JP4590829B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、起動停止による劣化の減少または耐久性の向上を図った燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の燃料電池の一般的な構成を高分子電解質膜型で説明する。燃料電池とは、主に水素と酸素から電気エネルギーと熱エネルギーを得るものである。Ptなどの触媒作用により、燃料極側では(式1)に示す反応が起こり、酸素含有極では(式2)で表される反応が起こる。全反応は(式3)で表される。燃料極側では一酸化炭素などによる劣化を防ぐため、Ptの他にもRuとの混合物や合金が使用される。これらの作用により燃料電池は、水素と酸素が反応し、反応生成物としては水のみができる。環境への影響物質が排出されないのが大きな特徴である。しかし、電気や熱のエネルギーを必要としていない時まで動かす必要はないため、必要なときに起動し不必要なときに停止する「起動・停止型」の運転が求められている。その起動・停止の方法としていくつかの方法が考えられてきた。
【0003】
H2→2H++2e- (式1)
1/2O2+2H++2e-→H2O (式2)
H2+1/2O2→H2O (式3)
停止時には、酸素含有ガスと燃料ガスの供給を停止しそのままにしておく方法や、保管時にも電解質膜であるイオン交換膜を保水状態に保つため加湿された不活性ガスを封入した停止・保管の方法が示されている(例えば、特許文献1参照)。また、酸素極の酸化または不純物付着を防止するため、酸素含有ガスの供給を停止した状態で発電し、酸素消費操作を行い耐久性の向上を図る方法が示されている(例えば、特許文献2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平6−251788号公報
【特許文献2】
特開2002−93448号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、起動と停止を行うと酸素含有ガス側の電極が酸化または不純物の吸着が起こり、発電電圧を低下してしまう課題がある。また、停止時には、酸素含有ガスと燃料ガスの供給を停止しそのままにしておく方法では、燃料電池およびシステムの動作を停止させても、ガスが残留している限り燃料電池には電圧が発生し、特に停止中では電流をとらないため開回路状態となる。0.9Vを越える開回路状態では、酸素含有極のPt触媒の溶出およびシンタリングといわれる粒子拡大による反応面積が減少する課題がある。ガスが反応し尽くすと燃料電池の電圧は低下するが、気体の酸素と水素が反応し液体の水となるため、体積が減少する封止状態では燃料電池内部が負圧となり電解質膜などに穴が開く危険がある。封止しなければ気体の減少とともに、燃料電池内部へ外部の空気が入り、湿度の変化や不純物などが混入する可能性があり、燃料電池の性能低下をおこす課題がある。保管時にも電解質膜であるイオン交換膜を保水状態に保つため加湿された不活性ガスを封入した停止・保管の方法では、停止中に燃料電池の温度が低下し、加湿のために付与された水蒸気が結露し液体となるために体積が減少し燃料電池内部が負圧になり、電解質膜などに穴が開く危険がある課題がある。また、酸素極の酸化または不純物付着を防止し、起動停止による発電電圧の低下を防止する目的のため、酸素含有ガスの供給を停止した状態で発電し、酸素消費操作を行い耐久性の向上を図る方法では、発電による酸素含有ガス側の電極電位が一様ではないため、電圧の低下を防ぐ効果が一様ではないなどの課題がある。
【0006】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、燃料電池に対し不活性なガスで燃料ガスをパージし、不活性ガスと酸素含有ガスを燃料電池にためたまま保管することで、停止時の開回路状態でも高電位とならず、停止時の劣化を減少させることができる。さらに、不活性ガスは運転時ほどの加湿がされていないために、燃料電池の温度が低下しても結露が少ないので減圧になる度合いが小さいため、電解質膜などへの負担が小さく、起動と停止を行っても高耐久な燃料電池システムを実現することを目的とする。また、燃料電池に対し不活性なガスとしてガス清浄部で清浄化された原料ガスを用いることにより、より簡便に起動停止による劣化を少なくした燃料電池システムを実現することを第2の目的とする。
【0007】
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、停止時に、燃料ガスの供給を停止し、燃料電池内部の燃料ガスを燃料電池に対し不活性なガスでパージし、不活性なガスと酸素含有ガスを燃料電池内部にためたまま停止させるものである。ここで、不活性なガスは、ガス清浄部で清浄化された原料ガスが用いられる。
【0008】
これによって、停止時の開回路状態でも高電位とならず、停止時の劣化を減少させることができる。さらに、不活性ガスは運転時ほどの加湿がされていないために、燃料電池の温度が低下しても結露が少ないので減圧になる度合いが小さいため、電解質膜などへの負担が小さく、起動と停止を行っても高耐久な燃料電池システムを実現することができる。さらに、窒素ボンベ等の特別な用意が必要ではなくなり、簡便に起動停止による劣化を少なくした燃料電池システムを実現できるのである。
