(57)【要約】【課題】燃料電池による通常の発電を行わない状態で燃料電池の電位を低下させる際のエネルギーの損失を低減する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０１は、燃料電池１０で使用されなかった水素ガスを燃料電池１０に再循環させる水素循環管１５に設けられ且つ水素循環管１５の水素ガスを燃料電池１０に圧送する水素循環ポンプ１９と、燃料電池ＥＣＵ１３とを備える。燃料電池ＥＣＵ１３は、水素ガスタンク１１から燃料電池１０への水素ガスの供給を停止させた場合、コンプレッサ１２から燃料電池１０への酸化剤ガスの供給を停止すると共に水素循環ポンプ１９を動作させ、燃料電池１０で生成される電気エネルギーを水素循環ポンプ１９に供給する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガス供給源から供給される水素ガス及び酸化剤ガス供給源から供給される酸化剤ガスを反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池で使用されなかった水素ガスを前記燃料電池に再循環させる水素循環路に設けられ、前記水素循環路の水素ガスを前記燃料電池に圧送する水素循環ポンプと、
制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記水素ガス供給源から前記燃料電池への水素ガスの供給を停止させた場合、
前記酸化剤ガス供給源から前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止すると共に、前記水素循環ポンプを動作させ、
前記燃料電池で生成される電気エネルギーを、前記水素循環ポンプに供給する燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池から生成された電気エネルギーを蓄電可能な蓄電装置を備え、
前記制御手段は、前記蓄電装置の蓄電率が所定の蓄電率以下のとき、前記燃料電池で生成される電気エネルギーを前記蓄電装置へも供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー供給源として燃料電池を使用した燃料電池システムの開発が行われている。燃料電池システムでは、燃料電池のアノードに水素ガス等の還元剤ガスが供給され、燃料電池のカソードに酸素を含む空気等の酸化剤ガスが供給され、燃料電池において水素及び酸素を酸化還元反応（電気化学反応）させて直流電力からなる電気エネルギーが生成される。そして、燃料電池システムの中には、燃料電池で電気化学反応に用いられなかった水素ガスを循環させて、燃料電池で再利用する技術が採用されている。
また、燃料電池システムにおいて、停車時のアイドリング状態や、低負荷状態の時に燃料電池によって発電を行う通常運転を停止すると、燃料電池では、電気的に無負荷であり且つ残留した酸素及び水素によって電位が高くなる高電位である状態となってこの状態が維持され、それにより燃料電池内の触媒の耐久性が低下して燃料電池の性能が低下する。
【０００３】
そのため、例えば、特許文献１には、燃料電池の負荷が無負荷状態などにあるとき、水素供給圧を増大することにより、セル電圧を所定電圧に低下させる制御することが記載されている。これにより、無負荷状態又はアイドリング負荷状態における燃料電池の性能低下を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９３７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池が無負荷状態などで燃料電池のセル電圧を低下させる際に水素貯蔵タンクから供給される水素の供給圧を増大させている。そして、燃料電池内の残留酸素と供給した水素とで発電を行うことでセル電圧を低下させる。その際に発電した電力は、余剰電力となり、燃料電池システム内に設けられた蓄電装置に蓄電されることになる。
しかしながら、蓄電装置の容量が一杯であり、燃料電池で発電した電力を受け容れることができない状態が発生する。このような状態では、燃料電池で発電した電力を熱エネルギーに変換するなどして余剰電力を消費しなければならない。したがって、エネルギーの損失が生じるという問題がある。
【０００６】
この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池による通常の発電を行わない状態で燃料電池の電位を低下させる際のエネルギーの損失を低減する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、この発明に係る燃料電池システムは、水素ガス供給源から供給される水素ガス及び酸化剤ガス供給源から供給される酸化剤ガスを反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池で使用されなかった水素ガスを燃料電池に再循環させる水素循環路に設けられ、水素循環路の水素ガスを燃料電池に圧送する水素循環ポンプと、制御手段とを備え、制御手段は、水素ガス供給源から燃料電池への水素ガスの供給を停止させた場合、酸化剤ガス供給源から燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止すると共に、水素循環ポンプを動作させ、燃料電池で生成される電気エネルギーを、水素循環ポンプに供給する。
