JP2004172049A - Operation method of power generation system and fuel cell - Google Patents

Operation method of power generation system and fuel cell Download PDF

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Takamasa Kawagoe
敬正 川越
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祐一郎 小坂
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To continue power generation by avoiding freezing of product water even when a fuel cell is made started below freezing point. <P>SOLUTION: The power generation system is provided with a fuel cell 1 equipped with an anode and a cathode on either side of a solid polymer electrolyte film and generating power as the anode is supplied with hydrogen and the cathode is supplied with air. When the fuel cell 1 is started or stopped below 0°C, product water produced in accordance with power generation is made antifreeze, by supplying alcohol to an evaporator 3 fitted halfway through an air supply channel 21 and supplying alcohol vapor together with air to the cathode of the fuel cell 1. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜型燃料電池を備えた発電システムと燃料電池の運転方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料(例えば水素ガス)を供給し、カソードに酸化剤(例えば酸素あるいは空気)を供給して、これら反応ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この燃料電池では、アノードで水素がイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっており、発電には水の生成を伴う。
【0003】
そのため、燃料電池内に生成水を残したまま燃料電池を停止させた状態で氷点下などの外気温度が低い場所に長時間放置されると、残留する生成水が凍結して反応ガス(燃料および酸化剤)の流路や拡散層を閉塞し、始動性能を悪化させる。これに対処するに、燃料電池内の生成水を排出してから燃料電池を停止する技術がある。
しかしながら、燃料電池の停止前に生成水を排出した場合であっても、氷点下において燃料電池の発電を開始すると、発電によって新たに生成された生成水が凍結して反応ガスの流路や拡散層を閉塞してしまう場合があり、そのようになると発電の継続が困難になるという問題があった。
【0004】
そのため、従来は、氷点下における始動時には、燃料電池の発電部周辺の温度が0°C以上になるまで加熱した後に、燃料電池の発電を開始し、発電の継続を可能にしている。
ここで、燃料電池を加熱する方法としては、一般に、電気ヒータによる方法や、加熱した冷却液を燃料電池に供給する方法が採用される。また、別の加熱方法として、カソード触媒上あるいはアノード触媒上で水素と酸素を発熱反応させる方法もある(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
なお、凝固点を降下する技術として、燃料電池に供給される反応ガス(燃料ガスあるいは酸化剤ガス)を加湿するための加湿水に凝固点降下剤を混合して加湿水の凍結を防止するもの(例えば、特許文献2参照)や、燃料電池を冷却するための冷却液に凝固点降下剤を混合して冷却液の凍結を防止するもの(例えば、特許文献3参照)がある。しかしながら、これらの技術は、燃料電池で生成される生成水の凍結を防止する技術ではなく、また、これら技術を用いて加湿水や冷却液の凍結を防止することができたとしても、だからといって氷点下における燃料電池の発電継続が可能になるわけではない。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−189164号公報
【特許文献2】
特開2000−208156号公報
【特許文献3】
米国特許第6316135号明細書
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように、氷点下における始動時に、燃料電池の発電部周辺の温度が0°C以上になるまで加熱するとなると、燃料電池の熱容量が大きいため必要な熱量が大量となり、加熱手段に電気ヒータ、加熱した冷却液、触媒上での発熱反応、のいずれを採用したにせよ、加熱に長時間を要する。これは、特に、燃料電池自動車等のように、燃料電池を移動体のエネルギー源として利用する場合に、始動に長時間を要すると利便性を欠くという問題が生じる。
そこで、この発明は、発電で生成した生成水を不凍液化することによって、氷点下での発電の継続を可能にする発電システムと燃料電池の運転方法を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池(例えば、後述する実施の形態における燃料電池1)を備えた発電システムであって、 前記燃料電池を摂氏0度以下の状態で始動およびまたは停止するときに、水の凝固点を降下させる化学物質を前記カソードに供給することを特徴とする発電システムである。
このように構成することにより、摂氏0度以下の状態での始動時およびまたは停止時に発電によって生成された生成水中に水の凝固点を降下させる化学物質が含まれるようになり、生成水の凝固点が降下し、その結果、生成水の凍結を防止することができる。
【0009】
請求項2に係る発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池(例えば、後述する実施の形態における燃料電池1)を備えた発電システムであって、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給流路(例えば、後述する実施の形態における空気供給流路21)と、水の凝固点を降下させる化学物質を前記酸化剤供給流路に供給する凝固点降下剤供給手段(例えば、後述する実施の形態における蒸発器3、インジェクタ6、アルコール供給流路24)と、を備えることを特徴とする発電システムである。
このように構成することにより、発電により生成される生成水が凍結する虞があるときに、水の凝固点を降下させる化学物質を燃料電池のカソードに供給することができ、これにより、生成水中に水の凝固点を降下させる化学物質を含ませることができ、生成水の凝固点を降下させて、生成水の凍結を防止することができる。
【0010】
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の発明において、前記凝固点降下剤供給手段は、前記化学物質を蒸発させる蒸発器(例えば、後述する実施の形態における蒸発器3)を備え、この蒸発器で蒸発させた前記化学物質を酸化剤供給流路に供給することを特徴とする。
このように構成することにより、化学物質の蒸気が持つ顕熱および該蒸気が凝縮する際の凝縮熱で発電部位周辺を加熱することができる。
【0011】
請求項4に係る発明は、請求項2に記載の発明において、前記カソードから排出されるカソードオフガス中に残存する前記化学物質を除去する除去手段(例えば、後述する実施の形態における触媒燃焼器4)を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を除去することが可能になる。
【0012】
請求項5に係る発明は、請求項4に記載の発明において、前記除去手段は、前記化学物質を燃焼させる燃焼手段(例えば、後述する実施の形態における触媒燃焼器4)であることを特徴とする。
このように構成することにより、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を燃焼させて除去することが可能になる。
【0013】
請求項6に係る発明は、請求項3に記載の発明において、前記カソードから排出されるカソードオフガス中に残存する前記化学物質を燃焼可能な燃焼手段(例えば、後述する実施の形態における触媒燃焼器4)を備え、この燃焼手段で発生した熱を前記蒸発器の熱源としたことを特徴とする。
このように構成することにより、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を前記燃焼手段で燃焼させて除去することができ、前記蒸発器において前記燃焼手段で発生した熱で凝固点降下の化学物質を蒸発させることができるので、前記化学物質を有効に利用することができる。
【0014】
請求項7に係る発明は、請求項2から請求項6のいずれかに記載の発明において、前記カソードから排出されるカソードオフガスの少なくとも一部を前記酸化剤供給流路に戻すカソードオフガス循環流路(例えば、後述する実施の形態におけるカソードオフガス循環流路25)を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、凝固点降下の化学物質と生成水の混合を促進することができ、また、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を循環再利用することができる。
【0015】
請求項8に係る発明は、請求項1から請求項7のいずれかに記載の発明において、前記カソードに供給される前記化学物質の供給量は温度に応じて設定されることを特徴とする。
このように構成すると、生成水の凍結防止に必要な量の化学物質を確実にカソードに供給することができる。
【0016】
請求項9に係る発明は、請求項1から請求項8のいずれかに記載の発明において、前記化学物質は、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセリンのアルコール類のうち少なくとも一つから構成されることを特徴とする。
このように構成することにより、固体高分子電解質膜に悪影響を与えることなく、生成水の凍結を防止することが可能になる。また、カソードに供給されたアルコール類からなる化学物質の一部がカソード触媒上で酸化反応を起こして発熱し、発電部位周辺を加熱する。
なお、カソードに供給される化学物質は、これらアルコール類のうちの一種類だけで構成されていてもよいし、二種類以上の混合物で構成されていてもよい。
【0017】
請求項10に係る発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池(例えば、後述する実施の形態における燃料電池1)の運転方法において、前記燃料電池の発電によって生成される生成水が凍結する虞があるときに、水の凝固点を降下する化学物質を前記カソードに供給することによって、前記生成水に前記化学物質を溶存させ、生成水を不凍液にすることを特徴とする。
このように構成することにより、生成水が凍結する虞があるときにも、生成水の凍結を防止することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る発電システムおよび燃料電池の運転方法の実施の形態を図1から図8の図面を参照して説明する。
〔第1の実施の形態〕
初めに、この発明に係る発電システムおよび燃料電池の運転方法の第1の実施の形態を図1から図6の図面を参照して説明する。
図1は、第1の実施の形態における発電システムの概略構成図である。
燃料電池1は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込み、さらにその両側から一対のセパレータで挟み込んで形成された単位燃料電池(単位セル)を複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【0019】
図示しない燃料供給装置から供給される水素ガスは、エゼクタ11および水素供給流路12を通って、燃料電池1のアノードに供給される。燃料電池1に供給された水素ガスの一部は発電に供され、発電に供されなかった未反応の水素ガスは燃料電池1からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス循環流路13を通ってエゼクタ11に吸引され、前記燃料供給装置から供給される新鮮な水素ガスと混合されて、再び燃料電池1のアノードに供給される。
【0020】
空気はコンプレッサ2により所定圧力に昇圧され、蒸発器3および空気供給流路(酸化剤供給流路)21を通って燃料電池1のカソードに供給される。この空気は発電に供された後、燃料電池1からカソードオフガスとして排出され、カソードオフガス排出流路22および触媒燃焼器(燃焼器、除去器)4を通って排出される。触媒燃焼器4よりも上流におけるカソードオフガス排出流路22には、触媒燃焼器4の燃料を供給可能にする燃料供給流路23が接続されている。触媒燃焼器4の燃料に特に限定はないが、燃料電池1の燃料である水素や後述する凝固点降下用のアルコールを用いるのが、システム構成が容易になり好ましい。
【0021】
蒸発器3には、水の凝固点を降下させる化学物質としてのアルコールを供給可能にするアルコール供給流路24が接続されており、蒸発器3は、アルコール供給流路24からインジェクタノズル等を介して供給されるアルコールを蒸発させ、そのアルコール蒸気をコンプレッサ2から供給されてくる空気と混合する。なお、前記アルコールとしては、水との溶解度が高い、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセリンのうちの一つ、あるいは、これらのうちの二つ以上の混合物が採用可能である。
なお、この実施の形態において、蒸発器3とアルコール供給流路24は凝固点降下剤供給手段を構成する。
【0022】
触媒燃焼器4は蒸発器3の熱源であり、燃料供給流路23からカソードオフガスに供給された燃料を触媒燃焼させ、発生する熱を蒸発器3に熱源として供給する。また、燃料電池1から排出されるカソードオフガス中にアルコールが残存している場合には、この残存するアルコールも触媒燃焼器4において触媒燃焼するので、カソードオフガスから凝固点降下用のアルコールを除去することができる。したがって、触媒燃焼器4は蒸発器3の熱源としての機能と、カソードオフガス中に残存する凝固点降下用のアルコールを除去する除去器としての機能を併有している。
【0023】
このように構成された発電システムにおいては、発電によって生成される生成水が凍結する虞があるとき、例えば、氷点下(摂氏0度以下)の状態で燃料電池1を始動するときや燃料電池1を停止するときに、前記アルコール供給流路24から所定量のアルコールを蒸発器3に供給するとともに、燃料供給流路23から所定量の燃料をカソードオフガスに供給する(以下、この処理を「不凍液化処理」と称す)。
【0024】
燃料供給流路23からカソードオフガスに供給された燃料は触媒燃焼器4において触媒燃焼し、これによって発生した熱が蒸発器3に供給されて、アルコール供給流路24から蒸発器3に供給されたアルコールが蒸発せしめられる。蒸発器3において蒸発したアルコールはアルコール蒸気となって、コンプレッサ2から圧送されてくる空気と混合され、空気とともに空気供給流路21を通って燃料電池1のカソードに供給され、発電に供される。この発電の際に生成水が生成されるが、この生成水中にはアルコールが含まれるため、生成水の凝固点が降下し、生成水は不凍液化される。その結果、生成水の凍結が防止される。
【0025】
したがって、氷点下の状態で燃料電池1を停止する直前に不凍液化処理を実行すると、発電で生成される生成水が不凍液化されて凍結が防止され、燃料電池1を停止した時に燃料電池1内に生成水が残留しても、残留した生成水が凍結することがない。その結果、生成水凍結に起因する燃料電池1内における反応ガス(水素や空気)の流路や拡散層の閉塞を防止することができ、次回、燃料電池1を始動する際の始動性が向上する。
【0026】
また、氷点下の状態で燃料電池1を始動するときに不凍液化処理を実行すると、始動後の発電で生成される生成水が不凍液化されて凍結防止されるので、始動後の生成水凍結に起因する燃料電池1内における前記反応ガスの流路や拡散層の閉塞が起こらなくなり、発電を継続することができる。
また、カソードに供給されたアルコールの一部がカソード触媒上で酸化反応を起こして発熱し、発電部位周辺を加熱するので、低温始動時間を短縮することができる。
また、カソードに供給されるアルコールが蒸気であることから、該蒸気が持つ顕熱および該蒸気が凝縮する際の凝縮熱で燃料電池1の発電部位周辺を加熱することができ、これによっても低温始動時間を短縮することができる。
【0027】
なお、アルコールは燃料電池1の固体高分子電解質膜に悪影響を及ぼさず、発電性能および寿命を損ねることはない。
また、燃料電池1から排出されるカソードオフガス中にアルコールの一部が残存している場合にも、その残存するアルコールは触媒燃焼器4において触媒燃焼されるので、カソードオフガスからアルコールを除去することができる。しかも、残存するアルコールを燃焼して得られる熱は蒸発器3の熱源の一部として利用されることとなるので、蒸発器3に供給したアルコールを最大限に有効利用することができる。
また、触媒燃焼器4で発生させた熱で、燃料電池1に供給される冷却水を加熱したり、燃料電池1に供給される水素および空気を加熱することも可能であり、そのようにすると燃料電池1の暖機を速めることができ、低温始動時間をさらに短縮することができる。
【0028】
前述した不凍液化処理において必要なアルコール添加量は次のようにして求めることができる。
発電によって生成される生成水量nw(mol/s)は、取り出し電流I(A)との関係により次式から算出される。
nw=I/2/F ・・・(1)式
(1)式においてFはFaraday定数である。
また、取り出し電流は燃料電池1の温度と相関があり、使用する燃料電池1の特性によって決定される。図2は、燃料電池の温度と取り出し可能な電流との関係の一例を示した図である。
【0029】
したがって、所定温度まで凍結しないアルコール濃度をx(wt%)、水の分子量をMwとすると、必要添加量mm(g/s)は次式から算出される。
mm=Mw・nw・x/(100−x) ・・・(2)式
なお、凍結しないアルコール濃度は、温度とアルコールの種類によって異なる、そのアルコールに固有の濃度である。
したがって、アルコールの種類が決まり、凍結させない所定温度が決まれば、(2)式に基づいて、図3に示すような、取り出し電流からアルコール添加量を算出するためのマップを作成することができる。なお、図3のマップにおいて、必要添加量とは(2)式に基づいて算出された添加量であり、実添加量とは実際に添加する添加量であって、実添加量は必要添加量よりも若干大きく設定する。
【0030】
燃料電池1の始動時に不凍液化処理を実行する場合は、上述のように、始動時の燃料電池1の温度から取り出し可能な電流を求め、この取り出し可能な電流に基づいてアルコールの実添加量を求める。
一方、燃料電池1の停止時に不凍液化処理を実行する場合には、燃料電池1を始動してからの燃料電池1の温度および電流の経時変化の傾向に基づいて予めアルコール添加量を計算するか、あるいは、前記経時変化の実測データに基づいて作成したマップを検索してアルコール添加量を決定する。
燃料電池1を始動してからの燃料電池1の温度および電流の経時変化の実測データに基づいて作成するマップについて、以下に詳述する。
【0031】
図4は、燃料電池1の始動時の温度が摂氏0度以下のある温度tの時の始動後の温度および電流の経時変化を示しており、始動時の温度がいずれの温度であっても同様な傾向にあることが実験的に確認されている。
そこで、始動時の温度を多数設定して、図4に示すような温度と電流の経時変化を求め、それぞれの始動時温度の場合について、温度が摂氏0度になるまでの電流積算値(図4において斜線部分)を求め、これから、図5に示すような始動時温度と前記電流積算値の関係を示すマップを作成する。
したがって、予測される始動時温度から、図5のマップを検索して電流積算値を求めれば、前記(1)式と(2)式から必要添加量を算出することができる。
【0032】
次に、この実施の形態における不凍液化制御について、図6のフロチャートに従って説明する。
図6のフローチャートに示す不凍液化制御ルーチンは、図示しないECUによって一定時間毎に実行される
まず、ステップS101において、燃料電池1の運転モードが始動モードか否かを判定する。
ステップS101における判定結果が「YES」(始動モード)である場合は、ステップS102に進み、温度が第1の所定値t1よりも低いか否かを判定する。なお、この場合の温度は、気温、水温、燃料電池温度のいずれかを採用することができ、第1の所定値t1は摂氏0度以下である。
ステップS102における判定結果が「NO」(温度≧所定値t1)である場合は、不凍液化処理を行う必要がないので、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0033】
ステップS102における判定結果が「YES」(温度<第1の所定値t1)である場合は、ステップS103に進んで、温度に応じたアルコール添加量(噴射量)を、計算またはマップ検索により求める。
次に、ステップS104に進んで、ステップS103で求めたアルコール添加量だけ蒸発器3にアルコールを噴射する。
さらに、ステップS105に進み、温度に応じた電流を燃料電池1から取り出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0034】
一方、ステップS101における判定結果が「NO」(始動モード以外)である場合は、ステップS106に進み、燃料電池1の運転モードが停止モードか否かを判定する。
ステップS106における判定結果が「NO」(停止モード以外)である場合は、不凍液化処理を行う必要がないので、本ルーチンの実行を一旦終了する。
ステップS106における判定結果が「YES」(停止モード)である場合は、ステップS107に進み、燃料電池1の温度が第2の所定値t2よりも低いか否かを判定する。なお、この場合の温度は、ステップS102における温度と同じであり、第2の所定値t2は摂氏0度以下である。
【0035】
また、ステップS102における閾値t1とステップS107における閾値t2の大小関係に特に規定はなく、t1=t2、t1>t2、t1<t2のいずれの設定も考えられる。また、ステップS102で閾値t1と比較すべき温度の検出箇所と、ステップS107で閾値t2と比較すべき温度の検出箇所は異なっていてもよい。例えば、ステップS102において閾値t1と比較すべき温度は、燃料電池1に取り付けた温度センサで検出した「機関温度」とし、ステップS107において閾値t2と比較すべき温度は、コンプレッサ2の空気取り入れ口に取り付けた温度センサで検出した「吸入空気温度」としてもよい。
【0036】
ステップS107における判定結果が「NO」(温度≧所定値t2)である場合は、不凍液化処理を行う必要がないので、本ルーチンの実行を一旦終了する。
ステップS107における判定結果が「YES」(温度<第2の所定値)である場合は、ステップS108に進んで、温度に応じたアルコール添加量(噴射量)を、計算またはマップ検索により求める。
次に、ステップS109に進んで、ステップS108で求めたアルコール添加量だけ蒸発器3にアルコールを噴射する。
さらに、ステップS110に進み、発電システムを停止して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0037】
なお、この実施の形態では、所定の温度条件下において燃料電池1の始動時と停止時の両方で不凍液化処理を実行するようにしているが、いずれか一方の時だけ不凍液化処理を実行することも可能である。例えば、発電システムの停止時にシステム内の生成水を総て排出する処理が行われる場合には、停止時の不凍液化処理を省略し、始動時のみ不凍液化処理を実行することで目的を達成することができる。また、燃料電池1の停止時に不凍液化処理を実行することによって、始動時に必要なアルコール添加量を燃料電池1内あるいは空気供給流路21内に保有させることができる場合には、始動時の不凍液化処理を省略することができる。
【0038】
〔第2の実施の形態〕
図7は、第2の実施の形態における発電システムの概略構成図である。
第2の実施の形態の発電システムが第1の実施の形態のものと相違する点は、燃料供給流路23との接続部よりも上流のカソードオフガス排出流路22からカソードオフガスの少なくとも一部を蒸発器3よりも上流の空気供給流路21に戻すカソードオフガス循環流路25を備え、このカソードオフガス循環流路25に循環ポンプ5が設けられている点だけである。
その他の構成については第1の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【0039】
この第2の実施の形態のシステムでは、前述した第1の実施の形態のシステムの作用に加えて、以下の作用がある。
この第2の実施の形態においては、不凍液化処理の実行中に循環ポンプ5を運転することによって、触媒燃焼器4の燃料が供給される前のカソードオフガスの一部あるいは全部を、蒸発器3よりも上流の空気供給流路21に戻し、これによりカソードオフガス中に含まれる生成水を蒸発器3に戻す。
このようにすると、アルコールと生成水の混合を促進することができるので、生成水の凝固点降下をより促進することができる。また、カソードオフガス中に凝固点降下を目的として供給したアルコールが残存している場合には、残存しているアルコールを凝固点降下のために循環再利用することができるので、凝固点降下用のアルコールの消費量を低減することができる。
【0040】
〔第3の実施の形態〕
図8は、第3の実施の形態における発電システムの概略構成図である。
第3の実施の形態の発電システムが第1の実施の形態のものと相違する点は、蒸発器3を備えず、アルコール供給流路24から供給される凝固点降下用のアルコールを、燃料電池1のカソード入口近くの空気供給流路21に、インジェクタ6で直接噴射している点にある。この実施の形態において、インジェクタ6とアルコール供給流路24は凝固点降下剤供給手段を構成する。
その他の構成については第1の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【0041】
この第3の実施の形態の発電システムによっても、氷点下の状態で燃料電池1を停止する直前に不凍液化処理を実行することにより、発電で生成される生成水を不凍液化して凍結を防止することができるので、燃料電池1の運転停止中も燃料電池1内における反応ガス(水素や空気)の流路や拡散層の閉塞を防止することができ、次回、燃料電池1を始動する際の始動性を向上することができる。
【0042】
また、氷点下の状態で燃料電池1を始動するときに不凍液化処理を実行することにより、始動後の発電で生成される生成水を不凍液化して凍結を防止することができるので、前記反応ガスの流路や拡散層の閉塞が起こらなくなり、発電を継続することができる。
また、カソードに供給されたアルコールの一部がカソード触媒上で酸化反応を起こして発熱し、発電部位周辺を加熱するので、低温始動時間を短縮することができる。
【0043】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、上述した実施の形態では、アルコールを蒸発させる蒸発器の熱源として触媒燃焼器を用いているが、熱源は触媒を用いない燃焼器であってもよいし、燃焼器ではなく電気ヒータ等を用いることも可能である。
【0044】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項1に係る発明によれば、摂氏0度以下の状態での始動時およびまたは停止時に発電によって生成された生成水中に水の凝固点を降下させる化学物質が含まれるようになり、生成水の凝固点が降下し、生成水の凍結を防止することができるので、氷点下において燃料電池を始動したときにも発電を継続させることができるという優れた効果が奏される。
【0045】
請求項2に係る発明によれば、発電により生成される生成水が凍結する虞があるときに、水の凝固点を降下させる化学物質を燃料電池のカソードに供給することができ、これにより、生成水中に水の凝固点を降下させる化学物質を含ませることができ、生成水の凝固点を降下させて、生成水の凍結を防止することができるので、氷点下において燃料電池を始動したときにも発電を継続させることができるという優れた効果が奏される。
【0046】
請求項3に係る発明によれば、化学物質の蒸気が持つ顕熱および該蒸気が凝縮する際の凝縮熱で発電部位周辺を加熱することができるので、低温始動時間を短縮することができるという効果がある。
請求項4に係る発明によれば、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を除去することができるという効果がある。
請求項5に係る発明によれば、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を燃焼させて除去することができるという効果がある。
【0047】
請求項6に係る発明によれば、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を前記燃焼手段で燃焼させて除去することができ、前記蒸発器において前記燃焼手段で発生した熱で凝固点降下の化学物質を蒸発させることができるので、前記化学物質を有効に利用することができるという効果がある。
請求項7に係る発明によれば、凝固点降下の化学物質と生成水の混合を促進することができるので、生成水の凝固点降下をより促進することができるという効果がある。また、カソードオフガス中に残存する凝固点降下の化学物質を循環再利用することができるので、化学物質の消費量を低減できるという効果もある。
【0048】
請求項8に係る発明によれば、生成水の凍結防止に必要な量の化学物質を確実にカソードに供給することができるので、氷点下における燃料電池の発電を確実に継続させることができるという効果がある。
請求項9に係る発明によれば、固体高分子電解質膜に悪影響を与えることなく、生成水の凍結を防止することが可能になるという効果がある。また、カソードに供給されたアルコール類からなる化学物質の一部がカソード触媒上で酸化反応を起こして発熱し、発電部位周辺を加熱するので、低温始動時間を短縮するという効果もある。
【0049】
請求項10に係る発明によれば、生成水が凍結する虞があるときにも、生成水の凍結を防止することができるので、燃料電池の低温始動性が向上し、氷点下において燃料電池を始動したときにも発電を継続させることができるという優れた効果が奏される。。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る発電システムの第1の実施の形態における概略構成図である。
【図2】燃料電池温度と取り出し可能な電流との関係を示す図である。
【図3】取り出し電流とアルコール添加量の関係を示すマップである。
【図4】燃料電池始動後の温度と電流の経時変化を示す図である。
【図5】燃料電池の始動温度と電流積算値の関係を示すマップである。
【図6】前記第1の実施の形態における不凍液化制御を示すフローチャートである。
【図7】この発明に係る発電システムの第2の実施の形態における概略構成図である。
【図8】この発明に係る発電システムの第3の実施の形態における概略構成図である。
【符号の説明】
1 燃料電池
3 蒸発器(凝固点降下剤供給手段)
4 触媒燃焼器(燃焼器、除去器)
6 インジェクタ(凝固点降下剤供給手段)
21 空気供給流路(酸化剤供給流路)
24 アルコール供給流路(凝固点降下剤供給手段)
25 カソードオフガス循環流路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation system including a solid polymer electrolyte membrane fuel cell and a method of operating the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like includes an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, supplies fuel (eg, hydrogen gas) to the anode, and oxidizer (eg, oxygen or air) to the cathode. And the chemical energy involved in the oxidation-reduction reaction of these reaction gases is directly extracted as electric energy.
In this fuel cell, hydrogen is ionized at the anode and travels through the solid polymer electrolyte, and electrons travel to the cathode through an external load, and react with oxygen to produce water through a series of electrochemical reactions. Energy can be extracted, and power generation involves generation of water.
[0003]
Therefore, if the fuel cell is stopped with the generated water remaining in the fuel cell and the outside temperature is low for a long time, such as below freezing, the remaining generated water freezes and reacts with the reaction gas (fuel and oxidation). Block the flow path and diffusion layer of the agent) and deteriorate the starting performance. In order to cope with this, there is a technique in which generated water in the fuel cell is discharged and then the fuel cell is stopped.
However, even if the generated water is discharged before the fuel cell is stopped, when the fuel cell starts generating power below the freezing point, the generated water newly generated by the power generation freezes and the reaction gas flow path and diffusion layer In some cases, and it becomes difficult to continue power generation.
[0004]
Therefore, conventionally, at the time of starting below the freezing point, after the temperature around the power generation unit of the fuel cell is increased to 0 ° C. or higher, the power generation of the fuel cell is started, and the power generation can be continued.
Here, as a method of heating the fuel cell, a method using an electric heater or a method of supplying heated coolant to the fuel cell is generally adopted. Further, as another heating method, there is a method of causing an exothermic reaction between hydrogen and oxygen on a cathode catalyst or an anode catalyst (for example, see Patent Document 1).
[0005]
As a technique for lowering the freezing point, a technique for preventing freezing of humidified water by mixing a freezing point depressant with humidifying water for humidifying a reaction gas (fuel gas or oxidizing gas) supplied to a fuel cell (for example, And a cooling liquid for cooling a fuel cell, which is mixed with a freezing point depressant to prevent the cooling liquid from freezing (for example, see Patent Document 3). However, these technologies are not technologies for preventing freezing of generated water generated by the fuel cell, and even if these technologies can be used to prevent the humidifying water and the cooling liquid from freezing, they are not freezing. Does not mean that the fuel cell can continue to generate power.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-189164 A
[Patent Document 2]
JP 2000-208156 A
[Patent Document 3]
U.S. Pat. No. 6,316,135
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the fuel cell is heated until the temperature around the power generation section of the fuel cell becomes 0 ° C. or higher at the time of starting below the freezing point as in the conventional case, the heat capacity of the fuel cell is large, so a large amount of heat is required, and the heating means is electrically powered. Regardless of whether a heater, a heated cooling liquid, or an exothermic reaction on a catalyst is employed, a long time is required for heating. In particular, when a fuel cell is used as an energy source of a moving body, such as a fuel cell vehicle, there is a problem in that if a long time is required for starting, convenience is lost.
In view of the above, the present invention provides a power generation system and a fuel cell operating method that enable continuation of power generation below freezing point by converting water generated by power generation into antifreeze liquid.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is a fuel that has an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a fuel is supplied to the anode, and an oxidant is supplied to the cathode to generate power. A power generation system including a battery (for example, a fuel cell 1 in an embodiment described later), wherein a chemical substance that lowers the freezing point of water when the fuel cell is started and / or stopped at a temperature of 0 degrees Celsius or less. Is supplied to the cathode.
With this configuration, a chemical substance that lowers the freezing point of water is included in generated water generated by power generation at the time of starting and / or stopping at a temperature of 0 degrees Celsius or less. As a result, the generated water can be prevented from freezing.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell having an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, wherein fuel is supplied to the anode, and an oxidant is supplied to the cathode to generate power (for example, an embodiment described below). A fuel cell system according to any one of the preceding claims, comprising a fuel cell 1) for supplying an oxidant to the cathode (for example, an air supply channel 21 in an embodiment described later) and a freezing point of water. A freezing point depressant supply unit (for example, an evaporator 3, an injector 6, and an alcohol supply passage 24 in an embodiment described later) for supplying a chemical substance to be supplied to the oxidant supply passage. System.
With this configuration, when the generated water generated by the power generation is likely to freeze, a chemical substance that lowers the freezing point of the water can be supplied to the cathode of the fuel cell. Chemicals that lower the freezing point of the water can be included, lowering the freezing point of the generated water and preventing freezing of the generated water.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the freezing point depressant supply means includes an evaporator (e.g., an evaporator 3 in an embodiment described later) for evaporating the chemical substance. The chemical substance evaporated by the evaporator is supplied to an oxidant supply flow path.
With this configuration, it is possible to heat the vicinity of the power generation site by the sensible heat of the vapor of the chemical substance and the condensation heat when the vapor condenses.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect of the invention, there is provided a removing means for removing the chemical substance remaining in the cathode offgas discharged from the cathode (for example, a catalytic combustor 4 in an embodiment described later). ).
With such a configuration, it becomes possible to remove the freezing point depressing chemical substance remaining in the cathode off-gas.
[0012]
The invention according to claim 5 is the invention according to claim 4, wherein the removing means is a combustion means for burning the chemical substance (for example, a catalytic combustor 4 in an embodiment described later). I do.
With such a configuration, it becomes possible to burn and remove the freezing point depressing chemical substance remaining in the cathode offgas.
[0013]
According to a sixth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, there is provided a combustion means capable of burning the chemical substance remaining in the cathode offgas discharged from the cathode (for example, a catalytic combustor in an embodiment described later). 4), wherein the heat generated by the combustion means is used as a heat source of the evaporator.
With this configuration, the freezing point depressing chemical substance remaining in the cathode offgas can be removed by burning by the combustion means, and the freezing point depressing chemical substance is generated by the heat generated by the combustion means in the evaporator. Can be evaporated, so that the chemical substance can be effectively used.
[0014]
The invention according to claim 7 is the invention according to any one of claims 2 to 6, wherein at least a portion of the cathode offgas discharged from the cathode is returned to the oxidant supply flow passage. (For example, a cathode off-gas circulation channel 25 in an embodiment described later).
With such a configuration, mixing of the freezing point depressing chemical substance and the produced water can be promoted, and the freezing point depressing chemical substance remaining in the cathode offgas can be circulated and reused.
[0015]
The invention according to claim 8 is the invention according to any one of claims 1 to 7, wherein the supply amount of the chemical substance supplied to the cathode is set according to the temperature.
With this configuration, it is possible to reliably supply the cathode with a chemical substance in an amount necessary for preventing the generated water from freezing.
[0016]
The invention according to claim 9 is the invention according to any one of claims 1 to 8, wherein the chemical substance is at least one of alcohols such as methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol, and glycerin. It is characterized by that.
With this configuration, freezing of the generated water can be prevented without adversely affecting the solid polymer electrolyte membrane. Further, a part of the chemical substance composed of alcohols supplied to the cathode causes an oxidation reaction on the cathode catalyst to generate heat, thereby heating the vicinity of the power generation site.
The chemical substance supplied to the cathode may be composed of only one of these alcohols, or may be composed of a mixture of two or more.
[0017]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell having an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, wherein fuel is supplied to the anode, and an oxidant is supplied to the cathode to generate power (for example, an embodiment described below). In the method of operating the fuel cell 1) according to the aspect, when the generated water generated by the power generation of the fuel cell is likely to be frozen, a chemical substance that lowers the freezing point of water is supplied to the cathode to thereby perform the generation. It is characterized in that the chemical substance is dissolved in water, and the produced water is made into an antifreeze.
With this configuration, it is possible to prevent the generated water from freezing even when the generated water is likely to freeze.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a power generation system and a method of operating a fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8.
[First Embodiment]
First, a first embodiment of a power generation system and a method of operating a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the power generation system according to the first embodiment.
The fuel cell 1 is a unit fuel cell (unit cell) formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane between an anode and a cathode from both sides and sandwiching a pair of separators from both sides. A stack composed of a plurality of layers is stacked. When hydrogen gas is supplied as fuel to the anode and air containing oxygen is supplied to the cathode, hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the anode are converted into a solid polymer electrolyte membrane. , And travels to the cathode, where an electrochemical reaction occurs with oxygen at the cathode to generate power and generate water.
[0019]
Hydrogen gas supplied from a fuel supply device (not shown) is supplied to an anode of the fuel cell 1 through an ejector 11 and a hydrogen supply flow path 12. A portion of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 1 is used for power generation, and unreacted hydrogen gas not used for power generation is discharged from the fuel cell 1 as an anode off-gas, and is passed through an anode off-gas circulation channel 13 to an ejector. The fuel is sucked into the fuel cell 11, mixed with fresh hydrogen gas supplied from the fuel supply device, and supplied to the anode of the fuel cell 1 again.
[0020]
The air is pressurized to a predetermined pressure by the compressor 2 and supplied to the cathode of the fuel cell 1 through the evaporator 3 and the air supply passage (oxidant supply passage) 21. After being supplied to the power generation, this air is discharged from the fuel cell 1 as a cathode off-gas, and is discharged through a cathode off-gas discharge passage 22 and a catalytic combustor (combustor, remover) 4. A fuel supply passage 23 that allows the fuel of the catalyst combustor 4 to be supplied is connected to the cathode offgas discharge passage 22 upstream of the catalyst combustor 4. Although the fuel of the catalytic combustor 4 is not particularly limited, it is preferable to use hydrogen as a fuel of the fuel cell 1 or alcohol for lowering the freezing point, which will be described later, because the system configuration becomes easy.
[0021]
The evaporator 3 is connected to an alcohol supply channel 24 that can supply alcohol as a chemical substance that lowers the freezing point of water. The evaporator 3 is connected to the evaporator 3 via an injector nozzle or the like from the alcohol supply channel 24. The supplied alcohol is evaporated, and the alcohol vapor is mixed with the air supplied from the compressor 2. In addition, as the alcohol, one of methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol, and glycerin, or a mixture of two or more thereof, which has high solubility in water, can be used.
In this embodiment, the evaporator 3 and the alcohol supply channel 24 constitute freezing point depressant supply means.
[0022]
The catalytic combustor 4 is a heat source of the evaporator 3, catalytically burns the fuel supplied from the fuel supply channel 23 to the cathode off-gas, and supplies generated heat to the evaporator 3 as a heat source. Further, when alcohol remains in the cathode off-gas discharged from the fuel cell 1, the remaining alcohol is also catalytically burned in the catalytic combustor 4, so that the alcohol for freezing point lowering is removed from the cathode off-gas. Can be. Accordingly, the catalytic combustor 4 has both a function as a heat source of the evaporator 3 and a function as a remover for removing alcohol for freezing point lowering remaining in the cathode offgas.
[0023]
In the power generation system configured as described above, when the generated water generated by the power generation is likely to be frozen, for example, when the fuel cell 1 is started at a temperature below freezing (0 degrees Celsius or less) or when the fuel cell 1 is When the operation is stopped, a predetermined amount of alcohol is supplied to the evaporator 3 from the alcohol supply flow path 24, and a predetermined amount of fuel is supplied to the cathode offgas from the fuel supply flow path 23 (hereinafter, this processing is referred to as “antifreeze liquefaction”). Processing)).
[0024]
The fuel supplied to the cathode off-gas from the fuel supply channel 23 is catalytically combusted in the catalytic combustor 4, and the heat generated thereby is supplied to the evaporator 3, and supplied to the evaporator 3 from the alcohol supply channel 24. The alcohol evaporates. The alcohol evaporated in the evaporator 3 becomes alcohol vapor, is mixed with air pumped from the compressor 2, is supplied to the cathode of the fuel cell 1 through the air supply passage 21 together with the air, and is used for power generation. . The generated water is generated at the time of the power generation, but since the generated water contains alcohol, the freezing point of the generated water is lowered, and the generated water is lyophilized. As a result, freezing of the generated water is prevented.
[0025]
Therefore, if the antifreeze liquefaction process is executed immediately before the fuel cell 1 is stopped in a sub-zero temperature state, the generated water generated by the power generation is liquefied and prevented from freezing, and the fuel cell 1 is stopped when the fuel cell 1 is stopped. Even if the generated water remains, the remaining generated water does not freeze. As a result, it is possible to prevent the passage of the reaction gas (hydrogen or air) or the diffusion layer in the fuel cell 1 due to the freezing of the generated water from being blocked, and to improve the startability when the fuel cell 1 is started next time. I do.
[0026]
If the antifreeze liquefaction process is performed when the fuel cell 1 is started at a temperature below the freezing point, the generated water generated by the power generation after the start is liquefied and prevented from freezing. The blockage of the reaction gas flow path and the diffusion layer in the fuel cell 1 does not occur, and power generation can be continued.
In addition, a part of the alcohol supplied to the cathode causes an oxidation reaction on the cathode catalyst to generate heat and heat the vicinity of the power generation part, so that a low-temperature start time can be reduced.
In addition, since the alcohol supplied to the cathode is steam, the vicinity of the power generation portion of the fuel cell 1 can be heated by the sensible heat of the steam and the heat of condensation when the steam is condensed. The starting time can be reduced.
[0027]
The alcohol does not adversely affect the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell 1 and does not impair the power generation performance and the life.
Further, even when a part of the alcohol remains in the cathode off-gas discharged from the fuel cell 1, the remaining alcohol is catalytically burned in the catalytic combustor 4. Can be. In addition, since the heat obtained by burning the remaining alcohol is used as a part of the heat source of the evaporator 3, the alcohol supplied to the evaporator 3 can be effectively used.
In addition, the heat generated in the catalytic combustor 4 can heat the cooling water supplied to the fuel cell 1 or heat the hydrogen and air supplied to the fuel cell 1. The warm-up of the fuel cell 1 can be accelerated, and the low-temperature start time can be further reduced.
[0028]
The alcohol addition amount required in the antifreeze liquefaction process described above can be determined as follows.
The amount of generated water nw (mol / s) generated by power generation is calculated from the following equation based on the relationship with the extraction current I (A).
nw = I / 2 / F Expression (1)
In the equation (1), F is a Faraday constant.
Further, the takeout current has a correlation with the temperature of the fuel cell 1 and is determined by the characteristics of the fuel cell 1 to be used. FIG. 2 is a diagram showing an example of the relationship between the temperature of the fuel cell and the current that can be taken out.
[0029]
Therefore, assuming that the concentration of alcohol that does not freeze to a predetermined temperature is x (wt%) and the molecular weight of water is Mw, the required addition amount mm (g / s) is calculated from the following equation.
mm = Mw · nw · x / (100−x) (2)
The alcohol concentration that does not freeze is a concentration unique to the alcohol, which differs depending on the temperature and the type of the alcohol.
Therefore, when the type of alcohol is determined and the predetermined temperature at which the alcohol is not frozen is determined, a map for calculating the alcohol addition amount from the take-out current as shown in FIG. 3 can be created based on the equation (2). In the map of FIG. 3, the required addition amount is the addition amount calculated based on the equation (2), and the actual addition amount is the actually added amount, and the actual added amount is the required addition amount. Set slightly larger than.
[0030]
When the antifreeze liquefaction process is performed at the time of starting the fuel cell 1, as described above, a retrievable current is obtained from the temperature of the fuel cell 1 at the time of starting, and the actual addition amount of alcohol is determined based on the retrievable current. Ask.
On the other hand, when the antifreeze liquefaction process is executed when the fuel cell 1 is stopped, it is necessary to calculate the alcohol addition amount in advance based on the tendency of the temperature and current of the fuel cell 1 after the fuel cell 1 starts to change with time. Alternatively, a map created based on the measured data of the change with time is searched to determine the alcohol addition amount.
The map created based on the measured data of the temperature and current of the fuel cell 1 over time after the fuel cell 1 is started will be described in detail below.
[0031]
FIG. 4 shows a time-dependent change in the temperature and the current after the start when the temperature at the start of the fuel cell 1 is a certain temperature t of 0 ° C. or less. It has been experimentally confirmed that there is a similar tendency.
Therefore, a large number of temperatures at the time of starting are set, and changes over time of the temperature and the current as shown in FIG. 4 are obtained. For each of the temperatures at the time of starting, the integrated current value until the temperature reaches 0 degrees Celsius (FIG. 4, a map showing the relationship between the starting temperature and the current integrated value as shown in FIG. 5 is created.
Therefore, if the integrated current value is obtained by searching the map shown in FIG. 5 from the predicted starting temperature, the required addition amount can be calculated from the above equations (1) and (2).
[0032]
Next, antifreeze liquefaction control in this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
The antifreeze liquefaction control routine shown in the flowchart of FIG. 6 is executed by the ECU (not shown) at regular intervals.
First, in step S101, it is determined whether the operation mode of the fuel cell 1 is the start mode.
If the determination result in step S101 is “YES” (start mode), the process proceeds to step S102, and it is determined whether the temperature is lower than the first predetermined value t1. The temperature in this case can be any one of air temperature, water temperature, and fuel cell temperature, and the first predetermined value t1 is 0 degree Celsius or less.
If the determination result in step S102 is “NO” (temperature ≧ predetermined value t1), it is not necessary to perform the antifreeze liquefaction process, and thus the execution of this routine is temporarily terminated.
[0033]
If the determination result in step S102 is “YES” (temperature <first predetermined value t1), the process proceeds to step S103, and the alcohol addition amount (injection amount) according to the temperature is obtained by calculation or map search.
Next, proceeding to step S104, alcohol is injected into the evaporator 3 by the amount of alcohol added obtained in step S103.
Further, the process proceeds to step S105, a current corresponding to the temperature is taken out of the fuel cell 1, and the execution of this routine is temporarily terminated.
[0034]
On the other hand, if the determination result in step S101 is “NO” (other than the start mode), the process proceeds to step S106, and it is determined whether the operation mode of the fuel cell 1 is the stop mode.
If the determination result in step S106 is "NO" (other than the stop mode), it is not necessary to perform the antifreeze liquefaction process, and thus the execution of this routine is temporarily terminated.
If the determination result in step S106 is “YES” (stop mode), the process proceeds to step S107, and it is determined whether the temperature of the fuel cell 1 is lower than a second predetermined value t2. Note that the temperature in this case is the same as the temperature in step S102, and the second predetermined value t2 is 0 degree Celsius or less.
[0035]
Further, the magnitude relationship between the threshold value t1 in step S102 and the threshold value t2 in step S107 is not particularly limited, and any setting of t1 = t2, t1> t2, and t1 <t2 can be considered. Further, the temperature detection location to be compared with the threshold value t1 in step S102 may be different from the temperature detection location to be compared with the threshold value t2 in step S107. For example, the temperature to be compared with the threshold value t1 in step S102 is “engine temperature” detected by the temperature sensor attached to the fuel cell 1, and the temperature to be compared with the threshold value t2 in step S107 is The “intake air temperature” detected by the attached temperature sensor may be used.
[0036]
If the determination result in step S107 is “NO” (temperature ≧ predetermined value t2), it is not necessary to perform the antifreeze liquefaction process, and thus the execution of this routine is temporarily terminated.
If the result of the determination in step S107 is “YES” (temperature <second predetermined value), the process proceeds to step S108, and the alcohol addition amount (injection amount) according to the temperature is obtained by calculation or map search.
Next, proceeding to step S109, alcohol is injected into the evaporator 3 by the amount of alcohol added obtained in step S108.
Further, the process proceeds to step S110, in which the power generation system is stopped, and the execution of this routine is temporarily terminated.
[0037]
In this embodiment, the antifreeze liquefaction process is executed under both the start and stop of the fuel cell 1 under a predetermined temperature condition. However, the antifreeze liquefaction process is executed only in one of the cases. It is also possible. For example, when a process of discharging all generated water in the system when the power generation system is stopped is performed, the purpose is achieved by omitting the antifreeze liquefaction process at the time of the stop and executing the antifreeze liquefaction process only at the start. be able to. When the antifreeze liquefaction process is executed when the fuel cell 1 is stopped, and the alcohol addition amount required at the time of starting can be retained in the fuel cell 1 or the air supply passage 21, the antifreeze solution at the time of starting is The conversion process can be omitted.
[0038]
[Second embodiment]
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a power generation system according to the second embodiment.
The difference between the power generation system of the second embodiment and that of the first embodiment is that at least a part of the cathode offgas is discharged from the cathode offgas discharge passage 22 upstream of the connection with the fuel supply passage 23. Is provided in a cathode off-gas circulation flow path 25 that returns the air to the air supply flow path 21 upstream of the evaporator 3, and only the circulation pump 5 is provided in the cathode off-gas circulation flow path 25.
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and therefore, the same reference numerals are given to the same aspects, and description thereof will be omitted.
[0039]
The system according to the second embodiment has the following operation in addition to the operation of the system according to the first embodiment.
In the second embodiment, by operating the circulation pump 5 during the execution of the antifreeze liquefaction process, a part or all of the cathode off-gas before the fuel of the catalytic combustor 4 is supplied is removed from the evaporator 3. The water is returned to the air supply flow path 21 upstream of the evaporator 3, thereby returning the generated water contained in the cathode offgas to the evaporator 3.
By doing so, the mixing of the alcohol and the produced water can be promoted, so that the freezing point drop of the produced water can be further promoted. In addition, when alcohol supplied for the purpose of lowering the freezing point remains in the cathode off-gas, the remaining alcohol can be circulated and reused for lowering the freezing point. The amount can be reduced.
[0040]
[Third Embodiment]
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a power generation system according to the third embodiment.
The difference between the power generation system of the third embodiment and that of the first embodiment is that the fuel cell 1 does not include the evaporator 3 and uses the alcohol for freezing point lowering supplied from the alcohol supply channel 24 to the fuel cell 1. The point is that the injector 6 directly injects the air into the air supply channel 21 near the cathode inlet. In this embodiment, the injector 6 and the alcohol supply flow path 24 constitute a freezing point depressant supply means.
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and therefore, the same reference numerals are given to the same aspects, and description thereof will be omitted.
[0041]
According to the power generation system of the third embodiment as well, the antifreeze liquefaction process is executed immediately before the fuel cell 1 is stopped in a sub-zero temperature state, so that the generated water generated by power generation is antifreeze and prevented from freezing. Therefore, even when the operation of the fuel cell 1 is stopped, it is possible to prevent the passage of the reaction gas (hydrogen or air) or the diffusion layer in the fuel cell 1 from being blocked, and to start the fuel cell 1 the next time the fuel cell 1 is started. Performance can be improved.
[0042]
Also, by executing the antifreeze liquefaction process when the fuel cell 1 is started at a temperature below the freezing point, it is possible to antifreeze the generated water generated by the power generation after the start and prevent freezing. Blockage of the flow path and the diffusion layer does not occur, and power generation can be continued.
In addition, a part of the alcohol supplied to the cathode causes an oxidation reaction on the cathode catalyst to generate heat and heat the vicinity of the power generation part, so that a low-temperature start time can be reduced.
[0043]
[Other embodiments]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment.
For example, in the above-described embodiment, the catalytic combustor is used as the heat source of the evaporator for evaporating the alcohol. However, the heat source may be a combustor that does not use a catalyst, or an electric heater or the like instead of the combustor. It is also possible to use.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the chemical substance that lowers the freezing point of water is included in the generated water generated by power generation at the time of starting and / or stopping at a temperature of 0 degrees Celsius or less. Therefore, the freezing point of the produced water is lowered, and the freezing of the produced water can be prevented, so that an excellent effect that power generation can be continued even when the fuel cell is started below the freezing point is exhibited.
[0045]
According to the second aspect of the present invention, when there is a possibility that generated water generated by power generation may freeze, a chemical substance that lowers the freezing point of water can be supplied to the cathode of the fuel cell. Chemicals that lower the freezing point of water can be included in the water, and the freezing point of the generated water can be lowered to prevent freezing of the generated water.Therefore, power can be generated even when the fuel cell is started below the freezing point. An excellent effect of being able to continue is exhibited.
[0046]
According to the third aspect of the present invention, the vicinity of the power generation site can be heated by the sensible heat of the vapor of the chemical substance and the heat of condensation when the vapor condenses, so that the low-temperature start-up time can be shortened. effective.
According to the invention according to claim 4, there is an effect that a chemical substance having a freezing point drop remaining in the cathode offgas can be removed.
According to the fifth aspect of the present invention, there is an effect that the chemical substance having a lower freezing point remaining in the cathode off-gas can be burned and removed.
[0047]
According to the invention according to claim 6, the chemical substance having a freezing point depression remaining in the cathode off-gas can be removed by burning by the combustion means, and the freezing point depression by the heat generated by the combustion means in the evaporator. Since the chemical substance can be evaporated, there is an effect that the chemical substance can be effectively used.
According to the seventh aspect of the present invention, since the mixing of the freezing point lowering chemical substance and the generated water can be promoted, there is an effect that the freezing point lowering of the generated water can be further promoted. In addition, since the chemical substance having a lower freezing point remaining in the cathode off-gas can be circulated and reused, there is also an effect that the consumption of the chemical substance can be reduced.
[0048]
According to the invention of claim 8, since the chemical substance in an amount necessary for preventing freezing of the generated water can be reliably supplied to the cathode, the power generation of the fuel cell below the freezing point can be reliably continued. There is.
According to the ninth aspect of the present invention, there is an effect that freezing of generated water can be prevented without adversely affecting the solid polymer electrolyte membrane. In addition, since a part of the chemical substance composed of alcohols supplied to the cathode causes an oxidation reaction on the cathode catalyst to generate heat and heat the vicinity of the power generation site, there is also an effect of shortening the low-temperature start-up time.
[0049]
According to the tenth aspect, even when the generated water is likely to freeze, the generated water can be prevented from freezing, so that the low-temperature startability of the fuel cell is improved, and the fuel cell is started below the freezing point. An excellent effect that power generation can be continued even when the power is turned on is exhibited. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a power generation system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a fuel cell temperature and a current that can be taken out.
FIG. 3 is a map showing a relationship between a take-out current and an alcohol addition amount.
FIG. 4 is a diagram showing changes over time in temperature and current after starting a fuel cell.
FIG. 5 is a map showing a relationship between a starting temperature of a fuel cell and an integrated current value.
FIG. 6 is a flowchart showing antifreeze liquefaction control in the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a power generation system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a power generation system according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 fuel cell
3 Evaporator (freezing point depressant supply means)
4 catalytic burners (burners, removers)
6. Injector (freezing point depressant supply means)
21 Air supply channel (oxidant supply channel)
24 Alcohol supply channel (freezing point depressant supply means)
25 Cathode off-gas circulation channel

Claims (10)

固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池を備えた発電システムであって、
前記燃料電池を摂氏0度以下の状態で始動およびまたは停止するときに、水の凝固点を降下させる化学物質を前記カソードに供給することを特徴とする発電システム。
A power generation system comprising a fuel cell having an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, fuel is supplied to the anode, and an oxidant is supplied to the cathode to generate power,
When the fuel cell is started and / or stopped at a temperature of 0 degrees Celsius or less, a chemical substance that lowers the freezing point of water is supplied to the cathode.
固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池を備えた発電システムであって、
前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給流路と、
水の凝固点を降下させる化学物質を前記酸化剤供給流路に供給する凝固点降下剤供給手段と、
を備えることを特徴とする発電システム。
A power generation system comprising a fuel cell having an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, fuel is supplied to the anode, and an oxidant is supplied to the cathode to generate power,
An oxidant supply channel for supplying an oxidant to the cathode,
Freezing point depressant supply means for supplying a chemical substance that lowers the freezing point of water to the oxidant supply flow path,
A power generation system comprising:
前記凝固点降下剤供給手段は、前記化学物質を蒸発させる蒸発器を備え、この蒸発器で蒸発させた前記化学物質を酸化剤供給流路に供給することを特徴とする請求項2に記載の発電システム。The power generation apparatus according to claim 2, wherein the freezing point depressant supply means includes an evaporator for evaporating the chemical substance, and supplies the chemical substance evaporated by the evaporator to an oxidant supply flow path. system. 前記カソードから排出されるカソードオフガス中に残存する前記化学物質を除去する除去手段を備えることを特徴とする請求項2に記載の発電システム。The power generation system according to claim 2, further comprising a removal unit configured to remove the chemical substance remaining in the cathode offgas discharged from the cathode. 前記除去手段は、前記化学物質を燃焼させる燃焼手段であることを特徴とする請求項4に記載の発電システム。The power generation system according to claim 4, wherein the removal unit is a combustion unit that burns the chemical substance. 前記カソードから排出されるカソードオフガス中に残存する前記化学物質を燃焼可能な燃焼手段を備え、この燃焼手段で発生した熱を前記蒸発器の熱源としたことを特徴とする請求項3に記載の発電システム。4. The method according to claim 3, further comprising a combustion unit capable of burning the chemical substance remaining in the cathode off-gas discharged from the cathode, wherein heat generated by the combustion unit is used as a heat source of the evaporator. Power generation system. 前記カソードから排出されるカソードオフガスの少なくとも一部を前記酸化剤供給流路に戻すカソードオフガス循環流路を備えることを特徴とする請求項2から請求項6のいずれかに記載の発電システム。The power generation system according to any one of claims 2 to 6, further comprising a cathode off-gas circulation flow path that returns at least a part of the cathode off-gas discharged from the cathode to the oxidant supply flow path. 前記カソードに供給される前記化学物質の供給量は温度に応じて設定されることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の発電システム。The power generation system according to any one of claims 1 to 7, wherein a supply amount of the chemical substance supplied to the cathode is set according to a temperature. 前記化学物質は、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセリンのアルコール類のうち少なくとも一つから構成されることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれかに記載の発電システム。The power generation system according to any one of claims 1 to 8, wherein the chemical substance comprises at least one of alcohols such as methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol, and glycerin. 固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを有し前記アノードに燃料が供給され前記カソードに酸化剤が供給されて発電をする燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池の発電によって生成される生成水が凍結する虞があるときに、水の凝固点を降下する化学物質を前記カソードに供給することによって、前記生成水に前記化学物質を溶存させ、生成水を不凍液にすることを特徴とする燃料電池の運転方法。
A method for operating a fuel cell, comprising an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a fuel being supplied to the anode, an oxidant being supplied to the cathode, and power generation.
When the generated water generated by the power generation of the fuel cell is likely to freeze, a chemical substance that lowers the freezing point of water is supplied to the cathode to dissolve the chemical substance in the generated water, A method for operating a fuel cell, wherein the fuel cell is made into an antifreeze.
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