JP4875259B2 - 燃料電池の運転方法及び燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池の運転方法、及び、電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
かかる燃料電池は、セルにおける酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させて、セルにおいて発電させるものである。
そして、通常は、酸素極側の面に沿って通流する酸素含有ガスは、通流経路の上流側ほど酸素濃度が高くなり、燃料極側の面に沿って通流する水素含有ガスは、通流経路の上流側ほど水素濃度が高くなるので、セルにおいては、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高い部分ほど電流密度が高くなり、且つ、通流する水素含有ガスの水素含有率が高い部分ほど電流密度が高くなるような不均一な電流密度分布が生じる。
【0003】
かかる燃料電池において、従来は、酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路(以下、酸素含有ガス通流経路と略記する場合がある)に対する酸素含有ガスの通流方向を常に一定の方向に維持した状態で、酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路(以下、水素含有ガス通流経路と略記する場合がある)に対する水素含有ガスの通流方向を常に一定の方向に維持した状態で、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させて、運転していた。
【0004】
つまり、従来の燃料電池では、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向と水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を、それぞれ一定に維持した状態で運転するので、セルにおいて常に、不均一な電流密度分布が略一定に生じる状態で運転することとなる。
又、セルにおいて電流密度が大きい部分ほど発電反応によって生成される水分量が多くなることから、従来の燃料電池では、電流密度が高いことにより水分生成量が多くなる部分が常に略一定となる状態で運転することになる。特に、電解質層を高分子膜にて構成した高分子型の燃料電池においては、動作温度が100°Cよりも低いので、生成水分によりセルが濡れ易いことから、従来の高分子型の燃料電池では、セルにおいて生成水分により濡れ易い部分が常に一定になる状態で運転することとなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池では、略一定の電流密度分布が生じる状態で運転することに起因して、下記のような問題があった。
即ち、セルにおいて電流密度が高い部分ほど温度が高くなるが、従来の燃料電池では、電流密度が高いことにより温度が高くなる部分が常に略一定であるので、酸素極又は燃料極において温度が高くなる部分の電極触媒の劣化が速くなり、もって、耐久性が低くなる。つまり、電極触媒の劣化は不可逆的なものであり、従来の燃料電池では、その不可逆的な劣化が速くなり、且つ、セルにおいて部分的に発生するので、セルにおける発電反応面積が狭くなり、発電性能が低下することになる。
又、高分子型の燃料電池においては、セルにおいて生成水分により濡れ易い部分が常に一定になる状態で運転することになるので、セルにおいては部分的に濡れが進行し易く、濡れ状態が進行すると、濡れた部分の酸素極又は燃料極には酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難く、発電反応が起こり難くなって、発電性能が低下することとなり、もって、耐久性が低くなる。
【0006】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性及び発電性能に優れるように運転することが可能な燃料電池の運転方法、並びに、耐久性及び発電性能に優れた燃料電池を提供することにある。
【0007】
〔請求項1記載の発明〕
請求項1に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を、繰り返し反転させるとともに、前記酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節することにある。
請求項1に記載の運転方法によれば、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させる。例えば、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、反転する前に通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高かくて電流密度が高かった部分は、反転後は、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が低くなって電流密度が低くなり、逆に、反転する前に通流する酸素含有ガスの酸素濃度が低くて電流密度が低かった部分は、反転後は、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高くなって電流密度が高くなる。
又、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、反転する前に通流する水素含有ガスの水素濃度が高かくて電流密度が高かった部分は、反転後は、通流する水素含有ガスの水素濃度が低くなって電流密度が低くなり、逆に、反転する前に通流する水素含有ガスの水素濃度が低くて電流密度が低かった部分は、反転後は、通流する水素含有ガスの水素濃度が高くなって電流密度が高くなる。
つまり、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて温度が高かった部分は、電流密度が低くなって温度が低下するので、温度が高くなることに起因した酸素極又は燃料極の電極触媒の劣化をセル面内に分散させて、全体としての劣化速度を遅くすることがで
きる。
又、特に、高分子型の燃料電池においては、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなることから、セルが生成水分により濡れるのを抑制し、更にセルの濡れを解消することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
従って、耐久性及び発電性能に優れるように運転することが可能な燃料電池の運転方法を提供することができるようになった。
【0008】
又、電流密度が高かった部分は電流密度が低くなり、電流密度が低かった部分は電流密度が高くなるように、繰り返し切り換えて運転するので、高分子型の燃料電池においては、濡れが進行していた部分では濃度過電圧が大きくならないように、且つ、濡れの進んでいない部分での発電反応量を多くして運転することができるので、全体としてセルの内部抵抗を小さくして運転することができることとなる。又、前述のような切り換えによって、それまで濡れが進行していた部分の濡れが解消され、再び切り換えた後は、濡れが解消した部分での発電反応量を多くして運転することができる。
上記のように、高分子型の燃料電池においては、発電性能を向上するように運転することが可能となった。
加えて、各電極電位が変化して、電極の腐食や活性の低下など、不可逆的に進行するような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
【0009】
〔請求項2記載の発明〕
請求項2に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記セルが、高分子膜を前記電解質層として備え、
発電に伴って前記セルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、前記セルにおいて前記通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために前記通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返すとともに、前記通常運転と前記濡れ回復運転として、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させ、前記酸素含有ガスの通流方向の通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節することにある。
請求項2に記載の運転方法によれば、高分子型の燃料電池において、発電に伴ってセルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返すので、通常運転時において濡れが進行していた部分は、濡れ回復運転において、濡れ状態が軽減されることとなる。
つまり、セルが生成水分により濡れるのを抑制することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に優れるように運転することが可能な燃料電池の運転方法を提供することができるようになった。
加えて、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるときに、電極の劣化などのような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