【０００８】
上記燃料電池システムは、燃料電池から生成された電気エネルギーを蓄電可能な蓄電装置を備え、制御手段は、蓄電装置の蓄電率が所定の蓄電率以下のとき、燃料電池で生成される電気エネルギーを蓄電装置へも供給してもよい。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池による通常の発電を行わない状態で燃料電池の電位を低下させる際のエネルギーの損失を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態に係る燃料電池システムを搭載するフォークリフトの概略構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の発電動作に関連する装置の概略構成を示す図である。
【図３】図２の燃料電池システムにおける燃料電池による発電電力を扱う電気部品の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態
まず、この発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０１及び燃料電池システム１０１を搭載する車両の概略的な構成を説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池システム１０１を搭載する車両は、フォークリフト１であるものとして説明する。
【００１２】
図１を参照すると、フォークリフト１は、フォークリフト１に走行等の動作をさせるための走行モータ２と、荷役作業を行うためのフォーク、マスト等の荷役作業装置４を駆動するための荷役モータ３と、その他フォークリフト１が駆動する上で必要な補機７（ディスプレイ、ライトなど）と、燃料電池システム１０１とを備えている。荷役作業装置４は、油圧機構５が動作することによって動作し、油圧機構５は、荷役モータ３に一体に回転するように連結された油圧ポンプ６が生成する油圧によって動作する。
そして、走行モータ２、荷役モータ３及び補機７は、燃料電池システム１０１が備える燃料電池１０（図２参照）が生成する電力を使用して動作する。なお、燃料電池１０は、多数の高分子型の単セルが積層されたスタック構造を有しており、各セルにおいて供給される水素及び酸素を電気化学反応させることによって、高い出力の電力（電気エネルギー）を生成することができる。
【００１３】
図２を参照すると、燃料電池システム１０１は、燃料電池１０の他に、燃料電池１０に供給する水素ガス（還元剤ガス）を貯蔵するための水素ガスタンク１１と、燃料電池１０に酸素を含む空気（酸化剤ガス）を圧送するための電動式のコンプレッサ１２と、燃料電池システム１０１に関する各装置の動作を制御する燃料電池ＥＣＵ１３とを備えている。
コンプレッサ１２は、モータ１２ａを一体に備え、このモータ１２ａによって駆動される電動式の構成を有している。コンプレッサ１２からは空気供給管１６が延び、空気供給管１６は、燃料電池１０のカソード側に接続している。これにより、燃料電池１０の各セルのカソードには、コンプレッサ１２によって圧縮された空気が供給される。
【００１４】
なお、コンプレッサ１２のモータ１２ａは、インバータ１２ｂに電気的に接続されており、燃料電池ＥＣＵ１３は、インバータ１２ｂを制御して供給電力を調節することによって、モータ１２ａの動作（回転数）を制御する。具体的には、燃料電池ＥＣＵ１３は、インバータ１２ｂにモータ１２ａの回転数指令を送信し、インバータ１２ｂは、指令された回転数となるようにモータ１２ａに制御信号つまり電力を供給する。さらに、インバータ１２ｂは、モータ１２ａに設けられた回転数センサから回転数情報を受信し、受信した回転数情報を燃料電池ＥＣＵ１３に送信する。そして、燃料電池ＥＣＵ１３は、受信した回転数情報に基づき、インバータ１２ｂに送信する回転数指令を調節する。
ここで、水素ガスタンク１１は水素ガス供給源を構成し、コンプレッサ１２は酸化剤ガス供給源を構成し、燃料電池ＥＣＵ１３は制御手段を構成している。
【００１５】
水素ガスタンク１１は、水素供給管１４を介して燃料電池１０のアノード側に接続され、水素ガスタンク１１から送り出される水素ガスは、燃料電池１０の各セルのアノードに供給される。さらに、水素供給管１４の途中には、水素供給管１４を開放又は閉鎖して水素ガスの流量を調節する電磁弁式の水素供給制御弁１４ａが設けられている。水素供給制御弁１４ａは、その動作の制御を受けるように、燃料電池ＥＣＵ１３に電気的に接続されている。なお、水素供給制御弁１４ａは、水素ガスタンク１１と水素供給管１４との接続部に設けられてもよい。
