JP2006059734A - Fuel cell system and its starting/shutdown method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、起動・停止時に起こりやすい部分電池の形成を防止すべく改良を施した燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that has been improved to prevent formation of partial cells that are likely to occur during startup and shutdown.
電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池システムでは、燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸素を含む酸化剤ガスを供給して発電を行うが、発電の開始(起動)及び終了(停止)の際には、不活性ガスを燃料極及び酸化剤極に供給し、燃料ガス及び酸化剤ガスなどの反応ガスを除去し、保管中の安全を確保する方法が取られている。 In a fuel cell system using a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity as an electrolyte, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode, and an oxidant gas containing oxygen is supplied to the oxidant electrode to generate power. When starting (starting) and ending (stopping) power generation, an inert gas is supplied to the fuel electrode and oxidant electrode, and reaction gases such as fuel gas and oxidant gas are removed to ensure safety during storage. A way to ensure is taken.
不活性ガスとしては、窒素を用いるのが一般的であるが、燃料ガス及び酸化剤ガスとは別に窒素供給源、例えば窒素ガスボンベが必要になり、燃料電池システムの維持コスト低減の観点から好ましくない。そのため、窒素によるパージに替わる方法として、空気でパージする方法や水でパージする方法が提案されている。 Nitrogen is generally used as the inert gas, but a nitrogen supply source such as a nitrogen gas cylinder is required separately from the fuel gas and the oxidant gas, which is not preferable from the viewpoint of reducing the maintenance cost of the fuel cell system. . For this reason, a method of purging with air or a method of purging with water has been proposed as an alternative to purging with nitrogen.
例えば、特許文献1では、停止時に冷却水を反応ガス流路に供給してパージを行うとともに、起動時には燃料ガス供給手段等より排熱を回収した冷却水を供給して、燃料電池スタックの昇温を行うことが提案されている。具体的には、貯留タンク内の冷却水を水ポンプで吐出し、燃料電池スタックの反応ガス流路に供給してパージを行った後、反応ガスを燃料電池スタックに供給して発電を開始するというものである。
しかしながら、特許文献1による方法では、反応ガス流路に冷却水が残留した状態で反応ガスが供給され、この反応ガスにより、反応ガス流路に残留している冷却水が燃料電池スタックの外に排出されるが、反応ガス流路を形成する溝の一部に毛細管力により冷却水の一部が残ってしまい、燃料電池スタックを構成する単位電池の全ての反応ガス流路に反応ガスを均一に導入することが難しいという問題点があった。
However, in the method according to
特に、燃料ガスと酸化剤ガスの導入が不均一になり、同一単位電池の反応面で燃料ガスと酸化剤ガスの存在しない領域を生じると、部分電池が形成されて腐食反応が起こり、電池反応に必要な触媒を担持しているカーボンが消失して活性が低下してしまうという問題点があった。 In particular, when the introduction of fuel gas and oxidant gas becomes uneven and a region where the fuel gas and oxidant gas do not exist is formed on the reaction surface of the same unit cell, a partial cell is formed and a corrosion reaction occurs, resulting in a cell reaction. There is a problem in that the carbon carrying the catalyst necessary for the above disappears and the activity decreases.
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、窒素ガスなどのパージガスを用いなくても安全に起動停止でき、起動停止に伴う性能の低下を防止できる燃料電池システム及びその起動・停止方法を提供することにある。 The present invention has been proposed in order to solve the above-described problems of the prior art, and its purpose is to safely start and stop without using a purge gas such as nitrogen gas, and the performance associated with the start and stop. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system and a method for starting and stopping the same.
上記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、固体高分子電解質膜を挟持した2枚のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路のうち少なくともいずれか一方の流通路に対し導電性多孔質材料で隔離して設けた水流通路を有するセパレータとからなる単位電池を所定数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給手段とからなる燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段を設け、前記冷却水ポンプと前記燃料電池スタックの間に冷却水バッファを設け、前記冷却水バッファを前記燃料電池スタックより高い位置に設置し、該燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに冷却水ポンプを停止し、前記冷却水バッファ内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に供給するように構成したことを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the invention according to
以上のような構成を有する請求項1に記載の発明では、燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに冷却水ポンプを停止すると、燃料電池スタックより高い位置に設置された冷却水バッファのヘッド差により、冷却水バッファ内の水が、導電性多孔質材料を介して燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に供給されるので、両ガス流通路を容易に水パージすることができる。 In the first aspect of the invention having the above-described configuration, when the fuel cell system is stopped, when the supply of the fuel gas or the oxidant gas is stopped and the cooling water pump is stopped, the fuel cell system is positioned higher than the fuel cell stack. Due to the head difference of the installed cooling water buffer, the water in the cooling water buffer is supplied to the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path through the conductive porous material. Water purge can be performed.
その結果、ガス流通路からマニホールドへと水パージされるので、アノード触媒層及びカソード触媒層に酸素が触れることなく、燃料電池スタック内の空隙が水で満たされ、燃料ガス流通路内の水素が燃料電池スタック外へと除去されるため、燃料ガス流通路に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。 As a result, water is purged from the gas flow path to the manifold, so that oxygen does not touch the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, so that the space in the fuel cell stack is filled with water, and the hydrogen in the fuel gas flow path is Since it is removed out of the fuel cell stack, it is possible to prevent corrosion caused by partial cells caused by the coexistence of oxygen and hydrogen in the fuel gas flow passage.
請求項2に記載の発明は、固体高分子電解質膜を挟持した2枚のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路のうち少なくともいずれか一方の流通路に対し導電性多孔質材料で隔離して設けた水流通路を有するセパレータとからなる単位電池を所定数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給手段とからなる燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段を設け、前記冷却水ポンプと前記冷却水供給手段の間に冷却水タンクを設け、前記冷却水タンクを前記燃料電池スタックよりも高い位置に設置し、該燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに冷却水ポンプを停止し、前記冷却水タンク内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に供給するように構成したことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there are provided two gas diffusion electrodes sandwiching a solid polymer electrolyte membrane, a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path disposed in contact with the gas diffusion electrodes, and the fuel A fuel cell formed by laminating a predetermined number of unit cells each having a separator having a water flow passage provided separately from a conductive porous material with respect to at least one of the gas flow passage and the oxidant gas flow passage. Stack, fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell stack, oxidant gas supply means for supplying oxidant gas to the fuel cell stack, and cooling water supply means for supplying cooling water to the fuel cell A cooling water discharging means for discharging cooling water from the fuel cell stack by a cooling water pump, and providing the cooling water pump and the cooling water supply. A cooling water tank is provided between the means, the cooling water tank is installed at a position higher than the fuel cell stack, and when the operation of the fuel cell system is stopped, the supply of fuel gas or oxidant gas is stopped and the cooling water The pump is stopped, and the water in the cooling water tank is configured to be supplied to the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path through the conductive porous material.
以上のような構成を有する請求項2に記載の発明では、燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに冷却水ポンプを停止すると、燃料電池スタックより高い位置に設置された冷却水タンクのヘッド差により、冷却水タンク内の水が、導電性多孔質材料を介して燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に供給されるので、両ガス流通路を容易に水パージすることができる。 According to the second aspect of the invention having the above-described configuration, when the fuel cell system is stopped, when the supply of the fuel gas or the oxidant gas is stopped and the cooling water pump is stopped, the fuel cell system is positioned higher than the fuel cell stack. Due to the head difference of the installed cooling water tank, the water in the cooling water tank is supplied to the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path via the conductive porous material, so that both gas flow paths can be easily Water purge can be performed.
