JP4886161B2

JP4886161B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4886161B2
Application number: JP2003055390A
Authority: JP
Inventors: 征治鈴木; 英明菊池
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2023-03-03
Also published as: JP2004265750A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、負荷電流として利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されており、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
このような燃料電池を利用した従来技術として、例えば、図５に示すパッケージ型燃料電池発電プラント１がある（特許文献１参照）。パッケージ型燃料電池発電プラント１は、天然ガス、メタノール等の燃料ガスを燃料供給バルブ２を介して燃料処理装置３に供給することで水素を取り出し、この水素と、酸化剤供給バルブ４を介して供給される酸素とを燃料電池５で反応させることにより発電を行うものであり、各構成要素がパッケージ６に収納されることで、据え付け等に便利な構造となっている。
【０００５】
この場合、パッケージ型燃料電池発電プラント１では、パッケージ６内にリークした可燃性ガスを外部に排出するため、可燃性ガス検知器７、換気ファン８および自動開放扉９を配設している。換気ファン８が駆動されることにより、パッケージ６内の可燃性ガスは、吸入口１０から吸入された外気によって希釈され、排出口１１から外部に排出される。また、可燃性ガス検知器７が可燃性ガスの濃度増加を検知したときには、自動開放扉９が開放され、可燃性ガスが外部に排出される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−３１４３６号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１では、パッケージ６内の換気を行うため、換気ファン８を駆動しなければならない。この場合、換気ファン８を駆動するための電力が必要であり、この電力を燃料電池５から取得しようとすると、燃料ガスが余分に消費されてしまう不具合が生じる。また、換気ファン８の重量を考慮しなければならないだけでなく、換気ファン８を設置するためのスペースも必要になる。さらに、自動開放扉９を開閉制御するために、可燃性ガスの濃度を検知する高価な可燃性ガス検知器７をパッケージ６内に配設しており、コストアップとなる問題がある。
【０００８】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、負荷電流の生成効率を低下させることなく、収納ボックス内のガスを効果的に排出することができるとともに、軽量、小型且つ安価に構成することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
少なくとも前記燃料電池を収納する収納ボックスと、
前記酸素含有ガスを前記燃料電池に供給する酸素含有ガス供給路から分岐され、前記収納ボックス内に前記酸素含有ガスの一部を供給する分岐供給路と、
前記収納ボックス内に供給する前記酸素含有ガスの供給量を調整する供給量調整部と、
前記収納ボックスにガス排出路を介して接続される希釈ボックスと、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
供給量調整部は、生成する負荷電流に依存する水素含有ガスの収納ボックス内でのリーク量に応じて、分岐供給路から酸素含有ガスの一部を収納ボックス内に調整して供給することにより、収納ボックス内のガスを希釈する。この場合、燃料電池によって生成される負荷電流を低下させることなく、必要な量だけの酸素含有ガスを用いて収納ボックス内のガスを効果的に希釈して外部に排出することができる。
【００１２】
本発明では、バルブ制御部が負荷電流に従って供給量調整バルブを調整することにより、リークする水素含有ガスを外部に効果的に排出することができる。
【００１４】
本発明では、バルブ制御部が酸素含有ガスの圧力に従って供給量調整バルブを調整することにより、リークする水素含有ガスを外部に効果的に排出することができる。
【００１６】
本発明では、燃料電池からリークする水素含有ガスに加えて、水素含有ガス供給路からリークする水素含有ガスを効果的に外部に排出することができる。
【００１８】
本発明では、燃料電池を収納する第１収納ボックス内のガスを希釈して外部に排出できるとともに、燃料電池および水素含有ガス供給路を収納する第２収納ボックス内のガスを希釈して外部に排出することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態の燃料電池システム２０を示す。なお、図１において、二重線で示すラインは、ガスの流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【００２０】
