JP5071254B2 - Fuel cell power generation system and operation method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池を活性化し、発電効率および耐久性の向上を図った燃料電池発電システムおよびその運転方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell power generation system that activates a fuel cell to improve power generation efficiency and durability, and an operation method thereof.
従来の一般的な燃料電池発電システムは、図13に示すように、電解質膜101の両面に燃料極102と酸化剤極103を形成した膜電極接合体104を有する燃料電池105を備え、少なくとも水素を含む燃料ガスを燃料極102に供給し、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極103に供給することにより発電していた。
A conventional general fuel cell power generation system includes a
一般的に酸化剤ガスには空気(大気)が用いられるが、空気中には様々な不純物が含まれている場合が多く、これらの不純物の中には酸化剤極103に付着して酸化剤極103の触媒活性を低下させ、発電に必要な化学反応を阻害して燃料電池105の出力を低下させる物質がある。
Generally, air (atmosphere) is used as the oxidant gas, but air often contains various impurities, and these impurities adhere to the
従来の燃料電池発電システムは、こうした酸化剤極103に付着した不純物を除去するために、例えば、発電する回路とは別に外部電源106を設け、発電停止時に不純物が付着した酸化剤極103が正極となるように燃料電池105に外部電源106を電気的に接続し、燃料電池105に電圧を印加して、一定期間、酸化剤極103の電位を自然電位より高い電位にすることにより、酸化剤極103に付着した不純物を酸化させ脱離させていた(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、上記従来の外部電源106を用いて酸化剤極103の電位を高電位にする方法では、酸化剤極103全体の電位が上がってしまうため、酸化剤極103の一部に付着した不純物を酸化させるだけでなく、酸化剤極103全体の触媒に含まれるカーボンまでも酸化させてしまうので、酸化剤極103が劣化し、燃料電池105の耐久性が低下してしまうという課題があった。
However, in the method of increasing the potential of the
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料極に少なくとも酸素を含むガスを供給する酸素供給手段を備え、不純物が付着した酸化剤極上の触媒活性低下領域に対向して位置する燃料極上の対向領域に少なくとも酸素を含むガスを供給し、燃料極上の対向領域から離れて位置する領域に燃料ガスを供給して、酸化剤極上の触媒活性低下領域のみの電位を高電位にして触媒作用を活性化する、発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and includes a fuel that includes an oxygen supply unit that supplies a gas containing at least oxygen to a fuel electrode, and is positioned opposite to a catalytic activity lowering region on an oxidant electrode to which impurities are attached. A gas containing at least oxygen is supplied to the opposing region on the pole, and a fuel gas is supplied to a region located away from the opposing region on the fuel electrode, so that the potential of only the catalytic activity lowering region on the oxidant electrode is raised to a high potential. An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system that activates the action and is excellent in power generation efficiency and durability, and an operation method thereof.
上記従来の課題を解決するために本発明は、燃料極に少なくとも酸素を含むガスを供給する酸素供給手段を備え、不純物が付着した酸化剤極上の触媒活性低下領域に対向して位置する燃料極上の対向領域に少なくとも酸素を含むガスを供給し、燃料極上の対向領域から離れて位置する領域に燃料ガスを供給して、酸化剤極上の触媒活性低下領域の電位を高電位にして触媒活性低下領域の触媒作用を活性化するものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the present invention includes an oxygen supply means for supplying a gas containing at least oxygen to the fuel electrode, and is provided on the fuel electrode located opposite to the catalytic activity decreasing region on the oxidant electrode to which impurities are attached. The gas containing at least oxygen is supplied to the opposite region of the gas, the fuel gas is supplied to the region located away from the opposite region on the fuel electrode, and the potential of the catalytic activity lowering region on the oxidant electrode is increased to lower the catalytic activity. It activates the catalytic action of the region.
以上説明したように、本発明によれば、外部電源などの装置を必要とすることなく、酸化剤極の触媒活性低下領域のみの電位を高電位にすることができ、酸化剤極全体のカーボンを酸化させることなく、燃料電池を活性化することができるので、発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to increase the potential only in the catalytic activity lowering region of the oxidizer electrode without requiring an external power source or the like, and the carbon of the oxidizer electrode as a whole. Since the fuel cell can be activated without oxidizing the fuel cell, it is possible to provide a fuel cell power generation system excellent in power generation efficiency and durability and an operation method thereof.
第1の発明は、少なくとも水素を含む燃料ガスを供給する燃料極、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤極、および電解質膜の両面に前記燃料極と前記酸化剤極を形成した膜電極接合体を有する燃料電池と、前記燃料極に少なくとも酸素を含むガスを供給する酸素供給手段とを備え、発電停止時に、前記酸化剤ガス中に含まれる不純物が付着した前記酸化剤極上の触媒活性低下領域に対向して位置する前記燃料極上の対向領域に前記酸素供給手段で少なくとも酸素を含むガスを供給し、前記燃料極上の前記対向領域から離れて位置する領域に前記燃料ガスを供給して、前記酸化剤極上の前記触媒活性低下領域の単セル電位を1V以上の高電位にするものである。 The first invention is a fuel electrode for supplying a fuel gas containing at least hydrogen, an oxidant electrode for supplying an oxidant gas containing at least oxygen, and a film in which the fuel electrode and the oxidant electrode are formed on both surfaces of an electrolyte membrane. A catalyst on the oxidant electrode, comprising a fuel cell having an electrode assembly, and an oxygen supply means for supplying a gas containing at least oxygen to the fuel electrode, to which impurities contained in the oxidant gas are adhered when power generation is stopped A gas containing at least oxygen is supplied by the oxygen supply means to a facing region on the fuel electrode located opposite the activity lowering region, and the fuel gas is supplied to a region located away from the facing region on the fuel electrode. Thus, the single cell potential in the reduced catalytic activity region on the oxidant electrode is set to a high potential of 1 V or higher.
この構成により、触媒活性低下領域の触媒作用を活性化することができ、燃料電池を活性化し、発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。 With this configuration, it is possible to activate the catalytic action in the catalyst activity lowering region, activate the fuel cell, and obtain a fuel cell power generation system excellent in power generation efficiency and durability.
第2の発明は、第1の発明において、酸化剤極の酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口側領域に燃料極の燃料ガスを排出する燃料ガス出口側領域を対向して位置するようにそれぞれの流路を配置し、燃料極の入口側から酸素供給手段で少なくとも酸素を含むガスを供給した後、燃料極の入口側から燃料ガスを供給するものである。 According to a second invention, in the first invention, the fuel gas outlet side region for discharging the fuel gas of the fuel electrode is positioned opposite to the oxidant gas inlet side region for introducing the oxidant gas of the oxidant electrode. The respective flow paths are arranged, and after supplying a gas containing at least oxygen from the inlet side of the fuel electrode by the oxygen supply means, the fuel gas is supplied from the inlet side of the fuel electrode.
この構成により、酸化剤ガスに含まれる不純物が主に付着する酸化剤ガス入口領域(触媒活性低下領域)の触媒作用を活性化することができる。 With this configuration, it is possible to activate the catalytic action in the oxidant gas inlet region (catalyst activity lowering region) to which impurities contained in the oxidant gas mainly adhere.
第3の発明は、第1または第2の発明において、燃料極に電気化学的に不活性なガスを供給する不活性ガス供給手段を備え、燃料極の入口側から不活性ガス供給手段で不活性なガスを供給した後、燃料極の入口側から酸素供給手段で少なくとも酸素を含むガスを供給して、次いで燃料極の入口側から燃料ガスを供給するものである。 According to a third invention, in the first or second invention, an inert gas supply means for supplying an electrochemically inert gas to the fuel electrode is provided, and the inert gas supply means is not provided from the inlet side of the fuel electrode. After supplying the active gas, a gas containing at least oxygen is supplied from the inlet side of the fuel electrode by the oxygen supply means, and then the fuel gas is supplied from the inlet side of the fuel electrode.
この構成により、酸素を含むガスを供給する前に燃料極に存在する水素を不活性なガスで置換してから、燃料極に酸素を供給するので、酸素を含むガスが供給されるときに水素と酸素が直接接触せず、燃料極の電位の上昇を抑えることができ、燃料極の触媒の溶解やカーボンの酸化などの劣化を抑制することができる。 According to this configuration, since hydrogen present in the fuel electrode is replaced with an inert gas before supplying oxygen-containing gas, and then oxygen is supplied to the fuel electrode, hydrogen is supplied when oxygen-containing gas is supplied. And oxygen are not in direct contact with each other, so that an increase in the potential of the fuel electrode can be suppressed, and deterioration such as dissolution of the catalyst of the fuel electrode and oxidation of carbon can be suppressed.
第4の発明は、第1の発明において、酸化剤極の酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口側領域に燃料極の燃料ガスを排出する燃料ガス出口側領域を対向して位置するようにそれぞれの流路を配置する燃料電池において、燃料極の出口側から酸素供給手段で少なくとも酸素を含むガスを供給した後、燃料極の入口側から燃料ガスを供給して酸素供給手段で供給した酸素を前記燃料極の出口側から排出するものである。 In a fourth aspect based on the first aspect, the fuel gas outlet side region for discharging the fuel gas of the fuel electrode is positioned opposite to the oxidant gas inlet side region for introducing the oxidant gas of the oxidant electrode. In the fuel cell in which the respective flow paths are arranged, after supplying at least oxygen-containing gas from the outlet side of the fuel electrode by the oxygen supply means, the fuel gas is supplied from the inlet side of the fuel electrode and supplied by the oxygen supply means Is discharged from the outlet side of the fuel electrode.
この構成により、燃料極に酸素を含むガスを供給するときに酸化剤極の酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口側領域の電位の上昇を抑えることができ、酸化剤極の酸化剤ガス出口側領域のカーボンの酸化を防止することができる。 With this configuration, when an oxygen-containing gas is supplied to the fuel electrode, an increase in potential of the oxidant gas outlet side region that discharges the oxidant gas of the oxidant electrode can be suppressed, and the oxidant gas outlet of the oxidant electrode can be suppressed. Oxidation of the carbon in the side region can be prevented.