その結果、ガス流通路からマニホールドへと水パージされるので、アノード触媒層及びカソード触媒層に酸素が触れることなく、燃料電池スタック内の空隙が水で満たされ、燃料ガス流通路内の水素が燃料電池スタック外へと除去されるため、燃料ガス流通路に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。 As a result, water is purged from the gas flow path to the manifold, so that oxygen does not touch the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, so that the space in the fuel cell stack is filled with water, and the hydrogen in the fuel gas flow path is Since it is removed out of the fuel cell stack, it is possible to prevent corrosion caused by partial cells caused by the coexistence of oxygen and hydrogen in the fuel gas flow passage.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、前記冷却水供給手段と前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路を連通する第1のガス流通路パージ手段と、前記冷却水排出手段と前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路を連通する第2のガス流通路パージ手段とを設け、該燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに、前記第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に冷却水を供給するように構成したことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first or second aspect of the present invention, a first gas flow passage that connects the cooling water supply means and the fuel gas flow passage or the oxidant gas flow passage. A purge means, a cooling gas discharge means, and a second gas flow path purge means communicating the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path, and the fuel gas or oxidant is stopped when the operation of the fuel cell system is stopped. The gas supply is stopped, and the cooling water is supplied to the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path through the first gas flow path purge means and the second gas flow path purge means. It is characterized by that.
以上のような構成を有する請求項3に記載の発明では、燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに、第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に直接冷却水を供給することができるので、該ガス流通路を容易に水パージすることができる。
In the invention according to
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の燃料電池システムにおいて、該燃料電池システムの起動時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給すると同時に冷却水ポンプを起動して、燃料ガス流通路内の水または酸化剤ガス流通路内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記水流通路へ取り除くように構成したことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, when the fuel cell or the oxidant gas is supplied to the fuel cell stack when the fuel cell system is started. At the same time, the cooling water pump is activated to remove the water in the fuel gas flow passage or the water in the oxidant gas flow passage to the water flow passage through the conductive porous material. To do.
以上のような構成を有する請求項4に記載の発明では、酸化剤ガス流通路及び燃料ガス流通路に酸素がない状態で燃料ガス流通路に水素を含む燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流通路に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。
さらに、燃料ガス供給または酸化剤ガス供給と同時に燃料ガス流通路内の水または酸化剤ガス流通路内の水が取り除かれるため、供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスにより外部に排出される水の量を少なくすることができる。
In the invention according to
Furthermore, since the water in the fuel gas flow path or the water in the oxidant gas flow path is removed simultaneously with the fuel gas supply or the oxidant gas supply, the water discharged to the outside by the supplied fuel gas or oxidant gas. The amount can be reduced.
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の燃料電池システムにおいて、該燃料電池システムの起動時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給した後に冷却水ポンプを起動し、燃料ガス流通路内の水または酸化剤ガス流通路内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記水流通路へ取り除くように構成したことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, when the fuel cell system is started, a fuel gas or an oxidant gas is supplied to the fuel cell stack. The cooling water pump is activated later, and the water in the fuel gas flow path or the water in the oxidant gas flow path is removed to the water flow path through the conductive porous material. .
以上のような構成を有する請求項5に記載の発明では、酸化剤ガス流通路及び燃料ガス流通路に酸素がない状態で燃料ガス流通路に水素を含む燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流通路に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。
さらに、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給時には、ガスが供給されていないもう一方のガス流通路は水で満たされており、スタック外部からのもう一方のガスの進入を防ぐことができる。
In the invention according to
Furthermore, when the fuel gas or the oxidant gas is supplied, the other gas flow passage not supplied with the gas is filled with water, and the other gas can be prevented from entering from the outside of the stack.
請求項6に記載の発明は、請求項3に記載の燃料電池システムにおいて、該燃料電池システムの起動時に、前記第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、冷却水を燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路のいずれか一方に供給するとともに、冷却水が供給されていない燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記水流通路へ取り除くように構成したことを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the third aspect, when the fuel cell system is started, the first gas flow path purge means and the second gas flow path purge means are used. The cooling water is supplied to one of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path, and the water in the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path not supplied with the cooling water is used as the conductive porous material. It is configured to be removed to the water flow path via
以上のような構成を有する請求項6に記載の発明では、酸化剤ガス流通路及び燃料ガス流通路に酸素がない状態で燃料ガス流通路に水素を含む燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流通路に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。
In the invention according to
請求項7に記載の発明は、請求項3に記載の燃料電池システムの起動・停止方法であって、該燃料電池システムの運転停止時に、酸化剤ガスの供給を停止するとともに、前記第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、前記酸化剤ガス流通路に冷却水を供給して水パージした後、燃料ガスの供給を停止し、その後に冷却水ポンプを停止するように制御し、該燃料電池システムの起動時に、冷却水ポンプを起動し、前記第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、冷却水を酸化剤ガス流通路に供給するとともに、燃料ガス流通路内の水を前記導電性多孔質材料を介して取り除くように制御することを特徴とする。 A seventh aspect of the invention is a fuel cell system start / stop method according to the third aspect of the invention, in which the supply of the oxidant gas is stopped when the operation of the fuel cell system is stopped. After supplying the oxidant gas flow passage with the cooling water through the gas flow passage purge means and the second gas flow passage purge means to purge the water, the supply of the fuel gas is stopped, and then the cooling water pump is turned on. When the fuel cell system is started, the cooling water pump is started, and the cooling water is supplied to the oxidant gas via the first gas flow path purge means and the second gas flow path purge means. While supplying to a flow path, it controls so that the water in a fuel gas flow path may be removed through the said electroconductive porous material.
以上のような構成を有する請求項7に記載の発明では、該燃料電池システムの運転停止時には、まず、酸化剤ガス流通路に冷却水を供給して水パージした後、燃料ガスの供給を停止し、その後に冷却水ポンプを停止するように制御することにより、冷却水流通路及び酸化剤ガス流通路の冷却水の圧力は常圧になる。そして、燃料電池スタックよりも高い位置に設置された冷却水タンクまたは冷却水バッファのヘッド差により、冷却水タンク内の冷却水が、導電性多孔質材料を介して燃料ガス流通路に供給され、燃料ガス流通路が水パージされる。その結果、燃料ガス流通路に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。
In the invention according to
また、該燃料電池システムの起動時には、冷却水ポンプを起動し、第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、冷却水を酸化剤ガス流通路に供給するとともに、燃料ガス流通路内の水を前記導電性多孔質材料を介して取り除くように制御することにより、酸化剤ガス流通路及び燃料ガス流通路に酸素がない状態で、燃料ガス流通路に水素を含む燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流通路に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。
さらに、燃料ガス供給時には、酸化剤ガス流通路は負圧の冷却水が流れており、スタック外部からの未反応の酸素の進入を確実に防ぐことができる。
Further, when the fuel cell system is started, the cooling water pump is started, and the cooling water is supplied to the oxidant gas flow passage through the first gas flow passage purge means and the second gas flow passage purge means. By controlling the water in the fuel gas flow passage to be removed through the conductive porous material, hydrogen is supplied to the fuel gas flow passage in the absence of oxygen in the oxidant gas flow passage and the fuel gas flow passage. Since the contained fuel gas is supplied, it is possible to prevent corrosion caused by the partial cells caused by the coexistence of oxygen and hydrogen in the fuel gas flow passage.
Furthermore, when supplying the fuel gas, negative pressure cooling water flows through the oxidant gas flow passage, so that unreacted oxygen can be reliably prevented from entering from the outside of the stack.
請求項8に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムの起動・停止方法であって、該燃料電池システムの運転停止時に、酸化剤ガスの供給を停止した後、燃料ガスの供給を停止し、その後に冷却水ポンプを停止するように制御し、該燃料電池システムの起動時に、燃料ガスの供給を開始した後、冷却水ポンプを起動し、その後に酸化剤ガスの供給を開始するように制御することを特徴とする。
The invention according to
以上のような構成を有する請求項8に記載の発明では、該燃料電池システムの運転停止時には、酸化剤ガスの供給を停止した後、燃料ガスの供給を停止し、その後に冷却水ポンプを停止するように制御することにより、燃料電池スタックよりも高い位置に設置された冷却水タンクのヘッド差により、冷却水タンク内の冷却水が、導電性多孔質材料を介して燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路に供給され、両ガス流通路を同時に水パージする。その結果、燃料ガス流通路に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。
In the invention according to
また、該燃料電池システムの起動時には、燃料ガスの供給を開始した後に、冷却水ポンプを起動し、その後に酸化剤ガスの供給を開始するように制御することにより、酸化剤ガス流通路及び燃料ガス流通路に酸素がない状態で燃料ガス流通路に燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流通路に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。 Further, when the fuel cell system is started, the supply of the fuel gas is started, then the cooling water pump is started, and then the supply of the oxidant gas is started, whereby the oxidant gas flow path and the fuel are controlled. Since the fuel gas is supplied to the fuel gas flow passage in a state where there is no oxygen in the gas flow passage, it is possible to prevent corrosion caused by the partial cells caused by the coexistence of oxygen and hydrogen in the fuel gas flow passage.
本発明によれば、窒素ガスなどのパージガスを用いなくても安全に起動停止でき、起動停止に伴う性能の低下を防止できる燃料電池システム及びその起動・停止方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system that can be safely started and stopped without using a purge gas such as nitrogen gas, and that can prevent deterioration in performance associated with the start and stop, and a start and stop method thereof.
次に、本発明を実施するための最良の形態(以下、「実施形態」と呼ぶ)について図面を参照して具体的に説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “embodiment”) will be specifically described with reference to the drawings.
(1)第1実施形態
(1−1)構成
本実施形態の燃料電池システムは、図1に示したように、固体高分子型燃料電池スタック(以下、燃料電池スタックという)100と、この燃料電池スタック100に対して反応ガスを供給・排出するための燃料ガス供給手段111、酸化剤ガス供給手段121、燃料ガス排出手段118及び酸化剤ガス排出手段128を備え、また、冷却水タンク132から燃料電池スタック100に冷却水を供給するための冷却水供給手段131と、冷却水ポンプ134を含む冷却水排出手段133とを備えている。
(1) Configuration of First Embodiment (1-1) The fuel cell system according to this embodiment includes a solid polymer fuel cell stack (hereinafter referred to as a fuel cell stack) 100 and the fuel as shown in FIG. A fuel gas supply unit 111, an oxidant
また、燃料電池スタック100の冷却水出口マニホールド402と冷却水ポンプ134との間には、冷却水バッファ135が設けられている。なお、この冷却水バッファ135は、燃料電池システムのパッケージ内で、燃料電池スタック100よりも高い位置に設置されている。
A cooling water buffer 135 is provided between the cooling
このような構成において、発電時には、冷却水タンク100の上部は大気圧に開放されており、冷却水供給配管137から燃料電池スタックの冷却水流通路、冷却水バッファ135、冷却水ポンプ134の入口までは、配管の圧力損失により大気圧よりも低い圧力、すなわち負圧となっている。このため、冷却水バッファ135内は水で満たされており、ガスは全て冷却水ポンプ134により冷却水タンク132の上部空間へと排出されるようになっている。
In such a configuration, at the time of power generation, the upper part of the cooling
次に、図2により、固体高分子型燃料電池スタック100内のガス及び冷却水の流れについて説明する。
燃料電池スタック100の起電部の周りには、ガス及び冷却水マニホールドが装着されており、それぞれ起電部のガス及び冷却水流通路と連通している。すなわち、起電部左側面には燃料入口マニホールド201が装着されており、点線で示した燃料ガス流通路103cと連通され、燃料電池起電部の燃料ガス流通路に燃料ガスを供給するように構成されている。
Next, the flow of gas and cooling water in the polymer electrolyte
A gas and cooling water manifold is mounted around the electromotive portion of the
また、起電部右側面には燃料出口マニホールド202が装着されており、前記燃料ガス流通路103cと連通され、燃料電池起電部で未反応の燃料ガスを排出するように構成されている。さらに、起電部上側面には空気入口マニホールド301・冷却水出口マニホールド402が装着されており、空気入口マニホールド3が破線で示した酸化剤ガス流通路104cと、冷却水出口マニホールド402が実線で示した冷却水流通路107cと、それぞれ連通されている。また、起電部下側面には空気出口マニホールド302・冷却水入口マニホールド401が装着されており、空気出口マニホールド302が破線で示した前記酸化剤ガス流通路104cと、冷却水入口マニホールド401が実線で示した前記冷却水流通路107cと、それぞれ連通されている。
A
図3は、固体高分子型燃料電池スタック100の起電部のA−A’断面を示したものである。すなわち、起電部は複数積層した単位電池101で構成されており、この単位電池101は、膜電極複合体(MEA)108の両側にアノードセパレータ105及びカソードセパレータ106を挟持して構成されている。また、膜電極複合体(MEA)108は、さらに高分子電解質膜102、アノードガス拡散電極103、カソードガス拡散電極104で構成され、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素の電気化学反応により、発電を行う。
FIG. 3 shows an A-A ′ cross section of the electromotive part of the polymer electrolyte
また、アノードセパレータ105及びカソードセパレータ106は、導電性多孔質カーボン板の片面に流路溝が形成され、燃料ガス流通路103c及び酸化剤ガス流通路104cを形成している。また、アノードセパレータ105とカソードセパレータ106の裏面の少なくとも一方には流路溝が形成されており、冷却水流通路107cを形成している。
Further, the
図1に示す燃料ガス供給手段111は、図3に示す燃料電池スタック100の燃料ガス流通路103cと連通しており、水素を含む燃料ガスを供給するように構成されている。また、酸化剤ガス供給手段121は、燃料電池スタック100の酸化剤ガス流通路104cと連通しており、空気など酸素を含む酸化剤ガスを供給するように構成されている。また、図1に示す燃料ガス排出手段118は、図3に示す燃料電池スタック100の燃料ガス流路103cと流通していて、未反応の燃料ガスを排出するように構成されている。また、酸化剤ガス排出手段128は、燃料電池スタック100の酸化剤ガス流路104cと流通していて、未反応の酸化剤ガスを排出するように構成されている。
The fuel gas supply means 111 shown in FIG. 1 communicates with the fuel
また、図1に示す冷却水供給手段131は、流量調節弁136及び冷却水供給配管137より構成され、冷却水タンク132及び燃料電池スタック100の冷却水入口マニホールド401と連通しており、冷却水タンク132内の冷却水を燃料電池スタック100に供給するように構成されている。また、冷却水排出手段133は、冷却水ポンプ134及び冷却水排出配管138より構成され、燃料電池スタック100の冷却水出口マニホールド402及び冷却水タンク132と連通しており、冷却水を冷却水ポンプ134により冷却水タンク132へと吐出するように構成されている。
1 includes a flow
(1−2)作用
(1−2−1)発電運転停止の制御
次に、図4と図5を用いて、本実施形態の燃料電池システムにおける発電運転停止の制御フロー及び発電運転停止時の燃料電池スタックの電圧の変化について説明する。
(1-2) Operation (1-2-1) Control of Power Generation Operation Stop Next, with reference to FIGS. 4 and 5, the control flow of power generation operation stop in the fuel cell system of the present embodiment and the power generation operation stop time. A change in the voltage of the fuel cell stack will be described.
