JP2005116375A - FUEL CELL OPERATION DEVICE, FUEL CELL OPERATION METHOD, PROGRAM, AND RECORDING MEDIUM - Google Patents
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Abstract
【課題】 長期間の保管において触媒劣化を生じてしまい、燃料電池の耐久性が悪化することがあった。
【解決手段】 燃料電池の保管期間において、(a)酸化剤極よりも上流に設けられた仕切弁41と、酸化剤極よりも下流に設けられた仕切弁42との間の部分における酸素含有ガス流路酸素濃度の検知、および/または(b)燃料極よりも上流に設けられた仕切弁37と、燃料極よりも下流に設けられた仕切弁43との間の部分における燃料ガス流路酸素濃度の検知を行う酸素濃度検知器50、51と、検知された酸素含有ガス流路酸素濃度および/または検知された燃料ガス流路酸素濃度が所定値以上である場合に、(a)仕切弁41と仕切弁42との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および/または(b)仕切弁37と仕切弁43との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行う制御部45とを備えた、燃料電池発電装置である。
【選択図】 図3PROBLEM TO BE SOLVED: To deteriorate the durability of a fuel cell due to catalyst deterioration during long-term storage.
In a storage period of a fuel cell, (a) oxygen content in a portion between a gate valve 41 provided upstream from an oxidant electrode and a gate valve 42 provided downstream from an oxidant electrode. Detection of gas flow path oxygen concentration and / or (b) fuel gas flow path in a portion between a gate valve 37 provided upstream from the fuel electrode and a gate valve 43 provided downstream from the fuel electrode When the oxygen concentration detectors 50 and 51 for detecting the oxygen concentration and the detected oxygen-containing gas flow path oxygen concentration and / or the detected fuel gas flow path oxygen concentration are equal to or higher than a predetermined value, (a) partition A control unit that injects a predetermined purge gas into a portion between the valve 41 and the gate valve 42 and / or (b) injects a predetermined purge gas into a portion between the gate valve 37 and the gate valve 43. 45, fuel cell power generation Device.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、燃料電池運転装置、燃料電池運転方法、プログラム、および記録媒体に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell operating device, a fuel cell operating method, a program, and a recording medium.
従来の燃料電池の一般的な構成を固体高分子形燃料電池で説明する。 A general structure of a conventional fuel cell will be described using a polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池とは、主に水素と酸素から電気エネルギーと熱エネルギーを得るものである。 A fuel cell obtains electric energy and heat energy mainly from hydrogen and oxygen.
Ptなどの触媒作用により、燃料極側では
(化1)
H2→2H++2e−
に示す反応が起こり、酸化剤極側では
(化2)
O2/2+2H+→H2O
で表される反応が起こる。
Due to the catalytic action of Pt and the like,
H 2 → 2H + + 2e −
The reaction shown below occurs, and on the oxidant electrode side (Chemical Formula 2)
O 2/2 + 2H + → H 2 O
The reaction represented by
全反応は
(化3)
H2+O2/2→H2O
で表される。
The total reaction is
H 2 + O 2/2 → H 2 O
It is represented by
燃料極側では一酸化炭素などによる劣化を防ぐため、Ptの他にもRuとの混合物や合金が使用される。これらの作用により燃料電池は、水素と酸素が反応し、反応生成物としては水のみができる。環境への影響物質が排出されないのが大きな特徴である。 In order to prevent deterioration due to carbon monoxide or the like on the fuel electrode side, a mixture or alloy with Ru is used in addition to Pt. By these actions, the fuel cell reacts with hydrogen and oxygen, and only water is produced as a reaction product. A major feature is that no substances that affect the environment are discharged.
しかし、電気や熱のエネルギーを必要としていない時まで動かす必要はないため、必要なときに起動し不必要なときに停止する「起動・停止型」の運転が求められている。 However, since it is not necessary to move until the time when electricity or heat energy is not needed, there is a need for a “start / stop type” operation that starts when necessary and stops when not needed.
その起動・停止の方法としていくつかの方法が考えられてきた。 Several methods have been considered as methods of starting and stopping.
停止時には、酸素含有ガスと燃料ガスの供給を停止しそのままにしておく方法や、酸化剤極のみをパージする方法や、燃料極のみをパージする方法がある。 When stopping, there are a method of stopping supply of oxygen-containing gas and fuel gas and leaving it as it is, a method of purging only the oxidant electrode, and a method of purging only the fuel electrode.
また、保管時に電解質であるイオン交換膜の保水状態を維持するために加湿された不活性ガスあるいは水を封入した停止・保管の方法が示されている(たとえば、特許文献1参照)。 In addition, a method for stopping and storing a humidified inert gas or water in order to maintain the water retention state of the ion exchange membrane, which is an electrolyte, during storage is disclosed (for example, see Patent Document 1).
また、運転停止時おける酸化剤極の酸化または不純物付着を防止するため、酸素含有ガスの供給を停止した状態で発電し、酸素消費操作を行い耐久性の向上を図る方法が示されている(たとえば、特許文献2参照)。
しかしながら、燃料ガスを保持したまま停止保管する方法は、安全性に問題があり、酸素含有ガスを保持したまま停止保管する方法は、酸素による触媒酸化による性能低下と電位による触媒機能の低下が問題である。たとえば、停止時に酸化剤極では電位が0.9Vの高電位に達し、Pt触媒の溶出やシンタリングが発生し、燃料極では電位が0.68V以上に達しRuの溶出が発生し、触媒機能が低下する。 However, the method of stopping and storing while holding the fuel gas has a safety problem, and the method of stopping and storing while holding the oxygen-containing gas is problematic in that the performance decreases due to catalytic oxidation by oxygen and the catalytic function decreases due to potential. It is. For example, at the time of stoppage, the potential reaches a high potential of 0.9 V at the oxidizer electrode, elution and sintering of the Pt catalyst occurs, and the potential reaches 0.68 V or more at the fuel electrode and Ru elution occurs. Decreases.
また、両極を不活性ガスなどでパージする停止保管方法では、両極の電位差はゼロになるが、両極の電位は、停止の方法により様々な値をとる。たとえば、燃料極をパージしてから酸化剤極をパージした場合、両極の電位差はゼロ、電位は0.9Vに近い高電位を示す。一方、酸化剤極をパージしてから燃料極をパージすると両極の電位差はゼロ、電位は0Vに近い値を示す。 Further, in the stopped storage method in which both electrodes are purged with an inert gas or the like, the potential difference between both electrodes becomes zero, but the potentials of both electrodes take various values depending on the stopping method. For example, when the fuel electrode is purged and then the oxidant electrode is purged, the potential difference between the two electrodes is zero, and the potential shows a high potential close to 0.9V. On the other hand, when the fuel electrode is purged after purging the oxidant electrode, the potential difference between the two electrodes is zero and the potential is close to 0V.
そして、本発明者は、両極の電位は停止時だけでなく保管時にも変化することに気付いた。 The inventor has realized that the potentials of both electrodes change not only when stopped but also during storage.
燃料電池発電装置の停止保管期間は、数時間から数日、数ヶ月が考えられる。そのため、両極をある一定の電位で電位差ゼロに停止保管した後、微量のガスリークなどにより両極の電位が変化したりすることがあるのである。 The stopped storage period of the fuel cell power generation device may be several hours to several days, or months. For this reason, the potentials of both electrodes may change due to a small amount of gas leakage after the electrodes are stored at a certain potential at zero potential difference.
本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、長期間の保管においても触媒劣化を生じにくくし、燃料電池の耐久性をより向上させることができる燃料電池運転装置、燃料電池運転方法、プログラム、および記録媒体を提供することを目的とする。 In view of the above-described conventional problems, the present invention makes it difficult to cause catalyst deterioration even during long-term storage, and can further improve the durability of the fuel cell, a fuel cell operating device, a fuel cell operating method, It is an object to provide a program and a recording medium.
第1の本発明は、燃料電池の保管期間において、(1)前記燃料電池の酸化剤極に対して所定の酸素含有ガスを供給し排出するための酸素含有ガス流路において前記酸化剤極よりも上流に設けられた酸素含有ガス流路上流弁と、前記酸素含有ガス流路において前記酸化剤極よりも下流に設けられた酸素含有ガス流路下流弁との間の部分における酸素含有ガス流路酸素濃度の検知、および/または(2)前記燃料電池の燃料極に対して所定の燃料ガスを供給し排出するため燃料ガス流路において前記燃料極よりも上流に設けられた燃料ガス流路上流弁と、前記燃料ガス供給流路において前記燃料極よりも下流に設けられた燃料ガス流路下流弁との間の部分における燃料ガス流路酸素濃度の検知を行う酸素濃度検知手段)と、
前記検知された酸素含有ガス流路酸素濃度および/または前記検知された燃料ガス流路酸素濃度が所定値以上である場合に、(a)前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および/または(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行うパージ用ガス注入手段とを備えた、燃料電池運転装置である。
According to the first aspect of the present invention, during the storage period of the fuel cell, (1) the oxygen-containing gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxygen-containing gas to and from the oxidant electrode of the fuel cell An oxygen-containing gas flow path upstream valve provided upstream and an oxygen-containing gas flow path in a portion between the oxygen-containing gas flow path and the oxygen-containing gas flow path downstream valve provided downstream of the oxidant electrode. On the fuel gas flow path provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for detecting the road oxygen concentration and / or (2) supplying and discharging a predetermined fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell An oxygen concentration detection means for detecting a fuel gas flow path oxygen concentration in a portion between the flow valve and the fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode in the fuel gas supply flow path;
When the detected oxygen-containing gas flow path oxygen concentration and / or the detected fuel gas flow path oxygen concentration is a predetermined value or more, (a) the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow Injection of a predetermined purge gas into a portion between the downstream valve and / or (b) a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve A fuel cell operating device comprising a purge gas injection means for performing injection.
第2の本発明は、前記所定の燃料ガスを清浄化する燃料ガス清浄化手段をさらに備え、
前記所定のパージ用ガスは、前記清浄化された燃料ガスである第1の本発明の燃料電池運転装置である。
The second aspect of the present invention further includes fuel gas cleaning means for cleaning the predetermined fuel gas,
The predetermined purge gas is the fuel cell operating device according to the first aspect of the present invention, which is the purified fuel gas.
第3の本発明は、前記所定値は、10ppmである第1の本発明の燃料電池運転装置である。 The third aspect of the present invention is the fuel cell operating device according to the first aspect of the present invention, wherein the predetermined value is 10 ppm.
第4の本発明は、燃料電池の保管期間において、(1)前記燃料電池の酸化剤極に対して所定の酸素含有ガスを供給し排出するための酸素含有ガス流路において前記酸化剤極よりも上流に設けられた酸素含有ガス流路上流弁と、前記酸素含有ガス流路において前記酸化剤極よりも下流に設けられた酸素含有ガス流路下流弁との間の部分における酸素含有ガス流路酸素濃度の検知、および/または(2)前記燃料電池の燃料極に対して所定の燃料ガスを供給し排出するため燃料ガス流路において前記燃料極よりも上流に設けられた燃料ガス流路上流弁と、前記燃料ガス供給流路において前記燃料極よりも下流に設けられた燃料ガス流路下流弁との間の部分における燃料ガス流路酸素濃度の検知を行う酸素濃度検知ステップと、
前記検知された酸素含有ガス流路酸素濃度および/または前記検知された燃料ガス流路酸素濃度が所定値以上である場合に、(a)前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および/または(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行うパージ用ガス注入ステップとを備えた、燃料電池運転方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, in the storage period of the fuel cell, (1) the oxygen-containing gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxygen-containing gas to and from the oxidant electrode of the fuel cell An oxygen-containing gas flow path upstream valve provided upstream and an oxygen-containing gas flow path in a portion between the oxygen-containing gas flow path and the oxygen-containing gas flow path downstream valve provided downstream of the oxidant electrode. On the fuel gas flow path provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for detecting the road oxygen concentration and / or (2) supplying and discharging a predetermined fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell An oxygen concentration detection step of detecting a fuel gas flow path oxygen concentration in a portion between the flow valve and a fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode in the fuel gas supply flow path;
When the detected oxygen-containing gas flow path oxygen concentration and / or the detected fuel gas flow path oxygen concentration is a predetermined value or more, (a) the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow Injection of a predetermined purge gas into a portion between the downstream valve and / or (b) a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve A fuel cell operation method comprising a purge gas injection step for performing injection.
第5の本発明は、請求項4記載の燃料電池運転方法の、前記検知された酸素含有ガス流路酸素濃度および/または前記検知された燃料ガス流路酸素濃度が所定値以上である場合に、(a)前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および/または(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行うパージ用ガス注入ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。
According to a fifth aspect of the present invention, when the detected oxygen-containing gas flow path oxygen concentration and / or the detected fuel gas flow path oxygen concentration is equal to or greater than a predetermined value in the fuel cell operating method according to
第6の本発明は、燃料電池の保管期間において、(1)前記燃料電池の酸化剤極に対して所定の酸素含有ガスを供給し排出するための酸素含有ガス流路において前記酸化剤極よりも上流に設けられた酸素含有ガス流路上流弁と、前記酸素含有ガス流路において前記酸化剤極よりも下流に設けられた酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または(2)前記燃料電池の燃料極に対して所定の燃料ガスを供給し排出するため燃料ガス流路において前記燃料極よりも上流に設けられた燃料ガス流路上流弁と、前記燃料ガス供給流路において前記燃料極よりも下流に設けられた燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行う第一のパージ用ガス注入手段と、
前記酸化剤極の電位と前記燃料極の電位との電位差の検知を行う電位差検知手段と、
前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入が行われる前後における前記検知が行われた電位差の変化が所定値以上である場合に、(a)前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を再び行う第二のパージ用ガス注入手段とを備えた、燃料電池運転装置である。
According to a sixth aspect of the present invention, during the storage period of the fuel cell, (1) the oxygen-containing gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxygen-containing gas to and from the oxidant electrode of the fuel cell A predetermined purge for a portion between an oxygen-containing gas channel upstream valve provided upstream and an oxygen-containing gas channel downstream valve provided downstream of the oxidant electrode in the oxygen-containing gas channel Injection of gas, or (2) a fuel gas flow path upstream valve provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for supplying and discharging a predetermined fuel gas to and from the fuel electrode of the fuel cell; A first purge gas injection means for injecting a predetermined purge gas into a portion between the fuel gas supply flow path and a fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode;
A potential difference detecting means for detecting a potential difference between the potential of the oxidant electrode and the potential of the fuel electrode;
Injection of a predetermined purge gas into a portion between the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow path downstream valve, or between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve When the change in the detected potential difference before and after the injection of the predetermined purge gas to the portion is greater than or equal to a predetermined value, (a) the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow Injection of a predetermined purge gas into the portion between the downstream valve and (b) injection of a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve. It is a fuel cell operating device provided with the 2nd purge gas injection means performed again.
第7の本発明は、前記所定の燃料ガスを清浄化する燃料ガス清浄化手段をさらに備え、
前記所定のパージ用ガスは、前記清浄化された燃料ガスである第6の本発明の燃料電池運転装置である。
The seventh aspect of the present invention further includes a fuel gas cleaning means for cleaning the predetermined fuel gas,
The predetermined purge gas is the fuel cell operating device according to the sixth aspect of the present invention, which is the purified fuel gas.
第8の本発明は、前記所定値は、10mVである第6の本発明の燃料電池運転装置である。 An eighth aspect of the present invention is the fuel cell operating device according to the sixth aspect of the present invention, wherein the predetermined value is 10 mV.
第9の本発明は、燃料電池の保管期間において、(1)前記燃料電池の酸化剤極に対して所定の酸素含有ガスを供給し排出するための酸素含有ガス流路において前記酸化剤極よりも上流に設けられた酸素含有ガス流路上流弁と、前記酸素含有ガス流路において前記酸化剤極よりも下流に設けられた酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または(2)前記燃料電池の燃料極に対して所定の燃料ガスを供給し排出するため燃料ガス流路において前記燃料極よりも上流に設けられた燃料ガス流路上流弁と、前記燃料ガス供給流路において前記燃料極よりも下流に設けられた燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行う第一のパージ用ガス注入ステップと、
前記酸化剤極の電位と前記燃料極の電位との電位差の検知を行う電位差検知ステップと、
前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入が行われる前後における前記検知が行われた電位差の変化が所定値以上である場合に、(a)前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を再び行う第二のパージ用ガス注入ステップとを備えた、燃料電池運転方法である。
According to a ninth aspect of the present invention, in the storage period of the fuel cell, (1) the oxygen-containing gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxygen-containing gas to and from the oxidant electrode of the fuel cell A predetermined purge for a portion between an oxygen-containing gas channel upstream valve provided upstream and an oxygen-containing gas channel downstream valve provided downstream of the oxidant electrode in the oxygen-containing gas channel Injection of gas, or (2) a fuel gas flow path upstream valve provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for supplying and discharging a predetermined fuel gas to and from the fuel electrode of the fuel cell; A first purge gas injection step for injecting a predetermined purge gas into a portion between the fuel gas supply channel and a fuel gas channel downstream valve provided downstream of the fuel electrode;
A potential difference detection step for detecting a potential difference between the potential of the oxidant electrode and the potential of the fuel electrode;
Injection of a predetermined purge gas into a portion between the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow path downstream valve, or between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve When the change in the detected potential difference before and after the injection of the predetermined purge gas to the portion is greater than or equal to a predetermined value, (a) the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow Injection of a predetermined purge gas into the portion between the downstream valve and (b) injection of a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve. And a second purge gas injection step that is performed again.
第10の本発明は、、第9の本発明の燃料電池運転方法の、燃料電池の保管期間において、(1)前記燃料電池の酸化剤極に対して所定の酸素含有ガスを供給し排出するための酸素含有ガス流路において前記酸化剤極よりも上流に設けられた酸素含有ガス流路上流弁と、前記酸素含有ガス流路において前記酸化剤極よりも下流に設けられた酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または(2)前記燃料電池の燃料極に対して所定の燃料ガスを供給し排出するため燃料ガス流路において前記燃料極よりも上流に設けられた燃料ガス流路上流弁と、前記燃料ガス供給流路において前記燃料極よりも下流に設けられた燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行う第一のパージ用ガス注入ステップと、前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入が行われる前後における前記検知が行われた電位差の変化が所定値以上である場合に、(a)前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を再び行う第二のパージ用ガス注入ステップとをコンピュータに実行させるためのプログラムである。 According to a tenth aspect of the present invention, in the fuel cell operating method of the ninth aspect of the present invention, during the storage period of the fuel cell, (1) a predetermined oxygen-containing gas is supplied to the oxidant electrode of the fuel cell and discharged. An oxygen-containing gas flow path upstream valve provided upstream of the oxidant electrode in the oxygen-containing gas flow path, and an oxygen-containing gas flow provided downstream of the oxidant electrode in the oxygen-containing gas flow path Injection of a predetermined purge gas into the portion between the downstream valve and (2) supply and discharge of a predetermined fuel gas to and from the fuel electrode of the fuel cell in the fuel gas flow path than the fuel electrode A predetermined purge gas is injected into a portion between a fuel gas flow path upstream valve provided upstream and a fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode in the fuel gas supply flow path. First purge gas to perform An injection step, injection of a predetermined purge gas into a portion between the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow path downstream valve, or the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream When the change in the detected potential difference before and after the injection of the predetermined purge gas to the portion between the valve and the valve is greater than or equal to a predetermined value, (a) the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the Injection of a predetermined purge gas to a portion between the oxygen-containing gas flow path downstream valve and (b) a predetermined purge for a portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve This is a program for causing a computer to execute a second purge gas injection step for performing gas injection again.
第11の本発明は、第5または第10の本発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。 The eleventh aspect of the present invention is a recording medium carrying the program of the fifth or tenth aspect of the present invention, and is a recording medium that can be processed by a computer.
本発明は、長期間の保管においても触媒劣化を生じにくくし、燃料電池の耐久性をより向上させることができるという長所を有する。 The present invention has an advantage that catalyst deterioration hardly occurs even during long-term storage, and the durability of the fuel cell can be further improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
はじめに、図1〜3を主として参照しながら、本実施の形態の燃料電池発電装置の構成について説明する。
(Embodiment 1)
First, the configuration of the fuel cell power generator according to the present embodiment will be described with reference mainly to FIGS.
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池の中でも高分子電解質型燃料電池(以降、PEFCと称する)の基本構成を示している。
FIG. 1 shows a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) among the fuel cells according to
燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸素含有ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。 A fuel cell is one that causes a fuel gas such as hydrogen and an oxygen-containing gas such as air to react electrochemically with a gas diffusion electrode, and generates electricity and heat simultaneously.
水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、関連する手段の符号にaを付け、空気などの酸素含有ガスの関与する側をカソードと呼び、関連する手段の符号にcを付けた。 The side involving a fuel gas such as hydrogen is referred to as the anode and the sign of the relevant means is a, the side involving the oxygen-containing gas such as air is called the cathode and the sign of the related means is c.
1は電解質であり、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用させる。電解質1(以降、膜と称することもある)の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層2a、2cを密着して配置してある。この触媒反応層で前述の(化1)と(化2)に示す反応が発生する。
少なくとも水素を含む燃料ガス(以降、アノードガスと称する)は(化1)に示す反応(以降、アノード反応と称する)を行う。 The fuel gas containing at least hydrogen (hereinafter referred to as anode gas) performs the reaction shown in (Chemical Formula 1) (hereinafter referred to as anode reaction).
電解質1を介して移動した水素イオンは、酸素含有ガス(以降、カソードガスと称する)と触媒反応層2cで(化2)に示す反応(以降、カソード反応と称する)を行い、水を生成し、このとき電気と熱を生ずる。
The hydrogen ions that have moved through the
さらに触媒反応層2a、2cの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層3a、3cをこれに密着して配置する。この拡散層3a、3cと触媒反応層2a、2cにより電極4a、4cを構成する。
Further, diffusion layers 3a and 3c having gas permeability and conductivity are disposed in close contact with the outer surfaces of the catalyst reaction layers 2a and 2c. The diffusion layers 3a and 3c and the catalyst reaction layers 2a and 2c constitute
5は電極電解質接合体(以降、MEAと称する)であり、電極4a、4cと電解質1とで形成している。
MEA5を機械的に固定するとともに、隣接するMEA5同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路6a、6cをMEA5に接する面に形成した一対の導電性のセパレータ7a、7cを、配置する。
Gas flow path for mechanically fixing the
膜1と、1対の触媒反応層2a、2cと、一対の拡散層3a、3cと、一対の電極4a、4cと、一対のセパレータ7a、7cで基本の燃料電池(以降、セルと称する)を形成する。
A basic fuel cell (hereinafter referred to as a cell) includes a
セパレータ7a、7cにはMEA5とは反対の面に、隣のセルのセパレータ7cまたはセパレータ7aが接する。
The
8a、8cはセパレータ7a、7c同士が接する側に設けられた冷却水通路であり、ここに冷却水が流れる。冷却水はセパレータ7a、7cを介してMEA5の温度を調整するように熱を移動させる。
8a and 8c are cooling water passages provided on the side where the
9はMEA5とセパレータ7a、7cを封止するMEAガスケットである。
膜1は固定電荷を有しており、固定電荷の対イオンとして水素イオンが存在している。膜1には水素イオンを選択的に透過させる機能が求められるが、そのためには膜1が水分を保持していることが必要である。膜1が水分を含むことにより、膜1内に固定されている固定電荷が電離し、固定電荷の対イオンである水素がイオン化し、移動できるようになるからである。
The
図2は、セルを積層したスタックの斜視図である。 FIG. 2 is a perspective view of a stack in which cells are stacked.
燃料電池セルの電圧は通常0.75V程度と低いために、セルを直列に複数個積層し、高電圧と成るようにしている。 Since the voltage of the fuel battery cell is usually as low as about 0.75 V, a plurality of cells are stacked in series so as to obtain a high voltage.
21はスタックから外部に電流を取り出すための集電板であり、22はセルと外部を電気的に絶縁するための絶縁板である。23はセルを積層したスタックを締結し、機械的に保持する端板である。
図3は、本発明の実施の形態1の燃料電池発電装置を表す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating the fuel cell power generator according to
31は燃料電池システムの外筐体である。
32は燃料ガスから燃料電池に悪影響を与える物質を除去する清浄部であり、原料ガス配管から燃料ガスを導く。
A
33は仕切弁であり、原料ガスの流れを制御する。
A
34は燃料生成器であり、原料ガスから少なくとも水素を含む燃料ガスを生成する。
A
燃料電池の運転時は燃料生成器34には原料ガス配管と仕切弁35を介して原料ガスが導かれる。
During operation of the fuel cell, the raw material gas is guided to the
36はスタックであり、図1および図2で詳細を示したものである。燃料ガス配管を通じ、燃料生成器34から燃料電池スタック36に燃料ガスが導かれる。
37は仕切弁であり、燃料ガスの燃料電池スタック36への流れを制御する。また、停止保管時には仕切弁37はスタック内に不活性ガスをパージおよび封止する働きを行う。また、停止保管時には仕切弁37はスタック内に不活性ガスをパージおよび封止する働きを行う。
A
なお、不活性ガスとは、必ずしもヘリウム、ネオンなどのいわゆる希ガスや窒素のこととは限らず、ガス清浄部で清浄化された原料ガスなどのように燃料電池に対し不活性なガスであればよく、要するに所定のパージ用ガスのことである(以下同様)。 The inert gas is not necessarily a so-called noble gas such as helium or neon or nitrogen, but may be a gas inert to the fuel cell such as a raw material gas cleaned in the gas cleaning section. In short, it is a predetermined purge gas (the same applies hereinafter).
39はブロアであり、酸素含有ガスは吸気管を通して燃料電池スタック36に導入される。
41は仕切弁であり、燃料ガスの燃料電池スタック36への流れを制御する。
A
燃料電池スタック36で利用されなかった酸素含有ガスは仕切弁42を介して排気される。また、停止保管時には仕切弁42はスタック内に不活性ガスをパージおよび封止する働きを行う。
The oxygen-containing gas that has not been used in the
40は加湿器である。燃料電池は水分が必要なため、燃料電池スタック36に流れ込む酸素含有ガスはここで加湿される。
燃料電池スタック36で利用されなかった燃料ガスはオフガス管により再び、燃料生成器34に流れ込む。オフガス管からのガスは燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。
The fuel gas that has not been used in the
停止保管時には仕切弁42はスタック内に不活性ガスをパージおよび封止する働きを行う。
During stop storage, the
43は仕切弁であり、燃料電池スタック36から燃料生成器34へ流れるオフガスを制御する。
43 is a gate valve that controls off-gas flowing from the
44は燃料電池スタック36から電力を取り出す電力回路部であり、45はガスや電力回路部、仕切弁などを制御する制御部である。
46はポンプであり、冷却水入り口配管から燃料電池スタック36の水経路に水を流す。燃料電池スタック36を流れた水は冷却水出口配管から外部に水が運ばれる。燃料電池スタック36を水が流れることにより、発熱した燃料電池スタック36を一定の温度に保ちながら、発生した熱を燃料電池システム外部で利用できるようになるのである。
酸素濃度検知器50、51は燃料電池スタック36内を満たした不活性ガスの酸素濃度変化を検知し、所定濃度以上の酸素濃度を検知した場合、制御部45へ信号発信し、仕切弁の動作を行う。
The
実施の形態1の燃料電池発電装置は、燃料電池からなる燃料電池スタック36と、ガス清浄部32と、燃料生成器34と、電力回路部44と、制御部45と、酸素濃度検知器より構成されている。
The fuel cell power generator according to
なお、酸素濃度検知器50、51を含む手段は本発明の酸素濃度検知手段に対応し、制御部45は本発明のパージ用ガス注入手段に対応し、本実施の形態の燃料電池発電装置は本発明の燃料電池運転装置に対応する。
The means including the
また、ガス清浄部32は、本発明の燃料ガス清浄化手段に対応する。
The
また、仕切弁41は本発明の酸素含有ガス流路上流弁に対応し、仕切弁42は本発明の酸素含有ガス流路下流弁に対応し、仕切弁37は本発明の燃料ガス流路上流弁に対応し、仕切弁43は本発明の燃料ガス流路下流弁に対応する。
The
つぎに、本実施の形態の燃料電池発電装置の動作について説明する。なお、本実施の形態の燃料電池発電装置の動作について説明しながら、本発明の燃料電池運転方法の一実施の形態についても説明する(以下同様)。 Next, the operation of the fuel cell power generator of this embodiment will be described. While describing the operation of the fuel cell power generator of the present embodiment, an embodiment of the fuel cell operation method of the present invention will also be described (the same applies hereinafter).
まず、基本動作を説明し、本実施の形態の燃料電池発電装置のポイントとなる保管に関する動作については後述する。 First, a basic operation will be described, and an operation related to storage, which is a point of the fuel cell power generation device of the present embodiment, will be described later.
図3において、弁33が開となり、原料ガス配管から原料ガスがガス清浄部32に流れ込む。
In FIG. 3, the
原料ガスとしては、天然ガス、プロパンガスなど炭化水素系のガスを使用することが出来るが、本実施の形態ではメタン、エタン、プロパン、ブタンガスの混合ガスである13Aを用いた。 As the raw material gas, a hydrocarbon-based gas such as natural gas or propane gas can be used. In this embodiment, 13A, which is a mixed gas of methane, ethane, propane, and butane gas, is used.
ガス清浄部32としては、特にTBM(ターシャリブチルメルカプタン)、DMS(ジメチルサルファイド)、THT(テトラヒドロチオフィン)等のガス付臭剤の除去の除去を行う部材を用いている。付臭剤などの硫黄化合物は燃料電池の触媒に吸着し、触媒毒となり反応を阻害するためである。
As the
燃料生成器34では(化4)に示す反応等により、水素が生成される。
The
(化4)
CH3+H2O→3H2+CO(−203.0KJ/mol)
ここで水素と水分を含む燃料ガスが作成し、燃料ガス配管を介して燃料電池の燃料電池スタック36に流れ込む。
(Chemical formula 4)
CH 3 + H 2 O → 3H 2 + CO (−203.0 KJ / mol)
Here, a fuel gas containing hydrogen and moisture is created and flows into the
酸素含有ガスはブロア39により加湿器40を通った後、燃料電池スタック36に流れ込む。酸素含有ガスの排ガスは排気管より外部に排出される。
The oxygen-containing gas passes through the
加湿器40として、温水に酸素含有ガスを流すものや、酸素含有ガス中に水を吹き込むもの等が使用できるが、本実施の形態では全熱交換型を使用した。これは、排ガス中の水と熱とを加湿器40を通過する際に、吸気管から運ばれる原料となる酸素含有ガス中に移動させるものである。
As the
冷却水は、ポンプ46より冷却水入り口配管から燃料電池スタック36の水経路に流された後、冷却水出口配管から外部に水が運ばれる。図3では図示が省略されているが、冷却水入り口配管や冷却水出口配管には、通常給湯器などが配管されている。燃料電池の燃料電池スタック36で発生する熱を取りだし、給湯等に利用できるようになるのである。
The cooling water flows from the cooling water inlet pipe to the water path of the
燃料電池スタック36内での燃料電池の動作について図1を用いて説明する。
The operation of the fuel cell in the
ガス流路6cに空気などの酸素含有ガスを流し、ガス流路6aに水素を含む燃料ガスを流す。
An oxygen-containing gas such as air is flowed through the
燃料ガス中の水素は拡散層3aを拡散し、触媒反応層2aに達する。触媒反応層2aで水素は水素イオンと電子に分けられる。電子は外部回路を通じてカソード側に移動される。水素イオンは膜1を透過しカソード側に移動し触媒反応層2cに達する。
Hydrogen in the fuel gas diffuses through the
空気などの酸素含有ガス中の酸素は拡散層3cを拡散し、触媒反応層2cに達する。触媒反応層2cでは酸素が電子と反応し酸素イオンとなり、さらに酸素イオンは水素イオンと反応し水が生成される。つまりMEA5の周囲で酸素含有ガスと燃料ガスが反応し水が生成され、電子が流れる。
Oxygen in an oxygen-containing gas such as air diffuses through the
さらに反応時に熱が生成し、MEA5の温度が上昇する。
Further, heat is generated during the reaction, and the temperature of
そのため冷却水経路8a、8cに水などを流すことにより反応で発生した熱を水で外部に運び出す。つまり、熱と電流(電気)が発生するのである。
Therefore, the heat generated in the reaction is carried out by water by flowing water or the like through the cooling
このとき、導入されるガスの湿度と反応で発生する水の量の管理が重要である。水分が少ないと膜1が乾燥し、固定電化の電離が少なくなるために水素の移動が減少するので、熱や電気の発生が小さくなる。一方水分が多すぎると、MEA5の周りまたは触媒反応層2a、2cの周囲に水が溜まってしまい、ガスの供給が阻害され反応が抑制されるため、熱と電気の発生が減少してしまう。(以降、この状態をフラッティングと称する。)
燃料電池のセルで反応した後の動作について図3を用いて説明する。
At this time, it is important to control the humidity of the introduced gas and the amount of water generated by the reaction. When there is little moisture, the
The operation after reacting in the fuel cell will be described with reference to FIG.
酸素含有ガスの使用されなかった排ガスは加湿器40を介し、熱と水分をブロア39から送られてきた酸素含有ガスに渡した後、外部へ排出される。
The exhaust gas in which the oxygen-containing gas is not used passes through the
燃料ガスの使用されなかったオフガスはオフガス管により再び、燃料生成器34に流れ込む。オフガス管からのガスは燃料生成器34中では燃焼などに用いられる。原料ガスから燃料ガスを生成するための反応は(化4)で示されるように吸熱反応であるため、反応に必要な熱として利用されるのである。
The off gas that has not been used for the fuel gas flows again into the
電力回路部44は燃料電池が発電を開始した後、燃料電池スタック36から直流の電力を引き出す役割をする。
The
制御部45は燃料電池システムの他の部分の制御を最適に保つよう制御するものである。
The
つぎに、本実施の形態の燃料電池発電装置のポイントとなる保管に関する動作についてより具体的に説明する。 Next, the operation related to storage, which is a point of the fuel cell power generation device of the present embodiment, will be described more specifically.
原料ガスは都市ガスの13Aガス、酸素含有ガスとしては空気をそれぞれ用いた。 The source gas was city gas 13A, and the oxygen-containing gas was air.
燃料電池の温度は70℃、燃料ガス利用率(Uf)は70%、酸素利用率(Uo)は40%の条件とした。 The temperature of the fuel cell was 70 ° C., the fuel gas utilization rate (Uf) was 70%, and the oxygen utilization rate (Uo) was 40%.
燃料ガスおよび空気は、それぞれ70℃の露点を有するように加湿した。 The fuel gas and air were each humidified to have a dew point of 70 ° C.
電力回路部44から電流を取り出した。電流は電極の見かけ面積あたりで、0.2A/cm2となるように調整した。
A current was taken out from the
冷却水入り口配管および冷却水出口配管には、貯湯タンク(図示されていない)が取り付けてある。 A hot water storage tank (not shown) is attached to the cooling water inlet pipe and the cooling water outlet pipe.
冷却水入り口配管中の水の温度は70℃、冷却水出口配管中の水の温度は75℃となるようにポンプ46を調節した。
The
起動停止および保管の条件は以下のようにした。 The start / stop and storage conditions were as follows.
なお、図5にスタックの電圧変化と酸素濃度変化を示した。 FIG. 5 shows changes in stack voltage and oxygen concentration.
運転条件Aでは、定常運転工程を行った後、停止工程1に移った。
In the operation condition A, after performing a steady operation process, it moved to the
なお、スタックからの電流は電力回路部44により取り出されるが、燃料電池スタック36の代表的な単セルの電圧が0.5Vを切ると電流の取り出しを停止し、0.7Vを超えると再び電流を取り出すように制御部45により制御した。
The current from the stack is taken out by the
停止工程1では、ブロア39を停止させ燃料電池スタック36への空気の供給を停止し、仕切弁48を開け、ガス清浄部32で付臭剤などの硫黄化合物、アンモニアやアミン物質などの窒素化合物、一酸化炭素などの燃料電池に悪影響を与える物質を取り除いた原料ガスをポンプ49より流し込んだ。
In the
次に、停止工程2を行った。
Next, stop
仕切弁35を閉め、燃料生成器34から燃料電池スタック36への燃料ガスの供給を停止し、仕切弁47を開け、ガス清浄部32で付臭剤などの硫黄化合物、アンモニアやアミン物質などの窒素化合物、一酸化炭素などの燃料電池に悪影響を与える物質を取り除いた原料ガスを燃料電池スタック36へ流し込んだ。燃料電池スタック36から原料ガスにより燃料電池スタック36から押し出された燃料ガスをオフガス管から燃料生成器34へ戻し、燃料電池スタック36内の燃料ガスを原料ガスにより入れ替えた。
The
次に、停止工程3を行った。
Next, stop
停止工程3では、アノード側にある仕切弁37と仕切弁43を閉じ、カソード側にある仕切弁41と仕切弁42を閉じ燃料電池スタック36内を原料ガスで満たし封止し、ポンプ49を停止した。また、ポンプ46は停止し、外部との冷却水移動を無くした。
In the
次に保管工程1となる。保管工程1は高温になっている燃料生成器34や燃料電池スタック36の温度が徐々に下がり、最終的には外部の温度と同じとなる。
Next, it becomes the
保管工程2では、酸素濃度検知器50、51がともに10ppm(通常の測定方法で検出可能な酸素濃度の下限値におよそ相当する)の酸素濃度を検知したため、制御部45からの信号により、アノード側にある仕切弁37と仕切弁43を開け、また、カソード側にある仕切弁41と仕切弁42を開け、ポンプ49を作動し、再度燃料電池スタック36へ原料ガスを再注入し、アノード側にある仕切弁37と仕切弁43とカソード側にある仕切弁41と仕切弁42を閉め封止した。
In the
要するに、酸素含有ガスおよび燃料ガス供給路の酸化剤極および燃料極の上下流に仕切弁を設置し、両極と下流の仕切弁の間に酸素濃度検知器を配置し、酸素濃度検知器が所定濃度を検知することで両極の上下流に配置された仕切弁を開閉し再度不活性ガスを再注入するわけである。 In short, a gate valve is installed upstream and downstream of the oxidant electrode and fuel electrode of the oxygen-containing gas and fuel gas supply passage, an oxygen concentration detector is disposed between the two electrodes and the downstream gate valve, and the oxygen concentration detector is predetermined. By detecting the concentration, the gate valves arranged upstream and downstream of both electrodes are opened and closed, and the inert gas is reinjected again.
より具体的には、酸素濃度検知器が仕切弁を作動させる酸素濃度を10ppm以上とすることで酸素による触媒劣化を生じない耐久性に優れた燃料電池発電装置を実現できる。 More specifically, by setting the oxygen concentration at which the oxygen concentration detector operates the gate valve to 10 ppm or more, it is possible to realize a fuel cell power generator excellent in durability that does not cause catalyst deterioration due to oxygen.
次に起動工程1となる。
Next, it becomes the
起動工程1では、仕切弁35を開け、燃料生成器34に原料ガスが流され、水素を含み一酸化炭素などの燃料ではない物質の濃度が一定以下となるように処理を行い、次いで仕切弁47を閉め、ポンプ49を停止し、アノード側にある仕切弁37と仕切弁43を開け、燃料電池スタック36に原料ガスを供給した。
In the start-up
燃料電池スタック36は、ポンプ46を動作させ、燃料電池スタック36よりも温度の高い水を循環させ、温度を上昇させても良い。
The
次に起動工程2に入る。
Next, the
起動工程2では、ブロア39を動作させ、カソード側にある仕切弁41と仕切弁42とを開け、空気を燃料電池スタック36に送り込んだ。
In the
次いで燃料や電流を制御し、定常運転工程の条件になった後は、定常運転工程として運転する。 Next, the fuel and current are controlled, and after the conditions for the steady operation process are reached, the operation is performed as a steady operation process.
本実施の形態では、原料ガスの再注入が1回である例を示したが、これに限らず酸素濃度検知器が所定濃度を検知した場合同様の動作を数回行っても同様の効果が得られた。 In the present embodiment, an example in which the source gas is reinjected once has been shown. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained even if the same operation is performed several times when the oxygen concentration detector detects a predetermined concentration. Obtained.
かくして、燃料電池発電装置の燃料極および酸化剤極を不活性ガスでパージし封止する停止方法により、酸素による触媒劣化を防止し、保管中に両極の酸素濃度を測定し、所定以上の濃度を検出した場合、再度不活性ガスを再注入することで触媒劣化を抑制し、長期間の保管においても触媒劣化を生じない耐久性に優れた燃料電池発電装置を実現することができる。 Thus, by stopping the fuel electrode and oxidant electrode of the fuel cell power generation apparatus with an inert gas and sealing, the catalyst is prevented from being deteriorated by oxygen, and the oxygen concentration at both electrodes is measured during storage. Is detected again, the deterioration of the catalyst is suppressed by reinjecting the inert gas again, and a fuel cell power generator excellent in durability that does not cause the catalyst deterioration even during long-term storage can be realized.
ここに、燃料電池に対し不活性なガスとしてガス清浄部で清浄化された原料ガスを用いることにより、簡便に起動停止および保管による劣化を少なくできる。 Here, by using the raw material gas cleaned in the gas cleaning section as an inert gas for the fuel cell, deterioration due to start-stop and storage can be reduced easily.
なお、上述した本実施の形態においては、仕切弁41と仕切弁42との間の部分における酸素含有ガス流路酸素濃度の検知、および(b)仕切弁37と仕切弁43との間の部分における燃料ガス流路酸素濃度の検知の両方が行われた。しかし、これに限らず、仕切弁41と仕切弁42との間の部分における酸素含有ガス流路酸素濃度の検知、または(b)仕切弁37と仕切弁43との間の部分における燃料ガス流路酸素濃度の検知の一方が行われてもよい。
In the present embodiment described above, detection of the oxygen-containing gas flow path oxygen concentration in the portion between the
また、上述した本実施の形態においては、(a)仕切弁41と仕切弁42との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および(b)仕切弁37と仕切弁43との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入の両方が行われた。しかし、これに限らず、(a)仕切弁41と仕切弁42との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または(b)仕切弁37と仕切弁43との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入の一方が行われてもよい。
Further, in the above-described embodiment, (a) injection of a predetermined purge gas into the portion between the
なお、このような所定のパージ用ガスの注入は、上述した本実施の形態においては、検知された酸素含有ガス流路酸素濃度および検知された燃料ガス流路酸素濃度の両方が所定値以上である場合に行われた。しかし、これに限らず、このような所定のパージ用ガスの注入は、検知された酸素含有ガス流路酸素濃度または検知された燃料ガス流路酸素濃度の一方が所定値以上である場合に行われてもよい。 In addition, in the present embodiment described above, such a predetermined purge gas injection is such that both the detected oxygen-containing gas flow path oxygen concentration and the detected fuel gas flow path oxygen concentration are equal to or greater than a predetermined value. Was done in some cases. However, the present invention is not limited to this, and the injection of the predetermined purge gas is performed when one of the detected oxygen-containing gas flow path oxygen concentration or the detected fuel gas flow path oxygen concentration is equal to or higher than a predetermined value. It may be broken.
(実施の形態2)
はじめに、図4を主として参照しながら、本実施の形態の燃料電池発電装置の構成について説明する。
(Embodiment 2)
First, the configuration of the fuel cell power generator of the present embodiment will be described with reference mainly to FIG.
図4は、本発明の実施の形態2の燃料電池発電装置を表す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a fuel cell power generator according to
本実施の形態の燃料電池発電装置は、図3に示した実施の形態1の燃料電池発電装置と基本的に同様であるが、酸素濃度検知器の変わりに、燃料電池スタック36のアノードとカソードの電位変化を観察する電圧検知器52を配置した燃料電池発電装置である。要するに、本実施の形態の原理は、酸素の電極への吸着により生じる吸着電位に起因した電位上昇を観測する点にある。
The fuel cell power generation device according to the present embodiment is basically the same as the fuel cell power generation device according to the first embodiment shown in FIG. 3, but the anode and cathode of the
なお、本実施の形態では、MEA5(図1参照)を以下のようにして作成した。 In the present embodiment, the MEA 5 (see FIG. 1) is created as follows.
炭素粉末であるアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック、粒径35nm)を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョン(ダイキン工業(株)製のD1)と混合し、乾燥重量としてPTFEを20重量%含む撥水インクを調製した。
Carbon powder acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.,
このインクを、ガス拡散層の基材となるカーボンペーパー(東レ(株)製のTGPH060H)の上に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて300℃で熱処理し、ガス拡散層(約200μm)を形成した。 This ink is applied and impregnated on carbon paper (TGPH060H manufactured by Toray Industries, Inc.) serving as a base material for the gas diffusion layer, heat treated at 300 ° C. using a hot air dryer, and the gas diffusion layer (about 200 μm). ) Was formed.
一方、炭素粉末であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル(株)製のKetjen Black EC、粒径30nm)上にPt触媒を担持させて得られた触媒体(50重量%がPt)66重量部を、水素イオン伝導材かつ結着剤であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー(米国Aldrich社製の5重量%Nafion分散液)33重量部(高分子乾燥重量)と混合し、得られた混合物を成形して触媒層(10〜20μm)を形成した。 On the other hand, 66 parts by weight of a catalyst body (50 wt% Pt) obtained by supporting a Pt catalyst on Ketjen Black (Ketjen Black EC, Ketjen Black International Co., Ltd., particle size 30 nm), which is carbon powder. Is mixed with 33 parts by weight (polymer dry weight) of perfluorocarbon sulfonic acid ionomer (5% by weight Nafion dispersion manufactured by Aldrich, USA) which is a hydrogen ion conductive material and a binder, and the resulting mixture is molded. Thus, a catalyst layer (10 to 20 μm) was formed.
上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを、高分子電解質膜(米国DuPont社のNafion112膜)の両面に接合し、MEA5を作製した。 The gas diffusion layer and the catalyst layer obtained as described above were bonded to both surfaces of a polymer electrolyte membrane (Nafion 112 membrane manufactured by DuPont, USA) to produce MEA5.
つぎに、以上のように作製したMEA5の膜1の外周部にゴム製のガスケット板を接合し、冷却水、燃料ガスおよび酸化剤ガス流通用のマニホールド穴を形成した。
Next, a rubber gasket plate was joined to the outer peripheral portion of the
一方、20cm×32cm×1.3mmの外寸を有し、かつ深さ0.5mmのガス流路および冷却水流路を有する、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなる導電性のセパレータ7a、7cを用いた。
On the other hand,
なお、制御部45は本発明の第一のパージ用ガス注入手段および第二のパージ用ガス注入手段を含む手段に対応し、電圧検知器52は本発明の電位差検知手段に対応し、本実施の形態の燃料電池発電装置は本発明の燃料電池運転装置に対応する。
The
また、ガス清浄部32は、本発明の燃料ガス清浄化手段に対応する。
The
つぎに、本実施の形態の燃料電池発電装置の動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell power generator of this embodiment will be described.
燃料電池スタック36の保管工程2以外の基本動作は、実施の形態1と同様である。
Basic operations other than the
実施の形態2の保管工程2は、保管工程1の後、カソード側にある仕切弁41と仕切弁42を一時的に開け、原料ガスをカソードのみに注入する。
In the
このとき電圧検知器52がアノードとカソードの両極の電位差が原料ガスを一時注入する前の値に対し10mV(通常の測定方法で検出可能な酸素濃度の下限値におよそ相当する前述の10ppmに対応する)以上の変化を検知したとき、制御部45からの信号により、アノード側にある仕切弁37と仕切弁43を開ける。そして、カソード側にある仕切弁41と仕切弁42を開け、ポンプ49を作動し、再度燃料電池スタック36へ原料ガスを再注入し、アノード側にある仕切弁37と仕切弁43とカソード側にある仕切弁41と仕切弁42を閉め封止した。
At this time, the potential difference between the anode and the cathode of the
図6にスタックの電圧変化と原料ガスが注入されたカソードとは異なるアノードの電位変化を示した。 FIG. 6 shows the voltage change of the stack and the potential change of the anode different from the cathode into which the source gas was injected.
本実施の形態ではカソード側について一時原料ガス注入を行ったがこれに限られたものではなく、アノード側で一時注入の動作を行っても同様の結果が得られた。 In the present embodiment, the temporary raw material gas injection is performed on the cathode side. However, the present invention is not limited to this, and similar results were obtained even when the temporary injection operation was performed on the anode side.
なお、このようにカソードまたはアノードの一方にのみまず原料ガス注入を行うのは、酸素が燃料電池スタック36のシーリング部分などから燃料電池スタック36の全体にわたって侵入するために、両極の電位がほぼ同等に変化する場合が多いからである。
It should be noted that the source gas is first injected into only one of the cathode and the anode in this manner because oxygen enters from the sealing portion of the
このようにして、停止保管中に不活性ガスを燃料極あるいは酸化剤極の一方に一時追加パージし、両極間の電位差変化を検知し、再度不活性ガスを再注入することで触媒劣化を抑制し、長期間の保管においても触媒劣化を生じない耐久性に優れた燃料電池発電装置を実現することができる。 In this way, during inactive storage, inert gas is temporarily purged to one of the fuel electrode or oxidant electrode, changes in the potential difference between both electrodes are detected, and inert gas is reinjected again to suppress catalyst deterioration. In addition, it is possible to realize a fuel cell power generator excellent in durability that does not cause catalyst deterioration even during long-term storage.
要するに、酸素含有ガスおよび燃料ガス供給路の酸化剤極および燃料極の上下流に仕切弁を設置し、酸化剤極と燃料極の電位差を検知する電圧検知装置を配置し、不活性ガスを一部追加パージした際の両極の電位差が所定の値以上を示したとき、両極の上下流に配置された仕切弁を開閉し再度不活性ガスを再注入するわけである。 In short, a gate valve is installed upstream and downstream of the oxidant electrode and the fuel electrode in the oxygen-containing gas and fuel gas supply passages, a voltage detection device for detecting the potential difference between the oxidant electrode and the fuel electrode is arranged, and inert gas is collected. When the potential difference between the two electrodes at the time of additional purge shows a predetermined value or more, the gate valve disposed upstream and downstream of both electrodes is opened and closed, and the inert gas is reinjected again.
より具体的には、電圧検知器が仕切弁を作動させ、不活性ガスを再注入させる両極の電位差変化を10mV以上にすることで外部からの侵入ガスあるいは微量ガスリークによる触媒劣化を生じない耐久性に優れた燃料電池発電装置を実現できる。 More specifically, the voltage detector activates the gate valve and reinjects the inert gas, and the change in potential difference between the two electrodes is set to 10 mV or more so that the catalyst does not deteriorate due to intrusion gas from the outside or trace gas leak. An excellent fuel cell power generator can be realized.
(比較例)
比較例は、実施の形態1および実施の形態2と類似しているが、酸素濃度検知器および電圧検知器は具備されておらず、保管工程2における原料ガスの再注入を所定の電位差を検知したときにのみ行う起動停止および保管方法である。
(Comparative example)
The comparative example is similar to the first embodiment and the second embodiment, but does not include an oxygen concentration detector and a voltage detector, and detects a predetermined potential difference by reinjecting the raw material gas in the
図7に比較例のスタックの電圧変化とアノードの電位変化を示した。 FIG. 7 shows changes in the stack voltage and anode potential in the comparative example.
図5に示したスタック電圧の変化より、保管工程中、燃料電池スタック36に酸素が侵入して来ていても燃料電池スタック36の電圧に変化は見られない(前述したように、酸素は燃料電池スタック36の全体にわたって侵入するために、両極の電位がほぼ同等に変化し、これらの電位差である燃料電池スタック36の電圧は変化しないのである)。そこで外筐体31に酸素濃度検知器50、51を具備することで燃料電池スタック36内の酸素による影響を観察することができる。
From the change in the stack voltage shown in FIG. 5, even if oxygen has entered the
すなわち実施の形態1の操作を行うことで触媒劣化を防止することができ、起動停止運転を行っても耐久性に優れた燃料電池発電装置を提供することができる。 That is, by performing the operation of the first embodiment, it is possible to prevent catalyst deterioration, and it is possible to provide a fuel cell power generator that is excellent in durability even when the start / stop operation is performed.
図6に示したスタック電圧の変化より、カソードないしアノードに一時的に原料ガスを注入することで両極間の電位差に変化が観察される。これは、外部から酸素が侵入していたことに起因する電位変化と考えられる。 From the change in the stack voltage shown in FIG. 6, a change is observed in the potential difference between the two electrodes by temporarily injecting the source gas into the cathode or anode. This is considered to be a potential change caused by oxygen entering from the outside.
両極間の電位差がゼロでも電位そのものは上昇している場合が多い(前述の理由により、酸素が燃料電池スタック36に侵入していても両極間の電位差はゼロが観察される)。その電位上昇の影響をアノードが受けるとRu溶出が発生する。実施の形態2は、この電位上昇の変化を、一方の電極側へ一時的に原料ガスを流した時の各セルの電位変化を利用して、電圧検知器で観察することができる。 In many cases, even if the potential difference between the two electrodes is zero, the potential itself increases (for the above-described reason, zero potential difference between the two electrodes is observed even when oxygen enters the fuel cell stack 36). When the anode is affected by the potential increase, Ru elution occurs. In the second embodiment, this change in potential can be observed with a voltage detector using the change in potential of each cell when the source gas is allowed to flow temporarily to one electrode side.
すなわち実施の形態2の操作を行うことで、酸素による触媒劣化だけでなく電位上昇による触媒劣化を防止することができ、起動停止運転を行っても耐久性に優れた燃料電池発電装置を提供することができる。 That is, by performing the operation of the second embodiment, it is possible to prevent not only catalyst deterioration due to oxygen but also catalyst deterioration due to potential rise, and provide a fuel cell power generator that is excellent in durability even when start / stop operation is performed. be able to.
図8に実施の形態1、実施の形態2および比較例の起動停止方法を行ったスタックの耐久性の結果を示す。 FIG. 8 shows the durability results of the stacks subjected to the start / stop methods of the first embodiment, the second embodiment, and the comparative example.
図8に示すように、保管工程において原料ガスの再注入を行った実施の形態1および実施の形態2は、比較例と比較して、起動停止回数10000回における耐久劣化率を非常に低い値を維持することが可能である。 As shown in FIG. 8, the first and second embodiments in which the raw material gas is reinjected in the storage process have an extremely low value of the durability deterioration rate at the number of start / stop times of 10,000 as compared with the comparative example. Can be maintained.
これは、前述したように、保管停止時に原料ガスを再注入することで酸素による触媒劣化および電位上昇による触媒劣化を防止することができたことを示している。 As described above, this indicates that catalyst deterioration due to oxygen and catalyst deterioration due to potential increase could be prevented by reinjecting the raw material gas when storage was stopped.
本発明によれば、長期間燃料電池発電装置を停止保管した場合でも触媒の劣化を生じず高い耐久性能を発揮できる燃料電池発電装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell power generator that can exhibit high durability without causing catalyst deterioration even when the fuel cell power generator is stopped and stored for a long period of time.
なお、本発明のプログラムは、上述した本発明の燃料電池運転方法の全部または一部のステップ(または、工程、動作、作用等)の動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。 The program of the present invention is a program for causing a computer to execute the operations of all or part of the above-described fuel cell operation method of the present invention (or process, operation, action, etc.). It is a program that works in cooperation.
また、本発明の記録媒体は、上述した本発明の燃料電池運転方法の全部または一部のステップ(または、工程、動作、作用等)の全部または一部の動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した記録媒体であり、コンピュータにより読み取り可能かつ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記動作を実行する記録媒体である。 The recording medium of the present invention is a program for causing a computer to execute all or a part of all or some of the steps (or processes, operations, actions, etc.) of the above-described fuel cell operating method of the present invention. Is a recording medium that can be read by a computer, and that the read program executes the operation in cooperation with the computer.
なお、本発明の上記「一部のステップ(または、工程、動作、作用等)」とは、それらの複数のステップの内の、一つまたは幾つかのステップを意味する。 The “part of steps (or process, operation, action, etc.)” of the present invention means one or several of the plurality of steps.
また、本発明の上記「ステップ(または、工程、動作、作用等)の動作」とは、前記ステップの全部または一部の動作を意味する。 In addition, the “step (or process, operation, action, etc.) operation” of the present invention means all or a part of the operation of the step.
また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。 Further, one usage form of the program of the present invention may be an aspect in which the program is recorded on a computer-readable recording medium and operates in cooperation with the computer.
また、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。 Further, one usage form of the program of the present invention may be an aspect in which the program is transmitted through a transmission medium, read by a computer, and operated in cooperation with the computer.
また、記録媒体としては、ROM等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送媒体、光・電波・音波等が含まれる。 The recording medium includes a ROM and the like, and the transmission medium includes a transmission medium such as the Internet, light, radio waves, sound waves, and the like.
また、上述した本発明のコンピュータは、CPU等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、OS、更に周辺機器を含むものであっても良い。 The computer of the present invention described above is not limited to pure hardware such as a CPU, and may include firmware, an OS, and peripheral devices.
なお、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。 As described above, the configuration of the present invention may be realized by software or hardware.
本発明にかかる燃料電池発電装置は、起動停止を可能とした耐久性に優れた燃料電池発電装置であり、家庭用コ―ジェネレーション、分散型電源などとして有用である。また、自動車用、携帯用機器電源などの用途にも応用できる。 The fuel cell power generator according to the present invention is a fuel cell power generator excellent in durability that can be started and stopped, and is useful as a home cogeneration system, a distributed power source, and the like. It can also be applied to applications such as automobile and portable equipment power supplies.
1 電解質膜
2a、2c 触媒反応層
3a、3c 拡散層
7a、7c セパレータ
21 集電板
22 絶縁板
31 外筐体
32 清浄部
34 燃料生成器
36 燃料電池スタック
40 加湿器
44 電力回路部
45 制御部
50、51 酸素濃度検知器
52 電圧検知器
DESCRIPTION OF
50, 51
Claims (11)
前記検知された酸素含有ガス流路酸素濃度および/または前記検知された燃料ガス流路酸素濃度が所定値以上である場合に、(a)前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および/または(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行うパージ用ガス注入手段とを備えた、燃料電池運転装置。 During the storage period of the fuel cell, (1) oxygen provided upstream from the oxidant electrode in the oxygen-containing gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxygen-containing gas to and from the oxidant electrode of the fuel cell Detection of the oxygen-containing gas flow path oxygen concentration in a portion between the containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow path downstream valve provided downstream of the oxidant electrode in the oxygen-containing gas flow path; and (2) A fuel gas flow path upstream valve provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for supplying and discharging a predetermined fuel gas to and from the fuel electrode of the fuel cell, and the fuel gas Oxygen concentration detection means for detecting the fuel gas flow path oxygen concentration in the portion between the supply flow path and the fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode;
When the detected oxygen-containing gas flow path oxygen concentration and / or the detected fuel gas flow path oxygen concentration is a predetermined value or more, (a) the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow Injection of a predetermined purge gas into a portion between the downstream valve and / or (b) a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve A fuel cell operating device comprising purge gas injection means for performing injection.
前記所定のパージ用ガスは、前記清浄化された燃料ガスである請求項1記載の燃料電池運転装置。 A fuel gas cleaning means for cleaning the predetermined fuel gas;
The fuel cell operating device according to claim 1, wherein the predetermined purge gas is the purified fuel gas.
前記検知された酸素含有ガス流路酸素濃度および/または前記検知された燃料ガス流路酸素濃度が所定値以上である場合に、(a)前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および/または(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を行うパージ用ガス注入ステップとを備えた、燃料電池運転方法。 During the storage period of the fuel cell, (1) oxygen provided upstream from the oxidant electrode in the oxygen-containing gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxygen-containing gas to and from the oxidant electrode of the fuel cell Detection of the oxygen-containing gas flow path oxygen concentration in a portion between the containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow path downstream valve provided downstream of the oxidant electrode in the oxygen-containing gas flow path; and (2) A fuel gas flow path upstream valve provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for supplying and discharging a predetermined fuel gas to and from the fuel electrode of the fuel cell, and the fuel gas An oxygen concentration detection step for detecting a fuel gas flow path oxygen concentration in a portion between the supply flow path and a fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode;
When the detected oxygen-containing gas flow path oxygen concentration and / or the detected fuel gas flow path oxygen concentration is a predetermined value or more, (a) the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow Injection of a predetermined purge gas into a portion between the downstream valve and / or (b) a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve A fuel cell operating method comprising a purge gas injection step for performing injection.
前記酸化剤極の電位と前記燃料極の電位との電位差の検知を行う電位差検知手段と、
前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入が行われる前後における前記検知が行われた電位差の変化が所定値以上である場合に、(a)前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を再び行う第二のパージ用ガス注入手段とを備えた、燃料電池運転装置。 During the storage period of the fuel cell, (1) oxygen provided upstream from the oxidant electrode in the oxygen-containing gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxygen-containing gas to and from the oxidant electrode of the fuel cell Injecting a predetermined purge gas into the portion between the containing gas flow path upstream valve and the oxygen containing gas flow path downstream valve provided downstream of the oxidant electrode in the oxygen containing gas flow path, or (2 ) A fuel gas flow path upstream valve provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for supplying and discharging a predetermined fuel gas to and from the fuel electrode of the fuel cell; and in the fuel gas supply flow path A first purge gas injecting means for injecting a predetermined purge gas into a portion between the fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode;
A potential difference detecting means for detecting a potential difference between the potential of the oxidant electrode and the potential of the fuel electrode;
Injection of a predetermined purge gas into a portion between the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow path downstream valve, or between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve When the change in the detected potential difference before and after the injection of the predetermined purge gas to the portion is greater than or equal to a predetermined value, (a) the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow Injection of a predetermined purge gas into the portion between the downstream valve and (b) injection of a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve. A fuel cell operating device comprising a second purging gas injection means for performing again.
前記所定のパージ用ガスは、前記清浄化された燃料ガスである請求項6記載の燃料電池運転装置。 A fuel gas cleaning means for cleaning the predetermined fuel gas;
The fuel cell operating device according to claim 6, wherein the predetermined purge gas is the purified fuel gas.
前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、または前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入が行われる前後における前記検知が行われた電位差の変化が所定値以上である場合に、(a)前記酸素含有ガス流路上流弁と前記酸素含有ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入、および(b)前記燃料ガス流路上流弁と前記燃料ガス流路下流弁との間の部分に対する所定のパージ用ガスの注入を再び行う第二のパージ用ガス注入ステップとを備えた、燃料電池運転方法。 During the storage period of the fuel cell, (1) oxygen provided upstream from the oxidant electrode in the oxygen-containing gas flow path for supplying and discharging a predetermined oxygen-containing gas to and from the oxidant electrode of the fuel cell Injecting a predetermined purge gas into the portion between the containing gas flow path upstream valve and the oxygen containing gas flow path downstream valve provided downstream of the oxidant electrode in the oxygen containing gas flow path, or (2 ) A fuel gas flow path upstream valve provided upstream of the fuel electrode in the fuel gas flow path for supplying and discharging a predetermined fuel gas to and from the fuel electrode of the fuel cell; and in the fuel gas supply flow path A first purge gas injection step for injecting a predetermined purge gas into a portion between the fuel gas flow path downstream valve provided downstream of the fuel electrode, the potential of the oxidant electrode and the fuel Pole potential and A potential difference detection step for detecting the potential difference of
Injection of a predetermined purge gas into a portion between the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow path downstream valve, or between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve When the change in the detected potential difference before and after the injection of the predetermined purge gas to the portion is greater than or equal to a predetermined value, (a) the oxygen-containing gas flow path upstream valve and the oxygen-containing gas flow Injection of a predetermined purge gas into the portion between the downstream valve and (b) injection of a predetermined purge gas into the portion between the fuel gas flow path upstream valve and the fuel gas flow path downstream valve. And a second purge gas injection step which is performed again.
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