(57)【要約】      （修正有）【課題】出力応答性の優れたレドックスフロー型燃料電池システムの提供。【解決手段】燃料電池１のカソードに酸化剤として循環供給するメディエーターを再生する再生器４、該再生器４へ酸化ガスを供給する供給流路５、該供給流路５上に酸化ガス供給装置６、酸素富化装置７を備え、且つ該酸素富化装置７を迂回するための、上流側末端と下側末端が供給流路５に接続したバイパス流路８、供給流路５とバイパス流路８の上流側接続位置にコントロールユニット１０により制御される流路の切り替え弁９を備え、現在の出力と要求出力の差が所定値以上の場合、切り替え弁９を制御して酸素富化装置７を経由した酸化ガスを再生器４に導入する燃料システム。【選択図】図１
2016103405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メディエーターの再生器、該再生器へ酸化ガスを供給する供給流路、及び該供給流路上に酸化ガス供給装置を備えるレドックスフロー型燃料電池システムであって、
前記供給流路上に酸素富化装置を備え、
酸素富化装置を迂回するための、上流側末端と下側末端が前記供給流路に接続したバイパス流路を備え、
前記供給流路と前記バイパス流路の上流側接続位置にコントロールユニットにより制御される流路の切り替え弁を備え、
現在の出力と要求出力の差が所定値以上の場合、切り替え弁を制御して酸素富化装置を経由した酸化ガスを再生器に導入すること、
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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レドックスフロー型燃料電池とは、燃料及び酸化剤のうち少なくとも一方を、電極において直接反応させるのではなくレドックス対（メディエーター）と反応させ、レドックス対をアノード極及びカソード極のうち少なくとも一方の電極において反応させる燃料電池であり、長寿命である、或いは、電極に高価な白金等の触媒を使用する必要が無いなどの特性を有する。
【０００３】
特許文献１には、修飾されたフェロセン種をメディエーターとして使用するレドックスフロー型燃料電池システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１１‐５１０４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、レドックスフロー型燃料電池システムでは、カソードを循環しているメディエーター含有液中の酸化したメディエーターが不足しやすい。そのため、酸化ガスを直接カソードに供給する燃料電池システムと比較して、大きな負荷変動を伴う出力要求に対する応答遅れが生じる状況が多かった。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、大きな負荷変動を伴う出力要求に対する応答遅れを抑制することができるレドックスフロー型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】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、メディエーターの再生器、該再生器へ酸化ガスを供給する供給流路、及び該供給流路上に酸化ガス供給装置を備えるレドックスフロー型燃料電池システムであって、前記供給流路上に酸素富化装置を備え、酸素富化装置を迂回するための、上流側末端と下側末端が前記供給流路に接続したバイパス流路を備え、前記供給流路と前記バイパス流路の上流側接続位置にコントロールユニットにより制御される流路の切り替え弁を備え、現在の出力と要求出力の差が所定値以上の場合、切り替え弁を制御して酸素富化装置を経由した酸化ガスを再生器に導入すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、一定以上の負荷変動を伴う出力要求に対する応答遅れを抑制することができるレドックスフロー型燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成例を模式的に示した図である。
【図２】コントロールユニットによる切り替え弁制御の動作手順についてのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の燃料電池システムについて説明する。
本発明の燃料電池システムは、メディエーターの再生器、該再生器へ酸化ガスを供給する供給流路、及び該供給流路上に酸化ガス供給装置を備えるレドックスフロー型燃料電池システムであって、前記供給流路上に酸素富化装置を備え、酸素富化装置を迂回するための、上流側末端と下側末端が前記供給流路に接続したバイパス流路を備え、前記供給流路と前記バイパス流路の上流側接続位置にコントロールユニットにより制御される流路の切り替え弁を備え、現在の出力と要求出力の差が所定値以上の場合、切り替え弁を制御して酸素富化装置を経由した酸化ガスを再生器に導入すること、を特徴とする。
【００１０】
まず、本発明の燃料電池システムの構成について説明する。
【００１１】
図１に本発明の燃料電池システムの構成例の模式図を示す。本発明の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１のカソードとメディエーターの再生器４の間を、メディエーター含有液の循環ポンプ３を備えるメディエーター含有液循環流路２によって接続している。
メディエーターの再生器４には、酸化ガス供給装置６を備えた酸化ガスの供給流路５が接続されている。
前記供給流路５上の酸化ガス供給装置６の上流または下流には、酸素富化装置７を備えている。
また、前記酸素富化装置７を迂回するために上流側末端と下側末端が前記供給流路５に接続したバイパス流路８を備えている。
前記供給流路５と前記バイパス流路８の上流側接続位置にコントロールユニット１０により制御される流路の切り替え弁９を備えている。
【００１２】
燃料電池スタック１は、カソードにおいて酸化剤としてメディエーター含有液を循環するレドックスフロー型燃料電池であれば特に制限は無く、アノードには水素ガスを供給するものであっても、メディエーター含有液を循環するものであっても良い。
【００１３】
本発明で使用するメディエーターには特に制限は無いが、安定性やコスト面から、通常、ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）等が使用される。
【００１４】
再生器４は、メディエーター含有液を貯蔵しつつ、カソードで還元されたメディエーターを酸化ガスとの反応によって酸化する。通常、酸化ガスは表面積を広げるために細かい気泡として供給する。再生反応で発生した水により、メディエーター含有液が徐々に希釈されるため、通常、生成した水分をシステム外に排出する装置を設置する。生成した水分をシステム外に排出する装置は、例えば、ミニヒーターやポーラスフィルムなどを使用することができる。
【００１５】
酸素富化装置７は、酸化ガス中の酸素濃度を上げることができれば特に制限は無いが、大きさやエネルギー効率の観点から、通常、膜分離法により酸素と窒素を分離して酸素濃度を上げる酸素分離膜を使用する。酸素分離膜を用いた酸素富化装置の使用により、空気中の酸素濃度を２０％から約４０％まで上げることができる。
酸素富化膜を利用した酸素富化装置としては、マイルド酸素（帝人株式会社製）、酸素エアチャージャー（パナソニック株式会社製）及びオキシクール３２（ワイムアップ株式会社製）等の例が挙げられる。
【００１６】
酸化ガス供給装置６に特に制限は無いが、通常、酸素富化装置７を使用すると圧力損失が生じるため、コンプレッサーなどを使用して、再生器４への酸化ガス供給量を調節する。
例えば、酸化ガス供給装置が酸素富化装置の上流にあるときは酸素富化装置の上流側が陽圧となり、下流にあるときは酸素富化装置の下流側が負圧となることで、酸素富化装置の気体通過量や再生器４への酸化ガス供給量を調節する。
【００１７】
切り替え弁９は、酸素富化装置７またはバイパス流路８を通じた再生器４への酸化ガスの供給経路を切り替えることができれば特に制限は無いが、コントロールユニット１０により制御できるように、通常、電磁弁等を用いる。
【００１８】
コントロールユニット１０は、現在の出力と要求出力の差が燃料電池システムの運転状況に応じて予め設定された所定値以上か否か判断し、切り替え弁９の制御をおこなうことができれば、特に制限は無い。通常は、現在の出力として電流の実測値をコントロールユニットに入力し、要求出力としてスロットルバルブの開度情報を電流値へ変換してコントロールユニットに入力する。
【００１９】
前述のように、レドックスフロー型燃料電池では、出力はカソードで還元反応に利用できる酸化したメディエーターの量に影響を受けるため、燃料電池のカソードに直接酸化ガスを供給する燃料電池と比較して、急激な出力要求に対して応答遅れが発生しやすい。
特に、以下の状況では、酸化したメディエーター量が不足するため、応答遅れが発生しやすい。
【００２０】
１．起動直後
燃料電池システムの温度が十分に上がっていないと、再生器でのメディエーターの酸化反応が遅くなる傾向があるため、起動直後にスロットルバルブを全開にする場合には、応答遅れが生じる。
２．上り坂で加速する場合
上り坂で負荷が蓄積した状態で、更なる出力要求により負荷が上がると、カソードで還元反応に利用できるメディエーターの含有割合が少なくなり、拡散抵抗が増加するため、応答遅れが生じる。
【００２１】
本発明では、応答遅れの生じやすさによって、運転状況ごとに現在の出力と要求出力の差の所定値を予め設定し、コントロールユニット１０による切り替え弁９の制御を行う。
【００２２】
酸素富化装置７を経由させることで酸素濃度の高い酸化ガスを再生器４に導入できるため、メディエーターの酸化反応が促進され、カソードを循環しているメディエーター含有液中の還元反応に利用できるメディエーター不足を解消することができる。
ここで、酸素富化装置７による圧力損失を解消するために使用する酸化ガス供給装置６が必要とする電力は大きいため、常に酸素富化装置を使用すると燃費が悪化する。よって、本発明では、一定以上の応答遅れが生じる場合のみ、酸素富化装置７を使用する。
【００２３】
次に、コントロールユニット１０による切り替え弁９の制御の動作手順について、図２のフローチャートを用いて説明する。この制御は、現在の出力及び要求出力に基づいて、レドックスフロー燃料電池１００が駆動する間、一定時間（例えば１００ｍｓ）ごとに行われる。
【００２４】
燃料電池が起動すると、コントロールユニット１０は制御を開始し、ステップＳ１１で切り替え弁９をバイパス流路８側に設定する。
【００２５】
前述のように切り替え弁９を酸素富化装置７側に設定し酸化ガスが酸素富化装置７を経由した状態では、圧力損失が生じて酸化ガス供給装置６の出力を上げる必要があるため、燃費の低下につながる。従って、通常運転状態では、切り替え弁９をバイパス流路８側に設定する。
【００２６】
次に、ステップＳ１２でコントロールユニット１０は、現在の出力と要求出力の差が所定値以上か否かを判断する。
【００２７】
ここで所定値は、一定以上の応答遅れを生じさせる出力差以上の値に設定し、運転状況ごとに事前に準備しマッピングする。設定する値を調整することにより、燃費性能や運動性能等の特性を変更することができる。
【００２８】
現在の出力と要求出力の差が所定値以上の場合、処理はステップＳ１３に進み、所定値未満の場合はステップＳ１１の通常運転状態に戻る。ステップＳ１３でコントロールユニットは、切り替え弁９を酸素富化装置７側に設定する。
【００２９】
切り替え弁９が酸素富化装置７側に設定されることで、酸素富化装置７を経由した酸化ガスが再生器４に供給される。酸素濃度の高い酸化ガスが再生器４に供給されるためメディエーターの酸化が促進され、応答遅れが改善する。前述のように、酸化ガスが酸素富化装置７を経由した状態では圧力損失が生じるため、酸化ガス供給装置７の出力を上げる必要があり、一時的に、燃費が低下する。
【００３０】
次に、ステップＳ１４でコントロールユニットは、現在の出力と要求出力の差が所定値以上か否かを再度判断する。現在の出力と要求出力の差が所定値以上のままである場合、処理はステップＳ１３に戻り、酸素富化装置７を経由した酸化ガスの再生器４への供給を継続する。現状の出力と要求出力の差が所定値未満の場合、処理はステップＳ１５に進む。ステップＳ１５でコントロールユニットは、切り替え弁９をバイパス流路８側に設定し通常運転状態に戻る。この状態で１回の制御は終了し、レドックスフロー燃料電池１００が駆動していれば、次回の制御を開始する。
【符号の説明】
【００３１】
１  燃料電池スタック、２  メディエーター含有液循環流路、３  循環ポンプ、４  再生器、５  供給流路、６  酸化ガス供給装置、７  酸素富化装置、８  バイパス流路、９  切り替え弁、１０  コントロールユニット、１００  燃料電池システム
【図１】
2016103405.tif 000003
【図２】
2016103405.tif 000004