JP2011054288A - Polymer electrolyte fuel cell power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell power generation system.
従来の固体高分子形燃料電池発電システムの概略構成を図7に示す。
図7に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子膜をガス透過性及び導電性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルを複数積層したスタック11の燃料ガス供給部には、燃料ガスである水素ガス2を送給する水素ガスボンベ21が圧調弁29aを介して接続されている。上記圧調弁29aと上記スタック11の燃料ガス供給部との間には、水素ガス2を加湿する加湿器22が配設されている。上記加湿器22と上記スタック11の燃料ガス供給部との間には、接続弁29bが介在している。
A schematic configuration of a conventional polymer electrolyte fuel cell power generation system is shown in FIG.
As shown in FIG. 7, the fuel gas supply section of the
前記スタック11の酸化ガス供給部には、酸化ガスである酸素ガス3を送給する酸素ガスボンベ31が圧調弁39aを介して接続されている。上記圧調弁39aと上記スタック11の酸化ガス供給部との間には、酸素ガス3を加湿する加湿器32が配設されている。上記加湿器32と上記スタック11の酸化ガス供給部との間には、接続弁39bが介在している。
An oxygen gas cylinder 31 for supplying
前記スタック11の燃料ガス排出部には、ドレンポット23が接続弁29cを介して接続されている。上記スタック11の酸化ガス排出部には、ドレンポット33が接続弁39cを介して接続されている。
A
前記スタック11の燃料ガス供給部と前記接続弁29bとの間には、不活性ガスである窒素ガス4を送給する窒素ガスボンベ41が圧調弁49aを介して接続されている。上記圧調弁49aと上記スタック11の燃料ガス供給部との間には、窒素ガス4を加湿する加湿器42が配設されている。上記加湿器42と上記スタック11の燃料ガス供給部との間には、接続弁49bが介在している。
A
前記スタック11の酸化ガス供給部と前記接続弁39bとの間には、窒素ガスボンベ51が圧調弁59aを介して接続されている。上記圧調弁59aと上記スタック11の酸化ガス供給部との間には、窒素ガス4を加湿する加湿器52が配設されている。上記加湿器52と上記スタック11の酸化ガス供給部との間には、接続弁59bが介在している。
A
このような従来の固体高分子形燃料電池発電システム10の作動を次に説明する。
発電運転を行う場合には、前記圧調弁29aで圧調して前記接続弁29b,29cを開放することにより、前記水素ガスボンベ21から水素ガス2が送出されて、前記加湿器22内の水1中へ送給されて飽和状態にまで加湿された後、前記スタック11の燃料ガス供給部へ供給されると共に、前記圧調弁39aで圧調して前記接続弁39b,39cを開放することにより、前記酸素ガスボンベ31から酸素ガス3が送出されて、前記加湿器32内の水1中へ送給されて飽和状態にまで加湿された後、前記スタック11の酸化ガス供給部へ供給され、当該水素ガス2と当該酸素ガス3とが当該スタック11内で電気化学的に反応して、電力が得られる。
Next, the operation of the conventional polymer electrolyte fuel cell power generation system 10 will be described.
When performing the power generation operation, the
前記スタック11内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の水素ガス2は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水1等と共に当該スタック11の燃料ガス排出部から排出され、前記ドレンポット23で上記水1を除去された後、再利用等される。また、前記スタック11内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の酸素ガス3は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水1等と共に当該スタック11の酸化ガス排出部から排出され、前記ドレンポット33で上記水1を除去された後、再利用等される。
The
そして、発電運転を停止する場合には、前記弁29a,29b,39a,39bを閉鎖して、前記スタック11内への前記水素ガスボンベ21からの水素ガス2及び前記酸素ガスボンベ31からの酸素ガス3の供給を停止した後、前記圧調弁49a,59aで圧調して前記接続弁49b,59bを開放して、前記窒素ガスボンベ41,51から窒素ガス4を送給し、前記加湿器42,52内の水1中へ送給して飽和状態にまで加湿した後、前記スタック11の燃料ガス供給部及び酸化ガス供給部へ供給し、当該スタック11内に残存する水素ガス2及び酸素ガス3を燃料ガス排出部及び酸化ガス排出部からパージすると共に、当該スタック11内を窒素ガス4に置換したら、前記弁29c,39c,49a,49b,59a,59bを閉鎖して、当該スタック11内を飽和水蒸気の窒素ガス4の雰囲気とすることにより、セルの固体高分子膜の乾燥を防止しつつ、残存する水素ガス2及び酸素ガス3による余計な反応に伴う固体高分子膜や電極中の触媒等の劣化を抑制するようにしている(例えば、下記特許文献1等参照)。
When stopping the power generation operation, the
前述したような従来の固体高分子形燃料電池発電システム10においては、発電運転を停止した後に、スタック11内に残存している水素ガス2及び酸素ガス3を窒素ガス4でパージして、当該スタック11内を窒素ガス4に置換するため、発電運転を停止するにあたって、窒素ガス4を大量に使用してしまうことから(スタック11の前記ガス2,3の流路系の容積の約4〜5倍)、発電運転の起動と停止とを長期にわたって頻繁に繰り返すような場合、窒素ガス4の使用量が非常に多くなり、ランニングコストが高くなってしまうと共に、窒素ガスボンベ41,51を多数本設置したり、窒素ガスボンベ41,51の大容量化を図ったりしなければならず、多大な設置スペースが必要になってしまう。
In the conventional polymer electrolyte fuel cell power generation system 10 as described above, after stopping the power generation operation, the
このようなことから、本発明は、発電運転の停止時に使用する不活性ガスの使用量を大幅に低減して、設置スペースを小さくすることができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell power generation system that can greatly reduce the amount of inert gas used when power generation operation is stopped to reduce the installation space. With the goal.
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルが複数積層されて当該燃料極へ供給する燃料ガスの供給部及び排出部を有すると共に当該酸化極へ供給する酸化ガスの供給部及び排出部を有するスタックと、前記スタックの前記燃料ガス供給部へ接続弁を介して接続されて前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記スタックの前記酸化ガス供給部へ接続弁を介して接続されて前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記スタックの前記燃料ガス供給部へ接続弁を介して接続されて不活性ガスを供給する燃料極用不活性ガス供給手段と、前記スタックの前記酸化ガス供給部へ接続弁を介して接続されて不活性ガスを供給する酸化極用不活性ガス供給手段と、前記スタックの前記燃料ガス排出部へ接続弁を介して接続されて当該スタック内から前記ガスを当該スタックの外部へ排気する燃料ガス排気手段と、前記スタックの前記酸化ガス排出部へ接続弁を介して接続されて当該スタック内から前記酸化ガスを当該スタックの外部へ排気する酸化ガス排気手段と、前記スタックの内部の前記燃料ガス及び前記酸化ガスを自己消費させる自己消費手段と、前記スタックの前記燃料ガス供給部と前記燃料ガス供給手段の前記接続弁との間及び当該スタックの前記燃料ガス排出部と前記燃料ガス排気手段の前記接続弁との間の少なくとも一方に接続弁を介して一端側を接続されて内部にピストンを配設されると共に当該ピストンを一端側へ向けて押圧する押圧手段を他端側に有するシリンダを備えた燃料ガス用圧縮手段と、前記スタックの前記酸化ガス供給部と前記酸化ガス供給手段の前記接続弁との間及び当該スタックの前記酸化ガス排出部と前記酸化ガス排気手段の前記接続弁との間の少なくとも一方に接続弁を介して一端側を接続されて内部にピストンを配設されると共に当該ピストンを一端側へ向けて押圧する押圧手段を他端側に有するシリンダを備えた酸化ガス用圧縮手段とを備えていることを特徴とする。 The solid polymer fuel cell power generation system according to the first invention for solving the above-described problem is a plurality of cells in which a solid polymer film is sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode and are supplied to the fuel electrode. A fuel gas supply unit and a discharge unit, and a stack having an oxidation gas supply unit and a discharge unit for supplying the fuel gas to the oxidation electrode, and the fuel gas supply unit connected to the fuel gas supply unit of the stack via a connection valve A fuel gas supply means for supplying gas, an oxidizing gas supply means for supplying the oxidizing gas connected to the oxidizing gas supply section of the stack via a connection valve, and a connection valve for the fuel gas supply section of the stack An inert gas supply means for a fuel electrode that is connected via a connection electrode and supplies an inert gas and is connected to the oxidation gas supply unit of the stack via a connection valve to supply an inert gas. A gas supply means, a fuel gas exhaust means connected to the fuel gas discharge section of the stack via a connection valve to exhaust the gas from the stack to the outside of the stack, and the oxidizing gas discharge of the stack An oxidant gas exhaust means for exhausting the oxidant gas from the stack to the outside of the stack, and a self-consumption means for self-consuming the fuel gas and the oxidant gas inside the stack. And at least one of between the fuel gas supply part of the stack and the connection valve of the fuel gas supply means and between the fuel gas discharge part of the stack and the connection valve of the fuel gas exhaust means A series having a piston connected to one end via a valve and having a piston disposed therein and pressing the piston toward the one end. Between the oxidizing gas supply unit of the stack and the connection valve of the oxidizing gas supply unit, and the connection of the oxidizing gas discharge unit and the oxidizing gas exhaust unit of the stack A cylinder having one end connected to at least one of the valves via a connecting valve and having a piston disposed therein and pressing the piston toward the one end is provided on the other end. And a compression means for oxidizing gas.