第5の発明は、第1の発明において、酸化剤極の酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口側領域に燃料極の燃料ガスを供給する燃料ガス入口側領域を対向して位置するようにそれぞれの流路を配置し、燃料極の出口側から入口側にガスを供給できる入口出口切替弁を備え、酸化剤極上の触媒活性低下領域の触媒作用を活性化するときだけ、入口出口切替弁を切り替え、燃料極の出口側から酸素供給手段で少なくとも酸素を含むガスを供給した後、燃料極の出口側から燃料ガスを供給するものである。 According to a fifth invention, in the first invention, the fuel gas inlet side region for supplying the fuel gas of the fuel electrode is positioned opposite to the oxidant gas inlet side region for introducing the oxidant gas of the oxidant electrode. Each channel is provided with an inlet / outlet switching valve that can supply gas from the outlet side to the inlet side of the fuel electrode, and the inlet / outlet switching valve is activated only when the catalytic action of the catalytic activity lowering region on the oxidizer electrode is activated. Are switched, and a gas containing at least oxygen is supplied from the outlet side of the fuel electrode by the oxygen supply means, and then the fuel gas is supplied from the outlet side of the fuel electrode.
この構成により、酸化剤極が酸化剤ガスに含まれる不純物による影響を受けていない間は、発電性能に適したガス流路に燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給することができ、発電性能に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。 With this configuration, while the oxidant electrode is not affected by impurities contained in the oxidant gas, the fuel gas and the oxidant gas can be supplied to the gas flow paths suitable for the power generation performance. An excellent fuel cell power generation system can be obtained.
第6の発明は、第1または第5の発明において、燃料極に電気化学的に不活性なガスを供給する不活性ガス供給手段を備え、燃料極の出口側から入口側にガスを供給できる入口出口切替弁を切り替え、燃料極の出口側から不活性ガス供給手段で不活性なガスを供給した後、燃料極の出口側から酸素供給手段で少なくとも酸素を含むガスを供給して、次いで燃料極の出口側から燃料ガスを供給するものである。 According to a sixth invention, in the first or fifth invention, there is provided an inert gas supply means for supplying an electrochemically inert gas to the fuel electrode, and the gas can be supplied from the outlet side to the inlet side of the fuel electrode. After switching the inlet / outlet switching valve and supplying an inert gas from the outlet side of the fuel electrode by the inert gas supply means, a gas containing at least oxygen is supplied from the outlet side of the fuel electrode by the oxygen supply means, and then the fuel The fuel gas is supplied from the outlet side of the pole.
この構成により、酸素を含むガスを供給する前に燃料極に存在する水素を不活性なガスで置換してから酸素を供給するので、酸素を含むガスが供給されるときに水素と酸素が直接接触せず、燃料極の電位の上昇を抑えることができ、燃料極の触媒の溶解やカーボンの酸化などの劣化を抑制することができる。 With this configuration, oxygen is supplied after replacing hydrogen present in the fuel electrode with an inert gas before supplying oxygen-containing gas. Therefore, when oxygen-containing gas is supplied, hydrogen and oxygen are directly It is possible to suppress the increase in the potential of the fuel electrode without contact, and to suppress the degradation of the catalyst of the fuel electrode and the oxidation of carbon.
第7の発明は、第1または第5の発明において、燃料極の入口側から酸素供給手段で少なくとも酸素を含むガスを供給した後、燃料極の出口側から入口側にガスを供給できる入口出口切替弁を切り替え、燃料極の出口側から燃料ガスを供給して酸素供給手段で供給した酸素を燃料極の入口側から排出するものである。 In a seventh aspect of the present invention, in the first or fifth aspect, the inlet / outlet capable of supplying gas from the outlet side of the fuel electrode to the inlet side after supplying the gas containing at least oxygen from the inlet side of the fuel electrode by the oxygen supply means. The switching valve is switched so that fuel gas is supplied from the outlet side of the fuel electrode and oxygen supplied by the oxygen supply means is discharged from the inlet side of the fuel electrode.
この構成により、酸素供給手段で燃料極の入口側(対向領域)に供給される酸素が酸化剤極の出口側に対向して位置する燃料極の出口側(対向領域から離れて位置する領域)を通過しないので、酸化剤ガス出口側領域の電位の上昇を抑えることができ、酸化剤極の酸化剤ガス出口側領域のカーボンの酸化を防止することができる。 With this configuration, oxygen supplied to the inlet side (opposite area) of the fuel electrode by the oxygen supply means is positioned on the fuel electrode outlet side (area away from the opposing area) where the oxygen is opposed to the outlet side of the oxidizer electrode. Therefore, the increase in the potential of the oxidant gas outlet side region can be suppressed, and the oxidation of the carbon in the oxidant gas outlet side region of the oxidant electrode can be prevented.
第8の発明は、第1〜第7のいずれかの発明において、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、電圧検出手段で発電中の燃料電池の電圧が予め設定した閾値よりも一定期間小さいと判定した時、酸化剤極上の触媒活性低下領域の電位を高電位にするものである。 According to an eighth invention, in any one of the first to seventh inventions, there is provided voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell, and the voltage of the fuel cell being generated by the voltage detection means is more constant than a preset threshold value. When it is determined that the period is small, the potential of the catalytic activity lowering region on the oxidant electrode is set to a high potential.
この構成により、触媒活性低下領域の触媒作用を活性化し、酸化剤極の電位を高電位にする回数を必要最小限に留めることができ、酸化剤極に含まれるカーボンの酸化が抑制されるので、耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。 With this configuration, the catalytic action in the catalytic activity lowering region can be activated, the number of times the potential of the oxidant electrode can be increased to the minimum necessary, and the oxidation of carbon contained in the oxidant electrode can be suppressed. A fuel cell power generation system with excellent durability can be obtained.
第9の発明は、第1〜第7のいずれかの発明において、酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度を検出する不純物検出手段を備え、不純物検出手段で酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度が予め設定した閾値よりも一定期間大きいと判定した時、酸化剤極上の触媒活性低下領域の電位を高電位にするものである。 According to a ninth invention, in any one of the first to seventh inventions, there is provided an impurity detection means for detecting the concentration of impurities contained in the oxidant gas, and the impurity detection means detects impurities contained in the oxidant gas. When it is determined that the concentration is larger than a preset threshold value for a certain period, the potential of the catalytic activity lowering region on the oxidant electrode is set to a high potential.
この構成により、触媒活性低下領域の触媒作用を活性化し、酸化剤極の電位を高電位にする回数を必要最小限に留めることができ、酸化剤極に含まれるカーボンの酸化が抑制されるので、耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。 With this configuration, the catalytic action in the catalytic activity lowering region can be activated, the number of times the potential of the oxidant electrode can be increased to the minimum necessary, and the oxidation of carbon contained in the oxidant electrode can be suppressed. A fuel cell power generation system with excellent durability can be obtained.
第10の発明は、第1〜第9のいずれかの発明において、発電中、燃料極に空気を供給するエアブリード手段を備え、触媒作用を活性化するときに使用する酸素供給手段として、エアブリード手段を用いるものである。 According to a tenth aspect of the present invention, in any one of the first to ninth aspects, an air bleed means for supplying air to the fuel electrode during power generation is provided, and the oxygen supply means used for activating the catalytic action is an air supply means. Bleed means are used.
この構成により、触媒作用を活性化させるために新たに、ブロワやポンプなどの供給装置、配管およびフィルターなどを設ける必要がなく、発電中に用いるエアブリード手段をそのまま利用することができ、システムが簡素化され、低コスト化を図ることができる。 With this configuration, it is not necessary to newly provide a supply device such as a blower or a pump, piping and a filter in order to activate the catalytic action, and the air bleed means used during power generation can be used as it is. This simplifies and can reduce the cost.
第11の発明は、第1〜第9のいずれかの発明において、燃料ガスを生成する燃料処理装置と、燃料ガスを生成する過程において発生する一酸化炭素を選択的に酸化するために燃料処理装置に空気を供給する選択酸化空気供給手段を備え、触媒作用を活性化するときに使用する酸素供給手段として選択酸化空気供給手段を用いるものである。 According to an eleventh aspect of the present invention, in any one of the first to ninth aspects of the present invention, a fuel processing device for generating fuel gas and a fuel processing for selectively oxidizing carbon monoxide generated in the process of generating the fuel gas. The apparatus is provided with a selective oxidized air supply means for supplying air to the apparatus, and the selective oxidized air supply means is used as an oxygen supply means used when activating the catalytic action.
この構成により、触媒作用を活性化させるために新たに、ブロワやポンプなどの供給装置、配管およびフィルターなどを設ける必要がなく、発電中に用いるエアブリード手段をそのまま利用することができ、システムが簡素化され、低コスト化を図ることができる。 With this configuration, it is not necessary to newly provide a supply device such as a blower or a pump, piping and a filter in order to activate the catalytic action, and the air bleed means used during power generation can be used as it is. This simplifies and can reduce the cost.
第12の発明は、少なくとも水素を含む燃料ガスを供給する燃料極、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤極、および電解質膜の両面に燃料極と酸化剤極を形成した膜電極接合体を有する燃料電池と、燃料極に少なくとも酸素を含むガスを供給する酸素供給手段を備え、発電停止時に、燃料ガスと前記酸化剤ガスの内少なくとも酸化剤ガスの供給を停止して酸化剤極の単セル電位を発電中の電位以下にするステップと、起動時に、酸化剤ガス中に含まれる不純物が付着した酸化剤極上の触媒活性低下領域に対向して位置する燃料極上の対向領域に酸素供給手段で少なくとも酸素を含むガスを供給するステップと、次いで燃料極上の対向領域から離れて位置する領域に燃料ガスを供給して酸化剤極上の触媒活性低下領域の電位を1V以上の高電位にするステップを有するものである。 According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a fuel electrode for supplying a fuel gas containing at least hydrogen, an oxidant electrode for supplying an oxidant gas containing at least oxygen, and a membrane electrode junction in which a fuel electrode and an oxidant electrode are formed on both surfaces of an electrolyte membrane. And an oxygen supply means for supplying a gas containing at least oxygen to the fuel electrode. When power generation is stopped, supply of at least the oxidant gas of the fuel gas and the oxidant gas is stopped to stop the oxidant electrode. And the step of making the single cell potential below the potential during power generation, and at the time of start-up, oxygen is present in the opposed region on the fuel electrode located opposite to the catalytic activity decreasing region on the oxidant electrode to which impurities contained in the oxidant gas have adhered. A step of supplying a gas containing at least oxygen by the supply means; and then supplying the fuel gas to a region located away from the opposed region on the fuel electrode to set the potential of the catalytic activity decreasing region on the oxidant electrode to 1 And it has a step of the above high potential.
