JP2004335269A - Fuel cell system - Google Patents

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cooling water
gas
power generation
fuel cell
water
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JP2003129678A
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Japanese (ja)
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Masashi Yamaga
賢史 山賀
Masahiro Komachiya
昌宏 小町谷
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain deterioration of a battery material caused by frequent start and stop, in a fuel cell power generation system. <P>SOLUTION: This fuel cell system is characterized in that a part of cooling water branched from a cooling water line for running the cooling water is connected to at least an anode line and a cathode line, in a fuel cell that is so structured that an off-gas exhausted from a power generation part is brought into contact with a supply gas through a humidification material, and a humidification part for adding steam to the supply gas is connected with the power generation part having a cooling function by the cooling water. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池を用いた発電システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は電気化学反応により燃料のエネルギーを直接電気エネルギーへ変換する電気化学デバイスである。燃料電池は用いる電荷担体等により、リン酸型燃料電池,溶融炭酸塩型燃料電池,固体酸化物型燃料電池,固体高分子型燃料電池(以下PEFCと略する),アルカリ型燃料電池に大別される。
【0003】
これらの各種燃料電池の中でもPEFCは、高電流密度発電や比較的低温度での運転が可能なため、移動体電源をはじめ、各種用途への応用が期待されている。
【0004】
PEFCの電解質には、膜厚数十から百数十μmのイオン交換膜を用いる。イオン交換膜は、主鎖を構成するフルオロカーボンに、スルホン酸基を有する側鎖が結合した構造が一般的である。イオン交換膜はプロトン伝導性を有するが、そのためには膜材料に水分を含有せねばならない。これは、スルホン酸基が材料内でクラスター構造をとり、クラスター同士がチャネルによって連結しチャネル内をプロトン(H)が伝導することによるものである。よって本材料がプロトン伝導性を示すためには、水の存在が必須である。
【0005】
そのため、PEFCを用いた発電システムにおいて、電池を動作させる際には供給するガスに電解質を加湿させるための水分を含有させる方式が一般的である。PEFC発電時は、その化学反応により水が生成するが、電解質を湿潤させるには十分でないため外部からの水分を全く供給しないシステムを構築させるのは現在のところ困難である。
【0006】
電池へ供給するガスを加湿させるための手段としては、バブラー方式や材料透過方式が挙げられる。このうちバブラー方式は熱ロスや設置スペースの問題から、小型高効率電源システムの加湿器としては採用が難しい。よって、水透過材料を用いたガス加湿方式が広く用いられている。これは、水透過材料を介して加湿流体と被加湿流体を流し、水分圧の差を駆動力として水分子が被加湿流体に移動する特性を利用して加湿を行う方式である。
【0007】
加湿流体に水を用いると、透過材料を移動した水が被加湿流体との接触面で蒸発し、蒸発熱が奪われる。そのため、加湿流体として温度の高い水を用いたほうが高加湿を実現できる。これらのことから、電池に供給するガスを加湿するための加湿器として水透過材料を介して、加湿流体に電池冷却水を、被加湿流体に乾燥ガスを用いるシステムが報告されている。
【0008】
しかし、電源システムとして電力に加えて熱(温水)も供給する、いわゆる熱電併給を行う場合、本加湿方式では発生した熱の一部を加湿器の蒸発熱によって消費されてしまうために総合効率が低下する課題があった。
【0009】
そこで、加湿流体として、電池の熱を熱交換した冷却水ではなく、カソード排ガス(オフガス)を用いる方法が提案されている。発電に伴い、発生する水は理論上カソード上で生じるため、この方式ではその水を加湿に利用する。本方式の報告例の一つとして、特開平6−132038号が挙げられる。
【0010】
【特許文献1】
