JP2011216339A - Fuel cell system, and stopping method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムおよびその停止方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a stopping method thereof.
従来の燃料電池システムは、水素を含有する水素含有ガスと空気とを燃料電池スタックに供給し、燃料電池スタックで発電を行っている。この電池スタックは、アノードと、電解質と、カソードとが備えられており、アノードに水素含有ガスが供給され、カソードに空気が供給される。このような燃料電池システムとして、例えば特許文献1に記載されたものがある。 A conventional fuel cell system supplies a hydrogen-containing gas containing hydrogen and air to a fuel cell stack, and generates power in the fuel cell stack. The battery stack includes an anode, an electrolyte, and a cathode. A hydrogen-containing gas is supplied to the anode and air is supplied to the cathode. An example of such a fuel cell system is described in Patent Document 1.
ところで、従来の燃料電池システムでは、例えば燃料電池システムの起動時等、水素含有ガスを燃料電池スタックのアノードに供給するときに、アノード側に酸素が存在しているとカソード電極が劣化する恐れがある。また、カソード側においても酸素が存在していると、カソード側の電極触媒が劣化する恐れがある。これらを防止するため、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、燃料電池システムの停止時に燃料電池スタック内に残存する水素含有ガスあるいは空気を、不活性ガスに置き換えることが行われている。しかしながら、電極の劣化を防止するために燃料電池システムの停止時でも不活性ガスとして原料ガスを供給し続ける必要があり、燃料の利用効率が悪いといった問題がある。 By the way, in the conventional fuel cell system, for example, when the hydrogen-containing gas is supplied to the anode of the fuel cell stack, for example, when the fuel cell system is started up, the cathode electrode may be deteriorated if oxygen is present on the anode side. is there. Further, if oxygen is present also on the cathode side, the electrode catalyst on the cathode side may be deteriorated. In order to prevent these problems, in the fuel cell system described in Patent Document 1, hydrogen-containing gas or air remaining in the fuel cell stack when the fuel cell system is stopped is replaced with an inert gas. However, in order to prevent the electrode from deteriorating, it is necessary to continue to supply the raw material gas as an inert gas even when the fuel cell system is stopped.
そこで本発明は、燃料電池スタックの電極の劣化を抑制しつつ、燃料の利用効率の低下を抑制することができる燃料電池システムおよびその停止方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a method for stopping the fuel cell system that can suppress deterioration of fuel utilization efficiency while suppressing deterioration of electrodes of the fuel cell stack.
本発明は、アノードおよびカソードを含んでなる燃料電池スタックと、アノードにアノードガスを導入する第1導入ラインと、アノードからアノードガスを導出する第1導出ラインと、カソードにカソードガスを導入する第2導入ラインと、カソードからカソードガスを導出する第2導出ラインと、第1導入ラインに配設され、水を貯留するアノード側水タンクと、第1導入ラインにおけるアノード側水タンクの上流に配設され、アノードガスの導入量を調整する第1調節弁と、第1導出ラインに配設され、アノードガスの導出量を調整する第2調節弁と、燃料電池スタックによる発電を停止する際に、第1調節弁および第2調節弁を閉鎖するとともに、アノード側水タンクの水位を上昇させるように制御する制御部と、を備えることを特徴とする。 The present invention provides a fuel cell stack comprising an anode and a cathode, a first introduction line for introducing anode gas into the anode, a first outlet line for extracting anode gas from the anode, and a first introduction line for introducing cathode gas into the cathode. 2 An introduction line, a second introduction line for deriving cathode gas from the cathode, an anode side water tank for storing water, and an upstream side of the anode side water tank in the first introduction line. A first control valve that adjusts the introduction amount of the anode gas, a second control valve that is disposed in the first lead-out line and adjusts the lead-out amount of the anode gas, and when the power generation by the fuel cell stack is stopped And a control unit for closing the first control valve and the second control valve and controlling the water level of the anode water tank to rise. To.
本発明は、アノードおよびカソードを含んでなる燃料電池スタックと、アノードにアノードガスを導入する第1導入ラインと、アノードからアノードガスを導出する第1導出ラインと、カソードにカソードガスを導入する第2導入ラインと、カソードからカソードガスを導出する第2導出ラインと、第1導出ラインに配設され、水を貯留するアノード側水タンクと、第1導入ラインに配設され、アノードガスの導入量を調整する第1調節弁と、第1導出ラインにおけるアノード側水タンクの下流に配設され、アノードガスの導出量を調整する第2調節弁と、燃料電池スタックによる発電を停止する際に、第1調節弁および第2調節弁を閉鎖するとともに、アノード側水タンクの水位を上昇させるように制御する制御部と、を備えることを特徴とする。 The present invention provides a fuel cell stack comprising an anode and a cathode, a first introduction line for introducing anode gas into the anode, a first outlet line for extracting anode gas from the anode, and a first introduction line for introducing cathode gas into the cathode. 2 introduction line, a second lead-out line for deriving the cathode gas from the cathode, an anode-side water tank for storing water, which is disposed in the first lead-out line, and a first introduction line for introducing the anode gas A first control valve that adjusts the amount, a second control valve that is disposed downstream of the anode-side water tank in the first lead-out line, and that adjusts the lead-out amount of the anode gas, and when power generation by the fuel cell stack is stopped And a control unit for closing the first control valve and the second control valve and controlling the water level of the anode water tank to rise. To.
