JP4687039B2 - Polymer electrolyte fuel cell system - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池の技術分野に属するものであり、特に固体高分子形燃料電池システムの停止方法に関するものである。 The present invention belongs to the technical field of fuel cells, and particularly relates to a method for stopping a polymer electrolyte fuel cell system.
燃料電池を停止した状態で、酸化剤極側に酸素含有ガスが残留していると、酸化剤極が酸素によって酸化劣化することが知られている。これに対して、従来の固体高分子形燃料電池システムでは、燃料電池の停止の際に、酸化剤極側への酸素含有ガスの供給を停止した状態で、燃料電池を発電させて酸化剤極側の酸素を消費する酸素消費処理を行っている。その後、酸化剤極側にパージ用ガスを存在させるパージ処理を行っている(例えば特許文献1)。 It is known that when an oxygen-containing gas remains on the oxidant electrode side with the fuel cell stopped, the oxidant electrode is oxidized and deteriorated by oxygen. In contrast, in the conventional polymer electrolyte fuel cell system, when the fuel cell is stopped, the supply of the oxygen-containing gas to the oxidant electrode side is stopped, and the fuel cell is generated to generate power. Oxygen consumption treatment is performed to consume oxygen on the side. Thereafter, a purge process is performed in which a purge gas is present on the oxidant electrode side (for example, Patent Document 1).
しかしながら、このような固体高分子形燃料電池システムでは、パージ処理のための圧力調整手段や体積収縮を緩和するための圧力調整手段を設ける必要があり、システム構成が複雑化する。また、長期間にわたって停止状態とすると、燃料電池に空気が混入した場合に酸化剤極の酸化劣化を抑制できないという問題点があった。 However, in such a polymer electrolyte fuel cell system, it is necessary to provide a pressure adjusting means for purging and a pressure adjusting means for alleviating volume shrinkage, which complicates the system configuration. Further, if the fuel cell is stopped for a long period of time, there is a problem in that oxidative deterioration of the oxidant electrode cannot be suppressed when air is mixed into the fuel cell.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、固体高分子形燃料電池システムの停止の際において、停止後に燃料電池の温度低下に起因する内圧低下や水の凝縮に起因する負圧の発生(体積収縮)による燃料電池への空気混入を防止し、酸化剤極の酸化劣化を抑制することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems. When the solid polymer fuel cell system is stopped, the internal pressure is reduced or the water is condensed due to the temperature drop of the fuel cell after the stop. The purpose of this is to prevent air from being mixed into the fuel cell due to the generation of negative pressure (volume shrinkage) caused by this, and to suppress oxidative deterioration of the oxidizer electrode.
この発明における固体高分子形燃料電池システムは、固体高分子電解質を挟んで対向する燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池と、燃料極に燃料ガスを供給するための燃料供給手段と、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、燃料電池と外部負荷とを接続するための接続部とを備え、当該燃料電池システムの停止手順を制御する制御手段が、燃料電池と外部負荷との接続を切断した後、燃料極と酸化剤極とに接続された内部放電負荷に燃料電池からの電流を流した状態で酸化剤ガスの供給を停止することにより酸化剤極に燃料ガスを発生させ、これに同期して燃料極を燃料ガスの供給によって昇圧することによって、燃料極及び酸化剤極を燃料ガスで昇圧するものである。 A polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell having a fuel electrode and an oxidant electrode facing each other across a solid polymer electrolyte, fuel supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode, An oxidant supply means for supplying an oxidant gas to the agent electrode, and a connection part for connecting the fuel cell and an external load, and a control means for controlling the stopping procedure of the fuel cell system are provided After disconnecting the load, the fuel gas is supplied to the oxidant electrode by stopping the supply of the oxidant gas while the current from the fuel cell is supplied to the internal discharge load connected to the fuel electrode and the oxidant electrode. The fuel electrode and the oxidant electrode are boosted with the fuel gas by increasing the pressure of the fuel electrode by supplying the fuel gas in synchronization with this.
この発明によれば、固体高分子形燃料電池システムの停止の際において、燃料極及び酸化剤極の空間を昇圧した水素雰囲気で密閉停止することにより、停止後の燃料電池の温度低下に起因する内圧低下や水の凝縮に起因する体積収縮が発生したとしても、燃料電池内が負圧になることはない。したがって、燃料電池内への空気の混入を防止でき、酸化剤極の酸化劣化を抑制することができる。 According to the present invention, when the solid polymer fuel cell system is stopped, the space between the fuel electrode and the oxidant electrode is hermetically stopped in a hydrogen atmosphere whose pressure has been increased, resulting in a decrease in the temperature of the fuel cell after the stop. Even if volume shrinkage due to a decrease in internal pressure or condensation of water occurs, the inside of the fuel cell does not become a negative pressure. Therefore, air can be prevented from being mixed into the fuel cell, and oxidative deterioration of the oxidant electrode can be suppressed.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による固体高分子形燃料電池システム(以下、燃料電池システムという)の概略図である。燃料電池システムは、固体高分子電解質を挟んで対向する燃料極2と酸化剤極9とを有する燃料電池(出力を高めるために単セルを複数積層したスタックが一般的)1、燃料極2に燃料ガスを供給するための燃料供給手段(改質器)3、燃料流路4、燃料入口開閉弁5、燃料排出流路6、燃料排出開閉弁7、燃料極2の圧力を検知する燃料極圧力検知手段8、酸化剤極9に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段10、酸化剤供給流路11、酸化剤入口開閉弁12、酸化剤排出流路13、酸化剤排出開閉弁14を備えている。また、燃料電池1にて発電された電力を消費する外部負荷50と当該燃料電池1とを接続するための外部接続部としてのパワーコンディショナ15、外部負荷50とは別に燃料極と酸化剤極とに接続された内部放電負荷16、これら外部負荷50と内部放電負荷16の接続を切り替えるための開閉器17、当該燃料電池システムの運転状況及び停止手順を制御する制御装置27を備えている。図1の破線矢印は、停止手順における制御装置27からも制御指令を示す。なお、燃料電池の冷却水系統や冷却水タンク、改質器3への燃料供給系統、センサなどについては図示を省略した。
FIG. 1 is a schematic diagram of a polymer electrolyte fuel cell system (hereinafter referred to as a fuel cell system) according to
燃料電池システムの動作について説明する。燃料電池1は温度を60〜80℃に保たれた状態である。燃料極2には、改質器3からの露点60〜70℃の燃料ガス(水素リッチガス)が燃料流路4を通って供給される。酸化剤極9には、酸化剤供給手段10からの露点70〜80℃の酸化剤ガスとしての空気が酸化剤供給流路11を通って供給される。そして、燃料電池1を外部負荷50と接合することで、発電が行なわれる。発電に使用されなかった空気は、酸化剤排出流路13を経由して排気される。一方、発電に使用されなかった燃料ガスは、燃料排出流路6を経由して改質器3のバーナに供給され燃焼する。
The operation of the fuel cell system will be described. The
続いて、この実施の形態における燃料電池システムの停止手順について説明する。図2は、停止手順のフロー図であり、この停止手順は、制御装置27からの制御指令に基づいて行なわれる。まず、開閉器17の接続を外部負荷50から内部放電負荷16へ切り替えて、酸化剤供給手段10を停止すると共に酸化剤入口開閉弁12と酸化剤排出開閉弁14を閉止する。これにより、酸化剤利用率は無限大に増加し、酸化剤極9内及び開閉弁12、14までの配管内にある空気中の酸素は消費される。このとき、水を生成するために湿潤した窒素雰囲気となり、燃料電池1の電圧は酸素の拡散律速による濃度分極の増大により0.1V以下にまで低下する。さらに、酸化剤極9内が電池反応に不活性な窒素雰囲気となるので、水素/水素の濃淡電池が形成されて酸化剤極9側に水素が発生する。これと同期して、燃料極排出開閉弁7を閉止し、燃料極圧力検知手段8で圧力を検知しながら、燃料極2側を所定の圧力まで昇圧する。このように、燃料電池1の燃料極2と酸化剤極9の両極が水素リッチガスで昇圧されることになる。
Next, the stop procedure of the fuel cell system in this embodiment will be described. FIG. 2 is a flowchart of the stop procedure, and this stop procedure is performed based on a control command from the
まず、酸化剤極9の昇圧について説明する。図3は、水素/水素の濃淡電池での水素発生に伴う酸化剤極9の圧力上昇を測定した結果であり、酸化剤極9が窒素雰囲気(ゲージ圧力0kPaとする)となってからの圧力変化を示している。このとき、燃料極2側圧力は所定の一定圧力(ゲージ圧力0.5kPaとする)で昇圧されている。図3より、酸化剤極9側圧力は、数秒のタイムラグで燃料極2側圧力に追いつくように圧力上昇することがわかる。さらにその後も水素は発生するので、酸化剤極9側が一段と高圧になる。
First, boosting of the
次に、燃料極2の昇圧方法、所定の昇圧圧力について説明する。通常、定常運転での改質器3へ供給する原料(例えば、都市ガスと水など)はゲージ圧10kPa〜20kPaで供給される。この原料供給圧力の範囲は、改質器3や燃料電池1等の圧力損失に依存するもので、特に改質器3内での水の蒸発による圧力損失のしめる割合は大きい。また、原料の供給可能圧力は、定常運転状態より余裕を持った設計がなされているのが一般的であり、比較的容易に原料供給圧力を上昇させることができる。燃料極排出開閉弁7を閉止すると、改質器3内の圧力と燃料極2の圧力は、この原料供給圧力まで上昇し、原料供給圧力を調整することで、昇圧圧力の調整が可能である。さらに、改質器3内の水の蒸発によって、原料の供給圧力と比較して改質器3内部の圧力は一段と加圧され、通常供給圧力の数倍まで加圧可能である。
Next, a method for boosting the
昇圧する所定の圧力とは、停止後の燃料電池1の温度低下と水分の凝縮による体積収縮を見越した圧力である。定常運転における燃料電池の温度75℃から停止後の保管温度25℃(大気圧101.3kPa)への温度低下を例に説明する。ボイル−シャルルの法則により、75℃における圧力は、(75℃+273℃)/(25℃+273℃)×101.3kPa=118.3kPaである。よって、75℃から25℃まで温度低下すると、17kPa(=118.3kPa−101.3kPa)のガス成分としての圧力降下が発生する。さらに、燃料電池1内の露点75℃(蒸気圧38.6kPa)から露点25℃(蒸気圧3.2kPa)まで温度低下するため、38.6kPa−3.2kPa=35.4kPaの水分の凝縮に伴う圧力降下が発生する。すなわち、この実施の形態では、17kPa+35.4kPa=52.4kPaの圧力降下が発生するから、燃料ガスによって52.4kPa以上の圧力の昇圧が必要となる。また、昇圧された燃料ガスの微少な漏れを考慮する場合は、さらにこの微少漏れ量を加味した昇圧を行なえばよい。
The predetermined pressure to be increased is a pressure in anticipation of volumetric shrinkage due to temperature decrease and moisture condensation of the
所定の圧力まで昇圧が終わると、改質器3を停止すると共に燃料極入口開閉弁5を閉止する。これにより、燃料電池1の燃料極2、酸化剤極9は水素リッチなガスで昇圧された状態で密閉され、燃料電池システムの運転を終了する。燃料電池システムが長期にわたって運転されない場合は、燃料極2と酸化剤極9に水素リッチガスを満たした状態で燃料電池1が保管されることになる。
When the pressure is increased to a predetermined pressure, the
このように、燃料極2及び酸化剤極9の空間を昇圧した水素雰囲気で密閉停止することにより、停止後の燃料電池1の温度低下や水分の凝縮に起因する体積収縮が発生したとしても、燃料電池1内が負圧になることはない。したがって、燃料電池1内への空気の混入を防止でき、酸化剤極9の酸化劣化を抑制することができる。また、燃料電池1を昇圧するための燃料極と酸化剤極の間の圧力差を低減する複雑な制御手段や機構を必要とせず、体積収縮を緩和するための圧力調整手段なども必要としない。なおかつ、昇圧密閉することから、開閉弁(通常、電磁弁など)の閉止性、信頼性を向上できる。
Thus, even if volume shrinkage due to a temperature drop or moisture condensation of the
実施の形態2.
図4は、実施の形態2による燃料電池システムの概略図である。この実施の形態は、実施の形態1の変形例として燃料極側と酸化剤極側を空間的に連結し、その際に酸化剤極の一酸化炭素による被毒を防止するための工夫が施されたものである。
FIG. 4 is a schematic diagram of a fuel cell system according to the second embodiment. In this embodiment, as a modification of the first embodiment, the fuel electrode side and the oxidant electrode side are spatially connected, and at that time, a device for preventing poisoning of the oxidant electrode by carbon monoxide is applied. It has been done.
図4において、燃料流路4と酸化剤供給流路11を連結した連結管18、連結管18を遮断するための連結遮断開閉弁19、酸化剤極9から燃料極2方向への流れを持つ逆止弁20を備えている。ここで、燃料極2側と酸化剤極9側を単に空間的に連結すると、改質器3からの改質ガス中に含まれる微量な一酸化炭素が酸化剤9極にも流通することとなる。通常、燃料極2側は一酸化炭素被毒に耐性のある触媒が用いられるが、酸化剤極9側は一酸化炭素による被毒を考慮する必要はない。しかしながら、燃料極2側と酸化剤極9側を連結する場合においては、酸化剤極9側の触媒にも一酸化炭素被毒の耐性を持つものが必要になるが、これはまだ実用化されていない。そこで、この実施の形態では、燃料極2から酸化剤極9への一酸化炭素の流通を防止するため、逆止弁20が設けられている。
In FIG. 4, a connecting
この実施の形態における燃料電池システムの停止手順について説明する。システム運転中、連結遮断開閉弁19は閉止し、燃料極2と酸化剤極9は遮断されている。水素/水素の濃淡電池が形成され水素が発生するまでは、実施の形態1と同様である。水素が発生するのと同期して、燃料極排出開閉弁7を閉止、連通遮断開閉弁19を開とする。燃料極圧力検知手段8で圧力を検知しながら、燃料極側を所定の圧力まで昇圧する。
A stop procedure of the fuel cell system in this embodiment will be described. During the system operation, the
図3の水素/水素の濃淡電池での酸化剤極9の圧力上昇からわかるように、燃料極2側圧力は所定の圧力(ゲージ圧力0.5kPa)で一定とすると、酸化剤極9側圧力は数秒のタイムラグで燃料極2側圧力に追いつくように圧力上昇し、さらに燃料極2側圧力以上に上昇する。連通遮断開閉弁19を開とすることで、逆止弁20を経由して、酸素極9側から燃料極2へ純水素と窒素が流通し、酸化剤極9と燃料極2の圧力差を低減しながら、水素/水素の濃淡電池による圧力上昇を昇圧に利用する。所定の圧力まで昇圧が終わると、改質器3を停止すると共に燃料極入口開閉弁5を閉止する。これにより、燃料電池1の燃料極2、酸化剤極9は水素リッチなガスで昇圧された状態で密閉され、燃料電池システムの運転を終了する。燃料電池システムが長期にわたって運転されない場合は、燃料極2と酸化剤極9に水素リッチガスを満たした状態で燃料電池1が保管されることになる。
As can be seen from the increase in the pressure of the
このように、酸化剤極9から燃料極2方向への流れを持つ逆止弁20を備えたので、水素/水素の濃淡電池による昇圧を利用でき、昇圧による酸化剤極9と燃料極2の圧力差を低減でき、なおかつ、酸化剤極9は純水素により昇圧されるので、酸化剤極9の改質ガス中の一酸化炭素による被毒が防がれ、燃料極2、酸化剤極9の空間を昇圧した水素雰囲気で密閉停止することにより、停止後の燃料電池1の温度低下や水分の凝縮に起因する体積収縮が発生したとしても、燃料電池1内が負圧になることはない。したがって、燃料電池1内への空気の混入を防止でき、酸化剤極9の酸化劣化を抑制することができる。
Thus, since the
実施の形態3.
図5は、実施の形態3による燃料電池システムの概略図である。この実施の形態は、実施の形態1の変形例として熱交換器や加湿器を設けたものである。図5において、燃料極排出流路6に凝縮水回収用のアノード熱交換器21、酸化剤供給流路11に温度・湿度全熱交換型加湿器22と凝縮水回収用のカソード熱交換器23を備えている。アノード熱交換器21は、燃料電池1から排出された燃料ガスから熱と水分を回収するものであり、とくに水分を除去することで改質器3の燃焼温度の低下を防止できる。温度・湿度全熱交換型加湿器22は、燃料電池1から排出された空気から水分を回収し、その水分で燃料電池1に供給される空気を加湿するものである。この供給空気を加湿すると、燃料極2と酸化剤極9に挟まれた固体高分子電解質に水分が供給され、固体高分子電解質にイオン伝導性が与えられる。カソード熱交換器23は、燃料電池1から排出された空気から熱と水分を回収するものである。このような構成では、燃料極排出開閉弁7をアノード熱交換器21の下流側に備え、酸化剤排出開閉弁14をカソード熱交換器23の下流側に備えている。さらに、酸化剤排出流路13を酸化剤供給流路11に戻すための循環用配管24と循環用ポンプ25と循環遮断弁26を備えている。
FIG. 5 is a schematic diagram of a fuel cell system according to the third embodiment. In this embodiment, a heat exchanger or a humidifier is provided as a modification of the first embodiment. In FIG. 5, an anode heat exchanger 21 for collecting condensed water is disposed in the fuel
この実施の形態における燃料電池システムの停止手順について説明する。開閉器17の接続を外部負荷50から内部放電負荷16へ切り替えて、酸化剤供給手段10を停止すると共に酸化剤入口開閉弁12と酸化剤排出開閉弁14を閉止し、循環遮断弁26を開として循環用ポンプ25を作動する。これにより、酸化剤利用率は無限大に増加し、酸化剤極9内と温度・湿度全熱交換型加湿器22内とカソード熱交換器23内にある空気中の酸素は消費される。このとき、水を生成するために湿潤した窒素雰囲気となる。その後は、実施の形態1と同様な方法で、燃料極2、酸化剤極9、アノード熱交換器21、温度・湿度全熱交換器方加湿器22、カソード熱交換器23、循環用配管24の全空間を昇圧した水素雰囲気で密閉停止する。
A stop procedure of the fuel cell system in this embodiment will be described. The connection of the
このように、アノード熱交換器21、カソード熱交換器23の下流側にそれぞれ排出開閉弁7、14を備えたので、燃料極2、酸化剤極9、アノード熱交換器21、温度・湿度全熱交換器型加湿器22、カソード熱交換器23の全空間を、昇圧した水素雰囲気で密閉停止する。これら熱交換器21、23や加湿器22は、燃料電池1の運転温度より低い温度・露点で運用されており、温度低下や水の凝縮による圧力降下が燃料電池1より少ない。この場合、燃料極2と酸化剤極9の空間だけを昇圧した実施の形態1と比較して、昇圧空間の体積の増大と温度低下や水の凝縮による圧力降下の減少との相乗効果によって、昇圧圧力を大幅に緩和できる。そのため、ガスシール部などからの微量の燃料ガス漏れに対する耐性が向上する。さらに、燃料電池1や配管等の耐圧設計を低く見積もることができ、設計自由度が向上する。
As described above, since the discharge on-off
また、実施の形態3では、熱交換器21、23や加湿器22を昇圧空間として利用する場合について示したが、密閉空間に昇圧空間用のバッファを設けても同様な効果が得られる。また、この実施の形態3で示した熱交換21、23や加湿器22を設けることは、実施の形態2の変形例として実施してもよい。
In the third embodiment, the case where the
1 燃料電池、2 燃料極、3 燃料供給手段、4 燃料流路、5 燃料入口開閉弁、6 燃料排出流路、7 燃料排出開閉弁、8 燃料極圧力検知手段、9 酸化剤極、10 酸化剤供給手段、11 酸化剤供給流路、12 酸化剤入口開閉弁、13 酸化剤排出流路、14 酸化剤排出開閉弁、15 外部接続部、16 内部放電負荷、17 切り替え開閉器、18 連通管、19 連通遮断開閉弁、20 逆止弁、21 アノード熱交換器、22 温度・湿度全熱交換型加湿器、23 カソード熱交換器、24 循環用配管、25 循環用ホンプ、26 循環遮断弁、50 外部負荷。
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