JP7655874B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、燃料電池システムに関する。

燃料ガスの有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして、燃料電池システムが知られている。この燃料電池システム内の燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて、高い発電効率で電気エネルギーを取り出すことが可能である。燃料電池は、要求される発電出力に応じた流量の空気を必要とする。燃料電池に空気を導入するため、燃料電池システムは例えばブロワを備えている。

特開２０１３－２４２９６４号公報

ここで、要求される発電出力に対する燃料電池システムの発電出力の応答性向上が求められている。また、燃料電池システムの小型化が求められている。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、燃料電池システムの発電出力の応答性向上及び小型化を目的とする。

本発明による燃料電池システムは、
水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続された空気流路と、
を備え、
前記空気流路は、所内空気又は制御用空気が導入される圧縮空気導入口を有し、
前記空気流路上には、前記圧縮空気導入口と前記燃料電池スタックとの間に、減圧弁が設けられている。

あるいは、本発明による燃料電池システムは、
水素と酸素とを用いて電気を発生させる複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックに空気を分配する空気分配流路と、
を備え、
前記空気分配流路は、所内空気又は制御用空気が導入される圧縮空気導入口を有し、
前記空気分配流路上には、前記圧縮空気導入口と前記複数の燃料電池スタックとの間に、減圧弁が設けられている。

本発明によれば、燃料電池システムの発電出力の応答性を向上させ且つ小型化することができる。

図１は、本発明の一実施の形態による燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す燃料電池システムの変形例の構成を示すブロック図である。 図３は、図１に示す燃料電池システムの他の変形例の構成を示すブロック図である。 図４は、図１に示す燃料電池システムのさらに他の変形例の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態による燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。

図１に示す燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、水素供給系２０と、酸素供給系３０と、を備えている。燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０から電流を取り出すための電源装置２と出力指令値を計算して電源装置２に送る制御装置７０とが接続されている。制御装置７０には、入力部３が接続されている。入力部３を介して、燃料電池システム１に要求される要求発電量が制御装置７０に入力される。制御装置７０は、入力部３から入力された要求発電量に基づいて、出力指令値を計算する。また、制御装置７０は、出力指令値や他の情報に基づいて、燃料電池システム１の各部を制御する。

燃料電池スタック１０は、水素と酸素とを用いて電気を発生させる。燃料電池スタック１０は、アノード電極（燃料極）１１と、カソード電極１２と、を有している。アノード電極１１には、燃料ガスとして水素が供給される。カソード電極１２には、空気が供給される。燃料電池スタック１０は、水素を空気中の酸素と反応させて水を生成し、この反応により電気を発生させる。この電気は、直流電流として燃料電池スタック１０から出力される。

アノード電極１１への水素の供給は、水素供給系２０によって行われる。また、カソード電極１２への空気の供給は、酸素供給系３０によって行われる。アノード電極１１に供給された水素の残りは、アノード排気として、燃料電池スタック１０から排出される。また、カソード電極１２に供給された空気の残りは、カソード排気として、燃料電池スタック１０から排出される。図示された例では、アノード排気はアノード電極１１に再び供給され、カソード排気は燃料電池システム１の外部に排出される。

水素供給系２０は、水素貯蔵タンク等の水素供給源２１と、水素流路２２とを含む。水素流路２２は、水素供給源２１と燃料電池スタック１０とを接続する。これにより、水素供給源２１からの水素が、水素流路２２を介して燃料電池スタック１０に供給される。なお、水素流路２２上にはブロワが設けられていてもよく、ブロワを用いて水素供給源２１の水素がアノード電極１１に送り込まれてもよい。水素供給源２１は、燃料電池システム１の内部にあってもよく、外部にあってもよい。

酸素供給系３０は、空気流路３１と、空気流路３１上に設けられた減圧弁３３及びフィルタ装置６０とを含む。空気流路３１は、燃料電池システム１の外部にある所内空気供給装置４０と、燃料電池スタック１０とを接続する。これにより、所内空気供給装置４０からの空気が、空気流路３１を介して燃料電池スタック１０に供給される。より具体的には、空気流路３１は、圧縮空気導入口３２を有する。圧縮空気導入口３２は、所内空気供給装置４０に接続される。圧縮空気導入口３２には、所内空気供給装置４０からの所内空気が導入される。なお、圧縮空気導入口３２は、所内空気供給装置４０の代わりに、制御用空気供給装置に接続されてもよい。この場合、圧縮空気導入口３２には、制御用空気供給装置からの制御用空気が導入される。

なお、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置は、所内空気や制御用空気（工場空気や計装用空気とも呼ばれる）を供給する既知の装置であってよい。また、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置は、燃料電池システム１が配置されるプラント等に既設の装置であってよく、燃料電池システム１に圧縮空気を供給する目的以外の目的で用いられてよい。例えば、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置からの圧縮空気（所内空気や制御用空気、工場空気、計装用空気）は、各種機械の駆動用空気として用いられてもよいし、上記プラント内の設備を清掃するための清掃用空気として用いられてもよい。所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置からの圧縮空気の用途は、上述したものに限られない。