【００１６】
また、燃料電池１０のアノード側からは、気液分離器２１への排気管１７が設けられている。気液分離器２１からは、燃料電池１０内で使用されなかった水素（未反応で排出された水素）を含むガスを排出するための水素循環路を構成する水素循環管１５が延び、水素循環管１５は、燃料電池１０と水素供給制御弁１４ａとの間で、水素供給管１４に接続している。さらに、水素循環管１５の途中には、燃料電池１０から排出された水素を含むガスを水素供給管１４に圧送するための電動式の水素循環ポンプ１９が設けられている。気液分離器２１は、水素を含むガス中の燃料電池１０内の反応で生成した水（反応生成水）を分離するものである。
なお、水素循環ポンプ１９のモータ１９ａは、インバータ１９ｂに電気的に接続されており、燃料電池ＥＣＵ１３は、インバータ１９ｂを制御して供給電力を調節することによって、水素循環ポンプ１９のモータ１９ａの動作（回転数）を制御する。そして、燃料電池ＥＣＵ１３によるインバータ１９ｂの制御、及び、インバータ１９ｂによるモータ１９ａの制御は、コンプレッサ１２における燃料電池ＥＣＵ１３及びインバータ１２ｂによる制御と同様にして行われる。
【００１７】
また、水素供給管１４における水素循環管１５の接続部と水素供給制御弁１４ａとの間には、水素ガスタンク１１から水素供給管１４に供給される水素ガスの圧力を検出する圧力センサ１４ｂが設けられている。圧力センサ１４ｂは、検出した圧力情報を送信するように燃料電池ＥＣＵ１３に電気的に接続されている。
【００１８】
また、燃料電池１０のカソード側からは、燃料電池１０内で使用されなかった空気や燃料電池１０内の反応で生成した水（反応生成水）を排出するための排気管１８が延びている。
そして、排気管１８の途中には、希釈器２０及びマフラー２２が上流から下流に向かって設けられている。なお、希釈器２０へは気液分離器２１から図示しないバルブを有する管路が延びており、気液分離器２１からのアノード側の排気は、カソード側から排気管１８に排出される空気を多く含む排気によって希釈されて、外部に排出される。
【００１９】
さらに、図３を参照すると、燃料電池システム１０１における電気部品の構成が示されている。
燃料電池システム１０１は、燃料電池１０の他に、燃料電池１０が生成した電力を昇圧又は降圧するコンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）３１と、燃料電池１０が生成した電力を蓄電するための蓄電装置（Ｌｉイオンキャパシタ等）３２と、インバータ１２ｂ及び１９ｂと、燃料電池システム１０１を稼動させるための燃料電池補機３３と、燃料電池ＥＣＵ１３とを備えている。
燃料電池１０のアノード及びカソードは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１に電気的に接続され、燃料電池１０が生成した電力がＤＣ−ＤＣコンバータ３１に供給されるようになっている。
【００２０】
燃料電池１０とＤＣ−ＤＣコンバータ３１との間には、電圧計３４が設けられており、電圧計３４は、燃料電池１０のセルの電圧（セル電圧）を検出し、検出結果を送信するように燃料電池ＥＣＵ１３に電気的に接続されている。なお、電圧計３４は、燃料電池１０の全てのセルの電圧を検出するようにしてもよく、全てのセルのうちの幾つかの電圧を検出するようにしてもよい。
さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１、蓄電装置３２、インバータ１２ｂ及び１９ｂ、燃料電池補機３３、並びに、車両負荷３５は、相互に電気的に接続されている。蓄電装置３２、インバータ１２ｂ及び１９ｂ、燃料電池補機３３、並びに、車両負荷３５には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１によって昇圧又は降圧された電力が供給されるようになっている。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１は、その動作の制御を受けるように、燃料電池ＥＣＵ１３に電気的に接続されている。
【００２１】
なお、車両負荷３５とは、燃料電池システム１０１の外部に位置し、走行モータ２、荷役モータ３、その他フォークリフト１が駆動する上で必要な補機７等を含むものである（図１参照）。そして、車両負荷３５は、燃料電池システム１０１と別個に位置してフォークリフト１全体を制御する車両コントローラ３０によって制御されるように構成されている。
さらに、車両コントローラ３０は、燃料電池ＥＣＵ１３との間で指令及び情報を送信及び受信するように構成されている。
また、燃料電池ＥＣＵ１３は、蓄電装置３２の蓄電率を検知し、燃料電池補機３３の動作を制御し、インバータ１２ｂ及び１９ｂの動作を制御するように構成されている。