この構成により、触媒活性低下領域の触媒作用を活性化し、発電停止時は燃料極および酸化剤極の電位をそれぞれ低電位に保持して、燃料極および酸化剤極の劣化を抑制し、発電直前のみ燃料極に酸素を供給して酸化剤極の触媒活性低下領域の電位を上昇させて、酸化剤極の触媒を活性化するので、燃料極および酸化剤極の活性を長期間高く保持することができ、耐久性に優れた燃料電池発電システムを与える燃料電池発電システムの運転方法を得ることができる。 This configuration activates the catalytic action in the catalytic activity lowering region, maintains the potential of the fuel electrode and the oxidant electrode at low potential when power generation is stopped, and suppresses the deterioration of the fuel electrode and the oxidant electrode. Only the oxygen is supplied to the fuel electrode to increase the potential of the oxidant electrode catalytic activity decreasing region and the catalyst of the oxidant electrode is activated, so that the activity of the fuel electrode and the oxidant electrode is kept high for a long time. Therefore, it is possible to obtain a method of operating the fuel cell power generation system that provides a fuel cell power generation system with excellent durability.
第13の発明は、第12の発明において、燃料極に電気化学的に不活性なガスを供給する不活性ガス供給手段を備え、燃料極に不活性ガス供給手段で不活性なガスを供給した後、燃料極に酸素供給手段で少なくとも酸素を含むガスを供給するステップを有するものである。 A thirteenth invention is the twelfth invention, comprising an inert gas supply means for supplying an electrochemically inert gas to the fuel electrode, and the inert gas supplied to the fuel electrode by the inert gas supply means Thereafter, a step of supplying a gas containing at least oxygen to the fuel electrode by an oxygen supply means is provided.
この構成により、酸素を含むガスを供給する前に燃料極に存在する水素を不活性なガスで置換してから酸素を供給するので、酸素を含むガスが供給されるときに水素と酸素が接触せず、燃料極の電位の上昇を抑えることができ、燃料極の触媒の溶解やカーボンの酸化などの劣化を抑制することができる。 With this configuration, oxygen is supplied after replacing hydrogen present in the fuel electrode with an inert gas before supplying oxygen-containing gas, so that hydrogen and oxygen come into contact with each other when oxygen-containing gas is supplied. Without increasing the potential of the fuel electrode, and deterioration such as dissolution of the catalyst of the fuel electrode and oxidation of carbon can be suppressed.
第14の発明は、第12または13の発明において、酸化剤極の酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口側領域に燃料極の燃料ガスを供給する燃料ガス入口側領域を対向して位置するようにそれぞれの流路を配置し、燃料極の出口側から入口側にガスを供給できる入口出口切替弁を備え、酸化剤極上の触媒活性低下領域の触媒作用を活性化するときだけ入口出口切替弁を切り替えるステップを有するものである。 In a fourteenth aspect based on the twelfth or thirteenth aspect, the fuel gas inlet side region for supplying the fuel gas of the fuel electrode is positioned opposite to the oxidant gas inlet side region for introducing the oxidant gas of the oxidant electrode. In this way, each flow path is arranged, and an inlet / outlet switching valve that can supply gas from the outlet side of the fuel electrode to the inlet side is provided, and the inlet / outlet switching is performed only when the catalytic action in the catalytic activity lowering region on the oxidizer electrode is activated. A step of switching valves.
この構成により、入口出口切替弁を切り替えて燃料極の出口側から酸素供給手段で少なくとも酸素を含むガスを供給した後、燃料極の出口側から前記燃料ガスを供給することにより、酸化剤極が酸化剤ガスに含まれる不純物による影響を受けていない間は、発電性能に適したガス流路に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給することができ、発電性能に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。 With this configuration, after the inlet / outlet switching valve is switched and the gas containing at least oxygen is supplied from the outlet side of the fuel electrode by the oxygen supply means, the fuel gas is supplied from the outlet side of the fuel electrode, whereby the oxidant electrode is While not affected by impurities contained in oxidant gas, fuel gas and oxidant gas can be supplied to the gas flow path suitable for power generation performance, and a fuel cell power generation system with excellent power generation performance can be obtained. Can do.
第15の発明は、第12〜第14のいずれかの発明において、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、電圧検出手段で発電中の燃料電池の電圧の予め設定した閾値に対する大小を判定するステップを有するものである。 In a fifteenth aspect of the invention, in any one of the twelfth to fourteenth aspects of the invention, the voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell is provided, and the magnitude of the voltage of the fuel cell during power generation by the voltage detection means with respect to a preset threshold value. A step of determining.
この構成により、酸化剤極の電位を高電位にする回数を必要最小限に留めることができ、酸化剤極に含まれるカーボンの酸化が抑制されるので、耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。 With this configuration, the number of times that the potential of the oxidant electrode is raised to a high potential can be kept to a minimum, and the oxidation of carbon contained in the oxidant electrode is suppressed, so that a fuel cell power generation system with excellent durability can be obtained. Obtainable.
第16の発明は、第12〜第14のいずれかの発明において、酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度を検出する不純物検出手段を備え、不純物検出手段で酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度の予め設定した閾値に対する大小を判定するステップを有するものである。 A sixteenth aspect of the invention is directed to any one of the twelfth to fourteenth aspects, further comprising impurity detection means for detecting the concentration of impurities contained in the oxidant gas, wherein the impurity detection means detects impurities contained in the oxidant gas. The method includes a step of determining the magnitude of the density with respect to a preset threshold value.
この構成により、酸化剤極の電位を高電位にする回数を必要最小限に留めることができ、酸化剤極に含まれるカーボンの酸化が抑制されるので、耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。 With this configuration, the number of times that the potential of the oxidant electrode is raised to a high potential can be kept to a minimum, and the oxidation of carbon contained in the oxidant electrode is suppressed, so that a fuel cell power generation system with excellent durability can be obtained. Obtainable.
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1の燃料電池発電システムの概略構成図を示すものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell power generation system according to
本発明の実施の形態1の燃料電池発電システムは、水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマーからなる固体高分子電解質膜1の両面に燃料極2と酸化剤極3を形成した膜電極接合体4を有する燃料電池5を備え、少なくとも水素を含む燃料ガスを燃料極2に、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極3に供給することにより発電することができる。
The fuel cell power generation system of
燃料極2および酸化剤極3は、耐酸化性の高い多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性および電子伝導性を有するガス拡散層からなる。燃料極2には、耐CO性を有する白金−ルテニウムなどの合金触媒を用いた。また、ガス拡散層には撥水処理を施したカーボンペーパーあるいはカーボンクロスを用いた。 The fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 include a catalyst layer made of a mixture of a catalyst having a noble metal such as platinum supported on porous carbon having high oxidation resistance and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, and a catalyst layer on the catalyst layer. And a gas diffusion layer having air permeability and electronic conductivity. For the fuel electrode 2, an alloy catalyst such as platinum-ruthenium having CO resistance was used. Moreover, carbon paper or carbon cloth subjected to water repellent treatment was used for the gas diffusion layer.
電解質膜1の両面に燃料極2と酸化剤極3を形成した膜電極接合体4の周囲にはガスの混合やリークを防止するため、一対のガスケットを配置し、燃料極2および酸化剤極3にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有するカーボン製の導電性の一対のセパレータ板71,72で挟持して、単セルを構成した。
In order to prevent gas mixing and leakage around the
セパレータ板71,72に形成した燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路の概略構成図を図2に示す。実線は燃料極2側の燃料ガスを流す径路を示し、点線は対向する酸化剤極3側の酸化剤ガスを流す径路を示している。図2に示すように、酸化剤ガスを導入する酸化剤極3の酸化剤ガス入口側領域31に燃料ガスを排出する燃料極2の燃料ガス出口側領域22が対向して位置するように配置した。
FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of the fuel gas and oxidant gas flow paths formed on the
さらに、複数の単セルを積層して、両端に集電板、絶縁板および端板を配置し、締結ロッドで強固に締結してスタックを構成した。各セルの間には冷却水を供給排出する流路を設け、スタックの外部への放熱を防止し、安定した温度を保持するため、周囲に断熱材を配置した。 Further, a plurality of single cells were stacked, a current collector plate, an insulating plate, and an end plate were arranged at both ends, and a stack was configured by firmly fastening with a fastening rod. Between each cell, a flow path for supplying and discharging cooling water was provided, and a heat insulating material was arranged around the cell to prevent heat radiation to the outside of the stack and maintain a stable temperature.
