JP6222958B2 - Method of operating polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system and polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system - Google Patents
Method of operating polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system and polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system Download PDFInfo
- Publication number
- JP6222958B2 JP6222958B2 JP2013067045A JP2013067045A JP6222958B2 JP 6222958 B2 JP6222958 B2 JP 6222958B2 JP 2013067045 A JP2013067045 A JP 2013067045A JP 2013067045 A JP2013067045 A JP 2013067045A JP 6222958 B2 JP6222958 B2 JP 6222958B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxygen
- fuel cell
- load
- fuel
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、熱電併給システム用固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた燃料電池セルにおける酸素極側箇所に、前記酸素極に酸素含有ガスを供給する酸素供給路が形成され、かつ、前記燃料電池セルにおける燃料極側箇所に、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給路が形成された熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の運転方法、及び、固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた燃料電池セルにおける酸素極側箇所に、前記酸素極に酸素含有ガスを供給する酸素供給路が形成され、かつ、前記燃料電池セルにおける燃料極側箇所に、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給路が形成された熱電併給システム用固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention provides an oxygen-containing gas to the oxygen electrode at a location on the oxygen electrode side of a fuel cell having an oxygen electrode on one surface and a fuel electrode on the other surface of a solid polymer electrolyte membrane for a combined heat and power system. A solid polymer fuel cell for a combined heat and power system in which an oxygen supply path for supply is formed and a fuel supply path for supplying a hydrogen-containing gas to the fuel electrode is formed at a position on the fuel electrode side of the fuel cell. Operation method and oxygen for supplying an oxygen-containing gas to the oxygen electrode at a position on the oxygen electrode side of a fuel cell having an oxygen electrode on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode on the other surface The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell for a combined heat and power system in which a supply path is formed and a fuel supply path for supplying a hydrogen-containing gas to the fuel electrode is formed at a position on the fuel electrode side of the fuel cell.
かかる固体高分子型燃料電池は、例えば、一般家庭に設置されて、発電した電力を電気負荷に供給し、かつ、燃料電池セルを冷却することにより回収した排熱を貯湯して、貯湯した湯水を給湯に用いるようにする等、いわゆる熱電併給システムを構成するのに利用されることになる。 Such a polymer electrolyte fuel cell is, for example, installed in a general household, supplies generated power to an electric load, stores hot exhaust heat recovered by cooling the fuel cell, and stores the hot water. It is used to construct a so-called combined heat and power system, such as using hot water for hot water supply.
このような固体高分子型燃料電池の運転方法として、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態または燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整するようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。
ちなみに、特許文献1においては、燃料極に供給する水素含有ガスを、酸素含有ガスと同様に、無加湿状態または燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整することが記載されている。
As a method for operating such a polymer electrolyte fuel cell, the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is adjusted to a non-humidified state or a low humidified state where the dew point is lower than the operating temperature of the fuel cell. (For example, refer to Patent Document 1).
Incidentally, in
酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態または燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整するようにすると、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量を増加できる利点を得ることができる。 When the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is adjusted to a non-humidified state or a low humidified state where the dew point is lower than the operating temperature of the fuel cell, the amount of exhaust heat recovered by cooling the fuel cell is increased. Benefits that can be obtained.
しかしながら、発電負荷の変動に拘わらず、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態または低加湿状態に維持すると、発電負荷が定格負荷に近い高負荷よりも小さな負荷となったときに、固体高分子電解質膜を十分に湿潤させることができず、燃料電池セルの劣化を促進する虞があり、改善が望まるものであった。 However, when the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is maintained in a non-humidified state or a low humidified state regardless of fluctuations in the power generation load, when the power generation load becomes a load smaller than a high load close to the rated load, The solid polymer electrolyte membrane could not be sufficiently moistened, and there was a possibility of promoting the deterioration of the fuel cell, and improvement was desired.
すなわち、発電負荷が定格負荷である等、高負荷である場合には、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側には十分な量の水分が生成されるため、その生成水分によって、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができる。 That is, when the power generation load is a high load such as a rated load, a sufficient amount of moisture is generated on the oxygen electrode side due to the chemical reaction between the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas. The solid polymer electrolyte membrane can be appropriately wetted by moisture.
