JP2013101962A - Fuel cell and operational method thereof - Google Patents
Fuel cell and operational method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013101962A JP2013101962A JP2013008832A JP2013008832A JP2013101962A JP 2013101962 A JP2013101962 A JP 2013101962A JP 2013008832 A JP2013008832 A JP 2013008832A JP 2013008832 A JP2013008832 A JP 2013008832A JP 2013101962 A JP2013101962 A JP 2013101962A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- fuel cell
- hydrogen
- oxygen
- oxidant
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、燃料電池およびその運転方法に関し、特に閉鎖型燃料電池の停止方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell and a method for operating the same, and more particularly to a method for stopping a closed fuel cell.
一般に、定置用の燃料電池では、燃料系統を安全に除去するため、窒素等の不活性ガスを用いてパージして停止している。このパージ中には、未反応の燃料が含まれた燃料排ガスが系外に排出されるため、安全に排気できるベントラインが設けられている。
これに対して、宇宙機器や潜水艇といった狭窄な特殊環境では、燃料電池反応に使用された排ガスを外部へと放出できないため、排ガスを外部へと放出せずに循環利用する閉鎖型燃料電池が用いられる（特許文献１及び特許文献２参照）。
In general, stationary fuel cells are purged and stopped using an inert gas such as nitrogen in order to safely remove the fuel system. During this purging, since a fuel exhaust gas containing unreacted fuel is discharged out of the system, a vent line that can be safely exhausted is provided.
In contrast, in confined special environments such as space equipment and submersibles, the exhaust gas used in the fuel cell reaction cannot be released to the outside, so a closed type fuel cell that circulates and uses the exhaust gas without releasing it to the outside. Used (see Patent Document 1 and Patent Document 2).
このような閉鎖型燃料電池では、未反応の燃料が含まれた燃料排ガスを大気へと放出することができないため、燃料電池を停止した場合に系内に残存する燃料排ガスの処理が問題となる。 In such a closed type fuel cell, the fuel exhaust gas containing unreacted fuel cannot be released to the atmosphere. Therefore, when the fuel cell is stopped, the treatment of the fuel exhaust gas remaining in the system becomes a problem. .
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、閉鎖型燃料電池の停止動作時に系内に残存する燃料排ガスを処理することができる燃料電池およびその運転方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a fuel cell capable of treating fuel exhaust gas remaining in the system during a stop operation of a closed fuel cell, and an operating method thereof. Objective.
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池およびその運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる燃料電池は、燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池であって、前記停止動作の開始時に、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間および前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間を閉空間とし、前記停止動作時に、前記燃料空間内の燃料残存量と、前記酸化剤空間内の酸化剤残存量との比が当量比となるように、前記燃料および／または前記酸化剤が前記燃料空間および／または前記酸化剤空間に供給されることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the fuel cell and the operation method thereof of the present invention employ the following means.
That is, the fuel cell according to the present invention includes a fuel cell main body that generates power by using the fuel and the oxidant, and without stopping the fuel and the oxidant to the outside when stopping the power generation of the fuel cell main body. A fuel cell having a stop operation for stopping, wherein at the start of the stop operation, the fuel cell communicates with the fuel cell main body and the fuel can exist, and communicates with the fuel cell main body and the oxidant is present. The oxidant space that can be used is a closed space, and at the time of the stop operation, the fuel and / or the fuel and / or so that the ratio of the remaining amount of fuel in the fuel space and the remaining amount of oxidant in the oxidant space becomes an equivalent ratio. Alternatively, the oxidant is supplied to the fuel space and / or the oxidant space.
停止動作の開始時に、燃料空間および酸化剤空間を閉空間とし、停止動作時に、前記燃料空間内の燃料残存量と、前記酸化剤空間内の酸化剤残存量との比を、燃料と酸化剤との反応における当量比となるように、前記燃料および/または前記酸化剤を前記燃料空間および/または前記酸化剤空間に供給することとしたので、自己放電または外部負荷によって燃料空間中に存在する燃料と酸化剤空間中に存在する酸化剤とが反応し、当量比に従って燃料および酸化剤が消費されることになり、最終的には燃料および酸化剤がほぼ完全に消費されることになる。 At the start of the stop operation, the fuel space and the oxidant space are closed, and at the time of the stop operation, the ratio between the remaining amount of fuel in the fuel space and the remaining amount of oxidant in the oxidant space is determined as follows. Since the fuel and / or the oxidant is supplied to the fuel space and / or the oxidant space so as to have an equivalent ratio in the reaction with NO, it exists in the fuel space by self-discharge or an external load. The fuel and the oxidant present in the oxidant space react to consume the fuel and the oxidant according to the equivalence ratio, and eventually the fuel and the oxidant are almost completely consumed.
さらに、本発明の一態様における燃料電池によれば、前記燃料空間および前記酸化剤空間の圧力を所定値に維持するように、不活性ガスを前記燃料空間および前記酸化剤空間に供給することを特徴とする。 Furthermore, according to the fuel cell in one aspect of the present invention, the inert gas is supplied to the fuel space and the oxidant space so that the pressures of the fuel space and the oxidant space are maintained at predetermined values. Features.
停止動作時に不活性ガスを供給することによって、燃料空間および酸化剤空間の圧力を所定値に維持することとしたので、停止動作後は系内が置換された不活性ガスによって保圧されることになり、健全性が確保される。
なお、不活性ガスは発電運転時の圧力に維持されることが好ましい。このようにすれば、発電運転時と同じ圧力差の設計にてシール材を選定できるからである。
By supplying the inert gas during the stop operation, the pressure in the fuel space and the oxidant space is maintained at a predetermined value, so that after the stop operation, the system is maintained with the replaced inert gas. And soundness is ensured.