第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記スタックの前記燃料極側の圧力を計測する燃料極側圧力計測手段と、前記スタックの前記酸化極側の圧力を計測する酸化極側圧力計測手段と、発電運転停止信号に基づいて、前記スタックへの前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給を停止するように前記ガス供給手段の前記接続弁を閉鎖制御すると共に、当該スタック内からの前記ガスの排気を停止するように前記排気手段の前記接続弁を閉鎖制御し、当該スタックの内部の前記燃料ガス及び前記酸化ガスを自己消費させるように前記自己消費手段を作動制御し、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力が第一の燃料極側規定値以下になると、当該スタックへ前記不活性ガスを供給するように前記燃料極用不活性ガス供給手段の前記接続弁を開放制御すると共に、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記酸化極側の圧力が第一の酸化極側規定値以下になると、当該スタックへ前記不活性ガスを供給するように前記酸化極用不活性ガス供給手段の前記接続弁を開放制御した後、上記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの上記燃料極側の圧力が第二の燃料極側規定値以上になると、当該スタックへの上記不活性ガスの供給を停止するように上記燃料極用不活性ガス供給手段の上記接続弁を閉鎖制御すると共に、上記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの上記酸化極側の圧力が第二の酸化極側規定値以上になると、当該スタックへの上記不活性ガスの供給を停止するように上記酸化極用不活性ガス供給手段の上記接続弁を閉鎖制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。 The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a second aspect of the present invention is the first aspect, wherein the fuel electrode side pressure measuring means for measuring the pressure on the fuel electrode side of the stack and the oxidation electrode of the stack are measured. The connection valve of the gas supply means is closed so as to stop the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the stack based on the oxidation electrode side pressure measurement means for measuring the pressure on the side and the power generation operation stop signal And controlling the closing of the connection valve of the exhaust means so as to stop the exhaust of the gas from within the stack, and the self-consumption of the fuel gas and the oxidizing gas inside the stack. When the operation of the consuming means is controlled and the pressure on the fuel electrode side of the stack falls below the first fuel electrode side specified value based on the information from the fuel electrode side pressure measuring means, the And controlling the opening of the connection valve of the fuel electrode inert gas supply means so as to supply the inert gas to the stack, and based on the information from the oxidation electrode side pressure measuring means, the oxidation electrode of the stack. When the pressure on the side becomes equal to or lower than the first oxidation electrode side specified value, the fuel electrode is controlled after opening the connection valve of the inert gas supply means for the oxidation electrode so as to supply the inert gas to the stack. Based on the information from the side pressure measuring means, when the pressure on the fuel electrode side of the stack becomes equal to or higher than a second fuel electrode side specified value, the supply of the inert gas to the stack is stopped. The connection valve of the electrode inert gas supply means is controlled to be closed, and the pressure on the oxidation electrode side of the stack is greater than or equal to a second oxidation electrode side specified value based on information from the oxidation electrode side pressure measurement means. Then Characterized in that a control means for closing controlling the connection valve of the oxidizing electrode inert gas supply means so as to stop the supply of the inert gas to the stack.
第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記制御手段が、発電運転開始信号に基づいて、前記スタックへ前記燃料ガス及び前記酸化ガスを供給するように前記ガス供給手段の前記接続弁を開放制御し、前記燃料ガス用圧縮手段の前記シリンダ内の一端側に前記燃料ガスを流入させるように当該燃料ガス用圧縮手段の前記接続弁を開放制御すると共に、前記酸化ガス用圧縮手段の前記シリンダ内の一端側に前記酸化ガスを流入させるように当該酸化ガス用圧縮手段の前記接続弁を開放制御し、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力が前記第一の燃料極側規定値以下になると、上記燃料ガス用圧縮手段の上記接続弁を閉鎖制御すると共に、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記酸化極側の圧力が前記第一の酸化極側規定値以下になると、上記酸化ガス用圧縮手段の上記接続弁を閉鎖制御するものであることを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a third aspect, in the second aspect, the control means supplies the fuel gas and the oxidizing gas to the stack based on a power generation operation start signal. The connection valve of the fuel gas compression means is controlled to open, and the connection valve of the fuel gas compression means is controlled to open so that the fuel gas flows into one end of the cylinder of the fuel gas compression means. At the same time, the connection valve of the oxidant gas compression unit is controlled to open so that the oxidant gas flows into one end of the oxidant gas compression unit in the cylinder, and the information from the fuel electrode side pressure measurement unit is controlled. When the pressure on the fuel electrode side of the stack becomes equal to or lower than the first fuel electrode side specified value, the connection valve of the fuel gas compression means is closed and the oxidation is performed. Based on the information from the side pressure measuring means, when the pressure on the oxidation electrode side of the stack falls below the first oxidation electrode side specified value, the connection valve of the oxidation gas compression means is controlled to be closed. It is characterized by being.
第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側の内部を大気開放させる開口部であることを特徴とする。 The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a fourth aspect of the present invention is the solid polymer fuel cell power generation system according to any one of the first to third aspects, wherein the pressing of at least one of the fuel gas compression means and the oxidizing gas compression means. The means is an opening for opening the inside of the other end of the cylinder to the atmosphere.
第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に不活性ガスを加圧供給する押圧用不活性ガス供給手段であることを特徴とする。 A polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a fifth aspect of the present invention is the solid polymer fuel cell power generation system according to any one of the first to third aspects, wherein the pressing of at least one of the fuel gas compression means and the oxidizing gas compression means The means is a pressing inert gas supply means for pressurizing and supplying an inert gas to the other end of the cylinder.
第六番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に接続されて内部に水を貯留する貯水槽であることを特徴とする。 A polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a sixth aspect of the present invention is the solid polymer fuel cell power generation system according to any one of the first to third aspects, wherein the pressing of at least one of the fuel gas compression means and the oxidizing gas compression means The means is a water storage tank connected to the other end of the cylinder and storing water therein.
第七番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に燃料ガスを加圧供給する押圧用燃料ガス供給手段であることを特徴とする。 A polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a seventh aspect of the present invention is the solid polymer fuel cell power generation system according to any one of the first to third aspects, wherein the pressing means of the fuel gas compression means is on the other end side of the cylinder. It is a pressing fuel gas supply means for supplying fuel gas under pressure.
第八番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス用圧縮手段の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に酸化ガスを加圧供給する押圧用酸化ガス供給手段であることを特徴とする。 The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to an eighth aspect of the present invention is the solid polymer fuel cell power generation system according to any one of the first to third aspects, wherein the pressing means of the oxidizing gas compression means is on the other end side of the cylinder. It is a pressing oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas under pressure.
第九番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第八番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側の内部に設けられて当該シリンダの一端側へ向けて前記ピストンを付勢する付勢部材を備えていることを特徴とする。 The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a ninth aspect of the present invention is the solid polymer fuel cell power generation system according to any one of the first to eighth aspects, wherein the pressing of at least one of the fuel gas compression means and the oxidizing gas compression means The means includes an urging member provided inside the other end side of the cylinder and urging the piston toward one end side of the cylinder.
第十番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第九番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段の前記接続弁と前記燃料極用不活性ガス供給手段の前記接続弁と前記燃料ガス排気手段の前記接続弁と前記燃料ガス用圧縮手段の前記シリンダとで囲まれる前記燃料ガスの流通経路の容積が、前記酸化ガス供給手段の前記接続弁と前記酸化極用不活性ガス供給手段の前記接続弁と前記酸化ガス排気手段の前記接続弁と前記酸化ガス用圧縮手段の前記シリンダとで囲まれる前記酸化ガスの流通経路の容積の2倍以上となっていることを特徴とする。 A polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a tenth aspect of the present invention is the solid polymer fuel cell power generation system according to any one of the first to ninth aspects, wherein the connection valve of the fuel gas supply means and the inert gas supply means for the fuel electrode The volume of the flow path of the fuel gas surrounded by the connection valve of the fuel gas exhaust means and the cylinder of the fuel gas compression means is the same as that of the oxidation gas supply means. More than twice the volume of the flow path of the oxidizing gas surrounded by the connecting valve of the electrode inert gas supply means, the connecting valve of the oxidizing gas exhaust means, and the cylinder of the compressing means for oxidizing gas. It is characterized by being.
第十一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第十番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス用圧縮手段の前記ピストンの径方向の断面積と前記酸化ガス用圧縮手段の前記ピストンの径方向の断面積とが同一であることを特徴とする。 A polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a tenth aspect of the invention is the solid polymer fuel cell power generation system according to any one of the first to tenth aspects of the invention, wherein the piston has a cross-sectional area in the radial direction of the piston of the fuel gas compression means. The gas compression means has the same sectional area in the radial direction of the piston.
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、発電運転停止後に、前記ガス供給手段の前記接続弁を閉鎖することにより、スタック内を外部から遮断するように封じ切り、スタック内に残存する水素ガス及び酸素ガスを自己消費手段で自己消費、すなわち、スタック内に残存する水素ガス及び酸素ガスを当該スタック内で化学反応させて消費させて、当該スタック内から水素ガス及び酸素ガスを除去した後に、当該スタック内に不活性ガスを送給して当該スタック内を不活性ガスで置換できることから、スタック内に供給する不活性ガスの量を従来よりも大幅に少なくすることができるので、発電運転の起動と停止とを長期にわたって頻繁に繰り返すような場合であっても、不活性ガスの使用量を大幅に抑えることができ、ランニングコストを低減させることができると共に、不活性ガス供給手段を省スペースで設置することができる。 According to the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention, after stopping the power generation operation, the connection valve of the gas supply means is closed, so that the inside of the stack is sealed off from the outside, The remaining hydrogen gas and oxygen gas are self-consumed by the self-consuming means, that is, the hydrogen gas and oxygen gas remaining in the stack are consumed by chemical reaction in the stack, and the hydrogen gas and oxygen gas are consumed from within the stack. After the removal, the inert gas can be fed into the stack and the inside of the stack can be replaced with the inert gas, so that the amount of the inert gas supplied into the stack can be greatly reduced compared to the conventional case. Even when starting and stopping power generation operation are repeated frequently over a long period of time, the amount of inert gas used can be greatly reduced. It is possible to reduce Ngukosuto, the inert gas supply means can be installed in a space-saving.
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。 Embodiments of a polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments described with reference to the drawings.
[第一番目の実施形態]
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図1に基づいて説明する。
[First embodiment]
A first embodiment of a polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to FIG.
図1に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子膜をガス透過性及び導電性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルを複数積層したスタック111の燃料ガス供給部には、燃料ガスである水素ガス2を送給する水素ガスボンベ121が圧調弁129aを介して接続されている。上記圧調弁129aと上記スタック111の燃料ガス供給部との間には、水素ガス2を加湿する加湿器122が配設されている。上記加湿器122と上記スタック111の燃料ガス供給部との間には、接続弁129bが介在している。
As shown in FIG. 1, a fuel gas supply section of a
前記スタック111の酸化ガス供給部には、酸化ガスである酸素ガス3を送給する酸素ガスボンベ131が圧調弁139aを介して接続されている。上記圧調弁139aと上記スタック111の酸化ガス供給部との間には、酸素ガス3を加湿する加湿器132が配設されている。上記加湿器132と上記スタック111の酸化ガス供給部との間には、接続弁139bが介在している。
An
前記スタック111の燃料ガス排出部には、ドレンポット123が接続弁129cを介して接続されている。上記スタック111の酸化ガス排出部には、ドレンポット133が接続弁139cを介して接続されている。
A
前記スタック111の燃料ガス供給部と前記接続弁129bとの間には、不活性ガスである窒素ガス4を送給する窒素ガスボンベ141が圧調弁149a及び接続弁149bを介して接続されている。前記スタック111の酸化ガス供給部と前記接続弁139bとの間には、窒素ガスボンベ151が圧調弁159a及び接続弁159bを介して接続されている。
A
前記スタック111の燃料ガス排出部と前記接続弁129cとの間には、円筒型のシリンダ161の一端側が接続弁169aを介して接続されている。このシリンダ161の内部には、当該シリンダ161の内部を軸方向に沿って摺動移動可能なピストン162が配設されている。このシリンダ161の他端側には、押圧手段となる大気開放された開口部161aが設けられている。
One end of a
前記スタック111の酸化ガス排出部と前記接続弁139cとの間には、円筒型のシリンダ171の一端側が接続弁179aを介して接続されている。このシリンダ171の内部には、当該シリンダ171の内部を軸方向に沿って摺動移動可能なピストン172が配設されている。このシリンダ171の他端側には、押圧手段となる大気開放された開口部171aが設けられている。
One end side of a
そして、前記接続弁129b,129c,149b及び前記シリンダ161で囲まれる水素ガス2の流通経路(以下略して「スタックの水素(燃料)ガス系」という。)の容積が、前記接続弁139b,139c,159b及び前記シリンダ171で囲まれる酸素ガス3の流通経路(以下略して「スタックの酸素(酸化)ガス系」という。)の容積の2倍以上となるように、上記シリンダ161は、上記シリンダ171と比べて、径方向における内径での断面積が同一でありながらも、容積が大きく(軸方向の断面積が大きく)なっている。
The volume of the flow path of the
前記スタック111には、各種の外部負荷L及び自己消費用の抵抗181が切換スイッチ182を介して電気的に接続されており、当該切換スイッチ182は、上記スタック111に対する上記外部負荷Lと当該抵抗181との電気的な接続を切り換えることができるようになっている。
Various external loads L and a self-consuming
また、前記スタック111の燃料ガス供給部と前記接続弁129b,149bとの間には、燃料極側圧力計測手段である圧力計192aが配設されている。前記スタック111の酸化ガス供給部と前記接続弁139b,159bとの間には、酸化極側圧力計測手段である圧力計192bが配設されている。これら圧力計192a,192bは、制御手段である制御装置191の入力部にそれぞれ電気的に接続している。
A
前記制御装置191の出力部は、前記弁1129a〜129c,139a〜139c,149a,149b,159a,159b,169a,179a及び前記切換スイッチ182に電気的に接続しており、当該制御装置191は、上記圧力計192a,192bからの情報等に基づいて、上記弁129a〜129c,139a〜139c,149a,149b,159a,159b,169a,179aの開閉作動及び上記切換スイッチ182の切換作動等を制御することができるようになっている(詳細は後述する)。
The output unit of the
なお、本実施形態においては、前記水素ガスボンベ121、前記加湿器122、前記圧調弁129a、前記接続弁129b等により、本発明に係る燃料ガス供給手段を構成し、前記酸素ガスボンベ131、前記加湿器132、前記圧調弁139a、前記接続弁139b等により、本発明に係る酸化ガス供給手段を構成し、前記ドレンポット123、前記接続弁129c等により、本発明に係る燃料ガス排気手段を構成し、前記ドレンポット133、前記接続弁139c等により、本発明に係る酸化ガス排気手段を構成し、前記窒素ガスボンベ141、前記圧調弁149a、前記接続弁149b等により、本発明に係る燃料極用不活性ガス供給手段を構成し、前記窒素ガスボンベ151、前記圧調弁159a、前記接続弁159b等により、本発明に係る酸化極用不活性ガス供給手段を構成し、前記シリンダ161、前記ピストン162、前記接続弁169a等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段を構成し、前記シリンダ171、前記ピストン172、前記接続弁179a等により、本発明に係る酸化ガス用圧縮手段を構成し、前記抵抗181、切換スイッチ182等により、本発明に係る自己消費手段を構成している。
In the present embodiment, the
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100の作動を次に説明する。
Next, the operation of the polymer electrolyte fuel cell
発電運転を開始する旨の信号が制御装置191に入力されると、当該制御装置191は、前記スタック111を外部負荷Lに接続するように前記切換スイッチ182を切換制御すると共に、前記圧力計192a,192bからの情報に基づいて、前記スタック111内に水素ガス2及び酸素ガス3を規定の運転圧力(例えば、約100〜600kPa(abs))で供給するように、前記圧調弁129a,139aの圧調制御及び前記接続弁129b,129c,139b,139c,169a,179aを開放制御する。
When a signal to start the power generation operation is input to the
これにより、前記水素ガスボンベ121から送出された水素ガス2は、前記加湿器122内の水1中へ供給されて飽和状態にまで加湿され、前記スタック111の燃料ガス供給部へ供給されると共に、前記酸素ガスボンベ131から送出された酸素ガス3は、前記加湿器132内の水1中へ供給されて飽和状態にまで加湿され、前記スタック111の酸化ガス供給部へ供給されて、当該水素ガス2と当該酸素ガス3とが当該スタック111内で電気化学的に反応し、当該スタック111から外部負荷Lに対して給電することができる。
Thereby, the
そして、前記スタック111内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の水素ガス2は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水1等と共に当該スタック111の燃料ガス排出部から排出され、前記ドレンポット123で上記水1を除去された後、再利用等される。また、前記スタック111内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の酸素ガス3は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水1等と共に当該スタック111の酸化ガス排出部から排出され、前記ドレンポット133で上記水1を除去された後、再利用等される。
Then, the remaining
このとき、前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172は、前記ガス2,3が当該シリンダ161,171内に一端側から流入することにより、当該シリンダ161,171内の他端側へ位置するようになる。
At this time, the
このようにして発電運転を行なっている際に、発電運転を停止する旨の信号が前記制御装置191に入力されると、当該制御装置191は、前記弁129a〜129c,139a〜139cを閉鎖するように制御して、前記スタック111内への前記水素ガスボンベ121からの水素ガス2及び前記酸素ガスボンベ131からの酸素ガス3の供給を停止すると共に、当該スタック111内からの前記ガス2,3の排気を停止することにより、当該スタック111の前記ガス2,3系を外部から遮断し、さらに、当該スタック111を前記抵抗181に接続するように前記切換スイッチ182を切換制御する。
When a power generation operation stop signal is input to the
これにより、前記スタック111の前記ガス2,3系内に残存する当該ガス2,3は、上記抵抗181での電力消費によって自己消費、すなわち、スタック111内で化学反応によって消費されて減少していく。そして、当該ガス2,3の自己消費(減少)に伴って、上記スタック111の上記ガス2,3系の圧力が大気圧(約100kPa(abs))になると、前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172が大気圧によって当該シリンダ161,171の他端側から一端側へ向って押圧され始め、上記系内に残存する上記ガス2,3が上記ピストン162,172の圧縮力(大気圧力)によって当該スタック111の前記セルへ強制的に送り込まれて迅速に消費される。
As a result, the
そして、前記スタック111の燃料ガス系内に残存する水素ガス2がほぼすべて(99%以上)消費されて、当該スタック111内の燃料極側の圧力が第一の燃料極側規定値(例えば、スタック111の温度(約10〜80℃)における飽和水蒸気圧(約1〜50kPa(abs))程度)になると、前記制御装置191は、前記圧力計192aからの情報に基づいて、前記接続弁169aを閉鎖するように制御した後、前記スタック111の燃料ガス系内に窒素ガス4を供給するように、前記圧調弁149aを圧調制御すると共に、前記接続弁149bを開放制御する。
Then, almost all (99% or more) of the
これと同様に、前記スタック111の酸化ガス系内に残存する酸素ガス3がほぼすべて(99%以上)消費されて、当該スタック111内の酸化極側の圧力が第一の酸化極側規定値(例えば、スタック111の温度(約10〜80℃)における飽和水蒸気圧(約1〜50kPa(abs))程度)になると、前記制御装置191は、前記圧力計192bからの情報に基づいて、前記接続弁179aを閉鎖するように制御した後、前記スタック111の酸化ガス系内に窒素ガス4を供給するように、前記圧調弁159aを圧調制御すると共に、前記接続弁159bを開放制御する。
Similarly, almost all (99% or more) of the
続いて、前記スタック111の燃料極側の圧力が窒素ガス4により第二の燃料極側規定値(例えば、約100〜150kPa(abs))にまで達すると、前記制御装置191は、前記圧力計192aからの情報に基づいて、前記弁149a,149bを閉鎖制御し、当該スタック111の燃料ガス系内(前記シリンダ161内を除く)を窒素ガス4に置換(窒素ガス雰囲気化)する。
Subsequently, when the pressure on the fuel electrode side of the
これと同様に、前記スタック111の酸化極側の圧力が窒素ガス4により第二の酸化極側規定値(例えば、約100〜150kPa(abs))にまで達すると、前記制御装置191は、前記圧力計192bからの情報に基づいて、前記弁159a,159bを閉鎖制御し、当該スタック111の酸化ガス系内(前記シリンダ171内を除く)を窒素ガス4に置換(窒素ガス雰囲気化)する。
Similarly, when the pressure on the oxidation electrode side of the
つまり、従来は、発電運転停止後に、スタック11内に窒素ガス4を送給して当該スタック11内に残存する水素ガス2及び酸素ガス3を外部へパージすることにより、当該スタック11内から上記ガス2,3を除去すると同時に当該スタック11内を窒素ガス4で置換するようにしていたが、本実施形態では、発電運転停止後に、スタック111の前記ガス2,3系を外部から遮断するように封じ切って当該スタック111内に残存する水素ガス2及び酸素ガス3を自己消費、すなわち、スタック111内に残存する水素ガス2及び酸素ガス3を当該スタック内で化学反応させて消費させることにより、当該スタック111の当該ガス2,3系内から上記ガス2,3を除去した後に、当該スタック111内に窒素ガス4を送給して当該スタック111内を窒素ガス4で置換するようにしたのである。
That is, conventionally, after the power generation operation is stopped, the
このため、本実施形態においては、前記スタック111内に供給する窒素ガス4の量を従来よりも大幅に少なくすることができる(スタック111の前記ガス2,3の流路系の容積の1〜1.5倍程度)ので、発電運転の起動と停止とを長期にわたって頻繁に繰り返すような場合であっても、窒素ガス4の使用量を大幅に抑えることができ、ランニングコストを低減させることができると共に、窒素ガスボンベ141,151を省スペースで設置することができる。
For this reason, in the present embodiment, the amount of
したがって、本実施形態によれば、発電運転の停止時に使用する窒素ガス4の使用量を大幅に低減することができると共に、設置スペースを小さくすることができる。
Therefore, according to the present embodiment, the amount of
また、前記スタック111内に窒素ガス4を流通させて水素ガス2及び酸素ガス3をパージする必要がなく、当該スタック111内への窒素ガス4の供給量を必要最小限量で抑えることができるので、当該スタック111内へ供給する窒素ガス4を加湿しなくても、当該スタック111のセルの固体高分子膜を乾燥させて劣化させてしまうことがない。このため、従来のような窒素ガス4用の加湿器43,53等を省略することができるので、設置スペースのさらなるコンパクト化を図ることができる。
Further, it is not necessary to circulate the
また、前記スタック111の前記ガス系内に残存する前記ガス2,3を大気圧によって前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172で押圧して当該スタック111の前記セルへ強制的に送り込むようにしたので、当該系内に残存する上記ガス2,3を迅速に自己消費することができ、当該系内からの上記ガス2,3の除去を効率よく行うことができるだけでなく、例えば、当該系内に残存する上記ガス2,3を当該系内でブロア等により強制的に流通させて自己消費させる場合よりも、自己消費に要する電力を不要とすることができ、システム全体の消費電力を削減することができるので、システム全体の効率を高めることができる。
Further, the
また、前記スタック111の燃料ガス(H2)系内の容積が、前記スタック111の酸化ガス(O2)系内の容積の2倍以上となるように、前記シリンダ161の容積(軸方向の断面積)を前記シリンダ171の容積(軸方向の断面積)よりも大きくしたことから、前記スタック111での前記電気化学反応(2H2+O2→2H2O)による上記酸化ガス系内からの酸素ガス3の除去をより確実に行うことができる(99%以上)ので、当該酸化ガス系内に残留する酸素ガス3による発電運転起動時の不具合(セル内に高電位箇所が局所的に発生して触媒に電気腐食を生じさせるおそれ)を未然に防止することができる。
The volume of the cylinder 161 (in the axial direction) is set so that the volume of the
また、前記シリンダ161と前記シリンダ171との径方向における内径での断面積が同一、すなわち、前記ピストン162と前記ピストン172との径方向における外径での断面積が同一であることから、自己消費の際に前記スタック111の燃料ガス系内に前記ピストン162から加わる圧力と当該スタック111の酸化ガス系内に前記ピストン172から加わる圧力とを同等にすることができるので、当該スタック111の前記セルにかかる圧力負荷を均一にすることができ、当該セルの損傷を大きく抑制することができる。
Further, the
[第二番目の実施形態]
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図2に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
[Second Embodiment]
A second embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to FIG. However, for the same parts as those in the above-described embodiment, the same reference numerals as those used in the description of the above-described embodiment are used, thereby omitting the description overlapping with the description in the above-described embodiment.
図2に示すように、前記シリンダ161の前記開口部161aは、前記窒素ガスボンベ141の前記圧調弁149aと前記接続弁149bとの間に開閉弁269bを介して連結されている。上記シリンダ161の上記開口部161aと上記開閉弁269bとの間には、三方型の切換弁269cが介在しており、当該切換弁269cは、一つの口が外部と連絡できるようになっている。
As shown in FIG. 2, the
前記シリンダ171の前記開口部171aは、前記窒素ガスボンベ151の前記圧調弁159aと前記接続弁159bとの間に開閉弁279bを介して連結されている。上記シリンダ171の上記開口部171aと上記開閉弁279bとの間には、三方型の切換弁279cが介在しており、当該切換弁279cは、一つの口が外部と連絡できるようになっている。
The
また、前記弁269b,269c,279b,279cは、前記制御装置191の出力部にそれぞれ電気的に接続しており、当該制御装置191は、前記圧力計192a,192bからの情報等に基づいて、さらに、上記弁269b,279bの開閉作動及び上記弁269c,279cの切換作動を制御することができるようになっている(詳細は後述する)。
The
なお、本実施形態においては、前記窒素ガスボンベ121、前記圧調弁129a、前記開閉弁269b、前記切換弁269c等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段の押圧手段(押圧用不活性ガス供給手段)を構成し、前記窒素ガスボンベ131、前記圧調弁139a、前記開閉弁279b、前記切換弁279c等により、本発明に係る酸化ガス用圧縮手段の押圧手段(押圧用不活性ガス供給手段)を構成している。
In this embodiment, the
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム200においては、発電運転を開始する旨の信号が前記制御装置191に入力されると、当該制御装置191が前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100の場合と同様な制御を行って、前記スタック111から外部負荷Lに対して給電する。
In such a polymer electrolyte fuel cell power generation system 200 according to the present embodiment, when a signal indicating that power generation operation is started is input to the
そして、発電運転を停止する旨の信号が前記制御装置191に入力されると、当該制御装置191は、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100の場合と同様に、前記弁129a〜129c,139a〜139cを閉鎖するように制御して、前記スタック111内への前記水素ガスボンベ121からの水素ガス2及び前記酸素ガスボンベ131からの酸素ガス3の供給を停止すると共に、当該スタック111内からの前記ガス2,3の排気を停止することにより、当該スタック111の前記ガス2,3の流路系を外部から遮断し、さらに、前記スタック111を前記抵抗181に接続するように前記切換スイッチ182を切換制御する。
When a signal to stop the power generation operation is input to the
これに加えて、前記制御装置191は、前記圧調弁149a,159aの圧調制御及び前記開閉弁269b,279bの開放制御を行うと共に、前記窒素ガスボンベ141,151と前記シリンダ161,171とを連絡させるように前記切換弁269c,279cを切換制御することにより、当該窒素ガスボンベ141,151内の窒素ガス4を上記シリンダ161,171内の他端側へ加圧供給(例えば、約100〜600kPa(abs))する。
In addition, the
これにより、前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172が上記窒素ガス4の圧力によって当該シリンダ161,171の他端側から一端側へ向って押圧され、前記スタック111の前記ガス2,3系内に残存する前記ガス2,3が上記ピストン162,172の圧縮力(窒素ガス4の供給圧力)によって当該スタック111の前記セルへ強制的に送り込まれてさらに迅速に消費される。
As a result, the
このようにして前記スタック111の燃料ガス系内に残存する水素ガス2がほぼすべて(99%以上)消費されて、当該スタック111内の燃料極側の圧力が第一の燃料極側規定値(例えば、スタック111の温度(約10〜80℃)における飽和水蒸気圧(約1〜50kPa(abs))程度)になると、前記制御装置191は、前記圧力計192aからの情報に基づいて、前記接続弁169a及び前記開閉弁269bを閉鎖制御すると共に、前記シリンダ161内の他端側と外部とを連絡させるように前記切換弁269cを切換制御して、前記シリンダ161内の一端側を減圧させるように当該シリンダ161内の一端側の窒素ガス4を外部へ排気する。
In this way, almost all (99% or more) of the
これと同様に、前記スタック111の酸化ガス系内に残存する酸素ガス3がほぼすべて(99%以上)消費されて、当該スタック111内の酸化極側の圧力が第一の酸化極側規定値(例えば、スタック111の温度(約10〜80℃)における飽和水蒸気圧(約1〜50kPa(abs))程度)になると、前記制御装置191は、前記圧力計192bからの情報に基づいて、前記接続弁179a及び前記開閉弁279bを閉鎖制御すると共に、前記シリンダ171内の他端側と外部とを連絡させるように前記切換弁279cを切換制御して、前記シリンダ171内の一端側を減圧させるように当該シリンダ171内の一端側の窒素ガス4を外部へ排気する。
Similarly, almost all (99% or more) of the
そして、前記スタック111の前記ガス2,3系内に窒素ガス4を供給するように、前記圧調弁149a,159aを圧調制御すると共に、前記接続弁149b,159bを開放制御し、前記スタック111の燃料極側及び酸化極側の圧力が窒素ガス4により第二の前記規定値(例えば、約100〜150kPa(abs))にまで達すると、前記制御装置191は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記圧力計192a,192bからの情報に基づいて、前記弁149a,149b,159a,159bを閉鎖制御し、当該スタック111の前記ガス2,3系内(前記シリンダ161,171内を除く)を窒素ガス4に置換(窒素ガス雰囲気化)する。
The
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100では、前記シリンダ161,171内の一端側を大気開放することにより、前記ピストン162,172を大気圧で押圧するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム200では、前記シリンダ161,171内の他端側に窒素ガス4を加圧供給することにより、前記ピストン162,172を大気圧以上で押圧するようにしたのである。
That is, in the polymer electrolyte fuel cell
このため、本実施形態においては、前述した第一番目の実施形態の場合よりも、前記スタック111の前記ガス2,3系内に残存する前記ガス2,3を当該スタック111の前記セルへさらに強制的に送り込んでより迅速に消費することができる。
For this reason, in this embodiment, the
したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前記スタック111の運転圧力が大気圧よりも比較的高い場合(約110〜600kPa(abs)程度)であっても、前記スタック111の前記ガス2,3系内からの前記ガス2,3の除去を前述した第一番目の実施形態の場合よりもさらに効率よく行うことができる。
Therefore, according to this embodiment, it is possible to obtain the same effect as in the case of the first embodiment described above, but also when the operating pressure of the
[第三番目の実施形態]
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態を図3に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
[Third embodiment]
A third embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to FIG. However, for the same parts as those in the above-described embodiment, the same reference numerals as those used in the description of the above-described embodiment are used, thereby omitting the description overlapping with the description in the above-described embodiment.
図3に示すように、スタック111及びシリンダ171,181は、外部と内部とを遮蔽するシールドボックス383の内部に配設されている。このシールドボックス383の内部には、窒素ガス4が大気圧以上(約110〜600kPa(abs)程度)で加圧充填されている。
As shown in FIG. 3, the
このような本実施形態においては、前記シールドボックス383等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段及び酸化ガス用圧縮手段の押圧手段(押圧用不活性ガス供給手段)を兼ねるように構成している。 In this embodiment, the shield box 383 and the like are configured so as to serve also as the pressing means (pressing inert gas supply means) of the fuel gas compressing means and the oxidizing gas compressing means according to the present invention. Yes.
つまり、前述した第二番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム200では、前記窒素ガスボンベ141,151内の窒素ガス4を前記シリンダ161,171内の他端側に対して前記弁149a,269b,269c,159a,279b,279cを介して給排するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム300では、前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172を前記シールドボックス383内に加圧充填されている窒素ガス4で加圧するようにしたのである。
That is, in the polymer electrolyte fuel cell power generation system 200 according to the second embodiment described above, the
このため、前述した第二番目の実施形態においては、前記シリンダ171,181内の他端側に対する窒素ガス4の給排用に、前記弁149a,269b,269c,159a,279b,279cを制御する必要があったが、本実施形態においては、前記シリンダ171,181内の他端側に対する窒素ガス4の給排のためだけの弁等を不要とすることができる。
Therefore, in the second embodiment described above, the
したがって、本実施形態によれば、前述した第一,二番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した第二番目の実施形態の場合よりも、制御系を簡略化することができ、システムコストの削減を図ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, it is possible to obtain the same effect as that of the first and second embodiments described above, as well as the control of the second embodiment described above. The system can be simplified and the system cost can be reduced.
[第四番目の実施形態]
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第四番目の実施形態を図4に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
[Fourth embodiment]
A fourth embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to FIG. However, for the same parts as those in the above-described embodiment, the same reference numerals as those used in the description of the above-described embodiment are used, thereby omitting the description overlapping with the description in the above-described embodiment.
図4に示すように、前記シリンダ161の前記開口部161aには、内部に水素ガス2を加圧充填された水素ガスタンク464が連結されている。また、前記シリンダ171の前記開口部171aには、内部に酸素ガス3を加圧充填された酸素ガスタンク474が連結されている。
As shown in FIG. 4, a
このような本実施形態においては、前記水素ガスタンク464等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段の押圧手段(押圧用燃料ガス供給手段)を構成し、前記酸素ガスタンク474等により、本発明に係る酸化ガス用圧縮手段の押圧手段(押圧用酸化ガス供給手段)を構成している。
In such an embodiment, the
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100では、前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172を空気で押圧するようにし、前述した第二,三番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム200,300では、前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172を窒素ガス4で押圧するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム400では、前記スタック111のセルの燃料極側と連絡する前記シリンダ161内の前記ピストン162を水素ガス2で押圧すると共に、前記スタック111のセルの酸化極側と連絡する前記シリンダ171内の前記ピストン172を酸素ガス3で押圧するようにしたのである。
That is, in the polymer electrolyte fuel cell
このため、本実施形態においては、前記シリンダ161,171と前記ピストン162,172との間のシール性能が低下して、万が一、当該シリンダ161,171内の他端側から一端側へガス漏れを生じてしまっても、前記スタック111内での前記電気化学反応に何ら問題を生じることがない。
For this reason, in this embodiment, the sealing performance between the
したがって、本実施形態によれば、前述した第一〜三番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した第一〜三番目の実施形態の場合よりも前記スタック111内での前記電気化学反応をさらに確実に実施することができる。
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to obtain the same effect as that of the first to third embodiments described above, as well as the case of the first to third embodiments described above. The electrochemical reaction in the
[第五番目の実施形態]
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第五番目の実施形態を図5に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
[Fifth embodiment]
A fifth embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to FIG. However, for the same parts as those in the above-described embodiment, the same reference numerals as those used in the description of the above-described embodiment are used, thereby omitting the description overlapping with the description in the above-described embodiment.
図5に示すように、前記開口部161a,171aを上方へ位置させるように鉛直方向へ軸方向を向けた前記シリンダ161,171の当該開口部161a,171aには、内部に水1を貯留すると共に上方を大気開放された貯水槽565,575の下部が連結されており、当該シリンダ161,171内の前記ピストン162,172よりも上方は、上記水1で満たされている。
As shown in FIG. 5,
このような本実施形態においては、前記貯水槽565等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段の押圧手段を構成し、前記貯水槽575等により、本発明に係る酸化ガス用圧縮手段の押圧手段を構成している。
In this embodiment, the
つまり、前述した第一〜四番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100,200,300,400では、前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172を空気や前記ガス2,3,4で押圧するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム500では、前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172を水1の自重で押圧するようにしたのである。
That is, in the polymer electrolyte fuel cell
したがって、本実施形態によれば、前述した第一〜四番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the same effects as those of the first to fourth embodiments described above can be obtained.
[第六番目の実施形態]
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第六番目の実施形態を図6に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。
[Sixth embodiment]
A sixth embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to FIG. However, for the same parts as those in the above-described embodiment, the same reference numerals as those used in the description of the above-described embodiment are used, thereby omitting the description overlapping with the description in the above-described embodiment.
図6に示すように、前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172よりも他端側には、圧縮コイルばね666,676が配設されている。
As shown in FIG. 6,
このような本実施形態においては、前記圧縮コイルばね666等により、本発明に係る燃料ガス用圧縮手段の押圧手段(付勢部材)を構成し、前記圧縮コイルばね676等により、本発明に係る酸化ガス用圧縮手段の押圧手段(付勢部材)を構成している。
In such an embodiment, the
つまり、前述した第一〜五番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100,200,300,400,500では、前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172を空気や前記ガス2,3,4や水1で押圧するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム600では、前記シリンダ161,171内の前記ピストン162,172を圧縮コイルばね666,676で押圧するようにしたのである。
That is, in the polymer electrolyte fuel cell
したがって、本実施形態によれば、前述した第一〜五番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the same effects as those of the first to fifth embodiments described above can be obtained.
[他の実施形態]
なお、前述した第五番目の実施形態においては、個別の前記貯水槽565,575を前記シリンダ161,171にそれぞれ連結するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記シリンダ161,171を同一の貯水槽に連結することにより、燃料ガス用圧縮手段の押圧手段と酸化ガス用圧縮手段の押圧手段とを兼ねるようにすることも可能である。
[Other Embodiments]
In the fifth embodiment described above, the individual
また、前述した実施形態においては、前記スタック111の前記ガス排出部と前記接続弁129c,139cとの間に前記接続弁169a,169bを介して前記シリンダ161,171を接続する、すなわち、前記スタック111の前記ガス流通方向下流側位置に前記シリンダ161,171を接続するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック111の前記ガス供給部と前記接続弁129b,139b,149b,159bとの間に前記接続弁169a,169bを介して前記シリンダ161,171を接続する、すなわち、前記スタック111の前記ガス流通方向上流側位置に前記シリンダ161,171を接続することも可能である。
In the above-described embodiment, the
また、前述した実施形態においては、前記スタック111に切換スイッチ182を介して抵抗181を電気的に接続することにより、当該スタック111内に残存する前記ガス2,3を自己消費する自己消費手段を構成するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック111に電流を印加する電流印加手段や、前記スタック111に電圧を印加する電圧印加手段等によって、当該スタック111内に残存する前記ガス2,3を自己消費する自己消費手段を構成することも可能である。
In the embodiment described above, the self-consumption means for self-consuming the
また、前述した実施形態においては、前記スタック111の燃料ガス系内と酸化ガス系内とに供給する窒素ガス4をそれぞれ異なる窒素ガスボンベ141,151を用いるようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック111の燃料ガス系内と酸化ガス系内とに供給する窒素ガス4を同一の窒素ガスボンベから供給するようにすることも可能である。
Further, in the above-described embodiment, the
また、前述した実施形態においては、前記ガス2,3を充填した前記ガスボンベ121,131から当該ガス2,3を送給するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記ガス2,3を発生させる発生装置で当該ガス2,3を発生させて送給するようにすることも可能である。
In the above-described embodiment, the
また、前述した実施形態においては、不活性ガスとして窒素ガス4を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ヘリウムガスやアルゴンガス等のような他の不活性ガスを適用することも可能である。しかしながら、不活性ガスとして窒素ガス4を適用すると、最も低コスト化を図ることができるので、最も好ましい。
In the above-described embodiment, the case where the
また、前述した実施形態においては、水素ガス2を燃料ガスとして適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、天然ガスや灯油等の炭化水素を改質して水素ガスを含有させたもの等のように、水素ガスを含有する燃料ガスであれば、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができる。しかしながら、前述した実施形態のように、燃料ガスが水素ガス2の場合であると、本発明による効果を最も顕著に得ることができるため、非常に好ましい。
In the above-described embodiment, the case where the
また、前述した実施形態においては、酸素ガス3を酸化ガスとして適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、空気等のように、酸素ガスを含有する酸化ガスであれば、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができる。しかしながら、前述した実施形態のように、酸化ガスが酸素ガス3の場合であると、本発明による効果を最も顕著に得ることができるため、非常に好ましい。
In the embodiment described above, the case where the
また、本発明は、前述した実施形態のみに限らず、前述した実施形態を必要に応じて適宜組み合わせて適用することも可能である。 Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the above-described embodiment can be applied in appropriate combination as necessary.
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、不活性ガスの使用量を大幅に抑えることができ、ランニングコストを低減させることができると共に、不活性ガス供給手段を省スペースで設置することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。 The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention can greatly reduce the amount of inert gas used, reduce running costs, and install inert gas supply means in a space-saving manner. Therefore, it can be used extremely beneficially in the industry.
L 外部負荷
1 水
2 水素ガス
3 酸素ガス
4 窒素ガス
100 固体高分子形燃料電池発電システム
111 スタック
121 水素ガスボンベ
122 加湿器
123 ドレンポット
129a 圧調弁
129b,129c 接続弁
131 酸素ガスボンベ
132 加湿器
133 ドレンポット
139a 圧調弁
139b,139c 接続弁
141,151 窒素ガスボンベ
149a,159a 圧調弁
149b,159b 接続弁
161,171 シリンダ
161a,171a 開口部
162,172 ピストン
169a,179a 接続弁
181 抵抗
182 切換スイッチ
191 制御装置
192a,192b 圧力計
200 固体高分子形燃料電池発電システム
269b,279b 開閉弁
269c,279c 切換弁
300 固体高分子形燃料電池発電システム
383 シールドボックス
400 固体高分子形燃料電池発電システム
464 水素ガスタンク
474 酸素ガスタンク
500 固体高分子形燃料電池発電システム
565,575 貯水槽
600 固体高分子形燃料電池発電システム
666,676 圧縮コイルばね
Claims (11)
前記スタックの前記燃料ガス供給部へ接続弁を介して接続されて前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記スタックの前記酸化ガス供給部へ接続弁を介して接続されて前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記スタックの前記燃料ガス供給部へ接続弁を介して接続されて不活性ガスを供給する燃料極用不活性ガス供給手段と、
前記スタックの前記酸化ガス供給部へ接続弁を介して接続されて不活性ガスを供給する酸化極用不活性ガス供給手段と、
前記スタックの前記燃料ガス排出部へ接続弁を介して接続されて当該スタック内から前記ガスを当該スタックの外部へ排気する燃料ガス排気手段と、
前記スタックの前記酸化ガス排出部へ接続弁を介して接続されて当該スタック内から前記酸化ガスを当該スタックの外部へ排気する酸化ガス排気手段と、
前記スタックの内部の前記燃料ガス及び前記酸化ガスを自己消費させる自己消費手段と、
前記スタックの前記燃料ガス供給部と前記燃料ガス供給手段の前記接続弁との間及び当該スタックの前記燃料ガス排出部と前記燃料ガス排気手段の前記接続弁との間の少なくとも一方に接続弁を介して一端側を接続されて内部にピストンを配設されると共に当該ピストンを一端側へ向けて押圧する押圧手段を他端側に有するシリンダを備えた燃料ガス用圧縮手段と、
前記スタックの前記酸化ガス供給部と前記酸化ガス供給手段の前記接続弁との間及び当該スタックの前記酸化ガス排出部と前記酸化ガス排気手段の前記接続弁との間の少なくとも一方に接続弁を介して一端側を接続されて内部にピストンを配設されると共に当該ピストンを一端側へ向けて押圧する押圧手段を他端側に有するシリンダを備えた酸化ガス用圧縮手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 A plurality of cells having a solid polymer membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode are stacked and have a fuel gas supply unit and a discharge unit for supplying the cell to the fuel electrode, and an oxidation gas supply unit and a discharge unit for supplying to the oxidation electrode A stack having
A fuel gas supply means connected to the fuel gas supply section of the stack via a connection valve to supply the fuel gas;
An oxidizing gas supply means connected to the oxidizing gas supply section of the stack via a connection valve to supply the oxidizing gas;
An inert gas supply means for a fuel electrode connected to the fuel gas supply section of the stack via a connection valve to supply an inert gas;
An inert gas supply means for an oxidizing electrode connected to the oxidizing gas supply section of the stack via a connection valve to supply an inert gas;
A fuel gas exhaust means connected to the fuel gas discharge portion of the stack via a connection valve to exhaust the gas from the stack to the outside of the stack;
An oxidizing gas exhaust means connected to the oxidizing gas discharge portion of the stack via a connection valve and exhausting the oxidizing gas from the stack to the outside of the stack;
A self-consuming means for self-consuming the fuel gas and the oxidizing gas inside the stack;
A connection valve is provided between at least one of the fuel gas supply unit of the stack and the connection valve of the fuel gas supply unit and between the fuel gas discharge unit of the stack and the connection valve of the fuel gas exhaust unit. A compression means for fuel gas comprising a cylinder having a pressing means on one end side connected to one end side and having a piston disposed on the inside and pressing the piston toward the one end side;
A connection valve is provided between at least one of the oxidation gas supply part of the stack and the connection valve of the oxidation gas supply means and between the oxidation gas discharge part of the stack and the connection valve of the oxidation gas exhaust means. And a compression means for oxidizing gas provided with a cylinder having a pushing means for pushing the piston toward the one end side and having a piston on the other end side. A polymer electrolyte fuel cell power generation system.
前記スタックの前記燃料極側の圧力を計測する燃料極側圧力計測手段と、
前記スタックの前記酸化極側の圧力を計測する酸化極側圧力計測手段と、
発電運転停止信号に基づいて、前記スタックへの前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給を停止するように前記ガス供給手段の前記接続弁を閉鎖制御すると共に、当該スタック内からの前記ガスの排気を停止するように前記排気手段の前記接続弁を閉鎖制御し、当該スタックの内部の前記燃料ガス及び前記酸化ガスを自己消費させるように前記自己消費手段を作動制御し、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力が第一の燃料極側規定値以下になると、当該スタックへ前記不活性ガスを供給するように前記燃料極用不活性ガス供給手段の前記接続弁を開放制御すると共に、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記酸化極側の圧力が第一の酸化極側規定値以下になると、当該スタックへ前記不活性ガスを供給するように前記酸化極用不活性ガス供給手段の前記接続弁を開放制御した後、上記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの上記燃料極側の圧力が第二の燃料極側規定値以上になると、当該スタックへの上記不活性ガスの供給を停止するように上記燃料極用不活性ガス供給手段の上記接続弁を閉鎖制御すると共に、上記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの上記酸化極側の圧力が第二の酸化極側規定値以上になると、当該スタックへの上記不活性ガスの供給を停止するように上記酸化極用不活性ガス供給手段の上記接続弁を閉鎖制御する制御手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to claim 1,
Fuel electrode side pressure measuring means for measuring the pressure on the fuel electrode side of the stack;
An oxidation electrode side pressure measuring means for measuring the pressure on the oxidation electrode side of the stack;
Based on the power generation operation stop signal, the connection valve of the gas supply means is controlled to be closed so that the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the stack is stopped, and the exhaust of the gas from the stack is performed. Close control of the connection valve of the exhaust means to stop, operation control of the self-consumption means to self-consume the fuel gas and the oxidizing gas inside the stack, the fuel electrode side pressure measurement means Based on the information from the above, when the pressure on the fuel electrode side of the stack becomes equal to or lower than the first fuel electrode side specified value, the inert gas supply means for the fuel electrode is supplied so as to supply the inert gas to the stack. When the pressure on the oxidation electrode side of the stack is equal to or lower than a first oxidation electrode side specified value based on the information from the oxidation electrode side pressure measuring means. After controlling the opening of the connecting valve of the oxidizing electrode inert gas supply means so as to supply the inert gas to the stack, the fuel of the stack is determined based on information from the fuel electrode side pressure measuring means. When the pressure on the pole side becomes equal to or higher than the second fuel electrode side specified value, the connection valve of the fuel electrode inert gas supply means is closed and controlled so as to stop the supply of the inert gas to the stack. Based on the information from the oxidation electrode side pressure measuring means, when the pressure on the oxidation electrode side of the stack becomes equal to or higher than a second oxidation electrode side specified value, the supply of the inert gas to the stack is stopped. And a control means for controlling the closing of the connection valve of the inert gas supply means for the oxidation electrode.
前記制御手段が、発電運転開始信号に基づいて、前記スタックへ前記燃料ガス及び前記酸化ガスを供給するように前記ガス供給手段の前記接続弁を開放制御し、前記燃料ガス用圧縮手段の前記シリンダ内の一端側に前記燃料ガスを流入させるように当該燃料ガス用圧縮手段の前記接続弁を開放制御すると共に、前記酸化ガス用圧縮手段の前記シリンダ内の一端側に前記酸化ガスを流入させるように当該酸化ガス用圧縮手段の前記接続弁を開放制御し、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力が前記第一の燃料極側規定値以下になると、上記燃料ガス用圧縮手段の上記接続弁を閉鎖制御すると共に、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記酸化極側の圧力が前記第一の酸化極側規定値以下になると、上記酸化ガス用圧縮手段の上記接続弁を閉鎖制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to claim 2,
The control means controls the opening of the connection valve of the gas supply means so as to supply the fuel gas and the oxidizing gas to the stack based on a power generation operation start signal, and the cylinder of the fuel gas compression means The connection valve of the fuel gas compression means is controlled to open so that the fuel gas flows into one end side of the fuel gas, and the oxidizing gas flows into one end side of the cylinder of the oxidation gas compression means. The connection valve of the oxidizing gas compression means is controlled to open, and based on the information from the fuel electrode side pressure measuring means, the pressure on the fuel electrode side of the stack is equal to or less than the first fuel electrode side specified value. Then, the connection valve of the fuel gas compression means is controlled to be closed, and the pressure on the oxidation electrode side of the stack is determined based on the information from the oxidation electrode side pressure measurement means. It becomes below the oxidizing electrode side predetermined value, the solid polymer fuel cell power generation system, characterized in that closing control the connection valve of the compression means for the oxidizing gas.
前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側の内部を大気開放させる開口部である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3,
The polymer polymer fuel cell power generation, wherein the pressing means of at least one of the fuel gas compression means and the oxidizing gas compression means is an opening that opens the inside of the other end of the cylinder to the atmosphere. system.
前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に不活性ガスを加圧供給する押圧用不活性ガス供給手段である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3,
The pressing means of at least one of the compression means for fuel gas and the compression means for oxidizing gas is a pressing inert gas supply means for supplying an inert gas under pressure to the other end side of the cylinder. Solid polymer fuel cell power generation system.
前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に接続されて内部に水を貯留する貯水槽である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3,
The solid polymer, wherein the pressing means of at least one of the fuel gas compressing means and the oxidizing gas compressing means is a water storage tank connected to the other end side of the cylinder and storing water therein. Fuel cell power generation system.
前記燃料ガス用圧縮手段の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に燃料ガスを加圧供給する押圧用燃料ガス供給手段である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3,
The solid polymer fuel cell power generation system, wherein the pressing means of the fuel gas compression means is pressing fuel gas supply means for supplying fuel gas under pressure to the other end of the cylinder.
前記酸化ガス用圧縮手段の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側に酸化ガスを加圧供給する押圧用酸化ガス供給手段である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3,
The solid polymer fuel cell power generation system, wherein the pressing means of the oxidizing gas compression means is pressing oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas under pressure to the other end of the cylinder.
前記燃料ガス用圧縮手段及び前記酸化ガス用圧縮手段の少なくとも一方の前記押圧手段が、前記シリンダの他端側の内部に設けられて当該シリンダの一端側へ向けて前記ピストンを付勢する付勢部材を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 8,
The urging means for urging the piston toward one end side of the cylinder is provided in the inside of the other end side of the cylinder, and the pressing means of at least one of the compression means for the fuel gas and the compression means for the oxidizing gas A solid polymer fuel cell power generation system comprising a member.
前記燃料ガス供給手段の前記接続弁と前記燃料極用不活性ガス供給手段の前記接続弁と前記燃料ガス排気手段の前記接続弁と前記燃料ガス用圧縮手段の前記シリンダとで囲まれる前記燃料ガスの流通経路の容積が、前記酸化ガス供給手段の前記接続弁と前記酸化極用不活性ガス供給手段の前記接続弁と前記酸化ガス排気手段の前記接続弁と前記酸化ガス用圧縮手段の前記シリンダとで囲まれる前記酸化ガスの流通経路の容積の2倍以上となっている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 9,
The fuel gas surrounded by the connection valve of the fuel gas supply means, the connection valve of the inert gas supply means for the fuel electrode, the connection valve of the fuel gas exhaust means, and the cylinder of the fuel gas compression means. The volume of the flow path is such that the connecting valve of the oxidizing gas supply means, the connecting valve of the inert gas supplying means for the oxidizing electrode, the connecting valve of the oxidizing gas exhaust means, and the cylinder of the compressing means for oxidizing gas. The solid polymer fuel cell power generation system is characterized in that it is at least twice the volume of the flow path of the oxidizing gas surrounded by.
前記燃料ガス用圧縮手段の前記ピストンの径方向の断面積と前記酸化ガス用圧縮手段の前記ピストンの径方向の断面積とが同一である
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 10,
A solid polymer fuel cell power generation system, wherein a cross-sectional area in the radial direction of the piston of the compression means for fuel gas and a cross-sectional area in the radial direction of the piston of the compression means for oxidizing gas are the same.
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