これらの発明にあっては、燃料電池スタックによる発電を停止させるときに、アノードにおけるアノードガスの導出入が遮断された状態で、アノード側水タンクの水位が上昇し、アノード側水タンク内のアノードガスがアノードに供給されて、アノードが加圧される。このとき、アノードガスによって加圧状態となったアノード側から水素がカソード側へ移動する。このように、アノード側が加圧状態となり、さらにカソード側に水素が移動するため、燃料電池スタックの外部からアノードおよびカソード内への酸素の拡散が抑制され、燃料電池スタックの電極の劣化を抑制することができる。 In these inventions, when power generation by the fuel cell stack is stopped, the water level of the anode-side water tank rises in a state where the lead-in / out of the anode gas at the anode is blocked, and the anode in the anode-side water tank Gas is supplied to the anode and the anode is pressurized. At this time, hydrogen moves from the anode side pressurized by the anode gas to the cathode side. In this way, the anode side is in a pressurized state, and further hydrogen moves to the cathode side, so that diffusion of oxygen from the outside of the fuel cell stack into the anode and cathode is suppressed, and deterioration of the electrodes of the fuel cell stack is suppressed. be able to.
また、燃料電池システムの停止時に、燃料電池スタック内のガスを不活性ガス(原料ガス)に置き換える処理を継続して行うことが不要であるため、電極の劣化を抑制しつつ、燃料の利用効率の向上を図ることができる。また、燃料電池スタック内のガスを不活性ガスに置き換える処理が不要であるため、不活性ガスをカソード等に供給するためのバイパスラインを別途設ける必要が無く、燃料電池システムの小型化を図ることができる。 In addition, since it is not necessary to continue the process of replacing the gas in the fuel cell stack with an inert gas (raw gas) when the fuel cell system is stopped, the fuel utilization efficiency is suppressed while suppressing electrode deterioration. Can be improved. In addition, since there is no need to replace the gas in the fuel cell stack with an inert gas, there is no need to separately provide a bypass line for supplying the inert gas to the cathode, etc., and the fuel cell system can be downsized. Can do.
また、第1導入ラインにおけるアノード側水タンクの上流部は該アノード側水タンクの水位より低い位置で接続され、第1導入ラインにおけるアノード側水タンクの下流部は該アノード側水タンクの水位より高い位置で接続されることが好適である。 The upstream part of the anode side water tank in the first introduction line is connected at a position lower than the water level of the anode side water tank, and the downstream part of the anode side water tank in the first introduction line is connected to the water level of the anode side water tank. It is preferable to be connected at a high position.
この場合には、アノード側水タンクの水位を上昇させることにより該アノード側水タンク内のアノードガスがアノードに導入され、アノードが加圧されることとなる。 In this case, by raising the water level of the anode side water tank, the anode gas in the anode side water tank is introduced into the anode, and the anode is pressurized.
また、アノード側水タンクに水を供給するアノード側水供給手段を更に備え、制御部は、アノード側水供給手段によるアノード側水タンクへの水の供給量を制御することが好適である。 In addition, it is preferable that anode-side water supply means for supplying water to the anode-side water tank is further provided, and the control unit controls the amount of water supplied to the anode-side water tank by the anode-side water supply means.
この場合には、アノード側水供給手段によるアノード側水タンクへの水の供給量を制御することにより、アノードを所定の圧力値まで容易に加圧することができ、また、所定の圧力値の状態を維持し易くなる。 In this case, by controlling the amount of water supplied to the anode-side water tank by the anode-side water supply means, the anode can be easily pressurized to a predetermined pressure value. It becomes easy to maintain.
また、第2導入ラインに配設され、カソードガスの導入量を調整する第3調節弁と、第2導出ラインに配設され、カソードガスの導出量を調整する第4調節弁と、第2導入ラインにおける第3調節弁の下流、あるいは、第2導出ラインにおける第4調節弁の上流に配設され、水を貯留するカソード側水タンクを更に備え、制御部は、燃料電池スタックによる発電を停止する際に、第1調節弁、第2調節弁、第3調節弁および第4調節弁を閉鎖するとともに、カソード側水タンクの水位を上昇させるように制御することが好適である。 A third control valve disposed in the second introduction line for adjusting the amount of cathode gas introduced; a fourth control valve disposed in the second lead-out line for adjusting the amount of cathode gas derived; A cathode-side water tank that is disposed downstream of the third control valve in the introduction line or upstream of the fourth control valve in the second lead-out line is further provided, and the control unit generates power by the fuel cell stack. When stopping, it is preferable that the first control valve, the second control valve, the third control valve, and the fourth control valve are closed and the control is performed so as to raise the water level of the cathode-side water tank.
この場合には、燃料電池スタックによる発電を停止させるときに、アノードにおけるアノードガスの導出入、およびカソードにおけるカソードガスの導出入が遮断される。これにより、アノードおよびカソードを効率よく加圧することができる。 In this case, when power generation by the fuel cell stack is stopped, the lead-in / out of the anode gas at the anode and the cathodic gas at the cathode are blocked. Thereby, an anode and a cathode can be pressurized efficiently.
また、第2導入ラインにおけるカソード側水タンクの上流部は該カソード側水タンクの水位より低い位置で接続され、第2導入ラインにおけるカソード側水タンクの下流部は該カソード側水タンクの水位より高い位置で接続されることが好適である。 The upstream part of the cathode side water tank in the second introduction line is connected at a position lower than the water level of the cathode side water tank, and the downstream part of the cathode side water tank in the second introduction line is connected to the water level of the cathode side water tank. It is preferable to be connected at a high position.
この場合には、カソード側水タンクの水位を上昇させることにより該カソード側水タンク内のカソードガスがカソードに導入され、カソードが加圧されることとなる。 In this case, by raising the water level of the cathode side water tank, the cathode gas in the cathode side water tank is introduced to the cathode, and the cathode is pressurized.
