JP5433364B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

燃料電池で発電した電力を利用する発電システムに関する。   The present invention relates to a power generation system that uses power generated by a fuel cell.

燃料電池は電気化学反応により燃料のエネルギーを直接電気エネルギーへ変換する電気化学デバイスである。燃料電池は用いる電荷担体等により、リン酸形燃料電池,溶融炭酸塩形燃料電池,固体酸化物形燃料電池,固体高分子形燃料電池(以下PEFCと略する),アルカリ形燃料電池に大別される。   A fuel cell is an electrochemical device that directly converts fuel energy into electrical energy through an electrochemical reaction. Fuel cells are roughly classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (hereinafter abbreviated as PEFC), and alkaline fuel cells, depending on the charge carrier used. Is done.

これらの各種燃料電池の中でもPEFCは、高電流密度発電や比較的低温度での運転が可能であるため、移動体電源をはじめ定置型電源やバックアップ電源など広範囲な応用が期待されている。   Among these various fuel cells, PEFC is capable of high current density power generation and operation at a relatively low temperature, and therefore is expected to be used in a wide range of applications such as mobile power supplies, stationary power supplies, and backup power supplies.

PEFCの電解質には、膜厚数十から百数十μmのプロトン交換イオン交換膜を用いる。イオン交換膜は、主鎖を構成するフルオロカーボンに、スルホン酸基を有する側鎖が結合した構造が一般的である。   As the PEFC electrolyte, a proton exchange ion exchange membrane having a film thickness of several tens to several hundreds of μm is used. An ion exchange membrane generally has a structure in which a side chain having a sulfonic acid group is bonded to a fluorocarbon constituting a main chain.

電解質膜は薄いフィルムであるが、電解質膜を中心としてその両側に電極が、さらにその両側にガス拡散層が、さらにその両側にセパレータが配置される。これが発電単位セル(単セル)の構成となる。   The electrolyte membrane is a thin film, and an electrode is disposed on both sides of the electrolyte membrane, a gas diffusion layer is disposed on both sides thereof, and a separator is disposed on both sides thereof. This constitutes a power generation unit cell (single cell).

電極は粒子径数〜数百nm程度のカーボン粒子を担体として、その表面に直径数〜数十Å程度の白金微粒子を分散させた白金触媒を、電解質と同様のプロトン伝導性を有するポリマーをバインダーとして結着,成形したものである。通常、電極は数〜数十μm程度の厚みを有する。触媒の担体としてカーボンが用いられるのは、電子伝導性が良好で化学的安定性が高いためである。また、白金を微粒子化するのは、白金の表面積を増大させ、電気化学反応の反応速度を高めるためである。   The electrode is composed of carbon particles having a particle diameter of about several hundreds of nanometers as a carrier, a platinum catalyst in which platinum fine particles having a diameter of about several to several tens of millimeters are dispersed on the surface, and a polymer having proton conductivity similar to that of an electrolyte as a binder. As a result of binding and molding. Usually, the electrode has a thickness of about several to several tens of micrometers. The reason why carbon is used as a catalyst carrier is that it has good electron conductivity and high chemical stability. Further, the reason why the platinum is made fine is to increase the surface area of the platinum and increase the reaction rate of the electrochemical reaction.

さらに電極の表面には、導電性多孔体であるガス拡散層(GDL)を配置する。GDLはセパレータから供給された電気化学反応に寄与する燃料および酸化剤ガスを反応場である電極活性点へ速やかに供給し、また反応後のガスを生成物とともに排出させる役割を担う。GDLにはカーボンの繊維を材料とした織布あるいは不織布状のものが一般的である。   Further, a gas diffusion layer (GDL), which is a conductive porous body, is disposed on the surface of the electrode. The GDL plays a role of promptly supplying the fuel and oxidant gas contributing to the electrochemical reaction supplied from the separator to the electrode active point which is a reaction field, and discharging the reacted gas together with the product. GDL is generally a woven or non-woven fabric made of carbon fibers.

GDLの両側にはセパレータが配置される。セパレータは隣り合うセルに供給されるガスを分離するとともに、反応ガスをGDLを介して電極へ供給する機能を持つ。また、発電により生じた電流を取り出すためにセパレータ自身に電流を流す必要があるため、セパレータには良好な導電性と電池内の腐食雰囲気に対する耐食性を有する材料を用いる。一般的には、カーボン系材料あるいは耐食処理を施した金属材料が用いられる。   Separators are arranged on both sides of the GDL. The separator has a function of separating the gas supplied to the adjacent cells and supplying the reaction gas to the electrode via the GDL. Further, since it is necessary to pass a current through the separator itself in order to take out a current generated by power generation, the separator is made of a material having good conductivity and corrosion resistance against the corrosive atmosphere in the battery. Generally, a carbon-based material or a metal material subjected to corrosion resistance treatment is used.

PEFC単セルは発電電圧が1V以下であるため、昇圧のため単セルを直列に積層して用いる。開発が進められている一般家庭向け燃料電池システムでは積層数数十セルの燃料電池が、自動車用途では数百セルを積層した燃料電池が用いられている。   Since the PEFC single cell has a generated voltage of 1 V or less, the single cells are stacked in series for boosting. A fuel cell system of several tens of cells is used in a fuel cell system for general households that is being developed, and a fuel cell in which several hundred cells are stacked in an automobile application.

燃料電池への供給ガスは、水素および酸素である。酸素は大気を使用する。水素は供給方法が種々検討されているが、一般的なものは高圧ボンベ,吸蔵合金,改質器などである。燃料電池に供給し、排出された水素は燃料電池スタック入口へ再循環させるシステムや、燃料電池スタック下流にバルブを設けるなどして排出を制御している。システムから排出される水素は、システム全体の発電効率に影響するとともに、安全性にも係わる。特にシステムの起動停止操作時や、燃料電池の負荷を大幅に減少させた時などでシステムから排出される水素量は増加する傾向にある。使用環境においても、密閉空間で燃料電池システムを使用する場合、水素が滞留する可能性もあることから、排出水素量および濃度は可能な限り低減させる必要がある。よって、燃料電池システムを設計するにあたり、排出水素濃度を低減させることによる、安全性確立の課題がある。   The gas supplied to the fuel cell is hydrogen and oxygen. Oxygen uses the atmosphere. Various methods of supplying hydrogen have been studied, but general ones are high pressure cylinders, storage alloys, reformers, and the like. The discharge of hydrogen supplied to the fuel cell is controlled by a system that recirculates the hydrogen discharged to the fuel cell stack inlet or by providing a valve downstream of the fuel cell stack. The hydrogen discharged from the system affects the power generation efficiency of the entire system and also relates to safety. In particular, the amount of hydrogen discharged from the system tends to increase when the system is started or stopped, or when the load on the fuel cell is greatly reduced. Even in the usage environment, when the fuel cell system is used in an enclosed space, hydrogen may accumulate, so the amount and concentration of discharged hydrogen must be reduced as much as possible. Therefore, in designing the fuel cell system, there is a problem of establishing safety by reducing the exhaust hydrogen concentration.

これに対して、特開平9−312167号公報や特開2005−203263号公報,特開2008−177116号公報ではアノード排出水素をカソードに導入してスタック内で酸化させることにより、排出水素濃度の低減を提案している。   On the other hand, in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 9-31167, 2005-203263, and 2008-177116, anode discharge hydrogen is introduced into the cathode and oxidized in the stack, so that the concentration of discharged hydrogen is reduced. Proposed reduction.

特開平9−312167号公報JP 9-31167 A 特開2005−203263号公報JP 2005-203263 A 特開2008−177116号公報JP 2008-177116 A

