JP2007220543A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば民生用コジェネレーションに好適な燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system suitable for, for example, consumer cogeneration.
高分子電解質形燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図6に、このような燃料電池の一般的な基本構成である単電池を示す。単電池100は、図6に示すように、主として膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)105と、膜電極接合体105を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ106a及びカソード側セパレータ106bを含む構成の単電池を少なくとも1つ具備する。
A polymer electrolyte fuel cell is a battery that generates electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air at an anode and a cathode as gas diffusion electrodes. . FIG. 6 shows a unit cell which is a general basic configuration of such a fuel cell. As shown in FIG. 6, the
膜電極接合体105は、アノード104a及びカソード104bの間に陽イオン(水素イオン)を選択的に輸送する高分子電解質膜101が配置された構成を有している。更に、アノード104aは、高分子電解質膜101側に密着した状態で配置される触媒層102aと、当該触媒層102aとアノード側セパレータ106aとの間に配置されるガス拡散層103aとを少なくとも含み、カソード104bは、高分子電解質膜101側に密着した状態で配置される触媒層102bと、当該触媒層102bとカソード側セパレータ106bとの間に配置されるガス拡散層103bとを少なくとも含む。
The
触媒層102a、102bは、電極触媒(例えば白金系金属)を担持した導電性炭素粒子を主成分とする層である。また、ガス拡散層103a、103bは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層103a、103bは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に、少なくとも導電性炭素粒子とフッ素樹脂等の撥水性樹脂とを含む導電性撥水層(図示せず)を形成して得られる。
The catalyst layers 102a and 102b are layers mainly composed of conductive carbon particles carrying an electrode catalyst (for example, platinum-based metal). The
アノード側セパレータ106a及びカソード側セパレータ106bは、導電性を有しており、膜電極接合体104を機械的に固定するとともに、膜電極接合体104を複数積層する場合に隣接する膜電極接合体104同士を互いに電気的に直列に接続する。また、アノード側セパレータ106a及びカソード側セパレータ106bには、アノード104a及びカソード104bに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスを膜電極接合体104の外部に運び去るためのガス流路107a、107bが一方の面(即ちアノード側セパレータ106a及びカソード側セパレータ106bの、それぞれアノード104a及びカソード104bに接する側の主面)に形成されている。
The anode-
更に、アノード側セパレータ106a及びカソード側セパレータ106bの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体(冷却水等)を導入するための冷却流体流路108a、108bが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
Further, cooling
ガス流路107a、107bは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ106a及びカソード側セパレータ106bの、それぞれアノード104a及びカソード104bに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路108a、108bは、アノード側セパレータ106a及びカソード側セパレータ106bの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。
The
また、複数の膜電極接合体105間にアノード側セパレータ106a及びカソード側セパレータ106bを介在させ、複数の膜電極接合体105を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池(燃料電池スタック)においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各膜電極接合体105に供給するためのマニホールド(アノード側セパレータ106a及びカソード側セパレータ106bに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド(図示せず))が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。
In addition, a so-called stacked fuel cell (obtained by electrically stacking a plurality of
図示しないが、上記スタックに含まれる各単電池100において、アノード側のガス流路の入口はアノード側の反応ガス供給用マニホールドに連通しており、アノード側のガス流路の出口はアノード側の反応ガス排出用マニホールドに連通している。即ち、上記スタックのアノード側の反応ガス供給用マニホールドに供給された燃料ガスは、アノード側のガス流路の入口から各単電池100に分配され、各単電池100から出てきたアノード排ガスは、アノード側の反応ガス排出用マニホールドで混合され、上記スタックから排出される。カソード側の酸化剤ガス用のマニホールド及び冷却流体用のマニホールドも、図示しないが、同様の構成を有する。
Although not shown, in each
更に、単電池100においては、反応ガスのガス漏れ(燃料ガスのカソード104b側への漏れ、酸化剤ガスのアノード104a側への漏れ、膜電極接合体105外部への反応ガスの漏れ等)を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ106a及びカソード側セパレータ106bの間において、膜電極接合体105の外縁部(アノード104a及びカソード104bの外部であって高分子電解質膜101の外縁部)に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット109a及びカソード側ガスケット109bが配置されている。
Further, in the
これらアノード側ガスケット109a及びカソード側ガスケット109bとしては、例えばOリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が用いられている。MEA105の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをMEA105と一体化させて用いることが多い。
As the anode side gasket 109a and the
ここで、アノードへ供給する燃料としては純水素が好適であるが、インフラや貯蔵等の観点からは、必ずしも好適であるとは言えない。そのため、炭化水素等の水素含有の化合物(化石燃料)から触媒反応によって水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料処理部を用い、燃料電池へ燃料ガスを供給することが多い。かかる燃料処理部により、メタン、ブタン若しくは天然ガス等の炭化水素、メタノール等のアルコール、ジメチルエーテル(DME)、又はガソリン等から水素を主成分とする燃料ガスを生成することが可能である。 Here, pure hydrogen is suitable as the fuel to be supplied to the anode, but it is not necessarily suitable from the viewpoint of infrastructure and storage. Therefore, the fuel gas is often supplied to the fuel cell using a fuel processing unit that generates a fuel gas mainly composed of hydrogen from a hydrogen-containing compound (fossil fuel) such as hydrocarbon by a catalytic reaction. With such a fuel processing section, it is possible to generate a fuel gas containing hydrogen as a main component from hydrocarbons such as methane, butane or natural gas, alcohols such as methanol, dimethyl ether (DME), or gasoline.
次に、図7は、上記燃料電池を用いた従来の燃料電池システムの構成を示す図である。この燃料電池システムは例えば定置用コージェネレーションシステムに用いられる。
定置用燃料電池コージェネレーションシステムでは、既にインフラが整備されている都市ガス(13A)を改質し、水素を主成分とする燃料ガスを生成し、これを燃料電池スタックへ供給するのが有効である。都市ガスはメタンを主成分とし、エタン及びプロパン等を含む。
Next, FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system using the fuel cell. This fuel cell system is used, for example, in a stationary cogeneration system.
In the stationary fuel cell cogeneration system, it is effective to reform the city gas (13A) for which infrastructure has already been developed, generate fuel gas mainly composed of hydrogen, and supply this to the fuel cell stack. is there. City gas is mainly composed of methane and contains ethane and propane.
都市ガス等を改質する燃料処理部は、改質部123、変成部124及びCO除去部125で構成されるのが一般的である。また、流量制御装置26a、26b、26c及び26dが設けられている。メタン等の炭化水素を含む原料ガス等の化石燃料は、脱硫部22に供給され、ここで付臭剤等に含まれる硫黄化合物が吸着除去される。そして、上記化石燃料は、燃料処理部で改質されて水素を主成分とする燃料ガスとなり、燃料電池121のアノードに供給される。
The fuel processing unit for reforming city gas or the like is generally composed of a reforming
原料ガスにメタンを用いた場合、改質部123では、水蒸気を伴って反応式:CH4+2H2O→CO2+4H2により触媒反応が起こり、水素とともに数%のCOが発生する。その後、発生したCOはCO変成部124で反応式:CO+H2O→CO2+H2により二酸化炭素に酸化され、数千ppmまで減少する。下流側のCO除去器125では、COだけでなく、燃料ガスの水素まで酸化してしまうため、CO変成部124においてできるだけCO濃度を低下させる必要がある。更に、残ったCOはCO除去部で反応式:CO+1/2O2→CO2により酸化され、その濃度は約20ppm以下にまで低下する。よって、燃料処理部における全反応は、反応式:CH4+2H2O→CO2+4H2と表される。
When methane is used as the raw material gas, in the reforming
ここで、COはPt表面に吸着する性質を有しており、アノードに供給される燃料ガスにCOが含まれていると、アノードの触媒層に含まれるPtに吸着し、本来反応するべき水素分子のPt表面での円滑な酸化反応が阻害され、燃料電池の出力が低減してしまうという問題がある(CO被毒)。このようなCO被毒に対する対策としては、燃料処理部の性能の更なる向上のほか、アノードの触媒層に耐CO被毒性を有するPt−Ru合金を用いることが挙げられるが、Pt−Ru触媒を用いてもCO被毒を十分には回避することはできない。 Here, CO has a property of adsorbing on the surface of Pt, and if CO is contained in the fuel gas supplied to the anode, it is adsorbed on Pt contained in the catalyst layer of the anode and is supposed to react with hydrogen. There is a problem that the smooth oxidation reaction on the Pt surface of the molecule is hindered and the output of the fuel cell is reduced (CO poisoning). As countermeasures against such CO poisoning, in addition to further improving the performance of the fuel processing section, it is possible to use a Pt—Ru alloy having CO poisoning resistance for the catalyst layer of the anode. CO poisoning cannot be avoided sufficiently.
これに対し、定置用燃料電池コージェネレーションシステムでは、従来から、燃料電池の運転停止時にスアノードやカソードに対して不活性ガスをパージし、封止することが一般的に行われており、当該不活性ガスとしては例えばチッ素や脱硫した原料ガス(13A)を用いられている。そして、例えば特許文献1及び2においては、アノードにおいて被毒された触媒に吸着したCOを酸化除去することを意図して、燃料電池の運転中に瞬間的かつ周期的に、燃料が不足又は欠乏した状態を作ることによってアノード電位を増加させることが提案している。
しかしながら、上記特許文献1及び2で提案されているように、燃料電池の運転中に瞬間的かつ周期的に、燃料不足又は燃料欠乏な状態となるように燃料電池システムを制御することは非常に困難であり、運転中に電圧変動を起こさなければならず、電力供給システムとしては好ましくない。また、燃料電池の運転中にアノードに供給される燃料ガスが欠乏すると、触媒層のカーボンが腐食したり溶出したりしてしまう。さらに、上記特許文献2においては、より具体的には、アノードの電位を標準水素電極に対して+0.3V以上貴な電位にすることが提案されているが、Ptに吸着したCOをより確実に酸化除去するという観点からは、未だ改善の余地があった。
However, as proposed in
また、従来の定置用燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、メタンを主成分とする都市ガス等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り、光熱費メリットを大きくすることができるという観点から、例えば昼間は運転して深夜は運転を停止するDSS(Daily Start-up & Shut-down)運転が好ましい。即ち、このような頻繁な起動及び停止を含むDSS運転を前提として、燃料電池システムのアノードの触媒の活性をより容易かつ確実に維持することのできる方法が望まれていた。 In addition, in the conventional stationary fuel cell cogeneration system, when raw material gas such as city gas mainly composed of methane is used, it is stopped during the time period when electricity consumption is low in order to increase the utility cost. For example, DSS (Daily Start-up & DSS), which operates in the daytime and stops at midnight, is effective from the point of view that it is effective to operate in a time zone with a large amount of electricity consumption, and to increase the utility cost. Shut-down operation is preferred. That is, on the premise of DSS operation including such frequent start and stop, a method that can maintain the activity of the catalyst of the anode of the fuel cell system more easily and reliably has been desired.
そこで、本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、発電の妨げにならないようにアノードの触媒の活性を維持することが可能な、燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of maintaining the activity of an anode catalyst so as not to hinder power generation. .
以上のような課題を解決すべく、本発明者らは燃料電池システムにおけるアノードの触媒の被毒を低減させることについて鋭意検討した結果、燃料電池の停止後で起動前に、燃料電池のアノードに脱硫した都市ガスをパージガスとして供給し、このパージガスに酸化剤ガスである空気を混合すれば、アノードの触媒に吸着したCOをより確実に除去することができることを見出した。より具体的には、本発明者らは、図1に示す構成を有する単電池10を作製し、当該単電池10にポテンショスタットを接続し、アノードを作用極、カソードを参照電極とする2極系の試験セルを作製して鋭意実験を行ったところ、以下のような知見を見出し、本発明を完成するに至った。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive studies on reducing the poisoning of the anode catalyst in the fuel cell system. It has been found that CO adsorbed on the anode catalyst can be more reliably removed by supplying the desulfurized city gas as a purge gas and mixing the purge gas with air as an oxidant gas. More specifically, the present inventors produce a
図1に示すように、単電池10は、主として膜電極接合体5と、膜電極接合体5を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bで構成した。膜電極接合体5は、アノード4a及びカソード4bの間に陽イオン(水素イオン)を選択的に輸送する高分子電解質膜1を配置して構成した。
As shown in FIG. 1, the
アノード4aは、高分子電解質膜1側に密着した状態で配置される触媒層2aと、当該触媒層2aとアノード側セパレータ6aとの間に配置されるガス拡散層3aとで構成し、カソード4bは、高分子電解質膜1側に密着した状態で配置される触媒層2bと、当該触媒層2bとカソード側セパレータ6bとの間に配置されるガス拡散層3bとで構成した。
The
また、触媒層2a、2bは、電極触媒(白金系金属)を担持した導電性炭素粒子を主成分とする層として構成した。また、ガス拡散層3a、3bは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層として構成した。このガス拡散層3a、3bは、カーボンからなる導電性多孔質基材の上に、導電性炭素粒子とフッ素樹脂とを含む導電性撥水層を形成して構成した。 Moreover, the catalyst layers 2a and 2b were configured as layers mainly composed of conductive carbon particles carrying an electrode catalyst (platinum metal). Moreover, the gas diffusion layers 3a and 3b were configured as layers having both gas permeability and conductivity. The gas diffusion layers 3a and 3b were formed by forming a conductive water repellent layer containing conductive carbon particles and a fluororesin on a conductive porous substrate made of carbon.
アノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bの一方の面(即ちアノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bの、それぞれアノード4a及びカソード4bに接する側の主面)に溝を設けることにより、アノード4a及びカソード4bに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスを膜電極接合体5の外部に運び去るためのガス流路7a、7bを形成した。更に、アノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bの他方の面には、溝を設けることにより、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体(冷却水等)を導入するための冷却流体流路8a、8bを形成した。
By providing grooves on one surface of the
上記のような構成を有する単電池1を含む試験セルを用い、アノード4aに都市ガスを改質して得られる改質ガス(主成分は水素)を供給するとともにカソード4bに空気を供給し、起電力を生じさせた。上記改質ガスには微量のCOが含まれているため、電圧が低下した。これは、アノードの触媒にCOが化学吸着し、水素の酸化反応が阻害されたためと考えられた。
Using the test cell including the
このように上記単電池1を1サイクル運転した後、運転を停止し、再度起動する前に、脱硫した都市ガスを不活性ガス(パージガス)としてアノードに供給するとともに、当該都市ガスに酸化剤ガスである空気を混合させ、アノードの電位を約50mV付近から徐々に+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)(以下、+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)の範囲内の電位を「電位E1」ともいう。)まで上げ、電流の応答性を調べた(2サイクル目)。
In this way, after the
図2は、上記のような実験によって得られたサイクリックボルタモグラム、即ち標準水素電極に対するアノードの電位(mV)と電流(A)との関係、を示すものである。図2に示すサイクリックボルタモグラムからわかるように、1サイクル目においては、水素参照電極に対して、+0.3Vあたりから酸化方向の電流が流れはじめ、表面に吸着したCOが電気化学的に酸化されているのがわかる。COの酸化は、水素標準電極に対して+0.5Vを超えて完了している。 FIG. 2 shows the cyclic voltammogram obtained by the experiment as described above, that is, the relationship between the potential (mV) of the anode with respect to the standard hydrogen electrode and the current (A). As can be seen from the cyclic voltammogram shown in FIG. 2, in the first cycle, a current in the oxidation direction starts to flow from around +0.3 V to the hydrogen reference electrode, and the CO adsorbed on the surface is oxidized electrochemically. I can see that The oxidation of CO is complete above +0.5 V with respect to the hydrogen standard electrode.
これに対し、2サイクル目においては、+0.3V以下の電位領域に、1サイクル目では認められなかった吸着水素の酸化に起因する電流が認められ、水素酸化反応に対する活性が回復していることが示され、さらにCOの酸化に起因する酸化電流は消失していることがわかる。この結果から、アノードの触媒上に吸着したCOは、水素標準電極基準で+0.3Vよりも高い電位で酸化しはじめ、+0.5Vを超えると完全に酸化除去されること、及び一旦COが酸化除去された後は、アノードの触媒の本来の機能である水素酸化に対する活性が回復していることがわかる。 On the other hand, in the second cycle, an electric current caused by oxidation of adsorbed hydrogen, which was not recognized in the first cycle, was observed in the potential region of +0.3 V or less, and the activity against the hydrogen oxidation reaction was recovered. Further, it can be seen that the oxidation current due to the oxidation of CO disappears. From this result, CO adsorbed on the anode catalyst begins to oxidize at a potential higher than +0.3 V with respect to the hydrogen standard electrode, and when it exceeds +0.5 V, it is completely oxidized and removed, and once CO is oxidized. After the removal, it can be seen that the activity against hydrogen oxidation, which is the original function of the anode catalyst, is restored.
本発明者らは、以上のような実験結果に基づいて、燃料電池の停止時から起動時までの間において、アノードに不活性ガスをパージガスとして供給するとともに、アノード側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持されるように、上記パージガスに酸化剤ガスを混合させることによって、アノードの触媒に吸着したCOをより確実に除去し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。 Based on the experimental results as described above, the present inventors supply an inert gas as a purge gas to the anode between the time when the fuel cell is stopped and the time when the fuel cell is started, and the potential on the anode side becomes the standard hydrogen electrode. On the other hand, it has been found that CO adsorbed to the anode catalyst can be more reliably removed by mixing the oxidant gas with the purge gas so as to be maintained at +0.4 V to +0.5 V (vs. SHE). The present invention has been completed.
即ち、本発明は、
アノード、カソード及びアノードとカソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体を含む燃料電池と;
化石燃料を改質して得られる燃料ガスをアノードに供給する燃料ガス供給部と;
酸化剤ガスをカソードに供給する第1酸化剤ガス供給部と;
燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、アノードにパージガスとして不活性ガスを供給するパージガス供給部と;
アノードに供給されるパージガスに酸化剤ガスを混合する第2酸化剤ガス供給部と;
燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、アノード側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持されるように、アノードに供給される不活性ガスに前記酸化剤ガスを混合させる制御部と;
を具備すること、を特徴とする燃料電池発電システムを提供する。
That is, the present invention
A fuel cell comprising an anode, a cathode and a membrane electrode assembly having a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
A fuel gas supply section for supplying fuel gas obtained by reforming fossil fuel to the anode;
A first oxidant gas supply for supplying oxidant gas to the cathode;
A purge gas supply unit for supplying an inert gas as a purge gas to the anode during a period from when the fuel cell system is stopped to when it is started;
A second oxidant gas supply unit for mixing an oxidant gas with a purge gas supplied to the anode;
During the period from when the fuel cell system is stopped to when it is started, the potential supplied to the anode is maintained so that the potential on the anode side is maintained at +0.4 V to +0.5 V (vs. SHE) with respect to the standard hydrogen electrode. A control unit for mixing the oxidizing gas with the active gas;
A fuel cell power generation system is provided.
ここで、本発明における「化石燃料」とは、燃料電池に供給される燃料の原料となるものであれば特に制限はなく、例えばエタン、メタン、プロパン及びブタン等の炭化水素、エタン、メタン、プロパン及びブタン等のうちの少なくとも1種を含む天然ガス及び都市ガス(メタンを主成分として含みかつエタン及びプロパン並びにイオウを含む。)、メタノール等のアルコール、ジメチルエーテル、並びにガソリン等が挙げられる。
また、上記「不活性ガス」とは、チッ素ガス及びアルゴンガス等の他、改質前の上記化石燃料(例えばメタンや都市ガス)、改質前でかつ脱硫後の上記化石燃料(例えばメタンや都市ガス)、を含む。特に、付臭剤としてイオウを含む都市ガスを不活性ガスとして用いる場合には、脱硫を行ってから用いるのが好ましい。
Here, the `` fossil fuel '' in the present invention is not particularly limited as long as it is a raw material for fuel supplied to the fuel cell. For example, hydrocarbons such as ethane, methane, propane and butane, ethane, methane, Examples include natural gas and city gas (including methane as a main component and including ethane, propane, and sulfur), alcohol such as methanol, dimethyl ether, gasoline, and the like including at least one of propane and butane.
The “inert gas” refers to the fossil fuel before reforming (for example, methane or city gas) in addition to nitrogen gas and argon gas, and the fossil fuel (for example, methane) before reforming and after desulfurization. And city gas). In particular, when city gas containing sulfur as an odorant is used as an inert gas, it is preferably used after desulfurization.
上記のように、燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、アノードに供給する不活性ガスへ酸化剤ガスを混合してアノード側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持することにより、燃料電池システムの運転中にアノードの触媒に付着したCOを、燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、より確実に酸化除去することができ、起動及び停止を含むDSS運転を行う燃料電池システムのアノードの触媒の活性をより容易かつ確実に維持することができる。 As described above, during the period from when the fuel cell system is stopped to when it is started, the oxidant gas is mixed with the inert gas supplied to the anode so that the potential on the anode side is +0.4 V to +0 with respect to the standard hydrogen electrode. By maintaining the voltage at 5 V (vs. SHE), the CO adhering to the anode catalyst during operation of the fuel cell system can be more reliably oxidized and removed during the period from when the fuel cell system is stopped to when it is started. Therefore, the activity of the catalyst of the anode of the fuel cell system that performs DSS operation including starting and stopping can be maintained more easily and reliably.
アノード側の電位を標準水素電極に対して+0.4V(vs. SHE)以上に保持すれば、アノードの触媒に吸着したCOをより確実に酸化除去することができ、+0.5V(vs. SHE)以下に保持すれば、例えばアノードの触媒の一成分として好適に用いられるRuの溶出をより確実に防止することができ、好ましい。 If the potential on the anode side is maintained at +0.4 V (vs. SHE) or higher with respect to the standard hydrogen electrode, CO adsorbed on the catalyst of the anode can be more reliably oxidized and removed, and +0.5 V (vs. SHE). ) If maintained below, elution of Ru, which is suitably used as one component of the anode catalyst, for example, can be more reliably prevented, which is preferable.
また、本発明は、
アノード、カソード及びアノードとカソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体を含む燃料電池と;
化石燃料を改質して得られる燃料ガスをアノードに供給する燃料ガス供給部と;
酸化剤ガスを前記カソードに供給する第1酸化剤ガス供給部と;
アノード及びカソードに接続された外部電源と;
燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、アノード側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持されるように、外部電源を制御する制御部と;
を具備すること、を特徴とする燃料電池発電システムをも提供する。
The present invention also provides:
A fuel cell comprising an anode, a cathode and a membrane electrode assembly having a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
A fuel gas supply section for supplying fuel gas obtained by reforming fossil fuel to the anode;
A first oxidant gas supply unit for supplying an oxidant gas to the cathode;
An external power source connected to the anode and cathode;
Control for controlling the external power supply so that the anode side potential is maintained at +0.4 V to +0.5 V (vs. SHE) with respect to the standard hydrogen electrode during the period from when the fuel cell system is stopped to when it is started. Part;
There is also provided a fuel cell power generation system characterized by comprising:
上記のように、燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、上記外部電源によってアノード側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持することによっても、燃料電池システムの運転中にアノードの触媒に付着したCOを、燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、より確実に酸化除去することができ、起動及び停止を含むDSS運転を行う燃料電池システムのアノードの触媒の活性をより容易かつ確実に維持することができる。 As described above, the potential on the anode side is maintained at +0.4 V to +0.5 V (vs. SHE) with respect to the standard hydrogen electrode by the external power source between the stop time and the start time of the fuel cell system. According to the above, it is possible to more reliably oxidize and remove CO adhering to the anode catalyst during the operation of the fuel cell system during the period from the stop of the fuel cell system to the start of the fuel cell system. The activity of the catalyst of the anode of the fuel cell system that performs the above can be maintained more easily and reliably.
本発明の燃料電池システムにおける燃料電池は、高い起電力の発生を持続することができ、結果として発電エネルギー効率を向上させることができる。また、アノードの触媒のCOによる被毒及び失活を継続的に回復することができるため、従来に比べてより長期間にわたってメインテナンスフリーで使用可能な燃料電池システムを実現することができる。 The fuel cell in the fuel cell system of the present invention can maintain the generation of high electromotive force, and as a result, the power generation energy efficiency can be improved. In addition, since poisoning and deactivation of the anode catalyst by CO can be continuously recovered, a fuel cell system that can be used maintenance-free for a longer period of time than before can be realized.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[第1実施形態]
図3は、本発明の燃料電池システムの第1実施形態の構成を示す図である。まず、図3に示す燃料電池システム1の構成要素について説明する。また、図1は、本実施の形態の燃料電池システムに用いられる燃料電池21に搭載される単電池の一例の構成を示す概略断面図である。図3に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池21、燃料ガス供給部22、第1酸化剤ガス供給部24、パージガス供給部23、第2酸化剤ガス供給部25、及び制御部26を具備する。
[First Embodiment]
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the first embodiment of the fuel cell system of the present invention. First, the components of the
燃料電池21は、アノード21a、カソード21b及びアノード21aとカソード21bとの間に配置される、陽イオン(水素イオン)伝導性を有する高分子電解質膜21cを有する膜電極接合体を含む単電池の積層体(燃料電池スタック)で構成されている。単電池の構成は、図1を用いて上述したとおりである。
The
図1に示す第1実施形態における燃料電池21は、主として膜電極接合体5(以下、必要に応じて「MEA5」という)と、膜電極接合体5を挟持する一対の板状の導電性セパレータ(即ちアノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6b)と、膜電極接合体5のアノード4aの周囲に配置されるアノード側ガスケット9aと、膜電極接合体5のカソード4bの周囲に配置されるカソード側ガスケット9bと、を含む構成の単電池を少なくとも1つ含む構成を有している。
The
高分子電解質膜1は、固体電解質であり、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する。発電中の膜電極接合体5では、アノード4aで生成する水素イオンは、この高分子電解質膜1中をカソード4bに向けて移動する。高分子電解質膜1としては、特に限定されるものではなく、通常の固体高分子形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(商品名)、旭硝子(株)製のFlemion(商品名)及びAciplex(商品名)、ジャパンゴアテックス(株)製のGSII等)を使用することができる。
The
高分子電解質膜1の陽イオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びスルホンイミド基を有するものが好ましくあげられる。プロトン伝導性の観点から、高分子電解質膜1はスルホン酸基を有するものが特に好ましい。
Preferred examples of the cation exchange group of the
スルホン酸基を有する高分子電解質膜を構成する樹脂としては、イオン交換容量が0.5〜1.5meq/g乾燥樹脂であることが好ましい。高分子電解質膜のイオン交換容量が0.5meq/g乾燥樹脂以上であると、発電時における高分子電解質膜の抵抗値の上昇をより十分に低減できるので好ましく、イオン交換容量が1.5meq/g乾燥樹脂以下であると、高分子電解質膜の含水率を適当に保ちつつ、触媒層中の良好なガス拡散特性を十分に確保しやすいため好ましい。以上と同様の観点から、イオン交換容量は0.8〜1.2meq/g乾燥樹脂が特に好ましい。 The resin constituting the polymer electrolyte membrane having a sulfonic acid group is preferably a dry resin having an ion exchange capacity of 0.5 to 1.5 meq / g. It is preferable that the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane is 0.5 meq / g dry resin or more because an increase in the resistance value of the polymer electrolyte membrane during power generation can be more sufficiently reduced, and the ion exchange capacity is 1.5 meq / g. It is preferable that it is less than g dry resin, since it is easy to sufficiently ensure good gas diffusion characteristics in the catalyst layer while keeping the moisture content of the polymer electrolyte membrane appropriately. From the same viewpoint as described above, the ion exchange capacity is particularly preferably 0.8 to 1.2 meq / g dry resin.
高分子電解質は、CF2=CF−(OCF2CFX)m−Op−(CF2)n−SO3Hで表されるパーフルオロビニル化合物(mは0〜3の整数を示し、nは1〜12の整数を示し、pは0又は1を示し、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。)に基づく重合単位と、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位とを含む共重合体であることが好ましい。 Polyelectrolytes, CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m-Op- (CF 2) a perfluorovinyl compound represented by the n-SO 3 H (m is an integer of 0 to 3, n is 1 An integer of ˜12, p is 0 or 1, and X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group.) And a copolymer comprising a polymer unit based on tetrafluoroethylene. Is preferred.
上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式(1)〜(3)で表される化
合物が挙げられる。ただし、下記式中、qは1〜8の整数、rは1〜8の整数、tは1〜
3の整数を示す。
CF2=CFO(CF2)q−SO3H ・・・(1)
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)r−SO3H ・・・(2)
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2−SO3H ・・・(3)
また、高分子電解質膜1は、一種又は複数種の高分子電解質で構成されていてもよい。
Preferable examples of the fluorovinyl compound include compounds represented by the following formulas (1) to (3). However, in the following formula, q is an integer of 1 to 8, r is an integer of 1 to 8, and t is 1 to 8.
An integer of 3 is shown.
CF 2 = CFO (CF 2) q-SO 3 H ··· (1)
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) r-SO 3 H ··· (2)
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) tO (CF 2) 2 -SO 3 H ··· (3)
Moreover, the
高分子電解質膜1は、十分な機械的強度を確保する観点から、内部に水素イオン伝導を確保できる状態で配置される補強体(充填材)を含んでいてもよい。このような補強体を構成する材料としては、例えばポリテトラフルオルエチレン又はポリフルオロアルコキシエチレンが挙げられる。上記補強体としては、その内部に高分子電解質(水素イオン伝導性を有するもの)を充填可能な孔を有する多孔体又はフィブリル状の繊維からなるもの等が挙げられる。
The
なお、フィブリル状の繊維とは、表面に存在するフィブリル(小繊維)が毛羽立ちささくれた状態(フィブリル化した状態)となっている繊維をいい、各フィブリルの間に微細な空気溝(孔)が形成されている繊維をいう。例えば、セルロース系繊維はすべて、フィブリルが多数集まった束であり、各フィブリルの間には微細な空気溝(孔)がある。 Fibril-like fibers are fibers in which fibrils (small fibers) existing on the surface are fluffed (fibrillated), and there are fine air grooves (holes) between each fibril. It refers to the fibers that are formed. For example, all cellulosic fibers are bundles of many fibrils, and there are fine air grooves (holes) between the fibrils.
図1に示すように、カソード4bは、主として、高分子電解質膜1の主面上に配置されている触媒層2b(カソード触媒層2b)と、更に触媒層2bの外側に配置されているガス拡散層3b(カソード拡散層3b)と、から構成されている。
As shown in FIG. 1, the
触媒層2bの構成は、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池に搭載されているガス拡散電極の触媒層と同様の構成を有していても良い。例えば、カソード触媒層2bの構成としては、電極触媒が担持された導電性炭素粒子と、陽イオン(水素イオン)伝導性を有する高分子電解質とを含む構成を有していてもよく、更に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水材料を含む構成を有していてもよい。尚、高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜1の構成材料と同種のものを使用してもよく異なる種類のものを使用してもよい。高分子電解質としては、高分子電解質膜1の構成材料として記載したものを使用することができる。
The structure of the
上記のカソード電極触媒は、金属粒子(例えば貴金属からなる金属粒子)からなり、導電性炭素粒子(粉末)に担持されて用いられる。当該金属粒子は、特に限定されず種々の金属を使用することができるが、電極反応活性の観点ら、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛及びスズからなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。 The cathode electrode catalyst is made of metal particles (for example, metal particles made of a noble metal) and used by being supported on conductive carbon particles (powder). The metal particles are not particularly limited and various metals can be used, but from the viewpoint of electrode reaction activity, platinum, gold, silver, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, chromium, iron, titanium, manganese It is preferably at least one selected from the group consisting of cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, zinc and tin.
また、電極触媒の粒子は平均粒径1〜5nmであることがより好ましい。平均粒径1nm以上の電極触媒は工業的に調製が容易であるため好ましく、また、5nm以下であると、電極触媒質量あたりの活性をより十分に確保しやすくなるため、燃料電池のコストダウンにつながり好ましい。 The electrode catalyst particles more preferably have an average particle size of 1 to 5 nm. An electrode catalyst having an average particle diameter of 1 nm or more is preferable because it is easy to prepare industrially, and if it is 5 nm or less, the activity per mass of the electrode catalyst is more easily secured, thereby reducing the cost of the fuel cell. Connection is preferable.
上記の導電性炭素粒子は比表面積が50〜1500m2/gであることが好ましい。比表面積が50m2/g以上であると、電極触媒の担持率を上げることが容易であり、得られたカソード触媒層2bの出力特性をより十分に確保できることから好ましく、比表面積が1500m2/g以下であると、十分な大きさの細孔をより容易に確保できるようになりかつ高分子電解質による被覆がより容易となり、カソード触媒層2bの出力特性をより十分に確保できることから好ましい。上記と同様の観点から、比表面積は200〜900m2/gが特に好ましい。
The conductive carbon particles preferably have a specific surface area of 50 to 1500 m 2 / g. If the specific surface area is 50 m 2 / g or more, it is easy to increase the supporting rate of the electrode catalyst, preferably because it can more sufficiently ensure the output characteristics of the resulting
また、導電性炭素粒子は、その平均粒径が0.1〜1.0μmであることが好ましい。0.1μm以上であると、カソード触媒層2b中のガス拡散性をより十分に確保し易くなり、フラッディングをより確実に防止できるようになるため好ましい。また、導電性炭素粒子の平均粒径が1.0μm以下であると、高分子電解質による電極触媒の被覆状態をより容易に良好な状態とし易くなり、高分子電解質による電極触媒の被覆面積をより十分に確保し易くなるため、十分な電極性能をより確保し易くなり好ましい。
The conductive carbon particles preferably have an average particle size of 0.1 to 1.0 μm. When the thickness is 0.1 μm or more, gas diffusibility in the
ガス拡散層3bとしては、ガス透過性を持たせるために、高表面積のカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー又はカーボンクロス等を用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いてもよい。また、十分な排水性を得る観点から、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子等をガス拡散層3bの中に分散させてもよい。さらに、十分な電子伝導性を得る観点から、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末等の電子伝導性材料でガス拡散層3bを構成してもよい。
As the
一方、アノード4aは、主として、高分子電解質膜1の主面上に配置されている触媒層2a(アノード触媒層2a)と、更に触媒層2aの外側に配置されているガス拡散層3a(アノード拡散層3a)と、から構成されている。
On the other hand, the
触媒層2aは、電極触媒をカーボン粉末に担持させて得られる触媒担持カーボンと、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを含む構成を有している。アノード電極触媒としては特に限定されず、公知の高分子電解質形燃料電池のアノードに使用される電極触媒を使用することができる。例えば、Pt構成元素として含む金属微粒子用いてもよく、一酸化炭素に対する良好な耐久性を持たせるため、Pt及びRuを構成元素として含む金属微粒子を用いるのが好ましい。
The
ガス拡散層3aの構成は、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池に搭載されているガス拡散電極のガス拡散層と同様の構成を有していてもよい。例えば、先に述べたガス拡散層3b(カソード拡散層3b)と同一の構成を有していても良い。また、ガス拡散層3aの構成及びガス拡散層3bの構成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。
The configuration of the
図1に示すように、MEA5は、ガス漏れを防止するためのアノード側ガスケット9a、カソード側ガスケット9bを配置する観点から、高分子電解質膜1の主面の大きさが、アノード4a及びカソード4bの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜1の全外縁部がアノード4a及びカソード4bの外縁端部よりも外側に突出する構成を有している。
As shown in FIG. 1, the
以下、アノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bについて説明する。アノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bは、導電性を有しており、MEA5を機械的に固定するとともに、複数の単電池を積層して用いる場合、隣接するMEA5同士を互いに電気的に直列に接続するものである。
Hereinafter, the
アノード4aには、これに反応ガス(燃料ガス)を供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをMEA5の外部に運び去るためのガス流路7aが一方の面(即ちアノード側セパレータ6aのMEA5に接する側の主面)に形成されている。カソード4bには、反応ガス(酸化剤ガス)を供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをMEA5の外部に運び去るためのガス流路7bが一方の面(即ちカソード側セパレータ6bのMEA5に接する側の主面)に形成されている。
The
また、アノード側セパレータ6aのガス流路7aの形成されている主面と反対側の主面には、発電中の電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体(冷却水等)を導入するための冷却流体流路8aが形成されている。また、カソード側セパレータ6bのガス流路7bの形成されている主面と反対側の主面には、発電中の電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体(冷却水等)を導入するための冷却流体流路8bが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器(図示せず)との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
Further, a cooling fluid (cooling water or the like) for adjusting the battery temperature during power generation to a substantially constant level is introduced into the main surface opposite to the main surface where the
製造工程を簡素化できる等の利点から、ガス流路7aは、アノード側セパレータ6aのMEA5に接する側の主面に溝を設けることにより形成されている。また、上記と同様の利点から、冷却流体流路8aも、アノード側セパレータ6aのガス流路7aの形成されている主面と反対側の主面に溝を設けることにより形成されている。更に、上記と同様の利点から、ガス流路7bも、カソード側セパレータ6bのMEA5に接する側の主面に溝を設けることにより形成されている。また、上記と同様の利点から、冷却流体流路8bも、カソード側セパレータ6bのガス流路7bの形成されている主面と反対側の主面に溝を設けることにより形成されている。に溝を設けることにより形成されている。
Due to the advantage that the manufacturing process can be simplified, the
1つの単電池10が出力できる電圧値は限られるため(理論上、還元剤に水素ガス、酸化剤に酸素を用いた場合には約1.23V)、使用環境に応じて所望の出力電圧を得る観点から、本実施形態の燃料電池システムには、例えば図4に示す燃料電池スタック30を用いる。特に図4に示す燃料電池スタック30の場合、これを構成する全ての燃料電池が図1に示す単電池10となっている。
Since the voltage value that can be output by one
図4に示すように、燃料電池スタック30は、複数のMEA5間にアノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bを介在させ、複数のMEA5を電気的に直列に積層して得られる。この場合、燃料電池スタック30を構成するには、外部のガスライン(図示せず)を通じて燃料電池スタック30に供給される反応ガスをさらに分岐して各MEA5に供給するためのマニホールド、各MEA5から排出さられるガスをまとめて燃料電池スタック30の外部に排出するためのマニホールド、外部の冷却流体ライン(図示せず)を通じて燃料電池スタック30に供給される冷却流体を必要な数に分岐させてアノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bのうちの少なくとも1つに供給するためのマニホールドが必要となる。
As shown in FIG. 4, the
そのため、図示しないが、常法によりアノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bには、燃料ガス供給用マニホールド孔、燃料ガス排出用マニホールド孔、冷却流体供給用マニホールド孔、冷却流体排出用マニホールド孔、酸化剤ガス供給用マニホールド孔、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔が設けられている。
Therefore, although not shown, the anode-
また、各単電池10のアノード側セパレータ6aにおいて、冷却流体流路8aの一端は冷却流体供給用マニホールド孔に接続され、他端が冷却流体排出用マニホールド孔に接続されている。更に、各燃料電池のアノード側セパレータ6aにおいて、ガス流路7aの一端は燃料ガス供給用マニホールド孔に接続され、他端が燃料ガス排出用マニホールド孔に接続されている。
Further, in the
また、各燃料電池10のカソード側セパレータ6bにおいて、冷却流体流路8bの一端は酸化剤ガス供給用マニホールド孔に接続され他端が酸化剤ガス排出用マニホールド孔に接続されている。更に、各燃料電池のカソード側セパレータ6bにおいて、ガス流路7bの一端は酸化剤ガス供給用マニホールド孔に接続され他端が酸化剤ガス排出用マニホールド孔に接続されている。
Further, in the
図1に示すように、単電池10においては、反応ガスのガス漏れ(燃料ガスのカソード4b側への漏れ、酸化剤ガスのアノード4a側への漏れ、MEA5外部への反応ガスの漏れ等)を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bの間において、MEA5の外縁部(アノード4a及びカソード4bの外部であって高分子電解質膜1のはみ出し部P)に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット9a及びカソード側ガスケット9bが配置されている。
As shown in FIG. 1, in the
これらのアノード側ガスケット9a及びカソード側ガスケット9bは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体の構造(リング状の構造)を有しており、先に述べた高分子電解質膜1の外周縁部を挟み込んでいる。そして、アノード側セパレータ6a、高分子電解質膜1及びアノード側ガスケット9aにより、アノード4aを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ6b、高分子電解質膜1及びカソード側ガスケット9bにより、カソード4bを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード4a及びカソード4bに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。
These
なお、アノード側ガスケット9a及びカソード側ガスケット9bの構成材料としては優れたガスシール性を有していれば特に限定されず、公知の高分子電解質形燃料電池のガスケットに使用されているものを使用することができる。例えば、アノード側ガスケット9a及びカソード側ガスケット9bは、Oリング、ゴム状シート(フッ素ゴムからなるシート等)、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート、フッ素系の合成樹脂シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができる。
The constituent material of the
図4に示す燃料電池スタック30の場合、末端に配置される単電池10の外側にはエンドセパレータ6cが配置される。図4に示すように、末端に配置される単電池10の外側のセパレータがカソード側セパレータ6bの場合には、更にその外側に配置されるエンドセパレータ6cの内面には、カソード側セパレータ6bの冷却流体流路8bと全域にわたり結合して冷却流体流路8eを画成する冷却流体流路8dが形成されている。
より詳しくは、冷却流体流路8bと冷却流体流路8dとは、カソード側セパレータ6bとエンドセパレータ6cとの接触面において互いに鏡像の関係にある。
In the case of the
More specifically, the cooling
エンドセパレータ6cを配置することにより、末端に配置される単電池10の外側のセパレータの外側の冷却流体流路も冷却流体流路として使用することが可能になる。なお、末端に配置される単電池10の外側のセパレータの外側の冷却流体流路を使用しなくとも、単電池10を十分に冷却できる場合には、冷却流体流路(図4の場合は冷却流体流路8e)に冷却流体を流さない構成としてもよく、末端に配置される燃料電池10の外側のセパレータの外側の冷却流体流路をふさぐ凸部を有する別のエンドセパレータを配置してもよく、末端に配置される単電池10の外側のセパレータのみ冷却流体流路(図4の場合は冷却流体流路8e)を設けずに、エンドセパレータを配置しない構成としてもよい。エンドセパレータは集電板の機能を兼ねていてもよい。また、図4のエンドセパレータ6cのかわりに、冷却流体流路8eを設けていない平板状のエンドセパレータを、配置してもよい。
By disposing the
また、アノード側セパレータ6a及びカソード側セパレータ6bに設けられるガス流路7a及び7b並びに冷却流体流路8a及び8bは、従来公知の形状を有していればよい。例えば、セパレータの主面(例えば略矩形状の主面)を有効に利用するため、例えばサーペンタイン構造を有する連続する溝で構成することができる。
Further, the
次に、単電池10及び燃料電池スタック30の製造方法について説明する。
まず、膜電極接合体5を製造する。膜電極接合体5の製造方法は特に限定されるものではなく、公知の高分子電解質形燃料電池の膜電極接合体を製造する再に採用されている薄膜製造技術を用いて製造することができる。例えば、カソード触媒層2bは、以下に例示するカソード触媒層形成用ペーストを調製し、これを用いて形成することができる。即ち、例えばPtを50wt%担持したカーボン粒子を触媒として、これに陽イオン交換樹脂溶液、例えば高分子電解質膜1と同質のフッ素系スルホン酸高分子樹脂溶液(例えば当該樹脂の固形分10wt%をエタノール、水の混合溶液に配合した溶液)に徐々に加え、触媒の単位面積当たりの樹脂固形分が、例えば2mg/m2相当となるまでPtを担持したカーボン粒子を混合し、カソード触媒層形成用のペーストにする。
Next, a method for manufacturing the
First, the
カソード触媒層形成用ペーストに含有させる陽イオン交換樹脂溶液の量は、カーボン粒子の比表面積、細孔サイズ、分散性により変化する。比表面積が大きいほど、分散性がいいほど、樹脂量は多くなる。例えば、樹脂が進入することができないほど小さな細孔によって比表面積が大きくなっている場合に最適樹脂量は少なくなる。例えば、ケッチェンブラックの場合、単位g当たりの最適樹脂量は1.4g/gである。また、使用するカーボンの種類は結晶化、グラファイト化したものであれば、カーボンの酸化を抑制することができ、より望ましい。 The amount of the cation exchange resin solution contained in the cathode catalyst layer forming paste varies depending on the specific surface area, pore size, and dispersibility of the carbon particles. The greater the specific surface area and the better the dispersibility, the greater the amount of resin. For example, the optimum resin amount decreases when the specific surface area is large due to pores that are so small that the resin cannot enter. For example, in the case of ketjen black, the optimum resin amount per unit g is 1.4 g / g. Further, if the type of carbon used is crystallized or graphitized, it is more desirable because it can suppress the oxidation of carbon.
アノード触媒層2aは、以下に例示するアノード触媒層形成用ペーストを調整し、これを用いて形成することができる。アノード触媒層形成用ペーストは、アノード電極触媒をカーボン粉末に担持させた触媒担持カーボンを用いる場合は、上記のPtを担持したカーボン粒子の代わりに、Pt及びRuを構成元素として含む微粒子を担持したカーボン粒子を用いる以外は、先に述べたカソード触媒層形成用ペーストと同様の方法で調製すればよい。
The
より詳しくは、電極触媒としてのPt及びRuを構成元素として含む微粒子をカーボンに担持させたものをアノード電極触媒とし、これに陽イオン交換樹脂溶液、例えば高分子電解質膜1と同質のフッ素系スルホン酸高分子樹脂溶液(例えば当該樹脂の固形分10wt%をエタノール、水の混合溶液に配合した溶液)に徐々に加え、調製する。なお、アノード電極触媒をカーボン粉末に担持させた触媒担持カーボンを用いる場合は、アノード触媒層形成用ペーストに含有させる陽イオン交換樹脂溶液の量は、先に述べたカソード触媒層形成用ペーストと同様に用いればよい。
More specifically, an anode electrode catalyst is obtained by supporting fine particles containing Pt and Ru as constituent elements as an electrode catalyst on carbon, and this is used as a cation exchange resin solution, for example, a fluorine-based sulfone having the same quality as the
次に、先に述べた製造方法により作製されたカソード触媒層形成用ペースト、又はアノード触媒層形成用ペーストを、それぞれPPフィルム等の合成樹脂フィルムにバーコーターにより塗布した後、乾燥させる。乾燥後、所望の電極サイズにカットして、高分子電解質膜にホットプレスにより転写させ、カソード触媒層2b、及びアノード触媒層2aを形成する。触媒層形成方法はこの方法に限定されるものではなく、膜に触媒層ペーストを印刷する方法や、膜に触媒層ペーストをスプレー塗工する方法等でもよい。その時、用いられる高分子電解質膜については、特に限定はなく、先に述べたように、スルホン酸基を有する高分子電解質交換膜を用いることができる。
Next, the cathode catalyst layer forming paste or the anode catalyst layer forming paste prepared by the manufacturing method described above is applied to a synthetic resin film such as a PP film by a bar coater and then dried. After drying, it is cut into a desired electrode size and transferred to the polymer electrolyte membrane by hot pressing to form the
更に、従来公知の薄膜積層体の製造方法を用いて、図1に示す状態となるようにアノード触媒層2a又はカソード触媒層2bの外側にそれぞれ、ガス拡散層3aとガス拡散層3bを積層させる。次に、アノード4a及びカソード4bの間に高分子電解質膜1を挟んで配置させる。このとき、ガスケット9a及びガスケット9bを、アノード4a及びカソード4bの周囲に配置する。次に、膜電極接合体9の外側に、アノード側セパレータ6a、カソード側セパレータ6bを図1で示したように配置させ、単電池10を形成する。次に、単電池10を複数積層することにより、図4で示したような燃料電池スタック30を製造する。
Further, the
次に、本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池21以外の構成要素について説明する。
まず、燃料ガス供給部22は、化石燃料を改質して得られる燃料ガスを燃料電池21のアノード21a側に供給するものである。ここで、上述したように、「化石燃料」とは、燃料電池に供給される燃料の原料となるものであれば特に制限はなく、例えばエタン、メタン、プロパン及びブタン等の炭化水素、エタン、メタン、プロパン及びブタン等のうちの少なくとも1種を含む天然ガス及び都市ガス(メタンを主成分として含みかつエタン及びプロパン並びにイオウを含む。)、メタノール等のアルコール、ジメチルエーテル、並びにガソリン等が挙げられる。
Next, components other than the
First, the fuel
上記燃料ガス供給部22としては、例えば改質器、変成部及びCO酸化部を、上流側から下流側にかけて改質器、変成部及びCO酸化部の順で有するものを用いることができる。また、改質部、変成部及びCO酸化部としては、従来公知にものを用いることができる。改質部では、水蒸気を伴う化石燃料の触媒反応により、水素とともに数%のCOが発生する。その後、発生したCOは変成部で二酸化炭素に酸化され、数千ppmまで減少する。更に最下流側のCO酸化部では、残ったCOが酸化され、その濃度は約20ppm以下にまで低下する。なお、図示していないが、燃料ガス供給部22には、例えば電磁バルブ等の流量制御装置が備えられている。
As the fuel
次に、第1酸化剤ガス供給部24は、酸化剤ガス(例えば空気)を燃料電池21のカソード21b側に供給するものである。当該第1酸化剤ガス供給部24としては、従来と同様の構成を有するものを用いることができる。なお、図示していないが、第1酸化剤ガス供給部24は、例えば電磁バルブ等の流量制御装置が備えられている。
Next, the first oxidant
また、パージガス供給部23は、燃料電池システム1の停止時から起動時までの間において、燃料電池21のアノード21a側にパージガスとして不活性ガスを供給するものである。ここでいう「不活性ガス」とは、上述のように、チッ素ガス及びアルゴンガス等の他、改質前の上記化石燃料(例えばメタンや都市ガス)、並びに改質前でかつ脱硫後の上記化石燃料(例えばメタンや都市ガス)、のいずれであってもよい。特に、上記化石燃料として付臭剤であるイオウを含む都市ガスを用いる場合には、当該都市ガスを不活性ガスとしても用いることができ、この場合には上記都市ガスを脱硫してからパージガスとして用いるのが好ましい。
The purge
したがって、図示しないが、パージガス供給部23は脱硫部を備えていることが好ましい。脱硫部としては、従来と同様のものを用いることができる。なお、図示していないが、パージガス供給部23には、例えば電磁バルブ等の流量制御装置が備えられている。
Therefore, although not shown, the purge
また、上記燃料ガス供給部22が当該パージガス供給部23を兼ねていてもよい。例えば、上記燃料ガス供給部22が都市ガスを改質、変成及びCO除去して燃料ガスを生成し、当該燃料ガスを燃料電池21のアノード21a側に供給する場合には、都市ガスを燃料ガス供給部22からの都市ガスをそのまま不活性ガス及びパージガスとしてアノード21aに供給してもよい。したがって、この場合は、図示しないが、燃料ガス供給部22が上記脱硫部を備えているのが好ましい。
Further, the fuel
次に、第2酸化剤ガス供給部25は、アノード21aに供給される上記パージガスに酸化剤ガス(例えば空気)を混合するものである。第2酸化剤ガス供給部25は上記第1酸化剤ガス供給部24と同じ構成を有していればよく、また、上記第1酸化剤ガス供給部24が当該第2酸化剤ガス供給部25を兼ねてもよい。なお、図示していないが、第2酸化剤ガス供給部25には、例えば電磁バルブ等の流量制御装置が備えられている。
Next, the second oxidant
そして、制御部26は、燃料電池21、燃料ガス供給部22、第1酸化剤ガス供給部24、パージガス供給部23及び第2酸化剤ガス供給部25に接続されており、これらを制御するものである。具体的には、制御部26は、燃料電池システム1(特に燃料電池21)の停止時から起動時までの間において、アノード21a側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持されるように、アノード21aに供給される上記不活性ガスに酸化剤ガスを混合させるものである。
The
上記のように、燃料電池システム1の停止時から起動時までの間において、アノード21aに供給する不活性ガスへ酸化剤ガスを混合して、アノード21a側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持することにより、燃料電池システム1の運転中にアノードの触媒に付着したCOを、燃料電池システム1の停止時から起動時までの間において、より確実に酸化除去することができ、起動及び停止を含むDSS運転を行う燃料電池システムのアノードの触媒の活性をより容易かつ確実に維持することができる。
As described above, the oxidant gas is mixed with the inert gas supplied to the
アノード側の電位を標準水素電極に対して+0.4V(vs. SHE)以上に保持すれば、アノードの触媒に吸着したCOをより確実に酸化除去することができ、+0.5V(vs. SHE)以下に保持すれば、例えばアノードの触媒の一成分として好適に用いられるRuの溶出をより確実に防止することができ、好ましい。かかる制御部26は、特に図示しないが、記憶部、中央演算処理装置(CPU)等を備えている。尚、燃料電池システム1の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御部26の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御部26が燃料電池システム1の動作を適宜制御する。
If the potential on the anode side is maintained at +0.4 V (vs. SHE) or higher with respect to the standard hydrogen electrode, CO adsorbed on the catalyst of the anode can be more reliably oxidized and removed, and +0.5 V (vs. SHE). ) If maintained below, elution of Ru, which is suitably used as one component of the anode catalyst, for example, can be more reliably prevented, which is preferable. Although not particularly illustrated, the
上記のように、本実施形態によれば、燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、アノードに供給する不活性ガスへ酸化剤ガスを混合してアノード側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持することにより、燃料電池システムの運転中にアノードの触媒に付着したCOを、燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、より確実に酸化除去することができ、起動及び停止を含むDSS運転を行う燃料電池システムのアノードの触媒の活性をより容易かつ確実に維持することができる。 As described above, according to this embodiment, during the period from when the fuel cell system is stopped to when it is started, the oxidant gas is mixed with the inert gas supplied to the anode so that the potential on the anode side becomes the standard hydrogen electrode. On the other hand, by holding at + 0.4V to + 0.5V (vs. SHE), CO adhering to the catalyst of the anode during operation of the fuel cell system is reduced between the time when the fuel cell system is stopped and the time when it is started. Oxidation can be removed more reliably, and the activity of the catalyst of the anode of the fuel cell system that performs DSS operation including start and stop can be more easily and reliably maintained.
[第2実施形態]
次に、本発明の燃料電池システムの第2実施形態について説明する。この第2実施形態の燃料電池システムは、図1に示した第1実施形態の燃料電池システム1におけるパージガス供給部及び第2酸化剤ガス供給部を除いて外部電源を備えたものであり、これら以外の構成は第1実施形態の燃料電池システム1と同様である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described. The fuel cell system of the second embodiment is provided with an external power source except for the purge gas supply unit and the second oxidant gas supply unit in the
本実施形態における制御部26は、燃料電池21、燃料ガス供給部22、第1酸化剤ガス供給部24及び外部電源27に着脱自在に接続されており、これらを制御するものである。具体的には、制御部26は、燃料電池システム1(特に燃料電池21)の停止時から起動時までの間において、アノード21a側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持されるように、外部電源27を制御するものである。かかる外部電源27としては、従来と同様の構成のものを用いることができる。
The
上記のように、燃料電池システム1の停止時から起動時までの間において、外部電源27により、アノード21a側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持することにより、燃料電池システム1の運転中にアノードの触媒に付着したCOを、燃料電池システム1の停止時から起動時までの間において、より確実に酸化除去することができ、起動及び停止を含むDSS運転を行う燃料電池システムのアノードの触媒の活性をより容易かつ確実に維持することができる。
As described above, during the period from when the
上記のように、本実施形態によれば、燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、アノードに供給する不活性ガスへ酸化剤ガスを混合してアノード側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持することにより、燃料電池システムの運転中にアノードの触媒に付着したCOを、燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、より確実に酸化除去することができ、起動及び停止を含むDSS運転を行う燃料電池システムのアノードの触媒の活性をより容易かつ確実に維持することができる。 As described above, according to this embodiment, during the period from when the fuel cell system is stopped to when it is started, the oxidant gas is mixed with the inert gas supplied to the anode so that the potential on the anode side becomes the standard hydrogen electrode. On the other hand, by holding at + 0.4V to + 0.5V (vs. SHE), CO adhering to the catalyst of the anode during operation of the fuel cell system is reduced between the time when the fuel cell system is stopped and the time when it is started. Oxidation can be removed more reliably, and the activity of the catalyst of the anode of the fuel cell system that performs DSS operation including start and stop can be more easily and reliably maintained.
本発明の燃料電池システムは、例えば起動停止を頻繁に行うDSS運転を行う定置用燃料電池システムに好適に用いることができる。 The fuel cell system of the present invention can be suitably used for, for example, a stationary fuel cell system that performs DSS operation in which start and stop are frequently performed.
1、101・・・高分子電解質膜、2a、102a・・・アノード触媒層、2b、102b・・・カソード触媒層、3a、103a・・・アノードガス拡散層、3b、103b・・カソードガス拡散層、4a、104a・・・アノード、4b、104b・・・カソード、5、105・・・膜電極接合体、6a、106a・・・アノード側セパレータ、6b、106b・・・カソード側セパレータ、7a、7b、107a、107b・・・ガス流路、8a、8b、108a、108b・・・冷却流体流路、21、121・・・燃料電池、21a・・・アノード、21b・・・カソード、22・・・燃料ガス供給部、23・・・パージガス供給部、24・・・第1酸化剤ガス供給部、25・・・第2酸化剤ガス供給部、26・・・制御部、122・・・脱硫部、123・・・改質部、124・・・変成部、125・・・CO酸化部、126a、126b、126c、126d・・・流量制御部、27、127・・・外部電源。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 ... Polymer electrolyte membrane, 2a, 102a ... Anode catalyst layer, 2b, 102b ... Cathode catalyst layer, 3a, 103a ... Anode gas diffusion layer, 3b, 103b ... Cathode gas diffusion Layer, 4a, 104a ... Anode, 4b, 104b ...
Claims (2)
化石燃料を改質して得られる燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給部と;
前記酸化剤ガスを前記カソードに供給する第1酸化剤ガス供給部と;
前記燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、前記アノードにパージガスとして不活性ガスを供給するパージガス供給部と;
前記アノードに供給される前記パージガスに酸化剤ガスを混合する第2酸化剤ガス供給部と;
前記燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、前記アノード側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持されるように、前記アノードに供給される前記不活性ガスに前記酸化剤ガスを混合させる制御部と;
を具備すること、を特徴とする燃料電池発電システム。 A fuel cell comprising an anode, a cathode, and a membrane electrode assembly having a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
A fuel gas supply unit for supplying fuel gas obtained by reforming fossil fuel to the anode;
A first oxidant gas supply unit for supplying the oxidant gas to the cathode;
A purge gas supply unit for supplying an inert gas as a purge gas to the anode during a period from when the fuel cell system is stopped to when it is started;
A second oxidant gas supply unit for mixing an oxidant gas with the purge gas supplied to the anode;
Supplied to the anode so that the potential on the anode side is maintained at +0.4 V to +0.5 V (vs. SHE) with respect to the standard hydrogen electrode during the period from the stop to the start of the fuel cell system A controller for mixing the oxidant gas with the inert gas;
A fuel cell power generation system comprising:
化石燃料を改質して得られる燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給部と;
前記酸化剤ガスを前記カソードに供給する第1酸化剤ガス供給部と;
前記アノード及び前記カソードに接続された外部電源と;
前記燃料電池システムの停止時から起動時までの間において、前記アノード側の電位が標準水素電極に対して+0.4V〜+0.5V(vs. SHE)に保持されるように、前記外部電源を制御する制御部と;
を具備すること、を特徴とする燃料電池発電システム。
A fuel cell comprising an anode, a cathode, and a membrane electrode assembly having a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
A fuel gas supply unit for supplying fuel gas obtained by reforming fossil fuel to the anode;
A first oxidant gas supply unit for supplying the oxidant gas to the cathode;
An external power source connected to the anode and the cathode;
The external power supply is set so that the anode side potential is maintained at +0.4 V to +0.5 V (vs. SHE) with respect to the standard hydrogen electrode during the period from when the fuel cell system is stopped to when it is started. A control unit to control;
A fuel cell power generation system comprising:
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