図示された例では、所内空気供給装置４０には、所内空気供給圧力計５１が接続されている。所内空気供給圧力計５１は、所内空気供給装置４０から空気流路３１に提供される圧縮空気の圧力を計測する。所内空気供給圧力計５１は、燃料電池システム１内の制御装置７０に接続可能であり、計測した圧縮空気の圧力に関する情報を、制御装置７０に送ることができる。

減圧弁３３は、空気流路３１上において、圧縮空気導入口３２と燃料電池スタック１０との間に配置されている。減圧弁３３は、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から提供される圧縮空気を減圧する。ここで、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から提供される圧縮空気の圧力は、一般に、８００ｋＰａ～４．５ＭＰａ程度である。これに対し、燃料電池スタック１０に供給される空気の圧力として好ましい圧力は、例えば２ｋＰａ～２０ｋＰａ程度である。このように、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から提供される圧縮空気の圧力は、燃料電池スタック１０に供給される空気の圧力として好ましい圧力と比較して非常に高い。そこで、燃料電池システム１では、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から提供される圧縮空気を、減圧弁３３を用いて減圧した後、燃料電池スタック１０に供給する。減圧弁３３は、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から提供される圧縮空気を、例えば２０ｋＰａ～３０ｋＰａ程度まで減圧する。

フィルタ装置６０は、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から燃料電池システム１に導入される空気中の水分や不純物を除去する。図示された例では、フィルタ装置６０は、空気流路３１上において、圧縮空気導入口３２と減圧弁３３との間に配置されている。

このように、図１に示す燃料電池システム１では、酸素供給系３０がブロワ等の空気供給装置を含まず、燃料電池システム１が使用される場所に既設の装置４０から空気の供給を受ける。これにより、燃料電池システム１を小型化することができる。また、一般に、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置は、所内空気や制御用空気を常時生成するものである。このため、燃料電池システム１の圧縮空気導入口３２を所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置に接続すれば、直ちに燃料電池スタック１０に空気を供給することができる。このことは、燃料電池システム１の発電出力の応答性の向上に寄与する。なお、燃料電池システム１の酸素供給系３０がブロワを含み、ブロワを用いて燃料電池スタック１０への空気の供給を行う場合、ブロワを起動させてからブロワの風量が所望の風量に達するまでの間は、燃料電池スタック１０に対し十分な空気の供給を行うことができない。このことは、燃料電池システム１の発電出力の応答性の向上を阻害する要因となる。

図示された例では、酸素供給系３０は、更に、バッファタンク３４と、流量調節弁３５と、バッファタンク内圧力計５０と、を有する。バッファタンク３４は、空気流路３１上において、減圧弁３３と燃料電池スタック１０との間に設けられ、減圧弁３３で減圧された空気を収容する。バッファタンク３４にはバッファタンク内圧力計５０が接続されている。バッファタンク内圧力計５０は、バッファタンク３４内の圧力を計測する。流量調節弁３５は、空気流路３１上において、バッファタンク３４と燃料電池スタック１０との間に設けられている。流量調節弁３５は、バッファタンク３４から燃料電池スタック１０への空気の流量を調節する。流量調節弁３５は、当該空気の流量を、電源装置２に入力される出力指令値や、電源装置２で計測される電池電流に応じて調節する。流量調節弁３５は、例えば、制御装置７０からの制御信号を受けて当該空気の流量を制御する。

減圧弁３３で減圧された空気がバッファタンク３４に収容され、流量調節弁３５によってバッファタンク３４から燃料電池スタック１０への空気の流量が調節されることにより、燃料電池スタック１０に、所望の圧力の空気を所望の流量で安定して供給することができる。

また、図示された例では、酸素供給系３０は、更に、補助用コンプレッサ３６と、補助用空気流路３７と、流量調節弁３８と、を有する。補助用コンプレッサ３６は、既知のコンプレッサであってよく、例えば外気を圧縮して２０ｋＰａ～３０ｋＰａ程度の圧縮空気を生成可能である。補助用空気流路３７は、補助用コンプレッサ３６とバッファタンク３４とを接続し、補助用コンプレッサ３６からの圧縮空気をバッファタンク３４に導入する。補助用コンプレッサ３６は、例えば、制御装置７０からの制御信号を受けて起動される。流量調節弁３８は、補助用コンプレッサ３６からバッファタンク３４への空気の流量を調節する。流量調節弁３８は、当該空気の流量を、電源装置２で計測される電池電流に応じて調節する。流量調節弁３８は、例えば、制御装置７０からの制御信号を受けて当該空気の流量を制御する。

補助用コンプレッサ３６からバッファタンク３４に圧縮空気を導入可能であることにより、何らかの理由で所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から十分に圧縮空気が得られない場合であっても、バッファタンク３４を十分な量の圧縮空気で満たすことができる。したがって、燃料電池スタック１０に、所望の圧力の空気を所望の流量で、より安定して供給することができる。

次に、図１に示す燃料電池システム１の作用について説明する。まず、燃料電池システム１の圧縮空気導入口３２が所内空気供給装置４０に接続され、所内空気供給装置４０からバッファタンク３４へ空気の供給が開始される。このとき、フィルタ装置６０で水分と不純物が除去された空気が、バッファタンク３４に供給される。また、入力部３から制御装置７０に燃料電池スタック１０に要求される要求発電量が入力されると、制御装置７０は、当該要求発電量に基づいて出力指令値を計算して電源装置２に渡す。これにより、燃料電池スタック１０に水素供給系２０からの水素の供給と酸素供給系３０からの空気の供給とが開始され、燃料電池システム１は発電を開始する。

燃料電池システム１が発電中、制御装置７０は、バッファタンク内圧力計５０から、バッファタンク３４内の圧力に関する情報を取得する。当該圧力が所定の圧力未満である場合、制御装置７０は、補助用コンプレッサ３６に制御信号を入力して補助用コンプレッサ３６を起動させる。

また、燃料電池システム１が発電中、制御装置７０は、電源装置２に入力した出力指令値に基づいて、流量調節弁３５の開度を調節する。

以上により、制御装置７０で決定された出力指令値に応じた発電出力が、燃料電池スタック１０から得られる。

なお、出力指令値は、次のようにして計算される。まず、制御装置７０は、入力部３から入力された要求発電量に対して所定の演算を行う。演算結果が所定の上限値以下であり且つ所定の下限値以上である場合には、制御装置７０は、演算結果を出力指令値として電源装置２に渡す。一方、演算結果が所定の上限値より大きい場合には、制御装置７０は、当該所定の上限値を出力指令値として電源装置２に渡す。また、演算結果が所定の下限値より小さい場合には、制御装置７０は、当該所定の下限値を出力指令値として電源装置２に渡す。なお、所内空気供給装置４０及び補助用コンプレッサ３６が正常に動作していない場合は、後述するように、制御装置７０は出力指令値を０に決定する。

なお、出力指令値の計算に用いられる上限値は、次のようにして決定される。通常は、上記上限値は、燃料電池スタック１０の定格発電出力と同じ値に設定されている。しかしながら、燃料電池システム１が発電中にバッファタンク内圧力計５０から得られるバッファタンク３４内の圧力が所定の圧力よりも低い場合には、バッファタンク３１から燃料電池スタック１０に通常よりも少ない流量の空気しか供給することができないため、燃料電池スタック１０はその定格発電出力で発電することができない。このため、制御装置７０は、バッファタンク内圧力計５０によって測定された圧力に対応する新たな上限値を求め、この新たな上限値を用いて出力指令値を決定する。ここで、新たな上限値は、上記定格発電出力よりも低い値である。例えば、新たな上限値は、バッファタンク３１内の圧力が上記測定された圧力であっても燃料電池スタック１０が出力可能な発電出力の最大値である。新たな上限値は、バッファタンク内圧力計５０によって測定された圧力に対して所定の演算を行うことによって求められる。この所定の演算は、制御装置７０の上限値演算部７１で行われる。

新たな上限値が設定されると、制御装置７０から電源装置２に新たな出力指令値が入力され、この新たな出力指令値に基づいて燃料電池スタック１０で発電が行われる。新たな出力指令値は通常の上限値よりも低い新たな上限値を用いて決定されているため、燃料電池スタック１０が発電に必要とする空気の最大流量が低減される。このように、バッファタンク３４内の圧力が低下した場合に電源装置２に入力される出力設定値の上限値が下げられることにより、バッファタンク３４から燃料電池スタック１０に（言い換えると、所内空気供給装置４０や補助用コンプレッサ３６からバッファタンク３４に）供給される空気流量が低下しても、燃料電池システム１は発電動作を継続することができる。なお、燃料電池スタック１０に供給される空気の量が低下して、当該空気の量よりも燃料電池スタック１０で消費される空気の量が多くなると、燃料電池システム１は、発電を継続できなくなるため保護停止される。

また、燃料電池システム１が発電中、制御装置７０は、所内空気供給圧力計５１から、所内空気供給装置４０が燃料電池システム１に提供する圧縮空気の圧力に関する情報を取得する。これにより、制御装置７０は、所内空気供給装置４０が正常に動作しているか否かを判定する。具体的には、所内空気供給圧力計５１で測定される上記圧力が極めて低い場合には、制御装置７０は、所内空気供給装置４０が正常に動作していないと判断する。また、燃料電池システム１が発電中、制御装置７０は、補助用コンプレッサ３６が正常に動作しているか否かを判定する。例えば、制御装置７０は、補助用コンプレッサ３６から動作信号を受信しない場合には、補助用コンプレッサ３６が故障して停止していると判断する。所内空気供給装置４０が正常に動作していず、且つ、補助用コンプレッサ３６が停止している場合、燃料電池スタック１０に空気を供給することができない。この場合、制御装置７０は、出力指令値を０と決定して、電源装置２に渡す。これにより、燃料電池システム１の運転を安全に停止させることができる。

