JPH09259909A

JPH09259909A - 燃料電池電源システム

Info

Publication number: JPH09259909A
Application number: JP8061469A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Muneuchi; 篤夫宗内; Soichiro Shimotori; 宗一郎霜鳥
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-03-18
Filing date: 1996-03-18
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】電源の制御が簡単でしかも配管も簡単にでき、
コンパクトな構成を有する燃料電池電源システムを提供
することを目的にしている。【解決手段】本発明では、多数の単セルから構成された
積層体１０１，１０２，１０３を複数用いて目的とする
電源システムを構成する際に生じるガス流体の複雑な制
御、および各積層体１０１，１０２，１０３への流体の
複雑な供給、排出を、簡単でしかも制御も簡単にするた
めに、各積層体１０１，１０２，１０３への、空気、燃
料ガス、冷却水の各々を一つの供給管２０１，２０２，
２０３から行い、また排出においても各積層体からの空
気、燃料ガス、冷却水の各々を一つの排出管３０１，３
０２，３０３に合流させ、この供給側、排出側の一つの
管に各種測定点４０１，４０２，４０３や制御手段４１
０を設けて制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン伝導性を有
する固体高分子を電解質とする固体高分子電解質燃料電
池等の燃料電池を用いた燃料電池電源システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、高効率のエネルギー変換装置とし
て、燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、これに
用いる電解質の種類により、例えばアルカリ型、固体高
分子電解質型、リン酸型等の低温作動燃料電池と、溶融
炭酸塩型、固体酸化物電解質型等の高温作動燃料電池と
に大別される。

【０００３】これら燃料電池の内、電解質としてプロト
ン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池
（ＰＥＦＣと記す。）は、コンパクトな構造で高出力密
度がえられ、かつ簡略なシステムで運転可能なことか
ら、宇宙用や車両用等の電源として注目されている。

【０００４】電解質として用いられる高分子膜として
は、パーフルオロカーボンスルホン酸膜（例えばナフィ
オン：商品名、デュポン社製）等が用いられる。このよ
うな高分子膜を用いたＰＥＦＣは、白金等の触媒を有す
る一対の多孔質電極すなわち燃料ガス極と酸化剤極とで
高分子膜を挟持するとともに両極の外側に燃料ガス室お
よび酸化剤ガス室を形成する溝付きの集電体を配したも
のを単セルとし、これに冷却および高分子膜を加湿する
ことを兼ねた冷却室とを配したものを複数積層すること
でＰＥＦＣ積層体を構成する。

【０００５】ところで、所定出力の電源を構成するため
には、ＰＥＦＣ積層体を複数用いて所定出力の電源とす
る。例えば車両用の電源として、６０ｋＷ程度の電源と
する場合には、１０ｋＷ程度の積層体を６個用いる。こ
の場合電圧として高電圧が必要なため積層体を直列に接
続して用いる。

【０００６】この場合、各々の積層体には反応ガスであ
る水素、空気、冷却のための冷却水を各々供給する必要
がある。このため、上記の例では、供給、排出管が３６
個必要となる。また各水素、空気、冷却のための冷却水
は各々流量、圧力、温度等が制御されなければならず、
３６個のパラメーターを制御しなくてはならず、複雑な
制御器が要求される。また、配管の数も多く、このため
コストおよびコンパクト性も犠牲になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、複数
の積層体を用いて電源を構成する場合に電源の制御が簡
単でしかも配管も簡単にでき、コンパクトな構成を有す
る燃料電池電源システムを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
すべく、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水が供給され且
つ燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水が排出されて、電力
を発生する複数の燃料電池積層体からなる電池本体と、
前記電池本体に供給すべき燃料ガス、酸化剤ガス及び冷
却水のうち少なくとも一つを前記燃料電池積層体夫々に
並列供給する並列供給機構と、前記記電池本体から排出
すべき燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水のうち少なくと
も一つを前記燃料電池積層体夫々から並列排出する並列
排出機構とを具備することを特徴とする燃料電池電源シ
ステム、である。

【０００９】本システムは、前記並列供給機構及び前記
並列排出機構のうち少なくとも一方に設けられた計測点
と、前記計測点において計測された前記燃料ガス、酸化
剤ガス及び冷却水のうち少なくとも一つの流体パラメー
タに基づき前記電池本体に対して供給若しくは排出すべ
き燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水のうち少なくとも一
つを制御する制御手段とを更に具備することができる。

【００１０】本システムは、前記並列供給機構及び前記
並列排出機構のうち少なくとも一方に設けられた計測点
と、前記計測点において計測された前記燃料ガスと酸化
剤ガスと冷却水とのうち少なくとも二つの圧力差に基づ
き前記電池本体に対して供給若しくは排出すべき燃料ガ
ス、酸化剤ガス及び冷却水のうち少なくとも一つを制御
する制御手段とを更に具備することができる。

【００１１】本システムは、前記並列供給機構の終端を
閉塞すると共に該閉塞部に設けられた計測点と、前記計
測点において計測された前記燃料ガス、酸化剤ガス及び
冷却水のうち少なくとも一つの流体パラメータに基づき
前記電池本体に対して供給若しくは排出すべき燃料ガ
ス、酸化剤ガス及び冷却水のうち少なくとも一つを制御
する制御手段とを更に具備することができる。

【００１２】本システムは、前記電池本体の各燃料電池
積層体から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスのうち少
なくとも一つから水分を取除く手段を更に具備すること
ができる。

【００１３】本システムは、前記電池本体の各燃料電池
積層体は電気的に直列接続されてなることができる。上
述したシステムにあって、多数の単セルから構成された
積層体を複数用いて電源を構成する場合に生じるガス流
体の複雑な制御、および各積層体への流体の複雑な供
給、排出を簡単でしかも制御も簡単にするために、各積
層体への酸化剤ガス、燃料ガス、冷却水の各々を一つの
供給管から行い、また、排出においても各積層体からの
酸化剤ガス、燃料ガス、冷却水の各々を一つの排出管に
合流させ、この供給側、排出側の一つの管に各種測定点
や制御手段を設け、当該流体を制御することで、制御を
簡単にしてかつ配管の数を少なく、コンパクト電源とす
るすことを特徴としている。

【００１４】本発明では、例えば、複数の積層体への適
正な制御された燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の供給、
および排出を６個（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の入
口、出口）の点で測定、制御しているので、従来より大
幅に簡単な制御器で行える。例えば積層体の数が５個の
場合、従来のように個々の積層体を制御する方法では、
一つのパラメーターに対して３０個の測定、および制御
を行うため、このためには複雑な制御器・パラメーター
モニター装置が必要であったが、本発明では、簡単な制
御器により行えるためプラントのコスト低減を行える。

【００１５】また、本発明では各積層電池からの配管
は、共通管までの長さで良いので、従来のようにプラン
トの入口、出口までの距離に比べて短くなるため、プラ
ント全体のコンパクト化、およびコスト低減を計ること
ができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下本発明に係る燃料電池電源シ
ステムを、燃料電池として固体高分子電解質型燃料電池
を用いた場合の例である好適実施形態について図面を参
照して説明する。

【００１７】本システムの第１実施形態は、図１に示す
ように、３つの積層体１０１，１０２，１０３により電
池本体が構成されている。なお、ここでは酸化剤ガスと
して空気を用いる。これら３つの積層体１０１，１０
２，１０３夫々は、積層体空気供給管１２１、積層体冷
却水供給管１２２、積層体燃料ガス供給管１２３、積層
体空気排出管１３１、積層体冷却水排出管１３２、積層
体燃料ガス排出管１３３を備え、また電力端子１１０
Ａ，１１０Ｂを備えている。

【００１８】積層体１０１，１０２，１０３夫々は、電
解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜
を用いたものであって、コンパクトな構造で高出力密度
が得られ、かつ簡略なシステムで運転可能なことから、
宇宙用や車両用等の電源として注目されているものであ
る。積層体１０１，１０２，１０３夫々は、白金等の触
媒を有する一対の多孔質電極すなわち燃料極と酸化剤極
とで高分子膜を挟持するとともに両極の外側に燃料ガス
室および酸化剤ガス室を形成する溝付きの集電体を配し
たものを単セルとし、これに冷却および高分子膜を加湿
することを兼ねた冷却室とを配したものを複数積層する
ことでＰＥＦＣ積層体を構成している。

【００１９】図１の例では、積層体１０１，１０２，１
０３夫々の電力端子１１０Ａ，１１０Ｂを直列接続し、
電力コントローラ１４０を介して負荷１５０に電力を供
給することができ構成となっている。

【００２０】本形態においては、並列供給機構として、
積層体１０１，１０２，１０３夫々の積層体空気供給管
１２１、積層体冷却水供給管１２２、積層体燃料ガス供
給管１２３夫々は、共通空気供給管２０１、共通冷却水
供給管２０２、共通燃料ガス供給管２０３に接続され、
並列排出機構として、積層体１０１，１０２，１０３夫
々の積層体空気排出管１３１、積層体冷却水排出管１３
２、積層体燃料ガス排出管１３３夫々は、共通空気排出
管３０１、共通冷却水排出管３０２及び共通燃料ガス排
出管３０３に接続されている。

【００２１】上記において、共通空気供給管２０１、共
通冷却水供給管２０２、共通燃料ガス供給管２０３の上
流側には、ポンプ等の供給機構２０４，２０５，２０６
が接続されている。また共通空気排出管３０１、共通冷
却水排出管３０２、共通燃料ガス排出管３０３の下流側
には、計測点４０１，４０２，４０３が設けられ、これ
ら計測点４０１，４０２，４０３にて、空気、冷却水、
燃料ガスの圧力、流量等が計測される。計測点４０１，
４０２，４０３にて計測された空気、冷却水、燃料ガス
の圧力、流量等の計測データは、流体コントローラ４１
０に導入される。流体コントローラ４１０は、計測点４
０１，４０２，４０３にて計測された空気、冷却水、燃
料ガスの圧力、流量等の計測データに基づき、共通空気
供給管２０１、共通冷却水供給管２０２、共通燃料ガス
供給管２０３の上流側に設けられているポンプ、コンプ
レッサー、改質器等の供給機構２０４，２０５，２０６
を個別又は統括制御することができるようになってい
る。

【００２２】本実施形態では、積層体を３個用いて電池
本体を構成し、これを直列に接続している。そして、図
に示すように共通供給管から各々空気、冷却水、燃料ガ
スを各積層体に供給している。また、各積層体から排出
された空気、冷却水、燃料ガスなどは共通排出管により
排出される。積層体は直列に電池接続用の厚い板等によ
り接続されている。電力の取り出しは図に示したように
直列に接続された最初の積層体と最後に位置する積層体
から行われる。

【００２３】本形態は、個別直流電源たる積層体を複数
直列接続して電池本体を構成するが、各積層体に対する
空気、冷却水、燃料ガスの供給、排出については並列構
成である。すなわち、本形態のシステムは、エネルギー
の原料である流体の並列供給排出と、エネルギーである
電力の直列取出しとを組合せたものである。もちろん、
必要な電源規模に応じて積層体の数および直列か並列あ
るいは両方の組み合わせかを選択することができる。

【００２４】図２，図３には、積層体から共通管への接
続形態が示されている。積層体１０１は、ベース板１０
の上に絶縁板１１を置き、エル型金具等を用いて固定す
る。この積層体１０１からの配管１２１，１２２，１２
３，１３１，１３２，１３３は、図２のＡ部を詳細に示
す部分詳細図である図３に示すように共通空気供給管２
０１、共通冷却水供給管２０２、共通燃料ガス供給管２
０３、共通空気排出管３０１、共通冷却水排出管３０２
及び共通燃料ガス排出管３０３に対し、絶縁ジョイント
１４０により接続されている。

