特許 7244400 燃料電池システムおよびその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-13

(45)【発行日】2023-03-22

(54)【発明の名称】燃料電池システムおよびその制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20230314BHJP

   H01M 8/04089 20160101ALI20230314BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20230314BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/04089

H01M8/04537

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2019200239

(22)【出願日】2019-11-01

(65)【公開番号】P2021072266

(43)【公開日】2021-05-06

【審査請求日】2022-02-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(74)【代理人】

【識別番号】100213654

【弁理士】

【氏名又は名称】成瀬 晃樹

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 彩香

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－００９５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２０７１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１７０５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１５７４８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－０２５９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１６４６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－００９９６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸素含有ガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池スタックと前記ガス供給部との間に設けられ、前記燃料電池スタックに供給される前記酸素含有ガスの流量を調整する流量調整部と、
所定の流量の前記酸素含有ガスを供給するように前記ガス供給部を制御するとともに、前記燃料電池スタックに要求される要求発電量に基づいて、前記流量調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記流量調整部は、前記ガス供給部よりも高速で前記酸素含有ガスの流量を調整可能である、燃料電池システム。

【請求項2】

前記燃料電池スタックから出力される出力発電量を検出する発電量検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記出力発電量に基づいて、前記流量調整部を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記出力発電量は、前記燃料電池スタックから出力される電流の値である、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記制御部は、
前記出力発電量が所定の閾値以上である場合、第１流量の前記酸素含有ガスを前記燃料電池スタックに供給するように前記流量調整部を制御し、
前記出力発電量が前記所定の閾値よりも低い場合、前記第１流量よりも少ない第２流量の前記酸素含有ガスを前記燃料電池スタックに供給するように前記流量調整部を制御する、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記流量調整部は、
前記ガス供給部から供給される前記酸素含有ガスを前記燃料電池スタックに流す第１流路部と、
前記第１流路部から分岐して、前記酸素含有ガスの一部を前記燃料電池スタック以外に流す第２流路部と、
前記第２流路部上に設けられ、前記酸素含有ガスの流量が調整可能な第１調整弁と、
を有し、
前記制御部は、前記要求発電量に基づいて、前記第１調整弁を制御する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記流量調整部は、
複数の前記第２流路部と、
それぞれの前記第２流路部上に設けられる複数の前記第１調整弁と、
を有し、
前記制御部は、前記要求発電量に基づいて、複数の前記第１調整弁を制御する、請求項５に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記流量調整部は、
前記ガス供給部から供給される前記酸素含有ガスを、前記燃料電池スタックに分岐して流す第３流路部および第４流路部と、
前記第４流路部上に設けられ、通過する前記酸素含有ガスに圧力損失を生じさせる圧力損失部と、
前記第３流路部上に設けられ、前記酸素含有ガスの流量が調整可能な第２調整弁と、
を有し、
前記制御部は、前記要求発電量に基づいて、前記第２調整弁を制御する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記流量調整部は、前記第４流路部上に設けられ、前記酸素含有ガスの流量が調整可能な第３調整弁をさらに備え、
前記制御部は、前記要求発電量に基づいて、前記第２調整弁および前記第３調整弁を制御する、請求項７に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

前記流量調整部は、
複数の前記第４流路部と、
それぞれの前記第４流路部上に設けられる複数の圧力損失部と、
それぞれの前記第４流路部上に設けられ、前記酸素含有ガスの流量が調整可能な１つまたは複数の第３調整弁と、
を有し、
前記制御部は、前記要求発電量に基づいて、前記第２調整弁、および、１つまたは複数の前記第３調整弁を制御する、請求項７に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

前記所定の流量は、前記燃料電池スタックの発電量が最大になる前記酸素含有ガスの流量である、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項11】

前記制御部は、略一定の流量の前記酸素含有ガスを供給するように前記ガス供給部を制御する、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項12】

水素と酸素とを用いて電気を発生させる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸素含有ガスを供給するガス供給部と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
所定の流量の前記酸素含有ガスを供給するように前記ガス供給部を制御部により制御し、
前記燃料電池スタックと前記ガス供給部との間に設けられ、前記燃料電池スタックに供給される前記酸素含有ガスの流量を調整する流量調整部を、前記燃料電池スタックに要求される要求発電量に基づいて、前記制御部により制御する、
ことを具備し、
前記流量調整部は、前記ガス供給部よりも高速で前記酸素含有ガスの流量を調整可能である、燃料電池システムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明による実施形態は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料ガスの有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして、燃料電池システムが知られている。この燃料電池システム内の燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものである。燃料電池システムが発電するためには、十分な燃料と十分な空気（酸素）が必要であり、その必要量は電池電流に比例する。

【0003】

通常の系統連系運転時には、指定された負荷上昇レートに従って出力が上昇するため、電池電流の上昇はそれ以上の速さにはならない。一方、自立運転時には外部の負荷によって瞬時に発電出力を変化させる必要があり、電池電流が急激に上昇する可能性がある。

【0004】

しかしながら、空気をカソードに送り込むブロワは系統連系中の安定運転を目的として時定数の大きいものを使用している場合、自立運転中の電池電流の上昇に追従せずに空気が不足して発電を継続できない可能性がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１９－２９１０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

そこで、本発明による実施形態は、自立運転中における発電量の変化の追従遅れを抑制することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本実施形態による燃料電池システムは、燃料電池スタックと、ガス供給部と、流量調整部と、制御部と、を備える。燃料電池スタックは、水素と酸素とを用いて電気を発生させる。ガス供給部は、燃料電池スタックに酸素含有ガスを供給する。流量調整部は、燃料電池スタックとガス供給部との間に設けられ、燃料電池スタックに供給される酸素含有ガスの流量を調整する。制御部は、所定の流量の酸素含有ガスを供給するようにガス供給部を制御するとともに、燃料電池スタックに要求される要求発電量に基づいて、流量調整部を制御する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態による燃料電池システムの構成を示すブロック図。

【図2】第１実施形態による燃料電池システムの動作を示すフロー図。

【図3】変形例１による燃料電池システムの構成を示すブロック図。

【図4】第２実施形態による燃料電池システムの構成を示すブロック図。

【図5】変形例２による燃料電池システムの構成を示すブロック図。

【図6】変形例３による燃料電池システムの構成を示すブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0010】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。

【0011】

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、電源装置２と、ブロワ３と、流量調整部４と、電流計５と、制御装置６と、を備える。燃料電池システム１００は、例えば、純水素燃料電池システムである。

【0012】

燃料電池スタック１は、水素と酸素とを用いて電気を発生させる。燃料電池スタック１は、アノード電極（燃料極）１ａと、カソード電極（空気極）１ｂと、を備えている。また、燃料電池スタック１は、燃料ガスの供給源から燃料ガスとして水素を供給され、ブロワ３から空気を供給される。水素は、水素供給系を介してアノード電極１ａに供給され、空気は、空気供給系を介してカソード電極１ｂに供給される。燃料電池スタック１は、水素を空気中の酸素と反応させて水を生成し、この反応により電気を発生させる。この電気は、直流電流として燃料電池スタック１から出力される。燃料電池スタック１は、アノード電極１ａに供給された水素の残りをアノード排気として排出し、カソード電極１ｂに供給された空気の残りをカソード排気として排出する。例えば、アノード排気はアノード電極１ａに再び供給され、カソード排気は燃料電池システム１００の外部に排出される。

【0013】

電源装置２は、燃料電池スタック１のアノード電極１ａおよびカソード電極１ｂに電流取り出し線により接続されており、燃料電池スタック１から電流取り出し線を介して直流電流を取り出す。また、電源装置２は、発電された直流の電気を交流の電気へと変換し、電力系統２００または自立負荷３００に送電する。電源装置２は、燃料電池システム１００が電力系統２００に接続された系統連系運転と、燃料電池システム１００が自立負荷３００に接続された自立運転と、を切り替える。電源装置２は、例えば、電力系統２００の状態を監視して、系統連系運転と自立運転とを切り替える。尚、以下では、特に断りのない限り、自立運転時について説明する。

【0014】

ガス供給部としてのブロワ３は、カソード電極１ｂ（燃料電池スタック１）に酸素含有ガスを供給する。酸素含有ガスは、例えば、窒素や酸素を含む空気等である。ブロワ３は、制御装置６により制御される。