特開平6−132038号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、オフガスを利用する加湿方式では、発電していない場合、すなわち電池起動時のウオーミングアップ中、または電池停止時のクールダウン中に供給するガスに対する加湿が不十分となったり、全く加湿を行えなかったりする問題があった。とくに、電源システムを電力や温水の供給状態によって停止させるシーケンスの場合、起動/停止の回数が増えるため、これに伴う供給ガスの加湿不足は電解質材料の劣化を招き、電池を短命化させる主要因の一つになっていた。本発明の目的は、頻繁なシステム起動停止に対しても劣化が少ない燃料電池発電システムを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
そのため本発明では、発電部から排出されるオフガスと供給ガスを加湿材料を介して接触させ、供給ガスに水蒸気を添加する加湿部と冷却水による冷却機能を有する発電部とを連結した燃料電池において冷却水が流れる冷却水ラインを分岐した冷却水の一部が少なくともアノードライン,カソードラインに接続されている構造を提案している。
【0013】
本構造では供給ガスへの加湿が不十分となる電池の起動/停止時に冷却水ラインからの水を加湿流体であるオフガスに添加し、加湿流体の水分圧を向上させ、被加湿流体である電池供給ガスの加湿度を十分なものにすることができる。
【0014】
また、冷却水ラインを分岐した冷却水の一部とアノードもしくはカソードガスラインが接続する接続部が、発電部を構成する各セルのアノードもしくはカソードオフガスが集合した集合部から加湿部の発電部オフガス入口部の間に位置する構造を提案している。
【0015】
本構造では、冷却水ラインから分岐した冷却水が直接電池に供給されず、加湿器により水蒸気として供給ガスへ加湿することが可能となる。PEFCでは液体の水が電池内部の電極反応部近傍に存在すると、反応種である酸素(空気)あるいは水素の拡散が阻害されて電池性能が急激に劣化する場合がある。このため本構造の通り、供給ガスに水蒸気の形で添加する加湿形態をとりえることは、電池性能安定化のために有効である。なお、請求項2における冷却水とガスラインが接続する接続部は、各セルの排ガスが集合した集合部から下流側に設定すればよく、例えば発電部と加湿部が一体化した形態においても発電部を流れる排ガスマニホールド構造部に外部から直接水インジェクターを取り付ければ同様の効果が得られるのは自明である。
【0016】
また、アノードもしくはカソードガスラインに接続する一部の冷却水について、その温度を制御可能とする調節機構を設けた構造について提案している。
【0017】
本構造によれば、加湿流体の温度を任意に制御でき加湿流体中の水分圧を増加できることから、湿器における被加湿流体中の加湿量も効果的に増加することが出来、電解質材料の加湿不足による劣化を大幅に抑制することが可能となる。温度を制御する方法としては冷却水を直接加熱するヒーターやセンサーおよび温度調節器などによっても良いし、電池の熱を回収し高温となった冷却水をバッファタンク等にリザーブしておき、必要に応じて低温の冷却水と混合し温度調節を行って用いても良い。
【0018】
また、冷却水ラインを分岐した冷却水の一部とアノードもしくはカソードガスラインが接続する接続部に流量調節弁を有し、少なくとも発電部電圧,発電部負荷電流,発電部温度,供給ガス種類およびガス流量の一つの信号から該弁の開閉を判断する機構を備えた構造を提案している。
【0019】
本構造によれば起動/停止に伴う電池および加湿部の状況を各種センサーによって制御部が加湿不足か否かを判断し、冷却水ラインを分岐した冷却水の一部がガスラインに接続する接続部の弁によって水量を適時最適にコントロールすることが可能となるため、電解質の加湿不足の状況が殆ど生じなく、結果電池の劣化を極めて小さくすることが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【0021】
(実施例1)
本発明に係わる実施例1の燃料電池システム構成を図1に示す。図1における燃料電池発電部1は水素リッチガスを供給するためのアノードガスラインが接続されており、アノードガスはアノードガス流量調節器3により所定量に制限されている。さらに、酸素を含むガスを供給するためのカソードガスラインも接続されており、その供給量はカソードガス流量調節器4で制御されている。流量を制御されたカソードガスは加湿部2においてその内部に配置された水透過材料表面より水蒸気を添加され、発電部1のカソードに導入される。発電部1でカソードガス中の酸素は電極反応に消費されるが、反応に与らなかったガスはオフガスとして発電部より排出される。このとき、カソードオフガスには反応生成水が加わるため、水蒸気を多く含んだ状態にある。このカソードオフガスは加湿器2に供給され、加湿器内に配置されている水透過材料に接触し、含有している水分を水透過材料に受け渡した後、加湿部出口より放出される。
【0022】
電池内で生じる電極反応は発熱反応であるため電池は高温になる。電池の構成材料のひとつである電解質膜は高温状態で劣化するため、冷却手段が必要になる。本システムでは冷却水を循環させて冷却する水冷方式を採用している。前処理により含有イオンを取り除かれた冷却水は5の水量調節器1によりその水量を制御され、発電部に供給されている。冷却水は発電部で熱交換を行った後一部が分岐され、6の水量調節器2でその流量を制御された後、発電部に供給されるカソードガスに添加される。
【0023】
(実施例2)
本発明に係わる実施例2の燃料電池システム構成を図2に示す。本システムでは、前処理により含有イオンを取り除かれた冷却水は5の水量調節器1によりその水量を制御され、発電部に供給されている。ここで冷却水は発電部におけるカソードガスの集合部よりもガス流れで下流側に位置し、加湿部オフガス入口部よりも上流側に接続されている。本システムにおける他の構成は実施例1に準じている。
【0024】
(実施例3)
