JP4852241B2 - Operation method of fuel cell power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a method for operating a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation system.
燃料電池発電システムは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換し外部へ取り出す発電装置である。燃料電池発電システムは比較的小型であるにもかかわらず高効率で、環境性に優れるという特徴を持つ。また、発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コジェネレーションシステムとしての適用が可能である。燃料電池本体は電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、一般家庭用を視野に入れた小型コジェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。 The fuel cell power generation system supplies fuel such as hydrogen and oxidant such as air to the fuel cell body and reacts them electrochemically, thereby converting the chemical energy of the fuel directly into electrical energy and taking it out. Device. The fuel cell power generation system is characterized by being highly efficient and environmentally friendly despite being relatively small. Moreover, it can be applied as a cogeneration system by collecting heat generated by power generation as hot water or steam. Fuel cell main bodies are classified into various types depending on the difference in electrolyte, etc., but solid polymer fuel cells using a solid polymer electrolyte membrane as the electrolyte are characterized by low temperature operability and high output density. It is suitable for use as a power source for small cogeneration systems and electric vehicles with a view to general household use, and the market size is expected to expand rapidly in the future.
この固体高分子形燃料電池発電システムは、一般家庭用の小型コジェネレーションシステムを例にとると、都市ガスやLPG等に代表される炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質装置、改質装置で製造された水素含有ガスと大気中の空気を燃料極及び酸化剤極にそれぞれ供給して起電力を発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給する電気制御装置、及び発電に伴う発熱を回収する熱利用系で構成されている。このように、燃料電池発電システムの運転には燃料の投入が前提となるため、燃料投入量に対する発電量で定義される発電効率が高いほど、燃料使用量の削減が実現でき、ユーザーメリットが高くなる。したがって、発電効率が燃料電池発電システムの性能を示す指標となっている。 This polymer electrolyte fuel cell power generation system is, for example, a reformer, a reformer that produces hydrogen-containing gas from hydrocarbon fuels typified by city gas, LPG, etc. The fuel cell stack that generates the electromotive force by supplying the hydrogen-containing gas and air in the atmosphere produced by the gas generator to the fuel electrode and the oxidant electrode, and the electricity that supplies the electric energy generated by the fuel cell stack to the external load It is comprised by the heat utilization system which collect | recovers the heat_generation | fever accompanying a control apparatus and electric power generation. In this way, fuel operation is premised on the operation of the fuel cell power generation system. Therefore, the higher the power generation efficiency defined by the amount of power generated relative to the amount of fuel input, the lower the amount of fuel used and the higher the user merit. Become. Therefore, the power generation efficiency is an index indicating the performance of the fuel cell power generation system.
ところで、この燃料電池発電システムにおいて実際に発電機能を担っている燃料電池スタックは運転に伴う様々な要因により経時的に電圧が低下し、結果として発電効率が低下するという問題がある。すなわち、燃料電池スタックの経時的な電圧低下を抑制することが、発電効率の高い燃料電池発電システムを提供する上で、最も重要なポイントとなっている。 By the way, the fuel cell stack that actually has a power generation function in this fuel cell power generation system has a problem that the voltage decreases with time due to various factors associated with the operation, resulting in a decrease in power generation efficiency. That is, suppressing the voltage drop with time of the fuel cell stack is the most important point in providing a fuel cell power generation system with high power generation efficiency.
燃料電池スタックにおける電圧低下の最も大きな要因として、酸化剤極触媒の活性低下に起因する活性化分極の増大がある。燃料電池スタックの酸化剤極には通常白金微粒子をカーボン粒子に担持したカーボン担持白金触媒が一般的に用いられている。白金触媒を代表とする酸化剤極の触媒は酸化剤の供給に伴って酸化皮膜が生成し、徐々に触媒活性が低下する。そこで、酸化剤極の触媒活性を回復させることにより燃料電池スタックの電圧低下を抑制する方法が種々提案されている。 The greatest cause of the voltage drop in the fuel cell stack is an increase in activation polarization due to a decrease in the activity of the oxidant electrode catalyst. A carbon-supported platinum catalyst in which platinum particles are supported on carbon particles is generally used for the oxidant electrode of the fuel cell stack. The catalyst of the oxidant electrode represented by a platinum catalyst generates an oxide film with the supply of the oxidant, and the catalytic activity gradually decreases. Accordingly, various methods for suppressing the voltage drop of the fuel cell stack by restoring the catalytic activity of the oxidant electrode have been proposed.