【0015】

尚、アノード電極１ａに供給される水素は、例えば、所定の圧力になるように調整される。この場合、反応により水素が消費されると、所定の圧力を維持するように、水素がアノード電極１ａに供給される。従って、図１に示す例では、水素を送り込むブロワ等は設けられていない。また、水素の供給源は、例えば、水素貯蔵タンクである。水素貯蔵タンクは、燃料電池システム１００の内部にあってもよく、外部にあってもよい。

【0016】

流量調整部４は、燃料電池スタック１とブロワ３との間に設けられ、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を調整する。また、流量調整部４は、分岐部４１と、第１流路部４１ａと、第２流路部４１ｂと、第１調整弁４２と、を有する。

【0017】

分岐部４１は、ブロワ３と接続する第１流路部４１ａ上に設けられ、第１流路部４１ａから第２流路部４１ｂに分岐させる。

【0018】

第１流路部４１ａは、ブロワ３から供給される酸素を燃料電池スタック１に流す。第１流路部４１ａは、カソード電極１ｂに接続されている。第１流路部４１ａは、例えば、ガス管である。

【0019】

第２流路部４１ｂは、第１流路部４１ａから分岐して、空気の一部を燃料電池スタック１以外に流す。すなわち、第２流路部４１ｂは、第１流路部４１ａを流れる空気の一部を燃料電池スタック１に流さないようにする。第２流路部４１ｂを通過する空気は、例えば、大気開放される。また、第２流路部４１ｂを通過する空気は、カソード電極１ｂを通過した空気と合流してもよい。第２流路部４１ｂは、例えば、第１流路部４１ａと同様のガス管でよい。尚、第１流路部４１ａから分流される空気の量を調整するため、第２流路部４１ｂの接続先が負圧になっていてもよく、第２流路部４１ｂのガス管の径が変更されてもよい。

【0020】

第１調整弁４２は、第２流路部４１ｂ上に設けられ、空気の流量が調整可能である。第１調整弁４２は、制御装置６により制御される。以下では、特に断りのない限り、第１調整弁４２は、開閉可能な弁とする。この場合、第１調整弁４２は、ＯＮ／ＯＦＦのようにデジタル式で調整される。第１調整弁４２は、例えば、電磁弁等の高応答速度で動作可能な弁である。第１調整弁４２は、開閉により、空気を通過させ、または、空気の通過を遮断する。

【0021】

ブロワ３は、空気を供給し、例えば、１００Ｌ／ｍｉｎの空気を供給する。第１調整弁４２が閉じている場合、空気は第２流路部４１ｂを通過しない。例えば、第１流路部４１ａには１００Ｌ／ｍｉｎの空気が流れ、第２流路部４１ｂには空気は流れない。一方、第１調整弁４２が開いている場合、空気の一部は第２流路部４１ｂを通過する。例えば、分岐部４１通過後の第１流路部４１ａには６０Ｌ／ｍｉｎの空気が流れ、第２流路部４１ｂには４０Ｌ／ｍｉｎの空気が流れる。従って、流量調整部４は、第１調整弁４２を開くことにより、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を１００Ｌ／ｍｉｎから６０Ｌ／ｍｉｎに減少させる。また、流量調整部４は、第１調整弁４２を閉じることにより、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を６０Ｌ／ｍｉｎから１００Ｌ／ｍｉｎに増加させる。

【0022】

発電量検出部としての電流計５は、燃料電池スタック１から出力される出力発電量を検出する。より詳細には、出力発電量は、燃料電池スタック１から出力される電流の値である。電流計５は、例えば、電流取り出し線に設置されており、燃料電池スタック１から出力される電流の値を計測する。図１に示す例では、電流計５は、アノード電極１ａと電源装置２との間に設けられる。尚、電流計５は、出力側、すなわち、自立負荷３００と電源装置２との間に設けられてもよい。しかし、より正確な発電量を得るため、電流計５は燃料電池スタック１と電源装置２との間に設けられることが好ましい。また、電流計５は、検出した電流値を制御装置６に送る。

【0023】

制御装置６は、図１の燃料電池システム１００の種々の動作を制御する。制御装置６の例は、プロセッサ、制御回路、コンピュータなどである。制御装置６は、例えば、燃料電池スタック１の発電動作を制御したり、燃料電池システム１００の状態を示す情報を表示、保存、発信するなど、燃料電池システム１００に関する種々の情報を出力したりする。この情報は、燃料電池システム１００内の機器に出力してもよいし、燃料電池システム１００外の機器に出力してもよい。

【0024】

制御装置６は、設定部６ａと、制御部６ｂと、を有する。

【0025】

設定部６ａは、燃料電池システム１００の動作制御に必要な設定値を設定する。設定値は、例えば、自立運転時における、ブロワ３の流量（出力）や、燃料電池スタック１に供給される空気の流量、流量調整部４による流量の切り替えを行うための電流値等が含まれる。設定値は、例えば、燃料電池スタック１ごとに変更されてもよい。設定部６ａは、例えば、設定値が予め記憶された記憶装置（図示せず）から設定値を読み出してもよく、作業者から設定値を受け付けてもよい。

【0026】

制御部６ｂは、所定の流量の空気を供給するようにブロワ３を制御するとともに、燃料電池スタック１に要求される要求発電量に基づいて、流量調整部４を制御する。所定の流量は、例えば、燃料電池スタック１の発電量が最大になる酸素の流量である。所定の流量は、例えば、１００Ｌ／ｍｉｎである。より詳細には、制御部６ｂは、要求発電量に基づいて、第１調整弁４２（の開閉）を制御する。

【0027】

また、制御部６ｂは、出力発電量に基づいて、流量調整部４を制御する。すなわち、要求発電量を出力発電量（電流値）としてもよい。これは、電源装置２によって取り出される電流は、自立負荷３００の負荷の大きさに比例するためである。従って、制御部６ｂは、電流計５が検出する電流値を流量調整部４の制御に用いる。

【0028】

系統連系運転時において、制御部６ｂは、第１調整弁４２を閉じて、ブロワ３の流量を制御する。制御部６ｂは、例えば、指定された負荷上昇レートに従って、空気の供給量を変化させるようにブロワ３を制御する。一方、自立運転時では、制御部６ｂは、上記のように、ブロワ３の流量を略一定にして、電流値に基づいて第１調整弁４２の開閉で流量を調整する。また、流量調整部４は、例えば、ブロワ３よりも高速で空気の流量を調整可能である。すなわち、第１調整弁４２は、高応答速度で動作する。これにより、自立運転中における発電量の変化の追従遅れを抑制することができる。

【0029】

次に、燃料電池システム１００の制御方法について説明する。

【0030】

図２は、第１実施形態による燃料電池システム１００の動作を示すフロー図である。尚、燃料電池システム１００は、自立運転時の状態である。

【0031】

まず、設定部６ａは、所定の閾値、第１流量および第２流量を設定する。所定の閾値は、流量調整部４により流量を切り替えるための電流値の閾値である。第１流量および第２流量は、燃料電池スタック１に供給される空気の流量の設定値である。第１流量は、第１調整弁４２が閉じている場合における流量である。第２流量は、第１流量よりも低く、第１調整弁４２が開いている場合における流量である。第１流量および第２流量は、例えば、上記のように、それぞれ１００Ｌ／ｍｉｎおよび６０Ｌ／ｍｉｎである。設定部６ａは、例えば、所定の閾値、第１流量および第２流量を記憶装置から読み出す。

【0032】

次に、ブロワ３は、発電量が最大になる流量の空気を燃料電池スタック１に供給する（Ｓ２０）。制御部６ｂは、例えば、ブロワ３に制御信号を送る。ブロワ３は、例えば、１００Ｌ／ｍｉｎの酸素を供給する。次に、電流計５は、燃料電池スタック１から出力される電流を検出する（Ｓ３０）。次に、制御部６ｂは、電流値が所定の閾値以上か否かを判定する（Ｓ４０）。

【0033】

電流値が所定の閾値以上である場合（ステップＳ４０のＹＥＳ）、流量調整部４は、燃料電池スタック１に第１流量（１００Ｌ／ｍｉｎ）の空気が供給されるように流量を調整する（Ｓ５０）。すなわち、制御部６ｂは、電流値（出力発電量）が所定の閾値以上である場合、第１流量の空気を燃料電池スタック１に供給するように流量調整部４を制御する。

