JP2005085534A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は固体高分子型燃料電池システムに関するものであり、特に氷点下起動時に速やかに起動できる燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that can be started quickly when starting below freezing.
従来、起動時に燃料電池を暖機するために燃料電池の空気極に水素を供給し酸素と反応させ、その反応熱を燃料電池の暖機に使用するものが、特許文献1に開示されている。
しかし、上記の発明では、燃料電池の空気極において水素と酸素との反応により空気極に水が生成され、触媒表面が水または氷で覆われ、酸素が触媒と接しないために燃料電池の反応が阻害されるために燃料電池で発電を行うことができない、または燃料電池の出力が小さくなるといった問題点がある。 However, in the above invention, water is generated in the air electrode by the reaction of hydrogen and oxygen at the air electrode of the fuel cell, the surface of the catalyst is covered with water or ice, and oxygen does not contact the catalyst. As a result, the fuel cell cannot generate power or the output of the fuel cell is reduced.
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池を暖機する際に燃料電池の酸素極での水生成を抑え、起動を速やかに行うことを目的とする。 The present invention has been invented to solve such problems, and it is an object of the present invention to suppress the generation of water at the oxygen electrode of the fuel cell when the fuel cell is warmed up and to quickly start up the fuel cell.
本発明では、燃料電池システムにおいて、酸素極に空気を供給する空気供給手段と、酸素極に一酸化炭素を供給する一酸化炭素供給手段と、燃料電池システムの起動時に空気供給手段からの空気に加えて、一酸化炭素供給手段からも一酸化炭素を供給し、空気と一酸化炭素との酸化反応による反応熱により燃料電池スタックを暖機する手段と、備える。 In the present invention, in the fuel cell system, air supply means for supplying air to the oxygen electrode, carbon monoxide supply means for supplying carbon monoxide to the oxygen electrode, and air from the air supply means when the fuel cell system is started. In addition, there is provided means for supplying carbon monoxide also from the carbon monoxide supply means and for warming up the fuel cell stack by reaction heat due to an oxidation reaction between air and carbon monoxide.
本発明によると、燃料電池システムの起動時に燃料電池の酸素極に一酸化炭素と空気を供給し、一酸化炭素の酸化反応熱によって燃料電池スタックを暖機するので、水を生成することなく、氷点下起動時においても燃料電池スタックを速やかに、かつ効率良く起動することができる。 According to the present invention, carbon monoxide and air are supplied to the oxygen electrode of the fuel cell at the time of starting the fuel cell system, and the fuel cell stack is warmed up by the oxidation reaction heat of carbon monoxide. Even at the time of starting below freezing, the fuel cell stack can be started quickly and efficiently.
本発明の第1実施形態の構成を図1を用いて説明する。 The configuration of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本発明の第1実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック7で発電を行うための原料であるメタノールを貯留するメタノールタンク1と、同じく水を貯留する水タンク2と、メタノールと水を加熱し蒸発させる蒸発器3と、蒸発器3で蒸発したメタノールと水を、水素を含む改質ガスに改質する水蒸気改質反応器4と、水蒸気改質反応器4の下流に設けられ、水蒸気改質反応器4で改質された改質ガス中の水素を選択的に分離する水素分離精製器5と、水素分離精製器5によって水素リッチになった改質ガスと空気圧縮機6によって供給される空気とによって発電を行う燃料電池スタック7と、水素分離精製器5によって水素と分離された改質ガス中に含まれる一酸化炭素を吸着する一酸化炭素吸着器14と、燃料電池スタック7の酸素極へ一酸化炭素を供給する一酸化炭素蓄積手段である一酸化炭素蓄積容器16と、一酸化炭素蓄積容器16の下流に設けられ、一酸化炭素の濃度を測定する一酸化炭素センサ20と、蒸発器3に熱を供給する燃焼器8とからなる。