発電運転停止の制御は、通常運転時の状態、つまりスタック電圧がAの状態で、図示しないコントローラにより開始される。
まず、燃料電池スタックの起電力による発電電力を消費している外部負荷が切断されると、燃料電池スタックは無負荷、つまり燃料電池スタックの電圧が開路電圧Bに等しい状態になる。
The power generation operation stop control is started by a controller (not shown) in a state during normal operation, that is, in a state where the stack voltage is A.
First, when an external load consuming power generated by the electromotive force of the fuel cell stack is disconnected, the fuel cell stack is unloaded, that is, the voltage of the fuel cell stack is equal to the open circuit voltage B.
次に、空気供給源が遮断され、燃料電池スタックへの空気の供給が止まる。これにより、酸化剤ガス流通路104cに残留している空気中の酸素が固体高分子膜102を介して燃料ガス流通路103cに拡散し、燃料ガス中の水素と反応して消費される。その結果、酸化剤ガス流通路104cに存在する酸素の分圧が低下し、燃料電池スタックの電圧はCに近づく。
Next, the air supply source is shut off, and the supply of air to the fuel cell stack is stopped. As a result, oxygen in the air remaining in the oxidant gas flow passage 104c diffuses into the fuel
次に、燃料ガス供給源が遮断され、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給が止まる。これにより、燃料電池スタックの電圧はさらに低いDに近づく。この時点で、燃料ガス流通路103cには未反応の水素が残っているが、酸化剤ガス流通路104cにおいては酸素がほとんど消費されているため、酸化剤ガス流通路104c内は、残りの空気成分、つまり窒素を主成分とする不活性ガスで満たされている。また、冷却水ポンプの運転が行われているので、冷却水流通路107cの冷却水の圧力は大気圧よりも低い負圧であり、冷却水が燃料ガス流通路103c及び酸化剤ガス流通路104cに染み出すこともない。
Next, the fuel gas supply source is shut off, and the supply of fuel gas to the fuel cell stack is stopped. As a result, the voltage of the fuel cell stack approaches a lower D. At this time, unreacted hydrogen remains in the fuel
次に、冷却水ポンプ134の運転が停止され、それと同時に、冷却水供給手段131に設けられた流量調節弁136が閉止される。その結果、ポンプ入口の吸引圧力が無くなり、冷却水流通路107cの冷却水の圧力は常圧になる。さらに、燃料電池スタック100よりも上部に冷却水バッファ135があるため、そのヘッド差により冷却水流通路107cの冷却水が加圧され、冷却水バッファ135に貯蔵されている冷却水が、導電性多孔質材料を介して燃料ガス流通路103c及び酸化剤ガス流通路104cに供給され、水パージが行われる。
Next, the operation of the cooling water pump 134 is stopped, and at the same time, the flow
このようにして燃料電池スタックの両極から水素及び酸素が除去されるため、スタック電圧はさらに低下し、電圧0(=E)に近づく。
以上で発電運転停止の制御は終了する。
Since hydrogen and oxygen are removed from both electrodes of the fuel cell stack in this way, the stack voltage further decreases and approaches voltage 0 (= E).
This completes the control for stopping the power generation operation.
なお、冷却水ポンプの停止と同時に、冷却水供給手段131の流量調節弁136が閉止されるため、冷却水バッファ135内の冷却水が、燃料電池スタック100を介して冷却水タンク132に逆流するのを防止することができるので、水パージをより確実なものとすることができる。
Since the flow
図6は、停止時の燃料電池システムの構成を示す図である。すなわち、燃料電池システムの停止時には、燃料電池スタック100よりも上部にある冷却水バッファ135は空になり、貯蔵されていた冷却水が燃料電池スタックの燃料ガス流通路103c、酸化剤ガス流通路104c、冷却水流通路107cを満たして、水素や酸素の進入を防いでいる。なお、図において、冷却水ポンプ134、流量調節弁136等を黒く表示したのは、それらが停止あるいは閉じられていることを示している。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system at the time of stop. That is, when the fuel cell system is stopped, the cooling water buffer 135 above the
このように、本実施形態においては、ガス流通路からマニホールドへと水パージされるので、アノード触媒層103a及びカソード触媒層104aに酸素が触れることなく、燃料電池スタック内の空隙が水で満たされ、燃料ガス流通路103c内の水素が燃料電池スタック外へと除去されるため、燃料ガス流通路103cに酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。
As described above, in this embodiment, water purge is performed from the gas flow path to the manifold, so that oxygen does not touch the
(1−2−2)起動の制御
続いて、図7及び図8を用いて本実施形態の起動の制御フロー及び起動時の燃料電池スタックの電圧の変化について説明する。
起動の制御は、停止の状態、つまりスタック電圧がEの状態で、図示しないコントローラにより開始される。最初に燃料供給源より燃料ガスが燃料電池スタック100に供給され、直後に冷却水ポンプ134が起動する。燃料ガスの供給により燃料ガス流通路103c内の水が押し出されるが、直後に冷却水ポンプ134を起動することにより、冷却水流通路107c内の冷却水が負圧になり、燃料ガス流通路103c及び酸化剤ガス流路104c内の水が、導電性多孔質材料を介して冷却水流通路107cへと取り除かれる。
(1-2-2) Startup Control Next, the startup control flow of this embodiment and the change in the voltage of the fuel cell stack at startup will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
The start control is started by a controller (not shown) in a stopped state, that is, in a state where the stack voltage is E. First, fuel gas is supplied from the fuel supply source to the
このようにして冷却水が取り除かれた燃料ガス流通路103cには、燃料ガス供給手段111及び燃料ガス排出手段118に残存する水素を含む燃料ガスが供給され、次いで、燃料ガス供給手段111により燃料ガスが供給される。一方、冷却水が取り除かれた酸化剤ガス流通路104cには、空気入口マニホールド301及び空気出口マニホールド302に残存する酸素を含まない空気、つまり窒素を主成分とする不活性ガスが供給された後、酸化剤ガス供給手段121及び酸化剤ガス排出手段128に残存する酸素を含む空気が供給される。燃料ガス流通路に燃料ガスが供給される時には、酸化剤ガス流通路は水で満たされており、前記残存する酸素の進入を確実に防ぐことができる。
Fuel gas containing hydrogen remaining in the fuel gas supply means 111 and the fuel gas discharge means 118 is supplied to the fuel
このように、酸化剤ガス流通路104c及び燃料ガス流通路103cに酸素がない状態で燃料ガス流通路103cに水素を含む燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流通路103cに酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。スタック電圧はCの状態に保たれる。
In this way, since the fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel
次に、酸化剤ガス供給手段121により酸化剤ガス、具体的には空気が酸化剤ガス流通路104cに導入される。スタック電圧は開路電圧Bに保持される。最後に外部負荷が接続され、燃料電池スタックの起電力による発電が開始され、スタック電圧は電圧Aに保持される。以上で起動の制御は終了し、定常の発電運転に移行する。 Next, an oxidant gas, specifically air, is introduced into the oxidant gas flow passage 104 c by the oxidant gas supply means 121. The stack voltage is held at the open circuit voltage B. Finally, an external load is connected, power generation by the electromotive force of the fuel cell stack is started, and the stack voltage is held at voltage A. The start control is thus completed, and the routine proceeds to steady power generation operation.
(1−3)効果
上述した方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、図9の実線Aで示すような結果が得られた。また、従来の方法と比較するため、起動・停止時に両極を窒素ガスによりパージする方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、図9の点線Bで示すような結果が得られた。なお、図9は、スタック電圧と起動停止回数の関係を示した図である。
(1-3) Effect When the stack voltage was examined by starting and stopping 100 times by the method described above, the result as shown by the solid line A in FIG. 9 was obtained. Further, for comparison with the conventional method, when the start and stop are purged with nitrogen gas at the start and stop, the start and stop are performed 100 times, and the change in the stack voltage is examined. As shown by the dotted line B in FIG. Results were obtained. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the stack voltage and the number of start / stop times.
図9から明らかなように、本実施形態の方法により起動停止した場合、起動停止回数の増加とともにスタック電圧は低下する傾向を示したが、その傾きは従来の窒素パージによる方法と同程度であり、本実施形態によれば、窒素ガスを用いずに窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることができることが分かった。 As is apparent from FIG. 9, when starting and stopping by the method of the present embodiment, the stack voltage tended to decrease as the number of times of starting and stopping increased, but the slope thereof is similar to the method by the conventional nitrogen purge. According to the present embodiment, it has been found that voltage degradation comparable to that of nitrogen purge can be suppressed without using nitrogen gas.
(2)第2実施形態
(2−1)構成
本実施形態の燃料電池システムは、上記第1実施形態の変形例であって、図10に示したように、冷却水バッファ135を取り除き、冷却水タンク132を燃料電池スタック100よりも高い位置に設置したものである。その他の構成は、上記第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
(2) Configuration of Second Embodiment (2-1) The fuel cell system of the present embodiment is a modification of the first embodiment, and as shown in FIG. 10, the cooling water buffer 135 is removed and cooling is performed. The
(2−2)作用
(2−2−1)発電運転停止の制御
本実施形態の燃料電池システムにおける発電運転停止の制御フロー図及び発電運転停止時の燃料電池スタックの電圧の変化は、上記第1実施形態と同様に、図4及び図5に示すようになる。
(2-2) Operation (2-2-1) Control of Stopping Power Generation Operation The control flow diagram of power generation operation stop in the fuel cell system of the present embodiment and the change in the voltage of the fuel cell stack when power generation operation is stopped are described above. As in the first embodiment, it is as shown in FIGS.
まず、燃料電池スタックの起電力による発電電力を消費している外部負荷が切断されると、燃料電池スタックは無負荷、つまり燃料電池スタックの電圧が開路電圧Bに等しい状態になる。次に、空気供給源が遮断され、燃料電池スタックへの空気の供給が止まる。これにより、酸化剤ガス流通路104cに残留している空気中の酸素が、固体高分子膜102を介して燃料ガス流通路103cに拡散し、燃料ガス中の水素と反応して消費される。その結果、酸化剤ガス流通路104cに存在する酸素の分圧が低下し、燃料電池スタックの電圧はCに近づく。
First, when an external load consuming power generated by the electromotive force of the fuel cell stack is disconnected, the fuel cell stack is unloaded, that is, the voltage of the fuel cell stack is equal to the open circuit voltage B. Next, the air supply source is shut off, and the supply of air to the fuel cell stack is stopped. As a result, oxygen in the air remaining in the oxidant gas flow passage 104c diffuses into the fuel
次に、燃料ガス供給源が遮断され、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給が止まる。これにより、燃料電池スタックの電圧はさらに低いDに近づく。この時点で、燃料ガス流通路103cには未反応の水素が残っているが、酸化剤ガス流通路104cにおいては酸素がほとんど消費されているため、酸化剤ガス流通路104c内は、残りの空気成分、つまり窒素を主成分とする不活性ガスで満たされている。また、冷却水ポンプの運転が行われているので、冷却水流通路107cの冷却水の圧力は大気圧よりも低い負圧であり、冷却水が燃料ガス流通路103c及び酸化剤ガス流通路104cに染み出すこともない。
Next, the fuel gas supply source is shut off, and the supply of fuel gas to the fuel cell stack is stopped. As a result, the voltage of the fuel cell stack approaches a lower D. At this time, unreacted hydrogen remains in the fuel
次に、冷却水ポンプ134の運転が停止される。その結果、ポンプ入口の吸引圧力が無くなり、冷却水流通路107cの冷却水の圧力は常圧になる。さらに、燃料電池スタック100よりも上部に冷却水タンク132があるため、そのヘッド差により冷却水流通路107cの冷却水が加圧され、冷却水タンク132に貯蔵されている冷却水が、導電性多孔質材料を介して燃料ガス流通路103c及び酸化剤ガス流通路104cに供給され、水パージが行われる。
Next, the operation of the cooling water pump 134 is stopped. As a result, the suction pressure at the pump inlet disappears, and the cooling water pressure in the cooling water flow passage 107c becomes a normal pressure. Further, since the cooling
このようにして燃料電池スタックの両極から水素及び酸素が除去されるため、スタック電圧はさらに低下し、電圧0(=E)に近づく。
以上で発電運転停止の制御は終了する。
Since hydrogen and oxygen are removed from both electrodes of the fuel cell stack in this way, the stack voltage further decreases and approaches voltage 0 (= E).
This completes the control for stopping the power generation operation.
なお、図11は、停止時の燃料電池システムの構成を示す図である。すなわち、燃料電池システムの停止時には、燃料電池スタック100よりも上部にある冷却水タンク132は空になり、貯蔵されていた冷却水が燃料電池スタックの燃料ガス流通路103c、酸化剤ガス流通路104c、冷却水流通路107cを満たして、水素や酸素の進入を防いでいる。
In addition, FIG. 11 is a figure which shows the structure of the fuel cell system at the time of a stop. That is, when the fuel cell system is stopped, the cooling
このように、本実施形態においては、ガス流通路からマニホールドへと水パージされるので、アノード触媒層103a及びカソード触媒層104aに酸素が触れることなく、燃料電池スタック内の空隙が水で満たされ、燃料ガス流通路103c内の水素が燃料電池スタック外へと除去されるため、燃料ガス流通路103cに酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。
As described above, in this embodiment, water purge is performed from the gas flow path to the manifold, so that oxygen does not touch the
(2−2−2)起動の制御
本実施形態の起動の制御フロー図及び発電運転停止時の燃料電池スタックの電圧の変化は、上記第1実施形態と同様に、図7及び図8に示すようになる。
最初に燃料供給源より燃料ガスが燃料電池スタック100に供給され、直後に冷却水ポンプ134が起動する。燃料ガスの供給により燃料ガス流通路103c内の水が押し出されるが、直後に冷却水ポンプ134を起動することにより、冷却水流通路107c内の冷却水が負圧になり、燃料ガス流通路103c及び酸化剤ガス流路104c内の水が、導電性多孔質材料を介して冷却水流通路107cへと取り除かれる。
(2-2-2) Control of Startup The control flow diagram of startup of this embodiment and the change in the voltage of the fuel cell stack when power generation operation is stopped are shown in FIGS. 7 and 8 as in the first embodiment. It becomes like this.
