(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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。
【請求項２】
請求項１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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平９−３１２１６７号公報
【特許文献２】特開２００５−２０３２６３号公報
【特許文献３】特開２００８−１７７１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例で用いた本発明のシステム構成を示す図。
【図２】比較例で用いたシステムの構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施の形態を下記実施例に従って説明する。
【００２２】
〔実施例〕
実施例のシステム構成を図１に示す。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【符号の説明】
【００３３】
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
【図１】
0005433364.tif 000002
【図２】
0005433364.tif 000003