【0009】
請求項1に記載の発明は、電解質膜と、電解質膜を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給・排出し、他方に酸素含有ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータとを具備した燃料電池と、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、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、燃料ガスの供給を停止し、燃料電池内部の燃料ガスを燃料電池に対し不活性なガスでパージし、酸素含有ガスを流し、不活性なガスと酸素含有ガスを燃料電池内部にためたまま停止させる。ここで、不活性なガスは、ガス清浄部で清浄化された原料ガスが用いられる。これにより、停止時の開回路状態でも高電圧とならず、停止時の劣化を減少させることができる。さらに、不活性ガスは運転時ほどの加湿がされていないために、燃料電池の温度が低下しても結露が少ないので減圧になる度合いが小さいため、電解質膜などへの負担が小さく、起動と停止を行っても高耐久な燃料電池システムを実現することができる。さらに、窒素ボンベ等の特別な用意が必要ではなくなり、簡便に起動停止による劣化を少なくした燃料電池システムを実現できるのである。
【0011】
以下に、実施例を用いて本発明に係る燃料電池についてより具体的に説明するが、本発明はそれらのみに限定されるものではない。
【0012】
【実施例】
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1における燃料電池の中でも高分子電解質膜型燃料電池の基本構成を示している。燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸素含有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。1は電解質膜であり、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。電解質膜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。この触媒反応層で(式1)と(式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(以降、アノードガスと称する)は(式1)に示す反応(以降、アノード反応と称する)し、電解質膜1を介して移動した水素イオンは、酸素含有ガス(以降、カソードガスと称する)と触媒反応層2で(式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、空気などの酸素含有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2の外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた拡散層3をこれに密着して配置する。この拡散層3と触媒反応層2により電極4を構成する。5は電極電解質接合体(以降、MEAと称する)であり、電極4と電解質膜1とで形成している。MEA5は、MEA5を機械的に固定するとともに、隣接するMEA5同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路6をMEA5に接する面に形成した一対の導電性セパレータ7を配置する。電解質膜1と、1対の触媒反応層2と、一対の拡散層3と、一対の電極4と、一対のセパレータ7で基本の燃料電池(以降、セルと称する)を形成する。セパレータ7にはMEA5とは反対の面に、隣のセルのセパレータ7が接する。8はセパレータ7同士が接する側に設けられた冷却水通路であり、ここに9の冷却水が流れる。冷却水9はセパレータ7を介してMEA5の温度を調整するように熱を移動させる。10はMEA5とセパレータ7を封止するMEAガスケットであり、11はセパレータ7同士を封止するセパレータガスケットである。
【0013】
電解質膜1には固定電荷を有しており、固定電荷の対イオンとして水素イオンが存在している。電解質膜1には水素イオンを選択的に透過させる機能が求められるが、そのためには電解質膜1が水分を保持していることが必要である。電解質膜1は水分を含むことにより、電解質膜1内に固定されている固定電荷が電離し、固定電荷の対イオンである水素がイオン化し、移動できるようになるからである。
【0014】
図2はセルを積層したものでスタックと呼ばれる。燃料電池セルの電圧は通常0.75v程度と低いために、セルを直列に複数個積層し、高電圧と成るようにしている。21a、21cはスタックから外部に電流を取り出すための集電板であり、22a、22cはセルと外部を電気的に絶縁するための絶縁板である。23a、23cはセルを積層したスタックを締結し、機械的に保持する端板である。
【0015】
