(57)【要約】【課題】  燃料電池が開回路電位に近い高電位状態になることを回避することができるとともに、燃料電池が高負荷運転に移行する際に高い負荷応答性を得ることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  水素および酸素の供給を受けて電力を発生する燃料電池１１０および蓄電池と電気的に接続された水電解装置１３０を有し、燃料電池１１０が高負荷運転から低負荷運転に移行する際に、蓄電池への蓄電とは別に余剰な電力を消費し、水電解装置１３０から発生する水素および酸素を燃料電池１１０が高負荷運転に再度移行する際に供給することにより、高い負荷応答性が得られる。【選択図】図２
2007018781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素および酸素の供給を受けて電力を発生する燃料電池および蓄電池と電気的に接続された水電解装置を有し、当該燃料電池が高負荷運転から低負荷運転に移行する際に、蓄電池への蓄電とは別に余剰な電力を消費し、前記水電解装置から発生する水素および酸素を燃料電池が高負荷運転に再度移行する際に供給することにより、高い負荷応答性が得られることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池への要求負荷を検出する負荷検出手段と、前記燃料電池の空気極電位を検出する電位検出手段と、前記水電解装置に対し前記余剰な電力の少なくとも一部を分配して、当該燃料電池の空気極電位を所定値以下に制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記蓄電池の充電量を検出する充電量検出手段をさらに有し、前記制御手段は、前記余剰な電力を前記蓄電池に分配し、さらに、当該蓄電池の充電量が所定の上限値より大きくなる場合に、当該余剰な電力のうち当該上限値まで蓄電する電力を当該蓄電池に分配し、残りの電力を前記水電解装置に分配することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水電解装置は、固体高分子膜を電解質膜として用いてなる固体高分子型の水電解装置であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水電解装置で発生される水素および酸素ガスを前記燃料電池に供給するガス供給配管が、水素極および空気極のガス供給ラインとバルブを介して接続され、前記燃料電池の負荷変動に対応して前記バルブの開閉を行う機能をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス供給配管に設けられ、前記水素および酸素ガスを貯蔵するバッファタンクをさらに有することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ガス供給配管に設けられ、当該ガス供給配管の圧力を調整する圧力調整バルブを有し、前記水電解装置から発生する水素および酸素を前記燃料電池に供給するガス供給配管内が所定の圧力以上となった場合に、前記圧力調整バルブが開いて過剰な圧力となるのを防ぐことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムは、複数の水電解装置を有し、
前記複数の水電解装置は、発生させようとする水素および酸素ガスの量に応じて使い分けられることを特徴とする請求項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】
本発明は、燃料電池システムに関する。本発明は、特に、燃料電池に対して水電解装置が電気的に接続された燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車をはじめ、家庭用電源、携帯電話、およびノートＰＣなどへの燃料電池の利用が実用化されつつある。燃料電池の中でも、特に、常温で作動可能な高分子電解質膜を用いた燃料電池が興味を持たれている。
【０００３】
高分子電解質を用いた燃料電池は、高分子電解質の劣化および触媒である白金の溶解を防止するために、燃料電池の空気極が開回路電位に近い高電位状態となることを回避する必要がある。
【０００４】
下記の特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、発電を停止する場合、空気極への酸化ガスの供給を停止した後に、燃料極への燃料ガスの供給を停止する。このように制御すると、酸化ガスを消費しつつ、燃料ガスが高分子電解質層を介して空気極まで供給されるため、空気極と燃料極の電位差が低減され、燃料電池の空気極が高電位状態となる時間を短縮することができる。
【０００５】
また、下記の特許文献２には、家庭用電源を利用して水を電気分解し、発生した水素ガスを燃料電池の燃料ガスとして使用する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１７２１０５号公報
