(57)【要約】【課題】低電圧負荷への供給電圧を変動させることなく小型化及び高効率化を実現する。【解決手段】燃料電池スタック２に集電板４を間挿し、燃料電池スタック２の端部に設けられた集電板３ａと集電板４間から燃料電池スタック２の発電電力の一部を取り出し、取り出された電力を低電圧で作動する負荷Ｖ２に供給する。これにより、燃料電池スタック２全体から取り出された電力を低電圧に変換するための変圧装置が不要なり、システム効率を高めることができる。また、負荷Ｖ２が一定電圧を必要とする場合には、燃料電池１の出力電流を安定させることにより、負荷Ｖ２への供給電圧を安定させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの両端部を挟持する一対の端部集電板と、
前記燃料電池スタックに間挿された複数の追加集電板とを備え、
前記複数の追加集電板により挟持された燃料電池の発電電力を利用して作動する第１の負荷は、前記端部集電板により挟持された燃料電池の発電電力を利用して作動する第２の負荷よりも低電圧で作動することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記複数の追加集電板により挟持された燃料電池に供給される反応ガス流量は他のスタック領域の燃料電池に供給される反応ガス流量よりも多いことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
反応ガスの供給口と排出口はそれぞれ燃料電池スタックの一方及び他方の端部に設けられ、前記追加集電板は燃料電池スタックの当該供給口に近い側に間挿されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記複数の追加集電板により挟持された燃料電池内部におけるガス流路圧損は他のスタック領域の燃料電池内部に同じ反応ガスが同流量供給された時のガス流路圧損よりも小さいことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記複数の追加集電板により挟持された燃料電池内部におけるガス流路の断面積は他のスタック領域の燃料電池内部におけるガス流路の断面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記複数の追加集電板により挟持された燃料電池に反応ガスを誘導するための案内板を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記複数の追加集電板のうち最低電圧側の追加集電板は前記一対の集電板の低電圧側の集電板であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１の負荷に発電電力を供給する燃料電池に近い燃料電池スタック端部側から燃料電池を冷却するための冷却水を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記複数の追加集電板により挟持される燃料電池の数は、前記第１及び第２の負荷の両方に電力が供給されている際、複数の追加集電板により挟持された燃料電池が発電のために必要とするガス流量に対する反応ガス供給流量の余剰率が、他のスタック領域の燃料電池が発電のために必要とするガス流量に対する反応ガス供給流量の余剰率と略同じになるように設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を複数積層することにより構成された燃料電池スタックを有する燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００３−８７９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池の中から選択的に電力を取り出すのではなく、燃料電池スタック全体から電力を取り出す構成になっているために、十分な反応ガス流量が供給されていない燃料電池からも電力を取り出してしまうことにより、燃料電池が劣化する可能性がある。
【０００４】
また、燃料電池スタックの出力電圧より低い電圧で作動する低電圧負荷に電力を供給する場合、高電圧出力を低電圧負荷に合わせた低電圧出力に変圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータ等の変圧装置が必要となるために、変圧装置の分だけシステムを小型にすることが困難となり、また変圧装置を作動させるためにシステム全体の効率が低下する。
【０００５】
なお、このような問題を解決するために、上記特許文献１に開示されているように、燃料電池の発電電力を蓄電する電気２重層キャパシタ・セル（以下、キャパシタ・セルと略記）を燃料電池毎に設け、低電圧負荷が必要とする電圧に合わせて低電圧負荷に接続するキャパシタ・セル数を設定し、キャパシタ・セルから低電圧負荷に電力を供給するシステムが考えられている。
【０００６】