The inert gas is preferably maintained at the pressure during the power generation operation. This is because the sealing material can be selected with the same pressure difference design as in the power generation operation.
さらに、本発明の他の態様における燃料電池によれば、前記停止動作の開始時に、前記燃料空間または前記酸化剤空間を閉空間とし、前記当量比に照らして少ない方の前記燃料または前記酸化剤のみを供給することを特徴とする。 Furthermore, according to the fuel cell of another aspect of the present invention, at the start of the stop operation, the fuel space or the oxidant space is a closed space, and the smaller one of the fuel or the oxidant in light of the equivalent ratio It is characterized by supplying only.
停止動作の開始時に燃料空間または酸化剤空間を閉空間とし、当量比に照らして少ない方の燃料または酸化剤のみを供給することにより、これら空間内に存在する燃料と酸化剤の反応によって圧力が低下し、最終的には燃料および酸化剤の蒸気圧まで反応が進行する。これにより、燃料空間および酸化剤空間には飽和蒸気圧とされた燃料および酸化剤ならびに不可避的に存在するガスが負圧にて維持されることになる。本発明によれば、パージのため又は保圧のための不活性ガスを保有する必要がなくなり、簡便な構成が実現される。 By closing the fuel space or oxidant space at the start of the stop operation and supplying only the smaller fuel or oxidant in view of the equivalence ratio, the pressure is increased by the reaction of the fuel and oxidant existing in these spaces The reaction proceeds to the vapor pressure of the fuel and oxidant. As a result, the fuel and oxidant and the unavoidably existing gas at the saturated vapor pressure are maintained in the fuel space and the oxidant space at a negative pressure. According to the present invention, it is not necessary to hold an inert gas for purging or holding pressure, and a simple configuration is realized.
さらに、本発明の他の態様における燃料電池によれば、前記停止動作の開始時に、前記燃料空間内および前記酸化剤空間内に所定圧力の不活性ガスが予め供給されていることを特徴とする。 Furthermore, according to the fuel cell of another aspect of the present invention, an inert gas having a predetermined pressure is supplied in advance into the fuel space and the oxidant space at the start of the stop operation. .
停止動作の開始時に燃料空間内および酸化剤空間内に所定圧力の不活性ガスが予め供給されているので、燃料および酸化剤が反応して消費された後には、燃料空間および酸化剤空間に所定圧力の不活性ガスが残されることになる。これにより、停止動作後は系内が不活性ガスによって保圧されることになり、健全性が確保される。
なお、不活性ガスの供給圧力としては、大気圧以上とされていることが好ましい。これにより、保圧されている系統のリークを容易に検知することができ、保全の際に好適である。
Since an inert gas having a predetermined pressure is supplied in advance to the fuel space and the oxidant space at the start of the stop operation, after the fuel and the oxidant are reacted and consumed, the fuel space and the oxidant space are predetermined. An inert gas of pressure will be left behind. Thereby, after the stop operation, the inside of the system is held with an inert gas, and soundness is ensured.
The supply pressure of the inert gas is preferably set to atmospheric pressure or higher. Thereby, the leak of the system | strain currently hold | maintained can be detected easily, and it is suitable in the case of maintenance.
さらに、上記の本発明の燃料電池によれば、前記不活性ガスは、発電運転を開始する際の起動時に、前記所定圧力にて供給されることを特徴とする。 Furthermore, according to the fuel cell of the present invention described above, the inert gas is supplied at the predetermined pressure at the time of starting when the power generation operation is started.
起動時から所定圧力の不活性ガスが供給されるので、起動時、発電運転時、停止時にわたってほぼ同一圧力条件にて運転することができ、安定した運転を実現することができる。 Since an inert gas having a predetermined pressure is supplied from the time of start-up, it can be operated under substantially the same pressure condition during start-up, power generation operation, and stop, and stable operation can be realized.
また、本発明の燃料電池の運転方法は、燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池の運転方法であって、前記停止動作の開始時に、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間および前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間を閉空間とし、前記停止動作時に、前記燃料空間内の燃料残存量と、前記酸化剤空間内の酸化剤残存量との比が当量比となるように、前記燃料および／または前記酸化剤が前記燃料空間および／または前記酸化剤空間に供給することを特徴とする。 Further, the fuel cell operating method of the present invention includes a fuel cell main body that generates power with fuel and an oxidant, and discharges the fuel and the oxidant to the outside when the power generation of the fuel cell main body is stopped. A fuel cell operating method having a stop operation that stops without stopping, wherein at the start of the stop operation, the fuel cell body communicates with the fuel space in which the fuel can exist and the fuel cell body communicates with The oxidant space in which the oxidant can exist is a closed space, and the ratio of the remaining amount of fuel in the fuel space and the remaining amount of oxidant in the oxidant space becomes an equivalent ratio during the stop operation. The fuel and / or the oxidant is supplied to the fuel space and / or the oxidant space.