【0010】
〔請求項3記載の発明〕
請求項3に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は前記燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせて定めることにある。
つまり、水分の生成は発電反応量が多いほど多くなり、発電反応量は、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態や、燃料極に対する水素含有ガスの供給状態に依存し易いので、濡れ回復用運転条件として、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を、通常運転条件とは異ならせて定めることにより、濡れ回復用運転条件として、濡れ状態を効果的に軽減することができるように定めることができるのである。
ちなみに、通常運転条件は、例えば、酸素利用率を所定の値(例えば50%)に設定して、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向を一定に維持した状態で、セルにおける酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、水素利用率を所定の値(例えば80%)に設定して、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を一定に維持した状態で、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように、定める。つまり、通常運転では、セルにおいて不均一な電流密度分布が略一定に生じる状態で運転されるので、セルにおいて電流密度が高くて濡れ易い部分が生じる。
通常運転条件と濡れ回復用運転条件とで、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせるための具体例としては、例えば、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向を反転させる例があり、又、通常運転条件と濡れ回復用運転条件とで、燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせるための具体例としては、例えば、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を反転させる例があり、これらの例はいずれも、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分を、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなるようにして、濡れを軽減することになる。
従って、セルが生成水分により濡れるのを一段と抑制することができるので、一段と濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【0011】
〔請求項4記載の発明〕
請求項4に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件にて運転する方が前記通常運転条件にて運転するよりも、前記セルの電流密度分布が均一になるように、前記酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定めることにある。
請求項4に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転は、通常運転におけるよりもセルの電流密度分布が均一になるように運転されるので、濡れ回復運転では、通常運転において電流密度が他より大きくて濡れ易かった部分の電流密度を小さくするように運転することが可能となり、濡れを軽減することができる。
つまり、濡れ回復用運転条件として、例えば、酸素極に供給する酸素含有ガスの酸素濃度を通常運転条件よりも高くなるように定めたり、酸素極に供給する酸素含有ガスの供給量を通常運転条件よりも多くして、酸素利用率を通常運転条件よりも低くなるように定める。これらのように濡れ回復用運転条件を定めて、濡れ回復運転を実行することにより、通流経路の下流側でも酸素濃度を高く維持して、通流経路の上流から下流の全域にわたって均一になるように発電反応を起こさせて、セルにおける電流密度分布を通常運転におけるよりも小さくすることができる。
ところで、通常、酸素極の反応抵抗は燃料極よりも大きいが、これは、特に、電極反応場までの酸素含有ガスの拡散が遅いことに起因している。そして、燃料電池は、酸素極において、所謂、濃度過電圧、拡散過電圧が出現する電流密度領域で運転されることが多いが、燃料極では、このような濃度過電圧は無視できることが多い。つまり、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態、及び、燃料極に対する水素含有ガスの供給状態のうち、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態だけを、通常運転条件と濡れ回復用運転条件との間で異ならせることで、セルの電流密度分布を効果的に均一になるようにすることができる。
従って、簡単な構成にて、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【0012】
〔請求項5記載の発明〕
請求項5に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件にて運転する方が前記通常運転条件にて運転するよりも、前記セルの温度が高くなるように、前記セルを冷却する冷却能力を異ならせて定めることにある。
請求項5に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転においては、通常運転よりもセルの温度が高くなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
つまり、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせるのではなく、セルを冷却する冷却能力を異ならせることにより、濡れ状態を軽減するのである。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【0013】
〔請求項6記載の発明〕
請求項6に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件の方が前記通常運転条件よりも、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が少なくなるように定めることにある。
請求項6に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転においては、高分子膜を加湿すべくセルに供給される加湿水分量が通常運転よりも少なくなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
つまり、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせるのではなく、高分子膜を加湿するための加湿水分量を少なくすることにより、濡れ状態を軽減するのである。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【0014】
〔請求項7記載の発明〕
請求項7に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記濡れ回復運転として、前記濡れ回復用運転条件を前記酸素極に供給する酸素含有ガス供給量が前記通常運転条件よりも多くなるように定めた酸素利用率低下運転、前記濡れ回復用運転条件を前記酸素極に供給する酸素含有ガスの酸素濃度が前記通常運転条件よりも高くなるように定めた酸素富化運転、前記濡れ回復用運転条件を、前記セルを冷却する冷却能力が前記通常運転条件よりも低くなるように定めた昇温運転、前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向又は前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を前記通常運転条件とは反転させるように定めたガス通流方向反転運転、及び、前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が前記通常運転条件よりも少なくなるように定めた加湿低減運転のうち、少なくとも2つを並行して実行することにある。
請求項7に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転として、酸素利用率低下運転、酸素富化運転、昇温運転、ガス通流方向反転運転、及び、加湿低減運転のうち、少なくとも2つを並行して実行するので、セルの濡れ状態を軽減するのに要する時間を短縮することができる。
ちなみに、酸素利用率低下運転や酸素富化運転においては、酸素含有ガスの通流経路の下流側でも酸素濃度が高く維持されて、通流経路の上流から下流の全域にわたって均一になるように発電反応が起こって、セルにおける電流密度分布が通常運転におけるよりも小さくなるので、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなり、濡れ状態を軽減することができる。
昇温運転においては、通常運転よりもセルの温度が高くなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
ガス通流方向反転運転においては、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を反転させることにより、セルにおいて通流方向反転前に電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、通流方向反転により、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなるので、濡れ状態が軽減される。
加湿低減運転においては、高分子膜を加湿すべくセルに供給される加湿水分量が通常運転よりも少なくなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
従って、セルの濡れ状態を軽減するのに要する時間を短縮して、発電性能をできるだけ速く復帰させるように運転することができるようになった。
【0015】
〔請求項8記載の発明〕
請求項8に記載の燃料電池の特徴構成は、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスが通流される経路に対する水素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段と、
前記酸素含有ガスの通流方向又は前記水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、前記通流方向反転手段の作動を制御する制御手段が設けられるとともに、前記制御手段は、前記酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節するように構成されていることにある。
請求項8に記載の特徴構成によれば、制御手段は、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、通流方向反転手段の作動を制御する。
つまり、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて温度が高かった部分は、電流密度が低くなって温度が低下するので、温度が高くなることに起因した酸素極又は燃料極の電極触媒の劣化を抑制することができる。
又、特に、高分子型の燃料電池においては、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなることから、セルが生成水分により濡れるのを抑制することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【0016】
加えて、請求項8に記載の特徴構成によれば、制御手段は、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるように通流方向反転手段を作動させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前にセルに残留していた酸素含有ガス又は水素含有ガスがセルから排出されるまでの間は
、セルの発電出力を通常運転時よりも小さい反転時用出力に調整するので、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるときに、電極の劣化などのような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
つまり、例えば、酸素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた酸素濃度の低い酸素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流され、あるいは、水素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた水素濃度の低い水素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流されるが、そのような場合でも、出力が小さくなるように調整されているので、各電極電位が変化して、電極の腐食や活性の低下など、不可逆的に進行するような悪影響がセルに与えられるのを防止することができるのである。
従って、セルに不要な悪影響を与えることなく酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させることが可能となり、もって、一段と濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【0017】
〔請求項9記載の発明〕
請求項9に記載の燃料電池の特徴構成は、前記セルが、高分子膜を前記電解質層として備え、
燃料電池の運転を管理する制御手段が設けられ、
その制御手段が、発電に伴って前記セルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、前記セルにおいて前記通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために前記通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返し実行するように構成されるとともに、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスが通流される経路に対する水素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段が設けられ、前記制御手段は、前記酸素含有ガスの通流方向又は前記水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、前記通流方向反転手段の作動を制御することにより、前記通常運転と前記濡れ回復運転とを交互に繰り返し実行するように構成され、且つ、前記酸素含有ガスの通流方向の通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節するように構成されていることにある。
請求項9に記載の特徴構成によれば、制御手段は、発電に伴ってセルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返し実行するので、通常運転時において濡れが進行していた部分は、濡れ回復運転において、濡れ状態が軽減されることとなる。
つまり、セルにおいて生成水分により局部的に濡れが進行するのを抑制することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
ちなみに、通常運転条件と濡れ回復用運転条件は、例えば、請求項3記載の発明と同様に、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせて定めたり、請求項5記載の発明と同様に、濡れ回復用運転条件にて運転する方が通常運転条件にて運転するよりも、セルの温度が高くなるように、セルを冷却する冷却能力を異ならせて定めたり、請求項6記載の発明と同様に、濡れ回復用運転条件の方が通常運転条件よりも、酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が少なくなるように定める。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【0018】
加えて、請求項9に記載の特徴構成によれば、制御手段は、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、通流方向反転手段の作動を制御することにより、通常運転と濡れ回復運転とを交互に繰り返し実行する。
つまり、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、通流方向の反転前に、セルにおいて電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、通流方向の反転後は、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなることから、セルが生成水分により濡れるのを抑制することができるのである。
しかも、制御手段は、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるように通流方向反転手段を作動させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前にセルに残留していた酸素含有ガス又は水素含有ガスがセルから排出されるまでの間は、セルの発電出力を通常運転時よりも小さい反転時用出力に調整するので、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるときに、電極の劣化などのような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
つまり、例えば、酸素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた酸素濃度の低い酸素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流され、あるいは、水素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた水素濃度の低い水素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流されるが、そのような場合でも、出力が小さくなるように調整されているので、各電極電位が変化して電極の腐食や活性の低下など、不可逆的に進行するような悪影響がセルに与えられるのを防止することができるのである。
従って、セルに不要な悪影響を与えることなく通常運転と濡れ回復運転とを交互に繰り返し実行することが可能となり、もって、一段と濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【0019】
【発明の実施の形態】
〔第1実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明の第1実施形態を高分子型の燃料電池に適用した場合について説明する。
図1は、本発明の燃料電池FCを用いた電源装置を示し、この電源装置は、燃料電池FCからの出力直流電力をインバータ31により交流電力に変換して電力負荷LDに出力すると共に、電力負荷LDに対して燃料電池FCの出力電力が余るときには、その余った直流電力を蓄電部32に蓄え、電力負荷LDに対して燃料電池FCの出力電力が不足するときには、その不足分を補うように、蓄電部32に蓄えられている直流電力をインバータ31により交流電力に変換して電力負荷LDに出力するように構成してある。
【0020】
図1に示すように、燃料電池FCは、水素含有ガス及び酸素含有ガスが供給されて発電するセルスタックNC、そのセルスタックNCに供給する水素含有ガスを生成するガス生成部R、セルスタックNCに酸素含有ガスとして空気を供給するブロア11、燃料電池の各種制御を司る制御部12、及び、その制御部12に各種制御情報を指令する操作部13等を備えて構成してある。
【0021】
セルスタックNCは、詳細は後述するが、図5に示すように、高分子膜にて構成した電解質層1の両側に酸素極2と燃料極3を振り分けて配置したセルCの複数を備えて構成し、各セルCの酸素極2の側に面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、各セルCの燃料極3の側の面に沿って水素含有ガスを通流させて、各セルCにて発電させるように構成してある。
【0022】
以下、図5ないし図9に基づいて、セルスタックNCについて説明を加える。
セルCは、電解質層1の両側に酸素極2及び燃料極3を振分け配置して構成し、酸素極2を、電解質層1側の酸素極触媒層2cと、電解質層1とは反対側の酸素極集電層2pとを備えて構成し、燃料極3を、電解質層1側の燃料極触媒層3cと、電解質層1とは反対側の燃料極集電層3pとを備えて構成してある。
そして、そのようなセルCの複数を、夫々の酸素極2側に酸素極側セパレータ5を配置し、且つ、燃料極3側に燃料極側セパレータ6を配置した状態で厚さ方向に並置し、その並置方向の両端夫々に、電力取り出し用の集電板7を設け、更に、集電板7夫々の外側に端板9を設けて、セルスタックNCを構成してある。
そして、そのように構成したセルスタックNCを、セルCの板面が水平方向を向く姿勢で配置する。
【0023】
酸素極側セパレータ5は、酸素極2側の面に、酸素含有ガスを通流させる酸素極側流路を形成する酸素極側ガス通流溝5sを形成し、反対側の面に、冷却水流路を形成する冷却水通流溝5wを形成してある。
酸素極側ガス通流溝5sは、酸素極側セパレータ5の両側縁側にそれぞれ位置して対向する一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。同様に、冷却水通流溝5wも、一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。
【0024】
燃料極側セパレータ6は、燃料極3側の面に、水素含有ガスを通流させる燃料極側流路を形成する燃料極側ガス通流溝6fを形成し、反対側の面に、酸素極側セパレータ5の冷却水通流溝5wと面対称となる冷却水流路形成用の冷却水通流溝6wを形成してある。
燃料極側ガス通流溝6fは、燃料極側セパレータ6の両側縁側にそれぞれ位置して対向する一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。同様に、冷却水通流溝5wも、一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。
【0025】
尚、酸素極側セパレータ5及び燃料極側セパレータ6は、それぞれの分流溝部の長手方向が同方向を向く姿勢で配置する。
【0026】
電解質層1構成する高分子膜は、プロトン導電性を備えたフッ素樹脂系のイオン交換膜にて形成してある。酸素極触媒層2c及び燃料極触媒層3cは、互いに同様の構成であり、カーボンから成る多孔状の導電材にて形成し、夫々、白金及び白金系合金から成る電極触媒を担持してある。酸素極集電層2p及び燃料極集電層3pも、互いに同様の構成であり、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の多孔状の導電材にて形成してある。
酸素極側セパレータ5及び燃料極側セパレータ6は、カーボンからなる導電材にて、気密性を有するように緻密な形成してある。
【0027】
更に、電解質層1、酸素極側セパレータ5及び燃料極側セパレータ6の夫々には、それらを並置したときにそれらの並置方向に夫々が連なる状態で、厚さ方向に貫通する6個の孔1h,5h,6hを形成してある。並置方向視において、電解質層1、酸素極側セパレータ5及び燃料極側セパレータ6の夫々に形成する6個の孔1h,5h,6hのうち、2個は酸素極側ガス通流溝5sの一対のヘッダ溝部に各別に重なり、別の2個は燃料極側ガス通流溝6fの一対のヘッダ溝部に各別に重なり、残りの2個は冷却水通流溝5w,6wの一対のヘッダ溝部に各別に重なる。
【0028】
従って、セルスタックNCには、電解質層1、酸素極側セパレータ5及び燃料極側セパレータ6夫々の孔1h,5h,6hが並置方向に連なって形成される6本の通路が形成される。6本の通路のうちの2本は、各酸素極側ガス通流溝5sの一対のヘッダ溝部に各別に連通し、別の2本は、各燃料極側ガス通流溝6fの一対のヘッダ溝部に各別に連通し、残りの2本は、各冷却水通流溝5w,6wの一対のヘッダ溝部に各別に連通している。
尚、各酸素極側ガス通流溝5sの一対のヘッダ溝部に各別に連通する2本の通路を酸素極側連通路Tsと、各燃料極側ガス通流溝6fの一対のヘッダ溝部に各別に連通する2本の通路を燃料極側連通路Tfと、各冷却水通流溝5w,6wの一対のヘッダ溝部に各別に連通する2本の通路を冷却水側連通路Twと夫々称する。
【0029】
又、一方の端板9には、2本の酸素極側連通路Tsのうちの一方の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部8s、2本の燃料極側連通路Tfのうちの一方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部8f、及び、2本の冷却水連通路Twのうちの一方の端部に連通接続する冷却水用接続部8wを備えてある。又、他方の端板9には、2本の酸素極側連通路Tsのうちの他方の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部8s、2本の燃料極側連通路Tfのうちの他方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部8f、及び、2本の冷却水連通路Twのうちの他方の端部に連通接続する冷却水用接続部8wを備えてある。
【0030】
尚、2個の酸素極側ガス用接続部8sは、詳細は後述するが、一方が酸素含有ガスの供給用として用いるときは、他方が酸素含有ガスの排出用として用いる状態で、供給用と排出用とに繰り返し切り換えて用い、2個の燃料極側ガス用接続部8fのうち、一方は水素含有ガスの供給用として、他方は水素含有ガスの排出用として用い、並びに、2個の冷却水用接続部8wのうち、一方は冷却水の供給用として、他方は冷却水の排出用として用いる。
【0031】
図1に示すように、ブロア11からの空気を導く酸素含有ガス供給路14から分割した2本の分割供給路14bを2個の酸素極側ガス用接続部8sに各別に接続し、並びに、2本の分割排出路15bを2個の酸素極側ガス用接続部8sに各別に接続すると共に、その2本の分割排出路15bをまとめた1本の酸素含有ガス排出路15を気液分離器16に接続してある。
酸素含有ガス供給路14には、セルスタックNCへの酸素含有ガス供給量を調節する酸素含有ガス調整弁Csを設け、各分割供給路14bには、供給側開閉弁Viを設け、各分割排出路15bには、排出側開閉弁Veを設けてある。
【0032】
ガス生成部Rにて生成された水素含有ガスを導く水素含有ガス供給路17を供給用の燃料極側ガス用接続部8fに接続し、排出用の燃料極側ガス用接続部8fと気液分離器19とを水素含有ガス排出路18にて接続し、供給用及び排出用夫々の冷却水用接続部8wを、途中に気液分離器16及び冷却水ポンプ20を設けた冷却水循環路21にて接続してある。水素含有ガス供給路17には、セルスタックNCへの水素含有ガス供給量を調節する水素含有ガス調整弁Cfを設けてある。
【0033】
更に、水蒸気発生器22にて生成された水蒸気を導く酸素含有ガス加湿路23と水素含有ガス加湿路24をそれぞれ酸素含有ガス供給路14、水素含有ガス供給路17に接続して、セルスタックNCに供給する酸素含有ガス及び水素含有ガスを加湿するように構成してある。酸素含有ガス加湿路23及び水素含有ガス加湿路24それぞれに、加湿用の水蒸気供給量を調節する水蒸気調整弁Cwを設けてある。
【0034】