しかしながら、このようなシステムでは、キャパシタ・セルの電圧が低電圧負荷の許容電圧の上限値まで高まっている場合、燃料電池は、対応するキャパシタ・セルに電力を供給することができず、キャパシタ・セルの電圧が許容電圧の上限値以下に低下した状態においてのみキャパシタ・セルに電力を供給することができる。このため、上記のようなシステムによれば、低電圧負荷に供給される電力の電圧が常に変動し、この結果、低電圧負荷側ではセンサの検知誤差や出力変動等の問題が発生する。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、低電圧負荷への供給電圧を変動させることなく小型化及び高効率化を実現することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックの両端部を挟持する一対の端部集電板と、燃料電池スタックに間挿された複数の追加集電板とを備え、複数の追加集電板により挟持された燃料電池の発電電力を利用して作動する第１の負荷は、端部集電板により挟持された燃料電池の発電電力を利用して作動する第２の負荷よりも低電圧で作動する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池から低電圧負荷に直接低電圧電力を供給することができるので、変圧装置を用いる必要がなくなり、システムの小型化及び高効率化を実現することができる。また、本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池から低電圧負荷に直接低電圧電力を供給するために、低電圧負荷に供給される電力の電圧は燃料電池の出力電流に応じて変動することになるが、低電圧負荷が一定電圧を必要とする場合には、燃料電池の出力電流を安定させることにより、低電圧負荷への供給電圧を安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について説明する。
【実施例１】
【００１１】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムは、図１（ａ）に示すように、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池１が複数積層された燃料電池スタック２を備える。なお、アノード及びカソードにおける電気化学反応及び燃料電池スタック２全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。
【００１２】
〔アノード〕  Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔カソード〕  1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  → Ｈ2Ｏ     …（２）
〔全体〕      Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2     → Ｈ2Ｏ           …（３）
燃料電池スタック１は、図１（ａ）に示すように、低電圧側の集電板３ａと高電圧側の集電板３ｂにより挟持され、集電板３ａ，３ｂ間から取り出される電圧（Ｖｓ×Ｎ：Ｖｓは燃料電池１の出力電圧（以下、セル電圧と表記），Ｎは燃料電池１の積層数を示す）は負荷Ｖ１に供給される。また、燃料電池スタック２には集電板４が間挿されており、集電板３ａと集電板４間から取り出される電圧は負荷Ｖ２に供給される。
【００１３】
負荷Ｖ２は、負荷Ｖ１よりも低い電圧で作動する。なお、負荷Ｖ１，Ｖ２がそれぞれ２００〜３００［Ｖ］及び１０〜１３．５［Ｖ］の電圧で作動し、且つ、各セル電圧が電流密度に応じて０．９〜０．６［Ｖ］の範囲で変化するで場合、燃料電池スタック２の総セル数Ｎは３３３（∵２００÷０．６≒３３３，３００÷０．９≒３３３）［枚］，集電板３ａと集電板４間のセル数は１５枚（∵９÷０．６≒１５，１３．５÷０．９≒１５）に設定する。
【００１４】
負荷Ｖ１，Ｖ２は負荷要求に従ってそれぞれ独立して燃料電池スタック２から電力を取り出す。このため、負荷Ｖ１と負荷Ｖ２が同時に燃料電池スタック２から電力を取り出す場合には、集電板３ａと集電板４間のセル群Ｃ２（図１（ａ）参照）の発電量はそれ以外のスタック領域のセル群Ｃ１の発電量と比較して負荷Ｖ２に供給する電力分だけ大きくなり、セル群Ｃ２を構成する各燃料電池の電流値及び電流密度もセル群Ｃ１を構成する各燃料電池の電流値及び電流密度より大きくなる。
【００１５】
具体的には、各燃料電池のアクティブエリア（発電有効面積）が２００［ｃｍ２］であり、且つ、負荷Ｖ１，Ｖ２がそれぞれ１００［Ａ］及び２０［Ａ］の電流量を必要とする場合、セル群Ｃ１及びセル群Ｃ２を構成する燃料電池はそれぞれ０．５（＝１００［Ａ］÷２００［ｃｍ２］）［Ａ／ｃｍ２］及び０．６（＝１００［Ａ］÷２００［ｃｍ２］＋２０［Ａ］÷２００［ｃｍ２］）［Ａ／ｃｍ２］の電流密度で発電する。
【００１６】
燃料電池１に供給される空気と水素の供給口及び排出口はそれぞれ、図１（ｂ）に示すように、燃料電池スタック２の一方及び他方の端部に設けられ、燃料電池スタック２内部には、各燃料電池１を貫通し、各燃料電池１に反応ガスを個別に供給するガス供給流路５とガス排出流路６とが空気と水素のそれぞれに対し設けられている。
【００１７】
このような構成によれば、集電板３ａに近い側のガス供給流路５内における空気と水素の静圧は集電板３ｂに近い側のガス供給流路５内における空気と水素の静圧より高くなり、逆に、集電板３ａに近い側のガス排出流路６内における空気と水素の静圧は集電板３ｂに近い側のガス排出流路６内における空気と水素の静圧より低くなる。
【００１８】
従って、集電板３ａに近い側の燃料電池１におけるガス供給流路５とガス排出流路６間の静圧差は集電板３ｂに近い側の燃料電池１におけるガス供給流路５とガス排出流路６間の静圧差より大きくなり、集電板３ａに近い側の燃料電池１に流れる水素及び空気の流量は集電板３ｂに近い側の燃料電池１に流れる水素及び空気の流量より多くなる。
【００１９】
燃料電池スタック２を冷却するための冷却水は、図示しない放熱装置により冷却された後、図１（ｃ）に示すように、集電板３ａ側から集電板３ｂ側方向に供給される。このような構成によれば、集電板３ａに近い側の冷却水温度の方が集電板３ｂに近い側の冷却水温度よりも低くなるので、セル群Ｃ１と比較して発電量が大きいセル群Ｃ１が過温度になることを防ぐことができる。
【００２０】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムでは、燃料電池スタック２に集電板４を間挿し、燃料電池スタック２の端部に設けられた集電板３ａと集電板４間から燃料電池スタック２の発電電力の一部を取り出し、取り出された電力を低電圧で作動する負荷Ｖ２に供給するので、燃料電池スタック２全体から取り出された電力を低電圧に変換するための変圧装置が不要なり、システムの小型化及び高効率化を実現することができる。
【００２１】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムでは、従来の燃料電池システムのようにキャパシタ・セルを介して燃料電池から出力を取り出すのではなく、燃料電池１から直接出力を取り出し、負荷Ｖ２に取り出した電力を供給するので、負荷Ｖ２への供給電圧は燃料電池１の出力電流に対して変動することになる。このため、ポンプの回転数変動を抑えたい等、負荷Ｖ２が一定電圧を必要とする場合には、燃料電池１の出力電流を安定させることにより、負荷Ｖ２への供給電圧を安定させることができる。
【００２２】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムでは、集電板３ａと集電板４間のセル群Ｃ２の電流密度が大きくなり過ぎないために、セル群Ｃ２からの取り出し電圧が負荷Ｖ２の作動電圧の上限値より大きく、変圧装置を用いる必要がある場合であっても、変圧装置の降圧率は燃料電池スタック２全体からの出力を降圧する際の降圧率よりも小さくなり、変圧装置を小型・軽量にすることができる。
【００２３】
また一般に、セル電圧は図２に示すように反応ガス流量（図２の場合は空気流量）が大きい程高くなるが、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムでは、上述の通り、集電板３ａに近い側の燃料電池１に流れる空気流量が集電板３ｂに近い側の燃料電池１に流れる空気流量より多くなるように構成されているので、負荷Ｖ１にのみ電力を供給する場合、セル群Ｃ２を構成する燃料電池１のセル電圧ＶＣ２は、図２に示すように、セル群Ｃ１を構成する燃料電池１のセル電圧ＶＣ１よりも大きくなる。
【００２４】
一方、負荷Ｖ１と負荷Ｖ２の両方に同時に電力を供給する場合には、セル群Ｃ２は、負荷Ｖ１と負荷Ｖ２の両方に供給する電流を出力するために、セル群Ｃ２を構成する燃料電池１の電流密度が大きくなり、燃料電池１の電流特性は図２に示す曲線Ｌ１から曲線Ｌ２に変化する。このため、燃料電池１に供給される空気流量が同じである場合には、セル電圧は図２に示すＶＣ２からＶＣ２’に低下する。しかしながら、上述の通り、セル群Ｃ２には元々多くの空気流量が供給されているので、セル電圧が低下しても、セル群Ｃ１を構成する燃料電池１のセル電圧ＶＣ１と同等の電圧を出力することができるので、システム全体の性能は維持することができる。
【００２５】
また、空気流量と同様、セル群Ｃ２への水素供給流量も上述の通りセル群Ｃ１への水素供給流量よりも多くなるように構成されているので、セル群Ｃ２を構成する燃料電池１の出力電流がセル群Ｃ１を構成する燃料電池１の出力電流よりも大きい場合であっても、セル群Ｃ２を構成する燃料電池１への水素供給量が不足することを防ぎ、水素不足によってシステム全体の性能が低下することを防止できる。なお、セル群Ｃ１，Ｃ２への水素供給流量は、負荷Ｖ１，Ｖ２が最大電力を消費している状態において、セル群Ｃ１，Ｃ２内の水素余剰率が略同じになるように設定する。これにより、セル群Ｃ２を構成する燃料電池１のセル電圧をセル群Ｃ１を構成する燃料電池１のセル電圧と同等にすることができる。
【実施例２】
【００２６】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムは、図３に示すように、上記第１の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、集電板３ｂと集電板４との間に間挿された集電板１０を備える。そして、集電板３ａと集電板１０間から取り出される電圧は負荷Ｖ１の作動電圧と負荷Ｖ２の作動電圧の間の電圧で作動する負荷Ｖ３に供給される。なお、集電板１０は、集電板４と集電板１０間のセル数が集電板３ａと集電板４間のセル数よりも多くなる集電板４と集電板３ｂ間の位置に間挿されている。
【００２７】
このような構成によれば、変圧装置を用いることなく作動電圧が異なる３つの負荷Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に電圧を供給することができるので、要求負荷の大きさに応じて適切な負荷を選択することが可能となる。具体的には、電気モータが１２［Ｖ］前後の電圧では電流が大きくなり効率が低下する場合には、４８［Ｖ］前後の電圧で作動する電気モータに変更することにより、同じ負荷での電流値を下げ、電気モータの小型化，高効率化を実現することができる。しかしながら、従来の燃料電池システムのように燃料電池スタック全体の電圧を変圧することによって４８［Ｖ］電圧を得ようとすると、１２［Ｖ］用の変圧装置に加えて、４８［Ｖ］用の変圧装置が必要となり、システムを小型化することができない。これに対して、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムによれば、変圧装置を用いることなく４８［Ｖ］の電圧を供給することができるので、燃料電池システムを小型化することができる。
【実施例３】
【００２８】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムでは、図４に示すように、上記第１の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、空気及び水素の流量を分配する流量分配板２０ａ，２０ｂが集電板３ａと集電板４間のガス供給流路５及びガス排出流路６に設けられている。このような構成によれば、空気及び水素の供給口と排出口の位置に関係なく、集電板３ａと集電板４間の燃料電池に発電に不足しない空気と水素を供給することができる。
【実施例４】
【００２９】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第４の実施形態となる燃料電池システムでは、図５に示すように、上記第１の実施形態となる燃料電池システムにおいて、集電板３ａと集電板４間の燃料電池内部のガス流路幅Ｗ２が集電板４と集電板３ｂ間の燃料電池内部のガス流路幅Ｗ１よりも大きく設計されている。このような構成によれば、集電板３ａと集電板４間の燃料電池内部における流路圧損は、流路断面積が大きくなることにより、集電板４と集電板３ｂ間の燃料電池内部における流路圧損よりも小さくなるので、集電板３ａと集電板４間の燃料電池内部では、集電板４と集電板３ｂ間の燃料電池内部と比較して、水素及び空気がより多く流れることになる。従って、空気及び水素の供給口と排出口の位置に関係なく、また、流量分配板２０ａ，２０ｂを用いることなく、集電板３ａと集電板４間の燃料電池に発電に不足しない空気と水素を供給することができる。
【００３０】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】燃料電池に供給される空気流量の変化に伴うセル電圧の変化特性を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図４】本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第４の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３２】
１：燃料電池
２：燃料電池スタック
３ａ，３ｂ，４，１０：集電板
５：ガス供給流路
６：ガス排出流路
２０ａ，２０ｂ：流量分配板
Ｃ１，Ｃ２：セル群
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３：負荷
Ｗ１，Ｗ２：ガス流路幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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