このように、発電負荷が高負荷である場合には、発電によって生成される水分によって固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができるものの、発電負荷が高負荷よりも小さくなった場合には、酸素極側に生成される水分量が少なくなるため、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができないものとなり、燃料電池セルの劣化を促進する虞がある。 Thus, when the power generation load is high, the solid polymer electrolyte membrane can be appropriately wetted by the water generated by power generation, but when the power generation load becomes smaller than the high load, Since the amount of water produced on the oxygen electrode side is reduced, the solid polymer electrolyte membrane cannot be properly wetted, and there is a risk of promoting deterioration of the fuel cell.
本発明は、上記実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、発電負荷が高負荷である場合において回収できる排熱量を増加させるようにしながらも、発電負荷が高負荷よりも小さな場合において燃料電池セルの劣化を抑制できる熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の運転方法を提供する点にある。
また、本発明の別の目的は、発電負荷が高負荷である場合において回収できる排熱量を増加させるようにしながらも、発電負荷が高負荷よりも小さな場合において燃料電池セルの劣化を抑制できる熱電併給システム用固体高分子型燃料電池を提供する点にある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to increase the amount of exhaust heat that can be recovered when the power generation load is high, while the power generation load is smaller than the high load. In this case, the present invention is to provide a method for operating a polymer electrolyte fuel cell for a combined heat and power system that can suppress deterioration of the fuel cell.
Another object of the present invention, while the increase the waste heat that can be recovered when the power generation load is a high load, thermoelectric that degradation of the fuel cell can be suppressed when the generator load is smaller than the high-load The object is to provide a polymer electrolyte fuel cell for a co-feed system .
本発明の固体高分子型燃料電池の運転方法は、固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた燃料電池セルにおける酸素極側箇所に、前記酸素極に酸素含有ガスを供給する酸素供給路が形成され、かつ、前記燃料電池セルにおける燃料極側箇所に、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給路が形成された熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の運転方法であって、その第1特徴方法は、
前記酸素極に供給する前記酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷以上のときには、無加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、前記設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整することを特徴とする。
The solid polymer type fuel cell operating method of the present invention is the above-described oxygen electrode side portion in a fuel cell having an oxygen electrode on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode on the other surface. A solid for a combined heat and power system in which an oxygen supply path for supplying an oxygen-containing gas to an electrode is formed, and a fuel supply path for supplying a hydrogen-containing gas to the fuel electrode is formed at a location on the fuel electrode side of the fuel cell. A method for operating a polymer fuel cell, the first characteristic method is:
The humidifying state of the oxygen side humidifying means for humidifying the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is adjusted to a non-humidified state when the power generation load is equal to or higher than the set load, and the power generation load is smaller than the set load. In this case, the humidification state is adjusted to be higher than the humidification state when the set load is exceeded.
すなわち、酸素極に供給する酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、無加湿状態に調整する。
そして、酸素極に供給する酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整する。
That is, the humidified state of the oxygen side humidifying means for humidifying the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode, when the generator load is set load or a high load is adjusted to non-humidified state.
Then, the humidification state of the oxygen side humidifying means for humidifying the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is adjusted to a higher humidification state than the humidification state when the power generation load is smaller than the set load when the power generation load is smaller than the set load. .
つまり、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側には十分な量の水分が生成されて、その生成水分によって、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができるため、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態に調整する。 That is, when the power generation load is higher than the set load, a sufficient amount of moisture is generated on the oxygen electrode side due to the chemical reaction between the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas. it is possible to appropriately wet the electrolyte membrane, an oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode, it is adjusted to non-humidified state.
そして、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整することにより、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側に生成される水分による湿潤作用に加えて、酸素含有ガスが保有する水分の湿潤作用によって、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させるようにする。 When the power generation load is smaller than the set load, the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas are adjusted by adjusting the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode to a higher humidified state than the humidified state when the load is higher than the set load. The solid polymer electrolyte membrane is appropriately wetted by the wetting action of the moisture contained in the oxygen-containing gas in addition to the wetting action by the moisture generated on the oxygen electrode side.
