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JP2005209362A - Fuel cell power generator - Google Patents

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JP2005209362A
JP2005209362A JP2004011550A JP2004011550A JP2005209362A JP 2005209362 A JP2005209362 A JP 2005209362A JP 2004011550 A JP2004011550 A JP 2004011550A JP 2004011550 A JP2004011550 A JP 2004011550A JP 2005209362 A JP2005209362 A JP 2005209362A
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Yasushi Sugawara
靖 菅原
Takayuki Urata
▲たか▼行 浦田
Shinya Kosako
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Takahiro Umeda
孝裕 梅田
Kiichi Shibata
礎一 柴田
Yoichiro Tsuji
庸一郎 辻
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Abstract

【課題】 燃料電池の内部を適切なタイミングで加湿原料ガスの雰囲気に曝すことで、電解質膜の乾燥促進および局所燃焼並びに電極撥水性劣化等、燃料電池のDSS運転に関する各種の問題に適切に対応できて、燃料電池の性能安定化を図れる燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】 燃料電池発電装置100は、燃料ガス流路を有する燃料電池21と、原料ガスを供給する原料ガス供給手段22とを備え、前記燃料電池21の発電期間には、前記燃料ガス流路に前記原料ガスから生成される燃料ガスを供給することによって前記燃料電池21を発電させ、前記燃料電池21の停止期間から発電期間までの間の前記燃料電池の移行期間には、前記原料ガス供給手段22から送出された原料ガスを加湿して、この加湿された原料ガスの雰囲気に前記燃料電池21の内部を曝すものである。
【選択図】 図3
PROBLEM TO BE SOLVED: To appropriately cope with various problems related to DSS operation of a fuel cell, such as accelerated drying of an electrolyte membrane, local combustion, and electrode water repellency deterioration by exposing the inside of a fuel cell to an atmosphere of a humidified raw material gas at an appropriate timing And a fuel cell power generator capable of stabilizing the performance of the fuel cell.
A fuel cell power generation device includes a fuel cell having a fuel gas flow path and a raw material gas supply means for supplying a raw material gas. During the power generation period of the fuel cell, the fuel gas flow The fuel cell 21 is caused to generate electric power by supplying a fuel gas generated from the raw material gas to the road, and the raw material gas is used during the transition period of the fuel cell between the stop period of the fuel cell 21 and the electric power generation period. The source gas sent from the supply means 22 is humidified, and the inside of the fuel cell 21 is exposed to the atmosphere of the humidified source gas.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、燃料電池発電装置に関し、特に燃料電池の停止期間から発電期間までの間の移行期間に燃料電池の内部を加湿原料ガスの雰囲気に曝すことを可能にする燃料電池発電装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell power generator, and more particularly to a fuel cell power generator that allows the inside of a fuel cell to be exposed to an atmosphere of a humidified raw material gas during a transition period from a stop period of the fuel cell to a power generation period.

家庭用の燃料電池発電装置においては、光熱費削減の点から日常生活の電力消費量の多寡に応じて燃料電池の発電および停止を頻繁に反復させることが望まれる。   In a fuel cell power generator for home use, it is desired that power generation and stoppage of the fuel cell be repeated frequently in accordance with the amount of power consumption in daily life from the viewpoint of reducing utility costs.

具体的には電力消費の増加する昼間には発電装置を作動させ、反面、電力消費の減少する夜間には発電装置を停止させるという所謂DSS(Daily Start-up & Shut-down)運転が光熱費の有効利用の点で優れている。このような状況下にあって、DSS運転に柔軟に対応できるよう、燃料電池の発電および停止の反復動作に関する技術的な課題およびその対応策が報告されている。例えば、高分子電解質膜(イオン交換膜)の停止保管中の電解質膜の乾燥を防止して燃料電池を停止保管から速やかに再起動させるため、燃料電池の停止直後、その内部に残留する燃料ガスおよび酸化剤ガスを水または加湿された不活性ガスによって置換させたうえで、燃料電池のガス流路を封止する方法が開示されている(特許文献1参照)。   Specifically, the so-called DSS (Daily Start-up & Shut-down) operation, which operates the power generator during the daytime when power consumption increases and stops the power generator during the night when power consumption decreases, is a utility cost. It is excellent in terms of effective use. Under such circumstances, technical problems and countermeasures relating to repetitive operations of power generation and stop of the fuel cell have been reported so as to flexibly cope with DSS operation. For example, in order to prevent the electrolyte membrane from being dried during storage of the polymer electrolyte membrane (ion exchange membrane) and to restart the fuel cell quickly from the storage, the fuel gas remaining in the fuel cell immediately after the fuel cell is stopped And a method of sealing the gas flow path of the fuel cell after replacing the oxidant gas with water or a humidified inert gas (see Patent Document 1).

確かに、特許文献1のように燃料電池の停止保管中に燃料電池の内部を加湿不活性ガスの雰囲気に曝すことで燃料電池の電解質膜の乾燥化に対処できる可能性はあると考えられる。
特開平6−251788号公報
Certainly, it is considered that there is a possibility that it is possible to cope with the drying of the electrolyte membrane of the fuel cell by exposing the inside of the fuel cell to a humidified inert gas atmosphere while the fuel cell is stopped and stored as in Patent Document 1.
JP-A-6-251788

ところで、上記の従来の燃料電池の停止保管方法によれば、電解質膜の乾燥促進を防止する目的で加湿不活性ガスによって燃料電池の内部を置換することを開示はしているものの、この停止保管方法には次のような改善すべき事項を有している。   By the way, according to the above-described conventional method for stopping and storing the fuel cell, although it is disclosed that the inside of the fuel cell is replaced with humidified inert gas for the purpose of preventing the drying of the electrolyte membrane from being accelerated, The method has the following items to be improved.

第一に、たとえ燃料電池を外部雰囲気から遮断するよう封止しても、燃料電池を一定期間(例えば15時間〜3日程度)保管した場合、この封止部から空気(酸素ガス)が燃料電池の内部にもれて混入する可能性がある。とりわけ特開平6−251788号公報に記載の加湿不活性ガス導入法(停止直後の導入)の場合、燃料電池の内部の温度低下によって加湿不活性ガスに含有する水蒸気が結露して負圧化が促進されて、酸素ガス混入の懸念は一層高まる。そしてこのような状況下で、燃料電池の再起動時に水素リッチな燃料ガスを供給すれば、燃料電池のアノードにおいて酸素ガスと燃料ガスによる局所燃焼を起こして燃料電池の破損や燃料電池の性能劣化に至りかねない。   First, even if the fuel cell is sealed off from the external atmosphere, when the fuel cell is stored for a certain period (for example, about 15 hours to 3 days), air (oxygen gas) is fueled from the sealed portion. There is a possibility of leaking inside the battery and mixing. In particular, in the case of the humidified inert gas introduction method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-251788 (introduction immediately after stoppage), the water vapor contained in the humidified inert gas is condensed due to a decrease in the temperature inside the fuel cell. This promotes the concern about oxygen gas contamination. Under such circumstances, if hydrogen-rich fuel gas is supplied when the fuel cell is restarted, local combustion by oxygen gas and fuel gas occurs at the anode of the fuel cell, causing damage to the fuel cell or deterioration of the performance of the fuel cell. Can lead to.

第二に、上記の従来の燃料電池の停止保管方法においては、燃料電池の電解質膜の乾燥状態を把握する手立てを開示してなく、電解質膜の良否を判定せずに燃料電池の発電を開始して燃料電池の局所燃料を適切に防止できないという懸念がある。   Second, in the above-described conventional method for stopping and storing a fuel cell, a method for grasping the dry state of the electrolyte membrane of the fuel cell is not disclosed, and power generation of the fuel cell is started without judging the quality of the electrolyte membrane. Therefore, there is a concern that local fuel in the fuel cell cannot be properly prevented.

第三に、燃料電池の発電および停止を長期間(例えば2〜3年程度)亘って頻繁に反復した場合、停止期間中に継続的に燃料電池電極を水に浸すことになって、この恒常的な水の雰囲気に起因して電極の撥水性が侵食されることで燃料電池の運転時の排水能力が損なわれ、燃料電池の性能劣化を招きかねない。よって、上記の従来の停止保管方法のように、燃料電池の内部を長時間、加湿ガスの雰囲気に曝すことは極力避ける必要がある。   Third, when the power generation and stoppage of the fuel cell are frequently repeated over a long period (for example, about 2 to 3 years), the fuel cell electrode is continuously immersed in water during the stoppage period. Since the water repellency of the electrode is eroded due to a typical water atmosphere, the drainage capacity during operation of the fuel cell is impaired, and the performance of the fuel cell may be deteriorated. Therefore, it is necessary to avoid exposing the inside of the fuel cell to a humidified gas atmosphere for a long time as in the conventional stopped storage method.

第四に、上記公報に記載のように別途、不活性ガス供給装置の付加設備を設ける場合、燃料電池発電装置の大型化やコストアップを招いてしまう。   Fourthly, as described in the above publication, when an additional facility for an inert gas supply device is provided separately, the fuel cell power generator is increased in size and cost.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、電解質膜の乾燥促進および局所燃焼並びに電極撥水性劣化等、燃料電池のDSS運転に関する各種の問題に適切に対応できて、燃料電池の性能安定化を図れる燃料電池発電装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to appropriately cope with various problems related to DSS operation of a fuel cell, such as acceleration of drying of an electrolyte membrane, local combustion, and electrode water repellency deterioration. An object of the present invention is to provide a fuel cell power generator capable of stabilizing the performance of a fuel cell.

本発明に係る燃料電池発電装置は、燃料ガス流路を有する燃料電池と、原料ガスを供給する原料ガス供給手段とを備えており、前記燃料電池の発電期間には、前記燃料ガス流路に前記原料ガスから生成される燃料ガスを供給することによって前記燃料電池を発電させ、停止と発電を交互に反復する燃料電池における停止期間から発電期間までの間の前記燃料電池の移行期間には、前記原料ガス供給手段から送出された原料ガスを加湿して、この加湿された原料ガスの雰囲気に前記燃料電池の内部を曝すものである。より詳しくは、前記燃料ガス流路に前記原料ガスを流通させることによって前記燃料電池の内部の電解質膜を前記原料ガスの雰囲気に曝すことを可能にするものである。   A fuel cell power generation device according to the present invention includes a fuel cell having a fuel gas flow path, and a raw material gas supply means for supplying a raw material gas. During the power generation period of the fuel cell, In the transition period of the fuel cell between the stop period and the power generation period in the fuel cell in which the fuel cell is generated by supplying the fuel gas generated from the source gas and the stop and the power generation are alternately repeated, The source gas sent from the source gas supply means is humidified, and the inside of the fuel cell is exposed to the atmosphere of the humidified source gas. More specifically, the electrolyte membrane inside the fuel cell can be exposed to the atmosphere of the source gas by circulating the source gas through the fuel gas flow path.

これによって、燃料電池の内部を適切なタイミングで加湿原料ガスの雰囲気に曝すことができ、電解質膜の乾燥促進および局所燃焼並びに電極撥水性劣化等、燃料電池のDSS運転に関する各種の問題に適切に対応できる。より詳しくは、燃料電池の停止期間から発電期間までの間の移行期間に燃料電池の内部を加湿原料ガスに曝すことができ、停止保管中に乾燥した燃料電池の電解質膜を加湿できると共に、仮に停止保管中に燃料電池の内部に酸素ガスが混入した場合であっても、この酸素ガスによってもたらされる燃料ガスとの局所燃焼を未然に防止できる。また、燃料電池の停止期間から発電期間までの間の移行期間に、燃料電池の内部に加湿原料ガスを導くようにしたため、燃料電池の内部を長期間、加湿原料ガスの雰囲気で曝すことがなく、燃料電池の電極の撥水性が損なわれない。   As a result, the inside of the fuel cell can be exposed to the atmosphere of the humidified raw material gas at an appropriate timing, which is suitable for various problems related to the DSS operation of the fuel cell, such as accelerated drying of the electrolyte membrane, local combustion, and electrode water repellency deterioration. Yes. More specifically, the inside of the fuel cell can be exposed to the humidified raw material gas during the transition period from the stop period of the fuel cell to the power generation period, and the electrolyte membrane of the fuel cell dried during the stop storage can be humidified. Even when oxygen gas is mixed into the fuel cell during stop storage, local combustion with the fuel gas caused by the oxygen gas can be prevented in advance. In addition, since the humidified source gas is introduced into the fuel cell during the transition period from the stop period of the fuel cell to the power generation period, the inside of the fuel cell is not exposed to the humidified source gas atmosphere for a long period of time. The water repellency of the fuel cell electrode is not impaired.

ここで、燃料電池の電解質膜を充分に保水させるため、前記原料ガスの露点を前記燃料電池の稼働温度以上に維持できるように、前記原料ガスを加湿することが望ましい。   Here, in order to sufficiently retain the electrolyte membrane of the fuel cell, it is desirable to humidify the source gas so that the dew point of the source gas can be maintained at or above the operating temperature of the fuel cell.

更に、原料ガス中にイオウ成分を含有する場合、燃料電池の白金触媒の表面に吸着して反応表面に悪影響をもたらすため、前記原料ガス供給手段に備えられたガス清浄部によって前記原料ガス中のイオウ成分を除去した後、前記原料ガスの雰囲気に前記燃料電池の内部を曝すことが望ましい。   Further, when the raw material gas contains a sulfur component, it is adsorbed on the surface of the platinum catalyst of the fuel cell and adversely affects the reaction surface. Therefore, the raw gas in the raw material gas is provided by the gas cleaning unit provided in the raw material gas supply means. After removing the sulfur component, it is desirable to expose the inside of the fuel cell to the atmosphere of the raw material gas.

同様に、燃料電池の白金触媒の活性阻害等をもたらさないよう、原料ガスとしてメタンガス、プロパンガス、ブタンガスおよびエタンガスのうちの何れかのガスを選定することが好ましい。   Similarly, it is preferable to select any one of methane gas, propane gas, butane gas, and ethane gas as the raw material gas so as not to inhibit the activity of the platinum catalyst of the fuel cell.

加えて、本発明に係る燃料電池発電装置は、前記原料ガス供給手段から供給される原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器を備え、前記原料ガス供給手段から送出された原料ガスを、前記燃料生成器の内部で加湿する際に、前記燃料生成器において前記原料ガスを炭化させる下限温度よりも低く、前記燃料生成器の温度は維持するように制御されるものである。より望ましくは、燃料生成器(改質部)においてMEAの触媒毒作用を有する一酸化炭素ガスが原料ガスおよび水蒸気から発生することがないよう、前記燃料生成器の温度は300℃以下に維持するように制御される。   In addition, the fuel cell power generator according to the present invention includes a fuel generator that generates a fuel gas to be supplied to the fuel cell from the raw material gas supplied from the raw material gas supply unit and water vapor, and the raw material gas supply unit When the raw material gas sent out from is humidified inside the fuel generator, the fuel generator is controlled to maintain a temperature lower than a lower limit temperature at which the raw material gas is carbonized in the fuel generator. Is. More preferably, the temperature of the fuel generator is maintained at 300 ° C. or lower so that carbon monoxide gas having a catalytic poisoning effect of MEA is not generated from the raw material gas and water vapor in the fuel generator (reforming section). To be controlled.

ここで、ある実施の形態では、前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記アノードを前記原料ガスの雰囲気に曝した後、前記カソードを前記原料ガスの雰囲気に曝すように処理しても良い。このような加湿原料ガスの供給法によれば、仮に燃料電池の停止保管中に酸素ガスがアノードに混入した場合、アノードを経てからカソードに導くという加湿原料ガスの導入経路を採用できて酸化劣化され易いアノードの酸素ガスを優先的に排除できる。   Here, in one embodiment, an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane are arranged inside the fuel cell, and after exposing the anode to the source gas atmosphere, the cathode is exposed to the source gas atmosphere. May be processed. According to such a supply method of the humidified raw material gas, if oxygen gas is mixed into the anode while the fuel cell is stopped and stored, the humidified raw material gas introduction route that leads to the cathode after passing through the anode can be adopted, and the oxidation deterioration occurs. It is possible to preferentially exclude the anode oxygen gas that is easily generated.

なおこの場合、前記原料ガス供給手段から供給される原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器を備え、前記原料ガスを前記燃料生成器の内部で加湿することが可能である。   In this case, a fuel generator that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell from the raw material gas supplied from the raw material gas supply means and water vapor is provided, and the raw material gas is humidified inside the fuel generator. Is possible.

また、他の実施の形態では、前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記カソードを前記原料ガスの雰囲気に曝した後、前記アノードを前記原料ガスの雰囲気に曝すように処理しても良い。   In another embodiment, an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane are disposed inside the fuel cell, and after exposing the cathode to the atmosphere of the source gas, the anode is exposed to the atmosphere of the source gas. May be processed.

なおこの場合、前記カソードに供給する、前記燃料ガスとの発電反応用の酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、前記原料ガスを前記加湿器で加湿することが可能である。   In this case, a humidifier for humidifying an oxidant gas for power generation reaction with the fuel gas supplied to the cathode is provided, and the source gas can be humidified by the humidifier.

更に、他の実施の形態では、前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記カソードを前記原料ガスから分流する前記第一の原料ガスの雰囲気に曝すと共に、前記アノードを前記原料ガスから分流する前記第二の原料ガスの雰囲気に曝すように処理しても良い。このような加湿原料ガスの供給法によれば、第一の原料ガスと第二の原料ガスは互いに混合することなく別個独立して、燃料電池のカソードに第一の原料ガスを通過させ、燃料電池のアノードに第二の原料ガスを通過させるように構成したため、アノードおよびカソードの両方を確実に加湿処理できる。   Furthermore, in another embodiment, an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane are disposed inside the fuel cell, the cathode is exposed to the atmosphere of the first source gas that is diverted from the source gas, and the anode is You may process so that it may be exposed to the atmosphere of said 2nd source gas shunted from said source gas. According to such a supply method of the humidified source gas, the first source gas and the second source gas are separately mixed without being mixed with each other, the first source gas is passed through the cathode of the fuel cell, and the fuel is supplied. Since the second source gas is passed through the anode of the battery, both the anode and the cathode can be reliably humidified.

なおこの場合、前記原料ガス供給手段から供給される原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器および前記カソードに供給する酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、前記第一の原料ガスを前記加湿器の内部で加湿し、前記第二の原料ガスを前記燃料生成器の内部で加湿することが可能である。   In this case, a fuel generator for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell from the source gas and water vapor supplied from the source gas supply means, and a humidifier for humidifying the oxidant gas to be supplied to the cathode, The first source gas can be humidified inside the humidifier, and the second source gas can be humidified inside the fuel generator.

加えて、前記停止期間から前記発電期間までの間の前記燃料電池の移行期間において、前記燃料電池の内部に備えられた電解質膜の導電率に基づいて前記発電期間を開始させても良い。こうすることで、電解質膜の保水状態を的確に予測できて燃料電池発電装置の発電開始時期の判断の信頼性が向上させることができる。より詳しくは、前記燃料電池の内部における所定の相対湿度に対応する前記電解質膜の導電率に基づいて前記発電期間を開始させる。   In addition, in the transition period of the fuel cell from the stop period to the power generation period, the power generation period may be started based on the conductivity of the electrolyte membrane provided in the fuel cell. By doing so, the water retention state of the electrolyte membrane can be accurately predicted, and the reliability of the determination of the power generation start time of the fuel cell power generator can be improved. More specifically, the power generation period is started based on the conductivity of the electrolyte membrane corresponding to a predetermined relative humidity inside the fuel cell.

本発明によれば、燃料電池の内部を適切なタイミングで加湿原料ガスの雰囲気に曝すことで、電解質膜の乾燥促進および局所燃焼並びに電極撥水性劣化等、燃料電池のDSS運転に関する各種の問題に適切に対応できて、燃料電池の性能安定化を図れる燃料電池発電装置が得られる。   According to the present invention, by exposing the inside of the fuel cell to a humidified raw material gas atmosphere at an appropriate timing, various problems relating to the DSS operation of the fuel cell such as acceleration of drying of the electrolyte membrane, local combustion, and electrode water repellency deterioration are addressed. A fuel cell power generator that can be appropriately handled and can stabilize the performance of the fuel cell can be obtained.

最初に、固体高分子電解質形の燃料電池の基本的な発電原理を概説すると共に、加湿原料ガスによって電解質膜の乾燥を防止する目的を理解するため、電解質膜の保水管理の必要性を説明する。   First, we will outline the basic power generation principle of a solid polymer electrolyte fuel cell and explain the necessity of water retention management of the electrolyte membrane in order to understand the purpose of preventing drying of the electrolyte membrane with humidified feed gas .

燃料電池は、水素ガス等の燃料ガスをアノードに、空気等の酸化剤ガスをカソードに供給することによりこれらを電気化学的に反応させて電気と熱を同時に生成するものである。   In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas is supplied to an anode and an oxidant gas such as air is supplied to a cathode to cause them to react electrochemically to generate electricity and heat simultaneously.

電解質膜としては水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜が利用され、この電解質膜の両面に配置された多孔質の触媒反応層は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分としており、アノードの触媒反応層において下記の(1)式の反応が発生し、カソードの触媒反応層において下記の(2)式の反応が発生し、燃料電池全体として下記の(3)式の反応が発生する。   A polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions is used as the electrolyte membrane, and the porous catalytic reaction layers disposed on both sides of the electrolyte membrane are mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst. The reaction of the following formula (1) occurs in the catalytic reaction layer of the anode, the reaction of the following formula (2) occurs in the catalytic reaction layer of the cathode, and the fuel cell as a whole has the following formula (3). A reaction occurs.