また、カソード側水タンクに水を供給するカソード側水供給手段を更に備え、制御部は、カソード側水供給手段によるカソード側水タンクへの水の供給量を制御することが好適である。 In addition, it is preferable that the apparatus further includes a cathode-side water supply unit that supplies water to the cathode-side water tank, and the control unit controls the amount of water supplied to the cathode-side water tank by the cathode-side water supply unit.
この場合には、カソード側水供給手段によるカソード側水タンクへの水の供給量を制御することにより、カソードを所定の圧力値まで容易に加圧することができ、また、所定の圧力値の状態を維持し易くなる。 In this case, the cathode can be easily pressurized to a predetermined pressure value by controlling the amount of water supplied to the cathode side water tank by the cathode side water supply means, and the state of the predetermined pressure value It becomes easy to maintain.
また、燃料電池スタックの電流を掃引する電流掃引部と、燃料電池スタックの電圧値を検出する電圧値検出部と、を更に備え、制御部は、アノード側水タンクの水位を上昇させる前に、電圧値検出部によって検出される電圧値が基準電圧値以下になるように、電流掃引部を制御することが好適である。 Further, the current sweep unit for sweeping the current of the fuel cell stack and a voltage value detection unit for detecting the voltage value of the fuel cell stack are further provided, and the control unit, before raising the water level of the anode side water tank, It is preferable to control the current sweep unit so that the voltage value detected by the voltage value detection unit is equal to or lower than the reference voltage value.
この場合には、電流の掃引により燃料電池スタックのカソード側の酸素が消費されるため、燃料電池スタックの電極の劣化を抑制することができる。 In this case, oxygen on the cathode side of the fuel cell stack is consumed by the current sweep, so that deterioration of the electrodes of the fuel cell stack can be suppressed.
また、改質触媒によって原燃料を改質し、アノードガスとしての改質ガスを生成する改質装置を更に備えることが好適である。 In addition, it is preferable to further include a reformer that reforms the raw fuel with the reforming catalyst and generates a reformed gas as the anode gas.
この場合には、アノードガスとして、改質装置によって生成された改質ガスを用いることができる。即ち、アノードガスを生成するための原料として液体燃料(灯油等)を用いることができるため、アノードガスの生成に用いられる原料の種類の汎用性を高めることが可能となる。 In this case, the reformed gas generated by the reformer can be used as the anode gas. That is, since liquid fuel (kerosene or the like) can be used as a raw material for generating the anode gas, it is possible to increase the versatility of the types of raw materials used for generating the anode gas.
本発明は、アノードおよびカソードを含んでなる燃料電池スタックと、アノードにアノードガスを導入する第1導入ラインと、記アノードからアノードガスを導出する第1導出ラインと、カソードにカソードガスを導入する第2導入ラインと、カソードからカソードガスを導出する第2導出ラインと、第1導入ラインに配設され、水を貯留するアノード側水タンクと、第1導入ラインにおけるアノード側水タンクの上流に配設され、アノードガスの導入量を調整する第1調節弁と、第1導出ラインに配設され、アノードガスの導出量を調整する第2調節弁と、第2導入ラインに配設され、カソードガスの導入量を調整する第3調節弁と、第2導出ラインに配設され、カソードガスの導出量を調整する第4調節弁と、を備える燃料電池システムの停止方法であって、第1調節弁、第2調節弁、第3調節弁および第4調節弁を閉鎖し、アノード側水タンクの水位を上昇させる工程を含む、ことを特徴とする。 The present invention provides a fuel cell stack including an anode and a cathode, a first introduction line for introducing anode gas to the anode, a first outlet line for extracting anode gas from the anode, and a cathode gas to the cathode. A second introduction line; a second introduction line for deriving cathode gas from the cathode; an anode-side water tank that is disposed in the first introduction line and stores water; and upstream of the anode-side water tank in the first introduction line. A first control valve that adjusts the introduction amount of the anode gas, a second control valve that is arranged in the first derivation line, and that adjusts the derivation amount of the anode gas, and is arranged in the second introduction line; A fuel cell system comprising: a third control valve that adjusts the amount of cathode gas introduced; and a fourth control valve that is disposed in the second derivation line and adjusts the amount of cathode gas derivated. A stop method, the first control valve, a second regulating valve, a third control valve and the fourth control valve closed, comprising the step of raising the water level in the anode water tank, characterized in that.
本発明は、アノードおよびカソードを含んでなる燃料電池スタックと、アノードにアノードガスを導入する第1導入ラインと、アノードからアノードガスを導出する第1導出ラインと、カソードにカソードガスを導入する第2導入ラインと、カソードからカソードガスを導出する第2導出ラインと、第1導出ラインに配設され、水を貯留するアノード側水タンクと、第1導入ラインに配設され、アノードガスの導入量を調整する第1調節弁と、第1導出ラインにおけるアノード側水タンクの下流に配設され、アノードガスの導出量を調整する第2調節弁と、第2導入ラインに配設され、カソードガスの導入量を調整する第3調節弁と、第2導出ラインに配設され、カソードガスの導出量を調整する第4調節弁と、を備える燃料電池システムの停止方法であって、第1調節弁、第2調節弁、第3調節弁および第4調節弁を閉鎖し、アノード側水タンクの水位を上昇させる工程を含む、ことを特徴とする。 The present invention provides a fuel cell stack comprising an anode and a cathode, a first introduction line for introducing anode gas into the anode, a first outlet line for extracting anode gas from the anode, and a first introduction line for introducing cathode gas into the cathode. 2 introduction line, a second lead-out line for deriving the cathode gas from the cathode, an anode-side water tank for storing water, which is disposed in the first lead-out line, and a first introduction line for introducing the anode gas A first control valve that adjusts the amount; a second control valve that is disposed downstream of the anode-side water tank in the first lead-out line; A fuel cell system comprising: a third control valve that adjusts a gas introduction amount; and a fourth control valve that is disposed in the second derivation line and adjusts the cathode gas derivation amount. A stop method, the first control valve, a second regulating valve, a third control valve and the fourth control valve closed, comprising the step of raising the water level in the anode water tank, characterized in that.
