JP4867199B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、液体水素タンクを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

この燃料電池への水素の供給方法としては、高圧水素タンク、水素貯蔵合金タンク、液体水素タンク等の貯蔵手段に貯蔵された水素を供給する方法等が検討されている。液体水素は、エネルギー貯蔵密度が高く、貯蔵手段への充填効率が高いことから、燃料電池への水素供給源として検討されている。

しかしながら、液体水素タンクにおいて外部からの熱によって液体水素が気化することによって、ボイルオフガスが発生する可能性がある。このボイルオフガスが発生すると液体水素タンク内の圧力が上昇する。そのため、このボイルオフガスを適宜排出する必要がある。

そこで、ボイルオフガスを圧力容器に貯蔵し、燃料電池の始動時に圧力容器に貯蔵されたボイルオフガスを燃料電池に供給する技術が公開されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、ボイルオフガスを燃料電池の燃料として用いることができる。

特開２００３−５６７９９号公報

しかしながら、特許文献１の技術を用いた燃料電池システムにおいては、ボイルオフガスを貯蔵するための圧力容器が必要になる。その結果、燃料電池システムの構造が複雑になる。

本発明は、ボイルオフガスを有効利用できるとともに、システム構成を簡素化することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、液体水素を貯蔵する貯蔵手段と、水素ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池と、貯蔵手段に貯蔵される液体水素が気化した水素ガスを燃料電池のアノードに供給する燃料供給手段と、燃料電池のアノードを一部に含む水素循環系と、貯蔵手段において発生するボイルオフガスを水素循環系に導入するボイルオフガス導入手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、液体水素が貯蔵手段により貯蔵され、貯蔵手段に貯蔵される液体水素が気化した水素ガスが燃料供給手段により燃料電池のアノードに供給され、貯蔵手段において発生するボイルオフガスがボイルオフガス導入手段により水素循環系に導入される。この場合、ボイルオフガスが水素循環系に導入されることから、ボイルオフガスが外部に放出されることが防止される。それにより、外部放出されるボイルオフガスを希釈等するための処理装置を新たに設ける必要がない。その結果、本発明に係る燃料電池システムの構成が簡素化される。また、燃料電池において発電が行われている場合には、ボイルオフガスを燃料電池における発電燃料として用いることができる。それにより、ボイルオフガスを有効利用することができる。さらに、燃料電池において発電が行われていない場合には、水素循環系にボイルオフガスを閉じ込めることができる。それにより、ボイルオフガスは、燃料電池による次回の発電における燃料として用いることができる。したがって、ボイルオフガスを有効利用することができる。その結果、本発明に係る燃料電池システム全体のエネルギー効率低下を抑制することができる。

水素循環系は、水素循環系内の水素を循環させる水素循環手段を備え、ボイルオフガス導入手段から水素循環系にボイルオフガスが導入される部位は、水素循環系の水素循環手段よりも上流側であってもよい。この場合、水素循環手段によりアノードに供給される水素量を制御することができる。

水素循環系内の圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段の検出値がしきい値を超えた場合に、水素循環系にボイルオフガスが導入されたか否かを判定する判定手段とをさらに備えていてもよい。この場合、貯蔵手段においてボイルオフガスが発生しているか否かが確実に検知される。

水素循環系内を流動する水素量を制御する水素循環量制御手段をさらに備えていてもよい。この場合、水素循環量制御手段により、アノードに供給される水素量を制御することができる。

水素循環手段は、水素ポンプであり、水循環量制御手段は、水素循環系にボイルオフガスが導入されたと判定手段により判定された場合に水素ポンプの回転数を制御する制御手段であってもよい。この場合、ボイルオフガスが水素循環系に導入されても、水素ポンプの回転数を制御することにより、燃料電池における発電反応に必要な量の水素をアノードに供給することができる。

所定の時間以上、圧力検出手段の検出値がしきい値を超えた場合に、貯蔵手段が異常であると判定する異常判定手段をさらに備えていてもよい。この場合、所定の時間内に圧力検出手段の検出値がしきい値を超えない場合には、貯蔵手段が異常であると判定されない。したがって、継続的にボイルオフガスが発生しているか、突発的にボイルオフガスが発生しているかが判定される。

貯蔵手段は、液体水素気化手段をさらに備え、液体水素気化手段の動作を制御し、貯蔵手段が異常であると異常判定手段により判定された場合に、液体水素気化手段の動作を停止させる制御手段をさらに備えていてもよい。この場合、液体水素が大量に気化されることが防止される。それにより、液体水素の無駄な消費が防止される。

本発明によれば、外部放出されるボイルオフガスを希釈等するための処理装置を新たに設ける必要がない。その結果、本発明に係る燃料電池システムの構成が簡素化される。また、液体水素の無駄な消費を抑制することができる。その結果、本発明に係る燃料電池システム全体のエネルギー効率が向上する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、第１実施例に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、エアポンプ１、加湿デバイス２、燃料電池３、圧力調整バルブ４，８、希釈器５、液体水素タンク６、主止弁７、水素ポンプ９、圧力センサ１０，１１、水素排気弁１２、逆止弁１３、安全弁１４、ヒータ１５および制御部２０を含む。燃料電池３は、カソード３ａおよびアノード３ｂを含む。

エアポンプ１は、配管１０１を介して燃料電池３のカソード３ａの入口に接続されている。配管１０１には、加湿デバイス２が介挿されている。カソード３ａの出口は、配管１０２を介して希釈器５に接続されている。配管１０２には、圧力調整バルブ４が介挿されている。

ヒータ１５は、液体水素タンク６に内蔵されている。液体水素タンク６は、配管１０３および配管１０４を介して燃料電池３のアノード３ｂの入口に接続されている。配管１０３には、主止弁７および圧力調整弁８が液体水素タンク６側から順に介挿されている。配管１０４の一端は配管１０３に接続され、配管１０４の他端はアノード３ｂの入口に接続されている。アノード３ｂの出口は、配管１０５を介して配管１０４に接続されている。

配管１０５には、水素ポンプ９が介挿されている。配管１０５においては、水素ポンプ９とアノード３ｂの出口との間に圧力センサ１０が設けられており、水素ポンプ９と配管１０４との間に圧力センサ１１が設けられている。また、配管１０５の途中と希釈器５とは、配管１０７を介して接続されている。配管１０５における配管１０７との接続箇所は、アノード３ｂの出口と圧力センサ１０との間にある。配管１０７には水素排気弁１２が介挿されている。希釈器５は、外部に通じている。

液体水素タンク６は、さらに、配管１０６を介して配管１０５の途中に接続されている。配管１０６には安全弁１４および逆止弁１３が液体水素タンク６側から順に介挿されている。配管１０５における配管１０６との接続箇所は、圧力センサ１０と水素ポンプ９との間にある。

制御部２０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）等からなり、圧力センサ１０，１１からの検出結果を受け取り、エアポンプ１、加湿デバイス２、圧力調整バルブ４，８、主止弁７、水素ポンプ９、水素排気弁１２およびヒータ１５の動作を制御する。

次に、燃料電池システム１００の動作について説明する。エアポンプ１は、制御部２０の指示に従って、配管１０１を介して必要なエアを加湿デバイス２に供給する。加湿デバイス２は、制御部２０の指示に従って、供給されたエアの湿度を調整する。加湿デバイス２により湿度が調整されたエアは、配管１０１を介してカソード３ａに供給される。

燃料電池３においては、後述するアノード３ｂにおいて発生した水素イオンとカソード３ａに供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した水は、水素イオンと酸素との反応熱によって水蒸気となる。カソード３ａにおいて発生した水蒸気および水素イオンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして配管１０２を介して希釈器５に供給される。圧力調整バルブ４は、制御部２０の指示に従って、カソード３ａから希釈器５に供給されるカソードオフガスの圧力を調整する。

液体水素タンク６は、断熱材に覆われた構造を有し、燃料電池３の燃料としての液体水素を貯蔵している。ヒータ１５は、制御部２０の指示にしたがって、液体水素タンク６の温度を調整する。それにより、必要量の液体水素が気化する。液体水素タンク６において気化した水素は、配管１０３および配管１０４を介してアノード３ｂに供給される。主止弁７は、制御部２０の指示に従って、配管１０３の開閉を行う。それにより、制御部２０は、液体水素タンク６において発生した水素のアノード３ｂへの供給を制御することができる。また、圧力調整弁８は、制御部２０の指示に従って、液体水素タンク６からアノード３ｂに供給される水素の圧力を調整する。それにより、制御部２０は、液体水素タンク６からアノード３ｂに供給される水素量を制御することができる。

アノード３ｂにおいては、供給された水素が水素イオンに変換される。アノード３ｂにおいて水素イオンに変換されなかった水素は、アノードオフガスとして配管１０５を介して水素ポンプ９に供給される。水素ポンプ９は、スクロール式ポンプ、スクリュー式ポンプ等からなり、配管１０５および配管１０４を介してアノードオフガスをアノード３ｂに供給する。圧力センサ１０は、配管１０５を流動するアノードオフガスの圧力を検出して、その検出結果を制御部２０に与える。圧力センサ１１は、水素ポンプ９によって圧縮されたアノードオフガスの圧力を検出して、その検出結果を制御部２０に与える。

水素排気弁１２は、制御部２０の指示に従って、配管１０７の開閉を行う。それにより、制御部２０は、配管１０５を流動するアノードオフガスの希釈器５への排気を制御する。この場合、カソード３ａからアノード３ｂに流入した窒素等を排気することができる。希釈器５は、カソード３ａから供給されたカソードオフガスおよびアノード３ｂから供給されたアノードオフガスを酸化して、燃料電池システム１００の外部に排出する。

安全弁１４は、液体水素タンク６内の圧力が所定の圧力を上回る場合に、液体水素タンク６内の水素をボイルオフガスとして配管１０６に供給する。それにより、液体水素タンク６内の圧力が過剰圧力になることが防止される。配管１０６に供給された水素は、配管１０５に供給される。逆止弁１３は、液体水素タンク６から配管１０５への流動を許容し、配管１０５から液体水素タンク６への流動を禁止する。それにより、アノードオフガス中に含まれる水蒸気等による安全弁１４の腐食を防止することができる。

なお、ボイルオフガスは配管１０５，１０４を介してアノード３ｂに供給されていることから、ボイルオフガスによる燃料電池３の温度低下が防止される。したがって、本実施例に係る燃料電池１００は、燃料電池３の発電反応中に特に効果を発揮する。

本実施例に係る燃料電池システム１００においては、配管１０４，１０５およびアノード３ｂが密閉空間を構成していることから、ボイルオフガスが外部に放出されることが防止される。それにより、外部放出されるボイルオフガスを希釈等するための処理装置を新たに設ける必要がない。その結果、燃料電池システム１００の構成が簡素化される。なお、本実施例においては配管１０４，１０５およびアノード３ｂが構成する密閉空間の容積は、例えば、３〜４リットル程度であるが、燃料電池システムを設計する際に最適な容積に設定することができる。

また、燃料電池３において発電が行われている場合には、ボイルオフガスを燃料電池３における発電燃料として用いることができる。この場合、制御部２０は水素ポンプ９の回転数を低減させる。それにより、水素ポンプ９の無駄な動作を抑制することができるとともに、液体水素の無駄な消費を抑制することができる。したがって、燃料電池システム１００のエネルギー効率が向上する。詳細は、後述する。

さらに、燃料電池３において発電が行われていない場合には、配管１０４，１０５およびアノード３ｂが構成する密閉空間にボイルオフガスを閉じ込めることができる。それにより、ボイルオフガスは、燃料電池３による次回の発電における燃料として用いることができる。したがって、液体水素の無駄な消費を抑制することができる。その結果、燃料電池システム１００のエネルギー効率低下を抑制することができる。

また、ボイルオフガスは配管１０５の水素ポンプ９よりも上流側に供給されることから、水素ポンプ９の回転数を制御することにより、アノード３ｂに供給される水素量を制御することができる。

なお、本実施例においては水素ポンプ９を用いてアノードオフガスをアノード３ｂに供給しているが、水素ポンプ９の代わりに可変エジェクタ等の他の供給手段を用いることもできる。また、燃料電池３は、水素ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池であれば特に限定されない。また、圧力センサを配管１０６の逆止弁１３よりも上流側に設けて、ボイルオフガスの配管１０６への流入を検知してもよい。

また、本実施例においては圧力センサ１１によりボイルオフガスの配管１０６への流入を検知しているが、流量計を用いてボイルオフガスの配管１０６への流入を検知することもできる。この場合、流量計を配管１０６の逆止弁１３よりも上流側に設けて、または、流量計を圧力センサ１１の代わりに設けて、ボイルオフガスの配管１０６への流入を検知することができる。

次いで、配管１０５内を流動するガスの圧力について説明する。図２は、圧力センサ１１が検出するガス圧力を示す図である。図２の縦軸は圧力センサ１１が検出するガス圧力を示し、図２の横軸は水素ポンプ９の回転数を示す。

図２の実線Ｘに示すように、水素ポンプ９の回転数が増加するに伴って、配管１０５内のガス圧力も増大する。実線Ｘは、燃料電池３の発電に必要な水素量と水素ポンプ９の回転数とから求めた理論値である。したがって、実線Ｘにおいては、水素ポンプ９の回転数と配管１０５内のガス圧力とは比例関係を有する。しかしながら、水素ポンプ９の圧縮効率のバラツキ等により、図２の破線Ｙに示すように、配管１０５内のガス圧力にもバラツキが発生する。図２の点線Ｚは、水素ポンプ９の圧縮効率のバラツキを考慮して求めた、水素ポンプ９の回転数に対する配管１０５内のガス圧力の最大値を示す。したがって、圧力センサ１１が検出するガス圧力が点線Ｚを上回る場合には、確実にボイルオフガスが配管１０５へ流入していることになる。以上のことから、図２の実線Ｚを用いることにより、ボイルオフガスの配管１０５への流入を検知することができる。

次に、ボイルオフガスが配管１０５に供給された場合の制御部２０の動作について説明する。図３は、ボイルオフガスが配管１０５に供給された場合の制御部２０の動作の一例を説明するためのフローチャートを示す。制御部２０は、上記の動作を所定の時間間隔（例えば、数ミリ秒）で繰り返す。

図３に示すように、まず、制御部２０は、配管１０５内のガス圧力が所定のガス圧力を上回ったか否かを判定する（ステップＳ１）。この場合、制御部２０は、圧力センサ１１から与えられる検出結果および図２の点線Ｚに基づいて判定することができる。

ステップＳ１において配管１０５内のガス圧力が所定のガス圧力を上回ったと判定された場合、制御部２０は、水素ポンプ９の回転数が低減するように水素ポンプ９を制御する（ステップＳ２）。次に、制御部２０は、所定の時間（例えば、５秒程度）待機する（ステップＳ３）。次いで、制御部２０は、配管１０５内のガス圧力が所定のガス圧力を上回っているか否かを判定する（ステップＳ４）。この場合、制御部２０は、圧力センサ１１から与えられる検出結果および図２の点線Ｚに基づいて判定することができる。

ステップＳ４において配管１０５内のガス圧力が所定のガス圧力を上回っていると判定された場合、制御部２０は、ヒータ１５への通電を停止する（ステップＳ５）。その後、制御部２０は、動作を終了する。

ステップＳ４において配管１０５内のガス圧力が所定のガス圧力を上回っていると判定されなかった場合、制御部２０は、水素ポンプ９の回転数が通常の回転数に戻るように水素ポンプ９を制御する（ステップＳ６）。その後、制御部２０は、動作を終了する。

ステップＳ１において配管１０５内のガス圧力が所定のガス圧力を上回っていると判定されなかった場合、制御部２０は、動作を終了する。

以上のように、上記フローチャートに従えば、ボイルオフガスが配管１０５に流入したか否かが判定される。ボイルオフガスが配管１０５に流入した場合には、水素ポンプ９の回転数を低下させることにより燃料電池３に過剰な水素が供給されることが防止される。それにより、水素の無駄な消費が防止されるとともに、水素ポンプ９の無駄な動作が防止される。その結果、燃料電池システム１００全体のシステム効率の向上を図ることができる。

また、所定の時間以上ボイルオフガスが配管１０５に供給されるか否かが判定されていることから、ボイルオフガスが突発的に発生しているか継続的に発生しているかが判定される。それにより、ヒータ１５の異常を速やかに検出することができる。したがって、液体水素が大量に気化されることが防止される。その結果、水素の無駄な消費が防止される。

さらに、所定の時間以上ボイルオフガスが配管１０５に供給されない場合にはヒータ１５が動作を停止することなく水素ポンプ９の回転数がもとに戻ることから、燃料電池３における発電反応が安定的に継続される。