なお、所内空気供給装置４０及び補助用コンプレッサ３６が正常に動作しているか否かの判定は、バッファタンク内圧力計５０から得られるバッファタンク３４内の圧力に基づいて行ってもよい。具体的には、バッファタンク内圧力計５０が計測する圧力が極めて低い状態が所定時間継続した場合には、制御装置７０は、所内空気供給装置４０及び補助用コンプレッサ３６のいずれも正常に動作していないと判断してもよい。

以上のように、本実施の形態による燃料電池システム１は、水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に接続された空気流路３１と、を備えている。空気流路３１は、所内空気又は制御用空気が導入される圧縮空気導入口３２を有している。空気流路３１上には、圧縮空気導入口３２と燃料電池スタック１０との間に、減圧弁３３が設けられている。このような燃料電池システム１によれば、燃料電池システム１がブロワ等の空気供給装置を含む場合と比較して、燃料電池システム１を小型化することができる。また、燃料電池システム１の発電出力の応答性を向上させることができる。

また、本実施の形態による燃料電池システム１において、空気流路３１上には、減圧弁３３と燃料電池スタック１０との間に、減圧弁３３で減圧された空気を収容するバッファタンク３４と、バッファタンク３４から燃料電池スタック１０への空気の流量を調節する流量調節弁３５と、が設けられている。このような燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック１０に、所望の圧力の空気を所望の流量で安定して供給することができる。

また、本実施の形態による燃料電池システム１は、バッファタンク３４に圧縮空気を導入する補助用コンプレッサ３６を更に備えている。このような燃料電池システム１によれば、何らかの理由で所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から十分な圧縮空気が得られない場合であっても、バッファタンク３４を十分な量の圧縮空気で満たすことができる。したがって、燃料電池スタック１０に、所望の圧力の空気を所望の流量で、より安定して供給することができる。

また、本実施の形態による燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０に要求される要求発電量及び所定の上限値に基づいて当該所定の上限値以下の出力指令値を算出して燃料電池スタック１０に当該出力指令値に応じた発電出力で発電させる制御装置７０と、バッファタンク３４内の圧力を計測する圧力計５０と、を更に備えている。制御装置７０は、圧力計５０によって計測されたバッファタンク３４内の圧力が所定の圧力より低い場合、上記所定の上限値を下げて新たな出力指令値を算出し、燃料電池スタック１０に当該新たな出力指令値に応じた発電出力で発電させる。この場合、バッファタンク３４から燃料電池スタック１０に（言い換えると、所内空気供給装置４０や補助用コンプレッサ３６からバッファタンク３４に）供給される空気流量が低下しても、燃料電池システム１は発電動作を継続することができる。

また、本実施の形態による燃料電池システム１は、バッファタンク３４内の圧力を計測する圧力計５０と、補助用コンプレッサ３６と、補助用コンプレッサ３６で圧縮された空気をバッファタンク３４に導入する補助用空気流路３７と、を更に備えている。補助用コンプレッサ３６は、圧力計５０によって計測されたバッファタンク３４内の圧力が所定の圧力より低い場合に起動される。補助用コンプレッサ３６からバッファタンク３４に圧縮空気を導入可能であることにより、何らかの理由で所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から十分に圧縮空気が得られない場合であっても、バッファタンク３４を十分な量の圧縮空気で満たすことができる。したがって、燃料電池スタック１０に、所望の圧力の空気を所望の流量で、より安定して供給することができる。

また、本実施の形態による燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０に要求される要求発電量に基づいて出力指令値を算出して、燃料電池スタック１０に当該出力指令値に応じた発電出力で発電させる制御装置７０と、バッファタンク３４内の圧力を計測する圧力計５０と、を更に備えている。制御装置７０は、圧力計５０によって計測されるバッファタンク３４内の圧力が所定の圧力より低い状態が所定時間継続された場合、燃料電池システム１を停止させる。圧力計５０によって計測されるバッファタンク３４内の圧力が所定の圧力より低い状態が所定時間継続された場合、所内空気供給装置４０が正常に動作していず、且つ、補助用コンプレッサ３６が故障しているため、燃料電池スタック１０に空気を供給することができない。この場合に制御装置７０によって燃料電池システム１を停止させることにより、燃料電池システム１の運転を安全に停止させることができる。

次に、図２を参照して、本実施の形態による燃料電池システムの変形例について説明する。図２に示す変形例の燃料電池システム１は、バッファタンク３４と補助用コンプレッサ３６と流量調節弁３８の位置が減圧弁３３の上流となっている点、補助用コンプレッサの位置変更による所内空気供給設備４０への空気の逆流防止を目的として酸素供給系３０が逆止弁６１を含む点で異なっている。他の構成は、図１に示す燃料電池システム１と略同一である。図２に示す変形例において、図１に示す実施形態と同一の部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図２に示す燃料電池システム１によっても、図１に示す燃料電池システム１と同様の効果を得ることができる。

次に、図３を参照して、本実施の形態による燃料電池システムの他の変形例について説明する。図３に示す変形例の燃料電池システム１００は、複数の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂを含む点で異なっている。また、図３に示す変形例の燃料電池システム１００は、その酸素供給系３００が、複数の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに空気を分配する空気分配流路３１０を含む点で異なっている。また、図３に示す変形例の燃料電池システム１００は、その水素供給系２００が、水素供給源２１と複数の水素流路２２Ａ，２２Ｂを含む点で異なっている。他の構成は、図１に示す燃料電池システム１と略同一である。図３に示す変形例において、図１に示す実施形態と同一の部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図３に示すように、変形例の燃料電池システム１００は、第１燃料電池スタック１０Ａと、第２燃料電池スタック１０Ｂと、水素供給系２００と、酸素供給系３００と、を備えている。各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂには、当該燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから電流を取り出すための電源装置２Ａ，２Ｂが接続されている。各電源装置２Ａ，２Ｂは、制御装置７０に接続されている。

制御装置７０には、入力部３を介して、燃料電池システム１００に要求される要求発電量が制御装置７０に入力される。制御装置７０は、入力部３から入力された要求発電量に基づいて、各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの出力指令値を計算する。また、制御装置７０は、図１に示す燃料電池システム１の制御装置７０と同様に、燃料電池システム１００の各部を制御する。

第１燃料電池スタック１０Ａ及び第２燃料電池スタック１０Ｂは、図１に示す燃料電池スタック１０と同様に構成されている。水素供給系２００は、それぞれ、第１燃料電池スタック１０Ａのアノード電極１１及び第２燃料電池スタック１０Ｂのアノード電極１１へ水素を供給するものである。水素供給系２００は、水素供給源２１と水素流路２２Ａ，２２Ｂとを含む。第１水素流路２２Ａは、水素供給源２１と第１燃料電池スタック１０Ａとを接続する。これにより、水素供給源２１からの水素が、第１水素流路２２Ａを介して第１燃料電池スタック１０Ａに供給される。第２水素流路２２Ｂは、水素供給源２１と第２燃料電池スタック１０Ｂとを接続する。これにより、水素供給源２１からの水素が、第２水素流路２２Ｂを介して第２燃料電池スタック１０Ｂに供給される。

酸素供給系３００は、第１燃料電池スタック１０Ａのカソード電極１２及び第２燃料電池スタック１０Ｂのカソード電極１２に空気を供給するものである。図３に示す例では、酸素供給系３００は、第１燃料電池スタック１０Ａ及び第２燃料電池スタック１０Ｂに空気を分配する空気分配流路３１０と、空気分配流路３１０上に設けられた減圧弁３３と、を含む。空気分配流路３１０は、燃料電池システム１００の外部にある所内空気供給装置４０または制御用空気供給装置と、複数の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂとを接続する。これにより、所内空気供給装置４０または制御用空気供給装置からの空気が、空気分配流路３１０を介して、複数の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに供給される。より具体的には、空気分配流路３１０は、本流路３１１と、本流路３１１の下流側端部に接続する第１分流路３１２及び第２分流路３１３と、を有する。本流路３１１の上流側端部には、所内空気供給装置４０または制御用空気供給装置に接続される圧縮空気導入口３２が設けられている。第１分流路３１２及び第２分流路３１３の下流側端部は、それぞれ、第１燃料電池スタック１０Ａ及び第２燃料電池スタック１０Ｂに接続する。

減圧弁３３は、空気分配流路３１０上において、圧縮空気導入口３２と燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂとの間に配置されている。図示された例では、減圧弁３３は、本流路３１１上に配置されている。減圧弁３３は、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から提供される圧縮空気を減圧する。

図３に示す燃料電池システム１００も、酸素供給系３００がブロワ等の空気供給装置を含まない。このため、燃料電池システム１００が小型化され得る。また、所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から空気の供給を受けるため、燃料電池システム１００の発電出力の応答性を向上させることができる。