上記構成の燃料電池5に、燃料ガスを供給する燃料処理装置8と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段9を接続し、燃料電池発電システムを構成した。
A fuel cell power generation system was configured by connecting the
燃料処理装置8は、メタンなどの炭化水素を含む都市ガスなどの原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを供給し、付臭剤などに含まれる硫黄化合物を吸着除去する脱硫部81と、メタンなどの炭化水素を含む原料ガスを改質する改質部82と、改質反応で発生する一酸化炭素(CO)を変成するCO変成部83と、さらにCOを選択的に酸化除去するCO除去部84で構成される。
The
原料ガスは、まず脱硫部81で脱硫された後、改質部82で改質されて水素を含む燃料ガスとなる。原料ガスにメタンを用いた場合、改質部82では、水蒸気を伴って(化1)で示した反応が起こり、燃料ガスである水素とともに約10%のCOが発生する。
The raw material gas is first desulfurized in the
燃料電池5の運転温度域において燃料極2に含まれる白金触媒はわずかなCOでも被毒し、その触媒活性が低下するため、改質部82で発生したCOは(化2)で示すようにCO変成部83で二酸化炭素に変成され、その濃度は約5000ppmまで減少する。下流側のCO除去部84ではCOだけでなく、燃料ガスの水素まで酸化されてしまうので、このCO変成部83においてできるだけCO濃度を低下させる必要がある。
The platinum catalyst contained in the fuel electrode 2 in the operating temperature range of the
さらに残ったCOは(化3)で示すようにCO除去部84において選択酸化空気供給手段85で大気中から取り込んだ空気によって選択的に酸化され、その濃度は燃料極2の触媒活性の低下を抑制できる約10ppm以下までに減少する。
Further, the remaining CO is selectively oxidized by the air taken in from the atmosphere by the selective oxidizing air supply means 85 in the
全反応式を(化4)に示す。 The overall reaction formula is shown in (Chemical Formula 4).
また、燃料極2の手前に発電中燃料極2に空気を供給するエアブリード手段10を設け、燃料処理装置8で生成した燃料ガスに1〜2%程度の空気を混合し、わずかに残るCOの影響をさらに軽減させる構成とした。
Further, an air bleed means 10 for supplying air to the fuel electrode 2 during power generation is provided in front of the fuel electrode 2, and about 1 to 2% of air is mixed with the fuel gas generated by the
酸化剤ガス供給手段9は、酸化剤ガスを取り込むブロワ91と、酸化剤ガス中の不純物を除去する不純物除去手段92と、酸化剤ガスを加湿する加湿器93で構成され、燃料電池5の酸化剤極3に加湿した酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスとは、少なくとも酸素を含む(あるいは酸素を供給することのできる)ガスの総称であり、例えば、大気(空気)が挙げられる。
The oxidant gas supply unit 9 includes a
ここで、上記構成の燃料電池5の動作について説明する。燃料極2および酸化剤極3にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して負荷を接続すると、燃料極2に供給された燃料ガス中に含まれる水素は反応式(化5)で示すように燃料極2の触媒層と電解質の界面で電子を放って水素イオンとなる。
Here, the operation of the
水素イオンは電解質膜1を通って酸化剤極3へと移動し、酸化剤極3の触媒層と電解質の界面で電子を受け取り、酸化剤極3に供給された酸化剤ガス中に含まれる酸素と反応し、水を生成する。この反応式は(化6)のようになる。
Hydrogen ions move to the oxidant electrode 3 through the
全反応を(化7)に示す。 The total reaction is shown in (Chemical Formula 7).
このとき負荷を流れる電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用でき、また、一連の反応は発熱反応であるため、反応熱を熱エネルギーとして利用できる。 At this time, the flow of electrons flowing through the load can be used as direct current electric energy, and since the series of reactions is an exothermic reaction, the reaction heat can be used as thermal energy.
ところで、大気中には様々な不純物が含まれている場合が多く、例えば、火山や燃焼排ガスなどに含まれている二酸化硫黄などの硫黄化合物や、工場や自動車の燃焼排ガスなどに多く含まれている窒素酸化物、あるいは悪臭成分であるアンモニアなどが含まれている。 By the way, there are many cases where various impurities are contained in the atmosphere, for example, sulfur compounds such as sulfur dioxide contained in volcanoes and combustion exhaust gas, and in combustion exhaust gases from factories and automobiles. It contains nitrogen oxides or ammonia, which is a malodorous component.
これらの不純物は燃料電池5に悪影響を及ぼし、酸化剤ガスに混入して酸化剤極3に到達した場合、酸化剤極3に含まれる触媒に付着(吸着)して発電に必要な化学反応を阻害するため、燃料電池5の出力が低下することがある。
These impurities adversely affect the
また、前記不純物は、酸化剤ガスとともに酸化剤極3の入口側から侵入するため、酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)に付着し、主に酸化剤極3の上流における発電に必要な化学反応を阻害する。 Further, since the impurity enters from the inlet side of the oxidant electrode 3 together with the oxidant gas, it adheres to the oxidant gas inlet side region 31 (catalyst activity lowering region) and is mainly used for power generation upstream of the oxidant electrode 3. Inhibits necessary chemical reactions.
ただし、酸化剤極3の電極電位を発電中の電位より上げてやると、前記不純物の酸化反応を促進させることができ、水や空気と反応させることにより、酸化剤極3に付着した不純物を酸化剤極3から脱離させやすくすることができる。 However, if the electrode potential of the oxidant electrode 3 is increased from the potential during power generation, the oxidation reaction of the impurities can be promoted, and the impurities adhering to the oxidant electrode 3 can be removed by reacting with water or air. It can be made easy to detach from the oxidant electrode 3.
本発明では、酸化剤極3全体の電位を上げるのではなく、触媒活性低下領域31のみの電位を上げ、酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)に付着した不純物を除去するため、酸素供給手段を設け、発電直前に燃料極2に酸素を供給する構成とした。
In the present invention, instead of increasing the potential of the oxidant electrode 3 as a whole, only the potential of the catalytic
本発明の実施の形態1の酸素供給手段には、図1に示すように、発電中、燃料極2に空気を供給するエアブリード手段10をそのまま用いた。
As shown in FIG. 1, air bleed means 10 for supplying air to the fuel electrode 2 during power generation was used as it was for the oxygen supply means of
エアブリード手段10を用いることにより、触媒作用を活性化させるために新たに、ブロワやポンプなどの供給装置、配管およびフィルターなどを設ける必要がなくなり、システムが簡素化され、低コスト化を図ることができる。 By using the air bleed means 10, it is not necessary to newly provide a supply device such as a blower or a pump, piping and a filter in order to activate the catalytic action, the system is simplified, and the cost is reduced. Can do.
次に、酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)を活性化する動作について図2を用いて説明する。触媒の活性化は燃料電池5の起動時(発電前)に行う。起動時、通常発電では燃料極2側に燃料ガス(水素)、酸化剤極3側に酸化剤ガス(酸素または空気)を供給する。
Next, the operation of activating the oxidant gas inlet side region 31 (catalyst activity lowering region) will be described with reference to FIG. The activation of the catalyst is performed when the
このとき水素が保持されている燃料極2の電極電位を0Vとした場合、酸素が保持されている酸化剤極3の電極電位は0.9〜1.23Vとなる。 At this time, when the electrode potential of the fuel electrode 2 holding hydrogen is 0 V, the electrode potential of the oxidant electrode 3 holding oxygen is 0.9 to 1.23 V.
ところが、触媒の活性化を行うために、燃料極2側に燃料ガスを供給する前に、酸素(または空気)を供給し、酸素(または空気)の供給に続いて燃料極2に燃料ガスである水素を供給すると、酸化剤極の入口側で酸化剤ガスに含まれる不純物が付着(吸着)している酸化剤ガス入口側領域31に対向する燃料極2の燃料ガス出口側領域22(対向領域)には酸素が、燃料極2の上流の対向領域から離れて位置する燃料ガス入口側領域21(非対向領域)1には水素がある状態となる。
However, in order to activate the catalyst, oxygen (or air) is supplied before supplying the fuel gas to the fuel electrode 2 side, and the fuel gas is supplied to the fuel electrode 2 following the supply of oxygen (or air). When a certain amount of hydrogen is supplied, the fuel gas outlet side region 22 (opposing) of the fuel electrode 2 is opposed to the oxidant gas
この瞬間、燃料極2の面内で燃料ガス出口側領域22(対向領域)の電位が、対向領域から離れて位置する燃料ガス入口側領域21(非対向領域)の電位より0.5〜1.23V高くなる現象が生じる。このとき対向する酸化剤極3には酸化剤ガスとして酸素(または空気)が供給されており、燃料極2の上流で水素が保持されている対向領域から離れて位置する燃料ガス入口側領域21(非対向領域)に対向している酸化剤極3の下流の酸化剤ガス出口側領域32の電位は0.9〜1.23Vであるが、燃料極2の下流で酸素が保持されている燃料ガス出口側領域22(対向領域)に対向する酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)の電位は1〜2Vぐらいまで上昇する。
At this moment, the potential of the fuel gas outlet side region 22 (opposing region) in the plane of the fuel electrode 2 is 0.5 to 1 from the potential of the fuel gas inlet side region 21 (non-opposing region) located away from the opposing region. .23V higher phenomenon occurs. At this time, oxygen (or air) is supplied as an oxidant gas to the opposing oxidant electrode 3, and the fuel gas
したがって、酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)に付着していた不純物は酸化され、酸化剤極3から脱離するので、酸化剤極3の触媒作用が活性化され、不純物による影響を軽減することができる。 Therefore, since the impurities adhering to the oxidant gas inlet side region 31 (catalyst activity decreasing region) are oxidized and desorbed from the oxidant electrode 3, the catalytic action of the oxidant electrode 3 is activated, and the influence of the impurities. Can be reduced.
また、本発明の実施の形態1の燃料電池5の両端には燃料電池5の電圧を検出する電圧検出手段11を接続し、燃料電池5の発電中の電圧をモニタできるようにした。
Further, voltage detecting means 11 for detecting the voltage of the
もし、酸化剤ガス中に不純物が存在すれば、不純物が酸化剤極3の触媒に付着して発電に必要な化学反応を阻害するので、燃料電池5の電圧は低下する。酸化剤ガス中の不純物が少なければ燃料電池5の電圧は安定しているので、電圧をモニタすることにより、燃料電池5の不純物に対する影響度を知ることができる。
If there is an impurity in the oxidant gas, the impurity adheres to the catalyst of the oxidant electrode 3 and hinders a chemical reaction necessary for power generation, so the voltage of the
本発明では、電圧検出手段11で発電中の燃料電池5の電圧が予め設定した閾値よりも一定期間小さい時は酸化剤極3に不純物が付着して触媒の活性が低下していると判定し、酸化剤極3上の酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)の電位を高電位にして酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)の触媒作用を活性化することができる構成とした。
In the present invention, when the voltage of the
一般に、酸化剤極3の触媒層中に含まれるカーボンは高電位では腐食や酸化を起こし、劣化しやすくなるが、本発明の実施の形態1の燃料電池発電システムの構成によれば、酸化剤極3の触媒層に酸化や腐食に強い耐酸化性のカーボンを使用しているだけでなく、さらに、電圧検出手段11が不純物に対する影響が大きいと判断したときだけ酸化剤極3の電位を上げる操作をするので、酸化剤極3の電位を高電位にする回数を必要最小限に留めることができ、酸化剤極3に含まれるカーボンの酸化を極力抑制することができる。
In general, carbon contained in the catalyst layer of the oxidant electrode 3 is easily corroded and oxidized at a high potential, and easily deteriorates. However, according to the configuration of the fuel cell power generation system of
次に、本発明の実施の形態1の燃料電池発電システムの運転方法について図3を用いて説明する。
Next, an operation method of the fuel cell power generation system according to
図3は、燃料電池5の触媒作用を活性化するときのフローチャートを示す。まず、燃料電池5が発電しており、電圧検出手段11が予め設定した電圧の閾値V1に対して検出する電圧Vが大きいか小さいかを判定する(S101)。
FIG. 3 shows a flowchart when the catalytic action of the
電圧検出手段11が発電中の電圧Vが閾値V1よりも小さいと判定した場合、酸化剤極3の触媒層に不純物が付着して触媒の活性が低下していると判断し、一旦発電を中止して再起動、あるいはそのまま発電は継続するが、次回システムあるいはユーザー側から発電停止および再起動を求められたときに酸化剤極3の電位を上げて触媒作用を活性化する操作を開始する命令信号を出力する(S102)。 When the voltage detection means 11 determines that the voltage V during power generation is smaller than the threshold value V1, it is determined that impurities are attached to the catalyst layer of the oxidizer electrode 3 and the activity of the catalyst is reduced, and power generation is temporarily stopped. The command to restart or to continue the power generation, but start the operation to activate the catalytic action by raising the potential of the oxidizer electrode 3 when the next system or user side asks to stop and restart the power generation A signal is output (S102).
次に、発電を停止するため、燃料ガスおよび酸化剤ガスの内、少なくとも酸化剤ガスの供給を停止し、酸化剤極3の電極電位を発電中の電位以下(好ましくは単セル電位が0.2V以下)まで低下させる(S103)。 Next, in order to stop the power generation, supply of at least the oxidant gas out of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, and the electrode potential of the oxidant electrode 3 is equal to or lower than the potential during power generation (preferably the single cell potential is 0.1. (S103).
ここで酸化剤ガスの供給停止と同時(あるいは一定時間経過後)に燃料ガスの供給を停止しても、燃料極2に残留する水素により、同様にして酸化剤極3の電極電位を低下させることができる。 Here, even if the supply of the fuel gas is stopped at the same time as the supply of the oxidant gas is stopped (or after a certain period of time has elapsed), the electrode potential of the oxidant electrode 3 is similarly lowered by the hydrogen remaining in the fuel electrode 2. be able to.
また、酸化剤極3の電極電位をより速やかに低下させるために電極反応に不活性なガス(窒素あるいは都市ガスなど)を酸化剤極3に供給して、残留する酸化剤ガスを不活性なガスに置換してもよい。 Further, in order to lower the electrode potential of the oxidant electrode 3 more rapidly, an inert gas (such as nitrogen or city gas) is supplied to the oxidant electrode 3 to make the remaining oxidant gas inert. You may substitute with gas.
酸化剤極3の電極電位を低下させることにより、燃料極2および酸化剤極3の電極電位がともに低電位となり、それぞれの触媒層の酸化劣化を抑制することができるので、燃料電池5の耐久性を向上させることができる。 By reducing the electrode potential of the oxidant electrode 3, the electrode potentials of the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 are both lowered, and the oxidative deterioration of the respective catalyst layers can be suppressed. Can be improved.
また、停止と同時に燃料電池5の電池温度が低下すると、加湿されていた燃料ガスおよび酸化剤ガスに含まれる水蒸気が凝縮し、燃料電池5の内圧が低下し、負圧になり、外部から燃料極2および酸化剤極3の触媒層を劣化させる空気などが侵入してしまうので、停止時に内部圧力に応じて電極反応に不活性なガスなどを注入して燃料電池5の内部が負圧にならないように保持することによりさらに耐久性を向上させることができる。
Further, when the cell temperature of the
次に、触媒作用を活性化して再起動するため、燃料極2の入口側から酸素供給手段であるエアブリード手段10により、燃料極2に酸素(または空気)を供給する(S104)。 Next, in order to activate and restart the catalytic action, oxygen (or air) is supplied to the fuel electrode 2 from the inlet side of the fuel electrode 2 by the air bleed means 10 as oxygen supply means (S104).
さらに、ステップS104に引き続き、すぐに燃料極2の入口側から燃料ガス(水素)、酸化剤極3の入口側から酸化剤ガス(酸素または空気)を供給する(S105)。この瞬間に燃料極2の燃料ガス出口側領域22(対向領域)には酸素、燃料ガス入口側領域21(対向領域から離れて位置する領域)には水素が存在する。 Further, immediately after step S104, fuel gas (hydrogen) is supplied from the inlet side of the fuel electrode 2 and oxidant gas (oxygen or air) is supplied from the inlet side of the oxidant electrode 3 (S105). At this moment, oxygen exists in the fuel gas outlet side region 22 (opposing region) of the fuel electrode 2 and hydrogen exists in the fuel gas inlet side region 21 (region located away from the opposing region).
一方、酸化剤極3には酸素が存在しているので、酸化剤極3の上流(触媒活性低下領域)31は高電位となり、付着していた不純物が酸化され除去することができる。そして、触媒作用の活性化を終了し、負荷を接続して燃料電池5の発電を再開する(S106)。
On the other hand, since oxygen is present in the oxidant electrode 3, the upstream (catalyst activity lowering region) 31 of the oxidant electrode 3 is at a high potential, and the attached impurities can be oxidized and removed. Then, the activation of the catalytic action is finished, the load is connected, and the power generation of the
上記シーケンスにより触媒作用の活性化を行った燃料電池5の発電中の電圧変化を調べたところ、活性化をして不純物を除去した後の電池電圧が上昇し、発電効率が上がることが判った。
As a result of examining the voltage change during power generation of the
したがって、本発明の実施の形態1の燃料電池発電システムおよびその運転方法により、燃料電池を活性化することができるので、発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供することができる。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2の燃料電池発電システムは、図1に示すように、燃料極2に電気化学的に不活性なガスを供給する不活性ガス供給手段12を備え、燃料極2の入口側から不活性ガス供給手段12で不活性なガスを供給した後、燃料極2の入口側から酸素供給手段であるエアブリード手段10で少なくとも酸素を含むガスを供給して、次いで燃料極2の入口側から燃料ガスを供給する点以外は、実施の形態1の燃料電池発電システムと同様の構成であり、実施の形態1と異なる点について詳細を説明する。
Therefore, since the fuel cell can be activated by the fuel cell power generation system and the operation method thereof according to
(Embodiment 2)
As shown in FIG. 1, the fuel cell power generation system according to Embodiment 2 of the present invention includes an inert gas supply means 12 for supplying an electrochemically inert gas to the fuel electrode 2, and an inlet of the fuel electrode 2. After supplying an inert gas from the side by the inert gas supply means 12, a gas containing at least oxygen is supplied from the inlet side of the fuel electrode 2 by the air bleed means 10 which is an oxygen supply means. Except for supplying the fuel gas from the inlet side, the configuration is the same as that of the fuel cell power generation system of the first embodiment, and the differences from the first embodiment will be described in detail.
不活性ガス供給手段12は、燃料極2の入口から、窒素や都市ガスなど、使用する環境において燃料電池5に対して電気化学的に不活性なガスを供給する。定置用の燃料電池発電システムの場合、燃料ガスを生成するために都市ガスなどの原料を使用するので脱硫した都市ガスを不活性なガスとして用いれば、ボンベなどの搭載が不要、システムが簡素化されるなどの利点がある。
The inert gas supply means 12 supplies an electrochemically inert gas from the inlet of the fuel electrode 2 to the
実施の形態2の構成によれば、酸素を含むガスを供給する前に燃料極2に存在する水素を不活性なガスで置換してから、燃料極2に酸素を供給するので、酸素を含むガスが供給されるときに水素と酸素が直接接触せず、燃料極2の電位の上昇を抑えることができ、燃料極2の触媒の溶解やカーボンの酸化などの劣化を抑制することができる。 According to the configuration of the second embodiment, hydrogen is supplied to the fuel electrode 2 after replacing hydrogen present in the fuel electrode 2 with an inert gas before supplying the gas containing oxygen. When gas is supplied, hydrogen and oxygen are not in direct contact with each other, so that an increase in the potential of the fuel electrode 2 can be suppressed, and deterioration of the catalyst of the fuel electrode 2 and oxidation of carbon can be suppressed.
本発明の実施の形態2の燃料電池発電システムの運転方法について図4のフローチャートを用いて説明する。 A method of operating the fuel cell power generation system according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG.
まず、燃料電池5が発電しており、電圧検出手段11が予め設定した電圧の閾値V1に対して検出する電圧Vが大きいか小さいかを判定する(S201)。
First, it is determined whether the
電圧検出手段11が発電中の電圧Vが閾値V1よりも小さいと判定した場合、酸化剤極3の触媒層に不純物が付着して触媒の活性が低下していると判断し、一旦発電を中止して再起動、あるいはそのまま発電は継続するが、次回システムあるいはユーザー側から発電停止および再起動を求められたときに酸化剤極3の電位を上げて触媒作用を活性化する操作をする命令信号を出力する(S202)。 When the voltage detection means 11 determines that the voltage V during power generation is smaller than the threshold value V1, it is determined that impurities are attached to the catalyst layer of the oxidizer electrode 3 and the activity of the catalyst is reduced, and power generation is temporarily stopped. Then, restart or power generation continues, but when the next system or user requests to stop and restart power generation, the command signal is used to activate the catalytic action by raising the potential of the oxidizer electrode 3 Is output (S202).
次に、発電を停止するため、燃料ガスおよび酸化剤ガスの内、少なくとも酸化剤ガスの供給を停止し、酸化剤極3の電極電位を発電中の電位以下(好ましくは単セル電位が0.2V以下)まで低下させる(S203)。 Next, in order to stop the power generation, supply of at least the oxidant gas out of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, and the electrode potential of the oxidant electrode 3 is equal to or lower than the potential during power generation (preferably the single cell potential is 0.1. (S203).
次に、燃料処理装置8の脱硫部81で脱硫した都市ガスを分岐した不活性ガス供給手段12で燃料極2の入口側から不活性なガスとして都市ガスを供給して、燃料極2に残留する可能性のある水素を一旦都市ガスに置換する(S204)。
Next, city gas is supplied as an inert gas from the inlet side of the fuel electrode 2 by the inert gas supply means 12 branched from the city gas desulfurized by the
発電を停止するステップS203と発電を再開するステップS204の間の時間が短い場合、燃料極2には水素が残留する可能性が高い。ステップS204により、燃料極2には水素がなくなるので次のステップS205で酸素を投入しても水素と酸素が直接接触しない。したがって、燃料極2上で起こる水素と酸素の燃焼反応を抑制することができ、燃料極2の触媒の溶解やカーボンの酸化などの劣化を抑制することができる。 When the time between step S203 for stopping power generation and step S204 for restarting power generation is short, there is a high possibility that hydrogen will remain in the fuel electrode 2. In step S204, the fuel electrode 2 has no hydrogen, so even if oxygen is added in the next step S205, hydrogen and oxygen are not in direct contact. Therefore, the combustion reaction of hydrogen and oxygen that occurs on the fuel electrode 2 can be suppressed, and degradation such as dissolution of the catalyst of the fuel electrode 2 and oxidation of carbon can be suppressed.
また、ステップS203の水素が残留した場合、ステップS204で水素を不活性なガスで置換しないと、次のステップS205で燃料極2に酸素が供給された瞬間、酸化剤極3の酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)に対向する燃料極2の下流の燃料ガス出口側領域22(対向領域)に水素、燃料極2の上流の対向領域から離れて位置する燃料ガス入口側領域21に酸素が配置され、対向領域から離れて位置する燃料ガス入口側領域21に対向する不純物の影響をあまり受けていない酸化剤極3の酸化剤ガス出口側領域32の電位が高電位に曝されるが、本発明の実施の形態2の運転方法によれば、酸化剤極3の酸化剤ガス出口側領域32の電位を低く保持することができるので、酸化剤極3の耐久性の向上を図ることができる。
Further, when hydrogen in Step S203 remains, unless oxygen is replaced with an inert gas in Step S204, the oxidant gas inlet of the oxidant electrode 3 is instantly supplied with oxygen to the fuel electrode 2 in the next Step S205. The fuel gas
次に、触媒作用を活性化して再起動するため、燃料極2の入口側から酸素供給手段であるエアブリード手段10により、燃料極2に酸素(または空気)を供給する(S205)。 Next, in order to activate and restart the catalytic action, oxygen (or air) is supplied to the fuel electrode 2 from the inlet side of the fuel electrode 2 by the air bleed means 10 which is an oxygen supply means (S205).
さらに、ステップ205に引き続き、すぐに燃料極2の入口側から燃料ガス(水素)、酸化剤極3の入口側から酸化剤ガス(酸素または空気)を供給する(S206)。 Further, following step 205, fuel gas (hydrogen) is immediately supplied from the inlet side of the fuel electrode 2 and oxidant gas (oxygen or air) is supplied from the inlet side of the oxidant electrode 3 (S206).
この瞬間に燃料極2の燃料ガス出口側領域22(対向領域)には酸素、燃料ガス入口側領域21(対向領域から離れて位置する領域)には水素が存在する。一方、酸化剤極3には酸素が存在しているので、酸化剤極3の酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)は高電位となり、付着していた不純物が酸化され除去することができる。 At this moment, oxygen exists in the fuel gas outlet side region 22 (opposing region) of the fuel electrode 2 and hydrogen exists in the fuel gas inlet side region 21 (region located away from the opposing region). On the other hand, since oxygen is present in the oxidant electrode 3, the oxidant gas inlet side region 31 (catalyst activity lowering region) of the oxidant electrode 3 has a high potential, and the attached impurities are oxidized and removed. Can do.
そして、触媒作用の活性化を終了し、負荷を接続して燃料電池5の発電を再開する(S207)。
Then, the activation of the catalytic action is finished, the load is connected, and the power generation of the
上記シーケンスにより触媒作用の活性化を行った燃料電池5の発電中の電圧変化を調べたところ、実施の形態1と同様に、活性化をして不純物を除去した後の電池電圧が上昇し、発電効率が上がることが判った。
When the change in voltage during power generation of the
したがって、本発明の実施の形態2の燃料電池発電システムおよびその運転方法により、燃料電池を活性化することができるので、発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供することができる。
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3の燃料電池発電システムは、図5に示すように、燃料極2の燃料ガス出口側領域22から酸素供給手段であるエアブリード手段10で少なくとも酸素を含むガスを供給した後、燃料極2の燃料ガス入口側領域21から燃料ガスを供給してエアブリード手段10で供給した酸素を燃料極2の燃料ガス出口側領域22から排出する点以外は、実施の形態1の燃料電池発電システムと同様の構成であり、本実施の形態1と異なる点について詳細を説明する。
Therefore, since the fuel cell can be activated by the fuel cell power generation system and the operation method thereof according to Embodiment 2 of the present invention, a fuel cell power generation system excellent in power generation efficiency and durability and the operation method thereof are provided. be able to.
(Embodiment 3)
In the fuel cell power generation system according to Embodiment 3 of the present invention, as shown in FIG. 5, a gas containing at least oxygen is supplied from the fuel gas
本発明の実施の形態3の酸素供給手段は、発電中、燃料極2に空気を供給するエアブリード手段10を分岐して、停止時に燃料極2の燃料ガス出口側領域22から空気を供給できる構成とした。
The oxygen supply unit according to the third embodiment of the present invention branches the
上記構成によれば、燃料極2に酸素を含むガスを供給するときに酸化剤極3の酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口側領域32の電位の上昇を抑えることができ、酸化剤極3の酸化剤ガス出口側領域32のカーボンの酸化を防止することができる。
(実施の形態4)
本発明の実施の形態4の燃料電池発電システムは、図6に示すように、酸化剤極3の酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口側領域31に燃料極2の燃料ガスを供給する燃料ガス入口側領域21を対向して位置するようにそれぞれの流路を配置する燃料電池において、燃料極2の燃料ガス出口側領域22から燃料ガス入口側領域21にガスを供給できる入口出口切替弁131〜133を備えた点以外は、実施の形態1と同様の構成であり、実施の形態1と異なる点について詳細を説明する。
According to the above configuration, an increase in the potential of the oxidant gas
(Embodiment 4)
As shown in FIG. 6, the fuel cell power generation system according to
本発明の実施の形態4の燃料電池5の燃料極2および酸化剤極3のセパレータ71および72にはそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する流路が形成されているが、フラッディングなどの発電特性を最適化するため発電中のガスの流れ方向を、酸化剤極3の酸化剤ガス入口側領域31と燃料極2の燃料ガス入口側領域21を対向するように配置した。
The
さらに、酸化剤極3の触媒活性低下領域である酸化剤ガス入口側領域31の触媒を活性化するために燃料極2の流れ方向を切り替える入口出口切替弁131〜133を設け、燃料極2の燃料ガス入口側領域21を触媒活性低下領域である酸化剤ガス入口側領域31に対向した対向領域に、燃料極2の燃料ガス出口側領域22を対向領域から離れて位置する領域にして、酸素および水素を燃料ガス出口側領域22から供給できる構成とした。
Furthermore, in order to activate the catalyst in the oxidant gas
図7にセパレータ板71,72に形成した燃料ガスおよび酸化剤ガスの概略流路構成図および通常発電時(図7(a))と活性化処理時(図7(b))の入口出口切替弁131〜133の切替方向および燃料極2におけるガスの流れを示す。
FIG. 7 is a schematic flow diagram of the fuel gas and oxidant gas formed on the
実線は燃料極2側のガスを流す径路を示し、破線はガスの流れていない径路を示す。また、点線は対向する酸化剤極3側の酸化剤ガスを流す径路を示している。図7に示すように、酸化剤ガスを導入する酸化剤極3の酸化剤ガス入口側領域31に燃料ガスを導入する燃料極2の燃料ガス入口側領域21が対向して位置するように配置した。
A solid line indicates a path through which the gas on the fuel electrode 2 side flows, and a broken line indicates a path through which no gas flows. A dotted line indicates a path through which the oxidizing gas on the side of the opposing oxidizing agent electrode 3 flows. As shown in FIG. 7, the fuel gas
上記構成によれば、酸化剤極3上の酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)の触媒作用を活性化するときだけ、入口出口切替弁131〜133を切り替え、燃料極2の燃料ガス出口側領域22からエアブリード手段10で少なくとも酸素を含むガスを供給した後、燃料極2の燃料ガス出口側領域22から燃料ガスを供給することにより、酸化剤極3が酸化剤ガスに含まれる不純物による影響を受けていない間は、発電性能に適したガス流路(図7(a))に燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給することができ、発電性能に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
According to the above configuration, only when the catalytic action of the oxidant gas inlet side region 31 (catalytic activity lowering region) on the oxidant electrode 3 is activated, the inlet /
次に、本発明の実施の形態4の燃料電池発電システムの運転方法について図8のフローチャートを用いて説明する。
Next, an operation method of the fuel cell power generation system according to
まず、燃料電池5が発電しており、電圧検出手段11が予め設定した電圧の閾値V1に対して検出する電圧Vが大きいか小さいかを判定する(S301)。
First, it is determined whether the
電圧検出手段11が発電中の電圧Vが閾値V1よりも小さいと判定した場合、酸化剤極3の触媒層に不純物が付着して触媒の活性が低下していると判断し、一旦発電を中止して再起動、あるいはそのまま発電は継続するが、次回システムあるいはユーザー側から発電停止および再起動を求められたときに酸化剤極3の電位を上げて触媒作用を活性化する操作をする命令信号を出力する(S302)。 When the voltage detection means 11 determines that the voltage V during power generation is smaller than the threshold value V1, it is determined that impurities are attached to the catalyst layer of the oxidizer electrode 3 and the activity of the catalyst is reduced, and power generation is temporarily stopped. Then, restart or power generation continues, but when the next system or user requests to stop and restart power generation, the command signal is used to activate the catalytic action by raising the potential of the oxidizer electrode 3 Is output (S302).
次に、発電を停止するため、燃料ガスおよび酸化剤ガスの内、少なくとも酸化剤ガスの供給を停止し、酸化剤極3の電極電位を発電中の電位以下(好ましくは単セル電位が0.2V以下)まで低下させる(S303)。 Next, in order to stop the power generation, supply of at least the oxidant gas out of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, and the electrode potential of the oxidant electrode 3 is equal to or lower than the potential during power generation (preferably the single cell potential is 0.1. (S303).
次に、触媒作用を活性化して再起動するため、入口出口切替弁131〜133を切り替えて、燃料極2の出口から酸素および水素が供給できるようにする(S304)。
Next, in order to activate and restart the catalytic action, the inlet /
そして、燃料極2の出口側から酸素供給手段であるエアブリード手段10により、酸素(または空気)を供給する(S305)。さらに、ステップ305に引き続き、すぐに燃料極2の出口側から燃料ガス(水素)、酸化剤極3の入口側から酸化剤ガス(酸素または空気)を供給する(S306)。 Then, oxygen (or air) is supplied from the outlet side of the fuel electrode 2 by the air bleed means 10 which is an oxygen supply means (S305). Further, immediately after step 305, fuel gas (hydrogen) is supplied from the outlet side of the fuel electrode 2 and oxidant gas (oxygen or air) is supplied from the inlet side of the oxidant electrode 3 (S306).
この瞬間に燃料極2の燃料ガス出口側領域22(対向領域)には酸素、燃料ガス入口側領域21(対向領域から離れて位置する領域)には水素が存在する。一方、酸化剤極3には酸素が存在しているので、酸化剤極3の酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)は高電位となり、付着していた不純物が酸化され除去することができる。そして、触媒作用の活性化を終了し、負荷を接続して燃料電池5の発電を再開する(S307)。
At this moment, oxygen exists in the fuel gas outlet side region 22 (opposing region) of the fuel electrode 2 and hydrogen exists in the fuel gas inlet side region 21 (region located away from the opposing region). On the other hand, since oxygen is present in the oxidant electrode 3, the oxidant gas inlet side region 31 (catalyst activity lowering region) of the oxidant electrode 3 has a high potential, and the attached impurities are oxidized and removed. Can do. Then, the activation of the catalytic action is terminated, the load is connected, and the power generation of the
上記シーケンスにより触媒作用の活性化を行った燃料電池5の発電中の電圧変化を調べたところ、実施の形態1と同様に活性化をして不純物を除去した後の電池電圧が上昇し、発電効率が上がることが判った。
When the change in voltage during power generation of the
したがって、本実施の形態4の燃料電池発電システムおよびその運転方法により、燃料電池を活性化することができるので、発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供することができる。
(実施の形態5)
本発明の実施の形態5の燃料電池発電システムは、図6に示すように、酸化剤極3の酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口側領域31に燃料極2の燃料ガスを供給する燃料ガス入口側領域21を対向して位置するようにそれぞれの流路を配置する燃料電池において、燃料極2に電気化学的に不活性なガスを供給する不活性ガス供給手段12を備え、入口出口切替弁131〜133を切り替えて、燃料極2の燃料ガス入口側領域21から不活性ガス供給手段12で不活性なガスを供給した後、燃料極2の燃料ガス入口側領域21から酸素供給手段であるエアブリード手段10で少なくとも酸素を含むガスを供給して、次いで燃料極2の燃料ガス入口側領域21から燃料ガスを供給する点以外は、実施の形態4の燃料電池発電システムと同様の構成であり、実施の形態4と異なる点について詳細を説明する。
Therefore, since the fuel cell can be activated by the fuel cell power generation system and the operation method thereof according to the fourth embodiment, it is possible to provide a fuel cell power generation system excellent in power generation efficiency and durability and the operation method thereof. it can.
(Embodiment 5)
As shown in FIG. 6, the fuel cell power generation system according to
不活性ガス供給手段12は、燃料極2の出口から、窒素や都市ガスなど、使用する環境において燃料電池5に対して電気化学的に不活性なガスを供給する。定置用の燃料電池発電システムの場合、燃料ガスを生成するために都市ガスなどの原料を使用するので脱硫した都市ガスを不活性なガスとして用いれば、ボンベなどの搭載が不要、システムが簡素化されるなどの利点がある。
The inert gas supply means 12 supplies an electrochemically inert gas from the outlet of the fuel electrode 2 to the
本実施の形態5の構成によれば、酸素を含むガスを供給する前に燃料極2に存在する水素を不活性なガスで置換してから、燃料極2に酸素を供給するので、酸素を含むガスが供給されるときに水素と酸素が直接接触せず、燃料極2の電位の上昇を抑えることができ、燃料極2の触媒の溶解やカーボンの酸化などの劣化を抑制することができる。 According to the configuration of the fifth embodiment, oxygen is supplied to the fuel electrode 2 after replacing the hydrogen present in the fuel electrode 2 with an inert gas before supplying the gas containing oxygen. Hydrogen and oxygen are not in direct contact with each other when the gas containing them is supplied, so that an increase in the potential of the fuel electrode 2 can be suppressed, and degradation of the catalyst of the fuel electrode 2 and oxidation of carbon can be suppressed. .
次に、本発明の実施の形態5の燃料電池発電システムの運転方法について図9のフローチャートを用いて説明する。
Next, an operation method of the fuel cell power generation system according to
まず、燃料電池5が発電しており、電圧検出手段11が予め設定した電圧の閾値V1に対して検出する電圧Vが大きいか小さいかを判定する(S401)。
First, it is determined whether the
電圧検出手段11が発電中の電圧Vが閾値V1よりも小さいと判定した場合、酸化剤極3の触媒層に不純物が付着して触媒の活性が低下していると判断し、一旦発電を中止して再起動、あるいはそのまま発電は継続するが、次回システムあるいはユーザー側から発電停止および再起動を求められたときに酸化剤極3の電位を上げて触媒作用を活性化する操作をする命令信号を出力する(S402)。 When the voltage detection means 11 determines that the voltage V during power generation is smaller than the threshold value V1, it is determined that impurities are attached to the catalyst layer of the oxidizer electrode 3 and the activity of the catalyst is reduced, and power generation is temporarily stopped. Then, restart or power generation continues, but when the next system or user requests to stop and restart power generation, the command signal is used to activate the catalytic action by raising the potential of the oxidizer electrode 3 Is output (S402).
次に、発電を停止するため、燃料ガスおよび酸化剤ガスの内、少なくとも酸化剤ガスの供給を停止し、酸化剤極3の電極電位を発電中の電位以下(好ましくは単セル電位が0.2V以下)まで低下させる(S403)。 Next, in order to stop the power generation, supply of at least the oxidant gas out of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, and the electrode potential of the oxidant electrode 3 is equal to or lower than the potential during power generation (preferably the single cell potential is 0.1. (S403).
次に、触媒作用を活性化して再起動するため、入口出口切替弁131〜133を切り替えて、燃料極2の出口から酸素および水素が供給できるようにする(S404)。
Next, in order to activate and restart the catalytic action, the inlet /
そして、燃料極2の出口から不活性ガス供給手段12で燃料極2に電気化学的に不活性な都市ガスを供給する(S405)。 Then, an inert city gas is supplied to the fuel electrode 2 by the inert gas supply means 12 from the outlet of the fuel electrode 2 (S405).
さらに、燃料極2の出口側から酸素供給手段であるエアブリード手段10により、酸素(または空気)を供給する(S406)。 Further, oxygen (or air) is supplied from the outlet side of the fuel electrode 2 by the air bleed means 10 which is an oxygen supply means (S406).
さらに、ステップ406に引き続き、すぐに燃料極2の出口側22から燃料ガス(水素)、酸化剤極3の酸化剤ガス入口側領域31から酸化剤ガス(酸素または空気)を供給する(S407)。
Further, immediately after step 406, the fuel gas (hydrogen) is immediately supplied from the
この瞬間に燃料極2の燃料ガス出口側領域22(対向領域)には酸素、燃料ガス入口側領域21(対向領域から離れて位置する領域)には水素が存在する。一方、酸化剤極3には酸素が存在しているので、酸化剤極3の酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)は高電位となり、付着していた不純物が酸化され除去することができる。 At this moment, oxygen exists in the fuel gas outlet side region 22 (opposing region) of the fuel electrode 2 and hydrogen exists in the fuel gas inlet side region 21 (region located away from the opposing region). On the other hand, since oxygen is present in the oxidant electrode 3, the oxidant gas inlet side region 31 (catalyst activity lowering region) of the oxidant electrode 3 has a high potential, and the attached impurities are oxidized and removed. Can do.
そして、触媒作用の活性化を終了し、負荷を接続して燃料電池5の発電を再開する(S408)。
Then, the activation of the catalytic action is terminated, the load is connected, and the power generation of the
上記シーケンスにより触媒作用の活性化を行った燃料電池5の発電中の電圧変化を調べたところ、実施の形態1と同様に活性化をして不純物を除去した後の電池電圧が上昇し、発電効率が上がることが判った。
When the change in voltage during power generation of the
したがって、本発明の実施の形態5の燃料電池発電システムおよびその運転方法により、燃料電池を活性化することができるので、発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供することができる。
(実施の形態6)
本発明の実施の形態6の燃料電池発電システムは、図6に示すように、酸化剤極3の酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口側領域31に燃料極2の燃料ガスを供給する燃料ガス入口側領域21を対向して位置するようにそれぞれの流路を配置する燃料電池において、燃料極の燃料ガス入口側領域21から酸素供給手段で少なくとも酸素を含むガスを供給した後、入口出口切替弁131〜133を切り替え、燃料極2の燃料ガス出口側領域22から燃料ガスを供給して酸素供給手段のエアブリード手段10で供給した酸素を燃料極2の燃料ガス入口側領域21から排出する点以外は、本実施の形態5と同様の構成である。
Therefore, since the fuel cell can be activated by the fuel cell power generation system and the operation method thereof according to
(Embodiment 6)
As shown in FIG. 6, the fuel cell power generation system of Embodiment 6 of the present invention supplies the fuel gas of the fuel electrode 2 to the oxidant gas
本実施の形態6の構成によれば、酸素供給手段10で燃料極2の燃料ガス入口側領域21(対向領域)に供給される酸素が酸化剤極3の酸化剤ガス出口側領域32に対向して位置する燃料極2の燃料ガス出口側領域22(対向領域から離れて位置する領域)を通過しないので、酸化剤ガス出口側領域32の電位の上昇を抑えることができ、酸化剤極3の酸化剤ガス出口側領域32のカーボンの酸化を防止することができる。
(実施の形態7)
本発明の実施の形態7の燃料電池発電システムは、図10に示すように、酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度を検出する不純物検出手段14を備え、不純物検出手段14で酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度が予め設定した閾値よりも一定期間大きいと判定した時だけ、酸化剤極3上の酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)の電位を高電位にして活性化する点以外は、本実施の形態1と同様の構成であり、本実施の形態1と異なる点について詳細を説明する。
According to the configuration of the sixth embodiment, oxygen supplied to the fuel gas inlet side region 21 (opposite region) of the fuel electrode 2 by the oxygen supply means 10 faces the oxidant gas
(Embodiment 7)
As shown in FIG. 10, the fuel cell power generation system according to Embodiment 7 of the present invention includes an impurity detection means 14 for detecting the concentration of impurities contained in the oxidant gas, and the impurity detection means 14 in the oxidant gas. Only when it is determined that the concentration of impurities contained in the electrode is larger than a preset threshold value for a certain period, the potential of the oxidant gas inlet side region 31 (catalytic activity lowering region) on the oxidant electrode 3 is increased to activate. Except for this point, the configuration is the same as that of the first embodiment, and the differences from the first embodiment will be described in detail.
不純物検出手段14は、酸化剤ガスの径路に配置され、酸化剤ガス中の不純物を除去する不純物除去手段92と酸化剤ガスを加湿する加湿器93の間に設けた。不純物検出手段14は、酸化剤ガス中の二酸化硫黄などの不純物に感応するセンサ部と、センサ部からの信号電圧から不純物の濃度を換算し、酸化剤ガスの供給量(=ブロワ流量×供給時間)と不純物の濃度から燃料電池5に蓄積する不純物の蓄積量を計算して、予め設定する燃料電池5に影響を与える量に相当する不純物の量の閾値と計算した不純物の蓄積量を比較する演算部で構成される。
The impurity detection means 14 is disposed in the path of the oxidant gas, and is provided between the impurity removal means 92 that removes impurities in the oxidant gas and the
次に、本実施の形態7の燃料電池発電システムの運転方法について図11のフローチャートを用いて説明する。 Next, an operation method of the fuel cell power generation system of Embodiment 7 will be described using the flowchart of FIG.
まず、燃料電池5が発電しており、予め設定した不純物の供給量の閾値C1に対して不純物検出手段14により演算した供給量Cが大きいか小さいかを判定する(S501)。
First, it is determined whether the
不純物検出手段14が演算した不純物の供給量Cが閾値C1よりも大きいと判定した場合、酸化剤極3の触媒層に不純物が付着して触媒の活性が低下していると判断し、一旦発電を中止して再起動、あるいはそのまま発電は継続するが、次回システムあるいはユーザー側から発電停止および再起動を求められたときに酸化剤極3の電位を上げて触媒作用を活性化する操作をする命令信号を出力する(S502)。 If it is determined that the impurity supply amount C calculated by the impurity detection means 14 is greater than the threshold value C1, it is determined that impurities have adhered to the catalyst layer of the oxidant electrode 3 and the activity of the catalyst has decreased, and power generation is once performed. Is stopped and restarted, or power generation continues, but when the next system or user requests to stop and restart power generation, the potential of the oxidizer electrode 3 is raised to activate the catalytic action. An instruction signal is output (S502).
次に、発電を停止するため、燃料ガスおよび酸化剤ガスの内、少なくとも酸化剤ガスの供給を停止し、酸化剤極3の電極電位を発電中の電位以下(好ましくは単セル電位が0.2V以下)まで低下させる(S503)。 Next, in order to stop the power generation, supply of at least the oxidant gas out of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, and the electrode potential of the oxidant electrode 3 is equal to or lower than the potential during power generation (preferably the single cell potential is 0.1. (S503).
次に、触媒作用を活性化して再起動するため、燃料極2の入口側から酸素供給手段であるエアブリード手段10により、燃料極2に酸素(または空気)を供給する(S504)。 Next, in order to activate and restart the catalytic action, oxygen (or air) is supplied to the fuel electrode 2 from the inlet side of the fuel electrode 2 by the air bleed means 10 as oxygen supply means (S504).
さらに、ステップ504に引き続き、すぐに燃料極2の入口側から燃料ガス(水素)、酸化剤極3の入口側から酸化剤ガス(酸素または空気)を供給する(S505)。 Further, immediately after step 504, the fuel gas (hydrogen) is supplied from the inlet side of the fuel electrode 2 and the oxidant gas (oxygen or air) is supplied from the inlet side of the oxidant electrode 3 (S505).
この瞬間に燃料極2の燃料ガス出口側領域22(対向領域)には酸素、燃料ガス入口側領域21(対向領域から離れて位置する領域)には水素が存在する。一方、酸化剤極3には酸素が存在しているので、酸化剤極3の酸化剤ガス入口側領域31(触媒活性低下領域)は高電位となり、付着していた不純物が酸化され除去することができる。 At this moment, oxygen exists in the fuel gas outlet side region 22 (opposing region) of the fuel electrode 2 and hydrogen exists in the fuel gas inlet side region 21 (region located away from the opposing region). On the other hand, since oxygen is present in the oxidant electrode 3, the oxidant gas inlet side region 31 (catalyst activity lowering region) of the oxidant electrode 3 has a high potential, and the attached impurities are oxidized and removed. Can do.
そして、触媒作用の活性化を終了し、負荷を接続して燃料電池5の発電を再開する(S506)。
Then, the activation of the catalytic action is terminated, the load is connected, and the power generation of the
上記シーケンスにより触媒作用の活性化を行った燃料電池5の発電中の電圧変化を調べたところ、実施の形態1と同様に活性化をして不純物を除去した後の電池電圧が上昇し、発電効率が上がることが判った。
When the change in voltage during power generation of the
したがって、本発明の実施の形態7の燃料電池発電システムおよびその運転方法により、燃料電池を活性化することができるので、発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供することができる。
(実施の形態8)
本発明の実施の形態8の燃料電池発電システムは、図12に示すように、触媒作用を活性化するときに使用する酸素供給手段を、燃料ガスを生成する過程において発生する一酸化炭素を選択的に酸化するために燃料処理装置8に空気を供給する選択酸化空気供給手段85を用いる点以外は、実施の形態1と同様の構成であり、実施の形態1と異なる点について詳細を説明する。
Therefore, since the fuel cell can be activated by the fuel cell power generation system and the operation method thereof according to Embodiment 7 of the present invention, a fuel cell power generation system excellent in power generation efficiency and durability and the operation method thereof are provided. be able to.
(Embodiment 8)
In the fuel cell power generation system according to
上記構成によれば、触媒作用を活性化させるために新たに、ブロワやポンプなどの供給装置、配管およびフィルターなどを設ける必要がなく、燃料ガス生成中に使用する選択酸化空気供給手段85をそのまま利用することができ、システムが簡素化され、低コスト化を図ることができる。 According to the above configuration, there is no need to newly provide a supply device such as a blower or a pump, piping, or a filter in order to activate the catalytic action, and the selective oxidized air supply means 85 used during fuel gas generation remains unchanged. The system can be simplified and the cost can be reduced.
本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法は、酸化剤極上の触媒活性低下領域の電位を高電位にすることによる燃料電池の活性化を実現し、発電効率と耐久性の向上という効果を有し、高分子型固体電解質膜を用いた燃料電池、燃料電池デバイス、定置用燃料電池コジェネレーションシステムに有用である。 The fuel cell power generation system and the operation method thereof according to the present invention achieve the activation of the fuel cell by increasing the potential of the catalyst activity lowering region on the oxidizer electrode, and have the effect of improving the power generation efficiency and durability. In addition, it is useful for a fuel cell, a fuel cell device, and a stationary fuel cell cogeneration system using a polymer type solid electrolyte membrane.
1 電解質膜
2 燃料極
3 酸化剤極
4 膜電極接合体
5 燃料電池
8 燃料処理装置
9 酸化剤ガス供給手段
10 エアブリード手段
11 電圧検出手段
12 不活性ガス供給手段
14 不純物検出手段
21 燃料ガス入口側領域
22 燃料ガス出口側領域
31 酸化剤ガス入口側領域
32 酸化剤ガス出口側領域
71,72 セパレータ板
81 脱硫部
82 改質部
83 CO変成部
84 CO除去部
85 選択酸化空気供給手段
91 ブロワ
92 不純物除去手段
93 加湿器
131〜133 入口出口切替弁
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