停止動作の開始時に、燃料空間および酸化剤空間を閉空間とし、停止動作時に、前記燃料空間内の燃料残存量と、前記酸化剤空間内の酸化剤残存量との比を、燃料と酸化剤との反応における当量比となるように、前記燃料および／または前記酸化剤を前記燃料空間および／または前記酸化剤空間に供給することとしたので、自己放電または外部負荷によって燃料空間中に存在する燃料と酸化剤空間中に存在する酸化剤とが反応し、当量比に従って燃料および酸化剤が消費されることになり、最終的には燃料および酸化剤がほぼ完全に消費されることになる。 At the start of the stop operation, the fuel space and the oxidant space are closed, and at the time of the stop operation, the ratio between the remaining amount of fuel in the fuel space and the remaining amount of oxidant in the oxidant space is determined as follows. Since the fuel and / or the oxidant is supplied to the fuel space and / or the oxidant space so as to have an equivalent ratio in the reaction with the gas, it exists in the fuel space by self-discharge or an external load. The fuel and the oxidant present in the oxidant space react to consume the fuel and the oxidant according to the equivalence ratio, and eventually the fuel and the oxidant are almost completely consumed.
なお、燃料及び酸化剤がほぼ完全に消費される本発明の運転方法を用いつつ、最終段階にて不活性ガスを少量流し、パージ用不活性ガス量を低減する方法としてもよい。 It is also possible to use a method of reducing the amount of inert gas for purging by flowing a small amount of inert gas at the final stage while using the operation method of the present invention in which fuel and oxidant are almost completely consumed.
本発明の燃料電池およびその運転方法によれば、燃料電池の停止動作時に系内に残存する燃料排ガスを外部へパージすることなく処理することができる。したがって、特に閉鎖型燃料電池に有効である。 According to the fuel cell and the operating method of the present invention, the fuel exhaust gas remaining in the system during the stop operation of the fuel cell can be processed without purging outside. Therefore, it is particularly effective for a closed fuel cell.
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の概略が示されている。燃料電池としては、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が好適であるが、その形式は問わない。燃料電池は、宇宙機器や潜水的に用いられて好適な閉鎖型燃料電池となっている。すなわち、燃料電池スタックから排出されるオフガス及びオフガスから分離されるドレン水は燃料電池の外部へと放出されず、燃料電池のシステム内部で貯蔵されるようになっている。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 schematically shows a fuel cell according to an embodiment of the present invention. As the fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is suitable, but the type is not limited. The fuel cell is a closed fuel cell suitable for use in space equipment and diving. That is, the off gas discharged from the fuel cell stack and the drain water separated from the off gas are not discharged to the outside of the fuel cell, but are stored inside the fuel cell system.
燃料電池スタック（燃料電池本体）１には、水素ボンベ２から水素（燃料）が供給され、かつ、酸素ボンベ４から酸素（酸化剤）が供給されるようになっている。
水素ボンベ２と燃料電池スタック１との間には、水素加湿器６が設けられている。この水素加湿器６によって、水素は加湿された後に燃料電池スタック１へと導かれる。水素ボンベ２と水素加湿器６との間の配管には、水素ボンベ２側から順に、開閉弁８、圧力調節器９及び流量調整弁１０が設けられている。これら開閉弁８、圧力調節器９及び流量調整弁１０は、図示しない制御部によってその動作が制御されるようになっている。
水素加湿器６と燃料電池スタック１との間の配管には、水素圧力計１２が設けられている。この水素圧力計１２によって、燃料電池スタック１内の水素圧力が計測される。水素圧力計１２の出力は、図示しない制御部へと送信される。
The fuel cell stack (fuel cell main body) 1 is supplied with hydrogen (fuel) from a
A
A
酸素ボンベ４と燃料電池スタック１との間には、酸素加湿器１６が設けられている。この酸素加湿器１６によって、酸素は加湿された後に燃料電池スタック１へと導かれる。酸素ボンベ４と酸素加湿器１６との間の配管には、酸素ボンベ４側から順に、開閉弁１８、圧力調節器１９及び流量調整弁２０が設けられている。これら開閉弁１８、圧力調節器１９及び流量調整弁２０は、図示しない制御部によってその動作が制御されるようになっている。
酸素加湿器１６と燃料電池スタック１との間の配管には、酸素圧力計２２が設けられている。この酸素圧力計２２によって、燃料電池スタック１内の酸素圧力が計測される。酸素圧力計２２の出力は、図示しない制御部へと送信される。
An
An
燃料電池スタック１では、供給された水素と酸素によって電気化学反応による発電が行われ、発電電力は、図示しない外部負荷にて取り出されるようになっている。 In the fuel cell stack 1, power is generated by an electrochemical reaction using the supplied hydrogen and oxygen, and the generated power is taken out by an external load (not shown).
燃料電池スタック１から排出された水素ガス及び水蒸気を含む水素排ガス（オフガス）は、水素排ガス用気液分離器２５へと導かれる。この水素排ガス用気液分離器２５にて、水素排ガス中の水分が凝縮されドレン水として下方に貯留される。
水素排ガス用気液分離器２５には、水素排気弁２９が接続されている。この水素排気弁２９は、水素が流れる系内に残存する不活性ガスや不純物を取り除く際に使用するものであり、起動時、定常運転時、停止動作時といった通常運転時には閉とされている。したがって、システム構成によっては水素排気弁２９を廃止することができる。
水素排ガス用気液分離器２５と水素加湿器６との間には、水素循環配管３３が接続されている。この水素循環配管３３の中途位置には、水素循環ブロワ３５が設けられている。この水素循環ブロワ３５によって、水素排ガス用気液分離器２５中の気相部から水素ガスが取り出され、水素加湿器６へと導かれる。これにより、燃料電池スタック１にて未反応として排出された水素ガスを再び反応させるように循環させ、閉鎖型経路を構成している。
Hydrogen exhaust gas (off-gas) containing hydrogen gas and water vapor discharged from the fuel cell stack 1 is guided to the hydrogen exhaust gas-
A
A
燃料電池スタック１から排出された酸素及び水蒸気を含む酸素排ガス（オフガス）は、酸素排ガス用気液分離器２７へと導かれる。この酸素排ガス用気液分離器２７にて、酸素排ガス中の水分が凝縮されドレン水として下方に貯留される。
酸素排ガス用気液分離器２７には、酸素排気弁３１が接続されている。この酸素排気弁３１は、酸素が流れる系内に残存する不活性ガスや不純物を取り除く際に使用するものであり、起動時、定常運転時、停止動作時といった通常運転には閉とされている。したがって、システム構成によっては酸素排気弁３１を廃止することができる。
酸素排ガス用気液分離器２７と酸素加湿器１６との間には、酸素循環配管３７が接続されている。この酸素循環配管３７の中途位置には、酸素循環ブロワ３９が設けられている。この酸素循環ブロワ３９によって、酸素排ガス用気液分離器２７中の気相部から酸素ガスが取り出され、酸素加湿器１６へと導かれる。これにより、燃料電池スタック１にて未反応として排出された酸素ガスを再び反応させるように循環させ、閉鎖型経路を構成している。
Oxygen exhaust gas (off-gas) containing oxygen and water vapor discharged from the fuel cell stack 1 is guided to the oxygen exhaust gas-
An
An
燃料電池スタック１には、反応熱を除去して発電に適した所定温度を維持するために冷却水が供給されるようになっている。具体的には、循環冷却水タンク４２から循環冷却水ポンプ４４によって冷却水が燃料電池スタック１へと供給されるようになっている。燃料電池スタック１を冷却した後の冷却水は、冷却器４６にて冷却された後に、循環冷却水タンク４２に再び戻される。
Cooling water is supplied to the fuel cell stack 1 in order to remove reaction heat and maintain a predetermined temperature suitable for power generation. Specifically, cooling water is supplied from the circulating
窒素ボンベ４８から、水素加湿器６及び酸素加湿器１６の上流側へ、窒素ガスが供給されるようになっている。窒素ボンベ４８から流出される窒素ガスは、開閉弁５０を通り、分岐点５２にて水素加湿器６側および酸素加湿器１６側の２方向に分岐される。分岐点５２から分岐されたそれぞれの流路には、圧力調節器５４ａ，５４ｂ及び流量調整弁５６ａ，５６ｂが設けられている。開閉弁５０，圧力調節器５４ａ，５４ｂ及び流量調整弁５６ａ，５６ｂは、図示しない制御部によって制御されるようになっている。
Nitrogen gas is supplied from the
燃料電池スタック１に連通しかつ水素が存在し得る系内（以下「水素系統」という。）の容積を以下「水素系統容積」という。また、燃料電池スタック１に連通しかつ酸素が存在し得る系内（以下「酸素系統」という。）の容積を以下「酸素系統容積」という。
水素と酸素の電気化学反応における当量比は、水素２モルに対して酸素１モルが反応するので、２：１とされている。
水素系統容積は、水素ボンベ２下流側の開閉弁８から水素加湿器６までの配管容積、水素加湿器６の気相部の容積、水素加湿器６から燃料電池スタック１までの配管容積、燃料電池スタック１内の水素が流通する流路容積、燃料電池スタック１から水素排ガス用気液分離器２５までの配管容積、水素排ガス用気液分離器２５の気相部の容積、水素排ガス気液分離器２５から水素加湿器６までの水素循環配管３３の容積の合計に相当する。なお、弁の種類によっては、水素ボンベ２下流側の開閉弁８から水素加湿器６までの配管容積は、圧力調節器５４ａもしくは、流量調整弁５６ａから水素加湿器６までの容積となることがある。
酸素系統容積は、酸素ボンベ４下流側の開閉弁１８から酸素加湿器１６までの配管容積、酸素加湿器１６の気相部の容積、酸素加湿器１６から燃料電池スタック１までの配管容積、燃料電池スタック１内の酸素が流通する流路容積、燃料電池スタック１から酸素排ガス用気液分離器２７までの配管容積、酸素排ガス用気液分離器２７の気相部の容積、酸素排ガス気液分離器２７から酸素加湿器１６までの酸素循環配管３７の容積の合計に相当する。なお、弁の種類によっては、酸素ボンベ４下流側の開閉弁１８から酸素加湿器１６までの配管容積は、圧力調節器５４ｂもしくは、流量調整弁５６ｂから酸素加湿器１６までの容積となることがある。
本実施形態では、水素系統の水素残存量と、酸素系統の酸素残存量を演算する演算手段が制御部に設けられている。この演算手段は、停止動作開始時に、水素および酸素の供給流量、水素系統容積、酸素系統容積、圧力、温度等から水素および酸素の残存量を所定の時間間隔で演算する。
The volume in the system (hereinafter referred to as “hydrogen system”) that communicates with the fuel cell stack 1 and in which hydrogen can exist is hereinafter referred to as “hydrogen system volume”. The volume in the system (hereinafter referred to as “oxygen system”) that communicates with the fuel cell stack 1 and in which oxygen can exist is hereinafter referred to as “oxygen system volume”.
The equivalent ratio in the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is 2: 1 because 1 mol of oxygen reacts with 2 mol of hydrogen.
The hydrogen system volume is the pipe volume from the on-off
The oxygen system volume is the pipe volume from the on-off
In the present embodiment, the control unit is provided with calculation means for calculating the hydrogen residual amount of the hydrogen system and the oxygen residual amount of the oxygen system. This calculating means calculates the remaining amount of hydrogen and oxygen at predetermined time intervals from the supply flow rate of hydrogen and oxygen, the hydrogen system volume, the oxygen system volume, pressure, temperature, and the like at the start of the stop operation.
次に、上記構成の燃料電池の動作について説明する。
発電運転時には、水素ボンベ２に接続された開閉弁８を開くとともに、圧力調節器９及び流量調整弁１０を制御することによって所定の圧力および流量で水素を燃料電池スタック１に供給する。酸素についても同様に、酸素ボンベ４に接続された開閉弁１８を開くとともに、圧力調節器１９及び流量調整弁２０を制御することによって所定の圧力および流量で燃料電池スタック１に供給する。窒素については、開閉弁５０を閉めておき、燃料電池スタック１へは供給しない。
燃料電池スタック１に供給された水素および酸素は、図示しない固体高分子電解膜を通して電気化学反応を行い、図示しない外部負荷へと電力を出力する。反応時に発生する反応熱は、循環冷却水タンク４２から循環冷却水ポンプ４４によって供給された冷却水により除去される。これにより、燃料電池スタック１内の温度が反応に適した所定温度に維持される。
燃料電池スタック１内で反応を行った水素ガスは、反応時に発生する水蒸気と共に水素排ガスとして水素排ガス用気液分離器２５へと導かれる。水素排ガス用気液分離器２５では、水素排ガス中の水蒸気が凝縮されドレン水として下方に貯留される。水素排ガス用気液分離器２５にて水分が除去された水素排ガスは、水素循環ブロワ３５により誘引されることによって水素循環配管３３を通り水素加湿器６へと導かれ、再利用される。なお、水素排ガス用気液分離器２５に接続された水素排気弁２９は、発電運転中では常時閉とされている。
一方、燃料電池スタック１内で反応を行った酸素ガスは、反応時に発生する水蒸気と共に酸素排ガスとして酸素排ガス用気液分離器２７へと導かれる。酸素排ガス用気液分離器２７では、酸素排ガス中の水蒸気が凝縮されドレン水として下方に貯留される。酸素排ガス用気液分離器２７にて水分が除去された酸素排ガスは、酸素循環ブロワ３９により誘引されることによって酸素循環配管３７を通り酸素加湿器１６へと導かれ、再利用される。なお、酸素排ガス用気液分離器２７に接続された酸素排気弁３１は、発電運転中では常時閉とされている。
発電運転時、圧力については、水素圧力計１２および酸素圧力計２２の出力値をフィードバックすることによって、制御部が流量調整弁１０，２０を制御することで所望値に維持される。系統の圧力を維持するため、圧力が低下した場合には流量を増加させ、逆に圧力が増加した場合には流量を低下させる制御を行う。温度については、水素系統容積を構成する配管と、当該配管に対応する酸素系統を構成する配管とを同一の環境に配置する（例えば対応する配管同士を隣接して設置する。）ことによって所望値に維持される。
Next, the operation of the fuel cell having the above configuration will be described.
During the power generation operation, the on-off
Hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell stack 1 perform an electrochemical reaction through a solid polymer electrolyte membrane (not shown) and output electric power to an external load (not shown). The reaction heat generated during the reaction is removed by the cooling water supplied from the circulating
The hydrogen gas that has reacted in the fuel cell stack 1 is guided to the hydrogen exhaust gas-
On the other hand, the oxygen gas that has reacted in the fuel cell stack 1 is guided to the gas /
During power generation operation, the pressure is maintained at a desired value by controlling the flow
発電を停止させる停止動作は以下のように行われる。
図示しない停止指令が制御部に入力されると、停止動作が開始され、制御部は、現在における水素系統の水素残存量と酸素系統の酸素残存量を水素系統容積、酸素系統容積、圧力、温度等から演算し、当量比に対していずれの量が少ないかを判断する。例えば、現在の水素残存量と酸素残存量との比が１：１の場合には、当量比に対して水素が少ないと判断し、現在の水素残存量と酸素残存量との比が３：１の場合には、当量比に対して酸素が少ないと判断する。そして、当量比に対して残存量が少ないと判断された方の開閉弁８，１８、もしくは圧力調節器９，１９、もしくは流量調整弁１０，２０は閉じずに、当量比に対して存在量が多いと判断された開閉弁１８，８、もしくは圧力調節器１９，９、もしくは流量調整弁２０，１０のみを閉じる動作を行う。
The stop operation for stopping power generation is performed as follows.
When a stop command (not shown) is input to the control unit, the stop operation is started, and the control unit calculates the hydrogen remaining amount of the hydrogen system and the oxygen remaining amount of the oxygen system at present, the hydrogen system volume, oxygen system volume, pressure, temperature. From the above, it is determined which amount is smaller than the equivalent ratio. For example, when the ratio of the current hydrogen residual amount to the oxygen residual amount is 1: 1, it is determined that there is less hydrogen than the equivalent ratio, and the ratio of the current hydrogen residual amount to the oxygen residual amount is 3: In the case of 1, it is judged that there is little oxygen with respect to an equivalent ratio. Then, the on-off
以下では、説明の容易のために、停止動作開始時の水素残存量と酸素残存量との比が１：１の場合、すなわち水素の残存量が当量比に対して酸素よりも少ない場合について説明する。
この場合には、図２に示すように、当量比に対して水素が少ないので、水素側の開閉弁８は開けたままで水素を流し続ける（時刻Ｔ０）。一方、酸素は当量比に対して水素よりも多いので、酸素側の開閉弁１８を閉じ、酸素の供給を停止する。そして、窒素ボンベ４８に接続された開閉弁５０を開き、酸素系統へと窒素ガスを供給する。酸素系統へ供給する窒素ガスの量は、酸素の消費量に対応させて停止動作開始時の圧力を維持するように、圧力調節器５４ｂ及び流量調整弁５６ｂを制御する。一方、水素側の圧力調節器５４ａ及び流量調整弁５６ａは閉じられ水素系統へは窒素ガスが供給されない。
燃料電池スタック１の自己放電等によって水素および酸素が当量比に従って消費されていく。制御部では、停止動作開始時の酸素残存量から導かれる当量比に対して足りない水素量を演算しておき、それに見合う水素量が供給されるまで、水素側の開閉弁８を開いたままで、圧力調節器９及び流量調整弁１０の制御を行う。酸素に対して足りない量の水素が供給されると、制御部の指示によって開閉弁８が閉とされる（図２の時刻Ｔ１参照）。時刻Ｔ１以降、水素は燃料電池スタック１へ供給されない。これと同時に、窒素ガスを水素系統へと供給するための圧力調節器５４ａ及び流量調整弁５６ａが開き、窒素ガスの供給が開始される。この窒素ガスの供給量は、水素圧力計からの圧力をフィードバックしながら所定圧力を維持するように行われる。
以降の動作は、水素および酸素の消費にともない窒素ガスを供給する。そして、最終的には、水素系統および酸素系統が窒素ガスで置換される。
In the following, for ease of explanation, the case where the ratio of the remaining hydrogen amount to the remaining oxygen amount at the start of the stop operation is 1: 1, that is, the case where the remaining hydrogen amount is less than oxygen with respect to the equivalent ratio will be described. To do.
In this case, as shown in FIG. 2, since there is little hydrogen with respect to the equivalent ratio, hydrogen continues to flow with the on-off
Hydrogen and oxygen are consumed according to the equivalence ratio by the self-discharge of the fuel cell stack 1 or the like. The control unit calculates a hydrogen amount that is insufficient with respect to the equivalent ratio derived from the oxygen remaining amount at the start of the stop operation, and keeps the hydrogen-side on-off
In the subsequent operation, nitrogen gas is supplied as hydrogen and oxygen are consumed. Finally, the hydrogen system and the oxygen system are replaced with nitrogen gas.
本発明の燃料電池およびその運転方法によれば、燃料電池の停止動作時に系内に残存する燃料排ガスを外部へパージすることなく処理することができる。したがって、特に閉鎖型燃料電池に有効である。また、停止動作時に当量比にて水素および酸素を残存させておく必要がなく、停止動作時に残存量を調整しながら停止させることができるので、柔軟性に富む運用を行うことができるという有利点がある。
また、本実施形態では、自己放電によって水素および酸素を消費することとしたが、これに代えて、外部負荷を制御することによって残存する水素および酸素を消費することとしてもよい。このようにすれば、短時間で水素および酸素を消費することができ、停止動作を短縮化することができる。
According to the fuel cell and the operating method of the present invention, the fuel exhaust gas remaining in the system during the stop operation of the fuel cell can be processed without purging outside. Therefore, it is particularly effective for a closed fuel cell. In addition, there is no need to leave hydrogen and oxygen at an equivalence ratio during the stop operation, and it is possible to stop while adjusting the remaining amount during the stop operation, so that it is possible to perform a highly flexible operation. There is.
Further, in this embodiment, hydrogen and oxygen are consumed by self-discharge, but instead of this, remaining hydrogen and oxygen may be consumed by controlling an external load. In this way, hydrogen and oxygen can be consumed in a short time, and the stopping operation can be shortened.
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図１を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態と同様に、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量が当量比とされていない場合の停止方法に関するものである。しかし、発電開始前に加圧状態で窒素ガス（不活性ガス）を張り込ませておくという点（いわゆる加圧不活性ガス張り込み）で異なる。
その他の構成については第１実施形態と同様なので、各構成の説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As in the first embodiment, the present embodiment relates to a stopping method when the remaining hydrogen amount and the remaining oxygen amount are not set to the equivalent ratio at the start of the stopping operation. However, it is different in that nitrogen gas (inert gas) is put in a pressurized state before the start of power generation (so-called pressurized inert gas filling).
Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description of each configuration is omitted.
本実施形態では、燃料電池の起動時に、正圧の窒素ガスを水素系統および酸素系統に供給しておき、さらに水素および酸素を供給することによって起動を開始する。例えば、１５０ｋＰａの窒素ガスを水素系統および酸素系統に供給した後に、４００ｋＰａの水素および酸素を供給する。この場合には、水素濃度および酸素濃度は６０％強程度となる。この状態にて、発電運転を行う。 In the present embodiment, when the fuel cell is started, positive pressure nitrogen gas is supplied to the hydrogen system and the oxygen system, and the start is further started by supplying hydrogen and oxygen. For example, after supplying 150 kPa of nitrogen gas to the hydrogen system and the oxygen system, 400 kPa of hydrogen and oxygen are supplied. In this case, the hydrogen concentration and oxygen concentration are about 60%. In this state, power generation operation is performed.
本実施形態における停止動作は、第１実施形態と同様に、酸素および水素の残存量を得て、当量比に対して少ない方のガスを供給しつつける一方で、他方のガスの供給を停止する。そして、停止動作終了後には、水素および酸素が消費されて、水素系統および酸素系統が起動時に供給しておいた１５０ｋＰａの窒素ガスで加圧保持された状態となる。
このように、本実施形態によれば、発電前に不活性ガスである窒素を存在させておくことによって、停止動作終了後に、新たに窒素を供給することなく水素系統および酸素系統が窒素だけになり、更に加圧状態とされているので、系統のリークも容易に検知することができ、簡便に保全を行うことができる。また、停止動作時に残存量を調整しながら停止させることができるので、柔軟性に富む運用を行うことができる。
As in the first embodiment, the stop operation in the present embodiment obtains the remaining amounts of oxygen and hydrogen and continues to supply the smaller gas with respect to the equivalent ratio while stopping the supply of the other gas. To do. After the stop operation is completed, hydrogen and oxygen are consumed, and the hydrogen system and the oxygen system are kept pressurized with the 150 kPa nitrogen gas supplied at startup.
As described above, according to the present embodiment, by allowing nitrogen, which is an inert gas, to exist before power generation, the hydrogen system and the oxygen system can be changed to nitrogen without supplying new nitrogen after the stop operation. Furthermore, since it is in a pressurized state, a leak in the system can be easily detected, and maintenance can be easily performed. Moreover, since it can be stopped while adjusting the remaining amount during the stop operation, a flexible operation can be performed.
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図３を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態と同様に、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量が当量比とされていない場合の停止方法に関するものである。しかし、停止動作終了後に飽和蒸気圧程度で系内を保持する点（いわゆる蒸気圧停止）で異なる。
図３には、本実施形態にかかる燃料電池の概略構成が示されている。図３は、第１実施形態にて示した図１に対して、窒素ボンベ４８から窒素が供給される系統が廃止されている点で異なる、その他の構成については同様である。したがって、共通する構成について同一符号を付し、その説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As in the first embodiment, the present embodiment relates to a stopping method when the remaining hydrogen amount and the remaining oxygen amount are not set to the equivalent ratio at the start of the stopping operation. However, it differs in that the system is maintained at about the saturated vapor pressure after the stop operation is completed (so-called vapor pressure stop).
FIG. 3 shows a schematic configuration of the fuel cell according to the present embodiment. FIG. 3 is the same as FIG. 1 shown in the first embodiment, except that the system to which nitrogen is supplied from the
本実施形態における停止動作は、水素および酸素が消費されても上記各実施形態のように窒素ガスを供給することなく、水素および酸素の反応によって圧力を低下させ、最終的には飽和蒸気圧程度まで減圧して、大気圧よりも低い圧力である負圧状態にて停止するものである。
図示しない停止指令が制御部に入力されると、停止動作が開始され、第１実施形態と同様に、酸素および水素の残存量を得て、当量比に対して少ない方のガスを供給しつつける一方で、他方のガスの供給を停止する。ただし、本実施形態では、窒素ガスを供給しない。そして、停止動作終了後には、水素および酸素が消費されて、水素系統および酸素系統が水素および酸素の飽和蒸気圧程度の状態とされる。なお、系内には不可避的な不純物ガスが含まれている場合もあり、その場合には、水素および酸素の飽和蒸気圧以上の圧力で停止する。
このように、本実施形態によれば、第１実施形態および第２実施形態のように、窒素ボンベや窒素ガス供給ラインを設ける必要がないので、簡便な構成を実現することができる。また、停止動作時に残存量を調整しながら停止させることができるので、柔軟性に富む運用を行うことができるという有利点がある。
The stop operation in the present embodiment reduces the pressure by the reaction of hydrogen and oxygen without supplying nitrogen gas as in the above embodiments, even if hydrogen and oxygen are consumed. The pressure is reduced to a level that is lower than the atmospheric pressure and stopped in a negative pressure state.
When a stop command (not shown) is input to the control unit, the stop operation is started, and as in the first embodiment, the remaining amounts of oxygen and hydrogen are obtained, and the smaller gas is supplied with respect to the equivalent ratio. On the other hand, the supply of the other gas is stopped. However, in this embodiment, nitrogen gas is not supplied. After the stop operation is completed, hydrogen and oxygen are consumed, and the hydrogen system and the oxygen system are brought to a state of about the saturated vapor pressure of hydrogen and oxygen. In addition, inevitable impurity gas may be contained in the system, and in that case, the system is stopped at a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure of hydrogen and oxygen.
Thus, according to this embodiment, unlike the first embodiment and the second embodiment, it is not necessary to provide a nitrogen cylinder or a nitrogen gas supply line, so that a simple configuration can be realized. In addition, since the remaining amount can be stopped during the stop operation, there is an advantage that a highly flexible operation can be performed.
１ 燃料電池スタック（燃料電池本体）
２ 水素ボンベ
４ 酸素ボンベ
６ 水素加湿器
２５ 水素排ガス用気液分離器
２７ 酸素排ガス用気液分離器
３３ 水素循環配管
３５ 水素循環ブロワ
３７ 酸素循環配管
３９ 酸素循環ブロワ
４８ 窒素ボンベ
1 Fuel cell stack (fuel cell body)
2
Claims (6)
該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池であって、
前記停止動作の開始時に、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間および前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間を閉空間とし、
前記停止動作時に、前記燃料空間内の燃料残存量と、前記酸化剤空間内の酸化剤残存量との比が当量比となるように、前記燃料および／または前記酸化剤が前記燃料空間および／または前記酸化剤空間に供給されることを特徴とする燃料電池。 Comprising a fuel cell body that generates electricity with fuel and oxidant;
A fuel cell comprising a stop operation for stopping the fuel cell body without stopping the fuel and the oxidant when the power generation of the fuel cell body is stopped,
At the start of the stop operation, a fuel space that communicates with the fuel cell body and in which the fuel can exist and an oxidant space that communicates with the fuel cell body and in which the oxidant can exist are defined as a closed space,
During the stop operation, the fuel and / or the oxidant is in the fuel space and / or so that the ratio of the remaining amount of fuel in the fuel space to the remaining amount of oxidant in the oxidant space becomes an equivalence ratio. Alternatively, the fuel cell is supplied to the oxidant space.
該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池の運転方法であって、
前記停止動作の開始時に、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間および前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間を閉空間とし、
前記停止動作時に、前記燃料空間内の燃料残存量と、前記酸化剤空間内の酸化剤残存量との比が当量比となるように、前記燃料および／または前記酸化剤を前記燃料空間および／または前記酸化剤空間に供給することを特徴とする燃料電池の運転方法。
Comprising a fuel cell body that generates electricity with fuel and oxidant;
A method of operating a fuel cell comprising a stop operation for stopping the fuel cell main body without stopping the fuel and the oxidant when the power generation is stopped.
At the start of the stop operation, a fuel space that communicates with the fuel cell body and in which the fuel can exist and an oxidant space that communicates with the fuel cell body and in which the oxidant can exist are defined as a closed space,
During the stop operation, the fuel and / or the oxidant is added to the fuel space and / or so that the ratio of the remaining amount of fuel in the fuel space to the remaining amount of oxidant in the oxidant space becomes an equivalence ratio. Alternatively, the fuel cell operating method is characterized in that the fuel cell is supplied to the oxidant space.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013008832A JP2013101962A (en) | 2013-01-21 | 2013-01-21 | Fuel cell and operational method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013008832A JP2013101962A (en) | 2013-01-21 | 2013-01-21 | Fuel cell and operational method thereof |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008051051A Division JP5236966B2 (en) | 2008-02-29 | 2008-02-29 | Fuel cell and operation method thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2013101962A true JP2013101962A (en) | 2013-05-23 |
Family
ID=48622350
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013008832A Pending JP2013101962A (en) | 2013-01-21 | 2013-01-21 | Fuel cell and operational method thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2013101962A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101490747B1 (en) | 2013-06-14 | 2015-02-06 | 주식회사휴비스 | A performance test apparatus for fuelcell |
| KR20180005238A (en) * | 2015-05-28 | 2018-01-15 | 티쎈크로프 마리네 지스템스 게엠베하 | Recirculation fuel cell |
| JP2022501771A (en) * | 2018-09-18 | 2022-01-06 | 上海恒勁動力科技有限公司 | Fuel cell system and its method of purging and draining at shutdown and startup |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005222707A (en) * | 2004-02-03 | 2005-08-18 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell system and operation method |
| JP2005268086A (en) * | 2004-03-19 | 2005-09-29 | Hitachi Ltd | Solid polymer type fuel cell system |
-
2013
- 2013-01-21 JP JP2013008832A patent/JP2013101962A/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005222707A (en) * | 2004-02-03 | 2005-08-18 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell system and operation method |
| JP2005268086A (en) * | 2004-03-19 | 2005-09-29 | Hitachi Ltd | Solid polymer type fuel cell system |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101490747B1 (en) | 2013-06-14 | 2015-02-06 | 주식회사휴비스 | A performance test apparatus for fuelcell |
| KR20180005238A (en) * | 2015-05-28 | 2018-01-15 | 티쎈크로프 마리네 지스템스 게엠베하 | Recirculation fuel cell |
| JP2018520465A (en) * | 2015-05-28 | 2018-07-26 | ティッセンクルップ マリーン システムズ ゲーエムベーハー | Recirculating fuel cell |
| KR102010688B1 (en) | 2015-05-28 | 2019-08-13 | 티쎈크로프 마리네 지스템스 게엠베하 | Recirculation fuel cell |
| US10637081B2 (en) | 2015-05-28 | 2020-04-28 | Thyssenkrupp Marine Systems Gmbh | Recirculation fuel cell |
| JP2022501771A (en) * | 2018-09-18 | 2022-01-06 | 上海恒勁動力科技有限公司 | Fuel cell system and its method of purging and draining at shutdown and startup |
| JP7132662B2 (en) | 2018-09-18 | 2022-09-07 | 上海恒勁動力科技有限公司 | Fuel cell system and method of purging and draining during shutdown and start-up |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5236966B2 (en) | Fuel cell and operation method thereof | |
| JP5233064B2 (en) | Fuel cell system | |
| US20120077102A1 (en) | Method of shutting down fuel cell system | |
| JP2008108668A (en) | Fuel cell system | |
| JP2008269812A (en) | Fuel cell system | |
| JP2007273276A (en) | Fuel cell power generation system and its operation method | |
| JP5229528B2 (en) | Fuel cell system | |
| EP3336945B1 (en) | Fuel cell system | |
| JP5711010B2 (en) | Method for stopping operation of fuel cell system | |
| JP5164014B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
| JP2017010927A (en) | Shutdown method of fuel cell stack and fuel cell system therefor | |
| JP5502553B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2013101962A (en) | Fuel cell and operational method thereof | |
| JP2005302555A (en) | Control unit of fuel cell | |
| JP2019207869A (en) | Fuel cell system | |
| JP2007141744A (en) | Fuel cell system | |
| JP4872231B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2008004564A (en) | Power generation shutdown method of fuel cell system | |
| JP2007280801A (en) | Fuel cell system and offgas purging method | |
| JP2009021025A (en) | Fuel cell system and mobile unit | |
| JP2005197156A (en) | Fuel cell system | |
| US20080292928A1 (en) | Method for purging pem-type fuel cells | |
| JPH11154528A (en) | Fuel cell | |
| JP2006286482A (en) | Fuel cell system | |
| JP2019114345A (en) | Fuel cell system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140122 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140128 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140331 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20140527 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140826 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20140903 |