燃料電池システム２０は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスであるエア（酸素含有ガス）とが供給されることで負荷電流を生成する燃料電池スタック２２を備える。燃料電池スタック２２は、多数の燃料電池を積層して構成され、保護手段を兼ねる収納ボックス２４（第１収納ボックス）に収納される。
【００２１】
水素ガスは、水素タンク２６からバルブ２８、レギュレータ３０、熱交換器３２、加湿器３４およびマニホールド３５を介して燃料電池スタック２２のアノード電極に供給される。なお、水素タンク２６からマニホールド３５に至る管路は、水素ガス供給路３７を構成する。バルブ２８は、燃料電池スタック２２による発電開始および発電終了に応じて開閉される。レギュレータ３０は、水素ガスの燃料電池スタック２２に対する供給圧力をエア圧力に応じて調整する。熱交換器３２は、燃料電池スタック２２に供給する水素ガスの温度を調整する。加湿器３４は、燃料電池スタック２２に供給する水素ガスの加湿を行う。
【００２２】
エアは、コンプレッサ３６によって圧縮され、熱交換器３８、加湿器４０およびマニホールド３９を介して燃料電池スタック２２のカソード電極に供給される。また、コンプレッサ３６によって圧縮されたエアの一部は、レギュレータ３０に供給されることで、水素ガスの供給圧力を調整する。熱交換器３８は、燃料電池スタック２２に供給するエアの温度を調整し、加湿器４０は、燃料電池スタック２２に供給するエアの加湿を行う。
【００２３】
燃料電池スタック２２のアノード電極からの排気ガスは、マニホールド４１およびバルブ４２を介して希釈ボックス４４に排出され、カソード電極からの水を含む排気ガスは、マニホールド４３およびバルブ４６を介して希釈ボックス４４に排出される。希釈ボックス４４は、アノード電極からの排気ガスをカソード電極からの排気ガスによって希釈して外部に排出する。
【００２４】
水素ガス供給路３７に配設されるバルブ２８、レギュレータ３０、熱交換器３２および加湿器３４と、エアの供給路に配設される熱交換器３８および加湿器４０と、燃料電池スタック２２を収納する収納ボックス２４とは、収納ボックス４８（第２収納ボックス）に収納される。
【００２５】
コンプレッサ３６から出力されるエアの一部は、エア供給路から分岐供給路５０を介して収納ボックス４８内に供給される。分岐供給路５０には、エアの供給量を調整するバルブ５２（供給量調整バルブ）が配設される。収納ボックス４８と希釈ボックス４４とは、バルブ５４を有するガス排出路５６を介して接続される。
【００２６】
また、加湿器４０から出力されるエアの一部は、エア供給路から分岐供給路５８を介して収納ボックス２４内に供給される。分岐供給路５８には、エアの供給量を調整するバルブ６０（供給量調整バルブ）が配設される。収納ボックス２４と希釈ボックス４４とは、バルブ６２を有するガス排出路６４を介して接続される。
【００２７】
燃料電池スタック２２に対して供給するエアの流量は、コンプレッサ３６の回転数を制御する流量制御部６６によって制御される。また、燃料電池スタック２２に供給するエアおよび水素ガスの圧力は、バルブ４６の開度を制御する圧力制御部６８によって制御される。各バルブ２８、４２、５２、６０、６２の開閉または開度は、バルブ制御部７０によって制御され、流量制御部６６、圧力制御部６８およびバルブ制御部７０は、負荷電流設定部７２によって設定された所望の負荷電流に従って制御される。
【００２８】
本実施形態の燃料電池システム２０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について説明する。
【００２９】
先ず、負荷電流設定部７２において、発電目標とする負荷電流が設定されると、流量制御部６６は、コンプレッサ３６の回転数を制御して燃料電池スタック２２に供給するエアの流量を調整し、圧力制御部６８は、設定された負荷電流に従い、バルブ４６の開度を制御して燃料電池スタック２２に供給するエアの圧力を調整する。流量および圧力が調整されたエアは、熱交換器３８および加湿器４０によって所定の温度および湿度に調整され、燃料電池スタック２２のカソード電極に供給される。
【００３０】
次いで、バルブ制御部７０によりバルブ２８が開成されると、水素タンク２６から水素ガスが出力され、その圧力がコンプレッサ３６からレギュレータ３０に供給されるエアの圧力によって調整される。圧力の調整された水素ガスは、熱交換器３２および加湿器３４によって所定の温度および湿度に調整され、燃料電池スタック２２のアノード電極に供給される。
【００３１】
燃料電池スタック２２は、カソード電極に供給された所定圧力のエアと、アノード電極に供給された所定圧力の水素ガスとを反応させることにより負荷電流を生成する。
【００３２】
なお、負荷電流の生成に伴ってカソード電極で生成された水および反応に寄与しなかったエアを含む排気ガスは、バルブ４６を介して希釈ボックス４４に排出される。また、アノード電極で反応に寄与しなかった水素ガスは、バルブ制御部７０によって制御されるバルブ４２を介して希釈ボックス４４に排出される。希釈ボックス４４は、燃料電池スタック２２から排出された水素ガスをエアを含む排気ガスによって所定濃度以下に希釈して外部に排出する。
【００３３】
ここで、水素タンク２６から出力された水素ガスのリークを完全に回避することは不可能であり、例えば、水素ガス供給路３７の接続部分であるバルブ２８、レギュレータ３０、熱交換器３２、加湿器３４、マニホールド３５および燃料電池スタック２２を構成する各燃料電池のセル間から一部がリークする。本出願人は、この水素ガスのリーク量が燃料電池スタック２２により生成される負荷電流に依存することを見出した。
【００３４】
すなわち、燃料電池スタック２２で生成される負荷電流は、燃料電池スタック２２に供給するエアの圧力との関係を決めて設定されており、例えば、図２に示す関係にある。一方、燃料電池スタック２２を収納する収納ボックス２４内、あるいは、水素ガス供給路３７を含む燃料電池スタック２２の収納ボックス４８内の水素ガスのリーク量は、図３に示すように、負荷電流の増加に伴って増加する関係にある。この理由は、エアの圧力の増加に伴って水素ガスの圧力も増加するため、接続部分や機器の隙間から水素ガスがリークするものと考えられる。
【００３５】
図４は、図３に示す関係から、収納ボックス２４または４８内の水素ガスの濃度を基準値以下に維持するべく求めた負荷電流に対するバルブ６０または５２の開度の関係を示す。図４に示す関係は、バルブ制御部７０に設定される。
【００３６】
そこで、バルブ制御部７０は、負荷電流設定部７２から供給される目標の負荷電流に従い、図４に示す関係からバルブ６０または５２の開度を調整する。
【００３７】
例えば、燃料電池スタック２２を収納する収納ボックス２４内の水素ガスの濃度を希釈する場合、バルブ制御部７０は、バルブ６２を開成するとともに、バルブ６０を負荷電流に従った開度だけ開成する。この場合、加湿器４０から出力されたエアは、燃料電池スタック２２に供給されて負荷電流の生成を継続するとともに、一部が分岐供給路５８から所定の開度に設定されたバルブ６０を介して収納ボックス２４内に必要な量だけ供給される。従って、収納ボックス２４内にリークした水素ガスは、分岐供給路５８から供給されたエアによって希釈されるとともにエアによって流動し、バルブ６２を介してガス排出路６４から希釈ボックス４４に排出される。希釈ボックス４４では、水素ガスが燃料電池スタック２２のカソード電極からの排気ガスによって希釈され、外部に排出される。
【００３８】
また、収納ボックス４８内の水素ガスの濃度を希釈する場合、バルブ制御部７０は、バルブ５４を開成するとともに、バルブ５２を負荷電流に従った開度だけ開成する。この場合、コンプレッサ３６から出力されたエアは、熱交換器３８側に供給されるとともに、一部が分岐供給路５０およびバルブ５２を介して収納ボックス４８内に必要な量だけ供給される。従って、収納ボックス４８内にリークした水素ガスは、分岐供給路５０から供給されたエアによって希釈されるとともにエアによって流動し、バルブ５４を介してガス排出路５６から希釈ボックス４４に排出される。希釈ボックス４４では、水素ガスが燃料電池スタック２２のカソード電極からの排気ガスによって希釈され、外部に排出される。
【００３９】
以上のようにして、収納ボックス２４または４８内のガスは、燃料電池スタック２２によって生成される負荷電流に応じて供給されるエアの一部により希釈されて外部に排出される。この場合、供給されるエアの流動によってガスが排出されるため、排出用の換気ファンが不要であり、燃料電池システム２０を小型且つ安価に構成することができる。
【００４０】
また、燃料電池スタック２２に供給するエアの一部を流用し、所望の負荷電流を維持した状態でガスを希釈することができる。すなわち、ガスの希釈のために流用されるエア量に応じてコンプレッサ３６の回転数を制御することにより、所望の負荷電流を安定して生成することができる。
【００４１】
なお、負荷電流とエア圧力との間には、図２に示す関係が設定されている。従って、バルブ制御部７０は、所望の負荷電流を得るために圧力制御部６８に設定した制御圧力に従ってバルブ６０および／または５２の開度を調整し、必要な量のエアを収納ボックス２４および／または４８内に供給して水素含有ガスを希釈するようにしてもよい。また、圧力センサをコンプレッサ３６の直後、あるいは、収納ボックス２４に設けたマニホールド３９の直前に配設し、これによって検出したエア圧力に基づいてバルブ６０および／または５２の開度を調整するようにすれば、水素含有ガスの希釈に必要なエア供給量を一層高精度に調整することができる。
【００４２】
さらに、上述した実施形態では、収納ボックス２４内にリークしたガスと、収納ボックス４８内にリークしたガスの両方を希釈するように構成しているが、ガスのリーク量によっては、収納ボックス２４または４８のいずれか一方のみのガスを希釈するように構成してもよい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷電流から推定される必要な量の酸素含有ガスを収納ボックス内に供給することにより、燃料電池による負荷電流の生成効率を低下させることなく、収納ボックス内にリークしたガスを希釈して外部に排出することができる。
【００４４】
また、ガスの希釈のために換気ファンを配設する場合と比較すると、換気ファンの重量や容積を考慮する必要が全くなく、装置を軽量、小型且つ安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図２】本実施形態の燃料電池システムにおける負荷電流と供給するエア圧力との関係説明図である。
【図３】本実施形態の燃料電池システムにおける負荷電流と水素リーク量との関係説明図である。
【図４】本実施形態の燃料電池システムにおける負荷電流とバルブ開度との関係説明図である。
【図５】従来技術に係る燃料電池発電プラントの構成ブロック図である。
【符号の説明】
２０…燃料電池システム２２…燃料電池スタック
２４、４８…収納ボックス２６…水素タンク
２８、４２、４６、５２、５４、６０、６２…バルブ
３０…レギュレータ３２、３８…熱交換器
３４、４０…加湿器３６…コンプレッサ
４４…希釈ボックス５０、５８…分岐供給路
５６、６４…ガス排出路６６…流量制御部
６８…圧力制御部７０…バルブ制御部
７２…負荷電流設定部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates a load current by reacting a hydrogen-containing gas supplied to an anode electrode and an oxygen-containing gas supplied to a cathode electrode.
[0002]
[Prior art]
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane (electrolyte) / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is separated by a separator. It is comprised by pinching. This type of fuel cell is usually used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
[0003]
In a fuel cell, a fuel gas supplied to an anode electrode, for example, a hydrogen-containing gas, is hydrogen-ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode electrode side through an appropriately humidified electrolyte membrane. The generated electrons are taken out to an external circuit and used as a load current. The cathode electrode is supplied with an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas such as air, and the hydrogen ions, the electrons and the oxygen gas react with each other to produce water.
[0004]
As a prior art using such a fuel cell, for example, there is a package type fuel cell power plant 1 shown in FIG. 5 (see Patent Document 1). The package type fuel cell power plant 1 takes out hydrogen by supplying a fuel gas such as natural gas or methanol to the fuel processing device 3 via the fuel supply valve 2, and extracts the hydrogen and the oxidant supply valve 4. Electricity is generated by reacting the supplied oxygen with the fuel cell 5, and each component is housed in the package 6, so that the structure is convenient for installation and the like.
[0005]
In this case, in the package type fuel cell power plant 1, a combustible gas detector 7, a ventilation fan 8, and an automatic opening door 9 are disposed in order to discharge the combustible gas leaked into the package 6 to the outside. When the ventilation fan 8 is driven, the combustible gas in the package 6 is diluted by the outside air sucked from the suction port 10 and discharged from the discharge port 11 to the outside. When the combustible gas detector 7 detects an increase in the concentration of combustible gas, the automatic opening door 9 is opened and the combustible gas is discharged to the outside.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-8-31436 (FIG. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in patent document 1, in order to ventilate the inside of the package 6, the ventilation fan 8 must be driven. In this case, electric power for driving the ventilation fan 8 is necessary, and if this electric power is to be acquired from the fuel cell 5, there is a problem that fuel gas is consumed excessively. Further, not only the weight of the ventilation fan 8 must be taken into consideration, but also a space for installing the ventilation fan 8 is required. Further, in order to control the opening and closing of the automatic opening door 9, an expensive flammable gas detector 7 for detecting the concentration of the flammable gas is disposed in the package 6, and there is a problem that the cost increases.
[0008]
The present invention has been made to solve these problems, and can effectively discharge the gas in the storage box without reducing the generation efficiency of the load current, and is lightweight, small and inexpensive. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be configured as follows.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates a load current by reacting a hydrogen-containing gas supplied to an anode electrode and an oxygen-containing gas supplied to a cathode electrode.
A storage box for storing at least the fuel cell;
A branch supply path branched from an oxygen-containing gas supply path for supplying the oxygen-containing gas to the fuel cell, and supplying a part of the oxygen-containing gas into the storage box;
A supply amount adjusting unit for adjusting a supply amount of the oxygen-containing gas supplied into the storage box;
A dilution box connected to the storage box via a gas discharge path;
It is characterized by providing.
[0010]
Supply amount adjusting section, depending on the amount of leakage in a storage box of a hydrogen-containing gas depends on the load current to be generated, adjust it to supply into a portion of the storage box of the oxygen-containing gas from the branch supply path To dilute the gas in the storage box. In this case, without reducing the load current generated by the fuel cell, the gas in the storage box can be effectively diluted with the required amount of oxygen-containing gas and discharged to the outside.
[0012]
In the present invention, the valve control unit adjusts the supply amount adjustment valve according to the load current, so that the leaking hydrogen-containing gas can be effectively discharged to the outside.
[0014]
In the present invention, the valve control unit adjusts the supply amount adjusting valve according to the pressure of the oxygen-containing gas, so that the leaking hydrogen-containing gas can be effectively discharged to the outside.
[0016]
In the present invention, in addition to the hydrogen-containing gas leaking from the fuel cell, the hydrogen-containing gas leaking from the hydrogen-containing gas supply path can be effectively discharged to the outside.
[0018]
In the present invention, the gas in the first storage box for storing the fuel cell can be diluted and discharged to the outside, and the gas in the second storage box for storing the fuel cell and the hydrogen-containing gas supply path can be diluted to the outside. Can be discharged.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a fuel cell system 20 of the present embodiment. In FIG. 1, a line indicated by a double line represents a gas flow path, and a line indicated by a single line represents an electrical signal line.
[0020]
The fuel cell system 20 includes a fuel cell stack 22 that generates a load current by being supplied with hydrogen gas as a fuel gas and air (oxygen-containing gas) as an oxidant gas. The fuel cell stack 22 is configured by stacking a large number of fuel cells, and is stored in a storage box 24 (first storage box) that also serves as a protection means.
[0021]
Hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 26 to the anode electrode of the fuel cell stack 22 through the valve 28, the regulator 30, the heat exchanger 32, the humidifier 34, and the manifold 35. A pipe line extending from the hydrogen tank 26 to the manifold 35 constitutes a hydrogen gas supply path 37. The valve 28 is opened and closed according to the start and end of power generation by the fuel cell stack 22. The regulator 30 adjusts the supply pressure of hydrogen gas to the fuel cell stack 22 according to the air pressure. The heat exchanger 32 adjusts the temperature of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 22. The humidifier 34 humidifies the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 22.
[0022]
The air is compressed by the compressor 36 and supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 22 via the heat exchanger 38, the humidifier 40 and the manifold 39. A part of the air compressed by the compressor 36 is supplied to the regulator 30 to adjust the supply pressure of the hydrogen gas. The heat exchanger 38 adjusts the temperature of the air supplied to the fuel cell stack 22, and the humidifier 40 humidifies the air supplied to the fuel cell stack 22.
[0023]
Exhaust gas from the anode electrode of the fuel cell stack 22 is discharged to the dilution box 44 via the manifold 41 and the valve 42, and exhaust gas containing water from the cathode electrode is diluted to the dilution box 44 via the manifold 43 and the valve 46. To be discharged. The dilution box 44 dilutes the exhaust gas from the anode electrode with the exhaust gas from the cathode electrode and discharges it to the outside.
[0024]
A valve 28, a regulator 30, a heat exchanger 32 and a humidifier 34 disposed in the hydrogen gas supply path 37, a heat exchanger 38 and a humidifier 40 disposed in the air supply path, and the fuel cell stack 22 are arranged. The storage box 24 to be stored is stored in a storage box 48 (second storage box).
[0025]
Part of the air output from the compressor 36 is supplied into the storage box 48 from the air supply path via the branch supply path 50. The branch supply path 50 is provided with a valve 52 (supply amount adjustment valve) for adjusting the supply amount of air. The storage box 48 and the dilution box 44 are connected via a gas discharge path 56 having a valve 54.
[0026]
A part of the air output from the humidifier 40 is supplied into the storage box 24 from the air supply path via the branch supply path 58. The branch supply path 58 is provided with a valve 60 (supply amount adjustment valve) for adjusting the supply amount of air. The storage box 24 and the dilution box 44 are connected via a gas discharge path 64 having a valve 62.
[0027]
The flow rate of air supplied to the fuel cell stack 22 is controlled by a flow rate control unit 66 that controls the rotation speed of the compressor 36. The pressure of the air and hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 22 is controlled by a pressure control unit 68 that controls the opening degree of the valve 46. The opening / closing or opening of each valve 28, 42, 52, 60, 62 is controlled by a valve control unit 70, and the flow rate control unit 66, pressure control unit 68, and valve control unit 70 are set by a load current setting unit 72. Controlled according to the desired load current.
[0028]
The fuel cell system 20 of the present embodiment is basically configured as described above. Next, the operation thereof will be described.
[0029]
First, when the load current setting unit 72 sets the load current to be generated, the flow rate control unit 66 controls the rotation speed of the compressor 36 to adjust the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 22, The pressure control unit 68 adjusts the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 22 by controlling the opening of the valve 46 according to the set load current. The air whose flow rate and pressure are adjusted is adjusted to a predetermined temperature and humidity by the heat exchanger 38 and the humidifier 40 and supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 22.
[0030]
Next, when the valve 28 is opened by the valve control unit 70, hydrogen gas is output from the hydrogen tank 26, and the pressure thereof is adjusted by the pressure of the air supplied from the compressor 36 to the regulator 30. The pressure-adjusted hydrogen gas is adjusted to a predetermined temperature and humidity by the heat exchanger 32 and the humidifier 34 and supplied to the anode electrode of the fuel cell stack 22.
[0031]
The fuel cell stack 22 generates a load current by causing a predetermined pressure of air supplied to the cathode electrode to react with a predetermined pressure of hydrogen gas supplied to the anode electrode.
[0032]
The exhaust gas containing water generated at the cathode electrode with the generation of the load current and air that has not contributed to the reaction is discharged to the dilution box 44 through the valve 46. Further, the hydrogen gas that has not contributed to the reaction at the anode electrode is discharged to the dilution box 44 via the valve 42 controlled by the valve control unit 70. The dilution box 44 dilutes the hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 22 to a predetermined concentration or less with exhaust gas containing air and discharges the hydrogen gas to the outside.
[0033]
Here, it is impossible to completely avoid the leakage of the hydrogen gas output from the hydrogen tank 26. For example, the valve 28, the regulator 30, the heat exchanger 32, and the humidifier, which are connected portions of the hydrogen gas supply path 37, are not possible. A part leaks from between the cells of each fuel cell constituting the vessel 34, the manifold 35 and the fuel cell stack 22. The present applicant has found that the amount of hydrogen gas leakage depends on the load current generated by the fuel cell stack 22.
[0034]
That is, the load current generated in the fuel cell stack 22 is set by determining the relationship with the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 22, and has the relationship shown in FIG. 2, for example. On the other hand, the leakage amount of hydrogen gas in the storage box 24 for storing the fuel cell stack 22 or in the storage box 48 of the fuel cell stack 22 including the hydrogen gas supply path 37 is, as shown in FIG. There is a relationship that increases as the number increases. The reason for this is considered to be that hydrogen gas leaks from the gap between the connection part and the device because the pressure of hydrogen gas increases as the air pressure increases.
[0035]
FIG. 4 shows the relationship of the opening degree of the valve 60 or 52 with respect to the load current obtained to maintain the concentration of the hydrogen gas in the storage box 24 or 48 below the reference value from the relationship shown in FIG. The relationship shown in FIG. 4 is set in the valve control unit 70.
[0036]
Therefore, the valve control unit 70 adjusts the opening degree of the valve 60 or 52 from the relationship shown in FIG. 4 according to the target load current supplied from the load current setting unit 72.
[0037]
For example, when diluting the concentration of hydrogen gas in the storage box 24 that stores the fuel cell stack 22, the valve control unit 70 opens the valve 62 and opens the valve 60 by an opening according to the load current. In this case, the air output from the humidifier 40 is supplied to the fuel cell stack 22 and continues to generate load current, and partly passes through the valve 60 set to a predetermined opening from the branch supply path 58. Thus, a necessary amount is supplied into the storage box 24. Accordingly, the hydrogen gas leaking into the storage box 24 is diluted by the air supplied from the branch supply path 58 and flows with the air, and is discharged from the gas discharge path 64 to the dilution box 44 via the valve 62. In the dilution box 44, the hydrogen gas is diluted with the exhaust gas from the cathode electrode of the fuel cell stack 22 and discharged to the outside.
[0038]
In addition, when diluting the concentration of hydrogen gas in the storage box 48, the valve control unit 70 opens the valve 54 and opens the valve 52 by an opening according to the load current. In this case, the air output from the compressor 36 is supplied to the heat exchanger 38 side, and a part of the air is supplied into the storage box 48 through the branch supply path 50 and the valve 52. Accordingly, the hydrogen gas leaking into the storage box 48 is diluted by the air supplied from the branch supply path 50 and flows by the air, and is discharged from the gas discharge path 56 to the dilution box 44 via the valve 54. In the dilution box 44, the hydrogen gas is diluted with the exhaust gas from the cathode electrode of the fuel cell stack 22 and discharged to the outside.
[0039]
As described above, the gas in the storage box 24 or 48 is diluted by a part of the air supplied according to the load current generated by the fuel cell stack 22 and discharged to the outside. In this case, since the gas is discharged by the flow of the supplied air, a ventilation fan for discharging is unnecessary, and the fuel cell system 20 can be configured to be small and inexpensive.
[0040]
Further, a part of the air supplied to the fuel cell stack 22 can be used to dilute the gas while maintaining a desired load current. That is, a desired load current can be stably generated by controlling the rotation speed of the compressor 36 in accordance with the amount of air diverted for gas dilution.
[0041]
Note that the relationship shown in FIG. 2 is set between the load current and the air pressure. Therefore, the valve control unit 70 adjusts the opening degree of the valves 60 and / or 52 according to the control pressure set in the pressure control unit 68 in order to obtain a desired load current, and supplies a necessary amount of air to the storage box 24 and / or Alternatively, it may be supplied into 48 to dilute the hydrogen-containing gas. Further, a pressure sensor is disposed immediately after the compressor 36 or immediately before the manifold 39 provided in the storage box 24, and the opening degree of the valves 60 and / or 52 is adjusted based on the air pressure detected thereby. Then, the air supply amount required for dilution of the hydrogen-containing gas can be adjusted with higher accuracy.
[0042]
Furthermore, in the above-described embodiment, both the gas leaked into the storage box 24 and the gas leaked into the storage box 48 are diluted, but depending on the amount of gas leak, the storage box 24 or 48 may be configured to dilute only one of the gases.
[0043]
【Effect of the invention】
According to the present invention, by supplying a necessary amount of oxygen-containing gas estimated from the load current into the storage box, the gas leaked into the storage box without reducing the load current generation efficiency by the fuel cell. Can be diluted and discharged to the outside.
[0044]
Further, compared with a case where a ventilation fan is provided for gas dilution, it is not necessary to consider the weight and volume of the ventilation fan, and the apparatus can be configured to be lightweight, small and inexpensive.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the relationship between load current and supplied air pressure in the fuel cell system of the present embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a relationship between a load current and a hydrogen leak amount in the fuel cell system of the present embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between load current and valve opening in the fuel cell system of the present embodiment.
FIG. 5 is a configuration block diagram of a fuel cell power plant according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Fuel cell system 22 ... Fuel cell stack 24, 48 ... Storage box 26 ... Hydrogen tank 28, 42, 46, 52, 54, 60, 62 ... Valve 30 ... Regulator 32, 38 ... Heat exchanger 34, 40 ... Humidification 36: Compressor 44 ... Dilution box 50, 58 ... Branch supply path 56, 64 ... Gas discharge path 66 ... Flow rate control unit 68 ... Pressure control unit 70 ... Valve control unit 72 ... Load current setting unit

Claims

In a fuel cell system including a fuel cell that generates a load current by reacting a hydrogen-containing gas supplied to an anode electrode and an oxygen-containing gas supplied to a cathode electrode,
A storage box in which only the fuel cell is stored, and a hydrogen-containing gas supply path for supplying the hydrogen-containing gas to the fuel cell and an oxygen-containing gas supply path for supplying the oxygen-containing gas to the fuel cell are disposed outside. When,
A branch supply path branched from an oxygen-containing gas supply path for supplying the oxygen-containing gas to the fuel cell, supplying a part of the oxygen-containing gas into the storage box, and provided outside the storage box;
While adjusting the supply amount of the oxygen-containing gas supplied into the storage box, a supply amount adjustment unit provided outside the storage box;
A dilution box connected to the storage box via a gas discharge path;
With
The fuel cell system, wherein the oxygen-containing gas supplied into the storage box passes through the storage box and flows into the dilution box from the gas discharge path.

The system of claim 1, wherein
The supply amount adjustment unit includes:
A supply amount adjusting valve disposed in the branch supply path;
A valve controller for controlling the supply amount adjusting valve according to the load current to be generated;
A fuel cell system comprising:

The system of claim 1, wherein
The supply amount adjustment unit includes:
A supply amount adjusting valve disposed in the branch supply path;
A valve controller for controlling the supply amount adjusting valve according to the pressure of the oxygen-containing gas;
A fuel cell system comprising:

The system according to any one of claims 1 to 3,
It includes other storage box for accommodating the housing box Contact and the hydrogen-containing gas supply passage for each of the front KiOsamu paid box and the other of the storage box, the branch supply path and the supply amount adjusting unit A fuel cell system is provided.

In a fuel cell system including a fuel cell that generates a load current by reacting a hydrogen-containing gas supplied to an anode electrode and an oxygen-containing gas supplied to a cathode electrode,
A first storage box for storing the fuel cell;
A second storage box for storing the fuel cell and the hydrogen-containing gas supply path;
A branch supply path branched from an oxygen-containing gas supply path for supplying the oxygen-containing gas to the fuel cell and supplying a part of the oxygen-containing gas to each of the first storage box and the second storage box When,
A supply amount adjusting unit for adjusting a supply amount of the oxygen-containing gas for each of the first storage box and the second storage box;
A fuel cell system comprising:

The system of claim 5, wherein
The supply amount adjustment unit includes:
A supply amount adjusting valve disposed in the branch supply path;
A valve controller for controlling the supply amount adjusting valve according to the load current to be generated;
A fuel cell system comprising:

The system of claim 5, wherein
The supply amount adjustment unit includes:
A supply amount adjusting valve disposed in the branch supply path;
A valve controller for controlling the supply amount adjusting valve according to the pressure of the oxygen-containing gas;
A fuel cell system comprising: