(57)【要約】【課題】負荷からの要求電力量が短時間で急激に増加しても、セルの劣化を抑制することができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】ガス１，２の流通経路を直列ループ状にするように複数のサブスタック１１１，１１２を接続してスタック１１０を構成し、ガスボンベ１３０，１６０を各サブスタック１１１，１１２の各ガス受入口にそれぞれ接続し、ガス１，２の流通方向最下流側に位置するサブスタック１１１，１１２をガス１，２の流通方向最上流側に位置させるようにガスボンベ１３０，１６０からスタック１１０にガス１，２を最初に供給するサブスタック１１１，１１２を経時的に順次切り換えながら発電運転を行う固体高分子形燃料電池発電システム１００において、スタック１１０の電流変化速度を５０Ａ／μｓ以下に抑制する電流変化速度抑制装置１７０を備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの流通経路及び酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数のサブスタックを接続してスタックを構成し、燃料ガス供給手段を各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続すると共に、酸化ガス供給手段を各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続し、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記燃料ガス供給手段から前記スタックに当該燃料ガスを最初に供給する前記サブスタックを経時的に順次切り換えると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス供給手段から前記スタックに当該酸化ガスを最初に供給する前記サブスタックを経時的に順次切り換えながら、発電運転を行う固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記スタックに接続された負荷と当該スタックとの間に接続されて当該スタックの電流変化速度を５０Ａ／μｓ以下に抑制する電流変化速度抑制装置を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記スタックと並列となるように前記負荷に対して接続された二次電池と、
前記電流変化速度抑制装置からの前記負荷への供給電力量を計測する供給電力量計測手段と、
前記負荷の要求電力量を計測する要求電力量計測手段と、
前記供給電力量計測手段及び前記要求電力量計測手段からの情報に基づいて、前記負荷に前記要求電力量を供給するように前記スイッチを制御する制御手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記二次電池の電力量を計測する二次電池電力量計測手段を備え、
前記制御手段が、前記二次電池電力量計測手段からの情報に基づいて、前記スタックから前記二次電池へ電力を供給するように前記スイッチを制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池発電システムは、ガス透過性を有する燃料極及び酸化極でプロトン伝導性を有する固体高分子電解質体を挟んだセルと、水素ガス等の燃料ガスを流通させる燃料ガス流通溝を一方面に形成されて酸素ガス等の酸化ガスを流通させる酸化ガス流通溝を他方面に形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備えると共に、上記スタックの上記セパレータの上記燃料ガス流通溝に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、上記スタックの上記セパレータの上記酸化ガス流通溝に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備えている。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池発電システムでは、燃料ガス供給手段からスタックの前記セパレータの前記燃料ガス流通溝に燃料ガスを供給すると共に、酸化ガス供給手段からスタックの前記セパレータの前記酸化ガス流通溝に酸化ガスを供給すると、当該スタックの前記セルにおいて、燃料ガスと酸化ガスとが電気化学的に反応して電力を発生させると共に、水が生成するようになっている。
【０００４】
この電気化学反応に伴って生成した水は、前記セパレータの前記流通溝内に滞留すると、前記セルでの上記ガスの電気化学反応を阻害してしまう。このため、上記燃料電池発電システムでは、上記電気化学反応に必要な量以上の前記ガスを前記スタックの前記セパレータの前記流通溝に供給することにより、上記電気化学反応に伴って生成した前記水を、上記電気化学反応で消費されなかった余剰の前記ガスと共に上記セパレータの上記流通溝から流出させて当該スタックの外部へ排出して気液分離し、回収された当該ガスをブロア等で当該スタック内に再び供給して循環利用するようにしている。
【０００５】
ところで、上述したような固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、システム全体の電力効率の向上を図るため、燃料ガスの流通経路及び酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数のサブスタックを接続してスタックを構成し、燃料ガス供給手段を各サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続すると共に、酸化ガス供給手段を各サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続し、前記ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックを当該ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記ガス供給手段から前記スタックに前記ガスを最初に供給する前記サブスタックを経時的に順次切り換えながら発電運転を行うことにより、前記電気化学反応に必要な量の上記ガスを当該ガス供給手段から当該スタックに供給するだけで上記サブスタック内の水を排出できるようにして、ブロア等を省略できるようにした、いわゆるブロアレスタイプが提案されている（下記特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１４７１７８号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７１７９号公報