→ 2H+ 2e (1)
1/2O+ 2H + 2e → HO (2)
+ 1/2O → HO (3)
即ち、(1)式の反応で生成した水素イオンを、電解質膜を介してアノードからカソードに輸送させると共に、外部回路を介してアノードからカソードに電子を移動させ、カソードでは酸素ガスおよび水素イオン並びに電子が(3)式のように反応して水を生成すると共に、触媒反応による反応熱を得ることができる。
H 2 → 2H + + 2e (1)
1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (3)
That is, hydrogen ions generated by the reaction of the formula (1) are transported from the anode to the cathode through the electrolyte membrane, and electrons are moved from the anode to the cathode through the external circuit. At the cathode, oxygen gas and hydrogen ions and Electrons react as shown in formula (3) to generate water, and heat of reaction due to catalytic reaction can be obtained.

このように電解質膜には水素イオンを選択的に輸送する機能が必要であり、電解質膜に保水させることによって、電解質膜に含まれる水を移動経路として、アノードからカソードに水素イオンを輸送できるイオン伝導性が発現すると考えられている。   As described above, the electrolyte membrane needs to have a function of selectively transporting hydrogen ions. By holding water in the electrolyte membrane, ions that can transport hydrogen ions from the anode to the cathode using the water contained in the electrolyte membrane as a movement path. It is thought that conductivity develops.

従って、水素イオン輸送能確保のため、電解質膜を保水させることが必須であり、電解質膜の乾燥化を防止して電解質膜の保水管理を適切に行うことは、電解質膜の基本性能にかかわる重要な技術事項である。   Therefore, in order to secure hydrogen ion transport capability, it is essential to retain the electrolyte membrane. Proper management of the electrolyte membrane water retention by preventing the electrolyte membrane from drying is important for the basic performance of the electrolyte membrane. Technical matter.

次に、既存の高分子電解質形の燃料電池の構成につき図面を参照して説明する。   Next, the configuration of an existing polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to the drawings.

図1に電解質接合体(MEA;Membrane-Electrode Assembly)を備えた固体高分子電解質形の燃料電池の断面図が示されている。   FIG. 1 shows a cross-sectional view of a solid polymer electrolyte fuel cell equipped with an electrolyte assembly (MEA).

水素イオン伝導性を備えたパーフルオロカーボンスルフォン酸からなる高分子電解質膜11の両面に、この電解質膜11を挟むようにアノード14aおよびカソード14cが配置されている。なお、参照番号の添え字aは水素ガス等の燃料ガス関与側のアノード14aに関連するものを示しており、添え字cは空気等の酸化剤ガス関与側のカソード14cに関連するものを示している。   An anode 14a and a cathode 14c are arranged on both sides of a polymer electrolyte membrane 11 made of perfluorocarbon sulfonic acid having hydrogen ion conductivity so as to sandwich the electrolyte membrane 11. Note that the subscript a of the reference number indicates that related to the anode 14a on the side involving the fuel gas such as hydrogen gas, and the subscript c indicates that related to the cathode 14c on the side involving the oxidant gas such as air. ing.

アノード14aおよびカソード14cは共に二層膜構造を有しており、電解質膜11と接触する第一層膜は、多孔質カーボンに白金等の貴金属を担持した触媒と水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなるアノード14aの触媒反応層12a(以下、触媒反応層12aという)およびカソード14cの触媒反応層12c(以下、触媒反応層12cという)であり、これらの触媒反応層12a、12cの外面に密着して積層する第二層膜は、通気性と電気伝導性を兼ね備えたアノード14aのガス拡散層13a(以下、ガス拡散層13aという)およびカソード14cのガス拡散層13c(以下、ガス拡散層13cという)である。   Both the anode 14a and the cathode 14c have a two-layer film structure, and the first layer film in contact with the electrolyte film 11 is composed of a catalyst in which a noble metal such as platinum is supported on porous carbon and a polymer having hydrogen ion conductivity. A catalyst reaction layer 12a (hereinafter referred to as catalyst reaction layer 12a) of the anode 14a and a catalyst reaction layer 12c (hereinafter referred to as catalyst reaction layer 12c) of the cathode 14c made of a mixture with an electrolyte, and these catalyst reaction layers 12a and 12c. The second layer film laminated in close contact with the outer surface of the gas diffusion layer 13a of the anode 14a (hereinafter referred to as the gas diffusion layer 13a) and the gas diffusion layer 13c (hereinafter referred to as the gas diffusion layer 13c) of the cathode 14c having both air permeability and electrical conductivity. Gas diffusion layer 13c).

なお、MEA17は、電解質膜11およびアノード14a並びにカソード14cで構成されており、このMEA17は機械的に固定されると共に、互いに隣接するMEA17同士が電気的に直列に接続される。   The MEA 17 includes an electrolyte membrane 11, an anode 14a, and a cathode 14c. The MEA 17 is mechanically fixed, and adjacent MEAs 17 are electrically connected in series.

また、アノード14aの外面に接触してアノード14aに対する導電性セパレータ板16a(以下、導電性セパレータ板16aという)が配置され、カソード14cの外面に接触してカソード14cに対する導電性セパレータ板16c(以下、導電性セパレータ板16cという)が配置されている。   In addition, a conductive separator plate 16a (hereinafter referred to as a conductive separator plate 16a) for the anode 14a is disposed in contact with the outer surface of the anode 14a. , Conductive separator plate 16c).

また、アノード14aおよびカソード14cに反応ガスを供給して、反応後の反応生成ガスや反応に寄与しなかった余剰の反応ガスを運び去る溝(深さ:0.5mm)からなるアノード14aに対する燃料ガス流路18a(以下、ガス流路18aという)およびカソード14cに対する酸化剤ガス流路18c(以下、ガス流路18cという)が導電性セパレータ板16a、16cのMEA17との接触面に形成されている。   Further, a fuel for the anode 14a comprising a groove (depth: 0.5 mm) for supplying a reaction gas to the anode 14a and the cathode 14c and carrying away a reaction product gas after the reaction and an excess reaction gas that did not contribute to the reaction. A gas flow path 18a (hereinafter referred to as gas flow path 18a) and an oxidant gas flow path 18c (hereinafter referred to as gas flow path 18c) for the cathode 14c are formed on the contact surfaces of the conductive separator plates 16a and 16c with the MEA 17. Yes.

こうしてMEA17とセパレータ板16aと16cからなる燃料電池セル(単セル)20が形成される。   Thus, a fuel cell (single cell) 20 composed of the MEA 17 and the separator plates 16a and 16c is formed.

なお、燃料電池21の内部には、例えば燃料電池セル20が60セル程度積層されており、より具体的には、一方の燃料電池セル20の導電性セパレータ板16aの外面と、他方の燃料電池セル20の導電性セパレータ板16cの外面とが互いに向き合って接触して隣接するように燃料電池セル20は積層される。   For example, about 60 fuel cells 20 are stacked inside the fuel cell 21, and more specifically, the outer surface of the conductive separator plate 16a of one fuel cell 20 and the other fuel cell. The fuel cells 20 are stacked so that the outer surfaces of the conductive separator plates 16c of the cells 20 face each other and come into contact with each other.

また、導電性セパレータ板16aとこれに隣接する導電性セパレータ16cの接触面には、導電性セパレータ板16aに形成された溝(深さ:0.5mm)19aと、導電性セパレータ板16cに形成された溝(深さ:0.5mm)19cとからなる冷却水通路19が設けられている。   Further, a groove (depth: 0.5 mm) 19a formed in the conductive separator plate 16a and a conductive separator plate 16c are formed on the contact surface of the conductive separator plate 16a and the conductive separator 16c adjacent thereto. A cooling water passage 19 including a groove (depth: 0.5 mm) 19c is provided.

こうして冷却水通路19の内部を流れる冷却水によって導電性セパレータ板16a、16cの温度調整を行い、これらの導電性セパレータ16a、16cを介してMEA17の温度調整を可能にしている。   Thus, the temperature of the conductive separator plates 16a and 16c is adjusted by the cooling water flowing inside the cooling water passage 19, and the temperature of the MEA 17 can be adjusted via these conductive separators 16a and 16c.

なお、導電性セパレータ板16a、16cとしては、例えば、20cm×32cm×1.3mmの外寸で、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板が用いられる。   As the conductive separator plates 16a and 16c, for example, graphite plates having an outer size of 20 cm × 32 cm × 1.3 mm and impregnated with a phenol resin are used.

また一方、MEA17の外周部のアノード側主面およびカソード側主面にそれぞれ、環状のゴム製のアノード14aの側のMEAガスケット15a(以下、MEAガスケット15aという)およびカソード14cの側のMEAガスケット15c(以下、MEAガスケット15cという)が設けられ、導電性セパレータ板16a、16cとMEA17の間を、MEAガスケット15a、15cによって封止させる。こうして、MEAガスケット15a、15cによってガス流路18a、18cを流れるガスのガス混合やガスリークが防止される。更には、MEAガスケット15a、15cの外側には冷却水通流用および燃料ガス通流用並びに酸化剤ガス通流用のマニホールド穴(図示せず)が形成されている。   On the other hand, the MEA gasket 15a on the side of the annular rubber anode 14a (hereinafter referred to as the MEA gasket 15a) and the MEA gasket 15c on the cathode 14c side are respectively formed on the anode side main surface and the cathode side main surface of the outer periphery of the MEA 17. (Hereinafter referred to as MEA gasket 15c) is provided, and the gap between the conductive separator plates 16a and 16c and the MEA 17 is sealed by the MEA gaskets 15a and 15c. Thus, gas mixing and gas leakage of the gas flowing through the gas flow paths 18a, 18c are prevented by the MEA gaskets 15a, 15c. Further, manifold holes (not shown) for cooling water flow, fuel gas flow and oxidant gas flow are formed outside the MEA gaskets 15a and 15c.

以上のような燃料電池を使用した燃料電池発電装置のガス供給系の構成および動作について図面を参照しながら説明する。図2は、燃料電池発電装置の基本構成を示すブロック図である。   The configuration and operation of the gas supply system of the fuel cell power generator using the fuel cell as described above will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a block diagram showing a basic configuration of the fuel cell power generator.

最初に、図1および図2を用いて、本発明の燃料電池発電装置100の基本構成を説明する。   First, the basic configuration of the fuel cell power generator 100 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

燃料電池発電装置100は主として、燃料生成器23に原料ガスを供給するための原料ガス供給手段22、燃料生成器23に水を供給するための第二の水供給手段75、原料ガス供給手段22から供給された原料ガスおよび第二の水供給手段75から供給された水から改質反応によって水素リッチな燃料ガスを生成する燃料生成器23、加湿器23に酸化剤ガス(空気)を供給するための空気供給手段としてのブロア28、加湿器24に水を供給するための第一の水供給手段74、ブロア28から供給された空気を、燃料生成器23から供給された熱および第一の水供給手段74から供給された水によって加湿させる加湿器34、燃料生成器23からアノード14aに供給された燃料ガスおよび加湿器24からカソード14cに供給された加湿酸化剤ガスを使って発電しおよび熱を生成する燃料電池21、原料ガス供給手段22および第一、第二の水供給手段74、75並びに燃料生成器23並びにブロア28並びに燃料電池21の適切な制御を制御する制御部27、燃料電池21で生成された電力を取り出す回路部25およびこの回路部25の電圧(発電電圧)を測定する測定部26等から構成されている。更に、燃料電池発電装置100には、後ほど詳しく説明する第一の切り替え弁29および第一、第二、第三の遮断弁30、31、32が設けられ、制御部27によって制御されている。なお、図2中の点線は制御信号を示している。   The fuel cell power generation apparatus 100 mainly includes a raw material gas supply means 22 for supplying a raw material gas to the fuel generator 23, a second water supply means 75 for supplying water to the fuel generator 23, and a raw material gas supply means 22. An oxidant gas (air) is supplied to the fuel generator 23 and the humidifier 23 that generate a hydrogen-rich fuel gas by a reforming reaction from the raw material gas supplied from the water and the water supplied from the second water supply means 75. The air supplied from the blower 28, the first water supply means 74 for supplying water to the humidifier 24, the air supplied from the blower 28, the heat supplied from the fuel generator 23 and the first The humidifier 34 humidifies with water supplied from the water supply means 74, the fuel gas supplied from the fuel generator 23 to the anode 14a, and the humidifier supplied from the humidifier 24 to the cathode 14c. The fuel cell 21 that generates power using the oxidant gas and generates heat, the raw material gas supply means 22 and the first and second water supply means 74 and 75, the fuel generator 23 and the blower 28, and the fuel cell 21 A control unit 27 that controls the control, a circuit unit 25 that extracts electric power generated by the fuel cell 21, a measurement unit 26 that measures a voltage (generated voltage) of the circuit unit 25, and the like. Further, the fuel cell power generator 100 is provided with a first switching valve 29 and first, second, and third shut-off valves 30, 31, and 32, which will be described in detail later, and are controlled by the control unit 27. In addition, the dotted line in FIG. 2 has shown the control signal.

次に、燃料電池発電装置の通常運転時(発電時)のガス供給の動作について説明する。   Next, the gas supply operation during normal operation (power generation) of the fuel cell power generator will be described.

原料ガス供給手段22のガス清浄部22pにおいて原料ガスに含有する燃料電池の性能劣化物質を除去して原料ガスを清浄化させたうえで、原料ガス供給配管63を介して清浄化原料ガスが燃料生成器23に供給される。なおここでは、原料ガスにメタンガス、エタンガス、プロパンガスおよびブタンガスを含有する都市ガス13Aを使用するため、ガス清浄部22pで都市ガス13Aに含まれる付臭剤のターシャリブチルメルカプタン(TBM)およびジメチルサルファイド(DMS)並びにテトラヒドロチオフィン(THT)等の不純物が吸着除去される。   In the gas purifier 22p of the source gas supply means 22, the performance deterioration material of the fuel cell contained in the source gas is removed to purify the source gas, and then the purified source gas is supplied to the fuel via the source gas supply pipe 63. It is supplied to the generator 23. In this case, since the city gas 13A containing methane gas, ethane gas, propane gas and butane gas is used as the raw material gas, the odorant tertiary butyl mercaptan (TBM) and dimethyl contained in the city gas 13A in the gas cleaning unit 22p. Impurities such as sulfide (DMS) and tetrahydrothiophine (THT) are adsorbed and removed.

また一方、第二の水供給手段75(例えば、水供給ポンプ)から燃料生成器23の内部に水が供給される。   On the other hand, water is supplied into the fuel generator 23 from the second water supply means 75 (for example, a water supply pump).

こうして原料ガスと水蒸気から燃料生成器23の改質部23eにおいて改質反応によって水素ガスリッチな燃料ガス(改質ガス)が生成される。燃料生成器23から送出される燃料ガスは、第一の切り替え弁29によって燃料ガス供給配管61とアノード側入口21aを連通させたうえで、燃料ガス供給配管61を介して燃料電池21のアノード側入口21aに供給され、アノード14aにおいて(1)式の反応に利用される。なお、第一の切り替え弁29は、アノード側入口21aと燃料生成器23の間の燃料ガス供給配管61の途中に配置されている。   Thus, a hydrogen gas-rich fuel gas (reformed gas) is generated from the raw material gas and water vapor by the reforming reaction in the reforming section 23e of the fuel generator 23. The fuel gas delivered from the fuel generator 23 is communicated between the fuel gas supply pipe 61 and the anode side inlet 21 a by the first switching valve 29 and then the anode side of the fuel cell 21 through the fuel gas supply pipe 61. It is supplied to the inlet 21a and used for the reaction of the formula (1) in the anode 14a. The first switching valve 29 is disposed in the middle of the fuel gas supply pipe 61 between the anode side inlet 21 a and the fuel generator 23.

また、燃料電池21に供給された燃料ガスのうち、燃料電池21で発電反応に利用されなかったものはアノード側出口21bから送出されアノード排気配管47を介して開栓状態の第一の遮断弁30を通って燃料電池21の外部に導かれる。   Of the fuel gas supplied to the fuel cell 21, the one that is not used for the power generation reaction in the fuel cell 21 is sent from the anode side outlet 21 b and is opened through the anode exhaust pipe 47. 30 is led to the outside of the fuel cell 21.

なお、第一の遮断弁30は、アノード側出口21bと水除去部33の間のアノード排気配管47の途中に配置されている。外部に導かれた残余の燃料ガスは、アノード排気配管47の途中の第二の逆止弁48(第二の逆止弁48は流れを許す方向)を通過すると共に、第一の逆止弁41によって第一の連結配管64の方向への逆流を防止される。そして、残余の燃料ガスは、アノード排気配管47に配置された水除去部33によって水を除去された後、燃料生成器23の燃焼部(図示せず)に送られて、燃焼部の内部で燃焼される。なお、この燃焼によって発生する熱は、改質反応のような吸熱反応用の熱として利用される。   The first shut-off valve 30 is disposed in the middle of the anode exhaust pipe 47 between the anode side outlet 21 b and the water removal unit 33. The remaining fuel gas led to the outside passes through the second check valve 48 in the middle of the anode exhaust pipe 47 (the second check valve 48 allows the flow) and the first check valve. 41 prevents backflow in the direction of the first connecting pipe 64. Then, after the water is removed by the water removing unit 33 disposed in the anode exhaust pipe 47, the remaining fuel gas is sent to the combustion unit (not shown) of the fuel generator 23, and inside the combustion unit. Burned. The heat generated by this combustion is used as heat for endothermic reaction such as reforming reaction.

一方、酸化剤ガス供給手段としてのブロア28から酸化剤ガス供給配管62を介して加湿器24に供給された酸化剤ガス(空気)は、加湿器24において加湿処理された後、開栓状態の第二の遮断弁31を通って酸化剤ガス供給配管62を介して燃料電池21のカソード側入口21cに供給され、カソード14cにおいて(2)式の反応に利用される。なお、第二の遮断弁31は、加湿器24とカソード側入口21cの間の酸化剤ガス供給配管62の途中に配置されている。   On the other hand, the oxidant gas (air) supplied from the blower 28 as the oxidant gas supply means to the humidifier 24 via the oxidant gas supply pipe 62 is humidified in the humidifier 24 and then opened. The gas is supplied to the cathode side inlet 21c of the fuel cell 21 through the oxidant gas supply pipe 62 through the second shutoff valve 31, and is used for the reaction of the formula (2) at the cathode 14c. The second shut-off valve 31 is disposed in the middle of the oxidant gas supply pipe 62 between the humidifier 24 and the cathode side inlet 21c.

加湿に必要な水は、第一の水供給手段74(例えば、水供給ポンプ)から加湿器24の内部に補給され、加湿に必要な熱は、図2中に二重線で示された燃料生成器23から加湿器24に供給されている。燃料電池21に供給された加湿酸化剤ガスのうち、燃料電池21で発電反応に利用されなかったものはカソード側出口21dから開栓状態の第三の遮断弁32を通って燃料電池21の外部に導かれ、残余の酸化剤ガスはカソード排気配管60を介して再び加湿器24へ還流されて、還流酸化剤ガス中に含まれる水および熱を加湿器24の内部においてブロア28から送られる新気の酸化剤ガスに与える。なお、第三の遮断弁32は、カソード側出口21dと加湿器24の間のカソード排気配管60の途中に配置されている。また加湿部24として、イオン交換膜を用いた全熱交換加湿器34と温水加湿器35が併用されている。   The water necessary for humidification is supplied to the inside of the humidifier 24 from the first water supply means 74 (for example, a water supply pump), and the heat necessary for humidification is the fuel indicated by a double line in FIG. It is supplied from the generator 23 to the humidifier 24. Of the humidified oxidant gas supplied to the fuel cell 21, the one not used for the power generation reaction in the fuel cell 21 passes through the third shutoff valve 32 in the open state from the cathode side outlet 21 d to the outside of the fuel cell 21. The remaining oxidant gas is recirculated to the humidifier 24 via the cathode exhaust pipe 60, and water and heat contained in the recirculated oxidant gas are sent from the blower 28 inside the humidifier 24. Give to the oxidant gas. The third shut-off valve 32 is disposed in the middle of the cathode exhaust pipe 60 between the cathode side outlet 21d and the humidifier 24. Further, as the humidifying unit 24, a total heat exchange humidifier 34 using an ion exchange membrane and a hot water humidifier 35 are used in combination.

なおここで、原料ガス供給手段22およびブロア28並びに第一、第二の水供給手段74、75並びに燃料生成器23並びに燃料電池21の動作並びに第一の切り替え弁29の切り替え動作並びに第一、第二、第三の遮断弁30、31、32の開閉動作は、各種機器の検知信号(例えば、温度信号)に基づいて制御部27によって制御されて、適切なDSS運転が実施されている。   Here, the raw material gas supply means 22 and the blower 28, the first and second water supply means 74 and 75, the operation of the fuel generator 23 and the fuel cell 21, the switching operation of the first switching valve 29, and the first, The opening and closing operations of the second and third shut-off valves 30, 31, and 32 are controlled by the control unit 27 based on detection signals (for example, temperature signals) of various devices, and appropriate DSS operation is performed.

こうして、アノード14aの出力端子72a(以下、出力端子72aという)およびカソード14cの出力端子72c(以下、出力端子72cという)に回路部25が接続されて、回路部25に燃料電池21の内部で生成された電力が取り出されて、回路部25の発電電圧が測定部26にてモニタされている。   Thus, the circuit unit 25 is connected to the output terminal 72a (hereinafter referred to as the output terminal 72a) of the anode 14a and the output terminal 72c (hereinafter referred to as the output terminal 72c) of the cathode 14c, and the circuit unit 25 is connected to the inside of the fuel cell 21. The generated power is taken out, and the generated voltage of the circuit unit 25 is monitored by the measuring unit 26.