First, fuel gas is supplied from the fuel supply source to the
このようにして冷却水が取り除かれた燃料ガス流通路103cには、燃料ガス供給手段111及び燃料ガス排出手段118に残存する水素を含む燃料ガスが供給され、次いで燃料ガス供給手段111により燃料ガスが供給される。一方、冷却水が取り除かれた酸化剤ガス流通路104cには、空気入口マニホールド301及び空気出口マニホールド302に残存する酸素を含まない空気、つまり窒素を主成分とする不活性ガスが供給された後、酸化剤ガス供給手段121及び酸化剤ガス排出手段128に残存する酸素を含む空気が供給される。燃料ガス流通路に燃料ガスが供給される時には、酸化剤ガス流通路は水で満たされており、前記残存する酸素の進入を確実に防ぐことができる。
Fuel gas containing hydrogen remaining in the fuel gas supply means 111 and the fuel gas discharge means 118 is supplied to the fuel
このように、酸化剤ガス流通路104c及び燃料ガス流通路103cに酸素がない状態で燃料ガス流通路103cに水素を含む燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流通路103cに酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。スタック電圧はCの状態に保たれる。
In this way, since the fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel
次に、酸化剤ガス供給手段121により酸化剤ガス、具体的には空気が酸化剤ガス流通路104cに導入される。スタック電圧は開路電圧Bに保持される。最後に外部負荷が接続され、燃料電池スタックの起電力による発電が開始され、スタック電圧は電圧Aに保持される。以上で起動の制御は終了し、定常の発電運転に移行する。 Next, an oxidant gas, specifically air, is introduced into the oxidant gas flow passage 104 c by the oxidant gas supply means 121. The stack voltage is held at the open circuit voltage B. Finally, an external load is connected, power generation by the electromotive force of the fuel cell stack is started, and the stack voltage is held at voltage A. The start control is thus completed, and the routine proceeds to steady power generation operation.
(2−3)効果
本実施形態においても、上述した方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、第1実施形態と同様に、図9の実線Aで示すような結果が得られた。また、従来の方法と比較するため、起動・停止時に両極を窒素ガスによりパージする方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、図9の点線Bで示すような結果が得られた。このように、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、窒素ガスを用いずに窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることができることが分かった。
(2-3) Effect Also in this embodiment, when the stack voltage change is examined by starting and stopping 100 times by the above-described method, it is shown by a solid line A in FIG. 9 as in the first embodiment. The result was obtained. Further, for comparison with the conventional method, when the start and stop are purged with nitrogen gas at the start and stop, the start and stop are performed 100 times, and the change in the stack voltage is examined. As shown by the dotted line B in FIG. Results were obtained. As described above, it has been found that, in this embodiment as well, as in the first embodiment, it is possible to suppress the voltage deterioration to the same level as the nitrogen purge without using nitrogen gas.
(3)第3実施形態
(3−1)構成
本実施形態の燃料電池システムは、上記第2実施形態の変形例であって、図12に示したように、冷却水供給手段131と酸化剤ガス排出手段128とを連通する第1の酸化剤ガス流通路水パージ手段(以下、第1の水パージ手段という)126aと、冷却水排出手段133と酸化剤ガス供給手段121とを連通する第2の酸化剤ガス流通路水パージ手段(以下、第2の水パージ手段という)126bとが設けられている。
(3) Configuration of Third Embodiment (3-1) The fuel cell system of this embodiment is a modification of the second embodiment, and as shown in FIG. 12, the cooling water supply means 131 and the oxidant A first oxidant gas flow passage water purge means (hereinafter referred to as a first water purge means) 126a communicating with the gas discharge means 128, a cooling water discharge means 133 and an oxidant gas supply means 121 are communicated. 2 oxidant gas flow passage water purge means (hereinafter referred to as second water purge means) 126b.
また、前記第1の水パージ手段126aには、第1の酸化剤ガス水パージ弁(以下、第1の水パージ弁という)127aが設けられ、前記第2の水パージ手段126bには、第2の酸化剤ガス水パージ弁(以下、第2の水パージ弁という)127bが設けられている。さらに、前記酸化剤ガス供給手段121には、酸化剤ガス供給弁122が設けられ、酸化剤ガス排出手段128には、酸化剤ガス排出弁123が設けられている。その他の構成は、上記第2実施形態と同様であるので、説明は省略する。 The first water purge means 126a is provided with a first oxidant gas water purge valve (hereinafter referred to as a first water purge valve) 127a, and the second water purge means 126b includes a first water purge means 126a. 2 oxidant gas water purge valve (hereinafter referred to as a second water purge valve) 127b is provided. Further, the oxidant gas supply means 121 is provided with an oxidant gas supply valve 122, and the oxidant gas discharge means 128 is provided with an oxidant gas discharge valve 123. Since other configurations are the same as those of the second embodiment, description thereof is omitted.
(3−2)作用
(3−2−1)発電運転停止の制御
次に、図13と図14を用いて、本実施形態の燃料電池システムにおける発電運転停止の制御フロー及び発電運転停止時の燃料電池スタックの電圧の変化について説明する。
(3-2) Operation (3-2-1) Control of Power Generation Operation Stop Next, with reference to FIGS. 13 and 14, the control flow of power generation operation stop in the fuel cell system of the present embodiment and the power generation operation stop time A change in the voltage of the fuel cell stack will be described.
発電運転停止の制御は、通常運転時の状態、つまりスタック電圧がAの状態で、図示しないコントローラにより開始される。まず、燃料電池スタックの起電力による発電電力を消費している外部負荷が切断されると、燃料電池スタックは無負荷、つまり燃料電池スタックの電圧が開路電圧Bに等しい状態になる。 The power generation operation stop control is started by a controller (not shown) in a state during normal operation, that is, in a state where the stack voltage is A. First, when an external load consuming power generated by the electromotive force of the fuel cell stack is disconnected, the fuel cell stack is unloaded, that is, the voltage of the fuel cell stack is equal to the open circuit voltage B.
次に、空気供給源が遮断され、燃料電池スタックへの空気の供給が止まる。そして、酸化剤ガス供給弁122及び酸化剤ガス排出弁123が閉じると共に、第1の水パージ弁127a及び第2の水パージ弁127bが開く。すると、図15に示したように、冷却水が、第1の水パージ手段126aを介して酸化剤ガス流通路104cに供給され、酸化剤ガス流通路104cを水パージする。 Next, the air supply source is shut off, and the supply of air to the fuel cell stack is stopped. Then, the oxidant gas supply valve 122 and the oxidant gas discharge valve 123 are closed, and the first water purge valve 127a and the second water purge valve 127b are opened. Then, as shown in FIG. 15, the cooling water is supplied to the oxidant gas flow passage 104c via the first water purge means 126a, and the oxidant gas flow passage 104c is purged with water.
