JP2022170492A - 燃料電池システム及び該燃料電池システムを備える飛行体 - Google Patents

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Abstract

【課題】システムの複雑化及びコスト増加を抑制しつつ、緊急時に燃料ガスを排出することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池と、燃料ガスタンクと、燃料ガス供給流路と、燃料ガス供給手段と、燃料ガスタンクの開閉を制御する主止弁と、燃料ガス排出流路と、燃料電池から排出された燃料ガスの系外への排出を制御する排気排水弁と、制御部と、を備え、制御部は、燃料ガスの排出指令を受けたとき、排気排出弁、燃料ガス供給手段、及び主止弁を開き、燃料ガスを燃料ガスタンクから排出するように制御する。【選択図】図1

Description

本願は燃料電池システム及び該燃料電池システムを備える飛行体に関する。
燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電するシステムである。一般的に、燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えている。
近年、燃料電池システムを備えた飛行体の開発が進められている。例えば、特許文献1に記載されている航空機に備えられる燃料電池システムは、機上の消費部への電力供給が不足した場合に作動するように構成されている。特許文献2に記載されている航空機に備えられる燃料電池システムは、主要な電力供給源や補助的な電力供給源等として使用されている。
特表2008-532253号公報 特開2000-25696号公報
飛行体に備えられる燃料電池システムは、緊急時に燃料ガスを排出することがある。通常、このような場合に備えて、燃料ガスタンクのタンクバルブに制御弁を追加することが考えられるが、制御弁の追加によりシステムの複雑化及びコスト増加が懸念される。
そこで、本願の主な目的は、上記実情を鑑み、システムの複雑化及びコスト増加を抑制しつつ、緊急時に燃料ガスを排出す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。
本開示は上記課題を解決するための一つの手段として、燃料電池と、燃料ガスを貯留する燃料ガスタンクと、燃料電池及び燃料ガスタンクを接続する燃料ガス供給流路と、燃料ガス供給流路に設けられ、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料ガス供給流路において燃料ガスタンク及び燃料ガス供給手段の間に設けられ、燃料ガスタンクの開閉を制御する主止弁と、燃料電池に接続する燃料ガス排出流路と、燃料ガス排出流路に設けられ、燃料電池から排出された燃料ガスの系外への排出を制御する排気排水弁と、制御部と、を備え、制御部は、燃料ガスの排出指令を受けたとき、排気排出弁、燃料ガス供給手段、及び主止弁を開き、燃料ガスを燃料ガスタンクから排出するように制御する、燃料電池システムを提供する。
上記燃料電池システムは、燃料電池に接続する酸化剤ガス供給流路と、酸化剤ガス供給流路に設けられ、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池に接続する酸化剤ガス排出流路と、を備え、燃料ガス排出流路は一端が燃料電池に接続されており、他端が酸化剤ガス排出流路に接続されており、燃料電池から排出された燃料ガスは燃料ガス排出流路を介して、酸化剤ガス排出流路から系外に排出されるものであり、制御部は、燃料ガスの排出指令を受けたとき、燃料電池に酸化剤ガスを供給するように酸化剤ガス供給手段を制御してもよい。
上記燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料ガスの排出指令を受けた後であって燃料ガスタンクに貯留される燃料ガス量が所定の閾値を下回ったとき、主止弁、燃料ガス供給手段、及び排気排出弁を閉じるように制御してもよい。
また、制御部は、燃料ガスの排出指令を受けたとき、排気排出弁、燃料ガス供給手段、及び主止弁をこの順で開くように制御し、燃料ガスの排出指令を受けた後であって燃料ガスタンクに貯留される燃料ガス量が所定の閾値を下回ったとき、主止弁、燃料ガス供給手段、及び排気排出弁をこの順で閉じるように制御してもよい。
さらに、制御部は、燃料ガスの排出指令を受けたとき、燃料電池により発電される電力を増加させるように燃料電池システムを制御してもよい。
本開示は上記課題を解決するための一つの手段として、上記燃料電池システムを備えた飛行体を提供する。
本開示は、燃料ガスの排出指令を受けたとき、排気排出弁、燃料ガス供給手段、及び主止弁を開くように制御するものである。これにより、燃料ガスタンクに追加の制御弁を設けることなく、緊急時において燃料ガスの排出を円滑に行うことができる。従って、本開示によれば、システムの複雑化及びコスト増加を抑制しつつ、緊急時に燃料ガスを円滑に排出することができる。
燃料電池システム100のブロック図である。 制御部50の処理ルーチンの一例である。
本開示の燃料電池システムについて、一実施形態である燃料電池システム100を用いて説明する。図1は燃料電池システム100を簡易的に表したブロック図である。
燃料電池システム100は飛行体に備えられている。燃料電池システム100を備えることができる飛行体は空中を飛行可能な物体であれば特に限定されない。例えば、飛行体には、一般的な航空機や、セスナやドローン等の航空機も含まれる。また、燃料電池システム100は、飛行体だけでなく、車両等に備えられていてもよい。
図1の通り、燃料電池システム100は、燃料電池10と、燃料ガス配管部20と、酸化剤ガス配管部30と、冷却水配管部40と、制御部50と、を備えている。
<燃料電池10>
燃料電池10は、複数の燃料電池単セル(単に、「単セル」ということがある。)を直列に積層してなるものである。単セルは電解質膜、該電解質膜の一方の面に配置されるアノード、及び該電解質膜の他方の面に配置されるカソードを有している。具体的には、電解質膜の両面に触媒層が配置されており、触媒層の外側に拡散層が配置され、さらに拡散層の外側に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成されたセパレータが配置されている。このような燃料電池は一般的な構成である。ここで、燃料電池において、触媒層及び拡散層はアノード又はカソードとして機能する。
燃料電池に配置される電解質膜、触媒層、拡散層及びセパレータは特に限定されず、公知のものを使用することができる。例えば、電解質膜としては固体高分子材料からなるイオン交換膜を挙げることができる。触媒層としては、白金系の触媒を挙げることができる。拡散層としては、炭素材料等の多孔質材料を挙げることができる。セパレータとしては、ステンレス鋼等の金属材料やカーボンコンポジット材等の炭素材料を挙げることができる。
燃料電池10は、アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給されることにより、電気化学反応が生じて発電する。発電された電流は、例えば飛行体の各種電力負荷(プロペラを駆動するモータ等)に使用されたり、別途備えられるバッテリに蓄電されたりする。
<燃料ガス配管部20>
燃料ガス配管部20は燃料ガスを燃料電池10のアノードに供給するためのものである。燃料ガス配管部20は、燃料ガスタンク21と、燃料ガス供給流路22と、燃料ガス供給手段23と、主止弁24と、燃料ガス排出流路25と、排気排水弁26と、を備えている。また、図1に示したように、燃料ガス配管部20は気液分離器27と、循環流路28とを備えていてもよい。さらに、燃料ガス配管部20はその他に一般的に燃料ガス配管部に備えられる部材を備えていてもよい。
燃料ガスタンク21は、燃料ガスを貯留するものである。燃料ガスとは水素ガスや改質ガス等である。燃料ガスが水素ガスである場合、燃料ガスタンク21は、例えば高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成されていてもよい。水素ガスの圧力は、例えば35MPa~70MPaの範囲であってもよい。燃料ガスが改質ガスである場合、燃料ガスタンク21は、例えば炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から構成されていてもよい。また、燃料ガスタンク21は1つであってもよく、複数であってもよい。
燃料ガスタンク21には、貯留している燃料ガス量(燃料ガス圧力)を測定する燃料ガスセンサPが備えられており、随時燃料ガスタンク21内の燃料ガス量を測定している。燃料ガスセンサPの測定結果は制御部50に送信される。
燃料ガス供給流路22は、燃料電池10及び燃料ガスタンク21を接続する配管であり、燃料電池10に供給する燃料ガスを流す流路である。
燃料ガス供給手段23は燃料ガス供給流路22に設けられ、燃料電池10に燃料ガスを供給するものである。燃料ガス供給手段23は特に限定されず、インジェクタやレギュレータ、ソレノイドバルブ等が挙げられる。燃料ガス供給手段23は1つであってもよく、複数であってもよい。燃料ガス供給手段23が複数である場合は、燃料ガス供給手段23は燃料ガス供給流路22に対し直列に設けられていてもよく、並列に設けられていてもよい。燃料ガス供給手段23により、燃料電池10に供給される燃料ガスの流量や圧力が制御される。
主止弁24は、燃料ガス供給流路22において燃料ガスタンク21及び燃料ガス供給手段23の間に設けられ、燃料ガスタンクの開閉を制御するものである。通常、主止弁24は燃料ガスタンク21に接続されるタンクバルブ内に設けられている。タンクバルブにはその他に遮断弁等が備えられていてもよい。
燃料ガス排出流路25は燃料電池10に接続する配管であり、燃料電池10から排出される燃料ガスや電気化学反応により生成された水を流す流路である。詳細には、燃料ガス排出流路25は一端が燃料電池10に接続されており、他端が酸化剤ガス排出流路33に接続されている。燃料電池10から排出された燃料ガス及び水は燃料ガス排出流路25を介して酸化剤ガス排出流路33から系外に排出される。
排気排水弁26は、燃料ガス排出流路25に設けられ、燃料電池10から排出された燃料ガス及び水の系外への排出を制御するものである。例えば、排気排水弁26は、気液分離器27に分離された水の排出時や、燃料ガス配管部20内の燃料ガス濃度を調整するための燃料ガスの排出時に開閉が制御される。さらに、後述するように緊急時において燃料ガスを排出する場合にも開閉が制御される。
気液分離器27は、燃料ガス排出流路25において燃料電池10及び排気排水弁26の間に設けられた部材である。気液分離器27は燃料電池10から排出される燃料オフガス中の気体成分(例えば、燃料ガス)及び液体成分(例えば、水)を分離するものである。分離された気体成分は循環流路27に循環される。分離された液体成分は気体成分と共に排出される。このような気液分離器26は公知の気液分離器を用いることができる。
循環流路28は気液分離器27及び燃料ガス供給流路22(具体的には、燃料ガス供給手段23の下流側の燃料ガス供給流路22)を接続する配管であり、気液分離器27により分離された気体成分(循環ガス)を燃料ガス供給流路22に循環する流路である。循環流路28には、循環ガスを還流する動力としてポンプ等を設けてもよい。
<酸化剤ガス配管部30>
酸化剤ガス配管部30は酸化剤ガスをカソードに供給するためのものである。酸化剤ガス配管部30は、酸化剤ガス供給流路31と、酸化剤ガス供給手段32と、酸化剤ガス排出流路33とを備えている。また、図1に図示していないが、酸化剤ガスに含まれている不純物を除去するエアクリーナや、酸化剤ガスの温度を制御するインタークーラ、酸化剤ガスの湿度を制御する加湿器を備えていてもよい。さらに、酸化剤ガス配管部30はその他に一般的に燃料ガス配管部に備えられる部材を備えていてもよい。ここで、酸化剤ガスとは、例えば空気である。
酸化剤ガス供給流路31は燃料電池10に接続する配管であり、燃料電池10に供給する酸化剤ガスを流す流路である。
酸化剤ガス供給手段32は酸化剤ガス供給流路31に設けられ、燃料電池10に酸化剤ガスを供給するものである。酸化剤ガス供給手段32は特に限定されないが、例えばエアコンプレッサを挙げることができる。
酸化剤ガス排出流路33は燃料電池10に接続する配管であり、燃料電池10から排出される酸化剤ガス(酸化剤オフガス)を流す流路である。ここで、上述のように、酸化剤ガス排出流路33は流路の中途において、燃料ガス排出流路25の他端と接続されている。よって、燃料電池10から排出された燃料ガス及び水も燃料ガス排出流路25を介して、酸化剤ガス排出流路33から系外に排出される。
<冷却水配管部40>
冷却水配管部40は、冷却水を介して燃料電池10を冷却するためのものである。冷却水配管部40は、冷却水流路41と、ラジエータ42と、冷却水供給手段43と、を備えている。また、冷却水配管部40はその他に一般的に冷却水配管部に備えられる部材を備えていてもよい。
冷却水流路41は、燃料電池10の冷却水流路の入口及び出口を接続し、冷却水を循環させるための配管である。ラジエータ42は、冷却水流路41を流れる冷却水と外気との間で熱交換を行い、冷却水を冷却するものである。冷却水供給手段43は、冷却水流路41を循環する冷却水の動力である。
冷却水流路41は、燃料電池10の冷却水流路の出側に冷却水の温度を計測する冷却水温度計測手段Tを配置している。燃料電池10の冷却水流路から排出された冷却水は燃料電池10との間で十分に熱交換が行われ、燃料電池10の温度と同等の温度となったものである。従って、その冷却水の温度を測定することにより、燃料電池10の温度を測定することができる。冷却水温度計測手段Tの測定結果は制御部50に送信される。
<制御部50>
制御部50は、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム100の各部を制御する。
制御部50は、燃料ガスの排出指令を受けたとき、排気排出弁26、燃料ガス供給手段23、及び主止弁24を開き、燃料ガスを燃料ガスタンク21から排出するように制御することを1つの特徴としている。
燃料ガスの排出指令は、緊急時に出される指令であり、燃料ガスタンク21に貯留されている燃料ガス量を極力低減させるためのものである。緊急時とは、燃料電池10の異常な温度を検出した場合、燃料電池10や冷却配管部40において所定量の冷却水の漏れを検出した場合、機体が損傷した場合、火災が発生した場合等である。冷却水の漏れは、例えば、所定の流量の冷却水を冷却水流路41に流した際に、冷却水供給手段43内の回転トルクが所定の閾値よりも小さくなったときに検出される。燃料ガスの排出指令は制御部がこれらの事実を検出した場合や、操縦者がこれらの事実を確認した場合に出される。
燃料電池システム100は上記の特徴を備えることにより、燃料ガスタンク21に追加の制御弁を設けることなく、緊急時において燃料ガスの排出を円滑に行うことができる。従って、燃料電池システム100によれば、システムの複雑化及びコスト増加を抑制しつつ、緊急時に燃料ガスを排出することができる。
制御部50は、燃料ガスの排出指令を受けたとき、燃料電池10に酸化剤ガスを供給するように酸化剤ガス供給手段32を制御してもよい。これにより、酸化剤ガスが酸化剤ガス排出流路33から系外に向かって流れるようになるため、燃料ガス排出時において、燃料ガスが酸化剤ガス排出流路33から燃料電池10に逆流することを抑制することができる。ここで、酸化剤ガス供給手段32の制御は、排気排出弁26、燃料ガス供給手段23、及び主止弁24を開く前に行うことが好ましい。
制御部50は、燃料ガスの排出指令を受けた後であって燃料ガスタンク21に貯留される燃料ガス量が所定の閾値を下回ったとき、主止弁24、燃料ガス供給手段23、及び排気排出弁26を閉じるように制御してもよい。これにより予期せぬ逆流を抑制し、燃料ガス配管部20への異物の侵入を抑制することができる。ここで、所定の閾値は、現在地から目的地までの距離から算出される。燃料ガスタンク21が複数備えられている場合は、複数の燃料ガスタンク21全ての燃料ガス量が所定の閾値を下回った場合に、主止弁24、燃料ガス供給手段23、及び排気排出弁26を閉じるように制御することが好ましい。
制御部50は、燃料ガスの排出指令を受けたとき、排気排出弁26、燃料ガス供給手段23、及び主止弁24をこの順で開くように制御し、燃料ガスの排出指令を受けた後であって燃料ガスタンクに貯留される燃料ガス量が所定の閾値を下回ったとき、主止弁24、燃料ガス供給手段23、及び排気排出弁26をこの順で閉じるように制御してもよい。このように、燃料ガスの排出時及びその中止時において、開弁又は閉弁する順序を所定の順序に制御することにより、燃料電池10や燃料ガス配管部20(例えば、燃料ガス供給流路22、燃料ガス排出流路25、循環流路28)の圧力上昇を抑制することができる。
制御部50は、燃料ガスの排出指令を受けたとき、燃料電池10により発電される電力を増加させるように燃料電池システム100を制御してもよい。このような制御は、燃料電池システム100に備えられる部材の作動量を増加させることを意味する。例えば作動量を増加させる部材は特に限定されない。例えば、酸化剤ガス供給手段32や冷却水供給手段43、循環流路28に設けられている循環ポンプ、ラジエータ43の作動量や、その他の不図示のヒーターやエアコン等(任意部材)の作動量を増加させてもよい。これにより、燃料ガスの消費を促進することができる。
制御部50は、燃料ガスの排出指令を受けた後であって主止弁24、燃料ガス供給手段23、及び排気排出弁26を閉じた後、主止弁24等を開き、再び燃料電池10の発電を行ってもよい。
以上、燃料ガスの排出指令を受けたときの、制御部50による制御態様を説明した。以下、制御部50の制御について、処理ルーチンの一例を用いてさらに説明する。
図2に制御手段50の処理ルーチンの一例を示した。図2のとおり、制御部50は処理S1~S7を備えており、制御部50はこれらの処理を繰り返し行っている。
処理S1では、制御部50が燃料ガスの排出指令を受けているか否かを判断する。制御部50が燃料ガスの排出指令を受けている場合、処理S2を行う。
処理S2では、制御部50が酸化剤ガス供給手段32を作動させ、酸化剤ガスが酸化剤ガス排出流路33から系外に向かって流れるように制御する。
処理S3では、制御部50が排気排出弁26、燃料ガス供給手段23、及び主止弁24を開き、燃料ガスを燃料ガスタンク21から排出するように制御する。このとき、排気排出弁26、燃料ガス供給手段23、及び主止弁24の順に開くことが好ましい。
処理S4では、制御部50が燃料電池10により発電される電力を増加させるように燃料電池システム100を制御する。
処理S5では、制御部50が燃料ガスタンク21に貯留される燃料ガス量が所定の閾値を下回ったか否かを判断する。料ガスタンク21に貯留される燃料ガス量が所定の閾値を下回っている場合、処理S6を行う。
処理S6では、制御部50が主止弁24、燃料ガス供給手段23、及び排気排出弁26を閉じるように制御し、燃料ガスの排出を中止する。このとき、が主止弁24、燃料ガス供給手段23、及び排気排出弁26をこの順で閉じるように制御することが好ましい。
以上、本開示の燃料電池システムについて、一実施形態である燃料電池システム100を用いて説明した。本開示の燃料電池システムは飛行体に用いられることが好ましいが、車両等に用いられていてもよい。
10 燃料電池
20 燃料ガス配管部
21 燃料ガスタンク
22 燃料ガス供給流路
23 燃料ガス供給手段
24 主止弁
25 燃料ガス排出流路
26 排気排水弁
27 気液分離器
28 循環流路
30 酸化剤ガス配管部
31 酸化剤ガス供給流路
32 酸化剤ガス供給手段
33 酸化剤ガス排出流路
40 冷却水配管部
41 冷却水流路
42 ラジエータ
43 冷却水供給手段
50 制御部
100 燃料電池システム

Claims (6)

  1. 燃料電池と、
    燃料ガスを貯留する燃料ガスタンクと、
    前記燃料電池及び前記燃料ガスタンクを接続する燃料ガス供給流路と、
    前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
    前記燃料ガス供給流路において前記燃料ガスタンク及び前記燃料ガス供給手段の間に設けられ、前記燃料ガスタンクの開閉を制御する主止弁と、
    前記燃料電池に接続する燃料ガス排出流路と、
    前記燃料ガス排出流路に設けられ、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスの系外への排出を制御する排気排水弁と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記燃料ガスの排出指令を受けたとき、前記排気排出弁、前記燃料ガス供給手段、及び前記主止弁を開き、前記燃料ガスを前記燃料ガスタンクから排出するように制御する、
    燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池システムは、
    前記燃料電池に接続する酸化剤ガス供給流路と、
    前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
    前記燃料電池に接続する酸化剤ガス排出流路と、を備え、
    前記燃料ガス排出流路は一端が前記燃料電池に接続されており、他端が前記酸化剤ガス排出流路に接続されており、
    前記燃料電池から排出された前記燃料ガスは前記燃料ガス排出流路を介して、前記酸化剤ガス排出流路から前記系外に排出されるものであり、
    前記制御部は、前記燃料ガスの排出指令を受けたとき、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するように酸化剤ガス供給手段を制御する、
    請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御部は、前記燃料ガスの排出指令を受けた後であって前記燃料ガスタンクに貯留される前記燃料ガス量が所定の閾値を下回ったとき、前記主止弁、前記燃料ガス供給手段、及び前記排気排出弁を閉じるように制御する、
    請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御部は、
    前記燃料ガスの排出指令を受けたとき、前記排気排出弁、前記燃料ガス供給手段、及び前記主止弁をこの順で開くように制御し、
    前記燃料ガスの排出指令を受けた後であって前記燃料ガスタンクに貯留される前記燃料ガス量が前記所定の閾値を下回ったとき、前記主止弁、前記燃料ガス供給手段、及び前記排気排出弁をこの順で閉じるように制御する、
    請求項1~3のいずれか1項に記載に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御部は、前記燃料ガスの排出指令を受けたとき、前記燃料電池により発電される電力を増加させるように前記燃料電池システムを制御する、
    請求項1~4のいずれか1項に記載に記載の燃料電池システム。
  6. 請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池システムを備えた飛行体。
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