The fuel cell system according to the first embodiment of the present invention includes a methanol tank 1 that stores methanol, which is a raw material for generating power in the fuel cell stack 7, a water tank 2 that similarly stores water, and heats methanol and water. An evaporator 3 to be evaporated, a
水蒸気改質反応器4は蒸発器3によって蒸発したメタノールと水とを水蒸気改質反応によって水素を含む改質ガスを生成する。
The
水素分離精製器5は多孔質アルミナ基体管外表面上にパラジウム−銀合金からなる水素分離膜を設けており、水蒸気改質反応器4で生成された改質ガスを水素分離膜に通すことにより、一次側から二次側へと選択的に水素が透過する水素分離体からなる。水素を分離し、一酸化炭素、二酸化炭素、水(水蒸気)、未反応メタノールを含んだ改質ガスは一次側出口5aより排出され、また分離されたごく微量の一酸化炭素を含む水素リッチな改質ガスは二次側出口5bから排出される。
The hydrogen separator /
燃料電池スタック7は、酸素極に空気を供給する空気供給手段である空気圧縮機6によって酸素を含んだ空気がクーラ9によって反応に適した温度に調整された後にバルブ22を介して空気極へ供給され、水素分離精製器5によって水素リッチになった改質ガスが、クーラ10によって反応に適した温度に調整された後にバルブ23を介して燃料極へ供給され、発電を行う。
In the fuel cell stack 7, air containing oxygen is adjusted to a temperature suitable for reaction by a
一酸化炭素吸着器14は、水素分離精製器5の一次側出口5aから排出され、除湿機11によって水分を吸収された改質ガス中の一酸化炭素を吸着剤によって吸着、すなわち一酸化炭素を回収する一酸化炭素回収器である。吸着剤としては、ハロゲン化銅、ジアミン化合物、ピリジンまたはその誘導体及び活性炭、シリカアルミナ、シリカゲルなどを用いる。
The carbon monoxide adsorber 14 adsorbs carbon monoxide in the reformed gas discharged from the
燃焼器8は水素分離精製器5の一次側出口5aから排出された改質ガスや、燃料電池スタック7からコンデンサ26を介して供給される排水素、またはクーラ10から燃料電池7の燃料極へ供給される水素の一部をバルブ27によって調整し、燃料電池スタック7からの排空気によって燃焼させる。その燃焼熱は蒸発器3でのメタノールと水を蒸発させるために使用される。
The
蒸発器3においてメタノールタンク1から供給されるメタノールと、水タンク2から供給される水とが、燃焼器8からの熱によりそれぞれ蒸気となり、蒸気となったメタノールと水は水蒸気改質反応器4において水素リッチな改質ガスに改質される。
In the evaporator 3, the methanol supplied from the methanol tank 1 and the water supplied from the water tank 2 are converted into steam by the heat from the
改質ガスは水素分離精製器5において水素とその他の物質を含んだガスに分離され、水素は二次側出口5bよりクーラ10を通り燃料電池スタック7での発電に適した温度に調節された後、バルブ23を介して燃料電池スタック7の燃料極に供給される。また、クーラ10を通った水素は、バルブ27によってその一部が燃焼器8に供給され、燃焼される。空気圧縮機6によって圧縮された空気はクーラ9によって燃料電池スタック7の反応に適した温度に調節された後、バルブ22を介して燃料電池スタック7の燃料極に供給される。
The reformed gas is separated into a gas containing hydrogen and other substances in the hydrogen separator /
水素分離精製器5によって分離され、一次側出口5aから排出され水素を分離した改質ガスの一部は、除湿器11で水分を吸収された後にバルブ12を経て一酸化炭素吸着器14に導入され、一酸化炭素吸着器14内に設けられた一酸化炭素吸着剤に一酸化炭素が吸着される。燃料電池システムの運転時に或る所定の一酸化炭素が一酸化炭素吸着剤に吸着するとバルブ12、13を閉じて一酸化炭素吸着器14と燃料電池システムとを遮断し、バルブ25を開いて外部と接続し、吸引ポンプ15を動作させることによって吸着剤に吸着した一酸化炭素を吸引し、一酸化炭素蓄積容器16へ一酸化炭素を送り、一酸化炭素蓄積容器16において一酸化炭素を蓄える。この時バルブ21は閉じてあり、一酸化炭素蓄積容器16内の圧力は高くなる。その後バルブ12、13を開き、一酸化炭素を吸着された残りの改質ガスは燃焼器8へ送られ燃焼される。
A part of the reformed gas separated by the hydrogen separator /
次回の起動時、特に氷点下起動時にはバルブ21を開き、一酸化炭素蓄積容器16内に蓄えられた一酸化炭素を空気圧縮機6から供給される空気に混入させ、空気中の酸素により一酸化炭素を燃料電池7内で酸化反応させる。このときに発生する熱を用いて燃料電池スタック7を暖機する。このとき、一酸化炭素の濃度をバルブ21の上流に設けた一酸化炭素濃度センサ20によって測定し、予めコントローラ24に記憶された一酸化炭素濃度と空気圧縮機6から供給する空気量と燃料電池スタック7との関係数式あるいはマップなどにより、燃料電池スタック7の空気極の一酸化炭素被毒を抑え、所定の出力電圧(例えば、0.4V)以上を得ることができ、更に燃料電池スタック7を暖機するように、空気圧縮機6から供給する空気量を調整する。
The