図3は燃料電池システムの構成図である。31は燃料電池システムの外筐体である。32は燃料ガスから燃料電池に悪影響を与える物質を除去するガス清浄部であり、33の原料ガス配管から燃料ガスを導く。34は弁であり、原料ガスの流れを制御する。35は燃料生成機であり、原料ガスから少なくとも水素を含む燃料ガスを生成する。燃料生成機35には36の原料ガス配管を介して原料ガスは導かれる。38はスタックであり、図1および図2で詳細が示される燃料電池およびスタックである。37は燃料ガス配管であり、燃料生成機35からスタック38に燃料ガスが導かれる。49は弁であり、燃料ガスのスタック38への流れを制御する。39はブロワーであり、酸素含有ガスを40の吸気管を通してスタック38に導く。42は排気管であり、スタック38から排出された酸素含有ガスを燃料電池システムの外に排出する。41は加湿器である。燃料電池は水分が必要なため、吸気管40でスタック38に流れ込む酸素含有ガスはここで加湿される。スタック38で利用されなかった燃料ガスは48のオフガス管により再び、燃料生成機35に流れ込む。オフガス管48からのガスは燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。51は弁であり、スタック38から燃料生成機35へ流れるオフガスを制御する。43は燃料電池スタック38から電力を取り出す電力回路部であり、44はガスや電力回路部などを制御する制御部である。45はポンプであり、46の冷却水入り口配管から燃料電池スタック38の水経路に水を流す。燃料電池38を流れた水は47の冷却水出口配管から外部に水が運ばれる。燃料電池のスタック38を水が流れることにより、発熱したスタック38を一定の温度に保ちながら、発生した熱を燃料電池システム外部で利用できるようになるのである。燃料電池システムは燃料電池からなるスタック38と、ガス清浄部32と、燃料生成器35と、電力回路部43と、制御部44とより構成されている。
【0016】
基本動作を説明する。図3において、弁34が開となり、原料ガス配管33から原料ガスがガス清浄部32に流れ込む。原料ガスとしては天然ガス、プロパンガスなど炭化水素系のガスを使用することが出来るが、本実施例としてはメタン、エタン、プロパン、ブタンガスの混合ガスである13Aを用いた。ガス清浄部32としては、特にTBM(ターシャリブチルメルカプタン)、DMS(ジメチルサルファイド)、THT(テトラヒドロチオフィン)等のガス付臭剤の除去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。燃料生成機35では(式6)に示す反応等により、水素が生成される。
【0017】
CH3+H2O→3H2+CO(−203.0KJ/mol) (式6)
ここで水素と水分を含む燃料ガスが作成し、燃料ガス配管37を介して燃料電池のスタック38に流れ込む。酸素含有ガスはブロワー39により加湿器41を通った後、スタック38に流れ込む。酸素含有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、温水に酸素含有ガスを流すものや、酸素含有ガス中に水を吹き込むもの等が使用できるが、本実施例では全熱交換型を使用した。これは、排ガス中の水と熱を加湿器41を通過する際に、吸気管40から運ばれる原料となる酸素含有ガス中に移動させるものである。冷却水は、ポンプ45より冷却水入り口配管46から燃料電池スタック38の水経路に流された後、冷却水出口配管47から外部に水が運ばれる。本図では図示されていないが、冷却水入り口配管45や冷却水出口は移管47には、通常給湯器などが配管されている。燃料電池のスタック38で発生する熱を取りだし、給湯等に利用できるようになるのである。スタック38内での燃料電池の動作を図1を用いて説明する。ガス流路6cに空気などの酸素含有ガスを流し、ガス流路6aに水素を含む燃料ガスを流す。燃料ガス中の水素は拡散層3aを拡散し、触媒反応層2aに達する。触媒反応層2aで水素は水素イオンと電子に分けられる。電子は外部回路を通じてカソード側に移動される。水素イオンは電解質膜1を透過しカソード側に移動し触媒反応層2cに達する。空気などの酸素含有ガス中の酸素は拡散層3cを拡散し、触媒反応層2cに達する。触媒反応層2cでは酸素が電子と反応し酸素イオンとなり、さらに酸素イオンは水素イオンと反応し水が生成される。つまりMEA5の周囲で酸素含有ガスと燃料ガスが反応し水が生成され、電子が流れる。さらに反応時に熱が生成し、MEA5の温度が上昇する。そのため冷却水経路8a、8cに水などを流すことにより反応で発生した熱を水で外部に運び出す。つまり、熱と電流(電気)が発生するのである。このとき、導入されるガスの湿度と反応で発生する水の量の管理が重要である。水分が少ないと電解質膜1が乾燥し、固定電荷の電離が少なくなるために水素の移動が減少するので、熱や電気の発生が小さくなる。一方水分が多すぎると、MEA5の周りまたは触媒反応層2の周囲に水が溜まってしまい、ガスの供給が阻害され反応が抑制されるため、熱と電気の発生が減少してしまう(以降、この状態をフラッティングと称する。)。
【0018】
燃料電池のセルで反応した後の動作について図3を用いて説明する。酸素含有ガスの使用されなかった排ガスは加湿器41を介し、熱と水分をブロワー39から送られてきた酸素含有ガスに渡した後、外部へ排出される。燃料ガスの使用されなかったオフガスは48のオフガス管により再び、燃料生成機35に流れ込む。オフガス管48からのガスは燃料生成器35中では燃焼などに用いられる。原料ガスから燃料ガスを生成するための反応は(式6)で示されるように吸熱反応であるため、反応に必要な熱として利用されるのである。電力回路43は燃料電池が発電を開始した後スタック38から直流の電力を引き出す役割をする。制御部44は燃料電池システムの他の部分の制御を最適に保つよう制御するものである。本実施例では図1において、MEA5は以下のように作成した。
【0019】
炭素粉末であるアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック、粒径35nm)を、ポリテトラフルオロエチレン(PtFE)の水性ディスパージョン(ダイキン工業(株)製のD1)と混合し、乾燥重量としてPtFEを20重量%含む撥水インクを調製した。このインクを、ガス拡散層の基材となるカーボンペーパー(東レ(株)製のTGPH060H)の上に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて300℃で熱処理し、ガス拡散層(約200μm)を形成した。
【0020】
一方、炭素粉末であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル(株)製のKetjen Black EC、粒径30nm)上にPt触媒を担持させて得られた触媒体(50重量%がPt)66重量部を、水素イオン伝導材かつ結着剤であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー(米国Aldrich社製の5重量%Nafion分散液)33重量部(高分子乾燥重量)と混合し、得られた混合物を成形して触媒層(10〜20μm)を形成した。
【0021】
上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを、高分子電解質膜(米国DuPont社のNafion112膜)の両面に接合し、MEA5を作製した。
【0022】
つぎに、以上のように作製したMEA5の電解質膜1の外周部にゴム製のガスケット板を接合し、冷却水、燃料ガスおよび酸化剤ガス流通用のマニホールド穴を形成した。
【0023】
一方、20cm×32cm×1.3mmの外寸を有し、かつ深さ0.5mmのガス流路および冷却水流路を有する、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなる導電性のセパレータ7を用いた。
【0024】
本実施の形態の運転を図3の燃料電池システムで説明する。原料ガスは都市ガスの13Aガス、酸素含有ガスとしては空気をそれぞれ用いた。燃料電池の温度は70℃、燃料ガス利用率(Uf)は70%、酸素利用率(Uo)は40%の条件とした。燃料ガスおよび空気は、それぞれ65℃および70℃の露点を有するように加湿した。電力回路部43から電流を取り出した。電流は電極の見かけ面積あたりで、0.2A/cm2となるように調整した。冷却水入り口配管46および冷却水出口配管47には図示されていないが、貯湯タンクが取り付けてある、冷却水入り口配管46中の水の温度は70℃、冷却水出口配管47中の水の温度は75℃となるようにポンプ45を調節した。他のそれぞれの条件は以下のようにした。
【0025】
本発明の実施の形態としての運転条件Aでは、定常運転工程を行った後、停止工程1に移った。なお、スタックからの電流は電力回路部43により取り出されるが、スタック38の代表的な単セルの電圧が0.5Vを切ると電流の取り出しを停止し、0.6を超えると再び電流を取り出すように制御部44により制御した。停止工程1では、まず燃料生成器35からスタック38への燃料ガスの供給を停止し原料ガスを流し込んだ。ここで用いた原料ガスは、ガス清浄部32で付臭剤などの硫黄化合物、アンモニアやアミン物質などの窒素化合物、一酸化炭素などの燃料電池に悪影響を与える物質を取り除いたものである。スタックから原料ガスによりスタック38から押し出された燃料ガスはオフガス管48から燃料生成器35へ戻し、スタック38内の燃料ガスを原料ガスによりに入れ替える。次に、停止工程2を行った。停止工程2では、ブロワー39を停止させスタック38への空気の供給を停止するとともに、弁49と弁51を閉じ、スタック38内に原料ガスを封止する。空気はブロワー39が停止しているが、吸気管40または排気管42を介して外部につながっている。つまりスタック38の内部には、外部に開放した空気と、封止した原料ガスが溜まっている。また、ポンプ45は停止し、外部との冷却水の移動は無くなる。次に停止工程3となる。停止工程3は燃料電池システムは特に動作しないが、高温になっている燃料処理機35や燃料電池のスタック38は徐々に温度が下がり、最終的には外部の温度と同じとなる。次に起動工程1となる。起動工程1は燃料処理機35に原料ガスが流され水素を含み、一酸化炭素などの燃料ではない物質の濃度が一定以下となるように処理を行う。スタック38はポンプ45を動作させスタック38よりも温度の高い水を循環させる等を行い、温度を上昇させても良い。次に起動工程2に入る。起動工程2では、ブロワー39を動作させ、空気をスタック38に送り込むとともに、弁49と弁51を開きスタック38に燃料ガスを流す。これで、燃料電池のスタック38で発電及び発熱の反応が起こる。燃料や電流を制御し、定常運転工程の条件になった後は、定常運転工程として運転する。
【0026】
本運転条件で定常運転から停止・起動を経て再び定常運転させたときの代表的単セルの電圧と、カソードに対するアノードの圧力差(以降、差圧と称する)を図4に示す。
【0027】
第1の比較条件としての運転条件Dは、ほとんどの条件は運転条件Aと同じであるが、異なる点は以下である。
【0028】
停止工程1ではスタック38への燃料ガスの供給を停止した後、原料ガスではなく空気をスタック38へ流し込むのである。よって、停止工程2で弁49と弁51を閉じると、つまりスタック38の内部には、外部に開放した空気と、封止した空気が溜まっているのである。
【0029】
第1の比較条件としての運転条件Dで定常運転から停止・起動を経て再び定常運転させたときの代表的単セルの電圧と、カソードに対するアノードの差圧を図7に示す。
【0030】
第2の比較条件としての運転条件Eは、ほとんどの条件は運転条件Aと同じであるが、異なる点は以下である。
【0031】
停止工程1ではスタック38への燃料ガスの供給を停止した後、ガス清浄部32を介さない、つまり清浄化されていない原料ガスをスタック38へ流し込むのである。よって、停止工程2で弁49と弁51を閉じると、つまりスタック38の内部には、外部に開放した清浄化していない都市ガスと、封止した空気が溜まっているのである。
【0032】
第2の比較条件としての運転条件Eで定常運転から停止・起動を経て再び定常運転させたときの代表的単セルの電圧と、カソードに対するアノードの差圧を図8に示す。
【0033】
図4と、図7、図8でわかるように本発明の実施の形態としての運転条件Aでは停止と起動を行っても、停止と起動を行う前後の定常運転工程での電圧の差はほとんどない。それに対し、第1の比較条件としての運転条件Dでは大きく電圧が低下しており、燃料ガスの代わりに空気を入れることにより発電性能が大きく低下していることがわかる。これはアノードの電極が酸化などをすることにより劣化しているのである。特にルテニウムを含む反応触媒層は酸化ルテニウムなどとなり、溶出してしまうこともある。第2の比較条件としての運転条件Eは停止・起動後の電圧は大きく低下している。都市ガスは付臭剤等が含まれており、燃料電池の発電を大きく阻害させるが、浄化したものは窒素と同程度に不活性ガスとして扱える。また、窒素は特別な装置が必要であるが、浄化した都市ガスは本システムに特別な装置を必要とせず供給できるので非常に便利である。
【0034】
【発明の効果】
以上のように、本発明の燃料電池システムによれば、窒素ボンベ等の特別な用意が必要とすることなく、簡便に起動停止による劣化を少なくし、停止時の開回路状態でも高電圧とならないので、起動や停止中の劣化を抑え、長寿命が実現できるのである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1における高分子電解質膜型燃料電池の単電池の一部の構造を示す断面図
【図2】本発明の実施例1における高分子電解質膜型燃料電池を積層したスタックの構造を示す概略図
【図3】本発明の実施例1における高分子電解質膜型燃料電池システムを示す構成図
【図4】本発明の実施例1における実験例1での運転条件Aによる電圧と差圧を示すタイムチャート
【図5】同実験例1での運転条件Bによる電圧と差圧を示すタイムチャート
【図6】同実験例1での運転条件Cによる電圧と差圧を示すタイムチャート
【図7】同実験例1での運転条件Dによる電圧と差圧を示すタイムチャート
【図8】同実験例1での運転条件Eによる電圧と差圧を示すタイムチャート
【図9】本発明の実施例1における実験例2での運転条件Jによる電圧とアノードとカソードの電極電位を示すタイムチャート
【図10】同実験例2での運転条件Kによる電圧とアノードとカソードの電極電位を示すタイムチャート
【図11】同実験例2での運転条件Lによる電圧とアノードとカソードの電極電位を示すタイムチャート
【図12】同実験例2での運転条件Mによる電圧とアノードとカソードの電極電位を示すタイムチャート
【図13】同実験例2での運転条件Nによる電圧とアノードとカソードの電極電位を示すタイムチャート
【図14】同実験例2での運転条件Oによる電圧とアノードとカソードの電極電位を示すタイムチャート
【図15】本発明の実施例1における実験例3での制御電圧と停止・起動前後の電圧の増加の関係を示す図
【図16】本発明の実施例1における実験例4での原料ガスの硫黄濃度と発電電圧の劣化の関係を示す図
【符号の説明】
1 電解質膜
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)
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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell in which deterioration due to start / stop is reduced or durability is improved.
[0002]
[Prior art]
A general configuration of a conventional fuel cell will be described using a polymer electrolyte membrane type. A fuel cell obtains electric energy and heat energy mainly from hydrogen and oxygen. Due to the catalytic action of Pt or the like, the reaction represented by (Formula 1) occurs on the fuel electrode side, and the reaction represented by (Formula 2) occurs on the oxygen-containing electrode. The total reaction is represented by (Formula 3). In addition to Pt, a mixture or alloy with Ru is used on the fuel electrode side to prevent deterioration due to carbon monoxide. By these actions, the fuel cell reacts with hydrogen and oxygen, and only water is produced as a reaction product. A major feature is that no substances that affect the environment are discharged. However, since it is not necessary to move until the time when electricity or heat energy is not needed, there is a need for a “start / stop type” operation that starts when necessary and stops when not needed. Several methods have been considered as methods of starting and stopping.
[0003]
H2→ 2H++ 2e- (Formula 1)
1 / 2O2+ 2H++ 2e-→ H2O (Formula 2)
H2+ 1 / 2O2→ H2O (Formula 3)
When stopping, keep the supply of oxygen-containing gas and fuel gas and leave it as it is, or stop and store in a humidified inert gas in order to keep the ion exchange membrane, which is an electrolyte membrane, in the water retaining state even during storage The method is shown (for example, refer patent document 1). Moreover, in order to prevent oxidation of the oxygen electrode or adhesion of impurities, a method is shown in which power generation is performed in a state where supply of the oxygen-containing gas is stopped and oxygen consumption operation is performed to improve durability (for example, Patent Document 2). reference).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-6-251788
[Patent Document 2]
JP 2002-93448 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when starting and stopping, there is a problem that the oxygen-containing gas side electrode is oxidized or adsorbed with impurities, and the generated voltage is lowered. In addition, in the method of stopping the supply of the oxygen-containing gas and the fuel gas at the time of the stop, even if the operation of the fuel cell and the system is stopped, the voltage is generated in the fuel cell as long as the gas remains. In particular, the circuit is in an open circuit state because no current is taken during the stop. In an open circuit state exceeding 0.9 V, there is a problem that the reaction area due to particle enlargement, which is called elution and sintering, of the oxygen-containing electrode is reduced. When the gas is completely reacted, the voltage of the fuel cell decreases, but the gaseous oxygen and hydrogen react to become liquid water, so in the sealed state where the volume decreases, the inside of the fuel cell becomes negative pressure and a hole is formed in the electrolyte membrane. There is a risk of opening. If it is not sealed, there is a possibility that external air enters the fuel cell as the gas decreases, humidity changes and impurities may be mixed in, and the performance of the fuel cell is degraded. In the stop / storage method in which humidified inert gas is enclosed to keep the ion exchange membrane, which is an electrolyte membrane, in the water-retaining state during storage, the temperature of the fuel cell decreases during the stop and is given for humidification. Since water vapor condenses into a liquid, the volume is reduced, the inside of the fuel cell becomes negative pressure, and there is a problem that there is a risk of opening a hole in an electrolyte membrane or the like. In addition, for the purpose of preventing the oxidation of the oxygen electrode or adhesion of impurities and preventing the decrease in power generation voltage due to the start and stop, power generation is performed with the supply of oxygen-containing gas stopped, and oxygen consumption operation is performed to improve durability. However, since the electrode potential on the oxygen-containing gas side due to power generation is not uniform, there is a problem that the effect of preventing the voltage drop is not uniform.
[0006]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, purging the fuel gas with an inert gas to the fuel cell, and storing the inert gas and the oxygen-containing gas while remaining in the fuel cell. Even in an open circuit state, the potential does not become high, and deterioration at the time of stopping can be reduced. In addition, since the inert gas is not humidified as much as during operation, even if the temperature of the fuel cell decreases, the dew condensation is small and the degree of decompression is small. An object is to realize a fuel cell system that is highly durable even when it is stopped.Also,By using the raw material gas cleaned in the gas cleaning section as an inert gas for the fuel cell, it is easier to achieve a fuel cell system that reduces deterioration due to start and stop more easily.2The purpose ofThe
[0007]
In order to solve the above-described conventional problems, the fuel cell system of the present invention stops the supply of the fuel gas when stopped, purges the fuel gas inside the fuel cell with an inert gas to the fuel cell, and deactivates the fuel cell system. Gas and oxygen-containing gas are stopped while being stored inside the fuel cell.Here, as the inert gas, the raw material gas cleaned in the gas cleaning section is used.
[0008]
As a result, a high potential is not obtained even in an open circuit state at the time of stop, and deterioration at the time of stop can be reduced. In addition, since the inert gas is not humidified as much as during operation, even if the temperature of the fuel cell decreases, the dew condensation is small and the degree of decompression is small. Even if the operation is stopped, a highly durable fuel cell system can be realized.Further, no special preparation such as a nitrogen cylinder is required, and a fuel cell system in which deterioration due to start / stop is easily reduced can be realized.
[0009]
The invention according to
[0011]
Hereinafter, the fuel cell according to the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
[0012]
【Example】
Example 1
FIG. 1 shows a basic configuration of a polymer electrolyte membrane fuel cell among the fuel cells in Example 1 of the present invention. A fuel cell is one that causes a fuel gas such as hydrogen and an oxygen-containing gas such as air to react electrochemically with a gas diffusion electrode, and generates electricity and heat simultaneously.
[0013]
The
[0014]
FIG. 2 is a stack of cells and is called a stack. Since the voltage of the fuel cell is usually as low as about 0.75 v, a plurality of cells are stacked in series so as to obtain a high voltage.
[0015]
FIG. 3 is a configuration diagram of the fuel cell system. Reference numeral 31 denotes an outer casing of the fuel cell system. A
[0016]
The basic operation will be described. In FIG. 3, the valve 34 is opened, and the source gas flows from the source gas pipe 33 into the
[0017]
CHThree+ H2O → 3H2+ CO (−203.0 KJ / mol) (Formula 6)
Here, a fuel gas containing hydrogen and moisture is created and flows into the
[0018]
The operation after reacting in the fuel cell will be described with reference to FIG. Exhaust gas in which no oxygen-containing gas is used passes heat and moisture to the oxygen-containing gas sent from the blower 39 via the humidifier 41 and is then discharged to the outside. The off gas that has not been used for the fuel gas flows again into the
[0019]
Carbon powder acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.,
[0020]
Meanwhile, 66 parts by weight of a catalyst body (50% by weight Pt) obtained by loading a Pt catalyst on Ketjen Black (Ketjen Black EC, Ketjen Black International Co., Ltd.,
[0021]
The gas diffusion layer and the catalyst layer obtained as described above were bonded to both surfaces of a polymer electrolyte membrane (Nafion 112 membrane manufactured by DuPont, USA) to produce MEA5.
[0022]
Next, a rubber gasket plate was joined to the outer peripheral part of the
[0023]
On the other hand, a
[0024]
The operation of this embodimentFuel cell system of FIG.I will explain it.The source gas was city gas 13A, and the oxygen-containing gas was air. The temperature of the fuel cell was 70 ° C., the fuel gas utilization rate (Uf) was 70%, and the oxygen utilization rate (Uo) was 40%. The fuel gas and air were humidified to have dew points of 65 ° C and 70 ° C, respectively. A current was taken out from the
[0025]
As an embodiment of the present inventionIn the operation condition A, the steady operation process was performed, and then the
[0026]
FIG. 4 shows a typical single cell voltage and a pressure difference of the anode with respect to the cathode (hereinafter referred to as a differential pressure) when the normal operation is resumed after stopping and starting from the normal operation under the present operation conditions.
[0027]
As the first comparison conditionMost of the operating conditions D are the same as the operating conditions A, but the differences are as follows.
[0028]
In the
[0029]
FIG. 7 shows the voltage of a typical single cell and the differential pressure of the anode with respect to the cathode when the stationary operation is performed again after stopping and starting from the stationary operation under the operating condition D as the first comparison condition.
[0030]
As the second comparison conditionMost of the operating conditions E are the same as the operating conditions A, but the differences are as follows.
[0031]
In the
[0032]
FIG. 8 shows the voltage of a typical single cell and the differential pressure of the anode with respect to the cathode when the steady operation is performed again after stopping and starting from the steady operation under the operation condition E as the second comparison condition.
[0033]
FIG.Figure 7 and FigureAs you can see in 8As an embodiment of the present inventionOperating conditionsAThen, even when stopping and starting, there is almost no voltage difference in the steady operation process before and after stopping and starting. For it,As the first comparison conditionUnder operating condition D, the voltage is greatly reduced, and by inserting air instead of fuel gasPower generationIt can be seen that the performance is greatly reduced. This is because the anode electrode is deteriorated by oxidation or the like. In particular, the reaction catalyst layer containing ruthenium becomes ruthenium oxide or the like and may be eluted.As the second comparison conditionUnder operating condition E, the voltage after stopping / starting is greatly reduced. City gas contains odorants and the like, which greatly impedes the power generation of the fuel cell, but the purified gas can be treated as an inert gas to the same extent as nitrogen. Nitrogen requires special equipment, but purified city gas is very convenient because it can be supplied to the system without any special equipment.
[0034]
【The invention's effect】
As aboveFuel cell system of the present inventionAccording toWithout special preparation such as nitrogen cylinders, easily reduce deterioration due to start and stop,Since it does not become a high voltage even in the open circuit state at the time of stop, it suppresses deterioration during start and stop and has a long lifeButIt can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a partial structure of a unit cell of a polymer electrolyte membrane fuel cell in Example 1 of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing the structure of a stack in which polymer electrolyte membrane fuel cells are stacked in Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a polymer electrolyte membrane fuel cell system in Example 1 of the present invention.
FIG. 4 is a time chart showing voltage and differential pressure under operating condition A in Experimental Example 1 in Example 1 of the present invention.
FIG. 5 is a time chart showing voltage and differential pressure under operating condition B in Example 1 of the experiment.
FIG. 6 is a time chart showing voltage and differential pressure under operating condition C in Example 1 of the experiment.
7 is a time chart showing voltage and differential pressure according to operating condition D in Example 1 of the experiment. FIG.
FIG. 8 is a time chart showing voltage and differential pressure under operating condition E in Experimental Example 1
FIG. 9 is a time chart showing voltage and anode / cathode electrode potential under operating condition J in Experimental Example 2 in Example 1 of the present invention.
FIG. 10 is a time chart showing the voltage under the operating condition K and the electrode potentials of the anode and the cathode in Example 2 of the experiment.
FIG. 11 is a time chart showing the voltage under the operating condition L and the electrode potentials of the anode and cathode in Example 2 of the experiment.
FIG. 12 is a time chart showing the voltage under the operating condition M and the electrode potentials of the anode and cathode in Experimental Example 2
FIG. 13 is a time chart showing the voltage under the operating condition N and the electrode potentials of the anode and the cathode in Example 2 of the experiment.
14 is a time chart showing the voltage under the operating condition O and the electrode potentials of the anode and the cathode in Example 2 of the experiment. FIG.
FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the control voltage and the increase in voltage before and after stop / start in Experimental Example 3 in Example 1 of the present invention.
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the sulfur concentration of the raw material gas and the deterioration of the generated voltage in Experimental Example 4 in Example 1 of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Electrolyte membrane
2a Catalytic reaction layer (anode side)
2c Catalytic reaction layer (cathode side)
3a Diffusion layer (anode side)
3c Diffusion layer (cathode side)
7a Separator (Anode side)
7c Separator (cathode side)
32 Gas Cleaner
35 Fuel generator
43 Power circuit
44 Control unit
Claims (1)
原料ガスから前記燃料電池に供給する前記燃料ガスを生成する燃料生成器と、
前記燃料電池に悪影響を与える成分を前記原料ガスから除去するガス清浄部と、
前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部と、
少なくともガスや前記電力回路部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、
前記燃料電池の停止時に、前記燃料ガスの供給を停止し、前記燃料電池内部の前記燃料ガスを前記燃料電池に対し不活性なガスでパージし、前記酸素含有ガスを流し、前記不活性なガスと前記酸素含有ガスを前記燃料電池内部にためたまま停止させ、
前記不活性なガスは、前記ガス清浄部で清浄化された前記原料ガスである、
ことを特徴とした燃料電池システム。An electrolyte membrane; a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane; and a pair of separators having a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxygen-containing gas to the other , a fuel cell equipped with a,
A fuel generator for generating the fuel gas supplied to the fuel cell from the raw material gas,
A gas cleaning unit for removing components adversely affecting the fuel cell from the raw material gas,
A power circuit unit for extracting power from the fuel cell;
A control unit for controlling at least gas and the power circuit unit,
In a fuel cell system having
When it stops the fuel cell stops the supply of the fuel gas, the fuel cell inside the fuel gas is purged with inert gas to said fuel cell, flowing the oxygen-containing gas, the inert gas the oxygen-containing gas is stopped while reservoir within the fuel cell and,
The inert gas is the source gas cleaned by the gas cleaning unit.
A fuel cell system characterized by that.
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