(57)【要約】【課題】機構部の往復運動を用いた空気供給装置により酸素含有ガスを供給しても、騒音を抑制可能な燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法を提供する。【解決手段】本実施形態に係る燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、指複数の空気供給装置と、複数の供給管と、排出管と、制御装置とを備える。複数の燃料電池スタックは、水素含有ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電する。指複数の空気供給装置は、機構部の往復運動により酸素含有ガスを供給する。複数の供給管は、酸素含有ガスを複数の燃料電池スタックそれぞれに供給する。排出管は、複数の燃料電池スタックから排出されたガスを統合して排出する。制御装置は、複数の空気供給装置のそれぞれが有する機構部の往復運動により生じる複数の圧力波の重畳した振幅が低減するように複数の空気供給装置内の少なくとも一つの機構部の位相を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電す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のそれぞれに対応して設けられ、機構部の往復運動により前記酸素含有ガスを供給する複数の空気供給装置と、
前記複数の燃料電池スタックそれぞれと対応する前記複数の空気供給装置との間に設けられ、前記酸素含有ガスを前記複数の空気供給装置から対応する前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに供給する複数の供給管と、
前記複数の燃料電池スタックから排出されたガスを統合して排出する排出管と、
前記複数の空気供給装置のそれぞれが有する機構部の往復運動により生じる複数の圧力波が前記排出管内で重畳される際に、重畳された圧力波の振幅が低減するように前記複数の空気供給装置内の少なくとも一つの機構部の位相を制御する制御装置と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、複数の空気供給装置のそれぞれが有する機構部の位相を変えて動作させる制御を行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記複数の燃料電池スタックがｎ個ある場合に、ｎが奇数である場合に、前記複数の空気供給装置への出力指令信号の位相をそれぞれｎ分の１周期ずらし、ｎが偶数である場合に、前記複数の空気供給装置を２分のｎ個のグループに分けてグループ毎に半周期ずらして動作させる、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記複数の燃料電池スタックがｎ個ある場合に、前記複数の空気供給装置への出力指令信号の位相をそれぞれｎ分の１周期ずらす、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記複数の燃料電池スタックがｎ個あり且つ偶数である場合に、前記複数の空気供給装置を２分のｎ個のグループに分けてグループ毎に半周期ずらして動作させる、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
水素含有ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電す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のそれぞれに対応して設けられ、機構部の往復運動により前記酸素含有ガスを供給する複数の空気供給装置と、前記複数の燃料電池スタックそれぞれと対応する前記複数の空気供給装置との間に設けられ、前記酸素含有ガスを前記複数の燃料電池スタックそれぞれに供給する複数の供給管と、前記複数の燃料電池スタックから排出されたガスを統合して排出する排出管と、を備える燃料電池発電システムの制御方法であって、
前記複数の空気供給装置のそれぞれが有する機構部の往復運動により生じる複数の圧力波が前記排出管内で重畳される際に生じる圧力波の振幅が低減するように前記複数の空気供給装置内の少なくとも一つの機構部の位相を制御する、燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、燃料電池発電システムが知られている。この燃料電池発電システムは、水素含有ガスと酸酸素含有ガスとを電気化学的に反応させて、直接電気を取り出すものであり、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。
【０００３】
この酸酸素含有ガスは、一般に大気中の空気が空気ブロワにより加圧され、燃料電池スタックの酸化剤極に供給される。空気ブロワには多種多様な形式が存在する。これら空気ブロワの中でもダイヤフラム方式のブロワが、安価で吐出流量調整がし易いため、普及している。  
【０００４】
ところが、ダイヤフラム方式の空気ブロワは機構部の往復運動により空気を供給するので、その動作周期が主に１００Ｈｚ以下の供給電源周波数に依存している。このため、機構部の動作周波数の倍数の騒音が１ｋＨｚぐらいまでの周波数帯で発生してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３６５５５８号公報
【特許文献２】特開２０１７−１８３２６８号公報
【特許文献３】特開２０１７−６３０２１号公報