【００２２】
次に、この発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０１及びその周辺の動作を説明する。
まず、燃料電池１０を通常運転させる場合について説明する。
図１〜図３をあわせて参照すると、フォークリフト１を駆動する走行モータ２、荷役モータ３又は補機７などの車両負荷３５を稼動させるために燃料電池１０による発電が必要である場合、燃料電池システム１０１の燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池１０を以下のように通常運転させる。
【００２３】
すなわち、燃料電池ＥＣＵ１３は、水素供給制御弁１４ａを開放して水素ガスタンク１１から燃料電池１０に水素ガスを供給すると共に、燃料電池１０で発電した電力や蓄電装置３２の電力を使用してコンプレッサ１２を稼動させて空気を燃料電池１０に圧送する。同時に、燃料電池ＥＣＵ１３は、蓄電装置３２の電力を使用して水素循環ポンプ１９を稼動させ、燃料電池１０で使用されなかった水素ガスを水素循環管１５を通じて循環させて燃料電池１０に再び送る。つまり、燃料電池ＥＣＵ１３は、各装置に対して、燃料電池１０による出力を実行させる指令を発し、燃料電池１０を通常運転させる。このとき、燃料電池ＥＣＵ１３は、電圧計３４から受信する燃料電池１０のセル電圧と圧力センサ１４ｂから受信する水素ガスの圧力とに基づき、水素供給制御弁１４ａの開度を調節して水素ガスの供給流量を調節することによって、燃料電池１０の出力（発電量）を調節する。そして、燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池１０で生成された電力をＤＣ−ＤＣコンバータ３１で昇圧又は降圧し、車両負荷３５、インバータ１２ｂ及び１９ｂ、燃料電池補機３３、並びに蓄電装置３２に供給する。
【００２４】
また、フォークリフト１の荷役作業が終了し、アイドリング状態となり車両負荷３５が低下して燃料電池１０による発電が不要になると、燃料電池ＥＣＵ１３は、水素供給制御弁１４ａを閉鎖して水素ガスタンク１１からの水素ガスの供給を停止させ、その場合にコンプレッサ１２及び水素循環ポンプ１９への電力供給を停止してこれらを停止させる。つまり、燃料電池ＥＣＵ１３は、各装置に対して燃料電池１０による出力を停止させる指令を発し、燃料電池１０の通常運転を停止させる。
【００２５】
そして、燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池１０の通常運転停止時、以下のような制御を実施する。
水素ガスタンク１１からの水素ガスの供給を停止する燃料電池１０の通常運転停止中、電圧計３４から受信する燃料電池１０のセル電圧が所定電圧値を上回るとき、燃料電池ＥＣＵ１３は、コンプレッサ１２への電力供給を停止し、水素供給制御弁１４ａを閉鎖した状態で、水素循環ポンプ１９を稼動させて燃料電池１０への水素ガスの再循環を実施する。
【００２６】
このとき、燃料電池１０内に残留する空気に含まれる酸素と、燃料電池１０並びに各配管１４及び１５内に残留する水素とが電気化学反応を起こす。その結果、燃料電池１０内に残留する酸素が消費され、燃料電池１０内で酸素及び水素が生成する電位が低下する。
なお、燃料電池ＥＣＵ１３は、上述の作用によって燃料電池１０の電位が低下しても、電圧計３４から受信する燃料電池１０のセル電圧が所定電圧値を上回る場合には、水素供給制御弁１４ａを僅かに開放して燃料電池１０に水素を供給し、さらなる燃料電池１０の電位の低下を図る。
そして、燃料電池１０内で残留する酸素と水素とが反応することにより燃料電池１０によって電力が生成される。燃料電池ＥＣＵ１３は、生成された電力を水素循環ポンプ１９へ供給する。これにより、燃料電池１０で生成した電力は、水素循環ポンプ１９の稼動のために使用され、消費される。
【００２７】
そして、燃料電池１０内の残留酸素及び水素による生成電力が、水素循環ポンプ１９の稼動電力に対して余剰となる場合、蓄電装置３２の蓄電率が所定の蓄電率以下であれば、燃料電池ＥＣＵ１３は、余剰電力を蓄電装置３２に供給させて蓄電させる。
一方、蓄電装置３２の蓄電率が所定の蓄電率を超える場合（容量が一杯の場合）には、燃料電池ＥＣＵ１３は、余剰電力を燃料電池補機３３又は車両負荷３５の補機７に供給させる。
【００２８】
これにより、通常運転停止中の燃料電池１０が所定電圧値を上回る高電位状態を維持することが防がれる。さらに、残留酸素を消費して燃料電池１０の電位を低下させる際に生じる電力は、水素循環ポンプ１９の稼動に利用されるため、電力を廃棄するようなエネルギーの浪費が低減される。さらに、余剰となる場合には、蓄電装置３２への蓄電、又は、燃料電池補機３３又は車両負荷３５の補機７の稼動に利用される。
【００２９】
なお、燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池１０の電位を低下させる際に生じる電力を全て、蓄電装置３２に一旦蓄電するように制御し、さらに、蓄電装置３２から水素循環ポンプ１９に電力を供給するようにしてもよい。
或いは、燃料電池ＥＣＵ１３は、蓄電装置３２の蓄電率が所定の蓄電率以下である場合に、燃料電池１０の電位を低下させる際に生じる電力を、蓄電装置３２及び水素循環ポンプ１９の両方に並行して供給するようにしてもよい。そして、蓄電装置３２の蓄電率に応じて、蓄電装置３２及び水素循環ポンプ１９に供給する電力の割合を変更してもよい。
【００３０】
また、燃料電池ＥＣＵ１３は、電圧計３４から受信する燃料電池１０のセル電圧が所定電圧値以下になったことを確認すると、水素循環ポンプ１９への電力の供給を停止する。
しかしながら、水素循環ポンプ１９による水素の循環を継続することによって、燃料電池１０のセルに水素が均等に行き渡らせ、燃料電池１０の通常発電を再開する場合に、燃料電池１０における発電開始時の発電不良が防ぐ目的で、水素循環ポンプ１９による水素の循環を継続させてもよい。
【００３１】
このように、この発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０１は、水素ガスタンク１１から供給される水素ガス及びコンプレッサ１２から供給される酸化剤ガスである空気の酸素を反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池１０を備えるものである。さらに、燃料電池システム１０１は、燃料電池１０で使用されなかった水素ガスを燃料電池１０に再循環させる水素循環管１５に設けられ且つ水素循環管１５の水素ガスを燃料電池１０に圧送する水素循環ポンプ１９と、燃料電池ＥＣＵ１３とを備える。そして、燃料電池ＥＣＵ１３は、水素ガスタンク１１から燃料電池１０への水素ガスの供給を停止させた場合、コンプレッサ１２から燃料電池１０への空気の供給を停止すると共に、水素循環ポンプ１９を動作させ、燃料電池１０で生成される電気エネルギーを水素循環ポンプ１９に供給する。
【００３２】
このとき、通常運転中の燃料電池１０への水素ガスの供給停止後の燃料電池１０内の残留空気に含まれる酸素が、循環する水素ガスと反応して消費されるため、燃料電池１０の高電位が回避される。これにより、水素ガスタンク１１の水素ガスを新たに使用することなく燃料電池１０の高電位を回避して、燃料電池１０のセルの触媒の劣化を抑えることが可能になる。さらに、酸素と水素ガスとの反応によって生成される電気エネルギーは、水素循環ポンプ１９の稼動に使用されるため、生成されたエネルギーの損失を低減し有効利用することができる。そして、水素ガスの消費量が抑えられ、水素ガスタンク１１への水素ガスの１回あたりの充填に対する燃料電池システム１０１の稼動時間を延ばすことができる。
【００３３】
また、燃料電池システム１０１は、燃料電池１０から生成された電気エネルギーを蓄電可能な蓄電装置３２を備え、燃料電池ＥＣＵ１３は、蓄電装置３２の蓄電率が所定の蓄電率以下のとき、燃料電池１０で生成される電気エネルギーを、水素循環ポンプ１９の他、蓄電装置３２へも供給する。これによって、蓄電装置３２には、少なくとも水素循環ポンプ１９の稼動に使用しきれない余剰の電気エネルギーが蓄電されるため、電気エネルギーの損失を低減することができる。さらに、蓄電装置３２には、蓄電率が所定の蓄電率以下のときに電気エネルギーが供給されるため、蓄電装置３２の蓄電率が満杯になることが防がれる。そして、蓄電率が満杯状態の蓄電装置３２に電力が供給されて蓄電できない電気エネルギーが廃棄されることによるエネルギーの浪費が抑えられる。またさらに、燃料電池１０の通常運転が再開されたときに蓄電装置３２の蓄電率が満杯であると、発電されたが余剰となった電気エネルギーが廃棄されてしまうが、このようなエネルギーの浪費も低減することができる。
【００３４】
また、実施の形態の燃料電池システム１０１で用いられる燃料ガスは、水素ガスに限定されるものでなく、水素等の還元剤を含有するガスであればよい。さらに、燃料電池システム１０１で用いられる酸化剤ガスは、空気に限定されるものでなく、酸素等の酸化剤を含有するガスであればよい。
また、実施の形態では、燃料電池システム１０１は、フォークリフト等の車両に搭載されるとしていたが、これに限定されるものでなく、燃料電池を備える全てのシステムに搭載することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  燃料電池、１１  水素ガスタンク（水素ガス供給源）、１２  コンプレッサ（酸化剤ガス供給源）、１３  燃料電池ＥＣＵ（制御手段）、１５  水素循環管（水素循環路）、１９  水素循環ポンプ、３２  蓄電装置、１０１  燃料電池システム。
【図１】
2014232702.tif 000003
【図２】
2014232702.tif 000004
【図３】
2014232702.tif 000005