【００２５】本形態では、積層体を必要に応じて直列に
積層して構成された電池本体を運転するようにしたの
で、各共通供給配管、共通排出配管の温度、流量、圧力
等をモニターしながら、これらの信号を制御器に伝送・
演算を施し、その結果で冷却水のポンプ、空気供給用の
コンプレッサー、天然ガス、メタノール等の燃料ガス改
質器等をコントロールして、電源システムを運転するこ
とができる。

【００２６】本形態では、従来のように個々の積層体を
制御するのでなく、複数積層体の集合体の入口、出口を
制御するようにしたことにより、制御も簡単であり、安
価な制御機器を用いることができ、また、配管も容易で
あり、絶縁も確実に取れる等信頼性も向上する。

【００２７】また、本形態では各積層体からの配管は、
共通管までの長さで良いので、従来のようにプラントの
入口、出口までの距離に比べて短くなるため、プラント
全体のコンパクト化、およびコスト低減を計ることがで
きる。

【００２８】なお、本形態においては、並列供給機構と
して各積層体夫々の各供給管を各共通供給管に接続し、
並列排出機構として各積層体夫々の各排出管夫々を、共
通排出管夫々に接続した構成としているが、空気、冷却
水、燃料ガスの少なくとも一つを並列供給又は並列排出
する構成としても良い。

【００２９】また、計測点の設置箇所又は設置数につい
ても上記形態に限定されず、流体パラメータとして検出
するデータについても、温度、流量、圧力等に適用でき
る。次に、図４を参照して本発明に係る燃料電池電源シ
ステムの第２実施形態について説明する。図４において
は、図１と同一部分には同一符号を付して、その説明は
省略し、異なる部分についてのみ説明する。

【００３０】第２実施形態の燃料電池電源システムは、
共通冷却水供給管２０２、共通燃料ガス供給管２０３の
上流側にポンプ等の供給機構２０５，２０６が接続さ
れ、共通冷却水排出管３０２、共通燃料ガス排出管３０
３の下流側に計測点４０２，４０３が設けられ、これら
計測点４０２，４０３における、冷却水、燃料ガスの圧
力差を差圧測定器４２０で計測する。差圧測定器４２０
で計測された冷却水、燃料ガスの圧力差の計測データ
は、流体コントローラ４３０に導入される。流体コント
ローラ４３０は、計測点４０２，４０３にて計測された
冷却水、燃料ガスの圧力差の計測データに基づき、共通
冷却水供給管２０２、共通燃料ガス供給管２０３の上流
側に設けられているポンプ、コンプレッサー、改質器等
の供給機構２０５，２０６を個別又は統括制御するよう
にしている。

【００３１】本実施形態では、冷却水と燃料ガスの圧力
差を測定することとしたが、本発明は、この場合に限ら
ず、例えば、空気と燃料ガスの圧力差等、並列排出機構
を構成する３本の共通排出管のうち２本を選択して、こ
れらの間の圧力差を測定すれば良い。

【００３２】この実施形態のように供給すべき２つの流
体の制御を、対象とする２つの流体の圧力差だけて制御
することにより、制御を簡単に行える利点がある。この
第２実施形態において、各積層体の電気的な接続、並列
供給機構や並列排出機構の構成については第１実施形態
と同様に各種変形して実施することができる。

【００３３】次に、図５を参照して本発明に係る燃料電
池電源システムの第３実施形態について説明する。図５
においては、図１，図４と同一部分には同一符号を付し
て、その説明は省略し、異なる部分についてのみ説明す
る。

【００３４】第３実施形態の燃料電池電源システムは、
共通冷却水供給管２０２、共通燃料ガス供給管２０３の
上流側に、制御弁２０７，２０８及び純水素ガス又は純
酸素供給機２０９，２１０が設けられ、共通空冷却水排
出管３０２、共通燃料ガス排出管３０３の終端を閉塞部
４４１，４４２により閉塞し、該閉塞部４４１，４４２
を計測点としている。この計測点から流体の流量、圧力
等の流体パラメータを計測し、該計測データを流体コン
トローラ４５０に与える。流体コントローラ４５０は、
共通冷却水排出管３０２、共通燃料ガス排出管３０３の
終端における流体の流量、圧力等の流体パラメータを示
す計測データに基づき、純水素ガス又は純酸素供給機２
０９，２１０における制御弁２０７，２０８を制御す
る。

【００３５】この実施形態のように供給すべき２つの流
体の制御を、排出側の終端における流体の圧力等のだけ
て制御することにより、制御を簡単に行える利点があ
る。この第３実施形態において、各積層体の電気的な接
続、並列供給機構や並列排出機構の構成については第１
実施形態と同様に各種変形して実施することができる。

【００３６】次に、図６，図７を参照して本発明に係る
燃料電池電源システムの第４実施形態について説明す
る。図６，図７においては、図１と同一部分には同一符
号を付して、その説明は省略し、異なる部分についての
み説明する。

【００３７】上述した各形態と同様に３つの積層体１０
１，１０２，１０３により電池本体を構成しているが、
並列供給機構や並列排出機構は設けられていなく、各積
層体１０１，１０２，１０３相互間において空気、冷却
水、燃料ガスが直列に供給及び排出される構成となって
いる。但し、各積層体間における空気（酸化剤ガス）の
供給及び排出経路上には、ドレインタンク５０１，５０
２が直列に設けられている。

【００３８】このドレインタンク５０１，５０２は、図
示しない流体によりその温度を燃料電池（積層体）によ
り低く保たれており、空気（酸化剤ガス）中に含まれる
水蒸気を凝縮させ、取り除くことができるようになって
いる。

【００３９】ドレインタンク５０１，５０２を設けない
従来の構成の電源システムと本実施形態の電源システム
とを用いて発電試験を行い、各積層体の流体の入口、出
口の空気（酸化剤ガス）の湿度を調べたところ、図７に
示すような特性が得られた。

【００４０】図７に示すように、従来の構成の電源シス
テムに比較して本実施形態の電源システムは好ましい特
性となっている。すなわち、ドレインタンクを設けない
従来の構成の電源システムでは、水分が取除かれないの
で、下流の積層体ほど入口の湿度が高くなり、また出口
と入口の湿度差が小さくなり、これに比例する空気（酸
化剤ガス）中への反応生成水などの水の排出量が少なく
なる。これにより、下流の積層体の電極内での水が凝縮
しやすくなり、流体の流路を閉塞して特性が低下するの
である。

【００４１】これに対し、ドレインタンクを設けた本実
施形態の電源システムでは、各積層体の出口で水分が取
除かれるので、各積層体の入口の湿度が低くなる。従っ
て、各積層体の出口と入口の湿度差のばらつきが小さく
なり、下流の積層体であっても湿度差は大きくなるの
で、水の排出量が大きくなり、水の凝縮による性能低下
を防ぐことが可能となる。

【００４２】また、本形態によると、水が空気（酸化剤
ガス）中に蒸発する際の潜熱による冷却効果を多く期待
できるので、冷却水の流量を減らすことができ、冷却水
の循環に必要な補機動力を減らすことが可能となる。本
形態では、ドレインタンクを空気（酸化剤ガス）の経路
に設けたが、燃料ガスの経路上に設けても良い。

【００４３】さらに、本形態では、各積層体１０１，１
０２，１０３相互間において空気、冷却水、燃料ガスが
直列に供給及び排出される構成となっているが、図１等
のような積層体からなる電池本体に対し並列供給機構や
並列排出機構を設けた構成においても、ドレインタンク
を設置することができる。

【００４４】次に、図８を参照して本発明に係る燃料電
池電源システムの第５実施形態について説明する。図８
においては、図１〜図６と同一部分には同一符号を付し
て、その説明は省略し、異なる部分についてのみ説明す
る。

【００４５】第５実施形態では、共通配管若しくは積層
体配管にドレインタンクを設けて水分除去を行うことが
できるようにしたものであり、図８に示すように、共通
空気排出管３０１にドレインタンク５１０、５１１を設
けている。また、共通燃料ガス排出管３０３にドレイン
タンクを設けることができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、従来のように個々の積層体を制御するのでなく積層
体の集合体の入口、出口を制御するようにして、流体制
御を簡単に行うようにし、これにより安価な制御機器を
用いることができ、また配管も容易であり、絶縁も確実
に取れる等信頼性も向上することができる燃料電池電源
システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池電源システム
を示す図。

【図２】図１における積層体と配管との関係を示す概略
斜視図。

【図３】図２におけるＡ部の詳細断面図。

【図４】本発明の第２実施形態の燃料電池電源システム
を示す図。

【図５】本発明の第３実施形態の燃料電池電源システム
を示す図。

【図６】本発明の第４実施形態の燃料電池電源システム
における電池本体とドレインタンクとの関係を示す図。

【図７】図６における各積層体の出入口と湿度との関係
を示す特性図。

【図８】本発明の第５実施形態の燃料電池電源システム
を示す図。

【符号の説明】

１０１，１０２，１０３…積層体、１１０Ａ，１０Ｂ…
電力取出し端子、１２１…積層体空気供給管、１２２…
積層体冷却水供給管、１２３…積層体燃料ガス供給管、
１３１…積層体空気排出管、１３２…積層体冷却水排出
管、１３３…積層体燃料ガス排出管、１４０…電力コン
トローラ、１５０…負荷、２０１…共通空気供給管、２
０２…共通冷却水供給管、２０３…共通燃料ガス供給
管、”２０４、２０５，２０６…供給機構、３０１…共
通空気排出管、３０２…共通冷却水排出管、３０３…共
通燃料ガス排出管、４０１，４０２，４０３…計測点、
４１０…流体コントローラ、５０１，５０２…ドレイン
タンク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水が供給さ
れ且つ燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水が排出されて、
電力を発生する複数の燃料電池積層体からなる電池本体
と、前記電池本体に供給すべき燃料ガス、酸化剤ガス及び冷
却水のうち少なくとも一つを前記燃料電池積層体夫々に
並列供給する並列供給機構と、前記記電池本体から排出すべき燃料ガス、酸化剤ガス及
び冷却水のうち少なくとも一つを前記燃料電池積層体夫
々から並列排出する並列排出機構とを具備することを特
徴とする燃料電池電源システム。
【請求項２】前記並列供給機構及び前記並列排出機構の
うち少なくとも一方に設けられた計測点と、前記計測点において計測された前記燃料ガス、酸化剤ガ
ス及び冷却水のうち少なくとも一つの流体パラメータに
基づき前記電池本体に対して供給若しくは排出すべき燃
料ガス、酸化剤ガス及び冷却水のうち少なくとも一つを
制御する制御手段とを更に具備することを特徴とする請
求項１記載の燃料電池電源システム。
【請求項３】前記並列供給機構及び前記並列排出機構の
うち少なくとも一方に設けられた計測点と、前記計測点において計測された前記燃料ガスと酸化剤ガ
スと冷却水とのうち少なくとも二つの圧力差に基づき前
記電池本体に対して供給若しくは排出すべき燃料ガス、
酸化剤ガス及び冷却水のうち少なくとも一つを制御する
制御手段とを更に具備することを特徴とする請求項１又
は２記載の燃料電池電源システム。
【請求項４】前記並列供給機構の終端を閉塞すると共に
該閉塞部に設けられた計測点と、前記計測点において計測された前記燃料ガス、酸化剤ガ
ス及び冷却水のうち少なくとも一つの流体パラメータに
基づき前記電池本体に対して供給若しくは排出すべき燃
料ガス、酸化剤ガス及び冷却水のうち少なくとも一つを
制御する制御手段とを更に具備することを特徴とする請
求項１乃至３記載の燃料電池電源システム。
【請求項５】前記電池本体の各燃料電池積層体から排出
される燃料ガス及び酸化剤ガスのうち少なくとも一つか
ら水分を取除く手段を更に具備することを特徴とする請
求項１乃至４記載の燃料電池電源システム。
【請求項６】前記電池本体の各燃料電池積層体は電気的
に直列接続されてなることを特徴とする請求項１乃至５
記載の燃料電池電源システム。