【特許文献４】特開２００５−２８５４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、機構部の往復運動を用いた空気供給装置により酸素含有ガスを供給しても、騒音を抑制可能な燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態に係る燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、指複数の空気供給装置と、複数の供給管と、排出管と、制御装置とを備える。複数の燃料電池スタックは、水素含有ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電する。指複数の空気供給装置は、複数の燃料電池スタックのそれぞれに対応して設けられ、機構部の往復運動により酸素含有ガスを供給する。複数の供給管は、複数の燃料電池スタックそれぞれと対応する複数の空気供給装置との間に設けられ、酸素含有ガスを複数の燃料電池スタックそれぞれに供給する。排出管は、複数の燃料電池スタックから排出されたガスを統合して排出する。制御装置は、複数の空気供給装置のそれぞれが有する機構部の往復運動により生じる複数の圧力波が前記排出管内で重畳される際に、重畳された圧力波の振幅が低減するように複数の空気供給装置内の少なくとも一つの機構部の位相を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、機構部の往復運動を用いた空気供給装置により空気を供給しても、騒音を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略的な全体構成を示す図。
【図２】燃料電池スタックがｎ個ある場合の燃料電池システムの概略的な全体構成を示す図。
【図３】制御装置の詳細な構成を示すブロック図。
【図４】空気供給装置を１台動作させた場合の酸化剤極入口側での圧力波形の例を示す図。
【図５】空気供給装置を２台動作させた場合の排出管内での圧力波形の例を示す図。
【図６】空気供給装置を２台動作させた場合の酸化剤極入口側での圧力波形の例を示す図。
【図７】図６で示した圧力波が排出管内で重畳された際の圧力波形を示す図。
【図８】制御装置の位相設定部の位相設定処理の一例を示すフローチャート。
【図９】第１実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１の構成例を示す図。
【図１０】第１実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の概略的な全体構成を示す図である。この図１に示すように燃料電池システム１は、水素含有ガスと酸酸素含有ガスとを用いて発電を行うシステムであり、燃料電池１０と、複数の空気供給装置１２と、複数の供給管１４と、排出管１６と、燃料ガス管１８と、電力変換装置２０と、制御装置２２とを備えて構成されている。
【００１２】
燃料電池１０は、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）である。この燃料電池１０は、複数の複数の燃料電池スタック１００を有しており、燃料ガス、例えば水素含有ガスと、酸素含有ガス、例えば空気を用いて電力を発生する。燃料電池１０の詳細は後述する。
【００１３】
複数の空気供給装置１２は、複数の燃料電池スタック１００のそれぞれに対応して設けられ、機構部の往復運動により酸素含有ガスを供給する。この空気供給装置１２は、ダイヤフラム方式の空気ブロワを少なくとも一つ有する。本実施形態に係る機構部は、空気供給装置１２の内部構造であり、空気の供給に用いられる機械構造を意味する。
【００１４】
空気ブロワは、例えば電磁振動型ダイヤフラムポンプである。この電磁振動型ダイヤフラムポンプは、ポンプを駆動するための機構部、例えば振動子がケーシングの内部に収容されている。そして、この機構部の往復運動により酸素含有ガスが対応する複数の燃料電池スタック１００のそれぞれに供給される。機構部の往復運動の動作周期が主に１００Ｈｚ以下の供給電源周波数に依存している。このため、動作周波数の倍数で１ｋＨｚぐらいまでの周波数帯で高い排気音が排出管１６で発生しやすくなる。
【００１５】
複数の供給管１４は、複数の燃料電池スタック１００それぞれと対応する複数の空気供給装置１２との間に設けられ、酸素含有ガスを複数の空気供給装置１２から対応する複数の燃料電池スタック１００のそれぞれに供給する。排出管１６は、複数の燃料電池スタック１００から排出されたガスを統合して排出する。燃料ガス管１８は、燃料ガスを複数の燃料電池スタック１００それぞれに供給する。
【００１６】
電力変換装置２０は、例えばパワーコンディショナであり、複数の燃料電池スタック１０のそれぞれと電気配線でつながれている。この電力変換装置２０は、複数の燃料電池スタック１０から供給された直流電力を交流電力に変換して送電する。
【００１７】
制御装置２２は、例えば処理回路を含んで構成される基盤である。制御装置２２は、複数の空気供給装置１２のそれぞれが有する機構部の往復運動により生じる複数の圧力波が排出管１６内で重畳される際に、重畳された圧力波の振幅が低減するように複数の空気供給装置１２の少なくとも一つを制御する。制御装置２２による制御の詳細は後述する。
【００１８】
ここで、複数の燃料電池スタック１００の詳細について説明する。これら複数の燃料電池スタック１００は、燃料極１０２と、酸化剤極１０４とを有しており、化学式１に示す電気化学反応を利用して発電する。すなわち、燃料ガスは、燃料極１０２により燃料極反応をおこす。一方で、酸素含有ガスは酸化剤極１０４により酸化剤極反応をおこす。複数の燃料電池スタック１００のそれぞれは、これらの電気化学反応を利用して、集電板に設けられた電極から電気エネルギーを取り出し、電力変換装置２０に供給する。
【００１９】
（化学式１）