図示された例では、酸素供給系３００は、更に、バッファタンク３４と、流量調節弁３５Ａ，３５Ｂと、を有する。バッファタンク３４は、空気分配流路３１０上において、減圧弁３３と燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂとの間に設けられ、減圧弁３３で減圧された空気を収容する。図示された例では、バッファタンク３４は、本流路３１１上に配置されている。流量調節弁３５Ａ，３５Ｂは、空気分配流路３１０上において、バッファタンク３４と燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂとの間に設けられている。図示された例では、酸素供給系３００は、第１流量調節弁３５Ａおよび第２流量調節弁３５Ｂを含む。第１流量調節弁３５Ａおよび第２流量調節弁３５Ｂは、それぞれ、第１分流路３１２上及び第２分流路３１３上に設けられている。第１流量調節弁３５Ａおよび第２流量調節弁３５Ｂは、それぞれ、バッファタンク３４から第１燃料電池スタック１０Ａ及び第２燃料電池スタック１０Ｂへの空気の流量を調節する。流量調節弁３５Ａ，３５Ｂは、当該空気の流量を、対応する燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの電源装置２Ａ，２Ｂに入力される出力指令値や、対応する燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの電源装置２Ａ，２Ｂで計測される電池電流に応じて調節する。流量調節弁３５Ａ，３５Ｂは、例えば、制御装置７０からの制御信号を受けて当該空気の流量を制御する。

減圧弁３３で減圧された空気がバッファタンク３４に収容され、流量調節弁３５Ａ，３５Ｂによってバッファタンク３４から各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂへの空気の流量が調節されることにより、各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに、所望の圧力の空気を所望の流量で安定して供給することができる。なお、図３に示す例では、酸素供給系３００は分流路３１２，３１３と同じ数の流量調節弁３５Ａ，３５Ｂを有するが、これに限られない。例えば、酸素供給系３００は、ただ１つの流量調節弁３５を有していてもよい。この場合、流量調節弁３５は、本流路３１１上において、バッファタンク３４の下流側（バッファタンク３４と分流路３１２，３１３との間）に設けられてよい。この場合も、流量調節弁３５によって、バッファタンク３４から各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂへの空気の流量を調節することができる。

また、図示された例では、酸素供給系３００は、更に、補助用コンプレッサ３６と、補助用空気流路３７と、流量調節弁３８と、を有する。

なお、図３に示す例では、燃料電池システム１００は２つの燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂを含むが、これに限られない。燃料電池システム１００は、３つ以上の燃料電池スタック１０を含んでよい。この場合、燃料電池システム１００の空気分配流路３１０は燃料電池スタック１０と同じ数の分流路を有してよく、各分流路に流量調節弁３５が設けられてよい。また、図３に示す例において、燃料電池システム１００は、複数の水素供給系２０を有していてもよい。この場合、各燃料電池スタック１０に対して１つの水素供給系２０が設けられていてよい。

また、図４に示すように、バッファタンク３４、補助用コンプレッサ３６及び流量調節弁３８を、減圧弁３３の上流側に設けてもよい。この場合、図４に示すように、所内空気供給設備４０への空気の逆流防止を目的として、酸素供給系３００が逆止弁６１を含んでもよい。

次に、図３に示す燃料電池システム１００の作用について説明する。まず、燃料電池システム１００の圧縮空気導入口３２が所内空気供給装置４０に接続され、所内空気供給装置４０からバッファタンク３４へ空気の供給が開始される。このとき、フィルタ装置６０で水分と不純物が除去された空気が、バッファタンク３４に供給される。また、入力部３から制御装置７０に燃料電池システム１００に要求される要求発電量が入力されると、制御装置７０は、当該要求発電量に基づいて出力指令値を計算して電源装置２に渡す。これにより、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに水素供給系２００からの水素の供給と酸素供給系３００からの空気の供給とが開始され、燃料電池システム１００は発電を開始する。

燃料電池システム１００が発電中、制御装置７０は、バッファタンク内圧力計５０から、バッファタンク３４内の圧力に関する情報を取得する。当該圧力が所定値未満である場合、制御装置７０は、補助用コンプレッサ３６に制御信号を入力して補助用コンプレッサ３６を起動させる。

また、燃料電池システム１００が発電中、制御装置７０は、電源装置２Ａに入力した出力指令値に基づいて流量調節弁３５Ａの開度を調節し、電源装置２Ｂに入力した出力指令値に基づいて流量調節弁３５Ｂの開度を調節する。

以上により、制御装置７０で決定された出力指令値に応じた発電出力が、各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから得られる。

なお、出力指令値は、次のようにして計算される。まず、制御装置７０は、入力部３から要求発電量が入力されると、各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの定格発電出力を考慮して、各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに要求される要求発電量を求める。次に、制御装置７０は、第１燃料電池スタック１０Ａに要求される要求発電量に対して所定の演算を行う。演算結果が所定の上限値以下であり且つ所定の下限値以上である場合には、制御装置７０は、演算結果を出力指令値として電源装置２Ａに渡す。一方、演算結果が所定の上限値より大きい場合には、制御装置７０は、当該所定の上限値を出力指令値として電源装置２Ａに渡す。また、演算結果が所定の下限値より小さい場合には、制御装置７０は、当該所定の下限値を出力指令値として電源装置２Ａに渡す。同様に、制御装置７０は、第２燃料電池スタック１０Ｂに要求される要求発電量に対して所定の演算を行う。演算結果が所定の上限値以下であり且つ所定の下限値以上である場合には、制御装置７０は、演算結果を出力指令値として電源装置２Ｂに渡す。一方、演算結果が所定の上限値より大きい場合には、制御装置７０は、当該所定の上限値を出力指令値として電源装置２Ｂに渡す。また、演算結果が所定の下限値より小さい場合には、制御装置７０は、当該所定の下限値を出力指令値として電源装置２Ｂに渡す。なお、所内空気供給装置４０及び補助用コンプレッサ３６が正常に動作していない場合は、後述するように、制御装置７０は出力指令値を０に決定する。

なお、出力指令値の計算に用いられる上限値は、次のようにして決定される。通常は、電源装置２Ａに入力される出力指令値の計算に用いられる上限値は、第１燃料電池スタック１０Ａの定格発電出力と同じ値に設定されている。また、電源装置２Ｂに入力される出力指令値の計算に用いられる上限値は、第２燃料電池スタック１０Ｂの定格発電出力と同じ値に設定されている。しかしながら、燃料電池システム１００が発電中にバッファタンク内圧力計５０から得られるバッファタンク３４内の圧力が所定の圧力よりも低い場合には、バッファタンク３１から燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに通常よりも少ない流量の空気しか供給することができないため、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂはその定格発電出力で発電することができない。このため、制御装置７０は、バッファタンク内圧力計５０によって測定された圧力に対応する新たな上限値を、各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂについて求め、この新たな上限値を用いて各電源装置２Ａ，２Ｂに入力される出力指令値を決定する。ここで、電源装置２Ａに入力される新たな上限値は、第１燃料電池スタック１０Ａの定格発電出力よりも低い値である。また、電源装置２Ｂに入力される新たな上限値は、第２燃料電池スタック１０Ｂの定格発電出力よりも低い値である。例えば、新たな上限値は、バッファタンク３１内の圧力が上記測定された圧力であっても各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂが出力可能な発電出力の最大値である。新たな上限値は、バッファタンク内圧力計５０によって測定された圧力に対して所定の演算を行うことによって求められる。この所定の演算は、制御装置７０の上限値演算部７１で行われる。

新たな上限値が設定されると、制御装置７０から電源装置２Ａ，２Ｂに新たな出力指令値が入力され、この新たな出力指令値に基づいて燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂで発電が行われる。新たな出力指令値は通常の上限値よりも低い新たな上限値を用いて決定されているため、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂが発電に必要とする空気の最大流量が低減される。このように、バッファタンク３４内の圧力が低下した場合に電源装置２に入力される出力設定値の上限値が下げられることにより、バッファタンク３４から燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに（言い換えると、所内空気供給装置４０や補助用コンプレッサ３６からバッファタンク３４に）供給される空気流量が低下しても、燃料電池システム１００は発電動作を継続することができる。

また、燃料電池システム１００が発電中、制御装置７０は、所内空気供給圧力計５１から、所内空気供給装置４０が燃料電池システム１００に提供する圧縮空気の圧力に関する情報を取得する。これにより、制御装置７０は、所内空気供給装置４０が正常に動作しているか否かを判定する。具体的には、所内空気供給圧力計５１で測定される上記圧力が極めて低い場合には、制御装置７０は、所内空気供給装置４０が正常に動作していないと判断する。また、燃料電池システム１００が発電中、制御装置７０は、補助用コンプレッサ３６が正常に動作しているか否かを判定する。例えば、制御装置７０は、補助用コンプレッサ３６から動作信号を受信しない場合には、補助用コンプレッサ３６が故障して停止していると判断する。所内空気供給装置４０が正常に動作していず、且つ、補助用コンプレッサ３６が停止している場合、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに空気を供給することができない。この場合、制御装置７０は、各電源装置２Ａ，２Ｂに入力する出力指令値を０と決定して、電源装置２Ａ，２Ｂに渡す。これにより、燃料電池システム１００の運転を安全に停止させることができる。

なお、所内空気供給装置４０及び補助用コンプレッサ３６が正常に動作しているか否かの判定は、バッファタンク内圧力計５０から得られるバッファタンク３４内の圧力に基づいて行ってもよい。具体的には、バッファタンク内圧力計５０が計測する圧力が極めて低いままである場合には、制御装置７０は、所内空気供給装置４０及び補助用コンプレッサ３６のいずれも正常に動作していないと判断してもよい。

以上のように、変形例による燃料電池システム１００は、水素と酸素とを用いて電気を発生させる複数の燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂと、複数の燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂに空気を分配する空気分配流路３１０と、を備えている。空気分配流路３１０は、所内空気又は制御用空気が導入される圧縮空気導入口３２を有している。空気分配流路３１０上には、圧縮空気導入口３２と複数の燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂとの間に、減圧弁３３が設けられている。このような燃料電池システム１００によっても、燃料電池システム１００がブロワ等の空気供給装置を含む場合と比較して、燃料電池システム１００を小型化することができる。また、燃料電池システム１００の発電出力の応答性を向上させることができる。

また、変形例による燃料電池システム１００において、空気分配流路３１０上には、減圧弁３３と複数の燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂとの間に、減圧弁３３で減圧された空気を収容可能なバッファタンク３４と、バッファタンク３４から各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂへの空気の流量を調節する流量調節弁３５Ａ，３５Ｂと、が設けられている。このような燃料電池システム１００によれば、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂに、所望の圧力の空気を所望の流量で安定して供給することができる。

また、変形例による燃料電池システム１００は、バッファタンク３４に圧縮空気を導入する補助用コンプレッサ３６を更に備えている。このような燃料電池システム１００によれば、何らかの理由で所内空気供給装置４０や制御用空気供給装置から十分な圧縮空気が得られない場合であっても、バッファタンク３４を十分な量の圧縮空気で満たすことができる。したがって、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂに、所望の圧力の空気を所望の流量で、より安定して供給することができる。

上述した実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、上述した実施の形態やその変形を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

１，１００：燃料電池システム、２：電源装置、３：入力部、１０，１０Ａ，１０Ｂ：燃料電池スタック、１１：アノード電極、１２：カソード電極、２０，２０Ａ，２０Ｂ：水素供給系、２１：水素供給源、２２：水素流路、３０，３００：酸素供給系、３１：空気流路、３２：圧縮空気導入口、３３：減圧弁、３４：バッファタンク、３５，３５Ａ，３５Ｂ：流量調節弁、３６：補助用コンプレッサ、３７：補助用空気流路、３８：流量調節弁、４０：所内空気供給装置、５０：バッファタンク内圧力計、５１：所内空気供給圧力計、６０：フィルタ装置、６１：逆止弁、７０：制御装置、７１：上限値演算部、３１０：空気分配流路、３１１：本流路、３１２：第１分流路、３１３：第２分流路

Claims (7)

1. 燃料電池システムであって、
   水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに接続された空気流路と、
   を備え、
   前記空気流路は、所内空気又は制御用空気が導入される圧縮空気導入口を有し、
   前記所内空気及び前記制御用空気は、前記燃料電池システムが配置される施設に既設の装置から供給される空気であり、
   前記空気流路上には、前記圧縮空気導入口と前記燃料電池スタックとの間に、減圧弁が設けられ、
   前記空気流路上には、前記減圧弁と前記燃料電池スタックとの間に、前記減圧弁で減圧された空気を収容するバッファタンクと、前記バッファタンクから前記燃料電池スタックへの空気の流量を調節する流量調節弁と、が設けられている、燃料電池システム。
2. 前記バッファタンクに圧縮空気を導入する補助用コンプレッサを更に備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 燃料電池システムであって、
   水素と酸素とを用いて電気を発生させる複数の燃料電池スタックと、
   前記複数の燃料電池スタックに空気を分配する空気分配流路と、
   を備え、
   前記空気分配流路は、所内空気又は制御用空気が導入される圧縮空気導入口を有し、
   前記所内空気及び前記制御用空気は、前記燃料電池システムが配置される施設に既設の装置から供給される空気であり、
   前記空気分配流路上には、前記圧縮空気導入口と前記複数の燃料電池スタックとの間に、減圧弁が設けられ、
   前記空気分配流路上には、前記減圧弁と前記複数の燃料電池スタックとの間に、前記減圧弁で減圧された空気を収容可能なバッファタンクと、前記バッファタンクから各燃料電池スタックへの空気の流量を調節する流量調節弁と、が設けられている、燃料電池システム。
4. 前記バッファタンクに圧縮空気を導入する補助用コンプレッサを更に備えた、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池スタックに要求される要求発電量及び所定の上限値に基づいて当該所定の上限値以下の出力指令値を算出し、前記燃料電池スタックに当該出力指令値に応じた発電出力で発電させる制御装置と、
   前記バッファタンク内の圧力を計測する圧力計と、
   を更に備え、
   前記制御装置は、前記圧力計によって計測された前記バッファタンク内の圧力が所定の圧力より低い場合、前記上限値を下げて新たな出力指令値を算出し、前記燃料電池スタックに当該新たな出力指令値に応じた発電出力で発電させる、請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記バッファタンク内の圧力を計測する圧力計と、
   補助用コンプレッサと、
   前記補助用コンプレッサで圧縮された空気を前記バッファタンクに導入する補助用空気流路と、
   を更に備え、
   前記補助用コンプレッサは、前記圧力計によって計測された前記バッファタンク内の圧力が所定の圧力より低い場合に起動される、請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池スタックに要求される要求発電量に基づいて出力指令値を算出して、前記燃料電池スタックに当該出力指令値に応じた発電出力で発電させる制御装置と、
   前記バッファタンク内の圧力を計測する圧力計と、
   を更に備え、
   前記制御装置は、前記圧力計によって計測される前記バッファタンク内の圧力が所定の圧力より低い状態が所定時間継続された場合、前記燃料電池システムを停止させる、請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。