【特許文献２】特開２００５−０３２６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の制御方式を有する燃料電池システムでは、燃料ガスが高分子電解質膜を透過するのに時間を要する。
【０００７】
したがって、電気自動車の動力源などに使用される場合、起動停止および負荷変動が頻繁に実行されるため、実質的には燃料電池の空気極は高電位状態となり、高分子電解質の劣化および触媒である白金の溶解が顕著になるおそれがある。さらに、車両発進時の急速な負荷変動に対して、負荷応答性が低くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、燃料電池の空気極が開回路電位に近い高電位状態になることを回避するとともに、燃料電池が高負荷運転に移行する際に高い負荷応答性を得ることができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、水素および酸素の供給を受けて電力を発生する燃料電池および蓄電池と電気的に接続された水電解装置を有し、当該燃料電池が高負荷運転から低負荷運転に移行する際に、蓄電池への蓄電とは別に余剰な電力を消費し、前記水電解装置から発生する水素および酸素を燃料電池が高負荷運転に再度移行する際に供給することにより、高い負荷応答性が得られることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池が作り出す余剰な電力が水電解装置で消費されるため、燃料電池の空気極が開回路電位に近い高電位状態になることを回避することができる。したがって、高分子電解質の劣化および触媒である白金の溶解を低減することができ、燃料電池の寿命を向上することができる。さらに、水電解装置から発生する水素および酸素を燃料電池が高負荷運転に再度移行する際に供給することにより、高い負荷応答性が得られることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態では、本発明を車両駆動用モータの電源システムに適用した場合を例にとって説明する。図中、同様な部材には同じ符号を用いた。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【００１４】
図１に示されるとおり、本実施の形態の燃料電池システム１００は、インバータ（不図示）を介して、負荷２００および補機３００に接続されている。負荷２００は、車両駆動用モータである。補機３００は、コンプレッサ、冷却水供給ポンプ、および純水供給ポンプなどの燃料電池１１０を発電させるために必要な機器である。燃料電池システム１００は、燃料電池１１０、蓄電池１２０、水電解装置１３０、検出部１４０、制御部１５０、および電力分配部１６０を有する。
【００１５】
燃料電池１１０は、水素および酸素の供給を受けて電力を発生するものである。燃料電池１１０は、複数の単位セルが積層されて構成される。燃料電池１１０が作り出す電力が負荷２００および補機３００ですべて消費されず、燃料電池１１０が余剰な電力を作り出している場合、燃料電池１１０の空気極電位は上昇する。
【００１６】
蓄電池１２０は、燃料電池１１０が作り出した電力のうち余剰な電力を消費するものである。蓄電池１２０は、電力分配部１６０を介して、燃料電池１１０に並列に接続されている。蓄電池１２０は、余剰な電力の消費とは別に、回生ブレーキ使用時のエネルギー回収にも使用される。したがって、蓄電池１２０を燃料電池１１０の余剰な電力のみで満充電することは好ましくない。通常、蓄電池１２０の充電量には所定の上限値が設定され、蓄電池１２０の満充電は防止されている。
【００１７】
水電解装置１３０は、燃料電池１１０が作り出した電力のうち余剰な電力を蓄電池１２０とは別に消費する電気化学装置である。水電解装置１３０は、燃料電池１１０に対して、電力分配部１６０を介して、電気的に並列に接続されている。水電解装置１３０についての詳細な説明は後述する。なお、本明細書において電気的に接続するという表現は、直接に接続されている場合および他の部材（たとえば、電力分配部１６０）を介して接続されている場合の両方を含む。
【００１８】
検出部１４０は、充電量検出部１４０ａと電位検出部１４０ｂを含む。充電量検出部１４０ａは、蓄電池１２０の充電量を検出する充電量検出手段である。充電量検出部１４０ａは、蓄電池１２０に取り付けられた電流センサを含む。電位検出部１４０ｂは、燃料電池１１０の空気極電位を検出する電位検出手段である。電位検出部１４０ｂは、燃料電池１１０に取り付けられた電圧センサを含む。さらに、検出部１４０は、燃料電池１１０への要求負荷を検出する負荷検出手段である負荷検出部（不図示）を含む。
【００１９】
制御部１５０は、検出部１４０からの信号を受信し、これらの信号に基づいて、蓄電池１２０、水電解装置１３０、電力分配部１６０、および補機３００を制御する制御手段である。より具体的には、制御部１５０は、電力分配部１６０を介して、燃料電池１１０が作り出す電力を、蓄電池１２０、水電解装置１３０、負荷２００、および補機３００に分配する。なお、電力分配部１６０は、たとえば、一般的な電力分配器である。
【００２０】
次に、図２を参照しつつ、本実施の形態における燃料電池１１０と水電解装置１３０の接続関係について説明する。なお、説明の便宜上、図２において電力分配部１６０は省略する。
【００２１】
図２に示されるとおり、本実施の形態の燃料電池システム１００は、水素および酸素の供給を受けて電力を発生する燃料電池１１０と、燃料電池１１０に対して電気的に接続され、燃料電池１１０が作り出した電力のうち余剰な電力を蓄電池１２０とは別に消費する水電解装置１３０と、を有する。
【００２２】
水電解装置１３０は、燃料電池１１０が作り出した余剰な電力を用いて水を電気分解し、水素および酸素ガスを発生するものである。水電解装置１３０は、電力分配部１６０を介して、燃料電池１１０に対して電気的に並列に接続されている。水電解装置１３０は、電気分解する水が供給される純水導入管１３３を有する。純水導入管１３３の一端は、水電解装置１３０に接続され、他端は、純水供給装置（不図示）に接続されている。
【００２３】
燃料電池システム１００は、燃料電池１１０の燃料極に水素ガスを供給する水素供給配管（水素ガス供給ライン）１１１ａおよび空気極に酸素を含んだ空気を供給する空気供給配管（酸素ガス供給ライン）１１２ａを有する。水素供給配管１１１ａの一端は、燃料電池１１０の燃料極に接続されている。水素供給配管１１１ａの他端は、水素供給装置（不図示）に接続されている。同様に、空気供給配管１１２ａの一端は、燃料電池１１０の空気極に接続されていて、他端は、空気供給装置（不図示）に接続されている。また、燃料電池システム１００は、水素ガスを排出する水素排出配管１１１ｂおよび空気を排出する空気排出配管１１２ｂを有する。
【００２４】
さらに、燃料電池システム１００は、水電解装置１３０で発生される水素および酸素ガスを燃料電池１１０に供給するガス供給配管を有する。より具体的には、燃料電池システム１００は、水電解装置１３０が発生する水素ガスを燃料電池１１０に供給する電解水素供給配管１３１および酸素ガスを燃料電池１１０に供給する酸素供給配管１３２を有する。電解水素供給配管１３１の一端は、水電解装置１３０に接続されている。電解水素供給配管１３１の他端は、水素供給配管１１１ａに接続されている。同様に、酸素供給配管１３２の一端は、水電解装置１３０に接続されていて、他端は、空気供給配管１１２ａに接続されている。
【００２５】
ガス供給配管である電解水素供給配管１３１には、水素ガスを貯蔵する水素バッファタンク１２１が設けられている。同様に、酸素供給配管１３２には、酸素ガスを貯蔵する酸素バッファタンク１２２が設けられている。さらに、電解水素供給配管１３１と水素供給配管１１１ａの接続部には、水素供給停止バルブ１４１が設けられている。同様に、酸素供給配管１３２と空気供給配管１１２ａの接続部には、酸素供給停止バルブ１４２が設けられている。
【００２６】
次に、図３を参照して、本燃料電池システム１００において水電解装置１３０を形成する電解セルの構造について説明する。本実施の形態において、水電解装置１３０は、固体高分子膜を電解質膜として用いてなる固体高分子型の水電解装置である。
【００２７】
図３は、水電解装置の電解セルを説明するための断面図である。図３に示されるとおり、水電解装置１３０の電解セルは、電解質ユニット１２５が複数積層して構成される。電解質ユニット１２５は、固体高分子電解質膜１２６、個体高分子電解質膜１２６を挟持すべく設けられた電極板１２７、および固体高分子電解質膜１２６と電極板１２７の間に設けられた給電体１２８などからなる。なお、固体高分子電解質膜１２６、電極板１２７、および給電体１２８についての説明は省略する。また、電解質ユニット１２５の積層数は、図３に限定されない。
【００２８】
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池システム１００では、燃料電池１１０が作り出した電力のうち余剰な電力の少なくとも一部が、水電解装置１３０に分配される。水電解装置１３０は、分配された余剰な電力を消費する。以下、図４を参照しつつ、本実施の形態の燃料電池システム１００における処理を説明する。
【００２９】
図４は、本実施の形態における燃料電池システムの電力消費処理を示すフローチャートである。なお、以下に示す電力消費処理は、車両の起動時および低負荷移行時に実行される処理である。車両の起動時とは、たとえば、車両駆動用モータがアイドリングしている状態である。起動時には、負荷２００が必要とする電力が小さいにも関わらず、燃料電池１１０は水素および空気の供給を受けて発電を続けるため、余剰な電力が作り出される。同様に、低負荷移行時とは、たとえば、スロットル（アクセル）を戻して減速する状態であり、余剰な電力が作り出される。余剰な電力を有する燃料電池１１０では、空気極電位は上昇し、燃料電池１１０の空気極は高電位状態となる。
【００３０】
まず、制御部１５０は、車両の要求負荷を算出する（ステップＳ１０１）。要求負荷は、たとえば、駆動用モータの出力である。要求負荷は、アクセル開度などに基づいて、変換テーブルなどから算出される。なお、要求負荷は、駆動用モータの出力のみに限定されず、車両に使用される補機３００を除く種々の機器の出力を含む。これらの要求負荷は上記の負荷検出部によって検出される。
【００３１】
次に、燃料電池１１０の単位セルの空気極電位の予測値が所定値と比較される（ステップＳ１０２）。空気極電位の予測値は、ステップＳ１０１の処理において算出される要求負荷、燃料電池１１０への水素および空気の供給量から算出される燃料電池１１０の発電量、および現在の空気極電位などから算出される。空気極電位の予測値が所定値よりも低い場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、燃料電池１１０の空気極が高電位状態とはならないため処理を終了する。空気極電位の予測値が所定値よりも高い場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、ステップＳ１０３の処理に移行する。なお、上記の所定値は、燃料電池の開回路電圧（約１．２３Ｖ）に基づいて、たとえば、０．８Ｖに設定することができる。
【００３２】
次に、負荷２００および補機３００の要求電力と燃料電池１１０の発電電力が比較される（ステップＳ１０３）。要求電力が発電電力より大きい場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、制御部１５０は、負荷２００および補機３００にのみ電力を分配する状態を維持する（ステップＳ１０４）。言い換えれば、制御部１５０は、蓄電池１２０および水電解装置１３０には電力を分配しない。燃料電池１１０が作り出した電力は、負荷２００および補機３００が適正に運転される範囲内で消費されることができる。要求電力が発電電力より小さい場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、余剰な電力が発生するため、ステップＳ１０５の処理に移行する。負荷２００および補機３００の要求電力から燃料電池３００の発電電力を差し引いた電力が、燃料電池１１０の余剰な電力に対応する。
【００３３】
次に、蓄電池１２０の充電量と余剰な電力量とが比較される（ステップＳ１０５）。上述したとおり、蓄電池１２０には、満充電を防止するために、所定の上限値が設けられている。予測される蓄電池１２０の充電量が所定の上限値よりも小さい場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、制御部１５０は、負荷２００、補機３００、および蓄電池１２０に電力を分配する（ステップＳ１０６）。その結果、余剰な電力は、蓄電池１２０に分配されて消費される。蓄電池１２０の充電量が所定の上限値より大きくなる場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、制御部１５０は、負荷２００、補機３００、蓄電池１２０、および水電解装置１３０に電力を分配する（ステップＳ１０７）。具体的には、制御部１５０は、余剰な電力のうち当該上限値まで蓄電する電力を蓄電池１２０に分配し、残りの電力を水電解装置１３０に分配する。余剰な電力は、蓄電池１２０および水電解装置１３０の両方で消費される。
【００３４】
次に、燃料電池１１０の空気極電位と所定値とが比較される（ステップＳ１０８）。燃料電池１１０の空気極電位が所定値（たとえば、０．８Ｖ）よりも低い場合、処理を終了する。空気極電位が所定値よりも高い場合、ステップＳ１０３以下の処理を繰り返す。
【００３５】
以上のとおり、図４に示されるフローチャートでは、燃料電池１１０が作り出す電力のうち余剰な電力は、蓄電池１２０とは別に水電解装置１３０で消費される。したがって、車両の起動時および低負荷移行時において、燃料電池１１０の空気極が高電位状態になることが回避される。このとき、電解水素供給配管１３１および酸素供給配管１３２に設けられた水素供給停止バルブ１４１および酸素供給停止バルブ１４２は閉じた状態である。したがって、水電解装置１３０で発生される水素ガスおよび酸素ガスは、バッファタンク１２１，１２２に蓄えられ、燃料電池１１０には供給されない。
【００３６】
次に、水電解装置１３０で発生される水素ガスおよび酸素ガスを燃料電池１１０に供給する処理について述べる。以下に示すガス供給処理は、特に、車両の高負荷移行時（加速時）に実行される処理である。
【００３７】
図５は、本実施の形態における燃料電池システムのガス供給処理を示すフローチャートである。起動後の車両が走行を開始する高負荷移行時においては、燃料電池１１０は、車両発進時の急速な負荷変動に対して出力の遅れを生じる。燃料電池システム１００は、高負荷移行時において、燃料電池１１０に高圧ガスを供給して出力を向上させ、燃料電池１１０の出力不足を抑制するものである。言い換えれば、本実施の形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１１０の負荷変動に対応してバルブ１４１，１４２の開閉を行う機能をさらに有する。
【００３８】
まず、制御部１５０は、要求負荷を検出する（ステップＳ２０１）。次に、制御部１５０は、検出された負荷が低負荷から高負荷へ移行するものであるか否かを判断する（ステップＳ２０２）。より具体的には、たとえば、制御部１５０は、負荷の変動量が所定値よりも大きい場合に、負荷が低負荷から高負荷へ移行すると判断する。前記所定値は、モータおよび車両の走行特性などによって適宜に選択されることができる。低負荷から高負荷への移行の場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、ステップＳ２０４の処理に移行する。低負荷から高負荷へ移行しない場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、運転を停止するか否かを判断する（ステップＳ２０３）。運転を停止しない場合（ステップＳ２０３：ＮＯ）、ステップＳ２０１以下の処理を繰り返す。運転を停止する場合（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、処理を終了する。
【００３９】
次に、制御部１５０は、水電解装置１３０で発生する水素および酸素ガスを供給するため供給停止バルブ１４１，１４２を開く（ステップＳ２０４）。その結果、高圧の水素および酸素ガスが燃料電池１１０に供給されて、通常のガス供給時と比べて、燃料電池１１０の瞬間的な出力は向上する。
【００４０】
次に、制御部１５０は、要求負荷への移行が完了したかどうかを判断する（ステップＳ２０５）。要求負荷への移行が完了したとは、たとえば、車両が所望の速度まで到達した場合である。要求負荷への移行が完了した場合（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、ステップＳ２０６の処理に移行する。要求負荷への移行が完了しない場合（ステップＳ２０５：ＮＯ）、要求負荷への移行が完了するまで供給停止バルブ１４１，１４２が開いた状態を維持する。
【００４１】
最後に、制御部１５０は、供給停止バルブ１４１，１４２を閉じて（ステップＳ２０６）、処理を終了する。
【００４２】
以上のとおり、図５に示されるフローチャートでは、電解水素供給配管１３１および酸素供給配管１３２に蓄えられる水素および酸素ガスが高圧下で燃料電池１１０に供給されるため、燃料電池１１０の瞬間的な出力が向上する。したがって、車両の発進時において、燃料電池１１０の出力不足が抑制される。すなわち、本実施の形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１１０が高負荷運転から低負荷運転に移行する際に、蓄電池１２０への蓄電とは別に余剰な電力を消費し、水電解装置１３０から発生する水素および酸素を燃料電池１１０が高負荷運転に再度移行する際に供給することにより、高い負荷応答性が得られる。
【００４３】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。
【００４４】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池が作り出した電力のうち余剰な電力を蓄電池とは別に消費する水電解装置を有する。したがって、燃料電池の空気極が高電位状態になることが回避され、燃料電池の電解質膜の劣化および白金の溶解が低減される。その結果、燃料電池の寿命を向上させることができる。
【００４５】
燃料電池の空気極電位を検出する電位検出手段と、水電解装置に対し余剰な電力の少なくとも一部を分配して、当該燃料電池の空気極電位を所定値以下に制御する制御手段と、を有する。したがって、燃料電池の空気極電位に基づいて、余剰な電力を消費することができる。
【００４６】
制御手段は、余剰な電力を蓄電池に分配し、さらに、蓄電池の充電量が所定の上限値より大きくなる場合に、余剰な電力のうち上限値まで蓄電する電力を蓄電池に分配し、残りの電力を水電解装置に分配する。したがって、蓄電池および補機に必要以上に大きな電力を与えて、空気極電位を下げる場合と異なり、蓄電池および補機を効率のよい最適運転条件で稼動させることができる。
【００４７】
水電解装置は、燃料電池が作り出した余剰な電力を用いて水を電気分解し、水素および酸素ガスを発生する。したがって、余剰な電力を消費するとともに、電気分解によって発生した水素および酸素を再び燃料電池に供給して再利用することができ、燃料電池システムの効率を向上させることができる。また、水電解装置は、工業的に広く使用されており、効率よく水素および酸素ガスを発生させることができる。
【００４８】
水電解装置は、固体高分子型の水電解装置である。したがって、小型の水電解装置が使用され、燃料電池システムを小型化することができる。また、燃料電池に使用される純水などを流用することができる。
【００４９】
水電解装置で発生される水素および酸素ガスを燃料電池に供給するガス供給配管を有する。したがって、車両のアイドルング時に水電解装置で発生されたガスを貯蔵し、必要に応じて、高圧な水素および酸素ガスを燃料電池に供給することができる。すなわち、水電解装置から発生する水素および酸素を燃料電池が高負荷運転に再度移行する際に供給することにより、高い負荷応答性が得られることができる。その結果、車両発進時の急激な負荷変動に対する燃料電池の出力の遅れが防止され、車両を安定して加速することができる。
【００５０】
水素および酸素ガスを貯蔵するバッファタンクを有する。したがって、水電解装置から燃料電池までの電解水素および酸素供給配管中の水素および酸素ガスの圧力が過大になることを防止することができる。
【００５１】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、水電解装置が発生する水素および酸素ガスをバッファタンクに貯蔵する場合について述べた。本実施の形態では、特別なバッファタンクを設けることなく、水電解装置が発生する水素および酸素ガスを水素および酸素供給配管内に貯蔵する場合について述べる。
【００５２】
図６は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池と水電解装置の接続関係を説明するための図である。
【００５３】
図６に示されるとおり、本実施の形態の燃料電池システム１００は、ガス供給配管に設けられ、ガス供給配管の圧力を調整する圧力調整バルブ１５１，１５２を有する。より具体的には、ガス供給配管は、第１の電解水素供給配管１３１ａ、第２の電解水素供給配管１３１ｂ、第１の酸素供給配管１３２ａ、および第２の酸素供給配管１３２ｂから構成される。
【００５４】
第１の電解水素供給配管１３１ａの一端は水電解装置１３０に接続されていて、他端は水素供給配管１１１ａに接続されている。第１の電解水素供給配管１３１ａと水素供給配管１１１ａの接続部には、第１の供給停止バルブ１４１が設けられている。第１の電解水素供給配管１３１ａには、第２の供給停止バルブ１７１が設けられている。また、第２の電解水素供給配管１３１ｂの一端は、第２の供給停止バルブ１７１よりも上流側（すなわち、水電解装置１３０側）で、第１の電解水素供給配管１３１ａに接続されている。第２の電解水素供給配管１３１ｂの他端は、第１の電解水素供給配管１３１ａよりも上流側（すなわち、水素供給装置側）で、水素供給配管１１１ａに接続されている。第２の電解水素供給配管１３１ｂには、上流側（すなわち、水電解装置１３０側）より圧力調整バルブ１５１および逆止弁１６１が設けられている。なお、供給されるガスが酸素であることを除いては、ガス供給配管の構成は同様であるため、第１および第２の酸素供給配管１３２ａ，１３２ｂに関する説明は省略する。
【００５５】
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池システム１００では、電解水素および酸素供給配管１３１ａ，１３２ａ中の圧力が過大になることが防止される。より具体的には、水電解装置１３０から発生する水素および酸素を燃料電池１１０に供給するガス供給配管内が所定の圧力以上となった場合に、圧力調整バルブ１５１，１５２が開いて過剰な圧力となるのを防ぐ。さらに、本実施の形態の燃料電池システム１００では、圧力調整バルブ１５１，１５２を介して、電解水素および酸素供給配管１３１ｂ，１３２ｂに供給される水素および酸素ガスは、供給を停止している水素供給配管１１１ａおよび空気供給配管１１２ａに蓄積されることができる。
【００５６】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１の実施の形態における効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００５７】
本発明の燃料電池システムは、ガス供給配管に設けられ、当該ガス供給配管内の圧力を調整する圧力調整バルブを有する。したがって、電解水素および酸素供給配管中の圧力が過大になることを防止することができる。また、水電解装置で発生される水素および酸素ガスを、供給を停止している水素供給配管および空気供給配管に蓄積することができる。
【００５８】
（第３の実施の形態）
本実施の形態は、本燃料電池システムにおいて、燃料電池に対して複数の水電解装置を接続した実施の形態である。
【００５９】
図７は、本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図７に示されるとおり、燃料電池システム１００は、複数の水電解装置１３０ａ，１３０ｂを有し、複数の水電解装置１３０ａ，１３０ｂは、発生させようとする水素および酸素ガスの量に応じて使い分けられることができる。
【００６０】
より具体的には、燃料電池システム１００は、複数の水電解装置１３０ａ，１３０ｂを有しており、発生させようとする水素および酸素ガスの量に応じて、電力を分配する水電解装置１３０ａ，１３０ｂを切り替えることができる。
【００６１】
本実施の形態において、燃料電池システム１００は、第１の水電解装置１３０ａおよび第２の水電解装置１３０ｂを有する。本実施の形態において、たとえば、第１の水電解装置１３０ａの水電解能力は、第２の水電解装置１３０ｂの水電解能力よりも高い。水電解能力は、消費する電力あたりに発生させる水素および酸素ガスの量を示す。
【００６２】
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池システム１００では、ガス供給配管（バッファタンク１２１，１２２を含む）に貯蔵することができるガスの量に応じて、第１の水電解装置１３０ａと第２の水電解装置１３０ｂが切り替えられる。ガス供給配管１３１，１３２に貯蔵することができるガスの量が少ない場合、水電解能力の低い第２の水電解装置１３０ｂにのみ余剰な電力が供給される。ガス供給配管に貯蔵することができるガスの量が多い場合、水電解能力の高い第１の水電解装置１３０ａに余剰な電力が供給されることができる。
【００６３】
また、本実施の形態と異なり、燃料電池システム１００は、発生させようとする水素および酸素ガスの量に応じて、電力を分配する水電解装置の個数を変更することもできる。より具体的には、たとえば、本実施の形態において、第１および第２の水電解装置１３０ａ，１３０ｂの水電解能力は同等であってもよい。この場合、第１および第２の水電解装置１３０ａ，１３０ｂの両方、または、一方のみに余剰な電力を供給することによって、発生させる水素および酸素ガスの量を調整させることができる。
【００６４】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１および第２の実施の形態における効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００６５】
本発明の燃料電池システムは、複数の水電解装置を有し、複数の水電解装置は、発生させようとする水素および酸素ガスの量に応じて使い分けられる。したがって、ガス供給配管内の圧力が増大することを防止することができる。
【００６６】
以上のとおり、第１〜第３の実施の形態において、本発明の燃料電池システムを説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、省略することができることはいうまでもない。
【００６７】
たとえば、制御部は、余剰な電力を蓄電池に分配し、さらに、蓄電池の充電量が所定の上限値より大きくなる場合に、当該余剰な電力のうち当該上限値まで蓄電する電力を蓄電池に分配し、残りの電力を水電解装置に分配する。しかしながら、蓄電池の充電量が所定の上限値より大きくなると予測される場合、余剰な電力のすべてを水電解装置に分配してもよい。
【００６８】
また、本発明の燃料電池システムでは、フィードフォワード制御による処理を実行して、燃料電離の空気極電位を予測している。しかしながら、燃料電池の空気極電位が所定値を越えた場合、あるいは、余剰な電力が蓄電池の所定の上限値を超えた場合に処理を実行するフィードバック制御に基づく処理を実行してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池と水電解装置の接続関係を説明するための図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムにおける水電解装置の電解セルを説明するための断面図である。
【図４】図１に示す燃料電池システムの電力消費処理を示すフローチャートである。
【図５】図１に示す燃料電池システムのガス供給処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態における燃料電池と水電解装置の接続関係を説明するための図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７０】
１００    燃料電池システム、
１１０    燃料電池、
１２０    蓄電池、
１２１，１２２    バッファタンク、
１３０    水電解装置、
１３１    電解水素供給配管、
１３２    酸素供給配管、
１４０    検出部、
１５０    制御部、
１５１，１５２    圧力調整バルブ、
１６０    電力分配部、
２００    負荷、
３００    補機。
【図１】
2007018781.tif 000003
【図２】
2007018781.tif 000004
【図３】
2007018781.tif 000005
【図４】
2007018781.tif 000006
【図５】
2007018781.tif 000007
【図６】
2007018781.tif 000008
【図７】
2007018781.tif 000009