JP7635728B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、複数の燃料電池スタックを備えている燃料電池システムに関する。

特許文献１、２に、複数の燃料電池スタックで発電する燃料電池システムが開示されている。燃料電池スタックでは、燃料ガス（水素ガス）と酸素（空気）が反応して電気が作られる。燃料電池スタック内で残った燃料ガス（未反応の燃料ガス）は、希釈器へ送られる。未反応の燃料ガスは、希釈器にて、所定の許容濃度まで空気で希釈されてから放出される。

特許文献１の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックに対して共通のエアコンプレッサと共通の希釈器を備えている。特許文献２の燃料電池システムは、それぞれの燃料電池スタックにエアコンプレッサが備えられている。

特開２００６－１５５９９７号公報 特開２０２０－５７４６０号公報

本明細書は、複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関し、未反応の燃料ガスを効率よく希釈する技術を提供する。

本明細書が開示する燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、複数のエアコンプレッサと、希釈器と、バイパス路と、調整バルブと、制御器を備える。夫々のエアコンプレッサは夫々の燃料電池スタックに接続されており、対応する燃料電池スタックに空気を送る。希釈器は、夫々の燃料電池スタックから排出される未反応の燃料ガスと空気を混合して排出する。バイパス路は、エアコンプレッサと希釈器を接続しており、燃料電池スタックをバイパスしてそれぞれのエアコンプレッサから希釈器へ空気を送る。調整バルブは、夫々のエアコンプレッサとバイパス路を接続しており、夫々のエアコンプレッサからバイパス路へ送られる空気流量を調整する。制御器は、希釈器から排出されるガスに含まれる燃料ガスの濃度が所定の許容濃度以下となるように、エアコンプレッサと調整バルブを制御する。制御器は、複数のエアコンプレッサの中から出力または損失が最も小さいエアコンプレッサを選択し、選択されたエアコンプレッサからバイパス路を通して希釈器へ空気を送るように、調整バルブを制御する。

本明細書が開示する燃料電池システムでは、未反応の燃料ガスを希釈するのに、出力または損失が最も小さいエアコンプレッサを用いる。それゆえ、燃料ガスを効率よく希釈することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の燃料電池システムのブロック図である。

図面を参照して実施例の燃料電池システム２を説明する。以下では、説明を簡単にするため、「燃料電池」をＦＣと表記する場合がある。図１に、ＦＣシステム２（燃料電池システム２）のブロック図を示す。制御器６と各種のデバイス（バルブ３１、３２、３３、３４、エアコンプレッサ１２、ガスセンサ１６、昇圧コンバータ１１、インバータ４など）は、通信線で接続されているが、通信線の図示は省略してある。

ＦＣシステム２は、２個のＦＣスタック（第１ＦＣスタック１０ａと第２ＦＣスタック１０ｂ）を有しており、各ＦＣスタックが発電する。以下では、第１ＦＣスタック１０ａと第２ＦＣスタック１０ｂを区別なく表すときはＦＣスタック１０と表記する場合がある。

また、バルブ３１ａ、３１ｂ、空気管２２ａ、２２ｂ、エアコンプレッサ１２ａ、１２ｂなどについても、区別なく表すときにはバルブ３１、空気管２２、エアコンプレッサ１２と表記する場合がある。

それぞれのＦＣスタック１０には昇圧コンバータ１１が付随している。ＦＣスタック１０の電力出力端に昇圧コンバータ１１が接続されており、昇圧コンバータ１１の出力端はインバータ４の直流端に接続されている。昇圧コンバータ１１は、ＦＣスタック１０が生成した直流電力を昇圧してインバータ４に供給する。インバータ４は、昇圧された直流電力を交流電力に変換する。インバータ４の交流端にシステム出力端５が接続されており、ＦＣスタック１０が生成した電力は、システム出力端５から他のデバイスへ供給される。

ＦＣスタック１０には、燃料供給管２１を通じて燃料タンク３から燃料ガス（水素ガス）が供給される。燃料供給管２１には燃料バルブ３１が接続されており、燃料バルブ３１の開度を調整することで、ＦＣスタック１０へ供給される燃料ガスの流量を調整することができる。燃料バルブ３１は、インジェクタと呼ばれる場合もある。

