JP2019169443A - Fuel cell system and operation method thereof - Google Patents
Fuel cell system and operation method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019169443A JP2019169443A JP2018058395A JP2018058395A JP2019169443A JP 2019169443 A JP2019169443 A JP 2019169443A JP 2018058395 A JP2018058395 A JP 2018058395A JP 2018058395 A JP2018058395 A JP 2018058395A JP 2019169443 A JP2019169443 A JP 2019169443A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel gas
- anode
- fuel
- fuel cell
- nitrogen
- 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.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 155
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 23
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 401
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims abstract description 213
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 208
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 200
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 71
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims abstract description 71
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 70
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims abstract description 33
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 12
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 25
- 239000012528 membrane Substances 0.000 abstract description 25
- 238000007865 diluting Methods 0.000 abstract description 17
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 abstract 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000011017 operating method Methods 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical group [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
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
本発明はアノードから排出された水素含有ガスをアノードに戻す流路を備えた燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system including a flow path for returning a hydrogen-containing gas discharged from an anode to the anode, and an operation method thereof.
従来、この種燃料電池システム及びその運転方法は、燃料電池システムの発電中、燃料電池スタックのカソードから電解質膜を介してアノードに窒素が透過し、アノードから排出された水素含有ガスをアノードに戻す流路を流れるガスの窒素濃度が増加することで発電性能が低下する。このため、燃料電池システムでは、アノードから排出された水素含有ガスをアノードに戻す流路を流れるガスの窒素濃度を算出して所定濃度以上になると窒素を外部に排出している(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in this type of fuel cell system and its operation method, during power generation of the fuel cell system, nitrogen permeates from the cathode of the fuel cell stack to the anode through the electrolyte membrane, and the hydrogen-containing gas discharged from the anode is returned to the anode. The power generation performance decreases due to an increase in the nitrogen concentration of the gas flowing through the flow path. For this reason, in the fuel cell system, the nitrogen concentration of the gas flowing through the flow path for returning the hydrogen-containing gas discharged from the anode to the anode is calculated, and when the concentration exceeds a predetermined concentration, the nitrogen is discharged to the outside (for example, patent document) 1).
しかしながら、前記従来の構成では、発電中にアノードの窒素濃度が所定値に減少するまでアノードから排出された水素含有ガスをアノードに戻す流路内のガス排出を継続するため、アノードから排出された水素含有ガスをアノードに戻す流路中の高濃度の水素を排出することとなる。そのため水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器が必要となり、燃料電池システムが大型になるという課題を有していた。 However, in the conventional configuration, since the hydrogen-containing gas discharged from the anode is continuously returned to the anode until the nitrogen concentration of the anode is reduced to a predetermined value during power generation, the gas is discharged from the anode. High-concentration hydrogen in the flow path for returning the hydrogen-containing gas to the anode will be discharged. For this reason, a diluter for diluting hydrogen to below the flammable range is required, and there is a problem that the fuel cell system becomes large.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、発電中にアノードの窒素分圧を調整することで、アノードの窒素を燃料電池スタックの電解質膜を介してカソードへ排出し、アノードの窒素濃度を所定値まで低減させる。これによって、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行い、小型化した燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problem, and adjusts the nitrogen partial pressure of the anode during power generation, thereby discharging the nitrogen of the anode to the cathode through the electrolyte membrane of the fuel cell stack, and the nitrogen concentration of the anode Is reduced to a predetermined value. Accordingly, an object of the present invention is to provide a miniaturized fuel cell system that performs power generation without providing a diluter for diluting hydrogen to below the combustible range.
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、アノードから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、カソードと酸化剤ガス供給部を接続する酸化剤ガス供給経路と、カソードから未反応酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックが発電中の全期間中または所定期間、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整するとしたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, and a fuel gas supply that supplies fuel gas to an anode of the fuel cell stack. A fuel gas pressure adjusting unit for adjusting the pressure of the fuel gas supplied to the anode, an unreacted fuel gas circulation passage for joining the unreacted fuel gas discharged from the anode to the fuel gas supply route, and a fuel cell An oxidant gas supply section for supplying an oxidant gas to the cathode of the stack, an oxidant gas supply path for connecting the cathode and the oxidant gas supply section, and an oxidant gas discharge path for discharging unreacted oxidant gas from the cathode; A control unit, wherein the control unit oxidizes the partial pressure of nitrogen in the fuel gas flowing through the anode during the entire period or a predetermined period during which the fuel cell stack is generating power. Is obtained by the adjusting the fuel gas pressure adjusting portion to be higher than the partial pressure of nitrogen gas.
これによって、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うこととなる。 As a result, nitrogen contained in the fuel gas flowing through the anode is permeated to the cathode through the electrolyte membrane of the fuel cell stack, and power generation is performed without providing a diluter for diluting hydrogen to below the flammable range. It becomes.
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、アノードから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路および酸化剤ガス供給手段と、カソードから排出された排出酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、を備え、燃料電池スタックが発電中の全期間中または所定期間、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整する工程を含むものである。 The fuel cell system operating method of the present invention includes a fuel cell stack for generating power using fuel gas and an oxidant gas, a fuel gas supply path for supplying fuel gas to the anode of the fuel cell stack, and an anode. A fuel gas pressure adjusting unit that adjusts the pressure of the supplied fuel gas, an unreacted fuel gas circulation passage that joins the unreacted fuel gas discharged from the anode to the fuel gas supply path, and an oxidation on the cathode of the fuel cell stack An oxidant gas supply path for supplying the oxidant gas, an oxidant gas supply means, and an oxidant gas discharge path for discharging the oxidant gas discharged from the cathode, and the fuel cell stack is in the entire power generation period Alternatively, the fuel gas pressure adjustment unit is adjusted so that the nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode is higher than the nitrogen partial pressure in the oxidant gas flowing through the cathode for a predetermined period. It is intended to include the step of.
これによって、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うこととなる。 As a result, nitrogen contained in the fuel gas flowing through the anode is permeated to the cathode through the electrolyte membrane of the fuel cell stack, and power generation is performed without providing a diluter for diluting hydrogen to below the flammable range. It becomes.
本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、発電中の燃料電池スタックのアノードの窒素分圧を調整することによって、アノードの窒素をスタックの電解質膜を透過させてカソードへ排出することができる。これによって、アノードの窒素濃度を所定値まで低減させることができるため、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行い、小型化した燃料電池システムが実現できる。 In the fuel cell system and the operation method thereof according to the present invention, by adjusting the nitrogen partial pressure of the anode of the fuel cell stack during power generation, the nitrogen of the anode can pass through the electrolyte membrane of the stack and be discharged to the cathode. Thereby, since the nitrogen concentration of the anode can be reduced to a predetermined value, it is possible to realize a miniaturized fuel cell system by generating power without providing a diluter for diluting hydrogen below the flammable range.
また燃料である水素を燃料電池システム外へ排出することがなくなるため、より安全性の高い燃料電池システムを実現することができる。 Further, since hydrogen as a fuel is not discharged out of the fuel cell system, a fuel cell system with higher safety can be realized.
第1の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、アノードから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、カソードと酸化剤ガス供給部を接続する酸化剤ガス供給経路と、カソードから未反応酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックが発電中の全期間中または所定期間、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整することにより、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。 A first invention includes a fuel cell stack that generates power using fuel gas and an oxidant gas, a fuel gas supply path that supplies fuel gas to the anode of the fuel cell stack, and the pressure of the fuel gas supplied to the anode A fuel gas pressure adjusting unit that adjusts the unreacted fuel gas, a non-reacted fuel gas circulation path that joins the unreacted fuel gas discharged from the anode to the fuel gas supply path, and an oxidant that supplies the oxidant gas to the cathode of the fuel cell stack A gas supply unit, an oxidant gas supply path for connecting the cathode and the oxidant gas supply unit, an oxidant gas discharge path for discharging unreacted oxidant gas from the cathode, and a control unit. Fuel gas so that the partial pressure of nitrogen in the fuel gas flowing through the anode is higher than the partial pressure of nitrogen in the oxidant gas flowing through the cathode during the entire period when the fuel cell stack is generating electricity or for a predetermined period. By adjusting the force adjusting unit, nitrogen contained in the fuel gas flowing through the anode is transmitted to the cathode through the electrolyte membrane of the fuel cell stack, and a diluter is provided for diluting hydrogen to below the flammable range. It is possible to generate electricity without any problems.
第2の発明は、特に、第1の発明の燃料電池システムを、燃料ガス供給経路に圧力検出手段を備え、制御部は、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整することにより、アノードを流れる燃料ガス中の圧力を所定の圧力に正しく制御できることでアノードを流れる燃料ガスの窒素濃度を精度よく調整できる。このように、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。 The second invention is particularly the fuel cell system according to the first invention, wherein the fuel gas supply path is provided with pressure detection means, and the control unit is an oxidant gas in which the nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode flows through the cathode By adjusting the fuel gas pressure adjustment unit so that it is higher than the nitrogen partial pressure inside, the pressure in the fuel gas flowing through the anode can be correctly controlled to a predetermined pressure, so that the nitrogen concentration of the fuel gas flowing through the anode can be accurately adjusted Can be adjusted. In this way, nitrogen contained in the fuel gas flowing through the anode is permeated to the cathode through the electrolyte membrane of the fuel cell stack, and power generation is performed without providing a diluter for diluting hydrogen to below the flammable range. be able to.
第3の発明は、特に、第1の発明の燃料電池システムを、制御部は、燃料電池スタックのセル電圧に基づいてアノードを流れる燃料ガス中の窒素濃度を推定し、該窒素濃度からアノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧を推定し、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整することにより、セル電圧に基づき、アノードを流れる燃料ガス中の圧力を所定の圧力に正しく制御できることでアノードを流れる燃料ガスの窒素濃度を精度よく調整できる。このように、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ正確に透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。 The third aspect of the invention is particularly the fuel cell system of the first aspect of the invention, wherein the control unit estimates the nitrogen concentration in the fuel gas flowing through the anode based on the cell voltage of the fuel cell stack, and determines the anode from the nitrogen concentration. By estimating the nitrogen partial pressure in the flowing fuel gas and adjusting the fuel gas pressure adjusting unit so that the nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode is higher than the nitrogen partial pressure in the oxidant gas flowing through the cathode The nitrogen concentration of the fuel gas flowing through the anode can be accurately adjusted because the pressure in the fuel gas flowing through the anode can be correctly controlled to a predetermined pressure based on the cell voltage. In this way, the nitrogen contained in the fuel gas flowing through the anode is accurately permeated to the cathode through the electrolyte membrane of the fuel cell stack, and power generation is performed without providing a diluter for diluting hydrogen below the flammable range. It can be performed.
第4の発明は、特に、第1の発明の燃料電池システムを、燃料ガス供給経路と未反応燃料ガス循環流路との合流部よりも下流側に設けられ、アノードに供給される燃料ガス中の窒素濃度を検知するアノード窒素濃度検知手段を備え、アノード窒素濃度検知手段が検知した窒素濃度からアノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧を推定し、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整することにより、実測した窒素濃度に基づき、アノードを流れる燃料ガス中の圧力を所定の圧力に正しく制御できることでアノードを流れる燃料ガスの窒素濃度を精度よく調整できる。このように、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ正確に透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。 In the fourth invention, in particular, the fuel cell system according to the first invention is provided in the downstream side of the joining portion of the fuel gas supply path and the unreacted fuel gas circulation flow path, and is supplied to the anode. The nitrogen concentration in the fuel gas flowing through the anode is estimated from the nitrogen concentration detected by the anode nitrogen concentration detecting means, and the nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode is By adjusting the fuel gas pressure adjustment unit so that it is higher than the nitrogen partial pressure in the oxidant gas flowing through the cathode, the pressure in the fuel gas flowing through the anode is correctly controlled to a predetermined pressure based on the measured nitrogen concentration This makes it possible to accurately adjust the nitrogen concentration of the fuel gas flowing through the anode. In this way, the nitrogen contained in the fuel gas flowing through the anode is accurately permeated to the cathode through the electrolyte membrane of the fuel cell stack, and power generation is performed without providing a diluter for diluting hydrogen below the flammable range. It can be performed.
第5の発明は、特に、第1の発明の燃料電池システムを、未反応燃料ガス循環流路に設けられ、未反応燃料ガス循環流路を流れる燃料ガス中の窒素濃度を検知するアノード窒素濃度検知手段を備え、アノードに供給される燃料ガスの未反応燃料ガス循環流路を流れる燃料ガスと、燃料ガス供給経路から供給される燃料ガスとの混合率と、アノード窒素濃度検知手段が検知した窒素濃度からアノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧とを推定し、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整することにより、推定した分圧に基づき、アノードを流れる燃料ガス中の圧力を所定の圧力に正しく制御できることでアノードを流れる燃料ガスの窒素濃度を精度よく調整できる。このように、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ正確に透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。 In particular, the fifth aspect of the invention provides the fuel cell system according to the first aspect of the present invention, which is provided in the unreacted fuel gas circulation passage and detects the nitrogen concentration in the fuel gas flowing through the unreacted fuel gas circulation passage. A detecting means is provided, and the anode nitrogen concentration detecting means detects the mixing ratio of the fuel gas flowing through the unreacted fuel gas circulation passage of the fuel gas supplied to the anode and the fuel gas supplied from the fuel gas supply path. Estimate the nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode from the nitrogen concentration, and adjust the fuel gas pressure so that the nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode is higher than the nitrogen partial pressure in the oxidant gas flowing through the cathode By adjusting the section, based on the estimated partial pressure, the pressure in the fuel gas flowing through the anode can be correctly controlled to a predetermined pressure, so that the nitrogen concentration of the fuel gas flowing through the anode can be accurately controlled. It can be an integer. In this way, the nitrogen contained in the fuel gas flowing through the anode is accurately permeated to the cathode through the electrolyte membrane of the fuel cell stack, and power generation is performed without providing a diluter for diluting hydrogen below the flammable range. It can be performed.
第6の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、アノードから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路および酸化剤ガス供給手段と、カソードから排出された排出酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池スタックが発電中の所定期間、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整する工程を含むことにより、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell stack that generates power using fuel gas and oxidant gas, a fuel gas supply path that supplies fuel gas to the anode of the fuel cell stack, and the pressure of the fuel gas supplied to the anode A fuel gas pressure adjusting unit that adjusts the unreacted fuel gas, a non-reacted fuel gas circulation path that joins the unreacted fuel gas discharged from the anode to the fuel gas supply path, and an oxidant that supplies the oxidant gas to the cathode of the fuel cell stack An operating method of a fuel cell system, comprising: a gas supply path and an oxidant gas supply means; and an oxidant gas discharge path for discharging exhaust oxidant gas discharged from the cathode, wherein the fuel cell stack is generating power A process for adjusting the fuel gas pressure adjusting unit so that the nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode is higher than the nitrogen partial pressure in the oxidant gas flowing through the cathode for a predetermined period. As a result, nitrogen contained in the fuel gas flowing through the anode is permeated to the cathode through the electrolyte membrane of the fuel cell stack, and power generation can be performed without providing a diluter for diluting hydrogen to below the flammable range. It can be carried out.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Note that the present invention is not limited to the present embodiment.
(実施の形態1)
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構成のブロック図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to
図1において、燃料電池システム100は、燃料電池スタック1と燃料ガス供給経路2と燃料ガス圧力調整部3と、未反応燃料ガス循環流路4と、混合ガス供給経路5と、エジェクタ6と、酸化剤ガス供給部7と、酸化剤ガス供給経路8と、酸化剤ガス排出経路9と、制御部10と、を備える。
In FIG. 1, a
燃料電池スタック1は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電するものである。燃料ガスは純水素ガス、酸化剤ガスは空気を用いる。燃料電池スタック1は純水素ガスが供給されるアノード1aと空気が供給されるカソード1bと生成したプロトンを移動させる電解質膜と、を備える。燃料電池スタック1は固体高分子型燃料電池を用いる。
The
燃料ガス供給経路2は、燃料電池システム100の外部から燃料電池システム100の内部へ純水素ガスを供給するための経路である。
The fuel
燃料ガス圧力調整部3は、燃料ガス供給経路2に接続し、燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整するものである。純水素ガスは、燃料ガス圧力調整部3の上流から供給されるものとする。
The fuel gas
未反応燃料ガス循環流路4は、アノード1aの下流から燃料ガス供給経路2に接続し、アノード1aから排出されるガスを燃料ガス供給経路2から供給する純水素ガスと混合するための経路である。
The unreacted fuel
混合ガス供給経路5は、燃料ガス供給経路2の下流に接続し、アノード1aの上流に接続し、燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスと未反応燃料ガス循環流路4を流れるガスとを混合したガスをアノード1aに供給するための経路である。混合ガス供給経路5を流れるガスを混合ガスと呼ぶ。また未反応燃料ガス循環流路4を流れるガスを未反応混合ガスと呼ぶ。燃料ガス圧力調整部3で燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整することで、混合ガス供給経路5を流れる混合ガスの圧力を調整することができ、これによりアノード1aを流れる混合ガスの圧力を調整することができる。
The mixed
エジェクタ6は、燃料ガス供給経路2と未反応燃料ガス循環流路4の合流部に接続し、純水素ガスと未反応混合ガスを混合するものである。
The
酸化剤ガス供給部7は、カソード1bに空気を供給するものである。
The oxidant
酸化剤ガス供給経路8は、酸化剤ガス供給部7と接続し、カソード1bに空気を供給するための経路である。
The oxidant
酸化剤ガス排出経路8はカソード1bから排出する空気を燃料電池システム100の外部へ排出する経路である。
The oxidant
制御部10は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部としては、CPUが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。
The
燃料電池スタック1は、アノード1a内のガス流路のガス拡散の性能などから、供給された混合ガスを全て発電に使用することが困難であり、アノード1aから発電に使われなかった未反応混合ガスが排出される。この排出された未反応混合ガスを捨ててしまうと、供給する純水素ガスを無駄にしてしまうため、燃料電池システム100の効率が低下してしまう。そこで制御部10は、エジェクタ6で、未反応燃料ガス循環流路4を流れる未反応混合ガスと燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスとを混合させて、アノード1aに供給する。
これにより純水素ガスの無駄をなくし、燃料電池システム100を高効率化することができる。
In the
As a result, waste of pure hydrogen gas can be eliminated and the
以上のように構成された燃料電池システム100について、以下その動作、作用を説明する。
About the
図2は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの運転方法のフローチャートを示すものである。この動作は、燃料電池システム100が発電中のときに制御部10の制御によって行う。
FIG. 2 shows a flowchart of the operation method of the fuel cell system according to
制御部10は酸化剤ガス供給部7で空気を供給し、燃料ガス圧力調整部3で燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整する(S101)。ここでは空気の圧力を111.3kPa、純水素ガスの圧力を111.3kPaにする場合を示す。空気の成分を酸素:窒素:その他ガス=21:78:1である。このとき、酸化剤ガス供給部7から供給する空気に含まれる窒素分圧は、86.8kPaである。また純水素ガスの成分を水素:窒素=100:0である。このとき、純水素ガスに含まれる窒素の分圧は0kPaである。カソード1bを流れる空気の窒素分圧のほうがアノード1aを流れる混合ガスの窒素分圧より大きいため、燃料電池スタック1の電解質膜を介してカソード1bを流れる空気に含まれる窒素がアノード1aへ透過する。そのため、アノード1aから排出する未反応混合ガスの窒素濃度が増加し、未反応燃料ガス循環流路4を通して燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスと混合することでアノード1aに供給する混合ガスの窒素濃度が増加してしまう。
The
次に制御部10は一定時間経過したか判定する(S102)。この一定時間とは、アノード1aを流れる混合ガスに含まれる窒素の濃度が上昇し、燃料電池システム100の発電量の低下や燃料電池スタック1の劣化が起こらないようにあらかじめ設定した時間である。ここでは30分の場合を示す。
Next, the
次に制御部10はアノード1aに流れる混合ガスの窒素分圧がカソード1bに流れる空気の窒素分圧より高くなるようにあらかじめ設定した操作量に燃料ガス圧力調整部3を制御することで燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整する(S103)。ここではアノード1aに流れる混合ガスの窒素濃度を20%まで下げる場合を示す。カソード1bを流れる空気の窒素分圧は86.8kPaであり、混合ガスの窒素濃度が20%での窒素分圧が86.8kPaとなる混合ガスの圧力は434kPaである。よって燃料ガス圧力調整部3で燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を434kPaにすると混合ガスの窒素濃度が20%を超える窒素を燃料電池スタック1の電解質膜を介してアノード1aを流れる混合ガスからカソード1bへ透過させることができる。
Next, the
次に制御部10は一定時間経過したか判定する(S104)。この一定時間とは、アノード1aを流れる混合ガスからカソード1bへ混合ガスに含まれる窒素を透過させて、混合ガスの窒素濃度が減少するまでのあらかじめ設定した時間である。ここでは10分の場合を示す。10分経過していれば、S101に戻る。
Next, the
各ステップは、各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに瞬時に移行するようにする。 Each step is shifted immediately after completion of each step without providing a waiting time.
以上のように、本実施の形態においては、アノード1aへ流れる混合ガスの窒素分圧をカソード1bへ流れる空気の窒素分圧より大きくすることにより、混合ガスに含まれる窒素を燃料電池スタック1の電解質膜を介してカソード1bへ流れる空気へ透過させることとなり、アノード1aへ流れる混合ガスの窒素濃度を減少させるために混合ガスを燃料電池システム100から外部へ排出する必要がなくなり、混合ガスの可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を不要にすることができる。
As described above, in the present embodiment, the nitrogen partial pressure of the mixed gas flowing to the
なお、アノード1aを流れる混合ガスの窒素分圧はカソード1bを流れる空気の窒素の分圧より大きくすれば、その分だけ窒素の透過を早くすることができる。
If the nitrogen partial pressure of the mixed gas flowing through the
また、ここでは所定期間のみ燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整しているが、発電中の全期間で行ってもよい。
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2における燃料電池システムの構成のブロック図である。なお、実施の形態1と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
Further, here, the pressure of the pure hydrogen gas flowing through the fuel
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a block diagram of the configuration of the fuel cell system according to
図3において、燃料電池システム200は、未反応燃料ガス昇圧部11と、圧力検出部12と、制御部13と、を備える。
In FIG. 3, the
未反応燃料ガス昇圧部11は、未反応燃料ガス循環流路4に接続し、未反応燃料ガス循環流路4を流れる未反応混合ガスの圧力を調整するものである。
The unreacted fuel gas
圧力検出部12は、混合ガス供給経路5に接続し、混合ガス供給経路5を流れる混合ガスの圧力を測定するものである。
The
制御部13は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部としては、CPUが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。
The
燃料電池スタック1は、アノード1a内のガス流路のガス拡散の性能などから、供給された混合ガスを全て発電に使用することが困難であり、アノード1aから発電に使われなかった未反応混合ガスが排出される。この排出された未反応混合ガスを捨ててしまうと、供給する純水素ガスを無駄にしてしまうため、燃料電池システム200の効率が低下してしまう。そこで制御部13は、未反応燃料ガス昇圧部11で未反応燃料ガス循環流路4を流れる未反応混合ガスを昇圧し、未反応混合ガスと燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスとを混合させて、アノード1aに供給する。
これにより純水素ガスの無駄をなくし、燃料電池システム200を高効率化することができる。
In the
Thereby, waste of pure hydrogen gas can be eliminated and the
以上のように構成された燃料電池システム200について、以下その動作、作用を説明する。
The operation and action of the
図4は、本発明の実施の形態2における燃料電池システムの運転方法のフローチャートを示すものである。この動作は、燃料電池システム200が発電中のときに制御部13の制御によって行う。
FIG. 4 shows a flowchart of the operation method of the fuel cell system according to
制御部13は、酸化剤ガス供給部7で空気を供給し、燃料ガス圧力調整部3で純水素ガスの圧力を調整し、未反応燃料ガス昇圧部11で未反応混合ガスの圧力を昇圧させる(S201)。ここでは空気の圧力を111.3kPa、純水素ガスの圧力を111.3kPa、未反応混合ガスの圧力を111.3kPaにする場合を示す。
The
次に制御部13は、一定時間経過したか判定する(S202)。この一定時間とは、アノード1aを流れる混合ガスに含まれる窒素の濃度が上昇し、燃料電池システム200の発電量の低下や燃料電池スタック1の劣化が起こらないようにあらかじめ設定した時間である。ここでは30分の場合を示す。
Next, the
次に制御部13は、圧力検出部12で混合ガスの圧力を測定する。アノード1aへ供給する混合ガスの窒素分圧がカソード1bに流れる空気の窒素分圧より高くなるようにする(S203)。ここでは、混合ガスの窒素濃度を30%以下にする場合を示す。カソード1bを流れる空気の窒素分圧は86.8kPaであり、混合ガスの窒素濃度が30%での窒素分圧が86.8kPaとなる混合ガスの圧力は289kPaである。よって燃料ガス圧力調整部3で燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を289kPaにし、未反応燃料ガス昇圧部11で未反応燃料ガス循環流路4を流れる未反応混合ガスの圧力を289kPaにすることで、混合ガスの窒素濃度が30%を超える窒素は燃料電池スタック1の電解質膜を介してアノード1aからカソード1bへ透過させることができる。
Next, the
次に制御部13は、一定時間経過したか判定する(S204)。この一定時間とは、アノード1aを流れる混合ガスに含まれる窒素をカソード1bへ透過させて、混合ガスの窒素濃度が減少するまでのあらかじめ設定した時間である。ここでは10分の場合を示す。10分経過していれば、S201に戻る。
Next, the
各ステップは、各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに瞬時に移行するようにする。 Each step is shifted immediately after completion of each step without providing a waiting time.
以上のように、本実施の形態においては、アノード1aへ流れる混合ガスの窒素分圧をカソード1bへ流れる空気の窒素分圧より大きくすることにより、あらかじめ設定した操作量に燃料ガス圧力調整部3を制御することで
燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整するのではなく、混合ガスの圧力を測定して、圧力を調整するため、混合ガスに含まれる窒素を燃料電池スタック1の電解質膜を介してカソード1bへ正確に透過させることとなる。これによりアノード1aへ流れる混合ガスの窒素濃度を減少させるために混合ガスを燃料電池システム200から外部へ排出する必要がなくなり、混合ガスの可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を不要にすることができる。
As described above, in the present embodiment, the fuel gas
なお、アノード1aを流れる混合ガスの窒素分圧はカソード1bを流れる空気の窒素の分圧より大きくすれば、その分だけ窒素の透過を早くすることができる。
If the nitrogen partial pressure of the mixed gas flowing through the
また、ここでは所定期間のみ燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整しているが、発電中の全期間で行ってもよい。
(実施の形態3)
図5は、本発明の実施の形態3における燃料電池システムの構成のブロック図である。なお、実施の形態1と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
Further, here, the pressure of the pure hydrogen gas flowing through the fuel
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a block diagram of the configuration of the fuel cell system according to
図5において、燃料電池システム300は制御部14を備える。
In FIG. 5, the
制御部14は、制御機能を有するもので、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部としては、CPUが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。また、燃料電池スタック1で発生した電圧をセル電圧と呼び、セル電圧を測定できるものである。
The
以上のように構成された燃料電池システム300について、以下その動作、作用を説明する。
The operation and action of the
図6は、本発明の実施の形態3における燃料電池システムの運転方法のフローチャートを示すものである。この動作は、燃料電池システム300が発電中のときに制御部14の制御によって行う。
FIG. 6 shows a flowchart of the operation method of the fuel cell system in
制御部14は、酸化剤ガス供給部7で空気を供給し、燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整する(S301)。ここでは空気の圧力を111.3kPa、純水素ガスの圧力を111.3kPaにする場合を示す。
The
次に制御部14は、燃料電池スタック1のセル電圧を測定する。アノード1aに供給する混合ガスの窒素濃度が増加すると、燃料電池スタック1のセル電圧が低下し、燃料電池スタック1の劣化が起こる。燃料電池システム400の発電量の低下や燃料電池スタック1の劣化が起こらないようにあらかじめ設定したセル電圧の下限値未満になっていないかを判定する(S302)。このセル電圧の下限値とは、発電中の通常時のセル電圧を0.7Vとし、その90%の0.63Vをセル電圧の下限値とする。
Next, the
次に制御部14は、アノード1aに流れる混合ガスの窒素分圧がカソード1bに流れる空気の窒素分圧より高くなるようにする(S303)。ここでは、混合ガスの窒素濃度が32%以下にする場合を示す。カソード1bを流れる空気の窒素分圧は86.8kPaであり、混合ガスの窒素濃度が32%での窒素分圧が86.8kPaとなる混合ガスの圧力は271kPaである。よって燃料ガス圧力調整部3で燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を271kPaにすると混合ガスの窒素濃度が32%を超える窒素は燃料電池スタック1の電解質膜を介してアノード1aからカソード1bへ透過させることができる。
Next, the
次に制御部14は、燃料電池スタック1のセル電圧を測定し、セル電圧が0.7Vより大きくなっているか判定する(S304)。セル電圧が0.7Vより大きくなっていればS301に戻る。
Next, the
各ステップは、各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに瞬時に移行するようにする。 Each step is shifted immediately after completion of each step without providing a waiting time.
以上のように、本実施の形態においては、アノード1aへ流れる混合ガスの窒素分圧をカソード1bへ流れる空気の窒素分圧より大きくすることにより、あらかじめ設定した操作量に燃料ガス圧力調整部3を制御することで燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整するのではなく、セル電圧を測定し、混合ガスの窒素濃度を推定することで、混合ガスに含まれる窒素を燃料電池スタック1の電解質膜を介してカソード1bへ正確に透過させることとなる。これにより、アノード1aへ流れる混合ガスの窒素濃度を減少させるために混合ガスを燃料電池システム300から外部へ排出する必要がなくなり、混合ガスの可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を不要にすることができる。
As described above, in the present embodiment, the fuel gas
なお、アノード1aを流れる混合ガスの窒素分圧はカソード1bを流れる空気の窒素の分圧より大きくすれば、その分だけ窒素の透過を早くすることができる。
If the nitrogen partial pressure of the mixed gas flowing through the
また、ここでは所定期間のみ燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整しているが、発電中の全期間で行ってもよい。
Further, here, the pressure of the pure hydrogen gas flowing through the fuel
なお、測定するセル電圧は燃料電池スタック1の全てのセルまたは一部のセルの電圧であってもよい。
(実施の形態4)
図7は、本発明の実施の形態4における燃料電池システムの構成のブロック図である。なお、実施の形態1と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
Note that the cell voltage to be measured may be the voltage of all or some of the cells of the
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a block diagram of the configuration of the fuel cell system according to
図7において、燃料電池システム400は、未反応燃料ガス昇圧部11と、窒素濃度検出部15と、制御部16と、を備える。
In FIG. 7, the
未反応燃料ガス昇圧部11は、未反応燃料ガス循環流路4に接続し、未反応燃料ガス循環流路4を流れる未反応混合ガスの圧力を調整するものである。
The unreacted fuel gas
窒素濃度検出部15は、混合ガス供給経路5に接続し、混合ガス供給経路5を流れる混合ガスの窒素濃度測定するものである。
The nitrogen
制御部16は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部としては、CPUが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。
The
以上のように構成された燃料電池システム400について、以下その動作、作用を説明する。
The operation and action of the
図8は、本発明の実施の形態4における燃料電池システムの運転方法のフローチャートを示すものである。この動作は、燃料電池システム400が発電中のときに制御部16の制御によって行う。
FIG. 8 shows a flowchart of the operation method of the fuel cell system according to
制御部16は、酸化剤ガス供給部7で空気を供給し、燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整し、未反応燃料ガス昇圧部11で未反応混合ガスの圧力を昇圧させる(S401)。ここでは空気の圧力を111.3kPa、純水素ガスの圧力を111.3kPa、未反応混合ガスの圧力を111.3kPaにする場合を示す。
The
次に制御部16は、窒素濃度検出部15で測定した窒素濃度から燃料電池システム500の発電量の低下や燃料電池スタック1の劣化が起こらないようにあらかじめ設定した窒素濃度以上になっていないかを判定する(S402)。ここでは、アノード1aを流れる混合ガスの窒素濃度50%を上限値とする。測定した窒素濃度が50%以上になっていれば、混合ガスの窒素分圧が空気の窒素分圧より高くなるようにする。ここでは、混合ガスの窒素濃度を33%以下にする場合を示す。カソード1bを流れる空気の窒素分圧は86.8kPaであり、混合ガスの窒素濃度が33%での窒素分圧が86.8kPaとなる混合ガスの圧力は263kPaである。よって燃料ガス圧力調整部3で燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を263kPaにし、未反応燃料ガス昇圧部11で未反応燃料ガス循環流路4を流れる未反応混合ガスの圧力を263kPaにすることで、混合ガスの窒素濃度が33%を超える窒素は燃料電池スタック1の電解質膜を介してアノード1aからカソード1bへ透過させることができる。
Next, the
次に制御部16は、燃料ガス圧力調整部3で純水素ガスの圧力を263kPaになるように制御する(S403)。
Next, the
次に制御部16は、窒素濃度検出部15で測定した窒素濃度が36%未満になっているか判定する(S404)。ここでは、判定する窒素濃度を調整したい混合ガスの窒素濃度の33%に対して+3%の幅を持たせている。窒素濃度が36%未満になっていればS401に戻る。
Next, the
各ステップは、各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに瞬時に移行するようにする。 Each step is shifted immediately after completion of each step without providing a waiting time.
以上のように、本実施の形態においては、アノード1aへ流れる混合ガスの窒素分圧をカソード1bへ流れる空気の窒素分圧より大きくすることにより、あらかじめ設定した操作量に燃料ガス圧力調整部3を制御することで燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整するのではなく、混合ガスの窒素濃度を測定することで、混合ガスに含まれる窒素を燃料電池スタック1の電解質膜を介してカソード1bへ正確に透過させることとなり、アノード1aへ流れる混合ガスの窒素濃度を減少させるために混合ガスを燃料電池システム400から外部へ排出する必要がなくなり、混合ガスの可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を不要にすることができる。
As described above, in the present embodiment, the fuel gas
なお、アノード1aを流れる混合ガスの窒素分圧はカソード1bを流れる空気の窒素の分圧より大きくすれば、その分だけ窒素の透過を早くすることができる。
If the nitrogen partial pressure of the mixed gas flowing through the
また、ここでは所定期間のみ燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整しているが、発電中の全期間で行ってもよい。
(実施の形態5)
図9は、本発明の実施の形態5における燃料電池システムの構成のブロック図である。なお、実施の形態1と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
Further, here, the pressure of the pure hydrogen gas flowing through the fuel
(Embodiment 5)
FIG. 9 is a block diagram of the configuration of the fuel cell system according to
図9において、燃料電池システム500は、窒素濃度検出部17と、制御部18と、を備える。
In FIG. 9, the
窒素濃度検出部17は、未反応燃料ガス循環流路4に接続し、未反応燃料ガス循環流路4を流れる未反応混合ガスの窒素濃度を測定するものである。
The nitrogen
制御部18は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部としては、CPUが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。
The
以上のように構成された燃料電池システム500について、以下その動作、作用を説明する。
The operation and action of the
図10は、本発明の実施の形態5における燃料電池システムの運転方法のフローチャートを示すものである。この動作は、燃料電池システム500が発電中のときに制御部18の制御によって行う。
FIG. 10 shows a flowchart of the operation method of the fuel cell system according to
制御部18は、酸化剤ガス供給部7で空気を供給し、燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整する(S501)。ここでは空気の圧力を111.3kPa、純水素ガスの圧力を111.3kPaにする場合を示す。
The
次に制御部18は、窒素濃度検出部17で測定した未反応混合ガスの窒素濃度から、燃料ガス供給経路2から供給される純水素ガスと未反応燃料ガス循環流路4に流れる未反応混合ガスと合流されたあとの混合ガスの窒素分圧を推定する(S502)。まず、発電量に相当する純水素ガスが燃料ガス供給経路2から供給され、未反応燃料ガス循環流路4には所定流量が流れるように設定されている。本実施の形態では、純水素ガス流量を40L/min、未反応混合ガス流量を60L/minとした。ここで、窒素濃度検出部17で測定した未反応混合ガスの窒素濃度が75%であるときは、混合ガスの窒素濃度は45%と推定され、窒素分圧は50.1kPaと推定とされる。
Next, the
次に制御部18は、S502で推定した窒素分圧が50.1kPa以上であるか判定する(S503)。
Next, the
次に制御部18は、アノード1aへ供給する混合ガスの窒素分圧がカソード1bへ供給する空気の窒素分圧より高くなるようにする(S504)。ここでは、混合ガスの窒素濃度を35%以下にする場合を示す。カソード1bを流れる空気の窒素分圧は86.8kPaであり、混合ガスの窒素濃度が35%での窒素分圧が86.8kPaとなる混合ガスの圧力は248kPaである。よって燃料ガス圧力調整部3で燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を248kPaにすると混合ガスの窒素濃度が35%を超える窒素は燃料電池スタック1の電解質膜を介してアノード1aからカソード1bへ透過させることができる。圧力検出部12で測定し、圧力が248kPaになるように、燃料ガス圧力調整部3でアノード1aを流れる純水素ガスの圧力を248kPaになるように制御する。
Next, the
次に制御部18は、窒素濃度検出部17で未反応混合ガスの窒素濃度を測定し、混合ガスの窒素濃度を推定する(S505)。
Next, the
次に制御部18は、S505で推定した窒素濃度が38%未満になっているか判定する(S506)。ここでは、判定する窒素濃度を調整したい混合ガスの窒素濃度の35%に対して+3%の幅を持たせている。窒素濃度が38%未満になっていればS501に戻る。
Next, the
各ステップは、各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに瞬時に移行するようにする。 Each step is shifted immediately after completion of each step without providing a waiting time.
以上のように、本実施の形態においては、アノード1aへ流れる混合ガスの窒素分圧をカソード1bへ流れる空気の窒素分圧より大きくすることにより、あらかじめ設定した操作量に燃料ガス圧力調整部3を制御することで
燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整するのではなく、未反応混合ガスの窒素濃度を測定し、アノード1aへ流れる混合ガスに含まれる窒素濃度を推定することで、混合ガスに含まれる窒素を燃料電池スタック1の電解質膜を介してカソード1bへ正確に透過させることとなり、アノード1aへ流れる混合ガスの窒素濃度を減少させるために混合ガスを燃料電池システム500から外部へ排出する必要がなくなり、混合ガスの可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を不要にすることができる。
As described above, in the present embodiment, the fuel gas
なお、アノード1aを流れる混合ガスの窒素分圧はカソード1bを流れる空気の窒素の分圧より大きくすれば、その分だけ窒素の透過を早くすることができる。
If the nitrogen partial pressure of the mixed gas flowing through the
また、ここでは所定期間のみ燃料ガス供給経路2を流れる純水素ガスの圧力を調整しているが、発電中の全期間で行ってもよい。
Further, here, the pressure of the pure hydrogen gas flowing through the fuel
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
以上のように、本発明にかかる燃料電池システム及びその運転方法は、発電中の燃料電池スタックのアノードの窒素分圧を調整することによって、アノードの窒素をスタックの電解質膜を透過させてカソードへ排出することができるので、水素の系外への排出を抑制でき、希釈器が不要になる。これによって、燃料電池システムを小型化でき、安全性を向上できるので、家庭用燃料電池システム、商業用燃料電池システムなどに適用できる。 As described above, the fuel cell system and the operation method thereof according to the present invention adjusts the nitrogen partial pressure of the anode of the fuel cell stack during power generation to allow the anode nitrogen to pass through the electrolyte membrane of the stack and to the cathode. Since it can discharge | emit, discharge | emission of hydrogen out of the system can be suppressed and a diluter becomes unnecessary. As a result, the fuel cell system can be miniaturized and the safety can be improved, so that it can be applied to a household fuel cell system, a commercial fuel cell system, and the like.
1 燃料電池スタック
1a アノード
1b カソード
2 燃料ガス供給経路
3 燃料ガス圧力調整部
4 未反応燃料ガス循環流路
5 混合ガス供給経路
6 エジェクタ
7 酸化剤ガス供給部
8 酸化剤ガス供給経路
9 酸化剤ガス排出経路
10、13、14、16、18 制御部
11 未反応燃料ガス昇圧部
12 圧力検出部
15 窒素濃度検出部
17 窒素濃度検出部
100、200、300、400、500 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、
前記アノードから排出された未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、
前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記カソードと前記酸化剤ガス供給部を接続する酸化剤ガス供給経路と、
前記カソードから未反応酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックが発電中の全期間中または所定期間、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する、燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates power using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas;
A fuel gas supply path for supplying fuel gas to the anode of the fuel cell stack;
A fuel gas pressure adjusting unit for adjusting the pressure of the fuel gas supplied to the anode;
An unreacted fuel gas circulation passage for joining unreacted fuel gas discharged from the anode to the fuel gas supply path;
An oxidant gas supply unit for supplying an oxidant gas to the cathode of the fuel cell stack;
An oxidant gas supply path connecting the cathode and the oxidant gas supply unit;
An oxidant gas discharge path for discharging unreacted oxidant gas from the cathode;
A control unit,
The control unit is configured so that the partial pressure of nitrogen in the fuel gas flowing through the anode is higher than the partial pressure of nitrogen in the oxidant gas flowing through the cathode during the entire period when the fuel cell stack is generating power or for a predetermined period. A fuel cell system for adjusting the fuel gas pressure adjusting unit.
前記制御部は、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する、請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel gas supply path includes pressure detection means,
The said control part adjusts the said fuel gas pressure adjustment part so that the nitrogen partial pressure in the fuel gas which flows through the said anode may become higher than the nitrogen partial pressure in the oxidant gas which flows through the said cathode. Fuel cell system.
前記燃料電池スタックのセル電圧に基づいて前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素濃度を推定し、
該窒素濃度から前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧を推定し、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する、請求項1に記載の燃料電池システム。 The controller is
Estimating the nitrogen concentration in the fuel gas flowing through the anode based on the cell voltage of the fuel cell stack;
The nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode is estimated from the nitrogen concentration, and the nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode is higher than the nitrogen partial pressure in the oxidant gas flowing through the cathode. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas pressure adjusting unit is adjusted.
前記アノード窒素濃度検知手段が検知した窒素濃度から前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧を推定し、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する、請求項1に記載の燃料電池システム。 Provided with an anode nitrogen concentration detection means for detecting a nitrogen concentration in the fuel gas supplied to the anode, provided downstream of a junction between the fuel gas supply path and the unreacted fuel gas circulation path;
The nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode is estimated from the nitrogen concentration detected by the anode nitrogen concentration detection means, and the nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode is the nitrogen content in the oxidant gas flowing through the cathode. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas pressure adjusting unit is adjusted to be higher than a pressure.
前記アノードに供給される燃料ガスの前記未反応燃料ガス循環流路を流れる燃料ガスと、前記燃料ガス供給経路から供給される燃料ガスの混合率と、前記アノード窒素濃度検知手段が検知した窒素濃度から前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧を推定し、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する、請求項1に記載の燃料電池システム。 An anode nitrogen concentration detecting means provided in the unreacted fuel gas circulation flow path for detecting the nitrogen concentration in the fuel gas flowing through the unreacted fuel gas circulation flow path;
The fuel gas flowing through the unreacted fuel gas circulation passage of the fuel gas supplied to the anode, the mixing ratio of the fuel gas supplied from the fuel gas supply path, and the nitrogen concentration detected by the anode nitrogen concentration detecting means The fuel gas pressure is estimated so that the nitrogen partial pressure in the fuel gas flowing through the anode is higher than the nitrogen partial pressure in the oxidant gas flowing through the cathode. The fuel cell system according to claim 1, wherein the adjustment unit is adjusted.
前記燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、
前記アノードから排出された未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、
前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路および酸化剤ガス供給手段と、
前記カソードから排出された排出酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池スタックが発電中の全期間中または所定期間、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する工程を含む、燃料電池システムの運転方法。
A fuel cell stack that generates power using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas;
A fuel gas supply path for supplying fuel gas to the anode of the fuel cell stack;
A fuel gas pressure adjusting unit for adjusting the pressure of the fuel gas supplied to the anode;
An unreacted fuel gas circulation passage for joining unreacted fuel gas discharged from the anode to the fuel gas supply path;
An oxidant gas supply path for supplying an oxidant gas to the cathode of the fuel cell stack and an oxidant gas supply means;
An oxidant gas discharge path for discharging an oxidant gas discharged from the cathode, and a method of operating a fuel cell system comprising:
The fuel gas pressure adjustment so that the partial pressure of nitrogen in the fuel gas flowing through the anode is higher than the partial pressure of nitrogen in the oxidant gas flowing through the cathode during the entire period of power generation by the fuel cell stack or for a predetermined period. A method for operating a fuel cell system, including a step of adjusting a section.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018058395A JP6832491B2 (en) | 2018-03-26 | 2018-03-26 | Fuel cell system and its operation method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018058395A JP6832491B2 (en) | 2018-03-26 | 2018-03-26 | Fuel cell system and its operation method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019169443A true JP2019169443A (en) | 2019-10-03 |
JP6832491B2 JP6832491B2 (en) | 2021-02-24 |
Family
ID=68107485
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018058395A Active JP6832491B2 (en) | 2018-03-26 | 2018-03-26 | Fuel cell system and its operation method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6832491B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115084583A (en) * | 2021-03-15 | 2022-09-20 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004327360A (en) * | 2003-04-28 | 2004-11-18 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2006331671A (en) * | 2005-05-23 | 2006-12-07 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2009026523A (en) * | 2007-07-18 | 2009-02-05 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and control method of fuel cell |
JP2010287320A (en) * | 2009-06-09 | 2010-12-24 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2018517234A (en) * | 2015-04-14 | 2018-06-28 | プロトン モータ フューエル セル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングProton Motor Fuel Cell Gmbh | Fuel cell operating method and apparatus using artificial air |
-
2018
- 2018-03-26 JP JP2018058395A patent/JP6832491B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004327360A (en) * | 2003-04-28 | 2004-11-18 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2006331671A (en) * | 2005-05-23 | 2006-12-07 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2009026523A (en) * | 2007-07-18 | 2009-02-05 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and control method of fuel cell |
JP2010287320A (en) * | 2009-06-09 | 2010-12-24 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2018517234A (en) * | 2015-04-14 | 2018-06-28 | プロトン モータ フューエル セル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングProton Motor Fuel Cell Gmbh | Fuel cell operating method and apparatus using artificial air |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115084583A (en) * | 2021-03-15 | 2022-09-20 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system |
JP2022140992A (en) * | 2021-03-15 | 2022-09-29 | トヨタ自動車株式会社 | fuel cell system |
JP7484778B2 (en) | 2021-03-15 | 2024-05-16 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel Cell Systems |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6832491B2 (en) | 2021-02-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2009016117A (en) | Fuel cell system and its control method | |
JP4902817B1 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM | |
JP7080348B2 (en) | Fuel cell activation method and activation device | |
US20110244351A1 (en) | Operating method of fuel cell system | |
JP2006294619A (en) | Operation stop method of fuel cell, and fuel cell system | |
JP2016523438A (en) | How to start a fuel cell | |
JP2007059321A (en) | Fuel cell system | |
JP2007294291A (en) | Fuel cell system | |
US20140234741A1 (en) | Fuel cell apparatus | |
JP6832491B2 (en) | Fuel cell system and its operation method | |
JP4410526B2 (en) | Fuel cell exhaust gas treatment device | |
JP2009259629A (en) | Fuel cell system | |
JP2006202621A (en) | Operation method for fuel cell | |
JP2009117120A (en) | Method of operating hydrogen and power generation system | |
EP4006209A1 (en) | Hydrogen purification system | |
JP2009176454A (en) | Gas supply system and gas supply method | |
JP2006114434A (en) | Fuel cell system | |
JP2007048517A (en) | Fuel cell system | |
JP2018195437A (en) | Fuel cell system and method of operating fuel cell system | |
JP2005158523A (en) | Dilution device and fuel cell system | |
JP2005216626A (en) | Fuel cell power generation system, and scavenging valve device for fuel cell power generation device | |
JP2008235206A (en) | Fuel cell system | |
WO2019187211A1 (en) | Hydrogen generating system and operation method for same | |
JP5870854B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2019133763A (en) | Fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20190123 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200109 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20201125 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20201215 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20201228 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6832491 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |