JP2010225430A - Fuel cell power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation system.
水素或いは有機化合物の改質燃料を用いる固体高分子形燃料電池は、騒音が小さく、運転温度が低いこと(約70〜80℃)などの特長を有する。そのため、可搬式電源、電気自動車の電源、電動バイク或いはアシスト式自転車、さらには、医療介護用の車椅子やシニアカーなどの軽車両用電源として、幅広い用途が期待されている。 A polymer electrolyte fuel cell using a reformed fuel of hydrogen or an organic compound has features such as low noise and low operating temperature (about 70 to 80 ° C.). Therefore, a wide range of uses are expected as a portable power source, a power source of an electric vehicle, an electric motorcycle or an assist type bicycle, and a power source for a light vehicle such as a medical care wheelchair or a senior car.
また、将来においては、太陽光や風力を電気エネルギーに変換し、そのエネルギーを利用して水を電気分解し、運搬可能な水素を製造することが予想される。水素製造が普及すれば、水素を利用したエネルギーシステムが、究極のクリーンエネルギーシステムとして脚光を浴びることになると思われる。太陽エネルギー等は再生可能であり、クリーンで無尽蔵に存在するため、現在の化石エネルギー社会を脱却するための最有力のエネルギー源である。 In the future, it is expected that sunlight or wind power will be converted into electric energy, and water will be electrolyzed to produce water that can be transported. If hydrogen production becomes widespread, it is likely that energy systems using hydrogen will be highlighted as the ultimate clean energy system. Solar energy, etc. is renewable and clean and inexhaustible, making it the most powerful energy source to break out of the current fossil energy society.
水素吸蔵合金などを利用して高密度で水素を貯蔵すれば、二次電池に蓄積したエネルギーよりも高効率にエネルギーの輸送も可能となる。太陽光などの再生可能エネルギーを活用できるようになれば、二酸化炭素を大幅に削減できる持続可能なエネルギー社会を構築されるものと予想される。このような未来社会において、水素を高効率で電気に再変換できる固体高分子形燃料電池への期待は大きい。 If hydrogen is stored at a high density using a hydrogen storage alloy or the like, energy can be transported more efficiently than the energy stored in the secondary battery. If renewable energy such as sunlight can be used, it is expected that a sustainable energy society that can significantly reduce carbon dioxide will be built. In such a future society, there is a great expectation for a polymer electrolyte fuel cell that can reconvert hydrogen into electricity with high efficiency.
固体高分子形燃料電池は、プロトンを移動させる電解質膜を用い、水素と酸素との再結合反応を直接に電気エネルギーに変換させる電気化学デバイスである。プロトンを移動させる電解質膜は、その両面に電極が形成されている。これを膜−電極接合体(以下、MEAと略記する。)と呼ぶ。この電極のそれぞれに対向するように設置したセパレータからなる単位セルを有している。このセパレータには、燃料又は酸化剤を流通させるための流路(チャンネル)が形成されている。 A polymer electrolyte fuel cell is an electrochemical device that uses an electrolyte membrane that moves protons and directly converts the recombination reaction between hydrogen and oxygen into electrical energy. The electrolyte membrane that moves protons has electrodes formed on both sides thereof. This is called a membrane-electrode assembly (hereinafter abbreviated as MEA). A unit cell made of a separator is provided so as to face each of the electrodes. The separator is formed with a flow path (channel) for circulating fuel or oxidant.
電解質膜に水が含まれていないと、電解質膜中のプロトン(水素イオン)移動速度が極めて遅くなることがよく知られている。そのため、燃料或いは酸化剤に予め水分を添加し、それを燃料電池に供給している。このように水分を添加する操作は加湿と呼ばれている。これにより、電解質膜の乾燥を抑制することができ、水素の酸化によって生成した水がさらに加わり、電解質膜の湿潤状態が保たれている。よって、従来技術では、加湿をしないと固体高分子形燃料電池を動作させることができないという点で改善が求められていた。 It is well known that when water is not contained in the electrolyte membrane, the proton (hydrogen ion) movement speed in the electrolyte membrane is extremely slow. Therefore, water is added to the fuel or oxidant in advance and supplied to the fuel cell. This operation of adding moisture is called humidification. As a result, drying of the electrolyte membrane can be suppressed, and water generated by oxidation of hydrogen is further added to keep the electrolyte membrane wet. Therefore, in the prior art, an improvement has been demanded in that the polymer electrolyte fuel cell cannot be operated without humidification.
特許文献1には、燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池のカソード電極に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給部と、前記燃料電池のアノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、前記酸化ガスの前記燃料電池への流入を制御する第1のバルブと、前記燃料電池からのカソード排ガスの流出を制御する第2のバルブと、前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、(a)少なくとも前記第1のバルブが開いた状態で前記酸化ガスを前記燃料電池内に充填する工程と、(b)前記第1と第2のバルブを閉じる工程と、(c)前記第1と第2のバルブを閉じた状態で所定の発電を行った後に前記第1と第2のバルブを開く工程と、を繰り返し行うことを特徴とする燃料電池システムが開示されている。また、特許文献1には、中空糸膜の束を用いる膜分離法、PSA法(吸着法)又は深冷分離法を利用した酸素窒素分離器及び加湿器を有する燃料電池システムが開示されている。
また、逆に、加湿が過剰になり、セル内部で形成された生成水がセパレータの流路或いは電極表面で水が付着し、水素酸化や酸素還元の反応を阻害する現象が起こる場合がある。例えば、セパレータの流路に燃料又は酸化剤を流通させ、発電を開始させると、セパレータの流路及びセパレータに接するMEAの電極表面に水が付着する場合がある。この水は、アノード及びカソードのいずれの面でも形成される。 On the other hand, there is a case in which humidification becomes excessive, and the water formed inside the cell adheres to the separator channel or the electrode surface, thereby causing a phenomenon that inhibits the reaction of hydrogen oxidation or oxygen reduction. For example, when fuel or an oxidant is circulated through the separator channel and power generation is started, water may adhere to the separator channel and the MEA electrode surface in contact with the separator. This water is formed on both the anode and cathode surfaces.
この水によって、流路が閉塞される、或いは、MEAが過剰に濡らされるなどの現象が発生すると、触媒への燃料や酸化剤の供給が阻害される。その結果、セル電圧が降下し、燃料電池の出力が低下する。特に、触媒層の内部及び表面に水分が付着し、それが触媒と燃料又は酸化剤との接触を妨害すると、顕著な電圧降下をもたらす。このような出力の低下は、高電流密度の発電の際に顕著となる場合が多い。 If a phenomenon such as clogging of the flow path or excessive wetting of the MEA occurs due to this water, the supply of fuel or oxidant to the catalyst is hindered. As a result, the cell voltage decreases and the output of the fuel cell decreases. In particular, if water adheres to the interior and surface of the catalyst layer, which interferes with the contact between the catalyst and the fuel or oxidant, a significant voltage drop results. Such a decrease in output is often significant during power generation at a high current density.
特許文献2には、高電流運転時にもフラッディング現象を防ぎ、生成水逸散性と出力とを高めることを目的として、カソード触媒層が、酸素を還元する部分と、酸素を還元する部分に比較して高い撥水性を示す部分とを有し、高い撥水性を示す部分は、カソード触媒層の面上を観察すると偏在しているという特徴を持つ燃料電池が開示されている。 In Patent Document 2, the cathode catalyst layer is compared with a portion that reduces oxygen and a portion that reduces oxygen for the purpose of preventing flooding phenomenon even during high-current operation and enhancing generated water dissipation and output. Thus, there is disclosed a fuel cell having a feature of having a portion exhibiting high water repellency, and the portion exhibiting high water repellency being unevenly distributed when observed on the surface of the cathode catalyst layer.
さらに、特許文献3には、ガス流路形成部材を多孔体材料で形成し、水分維持体を配設した燃料電池セルが開示されている。
Further,
本発明の目的は、不活性ガスである窒素が燃料側に混入して水素濃度が低下することを防止し、セル電圧を高く維持するとともに、燃料電池の内部で生成水を再利用し、排ガスの露点を高くすることにある。 An object of the present invention is to prevent nitrogen, which is an inert gas, from entering the fuel side and lowering the hydrogen concentration, to keep the cell voltage high, and to reuse the generated water inside the fuel cell, Is to raise the dew point.
本発明の燃料電池発電システムは、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込んだ構成を有する膜−電極接合体と、燃料流路を有するアノード側セパレータと、酸化剤流路を有するカソード側セパレータとを含み、前記膜−電極接合体を前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に挟み込んだ構成を有する単位セルを含む燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料電池に酸素を含む酸化剤を供給する酸化剤供給路と、前記酸素の濃度を高くするための酸素濃縮器とを含み、前記燃料電池から排出される排ガスの露点を前記燃料電池の作動温度以上としたことを特徴とする。 The fuel cell power generation system of the present invention includes a membrane-electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode, an anode side separator having a fuel flow path, and a cathode side separator having an oxidant flow path. A fuel cell including a unit cell having a configuration in which the membrane-electrode assembly is sandwiched between the anode-side separator and the cathode-side separator, and a fuel supply path for supplying fuel to the fuel cell, An oxidant supply path for supplying an oxidant containing oxygen to the fuel cell; and an oxygen concentrator for increasing the concentration of the oxygen, and operating the fuel cell with a dew point of exhaust gas discharged from the fuel cell. It is characterized by being above the temperature.
本発明によれば、不活性ガスである窒素が燃料側に混入して水素濃度が低下することを防止し、セル電圧を高く維持するとともに、燃料電池の内部で生成水を再利用し、排ガスの露点を高くすることができる。 According to the present invention, nitrogen, which is an inert gas, is prevented from being mixed into the fuel side and the hydrogen concentration is reduced, the cell voltage is maintained high, and the produced water is reused inside the fuel cell, The dew point of can be increased.
また、本発明によれば、酸化剤の酸素濃度を高め、酸化剤の流量を小さくすることができる。 Further, according to the present invention, the oxygen concentration of the oxidant can be increased and the flow rate of the oxidant can be reduced.
本発明は、高効率な燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a highly efficient fuel cell power generation system.
我々は、従来技術を鑑み、高効率な燃料電池発電システムを提供するために必要な構成を検討した。そして、高効率な発電システムを構築するためには、少ない酸化剤の供給量でありながらセル電圧が高く、かつ、燃料中の水素濃度の減少によるセル電圧の低下を抑制することが重要であると考えた。 In view of the prior art, we examined the configuration necessary to provide a highly efficient fuel cell power generation system. And in order to construct a highly efficient power generation system, it is important to suppress the cell voltage drop due to a decrease in the hydrogen concentration in the fuel while the cell voltage is high while the supply amount of the oxidant is small. I thought.
以下では、高効率な発電システムを実現する上で、問題となる技術項目について、詳細に説明していく。 In the following, technical items that are problematic in realizing a highly efficient power generation system will be described in detail.
図1は、本発明で対象とする燃料電池の単セル構造を示す。 FIG. 1 shows a single cell structure of a fuel cell targeted by the present invention.
この単セルの断面中央には、MEAが設けてある。このMEAは、電解質膜103を、アノード101とカソード102とで挟み込んだ三層構造を有している。
An MEA is provided at the center of the cross section of the single cell. This MEA has a three-layer structure in which an
燃料側セパレータ104は、燃料を流通させる多孔質流路板105を有し、多孔質流路板105の一方の面がアノード101に接するように配置されている。多孔質流路板105は、ガスを透過させる細孔をもち、かつ、導電性を有している。また、多孔質流路板105の他方の面はセパレータ104と密着しているので、アノード101上で燃料が酸化された電子が、多孔質流路板105を介してセパレータ104へ流れることができる。
The fuel-
酸化剤側セパレータ106は、酸化剤を流通させる多孔質流路板107を有し、多孔質流路板107の一方の面はカソード102に接している。多孔質流路板107も細孔をもち、かつ、導電性を有している。酸化剤を還元させる電子は、その多孔質流路板107を介して、セパレータ106からカソード102へ流れるようになっている。
The
燃料側セパレータ104及び酸化剤側セパレータ106の外周部には、燃料及び酸化剤が外部に漏れ出さないように、かつ、一方の反応物質が他方の反応物質の流路に浸入しないように、ガスケット108及び109を設けている。なお、多孔質流路板104に燃料を供給し、あるいは排出するための燃料用マニホールドは、ガスケット108、109を貫通するように形成され、断面図では重なり合うため、図1では省略されている。多孔質流路板107に酸化剤を供給し、あるいは排出するための酸化剤用マニホールドも、同様の理由により、図1では省略されている。
Gaskets are provided on the outer peripheral portions of the
また、図1の多孔質流路板105、107の代わりに、燃料側セパレータ104及び酸化剤側セパレータ106に流路となる溝を形成し、多孔質流路板を省略することも可能である。この場合のセル断面構造の一例は、図7に示すものである。
Further, instead of the porous
図7において、MEAは、電解質膜703の上面にアノード701を、下面にカソード702を積層した三層構造となっている。燃料側セパレータ704は、燃料を流通させる流路705を有し、その流路面をアノード701に接するように配置されている。酸化剤側セパレータ706は、酸化剤を流通させる流路707を有し、その流路面はカソード702に接している。セパレータの外周部には、燃料及び酸化剤が外部に漏れ出さないように、かつ、一方の反応物質が他方の反応物質の流路に浸入しないように、ガスケット708及び709を設けている。なお、流路の幅及び深さは任意の寸法を、パターンは任意の形状を選択することができる。
In FIG. 7, the MEA has a three-layer structure in which an
本発明で用いる燃料は、水素分子、又は水素原子を分子内に含む化合物を含むガスとする。燃料は、濃度100%の水素であることが、高い出力又は高い発電効率を得る上で望ましい。ただし、図1のアノード101(図7では701)の触媒を劣化させない物質であれば、燃料は窒素等の不活性ガスを含む混合ガスであってもよい。触媒改質処理によって天然ガスや灯油等から得られた水素を含むガスを、燃料として電池に供給しても良い。
The fuel used in the present invention is a gas containing a hydrogen molecule or a compound containing a hydrogen atom in the molecule. It is desirable that the fuel is hydrogen having a concentration of 100% in order to obtain high output or high power generation efficiency. However, the fuel may be a mixed gas containing an inert gas such as nitrogen as long as it does not deteriorate the catalyst of the
酸化剤には、空気が一般に用いられている。後述するが、本発明においては、空気を精製し、酸素濃度を21%より高めたガスを用いる。酸素濃度を高める理由は後述する。 Air is generally used as the oxidizing agent. As will be described later, in the present invention, a gas having purified air and an oxygen concentration higher than 21% is used. The reason for increasing the oxygen concentration will be described later.
水素を燃料に用いた燃料電池においては、アノードで下記反応式(1)で示す反応、カソードで下記反応式(2)で示す反応が起こり、全体では水素及び酸素から水を生成する反応が進行する。 In a fuel cell using hydrogen as a fuel, the reaction represented by the following reaction formula (1) occurs at the anode and the reaction represented by the following reaction formula (2) occurs at the cathode, and the reaction for generating water from hydrogen and oxygen progresses as a whole. To do.
H2 → 2H+ + 2e− (1)
2H+ + 1/2 O2 + 2e− → H2O (2)
上述の反応を燃料電池にて速やかに進行させるためには、触媒上で形成された水、又は電解質膜を透過した水を触媒近傍から排除することが必要である。余剰となる水が存在すると、燃料や酸化剤の供給が妨げられ、セル電圧が不安定になるからである。
H 2 → 2H + + 2e − (1)
2H + + 1/2 O 2 + 2e − → H 2 O (2)
In order for the above reaction to proceed promptly in the fuel cell, it is necessary to remove water formed on the catalyst or water that has passed through the electrolyte membrane from the vicinity of the catalyst. This is because when excess water is present, the supply of fuel and oxidant is hindered and the cell voltage becomes unstable.
また、触媒近傍の水分が不足すると、電解質バインダの内部を移動する水素イオンの移動抵抗が増大するため、セル電圧が低下してしまう。これは、インピーダンス測定などによってMEAの反応抵抗として測定される。 In addition, when the moisture in the vicinity of the catalyst is insufficient, the movement resistance of hydrogen ions that move inside the electrolyte binder increases, and the cell voltage decreases. This is measured as the reaction resistance of the MEA by impedance measurement or the like.
このように、触媒近傍では、触媒(固相)と電解質バインダ(電解質)と反応物質相(気相又は液相)とからなる三相界面が形成され、そのような領域が広いほど、触媒が有効に働き、セル電圧の向上、出力の増加がもたらされる。すなわち、触媒近傍では有効な三相界面を形成するための適切な水分量があり、その管理が重要となる。 Thus, in the vicinity of the catalyst, a three-phase interface composed of a catalyst (solid phase), an electrolyte binder (electrolyte), and a reactant phase (gas phase or liquid phase) is formed. It works effectively, resulting in an increase in cell voltage and an increase in output. That is, there is an appropriate amount of water for forming an effective three-phase interface in the vicinity of the catalyst, and its management is important.
なお、以下で説明する「三相界面」とは、触媒−電解質−反応物質相からなる三相界面と定義する。また、水素を燃料とする燃料電池における反応物質相とは、水素を含む燃料ガスからなる気相或いは酸素を含む酸化剤ガスからなる気相を意味する。 The “three-phase interface” described below is defined as a three-phase interface composed of a catalyst-electrolyte-reactant phase. The reactant phase in a fuel cell using hydrogen as a fuel means a gas phase composed of a fuel gas containing hydrogen or a gas phase composed of an oxidant gas containing oxygen.
触媒近傍の水分が不足する典型的な状況は、酸化剤(例えば空気)を加湿しないで、燃料電池に供給した場合である。加湿しない空気を燃料電池に供給すると、起動初期において生成水がMEA上に生成していないため、酸化剤の上流側では加湿量が著しく不足し、セル電圧が急激に降下することが知られている。これは、酸化剤流路の上流を、MEAを介して燃料流路の下流に合わせるような流路パターンの調整を行なった場合でも同じである。発電初期には、MEA近傍に生成水が形成されていないためであり、特に酸化剤に空気を用いた場合は、カソード流路を流れるガス流量が大きいために、電圧の安定性が著しく悪化する。 A typical situation where the moisture in the vicinity of the catalyst is insufficient is when the oxidant (for example, air) is supplied to the fuel cell without being humidified. It is known that when air that is not humidified is supplied to the fuel cell, the generated water is not generated on the MEA in the early stage of startup, so that the amount of humidification is significantly insufficient on the upstream side of the oxidant, and the cell voltage drops rapidly. Yes. This is the same even when the flow path pattern is adjusted so that the upstream of the oxidant flow path is aligned with the downstream of the fuel flow path via the MEA. This is because the generated water is not formed in the vicinity of the MEA at the initial stage of power generation, and particularly when air is used as the oxidant, the flow rate of gas flowing through the cathode channel is large, so that the stability of the voltage is remarkably deteriorated. .
起動初期に急激な電圧降下が起こると、酸化剤の下流で比較的水分を多く含んだMEAにて、過大な電流が流れてしまい、発熱によってMEAの触媒層が急速に劣化してしまう。 When a sudden voltage drop occurs in the early stage of startup, an excessive current flows in the MEA containing a relatively large amount of water downstream of the oxidant, and the MEA catalyst layer rapidly deteriorates due to heat generation.
この対策として酸化剤の上流に加湿器を設けると、電解質膜が局所的に乾燥してしまうことがないため、起動初期からセル電圧が安定する。この場合、酸化剤が加湿器を通過する際に発生する圧力損失が、酸化剤供給装置(例えば、コンプレッサ、ブロアなど)の消費電力の増加をもたらし、システムの発電効率が低下することが問題となる。 As a countermeasure, if a humidifier is provided upstream of the oxidant, the electrolyte membrane will not be locally dried, so that the cell voltage is stabilized from the beginning of startup. In this case, the pressure loss generated when the oxidant passes through the humidifier causes an increase in power consumption of the oxidant supply device (for example, a compressor, a blower, etc.), and the power generation efficiency of the system is lowered. Become.
また、燃料電池の酸化剤出口からの排ガスを、配管を用いて酸化剤入口に戻す循環構造にすれば、生成水をリサイクルさせることができる。しかし、その循環のための配管が必要となり、システムが大型になる問題がある。 Moreover, if the exhaust gas from the oxidant outlet of the fuel cell has a circulation structure that returns to the oxidant inlet using a pipe, the generated water can be recycled. However, there is a problem that piping for the circulation is necessary and the system becomes large.
他方、燃料側に目を向けると、別の問題が見出される。すなわち、燃料側に純水素(100%の水素)を供給して発電を継続していくと、酸化剤中の窒素分子が電解質膜を徐々に透過し、燃料流路の水素濃度が低下する。水素濃度がある程度十分であれば、例えば、少なくとも20%以上であれば、セル電圧が急速に低下することもなく、高いセル電圧が得られる。 On the other hand, another problem is found when looking at the fuel side. That is, when pure hydrogen (100% hydrogen) is supplied to the fuel side and power generation is continued, nitrogen molecules in the oxidant gradually permeate the electrolyte membrane, and the hydrogen concentration in the fuel flow path decreases. If the hydrogen concentration is sufficiently high, for example, if it is at least 20% or more, a high cell voltage can be obtained without rapidly decreasing the cell voltage.
しかし、水素濃度が20%未満になるまで、窒素ガスが燃料側に混入してしまうと、セル電圧が急激に低下する。これは、不活性ガスである窒素が水素の拡散を阻害し、アノードへの水素の拡散速度が減少するためである。 However, if the nitrogen gas is mixed into the fuel side until the hydrogen concentration is less than 20%, the cell voltage rapidly decreases. This is because nitrogen, which is an inert gas, inhibits the diffusion of hydrogen and reduces the diffusion rate of hydrogen to the anode.
窒素ガスの混入を防止するために、酸素ボンベを燃料電池システムに併設し、酸化剤ガスとして純酸素或いは高濃度の酸素ガスを含むガスを燃料電池に供給する構成が考えられる。この構成により、酸化剤側から燃料側への窒素の混入を防止し、セル電圧の低下を抑制することができる。 In order to prevent mixing of nitrogen gas, an oxygen cylinder may be provided in the fuel cell system, and a gas containing pure oxygen or high-concentration oxygen gas as an oxidant gas may be supplied to the fuel cell. With this configuration, it is possible to prevent nitrogen from being mixed from the oxidant side to the fuel side, and to suppress a decrease in cell voltage.
しかし、多量の酸素ボンベを設置するか、頻繁なボンベ交換を避けることができない問題がある。その結果、燃料電池発電システムの寸法が非常に大きく、かつ、過重量になり、使い勝手の悪いものになってしまう。 However, there is a problem that a large amount of oxygen cylinders cannot be installed or frequent cylinder replacement cannot be avoided. As a result, the size of the fuel cell power generation system becomes very large, becomes overweight, and becomes unusable.
酸素ボンベの併設が実用的でないことから、水素濃度が低下した場合に、燃料の一部を排出し、或いはパージして、新たな水素を追加することによって、燃料中の水素濃度の低下を回避する方法が採られている。しかしながら、このような方法を採っても、水素を無駄にするため、発電の効率が低下する。 Since the installation of an oxygen cylinder is not practical, when the hydrogen concentration drops, a part of the fuel is discharged or purged, and new hydrogen is added to avoid a decrease in the hydrogen concentration in the fuel. The method to be taken is taken. However, even if such a method is adopted, since hydrogen is wasted, the efficiency of power generation is reduced.
以上で説明した技術的課題を整理して2項目にまとめた。 The technical issues described above are organized into two items.
第一の課題は、起動時から十分な水が存在し得るセル構造及びシステム構成と、運転条件を提供することである。 The first problem is to provide a cell structure and system configuration in which sufficient water can exist from the start-up and operating conditions.
従来のセルでは、酸化剤として空気を用いる場合が主流であり、窒素の含有量が高いため、酸化剤の排ガス流量が大きかった。そのため、生成水が水蒸気として取り込まれる量が増大し、燃料電池を予め加湿しない限り、セル電圧が急激に降下し、発電することができなかった。これは、電解質膜の乾燥によるものである。 In the conventional cell, the case where air is used as the oxidant is the mainstream, and since the nitrogen content is high, the exhaust gas flow rate of the oxidant is large. For this reason, the amount of generated water taken up as water vapor increases, and unless the fuel cell is humidified in advance, the cell voltage drops rapidly and power generation cannot be performed. This is due to the drying of the electrolyte membrane.
酸化剤の排ガス流量を低下させれば、排ガスとして放出される水分量を低減することができる。しかし、これには大幅な酸化剤利用率の増加が必要であることが、発明者らの検討でわかっている。 If the exhaust gas flow rate of the oxidizing agent is lowered, the amount of water released as exhaust gas can be reduced. However, the inventors have found that this requires a significant increase in oxidant utilization.
例えば、室温の空気を燃料電池に供給し、排ガスの露点が燃料電池の温度(想定として72℃とした。)と等温になるようにして、カソードのみに着目した生成水量と放出水量とのバランス条件を見積もった。そのような平衡状態を実現するには、酸化剤利用率をほぼ100%にしなければならない。現状のセパレータにおける酸化剤利用率が60%前後であることを鑑みると、実際上、無加湿運転は不可能になると言える。本課題の内容は、後述の図9の実施例にて再度、詳述される。 For example, air at room temperature is supplied to the fuel cell so that the dew point of the exhaust gas is equal to the temperature of the fuel cell (assumed to be 72 ° C.) and the balance between the amount of generated water and the amount of discharged water focused only on the cathode. Estimated conditions. In order to achieve such an equilibrium state, the oxidant utilization must be approximately 100%. Considering that the oxidant utilization rate in the current separator is around 60%, it can be said that the non-humidifying operation is practically impossible. The contents of this problem will be described in detail again in the embodiment of FIG. 9 described later.
第二の課題は、アノード側の水素濃度が低下したときに、定期的にアノードのガスをフレッシュな燃料に置換する操作(燃料の一部の排出或いはパージ)を省略しうるシステム構成及び運転方法を提供することである。 The second problem is a system configuration and an operation method that can omit an operation of periodically replacing the anode gas with a fresh fuel (discharge or purge of a part of the fuel) when the hydrogen concentration on the anode side decreases. Is to provide.
従来の技術によると、燃料の排出等が燃料の損失をもたらすだけでなく、水素を大気に放出することになるため、爆発限界まで希釈するか、触媒等を用いて水素を燃焼しなければならなかった。燃料を吐き出すときに特別な装置を必要とする点に問題がある。 According to the conventional technology, not only fuel discharge causes fuel loss but also releases hydrogen to the atmosphere, so it is necessary to dilute to the explosion limit or to burn hydrogen using a catalyst etc. There wasn't. There is a problem in that a special device is required when discharging the fuel.
また、アノード側には水素を供給しているため、水素を消費している分だけ水素が燃料電池に供給されていれば、水素濃度が低下することはない。しかし、燃料電池のカソード側から窒素が電解質膜を透過し、アノード側に徐々に漏れ出し、アノード側の水素濃度が低下する。その結果、不活性な窒素がアノード側にそのまま残留し、水素をアノード側に押し込むことができなくなる。 Further, since hydrogen is supplied to the anode side, the hydrogen concentration does not decrease as long as hydrogen is supplied to the fuel cell as much as hydrogen is consumed. However, nitrogen permeates the electrolyte membrane from the cathode side of the fuel cell and gradually leaks to the anode side, and the hydrogen concentration on the anode side decreases. As a result, inert nitrogen remains on the anode side, and hydrogen cannot be pushed into the anode side.
特に、水素濃度が20%以下になると、アノードの電位が上昇し始め、セルの出力低下をもたらす。このような状況は、カソードに空気を供給していたときに、空気中の窒素濃度が79%であるため、平衡論的に考えると、アノードの窒素濃度は最大で79%に達することを意味する。したがって、空気を酸化剤に用いている限り、アノードを燃料ガスでパージするか、水素を精製することが不可避となる。 In particular, when the hydrogen concentration is 20% or less, the potential of the anode starts to increase, resulting in a decrease in cell output. This situation means that when the air is supplied to the cathode, the nitrogen concentration in the air is 79%, and therefore, considering the equilibrium theory, the nitrogen concentration in the anode reaches a maximum of 79%. To do. Therefore, as long as air is used as the oxidant, it is inevitable to purge the anode with fuel gas or purify hydrogen.
以上で述べた2つの技術課題を同時に解決すべく、発明者らは鋭意検討した結果、本発明に至った。 In order to solve the two technical problems described above at the same time, the inventors have intensively studied to arrive at the present invention.
本発明の燃料電池システムは、燃料を流通させるセパレータと、酸化剤を流通させるセパレータと、アノード及びカソードで電解質膜を挟み込んだ構成を有する膜−電極接合体(MEA)とを含み、かつ、このMEAは前記の2つのセパレータの間に挟持されたセルを有する燃料電池と、前記燃料電池に水素を含む燃料ガスを供給する手段と、大気中の酸素を濃縮する酸素濃縮器と、この酸素濃縮器を通過した酸化剤を前記燃料電池に連続的に供給する手段と、前記燃料電池を通過した酸化剤を連続的に排出する手段とを具備することを特徴とする。 A fuel cell system according to the present invention includes a separator through which fuel is circulated, a separator through which an oxidant is circulated, and a membrane-electrode assembly (MEA) having an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode. The MEA has a fuel cell having a cell sandwiched between the two separators, means for supplying a fuel gas containing hydrogen to the fuel cell, an oxygen concentrator for concentrating oxygen in the atmosphere, and the oxygen concentration And means for continuously supplying the oxidant that has passed through the vessel to the fuel cell, and means for continuously discharging the oxidant that has passed through the fuel cell.
第一の解決手段は、前記燃料電池に供給する酸素の濃度が21%より高く、前記燃料電池から排出される酸素の濃度が21%より小さくする構成を採ることである。 The first solution is to adopt a configuration in which the concentration of oxygen supplied to the fuel cell is higher than 21% and the concentration of oxygen discharged from the fuel cell is lower than 21%.
第二の解決手段は、前記酸素濃縮器が、多孔質繊維又は多孔質膜を用いた分子分離機能を有するものを用いることである。 A second solution is to use a device having a molecular separation function using a porous fiber or a porous membrane as the oxygen concentrator.
第三の解決手段は、前記酸素濃縮器を通過した酸化剤に含まれる酸素の濃度が40%以上となる構成を採ることである。 The third solution is to adopt a configuration in which the concentration of oxygen contained in the oxidant that has passed through the oxygen concentrator is 40% or more.
第四の解決手段は、前記燃料ガスが燃料電池を通過した後の排ガスから水素を回収し、窒素ガスを排出する排ガス処理器を具備させることである。 A fourth solution is to provide an exhaust gas treatment device that recovers hydrogen from exhaust gas after the fuel gas has passed through the fuel cell and discharges nitrogen gas.
第五の解決手段は、前記酸化剤が燃料電池のセル内部にて生成した生成水によって加湿される構成を採ることである。 A fifth solution is to employ a configuration in which the oxidant is humidified by generated water generated inside the fuel cell.
第六の解決手段は、前記燃料電池のセルにおいて、燃料が通過する流路の上流の一部と、酸化剤が通過する流路の下流の一部とが熱交換可能とする、又は、燃料が通過する流路の下流の一部と、酸化剤が通過する流路の上流の一部とが熱交換可能とすることである。 Sixth solution means that in the fuel cell, a part of the upstream of the flow path through which the fuel passes and a part of the downstream of the flow path through which the oxidant pass can exchange heat, or the fuel Heat exchange between a part of the downstream of the flow path through which the oxidant passes and a part of the upstream of the flow path through which the oxidizing agent passes.
第七の解決手段は、前記燃料電池に用いられているセパレータの表面に、セルロースと導電性粉末とを含む混合物を塗布したことを特徴とする。 The seventh solving means is characterized in that a mixture containing cellulose and conductive powder is applied to the surface of the separator used in the fuel cell.
第八の解決手段は、前記燃料電池から排出される排ガス流量と、前記排ガス中に含まれる水分の排出速度から計算された露点が、燃料電池のセル温度よりも高くなるように、酸化剤利用率を制御した運転方法を採ることである。 The eighth solution is to use an oxidant such that the dew point calculated from the flow rate of exhaust gas discharged from the fuel cell and the discharge rate of moisture contained in the exhaust gas is higher than the cell temperature of the fuel cell. The driving method is to control the rate.
以下では、本発明のセル並びに燃料電池の構成について説明する。 Below, the structure of the cell of this invention and a fuel cell is demonstrated.
最初に、電極とMEAの作製方法、並びに本発明のMEAを用いた燃料電池の構成を説明する。 First, a method for manufacturing an electrode and an MEA, and a configuration of a fuel cell using the MEA of the present invention will be described.
図1のアノード101及びカソード102の触媒には、炭素質粉末の導電材に白金微粒子を担持した粉末を用いた。本発明においては、田中貴金属株式会社製のTEC10E50Eを選択した。ただし、燃料電池の反応を進行させることができればよいため、これに限定されるものではない。この触媒粉末に含まれる白金の組成は46.5%(重量百分率)である。
As the catalyst for the
電解質バインダには、DuPont社製Nafion溶液を用いた。電解質バインダの添加量は、上述の触媒重量に対して40%とした。 As the electrolyte binder, a Napon solution manufactured by DuPont was used. The addition amount of the electrolyte binder was 40% with respect to the above catalyst weight.
これらの混合物から水を溶媒としたペーストを調整した。このペーストは混錬機で十分に均一になるように、混ぜ合わせた。手法については特に制約がなく、材料を破壊しないで均質なペーストを調整できる方法であれば、いかなる手段も選択可能である。 A paste using water as a solvent was prepared from these mixtures. This paste was mixed with a kneader so as to be sufficiently uniform. There is no particular limitation on the method, and any means can be selected as long as it is a method capable of preparing a homogeneous paste without destroying the material.
これらのペーストは、ブレードコータを用いてPTFEシート(ポリテトラフルオロエチレン製シート)の表面に塗布し、所定厚さの電極層(湿潤状態)を作製した。電極は10cm角の正方形(面積100cm2)とした。これを風乾し、溶媒を蒸発させた。
These pastes were applied to the surface of a PTFE sheet (polytetrafluoroethylene sheet) using a blade coater to prepare an electrode layer (wet state) having a predetermined thickness. The electrode was a 10 cm square (
つぎに、電解質膜(DuPont社製、Nafion112、厚さ50μm)を上記の電極層の上に被せ、この積層物を二枚の金属板の間に挿入して、熱プレスを行った。これによって、PTFEシート上の電極層が電解質膜に転写される。 Next, an electrolyte membrane (manufactured by DuPont, Nafion 112, thickness of 50 μm) was placed on the electrode layer, and the laminate was inserted between two metal plates and subjected to hot pressing. As a result, the electrode layer on the PTFE sheet is transferred to the electrolyte membrane.
転写後に電解質膜の重量増加分を測定した。その値より、電極単位面積当たりの白金(Pt)使用量を算出した。本実施例におけるPt使用量は、アノードにて0.5〜0.9mg/cm2、カソードにて0.1〜0.8mg/cm2であった。 The weight increase of the electrolyte membrane was measured after the transfer. From the value, the amount of platinum (Pt) used per electrode unit area was calculated. Pt amount in the present embodiment, 0.5~0.9mg / cm 2 at the anode, the cathode in was 0.1~0.8mg / cm 2.
アノード及びカソードの触媒層の表面には、炭素質多孔質シートをガス拡散層に用いた。炭素質多孔質シートには、PTFEのディスパージョンを添加し、撥水性を付与した。炭素質多孔質シートの厚さは0.2mmとした。 On the surface of the anode and cathode catalyst layers, a carbonaceous porous sheet was used for the gas diffusion layer. A PTFE dispersion was added to the carbonaceous porous sheet to impart water repellency. The thickness of the carbonaceous porous sheet was 0.2 mm.
上述のプロセスによって50枚のMEAを準備した。 50 MEAs were prepared by the process described above.
図2は、本発明による実施例のセパレータの構造を示す平面図である。 FIG. 2 is a plan view showing the structure of the separator according to the embodiment of the present invention.
図2(a)は、アノードに接するセパレータ210(アノード側セパレータ)、図2(b)は、カソードに接するセパレータ220(カソード側セパレータ)である。 2A shows a separator 210 (anode-side separator) in contact with the anode, and FIG. 2B shows a separator 220 (cathode-side separator) in contact with the cathode.
燃料は、セパレータ210の燃料供給マニホールド211から供給される。燃料は、最初にリブ(または凸部とも称される。)212で区切られた流路を経由し、多孔質流路面214に到達する。多孔質流路面214は、多孔質カーボンシートであり、厚さ0.5mm、空隙率70%の導電性材料である。材質は、耐食性のあるものであれば任意のものを選択することができる。また、厚さや空隙率も、セルに流す電流やガスの流速に応じて最適な寸法等を選択することができる。多孔質流路面214は、セパレータ210の中央部に設けられた凹部213に収納され、凹部213の底面に密着させてある。
The fuel is supplied from the
なお、リブ212は、図1のガスケット108、109がセパレータ側に垂れ込んで、ガスが流通する空間を塞がないようにするためのものである。リブ212の間隔は、0.5〜5mmの範囲に設定することが望ましい。
The
多孔質流路面214は、図1のアノード101に接しており、アノード101で消費される水素を電極全体に均一に供給する働きをしている。
The porous flow path surface 214 is in contact with the
燃料は、多孔質流路面214において全て酸化され、かつ、燃料の定期的な排出処理は省略できるため、燃料を排出するマニホールドは削除されている。 The fuel is completely oxidized in the porous flow path surface 214, and the periodic discharge process of the fuel can be omitted, so the manifold for discharging the fuel is omitted.
一方、セパレータ210には、酸化剤を供給するマニホールド215、酸化剤を排出するマニホールド216、冷却水を供給するマニホールド217、及び、冷却水を排出するマニホールド218が形成されている。
On the other hand, the
セパレータ210のアノード側とセパレータ220のカソード側とは、MEAを挟み込む形で対向している。
The anode side of the
本実施例では、セパレータ210及び220は別物として示してあるが、セパレータ210のアノード側と反対の面にセパレータ220のカソード側を形成し、1枚のセパレータにセパレータ210及び220の機能を付与してもよい。
In this embodiment, the
セパレータ220では、酸化剤供給マニホールド215から酸化剤が供給され、リブ225で区切られた流路を経由して多孔質流路面224に到達する。多孔質流路面224はセパレータに形成された凹部223に収納され、凹部223の底面に密着させてある。多孔質流路面224は、図1のカソード102に接しており、酸素をカソード102に供給する働きをしている。消費されなかった酸化剤ガスは、リブ221で区切られた流路を経て酸化剤排出マニホールド216よりセルの外に排出される。
In the
セパレータ220には、図2(a)に対応するように、燃料供給マニホールド211、冷却水供給マニホールド217及び冷却水排出マニホールド218が設けられている。冷却水流路は、図2(a)或いは図2(b)の裏面に、任意の形状で形成することができる。
The
なお、図1に示したガスケット108、109は、図2のセパレータ210、220と同一の外形寸法を有している。また、凹部213と223、リブ212と225と221が形成されている凹部(番号は付していない。)、マニホールド211と215と216と218の部分を切除し、それらの部分が開口部となった形状である。これを、図1の断面図に示したように、セパレータと電解質膜の間に挿入した。
The
セパレータ210、220では多孔質流路板214、224を用いているが、燃料供給マニホールド211及び酸化剤を供給するマニホールド215からセパレータ210及び220の中央部に向かって流路を形成してもよい。この流路の形状は、凹凸状で、溝幅が0.5〜5mm、深さが0.3〜2mmであることが望ましい。また、溝の両脇に形成する凸部(リブ)の幅は0.5〜2mmが適している。溝は直線状であってもよいし、蛇行或いは屈曲していてもよい。なお、カソードのセパレータ220では、リブ221、225を連絡するように流路を形成することが可能である。
The
燃料供給マニホールド211から供給された燃料は、多孔質流路面214の内部を流れる過程で酸化されて、水蒸気の組成が高くなる。この水蒸気は、セパレータ210に対面している酸化剤側セパレータ220からMEAを介して供給される。酸化剤は、に酸化剤供給マニホールド215から供給され、多孔質流路面224の内部を流れて、酸化剤の下流で生成水の量が増大する。この下流は、燃料側セパレータ上では燃料の上流と対面している。そのため、酸化剤側から燃料側に水が移動する。また、多孔質流路面214の燃料下流(マニホールド211からみて対角位置である。)は、低温の酸化剤上流とMEAを介して熱交換する。さらに、酸化剤供給マニホールド215の近傍を流れる低温の酸化剤によって、燃料が冷却され燃料ガス中の水蒸気が凝縮して液体の水となる。この水は、MEAを拡散し、酸化剤の上流に移動する。
The fuel supplied from the
一方、酸化剤供給マニホールド215から供給された酸化剤は、多孔質流路面224の内部を流れる過程で消費される。そして、残った酸化剤は、多孔質流路面224と接しているMEAから蒸発してくる水蒸気を同伴してマニホールド216から排出される。この水蒸気は、セパレータ220に対面する燃料側セパレータ210の多孔質流路面214から供給される。特に、多孔質流路面214の内部を流れる燃料とMEAを介して熱と水を交換し、酸化剤の下流(マニホールド216に近い多孔質流路面224)では、より多くの水分を燃料の上流に付与することができる。
On the other hand, the oxidizing agent supplied from the oxidizing
上述のように、燃料電池の内部で発生する水蒸気は、供給される酸化剤又は燃料により冷却されて燃料電池の内部に滞留する。また、酸化剤の上流は燃料の下流より、燃料の上流は酸化剤の下流から水分が供給され、全体では生成水がリサイクルされる。これにより、加湿をすることなく、MEAの湿潤状態が保たれ、セル電圧を維持して発電を継続することができる。 As described above, the water vapor generated inside the fuel cell is cooled by the supplied oxidant or fuel and stays inside the fuel cell. Further, moisture is supplied from the downstream of the fuel upstream of the oxidant and from the downstream of the oxidant upstream of the fuel, and the generated water is recycled as a whole. Thus, the wet state of the MEA is maintained without humidification, and the power generation can be continued while maintaining the cell voltage.
上記の構成は、相隣る単位セルのセパレータ210(アノード側セパレータ)の燃料流路を流れる燃料とセパレータ220(カソード側セパレータ)の酸化剤流路を流れる酸化剤との間で熱と水を交換可能としている、と言い換えることができる。 In the above configuration, heat and water are transferred between the fuel flowing in the fuel flow path of the separator 210 (anode separator) of the adjacent unit cells and the oxidant flowing in the oxidant flow path of the separator 220 (cathode side separator). In other words, it can be exchanged.
なお、上述の熱交換(冷却)によっても凝縮せずに、残った酸化剤とともに燃料電池の外部に流出する水蒸気を、下流側(燃料電池の外部)に設置した凝縮器で凝縮して回収し、燃料電池の内部に還流させる構成としてもよい。還流する水は、燃料供給マニホールド211に流入させてもよいし、酸化剤供給マニホールド215に流入させてもよい。これと電池内部の水リサイクルを組み合せて、さらに高効率に水分を循環させることが可能となる。その結果、加湿器を省略しても、効率的な発電が可能となる。
The water vapor that flows out of the fuel cell together with the remaining oxidant without being condensed by the heat exchange (cooling) described above is condensed and recovered by a condenser installed on the downstream side (outside of the fuel cell). Alternatively, the fuel cell may be recirculated into the fuel cell. The refluxed water may flow into the
上記のセパレータ及びMEAを用いて1kW級PEFCセルスタックを製作した。図3は、その断面構造を示したものである。 A 1 kW class PEFC cell stack was manufactured using the above separator and MEA. FIG. 3 shows the cross-sectional structure.
上述の方法により製作したMEA302を、MEA1枚につき2枚の黒鉛製セパレータ304(単セル用セパレータ)に挟持させ、単セル301を組み立てた。
The
黒鉛製セパレータ304のアノード側は、図2(a)に示した構造を有し、黒鉛製セパレータ304のカソード側は、図2(b)に示した構造を有する。
The anode side of the
2枚の黒鉛製セパレータ304の間にMEA302を挟持させる際に、ガスケット305、MEA302の電解質膜部分、ガスケット305の順に積層して圧着することによって、燃料や酸化剤の漏洩を防止する構成とした。
When the
アノード及びカソードともに、触媒層とガス拡散層とを含む構成となっている。本実施例の触媒層は、電解質膜に塗布したものであってもよいし、ガス拡散層に塗布した後に電解質膜に熱圧着したものを代用してもよい。 Both the anode and the cathode are configured to include a catalyst layer and a gas diffusion layer. The catalyst layer of this example may be applied to the electrolyte membrane, or may be substituted by applying heat compression to the electrolyte membrane after being applied to the gas diffusion layer.
複数の単セル301を直列に接続し、両末端に集電板313、314を設置し、さらに絶縁板307を介して外側より端板309で締め付ける。端板が絶縁性の材料であれば、絶縁板307を省略することができる。締め付け部品として、ボルト316、ばね317、ナット318を用いる。また、集電板313、314は、金属板、黒鉛板などの導電性材料を用いることができる。
A plurality of
冷却水流路を有するセパレータは、その流路面を対向させて、冷却水が流れるようにした。これを冷却セル308とする。冷却セル308は、2つの単セル301ごとに1つ設けた。なお、図3においては、集電板313、314に接する末端のセパレータに、冷却水流路を形成した。そこで、冷却水流路と集電板とが直接接触して集電板が腐食しないようにするために、黒鉛板303(冷却水流路に接する平板部品)を挿入した。
In the separator having the cooling water flow path, the cooling water flows with the flow path surfaces facing each other. This is referred to as a cooling
燃料は、左側の端板309に設けた供給用コネクタ310から供給し、各単セル301を通過して、燃料がMEAのアノードの表面にて酸化される。本実施形態では、図2のセパレータを用いたため、燃料の排出用コネクタ322は不要である。後に述べる図6のセパレータを用いたときには、単セル301を通過した燃料排ガスを反対の端板309に設けた排出用コネクタ322から排出される必要があるため、本実施形態でも排出用コネクタ322を残しておいた。本実施例において、燃料は純水素を用いた。ただし、水素は20%よりも高い濃度で、希釈ガスが不活性な窒素等のガスであれば、低濃度の水素ガスを用いることもできる。
The fuel is supplied from a
同様に、酸化剤は、図3に示す左側の端板309に設けた供給側コネクタ311から供給され、反対の端板309の排出側コネクタ323から排出される。酸化剤は、空気中の酸素濃度(21%)よりも高めたガスを用いる。酸化剤中の酸素を30%以上の高濃度にすれば、燃料の水素濃度が30%以下になることがない。このため、セル電圧の低下を抑制できるため、更に望ましい。
Similarly, the oxidant is supplied from the supply-
冷却水は、端板309に設けた供給側コネクタ312から供給され、冷却セル308或いは集電板に隣接する冷却セルに流れる。冷却セルを通過して熱を奪った後には、反対の端板309の排出側コネクタ324から冷却水が排出される。ここから排出された冷却水は、熱交換器(図示省略。)にて冷水により除熱され、再び配管コネクタ312に供給される。冷却水の循環にはポンプを用いた。
The cooling water is supplied from a supply-
このような部品構成により、50個の単セル301を積層したセルスタックを製作した。図3では、50セル分の部品を記載すると、それらの部品が細かくなりすぎるため、それを避けるためにセル数を少なく表示している。本実施例のセルスタック(固体高分子形燃料電池)は、純水素と空気をそれぞれ別々の外部加湿器を通過させた後に、燃料供給側コネクタ310、酸化剤供給側コネクタ311へ、加湿された燃料と酸化剤を供給し、初期エージング運転を行った。加湿したガスの露点はともに70℃とした。電流密度は0.2A/cm2とし、3時間の発電を行なって、セル電圧が安定したことを確認して、初期エージングを終了させた。このようにして予めMEAは発電可能な状態にしてから、システム(後述の図4、図6)に組み込んだ。初期エージング後のセルスタックをS1とする。なお、システム組み込み後に初期エージングは不要であり、一旦、セルスタックのMEAに保持された水は、発電により生じた水のリサイクルによりMEAの乾燥は抑制される。
With such a component structure, a cell stack in which 50
セルスタックS1は、集電端子313、314から電力線319を引き出し、DC−DCコンバータ或いはDC−ACコンバータからなる変換器320を介して、外部負荷321に電力を供給できるようになっている。
The cell stack S1 can draw
図4は、本発明による実施例の燃料電池発電システムを示す模式構成図である。 FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
本図において、セルスタック430は、上記のセルスタックS1を組み込んだものである。
In the figure, a
セルスタック430には、燃料供給手段431から燃料供給量調節器432を経由して燃料が供給される。燃料供給手段431(燃料貯蔵設備)は、水素ボンベ、液化水素貯蔵容器又は水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵・供給装置など、いずれの機器であってもよい。燃料供給量調節器432は、セルスタック430のアノードガス圧力を一定にするように燃料を供給する圧力調整弁の他に、セルスタック430が出力する電気量から計算した水素流量を制御するマスフローメータなどの流量制御器であってもよい。流量の制御には、演算機能を有するマイコンにより外部から制御される。
Fuel is supplied to the
酸化剤は、空気を供給する酸化剤供給手段433(空気供給手段)から空気を取り込み、酸素濃縮器434を経由して、セルスタック430に供給される。酸素濃縮器434に取り込まれる外気は、空気供給手段433より供給される。その外気の温度は、通常、0〜40℃であり、40℃よりも高い温度の外気を取り込んでも良い。また、外気温が氷点下の低温になっても、酸素濃縮器434にて水が凍結しなければ、氷点下の低温空気を供給しても良い。望ましくは、0℃以上に加熱した後に酸素濃縮器434に供給する方が、凍結による流通不良を回避する利点が得られる。
The oxidant takes in air from an oxidant supply means 433 (air supply means) for supplying air, and is supplied to the
また、酸素濃縮器434に供給される大気の相対湿度は、通常40〜80%である。ただし、季節や地理的環境によって、相対湿度がこの範囲から外れても良い。場合によって氷点下の温度の空気を供給することも想定されるが、酸素濃縮器が起動できる温度まで昇温する必要があるときもある。このようにして酸素濃縮器434から、空気よりも酸素濃度の高い酸化剤を供給することができるとともに、酸化剤の流量を小さくすることができる。空気供給手段433には、ブロア、コンプレッサ、ファンなど一般的な送風機器を用いることができる。酸素濃縮器434は、分子サイズや分子運動速度の違いを利用した分子ふるいを有する機器である。その分子ふるいには、多孔質板や中空繊維などが用いられている。
The relative humidity of the atmosphere supplied to the
なお、予め所定の酸素濃度を有する酸化剤を容器に充填し、その容器から酸化剤を供給することができる場合には、酸素濃縮器434を省略し、空気供給手段433のみを利用して、酸化剤を燃料電池430に供給してもよい。このようにしても、酸素濃縮器434の機能を実施したことと、結果的に同じである。
In addition, when an oxidant having a predetermined oxygen concentration is filled in a container in advance and the oxidant can be supplied from the container, the
ここで、酸素濃度は21%より高くすれば、セルスタック430で排出される酸化剤排ガスの露点がセルスタックのセル温度よりも高くすることができる。望ましくは、酸素濃度は30%以上、より望ましくは40%以上とする。このようにすれば、酸素と共存する窒素濃度が70%以下となり、セルスタック430の電解質膜を窒素が透過し、アノード側の水素濃度が30%よりも希釈されることがなくなるので好適である。
Here, if the oxygen concentration is higher than 21%, the dew point of the oxidant exhaust gas discharged from the
酸素濃度が30%以上、より望ましくは40%以上にすれば、セルスタック430の酸化剤利用率を60〜80%の範囲にすることができ、酸化剤利用率100%という極限に近い運転を回避することができる。このような条件であれば、カソード排ガスの露点をセル温度よりも高くすることができ、生成水をセルの内部で自立的にリサイクルさせ、加湿器を省略することができる。
If the oxygen concentration is 30% or more, more preferably 40% or more, the oxidant utilization rate of the
本発明の酸化剤供給方式を採用すれば、高濃度の酸素を含む酸化剤を燃料電池に連続的に供給することが可能となり、酸素ボンベの併設を回避するとともに、不活性ガスである窒素が燃料側に混入して水素濃度が低下することを防止し、これに伴う出力低下を回避することができる。 If the oxidant supply system of the present invention is adopted, an oxidant containing a high concentration of oxygen can be continuously supplied to the fuel cell, avoiding the addition of an oxygen cylinder, and nitrogen as an inert gas. It is possible to prevent the hydrogen concentration from being mixed into the fuel side and to avoid a decrease in output accompanying this.
図4のシステムでは、燃料電池430から酸化剤が外界に排出されているが、その酸化剤の排ガスを熱交換器や凝縮器等の公知の機器に流通させ、水や熱を回収しても良い。
In the system of FIG. 4, the oxidant is discharged from the
図2に再び戻り、セル内部での生成水のリサイクルに対する酸化剤の酸素濃度の影響について説明する。生成水はカソードの表面にて形成され、カソードの上流(マニホールド215に近い位置で、多孔質流路板224に接する電極面)から徐々に増加し、酸化剤の流れによって、下流(マニホールド216に近い位置で、多孔質流路板224に接する電極面)に流される。したがって、下流での生成水の量が高く、ガス中の蒸気圧も高くなる。
Returning to FIG. 2, the influence of the oxygen concentration of the oxidant on the recycling of the generated water inside the cell will be described. The generated water is formed on the surface of the cathode, and gradually increases from the upstream of the cathode (the electrode surface in contact with the porous
一方、アノードの表面では、カソードの下流に対向する位置(マニホールド211に近い位置で、多孔質流路板214に接する電極面)で乾燥状態であり、カソードから生成水を取り込む。その生成水は、燃料の流れに沿って、図2(a)の下方に移動する。その結果、生成水は、図2(a)の下方で増加する傾向になる。
On the other hand, the surface of the anode is in a dry state at a position facing the downstream side of the cathode (an electrode surface in contact with the porous
アノードの下方では生成水の量が増加するため、この生成水に接する酸化剤の上流に再度、水が取り込まれて、酸化剤が加湿される。 Since the amount of generated water increases below the anode, water is taken up again upstream of the oxidant in contact with the generated water, and the oxidant is humidified.
ここで、酸化剤中の酸素濃度を21%よりも高くすると、酸化剤の出口における露点がセル温度よりも高くなりやすくなる。すなわち、起動時から酸化剤の排ガスの露点が高くなる。したがって、水が常に結露する状態で発電されるため、起動時からセル電圧が不安定になることがない。この現象は、図9の説明において詳述する。 Here, when the oxygen concentration in the oxidizing agent is higher than 21%, the dew point at the outlet of the oxidizing agent tends to be higher than the cell temperature. That is, the dew point of the oxidant exhaust gas increases from the time of startup. Therefore, since the power is generated in a state where water is constantly condensed, the cell voltage does not become unstable from the time of startup. This phenomenon will be described in detail in the description of FIG.
このようにして、生成水が酸化剤の下流から燃料の上流に移動し、燃料の下流から酸化剤の上流に再度取り込まれることによって、さらに酸素濃度を21%よりも高めることによって、起動初期から水のリサイクルが実現される。その結果、加湿器を省略することが可能となる。 In this way, the generated water moves from the downstream of the oxidant to the upstream of the fuel and is taken again from the downstream of the fuel to the upstream of the oxidant, thereby further increasing the oxygen concentration to more than 21%. Water recycling is realized. As a result, the humidifier can be omitted.
従来の技術によると、酸化剤利用率を高めることができないこと、及び、酸化剤流量が大きい(酸素濃度が21%と低い)ことによって、生成水のリサイクルが原理的にできなかった。本発明においては、酸素濃度を高めることにより、下流側における酸化剤の露点がセル温度よりも高くなるため、水が過剰状態にあり、水をアノードの上流に移動させやすくなった点が、従来技術と大きく異なる。 According to the prior art, the generated water cannot be recycled in principle because the oxidant utilization rate cannot be increased and the oxidant flow rate is large (the oxygen concentration is as low as 21%). In the present invention, by increasing the oxygen concentration, the dew point of the oxidant on the downstream side becomes higher than the cell temperature, so that the water is in an excess state and the water can be easily moved upstream of the anode. Very different from technology.
図5(a)は、アノードに接するセパレータ510(燃料側セパレータ)を表し、図5(b)は、カソードに接するセパレータ520(酸化剤側セパレータ)を表している。 FIG. 5A shows a separator 510 (fuel side separator) in contact with the anode, and FIG. 5B shows a separator 520 (oxidant side separator) in contact with the cathode.
燃料は、セパレータ510の燃料供給マニホールド511から供給される。燃料は、最初にリブ(凸部)512で区切られた流路を経由し、多孔質流路面514に到達する。多孔質流路面514は、多孔質カーボンシートであり、厚さ0.5mm、空隙率70%の導電性材料である。材質は耐食性のあるものであれば任意のものを選択することができる。また、厚さや空隙率もセルに流す電流やガスの流速に応じて最適な寸法等を選択することができる。多孔質流路面514は、セパレータ510の中央に設けられた凹部513に収納され、底面に密着されている。
The fuel is supplied from the
なお、リブ512は、図1のガスケット108、109がセパレータ側に垂れ込んで、ガスが流通する空間を塞がないようにするためのものである。リブ512の間隔としては0.5〜5mmの範囲に設定することが望ましい。
The
多孔質流路面514は、図1のアノード101に接し、アノード101で消費される水素を電極全体に均一に供給している働きをしている。
The porous flow path surface 514 is in contact with the
燃料は流路面514においてほぼ全量が酸化され、一部の残ガスは排出マニホールド519から排出される。残ガスの大部分は、燃料の上流にてカソードからアノードに透過した水蒸気あるいは水により占められている。これらの水分は、アノードからカソードへ、水素イオンとともに移動し、酸化剤の加湿に利用される。
The fuel is almost entirely oxidized on the flow path surface 514, and a part of the remaining gas is discharged from the
セパレータ510には、酸化剤を供給するマニホールド515、酸化剤を排出するマニホールド516、冷却水を供給するマニホールド517、及び、冷却水を排出するマニホールド518が形成されている。
The
セパレータ510のアノード側は、MEAを介して、酸化剤側セパレータ520のカソード側と対向している。セパレータ520は、カソード流路を有するセパレータであり、セパレータ510の裏面に形成してもよいし、独立の部品として製作してもよい。
The anode side of the
セパレータ520では、酸化剤供給マニホールド515から酸化剤が供給され、リブ525を経由して、流路面524に導入される。流路面524はセパレータに形成された凹部523に収納され、その底面に密着されている。この流路面524は、図1のカソード102に接し、酸素がカソード102に供給する働きをしている。消費されなかった酸化剤ガスは、リブ521を経て、酸化剤排出マニホールド516よりセルの外に排出される。
In the
セパレータ520には、図5(a)に対応するように、燃料供給マニホールド511、燃料排出マニホールド519、冷却水供給マニホールド517及び冷却水排出マニホールド518が設けられている。
The
冷却水流路は、図5(a)或いは図5(b)の裏面に、任意の形状で形成することができる。 The cooling water channel can be formed in an arbitrary shape on the back surface of FIG. 5 (a) or FIG. 5 (b).
図5のセパレータを用い、図3に示すセルスタックを製作した。このセルスタックをセルスタックS2と呼ぶことにする。なお、本セルスタックについても、S1と同じ初期エージング処理を行なった。 The cell stack shown in FIG. 3 was manufactured using the separator of FIG. This cell stack is called a cell stack S2. In addition, the same initial aging process as S1 was performed also about this cell stack.
図6は、本発明による他の実施例の燃料電池発電システムを示す模式構成図である。 FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell power generation system according to another embodiment of the present invention.
本図におけるセルスタック630がセルスタックS2である。
The
セルスタック630には、燃料供給手段631から燃料供給量調節器632を経由して、燃料が供給される。燃料供給手段631(燃料貯蔵設備)は、水素ボンベ、液化水素貯蔵容器、水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵・供給装置など、いずれの機器であってもよい。燃料供給量調節器632は、セルスタック630のアノードガス圧力を一定にするように燃料を供給する圧力調整弁の他に、セルスタック630に流す電気量から計算した水素流量を制御するマスフローメータのような流量制御器であってもよい。流量の制御には、演算機能を有するマイコンにより外部から制御される。
Fuel is supplied to the
酸化剤は、空気を供給する空気供給手段633から空気を取り込み、酸素濃縮器634を経由して、空気よりも酸素濃度の高い酸化剤がセルスタック630に供給される。空気供給手段633には、ブロア、コンプレッサ、ファンなど、一般的な送風機器を用いることができる。酸素濃縮器634には、分子サイズや分子運動速度の違いを利用した分子ふるいを有する機器である。その分子ふるいには、多孔質板や中空繊維などが用いられている。
The oxidant takes in air from the air supply means 633 for supplying air, and the oxidant having an oxygen concentration higher than that of air is supplied to the
ここで、燃料排ガスは、窒素分離器635にて処理することにより窒素を分離して排出し、開閉弁636を動作させ、窒素のみを外界に放出するようになっている。窒素分離器635では、水素の一部を燃料供給量調節器631に戻すバイパスを設けてもよい。すなわち、窒素を分離し、水素濃度を高めた燃料排ガスを還流させるための流路を設けてもよい。なお、窒素分離器635は、中空繊維を利用した窒素精製器を用いることができる。
Here, the fuel exhaust gas is processed by a
これにより、排ガスに残存する水素を回収して利用することができる。 Thereby, the hydrogen remaining in the exhaust gas can be recovered and used.
なお、ここでは燃料排ガスについて説明したが、排ガスが酸化剤排ガスである場合も同様である。また、燃料排ガスに酸化剤排ガスが混合されて排出される場合も、同様に窒素分離器635を用いて水素を分離・回収することができる。すなわち、排ガスの定義には、燃料排ガス及び酸化剤排ガスが含まれる。
In addition, although fuel exhaust gas was demonstrated here, it is the same also when exhaust gas is oxidizing agent exhaust gas. Similarly, when the oxidant exhaust gas is mixed with the fuel exhaust gas and discharged, hydrogen can be similarly separated and recovered using the
ここで、図4に示す本発明の燃料電池発電システムにおいてセルスタックS1を適用したシステムの運転試験の結果について説明する。 Here, the result of the operation test of the system to which the cell stack S1 is applied in the fuel cell power generation system of the present invention shown in FIG. 4 will be described.
燃料としては、水素(水素濃度100%)を用いた。酸化剤としては、空気を空気濃縮器434に通じて、酸素濃度を40%にしたガスを燃料電池430に供給した。電流密度は0.3A/cm2、燃料利用率は100%、酸化剤利用率は75%とし、セル温度は70〜75℃に制御した。セル電圧は750mV以上の高い値となり、高効率の発電をすることができた。
Hydrogen (
ここで、酸素濃縮器434を除去し、空気を燃料電池430に直接供給する構成に変更し、比較試験を行った。その結果、起動初期からセル電圧が0.3V以下に急降下し、実質的に発電ができないことわかった。このことから、酸素濃縮器434を有するシステムが優れていることが明確になった。
Here, the
同様に、図6に示す本発明の燃料電池発電システムにおいてセルスタックS2を適用したシステムの運転試験を実施した。燃料としては、水素(水素濃度100%)を用いた。酸化剤としては、空気を酸素濃縮器634に通じて、酸素濃度を60%にしたガスを燃料電池630に供給した。電流密度は0.3A/cm2、燃料利用率は100%、酸化剤利用率は80%とし、セル温度は70〜75℃に制御した。セル電圧は740mV以上の高い値となり、酸化剤利用率が高くなったにもかかわらず、高効率な発電を実現することができた。
Similarly, an operation test of a system to which the cell stack S2 was applied in the fuel cell power generation system of the present invention shown in FIG. 6 was performed. Hydrogen (
最後に、図1及び図2に示した多孔質流路板を有するセパレータを、流路を形成したセパレータに変更した実施例を説明する。 Finally, an embodiment in which the separator having the porous flow path plate shown in FIGS. 1 and 2 is changed to a separator having a flow path will be described.
図7は、本実施例のセル構造を示す断面図である。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing the cell structure of this example.
まず、燃料側セパレータ704に形成した燃料流路705は、溝深さ0.5mm、溝幅1mmとし、アノード701に接する凸部711(以下ではリブ又はリブ部と呼ぶ。)の幅を1mmとした。他方、酸化剤側セパレータ706に形成した酸化剤流路707は、溝深さ0.8mm、溝幅1mmとし、カソード702に接する凸部712(リブ)の幅は1mmとした。
First, the
つぎに、燃料側セパレータ704の溝705及びリブ部711、並びに酸化剤側セパレータ706の溝707及びリブ部712に、酢酸セルロース、アセチレンブラック及び1−メチル−2−ピロリドンを含む混合物を塗布した。1−メチル−2−ピロリドンの添加量は、酢酸セルロースの全量を溶解させるために必要な量以上を添加すればよく、塗布膜厚さを制御するために適切な濃度になるように希釈して使用することができる。前記混合物は、酢酸セルロースとアセチレンブラックの重量混合比を80:20とし、1−メチル−2−ピロリドンの溶媒に混合し、混練機で十分に練り合わせたもの(一般に、スラリと呼ぶ。)である。このスラリを、スプレー法、コーター法、ディップ法などにより、極薄膜状に、セパレータの溝の内壁及びリブに塗布した。塗布量は、単位面積当たりの酢酸セルロースの重量として、5〜7mg/cm2になるように、酢酸セルロースの濃度を調整した。
Next, a mixture containing cellulose acetate, acetylene black and 1-methyl-2-pyrrolidone was applied to the
塗布量は上述の数値に限定されず、リブと電極との間の接触抵抗による電圧ロスがセル電圧よりも相対的に小さければ、塗布量を増やしても減らしてもよい。接触抵抗は、アセチレンブラック等の導電剤の混合比で調整可能である。 The application amount is not limited to the above-mentioned numerical value, and the application amount may be increased or decreased as long as the voltage loss due to the contact resistance between the rib and the electrode is relatively smaller than the cell voltage. The contact resistance can be adjusted by the mixing ratio of a conductive agent such as acetylene black.
酢酸セルロースは、環状炭素鎖(グルコース)を直鎖状に連なった高分子材料の一つである。これは、環状炭素鎖にアルコール基(−CH2OH)を導入した後に、酢酸(CH3COOH)と反応させてエステル結合(−CH2OCOCH3)を形成させたものである。このエステル結合の酸素原子が水との親和性を示すとともに、セルロース分子全体としては疎水性を有しているため、水に対して特異な表面状態を提供する。すなわち、水に対して親水性及び疎水性の両方の表面を構成する。 Cellulose acetate is one of polymer materials in which cyclic carbon chains (glucose) are connected in a straight chain. In this method, an alcohol group (—CH 2 OH) is introduced into a cyclic carbon chain and then reacted with acetic acid (CH 3 COOH) to form an ester bond (—CH 2 OCOCH 3 ). The oxygen atom of this ester bond shows affinity with water, and since the whole cellulose molecule has hydrophobicity, it provides a surface state specific to water. That is, it forms both hydrophilic and hydrophobic surfaces with respect to water.
上記のアルコール基は、他のカルボン酸(CH3CH2COOH、C6H5COOH等の有機カルボン酸、及びCF3COOHなどの置換体)と反応させれば、酢酸セルロース以外のセルロースを合成することができる。本発明においては、燃料電池の使用環境で化学的・熱的に安定であれば、任意のセルロースを用いることができる。 When the above alcohol groups are reacted with other carboxylic acids (CH 3 CH 2 COOH, organic carboxylic acids such as C 6 H 5 COOH, and substituted products such as CF 3 COOH), cellulose other than cellulose acetate is synthesized. can do. In the present invention, any cellulose can be used as long as it is chemically and thermally stable in the use environment of the fuel cell.
また、アセチレンブラックを酢酸セルロースに混合することにより、塗布膜に電気伝導性を付与することができ、リブと電極との接触抵抗が増加しないようにすることができる。酢酸セルロース自身は、電気的に絶縁性である。 Further, by mixing acetylene black with cellulose acetate, electrical conductivity can be imparted to the coating film, and the contact resistance between the rib and the electrode can be prevented from increasing. Cellulose acetate itself is electrically insulating.
ここで、酢酸セルロースに添加する導電性材料は、アセチレンブラックに限定されず、黒鉛の微粉末、非晶質炭素の微粉末、及び、ナノチューブや炭素繊維を短繊維状に切断したものを代用してもよい。さらに、チタンやシリコン等の金属酸化物の粉末からなる半導体材料も用いることができる。 Here, the conductive material to be added to cellulose acetate is not limited to acetylene black, and graphite fine powder, amorphous carbon fine powder, and nanotubes or carbon fibers cut into short fibers can be substituted. May be. Further, a semiconductor material made of a metal oxide powder such as titanium or silicon can also be used.
本実施例においては、燃料流路、酸化剤流路の両方に酢酸セルロースとアセチレンブラックとの混合物の塗膜を形成した。いずれか一方の流路にのみに塗膜を形成してもよい。 In this example, a coating film of a mixture of cellulose acetate and acetylene black was formed on both the fuel channel and the oxidant channel. You may form a coating film only in any one flow path.
セパレータのマニホールドの配置は、図5に示す通りである。 The arrangement of the manifold of the separator is as shown in FIG.
本実施例では図7の流路付きセパレータを用いるため、図5の多孔質流路板514、524は削除される。対角位置にあるマニホールド同士は、サーペンタイン構造の流路パターンで連絡させた。
In the present embodiment, since the separator with flow path of FIG. 7 is used, the porous
図5(a)の燃料側セパレータについて更に説明すると、燃料供給マニホールド511から5本の流路が図の下方向に平行に進んだ後に、左に折れ曲がり、さらに上方に折り返す。次いで、左に折れ曲がった後に、下方に平行に進んで燃料排出マニホールド519に連通される。
The fuel-side separator in FIG. 5A will be further described. After the five flow paths from the
図5(b)の酸化剤側セパレータの流路パターンも、サーペンタイン構造とした。このような構造のセパレータを用い、図3に示すセルスタックを製作した。このセルスタックをS3と呼ぶ。なお、本セルスタックについても、S1と同じ初期エージング処理を行なった。 The flow path pattern of the oxidant side separator in FIG. 5B also has a serpentine structure. A cell stack shown in FIG. 3 was manufactured using the separator having such a structure. This cell stack is called S3. In addition, the same initial aging process as S1 was performed also about this cell stack.
セルスタックS3を図6に示す燃料電池発電システムに組み込み、上述のセルスタックS2と同じ条件で発電試験を行った。燃料としては、水素(水素濃度100%)を用いた。酸化剤としては、空気を空気濃縮器634に通じて、酸素濃度を60%に高めたガスを燃料電池630に供給した。
The cell stack S3 was incorporated into the fuel cell power generation system shown in FIG. 6, and a power generation test was performed under the same conditions as the cell stack S2 described above. Hydrogen (
電流密度は0.3A/cm2、燃料利用率は100%、酸化剤利用率は80%とし、セル温度は70〜75℃に制御した。セル電圧は745mV以上の高い値となり、酸化剤利用率が高くなったにもかかわらず、高効率な発電を実現することができた。S3がS2よりも電圧が高くなった理由は、酢酸セルロースによる表面処理が水のリサイクル量をさらに増大させたためと推定される。すなわち、酢酸セルロースの作用により、流路の排水性が向上し、水のリサイクルが容易になったためと考える。 The current density was 0.3 A / cm 2 , the fuel utilization rate was 100%, the oxidant utilization rate was 80%, and the cell temperature was controlled at 70 to 75 ° C. The cell voltage was a high value of 745 mV or higher, and high-efficiency power generation could be realized despite the fact that the oxidant utilization rate was high. The reason why the voltage of S3 is higher than that of S2 is presumed to be that the surface treatment with cellulose acetate further increased the amount of water recycled. That is, it is considered that the action of cellulose acetate improves the drainage of the flow path and facilitates the recycling of water.
図8は、本発明による実施例の燃料電池における水素濃度とセル電圧との関係を示すグラフである。横軸に水素濃度、縦軸にセル電圧をとって示している。パラメータとして酸素濃度をとっている。セル平均温度は72℃、電流密度は0.5A/cm2とした。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the hydrogen concentration and the cell voltage in the fuel cell of the example according to the present invention. The horizontal axis represents the hydrogen concentration, and the vertical axis represents the cell voltage. The oxygen concentration is taken as a parameter. The cell average temperature was 72 ° C. and the current density was 0.5 A / cm 2.
本図より、酸素濃度が高いほどセル電圧が高くなることがわかる。また、酸素濃度が21%(大気中の酸素濃度)の場合、水素濃度が30%まで低下するとセル電圧が著しく低下することがわかる。これにより、酸素濃度50%以上の条件では、水素濃度が30%まで低下してもセル電圧が低下することがなく、発電が可能であることがわかる。さらに、本図より、酸素濃度50%以上の条件では、水素濃度が25%となってもセル電圧が低下することがなく、発電が可能であることが推定できる。 From this figure, it can be seen that the cell voltage increases as the oxygen concentration increases. It can also be seen that when the oxygen concentration is 21% (the oxygen concentration in the atmosphere), the cell voltage is significantly reduced when the hydrogen concentration is reduced to 30%. As a result, it can be seen that, under the condition where the oxygen concentration is 50% or more, even if the hydrogen concentration is reduced to 30%, the cell voltage does not decrease and power generation is possible. Furthermore, from this figure, it can be estimated that under the condition where the oxygen concentration is 50% or more, even if the hydrogen concentration becomes 25%, the cell voltage does not decrease and power generation is possible.
電流密度が大きくなると、酸素濃度21%でのセル電圧が降下し始める水素濃度が50%から若干、高濃度側にシフトする傾向がある。そのような場合には、酸素濃度が高くなるように、図4の酸素濃縮器434または図6の酸素濃縮器634の濃縮能力を高めれば、高い電圧を維持することができる。
As the current density increases, the hydrogen concentration at which the cell voltage starts to drop at an oxygen concentration of 21% tends to shift slightly from 50% to a higher concentration side. In such a case, if the concentration capability of the
また、本実施例で使用したMEA(膜−電極接合体)の水素クロスオーバー量は、極めて少なく、1mA/cm2(電流換算)以下であるため、クロスオーバーの問題は生じない。その結果、水素クロスオーバーによる電圧不安定化の現象も認められなかった。 Moreover, since the amount of hydrogen crossover of MEA (membrane-electrode assembly) used in this example is extremely small and 1 mA / cm 2 (current conversion) or less, the problem of crossover does not occur. As a result, the phenomenon of voltage instability due to hydrogen crossover was not observed.
以上より、酸素濃縮器を用いて酸化剤の酸素濃度を高めることにより、セル電圧を高くすることができることがわかる。 From the above, it can be seen that the cell voltage can be increased by increasing the oxygen concentration of the oxidant using the oxygen concentrator.
図9は、本発明による実施例の燃料電池における酸化剤利用率と排ガスの露点との関係を示すグラフである。横軸に酸化剤利用率、縦軸に排ガスの露点をとって示している。パラメータとして酸素濃度をとっている。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the oxidant utilization rate and the dew point of the exhaust gas in the fuel cell of the example according to the present invention. The horizontal axis represents the oxidant utilization rate, and the vertical axis represents the dew point of the exhaust gas. The oxygen concentration is taken as a parameter.
本図より、酸素濃度が高いほど排ガスの露点が高くなることがわかる。これにより、排ガスの露点を燃料電池の作動温度以上(例えば70℃以上)にすることができ、電池内部の水のリサイクルを実現することができる。すなわち、水又は水蒸気の排出量を低減することができる。また、酸化剤の加湿器を不要とすることができる。 From this figure, it can be seen that the higher the oxygen concentration, the higher the dew point of the exhaust gas. Thereby, the dew point of exhaust gas can be made higher than the operating temperature of the fuel cell (for example, 70 ° C. or higher), and the water inside the battery can be recycled. That is, the discharge amount of water or water vapor can be reduced. Further, an oxidizer humidifier can be dispensed with.
以上より、酸素濃縮器を用いて酸化剤の酸素濃度を高めることにより、排ガスの露点を高くすることができる。 As described above, the dew point of the exhaust gas can be increased by increasing the oxygen concentration of the oxidant using the oxygen concentrator.
101:アノード、102:カソード、103:電解質膜、104:燃料(アノード)側セパレータ、105:多孔質流路板、106:酸化剤(カソード)側セパレータ、107:多孔質流路板、108:アノード側ガスケット、109:カソード側ガスケット、210:燃料(アノード)側セパレータ、211:燃料供給マニホールド、212:リブ(凸部)、213:凹部、214:多孔質流路板、215:酸化剤供給マニホールド、216:酸化剤排出マニホールド、217:冷却水供給マニホールド、218:冷却水排出マニホールド、220:酸化剤(カソード)側セパレータ、221:リブ(凸部)、223:凹部、224:多孔質流路板、225:リブ(凸部)、301:単セル、302:MEA、303:黒鉛板、304:黒鉛製セパレータ、305:ガスケット、307:絶縁板、308:冷却セル、309:端板、310:燃料配管用コネクタ、311:酸化剤配管用コネクタ、312:冷却水配管用コネクタ、313:集電板、314:集電板、316:ボルト、317:ばね、318:ナット、319:外部電力線、320:変換器、321:外部負荷、322:燃料配管用コネクタ、323:酸化剤配管用コネクタ、324:冷却水配管用コネクタ、430:セルスタック、431:燃料供給手段、432:燃料流量調節器、433:酸化剤供給手段、434:酸素濃縮器、510:燃料(アノード)側セパレータ、511:燃料供給マニホールド、512:リブ、513:凹部、514:多孔質流路板、515:酸化剤供給マニホールド、516:酸化剤排出マニホールド、517:冷却水供給マニホールド、518:冷却水排出マニホールド、519:酸化剤排出マニホールド、520:酸化剤(カソード)側セパレータ、521:リブ、523:凹部、524:多孔質流路板、525:リブ、630:セルスタック、631:燃料供給手段、632:燃料流量調節器、633:酸化剤供給手段、634:酸素濃縮器、635:窒素分離器、634:開閉弁、701:アノード、702:カソード、703:電解質膜、704:燃料側セパレータ、705:燃料流路、706:酸化剤側セパレータ、707:酸化剤流路、708:アノード側ガスケット、709:カソード側ガスケット、711:凸部(リブ)、712:凸部(リブ)。 101: anode, 102: cathode, 103: electrolyte membrane, 104: fuel (anode) side separator, 105: porous channel plate, 106: oxidant (cathode) side separator, 107: porous channel plate, 108: Anode side gasket, 109: cathode side gasket, 210: fuel (anode) side separator, 211: fuel supply manifold, 212: rib (convex part), 213: concave part, 214: porous flow path plate, 215: oxidant supply Manifold, 216: Oxidant discharge manifold, 217: Coolant supply manifold, 218: Coolant discharge manifold, 220: Oxidant (cathode) side separator, 221: Rib (convex part), 223: Concave part, 224: Porous flow Road plate, 225: rib (convex portion), 301: single cell, 302: MEA, 303: graphite plate, 304: Lead separator, 305: Gasket, 307: Insulating plate, 308: Cooling cell, 309: End plate, 310: Connector for fuel piping, 311: Connector for oxidant piping, 312: Connector for cooling water piping, 313: Current collector 314: current collector plate, 316: bolt, 317: spring, 318: nut, 319: external power line, 320: converter, 321: external load, 322: connector for fuel piping, 323: connector for oxidant piping, 324: Connector for cooling water piping, 430: Cell stack, 431: Fuel supply means, 432: Fuel flow rate regulator, 433: Oxidant supply means, 434: Oxygen concentrator, 510: Fuel (anode) side separator, 511: Fuel supply manifold, 512: rib, 513: recess, 514: porous flow path plate, 515: oxidant supply manifold, 516: acid Agent discharge manifold, 517: Coolant supply manifold, 518: Coolant discharge manifold, 519: Oxidant discharge manifold, 520: Oxidant (cathode) side separator, 521: Rib, 523: Recess, 524: Porous flow path plate 525: Rib, 630: Cell stack, 631: Fuel supply means, 632: Fuel flow controller, 633: Oxidant supply means, 634: Oxygen concentrator, 635: Nitrogen separator, 634: On-off valve, 701: Anode 702: cathode, 703: electrolyte membrane, 704: fuel side separator, 705: fuel channel, 706: oxidant side separator, 707: oxidant channel, 708: anode side gasket, 709: cathode side gasket, 711: Convex part (rib), 712: Convex part (rib).
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