燃料バルブ３１の下流側には不図示の圧力センサが接続されている、圧力センサが計測する圧力は、ＦＣスタック１０の中の圧力に等しい。制御器６は、ＦＣスタック１０が発電している間、圧力センサの計測値が適正な範囲に保持されるように（すなわち、ＦＣスタック１０の内圧が適正な範囲に保持されるように）、燃料バルブ３１の開度を制御する。第１燃料バルブ３１ａは第１ＦＣスタック１０ａに供給される燃料ガス流量を調整し、第２燃料バルブ３１ｂは第２ＦＣスタック１０ｂに供給される燃料ガス流量を調整する。

ＦＣスタック１０には、空気管２２を通じて空気（酸素）が供給される。空気管２２にはエアコンプレッサ１２と空気バルブ３２が備えられており、エアコンプレッサ１２によりＦＣスタック１０に空気が送り込まれる。ＦＣスタック１０に供給される空気量（酸素量）は、エアコンプレッサ１２の出力と空気バルブ３２の開度により調整される。制御器６は、ＦＣスタック１０へ供給する燃料ガスの流量に応じてＦＣスタック１０へ供給する空気量を調整する。

第１ＦＣスタック１０ａは第１空気管２２ａで第１エアコンプレッサ１２ａに接続されており、第２ＦＣスタック１０ｂは、第２空気管２２ｂで第２エアコンプレッサ１２ｂに接続されている。第１空気管２２ａには第１空気バルブ３２ａが取り付けられており、第２空気管２２ｂには第２空気バルブ３２ｂが取り付けられている。

ＦＣスタック１０で燃料ガス（水素）と空気（酸素）が反応して電力が生成される。反応後のガス（排気ガス）は排ガス管２３で気液分離器１４に送られる。排気ガスには、ＦＣスタック１０で反応に使われなかった若干の燃料ガス（未反応燃料ガス）も含まれる。気液分離器１４では、未反応燃料ガスが排ガスから分離される。分離された燃料ガスはリターン管２４で再び燃料供給管２１に戻される。

気液分離器１４で残った排ガスと水は、バルブ３４を通して希釈器１５に送られる。一方、反応で残った空気は排空気管２５でＦＣスタック１０から希釈器１５へ送られる。希釈器１５へ送られる排ガスの中にも僅かながら燃料ガスが残っている。残った燃料ガスは、希釈器１５にて、反応で残った空気と混合され、希釈される。希釈器１５にはガスセンサ１６が備えられている。制御器６は、ガスセンサ１６により希釈器１５の中の燃料ガス濃度をモニタしている。気液分離器１４と希釈器１５の間にはバルブ３４が設けられており、希釈器１５から排出されるガスに含まれる燃料ガスの濃度が所定の許容濃度以下となるように、制御器６はバルブ３４を制御し、希釈器１５に送られる排ガスの流量を調整する。許容濃度以下まで希釈された燃料ガスが希釈器１５から大気へ放出される。

比較的大量の燃料ガスを大気へ放出しなければならない場合、バイパス路２６を通じてエアコンプレッサ１２から空気が希釈器１５へ送られる。バイパス路２６は、エアコンプレッサ１２と希釈器１５を直接に接続している。すなわち、バイパス路２６は、ＦＣスタック１０を通さずに、エアコンプレッサ１２から空気を希釈器１５へ送ることができる。バイパス路２６を備えることで、ＦＣスタック１０に供給する空気量を変えることなく、希釈器１５へ追加の空気を送ることができる。

第１エアコンプレッサ１２ａとバイパス路２６は第１調整バルブ３３ａで接続されており、第２エアコンプレッサ１２ｂとバイパス路２６は第２調整バルブ３３ｂで接続されている。ＦＣスタック１０から排出される空気だけでは排ガス中の燃料ガス濃度を許容濃度以下に希釈するのに不足である場合、制御器６は、不足する空気を補えるように、調整バルブ３３ａまたは３３ｂを開き、エアコンプレッサ１２ａまたは１２ｂから希釈器１５へ直接に空気を送る。

バイパス路２６を通じて希釈器１５へ空気を送る場合、制御器６は、複数のエアコンプレッサ１２の中から、出力または損失が最も小さいエアコンプレッサ１２を選択する。制御器６は、選択したエアコンプレッサ１２の出力を高め、選択したエアコンプレッサ１２に接続された調整バルブ３３を開き、選択したエアコンプレッサ１２から希釈器１５へ空気を送る。

ＦＣシステム２は、複数のＦＣスタック１０を備えており、複数のＦＣスタック１０は運転状況が異なる場合がある。運転状況が異なれば、ＦＣスタック１０へ送る空気量も異なる。また、それぞれのＦＣスタック１０は、定期的に水抜きを行う必要がある。ＦＣスタック１０から水を抜く場合、大量の空気をＦＣスタック１０へ供給する。また、ＦＣスタック１０を停止する場合には、ＦＣスタック１０内に残った燃料ガスをＦＣスタック１０から排出させる必要がある。このときにも、大量の空気がＦＣスタック１０へ送られる。このように、複数のＦＣスタックで必要とされる空気量が異なることがある。必要とされる空気量が異なるので、複数のエアコンプレッサ１２の目標出力も異なる。

制御器６は、希釈用の空気が不足する場合、出力または損失の最も小さいエアコンプレッサ１２を選択し、選択したエアコンプレッサ１２から希釈器１５へ空気を送る。希釈器１５へ直接に空気を送るのに出力または損失が最も小さいエアコンプレッサを使うので、未反応の燃料ガスを効率よく希釈することができる。例えば、第１エアコンプレッサ１２ａが２００［Ｗ］で動作しており、第２エアコンプレッサ１２ｂが１００［Ｗ］で動作しているときに希釈器１５で空気が不足している場合、制御器６は、出力の小さい第２エアコンプレッサ１２ｂを選択する。制御器６は、選択した第２エアコンプレッサ１２ｂの出力を高め、第２エアコンプレッサ１２ｂに対応する第２調整バルブ３３ｂを開く。

エアコンプレッサ１２の損失は、回転数（あるいは出力）に依存する。制御器６は、回転数（あるいは出力）と損失の対応テーブルを記憶しており、そのテーブルを参照して損失の最も小さいエアコンプレッサ１２を選択する。制御器６は、複数のエアコンプレッサ１２のうち、出力が最も小さいエアコンプレッサ１２を選択してもよいし、あるいは、損失が最も小さいエアコンプレッサ１２を選択してもよい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本明細書が開示するＦＣシステムは、並列に接続された３個以上のＦＣスタックを有していてもよい。夫々のＦＣスタックにはエアコンプレッサ１２が備えられている。３個のＦＣスタックの排ガスは、共通の排ガス管２３で気液分離器１４へ送られる。気液分離器１４で残った排ガスは希釈器１５に送られる。排ガス中の燃料ガス濃度が高い場合、制御器６は、３個以上のエアコンプレッサ１２の中から出力または損失が最も小さいエアコンプレッサ１２を選択する。制御器６は、選択したエアコンプレッサ１２の出力を高め、選択したエアコンプレッサ１２に対応した調整バルブ３３を開き、希釈器１５へ直接に空気を送る。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：燃料電池システム ３：燃料タンク ４：インバータ ５：システム出力端 ６：制御器 １０、１０ａ、１０ｂ：ＦＣスタック １１：昇圧コンバータ １２、１２ａ、１２ｂ：エアコンプレッサ １４：気液分離器 １５：希釈器 １６：ガスセンサ ２１：燃料供給管 ２２、２２ａ、２２ｂ：空気管 ２３：排ガス管 ２４：リターン管 ２５：排空気管 ２６：バイパス路 ３１、３２、３３、３４：バルブ

Claims (1)

1. 複数の燃料電池スタックと、
   複数のエアコンプレッサであって、夫々の前記エアコンプレッサが夫々の前記燃料電池スタックに空気を送るエアコンプレッサと、
   夫々の前記燃料電池スタックから排出される未反応の燃料ガスと空気を混合して排出する希釈器と、
   それぞれの前記エアコンプレッサから前記燃料電池スタックをバイパスして前記希釈器へ空気を送るバイパス路と、
   夫々の前記エアコンプレッサから前記バイパス路へ送られる空気流量を調整する調整バルブと、
   前記希釈器中の排出ガスに含まれる前記燃料ガスの濃度が所定の許容濃度以下となるように、前記エアコンプレッサと前記調整バルブを制御する制御器と、
   を備えており、
   前記制御器は、複数の前記エアコンプレッサの中から出力または損失が最も小さい前記エアコンプレッサを選択し、選択された前記エアコンプレッサから前記バイパス路を通して前記希釈器へ空気を送るように、前記調整バルブを制御する、
   燃料電池システム。

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