【特許文献３】特開平７−０５７７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したような固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、負荷からの要求電力量が短時間で急激に増加すると、前記サブスタックの内部の前記セル付近の前記ガスが急峻に不足してしまい、当該セルの電極に劣化を生じ易くなってしまうという問題があった。
【０００８】
このようなことから、本発明は、負荷からの要求電力量が短時間で急激に増加しても、セルの劣化を抑制することができる固体高分子形燃料電池発電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】
【０００９】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、燃料ガスの流通経路及び酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数のサブスタックを接続してスタックを構成し、燃料ガス供給手段を各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続すると共に、酸化ガス供給手段を各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続し、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記燃料ガス供給手段から前記スタックに当該燃料ガスを最初に供給する前記サブスタックを経時的に順次切り換えると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス供給手段から前記スタックに当該酸化ガスを最初に供給する前記サブスタックを経時的に順次切り換えながら、発電運転を行う固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記スタックに接続された負荷と当該スタックとの間に接続されて当該スタックの電流変化速度を５０Ａ／μｓ以下に抑制する電流変化速度抑制装置を備えていることを特徴とする。
【００１０】
第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記スタックと並列となるように前記負荷に対して接続された二次電池と、前記電流変化速度抑制装置からの前記負荷への供給電力量を計測する供給電力量計測手段と、前記負荷の要求電力量を計測する要求電力量計測手段と、前記供給電力量計測手段及び前記要求電力量計測手段からの情報に基づいて、前記負荷に前記要求電力量を供給するように前記スイッチを制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記二次電池の電力量を計測する二次電池電力量計測手段を備え、前記制御手段が、前記二次電池電力量計測手段からの情報に基づいて、前記スタックから前記二次電池へ電力を供給するように前記スイッチを制御するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、電流変化速度抑制装置が、スタックの電流変化速度を５０Ａ／μＡ以下に抑制するので、負荷からの要求電力量が短時間で急激に増加しても、サブスタックの内部のセル付近でガスが急峻に不足することを防止でき、セルの劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態のガス流通系統の概略構成図であり、Ａが燃料ガスの流通系統の概略構成図、Ｂが酸化ガスの流通系統の概略構成図である。
【図２】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の電力供給系統の概略構成図である。
【図３】図１の固体高分子形燃料電池発電システムの燃料ガス流通系統の作動説明図である。
【図４】図１の固体苦分子形燃料電池発電システムの酸化ガス流通系統の作動説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００１５】
〈主な実施形態〉
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態を図１〜４に基づいて説明する。
【００１６】
図１に示すように、ガス透過性を有する燃料極及び酸化極でプロトン伝導性を有する固体高分子電解質体を挟んだセルと、燃料ガスである濃度９９％以上の水素ガス１を流通させる燃料ガス流通溝を一方面に形成されて酸化ガスである濃度９９％以上の酸素ガス２を流通させる酸化ガス流通溝を他方面に形成されたセパレータとを交互に複数積層して構成される複数（本実施形態では２つ）の第一，二のサブスタック１１１，１１２は、燃料ガスの流通経路が直列ループ状となるように接続される（図１Ａ参照）と共に、酸化ガスの流通経路が直列ループ状となるように接続される（図１Ｂ参照）ことにより、スタック１１０が構成されている。
【００１７】
図１Ａに示すように、各前記サブスタック１１１，１１２の各燃料ガス受入口には、燃料ガス供給手段である水素ガスボンベ１３０が電磁式の二方型のバルブ１０１，１０２を介してそれぞれ接続している。前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２１及び電磁式の二方型のバルブ１０３が介在している。前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２２及び電磁式の二方型のバルブ１０４が介在している。
【００１８】
図１Ｂに示すように、各前記サブスタック１１１，１１２の各酸化ガス受入口には、酸化ガス供給手段である酸素ガスボンベ１６０が電磁式の二方型のバルブ１４１，１４２を介してそれぞれ接続している。前記第一のサブスタック１１１の酸化ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記酸化ガス受入口との間には、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ１５１及び電磁式の二方型のバルブ１４３が介在している。前記第二のサブスタック１１２の酸化ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記酸化ガス受入口との間には、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ１５２及び電磁式の二方型のバルブ１４４が介在している。
【００１９】
図２に示すように、前記第一のサブスタック１１１の電気取出用の負極板と前記第二のサブスタック１１２の電気取出用の正極板とは、電気的に接続されている。前記第一のサブスタック１１１の電気取出用の正極板及び前記第二のサブスタック１１２の電気取出用の負極板は、負荷Ｌに電気的に接続している。
【００２０】
前記第一のサブスタック１１１の電気取出用の正極板と前記負荷Ｌとの間には、前記サブスタック１１１，１１２の電流変化速度を５０Ａ／μｓ以下に抑制する電流変化速度抑制装置１７０が接続されている。前記電流変化速度抑制装置１７０と前記負荷Ｌとの間には、二次電池１８０の正極側がスイッチ１８１を介して接続されている。前記第二のサブスタック１１２の電気取出用の負極板と前記負荷Ｌとの間には、前記二次電池１８０の負極側が前記スイッチ１８１を介して接続されている。つまり、前記二次電池１８０は、前記スタック１１０と並列となるように前記負荷に対して前記スイッチ１８１を介して接続されているのである。
【００２１】
前記電流変化速度抑制装置１７０と前記スイッチ１８１との間には、当該電流変化速度抑制装置１７０からの前記負荷Ｌへの供給電力量を計測する供給電力量計測手段である電圧計１９１が接続している。前記スイッチ１８１と前記負荷Ｌとの間には、当該負荷Ｌの要求電力量を計測する要求電力量計測手段である電圧計１９２が接続している。前記二次電池１８０の正極側と前記スイッチ１８１との間には、当該二次電池１８０の電力量を計測する二次電池電力量計測手段である電圧計１９３が接続している。
【００２２】
前記電圧計１９１〜１９３は、制御手段である制御装置１９０の入力部に電気的に接続されている。前記制御装置１９０の出力部は、前記スイッチ１９１に電気的に接続されており、当該制御装置１９０は、上記電圧計１９１〜１９３からの情報に基づいて、当該スイッチ１９１の作動を制御することができるようになっている（詳細は後述する）。
【００２３】
また、図１に示すように、前記制御装置１９０の出力部は、前記バルブ１０１〜１０６，１４１〜１４６にも電気的に接続しており、当該制御装置１９０は、内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、当該バルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４の開閉を制御することができるようになっている（詳細は後述する）。
【００２４】
なお、本実施形態では、前記バルブ１０１，１０２等により燃料ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バルブ１０３，１０４等により燃料ガス用最下流位置切換手段を構成し、前記バルブ１４１，１４２等により酸化ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バルブ１４３，１４４等により酸化ガス用最下流位置切換手段を構成している。
【００２５】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００（ブロアレスタイプ）では、前記制御装置１９０が、前記特許文献２と同様にして前記バルブバルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４の開閉を切換制御することにより、前記ガス１，２の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２を当該流通方向最上流側に位置させるように前記ガスボンベ１３０，１６０から前記スタック１１０に前記ガス１，２を最初に供給する前記サブスタック１１１，１１２を運転経過時間に対応して経時的に順次切り換える（図３，４参照）。
【００２６】
これにより、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、前記特許文献１，２と同様に、ブロア等を用いて前記ガス１，２を循環再利用しなくても、前記サブスタック１１１，１１２内に滞留している水３を当該サブスタック１１１，１１２内から排出しながら発電運転することができる。
【００２７】
このような発電運転を行っているときに、前記負荷Ｌからの要求電力量が短時間で急激に増加して、前記スタック１１０の電流変化速度が５０Ａ／μｓを超えそうになると、前記電流変化速度抑制装置１７０は、当該スタック１１０の電流変化速度を５０Ａ／μｓ以下とするように抑制する。
【００２８】
これにより、前記サブスタック１１１，１１２の内部の前記セル付近で前記ガス１，２が急峻に不足することを防止でき、当該セルの電極の劣化を抑制することができる。
【００２９】
このように前記電流変化速度抑制装置１７０が前記スタック１１０の電流変化速度を５０Ａ／μｓ以下に抑制した結果、前記負荷Ｌからの要求電力量を当該スタック１１０から供給できなくなる、すなわち、前記電圧計１９２の値が前記電圧計１９１の値よりも大きくなると、前記制御装置１９０は、当該電圧計１９１，１９２からの情報に基づいて、前記スイッチ１８１を「入」にするように当該スイッチ１８１を制御することにより、前記二次電池１８０と前記負荷Ｌとを接続する。これにより、前記二次電池１８０は、前記スタック１１０から前記負荷Ｌに対して供給される電力量で不足する電力量を当該負荷Ｌに対して補うように給電する。
【００３０】
そして、前記スタック１１０が前記負荷Ｌに対して前記要求電力量を供給できるようになる、すなわち、前記電圧計１９１の値が前記電圧計１９２の値と等しくなると、前記制御装置１９０は、当該電圧計１９１，１９２からの情報に基づいて、前記スイッチ１８１を「切」にするように当該スイッチ１８１を制御することにより、前記二次電池１８０と前記負荷Ｌとの接続を切断する。
【００３１】
このようにして前記二次電池１８０が前記負荷Ｌに対して不足電力量を給電していって、当該二次電池１８０の充電量が規定値以下になる、すなわち、当該二次電池１８０の電圧が規定値以下になると、前記制御装置１９０は、前記電圧計１９３からの情報に基づいて、前記スイッチ１８１を「入」にするように当該スイッチ１８１を制御することにより、当該二次電池１８０と前記スタック１１０とを接続する。これにより、前記二次電池１８０は、前記スタック１１０から充電される。
【００３２】
そして、前記二次電池１８０の充電量が基準値に達する、すなわち、当該二次電池１８０の電圧が基準値に達すると、前記制御装置１９０は、前記電圧計１９３からの情報に基づいて、前記スイッチ１８１を「切」にするように当該スイッチ１８１を制御することにより、当該二次電池１８０と前記スタック１１０との接続を切断する。
【００３３】
以下、上述した作動を繰り返すことにより、前記固体高分子形燃料電池発電システム１００は、前記サブスタック１１１，１１２内の前記セルの電極の劣化を抑制しながら発電運転を継続することができる。
【００３４】
したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００によれば、負荷Ｌからの要求電力量が短時間で急激に増加しても、セルの劣化を抑制することができる。
【００３５】
また、前記スタック１１０から前記負荷Ｌに対して供給される電力量で不足する電力量が前記二次電池１８０から当該負荷Ｌに対して補われるので、当該負荷Ｌからの要求電力量が短時間で急激に増加したときにセルの劣化を抑制しても、当該負荷Ｌに前記要求電力量を供給することができる。
【００３６】
また、前記二次電池１８０が充電不足になると、前記スタック１１０から充電されるので、前記負荷Ｌへの給電を継続しながら当該二次電池１８０の充電不足を解消することができる。
【００３７】
ここで、前記電流変化速度抑制装置１７０は、前記スタック１１０（前記サブスタック１１１，１１２）の電流変化速度を５０Ａ／μｓ以下に抑制するものであるが、電流変化速度を１５Ａ／μｓ以下に抑制するものであると好ましく、電流変化速度を１０Ａ／μｓ以下に抑制するものであると特に好ましい。
【００３８】
なぜなら、前記スタック１１０（前記サブスタック１１１，１１２）が、電流変化速度を５０Ａ／μｓ以下に抑制されると、３００ｋＰａＧ（４００ｋＰａ）以上のガス流通経路内圧力で運転されているときに、電圧低下割合（当初電圧値に対する電流変化１０００回後の電圧値の低下割合）を３％以下に抑制され、電流変化速度を１５Ａ／μｓ以下に抑制されると、少なくとも１００ｋＰａＧ（２００ｋＰａ）以上のガス流通経路内圧力で運転されているときに、前記電圧低下割合を３％以下に抑制され、電流変化速度を１０Ａ／μｓ以下に抑制されると、少なくとも０ｋＰａＧ（１００ｋＰａ）以上のガス流通経路内圧力で運転されているときに、前記電圧低下割合をさらに１％以下に抑制されるからである。
【００３９】
〈他の実施形態〉
なお、前述した実施形態では、燃料ガス供給手段として、濃度９９％以上の水素ガス１を充填した水素ガスボンベ１３０を適用し、酸化ガス供給手段として、濃度９９％以上の酸素ガス２を充填した酸素ガスボンベ１６０を適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、燃料ガス供給手段として、濃度９９％以上の水素ガス１を発生させる水素ガス発生装置や、濃度９９％以上の水素ガス１を製造する水素ガス製造装置等を適用することや、酸化ガス供給手段として、濃度９９％以上の酸素ガス２を発生させる酸素ガス発生装置や、濃度９９％以上の酸素ガス２を製造する酸素ガス製造装置等を適用することも可能である。
【００４０】
また、前述した各実施形態においては、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように２つの前記サブスタック１１１，１１２を接続した前記スタック１１０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように３つ以上の前記サブスタックを接続したスタックの場合であっても、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができ、前述した実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、負荷からの要求電力量が短時間で急激に増加しても、サブスタックの内部のセル付近でガスが急峻に不足することを防止でき、セルの劣化を抑制することができるので、各種産業において、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  水素ガス
２  酸素ガス
３  水
１００  固体高分子形燃料電池発電システム
１０１〜１０４，１４１〜１４４  バルブ
１１０  スタック
１１１  第一のスタック
１１２  第二のスタック
１２１，１２２，１５１，１５２  ドレントラップ
１３０  水素ガスボンベ
１６０  酸素ガスボンベ
１７０  電流変化速度抑制装置
１８０  二次電池
１８１  スイッチ
１９０  制御装置
１９１〜１９３  電圧計
【図１】
2016126822.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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