本発明に係わる実施例3の燃料電池システム構成を図3に示す。本システムでは、6の水量調節器2によりその水量を制御され、加湿部2に供給される冷却水分岐ラインに温度制御ヒーターを装備している。本システムにおける他の構成は実施例2に準じている。
【0025】
(実施例4)
本発明に係わる実施例4の燃料電池システム構成を図4に示す。本システムでは、その水量を制御し、加湿部2に供給する冷却水分岐ラインに設置された6の水量調節器2に関し、その水量を自動的に制御する水量調節器1が接続されている。水量調節器2は発電部温度信号線14により発電部温度を、発電部電圧信号線15により発電部の電圧を、負荷信号線13により負荷検出器11の負荷値を、加湿部温度信号線17により加湿部2の温度を、流量信号線16により供給ガス流量をそれぞれモニタリングし、少なくとも一つの信号を基に電池電解質材料の劣化を抑制するための必要となる水量を求め、その流量を確保するべく水量調節器2を制御している。本システムにおける他の構成は実施例3に準じている。
【0026】
(比較例)
比較例の燃料電池システム構成を図5に示す。図5における燃料電池発電部1は水素リッチガスを供給するためのアノードガスラインが接続されており、アノードガスはアノードガス流量調節器3により所定量に制限されている。さらに、酸素を含むガスを供給するためのカソードガスラインも接続されており、その供給量はカソードガス流量調節器4で制御されている。流量を制御されたカソードガスは加湿部2においてその内部に配置された加湿膜表面より水蒸気を添加され、発電部1のカソードに導入される。発電部1でカソードガス中の酸素は電極反応に消費されるが、反応に与らなかったガスはオフガスとして発電部より排出される。このとき、カソードオフガスには反応生成水が加わるため、水蒸気を多く含んだ状態にある。このカソードオフガスは加湿器2に供給され、加湿器内に配置されている水透過材料に接触し、含有している水分を水透過材料に受け渡した後、加湿部出口より放出される。
【0027】
電池内で生じる電極反応は発熱反応であるため電池は高温になる。電池の構成材料のひとつである電解質膜は高温状態で劣化するため、冷却手段が必要になる。本システムでは冷却水を循環させて冷却する水冷方式を採用している。前処理により含有イオンを取り除かれた冷却水は5の水量調節器1によりその水量を制御され、発電部に供給されている。
【0028】
上記の実施例,比較例に示したシステムを基本構造とする積層数60セル、出力0.8kW の燃料電池発電システムを製作し、発電試験を行った。発電は典型的な一般家庭の電力使用パターンを参考とし、毎日24時にシステムを停止、6時にシステムを起動する運転モードを採用した。発電パターンは6時から9時まで、11時から15時まで、18時から21時までが100%の負荷量で、そのほかは50%負荷で発電を行った。このパターンを2ヶ月実施し、電池の開回路電圧(OCV),電極面積あたりの電流値が0.33A/cm時の電池電圧,発電部を構成している各単位電池の電圧ばらつきを比較した。図6にその結果を示す。
【0029】
比較例は初期のセルあたり平均OCVが990mVから試験後では940mVと、50mVの低下が見られた。0.33A/cm時の平均電池電圧は初期の720mVから650mVへ70mV低下した。このときの各単位電圧のばらつきは±15mVであった。本比較例において試験後の電池性能が劣化した要因としては、システム起動時および停止時に発電部に供給する絶対水分量が不足し、電解質材料の劣化が進行する結果、内部抵抗の増加や膜のガスセパレート性低下が引き起こされたためと考えられる。
【0030】
実施例1はOCVの試験後の低下は−30mVであり、0.33A/cm時の平均電池電圧は初期の720mVから670mVへ50mV低下した。各単位電池のばらつきは±25mVであった。実施例1は比較例よりもOCVおよび0.33A/cm 時の平均電池電圧値で劣化の抑制が確認された。これはシステム起動時および停止時に発電部に供給する絶対水分量の不足が緩和されるためと考えられる。電圧ばらつきが大きいことは、冷却水分岐ラインを発電部よりもガス流れで上流側に接続したため、液体の水が発電部に供給され、電池内でガスチャネルを閉塞させるため電極反応に寄与するガスの拡散の妨げになり(フラッディング)、一時的に電圧が低下する現象によるものと考えられる。
【0031】
実施例2はOCVの試験後の低下は−20mVであり、0.33A/cm時の平均電池電圧は初期の720mVから700mVへ20mV低下した。各単位電池のばらつきは±16mVであった。実施例2は実施例1に比較しOCVおよび0.33A/cm時の平均電池電圧値で劣化の抑制が確認された。さらに電圧ばらつきが改善されている。これは、実施例2に示される構造では、冷却水ラインから分岐した冷却水が直接電池に供給されず、加湿器により加湿膜を介して水蒸気として供給ガスへ加湿することが可能となり、フラッディングを抑制できるためと考えられる。
【0032】
実施例3ではOCVの試験後の低下は−2mVであり、0.33A/cm時の平均電池電圧は初期の720mVから710mVへ10mV低下した。各単位電池のばらつきは±5mVであった。実施例3は実施例2に比較しOCVおよび0.33A/cm 時の平均電池電圧値、および電圧ばらつきでさらに改善が可能となった。これは、加湿部に供給される冷却水の温度がヒーターにより任意に制御でき、加湿器における加湿流体のエネルギーを増加できることから、水透過材料を透過する水分量を増大できるため被加湿流体中の加湿量も効果的に増加させることが可能となる。その結果電解質材料の加湿不足による劣化を大幅に抑制することが可能となったためと考えられる。
【0033】