この時、酸化剤ガス流通路104cに残留している空気は、冷却水ポンプ134の入口の吸引圧力により吸い出されて、第2の水パージ手段126bを介して、冷却水タンク132の上部空間へと排出される。このように、酸化剤ガス流通路104cと冷却水流通路107cには冷却水が並列に流れ、負圧に保たれるため、冷却水は燃料ガス流通路103cには供給されない。その結果、酸化剤ガス流通路104cに存在する酸素の分圧が低下し、燃料電池スタックの電圧はCに近づく。
At this time, the air remaining in the oxidant gas flow passage 104c is sucked out by the suction pressure at the inlet of the cooling water pump 134, and the upper space of the cooling
次に、燃料ガス供給源が遮断され、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給が止まる。これにより、燃料電池スタックの電圧はさらに低いDに近づく。この時点で、燃料ガス流通路103cには未反応の水素が残っているが、酸化剤ガス流通路104cは水でパージされている。
Next, the fuel gas supply source is shut off, and the supply of fuel gas to the fuel cell stack is stopped. As a result, the voltage of the fuel cell stack approaches a lower D. At this point, unreacted hydrogen remains in the fuel
次に、冷却水ポンプ134の運転が停止される。その結果、ポンプ入口の吸引圧力が無くなり、冷却水流通路107c及び酸化剤ガス流通路104cの冷却水の圧力は常圧になる。さらに、燃料電池スタック100よりも上部に冷却水タンク132があるため、そのヘッド差により冷却水流通路107cの冷却水が加圧され、冷却水タンク132に貯蔵されている冷却水が、導電性多孔質材料を介して燃料ガス流通路103cに供給され、水パージが行われる。
Next, the operation of the cooling water pump 134 is stopped. As a result, the suction pressure at the pump inlet disappears, and the cooling water pressure in the cooling water flow passage 107c and the oxidant gas flow passage 104c becomes normal pressure. Further, since the cooling
このようにして燃料電池スタックの両極から水素及び酸素が除去されるため、スタック電圧はさらに低下し、電圧0(=E)に近づく。
以上で発電運転停止の制御は終了する。
Since hydrogen and oxygen are removed from both electrodes of the fuel cell stack in this way, the stack voltage further decreases and approaches voltage 0 (= E).
This completes the control for stopping the power generation operation.
なお、図16は、停止時の燃料電池システムの構成を示す図である。すなわち、燃料電池システムの停止時には、燃料電池スタック100よりも上部にある冷却水タンク132は空になり、貯蔵されていた冷却水が燃料電池スタックの燃料ガス流通路103c、酸化剤ガス流通路104c、冷却水流通路107cを満たして、水素や酸素の進入を防いでいる。
FIG. 16 is a diagram showing the configuration of the fuel cell system when stopped. That is, when the fuel cell system is stopped, the cooling
このように、本実施形態においては、冷却水流通路107cの冷却水の負圧を保ったまま、酸化剤ガス流通路104cに並列に冷却水が供給されるため、燃料ガス流通路103cの燃料ガスの流れを妨げることなく、酸化剤ガス流通路104c内の空気を素早くパージすることができる。また、燃料ガス流通路103cについては、ガス流通路からマニホールドへと水パージされるので、アノード触媒層103aに酸素が触れることなく、燃料電池スタック内の空隙が水で満たされ、燃料ガス流通路103c内の水素が燃料電池スタック外へと除去されるため、燃料ガス流通路103cに酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。
Thus, in this embodiment, since the cooling water is supplied in parallel to the oxidant gas flow passage 104c while maintaining the negative pressure of the cooling water in the cooling water flow passage 107c, the fuel gas in the fuel
(3−2−2)起動の制御
続いて、図17及び図18を用いて、本実施形態の起動の制御フロー及び起動時の燃料電池スタックの電圧の変化について説明する。
起動の制御は、停止の状態、つまりスタック電圧がEの状態で、図示しないコントローラにより開始される。最初に燃料供給源より燃料ガスが燃料電池スタック100に供給され、同時に冷却水ポンプ134が起動する。その結果、冷却水流通路107c及び酸化剤ガス流通路104c内の冷却水が負圧になり、並列に流れると共に、燃料ガス流通路103c内の水が、導電性多孔質材料を介して冷却水流通路107cへと取り除かれる。このように、冷却水ポンプの起動を燃料ガス供給と同時に行うことで、燃料ガスにより燃料ガス排出手段に押し出される水の量を少なくすることができる。
(3-2-2) Startup Control Next, with reference to FIGS. 17 and 18, the startup control flow of this embodiment and the change in the voltage of the fuel cell stack at startup will be described.
The start control is started by a controller (not shown) in a stopped state, that is, in a state where the stack voltage is E. First, fuel gas is supplied from the fuel supply source to the
このようにして冷却水が取り除かれた燃料ガス流通路103cには、燃料ガス供給手段111及び燃料ガス排出手段118に残存する水素を含む燃料ガスが供給され、次いで燃料ガス供給手段111により燃料ガスが供給される。このように、酸化剤ガス流通路104c及び燃料ガス流通路103cに酸素がない状態で、燃料ガス流通路103cに水素を含む燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流通路103cに酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことができる。スタック電圧はCの状態に保たれる。
Fuel gas containing hydrogen remaining in the fuel gas supply means 111 and the fuel gas discharge means 118 is supplied to the fuel
次に、第1の水パージ弁127a及び第2の水パージ弁127bが閉じられ、酸化剤ガス流通路104cは負圧の冷却水で保持される。続いて、酸化剤ガス供給手段121により酸化剤ガス、具体的には空気が供給されると共に、酸化剤ガス供給弁122及び酸化剤ガス排出弁123が開かれる。 Next, the first water purge valve 127a and the second water purge valve 127b are closed, and the oxidant gas flow passage 104c is held with cooling water of negative pressure. Subsequently, an oxidant gas, specifically air is supplied by the oxidant gas supply means 121, and the oxidant gas supply valve 122 and the oxidant gas discharge valve 123 are opened.
このようにして、常圧より高い空気が酸化剤ガス流通路104cに導入されると共に、負圧の冷却水により、導電性多孔質材料を介して酸化剤ガス流通路104c内の冷却水は冷却水流通路107cへと取り除かれる。スタック電圧は開路電圧Bに保持される。最後に外部負荷が接続され、燃料電池スタックの起電力による発電が開始され、スタック電圧は電圧Aに保持される。以上で起動の制御は終了し、定常の発電運転に移行する。 In this manner, air higher than normal pressure is introduced into the oxidant gas flow passage 104c, and the cooling water in the oxidant gas flow passage 104c is cooled by the negative pressure cooling water through the conductive porous material. It is removed to the water flow passage 107c. The stack voltage is held at the open circuit voltage B. Finally, an external load is connected, power generation by the electromotive force of the fuel cell stack is started, and the stack voltage is held at voltage A. The start control is thus completed, and the routine proceeds to steady power generation operation.
(3−3)効果
本実施形態においても、上述した方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、第1、第2実施形態と同様に、図9の実線Aで示すような結果が得られた。また、従来の方法と比較するため、起動・停止時に両極を窒素ガスによりパージする方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、図9の点線Bで示すような結果が得られた。このように、本実施形態においても、第1、第2実施形態と同様に、窒素ガスを用いずに窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることができることが分かった。
(3-3) Effect Also in this embodiment, when the stack voltage change is examined by starting and stopping 100 times by the method described above, the solid line in FIG. 9 is obtained as in the first and second embodiments. A result as shown by A was obtained. Further, for comparison with the conventional method, when the start and stop are purged with nitrogen gas at the start and stop, the start and stop are performed 100 times, and the change in the stack voltage is examined. As shown by the dotted line B in FIG. Results were obtained. As described above, it has been found that, in this embodiment as well, as in the first and second embodiments, it is possible to suppress the voltage degradation to the same level as in the nitrogen purge without using nitrogen gas.