例えば、特許文献1特公平8−24050(特許文献1)には、燃料電池発電システムの発電中に負荷電流を低下させることなく燃料電池スタックに供給する酸化剤極供給不足の状態にすることで燃料電池スタックの電圧を回復させる方法が記載されている。特許文献2WO 01/0158(特許文献2)には、燃料電池発電中に間欠的にあるいは局所的に酸化剤を欠乏させて、電圧低下を抑制させる方法が記載されている。また、特許文献3特許第3460793号(特許文献3)には燃料電池を起動時に短絡させることで、電池電圧を0V以上0.3V以下に1〜10秒間強制的に低下させ、CO被毒を解消する方法が記載されている。特許文献3に記載された方法は、燃料電池に固定抵抗を接続(短絡)して、負荷電流密度を増大させ、燃料極の過電圧の上昇により吸着したCOを酸化除去するというものであるが、結果としては負荷電流密度の上昇に伴い、酸化剤の欠乏が生じるため特許文献1及び特許文献2の技術と同様な効果も得られることが予想される。すなわち、上記特許文献1乃至3に記載された方法は、酸化剤極へ供給する酸化剤を欠乏させることにより酸化剤極の電位を一時的に低下させ、燃料電池スタックの電圧を回復させる点で共通した方法である。これらの酸化剤を欠乏させる方法では、酸化剤極電位の低下によって酸化剤極触媒の酸化皮膜が還元によって除去され、酸化剤極の触媒活性の改善に伴う電圧の回復が可能となる。
燃料電池の性能に大きな影響を与える酸化剤極の触媒活性低下の要因として、酸化剤による触媒の酸化皮膜の生成だけでなく、反応ガスや燃料電池の構成部材に起因する触媒への不純物分子の吸着も挙げられる。しかしながら、酸化剤極に供給する酸化剤を欠乏させる電圧回復方法を用いた場合には、酸化剤極の酸化皮膜除去による効果に限定されるため、従来の技術では燃料電池スタックの経時的な電圧低下を十分に抑制できないという課題があった。 Factors that reduce the catalytic activity of the oxidant electrode, which has a significant effect on the performance of the fuel cell, include not only the formation of an oxide film on the catalyst by the oxidant, but also the presence of impurity molecules in the catalyst caused by the reaction gas and fuel cell components Adsorption is also mentioned. However, when using a voltage recovery method in which the oxidant supplied to the oxidant electrode is depleted, it is limited to the effect obtained by removing the oxide film from the oxidant electrode. There was a problem that the decrease could not be sufficiently suppressed.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、長期に亘り燃料電池スタックの電圧回復効果を持続し、優れた電圧低下抑制効果を発揮する燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and maintains the voltage recovery effect of the fuel cell stack over a long period of time, and the fuel cell power generation system operating method and fuel cell power generation exhibiting an excellent voltage drop suppression effect. The purpose is to provide a system.
前記目的を達成するため、請求項1に対応する発明は、電解質を挟んで配置した燃料極及び酸化剤極に燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池を備え、該発電出力を負荷に供給可能な燃料電池発電システムをおいて、前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の出力電圧を0.01V未満とする第1の操作手順と、前記第1の操作手順の直後に前記負荷に供給する電流を前記第1の操作手順前の負荷電流よりも低減させる第2の操作手順を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法である。
In order to achieve the above object, the invention corresponding to
本発明によれば、長期に亘り燃料電池スタックの電圧回復効果を持続し、優れた電圧低下抑制効果を発揮する燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the operating method of a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation system which maintain the voltage recovery effect of a fuel cell stack over a long period of time and exhibit the outstanding voltage drop suppression effect can be provided.
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
(構成)
図1は本発明による燃料電池発電システムの第1の実施形態を示す燃料電池発電システムの構成図であり、図中の実線はガス配管、破線は電気配線の結線図をそれぞれ示している。
(First embodiment)
(Constitution)
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system showing a first embodiment of a fuel cell power generation system according to the present invention, in which solid lines indicate gas piping, and broken lines indicate connection diagrams of electrical wiring.
この実施形態は、電解質を挟んで配置した燃料極1a及び酸化剤極1bに燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して発電する燃料電池(燃料電池スタック)1を備え、該発電出力を電気制御装置3を介して外部負荷7に供給可能な燃料電池発電システムにおいて、次に述べる構成を具備したものである。
This embodiment includes a fuel cell (fuel cell stack) 1 that generates power by supplying fuel and an oxidant to a
酸化剤極1aの電位を例えば測定により求める第1の手段例えば電位検出器8と、電位検出器8により検出した酸化剤極1bの電位を燃料極1bの水素標準電位近傍まで低下させた直後に、酸化剤極1bの電位を通常発電時の電位よりも高い電位まで上昇させる、いわゆる電圧回復操作機能を備えた第2の手段例えばシステム制御装置10を具備したものである。
Immediately after the potential of the
システム制御装置10は、例えばマイコンで構成され、この内部に有するメモリに燃料電池発電システムの運転に必要なプログラムが格納され、また改質装置2及び空気ブロワ5に対して制御指令が与えられるようになっている。さらに、システム制御装置10は、燃料電池1を外部負荷7に対して接続又は切離し(遮断)させるための指令が与えられるようになっている。
The
燃料極1aに供給する燃料は、例えば都市ガス4を改質装置2により改質して得られる改質水素ガスを使用している。酸化剤極1bに供給する酸化剤は、例えば空気6を空気ブロワ5により吹き付けられる空気からなる酸化剤ガスを使用している。
As the fuel supplied to the
なお、酸化剤極1aの電位は、電位検出器8により測定せず、燃料電池1の平均セル電圧(出力電圧)を基にして演算するようにしてもよい。
The potential of the
(作用)
このように構成された燃料電池発電システムにおける作用について、図2のフローチャート及び図3のタイムチャートを参照して説明する。このシステムにおける、燃料中の水素濃度は、例えばドライベースで78%、酸化剤極1bへ供給する空気中に含まれる不純物の平均濃度は硫黄酸化物が体積換算で例えば18ppb、窒素酸化物が例えば46ppbとなっている。
(Action)
The operation of the fuel cell power generation system configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG. 2 and the time chart of FIG. In this system, the hydrogen concentration in the fuel is, for example, 78% on a dry basis, the average concentration of impurities contained in the air supplied to the
このようなシステムにおいて、通常発電時に負荷電流密度を0.2A/cm2一定となるように電気制御装置3で負荷7に供給する電力を制御して発電している際に、例えば100時間経過毎に発電を中断して以下に示すような電圧回復操作が実施される。まず、燃料極1aに改質装置2からの改質ガスを供給した状態で、酸化剤極1bへの酸化剤(空気)を停止し(S1)、かつ負荷電流密度を0.2A/cm2一定の条件で発電を継続した。次に酸化剤極の電位Pが燃料極の標準電位PL以下になるかどうかをマイコンの演算処理回路が判断し(S2)、該条件を満たしたと判断したとき、負荷を遮断し(S3)、酸化剤の供給を再開する(S4)。その後、酸化剤極の電位Pが通常発電時の電位PH以上になるかどうかを演算処理回路が判断し(S5)、該条件を満たしたとき、電気制御装置3に対して接続指令を与えて燃料電池1と負荷7を再び接続する(S6)。
In such a system, for example, 100 hours have elapsed when power is supplied to the
(効果)
以上のような電圧回復操作が行われることで、燃料電池1の電圧低下速度を低減できるので、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑制できる。この結果、長期に亘り燃料電池スタックの電圧回復効果を持続し、優れた電圧低下抑制効果を発揮する燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムを提供することができる。
(effect)
By performing the voltage recovery operation as described above, the voltage drop rate of the
(第2の実施形態)
(構成)
図4は本発明による燃料電池発電システムの第2の実施形態を示す燃料電池発電システムの構成図であり、図中の実線はガス配管、破線は電気配線の結線図をそれぞれ示している。この実施形態は、図1に示す燃料電池(燃料電池スタック)1の出力電圧を検出する電圧検出手段例えば電圧検出器9を設け、この電圧検出器9の検出値を、図1のごとき例えばマイコンからなるシステム制御装置10aに入力させ、システム制御装置10a内で所定の演算処理を行い、その演算処理結果により、改質装置2、空気ブロワ5に対して指令を与えたり、電気制御装置3に指令を与えるように構成したものである。
システム制御装置10aは、燃料電池1の発電中に、酸化剤極1に供給する酸化剤の流量を低減または停止することにより、電圧検出器9で検出された燃料電池の出力電圧を0V近傍とし、この直後に酸化剤を復帰させると共に負荷7を遮断することにより、燃料電池1の出力電圧を所定電圧以上とする燃料電池電圧可変手段である。
(Second Embodiment)
(Constitution)
FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system showing a second embodiment of the fuel cell power generation system according to the present invention, in which a solid line indicates a gas piping and a broken line indicates a connection diagram of electric wiring. This embodiment is provided with voltage detection means, for example, a
The
(作用)
このように構成された燃料電池発電システムにおける作用について、図5のフローチャート及び図6のタイムチャート並びに図7、図8の特性図を参照して説明する。ここで、燃料中の水素濃度はドライベースで78%、酸化剤極へ供給した空気中に含まれる不純物の平均濃度は硫黄酸化物が体積換算で18ppb、窒素酸化物が46ppbであった。
上記構成の燃料電池発電システムにおいて、通常発電時に負荷電流密度を0.2A/cm2一定となるように電気制御装置3で負荷7に供給する電力を制御して発電している際に、100時間経過毎に発電を中断して以下に示すような電圧回復操作を行うものである。まず、燃料電池1に燃料極に燃料(改質ガス)を供給した状態で、酸化剤極1bへの酸化剤供給停止し(S1)、負荷電流密度を0.2A/cm2一定の条件で発電を継続した。次に燃料電池1の平均セル電圧が最低電圧設定値VL(=0.01V)以下になるかを、パソコンに有する演算回路が判断する(S7)。該条件を満足したと判断した場合には電気制御装置3に対して指令を与えて燃料電池1から負荷を遮断し(S3)、酸化剤の供給を再開する(S4)。その後、燃料電池1の平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.96V)以上となるかを判断する(S8)。該条件を満足したとき、発電を再開して、電気制御装置3に指令を与えて燃料電池1に負荷を接続し、電流密度を0.2A/cm2一定となるように制御する(S6)。
(Action)
The operation of the fuel cell power generation system configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG. 5, the time chart of FIG. 6, and the characteristic diagrams of FIGS. Here, the hydrogen concentration in the fuel was 78% on a dry basis, and the average concentration of impurities contained in the air supplied to the oxidant electrode was 18 ppb in terms of volume for sulfur oxide and 46 ppb for nitrogen oxide.
In the fuel cell power generation system configured as described above, when the electric power supplied to the
次に上記構成の燃料電池発電システムについて、通常の動作を説明する。燃料電池1が発電状態、すなわち発電中(燃料電池発電状態とは、燃料極1aに水素リッチな改質ガス、酸化剤極1bに酸化剤をそれぞれ供給し、かつ負荷7に対して電力を供給している状態を意味する)にあるとき、酸化剤極1bへ供給する酸化剤を停止すると、燃料電池1の平均セル電圧は低下する。平均セル電圧が最低電圧設定値VL(=0.01V)未満まで低下した後、負荷7を遮断して酸化剤の供給を再開すると、開回路電圧近傍の最高電圧設定値VH(=0.96V)になるまで負荷7に対する電力供給開始を待機され、燃料電池1の平均セル電圧は0.96Vまで上昇する。すなわち、本実施形態では、燃料電池1の電圧は操作前電圧VRから0.01Vまで低下した後、0.96Vまで上昇する。
Next, normal operation of the fuel cell power generation system configured as described above will be described. The
ここで、燃料電池1の平均セル電圧は酸化剤極1bの電位と燃料極1aの電位の差の平均値と等価であるため、酸化剤極1bの電位は平均セル電圧から燃料極電位を差し引いた値となる。上記操作では、燃料極1aには十分な水素が供給されているため燃料極電位は水素基準電位換算でほぼ0V近傍である。したがって、酸化剤極電位は水素基準電位換算とした場合には平均セル電圧の変化とほぼ等しく、操作前のVRから0.01V近傍まで低下したのち0.96V近傍まで変化する。酸化剤極の電位変化と各種操作のタイミングチャートを図6に示す。
Here, since the average cell voltage of the
ここで、燃料電池1の酸化剤極1aの電位変化量に注目し、電位変化量を大きくすることで、燃料電池1の酸化剤極1bに吸着した不純物分子を脱着できることを見出した。その一例を図7に示す。図7は、不純物分子の中でも電池特性に与える影響の大きい二酸化硫黄を含有する空気を酸化剤極に供給して200時間発電した後、回復操作時のセル電圧の変化量と触媒被覆率の関係を示したものである。なお、加速評価のため、空気中に含まれる硫黄酸化物濃度の環境基準値(一日平均40ppb)を考慮し、空気中の二酸化硫黄濃度をドライベースで40ppbとした。図7に示したように、燃料極に水素リッチガスを供給した状態におけるセル電圧の変化量が大きいほど、すなわち酸化剤極電位の変化が大きいほど、酸化剤極の触媒に吸着した不純物分子が酸化除去され、触媒の活性が回復することがわかる。
Here, paying attention to the potential change amount of the
ここでは、二酸化硫黄を代表に作用を説明したが、他の硫黄化合物や窒素酸化物、アンモニア、有機溶媒等においても同様の効果が得られる。 Here, the action has been described with sulfur dioxide as a representative, but the same effect can be obtained with other sulfur compounds, nitrogen oxides, ammonia, organic solvents, and the like.
従って、本実施形態によれば、回復操作時の酸化剤極の電位変化量を1セル当たり0.95V程度まで増大させることができるので、酸化剤極に吸着した不純物分子の脱着が促進され、酸化剤極の触媒活性を回復させることができる。 Therefore, according to the present embodiment, since the potential change amount of the oxidant electrode during the recovery operation can be increased to about 0.95 V per cell, the desorption of impurity molecules adsorbed on the oxidant electrode is promoted, The catalytic activity of the oxidizer electrode can be recovered.
(効果)
図8は、本実施形態の効果を示す図であり、燃料電池1の平均セル電圧の時間変化を示したものである。また、従来例として、燃料電池1の発電中に酸化剤を停止して電圧を0V近傍まで低下させた後、直ちに通常発電に移行した場合の平均セル電圧の時間変化も合わせて示した。従来例の場合、回復操作による電圧変化量は1セル当たり0.8V程度であった。図8から明らかなように、従来例(破線で示す)の電圧低下速度は1時間あたり17.0μVであるのに対し、本実施形態(実施例:実線で示す)の電圧低下速度は1時間あたり8.94μVとなり、従来例と比較して53%に低減させることができた。すなわち本実施形態により、燃料電池1の電圧低下速度を低減できるので、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑制できる。
(effect)
FIG. 8 is a diagram showing the effect of the present embodiment, and shows the time variation of the average cell voltage of the
本実施形態では、電圧低下速度を同一条件で比較するために負荷電流密度を一定にした例を示したが、必ずしも負荷電流密度を一定にする必要はなく、負荷電流が変動する燃料電池システムにおいても同様な効果が得られる。 In the present embodiment, an example in which the load current density is made constant in order to compare the voltage drop speed under the same condition is shown, but it is not always necessary to make the load current density constant, and in the fuel cell system in which the load current fluctuates. The same effect can be obtained.
(第2の実施形態の変形例)
図9は、前述した第2の実施形態の変形例を説明するためのフローチャートであり、概略次の2つの操作手順を含む運転方法である。すなわち、燃料電池1の発電中に燃料電池1の出力電圧を0V近傍とする第1の操作手順と、第1の操作手順の直後に負荷に供給する電流を第1の操作手順前の負荷電流よりも低減させる第2の操作手順を含む燃料電池発電システムの運転方法である。
(Modification of the second embodiment)
FIG. 9 is a flowchart for explaining a modified example of the above-described second embodiment, and is a driving method including the following two operation procedures. That is, the first operating procedure for setting the output voltage of the
このことについて、図9を参照して具体的に説明する。燃料電池1に燃料極1aに燃料(改質ガス)を供給した状態で酸化剤極1bの酸化剤(空気)を停止し(S1)、負荷電流密度を0.2A/cm2一定の条件で発電を継続した。次に燃料電池1の平均セル電圧が最低電圧設定値VL(=0.01V)を以下になるかどうかを判断する(S7)。これまでの操作手順は、図5と同じである。S7において、電池電圧が最低電圧設定値VLを下回った後に、負荷電流を0.01A/cm2に低減させた後、酸化剤供給を再開する(S7a)。その後、燃料電池1の平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.90V)を超えるかどうかを判断する(S8)。 平均セル電圧が最高電圧設定値VH上回った後に電気制御装置3にて負荷電流設定を行う。この場合、電流密度を0.2A/cm2一定となるように制御する(S8a)。
This will be specifically described with reference to FIG. With the fuel (reformed gas) supplied to the
以上のような運転方法を実施することで、酸化剤電位の変化量が約0.9Vであり、第2の実施形態と比較すると若干小さいが、第2の実施形態とほぼ等しい作用効果が得られる。ここで示した変形例は、電圧回復操作時に負荷電流を遮断しない運転方法についてであり、この変形例も本発明に包含されることは言うまでもない。 By carrying out the operation method as described above, the amount of change in the oxidant potential is about 0.9 V, which is slightly smaller than that of the second embodiment, but has the same effect as that of the second embodiment. It is done. The modification shown here is an operation method that does not cut off the load current during the voltage recovery operation, and it goes without saying that this modification is also included in the present invention.
(第3の実施形態)
(構成)
図10に示すように、第2の実施形態に固定抵抗11及びスイッチ12a、 12bを具備し、スイッチ12a、 12bの開閉をシステム制御装置10aにより、負荷7と固定抵抗11の切り替えを可能な構成にしたものである。
(Third embodiment)
(Constitution)
As shown in FIG. 10, the second embodiment includes the fixed
このように構成することにより、第2の実施形態と同様に通常発電時に負荷電流密度を0.2A/cm2一定となるように電気制御装置3で負荷7に供給する電力を制御して発電している際に、100時間経過毎に通常発電を中断して以下に示すような電圧回復操作を実施した。
With this configuration, as in the second embodiment, the electric power supplied to the
(作用)
図11に示すように燃料電池1に燃料極1aに、燃料(改質ガス)、酸化剤極1aに酸化剤(空気)をそれぞれ供給した状態で、外部負荷7を遮断(S9)、固定抵抗8を接続する(S10)。次に酸化剤極1bへの酸化剤を停止し(S1)、その後燃料電池1の平均セル電圧が最低電圧設定値VL(=0.01V)を以下になるかどうかを、システム制御装置10aが備えている演算回路が判断する(S7)。
(Action)
As shown in FIG. 11, with the
平均セル電圧が最低電圧設定値VLを下回った後に、固定抵抗11を遮断し(S11)、酸化剤供給を再開する(S4)。その後、燃料電池1の平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.96V)を上回るかどうかを前記演算回路が行う(S8)。平均セル電圧が最高電圧設定値VHを上回ったことを判断すると、燃料電池1の発電を再開して、電気制御装置3にて電流密度を0.2A/cm2一定となるように制御する。
After the average cell voltage falls below the minimum voltage set value VL , the fixed
(効果)
以上のような電圧回復操作手順を実施すると、固定抵抗11に接続して酸化剤極1bの残留酸素を消費させる際に燃料電池1の起電力の低下に伴って負荷電流が自然に低減するので、負荷電流の制御が不要となり、電気制御装置3の制御の簡素化が可能となる。これ以外の作用効果は前述の第2の実施形態と同様である。
(effect)
When the voltage recovery operation procedure as described above is performed, the load current is naturally reduced as the electromotive force of the
(第4の実施形態)
(構成)
本実施形態は、前述した第2の実施形態と類似しており、異なる点は図12に示す電気制御装置3aの構成であり、それ以外の点は第2の実施形態と同一である。電気制御装置3aは、燃料電池1の起電力が低い場合にも所定の電流を強制的に流す機能を備えた強制電流モード付き電気制御装置である。
(Fourth embodiment)
(Constitution)
The present embodiment is similar to the above-described second embodiment. The difference is the configuration of the
(作用)
図13はその作用を説明するための図である。図12に示すシステム制御装置10aにより、前述の実施形態と同様に電圧回復操作手順を実施すると、酸化剤極1bへの酸化剤停止後(S1)も燃料電池の起電力に関係なく一定負荷電流を流すことが可能となる。
(Action)
FIG. 13 is a diagram for explaining the operation. When the
(効果)
従って、酸化剤極1bの残存酸素の消費速度が速まり、その結果操作に要する時間の短縮化が可能となる。
(effect)
Therefore, the rate of consumption of residual oxygen in the
なお、残存酸素が消費された時の燃料電池の平均セル電圧はそのときの負荷電流によって決まる燃料極の過電圧相当分だけ0Vよりも下回る電圧に保持される。 Note that the average cell voltage of the fuel cell when the residual oxygen is consumed is maintained at a voltage lower than 0 V by an amount corresponding to the overvoltage of the fuel electrode determined by the load current at that time.
(第5の実施形態)
(構成)
図14は本発明による燃料電池発電システムの第5の実施形態を示す構成図であり、図中の実線はガス配管、破線は電気配線の結線図をそれぞれ示している。前述の第2の実施形態の燃料電池発電システムにおいて、直流電圧発生装置13及びスイッチ14を具備し、
直流電圧発生装置13の負極13a及び正極13bを、燃料電池1の燃料極1a及び酸化剤極1bにそれぞれ接続可能な構成とし、スイッチ14をシステム制御装置10aにより
開閉を行うようにしたものである。
(Fifth embodiment)
(Constitution)
FIG. 14 is a block diagram showing a fifth embodiment of the fuel cell power generation system according to the present invention, in which solid lines indicate gas piping, and broken lines indicate connection diagrams of electrical wiring. In the fuel cell power generation system of the second embodiment described above, the
The
この実施形態のシステム制御装置10aは、燃料電池1の発電中に、酸化剤極1bに供給する酸化剤の流量を低減または停止することにより、電圧検出器9で検出された燃料電池の出力電圧を0V近傍とし、この直後に前記負荷を遮断すると共に、燃料電池1に直流電圧発生装置13を接続することにより燃料電池1の出力電圧を所定電圧以上とする燃料電池電圧可変手段である。
The
(作用)
このように構成された第5の実施形態の作用について、図15のフローチャート、図16のタイムチャート、図17の特性図により説明する。図14に示す構成の燃料電池発電システムにおいて、通常発電時には負荷電流密度を0.2A/cm2一定となるように電気制御装置3で負荷7に供給する電力を制御し制御して発電している際に、100時間経過毎に通常発電を中断して以下に示すような電圧回復操作手順を実施した。まず、燃料電池1の燃料極1aに燃料を供給した状態で、酸化剤の供給を停止し(S1)、負荷電流密度を0.2A/cm2一定の条件で発電を継続する。次に燃料電池1の平均セル電圧が最低電圧設定値VL(=0.01V)以下になるかどうかを前述した演算回路が判断する(S12)。平均セル電圧が最低電圧設定値VL以下となった判断した後に、負荷7を遮断し(S13)、その後予め最高電圧設定値VHより高い電圧に設定した単位セル枚数当たりの直流電源設定電圧VS(=0.97V)に印加した直流電源を接続する(S14)。その後、燃料電池1の平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.96V)を上回るかどうかを演算回路が判断する(S15)。平均セル電圧が最高電圧設定値VHを上回ってから5秒経過するかどうかを判断し(S16)、この5秒経過後に直流電圧発生装置13を遮断すると共に、前述の実施形態と同様に酸化剤を供給し(S4)、負荷(定格負荷)7接続する(S6)。このように燃料電池1を再開して、電気制御装置3にて電流密度を0.2A/cm2一定となるように制御する。
(Action)
The operation of the fifth embodiment configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG. 15, the time chart of FIG. 16, and the characteristic diagram of FIG. In the fuel cell power generation system having the configuration shown in FIG. 14, during normal power generation, electric power supplied to the
次に上記構成の燃料電池発電システムについて、通常の動作を説明する。燃料電池スタックが発電状態にあるとき、すなわち燃料極1aに水素リッチな改質ガス、酸化剤極1bに酸化剤をそれぞれ供給し、かつ負荷7に対して電力を供給している際に、酸化剤極1bへ供給する酸化剤を停止すると、酸化剤極1bにある残留酸素が消費され、やがて酸化剤極1bの電位が水素基準電位まで低下する。このとき、燃料電池1の平均セル電圧は最低電圧設定値VLである0.01Vを下回るまで低下する。その後、平均セル電圧が単位セル枚数当たりの直流電源設定電圧VSが0.96Vとなるように設定した直流電圧発生装置13の負極13a及び正極13bを燃料電池1の燃料極1a及び酸化剤極1bにそれぞれ接続し、燃料電池1に直流電圧を印加して燃料電池1の平均電圧が最高電圧設定値VHである0.95Vを上回ってから保持時間T(=5秒間)待機することにより、酸化剤極電位は0.01Vから0.96Vまで変化する。酸化剤極の電位の時間変化を図16に示す。
Next, normal operation of the fuel cell power generation system configured as described above will be described. When the fuel cell stack is in a power generation state, that is, when the hydrogen-rich reformed gas is supplied to the
(効果)
本実施形態によれば、第2の実施形態と同様に、燃料電池スタックの電圧低下速度を低減できるので、燃料電池発電システムのシステム効率の低下を抑制できる。
(effect)
According to this embodiment, since the voltage drop rate of the fuel cell stack can be reduced as in the second embodiment, a reduction in system efficiency of the fuel cell power generation system can be suppressed.
さらに、本実施の形態では、図15、図16における単位セル枚数当たりの直流電源設定電圧VS、及び最高電圧設定値VHを変化させることで酸化剤極電位を任意に設定することが可能であり、一般的な開回路時の酸化剤極電位である1V以上の高電位に保持することが可能となる。 Furthermore, in this embodiment, the oxidant electrode potential can be arbitrarily set by changing the DC power supply setting voltage V S and the maximum voltage setting value V H per unit cell number in FIGS. Therefore, it is possible to maintain a high potential of 1 V or higher, which is an oxidizer electrode potential in a general open circuit.
図17は、図7において示した実施形態例の電圧変化と、本実施形態の直流電圧発生装置13を使用してVHを変化させた場合の触媒被覆率の変化を示したものである。この結果、硫黄酸化物等の不純物の被毒が問題となる場合においても、図15におけるVHを1.2V以上とすることでほぼ解消できることがわかる。なお、常用の範囲においては、酸化剤極の不純物分子による触媒被覆率は20%以下とすることが望ましいため0.9V以上とするのが好ましい。また、1.6V以上とすると、触媒のシンタリングによって触媒の活性が低下するので1.6V以下に設定することが好ましい。したがって、直流電圧発生装置の設定電圧は0.9V以上1.6V以下が最適である。
FIG. 17 shows the voltage change of the embodiment shown in FIG. 7 and the change of the catalyst coverage when VH is changed using the
すなわち、本実施形態により、不純物の影響が大きい場合においても効果的に燃料電池スタックの電圧低下速度が低減できるので、燃料電池発電システムのシステム効率の低下を抑制できる。 That is, according to the present embodiment, the voltage drop rate of the fuel cell stack can be effectively reduced even when the influence of impurities is large, so that a reduction in system efficiency of the fuel cell power generation system can be suppressed.
(第6の実施形態)
(構成)
本実施形態は、図18に示すように構成され、前述の第2の実施形態と異なる点は、システム制御装置10bである。具体的には、システム制御装置10bは、燃料電池1の発電開始時(起動時)に、燃料極1aに燃料を供給すると共に燃料電池1に負荷7を接続することにより燃料電池1の電圧を0V近傍とし、この直後に酸化剤極1bに酸化剤を供給すると共に負荷7を遮断することにより燃料電池1の電圧を所定電圧以上とする燃料電池電圧可変手段である。以上述べた点以外は、前述した第2の実施形態と同一である。
(Sixth embodiment)
(Constitution)
This embodiment is configured as shown in FIG. 18, and the difference from the second embodiment is a system control apparatus 10b. Specifically, the system control device 10b supplies the
(作用)
以下、システム起動時の操作手順について、図19を参照して説明する。前述したシステム制御装置10b内に有する演算回路が、酸化剤の供給停止確認を行う(S18)。酸化剤の供給停止確認が行われた場合には、燃料である改質ガスの供給指令を与え(S19)、負荷接続を行う(S21)。S18において、酸化剤の供給停止確認がされない場合には、酸化剤の供給停止を行う(S20)。
(Function)
Hereinafter, an operation procedure when the system is started will be described with reference to FIG. The arithmetic circuit included in the system controller 10b described above confirms the supply stop of the oxidant (S18). When the supply stop confirmation of the oxidant is performed, a supply command for the reformed gas as a fuel is given (S19), and a load connection is made (S21). In S18, when the supply of oxidant is not confirmed to be stopped, the supply of oxidant is stopped (S20).
このように燃料電池1に負荷接続を行った後、演算回路で燃料電池1の平均セル電圧が最低電圧設定値VLである0V以下になるかを判断する(S22)。平均セル電圧が最低電圧設定値VL以下になったと判断すると、負荷遮断を行い(S23)、酸化剤の供給を行い(S24)、その後平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.95V)を上回るかどうかを判断する(S25)。平均セル電圧が最高電圧設定値VHを上回ったと判断すると、燃料電池1に定格負荷を接続する(S26)。
After connecting the load to the
(効果)
このように、システム起動時に本操作を実施した場合も、第2の実施の形態と同様の効果が得られる。
(effect)
As described above, even when this operation is performed at the time of starting the system, the same effect as in the second embodiment can be obtained.
図20はフッ素系電解質膜の劣化に伴い反応ガスと共に系外に放出されるフッ化物イオンの搬出速度(通常発電時を1とする)と回復操作時の電池温度の関係を示したものである。従って、電解質膜の耐久性が要求される場合には、回復操作時の燃料電池スタックの温度は低い方が好ましく、操作時の燃料電池スタック温度が25℃以下で実施することにより、膜の劣化は抑制される。すなわち、燃料電池1の昇温前に回復操作を実施するのが最適である。
FIG. 20 shows the relationship between the carry-out speed of fluoride ions released from the system together with the reaction gas due to deterioration of the fluorine-based electrolyte membrane (normal power generation is 1) and the battery temperature during the recovery operation. . Therefore, when durability of the electrolyte membrane is required, it is preferable that the temperature of the fuel cell stack at the time of the recovery operation is low. By performing the operation at a fuel cell stack temperature of 25 ° C. or less during the operation, the membrane is deteriorated. Is suppressed. That is, it is optimal to perform the recovery operation before the temperature of the
(第7の実施形態)
本実施形態は、図21のフローチャートに示すように、システム起動時に操作手順を実施した場合の例であり、図19と異なる点は、図19の負荷遮断を行った(S23)の後に、以下の操作手順S27からS31を行う。すなわち、S23の後に、前述した図14の実施形態と同様に、燃料電池1に直流電圧発生装置を接続し(S27)、平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.95V)を上回るかどうかを判断する(S28)。平均セル電圧が最高電圧設定値VHを上回ったと判断すると、直流電圧発生装置遮断し(S29)、酸化剤供給を行い(S30)、定格負荷を接続する(S31)。
(Seventh embodiment)
This embodiment is an example when the operation procedure is performed at the time of system startup as shown in the flowchart of FIG. 21. The difference from FIG. 19 is that the following is performed after the load is interrupted (S23) in FIG. The operation procedures S27 to S31 are performed. That is, after S23, a DC voltage generator is connected to the fuel cell 1 (S27), and the average cell voltage exceeds the maximum voltage setting value V H (= 0.95V), as in the embodiment of FIG. 14 described above. Whether or not (S28). If it is determined that the average cell voltage has exceeded the maximum voltage setting value V H, the DC voltage generator to shut off (S29), it performs oxidant supply (S30), connects the rated load (S31).
本実施形態によれば、前述の第6の実施形態と同様な効果が得られる。 According to the present embodiment, the same effects as those of the sixth embodiment described above can be obtained.
(第8の実施形態)
本実施形態は、図22のフローチャートに示すように、システム停止操作開始時に操作手順を実施した場合の例である。始めに、演算回路が燃料供給(改質ガス供給)又は負荷接続の確認を行い(S32)、これが確認されると、酸化剤停止を行い(S33)、その後平均セル電圧が最低電圧設定値VLである0V以下になるかを判断する(S35)。ここで、この条件が満足していると判断すると、負荷遮断を行い(S36)、酸化剤の供給を行い(S37)、その後平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.95V)を上回るかどうかを判断する(S38)。 平均セル電圧が最高電圧設定値VHを上回ったと判断すると、酸化剤の供給停止を行い(S39)、燃料供給(改質ガス供給)停止を行う(S40)。なお、S32において、燃料供給又は負荷接続の確認が行われないときは、停止操作を終了する(S34)。
(Eighth embodiment)
This embodiment is an example when the operation procedure is performed at the start of the system stop operation as shown in the flowchart of FIG. First, the arithmetic circuit confirms fuel supply (reformed gas supply) or load connection (S32). When this is confirmed, the oxidant is stopped (S33), and then the average cell voltage becomes the lowest voltage setting value V. It is determined whether or not L is 0 V or less (S35). If it is determined that this condition is satisfied, the load is cut off (S36), the oxidizing agent is supplied (S37), and then the average cell voltage is set to the maximum voltage setting value VH (= 0.95V). It is determined whether it exceeds (S38). If it is determined that the average cell voltage exceeds the maximum voltage setting value VH , the supply of oxidant is stopped (S39), and the fuel supply (reformed gas supply) is stopped (S40). Note that when the fuel supply or the load connection is not confirmed in S32, the stop operation is terminated (S34).
以上述べた実施形態のように、システム停止時に本操作を実施した場合にも、実施形態1と同等な作用効果が得られる。さらに、改質装置を備えた発電システムの場合、電圧回復操作時に負荷に供給する電力が大きく変化するために、改質装置が所定の温度領域を外れてCO濃度が上昇する場合があり、改質器の制御が必要である。しかし、停止操作時にはCOの上昇は問題とならないため、制御の簡素化が可能となる。 As in the embodiment described above, even when this operation is performed when the system is stopped, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Furthermore, in the case of a power generation system equipped with a reformer, the power supplied to the load changes greatly during voltage recovery operation, so the reformer may go out of the predetermined temperature range and the CO concentration may increase. It is necessary to control the device. However, since the increase in CO does not become a problem during the stop operation, the control can be simplified.
(第9の実施形態)
本実施形態は、前述した第2の実施形態の燃料電池発電システムにおいて、図23に示した操作手順を実施すると、図24に示すように、停止操作完了時に酸化剤極の酸素分圧の低減により酸化剤極電位が低下するので、停止保管時の触媒のシンタリングが抑制されるのでより好ましい。
(Ninth embodiment)
In the present embodiment, when the operation procedure shown in FIG. 23 is performed in the fuel cell power generation system of the second embodiment described above, the oxygen partial pressure of the oxidant electrode is reduced when the stop operation is completed as shown in FIG. This lowers the oxidant electrode potential, which is more preferable because sintering of the catalyst during storage at rest is suppressed.
図23において、図22と異なる点は、S38の後に、負荷接続を行い(S42)、酸化剤供給停止を行い(S43)、その後平均セル電圧が最低電圧設定値VLである0V以下になるかを判断する(S44)。ここで、この条件が満足していると判断すると、負荷遮断を行い(S45)、燃料供給(改質ガス供給)停止を行う(S46)。このようにシステム停止時に本操作を実施した場合も、前述の第2の実施形態と同等な作用効果が得られる。 23 differs from FIG. 22 in that after S38, load connection is performed (S42), oxidant supply is stopped (S43), and then the average cell voltage becomes 0 V or less, which is the lowest voltage setting value V L. Is determined (S44). If it is determined that this condition is satisfied, the load is cut off (S45), and the fuel supply (reformed gas supply) is stopped (S46). As described above, even when this operation is performed when the system is stopped, the same effects as those of the second embodiment can be obtained.
(第10の実施形態)
本実施形態は、前述した第2の燃料電池発電システムにおいて、図25に示すフローチャートのように、システム停止時に操作手順を実施した。図25において、図22と異なる点は、S36の後に、燃料電池1に直流電圧発生装置を接続し(S47)、平均セル電圧が最高電圧設定値VH(=0.95V)を上回るかどうかを判断する(S48)。平均セル電圧が最高電圧設定値VHを上回ったと判断すると、直流電圧発生装置遮断し(S49)、燃料供給(改質ガス供給)停止を行う(S50)。このようにシステム停止時に本操作を実施した場合も、前述の第2の実施形態と同等な作用効果が得られる。
(Tenth embodiment)
In this embodiment, in the second fuel cell power generation system described above, an operation procedure was performed when the system was stopped as shown in the flowchart of FIG. 25 differs from FIG. 22 in that a direct current voltage generator is connected to the
1…燃料電池スタック、1a…燃料極、1b…酸化剤極、2…改質装置、3、3a…電気制御装置、4…都市ガス、5…空気、6…空気ブロワ、7…外部負荷、8…電位検出器、9…電圧検出器、10、10a、10b…システム制御装置、11…固定抵抗、12a、12b…スイッチ、13…直流電圧発生装置、13a…直流電圧発生装置負極13b…直流電圧発生装置正極、14…スイッチ。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の出力電圧を0.01V未満とする第1の操作手順と、前記第1の操作手順の直後に前記負荷に供給する電流を前記第1の操作手順前の負荷電流よりも低減させる第2の操作手順を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 A fuel cell power generation system comprising a fuel cell that generates power by supplying fuel and an oxidant to a fuel electrode and an oxidant electrode arranged with an electrolyte interposed therebetween, and capable of supplying the power generation output to a load,
A first operating procedure for setting the output voltage of the fuel cell to less than 0.01 V during power generation of the fuel cell, and a current supplied to the load immediately after the first operating procedure before the first operating procedure. A method for operating a fuel cell power generation system, comprising a second operation procedure for reducing the load current from the load current of the fuel cell.
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