実施例4ではOCVの試験後の低下は−0.5mV であり、0.33A/cm時の平均電池電圧は初期値と同等であった。各単位電池のばらつきは±3mVへの抑制が可能となった。これは本構造がシステムの起動/停止に伴う発電部および加湿部の状況を各種センサーによって制御部が加湿不足か否かを判断し、冷却水ラインを分岐した冷却水の一部がガスラインに接続する部分の調整器によって水量を適時最適、自動的にきめ細かくコントロールすることが可能となるため、電解質の加湿不足を招くことが無く、結果電池の劣化を極めて小さくすることが可能となるためと考えられる。
【0034】
本実施内容では主としてカソード側の排ガスを利用した試験を行った。しかし、供給するアノードガスも電解質の乾燥防止のためあらかじめ水分が添加されていること、また発電に伴い生じる生成水はその一部が電解質膜を透過してアノードガスに添加されることから、アノードオフガスにも水分は十分に含有されている。また、本提案構造はアノードとカソードに同じく適用できるため、カソードに限らず、アノード側への構造にも用いることができることは言うまでもない。
【0035】
燃料電池を用いた電源システムとして電力に加えて熱(温水)も供給する、いわゆる熱電併給を行う場合、総合効率を向上させるため、加湿流体として、電池排ガス(オフガス)を利用する方法が提案されている。この方式は、発電していない場合すなわち電池起動時のウオーミングアップ中、または電池停止時のクールダウン中に供給するガスに対する加湿が不十分となったり、全く加湿を行えなかったりする問題があり、その結果供給ガスへの加湿が不足して電解質材料の劣化を招き、電池を短命化させていた。本発明によれば、システムのウオーミングアップ中、またはクールダウンにおいて電池冷却水を利用して効果的に電解質材料を湿潤できるので、頻繁なシステム起動停止に対しても劣化がごく少ない燃料電池発電システムを提供できる。
【0036】
【発明の効果】
本発明により頻繁なシステムの起動停止に対しても劣化が少ない燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に関わる実施例1の発電システム構成の一部を示す図である。
【図2】本発明に関わる実施例2の発電システム構成の一部を示す図である。
【図3】本発明に関わる実施例3の発電システム構成の一部を示す図である。
【図4】本発明に関わる実施例4の発電システム構成の一部を示す図である。
【図5】比較例における発電システム構成の一部を示す図である。
【図6】実施例および比較例の試験前後の性能を示した図である。
【符号の説明】
1…発電部、2…加湿部、3…アノードガス流量調節器、4…カソードガス流量調節器、5…水量調節器1、6…水量調節器2、7…ヒーター、11…負荷検出器、12…制御器、13…負荷信号線、14…発電部温度信号線、15…発電部電圧信号線、16…流量信号線、17…加湿部温度信号線。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation system using a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is an electrochemical device that directly converts fuel energy into electrical energy by an electrochemical reaction. Fuel cells are roughly classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (hereinafter abbreviated as PEFC), and alkaline fuel cells, depending on the charge carriers used. Is done.
[0003]
Among these various fuel cells, PEFC can be used for high current density power generation and operation at a relatively low temperature, and thus is expected to be applied to various uses including a mobile power source.
[0004]
For the electrolyte of the PEFC, an ion exchange membrane having a film thickness of several tens to one hundred and several tens μm is used. The ion exchange membrane generally has a structure in which a side chain having a sulfonic acid group is bonded to a fluorocarbon constituting a main chain. Ion exchange membranes have proton conductivity, for which the membrane material must contain moisture. This is because the sulfonic acid group has a cluster structure in the material, the clusters are connected by a channel, and protons (H 3 O + ) are conducted in the channel. Therefore, the presence of water is essential for the present material to exhibit proton conductivity.