なお、ステップＳ４において配管１０５内のガス圧力が所定のガス圧力を上回っていると判定された場合に、ヒータ１５に異常が発生したことが判定されているが、それに限られない。例えば、液体水素タンク６の断熱不良と判定さてもよいし、安全弁１４の故障と判定されてもよい。

本実施例においては、液体水素タンク６が貯蔵手段に相当し、主止弁７が燃料供給手段に相当し、配管１０４，１０５およびアノード３ｂが水素循環系に相当し、安全弁１４がボイルオフガス導入手段に相当し、水素ポンプ９が水素循環手段に相当し、制御部２０が水素循環量制御手段、判定手段、異常判定手段および制御手段に相当し、圧力センサ１１が圧力検出手段に相当し、ヒータ１５が液体気化手段に相当する。

図４は、第２実施例に係る燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、配管１０６が配管１０５に接続されずにアノード３ｂの途中に接続されている点である。

ここで、アノード３ｂに供給される水素ガスは、アノード３ｂを流動するにつれて燃料電池３の発電反応によって消費される。したがって、アノード３ｂの出口付近においては水素ガス濃度が低下することになる。その結果、燃料電池３における発電反応にバラツキが発生する。

本実施例においては、ボイルオフガスがアノード３ｂの途中に供給されることから、アノード３ｂの出口側の水素濃度低下を抑制することができる。それにより、燃料電池３の発電反応にバラツキが発生することを抑制することができる。なお、配管１０６とアノード３ｂとの接続箇所は、アノード３ｂの途中であれば特に限定されない。

本実施例に係る燃料電池１００ａにおいても、ボイルオフガスが外部に放出されることが防止される。それにより、外部放出されるボイルオフガスを希釈等するための処理装置を設ける必要がない。その結果、燃料電池システム１００ａの構成を簡素化することができる。また、燃料電池３において発電が行われていない場合には、配管１０４，１０５およびアノード３ｂが構成する密閉空間にボイルオフガスを閉じ込めることができる。したがって、ボイルオフガスは、燃料電池３による次回の発電における燃料として用いることができる。その結果、燃料電池システム１００ａの水素ロスを抑制することができる。以上のことから、燃料電池システム１００ａのエネルギー効率低下を抑制することができる。

第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 圧力センサが検出するガス圧力を示す図である。 ボイルオフガスが配管に供給された場合の制御部の動作の一例を説明するためのフローチャートを示す。 第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。

符号の説明

３ 燃料電池
６ 液体水素タンク
７ 主止弁
８ 圧力調整弁
９ 水素ポンプ
１０，１１ 圧力センサ
１３ 逆止弁
１４ 安全弁
１５ ヒータ
２０ 制御部
１００，１００ａ 燃料電池システム

Claims (7)

1. 液体水素を貯蔵する貯蔵手段と、
   水素ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池と、
   前記貯蔵手段に貯蔵される液体水素が気化した水素ガスを前記燃料電池のアノードに供給する燃料供給手段と、
   前記燃料電池のアノードを一部に含む水素循環系と、
   前記貯蔵手段において発生するボイルオフガスを前記水素循環系に導入するボイルオフガス導入手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素循環系は、前記水素循環系内の水素を循環させる水素循環手段を備え、
   前記ボイルオフガス導入手段から前記水素循環系に前記ボイルオフガスが導入される部位は、前記水素循環系の前記水素循環手段よりも上流側であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記水素循環系内の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段の検出値がしきい値を超えた場合に、前記水素循環系にボイルオフガスが導入されたか否かを判定する判定手段とをさらに備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記水素循環系内を流動する水素量を制御する水素循環量制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記水素循環手段は、水素ポンプであり、
   前記水循環量制御手段は、前記水素循環系にボイルオフガスが導入されたと前記判定手段により判定された場合に前記水素ポンプの回転数を制御する制御手段であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 所定の時間以上、前記圧力検出手段の検出値が前記しきい値を超えた場合に、前記貯蔵手段が異常であると判定する異常判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記貯蔵手段は、液体水素気化手段をさらに備え、
   前記液体水素気化手段の動作を制御し、前記貯蔵手段が異常であると前記異常判定手段により判定された場合に、前記液体水素気化手段の動作を停止させる制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。

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