しかし、上記提案はアノード排出水素をカソードラインへ導入することを想定している。そのため、その圧力関係は、アノード排出水素圧力値がカソードラインの圧力値よりも高くないと成立しない。また、燃料電池スタックは、ガス流路をその内部に形成しているため、ガス流通時に圧力損失を生じる。よって、圧力値はスタック出口よりも入口の方が高くなる。一方、将来の燃料電池システムの発電条件として作動ガスの低圧化が想定されている(例えば、燃料電池実用化推進協議会「固体高分子形燃料電池の目標・研究開発課題と評価方法の提案」P5(2007.1))。このシステムでは、スタックの水素ライン出口は大気圧であり、カソードのスタック上流部はスタックの圧力損失分だけ大気圧よりも大きい。このスタックの出口圧力が大気圧同等であるシステムを常圧システムと定義する。常圧システムでは、アノード排出水素圧力値とカソードライン圧力値の圧力差が確保できず水素濃度を低減させるためにカソードへの水素導入ができず、排出水素濃度を低減させることができなかった。   However, the above proposal assumes the introduction of anode exhaust hydrogen into the cathode line. Therefore, the pressure relationship does not hold unless the anode discharge hydrogen pressure value is higher than the cathode line pressure value. In addition, since the fuel cell stack has a gas flow path formed therein, a pressure loss occurs during gas flow. Therefore, the pressure value is higher at the inlet than at the stack outlet. On the other hand, lowering the working gas is assumed as a power generation condition of the future fuel cell system (for example, “Promotion of solid polymer electrolyte fuel cell targets, research and development issues and evaluation methods” P5 (2007. 1)). In this system, the stack hydrogen line outlet is at atmospheric pressure and the cathode stack upstream is greater than atmospheric pressure by the stack pressure loss. A system in which the stack outlet pressure is equivalent to atmospheric pressure is defined as an atmospheric pressure system. In the normal pressure system, the pressure difference between the anode discharge hydrogen pressure value and the cathode line pressure value could not be secured, so that hydrogen could not be introduced to the cathode in order to reduce the hydrogen concentration, and the discharge hydrogen concentration could not be reduced.

そこで本発明はスタック出口圧力が常圧あるいはそれに近い条件で発電を行う燃料電池システムにおいてもシステム排出水素濃度の低減が可能な構成および制御を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system having a configuration and control capable of reducing the system exhaust hydrogen concentration even in a fuel cell system that generates power under conditions where the stack outlet pressure is at or near normal pressure.

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に水素供給ラインを介して水素を供給する水素供給源と、前記水素供給ラインに設けられ、前記水素供給源から供給される水素の圧力を調整する調圧弁と、前記燃料電池から排出される水素をシステム外へ排出する水素排出ラインと、前記水素排出ラインに設けられた排出バルブと、システム外へ排出される水素の濃度を検出する濃度センサと、前記燃料電池に空気供給ラインを介して空気を供給するためのエアブロアと、前記空気供給ラインに設けられ、空気に水分を添加する加湿器と、前記燃料電池から排出される排出空気を前記水素排出ラインへ供給する空気排出ラインと、発電電力を変換するコンバータと、各補機を制御する制御部と、前記燃料電池と前記エアブロア間の空気供給ラインから燃料電池と排出バルブ間の水素排出ラインを接続するパージラインを備え、前記制御部は、前記パージラインに設けられたバルブと前記排出バルブの開閉を制御することで、前記パージラインを流れる流体種類およびその方向を切り替えることを特徴とするものである。本システムにより、燃料電池システムの発電条件が高圧システムだけでなく、常圧システムにおいても排出水素濃度を効果的に低減することが可能となる。   The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, a hydrogen supply source that supplies hydrogen to the fuel cell via a hydrogen supply line, and a hydrogen pressure that is provided in the hydrogen supply line and is supplied from the hydrogen supply source. A pressure regulating valve for adjusting the pressure, a hydrogen discharge line for discharging hydrogen discharged from the fuel cell to the outside of the system, a discharge valve provided in the hydrogen discharge line, and a concentration of hydrogen discharged to the outside of the system A concentration sensor, an air blower for supplying air to the fuel cell via an air supply line, a humidifier provided in the air supply line for adding moisture to the air, and exhaust air discharged from the fuel cell An air discharge line for supplying the hydrogen to the hydrogen discharge line, a converter for converting the generated power, a control unit for controlling each auxiliary machine, and an air gap between the fuel cell and the air blower. A purge line connecting a hydrogen discharge line between the fuel cell and the discharge valve from the supply line is provided, and the control unit controls the opening and closing of the valve provided in the purge line and the discharge valve. The type of flowing fluid and its direction are switched. With this system, it is possible to effectively reduce the exhaust hydrogen concentration not only in the high pressure system but also in the normal pressure system as the power generation condition of the fuel cell system.

また、前記制御部が前記濃度センサで検出された排出水素の濃度の情報に基づいて、前記パージバルブを閉止し、前記排出バルブを開放し、前記空気排出ラインから供給される排出空気で排出水素を希釈する第一段階、前記パージバルブを開放し、前記排出バルブを開放し、前記空気排出ラインから供給される排出空気と、前記バイパスラインから供給される空気により排出水素を希釈する第二段階、前記排出バルブを閉止し、前記パージバルブを開放し、前記調圧弁を調整することにより圧力を増加させ、排出水素をパージラインを通して空気供給ラインのスタック上部に供給する第三段階の三段階の制御を行うことを特徴とする。   Further, the control unit closes the purge valve, opens the discharge valve based on the information on the concentration of discharged hydrogen detected by the concentration sensor, and discharges the discharged hydrogen with the discharged air supplied from the air discharge line. A first stage of diluting, a second stage of opening the purge valve, opening the exhaust valve, diluting exhaust hydrogen by exhaust air supplied from the air exhaust line and air supplied from the bypass line, The exhaust valve is closed, the purge valve is opened, the pressure is increased by adjusting the pressure regulating valve, and the three-stage control of supplying the exhaust hydrogen to the upper part of the stack of the air supply line through the purge line is performed. It is characterized by that.

また、上記の第一段階から第二段階への移行とともにエアブロアの空気供給量を増加させる制御を備えたことを特徴とするものである。この制御により、水素濃度を低減させるためにバイパスラインを通して空気を直接燃料電池スタックの排出部へ供給しても、燃料電池スタックへの空気供給量は減少しないため、発電量を維持させることができる。   Further, the present invention is characterized in that a control for increasing the air supply amount of the air blower with the transition from the first stage to the second stage is provided. With this control, even if air is supplied directly to the discharge part of the fuel cell stack through the bypass line in order to reduce the hydrogen concentration, the amount of air supplied to the fuel cell stack does not decrease, so the power generation amount can be maintained. .

また、前記制御部が、前記バイパスラインから前記空気供給ラインに供給される単位時間あたりの水素量を制限する制御を備えたものである。本制御により、燃料電池スタックから排出され、バイパスラインを通して再び燃料電池スタックへ供給された水素が電池内で酸化反応により発熱しても制御部の判断により、スタック温度が所定値を超えた場合に、パージバルブおよび排出バルブの開閉量を変化させることによりバイパスラインを通して供給する水素量を減少させ、システムの安全性をより高めることができる。   Moreover, the said control part is equipped with the control which restrict | limits the hydrogen amount per unit time supplied to the said air supply line from the said bypass line. With this control, even if the hydrogen discharged from the fuel cell stack and supplied again to the fuel cell stack through the bypass line generates heat due to an oxidation reaction in the battery, the stack temperature exceeds a predetermined value as determined by the control unit. By changing the opening / closing amounts of the purge valve and the exhaust valve, the amount of hydrogen supplied through the bypass line can be reduced, and the safety of the system can be further improved.

本発明によれば、供給ガス圧力を高めた高圧システムのみならず、常圧条件としたシステムにおいても排出水素濃度を低減させることができる。   According to the present invention, the exhaust hydrogen concentration can be reduced not only in a high pressure system in which the supply gas pressure is increased but also in a system under normal pressure conditions.

実施例で用いた本発明のシステム構成を示す図。The figure which shows the system configuration | structure of this invention used in the Example. 比較例で用いたシステムの構成を示す図。The figure which shows the structure of the system used by the comparative example.

本発明の実施の形態を下記実施例に従って説明する。   Embodiments of the present invention will be described according to the following examples.

〔実施例〕
実施例のシステム構成を図1に示す。
〔Example〕
The system configuration of the embodiment is shown in FIG.

燃料電池1に対して、水素供給源2から水素供給ライン14を通して供給された水素は調圧弁3で圧力を調整され燃料電池へ導入される。水素圧力は水素入口圧力計5で計測される。スタックから排出された水素は排出バルブ4が設けられた水素排出ライン15を通り、希釈された後、システム外へ排出される。エアブロア7から空気供給ライン16を通して供給された空気は、加湿器8で水分を添加されスタックへ導入される。空気の圧力は空気圧力計9で計測される。スタックへ供給された空気は発電で酸素を消費されたのち、余剰の空気はスタックから空気排出ライン17を通って、水素排出ライン15へ合流し、水素の希釈剤として使用される。排出ガスの水素濃度は濃度センサ6でモニタされる。加湿器の上流と水素ラインのスタック下流とをバイパスライン11が接続し、ライン上にはパージバルブ10が配置されている。パージラインは空気がスタック下流方向へ、水素が加湿器上流方向へ流通することが可能であり、その制御は制御部13が行う。制御部13には、水素入口圧力計5および空気圧力計9の計測値,濃度センサの計測値,スタックの電圧・電流値,温度の情報に基づき、調圧弁3,排出バルブ4,エアブロア7,パージバルブ10、および発電した電力を変換するコンバータ12をそれぞれ制御することができる。   Hydrogen supplied to the fuel cell 1 from the hydrogen supply source 2 through the hydrogen supply line 14 is adjusted in pressure by the pressure regulating valve 3 and introduced into the fuel cell. The hydrogen pressure is measured with a hydrogen inlet pressure gauge 5. Hydrogen discharged from the stack passes through a hydrogen discharge line 15 provided with a discharge valve 4, is diluted, and is discharged outside the system. The air supplied from the air blower 7 through the air supply line 16 is added with moisture by the humidifier 8 and introduced into the stack. The air pressure is measured by an air pressure gauge 9. After the oxygen supplied to the stack is consumed oxygen by power generation, surplus air passes from the stack through the air discharge line 17 to the hydrogen discharge line 15 and is used as a hydrogen diluent. The hydrogen concentration of the exhaust gas is monitored by the concentration sensor 6. A bypass line 11 connects the upstream of the humidifier and the downstream of the stack of the hydrogen line, and a purge valve 10 is disposed on the line. In the purge line, air can flow in the downstream direction of the stack and hydrogen can flow in the upstream direction of the humidifier, and the control is performed by the control unit 13. Based on the measured values of the hydrogen inlet pressure gauge 5 and the air pressure gauge 9, the measured value of the concentration sensor, the voltage / current value of the stack, and the temperature, the control unit 13 includes a pressure regulating valve 3, a discharge valve 4, an air blower 7, The purge valve 10 and the converter 12 that converts the generated power can be controlled.

図1に示す実施例1のシステムの発電時における制御内容について説明する。   The contents of control during power generation in the system of the first embodiment shown in FIG. 1 will be described.

スタックから排出された水素は、同様に排出された空気を用いて安全が確保できる濃度まで希釈することが望まれる。燃料である水素を排出することはシステム効率を低減させるため、排出バルブ4は常時開放にするのでは無く、間欠的に動作させている。排出バルブ4の開閉動作は制御部13の信号に基づき実施されており、燃料電池の電流条件に対する電圧値が所定値よりも低下したときにバルブを開放している。水素出口部は大気開放されており、圧力は大気圧である。ここには濃度センサ6が配置されており、システム稼動時は常時、排出ガス中の水素濃度をモニタリングしている。所定の上限水素濃度値(例えば0.25vol%)を上回った場合、次段階への移行を制御部は判断する。以上が水素濃度低減制御の第一段階である。   It is desirable to dilute the hydrogen discharged from the stack to a concentration at which safety can be secured using the discharged air. Since discharging hydrogen as fuel reduces system efficiency, the discharge valve 4 is not always opened but is operated intermittently. The opening / closing operation of the discharge valve 4 is performed based on a signal from the control unit 13, and the valve is opened when the voltage value with respect to the current condition of the fuel cell falls below a predetermined value. The hydrogen outlet is open to the atmosphere and the pressure is atmospheric pressure. A concentration sensor 6 is disposed here, and the hydrogen concentration in the exhaust gas is monitored at all times when the system is in operation. When a predetermined upper limit hydrogen concentration value (for example, 0.25 vol%) is exceeded, the control unit determines to move to the next stage. The above is the first stage of the hydrogen concentration reduction control.

第一段階で排出水素濃度が所定値を上回った場合、以下に示す第二段階へ移行する。水素濃度が上昇する局面としては、スタックの発電電力量の瞬間的な減少量が大きいときに、余剰な水素が生じる場合等が考えられる。また、システムの起動時や停止時等にも排出される水素量が増大する可能性がある。   When the exhaust hydrogen concentration exceeds a predetermined value in the first stage, the process proceeds to the second stage shown below. As a situation in which the hydrogen concentration increases, it is conceivable that excessive hydrogen is generated when the instantaneous decrease in the amount of power generated by the stack is large. In addition, the amount of hydrogen discharged may increase when the system is started or stopped.

この場合、バイパスライン11のパージバルブ10と排出バルブ4を開放とする。実施例1は常圧システムのため、スタックの水素出口圧力値がスタック空気入口部圧力値よりも低い。この条件を用いてパージライン11に加湿器8の上流からスタック水素出口部へ空気を流す。同時に制御部13はエアブロア7の稼働率を高め、バイパスライン11へ空気が分岐して流れても、スタックへ供給される空気量は一定となるように制御を行う。この制御により、燃料電池スタックへ供給される空気量には不足を生ずることなく発電出力を一定に保つことができる。バイパスライン11を通して供給した空気は、水素を希釈する希釈剤となるため、第一段階の状態よりも排出水素の濃度をより低減させることができる。   In this case, the purge valve 10 and the discharge valve 4 of the bypass line 11 are opened. Since Example 1 is a normal pressure system, the hydrogen outlet pressure value of the stack is lower than the stack air inlet pressure value. Using this condition, air is allowed to flow from the upstream side of the humidifier 8 to the stack hydrogen outlet through the purge line 11. At the same time, the control unit 13 increases the operating rate of the air blower 7 and performs control so that the amount of air supplied to the stack is constant even when air branches and flows to the bypass line 11. By this control, the power generation output can be kept constant without causing a shortage in the amount of air supplied to the fuel cell stack. Since the air supplied through the bypass line 11 serves as a diluent for diluting hydrogen, the concentration of discharged hydrogen can be further reduced as compared with the first stage state.

第二段階でも排出ガスの水素濃度が所定値を上回る場合、制御部13は水素濃度低減の第三段階への移行を行う。この場合、制御部13は排出バルブ4を閉止し、パージバルブ10を開放する。第二段階で稼動率を高めたエアブロア7は通常動作へ移行させる。同時に調圧弁3の設定二次圧力は、スタック出口水素圧力がカソードスタック入口部圧力を少なくとも上回る値となるように設定される。これにより、スタック排出水素はバイパスライン11を通り加湿器8の上流部へ導入される。空気ラインと混合した水素はスタック内部にて電極触媒で酸化反応により水となる。これらは排出空気とともにシステム外へ排出される。スタック中の酸化反応を利用することにより、排出ガス中の水素濃度を大幅に低減させることができる。   If the hydrogen concentration of the exhaust gas exceeds the predetermined value even in the second stage, the control unit 13 shifts to the third stage for reducing the hydrogen concentration. In this case, the control unit 13 closes the discharge valve 4 and opens the purge valve 10. The air blower 7 whose operating rate is increased in the second stage is shifted to normal operation. At the same time, the set secondary pressure of the pressure regulating valve 3 is set so that the stack outlet hydrogen pressure is at least higher than the cathode stack inlet pressure. As a result, the stack discharge hydrogen is introduced to the upstream portion of the humidifier 8 through the bypass line 11. The hydrogen mixed with the air line becomes water by an oxidation reaction with an electrode catalyst inside the stack. These are discharged out of the system together with the exhaust air. By utilizing the oxidation reaction in the stack, the hydrogen concentration in the exhaust gas can be greatly reduced.

一方、空気ラインに供給された水素は電池内で酸化反応を受けるため、連続的に大量の水素を空気ラインに導入した場合、スタックの急激な温度上昇を伴う可能性がある。よって、第三段階では制御部はスタックの温度変化情報をモニタし、所定以上の温度変化が生じた場合、発電負荷量を低減あるいはシステム停止への移行を行う。   On the other hand, since hydrogen supplied to the air line undergoes an oxidation reaction in the battery, when a large amount of hydrogen is continuously introduced into the air line, there is a possibility that a rapid temperature rise of the stack is accompanied. Therefore, in the third stage, the control unit monitors the temperature change information of the stack, and when the temperature change exceeds a predetermined value, the control unit reduces the power generation load amount or shifts to the system stop.

比較例のシステムを図2に示す。比較例は実施例と同様のシステム構成であるが、水素供給源2から供給され、調圧弁3で圧力調整された水素は燃料電池スタック1で電気化学反応に消費され、余剰水素は燃料電池スタック1からシステム外へは排出されず、バイパスライン11およびパージバルブ10を通り空気ラインの加湿器8上流部へ導入される。導入された水素はエアブロア2からの空気とともに加湿器8で水分添加された後、燃料電池スタック1へと供給される。燃料電池スタック1内で酸化された水素は水となって、余剰の空気とともにシステム外へ排出される。排出ガスの水素濃度は濃度センサ6によって監視される。   The system of the comparative example is shown in FIG. The comparative example has the same system configuration as that of the example, but hydrogen supplied from the hydrogen supply source 2 and pressure-adjusted by the pressure regulating valve 3 is consumed for the electrochemical reaction in the fuel cell stack 1, and surplus hydrogen is consumed in the fuel cell stack. 1 is not discharged out of the system, but is introduced to the upstream portion of the humidifier 8 of the air line through the bypass line 11 and the purge valve 10. The introduced hydrogen is added with moisture in the humidifier 8 together with the air from the air blower 2 and then supplied to the fuel cell stack 1. The hydrogen oxidized in the fuel cell stack 1 becomes water and is discharged out of the system together with surplus air. The hydrogen concentration of the exhaust gas is monitored by the concentration sensor 6.

ここで比較例のガスラインの圧力について着目する。比較例にはスタック入口部の水素圧力を計測する水素入口圧力計5と、スタック出口部の水素圧力を計測する水素出口圧力計20と、スタック入口部の空気圧力を計測する空気入口圧力計9が配置される。比較例の定格条件発電時における各ガスラインの圧力値を比較すると、水素入口圧力>水素出口圧力>空気入口圧力となる。水素で入口部での圧力差は、燃料電池スタック1の水素流路の圧力損失に相当するものであり、水素出口圧力>空気入口圧力となる関係は、排出水素を空気ラインの供給するための必要な圧力条件である。このため、制御部13は各圧力計で測定された圧力値から、排出水素が空気ラインの上部へ供給できるように調圧弁3を介して水素圧力値の調節を行っている。よって必然的に水素ラインは加圧する必要があり、燃料電池スタック出口部の圧力を常圧とした場合、排出水素を空気ラインへ供給することができないため、比較例では発電を継続することができない。   Here, attention is paid to the pressure of the gas line of the comparative example. The comparative example includes a hydrogen inlet pressure gauge 5 that measures the hydrogen pressure at the stack inlet, a hydrogen outlet pressure gauge 20 that measures the hydrogen pressure at the stack outlet, and an air inlet pressure gauge 9 that measures the air pressure at the stack inlet. Is placed. When comparing the pressure values of the gas lines during power generation under the rated condition of the comparative example, the hydrogen inlet pressure> the hydrogen outlet pressure> the air inlet pressure. The pressure difference at the inlet portion with hydrogen corresponds to the pressure loss of the hydrogen flow path of the fuel cell stack 1, and the relationship of hydrogen outlet pressure> air inlet pressure is for supplying discharged hydrogen to the air line. This is a necessary pressure condition. Therefore, the control unit 13 adjusts the hydrogen pressure value via the pressure regulating valve 3 so that the discharged hydrogen can be supplied to the upper part of the air line from the pressure value measured by each pressure gauge. Therefore, the hydrogen line inevitably needs to be pressurized, and when the pressure at the outlet of the fuel cell stack is normal pressure, exhaust hydrogen cannot be supplied to the air line, so power generation cannot be continued in the comparative example. .

以上、本発明の燃料電池システムによれば、開閉可能なバルブを有し、燃料電池とエアブロア間の空気供給ラインから燃料電池と排出バルブ間の水素排出ラインを接続するパージラインを備え、パージラインを流れる水素および空気を、その流れ方向を含めて切り替える制御を実施することにより、高圧システムだけでなく、常圧システムにおいても排出水素濃度を効果的に低減することが可能となる燃料電池システムとすることができた。   As described above, according to the fuel cell system of the present invention, the purge line includes a purge line that has an openable and closable valve and connects the hydrogen supply line between the fuel cell and the discharge valve from the air supply line between the fuel cell and the air blower. A fuel cell system capable of effectively reducing exhaust hydrogen concentration not only in a high-pressure system but also in a normal pressure system by performing control to switch hydrogen and air flowing through the air including its flow direction We were able to.

1 燃料電池
2 水素供給源
3 調圧弁
4 排出バルブ
5 水素入口圧力計
6 濃度センサ
7 エアブロア
8 加湿器
9 空気入口圧力計
10 パージバルブ
11 バイパスライン
12 コンバータ
13 制御部
14 水素供給ライン
15 水素排出ライン
16 空気供給ライン
17 空気排出ライン
20 水素出口圧力計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Hydrogen supply source 3 Pressure regulating valve 4 Discharge valve 5 Hydrogen inlet pressure gauge 6 Concentration sensor 7 Air blower 8 Humidifier 9 Air inlet pressure gauge 10 Purge valve 11 Bypass line 12 Converter 13 Control part 14 Hydrogen supply line 15 Hydrogen discharge line 16 Air supply line 17 Air discharge line 20 Hydrogen outlet pressure gauge

Claims (5)

燃料電池と、
前記燃料電池に水素供給ラインを介して水素を供給する水素供給源と、
前記水素供給ラインに設けられ、前記水素供給源から供給される水素の圧力を調整する調圧弁と、
前記燃料電池から排出される水素をシステム外へ排出する水素排出ラインと、前記水素排出ラインに設けられた排出バルブと、
システム外へ排出される水素の濃度を検出する濃度センサと、
前記燃料電池に空気供給ラインを介して空気を供給するためのエアブロアと、
前記空気供給ラインに設けられ、空気に水分を添加する加湿器と、
前記燃料電池から排出される排出空気を前記水素排出ラインへ供給する空気排出ラインと、
発電電力を変換するコンバータと
記燃料電池と前記エアブロア間の空気供給ラインから燃料電池と排出バルブ間の水素排出ラインを接続するパージラインと、前記パージラインに設けられたパージバルブと、
各補機を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記濃度センサで検出された排出水素の濃度の情報に基づいて、
前記パージバルブを閉止し、前記排出バルブを開放し、前記空気排出ラインから供給される排出空気で排出水素を希釈する第一段階、
前記パージバルブを開放し、前記排出バルブを開放し、前記空気排出ラインから供給される排出空気と、前記バイパスラインから供給される空気により排出水素を希釈する第二段階、
前記排出バルブを閉止し、前記パージバルブを開放し、前記調圧弁を調整することにより圧力を増加させ、排出水素をパージラインを通して空気供給ラインのスタック上部に供給する第三段階の三段階の制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell;
A hydrogen supply source for supplying hydrogen to the fuel cell via a hydrogen supply line;
A pressure regulating valve provided in the hydrogen supply line for adjusting the pressure of hydrogen supplied from the hydrogen supply source;
A hydrogen discharge line for discharging hydrogen discharged from the fuel cell to the outside of the system, a discharge valve provided in the hydrogen discharge line,
A concentration sensor that detects the concentration of hydrogen discharged outside the system;
An air blower for supplying air to the fuel cell via an air supply line;
A humidifier provided in the air supply line for adding moisture to the air;
An air discharge line for supplying exhaust air discharged from the fuel cell to the hydrogen discharge line;
A converter for converting generated power ;
A purge line connecting the hydrogen discharge line between the fuel cell and the discharge valve from the air supply line between the before and Symbol fuel cell air blower, a purge valve provided in the purge line,
A control unit for controlling each auxiliary machine ,
The control unit , based on the information on the concentration of exhaust hydrogen detected by the concentration sensor,
A first stage of closing the purge valve, opening the exhaust valve, and diluting exhaust hydrogen with exhaust air supplied from the air exhaust line;
A second stage of opening the purge valve, opening the discharge valve, and diluting discharged hydrogen by the discharged air supplied from the air discharge line and the air supplied from the bypass line;
The three-stage control of the third stage that closes the discharge valve, opens the purge valve, increases the pressure by adjusting the pressure regulating valve, and supplies the discharged hydrogen to the upper part of the stack of the air supply line through the purge line. fuel cell system and performing.
請求項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第一段階から第二段階への移行とともに前記エアブロアの空気供給量を増加させる制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1 , wherein control is performed to increase an air supply amount of the air blower with the transition from the first stage to the second stage. 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記バイパスラインから前記空気供給ラインに供給される単位時間あたりの水素量を制限する制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit performs control for limiting a hydrogen amount per unit time supplied from the bypass line to the air supply line. 3. 請求項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記第三段階で前記燃料電池の温度変化情報に基づいて、発電負荷量を低減あるいはシステム停止の制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 , wherein
The fuel cell system according to claim 3, wherein the control unit performs control for reducing a power generation load amount or stopping the system based on temperature change information of the fuel cell in the third stage.
請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出される水素の圧力が大気圧付近となるように前記水素供給源から供給される水素の圧力が調整されていることを特徴とする燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressure of hydrogen supplied from the hydrogen supply source is adjusted so that the pressure of hydrogen discharged from the fuel cell is close to atmospheric pressure. 3. Fuel cell system.
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