JP2013243158A - 燃料電池システムおよび運転方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解質1と、一対の電極4aおよび4c、一対のセパレータ7aおよび7cからなる燃料電池5と、燃料電池システムの停止時に酸化剤ガス流路の遮断弁57、58を閉じ、酸化剤ガスの流入および排出を停止した後、燃料ガス流路の遮断弁49、51を閉じるため、電極の電位は低く保たれるので、酸化および溶解による劣化を抑制し、燃料電池システムの耐久性を向上させるものである。
【選択図】図1
Description
スケット10はMEA5とセパレータ7aまたは7cの封止をおこない、セパレータガスケット11はセパレータ7aと7cを封止する。
ードにリークする水素を用い、カソード電極の性能を向上させていた(特許文献5参照)。
生し、流れだしてしまう問題がある。
電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給及び排出し他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給及び排出するためのガス流路を有する一対のセパレータとを具備している燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に備えられている遮断弁と、
原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、
燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、
燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、
燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
ガスや電力回路部などを制御する制御部と、
を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池の停止時に、酸化剤ガス流路の前記遮断弁を閉じ、酸化剤ガスの流入および排出を停止した後、燃料ガス流路の前記遮断弁を閉じる、
燃料電池の運転方法とすることにより、酸化剤ガスの流入と流出が無い状態で、かつ燃料ガスの流入がある状態が存在することとなる。このときは、燃料ガス中の水素が電解質を介して拡散しても、燃料ガスは流入があるため水素は補充されるが、酸化剤ガスは封入されているため酸素等の量は減少するのである。よって、本発明の燃料電池の運転方法とすることにより、酸化剤ガス側の電極の電位を確実に下げることができるので劣化を抑制することができ、長期間高性能が維持できるのである。
電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給及び排出し他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給及び排出するためのガス流路を有する一対のセパレータとを具備している燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に備えられている遮断弁と、
原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、
燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、
燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、
燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
ガスや電力回路部などを制御する制御部と、
を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池の停止時に、酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の前記遮断弁を閉じガスの流入および排出を停止した後、前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路の一方または両方に、一定時間毎に不活性ガスを注入する、
燃料電池システムの運転方法とすることにより、電極の電位を素早く下げることにより触媒作用を有する電極の溶解を防ぎ、劣化を抑制できるだけでなく、簡単な構成で停止中のスタックを含む封入経路の圧力変化を減少させることができるので、電解質等に大きな応力が掛かることを防ぐことができるので破損等を防止でき、長期間高性能が維持できるのである。
電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給及び排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給及び排出するためのガス流路を有する一対のセパレータとを具備している燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に備えられている遮断弁と、
原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、
燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、
燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、
燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
燃料電池の温度を検出する温度検出部と、
ガスや電力回路部などを制御する制御部と、
を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池の停止時に、前記遮断弁で酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の前記遮断弁を閉じガスの流入および排出を停止した後、前記温度検出部からスタックの温度が一定温度以上変化すると前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路の一方または両方に、不活性ガス注入する、
燃料電池システムの運転方法とすることにより、電極の電位を素早く下げることにより触媒作用を有する電極の溶解を防ぎ、劣化を抑制できるだけでなく、温度低下によって生じる結露による封入ガスの体積減少を一定以下とすることができるので、電解質等に大きな応力が掛かることを防ぐことができ、長期間高性能が維持できるのである。
電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給及び排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給及び排出するためのガス流路を有する一対のセパレータとを具備している燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に備えられている遮断弁と、
原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、
燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、
燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、
燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
燃料電池の酸化剤ガス経路と燃料ガス経路の圧力を検出する圧力検出部と、
ガスや電力回路部などを制御する制御部と、
を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池の停止時に、酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の前記遮断弁を閉じガスの流入および排出を停止した後、前記圧力検出部からスタックのガス流路の圧力が一定圧力以上変化すると前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路の一方または両方に、不活性ガスを
注入する、
燃料電池システムの運転方法とすることにより、電極の電位を素早く下げることにより触媒作用を有する電極の溶解を防ぎ、劣化を抑制できるだけでなく、圧力検出部で検出される圧力変化に基づいて不活性ガスを注入するため、電解質等に掛かる応力をより少なくすることができるので、長期間高性能が維持できるのである。
電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給及び排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給及び排出するためのガス流路を有する一対のセパレータとを具備している燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に備えられている遮断弁と、
前記遮断弁により封入される経路内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給弁と、
原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、
燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、
燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、
燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
ガスや電力回路部などを制御する制御部と、
を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池の停止時に、酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の前記遮断弁を閉じガスの流入および排出を停止した後、前記不活性ガス供給弁を開き、一定圧力の不活性ガスを常に供給する、
燃料電池システムの運転方法とすることにより、電極の電位を素早く下げることにより触媒作用を有する電極の溶解を防ぎ、劣化を抑制できるだけでなく、常に封入経路には一定の圧力が掛かっているため、反応等により燃料ガスまたは酸化剤ガスの体積が変化しても、電解質等に掛かる圧力は一定であるので、応力変化による破損等をより少なくすることができるので、長期間高性能が維持できるのである。
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの中でも高分子電解質型燃料電池の基本構成を示している。燃料電池は、少なくとも水素を含む燃料ガスと空気などの酸素を含む酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。電解質1は水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用させる。電解質1の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層2を密着して配置してある。この触媒反応層2aと2cで(化1)と(化2)に示す反応が発生する。少なくとも水素を含む燃料ガスは(化1)に示す反応(以降、アノード反応と称する)し、電解質1を介して移動した水素イオンは、酸化剤ガスと触媒反応層2で(化2)に示す反応(以降、カソード反応と称する)により、水を生成し、このとき電気と熱を生ずる。水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図ではaを付け表し、空気などの酸化剤ガスの関与する側をカソードと呼び、図ではcを付け表した。さらに触媒反応層2aと2cの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層3aと3cをそれぞれこれに密着して配置する。この拡散層3aと触媒反応層2
aにより電極4aを、拡散層3cと触媒反応層2cにより電極4cを構成する。
酸化剤ガスの排出経路のガスの流れを遮断する。
ラヒドロチオフィン)等のガス付臭剤の除去を行う部材を用いている。付臭剤などの硫黄化合物は燃料電池の触媒に吸着し、触媒毒となり反応を阻害するためである。燃料生成器35では(化9)に示す反応等により、水素と二酸化炭素が生成される。同時に発生する一酸化炭素は、(化10)に示されるようなシフト化反応と(化11)に示されるような一酸化炭素選択酸化反応により、10ppm以下となるように除去される。
となるよう設定させておくと、酸化剤ガスはブロワー39により加湿器41を通った後、スタック38に流れ込む。酸化剤ガスの排ガスは排気管42により外部に排出される。加湿器41として、温水に酸化剤ガスを流すものや、酸化剤ガス中に水を吹き込むもの等が使用できるが、本実施の形態では平膜式の全熱交換型を使用した。これは、排ガス中の水と熱が加湿器41を通過する際に、吸気管40から運ばれ原料となる酸化剤ガス中に移動させるものである。
電極の活性は復元させる。これにより、燃料電池を高性能に維持することができるのである。
実施の形態2の運転方法のフローチャートを図5を用い説明する。基本的な構成や動作は実施の形態1と同じである。(運転工程)と(停止行程1)は実施の形態1と同じである。
要素を設定することにより、発電を行うことができるのである。
実施の形態3の運転方法のフローチャートを図6を用い説明する。基本的な構成や動作は実施の形態1と同じである。(運転工程)は実施の形態1と同じである。
実施の形態4の運転方法のフローチャートを図7を用い説明する。基本的な構成や動作は実施の形態3と同じである。(運転工程)は実施の形態3と同じである。
の向上という効果を有し、高分子電解質膜を用いた発電装置、デバイスに有用である。
2a 触媒反応層(アノード側)
2c 触媒反応層(カソード側)
3a 拡散層(アノード側)
3c 拡散層(カソード側)
4a 電極(アノード側)
4c 電極(カソード側)
7a セパレータ(アノード側)
7c セパレータ(カソード側)
32 ガス清浄部
35 燃料生成器
43 電力回路部
44 制御部
52 電圧測定部
49、51、57、58 遮断弁
59、60 圧力測定部
66、67 温度検出部
Claims (6)
- 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給及び排出し他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給及び排出するためのガス流路を有する一対のセパレータとを具備している燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に備えられている遮断弁と、
原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、
燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、
燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、
燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
ガスや電力回路部などを制御する制御部と、
を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池の停止時に、酸化剤ガス流路の前記遮断弁を閉じ、酸化剤ガスの流入および排出を停止した後、燃料ガス流路の前記遮断弁を閉じる、
燃料電池システムの運転方法。 - 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給及び排出し他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給及び排出するためのガス流路を有する一対のセパレータとを具備している燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に備えられている遮断弁と、
原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、
燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、
燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、
燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
ガスや電力回路部などを制御する制御部と、
を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池の停止時に、酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の前記遮断弁を閉じガスの流入および排出を停止した後、前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路の一方または両方に、一定時間毎に不活性ガスを注入する、
燃料電池システムの運転方法。 - 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給及び排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給及び排出するためのガス流路を有する一対のセパレータとを具備している燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に備えられている遮断弁と、
原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、
燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、
燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、
燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
燃料電池の温度を検出する温度検出部と、
ガスや電力回路部などを制御する制御部と、
を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池の停止時に、前記遮断弁で酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の前記遮断弁を閉じガスの流入および排出を停止した後、前記温度検出部からスタックの温度が一定温度以上変化すると前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路の一方または両方に、不活性ガス注入する、
燃料電池システムの運転方法。 - 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給及び排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給及び排出するためのガ
ス流路を有する一対のセパレータとを具備している燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に備えられている遮断弁と、
原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、
燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、
燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、
燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
燃料電池の酸化剤ガス経路と燃料ガス経路の圧力を検出する圧力検出部と、
ガスや電力回路部などを制御する制御部と、
を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池の停止時に、酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の前記遮断弁を閉じガスの流入および排出を停止した後、前記圧力検出部からスタックのガス流路の圧力が一定圧力以上変化すると前記酸化剤ガス流路と前記燃料ガス流路の一方または両方に、不活性ガスを注入する、
燃料電池システムの運転方法。 - 電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給及び排出し、他方に酸素を含有する酸化剤ガスを供給及び排出するためのガス流路を有する一対のセパレータとを具備している燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路および排出経路に備えられている遮断弁と、
前記遮断弁により封入される経路内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給弁と、
原料ガスから燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器と、
燃料電池に悪影響を与える成分を原料ガスから除去するガス清浄部と、
燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、
燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
ガスや電力回路部などを制御する制御部と、
を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池の停止時に、酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の前記遮断弁を閉じガスの流入および排出を停止した後、前記不活性ガス供給弁を開き、一定圧力の不活性ガスを常に供給する、
燃料電池システムの運転方法。 - 燃料電池に対して不活性なガスとして、燃料電池に悪影響を与える成分ガス清浄部で除去した原料ガスを用いる、
請求項1から5のいずれか1項に記載の燃料電池システムまたは燃料電池システムの運転方法。
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