(57)【要約】【課題】複数の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクに燃料ガスをそれぞれ過不足なく充填する。【解決手段】燃料電池システムＡは第１の燃料電池サブシステム１Ａ及び第２の燃料電池サブシステム１Ｂを備える。各燃料電池サブシステムは、燃料電池スタック２Ａ，２Ｂと、水素ガスタンク７Ａ，７Ｂと、水素ガス供給管３Ａ，３Ｂと、圧力調節弁４Ａ，４Ｂと、水素ガス充填管１２Ａ，１２Ｂと、を備え、水素ガス充填管１２Ａと水素燃料ガス充填管１２Ｂとが共通の水素ガス充填口１３に連結されている。第１の燃料電池サブシステムの圧力調節弁上流の水素ガス供給管と第２の燃料電池サブシステムの圧力調節弁上流の燃料ガス供給管とを連通管２０により互いに連通する。【選択図】図１
2016081724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の燃料電池サブシステム及び第２の燃料電池サブシステムを備え、
各燃料電池サブシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンク内の燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給するために前記燃料ガスタンクに連結された燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料ガス供給路内の圧力を調節するための圧力調節弁と、前記燃料ガスタンク内に燃料ガスを充填するために前記燃料ガスタンクに連結された燃料ガス充填路と、を備えており、
前記第１の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス充填路と前記第２の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス充填路とが共通の燃料ガス充填口に連結されている、
燃料電池システムであって、
前記第１の燃料電池サブシステムの前記圧力調節弁上流の前記燃料ガス供給路と前記第２の燃料電池サブシステムの前記圧力調節弁上流の前記燃料ガス供給路とを互いに連通する連通路を更に備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記連通路内に開閉弁を配置し、前記第１の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス供給路と前記第２の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス供給路との間の連通及び遮断を切り換え可能にした、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記連通路が一対の連通路を備え、一方の前記連通路内に、前記第１の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス供給路から前記第２の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス供給路へのみ流通可能な逆止弁を配置し、他方の前記連通路内に、前記第２の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス供給路から前記第１の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス供給路へのみ流通可能な逆止弁を配置した、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１の燃料電池サブシステムの前記燃料電池スタックで発生された電力及び前記第２の燃料電池サブシステムの前記燃料電池スタックで発生された電力により共通の電気モータが駆動される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
大型車を駆動するのに適している、請求項１から４までのいずれか一項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。
【背景技術】
【０００２】
第１の燃料電池サブシステム及び第２の燃料電池サブシステムを備え、各燃料電池サブシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料ガスタンクと、燃料ガスタンク内の燃料ガスを燃料電池スタックに供給するための燃料ガス供給路と、を備えている、燃料電池システムが公知である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３３１８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１のように２つの燃料電池サブシステムを備えた燃料電池システムでは、一方の燃料電池サブシステムでのみ発電を行ったり、一方の燃料電池サブシステムの発電量と他方の燃料電池サブシステムの発電量とを互いに異ならせたりすることが可能である。その結果、第１の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンク内の残存燃料ガス量と、第２の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンク内の残存燃料ガス量とが互いに異なるおそれがある。すなわち、燃料ガスタンクへの燃料ガスの充填が開始される時点での燃料ガスタンク内の圧力を初期圧力と称すると、第１の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクの初期圧力と第２の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクの初期圧力とが互いに異なるおそれがある。第１の燃料電池サブシステムの燃料電池スタックの発電効率と第２の燃料電池サブシステムの燃料電池スタックの発電効率とが互いに異なる場合にも同様な状態になりうる。