これらの発明にあっては、燃料電池スタックによる発電を停止させるときに、アノードにおけるアノードガスの導出入、およびカソードにおけるカソードガスの導出入が遮断された状態で、アノード側水タンクの水位が上昇し、アノード側水タンク内のガスがアノードに供給されて、アノードが加圧される。このとき、アノードガスによって加圧状態となったアノード側から、アノードガス中の水素がカソード側へ移動するため、カソード側も加圧状態となる。このように、アノード側およびカソード側が加圧状態となるため、燃料電池スタックの外部からアノードおよびカソード内への酸素の拡散が抑制され、燃料電池スタックの電極の劣化を抑制することができる。 In these inventions, when power generation by the fuel cell stack is stopped, the water level of the anode water tank rises in a state where the lead-in / out of the anode gas at the anode and the cathodic gas at the cathode are blocked. Then, the gas in the anode side water tank is supplied to the anode, and the anode is pressurized. At this time, since the hydrogen in the anode gas moves from the anode side pressurized by the anode gas to the cathode side, the cathode side is also pressurized. As described above, since the anode side and the cathode side are in a pressurized state, diffusion of oxygen from the outside of the fuel cell stack into the anode and the cathode is suppressed, and deterioration of the electrodes of the fuel cell stack can be suppressed.
本発明によれば、燃料電池スタックの電極の劣化を抑制しつつ、燃料の利用効率の低下を抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fall of the utilization efficiency of a fuel can be suppressed, suppressing deterioration of the electrode of a fuel cell stack.
以下、図面を参照しつつ本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
まず、本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成について説明する。図1は、燃料電池システム1の概略構成図である。図1に示すように燃料電池システム1は、気体燃料、または液体燃料から水素を含有するアノードガス(改質ガス)を生成する改質装置2と、改質装置2によって生成されたアノードガスを用いて発電を行う燃料電池スタック3と、を備えている。燃料電池システム1は、例えば、家庭用の電力供給源として利用されるものであり、容易に入手することができ且つ独立して貯蔵することができるという観点から、液体燃料として灯油が用いられている。
First, the overall configuration of the fuel cell system according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 1. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a
改質装置2は、液体燃料を改質してアノードガスを生成するためのものであり、改質器21およびバーナ22を有している。改質器21は、液体燃料と水蒸気とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有するアノードガスを生成する。バーナ22は、改質器21の改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。なお、改質装置2に供給される液体燃料は、図示しない脱硫器によって脱硫されている。
The
燃料電池スタック3は、電池セル30が複数積み重ねられて構成されており、改質装置2で得られたアノードガスを用いて発電して直流電流を出力する。電池セル30は、アノード31と、カソード32と、アノード31およびカソード32間に配置された固体高分子である電解質(不図示)とを有しており、アノード31にアノードガスを導入させるとともに、カソード32に酸素を含有するカソードガス(例えば、空気等)を導入させることで、各電池セル30において電気化学的な発電反応が行われることになる。なお、図1では、複数積み重ねられる電池セル30のうち1つの電池セル30のみを図示してある。
The
また、燃料電池システム1は、カソード32に導入されるカソードガスを流通させる第2導入ラインL12と、カソード32から導出されたカソードガスを流通させる第2導出ラインL11とを備えている。第2導入ラインL12には、カソード32に導入されるカソードガスの導入量を調節する電磁弁B12(第3調節弁)と、第2導入ラインL12から導入されたカソードガスを加湿するカソード側水タンク8(例えば、バブラタンク等)とが設けられている。また、第2導出ラインL11には、カソード32から導出されたカソードガスの導出量を調節するための電磁弁B11(第4調節弁)が設けられている。また、カソード32には、カソード32内の圧力値を検出する圧力計P2が設けられている。なお、本実施形態では、調節弁の一例として電磁弁B12を用いた場合について説明するが、電磁弁以外の機構の弁(例えば、電動弁等)を用いてもよい。また、後述の電磁弁B11,B21,B22についても同様に、これらは調節弁の一例であり、他の機構の弁を用いてもよい。
The fuel cell system 1 also includes a second introduction line L12 through which the cathode gas introduced into the
また、第2導入ラインL12の上流側のラインL12aは、カソード側水タンク8の下部に接続され、第2導入ラインL12の下流側のラインL12bはカソード側水タンク8の上部に接続されている。また、カソード側水タンク8は、内部に水を有し、カソード側水タンク8に接続されたラインL12aの開口とラインL12bの開口との間で水位が維持されている。カソード側水タンク8は、ラインL12aから導入されたカソードガスを、内部に有する水の中を通すことによって加湿する。加湿されたカソードガスは、ラインL12bを通ってカソード32に供給される。
The upstream line L12a of the second introduction line L12 is connected to the lower part of the cathode