【0034】

電流値が所定の閾値以上である場合、自立負荷３００の負荷が大きく、燃料電池スタック１から多くの電流が取り出される。この場合、空気の供給量が少ないと、電池電流の上昇に追従せずに空気が不足して、発電が継続できない可能性がある。そこで、制御部６ｂは、第１調整弁４２を閉じるように制御する。これにより、第１流量（１００Ｌ／ｍｉｎ）の空気を燃料電池スタック１に供給することができる。また、１００Ｌ／ｍｉｎは、燃料電池スタック１の発電量が最大になる酸素の流量でもある。従って、流量調整部４は、必要な発電量が大きくなっても、安定して運転を継続させることができるように、十分な量の空気を供給する。尚、ステップＳ５０において流量調整部４がすでに第１流量の空気を供給している場合、流量調整部４は、空気の供給を継続すればよい。

【0035】

一方、電流値が所定の閾値よりも低い場合（ステップＳ４０のＮＯ）、流量調整部４は、燃料電池スタック１に第２流量（６０Ｌ／ｍｉｎ）の空気が供給されるように流量を調整する（Ｓ６０）。すなわち、制御部６ｂは、出力発電量が所定の閾値よりも低い場合、第１流量よりも少ない第２流量の空気を燃料電池スタック１に供給するように流量調整部４を制御する。

【0036】

電流値が所定の閾値より低い場合、自立負荷３００の負荷が小さく、燃料電池スタック１から取り出される電流は少ない。燃料電池スタック１は、通常、反応によって高温（例えば、約７０℃～約９０℃）になってしまう。従って、燃料電池システム１００では、例えば、水を循環させて高温の燃料電池スタック１を冷却する。また、燃料電池スタック１の反応により生成される水も、回収されて冷却水として利用される。さらに、カソード排気中には揮発した冷却水が含まれ、水蒸気を凝縮させることによっても、水を回収することができる。しかし、大量の空気が継続して供給されると、冷却水および生成される水が揮発しやすくなり、また、流速が高くカソード排気からの水回収が困難になる。従って、冷却水が不足してしまう可能性がある。そこで、制御部６ｂは、自立負荷３００の負荷が小さい場合、燃料電池スタック１への空気の供給量を減少させる。これにより、冷却水の減少を抑制することができる。尚、ステップＳ６０において流量調整部４がすでに第２流量の空気を供給している場合、流量調整部４は、空気の供給を継続すればよい。

【0037】

ステップＳ５０またはステップ６０の後、再びステップＳ３０、Ｓ４０が実行される。ステップＳ３０～Ｓ６０は、例えば、所定の周期で繰り返し実行される。所定の周期は、例えば、自立負荷３００の負荷の変動に追従するように設定されればよい。

【0038】

以上のように、第１実施形態によれば、流量調整部４は、燃料電池スタック１とブロワ３との間に設けられ、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を調整する。また、制御部６ｂは、所定の流量の酸素を供給するようにブロワ３を制御するとともに、燃料電池スタック１に要求される要求発電量に基づいて、流量調整部４を制御する。通常の系統連系運転時では、指定された負荷上昇レートに従って出力が上昇するため、電池電流の上昇はそれ以上の速さにはならない。一方、自立運転時では、接続される負荷（自立負荷３００）によって瞬時に発電出力を変化させる必要があり、電池電流が急激に上昇する可能性がある。第１実施形態では、流量調整部４により空気の流量を調整することができる。これにより、系統連系運転中の安定運転を目的として時定数の大きいブロワ３が用いられる場合であっても、自立運転中の必要な発電量の変化に対応することができる。この結果、自立運転中における発電量の変化の追従遅れを抑制することができる。また、ブロワ３の性能によらず、発電量の変化の追従遅れを抑制することができる。

【0039】

もし、流量調整部４による流量の調整が行われない場合、自立運転中の最大出力相当の空気を燃料電池スタック１に流し続ける必要がある。しかし、この場合、図２のステップＳ６０において説明したように、冷却水が不足する可能性がある。すなわち、揮発する水の量が回収される水の量よりも大きくなってしまい、燃料電池システム１００が水自立不全となってしまう。水自立は、回収される水の量が揮発する水の量以上であり、外部からの冷却水の補給が不要な状態である。水自立不全になると、例えば、燃料電池スタック１の破損や寿命劣化等につながる可能性がある。従って、冷却水の量を監視する必要がある。

【0040】

これに対し、第１実施形態では、必要な発電量に応じて燃料電池スタック１に供給される空気の流量が調整される。従って、冷却水の過剰な揮発を抑制することができ、水自立不全を抑制することができる。

【0041】

また、所定の流量は、燃料電池スタック１の発電量が最大になるために必要な流量である。上記のように、流量調整部４は、ブロワ３から供給される空気の流量を減少させる。従って、流量調整部４により調整可能な流量の範囲を広くすることができる。

【0042】

また、制御部６ｂは、略一定の流量の空気を供給するようにブロワ３を制御する。略一定の流量は、例えば、所定の流量から或る程度の範囲内の流量であればよい。すなわち、ブロワ３の流量の変動が少ないことが好ましい。これにより、燃料電池スタック１に供給される空気の流量をより安定化させることができる。

【0043】

尚、第１調整弁４２は、デジタル式の弁に限られない。例えば、第１調整弁４２は、アナログ式の弁であってもよい。すなわち、例えば、第１調整弁４２の流路面積の調整により、開度が調整されてもよい。この場合、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を任意に、また、段階的に調整することができる。

【0044】

（変形例１）
図３は、変形例１による燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。第１実施形態の変形例１は、第１流路部４１ａが複数に分岐される点で、第１実施形態と異なる。

【0045】

流量調整部４は、複数の分岐部４１と、複数の第２流路部４１ｂと、複数の第１調整弁４２と、を有する。複数の第１調整弁４２は、それぞれの第２流路部４１ｂ上に設けられる。図３に示す例では、分岐部４１および第２流路部４１ｂは、第１流路部４１ａに沿って設けられる。尚、１つの分岐部４１から分岐するように複数の第２流路部４１ｂが設けられてもよい。

【0046】

図３に示す例では、２つの第２流路部４１ｂおよび２つの第１調整弁４２が設けられている。ブロワ３は、例えば、１００Ｌ／ｍｉｎの空気を供給する。例えば、２つの第１調整弁４２が閉じている場合、燃料電池スタック１に１００Ｌ／ｍｉｎの空気が供給される。また、１つの第２調整弁４５が開いている場合、開いている第１調整弁４２に対応する第２流路部４１ｂに４０Ｌ／ｍｉｎの空気が通過する。従って、燃料電池スタック１に６０Ｌ／ｍｉｎの空気が供給される。また、２つの第１調整弁４２が開いている場合、２つの第２流路部４１ｂにそれぞれ４０Ｌ／ｍｉｎの空気が通過する。従って、燃料電池スタック１に２０Ｌ／ｍｉｎの空気が供給される。

【0047】

制御部６ｂは、要求発電量に基づいて、複数の第１調整弁４２（の開閉）を制御する。

【0048】

変形例１による燃料電池システム１００のその他の構成は、第１実施形態による燃料電池システム１００の対応する構成と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

【0049】

上記のように、流量調整部４は、複数の第１調整弁４２の開閉により、１００Ｌ／ｍｉｎ、６０Ｌ／ｍｉｎ、２０Ｌ／ｍｉｎの３段階で燃料電池スタック１に供給される空気の流量を調整することができる。従って、電流値の所定の閾値が２つ設定される。２つの所定の閾値を、例えば、第１閾値および第１閾値より低い第２閾値とする。例えば、電流値が第１閾値以上である場合、制御部６ｂは、２つの第１調整弁４２を閉じる。この場合、燃料電池スタック１に１００Ｌ／ｍｉｎの空気が供給される。電流値が第１閾値より低く、第２閾値以上である場合、制御部６ｂは、一方の第１調整弁４２を開け、他方の第１調整弁４２を閉じる。この場合、燃料電池スタック１に６０Ｌ／ｍｉｎの空気が供給される。電流値が第２閾値よりも低い場合、制御部６ｂは、２つの第１調整弁４２を開ける。この場合、燃料電池スタック１に２０Ｌ／ｍｉｎの空気が供給される。尚、さらに複数の第２流路部４１ｂおよび第１調整弁４２が設けられる場合も同様である。

【0050】

このように、変形例では、複数の第１調整弁４２の開閉により、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を段階的に変化させることができる。この場合、所定の閾値は、複数設定される。また、所定の閾値に対応するように、第１流量および第２流量も複数設定されればよい。

【0051】

尚、それぞれの第１調整弁４２が開くことにより減少する空気の流量は、異なっていてもよい。

【0052】

変形例１による燃料電池システム１００は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、変形例１では、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を、さらに段階的に調整することができる。

【0053】

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態による燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。第２実施形態は、圧力損失により流量を減少させる点で、第１実施形態と異なる。

【0054】

流量調整部４は、分岐部４３と、第３流路部４３ａと、第４流路部４３ｂと、圧損要素４４と、第２調整弁４５と、を有する。

【0055】

分岐部４３は、ブロワ３と接続し、第３流路部４３ａと、第４流路部４３ｂと、に分岐させる。

【0056】

第３流路部４３ａおよび第４流路部４３ｂは、ブロワ３から供給される空気を、燃料電池スタック１に分岐して流す。第３流路部４３ａおよび第４流路部４３ｂは、例えば、第１流路部４１ａと同様のガス管でよい。

【0057】

圧力損失部としての圧損要素４４は、第４流路部４３ｂ上に設けられ、通過する空気に圧力損失を生じさせる。圧損要素４４は、ブロワ３により加圧された空気の圧力を圧力損失により減少させる。すなわち、圧損要素４４の下流側の空気の圧力が減少し、流量が減少する。この結果、ブロワ３を通過する空気の流量および燃料電池スタック１に流入する空気の流量が減少する。圧損要素４４は、例えば、配管の流路面積を小さくすればよく、絞り、弁、オリフィスの少なくとも１つである。また、圧損要素４４は、例えば、手動で流路面積を変更する等、外部から圧力損失の高低を調整可能であってもよい。

【0058】

第２調整弁４５は、第３流路部４３ａ上に設けられ、空気の流量が調整可能である。第２調整弁４５は、制御装置６により制御される。第２調整弁４５は、例えば、第１調整弁４２と同様の弁でよい。

【0059】

ブロワ３は、例えば、最大流量１００Ｌ／ｍｉｎの空気を供給するように、１００％の出力で空気を供給する。尚、実際にブロワ３を通過する空気の流量は、配管の圧力損失（配管抵抗）によって変化する。第２調整弁４５が開いている場合、圧力損失の低い第３流路部４３ａでは、圧損要素４４が設けられる第４流路部４３ｂよりも流量が大きくなる。第３流路部４３ａおよび第４流路部４３ｂにおける流量の和が、燃料電池スタック１に供給される空気の流量になる。従って、例えば、ブロワ３は１００Ｌ／ｍｉｎの空気を供給し、燃料電池スタック１には１００Ｌ／ｍｉｎの空気が供給される。一方、第２調整弁４５が閉じている場合、空気は圧損要素４４を有する第４流路部４３ｂのみを通過する。従って、例えば、ブロワ３は３０Ｌ／ｍｉｎの空気を供給し、燃料電池スタック１には３０Ｌ／ｍｉｎの空気が供給される。従って、第２調整弁４５の開閉によって、ブロワ３から燃料電池スタック１までの圧力損失（配管抵抗）が変化し、ブロワ３から供給される空気の流量が変化する。

【0060】

制御部６ｂは、要求発電量に基づいて、第２調整弁４５（の開閉）を制御する。

【0061】

系統連系運転時において、制御部６ｂは、第２調整弁４５を開き、ブロワ３の流量を制御する。一方、自立運転時では、制御部６ｂは、上記のように、ブロワ３の出力（流量）を略一定にして、電流値に基づいて第２調整弁４５の開閉で流量を制御する。

【0062】

第２実施形態による燃料電池システム１００のその他の構成は、第１実施形態による燃料電池システム１００の対応する構成と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

【0063】

例えば、電流値が所定の閾値以上である場合、制御部６ｂは、第２調整弁４５を開ける。この場合、燃料電池スタック１に１００Ｌ／ｍｉｎ（第１流量）の空気が供給される。電流値が所定の閾値よりも低い場合、制御部６ｂは、第２調整弁４５を閉じる。この場合、燃料電池スタック１に３０Ｌ／ｍｉｎ（第２流量）の空気が供給される。

【0064】

第２実施形態による燃料電池システム１００は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0065】

（変形例２）
図５は、変形例２による燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。第２実施形態の変形例２は、第３調整弁４６が設けられる点で、第２実施形態と異なる。

【0066】

流量調整部４は、第３調整弁４６をさらに備える。第３調整弁４６は、第４流路部４３ｂ上に設けられ、空気の流量が調整可能である。第３調整弁４６は、制御装置６により制御される。第３調整弁４６は、例えば、第１調整弁４２と同様の弁でよい。

【0067】

制御部６ｂは、要求発電量に基づいて、第２調整弁４５および第３調整弁４６（の開閉）を制御する。

【0068】

変形例２による燃料電池システム１００のその他の構成は、第２実施形態による燃料電池システム１００の対応する構成と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

【0069】

変形例２では、制御部６ｂは、第２調整弁４５が開いている場合に、さらに第３調整弁４６の開閉を制御することができる。すなわち、制御部６ｂは、空気が第３流路部４３ａのみを通過させるようにすることができる。従って、変形例１において説明したように、３段階と段階的に流量を調整することができる。尚、第２調整弁４５が閉じている場合、制御部６ｂは、空気の供給が止まらないように第３調整弁４６を開く。

【0070】

尚、系統連系運転時では、第３調整弁４６の開閉は、いずれでもよい。

【0071】

変形例２による燃料電池システム１００は、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、変形例２では、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を、さらに段階的に調整することができる。

【0072】

（変形例３）
図６は、変形例２による燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。第２実施形態の変形例３は、第４流路部４３ｂが複数設けられる点で、第２実施形態と異なる。

【0073】

流量調整部４は、複数の分岐部４３と、複数の第４流路部４３ｂと、複数の圧損要素４４と、１つまたは複数の第３調整弁４６と、を有する。複数の圧損要素４４は、それぞれの第４流路部４３ｂ上に設けられる。第３調整弁４６は、変形例２による第３調整弁４６と同様である。図６に示す例では、第４流路部４３ｂからさらに分岐するように、分岐部４３および第４流路部４３ｂが設けられる。尚、１つの分岐部４３から複数の第４流路部４３ｂが設けられてもよい。また、圧損要素４４ごとの圧力損失の高さは、異なっていてもよい。

【0074】

１つまたは複数の第３調整弁４６は、それぞれの第４流路部４３ｂ上に設けられ、空気の流量が調整可能である。図６に示す例では、第４流路部４３ｂと同数である２つの第３調整弁４６が設けられている。しかし、第３調整弁４６は、１つであってもよい。

【0075】

図６に示す例では、２つの第４流路部４３ｂおよび２つの第２調整弁４５が設けられている。ブロワ３は、例えば、１００％の出力で空気を供給する。例えば、第２調整弁４５および２つの第３調整弁４６が開いている場合、燃料電池スタック１に１００Ｌ／ｍｉｎの空気が供給される。いずれかの弁が閉じると、燃料電池スタック１に供給される空気の流量は減少する。尚、配管の圧力損失が高いほど、通過する空気の流量が小さいため、弁が閉じる際における全体の流量の減少は小さくなる。

【0076】

制御部６ｂは、要求発電量に基づいて、第２調整弁４５、および、１つまたは複数の第３調整弁４６（の開閉）を制御する。

【0077】

変形例３では、弁の開いている数によって、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を調整することができる。従って、変形例１において説明したように、段階的に流量を調整することができる。尚、さらに複数の第４流路部４３ｂおよび第３調整弁４６が設けられる場合も同様である。

【0078】

変形例３による燃料電池システム１００のその他の構成は、第２実施形態による燃料電池システム１００の対応する構成と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

【0079】

制御部６ｂは、変形例１において説明したように、複数の所定の閾値により、第２調整弁４５および第３調整弁４６を制御すればよい。

【0080】

変形例３による燃料電池システム１００は、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、変形例３では、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を、さらに段階的に調整することができる。

【0081】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0082】

１００ 燃料電池システム、１ 燃料電池スタック、３ ブロワ、４ 流量調整部、４１ａ 第１流路部、４１ｂ 第２流路部、４２ 第１調整弁、４３ａ 第３流路部、４３ｂ 第４流路部、４４ 圧損要素、４５ 第２調整弁、４６ 第３調整弁、５ 電流計、６ｂ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】