【０００５】
一方、特許文献１のように第１の燃料電池サブシステム及び第２の燃料電池サブシステムを備えた燃料電池システムでは、各燃料ガスタンク内に燃料ガスを充填するための燃料ガス充填路が各燃料ガスタンクに連結され、第１の燃料電池サブシステムの燃料ガス充填路と第２の燃料電池サブシステムの燃料ガス充填路とが共通の燃料ガス充填口に連結されていると考えられる。この場合、第１の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンク及び第２の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクに燃料ガス充填口から燃料ガスを充填すると、第１の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンク内の圧力及び第２の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンク内の圧力は互いに等しい圧力まで上昇する。そこで、この圧力があらかじめ定められた上限値に達するまで燃料ガスの充填を行う充填方法が考えられる。
【０００６】
ところが、第１の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクの初期圧力と第２の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクの初期圧力とが互いに異なっているときに上述の充填方法が行われると、初期圧力が低い方の燃料ガスタンクにおける圧力上昇幅が、初期圧力が高い方の燃料ガスタンクおける圧力上昇幅よりも大きくなる。その結果、初期圧力が低い方の燃料ガスタンクにおける温度上昇幅が、初期圧力が高い方の燃料ガスタンクにおける温度上昇幅よりも大きくなる。したがって、初期圧力が低い方の燃料ガスタンクにおける充填率（ＳＯＣ）が低くなる。すなわち、燃料ガスの充填量が少なくなってしまう。逆に、初期圧力が低い方の燃料ガスタンクの充填率が更に高い充填率になるまで燃料ガスの充填を継続すると、今度は、初期圧力が高い方の燃料ガスタンクの充填率が目標充填率を越え、更には１００％を越えるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、第１の燃料電池サブシステム及び第２の燃料電池サブシステムを備え、各燃料電池サブシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンク内の燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給するために前記燃料ガスタンクに連結された燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料ガス供給路内の圧力を調節するための圧力調節弁と、前記燃料ガスタンク内に燃料ガスを充填するために前記燃料ガスタンクに連結された燃料ガス充填路と、を備えており、前記第１の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス充填路と前記第２の燃料電池サブシステムの前記燃料ガス充填路とが共通の燃料ガス充填口に連結されている、燃料電池システムであって、前記第１の燃料電池サブシステムの前記圧力調節弁上流の前記燃料ガス供給路と前記第２の燃料電池サブシステムの前記圧力調節弁上流の前記燃料ガス供給路とを互いに連通する連通路を更に備える、燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
複数の燃料電池サブシステムの燃料ガスタンクに燃料ガスをそれぞれ過不足なく充填することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池システムの全体図である。
【図２】本発明による別の実施例を示す燃料電池システムの全体図である。
【図３】本発明による更に別の実施例を示す燃料電池システムの全体図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１を参照すると、燃料電池システムＡは第１の燃料電池サブシステム１Ａ及び第２の燃料電池サブシステム１Ｂを備える。
第１の燃料電池サブシステム１Ａは燃料電池スタック２Ａを備え、燃料電池スタック２Ａは互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。燃料電池スタック２Ａには、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２Ａに供給するための水素ガス供給管３Ａが連結される。水素ガス供給管３Ａ内には、水素ガス供給管３Ａ内の圧力を調節するための電磁式の圧力調節弁４Ａが配置される。また、水素ガス供給管３Ａは供給マニホルド５Ａに連結される。供給マニホルド５Ａはそれぞれ対応する供給枝管６Ａを介して複数、例えば４つの水素ガスタンク７Ａに連結される。水素ガスタンク７Ａ内には水素ガスがそれぞれ充填されている。供給枝管６Ａ内には電磁式の遮断弁８Ａが配置される。水素ガスタンク７Ａは更に、充填枝管９Ａを介して充填マニホルド１０Ａに連結される。充填枝管９Ａ内には、充填マニホルド１０Ａから水素ガスタンク７Ａに向けてのみ流通可能な逆止弁１１Ａが配置される。一方、燃料電池スタック２Ａには、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック２Ａに供給するための空気供給管（図示しない）が連結される。
【００１１】
同様に、第２の燃料電池サブシステム１Ｂは燃料電池スタック２Ａを備え、燃料電池スタック２Ｂは互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。燃料電池スタック２Ｂには、水素ガスを燃料電池スタック２Ｂに供給するための水素ガス供給管３Ｂが連結される。水素ガス供給管３Ｂ内には、水素ガス供給管３Ｂ内の圧力を調節するための電磁式の圧力調節弁４Ｂが配置される。また、水素ガス供給管３Ｂは供給マニホルド５Ｂに連結される。供給マニホルド５Ｂはそれぞれ対応する供給枝管６Ｂを介して複数、例えば４つの水素ガスタンク７Ｂに連結される。水素ガスタンク７Ｂ内には水素ガスがそれぞれ充填されている。供給枝管６Ｂ内には電磁式の遮断弁８Ｂが配置される。水素ガスタンク７Ｂは更に、充填枝管９Ｂを介して充填マニホルド１０Ｂに連結される。充填枝管９Ｂ内には、充填マニホルド１０Ｂから水素ガスタンク７Ｂに向けてのみ流通可能な逆止弁１１Ｂが配置される。一方、燃料電池スタック２Ｂには、空気を燃料電池スタック２Ｂに供給するための空気供給管（図示しない）が連結される。
【００１２】
ここで、水素ガス供給管３Ａ，３Ｂ、供給マニホルド５Ａ，５Ｂ、及び供給枝管６Ａ，６Ｂは、水素ガスタンク７Ａ，７Ｂ内の水素ガスを燃料電池スタック２Ａ，２Ｂにそれぞれ供給するために水素ガスタンク７Ａ，７Ｂにそれぞれ連結された水素ガス供給路と考えることができる。また、水素ガス充填管１２Ａ，１２Ｂ、充填マニホルド１０Ａ，１０Ｂ、及び充填枝管９Ａ，９Ｂは、水素ガスタンク７Ａ，７Ｂ内に水素ガスを充填するために水素ガスタンク７Ａ，７Ｂに連結された水素ガス充填路と考えることができる。
【００１３】
第１の燃料電池サブシステム１Ａの充填マニホルド１０Ａ及び第２の燃料電池サブシステム１Ｂの充填マニホルド１０Ｂはそれぞれ対応する水素ガス充填管１２Ａ，１２Ｂを介して共通の水素ガス充填口１３に連結される。
【００１４】
供給マニホルド５Ａ，５Ｂには、供給マニホルド５Ａ，５Ｂ内の圧力をそれぞれ検出する圧力センサ１４ＳＡ，１４ＳＢがそれぞれ取り付けられる。また、充填マニホルド１０Ａ，１０Ｂには、充填マニホルド１０Ａ，１０Ｂ内の圧力をそれぞれ検出する圧力センサ１４ＬＡ，１４ＬＢがそれぞれ取り付けられる。
【００１５】
更に図１を参照すると、燃料電池システムＡは電動車両駆動用の電気モータ１６を備える。この電気モータ１６は第１の燃料電池サブシステム１Ａの燃料電池スタック２Ａ及び第２の燃料電池サブシステム１Ｂの燃料電池スタック２Ｂに電気的に接続される。
【００１６】
燃料電池システムＡは更に、第１の燃料電池サブシステム１Ａの圧力調節弁４Ａ上流の水素ガス供給管３Ａと、第２の燃料電池サブシステム１Ｂの圧力調節弁４Ｂ上流の水素ガス供給管３Ｂとを互いに連通する連通管２０を更に備える。
【００１７】
さて、第１の燃料電池サブシステム１Ａにおいて、燃料電池スタック２Ａに水素ガスを供給すべきときには、遮断弁８Ａ及び圧力調節弁４Ａが開弁される。その結果、水素ガスタンク７Ａから水素ガスが燃料電池スタック２Ａに供給される。燃料電池スタック２Ａに水素ガス及び空気が供給されると、燃料電池スタック２Ａにおいて電気化学反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−，（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。同様に、第２の燃料電池サブシステム１Ｂにおいて、燃料電池スタック２Ｂに水素ガスを供給すべきときには、遮断弁８Ｂ及び圧力調節弁４Ｂが開弁される。その結果、水素ガスタンク７Ｂから水素ガスが燃料電池スタック２Ａに供給される。燃料電池スタック２Ｂに水素ガス及び空気が供給されると、燃料電池スタック２Ｂにおいて上述の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生される。
【００１８】
第１の燃料電池サブシステム１Ａの燃料電池スタック２Ａで発生された電気エネルギ及び第２の燃料電池サブシステム１Ｂの燃料電池スタック２Ｂで発生された電気エネルギはそれぞれ電気モータ１６に送られ、電気モータ１６が駆動される。その結果、電動車両が駆動される。
【００１９】
この電動車両は例えばバスのような大型車から構成される。すなわち、図１に示される燃料電池システムＡは大型車を駆動するのに適している。一方、第１の燃料電池サブシステム１Ａ及び第２の燃料電池サブシステム１Ｂはそれぞれ、例えば乗用車のような小型車を駆動するのに適している。したがって、図１に示される燃料電池システムＡは、小型車を駆動するのに適した燃料電池システムを組み合わせることにより形成されるということになる。このようにすると、大型車を駆動するのに適した燃料電池システムの開発コスト及び製造コストを低減することができる。
【００２０】
ところで、上述したように、燃料電池スタック２Ａ，２Ｂに水素ガスを供給すべきときには遮断弁８Ａ，８Ｂが開弁される。図１に示される燃料電池システムＡでは、第１の燃料電池サブシステム１Ａの水素ガス供給管３Ａと、第２の燃料電池サブシステム１Ｂの水素ガス供給管３Ｂとが連通管２０により互いに連通されているので、第１の燃料電池サブシステム１Ａの遮断弁８Ａ及び第２の燃料電池サブシステム１Ｂ遮断弁８Ｂが同時に開弁されると、第１の燃料電池サブシステム１Ａの水素ガスタンク７Ａ内の圧力と、第２の燃料電池サブシステム１Ｂの水素ガスタンク７Ｂ内の圧力とが互いにほぼ等しくなる。
【００２１】
その結果、水素ガスタンク７Ａ，７Ｂへの水素ガスの充填が開始される時点での水素ガスタンク７Ａ，７Ｂ内の圧力を初期圧力と称すると、第１の燃料電池サブシステム１Ａの水素ガスタンク７Ａの初期圧力と、第２の燃料電池サブシステム１Ｂの水素ガスタンク７Ｂの初期圧力とが互いにほぼ等しくなっている。したがって、水素ガスタンク７Ａへの充填と水素ガスタンク７Ｂへの充填とが互いにほぼ同様に行われることになる。すなわち、水素ガスタンク７Ａ内に充填された水素ガス量と水素ガスタンク７Ｂ内に充填された水素ガス量とは互いにほぼ等しくなっており、したがって水素ガスタンク７Ａの水素ガス充填率ＳＯＣと水素ガスタンク７Ｂの水素ガス充填率ＳＯＣとは互いにほぼ等しくなっている。このため、水素ガスタンク７Ａ，７Ｂ両方に水素ガスを十分に充填することができ、過剰に充填されるのを阻止することができる。
【００２２】
なお、水素ガスタンク７Ａ，７Ｂに水素ガスを充填すべきときには、水素ガス充填口１３から水素ガスが充填される。この水素ガスは水素ガス充填管１２Ａ，１２Ｂ、充填マニホルド１０Ａ，１０Ｂ、及び充填枝管９Ａ，９Ｂをそれぞれ介して水素ガスタンク７Ａ，７Ｂ内に流入する。水素ガス充填方法の一例では、水素ガスタンク７Ａ内の圧力及び水素ガスタンク７Ｂ内の圧力のいずれか一方があらかじめ定められた上限圧力に達したら水素ガスの充填が終了される。別の例では、水素ガスタンク７Ａ，７Ｂ内の圧力から水素ガスタンク７Ａの水素ガス充填率ＳＯＣ及び水素ガスタンク７Ｂの水素ガス充填率ＳＯＣがそれぞれ算出され、算出された水素ガス充填率ＳＯＣが水素ステーションに送信され、いずれか一方の水素ガス充填率ＳＯＣがあらかじめ定められた上限充填率に達したら水素ステーションでの水素ガスの充填が終了される。
【００２３】
図２は、本発明による別の実施例を示している。この実施例では、連通管２０内に電磁式の開閉弁２１が配置され、第１の燃料電池サブシステム１Ａの水素ガス供給管３Ａと第２の燃料電池サブシステム１Ｂの水素ガス供給管３Ｂとの間の連通及び遮断が切り換え可能になっている。すなわち、開閉弁２１が開弁されると、水素ガス供給管３Ａと水素ガス供給管３Ｂとが連通管２０により互いに連通される。これに対し、開閉弁２１が閉弁されると、水素ガス供給管３Ａと水素ガス供給管３Ｂとの間の連通が遮断される。このように水素ガス供給管３Ａと水素ガス供給管３Ｂとの間の連通が遮断されると、燃料電池システムＡにおいて水素ガスの漏れの有無を検査する場合に、第１の燃料電池サブシステム１Ａと第２の燃料電池サブシステム１Ｂとを別個に検査することができる。
【００２４】
図３は、本発明による更に別の実施例を示している。この実施例では、第１の燃料電池サブシステム１Ａの圧力調節弁４Ａ上流の水素ガス供給管３Ａと、第２の燃料電池サブシステム１Ｂの圧力調節弁４Ｂ上流の水素ガス供給管３Ｂとが一対の連通管２０ａ，２０ｂにより互いに連結される。一方の連通管２０ａ内には水素ガス供給管３Ａから水素ガス供給管３Ｂへのみ流通可能な逆止弁２２ａが配置され、他方の連通管２０ｂ内には水素ガス供給管３Ｂから水素ガス供給管３Ａへのみ流通可能な逆止弁２２ｂが配置される。この場合、水素ガスタンク７Ａ内の圧力と水素ガスタンク７Ｂ内の圧力との差が逆止弁２２ａ，２２ｂの開弁圧を越えるまでは逆止弁２２ａ，２２ｂは開弁されず、したがって水素ガス供給管３Ａと水素ガス供給管３Ｂとは互いに連通されない。一方、水素ガスタンク７Ａ内の圧力と水素ガスタンク７Ｂ内の圧力との差が逆止弁２２ａ，２２ｂの開弁圧を越えると逆止弁２２ａ，２２ｂが開弁され、したがって水素ガス供給管３Ａと水素ガス供給管３Ｂとが互いに連通される。
【符号の説明】
【００２５】
Ａ    燃料電池システム
１Ａ    第１の燃料電池サブシステム
１Ｂ    第２の燃料電池サブシステム
２Ａ，２Ｂ    燃料電池スタック
３Ａ，３Ｂ    水素ガス供給管
４Ａ，４Ｂ    圧力調節弁
７Ａ，７Ｂ    水素ガスタンク
１２Ａ，１２Ｂ    水素ガス充填管
１３    水素ガス充填口
２０    連通管
【図１】
2016081724.tif 000003
【図２】
2016081724.tif 000004
【図３】
2016081724.tif 000005