[0005]
For this reason, in a power generation system using a PEFC, when operating a battery, a method is generally used in which a supplied gas contains moisture for humidifying an electrolyte. At the time of PEFC power generation, water is generated by the chemical reaction, but it is not enough to wet the electrolyte, and it is currently difficult to construct a system that does not supply any external moisture.
[0006]
Means for humidifying the gas supplied to the battery include a bubbler method and a material permeation method. Of these, the bubbler method is difficult to adopt as a humidifier for a small high-efficiency power supply system due to problems of heat loss and installation space. Therefore, a gas humidification method using a water permeable material is widely used. This is a method in which a humidifying fluid and a humidifying fluid are caused to flow through a water-permeable material, and humidification is performed by utilizing a characteristic in which water molecules move to the humidifying fluid using a difference in water pressure as a driving force.
[0007]
When water is used as the humidifying fluid, the water that has moved through the permeable material evaporates on the contact surface with the humidifying fluid, and heat of evaporation is lost. Therefore, high humidification can be realized by using high-temperature water as the humidification fluid. From these facts, there has been reported a system that uses battery cooling water as a humidifying fluid and dry gas as a humidifying fluid via a water-permeable material as a humidifier for humidifying a gas supplied to the battery.
[0008]
However, in the case of so-called combined heat and power supply that supplies heat (hot water) in addition to electric power as a power supply system, this humidification method consumes a part of the generated heat due to the evaporation heat of the humidifier, so the overall efficiency is reduced. There was a problem to be reduced.
[0009]
Therefore, a method has been proposed in which a cathode exhaust gas (off-gas) is used as the humidifying fluid instead of the cooling water that exchanges the heat of the battery. Since water generated by power generation is theoretically generated on the cathode, this method uses the water for humidification. Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-132038 is an example of a report of this method.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-6-132038
[Problems to be solved by the invention]
However, in the humidification method using off-gas, when power is not being generated, that is, during warming-up when the battery is activated, or during cool-down when the battery is stopped, humidification of the supplied gas is insufficient or humidification cannot be performed at all. Or had problems. In particular, in the case of a sequence in which the power supply system is stopped by the supply state of electric power or hot water, the number of times of starting / stopping increases, and the insufficient humidification of the supplied gas causes deterioration of the electrolyte material and a main factor for shortening the life of the battery. Was one of SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system that is less deteriorated even when the system is frequently started and stopped.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the present invention, in the fuel cell in which the off gas discharged from the power generation unit and the supply gas are brought into contact via a humidifying material, and the humidification unit for adding water vapor to the supply gas and the power generation unit having a cooling function of cooling water are connected. There is proposed a structure in which a part of cooling water branched from a cooling water line through which the cooling water flows is connected to at least an anode line and a cathode line.
[0013]
In this structure, water from the cooling water line is added to the off-gas which is a humidifying fluid at the time of starting / stopping the battery where the supply gas is insufficiently humidified, so that the water pressure of the humidifying fluid is improved, and the battery which is the humidifying fluid is added. The humidification of the supply gas can be made sufficient.
[0014]
Further, a connecting portion where the part of the cooling water branched from the cooling water line and the anode or the cathode gas line are connected to each other constitutes the power generation unit from the collecting portion where the anode or the cathode off gas of each cell is assembled. A structure located between the entrances is proposed.
[0015]
In this structure, the cooling water branched from the cooling water line is not directly supplied to the battery, but can be humidified as steam by the humidifier to the supply gas. In the case of PEFC, if liquid water is present in the vicinity of the electrode reaction section inside the battery, diffusion of oxygen (air) or hydrogen, which is a reactive species, is hindered and battery performance may be rapidly deteriorated. For this reason, as in this structure, it is effective to stabilize the performance of the battery if a humidified form in which water is added to the supply gas can be taken. The connecting portion where the cooling water and the gas line are connected in claim 2 may be set on the downstream side from the collecting portion where the exhaust gas of each cell is collected. For example, even if the power generating portion and the humidifying portion are integrated, It is obvious that the same effect can be obtained by directly attaching a water injector from the outside to the exhaust gas manifold structure portion flowing through the portion.
[0016]
In addition, a structure is proposed in which an adjustment mechanism is provided for controlling the temperature of a part of the cooling water connected to the anode or cathode gas line.
[0017]
According to this structure, since the temperature of the humidifying fluid can be arbitrarily controlled and the water pressure in the humidifying fluid can be increased, the humidification amount in the humidified fluid in the humidifier can also be effectively increased, and the humidification of the electrolyte material can be performed. Deterioration due to shortage can be greatly suppressed. As a method of controlling the temperature, a heater, a sensor, and a temperature controller that directly heats the cooling water may be used, or the heat of the battery may be recovered, and the high-temperature cooling water may be reserved in a buffer tank or the like. It may be used by mixing with low-temperature cooling water and adjusting the temperature accordingly.
[0018]
Further, a flow control valve is provided at a connection portion where a part of the cooling water branched from the cooling water line and the anode or the cathode gas line are connected, and at least a power generation unit voltage, a power generation unit load current, a power generation unit temperature, a supply gas type, A structure having a mechanism for determining whether the valve is opened or closed from one signal of the gas flow rate has been proposed.
[0019]
According to this structure, the control unit determines whether the humidification is insufficient by various sensors based on the status of the battery and the humidification unit accompanying the start / stop, and connects a part of the cooling water branched from the cooling water line to the gas line. Since the amount of water can be optimally controlled in a timely manner by the valve of the section, the situation of insufficient humidification of the electrolyte hardly occurs, and as a result, the deterioration of the battery can be extremely reduced.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
(Example 1)
FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The fuel cell power generation unit 1 in FIG. 1 is connected to an anode gas line for supplying a hydrogen-rich gas, and the anode gas is limited to a predetermined amount by an anode gas flow controller 3. Further, a cathode gas line for supplying a gas containing oxygen is also connected, and the supply amount is controlled by a cathode gas flow controller 4. Water vapor is added to the cathode gas whose flow rate is controlled from the surface of a water-permeable material disposed inside the humidifying unit 2, and is introduced into the cathode of the power generation unit 1. Oxygen in the cathode gas is consumed in the electrode reaction in the power generation unit 1, but gas that does not participate in the reaction is discharged from the power generation unit as off-gas. At this time, since the reaction off-gas is added to the cathode off-gas, the cathode off-gas contains a large amount of water vapor. The cathode off-gas is supplied to the humidifier 2, comes into contact with the water-permeable material disposed in the humidifier, transfers the contained moisture to the water-permeable material, and is discharged from the humidifier outlet.
[0022]
Since the electrode reaction occurring in the battery is an exothermic reaction, the temperature of the battery becomes high. Since the electrolyte membrane, which is one of the constituent materials of the battery, deteriorates at a high temperature, a cooling means is required. This system adopts a water cooling system that circulates cooling water and cools. The amount of the cooling water from which the contained ions have been removed by the pretreatment is controlled by the water amount controller 1 of 5 and supplied to the power generation unit. After performing heat exchange in the power generation unit, a part of the cooling water is branched, and after its flow rate is controlled by the water amount controller 2 of 6, the cooling water is added to the cathode gas supplied to the power generation unit.
[0023]
(Example 2)
FIG. 2 shows the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. In the present system, the amount of the cooling water from which the contained ions have been removed by the pretreatment is controlled by the water amount controller 1 of 5, and supplied to the power generation unit. Here, the cooling water is located on the downstream side in the gas flow from the collection portion of the cathode gas in the power generation unit, and is connected to the upstream side from the humidification unit off gas inlet. Other configurations in the present system are in accordance with the first embodiment.
[0024]
(Example 3)
Third Embodiment FIG. 3 shows the configuration of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. In this system, the amount of water is controlled by a water amount controller 6 of 6, and a cooling water branch line supplied to the humidifier 2 is equipped with a temperature control heater. Other configurations in this system are in accordance with the second embodiment.
[0025]
(Example 4)
Fourth Embodiment FIG. 4 shows the configuration of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention. In this system, a water flow controller 1 that controls the water flow and automatically controls the water flow is connected to six water flow controllers 2 installed in a cooling water branch line that supplies the humidifying section 2. The water volume controller 2 uses the power generation unit temperature signal line 14 to indicate the power generation unit temperature, the power generation unit voltage signal line 15 to indicate the voltage of the power generation unit, the load signal line 13 to indicate the load value of the load detector 11, and the humidification unit temperature signal line 17. Monitoring the temperature of the humidifying unit 2 and the flow rate of the supplied gas with the flow signal line 16 respectively, and based on at least one signal, obtain the amount of water required to suppress the deterioration of the battery electrolyte material and secure the flow rate. The water regulator 2 is controlled in order to achieve this. Other configurations in this system are in accordance with the third embodiment.
[0026]
(Comparative example)
FIG. 5 shows a fuel cell system configuration of a comparative example. An anode gas line for supplying a hydrogen-rich gas is connected to the fuel cell power generation unit 1 in FIG. 5, and the anode gas is limited to a predetermined amount by an anode gas flow controller 3. Further, a cathode gas line for supplying a gas containing oxygen is also connected, and the supply amount is controlled by a cathode gas flow controller 4. In the humidifying section 2, steam is added to the cathode gas whose flow rate is controlled from the surface of a humidifying film disposed inside the humidifying section 2, and is introduced into the cathode of the power generation section 1. Oxygen in the cathode gas is consumed in the electrode reaction in the power generation unit 1, but gas that does not participate in the reaction is discharged from the power generation unit as off-gas. At this time, since the reaction off-gas is added to the cathode off-gas, the cathode off-gas contains a large amount of water vapor. The cathode off-gas is supplied to the humidifier 2, comes into contact with the water-permeable material disposed in the humidifier, transfers the contained moisture to the water-permeable material, and is discharged from the humidifier outlet.
[0027]
Since the electrode reaction occurring in the battery is an exothermic reaction, the temperature of the battery becomes high. Since the electrolyte membrane, which is one of the constituent materials of the battery, deteriorates at a high temperature, a cooling means is required. This system adopts a water cooling system that circulates cooling water and cools. The amount of the cooling water from which the contained ions have been removed by the pretreatment is controlled by the water amount controller 1 of 5 and supplied to the power generation unit.
[0028]
A fuel cell power generation system having a stacking number of 60 cells and an output of 0.8 kW having the basic structure of the system shown in the above-described Examples and Comparative Examples was manufactured, and a power generation test was performed. For the power generation, an operation mode in which the system was stopped every day at 24:00 and the system was started at 6:00 was adopted with reference to a typical general household power usage pattern. The power generation pattern was 100% load from 6:00 to 9:00, 11:00 to 15:00, 18:00 to 21:00, and the other 50% load. After performing this pattern for 2 months, the open circuit voltage (OCV) of the battery, the battery voltage when the current value per electrode area is 0.33 A / cm 2 , and the voltage variation of each unit battery constituting the power generation unit are compared. did. FIG. 6 shows the result.
[0029]
In the comparative example, the average OCV per cell from the initial stage was 990 mV, and after the test, the average OCV was 940 mV, a decrease of 50 mV. The average battery voltage at 0.33 A / cm 2 dropped 70 mV from the initial 720 mV to 650 mV. The variation of each unit voltage at this time was ± 15 mV. In this comparative example, the battery performance after the test was deteriorated because the amount of absolute water supplied to the power generation unit at the time of starting and stopping the system was insufficient, and the deterioration of the electrolyte material proceeded. It is considered that the gas separation property was reduced.
[0030]
In Example 1, the OCV drop after the test was −30 mV, and the average battery voltage at 0.33 A / cm 2 dropped from the initial 720 mV to 670 mV by 50 mV. The variation of each unit battery was ± 25 mV. In Example 1, the suppression of deterioration was confirmed at the OCV and the average battery voltage value at 0.33 A / cm 2 compared to the comparative example. This is considered to be because the shortage of the absolute water amount supplied to the power generation unit at the time of starting and stopping the system is reduced. The large voltage variation means that the cooling water branch line is connected upstream of the power generation unit with a gas flow, so that liquid water is supplied to the power generation unit and the gas that contributes to the electrode reaction to block the gas channel in the battery. This is thought to be due to the phenomenon that the diffusion of the chromium is prevented (flooding) and the voltage temporarily drops.
[0031]
In Example 2, the drop after the OCV test was −20 mV, and the average battery voltage at 0.33 A / cm 2 dropped from the initial 720 mV to 700 mV by 20 mV. The variation of each unit battery was ± 16 mV. In Example 2, as compared with Example 1, suppression of deterioration was confirmed at the OCV and the average battery voltage value at 0.33 A / cm 2 . Further, the voltage variation is improved. This is because, in the structure shown in the second embodiment, the cooling water branched from the cooling water line is not directly supplied to the battery, but can be humidified to the supply gas as water vapor through the humidifier by the humidifier, and flooding is performed. It is considered that it can be suppressed.
[0032]
Decrease after the test of the OCV in Example 3 is -2 mV, the average battery voltage at 0.33 A / cm 2 was 10mV decreased from an initial 720mV to 710mV. The variation of each unit battery was ± 5 mV. Example 3 was able to further improve OCV and average battery voltage value at 0.33 A / cm 2 and voltage variation as compared with Example 2. This is because the temperature of the cooling water supplied to the humidifying unit can be arbitrarily controlled by the heater, and the energy of the humidifying fluid in the humidifier can be increased. The humidification amount can also be effectively increased. It is considered that as a result, deterioration due to insufficient humidification of the electrolyte material can be significantly suppressed.
[0033]
In Example 4, the decrease in OCV after the test was −0.5 mV, and the average battery voltage at 0.33 A / cm 2 was equivalent to the initial value. The variation of each unit battery can be suppressed to ± 3 mV. In this structure, the control unit determines whether the humidification is insufficient by various sensors based on the status of the power generation unit and the humidification unit accompanying the start / stop of the system. Because it is possible to control the amount of water optimally and automatically and finely in a timely manner by the adjuster in the connecting part, it does not cause insufficient humidification of the electrolyte, and as a result, the deterioration of the battery can be extremely reduced. Conceivable.