燃料電池スタック7の上流流路にそれぞれシャットオフ弁22、23を設け、このシャットオフ弁22、23を同時に開くことにより、燃料電池スタック7の燃料極、酸素極に同時に水素と空気を供給する。燃料電池スタック7の燃料極、酸素極に同時に水素と空気を供給しない場合では、水素を燃料極に供給した後に空気を酸素極に供給すると、水素が燃料極から酸素極へ移動する水素のクロスオーバーが起き、反応時に水を生成する。また、空気を酸素極に供給した後に水素を燃料極に供給すると、水素の欠乏による燃料極の劣化が起こる。そこでシャットオフ弁22、23を設け、シャットオフ弁22、23を同時に開くことで酸素極における水の生成や燃料極の劣化を抑えることができる。
本発明の第1実施形態の効果について説明する。 The effect of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
運転時に原料改質で生成された改質ガス中の一酸化炭素を一酸化炭素蓄積容器16に蓄えておき、起動時、特に氷点下起動時に一酸化炭素蓄積容器16から蓄えておいた一酸化炭素を燃料電池スタック7の空気極に供給し、空気圧縮機6によって供給される空気との酸化反応によって生じる熱を燃料電池スタック7の暖機に使用するので、燃料電池システムの起動を速やかに行うことができる。
Carbon monoxide in the reformed gas generated by the raw material reforming during operation is stored in the carbon
一酸化炭素を酸化させることで凍結の原因となる水の生成を抑えることができる。また一酸化炭素吸着器14に導入するガスは、除湿器11によってガス中の水分を除去されるので燃料電池スタック7に供給する一酸化炭素は十分に乾燥しており、更に水の生成を抑えることができる。また、燃料電池スタック7の燃料極、酸素極のそれぞれ上流にバルブ22、23を設け、各バルブを同時に開くことで燃料ガスである水素と空気とを同時に燃料電池スタック7のそれぞれの極に供給するので、水素のクロスオーバーを防ぐことができ、酸素極における水生成を抑えることができ、また燃料極の劣化を抑えることができる。
Oxidation of carbon monoxide can suppress generation of water that causes freezing. Further, since the gas introduced into the
一酸化炭素濃度センサ20によって一酸化炭素の濃度を測定し、その濃度に応じて空気圧縮機6からの空気量を調節するので、酸素極が一酸化炭素で被毒することを防ぐことができ、燃料電池スタック7の電圧の低下を防ぐことができる。
Since the concentration of carbon monoxide is measured by the carbon
次に本発明の第2実形態について図2を用いて説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第2実施形態については図1と異なる部分を説明する。 The second embodiment will be described with respect to parts different from FIG.
第2実施形態ではクーラ10の直下流に一酸化炭素吸着器30を設け、水素分離精製器5の一次側出口5a下流にメタノールセンサ31を設ける。
In the second embodiment, the
一酸化炭素吸着器30は水素分離精製器5において分離された水素リッチな改質ガス中に僅かに含まれる一酸化炭素を吸着除去し、水素濃度が更に高くなった改質ガスを燃料電池スタック7の燃料極に供給する。吸着された一酸化炭素は次回の起動時に吸引ポンプ15を経由して、燃料電池スタック7の空気極に供給される。
The carbon monoxide adsorber 30 adsorbs and removes carbon monoxide slightly contained in the hydrogen-rich reformed gas separated in the hydrogen separator /
水素分離精製器5の一次側出口5aから排出される改質ガス中の未反応のメタノール濃度をメタノールセンサ31によって測定し、メタノール濃度が所定の値で安定するとバルブ12、13を開き、一酸化炭素吸着器14に水素分離精製器5の一次側出口5aから排出された改質ガスを連続して流入させ、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を吸着させる。
The unreacted methanol concentration in the reformed gas discharged from the
本発明の第2実施形態の効果について説明する。 The effect of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.
一酸化炭素吸着器30によって水素分離精製器5の二次側出口5bから排出され、燃料電池スタック7の燃料極に供給する改質ガス中の一酸化炭素を除去するので、燃料極の被毒を低減でき、効率の良く燃料電池スタック7を起動することができる。また、吸着された一酸化炭素を起動時、特に氷点下起動時に空気と反応させることによって、燃料電池スタック7を更に素早く暖機することができる。
The
メタノールセンサ31によって水素分離精製器5の一次側出口5aから排出される水素を分離した改質ガス中のメタノール濃度を測定し、メタノール濃度が安定した後に一酸化炭素吸着器14へ改質ガスを導入し、一酸化炭素を吸着させるのでメタノール濃度の高い改質ガスが一酸化炭素吸着器14に混入することが無く、起動時に水素を含むガスを燃料電池スタック7の酸素極に混入するのを防ぐことができる。
The methanol concentration in the reformed gas from which hydrogen discharged from the
次に本発明の第3実形態について図3を用いて説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第3実施形態については図1と異なる部分を説明する。 The third embodiment will be described with respect to the differences from FIG.