(4)他の実施形態
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、第3実施形態に示した冷却水供給・排出手段と酸化剤ガス供給・排出手段との間に設けた第1・第2の酸化剤ガス流通路水パージ手段に替えて、冷却水供給・排出手段と燃料ガス供給・排出手段との間に第1・第2の燃料ガス流通路水パージ手段を設けても良い。
(4) Other Embodiments The present invention is not limited to the above embodiment, and is provided between the cooling water supply / discharge means and the oxidant gas supply / discharge means shown in the third embodiment. Instead of the first and second oxidant gas flow passage water purge means, first and second fuel gas flow passage water purge means are provided between the cooling water supply / discharge means and the fuel gas supply / discharge means. It may be provided.
100…固体高分子型燃料電池スタック
101…単位電池
102…固体高分子膜
103…アノード電極
103a…アノード触媒層
103c…燃料ガス流通路
104…カソード電極
104a…カソード触媒層
104c…酸化剤ガス流通路
105…アノードセパレータ
106…カソードセパレータ
107c…冷却水流通路
108…膜電極複合体(MEA)
111…燃料ガス供給手段
118…燃料ガス排出手段
121…酸化剤ガス供給手段
122…酸化剤ガス供給弁
123…酸化剤ガス排出弁
126…酸化剤ガス流通路パージ手段
127…酸化剤ガス水パージ弁
128…酸化剤ガス排出手段
131…冷却水供給手段
132…冷却水タンク
133…冷却水排出手段
134…冷却水ポンプ
135…冷却水バッファ
DESCRIPTION OF
111 ... Fuel gas supply means 118 ... Fuel gas discharge means 121 ... Oxidant gas supply means 122 ... Oxidant gas supply valve 123 ... Oxidant
Claims (8)
前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段を設け、
前記冷却水ポンプと前記燃料電池スタックの間に冷却水バッファを設け、
前記冷却水バッファを前記燃料電池スタックより高い位置に設置し、
該燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに冷却水ポンプを停止し、前記冷却水バッファ内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に供給するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。 Two gas diffusion electrodes sandwiching a solid polymer electrolyte membrane, a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path disposed in contact with each of the gas diffusion electrodes, and the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path A fuel cell stack in which a predetermined number of unit cells each including a separator having a water flow passage provided separately from a conductive porous material with respect to at least one of the flow passages, and a fuel in the fuel cell stack In a fuel cell system comprising fuel gas supply means for supplying gas, oxidant gas supply means for supplying oxidant gas to the fuel cell stack, and cooling water supply means for supplying cooling water to the fuel cell,
A cooling water discharging means for discharging cooling water from the fuel cell stack by a cooling water pump;
Providing a cooling water buffer between the cooling water pump and the fuel cell stack;
Installing the cooling water buffer at a position higher than the fuel cell stack;
When the operation of the fuel cell system is stopped, the supply of the fuel gas or the oxidant gas is stopped, the cooling water pump is stopped, and the water in the cooling water buffer is passed through the conductive porous material to the fuel gas. A fuel cell system configured to supply to a flow path or an oxidant gas flow path.
前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段を設け、
前記冷却水ポンプと前記冷却水供給手段の間に冷却水タンクを設け、
前記冷却水タンクを前記燃料電池スタックよりも高い位置に設置し、
該燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに冷却水ポンプを停止し、前記冷却水タンク内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に供給するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。 Two gas diffusion electrodes sandwiching a solid polymer electrolyte membrane, a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path disposed in contact with each of the gas diffusion electrodes, and the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path A fuel cell stack in which a predetermined number of unit cells each including a separator having a water flow passage provided separately from a conductive porous material with respect to at least one of the flow passages, and a fuel in the fuel cell stack In a fuel cell system comprising fuel gas supply means for supplying gas, oxidant gas supply means for supplying oxidant gas to the fuel cell stack, and cooling water supply means for supplying cooling water to the fuel cell,
A cooling water discharging means for discharging cooling water from the fuel cell stack by a cooling water pump;
A cooling water tank is provided between the cooling water pump and the cooling water supply means;
Installing the cooling water tank at a position higher than the fuel cell stack;
When the operation of the fuel cell system is stopped, the supply of the fuel gas or the oxidant gas is stopped, the cooling water pump is stopped, and the water in the cooling water tank is supplied to the fuel gas through the conductive porous material. A fuel cell system configured to supply to a flow path or an oxidant gas flow path.
前記冷却水供給手段と前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路を連通する第1のガス流通路パージ手段と、
前記冷却水排出手段と前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路を連通する第2のガス流通路パージ手段とを設け、
該燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに、前記第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に冷却水を供給するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
First gas flow path purge means communicating the cooling water supply means and the fuel gas flow path or oxidant gas flow path;
Providing the cooling water discharge means and a second gas flow path purge means communicating the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path;
When the operation of the fuel cell system is stopped, the supply of the fuel gas or the oxidant gas is stopped, and the fuel gas flow path or the oxidation gas is passed through the first gas flow path purge means and the second gas flow path purge means. A fuel cell system configured to supply cooling water to the agent gas flow passage.
該燃料電池システムの運転停止時に、酸化剤ガスの供給を停止するとともに、前記第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、前記酸化剤ガス流通路に冷却水を供給して水パージした後、燃料ガスの供給を停止し、その後に冷却水ポンプを停止するように制御し、
該燃料電池システムの起動時に、冷却水ポンプを起動し、前記第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、冷却水を酸化剤ガス流通路に供給するとともに、燃料ガス流通路内の水を前記導電性多孔質材料を介して取り除くように制御することを特徴とする燃料電池システムの起動・停止方法。 The fuel cell system according to claim 3, wherein
When the operation of the fuel cell system is stopped, the supply of the oxidant gas is stopped, and cooling water is supplied to the oxidant gas flow path via the first gas flow path purge means and the second gas flow path purge means. After supplying water and purging water, the supply of fuel gas is stopped, and then the cooling water pump is stopped,
When the fuel cell system is started, a cooling water pump is started, and the cooling water is supplied to the oxidant gas flow passage through the first gas flow passage purge means and the second gas flow passage purge means, A method for starting and stopping a fuel cell system, wherein control is performed so that water in the fuel gas flow passage is removed through the conductive porous material.
該燃料電池システムの運転停止時に、酸化剤ガスの供給を停止した後、燃料ガスの供給を停止し、その後に冷却水ポンプを停止するように制御し、
該燃料電池システムの起動時に、燃料ガスの供給を開始した後、冷却水ポンプを起動し、その後に酸化剤ガスの供給を開始するように制御することを特徴とする燃料電池システムの起動・停止方法。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
When stopping the operation of the fuel cell system, after stopping the supply of the oxidant gas, the supply of the fuel gas is stopped, and then the cooling water pump is stopped,
Starting and stopping of the fuel cell system, wherein the fuel cell system is controlled to start supplying the fuel gas, then start the cooling water pump, and then start supplying the oxidant gas. Method.
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