[0034]
In the present embodiment, a test mainly using the exhaust gas on the cathode side was performed. However, the supplied anode gas is preliminarily added with water to prevent drying of the electrolyte, and a part of the water generated during power generation is added to the anode gas through the electrolyte membrane. The off-gas also contains sufficient moisture. Further, since the proposed structure can be applied equally to the anode and the cathode, it goes without saying that the structure can be used not only for the cathode but also for the structure on the anode side.
[0035]
When a so-called combined heat and power supply that supplies heat (hot water) in addition to electric power as a power supply system using a fuel cell is performed, a method of using battery exhaust gas (off gas) as a humidifying fluid has been proposed to improve overall efficiency. ing. This method has a problem that when power is not being generated, that is, during the warm-up when the battery is activated, or during the cool-down when the battery is stopped, the gas supplied is insufficiently humidified, or the humidification cannot be performed at all. As a result, the humidification of the supplied gas is insufficient, which causes deterioration of the electrolyte material, and shortens the life of the battery. According to the present invention, the fuel cell power generation system can be effectively wetted with the use of the battery cooling water during the warm-up of the system or during the cool-down, so that the deterioration of the fuel cell power generation system is extremely small even when the system is frequently started and stopped. Can be provided.
[0036]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell power generation system with less deterioration even when the system is frequently started and stopped.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a part of a power generation system configuration according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a part of a power generation system configuration according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a part of a power generation system configuration according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a part of a power generation system configuration according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a part of a power generation system configuration in a comparative example.
FIG. 6 is a diagram showing the performance of an example and a comparative example before and after a test.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power generation part, 2 ... Humidification part, 3 ... Anode gas flow rate regulator, 4 ... Cathode gas flow rate regulator, 5 ... Water volume regulator 1, 6 ... Water volume regulator 2, 7 ... Heater, 11 ... Load detector, 12: controller, 13: load signal line, 14: power generation unit temperature signal line, 15: power generation unit voltage signal line, 16: flow rate signal line, 17: humidification unit temperature signal line.

Claims (4)

アノード,カソード,電解質およびセパレータから基本構成を成す燃料電池単セルが複数セル積層されかつ冷却機能を有する発電部と、発電部から排出されるオフガスと供給ガスを加湿材料を介して接触させ供給ガスに水蒸気を添加する加湿部とを連結した燃料電池において冷却水が流れる冷却水ラインを分岐した冷却水の一部がアノードもしくはカソードガスラインに接続されていることを特徴とする燃料電池システム。A power generation unit in which a plurality of fuel cell single cells having a basic configuration including an anode, a cathode, an electrolyte, and a separator are stacked and a power generation unit having a cooling function is brought into contact with an off-gas and a supply gas discharged from the power generation unit via a humidifying material. A fuel cell system, wherein a part of cooling water branched from a cooling water line through which cooling water flows in a fuel cell in which a humidifying part for adding steam to water is connected to an anode or a cathode gas line. 冷却水ラインを分岐した冷却水の一部とアノードもしくはカソードガスラインが接続する接続部が、発電部を構成する各セルのアノードもしくはカソードオフガスが集合した集合部から加湿部の発電部オフガス入口部の間に位置することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。The connection part where the part of the cooling water branched from the cooling water line and the anode or the cathode gas line are connected is connected from the collecting part where the anode or the cathode off gas of each cell constituting the power generating part is gathered to the power generation part off gas inlet part of the humidifying part. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is located between the fuel cells. アノードもしくはカソードガスラインに接続する一部の冷却水について、その温度を制御可能とする調節機構を設けたことを特徴とする請求項1,2記載の燃料電池システム。3. The fuel cell system according to claim 1, further comprising an adjusting mechanism for controlling the temperature of a part of the cooling water connected to the anode or cathode gas line. 冷却水ラインを分岐した冷却水の一部とアノードもしくはカソードガスラインが接続する接続部に流量調節弁を有し、少なくとも発電部電圧,発電部負荷電流,発電部温度,供給ガス種類およびガス流量の一つの信号から該弁の開閉を判断する機構を備えたことを特徴とする請求項1〜3記載の燃料電池。A flow control valve is provided at the connection between the part of the cooling water branched from the cooling water line and the anode or cathode gas line. 4. The fuel cell according to claim 1, further comprising a mechanism for determining whether the valve is opened or closed based on one of the signals.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011060774A (en) * 2010-11-11 2011-03-24 Casio Computer Co Ltd Fuel cell system

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