JP2005044621A - Fuel cell power generation device and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、起動停止による劣化の抑制または耐久性の向上を図った燃料電池発電装置とその運転方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell power generation apparatus and a method for operating the fuel cell power generation apparatus that suppress deterioration due to start / stop or improve durability.
従来の一般的な固体高分子電解質型燃料電池の構成および動作について図9を参照しながら説明する。図9において1は水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸からなる固体高分子電解質であり、電解質1の両面には一対の電極21および22が形成されている。電極21および22は、多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性および電子伝導性を有するガス拡散層を備えている。また、電極21および22の周囲にはガスの混合やリークを防止するガスケット31および32がそれぞれ配置され、電極21および22にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する導電性のセパレータ板41および42で狭持されている。
The configuration and operation of a conventional general solid polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIG. In FIG. 9,
以上の構成からなる単セルを複数積層したものをスタックとし、単セルまたはスタックを総称して燃料電池5とする。また、燃料ガスを供給する側の電極21をアノード、酸化剤ガスを供給する側の電極22をカソードとする。
A stack obtained by stacking a plurality of single cells having the above configuration is referred to as a stack, and the single cell or stack is collectively referred to as a
アノード21およびカソード22にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して電子負荷を接続すると、アノード21に供給された燃料ガス中に含まれる水素はアノード21と電解質1の界面で電子を放って水素イオンとなる(化1)。
When the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the
水素イオンは電解質1を通ってカソード22へと移動し、カソード22と電解質1の界面で電子を受け取り、カソード22に供給された酸化剤ガス中に含まれる酸素と反応し、水を生成する(化2)。
The hydrogen ions move to the
全反応を(化3)に示す。 The total reaction is shown in (Chemical Formula 3).
このとき電子負荷を流れる電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用することができる。また、一連の反応は発熱反応であるため、反応熱を熱エネルギーとして利用することができる。 At this time, the flow of electrons flowing through the electronic load can be used as DC electrical energy. Moreover, since a series of reactions are exothermic reactions, the reaction heat can be used as thermal energy.
次に、燃料処理部7を備えた一般的な燃料電池発電装置の構成および動作について図9を参照しながら説明する。図9においてメタンなどの炭化水素を含む原料ガスは脱硫部6に供給され、付臭剤などに含まれる硫黄化合物が吸着除去される。そして、燃料処理部7で改質され水素を含む燃料ガスとなり、燃料電池5のアノード21に供給される。燃料処理部7は、メタンなどを改質する改質部71と、発生する一酸化炭素(CO)を変成するCO変成部72と、さらにCOを除去するCO除去部73を備えている。
Next, the configuration and operation of a general fuel cell power generator including the
原料ガスにメタンを用いた場合、改質部71では、水蒸気を伴って(化4)で示した反応が起こり、水素とともに約10%のCOが発生する。
When methane is used as the source gas, in the reforming
その後、発生したCOは(化5)で示すようにCO変成部72で二酸化炭素に酸化され、約5000ppmまで減少する。後流のCO除去器73ではCOだけでなく、燃料ガスの水素まで酸化してしまうので、CO変成部72でできるだけCO濃度を低下させる必要がある。
Thereafter, the generated CO is oxidized to carbon dioxide at the
さらに残ったCOは(化6)で示すようにCO除去器73で酸化され、その濃度は約10ppm以下まで低下する。 Further, the remaining CO is oxidized by the CO remover 73 as shown in (Chemical Formula 6), and its concentration is reduced to about 10 ppm or less.
全反応式を(化7)に示す。 The overall reaction formula is shown in (Chemical Formula 7).
燃料電池5の動作温度域においてアノード21に含まれる白金はCOにより被毒しその触媒活性が劣化するため、通常アノード21には、白金−ルテニウムなどの耐CO性を有する触媒が用いられる。しかし、耐CO性の触媒においても燃料ガス中に含まれるCO濃度は少なくとも10ppm以下に抑えなければならない。
Since platinum contained in the
燃料電池発電装置は、主に前記した燃料電池5と燃料処理部7で構成されるが、家庭用としてメタンを主成分とする都市ガスなどの原料ガスを用いた場合、光熱費メリットを大きくするために、電気消費量の少ない時間帯は停止し、電気消費量の多い時間帯に運転する運転方法が有効である。一般に、昼間は運転して深夜は運転を停止するDSS(Daily Start-up & Shut-down)運転は光熱費メリットを大きくすることができ、燃料電池発電装置は、起動と停止を含む運転パターンに柔軟に対応できることが望ましい。
The fuel cell power generation device is mainly composed of the
また、従来のりん酸型燃料電池発電装置では安全性の観点から、停止時に装置内部に残留した燃料ガスを窒素などの不活性ガスで置換する操作が必要であった。固体高分子電解質型燃料電池発電装置においても不活性ガスパージを用いた停止方法がいくつか報告されている。 Further, in the conventional phosphoric acid type fuel cell power generator, from the viewpoint of safety, it is necessary to replace the fuel gas remaining inside the apparatus with an inert gas such as nitrogen when stopped. Several stopping methods using an inert gas purge have been reported for solid polymer electrolyte fuel cell power generators.
例えば、燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを水または加湿された不活性ガスで置換し、封入した状態で停止していた(特許文献1参照)。これにより、電解質1の保水状態が維持され、再起動時に速やかに発電を開始することができる。
For example, the fuel gas and the oxidant gas remaining in the fuel cell are replaced with water or a humidified inert gas and stopped in a sealed state (see Patent Document 1). Thereby, the water retention state of the
あるいは、酸化剤ガスの供給を停止した状態でセルを発電させ、カソード22の酸素を消費させてからアノード21に窒素などの不活性ガスで置換して燃料電池5を停止していた(特許文献2参照)。これにより、カソード22の酸化を抑制できるだけでなく、電解質1を介し、アノード21から拡散してきた水素が、カソード22に付着した不純物を還元して除去することができる。
しかしながら、前記従来の構成では、不活性ガスとして窒素などのガスボンベが必要であり、装置が大型化するだけでなく、ボンベ交換などのメンテナンスに費用がかかり、経済的でないという課題があった。 However, the conventional configuration requires a gas cylinder such as nitrogen as an inert gas, which not only increases the size of the apparatus but also costs maintenance for cylinder replacement and is not economical.
また、前記従来の水や加湿された不活性ガスをパージする方法では、停止時に燃料電池5の温度が低下し、燃料電池5内部で結露が発生し、体積の減少が生じ、負圧となるため、外部の酸素が流入したり、電解質1が破損したり、電極21および22が短絡するなどといった課題があった。
Further, in the conventional method of purging water or humidified inert gas, the temperature of the
また、前記従来の酸化剤ガスの供給を停止した状態でセルを発電させ、カソード22の酸素を消費させてからアノード21に不活性ガスをパージする方法では、カソード22に消費しきれず残留した酸素や、拡散やリークなどにより混入する空気の影響により、カソード22が酸化され、劣化するという課題があった。また、発電して強制的に酸素を消費させるのでカソード22の電位が一様でなく、停止させる毎にカソードの活性化状況が異なり、起動時の電池電圧がばらつくといった課題があった。
Further, in the conventional method in which the cell is generated in a state where the supply of the oxidant gas is stopped and oxygen in the
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池の停止時に、燃料電池5内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを脱硫した原料ガスで置換することにより、小型で経済的、安全性に優れた燃料発電装置を提供し、さらに起動停止におけるアノード21およびカソード22の酸化による劣化を抑制し、耐久性を向上させる燃料電池発電装置の運転方法を提供することを目的とする。
The present invention solves the above-described conventional problems. When the fuel cell is stopped, the fuel gas and the oxidant gas remaining in the
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電装置とその運転方法は、電解質と、一対の電極と、一対のセパレータ板とからなる燃料電池と、原料ガスを脱硫する脱硫部と、燃料処理部と、ガス置換部とを備え、燃料電池の停止時に、燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスの全部または一部を脱硫した原料ガスで置換するものである。 In order to solve the above-described conventional problems, a fuel cell power generation device and an operation method thereof according to the present invention include a fuel cell including an electrolyte, a pair of electrodes, and a pair of separator plates, and a desulfurization unit that desulfurizes a source gas. The fuel processing unit and the gas replacement unit are provided to replace all or part of the fuel gas and the oxidant gas remaining in the fuel cell with the desulfurized source gas when the fuel cell is stopped.
これによって、窒素などのガスボンベが不要となり、装置の安全性を確保したまま、装置を小型化できるだけでなく、ボンベ交換などに要するメンテナンスとコストを大幅に削減することができる。 This eliminates the need for a gas cylinder such as nitrogen, and can not only reduce the size of the apparatus while ensuring the safety of the apparatus, but also greatly reduce the maintenance and cost required for cylinder replacement.
また、脱硫した原料ガスを用いることにより、アノードおよびカソードの酸化による劣化を抑制し、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。 Further, by using the desulfurized raw material gas, deterioration due to oxidation of the anode and the cathode can be suppressed, and the durability of the fuel cell power generator can be improved.
以上説明したように、本発明の燃料電池発電装置とその運転方法によれば、脱硫した原料ガスを用いることにより、窒素などのガスボンベが不要となり、装置の安全性を確保したまま、装置を小型化できるだけでなく、ボンベ交換などに要するメンテナンスとコストを大幅に削減することができる。 As described above, according to the fuel cell power generator of the present invention and the operation method thereof, by using the desulfurized raw material gas, a gas cylinder such as nitrogen becomes unnecessary, and the device can be reduced in size while ensuring the safety of the device. The maintenance and cost required for cylinder replacement can be significantly reduced.
また、原料ガスで置換することにより、アノードおよびカソードの酸化による劣化を抑制し、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。 Further, by substituting with the source gas, deterioration due to oxidation of the anode and the cathode can be suppressed, and the durability of the fuel cell power generator can be improved.
請求項1に記載の発明は、電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給および排出し、他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とからなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、原料ガスを脱硫する脱硫部と、脱硫した原料ガスから燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料電池の停止時に燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスの全部または一部を脱硫した原料ガスで置換するガス置換部とを備え、脱硫した原料ガスを用いることにより、窒素などのガスボンベが不要となり、装置を小型化できるだけでなく、ボンベ交換などに要するメンテナンスとコストを大幅に削減することができる。 The invention according to claim 1 supplies and discharges an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a fuel gas containing at least hydrogen on one of the electrodes, and supplies and discharges an oxidizing gas containing at least oxygen on the other. A fuel cell comprising at least one cell comprising a pair of separator plates having a gas flow path, a desulfurization unit for desulfurizing a source gas, a fuel processing unit for generating fuel gas from the desulfurized source gas, and a fuel cell A gas replacement unit that replaces all or part of the fuel gas and oxidant gas remaining in the fuel cell at the time of shutdown with desulfurized source gas, and by using the desulfurized source gas, a gas cylinder such as nitrogen becomes unnecessary. Not only can the apparatus be downsized, but also maintenance and cost required for cylinder replacement can be greatly reduced.
また、脱硫した原料ガスで置換することにより、アノードおよびカソードの酸化による劣化を抑制し、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。 Moreover, by substituting with the desulfurized source gas, deterioration due to oxidation of the anode and the cathode can be suppressed, and the durability of the fuel cell power generator can be improved.
請求項2に記載の発明は、特に、請求項1に記載の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給部および排出部に遮断弁を備え、燃料ガスおよび酸化剤ガスを脱硫した原料ガスで置換した後、遮断弁を閉じて、脱硫した原料ガスを燃料電池内に封入することにより、外部から拡散してくる空気(酸素)によるアノードおよびカソードの酸化や、電解質の乾燥を抑制し、不純物などの混入を防止することができ、装置の耐久性を向上させることができる。
The invention described in
請求項3に記載の発明は、電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給および排出し、他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とからなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、燃料電池の停止時に燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換するガス置換部と、燃料電池の電圧を検出する電圧検出部を備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時に停止し、電圧検出部が燃料電池の電圧を所定の電圧以下と検出した後、燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換することにより、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時に停止したとき、アノードから電解質を介して拡散してきた水素が、カソード白金表面上に形成された酸化皮膜や、カソードに付着した不純物を還元して除去するので、カソードが活性化され、これらの要因で低下していた電池電圧を起動時に回復させることができる。 The invention according to claim 3 supplies and discharges an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a fuel gas containing at least hydrogen on one of the electrodes, and supplies and discharges an oxidant gas containing at least oxygen on the other. A fuel cell having at least one cell composed of a pair of separator plates having gas flow paths, and all or part of the fuel gas and oxidant gas remaining in the fuel cell when the fuel cell is stopped with an inert gas A gas replacement unit for replacing, and a voltage detection unit for detecting the voltage of the fuel cell. When the fuel cell is stopped, the supply of the fuel gas and the oxidant gas is stopped at the same time. After detecting below the voltage, supply of fuel gas and oxidant gas is stopped simultaneously by replacing all or part of the fuel gas and oxidant gas remaining in the fuel cell with inert gas. Then, the hydrogen diffused from the anode through the electrolyte reduces and removes the oxide film formed on the surface of the cathode platinum and impurities adhering to the cathode, which activates the cathode. The lowered battery voltage can be recovered at startup.
また、水素が残留したアノードを基準とした場合、電圧検出部で検出する電圧からカソードの電位を推定することができる。アノードから拡散してきた水素により、カソードが活性化されるとき、カソードの電位が低下するので、電圧検出部で検出する電圧からカソードの活性化状況を知ることができ、常に一定の電圧で活性化すれば、起動時の電池電圧を安定化させることができる。 In addition, when the anode in which hydrogen remains is used as a reference, the cathode potential can be estimated from the voltage detected by the voltage detector. When the cathode is activated by the hydrogen diffused from the anode, the cathode potential decreases, so the activation status of the cathode can be known from the voltage detected by the voltage detector, and the cathode is always activated at a constant voltage. If it does, the battery voltage at the time of starting can be stabilized.
また、燃料電池の電圧を所定の電圧まで下げてから、燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換するので、アノードおよびカソードの酸化による劣化を抑制し、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。 In addition, after reducing the voltage of the fuel cell to a predetermined voltage, all or part of the fuel gas and oxidant gas remaining in the fuel cell is replaced with an inert gas, so that deterioration due to oxidation of the anode and cathode is suppressed. In addition, the durability of the fuel cell power generator can be improved.
請求項4に記載の発明は、電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給および排出し、他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とからなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、燃料電池の停止時に燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換するガス置換部と、燃料電池の電圧を検出する電圧検出部を備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止し、電圧検出部が燃料電池の電圧を所定の電圧以下と検出した後、燃料ガスの供給を停止し、燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換することにより、燃料ガスを供給したままと酸化剤ガスの供給を停止したとき、アノードの基準電位がより安定化し、カソードの活性化状況もさらに安定化させることができる。
The invention according to
請求項5に記載の発明は、電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給および排出し、他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とからなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、燃料電池の停止時に燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換するガス置換部と、燃料電池の電圧を検出する電圧検出部を備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換し、電圧検出部が燃料電池の電圧を所定の電圧以下と検出した後、燃料ガスの供給を停止し、燃料電池内に残留した燃料ガスの全部または一部を脱硫した不活性ガスで置換することにより、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスを不活性ガスで置換したとき、カソードの酸素を強制的に排出するので、より早く活性化させることができる。また、ガスを停止しただけでは置換できないガス拡散層などに残留した酸素も置換するので、さらに劣化を抑制することができる。
The invention according to
請求項6に記載の発明は、特に、請求項3〜5に記載の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給部および排出部に遮断弁を備え、燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを各ガス流路の体積の2〜5倍の不活性ガスで置換した後、遮断弁を閉じ、起動するまで燃料電池内に不活性ガスを封入することにより、必要最小限の置換量でアノードおよびカソードの活性状態を保持することができる。
The invention described in
請求項7に記載の発明は、特に、請求項3〜5に記載の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給部および排出部に遮断弁を備え、燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換した後、遮断弁を閉じ、起動する直前に遮断弁を開け、不活性ガスを一定時間供給することにより、長期停止中においてリークなどにより外部から拡散してくる酸素を発電直前に置換することができ、酸素による電極の劣化をさらに抑制することができる。
The invention described in
請求項8に記載の発明は、特に、請求項3〜5に記載の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給部および排出部に遮断弁を備え、燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換した後、遮断弁を閉じ、起動するまでの間、定期的に遮断弁を開け、不活性ガスを一定時間供給することにより、長期停止中においてリークなどにより外部から拡散してくる酸素を定期的に置換することができ、酸素による電極の劣化をさらに抑制することができる。
The invention described in
請求項9に記載の発明は、特に、請求項3〜5に記載の燃料電池の温度が所定の温度以下になった後、燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換することにより、不活性ガスに不純物などが含まれていても、反応温度を下げてその影響を軽減するので、さらに耐久性の向上を図ることができる。
The invention according to
請求項10に記載の発明は、特に、原料ガスを脱硫する脱硫部と、脱硫した原料ガスから燃料ガスを生成する燃料処理部を備え、脱硫した原料ガスを請求項3〜9に記載の不活性ガスとして用いることにより、窒素などのガスボンベが不要となり、装置を小型化できるだけでなく、ボンベ交換などに要するメンテナンスとコストを大幅に削減することができる。 The invention according to claim 10 is provided with a desulfurization section for desulfurizing the raw material gas and a fuel processing section for generating fuel gas from the desulfurized raw material gas. By using it as an active gas, a gas cylinder such as nitrogen becomes unnecessary, and not only the apparatus can be miniaturized, but also maintenance and cost required for cylinder replacement can be greatly reduced.
(実施の形態1)
図1は、本発明の燃料電池発電装置の構成図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration diagram of a fuel cell power generator according to the present invention.
図1において、1は水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマからなる膜状の固体高分子電解質であり、電解質1の両面には一対の電極、アノード21およびカソード22が形成されている。電解質1は、水分を取り込むことにより、電解質1内のスルフォン酸基の水素イオンが解離して電荷担体となり、スルフォン酸基がいくつか凝集して形成される逆ミセル構造の中を通過することで水素イオン伝導性を示す。含水率が下がると電解質1の導電率が低下するため、ガスを加湿して供給し、膜の乾燥を防ぐ方法をとった。
In FIG. 1,
また、発電時、水素イオンがカソード22へ移動する際、アノード21側の水を伴って移動するため、電解質1の含水率はカソード22側で高く、アノード21側で低くなる分布を有する。これを是正するために電解質1の膜厚を薄くし、水が逆拡散するようにした。これにより、導電率は高くなるが、燃料ガスである水素や、酸化剤ガスである酸素の透過も増大し、ガスが電解質1を通して直接反応してしまい、電流効率が低下することが判っている。
In addition, during power generation, when hydrogen ions move to the
本発明では、この従来の欠点とも言える性質を逆に利用し、起動および停止時にカソード22を酸化して劣化させる酸素を、電解質1を通してリークしてくる水素と直接反応させ、効率よく除去し活性化することにより、燃料電池発電装置の耐久性の向上を図るものである。また、カソード22は電池性能を大きく支配しており、特に、カソード22を活性化させることにより電池性能を向上させることができる。
In the present invention, the property which can be said to be the conventional defect is used in reverse, and oxygen which oxidizes and deteriorates the
アノード21およびカソード22は、多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性および電子伝導性を有するガス拡散層からなる。アノード21には、耐CO性を有する白金−ルテニウムなどの合金触媒を用いた。また、ガス拡散層には撥水処理を施したカーボンペーパーあるいはカーボンクロスを用いた。
The
そして、アノード21およびカソード22の周囲にガスの混合やリークを防止するガスケット31および32をそれぞれ配置し、さらに、アノード21およびカソード22にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する導電性のセパレータ板41および42を用いて狭持した。以上のように構成される単セルが発生する電圧は約0.75Vであり、必要とする電圧分の複数の単セルを直列に積層してスタックを形成することができる。
Gaskets 31 and 32 for preventing gas mixing and leakage are disposed around the
また、セパレータ板41および42の両端には集電板と、絶縁板および端板を配置し、締結ロッドで固定した。そして、集電板に電子負荷8および電圧検出部9を接続し、一定電流を流したときの燃料電池5の電圧を検出した。
In addition, current collector plates, insulating plates, and end plates were disposed at both ends of the separator plates 41 and 42, and fixed with fastening rods. And the
図1において、6は脱硫部であり、原料ガスに付臭剤として含まれる硫黄化合物を吸着除去(脱硫)することができる。本実施例では、原料ガスとしてメタン、エタン、プロパンおよびブタンを主成分とする都市ガス13Aを用いた。脱硫された原料ガスは、水とともに燃料処理部7へ供給され、改質反応により水素を含む燃料ガスが生成される。燃料処理部7は、メタンなどを改質する改質部71と、発生するCOを変成するCO変成部72およびCOを除去するCO除去部73からなる。
In FIG. 1, 6 is a desulfurization part and can adsorb and remove (desulfurize) a sulfur compound contained as a odorant in the raw material gas. In this example, city gas 13A mainly composed of methane, ethane, propane and butane was used as a raw material gas. The desulfurized raw material gas is supplied to the
生成された燃料ガスは、流量制御部101により所定の流量で燃料電池5のアノード21に供給される。また、酸化剤ガスは、大気からファンなどにより取り込まれ、流量制御部102により所定の流量で燃料電池5のカソード22に供給される。また、燃料ガスおよび酸化剤ガスが膜を乾燥させないようそれぞれ加湿して供給した。
The generated fuel gas is supplied to the
また、11は切替弁であり、脱硫された原料ガスを発電時に燃料処理部7へ供給し、停止時に燃料電池5のアノード21およびカソード22へ供給するように流路を切り替えることができる。停止時、原料ガスは、それぞれ流量制御部101および102により所定の流量でアノード21およびカソードに供給される。また、所定の体積を供給した後、置換した原料ガスを封入するため、アノード21およびカソード22のガス流路の供給部および排出部にそれぞれ遮断弁121a、121b、122aおよび122bを設けた。ガス流路の供給部側の遮断弁121aおよび122aは、それぞれ流量制御部101および102の前流に設けられ、発電時に燃料処理部7から供給される燃料ガスと、停止時に脱硫部6から供給される脱硫された原料ガスの流路を切り替える切替弁としても用いた。
Reference numeral 11 denotes a switching valve, which can switch the flow path so that the desulfurized source gas is supplied to the
以上前記した脱硫部6と、切替弁11と、流量制御部101および102と、遮断弁121a、121b、122aおよび122b、およびこれらを繋ぐ配管、ガス流路をガス置換部とする。
The
上記構成の燃料電池発電装置を用い、停止および起動時にアノード21およびカソード22の両方に脱硫した原料ガスをパージして、残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ置換する運転方法について検討した。
Using the fuel cell power generator configured as described above, an operation method was investigated in which the raw gas desulfurized on both the
まず、アノード21に燃料ガス、カソード22に酸化剤ガスを所定量供給し、セル温度約70℃、燃料ガス利用率約75%、酸化剤ガス利用率約40%とし、電子負荷8により電極面積に対して約0.2A/cm2の一定電流を流した。このとき燃料電池5に接続した電圧検出部9で検出した電池電圧は約0.75Vであった。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは露点がそれぞれ65℃、70℃となるように加湿して供給した。
First, a predetermined amount of fuel gas is supplied to the
図2は、運転方法1のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP1)、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時に停止した(STEP2)。続いて燃料電池5内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを不活性ガスで置換し(STEP3)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じて不活性ガスを燃料電池5内に封入した(STEP4)。
FIG. 2 is a flowchart of the
本実施例では、不活性ガスに脱硫した原料ガスを用いた。脱硫した原料ガスを用いることにより、都市ガスなどのインフラを用いることができ、窒素などのガスボンベが不要となり、装置を小型化できるだけでなく、ボンベ交換などに要するメンテナンスとコストを大幅に削減することができる。 In this example, a raw material gas desulfurized to an inert gas was used. By using desulfurized source gas, it is possible to use infrastructure such as city gas, eliminating the need for gas cylinders such as nitrogen, not only miniaturizing equipment, but also greatly reducing maintenance and costs required for cylinder replacement, etc. Can do.
