JP5452135B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池発電システムの起動方法に関する。 The present invention relates to a method for starting a fuel cell power generation system.
水素あるいは有機化合物の改質燃料を用いる固体高分子形燃料電池は、騒音が小さく、運転温度が低いこと(約70〜80℃)などの特徴を有する。そのため、可搬式電源,電気自動車の電源、あるいは電動バイクやアシスト式自転車、さらには医療介護用の車椅子やシニアカーなどの軽車両用電源として、幅広い用途が期待されている。 A polymer electrolyte fuel cell using a reformed fuel of hydrogen or an organic compound has characteristics such as low noise and low operating temperature (about 70 to 80 ° C.). Therefore, a wide range of uses are expected as a portable power source, a power source for an electric vehicle, or a power source for an electric motorcycle, an assist type bicycle, a light vehicle such as a medical care wheelchair or a senior car.
また、将来においては、太陽光や風力を電気エネルギーに変換し、そのエネルギーを水電解に供し、運搬可能な水素を製造することが予想される。水素製造が普及すれば、水素を利用したエネルギーシステムが、究極のクリーンエネルギーシステムとして脚光を浴びることになると思われる。太陽エネルギー等は再生可能であり、クリーンで無尽蔵に存在するため、現在の化石エネルギー社会を脱却するための最有力のエネルギー源である。水素吸蔵合金などを利用して高密度で水素を貯蔵すれば、二次電池に蓄積したエネルギーよりも高効率にエネルギーの輸送も可能となる。太陽光などの再生可能エネルギーを活用できるようになれば、二酸化炭素を大幅に削減できる持続可能なエネルギー社会を構築されるものと予想される。このような未来社会において、水素を高効率で電気に再変換できる固体高分子形燃料電池の期待は高い。 In the future, it is expected that sunlight or wind power will be converted into electrical energy, and that energy will be used for water electrolysis to produce transportable hydrogen. If hydrogen production becomes widespread, it is likely that energy systems using hydrogen will be highlighted as the ultimate clean energy system. Solar energy, etc. is renewable and clean and inexhaustible, making it the most powerful energy source to break out of the current fossil energy society. If hydrogen is stored at a high density using a hydrogen storage alloy or the like, energy can be transported more efficiently than the energy stored in the secondary battery. If renewable energy such as sunlight can be used, it is expected that a sustainable energy society that can significantly reduce carbon dioxide will be built. In such a future society, there is high expectation for a polymer electrolyte fuel cell that can reconvert hydrogen into electricity with high efficiency.
さて、固体高分子形燃料電池とは、プロトンを移動させる電解質膜を用い、水素と酸素の再結合反応を直接に電気エネルギーに変換させる電気化学素子である。プロトンを移動させる電解質膜は、その両面に電極が形成されている。これを、膜−電極接合体(以下、MEAと略記する。)と呼ぶ。この電極のそれぞれに対面するように設置したセパレータからなる単位セルを有している。このセパレータには、燃料または酸化剤を流通させるための流路(チャンネル)が形成されている。 A polymer electrolyte fuel cell is an electrochemical element that uses an electrolyte membrane that moves protons and directly converts the recombination reaction of hydrogen and oxygen into electrical energy. The electrolyte membrane that moves protons has electrodes formed on both sides thereof. This is called a membrane-electrode assembly (hereinafter abbreviated as MEA). A unit cell made of a separator is provided so as to face each of the electrodes. The separator is formed with a flow path (channel) for circulating fuel or oxidant.
電解質膜には水が含まれていないと、電解質膜中のプロトン(水素イオン)移動速度が極めて遅くなることがよく知られている。そのため、燃料あるいは酸化剤に予め水分を添加し、それを燃料電池に供給している。この水を添加する操作を加湿と呼ばれている。これにより、電解質膜の乾燥を抑制することができ、水素の酸化によって生成した水がさらに加わり、電解質膜の湿潤状態が保たれている。よって、従来技術では、加湿をしないと固体高分子形燃料電池を動作させることができないという問題があった。 It is well known that when the electrolyte membrane does not contain water, the proton (hydrogen ion) transfer rate in the electrolyte membrane is extremely slow. Therefore, water is added to the fuel or oxidant in advance and supplied to the fuel cell. This operation of adding water is called humidification. As a result, drying of the electrolyte membrane can be suppressed, and water generated by oxidation of hydrogen is further added to keep the electrolyte membrane wet. Therefore, the prior art has a problem that the polymer electrolyte fuel cell cannot be operated without humidification.
特許文献1〜8は、純水素を利用した固体高分子形燃料電池のシステムにおいて低温下で起動を容易にするための手段を開示している。 Patent Documents 1 to 8 disclose means for facilitating starting at a low temperature in a polymer electrolyte fuel cell system using pure hydrogen.
特許文献1,2では、運転終了後に、気象条件や外気温の変化に応じて、燃料電池装置内の水を外部へ排出し、凍結を防止する方法が開示されている。
特許文献3の発明は、システム停止・保管時における燃料電池装置の自動保温機能を持たせることにより、凍結によるシステムの劣化・破損を防止し、起動時間を短縮でき、且つ確実に起動可能とする方法に関するものである。
The invention of
特許文献4は、燃料電池スタックのセパレータ等に面状発熱体を形成し、自ら昇温ないし保温機能を備えた発明を開示している。 Patent Document 4 discloses an invention in which a planar heating element is formed on a separator or the like of a fuel cell stack and has a temperature raising function or a heat retaining function.
特許文献5では、セパレータの表面または内部にヒータを装備させて、自ら昇温ないし保温機能を備えた構成が開示されている。 Patent Document 5 discloses a configuration in which a heater is provided on the surface or inside of a separator and has a self-heating or heat-retaining function.
特許文献6は、セルスタックの外部に発熱体を設置し、セルスタックを加熱する発明に関するものである。 Patent Document 6 relates to an invention in which a heating element is installed outside the cell stack to heat the cell stack.
特許文献7は、ガス拡散層近傍にヒータを設けて、通電してセルを直接、加熱する発明を開示している。 Patent Document 7 discloses an invention in which a heater is provided in the vicinity of a gas diffusion layer, and a cell is directly heated by energization.
特許文献8に記載されている発明は、冷却水流路に設置したヒータに通電して、加熱しながら電池を昇温する発明である。 The invention described in Patent Document 8 is an invention in which a battery is heated while being energized by heating a heater installed in a cooling water flow path.
本発明らは、従来技術を鑑み、外気温が低温になった状態から短時間で固体高分子形燃料電池システムを起動する構成を検討し、本発明に至った。特に、固体高分子形燃料電池が凍結した状態から短時間でシステムを起動しうる電池構造とシステム構成を提案することを、重要な課題とした。以下では、高効率な発電システムを実現する上で、問題となる技術項目について、詳細に説明していく。 In view of the prior art, the present inventors have studied a configuration for starting a polymer electrolyte fuel cell system in a short time from a state in which the outside air temperature has become low, and have reached the present invention. In particular, it was an important issue to propose a battery structure and system configuration that can start up the system in a short time from a frozen state of the polymer electrolyte fuel cell. In the following, technical items that are problematic in realizing a highly efficient power generation system will be described in detail.
本発明が対象とする固体高分子形燃料電池の典型例として、水素または化石燃料の改質ガス(水素含有ガス)を燃料とし、空気を酸化剤として利用した燃料電池がある。これらの燃料電池のアノード(燃料極)では式1の反応、カソード(酸化剤極)では式2の反応がそれぞれ進行し、全体では水素の酸化反応が起こっている。式3の化学反応エネルギーは電気エネルギーに変換され、燃料電池から外部に電力を取り出すことができる。
H2→2H++2e- …(式1)
2H++1/2 O2+2e-→H2O …(式2)
H2+1/2 O2→H2O …(式3)
A typical example of a solid polymer fuel cell targeted by the present invention is a fuel cell using hydrogen or a fossil fuel reformed gas (hydrogen-containing gas) as a fuel and air as an oxidant. The reaction of Formula 1 proceeds at the anode (fuel electrode) of these fuel cells, and the reaction of Formula 2 proceeds at the cathode (oxidant electrode), and the oxidation reaction of hydrogen occurs as a whole. The chemical reaction energy of Formula 3 is converted into electric energy, and electric power can be taken out from the fuel cell.
H 2 → 2H + + 2e − (Formula 1)
2H + +1/2 O 2 + 2e − → H 2 O (Formula 2)
H 2 +1/2 O 2 → H 2 O (Formula 3)
この反応を起こす固体高分子形燃料電池は、水素イオンを透過する固体高分子電解質膜の一方の面にアノードを形成し、他方の面にカソードを形成している。アノードとカソードは、式1と式2の反応を進める触媒層とガス拡散層の積層構造であることが、一般的である。このように、固体高分子電解質膜とアノードとカソードからなる一体構造物が、いわゆる膜−電極接合体と呼ばれている。ここで、電解質膜を透過する水素イオンは、電解質膜に水分が吸収され、電解質膜が湿潤された状態でないと、移動しにくいことが知られている。水は生成水により補充される。そのため、燃料電池の運転時にはMEAの近傍に水が存在している。
In the polymer electrolyte fuel cell that causes this reaction, an anode is formed on one surface of a solid polymer electrolyte membrane that transmits hydrogen ions, and a cathode is formed on the other surface. In general, the anode and the cathode have a laminated structure of a catalyst layer and a gas diffusion layer that promote the reactions of
しかし、停止時には通常、水が存在したままで燃料電池が保管され、この水が次の起動の際に凍結しているとガスの流通の阻害をもたらす。また、電解質膜の水も移動しにくく、水素イオンの移動も阻害される。 However, when the fuel cell is stopped, the fuel cell is usually stored in the presence of water, and if this water is frozen at the next start-up, the flow of gas is hindered. In addition, the water in the electrolyte membrane is difficult to move, and the movement of hydrogen ions is also inhibited.
したがって、低温、特に水が凍結する程度の厳寒時に、固体高分子形燃料電池を起動する方法が問題となっている。 Therefore, there is a problem with a method of starting the polymer electrolyte fuel cell at a low temperature, particularly in an extremely cold temperature where water is frozen.
本発明では、低温起動方法を検討した結果、起動時間の短縮と起動後の出力安定化を図るために、以下で述べる2項目の技術課題を解決する必要があることに気が付いた。 In the present invention, as a result of examining the low temperature startup method, it has been found that it is necessary to solve the following two technical problems in order to shorten the startup time and stabilize the output after startup.
第一の課題は、起動時から十分な水が存在しうるセル構造およびシステム構成と、運転条件を提供することである。電池を短時間で昇温するために、MEAの表面や内部、あるいはセパレータの流路に水が存在しない方が有利であるが、水を排出することによるセル発電性能の低下を回避する必要がある。ある程度、セル内部に水を残し、仮に凍結していても容易に昇温できることが望ましい。 The first problem is to provide a cell structure and system configuration in which sufficient water can exist from the start-up, and operating conditions. In order to raise the temperature of the battery in a short time, it is advantageous that water does not exist on the surface or inside of the MEA or the flow path of the separator. However, it is necessary to avoid a decrease in cell power generation performance due to the discharge of water. is there. It is desirable that the temperature can be easily raised even if water is left inside the cell to some extent and it is frozen.
また、自然災害,系統電力の遮断,衝突などの外力などにより、システムを緊急停止しなければならない場合がある。そのようなケースでは、セルスタック内部に水が残留してしまい、予定していたように排水できずにシステムが停止してしまう。そのような場合に、セルスタック内部の氷を融解し、燃料電池システムを速やかに再起動させることが必要である。 In addition, the system may need to be stopped urgently due to an external force such as a natural disaster, system power interruption, or a collision. In such a case, water remains inside the cell stack, and the system stops without being able to drain as planned. In such a case, it is necessary to melt the ice inside the cell stack and to quickly restart the fuel cell system.
従来技術によると、電池外部で加熱した冷却水やガスをセルスタックに供給する方法が考案されているが、冷却水またはガス自身の昇温と、それらが通過する配管からの放熱があるために、起動時間を短縮できない問題がある。さらに、セルスタック内部の流路やマニホールドが氷で閉塞されている場合に、高温の冷却水等を流通させることができない問題もある。よって、起動時にセルスタック自身を昇温する方法が望ましい。 According to the prior art, a method of supplying cooling water or gas heated outside the battery to the cell stack has been devised, but because of the temperature rise of the cooling water or gas itself and the heat radiation from the piping through which they pass There is a problem that the startup time cannot be shortened. Furthermore, there is a problem that high-temperature cooling water cannot be circulated when the flow path and manifold inside the cell stack are blocked with ice. Therefore, a method of raising the temperature of the cell stack itself at the time of startup is desirable.
第二の課題は、セルへ不純物等の汚染物質が混入しないようにする加熱構造と加熱方法を提供することである。これは、セル近傍にて加熱することが、昇温による起動時間を短縮するのに有利である。しかしながら、セル内部に発熱体を設けることによって、金属物質などの溶出成分が電解質膜の水素イオンと置換され、水素イオンの透過を阻害する場合がある。本技術課題は、発熱体からの汚染物質によるセル性能の低下を防止することである。 A second problem is to provide a heating structure and a heating method that prevent contaminants such as impurities from entering the cell. This is advantageous in that heating in the vicinity of the cell shortens the startup time due to temperature rise. However, by providing a heating element inside the cell, an elution component such as a metal substance may be replaced with hydrogen ions in the electrolyte membrane, thereby impeding permeation of hydrogen ions. An object of the present invention is to prevent a decrease in cell performance due to contaminants from a heating element.
以上で述べた2つの技術課題を同時に解決すべく、発明者らは鋭意検討した結果、本発明に至った。 In order to solve the two technical problems described above at the same time, the inventors have intensively studied to arrive at the present invention.
本発明が対象とする燃料電池は、燃料を流通させるアノード流路を有するセパレータと、酸化剤を供給するカソード流路を有するセパレータと、2つの電極と電解質膜からなる膜−電極接合体からなり、かつ、前記膜−電極接合体は前記セパレータの間に挟持された発電セルを有する燃料電池である。このような電池において、以下のような手段により低温起動を実現することができる。 A fuel cell to which the present invention is directed comprises a separator having an anode flow path for circulating fuel, a separator having a cathode flow path for supplying an oxidant, and a membrane-electrode assembly comprising two electrodes and an electrolyte membrane. The membrane-electrode assembly is a fuel cell having a power generation cell sandwiched between the separators. In such a battery, low temperature startup can be realized by the following means.
第一の解決手段は、隣接する2つのセパレータの間に、少なくとも水の凝固温度以下の低温状態において前記セパレータの間の抵抗を小さくして通電可能な状態にする抵抗体を具備させ、少なくとも室温以上の温度において前記抵抗体は実質的に電気を流さないようにすることである。 The first solving means is provided with a resistor between two adjacent separators that can be energized by reducing the resistance between the separators in a low temperature state at least below the solidification temperature of water, and at least at room temperature. It is to prevent the resistor from substantially flowing electricity at the above temperature.
第二の解決手段は、前記電池の正の集電端子と負の集電端子のそれぞれに接続した直流電源または二次電池を具備し、少なくとも氷点下以下の低温状態においてセパレータに通電可能とした請求項1記載の固体高分子形燃料電池を搭載した燃料電池発電システムを提供することである。 The second solving means comprises a direct current power source or a secondary battery connected to each of the positive current collecting terminal and the negative current collecting terminal of the battery, and is capable of energizing the separator at a low temperature state at least below freezing point. An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system including the polymer electrolyte fuel cell according to item 1.
第三の解決手段は、第一の解決手段に記載した燃料電池において、前記抵抗体が正温度特性係数を有する抵抗材料とすることである。 A third solution is to use a resistance material in which the resistor has a positive temperature characteristic coefficient in the fuel cell described in the first solution.
第四の解決手段は、前記抵抗体を2つのセパレータの間に挿入されたガスケットよりも外界側に配置することである。 A fourth solution is to dispose the resistor on the outside of the gasket inserted between the two separators.
第五の解決手段は、前記冷却セルの内部に、少なくとも水の凝固温度以下の低温状態において通電によって発熱する特性を有する抵抗体を具備させることである。 A fifth solution is to provide a resistor having a characteristic of generating heat by energization in a low temperature state at least below the solidification temperature of water inside the cooling cell.
第六の解決手段は、前記電池の正の集電端子と負の集電端子のそれぞれに接続した直流電源または二次電池を具備し、少なくとも氷点下以下の低温状態においてセパレータに通電可能とした請求項5記載の固体高分子形燃料電池を搭載した燃料電池発電システムを提供することである。 The sixth solving means comprises a DC power source or a secondary battery connected to each of the positive current collecting terminal and the negative current collecting terminal of the battery, and enables the separator to be energized at least in a low temperature state below the freezing point. An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system including the polymer electrolyte fuel cell according to Item 5.
第七の解決手段は、第五の解決手段に記載した燃料電池において、前記抵抗体が負温度特性係数を有する抵抗材料とすることである。 A seventh solving means is that in the fuel cell described in the fifth solving means, the resistor is a resistance material having a negative temperature characteristic coefficient.
本発明によって、固体高分子形燃料電池のセルで氷結が起こっても、迅速な起動運転を実現することができる。 According to the present invention, even if freezing occurs in the cells of the polymer electrolyte fuel cell, a quick start-up operation can be realized.
以下では、本発明の代表的な実施態様について説明する。本発明の要旨を変更しない範囲で、発明の一部を公知の技術で置換することは可能である。 In the following, typical embodiments of the present invention will be described. It is possible to replace a part of the invention with a known technique without changing the gist of the present invention.
まず、本発明の発電セル(発電セル)の構成を説明する。図1は、固体高分子形燃料電池の発電セルの断面構造を示す。この発電セルの断面中央には、MEAがある。このMEAは、電解質膜103の上面にアノード101を、下面にカソード102を積層した三層構造となっている。燃料側セパレータ104は燃料流路105を有し、その流路面をアノード101に接するように配置されている。酸化剤側セパレータ106は酸化剤流路107を有し、その流路面はカソード102に接している。セパレータの外周部には、燃料と酸化剤が外部に漏れ出さないように、かつ、一方の反応物質が他方の反応物質の流路に浸入しないように、ガスケット108を設けている。
First, the configuration of the power generation cell (power generation cell) of the present invention will be described. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a power generation cell of a polymer electrolyte fuel cell. There is MEA in the center of the cross section of the power generation cell. This MEA has a three-layer structure in which the
図1のアノード101とカソード102の触媒には、炭素質粉末の導電材に白金微粒子を担持した粉末を用いた。その例として、田中貴金属株式会社製のTEC10E50Eを選択した。ただし、燃料電池の反応を進行させることができれば良いので、これに限定されない。この触媒粉末に含まれる白金の組成は46.5%(重量百分率)である。
As the catalyst for the
電解質バインダには、DuPont社製Nafion溶液を用いた。電解質バインダの添加量は、上述の触媒重量に対し、40%とした。 As the electrolyte binder, a Napon solution manufactured by DuPont was used. The addition amount of the electrolyte binder was 40% with respect to the above catalyst weight.
これらの混合物から水を溶媒としたペーストを調整した。このペーストは混錬機で十分に均一になるように、混ぜ合わせた。手法については特に制約がなく、材料を破壊しないで均質なペーストを調整できる方法であれば、いかなる手段も選択可能である。 A paste using water as a solvent was prepared from these mixtures. This paste was mixed with a kneader so as to be sufficiently uniform. There is no particular limitation on the method, and any means can be selected as long as it is a method capable of preparing a homogeneous paste without destroying the material.
これらのペーストは、ブレードコータを用いてPTFEシート表面に塗布し、所定厚さの電極層(湿潤状態)を作成した。電極は10cm角の正方形(面積100cm2)とした。これを風乾し、溶媒を蒸発させた。 These pastes were applied to the surface of the PTFE sheet using a blade coater to prepare an electrode layer (wet state) having a predetermined thickness. The electrode was a 10 cm square (area 100 cm 2 ). This was air dried and the solvent was evaporated.
次に、電解質膜(DuPont社製,Nafion112,厚さ50μm)を上記の電極層の上に被せ、この積層物を二枚の金属板の間に挿入して、熱プレスを行った。これによって、PTFEシート上の電極層が電解質膜に転写される。 Next, an electrolyte membrane (manufactured by DuPont, Nafion 112, thickness 50 μm) was placed on the electrode layer, and the laminate was inserted between two metal plates and subjected to hot pressing. As a result, the electrode layer on the PTFE sheet is transferred to the electrolyte membrane.
転写後に電解質膜の重量増加分を測定した。その値より、電極単位面積当たりのPt使用量を算出した。本実施例のPt使用量は、アノードにて0.5〜0.9mg/cm2、カソードにて0.1〜0.8mg/cm2であった。 The weight increase of the electrolyte membrane was measured after the transfer. From the value, the amount of Pt used per electrode unit area was calculated. Pt usage of this embodiment, 0.5~0.9mg / cm 2 at the anode, the cathode in was 0.1~0.8mg / cm 2.
アノードとカソードの触媒層の上には、炭素質多孔質シートをガス拡散層に用いた。炭素質多孔質シートには、PTFEのディスパージョンを添加し、撥水性を付与した。炭素質多孔質シートの厚さは、0.2mmとした。 A carbonaceous porous sheet was used as a gas diffusion layer on the anode and cathode catalyst layers. A PTFE dispersion was added to the carbonaceous porous sheet to impart water repellency. The thickness of the carbonaceous porous sheet was set to 0.2 mm.
図1のガスケット108の外側(外界側)に、本発明の正温度特性を有する抵抗体109を設けている。抵抗体109はセパレータ104と106の間に挿入できる程度の厚さに作成すれば良い。発熱体として用いる部品はセパレータとし、平面方向に通電することで、必要な抵抗発熱量を確保した。セパレータ自身は、優れた耐食性を有しているので、少なくとも製品寿命に影響を与えることがない。
A
セルスタックの中に、セパレータは複数個、積層されているが、それぞれのセパレータはガスケットとMEAによって電気的に絶縁されている。MEAはイオン伝導体であるが、電子伝導体ではない。よって、最も単純な方法として、全セパレータにそれぞれ端子を設置し、各セパレータを個別に通電し、前述のような抵抗発熱量を得ることが考えられる。 A plurality of separators are stacked in the cell stack, and each separator is electrically insulated by a gasket and MEA. MEA is an ionic conductor, but not an electronic conductor. Therefore, as the simplest method, it is conceivable that terminals are installed in all the separators, and each separator is individually energized to obtain the above-described resistance heat generation amount.
しかし、このような方法は非常に煩雑であり、端子接続状態が劣化し、通電不良になる確率が高くなり、好ましい方法ではない。 However, such a method is very complicated, and the terminal connection state deteriorates and the probability of energization failure increases, which is not a preferable method.
本発明は、少なくとも複数のセパレータを電気的に連絡することによって、少ない端子の数でセパレータに電気を流すことができるようにする方法を提供するものである。これには、上述のセパレータ間の絶縁状態を通電状態に切り替える機構が必要である。 The present invention provides a method for allowing electricity to flow through a separator with a small number of terminals by electrically connecting at least a plurality of separators. This requires a mechanism for switching the insulation state between the separators to the energized state.
それを実現するために、ガスケット等が設置されている部分に、低温時に電子良導体になり、高温時(すなわち、セルスタックの運転温度の時)に高抵抗体になるような部品を装着することにした。このような温度特性を有する抵抗体は、PTC(Positive temperature coefficient)材料と称する。PTC材料からなる部品を、複数のセパレータ間に挿入することにより、低温時にON状態となり、通常発電時にOFF状態になるスイッチとして動作させることができる。 In order to achieve this, a part that is a good electronic conductor at low temperatures and a high resistance at high temperatures (that is, at the operating temperature of the cell stack) should be mounted on the parts where gaskets are installed. I made it. The resistor having such temperature characteristics is referred to as a PTC (Positive temperature coefficient) material. By inserting a part made of PTC material between a plurality of separators, it can be operated as a switch that is turned on at low temperatures and turned off during normal power generation.
抵抗体109は、電子良導体の表面に極薄の塗布層とし、その塗布層をスイッチとして利用しても良い。電子良導体は、セパレータ104,106の外周を凸状に形成し、その凸部に薄い抵抗体109を設置することもできる。このように薄い抵抗体109を用いることにより、低温時に必要な電子伝導性を確保することができる。
The
低温起動時における抵抗体109の貫通方向の抵抗値は、セパレータの面内方向における抵抗値の1/10以下、より望ましくは1/100以下にすることが好適である。セパレータでの発熱を優先し、抵抗体109での発熱をできるだけ小さくする必要があるためである。抵抗体109での発熱量が大きくなると、抵抗体109の温度が高くなり、それ自身の抵抗値が温度によって高くなるためである。その結果、抵抗体109はOFF状態となり、実質的に電気を流すことができなくなる。抵抗体109の抵抗値は、抵抗体の材質,厚さで制御することが可能である。
It is preferable that the resistance value in the penetration direction of the
抵抗体の具体例として、チタンとバリウムの複合酸化物(BaTiO3,(SrxPb1-x-0.002Y0.003)TiO3など),WO3+Yb2O3,PbTiO3系あるいはポリエチレン樹脂層にカーボンを混合させた材料がある。これらの材料以外に、少なくとも水の凝固点以下で抵抗が小さくなる材料であれば、適用可能である。 Specific examples of resistors include composite oxides of titanium and barium (BaTiO 3 , (Sr x Pb 1 -x-0.002 Y 0.003 ) TiO 3, etc.), WO 3 + Yb 2 O 3 , PbTiO 3 series, or polyethylene resin layers There are materials mixed with carbon. In addition to these materials, any material that has a resistance that is at least below the freezing point of water is applicable.
図2は、2つの発電セルを積層し、正温度特性を有する抵抗体109の機能を説明する図面である。上下2つの発電セルは、図1に説明したものである。電流は下の発電セルのセパレータ106から流れ始め、左側の抵抗体109を伝導する。その後、電流は、2つの発電セルの間にある2つのセパレータ104,106にそれぞれ分配され、右側の抵抗体109に達する。ここで、電流は一旦、集められて、右側の抵抗体を通過し、最上層のセパレータ104の面内方向に電気が流れる。
FIG. 2 is a diagram illustrating the function of the
図2では、発電セルが2個しか示されていないが、これらのセルが上下に繰り返されて、セルスタックが構成されている。発電セルの下方末端には正の集電端子、上方末端には負の集電端子が設置され、正の集電端子から通電が開始される。電流は正の集電端子から隣接するセパレータから流れはじめ、セパレータ面内方向を進行し、そのセパレータに接続されている抵抗体109に達する。その抵抗体を電流が通過した後は、図2で説明したように、電流はセパレータ面内方向を逆方向に流れ、反対側の抵抗体109に達する。このようにして、交互に配置されている抵抗体109を介して、下から上に電流が流れ、最終的に負の集電端子に電流が集められる。
In FIG. 2, only two power generation cells are shown, but these cells are repeated up and down to form a cell stack. A positive current collecting terminal is installed at the lower end of the power generation cell, and a negative current collecting terminal is installed at the upper end, and energization is started from the positive current collecting terminal. The current begins to flow from the adjacent separator from the positive current collecting terminal, travels in the in-plane direction of the separator, and reaches the
正の集電端子と負の集電端子に印加する電圧は、以下のようにして設定される。まず、両集電端子に抵抗器を接続し、低温時のセルスタックの端子間抵抗を測定する。燃料電池の比熱を計算し、必要な起動時間を任意に決定する。また、燃料電池の通常発電に必要な温度を測定し、起動開始温度との温度差を求める。 The voltage applied to the positive current collecting terminal and the negative current collecting terminal is set as follows. First, resistors are connected to both current collecting terminals, and the inter-terminal resistance of the cell stack at low temperature is measured. The specific heat of the fuel cell is calculated and the required start-up time is arbitrarily determined. In addition, the temperature required for normal power generation of the fuel cell is measured, and the temperature difference from the starting start temperature is obtained.
電池に供給する電力(ワット単位)は、電池の比熱×温度差÷起動時間から昇温熱量(ワット単位)に、電池からの放熱量(ワット単位)を加えた値となる。その電力を達成する端子間電圧(ボルト単位)は、電池に供給する電力を電池抵抗で除し、その値の平方根になる。このように計算した電圧を正の集電端子と負の集電端子に印加する。 The electric power supplied to the battery (in watts) is a value obtained by adding the amount of heat released from the battery (in watts) to the specific heat of the battery × temperature difference / starting time and the amount of heat rising from the battery (in watts). The terminal voltage (in volts) that achieves the power is the square root of the value obtained by dividing the power supplied to the battery by the battery resistance. The voltage thus calculated is applied to the positive current collecting terminal and the negative current collecting terminal.
抵抗体109の抵抗値が温度によって無視できない程度に変動する場合は、各温度ごとに電圧を計算し、その電圧を両端子に印加すれば良い。
When the resistance value of the
昇温が始まり、電池温度が通常発電に必要な温度に到達したときに、必要な流量の燃料と酸化剤を燃料電池に供給し、電流を流し始めればよい。この発電の直前に、前述の電圧印加を終了させると、その後の昇温には、発電による熱を利用することができる。 When the temperature rise starts and the battery temperature reaches the temperature required for normal power generation, the fuel and the oxidant at the required flow rates are supplied to the fuel cell, and the current starts to flow. If the above-described voltage application is terminated immediately before the power generation, the heat generated by the power generation can be used for the subsequent temperature increase.
本発明で用いる燃料は水素を含むガスとする。燃料は濃度100%の水素であることが、高い出力あるいは高い発電効率を得る上で望ましい。ただし、アノード101の触媒を劣化させないのであれば、燃料は窒素等の不活性ガスを含んだ混合ガスであってもよい。
The fuel used in the present invention is a gas containing hydrogen. The fuel is preferably 100% hydrogen in order to obtain high output or high power generation efficiency. However, as long as the catalyst of the
酸化剤は、空気が一般に用いられている。酸素濃度を高めたガスあるいは純酸素を供給しても良い。 Air is generally used as the oxidizing agent. A gas with increased oxygen concentration or pure oxygen may be supplied.
燃料または酸化剤は、正の集電端子と負の集電端子に電圧を印加した昇温操作と同時に供給し始めても良い。特に、電圧印加ともに発電が部分的に始まるので、燃料を発電によって消費される量以上の流量で供給することが望ましい。このようにすれば、燃料不足によるアノードの劣化を防止することが可能になる。 The fuel or the oxidizer may start to be supplied simultaneously with the temperature raising operation in which a voltage is applied to the positive current collecting terminal and the negative current collecting terminal. In particular, since power generation partially starts with voltage application, it is desirable to supply fuel at a flow rate that is greater than or equal to the amount consumed by power generation. In this way, it is possible to prevent the anode from being deteriorated due to fuel shortage.
なお、酸化剤については、その供給を省略しても良い。酸化剤の供給がなくても、カソード流路に含まれている微量の酸素が発電によって消費され、カソードに生成水が形成され、発電の電流は減衰してしまう。その結果、カソードは還元雰囲気での保管になり、何らダメージを受けることはない。 Note that the supply of the oxidizing agent may be omitted. Even if the oxidant is not supplied, a small amount of oxygen contained in the cathode channel is consumed by power generation, and water is formed at the cathode, and the power generation current is attenuated. As a result, the cathode is stored in a reducing atmosphere and is not damaged at all.
また、起動初期には低温であるため、MEAに流れる電流は極めて小さいが、発電開始温度を設定し、自動的に両端子への印加電圧をゼロとし、通常の発電モードに移行することも可能である。この判断基準として、温度と発電電流、温度と抵抗体109に流れる電流の相関図を作成し、前者の電流が後者の電流を上回ったとき、あるいはある設定した比率の値を超えたときに、通常の発電モードに移行するように制御すれば良い。
Also, since the temperature is low at the beginning of startup, the current flowing through the MEA is extremely small, but it is also possible to set the power generation start temperature, automatically set the voltage applied to both terminals to zero, and shift to the normal power generation mode It is. As a criterion for this, a correlation diagram of temperature and generated current, temperature and current flowing through the
上述の起動運転のシーケンスは、制御回路で制御する。例えば、以下のようなステップからなる起動シーケンスを採用することができる。 The above-described startup operation sequence is controlled by the control circuit. For example, an activation sequence including the following steps can be employed.
まず、電池環境温度を測定する。このとき、電池温度が氷点下以下か否かを判定する。 First, the battery environmental temperature is measured. At this time, it is determined whether or not the battery temperature is below freezing point.
氷点下以下と判断したときには、低温起動モードを実行する。低温起動モードでは、正の集電端子と負の集電端子に直流電源または二次電池(蓄電池)から電力を供給し、端子間に電圧を印加する。電力の供給源には電力系統を利用しても良いし、太陽光発電,キャパシタなどいかなる電力装置を用いることができる。 When it is determined that the temperature is below the freezing point, the cold start mode is executed. In the cold start mode, power is supplied from a DC power source or a secondary battery (storage battery) to the positive current collecting terminal and the negative current collecting terminal, and a voltage is applied between the terminals. A power system may be used as a power supply source, and any power device such as a solar power generation or a capacitor can be used.
電圧を印加して、温度をモニターする。このとき、連続的に電力を供給しても良いし、断続的に供給すること(間欠通電)であっても良い。 Apply voltage and monitor temperature. At this time, power may be supplied continuously or intermittently (intermittent energization).
設定温度に到達したことを確認した後に、低温起動モードを終了させる。すなわち、両端子間への電力の供給を停止する。通常、0℃を越えると発電が可能になるので、設定温度は0℃〜20℃の範囲に設定することが望ましい。 After confirming that the set temperature has been reached, the cold start mode is terminated. That is, the supply of power between both terminals is stopped. Usually, power generation is possible when the temperature exceeds 0 ° C., so it is desirable to set the set temperature in the range of 0 ° C. to 20 ° C.
次に、通常発電モードに移行する。そのときに、燃料と酸化剤を燃料電池に供給し、通常の発電を始める。発電の電流値は、温度に応じた値に設定する。一般に、低温時は電流を小さく、高温時には定格電流値に近づけていく。 Next, it shifts to the normal power generation mode. At that time, fuel and oxidant are supplied to the fuel cell, and normal power generation is started. The current value for power generation is set to a value corresponding to the temperature. In general, the current is reduced at low temperatures and close to the rated current value at high temperatures.
このような起動運転を実現するためのシステム構成と燃料電池の断面構造を、図3に示した。これは、1kW級PEFCセルスタックの一例である。 FIG. 3 shows a system configuration for realizing such start-up operation and a cross-sectional structure of the fuel cell. This is an example of a 1 kW class PEFC cell stack.
先に述べた方法により製作したMEAは、MEA1枚につき2枚の黒鉛製セパレータ304に挟持させ、発電セル301を組み立てた。
The MEA manufactured by the method described above was sandwiched between two
二枚のセパレータ304の間にMEA302を挟持させる際に、ガスケット305,MEAの電解質膜部分,ガスケット305の順に積層し、圧着させることによって、燃料や酸化剤の漏洩を防止した。
When sandwiching the
アノード,カソードともに、図1,図2に示したように、触媒層とガス拡散層から構成される。本発明の触媒層は、電解質膜に塗布したものであっても良いし、ガス拡散層に塗布した後に電解質膜に熱圧着したものを代用しても良い。 Both the anode and the cathode are composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer as shown in FIGS. The catalyst layer of the present invention may be applied to the electrolyte membrane, or may be substituted by applying thermocompression to the electrolyte membrane after being applied to the gas diffusion layer.
複数の発電セル301を直列に接続し、両末端に集電端子313,314を設置し、さらに絶縁板307を介して外側より端板309で締め付ける。端板が絶縁性の材料であれば、絶縁板307を省略することができる。締め付け部品として、ボルト316,ばね317,ナット318を用いる。また、集電端子313,314は、金属板,黒鉛板などの導電性材料を用いることができる。
A plurality of
冷却水流路を有するセパレータは、その流路面を対向させて、冷却水が流れるようにした。これを冷却セル308とする。冷却セル308は、2つの発電セル301ごとに1つ設けた。なお、図3では集電端子313,314に接する末端のセパレータに、冷却水流路を形成した。そこで、冷却水流路と集電板が直接接触して、集電板が腐食しないようにするために、黒鉛板からなる平板部材303を挿入した。
In the separator having the cooling water flow path, the cooling water flows with the flow path surfaces facing each other. This is referred to as a cooling
燃料は、左側の端板309に設けた燃料供給用コネクタ310から供給し、各発電セル301を通過して、燃料がMEAのアノード上にて酸化される。発電セル301を通過した燃料排ガスは、反対の端板309に設けた燃料排出用コネクタ322から排出される。本実施例にて、燃料には純水素を用いた。ただし、水素は20%よりも高い濃度で、希釈ガスが不活性な窒素等のガスであれば、低濃度の水素ガスを用いることができる。
Fuel is supplied from a
同様に、酸化剤は、図3に示す左側の端板309に設けた酸化剤供給用コネクタ311から供給され、反対の端板309の酸化剤排出用コネクタ323から排出される。酸化剤は、空気中の酸素濃度(21%)よりも高めたガスを用いる。酸化剤中の酸素を30%以上の高濃度にすれば、燃料の水素濃度が30%以下になることがないので、セル電圧の低下を抑制できるので、より望ましい。
Similarly, the oxidant is supplied from the
冷却水は、端板309に設けた冷却水供給用コネクタ312から供給され、冷却セル308あるいは集電板に隣接する冷却セルに流れる。冷却セルを通過し熱を奪った後には、反対の端板309の冷却水排出用コネクタ324から冷却水が排出される。ここから排出された冷却水は、熱交換器(図示省略。)にて冷水により除熱され、再び冷却水供給用コネクタ312に供給される。冷却水の循環にはポンプを用いた。
The cooling water is supplied from a cooling
このような部品構成にて、50個の発電セル301からなるセルスタックを製作した。図3では、50セル分の部品を記載すると、それらの部品が細かくなりすぎるので、それを避けるためにセル数を少なく表示している。本実施例のセルスタック(固体高分子形燃料電池)をS1とする。
A cell stack composed of 50
セルスタックS1は、集電端子313,314から電力線319を引き出し、DC−DCコンバータあるいはDC−ACコンバータからなる変換器320を介して、外部負荷321に電力を供給できるようになっている。これは通常の発電のときに使用される回路構成である。
The cell stack S1 can draw
本発明の正温度特性を有する抵抗体330は、発電セル301を交互に連絡し、全セパレータが直列に接続されるように配置されている。
The
低温起動モードでは、スイッチ325を切り替えて、直流電源326を動作させる。直流電源326は、正の集電端子314と負の集電端子313の間に電圧を印加し、セルスタック内部に電気を流すことができる。このようにして、低温時にセルスタック内部を直接、加熱することができる。
In the low temperature start mode, the
セルスタック温度は、溝を加工したセパレータに熱電対を挿入するか、セパレータの側面に貼り付けて、計測することができる。熱電対の代りに、サーミスタなどの他の温度センサを用いることができる。 The cell stack temperature can be measured by inserting a thermocouple into the separator with the groove processed or by attaching it to the side surface of the separator. Instead of a thermocouple, other temperature sensors such as a thermistor can be used.
図4は、図3の冷却セル308に負温度特性を有する抵抗体414を装着させ、冷却セルでも発熱ができるようにするための方法である。冷却セルは、セパレータ410と420を互いに対面させて構成される。
FIG. 4 shows a method for attaching a
冷却水は冷却水供給マニホールド417から供給され、冷却水流通面421を流れる。流路面421には、3つの凸部(リブとも称される。)422を設けている。冷却水は、凸部422を避けて、冷却水供給マニホールド417から冷却水排出マニホールド418に流れる。図4では細かな流路が形成されていないが、流路面423は直線流路,蛇行した流路,ループをなした流路などいかなる流路を形成しても良い。左面の凹部413には、本発明の負温度特性抵抗体414を収納している。冷却セルのセパレータ410と420が密着されるときに、凸部422で圧着され、セパレータ410から抵抗体414,凸部422,セパレータ420まで電気的に接続されるようになっている。
The cooling water is supplied from the cooling
本発明の負温度特性抵抗体414の材料として、スピネル型Mn−Co−Ni−Cu系,Mn−Ni−Cr酸化物系が挙げられる。低温起動モードのときに高抵抗となり、通常発電モードのときに実質的に電圧ロスにならないような温度特性を有していれば、いかなる材料でも選択することができる。
Examples of the material of the negative temperature
抵抗体414の面積や厚さは、用いる材質によって選定する。最も重要な要件は、通常発電時に電圧ロスにならないようにすることが肝要である。すなわち、発電セル1つ当りの電圧は0.5〜0.8V程度であるので、この電圧に対し、1/10以下の電圧損失、より望ましくは1/100以下の電圧損失に抑えれば、抵抗体414による電圧ロスを燃料電池の出力損失を1/10〜1/100の範囲、あるいは1/100以下に低減することができる。また、セルスタックの長さを大きくしないためにも、抵抗体の厚さは薄いほど望ましい。
The area and thickness of the
図4の冷却セルには、燃料と酸化剤が通過するだけのマニホールドが形成されている。燃料については供給マニホールド411と排出マニホールド419、酸化剤については供給マニホールド415と排出マニホールド416がある。燃料または酸化剤のいずれかについて、供給側と排出側は上下逆転して使っても、本発明の効果に影響を与えない。
The cooling cell of FIG. 4 is formed with a manifold through which fuel and oxidant pass. There are a
図4の構成の冷却セルを、図3の冷却セル308と交換すれば、低温起動時にセパレータを通電することによる発熱に加え、冷却セルでの発熱を昇温に利用することができ、より速やかな昇温が可能となる。
If the cooling cell having the structure shown in FIG. 4 is replaced with the cooling
101 アノード
102 カソード
103 電解質膜
104 燃料流路を有するセパレータ
105 燃料流路
106 酸化剤流路を有するセパレータ
107 酸化剤流路
108 ガスケット
109,330 正温度特性を有する抵抗体
301 発電セル
302 膜−電極接合体(MEA)
303 冷却水流路に対面する平板部材
304 本発明のセパレータ(発電セル用)
305 ガスケット(シール)
307 絶縁板
308 冷却セル
309 端板
310 燃料供給用コネクタ
311 酸化剤供給用コネクタ
312 冷却水供給用コネクタ
313,314 集電端子
316 ボルト
317 ばね
318 ナット
319 外部電力線
320 DC−DCコンバータまたはインバータ
321 外部に設置した負荷
322 燃料排出用コネクタ
323 酸化剤排出用コネクタ
324 冷却水排出用コネクタ
410 抵抗体を収納するセパレータ
411 燃料供給マニホールド
413 抵抗体を収納するための凹部
414 負温度特性を有する抵抗体
415 酸化剤供給マニホールド
416 酸化剤排出マニホールド
417 冷却水供給マニホールド
418 冷却水排出マニホールド
419 燃料排出マニホールド
420 冷却水流路を形成したセパレータ
421 冷却水流路面
422 凸部(リブ)
DESCRIPTION OF
303
305 Gasket (seal)
307 Insulating
Claims (4)
隣接する2つのセパレータの間に、少なくとも水の凝固温度以下の低温状態において前記セパレータの間の抵抗を小さくして通電可能な状態にする抵抗体と、
前記燃料電池の正の集電端子と負の集電端子のそれぞれに接続され、少なくとも氷点下以下の低温状態においてセパレータに通電可能とした直流電源または二次電池と、
前記直流電源または二次電池から前記燃料電池の端子間への電圧の印加、および、燃料および酸化剤の供給を制御する制御手段と、を具備し、
前記抵抗体は、少なくとも室温以上の温度において実質的に電気を流さず、0℃以下の温度における抵抗値が前記セパレータの抵抗値の1/10以下であり、
前記制御手段は、前記燃料電池の温度が氷点下以下の時に、前記直流電源または二次電池から前記燃料電池の端子間に電圧を印加するとともに、酸化剤の供給を停止した状態で前記燃料電池に燃料を供給することを特徴とする燃料電池発電システム。 A separator having an anode channel for circulating fuel, a separator having a cathode channel for supplying an oxidant, and a membrane-electrode assembly comprising two electrodes and an electrolyte membrane, wherein the membrane-electrode assembly is In a fuel cell power generation system equipped with a polymer electrolyte fuel cell having a power generation cell sandwiched between the separators,
Between two adjacent separators, a resistor that can be energized by reducing the resistance between the separators in a low temperature state at least below the solidification temperature of water ;
A direct current power source or a secondary battery connected to each of the positive current collecting terminal and the negative current collecting terminal of the fuel cell and capable of energizing the separator in a low temperature state at least below freezing point;
Control means for controlling the application of voltage from the DC power source or the secondary battery to the terminals of the fuel cell, and the supply of fuel and oxidant,
The resistor is not shed substantive electrical Te least above room temperature odor, and a resistance at 0 ℃ temperatures below the 1/10 of the resistance value of the separator,
The control means applies a voltage from the DC power source or the secondary battery to the terminals of the fuel cell when the temperature of the fuel cell is below freezing point, and supplies the oxidant to the fuel cell in a state where the supply of the oxidant is stopped. fuel cell power generation system that is characterized in that for supplying the fuel.
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