そして、各供給側開閉弁Vi、各排出側開閉弁Veそれぞれを開閉操作することにより、図1において、太実線及び細実線にて示すように、2個の酸素極側ガス用接続部8sを、一方が酸素含有ガスの供給用として用いるときは、他方が酸素含有ガスの排出用として用いる状態で、供給用と排出用とに繰り返し切り換えて用いるようにして、セルスタックNCを通流する酸素含有ガスの通流方向を繰り返し反転することができるように構成してある。
【0035】
酸素含有ガスは、図7及び図8において実線矢印にて示すように、一方の酸素極側連通路Tsから各セルCの酸素極側流路に供給され、酸素極側流路を、一方のヘッダ溝部、複数の分流溝部、他方のヘッダ溝部を順次経る状態で通流してから、他方の酸素極側連通路Tsに流出し、その酸素極側連通路Tsを通流して排出用の酸素極側ガス用接続部8sから排出される。
そして、各供給側開閉弁Vi、各排出側開閉弁Veそれぞれを開閉操作して、セルスタックNCを通流する酸素含有ガスの通流方向を反転することにより、図7の(イ)、(ロ)にて示すように、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させることができる。
つまり、一対の供給側開閉弁Vi及び一対の排出側開閉弁Veにて、セルCにおける酸素極2の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段Vを構成してある。
【0036】
又、水素含有ガスは、図7及び図8において二点鎖線矢印にて示すように、一方の燃料極側連通路Tfから各セルCの燃料極側流路に供給され、燃料極側流路を通流してから、他方の燃料極側連通路Tfに流出し、その燃料極側連通路Tfを通流して排出用の燃料極側ガス用接続部8fから排出される。
又、冷却水は、図7及び図8において一点鎖線矢印にて示すように、一方の冷却水連通路Twから各セルCの冷却水流路に供給され、冷却水流路を通流してから、他方の冷却水連通路Twに流出し、その冷却水連通路Twを通流して排出用の冷却水用接続部8wから排出される。
【0037】
排出用の酸素極側ガス用接続部8sから排出された酸素含有ガスに含まれる水分は気液分離器16にて分離し、排出用の燃料極側ガス用接続部8fから排出された水素含有ガスに含まれる水分は気液分離器19にて分離し、気液分離器19にて分離された水を気液分離器16に供給するようにしてある。そして、気液分離器16内の水を、冷却水ポンプ20にて、冷却水循環路21に圧送するように構成してある。
【0038】
そして、各セルCにおいては、通流する酸素含有ガス及び水素含有ガスに含まれる水分によって電解質層1が湿らされる状態で、酸素含有ガス中の酸素と水素含有ガス中の水素との電気化学反応により発電される。又、冷却水の通流により、各セルCの温度が所定の温度に維持される。
【0039】
セルスタックNCにて発電された電力は、一対の集電板7から取り出すように構成し、給電路33にて、セルスタックNCと蓄電部32を並列接続した状態で、インバータ31に接続してあり、給電路33には、セルスタックNCからの出力電流を検出する電流検出器34、及び、出力電圧を検出する電圧検出器35を設けてある。
【0040】
ガス生成部Rは、供給される都市ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫器41、その脱硫器41から排出される脱硫原燃料ガスを別途供給される水蒸気にて水素と一酸化炭素に改質処理する改質器42、その改質器42から排出されるガス中の一酸化炭素を水蒸気にて二酸化炭素に変成処理する変成器43、及び、その変成器43から排出されるガス中に残留している一酸化炭素を除去するCO除去器44を備えて構成して、一酸化炭素含有量の少ない水素含有ガスを生成するように構成してある。
改質器42には、改質反応用の熱を生成するためにバーナ42bを設けてあり、そのバーナ42bには、セルスタックNCから排出されて気液分離器19にて分離された水素含有ガスを、オフガス路25を通じて供給して、燃焼させる。
【0041】
上述のように構成した燃料電池FCにおいては、以下のような運転方法を実行する。
供給用の酸素極側ガス用接続部8sから酸素含有ガスを供給し、供給用の燃料極側ガス用接続部8fから水素含有ガスを供給して、各セルCにて発電させて運転するが、酸素利用率が50%程度になるように、酸素含有ガス供給量を設定し、水素利用率が70%程度になるように、水素含有ガス供給量を設定してある。
従って、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスは、流路の上流側ほど酸素濃度が高くなり、燃料極側流路を通流する水素含有ガスは、流路の上流側ほど水素濃度が高くなるので、セルCにおいては、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高い部分ほど電流密度が高くなり、且つ、通流する水素含有ガスの水素含有率が高い部分ほど電流密度が高くなるような不均一な電流密度分布が生じる。
【0042】
燃料電池FCを起動するときは、各セルCの酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を、前回の停止時の通流方向とは反対方向になるように、一対の供給側開閉弁Vi及び一対の排出側開閉弁Veを開閉操作し、並びに、燃料電池の運転中は、定期的に各セルCの酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転するように、一対の供給側開閉弁Vi及び一対の排出側開閉弁Veを開閉操作する。
つまり、請求項1に記載の燃料電池の運転方法、即ち、酸素極2側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向繰り返し反転させる燃料電池の運転方法を実行する。
【0043】
そして、各セルCの酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転することにより、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高いことから、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が低くなって、それによって電流密度が低くなって水分生成量が少なくなり、濡れ状態が軽減されることになる。つまり、一方の通流方向にて各セルCの酸素極側流路を酸素含有ガスを通流させる運転が、通常運転になり、他方の通流方向にて各セルCの酸素極側流路を酸素含有ガスを通流させる運転が、濡れ回復用運転となり、その濡れ回復用運転は、ガス通流方向反転運転に相当する。
従って、請求項2に記載の燃料電池の運転方法、即ち、発電に伴ってセルCの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルCにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返す燃料電池の運転方法を実行する。
【0044】
そして、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、酸素極2に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定めてあり、具体的には、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、通常運転条件と濡れ回復用運転条件とで酸素極側流路(酸素含有ガス通流経路に相当する)における酸素含有ガスの通流方向を逆向きとなるように定めることになり、請求項3に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
【0045】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部12の制御動作について説明する。
制御部12は、操作部13から起動指令が指令されると、所定の起動制御を実行して燃料電池FCを起動し、燃料電池FCを、設定定格電流値の電流が出力される定格状態で運転し、操作部13から停止指令が指令されると、所定の停止制御を実行して燃料電池FCを停止させる。尚、定格状態での運転中は、酸素利用率が50%程度になるように、酸素含有ガス供給量を調節すべく、酸素含有ガス調整弁Csを調節し、水素利用率が70%程度になるように、水素含有ガス供給量を調節すべく、水素含有ガス調整弁Cfを調節する。又、酸素含有ガス加湿路23及び水素含有ガス加湿路24それぞれに設けた水蒸気調整弁Cwは、予め定めた開度に調節する。
【0046】
従って、燃料電池FCからの出力直流電力がインバータ31により交流電力に変換されて電力負荷LDに出力されると共に、電力負荷LDに対して燃料電池FCの出力電力が余るときには、その余った直流電力が蓄電部32に蓄えられ、電力負荷LDに対して燃料電池FCの出力電力が不足するときには、その不足分を補うように、蓄電部32に蓄えられている直流電力がインバータ31により交流電力に変換されて電力負荷LDに出力される。
【0047】
又、制御部12は、停止時の一対の供給側開閉弁Vi及び一対の排出側開閉弁Veの操作状態、即ち、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を記憶するように構成してある。
そして、制御部12は、操作部13から起動指令が指令されると、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を前回の停止時とは反転させるように、一対の供給側開閉弁Vi及び一対の排出側開閉弁Veの作動を制御し、且つ、燃料電池FCの運転中は、定期的に酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるように、一対の供給側開閉弁Vi及び一対の排出側開閉弁Veの作動を制御する。
又、制御部12は、燃料電池FCの運転中に酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるように、一対の供給側開閉弁Vi及び一対の排出側開閉弁Veの作動を制御する際には、酸素含有ガスの通流方向を反転させた時点から残留ガス排出用設定時間(例えば、10秒間)の間、電流検出器34の検出電流値が、設定定格電流値よりも小さい設定反転時用電流値(反転時用出力に相当する)になるように、水素含有ガス供給量を減少調節すべく水素含有ガス調整弁Cfを調節し、残留ガス排出用設定時間が経過すると、電流検出器34の検出電流値が設定定格電流値になるように、水素含有ガス調整弁Cfを調節する。
ちなみに、前記残留ガス排出用設定時間は、酸素含有ガスの通流方向の反転前にセルCの酸素極側流路に残留していた酸素含有ガスが酸素極側流路から排出されるのに要する時間以上に設定してあり、もちろん、その残留ガス排出用設定時間は、酸素含有ガスの通流方向を反転させる周期よりもはるかに短い。
尚、酸素含有ガスの通流方向を反転させてから残留ガス排出用設定時間が経過して、電流検出器34の検出電流値が設定定格電流値になるように水素含有ガス調整弁Cfを調節した以降は、電圧検出器35にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値(例えば、単セル電圧に換算して800mVになるような値)を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Cfを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部32に蓄電される。
【0048】
上記の説明から分かるように、第1実施形態においては、請求項1〜3の各発明に加えて、請求項8〜11の各発明が記載されている。
【0049】
次に、図2に基づいて、第1実施形態による運転方法により燃料電池の耐久性を向上できることを検証した結果を説明する。尚、図2は、セル電圧の経時変化を示し、実線は、本発明による運転方法により運転した結果を示し、破線は、従来の運転方法により運転した結果を示す。
運転条件は、セルCの温度は75°C程度、水素利用率は70%、酸素利用率は50%、及び、電流密度は5000A/m2 である。
【0050】
図2に示すように、時間経過に伴うセル電圧の低下率は、100時間から500時間の間は、本発明による運転方法では40mV/1000hであり、従来の運転方法では60mV/1000hであり、500時間以降は、本発明による運転方法では10mV/1000h以下であり、従来の運転方法では20mV/1000hであり、時間経過に伴うセル電圧の低下率は、本発明の運転方法による方が、従来の運転方法によるよりも小さく、本発明の運転方法によれば、耐久性を向上することができる。
【0051】
以下、本発明の第2ないし第4の各実施形態を説明するが、各実施形態では、第1実施形態と同じ構成要素や同じ作用を有する構成要素については、重複説明を避けるために、同じ符号を付すことにより説明を省略し、主として、第1実施形態と異なる構成を説明する。
【0052】
〔第2実施形態〕
以下、図3に基づいて、本発明の第2実施形態を説明する。
図3に示すように、第2実施形態においては、酸素含有ガス供給路14を直接、供給用の酸素極側ガス用接続部8sに接続し、酸素含有ガス排出路15を直接排出用の酸素極側ガス用接続部8sに接続して、第1実施形態において設けた一対の供給側開閉弁Vi及び一対の排出側開閉弁Veを省略して、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるための構成を省略してある。
そして、図7の(イ)に示すように、酸素含有ガスと水素含有ガスをそれぞれ酸素極側流路、燃料極側流路を常に同方向に通流させるように構成してある。
【0053】
又、酸素ボンベ26からの酸素ガスを導く酸素ガス供給路27を酸素含有ガス供給路14に接続すると共に、その酸素ガス供給路27に、酸素含有ガス供給路14への酸素ガスの供給を断続する酸素用開閉弁Vo、及び、酸素含有ガス供給路14への酸素ガスの供給量を調節する酸素調整弁Coを設けてある。
【0054】
上述のように構成した燃料電池FCにおいては、以下のような運転方法を実行する。
通常運転においては、酸素用開閉弁Voを閉弁した状態で、上記の第1実施形態と同様の定格状態で運転する。
そして、通常運転にて運転中に、定期的に、酸素用開閉弁Voを開弁すると共に、酸素調整弁Coを予め設定した開度に調節する濡れ回復運転を、酸素富化運転用設定時間の間実行する。
【0055】
濡れ回復運転においては、セルCに供給される酸素含有ガスの酸素濃度が高くなるので、酸素極側流路の下流側においても、通流する酸素含有ガスの酸素濃度を高い状態に維持することができることとなり、電流密度分布を通常運転におけるよりも均一になるようにすることができる。
従って、通常運転において、通流する酸素含有ガスの濃度が他より高いために、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、電流密度分布が通常運転におけるよりも均一となる濡れ回復運転においては、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなので、濡れ状態を軽減することができる。
【0056】
つまり、請求項2に記載の燃料電池の運転方法、即ち、発電に伴ってセルCの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルCにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返す燃料電池の運転方法を実行する。
そしてまた、請求項3に記載の燃料電池の運転方法、即ち、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、酸素極2に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定める燃料電池の運転方法を実行することになる。
【0057】
そしてまた、請求項4に記載の燃料電池の運転方法、即ち、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、濡れ回復用運転条件にて運転する方が通常運転条件にて運転するよりも、セルCの電流密度分布が均一になるように、酸素極2に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定める(具体的には、酸素極2に供給する酸素含有ガスの酸素濃度が濡れ回復用運転条件の方が通常運転条件よりも高くする)燃料電池の運転方法を実行することになる。
【0058】
ちなみに、第2実施形態における濡れ回復運転は、濡れ回復用運転条件を酸素極2に供給する酸素含有ガスの酸素濃度が通常運転条件よりも高くなるように定めた酸素富化運転に相当する。
【0059】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部12の制御動作について説明する。
制御部12は、酸素用開閉弁Voを閉弁した状態で定格状態で運転する通常運転の運転中に、定期的に、酸素用開閉弁Voを開弁すると共に、酸素調整弁Coを予め設定した開度に調節する濡れ回復運転を、酸素富化運転用設定時間の間実行する。
【0060】
尚、濡れ回復運転中は、基本的には、電流検出器34の検出電流を設定定格電流値に維持するように水素含有ガス調整弁Cfを調節する。但し、濡れ回復運転中は、セルCに供給される酸素含有ガスの酸素濃度が高くなって、セルCの発電性能が向上しているので、セルCの電圧が上昇する場合がある。そこで、濡れ回復運転中は、電圧検出器35にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値(例えば、単セル電圧に換算して800mVになるような値)を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Cfを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行することにより、セルCの電圧が高くなり過ぎて、セルCがダメージを受けるのを防止する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部32に蓄電される。
【0061】
尚、濡れ回復運転中にセルCの電圧が高くなり過ぎるのを防止するための制御としては、電圧検出器35の検出電圧が前記上限値を越えないように、酸素調整弁Coの調節により、酸素極2に供給する酸素含有ガスに対する酸素富化状態を調節する制御も可能である。
【0062】
上記の説明から分かるように、第2実施形態においては、請求項2〜4の各発明に加えて、請求項10の発明が記載されている。
【0063】
〔第3実施形態〕
以下、図4に基づいて、本発明の第3実施形態を説明する。
図4に示すように、第3実施形態においては、第2実施形態と同様に、第1実施形態における、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるための構成を省略してある。
そして、第2実施形態と同様に、図7の(イ)に示すように、酸素含有ガスと水素含有ガスをそれぞれ酸素極側流路、燃料極側流路を常に同方向に通流させるように構成してある。
【0064】
上述のように構成した燃料電池FCにおいては、以下のような運転方法を実行する。
通常運転においては、上記の第1実施形態と同様の定格状態で運転する。
そして、通常運転にて運転中に、定期的に、酸素含有ガス調整弁Csの開度を通常運転時におけるよりも大きい濡れ回復運転用開度に調節する濡れ回復運転を、酸素利用率低下運転用設定時間の間実行する。
【0065】
濡れ回復運転においては、セルCに供給される酸素含有ガスの供給量が多くなる(換言すれば、酸素利用率が低くなる)なるので、酸素極側流路の下流側においても、通流する酸素含有ガスの酸素濃度を高い状態に維持することができることとなり、電流密度分布を通常運転におけるよりも均一になるようにすることができる。
従って、通常運転において、通流する酸素含有ガスの濃度が他より高いために、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、電流密度分布が通常運転におけるよりも均一となる濡れ回復運転においては、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなので、濡れ状態を軽減することができる。
【0066】
つまり、第3実施形態においては、第2実施形態と同様に、請求項2に記載の燃料電池の運転方法、請求項3に記載の燃料電池の運転方法、請求項4に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
尚、第3実施形態においては、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、濡れ回復用運転条件の方が通常運転条件よりも酸素含有ガスの供給量が多くなるように(換言すれば、酸素利用率が低くなるように)、酸素極2に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定めることになる。
【0067】
ちなみに、第3実施形態における濡れ回復運転は、濡れ回復用運転条件を酸素極2に供給する酸素含有ガス供給量が通常運転条件よりも多くなるように定めた酸素利用率低下運転に相当する。
【0068】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部12の制御動作について説明する。
制御部12は、定格状態で運転する通常運転の運転中に、定期的に、酸素含有ガス調整弁Csの開度を濡れ回復運転用開度に調節する濡れ回復運転を、酸素利用率低下運転用設定時間の間実行する。
【0069】
尚、濡れ回復運転中は、基本的には、電流検出器34の検出電流を設定定格電流値に維持するように水素含有ガス調整弁Cfを調節する。但し、濡れ回復運転中は、酸素利用率が小さくなって、セルCの発電性能が向上しているので、セルCの電圧が上昇する場合がある。そこで、電圧検出器35にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値(例えば、単セル電圧に換算して800mVになるような値)を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Cfを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部32に蓄電される。
【0070】
上記の説明から分かるように、第3実施形態においては、請求項2〜4の各発明に加えて、請求項10の発明が記載されている。
【0071】
〔第4実施形態〕
以下、図4に基づいて、本発明の第4実施形態を説明する。
図4に示すように、第4実施形態においては、第2実施形態と同様に、第1実施形態における、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるための構成を省略してある。
そして、第2実施形態と同様に、図7の(イ)に示すように、酸素含有ガスと水素含有ガスをそれぞれ酸素極側流路、燃料極側流路を常に同方向に通流させるように構成してある。
【0072】
上述のように構成した燃料電池FCにおいては、以下のような運転方法を実行する。
通常運転においては、上記の第1実施形態と同様の定格状態で運転する。
そして、通常運転にて運転中に、定期的に、冷却水ポンプ20の回転速度を通常運転時よりも遅い濡れ回復運転用回転速度に調節し、且つ、両水蒸気調整弁Cwの開度を通常運転時よりも小さい濡れ回復運転用開度に調節する濡れ回復運転を実行する。
【0073】
濡れ回復運転においては、セルCに供給される冷却水の供給量が通常運転におけるよりも少なくなるためにセルCを冷却する冷却能力が小さくなって、セルCの温度が上昇すると共に、酸素極2に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量及び燃料極3に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が通常運転よりも少なくなって、セルCに供給される加湿水分量が少なくなるので、そのように、セルCを冷却する冷却能力が小さくなってセルCの温度が上昇すること、及び、セルCに供給される加湿水分量が少なくなることの相乗作用により、通常運転時において濡れていた部分の濡れ状態を速やかに軽減することができる。
【0074】
つまり、第4実施形態においては、請求項2に記載の燃料電池の運転方法、請求項5に記載の燃料電池の運転方法、及び、請求項6に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
又、第4実施形態においては、濡れ回復運転として、濡れ回復用運転条件をセルCを冷却する冷却能力が通常運転条件よりも低くなるように定めた昇温運転、及び、濡れ回復用運転条件を酸素極2に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は燃料極3に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が通常運転条件よりも少なくなるように定めた加湿低減運転を並行して実行することになるので、請求項7に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
【0075】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部12の制御動作について説明する。
制御部12は、定格状態で運転する通常運転の運転中に、定期的に濡れ回復運転を実行する。
制御部12は、濡れ回復運転においては、冷却水ポンプ20の回転速度を濡れ回復運転用回転速度に調節し且つ両水蒸気調整弁Cwの開度を濡れ回復運転用開度に調節する状態を、セルCの温度を検出する温度センサ(図示省略)の検出温度が設定温度(例えば1°C)上昇するまで継続し、設定温度上昇すると、冷却水ポンプ20の回転速度を通常運転時の回転速度に戻し且つ両水蒸気調整弁Cwの開度を通常運転時の開度に戻して、セルCの発電性能の回復を判別する制御を、発電性能が所定値まで回復するまで継続する。
発電性能の回復の判別は、電流検出器34の検出電流と電圧検出器35の検出電圧にて行う。
【0076】
尚、濡れ回復運転中は、基本的には、電流検出器34の検出電流を設定定格電流値に維持するように水素含有ガス調整弁Cfを調節する。但し、濡れ回復運転中は、セルCの温度が上昇して、セルCの発電性能が向上しているので、セルCの電圧が上昇する場合がある。そこで、電圧検出器35にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値(例えば、単セル電圧に換算して800mVになるような値)を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Cfを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部32に蓄電される。
【0077】
尚、濡れ回復運転において通常運転時よりもセルCの温度を上昇させる範囲は、例えば、セルCに悪影響を与えないために、5°C以内に設定するのが好ましい。
【0078】
上記の説明から分かるように、第3実施形態においては、請求項2、5、6、7の各発明に加えて、請求項10の発明が記載されている。
【0079】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
(イ) 上記の第1実施形態においては、酸素極2側の面に沿って通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるように構成する場合について例示したが、燃料極3側の面に沿って通流する水素含有ガスの通流方向を反転させるように構成しても良いし、あるいは、酸素極2側の面に沿って通流する酸素含有ガスの通流方向、及び、燃料極3側の面に沿って通流する水素含有ガスの通流方向の両方を反転させるように構成しても良い。
【0080】
(ロ) 上記の第1実施形態においては、酸素極2側の面に沿って通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、出力電流値を通常運転時よりも小さくなるように調整する場合について例示したが、出力電流値を通常運転時と同一に維持するように構成しても良いし、電力負荷LD及び蓄電部32をセルスタックNCから切り離して、出力電流値をゼロにしても良い。
【0081】
(ハ) 上記の第4実施形態においては、濡れ回復運転として、昇温運転と加湿低減運転を並行して実行する場合について例示したが、濡れ回復運転として、昇温運転を単独で実行したり、加湿低減運転を単独で実行してもい良い。
昇温運転を単独で実行する場合は、第4実施形態で説明したように、セルCの温度を設定温度ステップで上昇させるべく、間欠的に実行するのが好ましい。
加湿低減運転を単独で実行する場合は、予め設定した加湿低減運転用設定時間の間継続して実行する。
【0082】
(ニ) 濡れ回復運転として、上記の第1実施形態で説明したガス通流方向反転運転、第2実施形態で説明した酸素富化運転、第3実施形態で説明した酸素利用率低下運転、第4実施形態で説明した昇温運転、及び、同じく第4実施形態で説明した加湿低減運転のうち、いずれか2つを実行したり、いずれか3つを実行したり、いずれか4つを実行したり、全てを実行したりしても良い。
【0083】
(ホ) 上記の第1実施形態においては、請求項1、8、9夫々に記載の発明を高分子型の燃料電池に適用する場合について例示したが、請求項1、8、9夫々に記載の発明は、高分子型以外の種々の燃料電池、例えば、リン酸型、固体電解質型等の燃料電池にも適用することが可能である。
【0084】
(ヘ) 上記の各実施形態においては、セルスタックNCを、セルCの板面が水平方向を向く姿勢で配置する場合について例示したが、セルCの板面が上下方向を向く姿勢で配置しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係る燃料電池を備えた電源装置の全体構成を示す系統図
【図2】セル電圧の経時変化を示す図
【図3】第2実施形態に係る燃料電池を備えた電源装置の全体構成を示す系統図
【図4】第3及び第4実施形態に係る燃料電池を備えた電源装置の全体構成を示す系統図
【図5】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図6】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図7】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図8】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図9】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの全体概略構成を示す図
【符号の説明】
1 電解質層
2 酸素極
3 燃料極
12 制御手段
C セル
V 通流方向反転手段
Claims (9)
- 電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池の運転方法であって、
前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を、繰り返し反転させるとともに、
前記酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は
前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節する燃料電池の運転方法。 - 電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池の運転方法であって、
前記セルが、高分子膜を前記電解質層として備え、
発電に伴って前記セルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、前記セルにおいて前記通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために前記通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返すとともに、
前記通常運転と前記濡れ回復運転として、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させ、
前記酸素含有ガスの通流方向の通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は
前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節する燃料電池の運転方法。 - 前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は前記燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせて定める請求項2記載の燃料電池の運転方法。
- 前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件にて運転する方が前記通常運転条件にて運転するよりも、前記セルの電流密度分布が均一になるように、前記酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定める請求項3記載の燃料電池の運転方法。
- 前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件にて運転する方が前記通常運転条件にて運転するよりも、前記セル
の温度が高くなるように、前記セルを冷却する冷却能力を異ならせて定める請求項2記載の燃料電池の運転方法。 - 前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件の方が前記通常運転条件よりも、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が少なくなるように定める請求項2記載の燃料電池の運転方法。
- 前記濡れ回復運転として、
前記濡れ回復用運転条件を前記酸素極に供給する酸素含有ガス供給量が前記通常運転条件よりも多くなるように定めた酸素利用率低下運転、
前記濡れ回復用運転条件を前記酸素極に供給する酸素含有ガスの酸素濃度が前記通常運転条件よりも高くなるように定めた酸素富化運転、
前記濡れ回復用運転条件を、前記セルを冷却する冷却能力が前記通常運転条件よりも低くなるように定めた昇温運転、
前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向又は前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を前記通常運転条件とは反転させるように定めたガス通流方向反転運転、及び、
前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が前記通常運転条件よりも少なくなるように定めた加湿低減運転のうち、
少なくとも2つを並行して実行する請求項2記載の燃料電池の運転方法。 - 電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池であって、
前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスが通流される経路に対する水素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段と、
前記酸素含有ガスの通流方向又は前記水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、前記通流方向反転手段の作動を制御する制御手段が設けられるとともに、
前記制御手段は、前記酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は
前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節するように構成されている燃料電池。 - 電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池であって、
前記セルが、高分子膜を前記電解質層として備え、
燃料電池の運転を管理する制御手段が設けられ、
その制御手段が、発電に伴って前記セルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、前記セルにおいて前記通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために前記通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返し実行するように構成されるとともに、
前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスが通流される経路に対する水素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段が設けられ、
前記制御手段は、前記酸素含有ガスの通流方向又は前記水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、前記通流方向反転手段の作動を制御することにより、前記通常運転と前記濡れ回復運転とを交互に繰り返し実行するように構成され、且つ、
前記酸素含有ガスの通流方向の通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は
前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節するように構成されている燃料電池。
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