ここで、燃料生成器23の内部には、メタンガス等の原料ガスを、水蒸気を用いて改質する改質部23eの他、改質部23eから送出された燃料ガス中に含有される一酸化炭素ガス(COガス)の一部を変成反応によって除去するCO変成部23fと、CO変成部23fから送出された燃料ガス中のCOガス濃度を10ppm以下に低下させ得るCO除去部23gが備えられている。COガス濃度を所定濃度レベル以下に低減させて、燃料電池21の動作温度域においてCOガスによってアノード14aに含まれる白金の被毒を防ぎ、その触媒活性の劣化が回避され得る。勿論、アノード14aに白金−ルテニウム等、耐COガス性を有する触媒を使用して触媒材料の面でもCOガス被毒の対策を講じている。   Here, in the fuel generator 23, the raw material gas such as methane gas is contained in the fuel gas sent from the reforming unit 23e in addition to the reforming unit 23e that reforms using steam. A CO shifter 23f that removes part of the carbon gas (CO gas) by a shift reaction, and a CO remover 23g that can reduce the CO gas concentration in the fuel gas sent from the CO shifter 23f to 10 ppm or less are provided. ing. By reducing the CO gas concentration to a predetermined concentration level or less, poisoning of platinum contained in the anode 14a by the CO gas in the operating temperature range of the fuel cell 21 can be prevented, and deterioration of its catalytic activity can be avoided. Of course, the anode 14a uses a catalyst having resistance to CO gas such as platinum-ruthenium to take measures against CO gas poisoning in terms of the catalyst material.

メタンガスを原料ガスの例として燃料生成器23の内部の反応変遷をより具体的に説明すると、次のような反応が行われる。   The reaction transition in the fuel generator 23 will be described more specifically by using methane gas as an example of the raw material gas. The following reaction is performed.

改質部23eにおいて、(4)式に示した水蒸気改質反応によって水素ガス(約90%)とCOガス(約10%)が生成される。   In the reforming unit 23e, hydrogen gas (about 90%) and CO gas (about 10%) are generated by the steam reforming reaction shown in the equation (4).

CH + HO → CO + 3H (4)
続いてCO変成部23fにおいて、このCOガスは二酸化炭素に酸化され、その濃度が約5000ppmまで減少させられる((5)式参照)。変成部23fの下流側のCO除去部23gにおいてもCOガスを酸化によって排除できるが、CO除去部23gは、COガスの他、有用な水素ガスまでも酸化させるため、CO変成部23fにおいて可能な限りCOガス濃度を低下させる方が望ましい。
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (4)
Subsequently, the CO gas is oxidized into carbon dioxide in the CO shift section 23f, and the concentration thereof is reduced to about 5000 ppm (see the formula (5)). CO gas can also be removed by oxidation in the CO removal section 23g on the downstream side of the shift section 23f. However, since the CO removal section 23g oxidizes not only CO gas but also useful hydrogen gas, it is possible in the CO shift section 23f. It is desirable to reduce the CO gas concentration as much as possible.

CO + HO → CO + H (5)
変成部23fで除去しきれなかった残留するCOガスは、CO除去部23gで酸化して除去されその濃度を約10ppm以下まで低下させられる((6)式参照)。こうして、燃料電池21に用いられる燃料ガスとして使用に耐え得るCOガス濃度レベルに到達できる。因みに、燃料生成器23の全反応式を(7)式に示しておく。
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (5)
Residual CO gas that could not be removed by the metamorphic part 23f is oxidized and removed by the CO removing part 23g, and the concentration thereof is reduced to about 10 ppm or less (see the equation (6)). Thus, it is possible to reach a CO gas concentration level that can be used as a fuel gas used in the fuel cell 21. Incidentally, the total reaction formula of the fuel generator 23 is shown in the formula (7).

CO + 1/2O → CO (6)
CH + 2HO → CO + 4H (7)
次に、燃料電池発電装置100の起動開始時の動作について説明する。
CO + 1 / 2O 2 → CO 2 (6)
CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 (7)
Next, the operation at the start of startup of the fuel cell power generation apparatus 100 will be described.

燃料生成器23(改質部23e)の温度が700℃以下であれば、燃料生成器23(改質部23e)において(4)式の改質反応が発生されない。このため起動開始時においては、燃料ガスから送出されるガスはアノード側入口21aに導かれることなく、第一の切り替え弁29の切り替え動作によって燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47に、第一の連結配管64とこの途中に設けられた第一の逆止弁41を介して連通させて、燃料生成器23から送出されたガスを第一の逆止弁41(第一の逆止弁は流れを許す方向)を通してアノード排気配管47に導く。その後、このガスは第二の逆止弁48によってアノード側出口21bの方向への逆流を防止されて、水除去部33にて水除去された後、燃料生成器23の燃焼器に供給されて燃焼器の内部で燃焼させられる。これによって、燃料生成器23(改質部23e)の昇温を速やかに行えて、起動開始から発電までの時間を短縮できる。   If the temperature of the fuel generator 23 (reforming part 23e) is 700 ° C. or lower, the reforming reaction of the formula (4) is not generated in the fuel generator 23 (reforming part 23e). For this reason, at the start of startup, the gas delivered from the fuel gas is not led to the anode side inlet 21a, and the fuel gas supply pipe 61 is connected to the anode exhaust pipe 47 by the switching operation of the first switching valve 29. The connecting pipe 64 is communicated with the first check valve 41 provided in the middle thereof, and the gas sent from the fuel generator 23 is sent to the first check valve 41 (the first check valve is The direction of allowing flow) to the anode exhaust pipe 47. Thereafter, this gas is prevented from flowing back in the direction of the anode side outlet 21 b by the second check valve 48, is removed by the water removal unit 33, and is then supplied to the combustor of the fuel generator 23. It is burned inside the combustor. As a result, the temperature of the fuel generator 23 (the reforming unit 23e) can be quickly increased, and the time from the start to the power generation can be shortened.

更に、燃料電池発電装置100の起動停止時の動作について説明する。   Furthermore, the operation | movement at the time of the start stop of the fuel cell electric power generating apparatus 100 is demonstrated.

燃料電池発電装置100の起動停止時には、第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47に連通させ、燃料ガス供給配管61とアノード側入口21aを遮断する。また、第一、第二、第三の遮断弁30、31、32をそれぞれ閉じる。これによって起動停止後、燃料ガスを燃料電池21のアノード14aに封入でき、かつ酸化剤ガスを燃料電池21のカソード14cに封入できる。   When starting and stopping the fuel cell power generation apparatus 100, the first switching valve 29 is operated to connect the fuel gas supply pipe 61 to the anode exhaust pipe 47, and the fuel gas supply pipe 61 and the anode side inlet 21a are shut off. Further, the first, second, and third shut-off valves 30, 31, and 32 are closed. Thus, after starting and stopping, the fuel gas can be sealed in the anode 14 a of the fuel cell 21, and the oxidant gas can be sealed in the cathode 14 c of the fuel cell 21.

(実施の形態1)
通常運転時(発電時)および起動開始時並びに運転停止時について燃料電池発電装置の基本構成のガス供給系の動作を概説したが、停止期間および発電期間を有して停止と発電を頻繁に交互に反復する燃料電池発電装置(例えば、家庭用の燃料電池発電装置)においては、燃料電池の停止期間から発電期間までの間の移行期間に燃料電池の内部を加湿した原料ガスの雰囲気に曝すことによって、燃料電池の停止時における電解質膜の乾燥化や長期保管でもたらされる酸素ガス混入に起因する燃料電池の局所燃焼という燃料電池の起動および停止の反復動作に関する技術的な課題を解消することができる。
(Embodiment 1)
Although the operation of the gas supply system of the basic configuration of the fuel cell power generator is outlined during normal operation (power generation), start-up, and operation stop, stop and power generation are frequently alternated with a stop period and a power generation period. In a fuel cell power generation device (for example, a household fuel cell power generation device) that repeats the above, the inside of the fuel cell is exposed to a humidified source gas atmosphere during the transition period from the stop period of the fuel cell to the power generation period. This eliminates the technical problem related to the repeated operation of starting and stopping the fuel cell, such as the local combustion of the fuel cell caused by the drying of the electrolyte membrane when the fuel cell is stopped and the oxygen gas contamination caused by long-term storage. it can.

なおここで、原料ガスの加湿とは、原料ガスの露点を燃料電池の稼働温度以上になるように、原料ガスの雰囲気を維持させることをいう。   Here, the humidification of the raw material gas refers to maintaining the atmosphere of the raw material gas so that the dew point of the raw material gas becomes equal to or higher than the operating temperature of the fuel cell.

以下、燃料電池の内部を、上記の移行期間に加湿原料ガスで曝すことを特徴とする燃料電池発電装置のガス供給系の構成例および動作例を説明する。   Hereinafter, a configuration example and an operation example of the gas supply system of the fuel cell power generation device, in which the inside of the fuel cell is exposed to the humidified raw material gas during the transition period, will be described.

図3は、実施の形態1に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図であり、図4Aおよび図4Bは、図3の燃料電池発電装置のガス供給動作を説明するフローチャート図である。   FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell power generator according to Embodiment 1, and FIGS. 4A and 4B are flowcharts for explaining the gas supply operation of the fuel cell power generator of FIG.

燃料電池21、第一の水供給手段74、第二の水供給手段75、原料ガス供給手段22、燃料生成器23、加湿器24、インピーダンス測定器73、回路部25、測定部26および制御部27の構成については基本構成(図1および図2参照)にて説明したものと同様である。   Fuel cell 21, first water supply means 74, second water supply means 75, source gas supply means 22, fuel generator 23, humidifier 24, impedance measuring instrument 73, circuit unit 25, measurement unit 26, and control unit The configuration 27 is the same as that described in the basic configuration (see FIGS. 1 and 2).

但し、実施の形態1は、加湿原料ガスの燃料電池21への導入配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータ等の制御部27の入力センサを以下のようにした点で基本構成と相違しており、ここでは配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータ等の入力センサの変更点を中心に説明する。   However, Embodiment 1 is different from the basic configuration in that the input sensor of the control unit 27 such as the piping for introducing the humidified raw material gas into the fuel cell 21, the switching valve, the shutoff valve, and the mass flow meter is as follows. Here, the description will focus on the changes in the input sensors such as the piping, the switching valve, the shutoff valve, and the mass flow meter.

図3において、燃料生成器23の出口直後の燃料ガス供給配管61の途中にガス流量を測定するためのアノード14aのマスフローメータ70a(以下、マスフローメータ70aという)が配置されている。なお、マスフローメータ70aの下流側であって燃料電池21のアノード側入口21aの上流側の第一の切り替え弁29は、燃料生成器23から延びてアノード側入口21aに連通する燃料ガス供給配管61の途中に配置される。   In FIG. 3, a mass flow meter 70a (hereinafter referred to as a mass flow meter 70a) of the anode 14a for measuring the gas flow rate is disposed in the middle of the fuel gas supply pipe 61 immediately after the outlet of the fuel generator 23. A first switching valve 29 downstream of the mass flow meter 70a and upstream of the anode side inlet 21a of the fuel cell 21 extends from the fuel generator 23 and communicates with the anode side inlet 21a. It is arranged in the middle.

また、第一の切り替え弁29は、図2と同様に第一の逆止弁41を配置された第一の連結配管64を介してアノード排気配管47と連通される。なお、第一の連結配管64およびアノード排気配管47の接続部位の位置は、水除去部33と第二の逆止弁48の間にある。   Further, the first switching valve 29 is communicated with the anode exhaust pipe 47 through the first connection pipe 64 in which the first check valve 41 is arranged as in FIG. In addition, the position of the connection site | part of the 1st connection piping 64 and the anode exhaust piping 47 exists between the water removal part 33 and the 2nd non-return valve 48. FIG.

アノード出口側21bから燃料生成器23に延びるアノード排気配管47の途中に第二の切り替え弁42が配置され、この第二の切り替え弁42の下流側であって水除去部33の上流側には、第一の遮断弁30および第二の逆止弁48がこの順番に、アノード排気配管47の途中に配置されている。   A second switching valve 42 is arranged in the middle of the anode exhaust pipe 47 extending from the anode outlet side 21 b to the fuel generator 23. The second switching valve 42 is located downstream of the second switching valve 42 and upstream of the water removal unit 33. The first shut-off valve 30 and the second check valve 48 are arranged in the order of the anode exhaust pipe 47 in this order.

更に、加湿器24からカソード側入口21cに延びる酸化剤ガス供給配管62の途中には、第二の遮断弁31および第三の切り替え弁43がこの順番に設けられ、カソード側出口21dから加湿器21に延びるカソード排気配管60の途中には 第四の切り替え弁44および第三の遮断弁32がこの順番に設けられている。   Further, in the middle of the oxidant gas supply pipe 62 extending from the humidifier 24 to the cathode side inlet 21c, a second shut-off valve 31 and a third switching valve 43 are provided in this order, and the humidifier from the cathode side outlet 21d is provided. A fourth switching valve 44 and a third shut-off valve 32 are provided in this order in the middle of the cathode exhaust pipe 60 extending to 21.

加えて、第三の切り替え弁43は、第一の循環配管45を介してアノード排気配管47の途中と連結され、第四の切り替え弁44は、第二の循環配管46を介して第二の切り替え弁42と連結されている。なお、第一の循環配管45およびアノード排気配管47の接続部位の位置は、水除去部33と第二の逆止弁48の間にある。   In addition, the third switching valve 43 is connected to the middle of the anode exhaust pipe 47 via the first circulation pipe 45, and the fourth switching valve 44 is connected to the second circulation pipe 46 via the second circulation pipe 46. A switching valve 42 is connected. In addition, the position of the connection part of the 1st circulation piping 45 and the anode exhaust piping 47 exists between the water removal part 33 and the 2nd non-return valve 48. FIG.

また、燃料電池21の内部の温度を検知する温度検知手段(Pt抵抗体の熱電対が望ましい)71は、図3に示すように燃料電池21のほぼ中央付近に配置され、燃料電池セル20中のカソード14cの導電性セパレータ板16cの内部に埋め込まれている(図1参照)。   Further, a temperature detecting means 71 (preferably a thermocouple of a Pt resistor) 71 for detecting the temperature inside the fuel cell 21 is disposed in the vicinity of the center of the fuel cell 21 as shown in FIG. Embedded in the conductive separator plate 16c of the cathode 14c (see FIG. 1).

また、後ほど詳しく説明する燃料電池21の電解質膜11の膜抵抗(導電率)を求めるため、出力端子72a、72cに接続するインピーダンス測定器73が設けられている。   Further, in order to obtain the membrane resistance (conductivity) of the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 described in detail later, an impedance measuring device 73 connected to the output terminals 72a and 72c is provided.

なお、出力端子72a、72cに回路部25が接続されて、回路部25において燃料電池21の内部で生成された電力が取り出されて、回路部25の電圧(発電電圧)が測定部26でモニタされる。   The circuit unit 25 is connected to the output terminals 72a and 72c, and the electric power generated inside the fuel cell 21 in the circuit unit 25 is taken out, and the voltage (generated voltage) of the circuit unit 25 is monitored by the measuring unit 26. Is done.

ここで、マスフローメータ70aの出力信号、温度検知手段71の出力信号(測定部26を介して)および出力端子72a、72cの出力信号(インピーダンス測定器73を介して)は、制御部27に入力される。こうして、マスフローメータ70aの出力信号に基づき原料ガスの流量が制御部27によってモニタされ、温度検知手段71の出力信号を測定部26で処理された処理信号に基づき燃料電池21の内部温度が制御部27によってモニタされ、出力端子72a、72cの出力信号をインピーダンス測定器73で処理された処理信号に基づき電解質膜11の膜抵抗が制御部27によってモニタされている。また、制御部27によって以下に説明する第一、第二、第三、第四の切り替え弁29、42、43、44の切り替え動作および第一、第二、第三の遮蔽弁30、31、32の開閉動作は制御されている。   Here, the output signal of the mass flow meter 70 a, the output signal of the temperature detection means 71 (via the measurement unit 26), and the output signals of the output terminals 72 a and 72 c (via the impedance measuring device 73) are input to the control unit 27. Is done. Thus, the flow rate of the raw material gas is monitored by the control unit 27 based on the output signal of the mass flow meter 70a, and the internal temperature of the fuel cell 21 is controlled by the control unit based on the processing signal obtained by processing the output signal of the temperature detecting means 71 by the measuring unit 26. 27, and the membrane resistance of the electrolyte membrane 11 is monitored by the control unit 27 based on the processing signal obtained by processing the output signals of the output terminals 72 a and 72 c by the impedance measuring device 73. In addition, the switching operation of the first, second, third, and fourth switching valves 29, 42, 43, and 44 and the first, second, and third shielding valves 30, 31, which will be described below by the control unit 27. The opening / closing operation of 32 is controlled.

以下、燃料電池発電装置の停止保管動作および起動開始動作並びに発電開始可否の確認動作並びに発電動作に分けて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給の動作を、図3のブロック図および図4A、図4Bのフローチャート図を参照しながら詳細に説明する。   In the following, the fuel gas and oxidant gas supply operations are divided into a storage operation and a start start operation of the fuel cell power generation device, a confirmation operation of whether or not to start power generation, and a power generation operation. This will be described in detail with reference to the flowchart of 4B.

〔燃料電池発電装置の停止保管動作〕
燃料電池発電装置100の停止後、燃料電池21の内部を原料ガスによって充填封止の状態に保って燃料電池発電装置100を長期保管させる。ここで、燃料電池発電装置100の停止保管のため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS401)。
[Stopping storage operation of fuel cell power generator]
After the fuel cell power generation device 100 is stopped, the fuel cell power generation device 100 is stored for a long period of time by keeping the inside of the fuel cell 21 filled and sealed with the raw material gas. Here, in order to stop and store the fuel cell power generator 100, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S401).

第二の切り替え弁42に接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びに第四の切り替え弁44に接続する第三の遮断弁32をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 30 connected to the second switching valve 42, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the fourth switching valve 44 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と連通させる一方、燃料ガス供給配管61をアノード側入口21aと遮断させる。また、第二の切り替え弁42を動作させてアノード側出口21bを第一の遮断弁30と連通させる一方、アノード側出口21bを第二の循環配管46と遮断させる。更に、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と連通させる一方、カソード側入口21cを第一の循環配管45と遮断させる。更にまた、第四の切り替え弁44を動作させてカソード側出口21dを第三の遮断弁32と連通させる一方、カソード側出口21dを第二の循環配管46と遮断させる。   In this state, the first switching valve 29 is operated to connect the fuel gas supply pipe 61 to the anode exhaust pipe 47, while the fuel gas supply pipe 61 is blocked from the anode side inlet 21a. Further, the second switching valve 42 is operated to connect the anode side outlet 21 b with the first shutoff valve 30, while the anode side outlet 21 b is shut off from the second circulation pipe 46. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c with the second shutoff valve 31, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the first circulation pipe 45. Furthermore, the fourth switching valve 44 is operated to connect the cathode side outlet 21d with the third shutoff valve 32, while the cathode side outlet 21d is shut off from the second circulation pipe 46.

こうして燃料電池21の内部に燃料ガスおよび酸化剤ガスを確実に封入することができる。なお、燃料電池21の内部は燃料電池稼働温度(70℃)以下で維持されており、通常は室温(約20℃〜30℃)近くに保たれている。   In this way, the fuel gas and the oxidant gas can be reliably sealed inside the fuel cell 21. Note that the inside of the fuel cell 21 is maintained at a fuel cell operating temperature (70 ° C.) or lower, and is usually kept near room temperature (about 20 ° C. to 30 ° C.).

〔燃料電池発電装置の起動開始動作〕
後ほど説明する加湿原料ガスによって燃料電池21の内部をパージ処理させるため、最初に燃料電池21の触媒に悪影響を及ぼさないような原料ガスの選定および原料ガスの清浄化処置を行う(ステップS402)。
[Starting operation of fuel cell generator]
In order to purge the inside of the fuel cell 21 with the humidified raw material gas, which will be described later, first, the raw material gas is selected and the raw material gas is cleaned so as not to adversely affect the catalyst of the fuel cell 21 (step S402).

具体的には、燃料電池21の白金触媒を表面に吸着して、水素過電圧を上昇させることを防止する目的で、原料ガス中の不純物の除去、とりわけイオウ成分の除去は必要不可欠な清浄化処理である。また原料ガス自体の選択として、燃料電池21の白金触媒の活性阻害等をもたらさないガスを選定することが必要であり、この観点からメタンガス、プロパンガス、ブタンガスおよびエタンガス(またはこれらの混合ガス)の何れかのガスを使用することが望ましい。   Specifically, in order to prevent the platinum catalyst of the fuel cell 21 from being adsorbed on the surface and preventing the hydrogen overvoltage from increasing, removal of impurities in the raw material gas, especially removal of sulfur components, is an indispensable cleaning process. It is. Further, as the selection of the raw material gas itself, it is necessary to select a gas that does not inhibit the activity of the platinum catalyst of the fuel cell 21. From this viewpoint, methane gas, propane gas, butane gas, and ethane gas (or a mixed gas thereof) are required. It is desirable to use any gas.

次に、燃料電池21の内部を、稼働温度(70℃)まで昇温する(ステップS403)。   Next, the temperature inside the fuel cell 21 is raised to the operating temperature (70 ° C.) (step S403).

具体的な昇温方法として、例えば、ヒータ(図示せず)または燃料電池発電装置100のコージェネレーション給湯器(図示せず)の貯蔵温水を使用する。なお、燃料電池21の内部温度は、温度検知手段71の検知信号に基づいて制御部27によってモニタされ、燃料電池21の適切な昇温動作が制御される。   As a specific temperature raising method, for example, a heater (not shown) or hot water stored in a cogeneration water heater (not shown) of the fuel cell power generation apparatus 100 is used. The internal temperature of the fuel cell 21 is monitored by the control unit 27 based on a detection signal from the temperature detection means 71, and an appropriate temperature raising operation of the fuel cell 21 is controlled.

ここで、燃料電池21の内部温度が稼働温度(70℃)以上に達している否かを判定して(ステップS404)、昇温不足であれば(S404においてNo)、S403の昇温動作を継続させ、70℃以上に到達すれば(S404においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 21 has reached or exceeded the operating temperature (70 ° C.) (step S404). If the temperature rise is insufficient (No in S404), the temperature raising operation of S403 is performed. If the temperature reaches 70 ° C. or higher (Yes in S404), the process proceeds to the next step.

続いて、燃料生成器23の内部を予備加熱させるため、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させる(ステップS405)。   Subsequently, in order to preheat the inside of the fuel generator 23, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S405).

第二の切り替え弁42に接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びに第四の切り替え弁44に接続する第三の遮断弁32をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 30 connected to the second switching valve 42, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the fourth switching valve 44 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と連通させる一方、燃料ガス供給配管61をアノード側入口21aと遮断させる。また、第二の切り替え弁42を動作させてアノード側出口21bを第一の遮断弁30と連通させる一方、アノード側出口21bを第二の循環配管46と遮断させる。更に、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と連通させる一方、カソード側入口21cを第一の循環配管45と遮断させる。更にまた、第四の切り替え弁44を動作させてカソード側出口21dを第三の遮断弁32と連通させる一方、カソード側出口21dを第二の循環配管46と遮断させる。   In this state, the first switching valve 29 is operated to connect the fuel gas supply pipe 61 to the anode exhaust pipe 47, while the fuel gas supply pipe 61 is blocked from the anode side inlet 21a. Further, the second switching valve 42 is operated to connect the anode side outlet 21 b with the first shutoff valve 30, while the anode side outlet 21 b is shut off from the second circulation pipe 46. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c with the second shutoff valve 31, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the first circulation pipe 45. Furthermore, the fourth switching valve 44 is operated to connect the cathode side outlet 21d with the third shutoff valve 32, while the cathode side outlet 21d is shut off from the second circulation pipe 46.

こうして燃料生成器23から送出され燃料ガス供給配管61を流れるガスを、第一の連結配管64(第一の逆止弁41は流れを許す方向)およびアノード排気配管47を通って燃料生成器23の燃焼部に還流させ燃焼部の内部で燃焼させる。   In this way, the gas sent from the fuel generator 23 and flowing through the fuel gas supply pipe 61 passes through the first connecting pipe 64 (the direction in which the first check valve 41 allows the flow) and the anode exhaust pipe 47 to pass through the fuel generator 23. It is made to recirculate | reflux to the combustion part of this, and it burns inside a combustion part.

これによって、所定温度範囲(燃料生成器23(改質部23e)において原料ガスおよび水蒸気からCOガスを発生させることなく、しかも原料ガスの炭素析出をさせない温度範囲)まで燃料生成器23を予備加熱させる(ステップS406)。   As a result, the fuel generator 23 is preheated to a predetermined temperature range (a temperature range in which CO gas is not generated from the raw material gas and water vapor in the fuel generator 23 (reforming section 23e) and carbon of the raw material gas is not precipitated). (Step S406).

具体的な燃料生成器23の昇温温度の範囲として、次のような理由によって300℃以下である。もっとも効率的に原料ガスを加熱して加湿させる点から昇温温度の範囲は、好ましくは250℃以上である。   The specific temperature range of the fuel generator 23 is 300 ° C. or lower for the following reason. The range of the temperature rise temperature is preferably 250 ° C. or more from the viewpoint of heating and humidifying the raw material gas most efficiently.

燃料生成器23の温度が700℃を超えると、燃料生成器23(改質部23e)の改質反応によって原料ガスと水蒸気から水素ガスが生成し、このような水素ガスによって燃料電池21の内部をパージ処理した場合、発電開始とともに水素ガスによって燃料電池21の内部で局所燃焼が発生する可能性がある。   When the temperature of the fuel generator 23 exceeds 700 ° C., hydrogen gas is generated from the raw material gas and the water vapor by the reforming reaction of the fuel generator 23 (the reforming unit 23e), and the inside of the fuel cell 21 is generated by such hydrogen gas. Is purged, there is a possibility that local combustion may occur inside the fuel cell 21 due to the hydrogen gas as soon as power generation is started.

燃料生成器23(改質部23e)の温度が700℃以下では、改質反応によって水素ガスは発生しないものの、500℃以上、700℃以下の温度の範囲内では燃料生成器23(改質部23e)において原料ガスを炭化させて原料ガスから炭素析出させる可能性があり、燃料生成器23(改質部23e)の温度を500℃以上の温度に保っておくことも好ましくない。加えて、燃料生成器23(改質部23e)の温度が300℃以下であれば、燃料生成器23(改質部23e)においてMEA17の触媒毒作用を有する一酸化炭素ガスが原料ガスおよび水蒸気から発生することがない。   When the temperature of the fuel generator 23 (reforming part 23e) is 700 ° C. or lower, hydrogen gas is not generated by the reforming reaction, but within the temperature range of 500 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, the fuel generator 23 (reforming part) In 23e), the raw material gas may be carbonized to cause carbon deposition from the raw material gas, and it is not preferable to keep the temperature of the fuel generator 23 (the reforming unit 23e) at a temperature of 500 ° C. or higher. In addition, if the temperature of the fuel generator 23 (reformer 23e) is 300 ° C. or less, the carbon monoxide gas having the catalytic poisoning action of the MEA 17 in the fuel generator 23 (reformer 23e) is the raw material gas and water vapor. Will not occur.

以上の理由により燃料生成器23(改質部23e)の温度を300℃以下に保って、この温度範囲で加湿させた原料ガスをパージ処理用ガスとして使用することが好適である。   For the above reasons, it is preferable to keep the temperature of the fuel generator 23 (reformer 23e) at 300 ° C. or lower and use the raw material gas humidified in this temperature range as the purge gas.

なお、燃料生成器23(改質部23e)の温度は、改質温度測定部(図示せず)の検知信号に基づいて制御部27によってモニタされて、燃料生成器23(改質部23e)の適切な昇温動作が図られる。   The temperature of the fuel generator 23 (reforming unit 23e) is monitored by the control unit 27 based on the detection signal of the reforming temperature measuring unit (not shown), and the fuel generator 23 (reforming unit 23e). The appropriate temperature rising operation is achieved.

ここで、燃料生成器23(改質部23e)の温度が250℃〜300℃の範囲まで昇温したか否かを判定して(ステップS407)、昇温不足であれば(S407においてNo)、S406の燃料生成器23の予備加熱動作を継続させ、250℃〜300℃の範囲まで昇温したら(S407においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the temperature of the fuel generator 23 (the reforming unit 23e) has been raised to a range of 250 ° C. to 300 ° C. (step S407), and if the temperature rise is insufficient (No in S407). When the preheating operation of the fuel generator 23 in S406 is continued and the temperature is raised to a range of 250 ° C. to 300 ° C. (Yes in S407), the process proceeds to the next step.

燃料生成器23の予備加熱の後、燃料生成器23の内部を、原料ガス供給手段22から供給される原料ガスの露点を燃料電池21の稼働温度(70℃)以上に維持できるよう原料ガスを加湿処理できる状態に移行させる(ステップS408)。既に燃料生成器23は300℃近傍まで昇温されており、加湿に要する水は第二の水供給手段75から燃料生成器23に供給できるため、これらの熱と水によって燃料生成器23の内部で原料ガスを加湿させることが可能である。   After the preheating of the fuel generator 23, the raw material gas is supplied so that the dew point of the raw material gas supplied from the raw material gas supply means 22 can be maintained above the operating temperature (70 ° C.) of the fuel cell 21. The state is shifted to a state where the humidification process can be performed (step S408). The fuel generator 23 has already been heated to around 300 ° C., and water required for humidification can be supplied from the second water supply means 75 to the fuel generator 23. It is possible to humidify the source gas.

続いて、加湿原料ガス供給のため、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させる(ステップS409)。   Subsequently, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows for supplying the humidified raw material gas (step S409).

第二の切り替え弁42に接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びに第四の切り替え弁44に接続する第三の遮断弁32をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 30 connected to the second switching valve 42, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the fourth switching valve 44 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と遮断させる一方、燃料ガス供給配管61をアノード側入口21aと連通させる。また、第二の切り替え弁42を動作させてアノード側出口21bを第一の遮断弁30と遮断させる一方、アノード側出口21bを第二の循環配管46と連通させる。更には、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と遮断させる一方、カソード側入口21cを第一の循環配管45と連通させる。更にまた、第四の切り替え弁44を動作させてカソード側出口21dを第三の遮断弁32と遮断させる一方、カソード側出口21dを第二の循環配管46と連通させる。   In this state, the first switching valve 29 is operated to cut off the fuel gas supply pipe 61 from the anode exhaust pipe 47, while the fuel gas supply pipe 61 is communicated with the anode side inlet 21a. Further, the second switching valve 42 is operated to shut off the anode side outlet 21 b from the first shut-off valve 30, while allowing the anode side outlet 21 b to communicate with the second circulation pipe 46. Further, the third switching valve 43 is operated to shut off the cathode side inlet 21 c from the second shut-off valve 31, while allowing the cathode side inlet 21 c to communicate with the first circulation pipe 45. Furthermore, the fourth switching valve 44 is operated to shut off the cathode side outlet 21d from the third shut-off valve 32, while allowing the cathode side outlet 21d to communicate with the second circulation pipe 46.

上記の弁動作を行った後、燃料生成器23から送出された加湿原料ガスは次のようにして燃料電池21の内部を加湿させて外部に導かれて、燃料電池21の内部を加湿原料ガスの雰囲気に置換するというパージ処理が行われる(ステップS410)。   After performing the above valve operation, the humidified raw material gas sent from the fuel generator 23 humidifies the inside of the fuel cell 21 as follows, and is guided to the outside. The purge process of replacing the atmosphere is performed (step S410).

原料ガス供給手段22から供給される原料ガスはガス清浄部22pにおいて清浄化された後、原料ガス供給配管63を介して燃料生成器23に送られて、燃料生成器23の内部で加湿される。その後、加湿原料ガスは、燃料生成器23から送出され、燃料ガス供給配管61を介して燃料電池21のアノード側入口21aから燃料電池21の内部に流入して、アノード14aが加湿原料ガスの雰囲気に曝された後、加湿原料ガスはアノード側出口21dから送出されて燃料電池21の外部に流出する。続いて加湿原料ガスは、第二の切り替え弁42によって第二の循環配管46の方向に向きを切り替えて、この第二の循環配管46を通過し、第四の切り替え弁44によって燃料電池カソード側出口21dの方向に向きを切り替えて再び燃料電池21の内部に再流入する。こうしてカソード14cが加湿原料ガスの雰囲気に曝されて、原料ガスはカソード側入口21cから送出されて燃料電池21の外部に再流出する。   The raw material gas supplied from the raw material gas supply means 22 is purified by the gas cleaning unit 22p, then sent to the fuel generator 23 via the raw material gas supply pipe 63, and is humidified inside the fuel generator 23. . Thereafter, the humidified raw material gas is sent out from the fuel generator 23 and flows into the fuel cell 21 from the anode side inlet 21a of the fuel cell 21 via the fuel gas supply pipe 61, and the anode 14a has an atmosphere of the humidified raw material gas. Then, the humidified raw material gas is sent out from the anode side outlet 21d and flows out of the fuel cell 21. Subsequently, the humidified raw material gas is switched in the direction of the second circulation pipe 46 by the second switching valve 42 and passes through the second circulation pipe 46, and the fuel cell cathode side by the fourth switching valve 44. The direction is switched in the direction of the outlet 21d, and the fuel cell 21 flows again into the fuel cell 21 again. Thus, the cathode 14c is exposed to the atmosphere of the humidified source gas, and the source gas is sent out from the cathode side inlet 21c and flows out of the fuel cell 21 again.

その後、原料ガスは、第三の切り替え弁43によって向きを切り替えて第一の循環配管45の方向に流れて、アノード排気配管47に到達する。アノード排気配管47に到達した原料ガスは、第一、第二の逆止弁41、48によって逆流を防止されて、水除去部33の方向に導かれてこの水除去部33において加湿原料ガスから水除去された後、燃料生成器23の燃焼部に送られる。   Thereafter, the direction of the raw material gas is switched by the third switching valve 43, flows in the direction of the first circulation pipe 45, and reaches the anode exhaust pipe 47. The raw material gas that has reached the anode exhaust pipe 47 is prevented from flowing back by the first and second check valves 41, 48, and is guided in the direction of the water removing unit 33, and is supplied from the humidified raw material gas in the water removing unit 33. After the water is removed, it is sent to the combustion section of the fuel generator 23.

すなわち加湿原料ガスは、図3中の太い点線のように燃料電池21のアノード側入口21aおよびアノード側出口21b並びにカソード側出口21d並びにカソード側入口21cの順番に通過して燃料電池21の周囲を環状に流れてアノード排気配管47に至る。燃焼部に供給された燃料ガスは、燃焼部の内部で燃焼され、この燃焼で生成した熱は燃料生成器23の加熱に利用される。   That is, the humidified raw material gas passes in the order of the anode side inlet 21a, the anode side outlet 21b, the cathode side outlet 21d, and the cathode side inlet 21c of the fuel cell 21 as shown by the thick dotted line in FIG. It flows in an annular shape and reaches the anode exhaust pipe 47. The fuel gas supplied to the combustion section is combusted inside the combustion section, and the heat generated by this combustion is used for heating the fuel generator 23.

加湿原料ガスのトータル供給量は、燃料電池21の内部空間のガス充填可能容積の少なくとも3倍以上必要であり、例えば、ガス充填可能容積が約1.0Lであれば、加湿原料ガスの流量1.5L/分でもって約5分間、これを燃料電池21の内部に供給すれば良く、このトータル供給量はマスフローメータ70aの出力信号に基づいて制御部27によってモニタされている。   The total supply amount of the humidified raw material gas needs to be at least three times the gas filling capacity of the internal space of the fuel cell 21. For example, if the gas filling capacity is about 1.0 L, the humidifying raw material gas flow rate 1 This may be supplied to the inside of the fuel cell 21 at 5 L / min for about 5 minutes, and the total supply amount is monitored by the control unit 27 based on the output signal of the mass flow meter 70a.

こうして燃料電池21の停止期間から発電期間までの間の移行期間に燃料電池21の内部を加湿原料ガスに曝すことができ、停止保管中に乾燥した燃料電池21の電解質膜11を加湿できると共に、仮に停止保管中に燃料電池21の内部に酸素ガスが混入した場合、この酸素ガスによってもたらされる燃料ガスとの局所燃焼を未然に防止できる。   Thus, the inside of the fuel cell 21 can be exposed to the humidified raw material gas during the transition period from the stop period of the fuel cell 21 to the power generation period, and the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 dried during the stop storage can be humidified. If oxygen gas is mixed into the fuel cell 21 during stopped storage, local combustion with the fuel gas caused by the oxygen gas can be prevented beforehand.

更に、燃料電池21の停止期間から発電期間までの間の移行期間に、燃料電池21の内部に加湿原料ガスを導くようにしたため、燃料電池21の内部を長期間、加湿原料ガスの雰囲気で曝すことがなく、燃料電池の電極の撥水性が損なわれない。   Furthermore, since the humidified raw material gas is introduced into the fuel cell 21 during the transition period from the stop period of the fuel cell 21 to the power generation period, the inside of the fuel cell 21 is exposed to the humidified raw material gas atmosphere for a long period of time. And the water repellency of the fuel cell electrode is not impaired.

加えて、アノード14aに燃料電池21の停止保管中に混入した酸素ガスが万一残留すると、ルテニウム溶出をきたして触媒機能が失われるため、アノード14aを経てからカソード14cに導くという加湿原料ガスの導入経路を採用して酸化劣化され易いアノード14aの酸素ガスを優先的に排除する原料ガスの供給法は、触媒劣化防止の観点から理にかなっている。   In addition, if the oxygen gas mixed in the anode 14a during the storage stop of the fuel cell 21 remains, ruthenium elution is caused and the catalytic function is lost. Therefore, the humidified raw material gas is introduced to the cathode 14c after passing through the anode 14a. The raw material gas supply method that preferentially excludes the oxygen gas of the anode 14a that is easily oxidized and deteriorated by employing the introduction path is reasonable from the viewpoint of preventing catalyst deterioration.

また、図3の太い点線を付して示した単一の加湿原料ガス供給経路によってアノード14aとカソード14cの両方を加湿処理させることができ、ガス供給配管を簡素化できる。   Further, both the anode 14a and the cathode 14c can be humidified by a single humidified raw material gas supply path indicated by a thick dotted line in FIG. 3, and the gas supply piping can be simplified.

燃料電池21の内部に充分、加湿原料ガスを供給した後、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させて(ステップS411)、燃料電池発電装置100の燃料生成器23の加熱促進を図って、燃料生成器23(改質部23e)の内部温度を(4)式の改質反応可能な温度(約700℃以上)まで速やかに昇温させる。   After sufficiently supplying the humidified raw material gas to the inside of the fuel cell 21, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S411) to promote heating of the fuel generator 23 of the fuel cell power generator 100. Then, the internal temperature of the fuel generator 23 (the reforming unit 23e) is rapidly raised to a temperature (about 700 ° C. or higher) at which the reforming reaction of the equation (4) is possible.

第二の切り替え弁42に接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びに第四の切り替え弁44に接続する第三の遮断弁32をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 30 connected to the second switching valve 42, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the fourth switching valve 44 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と連通させる一方、燃料ガス供給配管61をアノード側入口21aと遮断させる。また、第二の切り替え弁42を動作させてアノード側出口21bを第一の遮断弁30と連通させる一方、アノード側出口21bを第二の循環配管46と遮断させる。更に、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と連通させる一方、カソード側入口21cを第一の循環配管45と遮断させる。更にまた、第四の切り替え弁44を動作させてカソード側出口21dを第三の遮断弁32と連通させる一方、カソード側出口21dを第二の循環配管46と遮断させる。   In this state, the first switching valve 29 is operated to connect the fuel gas supply pipe 61 to the anode exhaust pipe 47, while the fuel gas supply pipe 61 is blocked from the anode side inlet 21a. Further, the second switching valve 42 is operated to connect the anode side outlet 21 b with the first shutoff valve 30, while the anode side outlet 21 b is shut off from the second circulation pipe 46. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c with the second shutoff valve 31, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the first circulation pipe 45. Furthermore, the fourth switching valve 44 is operated to connect the cathode side outlet 21d with the third shutoff valve 32, while the cathode side outlet 21d is shut off from the second circulation pipe 46.

こうして燃料生成器23から燃料ガス供給配管61に送出されるガスを、第一の連結配管64(第一の逆止弁41は流れを許す方向)およびアノード排気配管47を通って燃料生成器23の燃焼部に還流させ燃焼部の内部で燃焼させる。これによって、所定温度範囲(改質反応によって原料ガスと水蒸気から水素ガスが生成する温度範囲;700℃以上)まで燃料生成器23を加熱させる(ステップS412)。   In this way, the gas sent from the fuel generator 23 to the fuel gas supply pipe 61 passes through the first connection pipe 64 (the direction in which the first check valve 41 allows the flow) and the anode exhaust pipe 47, and the fuel generator 23. It is made to recirculate | reflux to the combustion part of this, and it burns inside a combustion part. Thereby, the fuel generator 23 is heated to a predetermined temperature range (temperature range in which hydrogen gas is generated from the raw material gas and water vapor by the reforming reaction; 700 ° C. or more) (step S412).

ここで、燃料生成器23(改質部23e)の温度が700℃以上に昇温したか否かを判定して(ステップS413)、昇温不足であれば(S413においてNo)、S412の加熱動作を継続させ、700℃以上に到達したら(S413においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the temperature of the fuel generator 23 (the reforming unit 23e) has risen to 700 ° C. or more (step S413). If the temperature rise is insufficient (No in S413), the heating in S412 is performed. When the operation is continued and reaches 700 ° C. or higher (Yes in S413), the process proceeds to the next step.

〔燃料電池発電装置の発電開始可否の確認動作〕
燃料生成器23の内部を700℃以上に昇温させた後、燃料電池21の内部温度の確認および燃料電池21の電解質膜11の導電率の確認を行って、燃料電池発電装置100の発電を開始して良いか否かを判定する。
[Operation to confirm whether fuel cell generator can start power generation]
After the temperature inside the fuel generator 23 is raised to 700 ° C. or higher, the internal temperature of the fuel cell 21 and the conductivity of the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 are checked, and the fuel cell power generator 100 generates power. Determine if it is okay to start.

第一の確認動作として、燃料電池21の内部温度が稼働温度(70℃)以上であるか否かを判定して(ステップS414)、昇温不足であれば(S414においてNo)、S404の昇温動作を再実行させて、70℃以上に昇温したら(S414においてYes)、次にステップに進む。   As a first confirmation operation, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 21 is equal to or higher than the operating temperature (70 ° C.) (step S414). If the temperature rise is insufficient (No in S414), the increase in S404 is performed. When the temperature operation is re-executed and the temperature is raised to 70 ° C. or higher (Yes in S414), the process proceeds to the next step.

第二の確認動作として、燃料電池21の電解質膜11の導電率を求めてこの導電率:σ=1.93×10−2Scm−1以上か否かを判定して(ステップS416)、σ=1.93×10−2Scm−1未満であれば(S416においてNo)、電解質膜11の加湿不足であると判断してS409およびS410の動作を再実行させ(ステップS417)、σ=1.93×10−2Scm−1以上であれば(S416においてYes)、次のステップに進む。 As a second confirmation operation, the conductivity of the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 is obtained to determine whether or not this conductivity: σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or more (step S416). = 1.93 × 10 −2 Scm −1 (No in S416), it is determined that the electrolyte membrane 11 is insufficiently humidified, and the operations of S409 and S410 are re-executed (step S417), and σ = 1 .93 × 10 −2 Scm −1 or more (Yes in S416), the process proceeds to the next step.

ここで、図面を参照して電解質膜の導電率の算出法および電解質膜の導電率と相対湿度の関係を説明する。   Here, the calculation method of the conductivity of the electrolyte membrane and the relationship between the conductivity of the electrolyte membrane and the relative humidity will be described with reference to the drawings.

図5において、横軸に実抵抗成分Z’をとり、縦軸にリアクタンス成分Z''をとって、燃料電池21(電極面積:144cm)に印加する交流電流の周波数を0.1Hz〜1kHzの範囲で可変させて測定した燃料電池21の交流インピーダンスプロファイル図が示されている(交流法によるインピーダンス測定)。図5によれば、交流インピーダンスプロファイルは周波数1kHzの交流電流において横軸(Z’)と交差するため、周波数1kHzの交流電流におけるインピーダンスが電解質膜11の抵抗Rsを示すと推定される。即ち、図5は、交流インピーダンスを測定した所謂コールコールプロット(Cole−Cole plot)の模式図であり、この場合、半円と横軸の交点のうちの抵抗値の小さいもの(図5に示されたRs)が電解質膜11の膜抵抗を意味する。 In FIG. 5, the horizontal axis represents the actual resistance component Z ′, the vertical axis represents the reactance component Z ″, and the frequency of the alternating current applied to the fuel cell 21 (electrode area: 144 cm 2 ) is 0.1 Hz to 1 kHz. An AC impedance profile diagram of the fuel cell 21 measured by varying the range is shown (impedance measurement by AC method). According to FIG. 5, since the AC impedance profile intersects the horizontal axis (Z ′) in the alternating current having the frequency of 1 kHz, it is estimated that the impedance in the alternating current having the frequency of 1 kHz indicates the resistance Rs of the electrolyte membrane 11. That is, FIG. 5 is a schematic diagram of a so-called Cole-Cole plot in which AC impedance is measured. In this case, the resistance value of the intersection of the semicircle and the horizontal axis is small (shown in FIG. 5). Rs) means the membrane resistance of the electrolyte membrane 11.

制御部27によって制御されるインピーダンス測定器73(図3参照)に接続された燃料電池21の出力端子72a、72cに対して、インピーダンス測定器73から測定用交流電圧(1kHz)を印加する。これによって得られる燃料電池21の電解質膜11の交流インピーダンスに基づいて電解質膜11の導電率は推定され得る。具体的には、燃料電池セル20を、例えば10セル毎に交流電圧(1kHz)を印加して交流インピーダンスを測定して、この測定値と電解質膜11の膜厚および面積から電解質膜11の導電率を算出している。   An AC voltage for measurement (1 kHz) is applied from the impedance measuring device 73 to the output terminals 72a and 72c of the fuel cell 21 connected to the impedance measuring device 73 (see FIG. 3) controlled by the control unit 27. The conductivity of the electrolyte membrane 11 can be estimated based on the alternating current impedance of the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 obtained in this way. Specifically, for example, an alternating current voltage (1 kHz) is applied to every 10 cells of the fuel cell 20 to measure an alternating current impedance, and the conductivity of the electrolytic film 11 is determined from the measured value and the film thickness and area of the electrolytic film 11. The rate is calculated.

このような算出法で得られた導電率がσ=1.93×10−2Scm−1以上であれば、図6に基づいて次のような理由で燃料電池21は、発電開始可能な状態であると判定できる。 If the conductivity obtained by such a calculation method is σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or more, the fuel cell 21 is in a state in which power generation can be started for the following reason based on FIG. Can be determined.

図6は、電解質膜11の温度を80℃に保った場合、横軸に高分子電解質膜(米国DuPont社のNafion112の電解質膜であって膜厚は50μm)の相対湿度をとり、縦軸に電解質膜の導電率をとって両者の相関関係を示すものであって、電解質膜の相対湿度に電解質膜の導電率がどのように依存するかを説明するためのものである。   6, when the temperature of the electrolyte membrane 11 is kept at 80 ° C., the horizontal axis represents the relative humidity of the polymer electrolyte membrane (Nafion 112 electrolyte membrane of DuPont, USA, film thickness is 50 μm), and the vertical axis represents The correlation between the electrolyte membranes is shown by taking the conductivity of the electrolyte membrane, and it is for explaining how the conductivity of the electrolyte membrane depends on the relative humidity of the electrolyte membrane.

図6によれば、電解質膜を乾燥させるに伴って電解質膜の導電率がゼロに漸近する一方(相対湿度:20%近傍)、電解質膜の湿度が増せば、導電率も単調に増加するという傾向が観察される。ここで、電解質膜の性能上、充分に保水された相対湿度を50%以上とみなすと、この相対湿度に対応する導電率は、σ=1.93×10−2Scm−1である。 According to FIG. 6, as the electrolyte membrane is dried, the conductivity of the electrolyte membrane gradually approaches zero (relative humidity: near 20%), but as the electrolyte membrane increases in humidity, the conductivity also increases monotonously. A trend is observed. Here, in view of the performance of the electrolyte membrane, assuming that the sufficiently maintained relative humidity is 50% or more, the conductivity corresponding to this relative humidity is σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 .

よって、このように電解質膜の導電率(例えば、Nafion112の電解質膜においてはσ=1.93×10−2Scm−1)を電解質膜の保水状態を求める簡易的な指標として使用することができ、導電率に基づいて燃料電池21の発電開始の可否を予測し得ると言える。 Therefore, the conductivity of the electrolyte membrane (for example, σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 in the case of the Nafion 112 electrolyte membrane) can be used as a simple index for obtaining the water retention state of the electrolyte membrane. In other words, it can be said that whether or not the fuel cell 21 can start power generation can be predicted based on the conductivity.

こうして停止期間および発電期間を有する燃料電池の発電開始時期を燃料電池の温度に基づく判定に加え、燃料電池セルの電解質膜の導電率に基づく判定を実施するため、電解質膜の保水状態を的確に予測できて燃料電池発電装置の発電開始時期の判断の信頼性が向上させることができる。   In this way, in addition to the determination based on the temperature of the fuel cell, the generation start timing of the fuel cell having the stop period and the power generation period is determined based on the conductivity of the electrolyte membrane of the fuel cell, so that the water retention state of the electrolyte membrane is accurately determined. Thus, the reliability of the determination of the power generation start time of the fuel cell power generator can be improved.

〔燃料電池発電装置の発電動作〕
上記の確認動作の数値が所定値に到達した後(具体的には燃料電池21の温度が70℃以上、電解質膜の導電率σ=1.93×10−2Scm−1以上)、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させて燃料電池21を発電させる(ステップS418およびステップS419)。
[Power generation operation of fuel cell power generator]
After the numerical value of the confirmation operation reaches a predetermined value (specifically, the temperature of the fuel cell 21 is 70 ° C. or higher, the conductivity of the electrolyte membrane σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or higher), the switching valve And the shut-off valve is operated as follows to generate power in the fuel cell 21 (steps S418 and S419).

第二の切り替え弁42に接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びに第四の切り替え弁44に接続する第三の遮断弁32をすべて開栓する。   The first cutoff valve 30 connected to the second switching valve 42, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the fourth switching valve 44 are all opened. Plug.

この状態で第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と遮断させる一方、燃料ガス供給配管61をアノード側入口21aと連通させる。また、第二の切り替え弁42を動作させてアノード側出口21bを第一の遮断弁30と連通させる一方、アノード側出口21bを第二の循環配管46と遮断させる。そして、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と連通させる一方、カソード側入口21cを第一の循環配管45と遮断させる。更に、第四の切り替え弁44を動作させてカソード側出口21dを第三の遮断弁32と連通させる一方、カソード側出口21dを第二の循環配管46と遮断させる。   In this state, the first switching valve 29 is operated to shut off the fuel gas supply pipe 61 from the anode exhaust pipe 47, while allowing the fuel gas supply pipe 61 to communicate with the anode side inlet 21a. Further, the second switching valve 42 is operated to connect the anode side outlet 21 b with the first shutoff valve 30, while the anode side outlet 21 b is shut off from the second circulation pipe 46. Then, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c to the second shutoff valve 31, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the first circulation pipe 45. Further, the fourth switching valve 44 is operated to connect the cathode side outlet 21d with the third shutoff valve 32, while the cathode side outlet 21d is shut off from the second circulation pipe 46.

このような切り替え弁および遮断弁の動作によって燃料ガス供給配管61を介して燃料生成器23から送出される水素ガスリッチな燃料ガスを燃料電池21のアノード側入口21aに導入すると共に、アノード側出口21bから送出され、アノード14aで消費されなかった残余の燃料ガスを、アノード排気配管47を介して燃料電池21の燃料生成器23に還流させる。   By operating the switching valve and the shutoff valve, the hydrogen gas-rich fuel gas sent from the fuel generator 23 through the fuel gas supply pipe 61 is introduced into the anode side inlet 21a of the fuel cell 21, and the anode side outlet 21b. The remaining fuel gas that has been discharged from the fuel and not consumed by the anode 14 a is recirculated to the fuel generator 23 of the fuel cell 21 via the anode exhaust pipe 47.

一方、酸化剤ガス供給配管62を介して加湿器23から送出される加湿空気(加湿酸化剤ガス)を燃料電池21のカソード側入口21cに導入すると共に、カソード側出口21dから送出され、カソード14cで消費されなかった残余の酸化剤ガスを、カソード排気配管60を介して燃料電池21の加湿器24に還流させる。   On the other hand, the humidified air (humidified oxidant gas) sent from the humidifier 23 through the oxidant gas supply pipe 62 is introduced into the cathode side inlet 21c of the fuel cell 21, and sent out from the cathode side outlet 21d to be supplied to the cathode 14c. The remaining oxidant gas that has not been consumed in step 1 is recirculated to the humidifier 24 of the fuel cell 21 via the cathode exhaust pipe 60.

こうして燃料ガスをアノード14aに供給し、酸化剤ガスをカソード14cに供給して、燃料電池21の内部にて水素イオンと電子を生成させて、出力端子72a、72cを介して回路部25に電流を取り出すことができ、測定部26において発電電圧がモニタされる。   Thus, the fuel gas is supplied to the anode 14a, the oxidant gas is supplied to the cathode 14c, hydrogen ions and electrons are generated inside the fuel cell 21, and the current is supplied to the circuit unit 25 through the output terminals 72a and 72c. And the generated voltage is monitored by the measuring unit 26.

(実施の形態2)
以下、燃料電池21の内部を、停止期間から発電期間までの間の移行期間に加湿原料ガスで曝すようにした燃料電池発電装置100のガス供給系の他の構成例を説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, another configuration example of the gas supply system of the fuel cell power generation apparatus 100 in which the inside of the fuel cell 21 is exposed to the humidified raw material gas during the transition period from the stop period to the power generation period will be described.

図7は、実施の形態2に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図である。   FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell power generator according to Embodiment 2. In FIG.

燃料電池21、第一の水供給手段74、第二の水供給手段75、原料ガス供給手段22、燃料生成器23、加湿器24、インピーダンス測定器73、回路部25、測定部26および制御部27の構成については実施の形態1にて説明したものと同様である。   Fuel cell 21, first water supply means 74, second water supply means 75, source gas supply means 22, fuel generator 23, humidifier 24, impedance measuring instrument 73, circuit unit 25, measurement unit 26, and control unit The configuration 27 is the same as that described in the first embodiment.

但し、実施の形態2は、加湿原料ガスの燃料電池21への導入配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータの配置を以下のように変更した点で実施の形態1(図3)と相違しており、ここでは配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータの変更点を中心に説明する。   However, the second embodiment is different from the first embodiment (FIG. 3) in that the arrangement of the piping for introducing the humidified raw material gas into the fuel cell 21, the switching valve, the shutoff valve, and the mass flow meter is changed as follows. Here, the description will focus on the changes in the piping, the switching valve, the shutoff valve, and the mass flow meter.

図3に示された第三の切り替え弁43とアノード排気配管47を繋ぐ第一の循環配管45を取り除く。また、ガス清浄部22pの出口直後に第六の切り替え弁54を配置して、これによって清浄化原料ガスを加湿器24(原料ガス分岐配管51)に送出する場合と燃料生成器23に送出する場合の切り替え動作を行う。加えて、加湿部24の内部を通って、第三の切り替え弁43と第六の切り替え弁54とを連通させる原料ガス分岐配管51が設けられている。更に、第一の切り替え弁29の下流側であって燃料電池21のアノード側入口21aの上流側を繋ぐ燃料ガス供給配管61の途中に、第五の切り替え弁52を追加すると共に、この第五の切り替え弁52とアノード排気配管47を繋ぐ第二の連結配管53を設けている。なお、第二の連結配管53とアノード排気配管47との接続部位の位置は、第二の逆止弁48と水除去部33の間にある。また、マスフローメータ70a(図3参照)を取り除いて、ガス流量を測定するためのカソード14cのマスフローメータ70c(以下、マスフローメータ70cという)を加湿器24と第三の切り替え弁43の間であって原料ガス分岐配管51の途中に配置する。   The first circulation pipe 45 connecting the third switching valve 43 and the anode exhaust pipe 47 shown in FIG. 3 is removed. In addition, a sixth switching valve 54 is arranged immediately after the outlet of the gas cleaning unit 22p, thereby sending the purified source gas to the humidifier 24 (source gas branch pipe 51) and to the fuel generator 23. Perform the switching operation. In addition, a raw material gas branch pipe 51 that communicates the third switching valve 43 and the sixth switching valve 54 through the inside of the humidifying unit 24 is provided. Further, a fifth switching valve 52 is added in the middle of the fuel gas supply pipe 61 connecting the downstream side of the first switching valve 29 and the upstream side of the anode side inlet 21 a of the fuel cell 21. The second connecting pipe 53 is provided to connect the switching valve 52 and the anode exhaust pipe 47. In addition, the position of the connection part of the 2nd connection piping 53 and the anode exhaust piping 47 exists between the 2nd non-return valve 48 and the water removal part 33. FIG. Further, the mass flow meter 70a (see FIG. 3) is removed, and the mass flow meter 70c (hereinafter referred to as the mass flow meter 70c) of the cathode 14c for measuring the gas flow rate is interposed between the humidifier 24 and the third switching valve 43. And disposed in the middle of the source gas branch pipe 51.

以下、停止保管動作および起動開始動作並びに発電開始可否の確認動作並びに発電動作に分けて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給動作を図7のブロック図および図8A、図8Bのフローチャート図を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the supply operation of the fuel gas and the oxidant gas will be divided into a stop storage operation, a start start operation, a power generation start availability confirmation operation and a power generation operation, with reference to the block diagram of FIG. 7 and the flowcharts of FIGS. 8A and 8B. However, it explains in detail.

〔燃料電池発電装置の停止保管動作〕
燃料電池発電装置の停止後、燃料電池21の内部を原料ガスによって充填封止の状態に保って長期保管する。ここで、燃料電池発電装置100の停止保管のため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS801)。
[Stopping storage operation of fuel cell power generator]
After the fuel cell power generator is stopped, the inside of the fuel cell 21 is kept in a state of being filled and sealed with the raw material gas and stored for a long time. Here, in order to stop and store the fuel cell power generator 100, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S801).

第二の切り替え弁42に接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びに第四の切り替え弁44に接続する第三の遮断弁32をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 30 connected to the second switching valve 42, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the fourth switching valve 44 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61を第5の切り替え弁52と連通させる一方、燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と遮断させる。また、第二の切り替え弁42を動作させてアノード側出口21bを第一の遮断弁30と連通させる一方、アノード側出口21bを第二の循環配管46と遮断させる。更に、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と連通させる一方、カソード側入口21cを原料ガス分岐配管51と遮断させる。また、第四の切り替え弁44を動作させてカソード側出口21dと第三の遮断弁32を連通させる一方、カソード側出口21dと第二の循環配管46を遮断させる。加えて、第5の切り替え弁52を動作させてアノード側入口21aを第一の切り替え弁29と連通させる一方、アノード側入口21aをアノード排気配管27と遮断させる。   In this state, the first switching valve 29 is operated to connect the fuel gas supply pipe 61 to the fifth switching valve 52, while the fuel gas supply pipe 61 is disconnected from the anode exhaust pipe 47. Further, the second switching valve 42 is operated to connect the anode side outlet 21 b with the first shutoff valve 30, while the anode side outlet 21 b is shut off from the second circulation pipe 46. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c with the second shutoff valve 31, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the source gas branch pipe 51. Further, the fourth switching valve 44 is operated to connect the cathode-side outlet 21d and the third shut-off valve 32, while the cathode-side outlet 21d and the second circulation pipe 46 are shut off. In addition, the fifth switching valve 52 is operated to connect the anode side inlet 21a to the first switching valve 29, while the anode side inlet 21a is disconnected from the anode exhaust pipe 27.

こうして燃料電池21の内部に燃料ガスおよび酸化剤ガスを確実に封入することができる。なお、燃料電池21の内部の温度は通常、室温(約20℃〜30℃)近くになっており、これは燃料電池稼働温度(70℃)よりも低く保たれる。   In this way, the fuel gas and the oxidant gas can be reliably sealed inside the fuel cell 21. The temperature inside the fuel cell 21 is usually near room temperature (about 20 ° C. to 30 ° C.), which is kept lower than the fuel cell operating temperature (70 ° C.).

〔燃料電池発電装置の起動開始動作〕
最初に、燃料電池21の触媒に悪影響を及ぼさないような原料ガスの選定および原料ガスの清浄化の処置を行う(ステップS802)。原料ガス清浄化の方法および原料ガス選択の内容は実施の形態1と同様である。
[Starting operation of fuel cell generator]
First, the raw material gas is selected and the raw material gas is cleaned so as not to adversely affect the catalyst of the fuel cell 21 (step S802). The method of cleaning the source gas and the content of the source gas selection are the same as in the first embodiment.

次に、燃料電池21の内部を、稼働温度(70℃)まで昇温する(ステップS803)。なお、燃料電池21の内部の昇温方法は、実施の形態1で説明したものと同じである。   Next, the temperature inside the fuel cell 21 is raised to the operating temperature (70 ° C.) (step S803). The temperature raising method inside the fuel cell 21 is the same as that described in the first embodiment.

ここで、燃料電池21の内部温度が稼働温度(70℃)以上にまで到達しているか否かを判定して(ステップS804)、昇温不足であれば(S804においてNo)、S803の昇温動作を継続させ、70℃以上に到達すれば(S804においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 21 has reached the operating temperature (70 ° C.) or higher (step S804), and if the temperature rise is insufficient (No in S804), the temperature rise in S803. If the operation is continued and the temperature reaches 70 ° C. or higher (Yes in S804), the process proceeds to the next step.

続いて、第一の水供給手段74から加湿器24に供給される水および燃料生成器23から加湿器24に供与される熱を使用して、原料ガスを加湿器24の内部で加湿処理できる状態に移行させる(ステップS805)。   Subsequently, the raw material gas can be humidified inside the humidifier 24 using the water supplied from the first water supply means 74 to the humidifier 24 and the heat supplied from the fuel generator 23 to the humidifier 24. The state is shifted (step S805).

具体的には、原料ガスの加湿に温水が必要であるが、加湿器24においては熱源としての燃焼器がないため、加湿器24の外部から適宜、熱を受け取ることを要する。実施の形態2においては、図7に二重線によって燃料生成器23から加湿器24の熱供給ラインが示されているように、燃料生成器23の燃焼器で発生する熱を加湿器24に与えることで加湿器24の昇温を図っている。   Specifically, hot water is required for humidifying the raw material gas, but since the humidifier 24 does not have a combustor as a heat source, it is necessary to appropriately receive heat from the outside of the humidifier 24. In the second embodiment, the heat generated in the combustor of the fuel generator 23 is supplied to the humidifier 24 as shown in FIG. By giving, the temperature of the humidifier 24 is increased.

続いて、加湿原料ガスを燃料電池21の内部に供給するため、各種の遮断弁および切り替え弁を以下のように動作させる(ステップS806)。   Subsequently, in order to supply the humidified raw material gas into the fuel cell 21, various shutoff valves and switching valves are operated as follows (step S806).

第二の切り替え弁42に接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びに第四の切り替え弁44に接続する第三の遮断弁32をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 30 connected to the second switching valve 42, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the fourth switching valve 44 are closed. .

この状態で、第二の切り替え弁42を動作させてアノード側出口21bを第一の遮断弁30と遮断させる一方、アノード側出口21bと第二の循環配管46を連通させる。また、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを原料ガス分岐配管51と連通させる一方、カソード側入口21cを遮断弁31と遮断させる。更に、第四の切り替え弁44を動作させてカソード側出口21dを第二の遮断弁31と遮断させる一方、カソード側出口21dを第二の循環配管46と連通させる。加えて、第五の切り替え弁52を動作させてアノード側入口21aを第一の切り替え弁29と遮断させる一方、アノード側入口21aをアノード排気配管47と連通させる。更には、第六の切り替え弁54を動作させてガス清浄部22pと原料ガス分岐配管51を連通させる一方、ガス清浄部22pを燃料生成器23と遮断させる。   In this state, the second switching valve 42 is operated to shut off the anode-side outlet 21b from the first shut-off valve 30, while the anode-side outlet 21b and the second circulation pipe 46 are communicated. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c to the source gas branch pipe 51, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the shutoff valve 31. Further, the fourth switching valve 44 is operated to shut off the cathode side outlet 21d from the second shut-off valve 31, while allowing the cathode side outlet 21d to communicate with the second circulation pipe 46. In addition, the fifth switching valve 52 is operated to shut off the anode side inlet 21a from the first switching valve 29, while the anode side inlet 21a is connected to the anode exhaust pipe 47. Further, the sixth switching valve 54 is operated to connect the gas cleaning unit 22p and the raw material gas branch pipe 51, while the gas cleaning unit 22p is disconnected from the fuel generator 23.

こうして清浄化原料ガスは、以下のような経路で燃料電池21の内部に供給され(ステップS807)、燃料電池21の内部を加湿原料ガスの雰囲気に置換するというパージ処理が行われる。   In this way, the cleaning raw material gas is supplied into the fuel cell 21 through the following path (step S807), and a purge process is performed in which the inside of the fuel cell 21 is replaced with the humidified raw material gas atmosphere.

原料ガス供給手段22から供給され、ガス清浄部22pで清浄化された原料ガスは、原料ガス供給配管63を通って第六の切り替え弁54によって原料ガス分岐配管51の方向に向けられ、原料ガス分岐配管51を介して加湿器24に流入して、加湿器24の内部(正確には温水加湿器)で加湿される。続いて加湿原料ガスは、第三の切り替え弁43によって燃料電池21のカソード側入口21cの方向に向きを切り替えて燃料電池21の内部に流入する。こうしてカソード14cを加湿原料ガスの雰囲気に曝して、この加湿原料ガスはカソード側出口21dから外部に流出する。   The source gas supplied from the source gas supply means 22 and purified by the gas cleaning unit 22p is directed to the source gas branch pipe 51 by the sixth switching valve 54 through the source gas supply pipe 63, and is supplied to the source gas. It flows into the humidifier 24 via the branch pipe 51 and is humidified inside the humidifier 24 (more precisely, a hot water humidifier). Subsequently, the humidified source gas is switched in the direction of the cathode side inlet 21 c of the fuel cell 21 by the third switching valve 43 and flows into the fuel cell 21. Thus, the cathode 14c is exposed to the atmosphere of the humidified source gas, and the humidified source gas flows out from the cathode side outlet 21d.

加湿原料ガスはその後、第四の切り替え弁44によって第二の循環配管46の方向に向きを切り替えて燃料電池21の一辺に沿って原料ガスは第二の循環配管46を通過して、第二の切り替え弁42によって燃料電池21のアノード側出口21bの方向に向きを切り替えて燃料電池21の内部に再流入する。こうしてアノード14aを加湿原料ガスの雰囲気に曝して、この加湿原料ガスはアノード側入口21aから外部に再流出する。   The humidified source gas is then switched in the direction of the second circulation pipe 46 by the fourth switching valve 44, and the source gas passes through the second circulation pipe 46 along one side of the fuel cell 21, The switching valve 42 switches the direction in the direction of the anode-side outlet 21b of the fuel cell 21 and flows again into the fuel cell 21. Thus, the anode 14a is exposed to the atmosphere of the humidified raw material gas, and this humidified raw material gas flows out again from the anode side inlet 21a.

再流出後の加湿原料ガスは、第五の切り替え弁52によって第二の連結配管53の方向に向きを切り替えて、この第二の連結配管53を通ってアノード排気配管47に到達する。アノード排気配管47に到達した原料ガスは、第一、第二の逆止弁41、48によって逆流を防止されて、水除去部33の方向に導かれてこの水除去部33において加湿原料ガスから水除去された後、燃料生成器23の燃焼部に送られ、燃焼器の内部で燃焼させられる。   The humidified raw material gas after reflowing is switched in the direction of the second connection pipe 53 by the fifth switching valve 52 and reaches the anode exhaust pipe 47 through the second connection pipe 53. The raw material gas that has reached the anode exhaust pipe 47 is prevented from flowing back by the first and second check valves 41, 48, and is guided in the direction of the water removing unit 33, and is supplied from the humidified raw material gas in the water removing unit 33. After the water is removed, it is sent to the combustion section of the fuel generator 23 and burned inside the combustor.

すなわち加湿原料ガスは、図7中の太い点線のように燃料電池21のカソード側入口21cおよびカソード側出口21d並びにアノード側出口21b並びにアノード側入口21aの順番に通過して燃料電池21の周囲をコノ字状に流れてアノード排気配管47に至る。加湿原料ガスのトータル供給量は、燃料電池21の内部空間のガス充填可能容積の少なくとも3倍以上必要であり、例えば、ガス充填可能容積が約1.0Lであれば、加湿原料ガスの流量1.5L/分でもって約5分間、これを燃料電池21の内部に供給すれば良く、このトータル供給量はマスフローメータ70cの出力信号に基づいて制御部27によってモニタされる。   That is, the humidified source gas passes through the periphery of the fuel cell 21 in the order of the cathode side inlet 21c, the cathode side outlet 21d, the anode side outlet 21b, and the anode side inlet 21a of the fuel cell 21 as shown by the thick dotted line in FIG. It flows in a conical shape and reaches the anode exhaust pipe 47. The total supply amount of the humidified raw material gas needs to be at least three times the gas filling capacity of the internal space of the fuel cell 21. For example, if the gas filling capacity is about 1.0 L, the humidifying raw material gas flow rate 1 This may be supplied to the inside of the fuel cell 21 at about 5 L / min for about 5 minutes, and this total supply amount is monitored by the control unit 27 based on the output signal of the mass flow meter 70c.

こうして燃料電池21の停止期間から発電期間までの間の移行期間に燃料電池21の内部を加湿原料ガスで曝すことができて、停止保管中に乾燥した燃料電池21の電解質膜11を加湿できると共に、仮に停止保管中に燃料電池21の内部に酸素ガスが混入した場合、この酸素ガスによってもたらされる燃料ガスとの局所燃焼を未然に防止できる。   Thus, the inside of the fuel cell 21 can be exposed to the humidified raw material gas during the transition period from the stop period of the fuel cell 21 to the power generation period, and the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 dried during the stop storage can be humidified. If oxygen gas is mixed into the fuel cell 21 during stopped storage, local combustion with the fuel gas caused by the oxygen gas can be prevented.

また、燃料電池21の停止期間から発電期間までの間の移行期間に、燃料電池21の内部に加湿原料ガスを導くようにしたため、燃料電池21の内部を長期間、加湿原料ガスの雰囲気で曝すことがなく、燃料電池21の電極の撥水性が損なわれない。   Further, since the humidified raw material gas is introduced into the fuel cell 21 during the transition period from the stop period of the fuel cell 21 to the power generation period, the inside of the fuel cell 21 is exposed to the humidified raw material gas atmosphere for a long period of time. And the water repellency of the electrode of the fuel cell 21 is not impaired.

加えて、図7の太い点線で示すように単一の経路によってアノード14aとカソード14cの両方を加湿処理させることができ、ガス供給配管を簡素化できる。   In addition, as shown by the thick dotted line in FIG. 7, both the anode 14a and the cathode 14c can be humidified by a single path, and the gas supply piping can be simplified.

燃料電池21の内部に充分、加湿原料ガスを供給した後、燃料生成器23の加熱のため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS808)。   After sufficiently supplying the humidified raw material gas into the fuel cell 21, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows for heating the fuel generator 23 (step S808).

第二の切り替え弁42に接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びに第四の切り替え弁44に接続する第三の遮断弁32をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 30 connected to the second switching valve 42, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the fourth switching valve 44 are closed. .

この状態で、第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と連通させる一方、燃料ガス供給配管61を第五の切り替え弁52と遮断させる。また、第二の切り替え弁42を動作させてアノード側出口21bを第一の遮断弁30と連通させる一方、アノード側出口21bを第二の循環配管46と遮断させる。更に、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と連通させる一方、カソード側入口21cを原料ガス分岐配管51と遮断させる。加えて、第四の切り替え弁44を動作させてカソード側出口21dを第三の遮断弁32と連通させる一方、カソード側出口21dを第二の循環配管46と遮断させる。また、第五の切り替え弁52を動作させてアノード側入口21aを第一の切り替え弁29と連通させる一方、アノード側入口21aをアノード排気配管47と遮断させる。
更に、第六の切り替え弁54を動作させてガス清浄部22pを燃料生成器23と連通させる一方、ガス清浄部22pを原料ガス分岐配管51と遮断させる。
In this state, the first switching valve 29 is operated to connect the fuel gas supply pipe 61 to the anode exhaust pipe 47, while the fuel gas supply pipe 61 is shut off from the fifth switching valve 52. Further, the second switching valve 42 is operated to connect the anode side outlet 21 b with the first shutoff valve 30, while the anode side outlet 21 b is shut off from the second circulation pipe 46. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c with the second shutoff valve 31, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the source gas branch pipe 51. In addition, the fourth switching valve 44 is operated to connect the cathode side outlet 21d with the third shutoff valve 32, while the cathode side outlet 21d is shut off from the second circulation pipe 46. Further, the fifth switching valve 52 is operated to connect the anode side inlet 21 a with the first switching valve 29, while the anode side inlet 21 a is shut off from the anode exhaust pipe 47.
Further, the sixth switching valve 54 is operated to connect the gas cleaning unit 22p to the fuel generator 23, while the gas cleaning unit 22p is disconnected from the source gas branch pipe 51.

上記の弁動作を行った後、燃料生成器23から送出されるガスを、第一の切り替え弁29で切り替えられて、第一の連結配管64およびアノード排気配管47を通って(第一の逆止弁41は流れを許す方向)、水除去部33で水除去された後、燃料生成器23に還流させてこの燃料生成器23の燃焼部で燃焼できるため、燃料生成器23の速やかに加熱できて(ステップS809)、燃料生成器23(改質部23e)の内部温度を(4)式の改質反応可能な温度(約700℃以上)まで昇温させることができる。   After performing the above valve operation, the gas sent from the fuel generator 23 is switched by the first switching valve 29 and passes through the first connection pipe 64 and the anode exhaust pipe 47 (first reverse). Since the stop valve 41 is allowed to flow), after the water is removed by the water removal unit 33, the fuel generator 23 can be recirculated and combusted in the combustion unit of the fuel generator 23. If possible (step S809), the internal temperature of the fuel generator 23 (the reforming unit 23e) can be raised to a temperature (about 700 ° C. or higher) at which the reforming reaction of the equation (4) is possible.

ここで、燃料生成器23の温度が700℃以上に昇温したか否かを判定して(ステップS810)、昇温不足であれば(S810においてNo)、S809の加熱動作を継続させ、700℃以上に到達したら(S810においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the temperature of the fuel generator 23 has risen to 700 ° C. or more (step S810). If the temperature rise is insufficient (No in S810), the heating operation in S809 is continued, and 700 When the temperature reaches or exceeds ° C. (Yes in S810), the process proceeds to the next step.

〔燃料電池発電装置の発電開始可否の確認動作〕
燃料生成器23を700℃以上に昇温させた後、燃料電池21の内部温度の確認および燃料電池21の電解質膜11の導電率の確認を行って、燃料電池発電装置100の発電を開始して良いか否かを判定する。
[Operation to confirm whether fuel cell generator can start power generation]
After raising the temperature of the fuel generator 23 to 700 ° C. or higher, the internal temperature of the fuel cell 21 and the conductivity of the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 are confirmed, and power generation of the fuel cell power generator 100 is started. Determine whether or not

第一の確認動作として、燃料電池21の内部温度が稼働温度(70℃)以上であるか否かを判定して(ステップS811)、昇温不足であれば(S811においてNo)、S803の昇温動作を再実行させて(ステップS812)、70℃以上に昇温したら(S811においてYes)、次にステップに進む。   As a first confirmation operation, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 21 is equal to or higher than the operating temperature (70 ° C.) (step S811). If the temperature rise is insufficient (No in S811), the increase in S803 is performed. When the temperature operation is re-executed (step S812) and the temperature is raised to 70 ° C. or higher (Yes in S811), the process proceeds to the next step.

第二の確認動作として、燃料電池21の電解質膜11の導電率を求めてこの導電率:σ=1.93×10−2Scm−1以上か否かを判定して(ステップS813)、σ=1.93×10−2Scm−1未満であれば(S813においてNo)、電解質膜11の加湿不足であると判断してS806およびS807の動作を再実行させ(ステップS814)、σ=1.93×10−2Scm−1以上であれば(S813においてYes)、次のステップに進む。なお、電解質膜の導電率の測定法および電解質膜の導電率と相対湿度の関係については、実施の形態1において説明したものと同様である。 As a second confirmation operation, the conductivity of the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 is obtained to determine whether or not this conductivity: σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or more (step S813). = 1.93 × 10 −2 Scm −1 (No in S813), it is determined that the electrolyte membrane 11 is insufficiently humidified, and the operations of S806 and S807 are re-executed (step S814), and σ = 1 .93 × 10 −2 Scm −1 or more (Yes in S813), the process proceeds to the next step. The method for measuring the conductivity of the electrolyte membrane and the relationship between the conductivity of the electrolyte membrane and the relative humidity are the same as those described in the first embodiment.

こうして停止期間および発電期間を有する燃料電池の発電開始時期を燃料電池の温度に基づく判定に加え、燃料電池セルの電解質膜の導電率に基づく判定を実施するため、電解質膜の保水状態を的確に予測できて燃料電池発電装置の発電開始時期の判断の信頼性が向上させることができる。   In this way, in addition to the determination based on the temperature of the fuel cell, the generation start timing of the fuel cell having the stop period and the power generation period is determined based on the conductivity of the electrolyte membrane of the fuel cell, so that the water retention state of the electrolyte membrane is accurately determined. Thus, the reliability of the determination of the power generation start time of the fuel cell power generator can be improved.

〔燃料電池発電装置の発電動作〕
上記の確認動作の数値が所定値に到達した後(具体的には燃料電池21の温度が70℃以上、電解質膜の導電率σ=1.93×10−2Scm−1以上)、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させて燃料電池21を発電させる(ステップS815およびステップS816)。
[Power generation operation of fuel cell power generator]
After the numerical value of the confirmation operation reaches a predetermined value (specifically, the temperature of the fuel cell 21 is 70 ° C. or higher, the conductivity of the electrolyte membrane σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or higher), the switching valve And the shut-off valve is operated as follows to generate power in the fuel cell 21 (steps S815 and S816).

第二の切り替え弁42に接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びに第四の切り替え弁44に接続する第三の遮断弁32をすべて開栓する。   The first cutoff valve 30 connected to the second switching valve 42, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the fourth switching valve 44 are all opened. Plug.

この状態で第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と遮断させる一方、燃料ガス供給配管61を第五の切り替え弁52と連通させる。また、第二の切り替え弁42を動作させてアノード側出口21bを第一の遮断弁30と連通させる一方、アノード側出口21bを第二の循環配管46と遮断させる。また、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と連通させる一方、カソード側入口21cを原料ガス分岐配管51と遮断させる。更に、第四の切り替え弁44を動作させてカソード側出口21dを第三の遮断弁32と連通させる一方、カソード側出口21dを第二の循環配管46と遮断させる。加えて、第五の切り替え弁52を動作させてアノード側入口21aを第一の切り替え弁29と連通させる一方、アノード側入口21aをアノード排気配管47と遮断させる。更に、第六の切り替え弁54を動作させてガス清浄部22pを燃料生成器23と連通させる一方、ガス清浄部22pを原料ガス分岐配管51と遮断させる。   In this state, the first switching valve 29 is operated to cut off the fuel gas supply pipe 61 from the anode exhaust pipe 47, while the fuel gas supply pipe 61 is communicated with the fifth switching valve 52. Further, the second switching valve 42 is operated to connect the anode side outlet 21 b with the first shutoff valve 30, while the anode side outlet 21 b is shut off from the second circulation pipe 46. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c with the second shutoff valve 31, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the source gas branch pipe 51. Further, the fourth switching valve 44 is operated to connect the cathode side outlet 21d with the third shutoff valve 32, while the cathode side outlet 21d is shut off from the second circulation pipe 46. In addition, the fifth switching valve 52 is operated to connect the anode side inlet 21a with the first switching valve 29, while the anode side inlet 21a is disconnected from the anode exhaust pipe 47. Further, the sixth switching valve 54 is operated to connect the gas cleaning unit 22p to the fuel generator 23, while the gas cleaning unit 22p is disconnected from the source gas branch pipe 51.

こうして切り替え弁および遮断弁の動作によって燃料ガス供給配管61を介して燃料生成器23から水素ガスリッチな燃料ガスを燃料電池21のアノード側入口21aに導入すると共に、アノード側出口21bから送出され、アノード14aで消費されなかった残余の燃料ガスを、アノード排気配管47を介して燃料電池21の燃料生成器23に還流させる。   Thus, the operation of the switching valve and the shutoff valve introduces the hydrogen gas-rich fuel gas from the fuel generator 23 to the anode side inlet 21a of the fuel cell 21 via the fuel gas supply pipe 61, and sends it out from the anode side outlet 21b. The remaining fuel gas that has not been consumed in 14 a is recirculated to the fuel generator 23 of the fuel cell 21 via the anode exhaust pipe 47.

一方、酸化剤ガス供給配管62を介して加湿器23から送出された加湿空気(酸化剤ガス)を燃料電池21のカソード側入口21cに導入すると共に、カソード側出口21dから送出され、カソード14cで消費されなかった残余の酸化剤ガスを、カソード排気配管60を介して燃料電池21の加湿器24に還流させる。   On the other hand, humidified air (oxidant gas) sent from the humidifier 23 through the oxidant gas supply pipe 62 is introduced into the cathode side inlet 21c of the fuel cell 21, and sent out from the cathode side outlet 21d, and is sent from the cathode 14c. The remaining oxidant gas that has not been consumed is recirculated to the humidifier 24 of the fuel cell 21 via the cathode exhaust pipe 60.

これによって燃料ガスをアノード14aに供給し、酸化剤ガスをカソード14cに供給して、燃料電池21の内部にて水素イオンと電子を生成させて、出力端子72a、72cを介して回路部25に電流を取り出すことができ、測定部26において発電電圧がモニタされる。   As a result, the fuel gas is supplied to the anode 14a, the oxidant gas is supplied to the cathode 14c, and hydrogen ions and electrons are generated inside the fuel cell 21, and are supplied to the circuit unit 25 via the output terminals 72a and 72c. The current can be taken out, and the generated voltage is monitored in the measuring unit 26.

(実施の形態3)
以下、燃料電池21の内部を、停止期間から発電期間までの間の移行期間に加湿原料ガスで曝すことを特徴とする燃料電池発電装置のガス供給系の他の構成例を説明する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, another configuration example of the gas supply system of the fuel cell power generation apparatus, in which the inside of the fuel cell 21 is exposed to the humidified raw material gas during the transition period from the stop period to the power generation period, will be described.

図9は、実施の形態3に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図である。燃料電池21、第一の水供給手段74、第二の水供給手段75、原料ガス供給手段22、燃料生成器23、加湿器24、インピーダンス測定器73、回路部25、測定部26および制御部27の構成については実施の形態1にて説明したものと同様である。   FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell power generator according to Embodiment 3. In FIG. Fuel cell 21, first water supply means 74, second water supply means 75, source gas supply means 22, fuel generator 23, humidifier 24, impedance measuring instrument 73, circuit unit 25, measurement unit 26, and control unit The configuration 27 is the same as that described in the first embodiment.

実施の形態3は、加湿原料ガスの燃料電池21への導入配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータの配置を変更した点で実施の形態1と相違しており、ここでは実施の形態1に対して導入配管および切り替え弁並びに遮断弁並びにマスフローメータの変更点を中心に説明する。   The third embodiment is different from the first embodiment in that the arrangement of the piping for introducing the humidified raw material gas into the fuel cell 21, the switching valve, the shutoff valve, and the mass flow meter is changed. Here, the first embodiment is different from the first embodiment. On the other hand, the description will focus on the changes in the introduction piping, the switching valve, the shutoff valve, and the mass flow meter.

実施の形態1(図3)において使用された第二、第四の切り替え弁42、44および第一、第二の循環配管45、46を取り除く。また、ガス清浄部22pの出口直後に分流弁55が配置され、この分流弁55によって加湿器23の方向に流れる原料ガスの流量と燃料生成器23の方向に流れる原料ガスの流量の比率を決めることができる。加えて、加湿部24の内部を通って、第三の切り替え弁43と分流弁55とを連通させる原料ガス分岐配管51が設けられている。更に、またマスフローメータ70aに加えて、マスフローメータ70cが加湿器24と第三の切り替え弁43の間であって原料ガス分岐配管51の途中に設けられている。   The second and fourth switching valves 42 and 44 and the first and second circulation pipes 45 and 46 used in the first embodiment (FIG. 3) are removed. In addition, a flow dividing valve 55 is disposed immediately after the outlet of the gas cleaning unit 22p. The flow dividing valve 55 determines the ratio of the flow rate of the raw material gas flowing in the direction of the humidifier 23 and the flow rate of the raw material gas flowing in the direction of the fuel generator 23. be able to. In addition, a raw material gas branch pipe 51 that connects the third switching valve 43 and the diversion valve 55 through the inside of the humidifying unit 24 is provided. Further, in addition to the mass flow meter 70 a, a mass flow meter 70 c is provided between the humidifier 24 and the third switching valve 43 and in the middle of the source gas branch pipe 51.

以下、停止保管動作および起動開始動作並びに発電開始可否の確認動作並びに発電動作に分けて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給動作を図9のブロック図および図10A、図10Bのフローチャート図を参照しながら詳細に説明していく。   Hereinafter, the supply operation of the fuel gas and the oxidant gas is divided into a stop storage operation, a start start operation, a power generation start availability confirmation operation and a power generation operation, with reference to the block diagram of FIG. 9 and the flowcharts of FIGS. 10A and 10B. I will explain in detail.

〔燃料電池発電装置の停止保管動作〕
燃料電池発電装置100の停止後、燃料電池21の内部を原料ガスによって充填封止の状態に保って長期保管する。ここで、燃料電池発電装置100の停止保管のため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS1001)。
[Stopping storage operation of fuel cell power generator]
After the fuel cell power generation device 100 is stopped, the inside of the fuel cell 21 is kept in a state of being filled and sealed with the raw material gas and stored for a long time. Here, in order to stop and store the fuel cell power generator 100, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S1001).

アノード側出口21bに接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びにカソード側出口21dに接続する第三の遮断弁32をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 30 connected to the anode side outlet 21b, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the cathode side outlet 21d are closed.

この状態で、第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と連通させる一方、燃料ガス供給配管61をアノード側入口21aと遮断させる。また、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と連通させる一方、カソード側入口21cを原料ガス分岐配管51と遮断させる。   In this state, the first switching valve 29 is operated to connect the fuel gas supply pipe 61 to the anode exhaust pipe 47, while the fuel gas supply pipe 61 is blocked from the anode side inlet 21a. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c with the second shutoff valve 31, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the source gas branch pipe 51.

こうして燃料電池21の内部に燃料ガスおよび酸化剤ガスを確実に封入することができる。なお、燃料電池21の内部は燃料電池稼働温度(70℃)以下で維持されており、室温(約20℃〜30℃)近くに保たれている。   In this way, the fuel gas and the oxidant gas can be reliably sealed inside the fuel cell 21. The inside of the fuel cell 21 is maintained at a fuel cell operating temperature (70 ° C.) or lower, and is kept near room temperature (about 20 ° C. to 30 ° C.).

〔燃料電池発電装置の起動開始動作〕
燃料電池21の触媒に悪影響を及ぼさないような原料ガスの選定および原料ガスの清浄化処置を行う(ステップS1002)。原料ガス清浄化の方法および原料ガス選択の内容は実施の形態1と同様である。
[Starting operation of fuel cell generator]
A raw material gas is selected and a raw material gas is cleaned so as not to adversely affect the catalyst of the fuel cell 21 (step S1002). The method of cleaning the source gas and the content of the source gas selection are the same as in the first embodiment.

続いて、燃料電池21の内部を稼働温度(70℃)まで昇温する(ステップS1003)。なお、燃料電池21の内部の昇温方法は、実施の形態1で説明したものと同じである。   Subsequently, the temperature inside the fuel cell 21 is raised to the operating temperature (70 ° C.) (step S1003). The temperature raising method inside the fuel cell 21 is the same as that described in the first embodiment.

ここで、燃料電池21の内部温度が稼働温度(70℃)以上にまで到達しているか否かを判定して(ステップS1004)、昇温不足であれば(S1004においてNo)、S1003の昇温動作を継続させ、70℃以上に到達すれば(S1004においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 21 has reached or exceeded the operating temperature (70 ° C.) (step S1004). If the temperature rise is insufficient (No in S1004), the temperature rise in S1003. If the operation is continued and the temperature reaches 70 ° C. or higher (Yes in S1004), the process proceeds to the next step.

次に、燃料生成器23の内部を予備加熱させるため、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させる(ステップS1005)。   Next, in order to preheat the inside of the fuel generator 23, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows (step S1005).

アノード側出口21bに接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びにカソード側出口21dに接続する第三の遮断弁32をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 30 connected to the anode side outlet 21b, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the cathode side outlet 21d are closed.

この状態で、第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と連通させる一方、燃料ガス供給配管61をアノード側入口21aと遮断させる。また、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と連通させる一方、カソード側入口21cを原料ガス分岐配管51と遮断させる。更に、分流弁55を動作させて原料ガス供給配管63を流れる原料ガスを全量、燃料生成器23に導くように、原料ガス供給配管63を流れる原料ガス流量に対する燃料ガス供給配管61を流れる原料ガス流量の分流比率を1に設定する。   In this state, the first switching valve 29 is operated to connect the fuel gas supply pipe 61 to the anode exhaust pipe 47, while the fuel gas supply pipe 61 is blocked from the anode side inlet 21a. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c with the second shutoff valve 31, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the source gas branch pipe 51. Further, the raw material gas flowing through the fuel gas supply pipe 61 with respect to the flow rate of the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 63 so as to guide the entire amount of the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 63 to the fuel generator 23 by operating the diversion valve 55. Set the flow diversion ratio to 1.

こうして燃料生成器23から送出されるガスを、第一の切り替え弁29の切り替え動作によって第一の連結配管64を通過させ(第一の逆止弁41は流れを許す方向)、アノード排気配管47を介して、第二の逆止弁48によって逆流を防いで燃料生成器23の燃焼部に還流させて燃焼部で燃焼させて、燃料生成器23を予備加熱させる(ステップS1006)。   Thus, the gas sent from the fuel generator 23 passes through the first connecting pipe 64 by the switching operation of the first switching valve 29 (the direction in which the first check valve 41 allows the flow), and the anode exhaust pipe 47. Then, the backflow is prevented by the second check valve 48 so as to recirculate to the combustion part of the fuel generator 23 and burnt in the combustion part to preheat the fuel generator 23 (step S1006).

燃料生成器23の予備加熱の昇温温度範囲については、実施の形態1で説明したものと同じ(燃料生成器23(改質部23e)の温度を250℃〜300℃の範囲に昇温)である。   The temperature increase range of the preheating of the fuel generator 23 is the same as that described in the first embodiment (the temperature of the fuel generator 23 (reforming portion 23e) is increased to a range of 250 ° C to 300 ° C). It is.

ここで、燃料生成器23(改質部23e)の温度が250℃〜300℃の範囲まで昇温したか否かを判定して(ステップS1007)、昇温不足であれば(S1007においてNo)、S1006の燃料生成器23の予備加熱動作を継続させ、250℃〜300℃の範囲まで昇温したら(S1007においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the temperature of the fuel generator 23 (the reforming unit 23e) has been raised to a range of 250 ° C. to 300 ° C. (step S1007), and if the temperature rise is insufficient (No in S1007). When the preheating operation of the fuel generator 23 in S1006 is continued and the temperature is raised to a range of 250 ° C. to 300 ° C. (Yes in S1007), the process proceeds to the next step.

燃料生成器23の予備加熱の後、燃料生成器23および加湿器24において原料ガス供給手段22から供給される原料ガスの露点を燃料電池21の稼働温度(70℃)以上に維持できるよう原料ガスを加湿処理できる状態に移行させる(ステップS1008)。燃料生成器23は300℃近傍まで昇温されており、加湿に必要な水は第二の水供給手段75から燃料生成器23に供給され、これによって原料ガスを燃料生成器23の内部で加湿できる。同時に、第一の水供給手段74から加湿器24の内部に供給される水および燃料生成器23から加湿器24に供給される熱によって原料ガスを加湿器24の内部で加湿できる。   After the fuel generator 23 is preheated, the source gas is supplied so that the dew point of the source gas supplied from the source gas supply means 22 in the fuel generator 23 and the humidifier 24 can be maintained at the operating temperature (70 ° C.) or higher of the fuel cell 21. Is moved to a state where the humidification process can be performed (step S1008). The temperature of the fuel generator 23 is raised to about 300 ° C., and water necessary for humidification is supplied from the second water supply means 75 to the fuel generator 23, whereby the source gas is humidified inside the fuel generator 23. it can. At the same time, the raw material gas can be humidified inside the humidifier 24 by the water supplied from the first water supply means 74 to the inside of the humidifier 24 and the heat supplied from the fuel generator 23 to the humidifier 24.

続いて、加湿原料ガス供給のため、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させる(ステップS1009)。   Subsequently, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows for supplying the humidified raw material gas (step S1009).

第二の切り替え弁42に接続する第一の遮断弁30および第四の切り替え弁44に接続する第三の遮断弁32をそれぞれ開く。   The first cutoff valve 30 connected to the second switching valve 42 and the third cutoff valve 32 connected to the fourth switching valve 44 are each opened.

この状態で、第一の切り替え弁29を動作させてアノード側入口21aを燃料ガス供給配管61と連通させる一方、アノード側入口21aをアノード排気配管47と遮断させる。また、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを原料ガス分岐配管51と連通させる一方、カソード側入口21cを遮断弁31と遮断させる。更に、分流弁55を動作させて、ガス清浄部22pから送出される清浄化原料ガスを加湿器23と燃料生成器23の両方にほぼ均等に導き得るように分流比率を0.5に設定する。   In this state, the first switching valve 29 is operated to connect the anode side inlet 21a to the fuel gas supply pipe 61, while the anode side inlet 21a is disconnected from the anode exhaust pipe 47. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c to the source gas branch pipe 51, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the shutoff valve 31. Furthermore, the flow dividing valve 55 is operated, and the flow dividing ratio is set to 0.5 so that the purified raw material gas sent from the gas cleaning unit 22p can be led almost uniformly to both the humidifier 23 and the fuel generator 23. .

こうして、ガス清浄部22pから送出された加湿原料ガスは以下のようにして燃料電池21の内部を加湿させて外部に導かれて、燃料電池21の内部を加湿原料ガスの雰囲気に置換するというパージ処理が行われる(ステップS1010)。   In this way, the humidified raw material gas sent from the gas cleaning unit 22p is humidified inside the fuel cell 21 and guided to the outside as described below, and the purge is performed to replace the inside of the fuel cell 21 with the humidified raw material gas atmosphere. Processing is performed (step S1010).

ガス清浄部22pで清浄化され原料ガス供給配管63を介して送出される原料ガスは、原料ガス分岐配管51を流れる第一の原料ガスと燃料ガス供給配管61を流れる第二の原料ガスにほぼ均等(分流比率:0.5)に分流される。   The source gas purified by the gas cleaning unit 22p and sent through the source gas supply pipe 63 is almost the first source gas flowing through the source gas branch pipe 51 and the second source gas flowing through the fuel gas supply pipe 61. The flow is divided evenly (diversion ratio: 0.5).

第一の原料ガスにおいては、ガス清浄部22pから原料ガス供給配管63を介して送出される清浄化原料ガスは、分流弁55で分流され、原料ガス分岐配管51を通って加湿器24に導かれ、加湿器24において加湿される。その後、加湿原料ガスは、第三の切り替え弁43によって燃料電池21のカソード側入口21cに向きを切り替えて原料ガス分岐配管51を介してカソード14cに供給される。これによって燃料電池21のカソード14cを加湿原料ガスの雰囲気に曝した後、加湿原料ガスはカソード側出口21dから外部に流出する。流出後の加湿原料ガスは、カソード排気配管60を通って加湿部24に戻り、この加湿部24にて処理された後、適宜希釈されて大気に排出される。   In the first source gas, the purified source gas sent from the gas cleaning unit 22p via the source gas supply pipe 63 is diverted by the diverter valve 55, and led to the humidifier 24 through the source gas branch pipe 51. And is humidified in the humidifier 24. Thereafter, the humidified source gas is switched to the cathode side inlet 21 c of the fuel cell 21 by the third switching valve 43 and supplied to the cathode 14 c via the source gas branch pipe 51. Thus, after the cathode 14c of the fuel cell 21 is exposed to the humidified raw material gas atmosphere, the humidified raw material gas flows out from the cathode side outlet 21d. The humidified raw material gas after flowing out returns to the humidifying unit 24 through the cathode exhaust pipe 60, is processed in the humidifying unit 24, and is appropriately diluted and discharged to the atmosphere.

第二の原料ガスにおいては、ガス清浄部22pから原料ガス供給配管63を介して送出される清浄化原料ガスが分流弁55で分流されて、燃料生成器23に導かれ、燃料生成器23の内部で加湿される。その後、燃料生成器23から送出される加湿原料ガスは、第一の切り替え弁29によって燃料電池のアノード側入口21aに向きを切り替えて燃料ガス供給配管61を介して燃料電池21のアノード14aに供給される。これによってアノード14aを加湿原料ガスの雰囲気に曝した後、加湿原料ガスはアノード出口21bから燃料電池21の外部に流出する。流出後の加湿原料ガスは、アノード排気配管47を通って水除去部33にて水除去された後、燃料生成器23の燃焼部に戻され燃焼部で燃焼されて燃料生成器23の加熱に利用される。   In the second raw material gas, the purified raw material gas sent from the gas cleaning unit 22p through the raw material gas supply pipe 63 is diverted by the diversion valve 55 and led to the fuel generator 23. Humidified inside. Thereafter, the humidified raw material gas sent from the fuel generator 23 is switched to the anode side inlet 21a of the fuel cell by the first switching valve 29 and supplied to the anode 14a of the fuel cell 21 through the fuel gas supply pipe 61. Is done. Thus, after the anode 14a is exposed to the atmosphere of the humidified raw material gas, the humidified raw material gas flows out of the fuel cell 21 from the anode outlet 21b. After the outflow, the humidified raw material gas is removed by the water removal unit 33 through the anode exhaust pipe 47 and then returned to the combustion unit of the fuel generator 23 and burned in the combustion unit to heat the fuel generator 23. Used.

ここで、加湿原料ガスのトータル供給量は、燃料電池21の内部空間のガス充填可能容積の少なくとも3倍以上必要であり、例えば、ガス充填可能容積が約1.0Lであれば、加湿原料ガスの流量1.5L/分でもって約5分間、これを燃料電池21の内部に供給すれば良く、このトータル供給量はマスフローメータ70aおよびマスフローメータ70cの出力信号に基づいて制御部27でモニタされる。   Here, the total supply amount of the humidified raw material gas needs to be at least three times the gas filling capacity of the internal space of the fuel cell 21. For example, if the gas filling capacity is about 1.0 L, the humidified raw material gas The flow rate of 1.5 L / min for about 5 minutes may be supplied to the inside of the fuel cell 21, and this total supply amount is monitored by the control unit 27 based on the output signals of the mass flow meter 70a and the mass flow meter 70c. The

こうして燃料電池21の停止期間から発電期間までの間の移行期間に燃料電池21の内部を加湿原料ガスで曝すことができて、停止保管中に乾燥した燃料電池21の電解質膜11を加湿できると共に、仮に停止保管中に燃料電池の内部に酸素ガスが混入した場合、この酸素ガスによってもたらされる燃料ガスとの局所燃焼を未然に防止できる。また、燃料電池21の停止期間から発電期間までの間の移行期間に、燃料電池21の内部に加湿原料ガスを導くようにしたため、燃料電池21の内部を長期間、加湿原料ガスの雰囲気で曝すことがなく、燃料電池の電極の撥水性が損なわれない。加えて、第一の原料ガスと第二の原料ガスは互いに混合することなく別個独立して、燃料電池21のカソード14cに第一の原料ガスを通過させ、燃料電池21のアノード14aに第二の原料ガスを通過させるように構成したため、アノード14aおよびカソード14cの両方を確実に加湿処理できる。   Thus, the inside of the fuel cell 21 can be exposed to the humidified raw material gas during the transition period from the stop period of the fuel cell 21 to the power generation period, and the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 dried during the stop storage can be humidified. If oxygen gas is mixed inside the fuel cell during stopped storage, local combustion with the fuel gas caused by the oxygen gas can be prevented beforehand. Further, since the humidified raw material gas is introduced into the fuel cell 21 during the transition period from the stop period of the fuel cell 21 to the power generation period, the inside of the fuel cell 21 is exposed to the humidified raw material gas atmosphere for a long period of time. And the water repellency of the fuel cell electrode is not impaired. In addition, the first source gas and the second source gas are separately mixed without being mixed with each other, and the first source gas is passed through the cathode 14c of the fuel cell 21 and the second source gas is passed through the anode 14a of the fuel cell 21. Therefore, both the anode 14a and the cathode 14c can be reliably humidified.

燃料電池21の内部に充分、加湿原料ガスを供給した後、燃料生成器23を加熱させるため、切り替え弁および遮断弁を次のように動作させる(ステップS1011)。   After sufficiently supplying the humidified raw material gas into the fuel cell 21, the switching valve and the shutoff valve are operated as follows in order to heat the fuel generator 23 (step S1011).

アノード側出口21bに接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びにカソード側出口21dに接続する第三の遮断弁32をそれぞれ閉める。   The first cutoff valve 30 connected to the anode side outlet 21b, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the cathode side outlet 21d are closed.

この状態で、第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と連通させる一方、燃料ガス供給配管61をアノード側入口21aと遮断させる。また、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と連通させる一方、カソード側入口21cを原料ガス分岐配管51と遮断させる。分流弁55を動作させて原料ガス供給配管63を流れる原料ガスを全量、燃料生成器23に導くように、原料ガス供給配管63を流れる原料ガス流量に対する燃料ガス供給配管61を流れる原料ガス流量の分流比率を1に設定する。   In this state, the first switching valve 29 is operated to connect the fuel gas supply pipe 61 to the anode exhaust pipe 47, while the fuel gas supply pipe 61 is blocked from the anode side inlet 21a. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c with the second shutoff valve 31, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the source gas branch pipe 51. The flow rate of the raw material gas flowing through the fuel gas supply pipe 61 with respect to the flow rate of the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 63 is controlled so as to guide the entire amount of the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 63 to the fuel generator 23 by operating the diversion valve 55 Set the diversion ratio to 1.

こうして燃料生成器23から送出されるガスを、第一の切り替え弁29の切り替え動作によって第一の連結配管64を通過させ(第一の逆止弁41は流れを許す方向)、アノード排気配管47を介して、第二の逆止弁48によってアノード側出口21bの方向への逆流を防いで燃料生成器23の燃焼部に還流させて燃焼部で燃焼させて、燃料生成器23を加熱させる(ステップS1012)。   Thus, the gas sent from the fuel generator 23 passes through the first connecting pipe 64 by the switching operation of the first switching valve 29 (the direction in which the first check valve 41 allows the flow), and the anode exhaust pipe 47. Then, the second check valve 48 prevents the backflow in the direction of the anode outlet 21b, recirculates it to the combustion part of the fuel generator 23 and burns it in the combustion part to heat the fuel generator 23 ( Step S1012).

ここで、燃料生成器23の温度が700℃以上に昇温したか否かを判定して(ステップS1013)、昇温不足であれば(S1013においてNo)、S1012の加熱動作を継続させ、700℃以上に到達したら(S1013においてYes)、次のステップに進む。   Here, it is determined whether or not the temperature of the fuel generator 23 has risen to 700 ° C. or more (step S1013). If the temperature rise is insufficient (No in S1013), the heating operation in S1012 is continued, and 700 If the temperature reaches or exceeds ° C. (Yes in S1013), the process proceeds to the next step.

〔燃料電池発電装置の発電開始可否の確認動作〕
燃料生成器23の昇温完了の後、燃料電池21の内部温度の確認および燃料電池21の電解質膜11の導電率の確認を行って、燃料電池発電装置100の発電を開始して良いか否かを判定する。
[Operation to confirm whether fuel cell generator can start power generation]
After the completion of the temperature increase of the fuel generator 23, whether or not the internal temperature of the fuel cell 21 and the conductivity of the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 are confirmed to start the power generation of the fuel cell power generation apparatus 100. Determine whether.

第一の確認動作として、燃料電池21の内部温度が稼働温度(70℃)以上であるか否かを判定して(ステップS1014)、昇温不足であれば(S1014においてNo)、ステップS1003の昇温動作を再実行させて(ステップS1015)、70℃以上に昇温したら(S1014においてYes)、次にステップに進む。   As a first confirmation operation, it is determined whether or not the internal temperature of the fuel cell 21 is equal to or higher than the operating temperature (70 ° C.) (step S1014). If the temperature rise is insufficient (No in S1014), the process proceeds to step S1003. When the temperature raising operation is performed again (step S1015) and the temperature is raised to 70 ° C. or higher (Yes in S1014), the process proceeds to the next step.

第二の確認動作として、燃料電池21の電解質膜11の導電率を測定してこの導電率:σ=1.93×10−2Scm−1以上か否かを判定して(ステップS1016)、σ=1.93×10−2Scm−1未満であれば(S1016においてNo)、電解質膜11の加湿不足であると判断してS1009およびS1010の動作を再実行させ(ステップS1017)、σ=1.93×10−2Scm−1以上であれば(S1017においてYes)、次のステップに進む。 As a second confirmation operation, the conductivity of the electrolyte membrane 11 of the fuel cell 21 is measured to determine whether or not this conductivity: σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or more (step S1016). If σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 (No in S1016), it is determined that the electrolyte membrane 11 is insufficiently humidified, and the operations of S1009 and S1010 are re-executed (step S1017). If it is 1.93 × 10 −2 Scm −1 or more (Yes in S1017), the process proceeds to the next step.

なお、電解質膜の導電率の測定法および電解質膜の導電率と相対湿度の関係については、実施の形態1において説明したものと同様である。   The method for measuring the conductivity of the electrolyte membrane and the relationship between the conductivity of the electrolyte membrane and the relative humidity are the same as those described in the first embodiment.

こうして停止期間および発電期間を有する燃料電池の発電開始時期を燃料電池の温度に基づく判定に加え、燃料電池セルの電解質膜の導電率に基づく判定を実施するため、電解質膜の保水状態を的確に予測できて燃料電池発電装置の発電開始時期の判断の信頼性が向上させることができる。   In this way, in addition to the determination based on the temperature of the fuel cell, the generation start timing of the fuel cell having the stop period and the power generation period is determined based on the conductivity of the electrolyte membrane of the fuel cell, so that the water retention state of the electrolyte membrane is accurately determined. Thus, the reliability of the determination of the power generation start time of the fuel cell power generator can be improved.

〔燃料電池発電装置の発電動作〕
上記の確認動作が所定値に到達した後(具体的には燃料電池21の内部温度が70℃以上、電解質膜の導電率σ=1.93×10−2Scm−1以上)、切り替え弁および遮断弁を以下のように動作させて燃料電池21を発電させる(ステップS1018およびステップS1019)。
[Power generation operation of fuel cell power generator]
After the above confirmation operation reaches a predetermined value (specifically, the internal temperature of the fuel cell 21 is 70 ° C. or higher and the electrolyte membrane conductivity σ = 1.93 × 10 −2 Scm −1 or higher), the switching valve and The shut-off valve is operated as follows to generate power in the fuel cell 21 (steps S1018 and S1019).

アノード側出口21bに接続する第一の遮断弁30および第三の切り替え弁43に接続する第二の遮断弁31並びにカソード側出口21dに接続する第三の遮断弁32をすべて開栓する。   The first cutoff valve 30 connected to the anode side outlet 21b, the second cutoff valve 31 connected to the third switching valve 43, and the third cutoff valve 32 connected to the cathode side outlet 21d are all opened.

この状態で、第一の切り替え弁29を動作させて燃料ガス供給配管61をアノード排気配管47と遮断させる一方、燃料ガス供給配管61をアノード側入口21aと連通させる。また、第三の切り替え弁43を動作させてカソード側入口21cを第二の遮断弁31と連通させる一方、カソード側入口21cを原料ガス分岐配管51と遮断させる。加えて、分流弁55を動作させて原料ガス供給配管63を流れる原料ガスを全量、燃料生成器23に導くように、原料ガス供給配管63を流れる原料ガス流量に対する燃料ガス供給配管61を流れる原料ガス流量の分流比率を1に設定する。   In this state, the first switching valve 29 is operated to cut off the fuel gas supply pipe 61 from the anode exhaust pipe 47, while the fuel gas supply pipe 61 is communicated with the anode side inlet 21a. Further, the third switching valve 43 is operated to connect the cathode side inlet 21 c with the second shutoff valve 31, while the cathode side inlet 21 c is shut off from the source gas branch pipe 51. In addition, the raw material flowing through the fuel gas supply pipe 61 with respect to the flow rate of the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 63 so as to guide the entire amount of the raw material gas flowing through the raw material gas supply pipe 63 to the fuel generator 23 by operating the flow dividing valve 55. Set the gas flow diversion ratio to 1.

こうした切り替え弁および遮断弁の動作によって燃料ガス供給配管61を介して燃料生成器23から送出された水素ガスリッチな燃料ガスを燃料電池21のアノード側入口21aに導入すると共に、アノード側出口21bから送出され、アノード14aで消費されなかった残余の燃料ガスを、アノード排気配管47を介して燃料電池21の燃料生成器23に還流させる。また、酸化剤ガス供給配管62を介して加湿器23から加湿空気(酸化剤ガス)を燃料電池21のカソード側入口21cに導入すると共に、カソード側出口21dから送出され、カソード14cで消費されなかった残余の酸化剤ガスを、カソード排気配管60を介して燃料電池21の加湿器24に還流させる。   By the operation of the switching valve and the shutoff valve, the hydrogen gas-rich fuel gas sent from the fuel generator 23 through the fuel gas supply pipe 61 is introduced into the anode side inlet 21a of the fuel cell 21 and sent out from the anode side outlet 21b. The remaining fuel gas that has not been consumed by the anode 14 a is recirculated to the fuel generator 23 of the fuel cell 21 through the anode exhaust pipe 47. Further, humidified air (oxidant gas) is introduced from the humidifier 23 to the cathode side inlet 21c of the fuel cell 21 via the oxidant gas supply pipe 62, and is sent from the cathode side outlet 21d and is not consumed by the cathode 14c. The remaining oxidant gas is refluxed to the humidifier 24 of the fuel cell 21 via the cathode exhaust pipe 60.

これによって燃料ガスをアノード14aに供給し、酸化剤ガスをカソード14cに供給して、燃料電池21の内部にて水素イオンと電子を生成させて、出力端子72a、72cを介して回路部25に電流を取り出すことができ、測定部26において発電電圧がモニタされる。   As a result, the fuel gas is supplied to the anode 14a, the oxidant gas is supplied to the cathode 14c, and hydrogen ions and electrons are generated inside the fuel cell 21, and are supplied to the circuit unit 25 via the output terminals 72a and 72c. The current can be taken out, and the generated voltage is monitored in the measuring unit 26.

実施の形態1〜実施の形態3に記載の加湿原料ガスのパージ処理によってもたらされる燃料電池の性能安定化の効果を以下のような燃料電池21の特性評価(MEA17の電圧評価)によって検証した。なお、この燃料電池21の特性評価においては、燃料電池発電装置100の触媒材料として次のようなものを使用する。   The effect of fuel cell performance stabilization brought about by the humidified raw material gas purging process described in the first to third embodiments was verified by the following characteristic evaluation of the fuel cell 21 (voltage evaluation of the MEA 17). In the characteristic evaluation of the fuel cell 21, the following materials are used as the catalyst material of the fuel cell power generator 100.

脱硫触媒体の材質例としてはゼオライトを使用し、改質部23eの改質触媒体例としてはRu/Alを使用し、変成部23fの変成触媒体例としてはPt/CeZrOx(Pt=2wt%、Ce:Zr=1:1、x=3または4)を使用し、およびCO除去部23gのCO除去触媒体例としてはPt/AlおよびRu/ゼオライトをハニカムにしてPt/Al(上流側)とRu/ゼオライトを1:1で使用する。 Zeolite is used as an example of the material of the desulfurization catalyst body, Ru / Al 2 O 3 is used as an example of the reforming catalyst body of the reforming part 23e, and Pt / CeZrOx (Pt = 2wt) as an example of the transformation catalyst body of the transformation part 23f. %, Ce: Zr = 1: 1, x = 3 or 4), and as an example of a CO removal catalyst body of the CO removal portion 23g, Pt / Al 2 O 3 and Ru / zeolite are used as a honeycomb and Pt / Al 2 O 3 (upstream side) and Ru / zeolite are used 1: 1.

また、燃料電池21のMEA17は、次のような製法で作ったものを使用する。   Further, the MEA 17 of the fuel cell 21 is made by the following manufacturing method.

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式会社製のKetjen Black EC、粒径30nm)上にPt触媒を担持させて得られる触媒体(50重量%のPt)66重量部を、水素イオン伝導材であって結着剤のパーフルオロカーボンスルフォン酸アイオノマー(米国Aldrich社製の5重量%のNafion分散液)33重量部(高分子乾燥重量)と混合して得られる混合物を成形して触媒反応層12a、12c(10〜20μm)が形成される。   66 parts by weight of a catalyst body (50% by weight of Pt) obtained by supporting a Pt catalyst on Ketjen Black (Ketjen Black EC manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., particle size 30 nm), which is carbon powder, Catalytic reaction by molding a mixture obtained by mixing 33 parts by weight (polymer dry weight) of perfluorocarbon sulfonate ionomer (5% by weight Nafion dispersion manufactured by Aldrich, USA) as a conductive material and binder Layers 12a and 12c (10 to 20 μm) are formed.

炭素粉末であるアセチレンブラック(電気化学工業株式会社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(ダイキン工業株式会社製の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する。このインクを、ガス拡散層13a、13cの基材となるカーボンペーパー(東レ株式会社製のTGPH060H)の上に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて300℃で熱処理してガス拡散層13a、13c(約200μm)を形成する。   Carbon powder acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., particle size 35 nm) is mixed with an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) (D1 manufactured by Daikin Kogyo Co., Ltd.) as a dry weight. A water repellent ink containing 20% by weight of PTFE is prepared. This ink is applied and impregnated on carbon paper (TGPH060H manufactured by Toray Industries, Inc.) serving as a base material for the gas diffusion layers 13a and 13c, and is heat-treated at 300 ° C. using a hot air dryer to form the gas diffusion layer 13a. , 13c (about 200 μm).

こうして製作したガス拡散層13a、13cと触媒反応層12a、12cとを、高分子電解質膜11(米国DuPont社のNafion112の電解質膜)の両面に接合し、MEA17を完成させる。   The gas diffusion layers 13a and 13c and the catalytic reaction layers 12a and 12c thus manufactured are bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11 (Nafion 112 electrolyte membrane manufactured by DuPont, USA) to complete the MEA 17.

このような燃料電池発電装置100の触媒材料系において燃料電池21の起動(発電)停止の回数を4000回まで行い、加湿原料ガスのパージ処理を行わない比較例と共に実施の形態1〜3に記載の加湿原料ガスのパージ処理例のMEA電圧の変化を以下の表に纏めて示している。なお、図11に、横軸に燃料電池の起動停止回数をとり、縦軸にMEA17の電圧をとって、加湿原料パージ処理例(実施の形態3)と比較例におけるMEA17の電圧変化の様子が示されている。   In the catalyst material system of the fuel cell power generation apparatus 100 described in the first to third embodiments together with a comparative example in which the fuel cell 21 is started (power generation) stopped up to 4000 times and the humidified raw material gas purge process is not performed. The changes in the MEA voltage in the example of the purging process of the humidified raw material gas are summarized in the following table. In FIG. 11, the horizontal axis indicates the number of times the fuel cell is started and stopped, and the vertical axis indicates the voltage of the MEA 17, and the state of the voltage change of the MEA 17 in the humidified raw material purge process example (third embodiment) and the comparative example is shown. It is shown.

実施の形態1〜3の加湿原料ガスによるパージ処理によれば、発電および停止の反復動作に基づく局所燃焼等が防止できるため、MEA17の劣化が抑制されて起動停止回数に依存することなく長期間、燃料電池21の電圧が安定して維持される。   According to the purging process using the humidified raw material gas according to the first to third embodiments, local combustion or the like based on the repeated operation of power generation and stop can be prevented, so that the deterioration of the MEA 17 is suppressed and long-term without depending on the number of start / stops The voltage of the fuel cell 21 is stably maintained.

これに対して比較例においては、局所燃焼等によってMEA17の触媒劣化が進行して、起動停止回数が1000回以降においてMEA17の電圧の僅かの低下が観察され、更には、3000回以降においてMEA17が破壊(穴あき)されてMEA17の電圧が急峻に減少している。   On the other hand, in the comparative example, the catalyst deterioration of the MEA 17 progresses due to local combustion or the like, and a slight decrease in the voltage of the MEA 17 is observed after the number of start / stops is 1000 times or more. As a result of destruction (perforation), the voltage of the MEA 17 sharply decreases.

Figure 2005209362
Figure 2005209362

本発明に係る燃料電池発電装置は、燃料電池の停止および発電を反復しても燃料電池の性能安定化が図れて、例えば家庭用の燃料電池発電装置として有用である。   The fuel cell power generator according to the present invention can stabilize the performance of the fuel cell even when the fuel cell is stopped and generated repeatedly, and is useful as, for example, a household fuel cell power generator.

電解質接合体(MEA;Membrane-Electrode Assembly)を備えた固体高分子電解質形の燃料電池の断面図である。1 is a cross-sectional view of a solid polymer electrolyte fuel cell equipped with an electrolyte assembly (MEA). 燃料電池発電装置の基本構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the basic composition of the fuel cell power generation device. 本発明の実施の形態1に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell power generator according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1に係るガス供給動作を説明するフローチャートの前半部分の図である。It is a figure of the first half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るガス供給動作を説明するフローチャートの後半部分の図である。It is a figure of the second half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 1 of this invention. 燃料電池に対する印加周波数を0.1Hz〜1kHzの範囲で可変させて測定した燃料電池の交流インピーダンスプロファイル図である。It is the alternating current impedance profile figure of the fuel cell measured by varying the applied frequency with respect to the fuel cell in the range of 0.1 Hz to 1 kHz. 電解質膜の相対湿度と導電率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the relative humidity of an electrolyte membrane, and electrical conductivity. 本発明の実施の形態2に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the fuel cell electric power generating apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係るガス供給動作を説明するフローチャートの前半部分の図である。It is a figure of the first half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係るガス供給動作を説明するフローチャートの後半部分の図である。It is a figure of the second half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に係る燃料電池発電装置の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the fuel cell electric power generating apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3に係るガス供給動作を説明するフローチャートの前半部分の図である。It is a figure of the first half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3に係るガス供給動作を説明するフローチャートの後半部分の図である。It is a figure of the second half part of the flowchart explaining the gas supply operation | movement which concerns on Embodiment 3 of this invention. 起動停止回数に基づくMEA電圧の特性評価結果の図である。It is a figure of the characteristic evaluation result of MEA voltage based on the number of times of starting and stopping.

符号の説明Explanation of symbols

11 電解質膜
12a アノードの触媒反応層
12c カソードの触媒反応層
13a アノードのガス拡散層
13c カソードのガス拡散層
14a アノード
14c カソード
15a アノードの側のMEAガスケット
15c カソードの側のMEAガスケット
16a アノードに対する導電性セパレータ板
16c カソードに対する導電性セパレータ板
17 MEA
18a 燃料ガス流路
18c 酸化剤ガス流路
19a 導電性セパレータ板16aに形成された溝
19c 導電性セパレータ板16cに形成された溝
20 燃料電池セル
21 燃料電池
22 原料ガス供給手段
22p ガス清浄部
23 燃料生成器
23e 改質部
23f 変成部
23g CO除去部
24 加湿部
25 回路部
26 測定部
27 制御部
28 ブロア
29 第一の切り替え弁
30 第一の遮断弁
31 第二の遮断弁
32 第三の遮断弁
33 水除去部
34 全熱交換加湿器
35 温水加湿器
41 第一の逆止弁
42 第二の切り替え弁
43 第三の切り替え弁
44 第四の切り替え弁
45 第一の循環配管
46 第二の循環配管
47 アノード排気配管
48 第二の逆止弁
51 原料ガス分岐配管
52 第五の切り替え弁
53 第二の連結配管
54 第六の切り替え弁
55 分流弁
60 カソード排気配管
61 燃料ガス供給配管
62 酸化剤ガス供給配管
63 原料ガス供給配管
64 第一の連結配管
70a アノードのマスフローメータ
70c カソードのマスフローメータ
71 温度検知手段
72a アノードの出力端子
72c カソードの出力端子
73 インピーダンス測定器
74 第一の水供給手段
75 第二の水供給手段
11 Electrolyte Membrane 12a Anode Catalytic Reaction Layer 12c Cathode Catalytic Reaction Layer 13a Anode Gas Diffusion Layer 13c Cathode Gas Diffusion Layer 14a Anode 14c Cathode 15a MEA Gasket 15c on Anode Side MEA Gasket 16a on Cathode Side Conductivity for Anode Separator plate 16c Conductive separator plate 17 for the cathode MEA
18a Fuel gas channel 18c Oxidant gas channel 19a Groove 19c formed in the conductive separator plate 16a Groove 20 formed in the conductive separator plate 16c Fuel cell 21 Fuel cell 22 Raw material gas supply means 22p Gas purifier 23 Fuel generator 23e Reformer 23f Transformer 23g CO removal unit 24 Humidification unit 25 Circuit unit 26 Measurement unit 27 Control unit 28 Blower 29 First switching valve 30 First shut-off valve 31 Second shut-off valve 32 Third Shut-off valve 33 Water removal part 34 Total heat exchange humidifier 35 Hot water humidifier 41 First check valve 42 Second switching valve 43 Third switching valve 44 Fourth switching valve 45 First circulation piping 46 Second Circulation pipe 47 anode exhaust pipe 48 second check valve 51 source gas branch pipe 52 fifth switching valve 53 second connection pipe 54 sixth switching valve 55 branching valve 60 Cathode exhaust pipe 61 Fuel gas supply pipe 62 Oxidant gas supply pipe 63 Raw material gas supply pipe 64 First connection pipe 70a Anode mass flow meter 70c Cathode mass flow meter 71 Temperature detection means 72a Anode output terminal 72c Cathode output terminal 73 Impedance measuring instrument 74 First water supply means 75 Second water supply means

Claims (15)

燃料ガス流路を有する燃料電池と、原料ガスを供給する原料ガス供給手段とを備え、
前記燃料電池の発電期間には、前記燃料ガス流路に前記原料ガスから生成される燃料ガスを供給することによって前記燃料電池を発電させ、停止と発電を交互に反復する燃料電池における停止期間から発電期間までの間の前記燃料電池の移行期間には、前記原料ガス供給手段から送出された原料ガスを加湿して、この加湿された原料ガスの雰囲気に前記燃料電池の内部を曝す燃料電池発電装置。
A fuel cell having a fuel gas flow path, and a raw material gas supply means for supplying a raw material gas,
In the power generation period of the fuel cell, the fuel cell is caused to generate power by supplying fuel gas generated from the source gas to the fuel gas flow path, and from the stop period in the fuel cell in which stop and power generation are alternately repeated During the transition period of the fuel cell until the power generation period, the fuel cell power generation that humidifies the source gas sent from the source gas supply means and exposes the inside of the fuel cell to the atmosphere of the humidified source gas apparatus.
前記燃料ガス流路に前記原料ガスを流通させることによって前記燃料電池の内部の電解質膜を前記原料ガスの雰囲気に曝す請求項1記載の燃料電池発電装置。   2. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein an electrolyte membrane inside the fuel cell is exposed to an atmosphere of the source gas by causing the source gas to flow through the fuel gas flow path. 前記原料ガスの露点を前記燃料電池の稼働温度以上に維持できるように、前記原料ガスを加湿する請求項2記載の燃料電池発電装置。   The fuel cell power generator according to claim 2, wherein the raw material gas is humidified so that a dew point of the raw material gas can be maintained at a temperature equal to or higher than an operating temperature of the fuel cell. 前記原料ガス供給手段はガス清浄部を備え、前記ガス清浄部によって前記原料ガス中のイオウ成分を除去した後、前記原料ガスの雰囲気に前記燃料電池の内部を曝す請求項1乃至3の何れかに記載の燃料電池発電装置。   4. The fuel cell supply unit according to claim 1, wherein the raw material gas supply unit includes a gas cleaning unit, and after the sulfur component in the raw material gas is removed by the gas cleaning unit, the interior of the fuel cell is exposed to the atmosphere of the raw material gas. The fuel cell power generator described in 1. 前記原料ガスは、メタンガス、プロパンガス、ブタンガスおよびエタンガスのうちの何れかのガスである請求項4記載の燃料電池発電装置。   The fuel cell power generator according to claim 4, wherein the source gas is any one of methane gas, propane gas, butane gas, and ethane gas. 前記原料ガス供給手段から供給される前記原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器を備え、前記移行期間に前記原料ガス供給手段から送出された原料ガスを、前記燃料生成器の内部で加湿する際に、前記燃料生成器において前記原料ガスを炭化させる下限温度よりも低く、前記燃料生成器の温度を維持する請求項1記載の燃料電池発電装置。   A fuel generator that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell from the source gas and water vapor supplied from the source gas supply means, and the source gas sent from the source gas supply means during the transition period, 2. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein when humidifying the inside of the fuel generator, the temperature of the fuel generator is maintained lower than a lower limit temperature at which the raw material gas is carbonized in the fuel generator. 前記燃料生成器の温度を300℃以下に維持する請求項6記載の燃料電池発電装置。   The fuel cell power generator according to claim 6, wherein the temperature of the fuel generator is maintained at 300 ° C. or lower. 前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記アノードを前記原料ガスの雰囲気に曝した後、前記カソードを前記原料ガスの雰囲気に曝す請求項1記載の燃料電池発電装置。   2. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane are disposed inside the fuel cell, and the cathode is exposed to the source gas atmosphere after the anode is exposed to the source gas atmosphere. 前記原料ガス供給手段から供給される前記原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器を備え、前記原料ガスを前記燃料生成器の内部で加湿する請求項8記載の燃料電池発電装置。   The fuel generator which produces | generates the fuel gas supplied to the said fuel cell from the said raw material gas and water vapor | steam supplied from the said raw material gas supply means is provided, The said raw material gas is humidified inside the said fuel generator. Fuel cell power generator. 前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記カソードを前記原料ガスの雰囲気に曝した後、前記アノードを前記原料ガスの雰囲気に曝す請求項1記載の燃料電池発電装置。   2. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane are disposed inside the fuel cell, and the anode is exposed to the source gas atmosphere after the cathode is exposed to the source gas atmosphere. 前記カソードに供給する、前記燃料ガスとの発電反応用の酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、前記原料ガスを前記加湿器で加湿する請求項10記載の燃料電池発電装置。   11. The fuel cell power generator according to claim 10, further comprising a humidifier that humidifies an oxidant gas for power generation reaction with the fuel gas supplied to the cathode, and the source gas is humidified by the humidifier. 前記燃料電池の内部に電解質膜を挟むアノードとカソードが配置され、前記カソードを前記原料ガスから分流する前記第一の原料ガスの雰囲気に曝すと共に、前記アノードを前記原料ガスから分流する前記第二の原料ガスの雰囲気に曝す請求項1記載の燃料電池発電装置。   An anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane are disposed inside the fuel cell, the cathode is exposed to an atmosphere of the first source gas that diverts from the source gas, and the second that diverts the anode from the source gas The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the fuel cell power generator is exposed to an atmosphere of a raw material gas. 前記原料ガス供給手段から供給される前記原料ガスと水蒸気とから前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器および前記カソードに供給する酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、前記第一の原料ガスを前記加湿器の内部で加湿し、前記第二の原料ガスを前記燃料生成器の内部で加湿する請求項12記載の燃料電池発電装置。   A fuel generator for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell from the source gas and water vapor supplied from the source gas supply means, and a humidifier for humidifying oxidant gas to be supplied to the cathode, The fuel cell power generator according to claim 12, wherein the source gas is humidified inside the humidifier, and the second source gas is humidified inside the fuel generator. 前記燃料電池の内部に電解質膜を備え、前記電解質膜の導電率に基づいて前記発電期間を開始させる請求項1記載の燃料電池発電装置。   The fuel cell power generator according to claim 1, further comprising an electrolyte membrane inside the fuel cell, wherein the power generation period is started based on a conductivity of the electrolyte membrane. 前記燃料電池の内部における所定の相対湿度に対応する前記電解質膜の導電率に基づいて前記発電期間を開始させる請求項14記載の燃料電池発電装置。   The fuel cell power generator according to claim 14, wherein the power generation period is started based on conductivity of the electrolyte membrane corresponding to a predetermined relative humidity inside the fuel cell.
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