また、脱硫した原料ガスで置換することにより、アノード21およびカソード22に含まれる白金などの貴金属に吸着して酸化劣化を引き起こす原因となる酸素および酸化種を減少あるいは除去することができ、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。
Further, by substituting with the desulfurized raw material gas, it is possible to reduce or remove oxygen and oxidizing species that cause oxidative degradation by adsorbing to noble metals such as platinum contained in the
また、燃料ガスおよび酸化剤ガスを置換した後、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じて、原料ガスを燃料電池5内に封入することにより、外部から拡散してくる空気(酸素)によるアノード21およびカソード22の酸化や、電解質1の乾燥を抑制し、不純物などの混入を防止することができ、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。
In addition, after replacing the fuel gas and the oxidant gas, the shutoff valves 121a, 121b, 122a and 122b are closed, and the raw material gas is sealed in the
燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを置換する不活性ガス(原料ガス)は加湿することなく供給するため、電解質1膜を乾燥させぬようその体積は必要最小限とした。置換する前の各ガス流路に存在する燃料ガスあるいは酸化剤ガスの濃度をC0、ガス流路の体積をVとすると、時間Δtの間に不活性ガスをΔVだけ流したとき、Δt後の濃度Ct1は(数1)で表される。
Since the inert gas (raw material gas) that replaces the fuel gas and the oxidant gas remaining in the fuel cell is supplied without being humidified, its volume is kept to a minimum so that the
さらにΔt後の濃度Ct2は(数2)で表される。 Further, the density C t2 after Δt is expressed by (Equation 2).
したがってnΔt後の濃度Ctnは(数3)で表される。 Therefore, the concentration C tn after nΔt is expressed by (Equation 3).
このとき、不活性ガスがガス流路の体積Vのk倍流れたとすると、(数4)が成り立つ。 At this time, assuming that the inert gas flows k times the volume V of the gas flow path, (Equation 4) holds.
したがって、(数3)は、(数5)で表される。 Therefore, (Equation 3) is expressed by (Equation 5).
二項定理およびTaylor展開を用いると、(数5)から(数6)を導き出すことができる。 Using the binomial theorem and Taylor expansion, (Equation 6) can be derived from (Equation 5).
(数6)によれば、不活性ガスを各ガス流路の体積の2〜5倍流したとき、置換される燃料ガスあるいは酸化剤ガスの濃度は、初期濃度の約14〜0.7%まで置換することができる。 According to (Equation 6), when the inert gas is flowed 2 to 5 times the volume of each gas flow path, the concentration of the fuel gas or oxidant gas to be replaced is about 14 to 0.7% of the initial concentration. Can be substituted.
本実施例の場合、各ガス流路に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを各ガス流路の3倍の体積の不活性ガスで置換した。酸化剤ガスとして空気を用いたので、カソード22側のガス流路内の酸素濃度はわずか1%程度まで減少していることが判った。この状態で不活性ガスを封入するので、アノード21およびカソード22の酸化による劣化を抑制することができる。
In the case of this example, the fuel gas and the oxidant gas remaining in each gas channel were replaced with an inert gas having a volume three times that of each gas channel. Since air was used as the oxidant gas, it was found that the oxygen concentration in the gas flow path on the
また、必要最小限の体積でガスを置換するので、電解質1の保湿状態に与える影響を小さくすることができる。
Further, since the gas is replaced with the minimum necessary volume, the influence on the moisture retention state of the
(実施の形態2)
図3は、運転方法2のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP11)、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時に停止した(STEP12)。これにより、アノード21の水素が電解質1を介してカソード22へ拡散し、酸素と反応して水を生成し、カソード22中の酸素を消費するため、燃料電池5の電圧が徐々に低下した。電圧検出部9が燃料電池5の電圧を所定の電圧以下と検出したら(STEP13)、燃料電池5内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを不活性ガスで置換して(STEP14)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じ、不活性ガスを燃料電池5内に封入した(STEP15)。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a flowchart of the
運転方法1と異なるところは、燃料電池5の電圧を検出し、所定の電圧まで下げてから、アノード21およびカソード22を不活性ガスで置換する点である。
The difference from the
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時に停止することにより、アノード21から電解質1を介して拡散してきた水素が、カソード22白金表面上に形成された酸化皮膜や、カソード22に付着した不純物を還元して除去するので、カソード22が活性化され、これらの要因で低下していた電池電圧を起動時に回復させることができる。
By simultaneously stopping the supply of the fuel gas and the oxidant gas, the hydrogen diffused from the
このときの燃料電池5の電圧は最終的には0〜0.2Vまで下がるが、本実施例では0.2V以下になったら、不活性ガスで置換するようにした。0.2V以下まで電圧を下げることにより、カソード22の電位が低下し、カソード22の白金表面が十分に活性化される。0.2Vより高い電圧でも活性化は起こるが、その電圧が高いほど活性化の効果は弱まり、起動時に回復する電圧も小さくなる。
At this time, the voltage of the
また、水素が残留したアノード21を基準とした場合、電圧検出部9で検出する電圧からカソード22の電位を推定することができる。アノード21から拡散してきた水素により、カソード22が活性化されるとき、カソード22の電位が低下するので、電圧検出部9で検出する電圧からカソード22の活性化状況を知ることができ、検出した電圧で活性化することにより、起動時の電池電圧を安定化させることができる。
Further, when the
また、燃料電池5の電圧を所定の電圧まで下げてから、燃料電池5内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを不活性ガスで置換するので、アノード21およびカソード22の酸化による劣化が抑制され、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。
Further, since the fuel gas and the oxidant gas remaining in the
なお、電子負荷8を停止してから、アノード21およびカソード22に供給するガスを停止するまでの間、電池電圧は開回路電圧になる。このときの開回路電圧は0.9V以上となり、カソード22の電位が高電位に曝されることになる。カソード22の電位が0.9V以上になると、白金の溶出およびシンタリングによる触媒反応面積の減少や、白金の酸化、酸化種の吸着による反応面積の減少などが起こるので、電子負荷8を停止してから、アノード21およびカソード22に供給するガスを停止するまでの時間は極力少なくして開回路電圧に保持する時間を短くするか、電子負荷8を停止したら開回路電圧にならないように、外部抵抗などにより電流を流し、電圧を低下させることが好ましい。
The battery voltage is an open circuit voltage from when the
また、カソード22よりもアノード21に供給するガスを早く停止した場合、カソード22から拡散透過してくる酸素によりアノード21の電位が上昇する。アノードの電位が高電位に曝されると、触媒に含まれているルテニウムなどが溶出し、CO被毒性能が低下するので、アノード21の電位が上がらないよう、カソード22と同時もしくはカソード22を止めてからアノードを止めるのが好ましい。
When the gas supplied to the
(実施の形態3)
図4は、運転方法3のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP21)、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止した(STEP22)。これにより、アノード21の水素が電解質1を介してカソード22へ拡散し、酸素と反応して水を生成し、カソード22中の酸素を消費するため、燃料電池5の電圧が徐々に低下した。電圧検出部9が燃料電池5の電圧を所定の電圧以下と検出したら(STEP23)、燃料ガスの供給を停止し(STEP24)、燃料電池5内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを不活性ガスで置換して(STEP25)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じ、不活性ガスを燃料電池5内に封入した(STEP26)。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a flowchart of the
運転方法2と異なるところは、まず酸化剤ガスを停止し、燃料電池5の電圧を所定の電圧まで下げてから、燃料ガスを停止して、最後にアノード21およびカソード22を不活性ガスで置換する点である。
The difference from the
燃料ガスを供給したままと酸化剤ガスの供給を停止することにより、水素が拡散によりカソード21へ透過しても、アノード21に水素が供給され続けるので、アノード21の基準電位が安定化し、カソード22の電位は運転方法2よりも早く低下し、カソード22をより活性化することができる。
By stopping the supply of the oxidant gas while supplying the fuel gas, even if hydrogen permeates to the
また、カソード22の電位が早く低下するので、カソード22を開回路電圧のような高電位に保持される時間を短縮することができ、カソード22の劣化を抑制することができる。
In addition, since the potential of the
(実施の形態4)
図5は、運転方法4のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP31)、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止した(STEP32)。次いで酸化剤ガスの供給を停止すると同時にカソード22側に不活性ガスを供給し、カソード22に残留した酸化剤ガスを不活性ガスで置換した(STEP33)。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a flowchart of the
これにより、アノード21の水素が電解質1を介してカソード22へ拡散し、酸素と反応して水を生成し、カソード22中の酸素を消費するため、燃料電池5の電圧が瞬時に低下した。電圧検出部9が燃料電池5の電圧を所定の電圧以下と検出したら(STEP34)、燃料ガスの供給を停止し(STEP35)、アノード21に残留した燃料ガスを不活性ガスで置換して(STEP36)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じ、不活性ガスを燃料電池5内に封入した(STEP37)。
As a result, hydrogen in the
運転方法3と異なるところは、酸化剤ガスを停止すると同時にカソード22に不活性ガスを供給し、燃料電池5の電圧を所定の電圧まで下げてから、燃料ガスを停止して、最後にアノード21を不活性ガスで置換する点である。
The difference from the
燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスを不活性ガスで置換することにより、カソード22の酸素を強制的に排出することができ、カソード22の電位は運転方法3よりもさらに早く低下し、より活性化させることができる。また、ガスを停止しただけでは置換できないガス拡散層などに残留した酸素も置換することができるので、さらに劣化を抑制することができる。
By replacing the oxidant gas with an inert gas while supplying the fuel gas, the oxygen of the
(実施の形態5)
図6は、運転方法5のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP41)、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止した(STEP42)。次いで酸化剤ガスの供給を停止すると同時にカソード22側に不活性ガスを供給し、カソード22に残留した酸化剤ガスを不活性ガスで置換した(STEP43)。
(Embodiment 5)
FIG. 6 is a flowchart of the
これにより、アノード21の水素が電解質1を介してカソード22へ拡散し、酸素と反応して水を生成し、カソード22中の酸素を消費するため、燃料電池5の電圧が瞬時に低下した。電圧検出部9が燃料電池5の電圧を所定の電圧以下と検出したら(STEP44)、燃料ガスの供給を停止し(STEP45)、アノード21に残留した燃料ガスを不活性ガスで置換して(STEP46)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じ、不活性ガスを燃料電池5内に封入した(STEP47)。
As a result, hydrogen in the
そして、燃料電池5の起動直前になったら(STEP48)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを開け(STEP49)、再度アノード21およびカソード22に不活性ガスを一定量必要最小限供給し(STEP50)、その後アノード21およびカソード22にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し(STEP51)、負荷を起動した(STEP52)。
Then, immediately before the start of the fuel cell 5 (STEP 48), the shut-off valves 121a, 121b, 122a and 122b are opened (STEP 49), and a certain amount of inert gas is supplied to the
運転方法4と異なるところは、燃料電池5の起動直前に、再度アノード21およびカソードに不活性ガスを供給する点である。
The difference from the
起動する直前に不活性ガスを一定時間供給することにより、長期停止した場合、リークなどにより外部から拡散してくる酸素を発電直前に除去することができ、酸素による電極の劣化をさらに抑制することができる。 By supplying an inert gas for a certain period of time immediately before start-up, oxygen that diffuses from the outside due to leakage or the like can be removed immediately before power generation in the event of long-term shutdown, further suppressing deterioration of the electrode due to oxygen Can do.
また、アノード21側に酸素が混入した状態で燃料ガスを供給すると燃焼や爆発が起こる可能性があり、原因となる酸素を燃料ガス供給直前に排除するので、安全性を向上させることができる。
In addition, if fuel gas is supplied in a state where oxygen is mixed into the
(実施の形態6)
図7は、運転方法6のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP61)、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止した(STEP62)。次いで酸化剤ガスの供給を停止すると同時にカソード22側に不活性ガスを供給し、カソード22に残留した酸化剤ガスを不活性ガスで置換した(STEP63)。
(Embodiment 6)
FIG. 7 is a flowchart of the
これにより、アノード21の水素が電解質1を介してカソード22へ拡散し、酸素と反応して水を生成し、カソード22中の酸素を消費するため、燃料電池5の電圧が瞬時に低下した。電圧検出部9が燃料電池5の電圧を所定の電圧以下と検出したら(STEP64)、燃料ガスの供給を停止し(STEP65)、アノード21に残留した燃料ガスを不活性ガスで置換して(STEP66)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じ、不活性ガスを燃料電池5内に封入した(STEP67)。
As a result, hydrogen in the
そして、リークなどによりわずかに混入してくる空気を一定期間ごとに除去するため、所定の時間が経過したら(STEP68)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを開け(STEP69)、再度アノード21およびカソード22に不活性ガスを一定量必要最小限供給した(STEP70)。起動直前になったら(STEP71)、アノード21およびカソード22にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し(STEP72)、負荷を起動した(STEP73)。
Then, in order to remove air that is slightly mixed in due to leakage or the like at regular intervals (STEP 68), the shut-off valves 121a, 121b, 122a and 122b are opened (STEP 69), and the
運転方法4と異なるところは、定期的に一定時間アノード21およびカソードに不活性ガスを供給する点である。
A difference from the
起動するまでの間、定期的に一定時間不活性ガスを供給することにより、長期停止した場合、リークなどにより外部から拡散してくる酸素を定期的に置換することができ、酸素による電極の劣化をさらに抑制することができる。 By supplying an inert gas periodically for a certain period of time until startup, oxygen that diffuses from the outside due to leaks can be replaced periodically when it stops for a long time, and the electrode deteriorates due to oxygen. Can be further suppressed.
(実施の形態7)
図8は、運転方法7のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP81)、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止した(STEP82)。これにより、アノード21の水素が電解質1を介してカソード22へ拡散し、酸素と反応して水を生成し、カソード22中の酸素を消費するため、燃料電池5の電圧が徐々に低下した。電圧検出部9が燃料電池5の電圧を所定の電圧以下と検出したら(STEP83)、燃料ガスの供給を停止した(STEP84)。
(Embodiment 7)
FIG. 8 is a flowchart of the
そして、燃料電池5の温度が30℃以下になったら(STEP85)、燃料電池5内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを不活性ガスで置換して(STEP86)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じ、不活性ガスを燃料電池5内に封入した(STEP87)。
When the temperature of the
運転方法3と異なるところは、燃料電池5の温度が所定の温度以下になった後、燃料電池5内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを不活性ガスで置換する点である。
The difference from the
温度を下げてから置換することにより、不活性ガスに不純物などが含まれていても、反応温度を下げてその影響を軽減するので、さらに耐久性の向上を図ることができる。 By substituting after the temperature is lowered, even if impurities are contained in the inert gas, the reaction temperature is lowered to reduce the influence thereof, so that the durability can be further improved.
本発明の燃料電池発電装置とその運転方法は、起動停止による劣化の抑制または耐久性の向上という効果を有し、高分子型固体電解質膜を用いた発電装置、デバイスに有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The fuel cell power generation device and the operation method thereof according to the present invention have an effect of suppressing deterioration due to start and stop or improving durability, and are useful for power generation devices and devices using a polymer solid electrolyte membrane.
また、不活性ガスに都市ガスなどの原料ガスを用いるので、定置用燃料電池コジェネレーションシステムにも有用である。 In addition, since a source gas such as city gas is used as the inert gas, it is also useful for a stationary fuel cell cogeneration system.
1 電解質
21 電極(アノード)
22 電極(カソード)
41、42 セパレータ板
5 燃料電池
6 脱硫部
7 燃料処理部
9 電圧検出部
121a、121b、122a、122b 遮断弁
1
22 electrode (cathode)
41, 42
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