JP5025389B2 - 燃料電池発電システムの制御方法及び燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
[数1]
燃料極 :2H2 → 4H+ +4e-
[数2]
酸化剤極:O2 +4H+ +4e- → 2H2 O
[数3]
酸化剤極:C+2H2 O → CO2 +4H+ +4e-
図1は本実施形態の燃料電池発電スタックの初期化方法を実現する燃料電池発電システムの構成図である。なお、図中の実線はガス配管を示し、破線は電気配線の結線図を示す。また、燃料電池スタックは、燃料極、酸化剤極及び前記両極を対向配置してなる電解質膜とから成る単位セルを、任意数積層した積層体で構成するが、本図では便宜上単セル分のみ記載している。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池発電システムの構成は、従来と同様である。すなわち、燃料電池スタック1の燃料極1aおよび酸化剤極1bとそれぞれ連通するガス供給口に接続されたガス供給配管、および燃料電池スタック集電端子に燃料極側を負極、酸化剤極側を正極となるように接続された電子負荷装置2と、燃料電池スタック1から排出されるガスを処理する触媒燃焼器3とからなる。
[1−2−1.作用の概要]
次に上記構成の燃料電池発電システムの初期化処理の作用の概要について説明する。燃料極1aに水素ガス、酸化剤極1bに窒素を供給して自然電位の状態から、酸化剤極1bへ供給するガスを窒素から空気に切り替えることによって開回路電圧になる。このような、自然電位から開回路電圧への急激な電圧変化により酸化剤極1bの電極内は、数4に示すような化学反応が生じる。
酸化剤極:C+2H2 O → CO2 +4H+ +4e-
数4に示す化学反応のように、自然電位から開回路電圧への急激な電圧変化により酸化剤極の電極内に使用しているカーボン材料の撥水性が減少する。
[数5]
燃料極:2H2 → 4H+ +4e-
[数6]
酸化剤極:O2 +4H+ +4e- → 2H2 O
次に本実施形態の燃料電池発電システムの初期化方法について、図3のフローチャートを参照して具体的に説明する。まず、燃料電池スタック1とガス系配管、電気系配線の接続を行った後、制御装置5の制御により、燃料極窒素バルブ4b、酸化剤極窒素バルブ4eおよび排出バルブ4gをそれぞれ開き、燃料極ガス切替バルブ4cと酸化剤極ガス切替バルブ4fとを窒素側に切り替えて燃料極1a、および酸化剤極1bを窒素でパージする(S302)。
以上のような本実施形態の燃料電池発電システムにおいて燃料電池スタックの初期化方法を実施した際のセル性能として燃料電池スタックの平均セル電圧を図6に示す。図6においては、効果を比較するため、初期化操作を実施しない場合の電圧(比較例)も示す。なお、上記セル電圧の測定条件はすべて同一であり、燃料極1aに水素(燃料利用率80%)、酸化剤極1bに空気(酸素利用率60%)を供給し、電池温度70℃、電流密度0.2A/cm2 におけるスタック平均セル電圧を示したものである。
第2の実施形態は第1の実施形態の変形例であり、第1の実施形態において電気的な負荷を印加して保持した燃料電池スタック1に対して電気的な負荷を印加する処理に代えて、酸化剤極1bに供給するガスを酸化剤ガスから不活性ガス切り替えて不活性ガスを供給する工程で、電気的な負荷を印加して電圧を下げる処理を実行するものである。なお、燃料電池発電システムの装置構成並びに上記の処理以外は第1の実施形態と同様である。そこで、以下では第1の実施形態と異なる処理についてのみ説明する。
[数7]
燃料極 :2H2 → 4H+ +4e-
[数8]
酸化剤極:O2 +4H+ +4e- → 2H2 O
1a…燃料電池スタック燃料極
1b…燃料電池スタック酸化剤極
1c…燃料電池スタック電解質膜
2…電子負荷装置
3…触媒燃焼器
4a…水素バルブ
4b…燃料極窒素バルブ
4c…燃料極ガス切替バルブ
4d…空気バルブ
4e…酸化剤極窒素バルブ
4f…酸化剤極ガス切替バルブ
4g…排気バルブ
5…制御装置
6…加湿器
Claims (6)
- 電解質膜を挟んで対向配置される燃料極および酸化剤極から成る単電池を複数積層し、前記燃料極に燃料ガスを、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池スタックと、前記燃料極および酸化剤極のそれぞれに燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス供給口と、燃料極および酸化剤極のそれぞれに不活性ガスを供給する供給口とを切替え可能に連通するガス供給配管と、前記燃料電池スタック集電端子に燃料極側を負極、酸化剤極側を正極となるように接続された電子負荷装置と、前記燃料電池スタックへのガスの供給及び停止を前記ガス供給配管の切替により制御するとともに前記電子負荷装置の負荷を制御する制御装置と、を備えた燃料電池発電システムの制御方法において、
前記制御装置は、
前記燃料極に燃料ガスを供給し、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池スタックの発電を開始して開回路電圧に保持する電圧保持処理と、
前記開回路電圧に保持した燃料電池スタックに、前記電子負荷装置を制御して電気的な負荷を印加する負荷印加処理と、
前記電気的な負荷を印加した燃料電池スタックに印加を停止し、酸化剤極に供給するガスを酸化剤ガスから不活性ガス切り替えて不活性ガスを供給して電圧を下げる不活性ガス供給処理と、を実行することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。 - 前記制御装置は、前記電圧保持処理と、前記負荷印加処理と、不活性ガス供給処理とを1サイクルとして所定のサイクル数を繰り返して実行することを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電システムの制御方法。
- 前記制御装置は、
前記不活性ガス供給処理において、酸化剤極に不活性ガスを供給した後、前記電子負荷装置を制御して燃料電池スタックに電気的な負荷を印加することを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池発電システムの制御方法。 - 電解質膜を挟んで対向配置される燃料極および酸化剤極から成る単電池を複数積層し、前記燃料極に燃料ガスを、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池スタックと、前記燃料極および酸化剤極のそれぞれに燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス供給口と、燃料極および酸化剤極のそれぞれに不活性ガスを供給する供給口とを切替え可能に連通するガス供給配管と、前記燃料電池スタック集電端子に燃料極側を負極、酸化剤極側を正極となるように接続された電子負荷装置と、前記燃料電池スタックへのガスの供給及び停止を前記ガス供給配管の切替により制御するとともに前記電子負荷装置の負荷を制御する制御装置と、を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記制御装置は、
前記燃料極に燃料ガスを供給し、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池スタックの発電を開始して開回路電圧に保持する電圧保持手段と、
前記開回路電圧に保持した燃料電池スタックに、前記電子負荷装置を制御して電気的な負荷を印加する負荷印加手段と、
前記電気的な負荷を印加した燃料電池スタックに印加を停止し、酸化剤極に供給するガスを酸化剤ガスから不活性ガス切り替えて不活性ガスを供給して電圧を下げる不活性ガス供給手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 前記制御装置は、前記電圧保持手段と、前記負荷印加手段と、不活性ガス供給手段とにより実行される一通りの処理を1サイクルとして所定のサイクル数を繰り返して実行するものであることを特徴とする請求項4記載の燃料電池発電システム。
- 前記制御装置は、
前記不活性ガス供給手段により、酸化剤極に不活性ガスを供給した後、前記電子負荷装置を制御して燃料電池スタックに電気的な負荷を印加するものであることを特徴とする請求項4又は5記載の燃料電池発電システム。
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