燃料極反応：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ
酸化剤極反応：１／２Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
【００２０】
図２は、燃料電池スタック１００がｎ個ある場合の燃料電池システム１の概略的な全体構成を示す図である。この図２に示すようにこの燃料電池システム１は、燃料電池スタック１００をｎ個有する。燃料電池スタック１００の数ｎは任意に設定可能である。このように、燃料電池スタック１００を増加させるに従い、燃料電池１０の発電容量を増加させることが可能である。
【００２１】
図３は、制御装置２２の詳細な構成を示すブロック図であり、図３に基づき制御装置２２の詳細な構成を説明する。図３に示すように、制御装置２２は、複数の空気供給装置１２のそれぞれが有する機構部の位相を変えて動作させる制御を行う。より具体的には、制御装置２２は、
位相設定部２２０と、信号生成部２２２とを備えて構成されている。
【００２２】
位相設定部２２０は、複数の燃料電池スタック１００の数ｎに基づき、複数の空気供給装置１２のそれぞれが有する機構部を駆動させる位相を設定する。この位相設定部２２０は、複数の燃料電池スタック１００と複数の空気供給装置１２がそれぞれｎ個ある場合に、複数の空気供給装置１２の位相をそれぞれｎ分の１周期ずらして設定する。また、位相設定部２２０は、複数の燃料電池スタック１００と複数の空気供給装置１２がそれぞれｎ個あり且つ偶数である場合に、複数の空気供給装置１２を２分のｎ個のグループに分けてグループ毎に半周期ずらした位相を設定する。単に二つのグループに分けるだけであるので、制御のロバスト性が向上する。なお、ｎが偶数の場合にも複数の空気供給装置１２の位相をそれぞれｎ分の１周期ずらして設定してもよい。また、複数の空気供給装置１２が２台である場合には、複数の圧力波が排出管１６内で重畳される際に、重畳された圧力波の振幅が低減するように２台の内の１台の位相のみを制御してもよい。
【００２３】
信号生成部２２２は、位相設定部２２０が設定した位相に基づき、複数の空気供給装置１２のそれぞれを駆動する駆動信号を生成する。すなわち、信号生成部２２２は、複数の燃料電池スタック１００と複数の空気供給装置１２がそれぞれｎ個ある場合に、複数の空気供給装置１２の位相をそれぞれｎ分の１周期ずらした駆動信号を生成する。また、信号生成部２２２は、複数の燃料電池スタック１００と複数の空気供給装置１２がそれぞれｎ個あり且つ偶数である場合に、複数の空気供給装置１２を２分のｎ個のグループに分けてグループ毎に半周期ずらした駆動信号を生成する。
【００２４】
なお、上述したように、本実施形態においては、処理回路は、例えば、プロセッサにより構成される。ここで、プロセッサという文言は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、或いは、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ：  ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Ｓｉｍｐｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ：  ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Ｃｏｍｐｌｅｘ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ：  ＣＰＬＤ）、及び、フィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ：  ＦＰＧＡ）等の回路を意味する。プロセッサは、記憶回路に保存されたプログラムを読み出して実行することにより機能を実現する。
【００２５】
以上が本実施形態に係る燃料電池システム１の構成の説明であるが、以下に制御装置２２による制御動作例について説明する。
【００２６】
図４は、空気供給装置１２を１台動作させた場合の酸化剤極入口側での圧力波形の例を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は圧力を示す。図４に示すように、空気供給装置１２により生じる圧力波形の周期及び位相は正弦波に近い波形であり、空気供給装置１２内の機構部の往復運動の周期及び位相と一致する。
【００２７】
図５は、空気供給装置１２を２台動作させた場合の排出管１６内での圧力波形の例を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は圧力を示す。ここでは、空気供給装置１２の位相を一致させている。図５に示すように、排出管１６内、例えば酸化剤極１０４の出口側における合流後の振幅は１台の空気供給装置１２が動作した場合に対して、単純に空気供給装置１２の倍数となる。このため、排出管１６内で重畳した圧力波の振幅は、空気供給装置１２が１台の場合における振幅の２倍となる。音圧のエネルギーは、振幅の実効値であり、振幅の約７０％である。このため、音圧のエネルギーは、１台の場合の約１．４倍まで増加する。
【００２８】
図６は、空気供給装置１２を２台動作させた場合の酸化剤極１０４の入口側での圧力波形の例を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は圧力を示す。空気供給装置１２が２台であり、ｎ＝２である。この場合、制御装置２２は、位相をそれぞれｎ分の１周期ずらす。すなわち、制御装置２２は、機構部の往復運動の位相を半周期ずらして制御する。このため、圧力波形のそれぞれは時間軸に対して逆位相となる。
【００２９】
図７は、図６で示した圧力波が排出管１６内で重畳された際の圧力波形を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は圧力を示す。このように、制御装置２２が、空気供給装置１２が２台の場合に、逆位相の圧力波が重畳される。このため、排出管１６内、すなわち酸化剤極１０４の出口側における圧力波の振幅はほぼ０となる。これから分かるように、排出管１６から排出されるガスの騒音値を大幅に低減することが可能となる。
【００３０】
図８は、制御装置２２の位相設定部２２０の位相設定処理の一例を示すフローチャートである。図８に示すように、まず、操作者は、制御装置２２に対して燃料電池スタック１００の数ｎを予め設定する（ステップＳ１００）。
【００３１】
次に、位相設定部２２０は、設定されたｎが奇数か否かを判定する（ステップＳ１０２）。ｎが奇数である場合（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、位相設定部２２０は、複数の空気供給装置１２の駆動信号の位相をｎ分の１周期ずらして設定する（ステップＳ１０４）。
【００３２】
一方で、ｎが奇数でない場合（ステップＳ１０２のＮＯ）、位相設定部２２０は、複数の空気供給装置１２を２分のｎ個のグループに分割する（ステップＳ１０６）。続いて、位相設定部２２０は、複数の空気供給装置１２の駆動信号の位相をグループ毎に位相を半周期ずらして設定する（ステップＳ１０８）。
【００３３】
このように、ｎが奇数である場合、複数の空気供給装置１２の駆動信号の位相をｎ分の１周期ずらして設定する。これにより、排出管１６内、すなわち酸化剤極出口側の圧力波の振幅をほぼ０となる。また、ｎが偶数である場合、複数の空気供給装置１２２分のｎ個のグループに分割し、グループ毎に駆動信号の位相をｎ分の１周期ずらして設定する。
【００３４】
以上のように本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、制御装置２２が複数の空気供給装置１２のそれぞれが有する機構部の往復運動により生じる複数の圧力波が排出管１６内で重畳される際に、重畳された圧力波の振幅が低減するように複数の空気供給装置１２内の少なくとも一つを制御することとした。これにより、排出管１６内で重畳された各圧力波の振幅がほぼ０となる。このため、排出管１６から排出されるガスの騒音値を低減することができる。
【００３５】
（第１実施形態の変形例１）
第１実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１は、空気供給装置１２が複数の空気ブロワ１２Ａ、１２Ｂを有する点で第１実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。以下では、第１実施形態に係る燃料電池システム１と相違する点について説明する。
【００３６】
図９は、第１実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１の構成例を示す図である。図９に示すように、空気供給装置１２が複数の空気ブロワ１２Ａ、１２Ｂを有する。このように、空気供給装置１２が複数の空気ブロワ１２Ａ、１２Ｂで構成されるので、空気供給装置１２の空気供給容量を増加できる。また、一つの空気供給装置１２が有する複数の空気ブロワ１２Ａ、１２Ｂそれぞれの位相は、同位相とする。これにより、制御装置２２は、空気供給装置１２が有する空気ブロワの数が増加しても、第１実施形態に係る燃料電池システム１と同等の制御を行うことができる。
以上のように第１実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１によれば、空気供給装置１２が複数の空気ブロワ１２Ａ、１２Ｂを有すると共に、複数の空気ブロワ１２Ａ、１２Ｂそれぞれの位相を同位相とすることとした。これにより、空気供給装置１２の空気供給容量を増加させると共に、第１実施形態に係る燃料電池システム１と同等の制御を行うことが可能となる。
【００３７】
（第１実施形態の変形例２）
第１実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１は、複数の供給管１４のそれぞれに設けられた複数のバッファタンク２４を有する点で第１実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１と相違する。以下では、第１実施形態の変形例１と相違する点について説明する。
【００３８】
図１０は、第１実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１の構成例を示す図である。図１０に示すように、複数の供給管１４のそれぞれに複数のバッファタンク２４が設けられている。これにより、空気供給装置１２の出口圧力の脈動を低減させることができる。
【００３９】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。
【符号の説明】
【００４０】
１：燃料電池システム、１０：燃料電池、１２：空気供給装置、１４：供給管、１６：排出管、２２：制御装置、２４：バッファタンク、１００：燃料電池スタック、１０４：酸化剤極
【図１】
2019207802.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019207802.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019207802.tif 000011
【図１０】
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