また、燃料電池システム1は、アノード31に導入されるアノードガスを流通させる第1導入ラインL22と、アノード31から導出されたアノードガスを流通させる第1導出ラインL21を備えている。第1導入ラインL22の上流側は改質器21に接続され、改質器21で生成されたアノードガスは第1導入ラインL22を通ってアノード31に導入される。第1導入ラインL22には、アノード31に導入されるアノードガスの導入量を調節する電磁弁B22(第1調節弁)と、第1導入ラインL22から導入されたアノードガスを加湿するアノード側水タンク7(例えば、バブラタンク等)とが設けられている。また、第1導出ラインL21は、第1導入ラインL22を通じてアノード31に供給されたアノードガスのうち、燃料電池スタック3において発電に寄与しなかった水素を含むアノードガス(所謂、オフガス)を排出させるためのものである。この第1導出ラインL21の下流側は、バーナ22に接続されており、バーナ22の燃料としてアノードガスが利用可能となっている。また第1導出ラインL21には、アノード31から導出されるアノードガスの導出量を調節する電磁弁B21(第2調節弁)が設けられている。また、アノード31には、アノード31内の圧力値を検出する圧力計P1が設けられている。
Further, the fuel cell system 1 includes a first introduction line L22 through which the anode gas introduced into the
また、第1導入ラインL22の上流側のラインL22aは、アノード側水タンク7の下部に接続され、第1導入ラインL22の下流側のラインL22bはアノード側水タンク7の上部に接続されている。また、アノード側水タンク7は、内部に水を有し、アノード側水タンク7に接続されたラインL22aの開口とラインL22bの開口との間で水位が維持されている。アノード側水タンク7は、ラインL22aから導入されたアノードガスを、内部に有する水の中を通すことによって加湿する。加湿されたアノードガスは、ラインL22bを通ってアノード31に供給される。
The upstream line L22a of the first introduction line L22 is connected to the lower part of the anode
また、燃料電池システム1は、アノード側水タンク7およびカソード側水タンク8に供給される、水源に接続された給水ラインWL1と、該給水ラインWL1を介してアノード側水タンク7およびカソード側水タンク8へ水を導入するポンプWP1(アノード側水供給手段、カソード側水供給手段)を備える。給水ラインWL1は、カソード側水タンク8に供給される水が流通する給水ラインWL2と、アノード側水タンク7に供給される水が流通する給水ラインWL3とに分岐する。給水ラインWL2には、カソード側水タンク8に供給される水の量を調節する電磁弁WB2が設けられている。また、給水ラインWL3には、アノード側水タンク7に供給される水の量を調節する電磁弁WB3が設けられている。
Further, the fuel cell system 1 includes a water supply line WL1 connected to a water source supplied to the anode
また、燃料電池システム1は、燃料電池スタック3の電流を掃引する電流掃引部5と、燃料電池スタック3の電圧値を検出する電圧値検出部6とを備える。更に、燃料電池システム1は、電磁弁B11,B12,B21,B22,WB2,WB3と、ポンプWP1と、電流掃引部5と、を制御する制御部4を備えている。電圧値検出部6によって検出された燃料電池スタック3の電圧値は、制御部4に入力される。また、圧力計P1,P2によって検出された圧力値は、制御部4に入力される。
The fuel cell system 1 includes a current sweep unit 5 that sweeps the current of the
次に、燃料電池スタック3による発電を停止させるときに制御部4が行う各部の制御について説明する。なお、本制御の実行は、例えば図示しない停止スイッチが操作されることで開始する。また、燃料電池スタック3によって発電が行われている状態では、電磁弁B11,B12が開状態(第2導出ラインL11,第2導入ラインL12内をカソードガスが流通可能な状態)に制御されている。更に、電磁弁B21,B22が開状態(第1導出ラインL21,第1導入ラインL22内をアノードガスが流通可能な状態)に制御され、改質装置2からアノードガスがアノード31に導入されている。図2は、制御部4によって実行される制御処理手順を示すフローチャートである。
Next, the control of each unit performed by the
ステップS101において制御部4は、例えば、アノード側水タンク7およびカソード側水タンク8内の水を排水するための排水弁(不図示)等を開状態とすることによって、アノード側水タンク7およびカソード側水タンク8内の水位を下げる。
In step S101, the
ステップS102において制御部4は、電磁弁B11を制御して第2導出ラインL11におけるカソードガスの流通を遮断する。
In step S102, the
ステップS103において制御部4は、電流掃引部5を制御して、燃料電池スタック3の電流を掃引する。これにより、カソード32側において酸素が消費されて酸素濃度が低下する。また、アノード31側からカソード32側へ水素が移動するため、カソード32側の水素濃度が上昇する。
In step S <b> 103, the
ステップS103で燃料電池スタック3の電流を掃引することにより、カソード32側の酸素が消費されて酸素の濃度が低下するとともに、燃料電池スタック3の電圧値が低下する。そこで、ステップS104において制御部4は、低下する電圧値を電圧値検出部6によって検出し、検出される電圧値が所定の基準電圧値以下であるかどうかを判断する。電圧値が所定の基準電圧値以下でない場合(ステップS104:NO)、電圧値が所定の基準電圧値以下となるまで、ステップS103,S104の処理を繰り返す。電圧値が所定の基準電圧値以下であると判断されたとき(ステップS104:YES)、ステップS105の処理へ進む。
By sweeping the current of the
ステップS105において制御部4は、電流掃引部5を制御して燃料電池スタック3の電流の掃引を停止させる。ステップS106において制御部4は、電磁弁B12を制御して第2導入ラインL12におけるカソードガスの流通を遮断し、電磁弁B21を制御して第1導出ラインL21におけるアノードガスの流通を遮断し、更に、電磁弁B22を制御して第1導入ラインL22におけるアノードガスの流通を遮断する。
In step S <b> 105, the
ステップS107において制御部4は、ポンプWP1を制御し、更に圧力計P1によって検出される圧力値が所定の圧力値となるように、電磁弁WB3を制御してアノード側水タンク7内に水を供給することにより水位を上昇させ、アノード31を加圧する。アノード31を加圧することにより、アノード31側からカソード32側へ水素が積極的に移動することで、カソード32内の圧力値が上昇する。このように、水素の移動により、アノード31内の圧力値の上昇に追随してカソード32内の圧力値も上昇する。圧力計P1で検出されるアノード31の圧力値と、圧力計P2で検出されるカソード32の圧力値とを等しくすることで、電解質膜への圧力バランスが等しくなるため、好適である。
In step S107, the
ステップS108において制御部4は、圧力計P1または圧力計P2で検出される圧力値が、所定の基準圧力値以下となったかどうか(検出される圧力値が所定の基準圧力値まで低下したかどうか)を判断する。圧力値が所定の基準圧力値以下でない場合(ステップS108:NO)、ステップS108の処理を繰り返す。一方、圧力値が所定の基準圧力値以下となった場合(ステップS108:YES)、ステップS109において制御部4は、圧力値が所定の基準圧力値となるようにアノード側水タンク7およびカソード側水タンク8の水位を制御する。例えば、圧力計P1で検出された圧力値が低下した場合(アノード31側の圧力値低下)、制御部4は電磁弁WB3を制御してアノード側水タンク7の水位を上昇させてアノード31を加圧する。また、例えば、圧力計P2で検出された圧力値が低下した場合(カソード32側の圧力値低下)、制御部4は、電磁弁WB2を制御してカソード側水タンク8の水位を上昇させたり、電磁弁WB3を制御してアノード側水タンク7の水位を上昇させたり、または、アノード側水タンク7およびカソード側水タンク8の両方の水位を上昇させてカソード32を加圧する。また、例えば、圧力計P1,P2で検出される圧力値の両方が低下した場合、電磁弁WB2,WB3の一方または両方を制御してアノード側水タンク7およびカソード側水タンク8の一方または両方の水位を上昇させてアノード31,32を加圧する。このステップS108,S109の処理により、アノード31およびカソード32内の圧力値が所定の基準圧力値に維持される。なお、ステップS108,S109の処理は、燃料電池スタック3の発電が再開されるまで繰り返し行われる。
In step S108, the
続いて、本実施形態に係る燃料電池システム1の作用および効果について説明する。本実施形態の燃料電池システム1によれば、燃料電池スタック3による発電を停止させるときに、アノード31におけるアノードガスの導出入およびカソード32におけるカソードガスの導出入が遮断された状態で、アノード側水タンク7の水位が上昇し、アノード側水タンク7内のアノードガスがアノード31に供給されて、アノード31が加圧される。このとき、アノードガスによって加圧状態となったアノード31側からカソード32側へ水素が移動するため、カソード32側も加圧状態となる。このように、アノード31側およびカソード32側が加圧状態となるため、燃料電池スタック3の外部からアノード31およびカソード32内への酸素の拡散が抑制され、燃料電池スタック3の電極の劣化を抑制することができる。
Then, the effect | action and effect of the fuel cell system 1 which concern on this embodiment are demonstrated. According to the fuel cell system 1 of the present embodiment, when power generation by the
また、燃料電池システム1の停止時に、燃料電池スタック3内のガスを不活性ガス(原料ガス)に置き換える処理を継続して行うことが不要であるため、電極の劣化を抑制しつつ、燃料の利用効率の向上を図ることができる。また、燃料電池スタック3内のガスを不活性ガスに置き換える処理が不要であるため、不活性ガスをカソード等に供給するためのバイパスラインを別途設ける必要が無く、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
In addition, it is not necessary to continue the process of replacing the gas in the
また、燃料電池スタック3の運転時にアノードガスを加湿するアノード側水タンク7、およびカソードガスを加湿するカソード側水タンク8を用いて、燃料電池スタック3の停止時におけるアノード31,カソード32の加圧を行うことにより、アノード31,カソード32を加圧するための新たな装置を別途設ける必要がない。
Further, the anode-
また、ポンプWP1から供給された水をアノード側水タンク7およびカソード側水タンク8に導入する量を制御するだけで、アノード31,カソード32を所定の圧力値まで容易に加圧することができ、また、所定の圧力値の状態を維持し易くなる。
Further, the
また、アノード31がアノードガスによって加圧状態となり、アノード31側からカソード32側およびカソード側水タンク8内へ水素が移動する。更に、カソード側水タンク8の水位の上昇によってカソード32およびカソード側水タンク8内も加圧される。これにより、アノード31とカソード32とを効率よく加圧状態とすることができる。
In addition, the
また、燃料電池スタック3の電圧値が所定の電圧値になるまで電流掃引部5によって電流の掃引を行うことにより、燃料電池スタック3の電圧値を効率良く低下させることができる。
In addition, by sweeping the current by the current sweep unit 5 until the voltage value of the
また、改質装置2を備えることにより、改質装置2によって水素を含有するアノードガスを生成することができる。即ち、アノードガスを生成するための原料として液体燃料(灯油等)を用いることができるため、アノードガスの生成に用いられる原料の種類の汎用性を高めることが可能となる。
Further, by providing the
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第2導出ラインL11および第2導入ラインL12にそれぞれ電磁弁B11,B12を設けずに、電磁弁B21,B22を制御して第1導出ラインL21および第1導入ラインL22を遮断した後、アノード側水タンク7によってアノード31を加圧してもよい。この場合にも、アノード31からカソード32側へ水素が移動することで、カソード32内への酸素の拡散が抑制され、燃料電池スタック3の電極の劣化を抑制することができる。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, without providing the solenoid valves B11 and B12 in the second lead-out line L11 and the second lead-in line L12, respectively, after controlling the solenoid valves B21 and B22 to shut off the first lead-out line L21 and the first lead-in line L22, The
また、例えば、ステップS106において、3つのラインにおけるガスの流通を遮断するものとしたが、まず、電磁弁B21を制御して第1導出ラインL21におけるアノードガスの流通を遮断し、併せて、電磁弁B11,B12の一方を制御して第2導出ラインL11および第2導入ラインL12の一方を遮断し、第1導入ラインL22から導入されるアノードガスによってアノード31を所定時間加圧する。そして、カソード32へ移動した水素によりカソード32およびカソード側水タンク8内に残存する酸素を押し出した後に、電磁弁B11,B12の他方を制御して第2導出ラインL11および第2導入ラインL12の他方を遮断し、更に、電磁弁B22を制御して第1導入ラインL22におけるアノードガスの流通を遮断することもできる。上記の例では、第1導入ラインL22から導入されるアノードガスによるアノード31の加圧を所定時間行うものとしたが、これ以外にも、例えば、電圧値検出部6によって検出される電圧値が所定の電圧値に低下するまでアノード31の加圧を行ったり、または圧力計P2によって検出される圧力値が所定の圧力値になるまでアノード31の加圧を行ったりすることができる。
Further, for example, in step S106, the gas flow in the three lines is cut off. First, the electromagnetic valve B21 is controlled to cut off the flow of the anode gas in the first lead-out line L21. One of the valves B11 and B12 is controlled to shut off one of the second lead-out line L11 and the second introduction line L12, and the
また、他の変形例として、まず、電磁弁B21および電磁弁B22を制御して第1導出ラインL21および第1導入ラインL22におけるアノードガスの流通を遮断し、併せて、アノード側水タンク7の水位を上昇させてアノード31を加圧する。そして、カソード32へ移動した水素によりカソード32およびカソード側水タンク8内に残存する酸素を押し出した後に、電磁弁B11および電磁弁B12を制御して第2導出ラインL11および第2導入ラインL12を遮断することもできる。
As another modification, first, the solenoid valve B21 and the solenoid valve B22 are controlled to interrupt the circulation of the anode gas in the first lead-out line L21 and the first introduction line L22. The
また、カソード側水タンク8の水位の制御によってカソード32の加圧を行わずに、アノード側水タンク7の水位の制御のみによってアノード31,カソード32の加圧を行うこともできる。また、第1導出ラインL21および第1導入ラインL22の双方にそれぞれアノード側水タンク7を設けたり、第2導出ラインL11および第2導入ラインL12のそれぞれにカソード側水タンク8を設けることもできる。また、燃料電池スタック3のアノード31にガスタンク等から純水素を供給する場合には、改質装置2は設けなくてもよい。
It is also possible to pressurize the
1…燃料電池システム、2…改質装置、3…燃料電池スタック、4…制御部、5…電流掃引部、6…電圧値検出部、7…アノード側水タンク、8…カソード側水タンク、21…改質器、31…アノード、32…カソード、B11,B12,B21,B22,WB2,WB3…電磁弁、L11…第2導出ライン、L12…第2導入ライン、L21…第1導出ライン、L22…第1導入ライン、WL1…給水ライン、WP1…ポンプ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Reformer, 3 ... Fuel cell stack, 4 ... Control part, 5 ... Current sweep part, 6 ... Voltage value detection part, 7 ... Anode side water tank, 8 ... Cathode side water tank, 21 ... reformer, 31 ... anode, 32 ... cathode, B11, B12, B21, B22, WB2, WB3 ... solenoid valve, L11 ... second derivation line, L12 ... second introduction line, L21 ... first derivation line, L22 ... 1st introduction line, WL1 ... Water supply line, WP1 ... Pump.
Claims (11)
前記アノードにアノードガスを導入する第1導入ラインと、
前記アノードからアノードガスを導出する第1導出ラインと、
前記カソードにカソードガスを導入する第2導入ラインと、
前記カソードからカソードガスを導出する第2導出ラインと、
前記第1導入ラインに配設され、水を貯留するアノード側水タンクと、
前記第1導入ラインにおける前記アノード側水タンクの上流に配設され、アノードガスの導入量を調整する第1調節弁と、
前記第1導出ラインに配設され、アノードガスの導出量を調整する第2調節弁と、
前記燃料電池スタックによる発電を停止する際に、前記第1調節弁および前記第2調節弁を閉鎖するとともに、前記アノード側水タンクの水位を上昇させるように制御する制御部と、を備えることを特徴とする、燃料電池システム。 A fuel cell stack comprising an anode and a cathode;
A first introduction line for introducing an anode gas into the anode;
A first derivation line for deriving anode gas from the anode;
A second introduction line for introducing a cathode gas into the cathode;
A second derivation line for deriving cathode gas from the cathode;
An anode water tank disposed in the first introduction line and storing water;
A first control valve that is disposed upstream of the anode-side water tank in the first introduction line and adjusts the amount of anode gas introduced;
A second control valve disposed in the first derivation line for adjusting the derivation amount of the anode gas;
A control unit that closes the first control valve and the second control valve and controls to raise the water level of the anode-side water tank when power generation by the fuel cell stack is stopped. A fuel cell system is characterized.
前記アノードにアノードガスを導入する第1導入ラインと、
前記アノードからアノードガスを導出する第1導出ラインと、
前記カソードにカソードガスを導入する第2導入ラインと、
前記カソードからカソードガスを導出する第2導出ラインと、
前記第1導出ラインに配設され、水を貯留するアノード側水タンクと、
前記第1導入ラインに配設され、アノードガスの導入量を調整する第1調節弁と、
前記第1導出ラインにおける前記アノード側水タンクの下流に配設され、アノードガスの導出量を調整する第2調節弁と、
前記燃料電池スタックによる発電を停止する際に、前記第1調節弁および前記第2調節弁を閉鎖するとともに、前記アノード側水タンクの水位を上昇させるように制御する制御部と、を備えることを特徴とする、燃料電池システム。 A fuel cell stack comprising an anode and a cathode;
A first introduction line for introducing an anode gas into the anode;
A first derivation line for deriving anode gas from the anode;
A second introduction line for introducing a cathode gas into the cathode;
A second derivation line for deriving cathode gas from the cathode;
An anode water tank disposed in the first lead-out line and storing water;
A first control valve that is disposed in the first introduction line and adjusts the amount of anode gas introduced;
A second control valve that is arranged downstream of the anode-side water tank in the first lead-out line and adjusts the lead-out amount of the anode gas;
A control unit that closes the first control valve and the second control valve and controls to raise the water level of the anode-side water tank when power generation by the fuel cell stack is stopped. A fuel cell system is characterized.
前記制御部は、前記アノード側水供給手段による前記アノード側水タンクへの水の供給量を制御することを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システム。 An anode-side water supply means for supplying water to the anode-side water tank;
4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls an amount of water supplied to the anode-side water tank by the anode-side water supply unit. 5.
前記第2導出ラインに配設され、カソードガスの導出量を調整する第4調節弁と、
前記第2導入ラインにおける前記第3調節弁の下流、あるいは、前記第2導出ラインにおける前記第4調節弁の上流に配設され、水を貯留するカソード側水タンクを更に備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックによる発電を停止する際に、前記第1調節弁、前記第2調節弁、前記第3調節弁および前記第4調節弁を閉鎖するとともに、前記カソード側水タンクの水位を上昇させるように制御することを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池システム。 A third control valve disposed in the second introduction line for adjusting the amount of cathode gas introduced;
A fourth control valve disposed in the second derivation line for adjusting the derivation amount of the cathode gas;
A cathode-side water tank that is disposed downstream of the third control valve in the second introduction line or upstream of the fourth control valve in the second lead-out line, and stores water;
The control unit closes the first control valve, the second control valve, the third control valve, and the fourth control valve when stopping power generation by the fuel cell stack, and the cathode-side water tank. 5. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is controlled to raise the water level of the fuel cell.
前記制御部は、前記カソード側水供給手段による前記カソード側水タンクへの水の供給量を制御することを特徴とする、請求項5または6に記載の燃料電池システム。 A cathode-side water supply means for supplying water to the cathode-side water tank;
The fuel cell system according to claim 5 or 6, wherein the control unit controls the amount of water supplied to the cathode-side water tank by the cathode-side water supply means.
前記制御部は、前記アノード側水タンクの水位を上昇させる前に、前記電圧値検出部によって検出される電圧値が基準電圧値以下になるように、前記電流掃引部を制御することを特徴とする、請求項1から7のいずれかに記載の燃料電池システム。 A current sweep unit that sweeps the current of the fuel cell stack; and a voltage value detection unit that detects a voltage value of the fuel cell stack,
The control unit controls the current sweep unit so that a voltage value detected by the voltage value detection unit is equal to or lower than a reference voltage value before raising the water level of the anode-side water tank. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7.
前記第1調節弁、前記第2調節弁、前記第3調節弁および前記第4調節弁を閉鎖し、前記アノード側水タンクの水位を上昇させる工程を含む、燃料電池システムの停止方法。 A fuel cell stack including an anode and a cathode; a first introduction line for introducing anode gas into the anode; a first outlet line for extracting anode gas from the anode; and a second introduction line for introducing cathode gas into the cathode. An introduction line; a second lead-out line that leads out cathode gas from the cathode; an anode-side water tank that is disposed in the first introduction line and stores water; and the anode-side water tank in the first introduction line A first control valve that is arranged upstream and adjusts the introduction amount of the anode gas; a second control valve that is arranged in the first lead-out line and adjusts the lead-out amount of the anode gas; and A third control valve that adjusts the amount of cathode gas introduced, and a fourth control valve that adjusts the amount of cathode gas delivered to the second derivation line. A method of stopping a fuel cell system comprising,
A method for stopping a fuel cell system, comprising: closing the first control valve, the second control valve, the third control valve, and the fourth control valve to raise the water level of the anode water tank.
前記第1調節弁、前記第2調節弁、前記第3調節弁および前記第4調節弁を閉鎖し、前記アノード側水タンクの水位を上昇させる工程を含む、燃料電池システムの停止方法。 A fuel cell stack including an anode and a cathode; a first introduction line for introducing anode gas into the anode; a first outlet line for extracting anode gas from the anode; and a second introduction line for introducing cathode gas into the cathode. An introduction line; a second lead-out line for deriving cathode gas from the cathode; an anode-side water tank that is disposed in the first lead-out line and stores water; A first control valve that adjusts the amount of gas introduced, a second control valve that is arranged downstream of the anode-side water tank in the first lead-out line, and that adjusts the amount of lead-out of the anode gas; and the second lead-in line A third control valve that adjusts the amount of cathode gas introduced, and a fourth control valve that adjusts the amount of cathode gas delivered to the second derivation line. A method of stopping a fuel cell system comprising,
A method for stopping a fuel cell system, comprising: closing the first control valve, the second control valve, the third control valve, and the fourth control valve to raise the water level of the anode water tank.
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