JP5497265B2

JP5497265B2 - 燃料電池検査用の放電システム

Info

Publication number: JP5497265B2
Application number: JP2008003261A
Authority: JP
Inventors: 一裕渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2028-01-10
Also published as: JP2009164086A

Description

本発明は燃料電池の発電検査に用いられる放電システムに関する。

燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、水素イオンを選択的に輸送するための電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持して成る複数の膜−電極アッセンブリを積層して成るスタック構造を有している。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、電力源としての用途が期待されている（例えば特許文献１参照）。

ところで、燃料電池は利用形態や利用環境などに応じて様々な状況下で発電を行うため、様々な状況下で安定した発電を維持できる燃料電池を設計、製造することが望ましい。かかる事情に鑑み、燃料電池の発電検査に関する技術が種々提案されている。

図２は、従来の発電検査用の放電システム１００の要部構成を示す図である。
燃料電池スタック１１０には、ＤＣ／ＡＣコンバータ（直流／交流変換器）を用いた容量１５０ｋＷ程度の大容量放電装置１２０が接続されている。大容量放電装置１２０は、発電検査時に燃料電池スタック１１０から出力される１００ｋＷ近い直流電力を交流電力に変換し、これを屋内等の三相交流ライン１３０に出力する。
特開２００１−１９７７９０号公報

しかしながら、従来の発電検査用の放電システム１００では、ＤＣ／ＡＣコンバータによる電力変換の際に多大なエネルギーが熱として放出され、エネルギー効率が低いという問題がある。さらに、このようなＤＣ／ＡＣコンバータを搭載した大容量放電装置１２０は、装置が大型化してしまう問題もある。また、発電検査を行う際には、別途、検査用に反応ガス（燃料ガスや酸化ガスなど）を燃料電池スタック１１０に供給する必要があるが、燃料電池スタック１１０に酸化ガスを供給するためには、空気を圧縮する大型のコンプレッサを駆動する必要があり、コンプレッサ駆動によってエネルギーがロスしてしまうという問題もあった。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、従来に比してエネルギー効率が高く、かつ、小型化が可能な燃料電池検査用の放電システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池検査用の放電システムは、燃料電池スタックの発電検査に用いられる放電システムであって、前記発電検査の際に前記燃料電池スタックから出力される電力を用いて水の電気分解を行う分解装置と、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を有する燃料ガス供給系と、前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス通路を有する酸化ガス供給系と、前記電気分解によって生じた水素を、前記燃料ガス通路に帰還させる第１の供給系と、前記電気分解によって生じた酸素を、前記酸化ガス通路に帰還させる第２の供給系とを具備し、前記分解装置は前記燃料電池スタックに対して着脱可能に接続され、前記第１の供給系及び第２の供給系により前記燃料電池スタックに供給されるガスの不足分が前記燃料ガス供給系及び前記酸化ガス供給系により供給されることを特徴とする。

かかる構成によれば、燃料電池の発電検査時に発生する電力（すなわち、燃料電池の出力電力）を分解装置に供給し、水の電気分解に利用する。そして、電気分解によって生じた水素や酸素を発電検査時に利用することで、ＤＣ／ＡＣコンバータを搭載した大容量放電装置を用いて三相交流化していた従来技術に比してエネルギー効率を高めることができる。
さらに、大型のＤＣ／ＡＣコンバータも不要なため、大容量放電装置を設置する従来に比べて必要なスペースを小さくすることができる。

また、上記構成にあっては、前記燃料電池スタックの発電時に生成される生成水を貯蔵する容器を備え、前記分解装置は、前記発電検査の際に前記燃料電池スタックから出力される電力を用いて前記容器に貯蔵された生成水の電気分解を行う態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記第１の供給系には、前記水素の供給を制御する第１制御手段が設けられ、前記第２の供給系には、前記酸素の供給を制御する第２制御手段が設けられ、前記各制御手段は、前記発電検査の際に燃料電池スタックから出力される電力によって駆動される態様であっても良い。

以上説明したように、本発明によれば、従来に比してエネルギー効率が高く、かつ、小型化が可能な燃料電池検査用の放電システムを提供することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では燃料電池車両に搭載される車載電源としての燃料電池システムを想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載電源としても利用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成である。
燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、システム全体を制御するコントローラ７０を備えている。また、燃料電池スタック２０には、本発明の特徴部分である発電検査用の放電システム５０が電気的に接続されている。

燃料電池スタック２０は、複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じ、この燃料電池スタック２０には、発電検査を行うためのセルモニタ６０が取り付けられている。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

酸化ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３４と、酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３６を有している。酸化ガス通路３４には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２や酸化ガス供給量を調整するための絞り弁３５、燃料電池スタック２０のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器（図示略）などが設けられている。

酸化オフガス通路３６には、酸化オフガスに含まれる不純物や水分を分離し、外部に排出するための気液分離器３６や、不純物や水分が除去された酸化オフガスを酸化ガス通路３４に圧送する循環ポンプ３８、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁（図示略）などが設けられている。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４５と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスが流れる燃料オフガス通路４６を有している。

燃料ガス供給源４１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、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁４２を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４５に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータ４３などにより、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

尚、燃料ガス供給源４１は、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してもよい。

レギュレータ４３は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。

燃料オフガス通路４６には、燃料オフガスに含まれる不純物や水分を分離し、外部に排出するための気液分離器４４やと、不純物や水分が除去された燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４７などが設けられている。

コントローラ７０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１０の各部（酸化ガス供給系３０、燃料ガス供給系４０など）を制御するための制御手段として機能する。

放電システム５０は、下記式（４）に示す反応により水を電気分解して水素及び酸素を発生する電気分解装置（分解装置）５１や、電気分解によって生じた酸素を酸化ガス生成通路（第２の供給系）５５を通じて酸化ガス通路３４に戻すエアコンプレッサ（第２制御手段）５２や、電気分解によって生じた水素を燃料ガス生成通路（第１の供給系）５６を通じて燃料ガス通路４５に戻す水素コンプレッサ（第１制御手段）５３などを備えている。
２Ｈ₂Ｏ → ２Ｈ₂＋Ｏ₂ …（４）

電気分解装置５１は、水を蓄えておくための貯水容器（容器）５１ａを備えており、端子５４を介して燃料電池スタック２０に着脱可能に接続されている。電機分解装置５１を含む放電システム５０は、燃料電池スタック２０の発電検査時（例えば、製造出荷前の検査時など）に使用される。式（４）に示す水の電気分解反応を起こすために必要な電力は、発電検査時に燃料電池スタック２０から出力される電力（出力電力）を利用する。そして、電気分解によって生じた水素や酸素は、エアコンプレッサ５２や水素コンプレッサ５３により酸化ガス通路３４や燃料ガス通路４５に帰還され、燃料ガスや酸化ガスとして燃料電池スタック２０に供給される。このため、燃料電池スタック２０の発電検査に際しては、反応ガスの大半を電気分解によって生じた水素や酸素で賄うことができ、エネルギーロスによる不足分の反応ガスについてのみ、燃料ガス供給系４０や酸化ガス供給系３０から補えば良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池スタック２０の発電検査時に発生する電力（すなわち、燃料電池スタック２０の出力電力）を電気分解装置５１に供給し、水の電気分解に利用する。そして、電気分解によって生じた水素や酸素を発電検査時に利用することで、ＤＣ／ＡＣコンバータを搭載した大容量放電装置を用いて三相交流化していた従来技術に比してエネルギー効率を高めることができる。
さらに、大型のＤＣ／ＡＣコンバータも不要なため、大容量放電装置を設置する従来に比べて必要なスペースを小さくすることができる。

Ｂ．変形例
（１）なお、電気分解に利用する水は、予め電気分解用に用意しておいても良いが、式（４）に示す燃料電池スタック２０の起電反応時に生じる生成水を電気分解用の水として再利用しても良い。生成水を電気分解用の水として再利用する場合には、生成水を電気分解装置５１の貯水容器５１ａに戻す循環ポンプなどを利用すれば良い。

（２）また、エアコンプレッサ（第２制御手段）４２や水素コンプレッサ（第１制御手段）５３の駆動電力は、外部から供給しても良いが、燃料電池スタック２０の発電検査時に発生する電力を利用しても良い。

本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。従来の発電検査用の放電システムの要部構成を示す図である。

符号の説明

１０・・・燃料電池システム、２０・・・燃料電池スタック、３０・・・酸化ガス供給系、３４・・・酸化ガス通路、４０・・・燃料ガス供給系、４５・・・燃料ガス通路、５０・・・放電システム、５１・・・電気分解装置、５１ａ・・・貯水容器、５２・・・エアコンプレッサ、５３・・・水素コンプレッサ、５４・・・端子、５５・・・酸化ガス生成通路、５６・・・燃料ガス生成通路。

Claims

燃料電池スタックの発電検査に用いられる放電システムであって、
前記発電検査の際に前記燃料電池スタックから出力される電力を用いて水の電気分解を行う分解装置と、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を有する燃料ガス供給系と、
前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス通路を有する酸化ガス供給系と、
前記電気分解によって生じた水素を、前記燃料ガス通路に帰還させる第１の供給系と、
前記電気分解によって生じた酸素を、前記酸化ガス通路に帰還させる第２の供給系とを具備し、
前記分解装置は前記燃料電池スタックに対して着脱可能に接続され、
前記第１の供給系及び第２の供給系により前記燃料電池スタックに供給されるガスの不足分が前記燃料ガス供給系及び前記酸化ガス供給系により供給されることを特徴とする燃料電池検査用の放電システム。
前記燃料電池スタックの発電時に生成される生成水を貯蔵する容器を備え、
前記分解装置は、前記発電検査の際に前記燃料電池スタックから出力される電力を用いて前記容器に貯蔵された生成水の電気分解を行うことを特徴とする請求項１に記載の放電システム。
前記第１の供給系には、前記水素の供給を制御する第１制御手段が設けられ、
前記第２の供給系には、前記酸素の供給を制御する第２制御手段が設けられ、
前記各制御手段は、前記発電検査の際に前記燃料電池スタックから出力される電力によって駆動されることを特徴とする請求項１または２に記載の放電システム。