(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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負荷電流に従い、バルブ５２および６０の開度を制御し、燃料電池スタック２２に供給するエアの一部を収納ボックス２４および４８内に供給し、これらの収納ボックス２４および４８内にリークした水素ガスを希釈して希釈ボックス４４を介して外部に排出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記供給量調整部は、
前記分岐供給路に配設される供給量調整バルブと、
生成する前記負荷電流に従って前記供給量調整バルブを制御するバルブ制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記供給量調整部は、
前記分岐供給路に配設される供給量調整バルブと、
前記酸素含有ガスの圧力に従って前記供給量調整バルブを制御するバルブ制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステムにおいて、
前記収納ボックスは、水素含有ガス供給路を収納することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載のシステムにおいて、
前記収納ボックスは、前記燃料電池を収納する第１収納ボックスと、前記燃料電池および前記水素含有ガス供給路を収納する第２収納ボックスとからなり、前記第１収納ボックスおよび前記第２収納ボックスのそれぞれに対して、前記分岐供給路および前記供給量調整部が配設され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】
【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】
請求項１記載の本発明は、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、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項１記載の本発明では、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。
【００１１】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のシステムにおいて、
前記供給量調整部は、
前記分岐供給路に配設される供給量調整バルブと、
生成する前記負荷電流に従って前記供給量調整バルブを制御するバルブ制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の本発明では、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。
【００１３】
請求項３記載の本発明は、請求項１記載のシステムにおいて、
前記供給量調整部は、
前記分岐供給路に配設される供給量調整バルブと、
前記酸素含有ガスの圧力に従って前記供給量調整バルブを制御するバルブ制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の本発明では、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。
【００１５】
請求項４記載の本発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステムにおいて、
前記収納ボックスは、水素含有ガス供給路を収納することを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の本発明では、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。
【００１７】
請求項５記載の本発明は、請求項４記載のシステムにおいて、
前記収納ボックスは、前記燃料電池を収納する第１収納ボックスと、前記燃料電池および前記水素含有ガス供給路を収納する第２収納ボックスとからなり、前記第１収納ボックスおよび前記第２収納ボックスのそれぞれに対して、前記分岐供給路および前記供給量調整部が配設されることを特徴とする。
【００１８】
請求項５記載の本発明では、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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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