタックの待機中に、外部から水素極に空気が侵入するが、この状態で、燃料電池スタックを起動すると、燃料電池スタックが劣化するという課題がある。
本発明は、燃料電池スタックの劣化を抑制することが可能な燃料電池システムの運転方法および燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、燃料電池スタックと、液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵部と、前記液体水素貯蔵部から発生するボイルオフガスを回収するボイルオフガス回収部と、前記燃料電池スタックの待機中の水素極の水素濃度を推定する水素濃度推定部と、を備える燃料電池システムを運転する方法であって、前記燃料電池スタックの待機中の水素極の水素濃度が所定値未満になると、前記ボイルオフガス回収部に回収されているボイルオフガスを前記燃料電池スタックの水素極に供給する。
上記の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池スタックの待機中の水素極の水素濃度が所定値未満になると、前記ボイルオフガス回収部に回収されているボイルオフガスを前記燃料電池スタックの水素極に供給して前記燃料電池スタックを起動してもよい。
前記燃料電池システムは、複数の前記燃料電池スタックおよび前記水素濃度推定部を備え、前記水素極の水素濃度が所定値未満である前記燃料電池スタックが２個以上存在する場合に、前記ボイルオフガス回収部に回収されているボイルオフガスを水素極に供給する燃料電池スタックを順次切り替えてもよい。
前記燃料電池システムは、前記ボイルオフガスを燃焼させて前記燃料電池スタックの環境を加熱する加熱部と、前記燃料電池スタックの待機中の環境の温度を検知する温度検知部と、をさらに備え、前記燃料電池スタックの待機中の環境の温度が所定値未満になると、前記ボイルオフガス回収部に回収されているボイルオフガスを前記加熱部に供給してもよい。
本発明の他の一態様は、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックと、液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵部と、前記液体水素貯蔵部から発生するボイルオフガスを回収するボイルオフガス回収部と、前記燃料電池スタックの待機中の水素極の水素濃度を推定する水素濃度推定部と、前記液体水素貯蔵部から放出され、気化される水素ガスおよび前記ボイルオフガス回収部に回収されるボイルオフガスを昇圧する昇圧部と、前記昇圧された水素ガスを貯蔵し、貯蔵された水素ガスを前記燃料電池スタックの水素極に供給することが可能な水素ガス貯蔵部と、前記ボイルオフガス回収部を経由して、前記液体水素貯蔵部と前記昇圧部とを接続する第一流路と、前記ボイルオフガス回収部をバイパスして、前記液体水素貯蔵部と前記昇圧部とを接続する第二流路と、前記水素ガス貯蔵部を経由して、前記昇圧部と前記燃料電池スタックの水素極とを接続する第三流路と、前記水素ガス貯蔵部をバイパスして、前記昇圧部と前記燃料電池スタックの水素極とを接続する第四流路と、前記第一流路の前記ボイルオフガス回収部と前記昇圧部との間に設けられている第一弁体と、前記第二流路の前記液体水素貯蔵部と前記昇圧部との間に設けられている第二弁体と、前記第三流路の前記昇圧部と前記水素ガス貯蔵部との間に設けられている第三弁体と、前記第四流路の前記昇圧部と前記燃料電池スタックの水素極との間に設けられている第四弁体と、を備える。
上記の燃料電池システムは、前記第三流路の前記第三弁体の下流側に、前記昇圧されたボイルオフガスを貯蔵するボイルオフガス貯蔵部および弁体が順次設けられていてもよい。
前記水素ガス貯蔵部は、カードルであってもよい。
上記の燃料電池システムは、複数の前記燃料電池スタックおよび前記水素濃度推定部を備え、前記第三流路と複数の前記燃料電池スタックとを接続する第一の分岐流路と、前記第四流路と複数の前記燃料電池スタックとを接続する第二の分岐流路と、前記第一の分岐流路および前記第一の分岐流路の分岐部に、それぞれ設けられている複数の弁体と、をさらに備えていてもよい。
上記の燃料電池システムは、前記ボイルオフガスを燃焼させて前記燃料電池スタックの環境を加熱する加熱部と、前記燃料電池スタックの待機中の環境の温度を検知する温度検知部と、をさらに備え、前記第一流路は、前記ボイルオフガス回収部を経由して、前記液体水素貯蔵部と前記昇圧部および前記加熱部とを接続し、前記第一流路の前記ボイルオフガス回収部と前記加熱部との間に設けられている弁体をさらに備えていてもよい。
本発明によれば、燃料電池スタックの劣化を抑制することが可能な燃料電池システムの運転方法および燃料電池システムを提供することができる。
本実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図１の燃料電池システムの変形例を示す図である。 本実施形態の燃料電池システムの他の例を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態の燃料電池システムの一例を示す。
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と、液体水素タンク１２と、ボイルオフガスタンク１３と、水素濃度推定部１４と、圧縮機１５と、蓄圧タンク１６（例えば、カードル）と、制御部（例えば、コンピュータ）と、を備える。ここで、液体水素タンク１２は、液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵部として、機能し、ボイルオフガスタンク１３は、液体水素タンク１２から発生するボイルオフガスを回収するボイルオフガス回収部として、機能する。また、水素濃度推定部１４は、燃料電池スタック１１の待機中の水素極の水素濃度を推定する。さらに、圧縮機１５は、液体水素タンク１２から放出され、気化される水素ガスおよびボイルオフガスタンク１３に回収されるボイルオフガスを昇圧する昇圧部として、機能する。また、蓄圧タンク１６は、昇圧された水素ガスを貯蔵し、貯蔵された水素ガスを燃料電池スタック１１の水素極に供給することが可能な水素ガス貯蔵部として、機能する。
燃料電池システム１０は、配管１７ａと、配管１７ｂと、配管１７ｃと、配管１７ｄと、を備える。ここで、配管１７ａは、ボイルオフガスタンク１３を経由して、液体水素タンク１２と圧縮機１５とを接続する第一流路として、機能し、配管１７ｂは、ボイルオフガスタンク１３をバイパスして、液体水素タンク１２と圧縮機１５とを接続する第二流路として、機能する。また、配管１７ｃは、蓄圧タンク１６を経由して、圧縮機１５と燃料電池スタック１１の水素極とを接続する第三流路として、機能し、配管１７ｄは、蓄圧タンク１６をバイパスして、圧縮機１５と燃料電池スタック１１の水素極とを接続する第四流路として、機能する。配管１７ｃおよび１７ｄは、分岐配管を形成しており、分岐配管の下流側が共通しているが、分岐配管の分岐している領域における配管１７ｃに蓄圧タンク１６が設けられている。
なお、配管１７ｃおよび１７ｄを分岐配管とせずに、それぞれ独立した配管としてもよい。
燃料電池システム１０は、バルブ１８ａと、バルブ１８ｂと、バルブ１８ｃと、バルブ１８ｄと、を備える。ここで、バルブ１８ａは、配管１７ａのボイルオフガスタンク１３と圧縮機１５との間に設けられている第一弁体として、機能し、バルブ１８ｂは、配管１７ｂの液体水素タンク１２と圧縮機１５との間に設けられている第二弁体として、機能する。また、バルブ１８ｃは、配管１７ｃの圧縮機１５と蓄圧タンク１６との間に設けられている第三弁体として、機能し、バルブ１８ｄは、分岐配管の分岐している領域における配管１７ｄの圧縮機１５と燃料電池スタック１１の水素極との間に設けられている第四弁体として、機能する。
このとき、バルブ１８ａおよび１８ｄを開状態とし、バルブ１８ｂおよび１８ｃを閉状態とすると、ボイルオフガスタンク１３に回収されるボイルオフガスは、圧縮機１５で昇圧された後、燃料電池スタック１１の水素極に供給される。また、バルブ１８ａおよび１８ｄを閉状態とし、バルブ１８ｂおよび１８ｃを開状態とすると、液体水素タンク１２から放出され、気化される水素ガスは、圧縮機１５で昇圧された後、蓄圧タンク１６に供給される。
なお、分岐配管の分岐している領域における配管１７ｄのバルブ１８ｄの下流側に、第二ボイルオフガスタンクおよびバルブが順次設けられていてもよい。ここで、第二ボイルオフガスタンクは、昇圧されたボイルオフガスを貯蔵するボイルオフガス貯蔵部として、機能する。この場合、制御部は、第二ボイルオフガスタンクの下流側に設けられているバルブの開閉により、昇圧されたボイルオフガスの燃料電池スタック１１の水素極への供給を制御することができる。
燃料電池システム１０の待機時には、燃料電池スタック１１の待機中の水素極の水素濃度が所定値未満になると、昇圧されたボイルオフガスを燃料電池スタック１１の水素極に供給する。これにより、燃料電池スタック１１の待機中に外部から水素極に侵入した空気をボイルオフガスで置換することができるため、燃料電池スタック１１を起動しても、燃料電池スタック１１の劣化が抑制される。また、燃料電池スタック１１の待機中の水素極の水素濃度を高く維持することで、燃料電池スタック１１を起動する際に、ボイルオフガスを水素極に供給する時間を短くすることができる。さらに、ボイルオフガスを有効に利用することができる。このとき、昇圧されたボイルオフガスが水素極に供給された燃料電池スタック１１を起動してもよい。
水素濃度推定部１４は、例えば、リアルタイムクロックにより取得される燃料電池スタック１１の待機時間に基づいて、燃料電池スタック１１の待機中の水素極の水素濃度を推定することができる。この場合、制御部は、燃料電池スタック１１の待機時間が所定値を超えると、昇圧されたボイルオフガスを燃料電池スタック１１の水素極に供給するように制御する。
なお、水素濃度推定部１４は、燃料電池スタック１１の水素極に水素センサーを設けて、水素センサーで取得されたデータに基づいて、燃料電池スタック１１の待機中の水素極の水素濃度を推定してもよい。
図２に、燃料電池システム１０の変形例を示す。
燃料電池システム２０は、複数の燃料電池スタック１１Ａ、１１Ｂ、・・・および水素濃度推定部１４Ａ、１４Ｂ、・・・が設けられているとともに、分岐配管２１および複数のバルブ２２Ａ、２２Ｂ、・・・が設けられている以外は、燃料電池システム１０と同一の構成である。ここで、分岐配管２１は、配管１７ｃと燃料電池スタック１１Ａ、１１Ｂ、・・・の水素極とを接続する第一の分岐流路および配管１７ｄと燃料電池スタック１１Ａ、１１Ｂ、・・・の水素極とを接続する第二の分岐流路を兼ねる。また、バルブ２２Ａ、２２Ｂ、・・・は、開閉により、燃料電池スタック１１Ａ、１１Ｂ、・・・のうち、１個以上の水素極に、昇圧されたボイルオフガスおよび水素ガスを供給することができるように、分岐配管２１の分岐部に設けられている。例えば、燃料電池スタック１１Ａの水素極に、昇圧されたボイルオフガスおよび水素ガスを供給する場合は、バルブ２２Ａのみを開状態とし、それ以外のバルブ２２Ｂ、・・・を閉状態とする。
なお、燃料電池システム２０は、燃料電池スタックの水素極に、昇圧された水素ガスおよびボイルオフガスを供給する供給部（燃料電池システム１０の燃料電池スタック１１および水素濃度推定部１４以外の構成）を１個有しているが、供給部を複数個有していてもよい。
燃料電池システム２０を運転する際には、燃料電池スタック１１Ａ、１１Ｂ、・・・のいずれかの待機中の水素極の水素濃度が所定値未満になると、水素極の水素濃度が所定値未満である燃料電池スタックの水素極に、昇圧されたボイルオフガスを供給する。
ここで、水素極の水素濃度が所定値未満である燃料電池スタックが２個以上存在する場合は、昇圧されたボイルオフガスを水素極に供給する燃料電池スタックを順次切り替える。この場合、制御部は、水素極の水素濃度が低い燃料電池スタックから、順次昇圧されたボイルオフガスを水素極に供給するように制御してもよい。このとき、昇圧されたボイルオフガスが水素極に供給された燃料電池スタックを起動してもよい。
なお、昇圧されたボイルオフガスを水素極に供給する、２個以上の燃料電池スタックからなる燃料電池スタック群を順次切り替えてもよい。すなわち、燃料電池スタック群の水素極に昇圧されたボイルオフガスを供給する操作を繰り返してもよい。このとき、劣化度合いが小さい燃料電池スタック群から順次起動させてもよい。
燃料電池システム２０を用いると、１個以上の燃料電池スタックを輪番で待機させることができるため、燃料電池スタックの劣化が抑制される。
図３に、本実施形態の燃料電池システムの他の例を示す。
燃料電池システム３０は、ヒーター３２と、温度センサー３３と、をさらに備える以外は、燃料電池システム１０と略同一の構成である。ここで、ヒーター３２は、ボイルオフガスを燃焼させて燃料電池スタック１１の環境３１を加熱する加熱部として、機能し、温度センサー３３は、燃料電池スタック１１の待機中の環境の温度を検知する温度検知部として、機能する。また、配管１７ａは、ボイルオフガスタンク１３を経由して、液体水素タンク１２と圧縮機１５およびヒーター３２とを接続する。また、燃料電池システム３０は、配管１７ａのボイルオフガスタンク１３とヒーター３２との間に、バルブ３４が設けられている。
このとき、バルブ３４を閉状態とすると、燃料電池システム１０と同様にして、バルブ１８ａおよび１８ｄを開状態とし、バルブ１８ｂおよび１８ｃを閉状態とすると、ボイルオフガスタンク１３に回収されるボイルオフガスは、圧縮機１５で昇圧された後、燃料電池スタック１１の水素極に供給される。また、バルブ１８ａおよび１８ｄを閉状態とし、バルブ１８ｂおよび１８ｃを開状態とすると、液体水素タンク１２から放出され、気化される水素ガスは、圧縮機１５で昇圧された後、蓄圧タンク１６に供給される。さらに、バルブ３４を開状態とし、バルブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃおよび１８ｄを閉状態とすると、ボイルオフガスタンク１３に貯蔵されているボイルオフガスは、ヒーター３２に供給される。このとき、ボイルオフガスタンク１３に貯蔵されているボイルオフガスを昇圧した後に、ヒーター３２に供給してもよい。
燃料電池システム３０を運転する際には、燃料電池システム１０と同様にして、燃料電池スタック１１の待機中の水素極の水素濃度が所定値未満になると、昇圧されたボイルオフガスを燃料電池スタック１１の水素極に供給する。
また、燃料電池スタック１１の待機中の環境３１の温度が所定値（例えば、０℃）未満になると、ボイルオフガスタンク１３に回収されているボイルオフガスをヒーター３２に供給する。これにより、ボイルオフガスが燃焼して環境３１が加熱されて、環境３１の温度が上昇するため、燃料電池スタック１１の起動に要する時間が短くなる。その結果、燃料電池スタック１１を非常用発電機に適用しやすくなる。また、ボイルオフガスを有効に利用することができる。
この場合、制御部は、燃料電池スタック１１の待機中の環境３１の温度が所定値未満になると、ボイルオフガスタンク１３に回収されているボイルオフガスをヒーター３２に供給するように制御する。
なお、燃料電池システム３０を、燃料電池システム２０と同様にして、複数の燃料電池スタック１１Ａ、１１Ｂ、・・・および水素濃度推定部１４Ａ、１４Ｂ、・・・が設けられているとともに、分岐配管２１および複数のバルブ２２Ａ、２２Ｂ、・・・が設けられている構成に適用してもよい。
この場合、ヒーター３２を用いて、複数の燃料電池スタック１１Ａ、１１Ｂ、・・・の環境を一括して加熱してもよいし、複数の燃料電池スタック１１Ａ、１１Ｂ、・・・の環境を個別に加熱してもよい。また、一部のボイルオフガスをヒーター３２に供給するように制御し、残部のボイルオフガスを、水素極の水素濃度を高く維持するよう、燃料電池スタック１１の水素極に供給するように制御してもよい。
１０、２０、３０ 燃料電池システム
１１、１１Ａ、１１Ｂ 燃料電池スタック
１２ 液体水素タンク
１３ ボイルオフガスタンク
１４、１４Ａ、１４Ｂ 水素濃度推定部
１５ 圧縮機
１６ 蓄圧タンク
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 配管
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ バルブ
２１ 分岐配管
２２Ａ、２２Ｂ バルブ
３１ 環境
３２ ヒーター
３３ 温度センサー
３４ バルブ

Claims (10)

  1. 燃料電池スタックと、
    液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵部と、
    前記液体水素貯蔵部から発生するボイルオフガスを回収するボイルオフガス回収部と、
    前記燃料電池スタックの待機中の水素極の水素濃度を推定する水素濃度推定部と、
    前記ボイルオフガスを燃焼させて前記燃料電池スタックの環境を加熱する加熱部と、
    前記燃料電池スタックの待機中の環境の温度を検知する温度検知部と、を備える燃料電池システムを運転する方法であって、
    前記燃料電池スタックの待機中の水素極の水素濃度が所定値未満になると、前記ボイルオフガス回収部に回収されているボイルオフガスを前記燃料電池スタックの水素極に供給し、
    前記燃料電池スタックの待機中の環境の温度が所定値未満になると、前記ボイルオフガス回収部に回収されているボイルオフガスを前記加熱部に供給する、燃料電池システムの運転方法。
  2. 前記燃料電池スタックの待機中の水素極の水素濃度が所定値未満になると、前記ボイルオフガス回収部に回収されているボイルオフガスを前記燃料電池スタックの水素極に供給して前記燃料電池スタックを起動する、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
  3. 前記燃料電池システムは、複数の前記燃料電池スタックおよび前記水素濃度推定部を備え、
    前記水素極の水素濃度が所定値未満である前記燃料電池スタックが２個以上存在する場合に、前記ボイルオフガス回収部に回収されているボイルオフガスを水素極に供給する燃料電池スタックを順次切り替える、請求項１または２に記載の燃料電池システムの運転方法。
  4. 前記水素濃度推定部は、前記燃料電池スタックの待機時間に基づいて、前記燃料電池スタックの待機中の水素極の水素濃度を推定し、
    前記燃料電池スタックの待機時間が所定値を超えると、前記ボイルオフガス回収部に回収されているボイルオフガスを燃料電池スタックの水素極に供給する、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
  5. 前記燃料電池システムは、前記液体水素貯蔵部から放出され、気化される水素ガスおよび前記ボイルオフガス回収部に回収されるボイルオフガスを昇圧する昇圧部をさらに備え、
    前記燃料電池スタックの待機中の水素極の水素濃度が所定値未満になると、前記ボイルオフガス回収部に回収されているボイルオフガスを前記昇圧部で昇圧した後、前記燃料電池スタックの水素極に供給する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
  6. 燃料電池スタックと、
    液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵部と、
    前記液体水素貯蔵部から発生するボイルオフガスを回収するボイルオフガス回収部と、
    前記燃料電池スタックの待機中の水素極の水素濃度を推定する水素濃度推定部と、
    前記液体水素貯蔵部から放出され、気化される水素ガスおよび前記ボイルオフガス回収部に回収されるボイルオフガスを昇圧する昇圧部と、
    前記昇圧された水素ガスを貯蔵し、貯蔵された水素ガスを前記燃料電池スタックの水素極に供給することが可能な水素ガス貯蔵部と、
    前記ボイルオフガス回収部を経由して、前記液体水素貯蔵部と前記昇圧部とを接続する第一流路と、
    前記ボイルオフガス回収部をバイパスして、前記液体水素貯蔵部と前記昇圧部とを接続する第二流路と、
    前記水素ガス貯蔵部を経由して、前記昇圧部と前記燃料電池スタックの水素極とを接続する第三流路と、
    前記水素ガス貯蔵部をバイパスして、前記昇圧部と前記燃料電池スタックの水素極とを接続する第四流路と、
    前記第一流路の前記ボイルオフガス回収部と前記昇圧部との間に設けられている第一弁体と、
    前記第二流路の前記液体水素貯蔵部と前記昇圧部との間に設けられている第二弁体と、
    前記第三流路の前記昇圧部と前記水素ガス貯蔵部との間に設けられている第三弁体と、
    前記第四流路の前記昇圧部と前記燃料電池スタックの水素極との間に設けられている第四弁体と、を備える、燃料電池システム。
  7. 前記第四流路の前記第四弁体の下流側に、前記昇圧されたボイルオフガスを貯蔵するボイルオフガス貯蔵部および弁体が順次設けられている、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記水素ガス貯蔵部は、カードルである、請求項６または７に記載の燃料電池システム。
  9. 複数の前記燃料電池スタックおよび前記水素濃度推定部を備え、
    前記第三流路と複数の前記燃料電池スタックとを接続する第一の分岐流路と、
    前記第四流路と複数の前記燃料電池スタックとを接続する第二の分岐流路と、
    前記第一の分岐流路および前記第一の分岐流路の分岐部に、それぞれ設けられている複数の弁体と、をさらに備える、請求項６から８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記ボイルオフガスを燃焼させて前記燃料電池スタックの環境を加熱する加熱部と、
    前記燃料電池スタックの待機中の環境の温度を検知する温度検知部と、をさらに備え、
    前記第一流路は、前記ボイルオフガス回収部を経由して、前記液体水素貯蔵部と前記昇圧部および前記加熱部とを接続し、
    前記第一流路の前記ボイルオフガス回収部と前記加熱部との間に設けられている弁体をさらに備える、請求項６から９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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