第3実施形態では、高圧水素ボンベ33と、一酸化炭素ボンベ32を設け、燃料改質を行わず純水素を燃料電池の燃料極へ供給する。
In the third embodiment, a high-
高圧水素ボンベ33から燃料電池スタック7の燃料極に純水素が供給され、空気圧縮機6から空気が燃料電池スタック7に供給され、反応を行う。
Pure hydrogen is supplied from the high-
起動時、特に氷点下起動時には一酸化炭素ボンベ32から一酸化炭素が燃料電池スタック7の酸素極に供給され、空気圧縮機6から供給される空気によって酸化され発熱し、燃料電池スタック7を暖機する。
At startup, particularly at below freezing, carbon monoxide is supplied from the
本発明の第3実施形態の効果について説明する。 The effect of the third embodiment of the present invention will be described.
起動時には一酸化炭素ボンベ32より一酸化炭素を燃料電池スタック7に供給するので、素早く、安定した一酸化炭素を供給することができ、水を生成することなく、燃料電池の加熱、暖機を行うことができる。
Since carbon monoxide is supplied to the fuel cell stack 7 from the
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.
本発明は、燃料改質型の燃料電池システムに利用することができ、特に早急な始動性能が必要な、例えば燃料電池自動車などに利用することができる。 The present invention can be used for a fuel reforming type fuel cell system, and can be used for, for example, a fuel cell vehicle that requires particularly quick start performance.
3 蒸発器
4 水蒸気改質反応器
5 水素分離精製器
6 空気圧縮機
7 燃料電池スタック
8 燃焼器
11 除湿器
14 一酸化炭素吸着器
15 吸引ポンプ
16 一酸化炭素蓄積容器
20 一酸化炭素濃度センサ
30 一酸化炭素吸着器
31 メタノールセンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3
Claims (5)
前記酸素極に空気を供給する空気供給手段と
前記酸素極に供給する一酸化炭素を蓄える一酸化炭素蓄積手段と、
燃料電池システム起動時に前記空気供給手段からの空気とともに前記一酸化炭素蓄積手段から一酸化炭素を前記酸素極に供給し、一酸化炭素の酸化反応熱により前記燃料電池スタックを暖機する手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system including a fuel cell stack in which hydrogen is supplied to the fuel electrode and air is supplied to the oxygen electrode,
Air supply means for supplying air to the oxygen electrode; carbon monoxide storage means for storing carbon monoxide supplied to the oxygen electrode;
Means for supplying carbon monoxide from the carbon monoxide accumulating means to the oxygen electrode together with air from the air supply means when starting the fuel cell system, and for warming up the fuel cell stack by heat of oxidation reaction of carbon monoxide; A fuel cell system comprising:
前記改質反応器の下流に位置し、前記改質ガスから前記燃料電池スタックの前記燃料極に供給する水素を分離する水素分離精製器と、
前記水素分離精製器で水素と分離された前記改質ガス中に含まれる一酸化炭素の一部を回収する一酸化炭素回収器と、を備え、
前記一酸化炭素回収器によって回収する一酸化炭素を前記一酸化炭素蓄積手段に蓄積することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 A reforming reactor for reforming the raw material into a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide;
A hydrogen separation and purification device that is located downstream of the reforming reactor and separates hydrogen supplied from the reformed gas to the fuel electrode of the fuel cell stack;
A carbon monoxide recovery unit that recovers a part of carbon monoxide contained in the reformed gas separated from hydrogen by the hydrogen separation and purification device,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein carbon monoxide recovered by the carbon monoxide recovery device is stored in the carbon monoxide storage means.
検出した一酸化濃度に基づき、一酸化炭素を酸化するための前記空気供給手段から供給する空気量を調整することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 A carbon monoxide concentration sensor for detecting a carbon monoxide concentration downstream of the carbon monoxide accumulation means;
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the amount of air supplied from the air supply means for oxidizing carbon monoxide is adjusted based on the detected concentration of monoxide.
前記残原料濃度が所定濃度よりも下がった場合に、前記一酸化炭素回収器によって一酸化炭素を回収することを特徴とする請求項2または3に記載の燃料電池システム。 A detection means for detecting a remaining raw material concentration of the raw material in the remaining reformed gas from which hydrogen has been separated by the hydrogen separation and purification device;
4. The fuel cell system according to claim 2, wherein when the remaining raw material concentration falls below a predetermined concentration, carbon monoxide is recovered by the carbon monoxide recovery device. 5.
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