したがって、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態に調整するものであるから、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量を的確に増加させることができる。 Therefore, when the power generation load is set load or high load, the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode, since it is intended to adjust the non-humidified state, accurately waste heat recovered by cooling the fuel cell Can be increased.
また、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するものであるから、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができるため、燃料電池セルの劣化を抑制できるのである。 In addition, when the power generation load is smaller than the set load, the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is adjusted to a higher humidified state than the humidified state when the set load or higher, so that the solid polymer electrolyte membrane Therefore, the deterioration of the fuel cell can be suppressed.
要するに、本発明の第1特徴方法によれば、発電負荷が高負荷である場合において回収できる排熱量を増加させるようにしながらも、発電負荷が高負荷よりも小さな場合において燃料電池セルの劣化を抑制できる熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の運転方法を提供できる。 In short, according to the first characteristic method of the present invention, the amount of exhaust heat that can be recovered when the power generation load is high is increased, but the deterioration of the fuel cell is reduced when the power generation load is smaller than the high load. An operation method of a solid polymer fuel cell for a combined heat and power system that can be suppressed can be provided.
本発明の熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の運転方法の第2特徴方法は、上記第1特徴方法に加えて、
前記酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整する点を特徴とする。
In addition to the first feature method described above, the second feature method of the solid polymer fuel cell operating method for the combined heat and power system of the present invention includes:
The humidifying state of the oxygen side humidifying means is adjusted to a higher humidifying state side as the power generation load becomes smaller than the set load.
すなわち、酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整するものであるから、酸素極に供給する酸素含有ガスが、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態に加湿されることになり、発電負荷の変動範囲の全範囲において、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる。 That is, since the humidification state of the oxygen side humidifying means is adjusted to the higher humidification side as the power generation load becomes smaller than the set load, the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is adjusted so that the power generation load is higher than the set load. However, the smaller the load, the higher the humidification state, so that the solid polymer electrolyte membrane can be appropriately wetted over and over in the entire fluctuation range of the power generation load.
つまり、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側に生成される水分量は、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど少なくなるものの、酸素極に供給する酸素含有ガスが、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態に加湿されるものであるから、酸素極側に生成される水分量が減少する分を、酸素含有ガスが保有する水分にて補う形態で、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる。 That is, the amount of water generated on the oxygen electrode side due to the chemical reaction between the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas decreases as the power generation load becomes smaller than the set load, but the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is reduced. Since the power generation load is humidified so that the load is smaller than the set load, the amount of water generated on the oxygen electrode side is reduced by the water held by the oxygen-containing gas. Thus, the solid polymer electrolyte membrane can be appropriately wetted without excess or deficiency.
要するに、本発明の第2特徴方法によれば、上記第1特徴方法による作用効果に加えて、発電負荷の変動範囲の全範囲において、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の運転方法を提供できる。 In short, according to the second characteristic method of the present invention, in addition to the operational effects of the first characteristic method, the solid polymer electrolyte membrane can be appropriately wetted over and over in the entire range of fluctuation of the power generation load. A method for operating a solid polymer fuel cell for a combined heat and power system that can be provided can be provided.
本発明の熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の運転方法の第3特徴方法は、上記第1又は第2特徴方法に加えて、前記燃料極に供給する前記水素含有ガスを、前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整する点を特徴とする。
The third characteristic method of the solid polymer fuel cell operating method for a combined heat and power system of the present invention is the fuel cell, wherein the hydrogen-containing gas supplied to the fuel electrode is added to the fuel cell in addition to the first or second characteristic method. It is characterized in that it is adjusted to a low humidified state where the dew point is lower than the operating temperature of the cell.
すなわち、燃料極に供給する水素含有ガスを、燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整するものであるから、固体高分子電解質膜を酸素極側から湿潤することに加えて、水素含有ガスが保有する水分によって、燃料極側からも湿潤させることができるため、固体高分子電解質膜の全体を適切に湿潤させることが可能となる。 That is, since the hydrogen-containing gas supplied to the fuel electrode is adjusted to a low humidified state where the dew point is lower than the operating temperature of the fuel cell, in addition to wetting the solid polymer electrolyte membrane from the oxygen electrode side In addition, since the moisture contained in the hydrogen-containing gas can be wetted from the fuel electrode side, the entire solid polymer electrolyte membrane can be appropriately wetted.
しかも、水素含有ガスを、燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整するものであるから、水素含有ガスを、燃料電池セルの動作温度が露点となる高加湿状態に調整する場合に較べて、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量が低下することを抑制できる。 Moreover, since the hydrogen-containing gas is adjusted to a low humidified state where the dew point is lower than the operating temperature of the fuel cell, the hydrogen-containing gas is adjusted to a highly humidified state where the operating temperature of the fuel cell is the dew point. Compared with the case where it does, it can suppress that the waste heat amount collect | recovered by cooling a fuel battery cell falls.
要するに、本発明の第3特徴方法によれば、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量が低下することを抑制しながらも、固体高分子電解質膜の全体を適切に湿潤させることが可能となる熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の運転方法を提供できる。 In short, according to the third characteristic method of the present invention, it is possible to appropriately wet the entire solid polymer electrolyte membrane while suppressing a reduction in the amount of exhaust heat recovered by cooling the fuel cell. It is possible to provide a method for operating a solid polymer fuel cell for a combined heat and power system .
本発明の熱電併給システム用固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた燃料電池セルにおける酸素極側箇所に、前記酸素極に酸素含有ガスを供給する酸素供給路が形成され、かつ、前記燃料電池セルにおける燃料極側箇所に、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給路が形成されたものであって、その第1特徴構成は、
前記酸素極に供給する前記酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を調整する制御手段が、発電負荷が設定負荷以上のときには、無加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、前記設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するように構成されていることを特徴とする。
The solid polymer type fuel cell for a combined heat and power system of the present invention is provided with the oxygen electrode side portion in a fuel cell having an oxygen electrode on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode on the other surface. An oxygen supply path for supplying an oxygen-containing gas to the oxygen electrode is formed, and a fuel supply path for supplying a hydrogen-containing gas to the fuel electrode is formed at a location on the fuel electrode side of the fuel cell. The first characteristic configuration is
The control means for adjusting the humidification state of the oxygen-side humidification means for humidifying the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode adjusts to a non-humidified state when the power generation load is equal to or higher than the set load, and the power generation load is set as described above. When the load is smaller than the load, the humidification state is adjusted to be higher than the humidification state when the load is equal to or higher than the set load.
すなわち、制御手段が、酸素極に供給する酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、無加湿状態に調整し、そして、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整する。 That is, the control means, the humidification state of the oxygen side humidifying means for humidifying the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode, when the generator load is set load or high load, adjusted to non-humidified state, and the power generation load When the load is smaller than the set load, the humidified state is adjusted to be higher than the humidified state when the set load is exceeded.
つまり、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側には十分な量の水分が生成されて、その生成水分によって、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができるため、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態に調整する。 That is, when the power generation load is higher than the set load, a sufficient amount of moisture is generated on the oxygen electrode side due to the chemical reaction between the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas. it is possible to appropriately wet the electrolyte membrane, an oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode, it is adjusted to non-humidified state.
そして、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整することにより、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側に生成される水分による湿潤作用に加えて、酸素含有ガスが保有する水分の湿潤作用によって、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させるようにする。 When the power generation load is smaller than the set load, the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas are adjusted by adjusting the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode to a higher humidified state than the humidified state when the load is higher than the set load. The solid polymer electrolyte membrane is appropriately wetted by the wetting action of the moisture contained in the oxygen-containing gas in addition to the wetting action by the moisture generated on the oxygen electrode side.
したがって、発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、無加湿状態に調整するものであるから、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量を的確に増加させることができる。 Therefore, when the power generation load is set load or high load, the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode, since it is intended to adjust the non-humidified state, accurately waste heat recovered by cooling the fuel cell Can be increased.
また、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、酸素極に供給する酸素含有ガスを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するものであるから、固体高分子電解質膜を適切に湿潤させることができるため、燃料電池セルの劣化を抑制できるのである。 In addition, when the power generation load is smaller than the set load, the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is adjusted to a higher humidified state than the humidified state when the set load or higher, so that the solid polymer electrolyte membrane Therefore, the deterioration of the fuel cell can be suppressed.
要するに、本発明の第1特徴構成によれば、発電負荷が高負荷である場合において回収できる排熱量を増加させるようにしながらも、発電負荷が高負荷よりも小さな場合において燃料電池セルの劣化を抑制できる熱電併給システム用固体高分子型燃料電池を提供できる。 In short, according to the first characteristic configuration of the present invention, the amount of exhaust heat that can be recovered when the power generation load is high is increased, but the deterioration of the fuel cell is reduced when the power generation load is smaller than the high load. A polymer electrolyte fuel cell for a combined heat and power system that can be suppressed can be provided.
本発明の熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の第2特徴構成は、上記第1特徴構成に加えて、
前記制御手段が、前記酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整するように構成されている点を特徴とする。
In addition to the first characteristic configuration described above, the second characteristic configuration of the solid polymer fuel cell for the combined heat and power system of the present invention is as follows.
The control means is configured to adjust the humidification state of the oxygen-side humidification means to a higher humidification state side as the power generation load becomes smaller than the set load.
すなわち、制御手段が、酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整するものであるから、酸素極に供給する酸素含有ガスが、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態に加湿されることになり、発電負荷の変動範囲の全範囲において、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる。 That is, the control means adjusts the humidification state of the oxygen side humidification means to the higher humidification state side as the power generation load becomes smaller than the set load, so that the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is the power generation load. As the load becomes smaller than the set load, it is humidified in a highly humidified state, and the solid polymer electrolyte membrane can be appropriately wetted over and over in the entire fluctuation range of the power generation load.
つまり、水素含有ガスと酸素含有ガスとの化学反応により、酸素極側に生成される水分量は、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど少なくなるものの、酸素極に供給する酸素含有ガスが、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態に加湿されるものであるから、酸素極側に生成される水分量が減少する分を、酸素含有ガスが保有する水分にて補う形態で、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる。 That is, the amount of water generated on the oxygen electrode side due to the chemical reaction between the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas decreases as the power generation load becomes smaller than the set load, but the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is reduced. Since the power generation load is humidified so that the load is smaller than the set load, the amount of water generated on the oxygen electrode side is reduced by the water held by the oxygen-containing gas. Thus, the solid polymer electrolyte membrane can be appropriately wetted without excess or deficiency.
要するに、本発明の第2特徴構成によれば、上記第1特徴構成による作用効果に加えて、発電負荷の変動範囲の全範囲において、固体高分子電解質膜を過不足なく適切に湿潤させることができる熱電併給システム用固体高分子型燃料電池を提供できる。 In short, according to the second characteristic configuration of the present invention, in addition to the operational effects of the first characteristic configuration, the solid polymer electrolyte membrane can be appropriately moistened without excess or deficiency over the entire range of fluctuation of the power generation load. A solid polymer fuel cell for a combined heat and power system can be provided.
本発明の熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の第3特徴構成は、上記第1又は第2特徴構成に加えて、前記燃料極に供給する前記水素含有ガスが、前記燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整されている点を特徴とする。 According to a third characteristic configuration of the solid polymer fuel cell for the combined heat and power system of the present invention, in addition to the first or second characteristic configuration, the hydrogen-containing gas supplied to the fuel electrode is operated by the fuel cell. It is characterized by being adjusted to a low humidified state where the dew point is lower than the temperature.
すなわち、燃料極に供給する水素含有ガスが、燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整されているから、固体高分子電解質膜を酸素極側から湿潤することに加えて、水素含有ガスが保有する水分によって、燃料極側からも湿潤させることができるため、固体高分子電解質膜の全体を適切に湿潤させることが可能となる。 That is, since the hydrogen-containing gas supplied to the fuel electrode is adjusted to a low humidification state where the dew point is lower than the operating temperature of the fuel cell, in addition to wetting the solid polymer electrolyte membrane from the oxygen electrode side Since the hydrogen-containing gas can be moistened also from the fuel electrode side, the entire solid polymer electrolyte membrane can be appropriately moistened.
しかも、水素含有ガスが、燃料電池セルの動作温度よりも低い露点となる低加湿状態に調整されるものであるから、水素含有ガスを、燃料電池セルの動作温度が露点となる高加湿状態に調整する場合に較べて、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量が低下することを抑制できる。 Moreover, since the hydrogen-containing gas is adjusted to a low humidified state where the dew point is lower than the operating temperature of the fuel cell, the hydrogen-containing gas is brought into a highly humidified state where the operating temperature of the fuel cell is the dew point. Compared with the case where it adjusts, it can suppress that the waste heat amount collect | recovered by cooling a fuel battery cell falls.
要するに、本発明の第3特徴構成によれば、燃料電池セルを冷却することにより回収する排熱量が低下することを抑制しながらも、固体高分子電解質膜の全体を適切に湿潤させることが可能となる熱電併給システム用固体高分子型燃料電池を提供できる。 In short, according to the third characteristic configuration of the present invention, it is possible to appropriately wet the entire solid polymer electrolyte membrane while suppressing a reduction in the amount of exhaust heat recovered by cooling the fuel cell. A solid polymer fuel cell for a combined heat and power system can be provided.
〔第1実施形態〕
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(熱電併給システムの全体構成)
図1に示すように、熱電併給システムには、発電部1、その発電部1にて発生する排熱によって加熱した湯水を貯湯タンク2に貯湯して給湯する貯湯ユニット3、発電部1及び貯湯ユニット3の運転を制御する運転制御部4等が備えられている。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Overall configuration of cogeneration system)
As shown in FIG. 1, a combined heat and power system includes a
発電部1には、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池5、燃料電池5に供給する水素含有ガスとしての燃料ガスを生成するガス生成部6、燃料電池5に酸素含有ガスとしての空気を供給するブロア7、燃料電池5から出力される直流電力を交流電力に変換して電力消費機器に供給するインバータ8が設けられている。
The
燃料電池5は、固体高分子型燃料電池であって、ガス生成部6にて生成されて燃料ガス供給路9を通して供給される燃料ガス中の水素と、ブロア7から空気供給路10を通して供給される空気中の酸素とを電気化学反応させて発電するように構成されている。
そして、空気供給路10には、酸素側加湿手段としての酸素側加湿器Ksが設けられ、燃料ガス供給路9には、燃料ガスを加湿する燃料ガス側加湿器Knが設けられている。
The
The
ちなみに、ガス生成部6から供給される燃料ガスは、後述の如く、水蒸気改質処理によって生成されることにより加湿されているため、燃料ガス側加湿器Knは省略することができる。
尚、本実施形態においては、燃料電池5の作動温度は、70℃であり、ガス生成部6から供給される燃料ガスの加湿状態は、燃料電池5の作動温度よりも10℃低い露点となる低加湿状態である。
Incidentally, since the fuel gas supplied from the gas generating unit 6 is humidified by being generated by a steam reforming process as described later, the fuel gas side humidifier Kn can be omitted.
In this embodiment, the operating temperature of the
ガス生成部6には、供給される都市ガスなどの炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部11、供給される改質水にて水蒸気を生成する水蒸気生成部12、水蒸気生成部12にて生成された水蒸気が混合された脱硫原燃料ガスを改質反応させる改質処理部13、その改質処理部13から排出される改質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部14、その変成部14から排出される変成ガス中に残留している一酸化炭素を除去するCO除去部15が備えられている。
The gas generation unit 6 includes a
改質処理部13における改質反応が吸熱反応であるので、改質用バーナ16aの燃焼熱により改質処理部13を加熱する改質処理用加熱部16が設けられている。
改質用バーナ16aには、燃料電池5からのオフガスが排燃料ガス路17を通して供給され、かつ、ブロア7からの空気が空気供給路10から分岐された燃焼用空気供給路18を通して供給されて、燃料電池5からのオフガスを燃焼させるように構成されている。
また、改質用バーナ16aにおける燃焼排ガスは、水蒸気生成部12を経由する燃焼排ガス路19を通して流動されて、水蒸気を生成するための熱源として使用されるように構成されている。
Since the reforming reaction in the reforming
Off gas from the
Further, the combustion exhaust gas in the reforming burner 16a is configured to be flowed through the combustion
脱硫部11に原燃料ガスを供給する燃料ガス供給路9の流路中には、燃料電池5への燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整弁20が設けられている。
そして、運転制御部4が、発電負荷に応じて、燃料ガス供給量調整弁20の開度とブロア7の作動状態を制御することにより、燃料電池5に供給する燃料ガスの供給量および空気の供給量を調整して、燃料電池5からの発電出力を調整するように構成されている。
A fuel gas supply
Then, the
すなわち、運転制御部4は、発電負荷が大きくなるほど、燃料電池5に供給する燃料ガスの供給量および空気の供給量を増大側に調整して、燃料電池5からの発電出力を増大させるように構成されている。
That is, the
燃料電池5の冷却水を循環させる冷却水循環路21には、冷却水循環ポンプ22、及び、燃料電池5の冷却水と貯湯タンク2内の湯水とを熱交換させる排熱回収熱交換器23が設けられている。
The cooling
貯湯ユニット3は、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯タンク2に貯湯するように構成されるものであって、具体的には、貯湯タンク2の下部と上部とを接続する湯水循環路24が、排熱回収熱交換器23を経由する状態で設けられ、湯水循環ポンプ25の作動によって、貯湯タンク2の下部から取り出した湯水を、排熱回収熱交換器23を通過させて流動させて、貯湯タンク2の上部に戻すように構成されている。
The hot
貯湯タンク2の下部には、水道水圧を用いて給水する給水路26が設けられて、貯湯タンク2の上部に接続した給湯路27から湯水が取り出されると、取り出された量に応じた水が貯湯タンク2に給水されるように構成されている。
ちなみに、給湯路27には、加熱用ガスバーナ28aを備えて、給湯路27を通過する湯水を加熱する補助加熱器28が設けられている。
A
Incidentally, the hot
(燃料電池の構成)
燃料電池5は、図2及び図3に示すように、固体高分子電解質膜31の一方の面に酸素極32を備え、他方の面に燃料極33を備えた複数の燃料電池セルCを積層して、セルスタックNCとして構成されている。
(Configuration of fuel cell)
As shown in FIGS. 2 and 3, the
すなわち、燃料電池セルCにおける酸素極側箇所に、酸素極32に酸素含有ガスを供給する酸素供給路Rsを形成する酸素側セパレータ35が配置され、かつ、燃料電池セルCにおける燃料極側箇所に、燃料極33に水素含有ガスを供給する燃料供給路Rnを形成する燃料側セパレータ36が配置されている。
尚、隣接する酸素側セパレータ35と燃料側セパレータ36との間には、燃料電池セルCを冷却するための冷却水を通流される冷却水流路Fが形成されている。
That is, the
A cooling water flow path F through which the cooling water for cooling the fuel cell C is passed is formed between the adjacent
そして、燃料電池セルC、酸素側セパレータ35、及び、燃料側セパレータ36が順次積層され、この積層体の両端部夫々に、電力取り出し用の集電部37が設けられて、セルスタックNCが構成されている。
尚、一対の集電部37の間に、電気負荷が接続されることになる。
The fuel battery cell C, the
An electrical load is connected between the pair of
また、図2に示すように、一対の集電部37の一方側の外部には、供給側接続部38が配置され、一対の集電部37の他方側の外部には、排出側接続部39が配置されている。
そして、供給側接続部38には、ガス生成部6にて生成された燃料ガスを供給する燃料ガス供給路9、ブロア7にて送風される空気を供給する空気供給路10、及び、冷却水循環路21が接続され、排出側接続部39には、燃料電池5からのオフガスが流動する排燃料ガス路17、燃料電池5のから排出される空気が流動する排空気路40、及び、冷却水循環路21が接続されている。
In addition, as shown in FIG. 2, a supply
The supply
ちなみに、空気供給路10から供給側接続部38に供給された空気は、複数の燃料電池セルCの酸素供給路Rsを順次通過して、排出側接続部39の排空気路40に流動し、燃料ガス供給路9から供給側接続部38に供給された燃料ガスは、複数の燃料電池セルCの燃料供給路Rnを順次通過して、排出側接続部39の排燃料ガス路17に流動することになるが、その構成は周知であるので、本実施形態では詳細な説明を省略する。
Incidentally, the air supplied from the
また、冷却水循環路21を通して供給側接続部38に供給された冷却水は、隣接する酸素側セパレータ35と燃料側セパレータ36との間の冷却水流路Fを順次通過して、排出側接続部39に流動することになるが、その構成は周知であるので、本実施形態では詳細な説明を省略する。
In addition, the cooling water supplied to the supply
(燃料電池セルの詳細)
固体高分子電解質膜31は、例えば、フッ素樹脂系のイオン交換膜(ナフィオン等)にて構成され、酸素極32及び燃料極33は、次述の如く、触媒を担持した通気性のある導電材として形成され、酸素側セパレータ35及び燃料側セパレータ36は、カーボン等から成る気密性の導電材にて形成されている。
(Details of fuel cell)
The solid
図3に示すように、酸素極32は、固体高分子電解質膜31に隣接する酸素側の触媒層32Aと、ガス及び水分の透過性を備えた酸素側の拡散層32Bとからなる。
燃料極33は、固体高分子電解質膜31に隣接する燃料側の触媒層33Aと、ガス及び水分の透過性を備えた燃料側の拡散層33Bとからなる。
As shown in FIG. 3, the
The
酸素極32の触媒層32A及び燃料極33の触媒層33Aは、粒径が数nmの微細な白金製の粒子(触媒)を、炭素微粉末に担持させた形態に構成されるものであり、酸素極32の拡散層32B及び燃料極33の拡散層33Bは、カーボンペイパーやカーボンクロス等を用いて構成されることになる。
The
そして、本実施形態においては、燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量が、少なければ少ないほど、固体高分子電解質膜31の耐久性が高いことに鑑みて、燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量は、0.1mgcm-2に設定されている。
尚、酸素極32の触媒層32Aの触媒担持量が、固体高分子電解質膜31の耐久性に影響がないことに鑑みて、酸素極32の触媒層32Aの触媒担持量は、0.3mgcm-2に設定されている。
In this embodiment, in view of the fact that the smaller the amount of catalyst supported on the
In view of the fact that the amount of catalyst supported on the
ちなみに、固体高分子電解質膜31の劣化のメカニズムの詳細は不明であるが、燃料電池セルCの内部で生じる過酸化水素がラジカルを発生させて、分解を促進していることが予測されるところ、燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量を減少させることにより、リーク空気が触媒と接触する頻度が減少して、燃料極33で発生する過酸化水素量が減るためであると考えることができる。
Incidentally, although details of the mechanism of deterioration of the solid
次に、燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量及び酸素極32の触媒層32Aの触媒担持量を変化させて発電テストを行った実験結果を説明する。
本実験においては、燃料電池セルCとして、燃料極33の触媒層33Aや酸素極32の触媒層32Aの触媒担持量を、0.1mgcm-2〜0.5mgcm-2の間で3段階に変化させた5種類の燃料電池セルCを用意した(図6参照)。尚、本実験の燃料電池セルCの面積は、5cm×5cmである。
Next, an experimental result in which a power generation test is performed by changing the catalyst loading amount of the
In this experiment, as the fuel cell C, the amount of catalyst supported on the
そして、それらの燃料電池セルCを用いて実際に発電した際に、時間経過に伴う開回路電圧(OCV)の変化を測定した。つまり、単一の燃料電池セルCを、燃料極33に純水素を燃料利用率70%で供給し、かつ、酸素極32に純酸素を酸素利用率65%で供給して、定格(300mAcm-2)で連続運転し、定期的に開回路電圧(OCV)を測定した。
尚、発電時のセル温度は70℃であり、また、純水素及び純酸素を、露点が30℃となる状態で加湿した。
And when actually generating electric power using those fuel cells C, the change of the open circuit voltage (OCV) with the passage of time was measured. In other words, a single fuel cell C, and pure hydrogen to the
The cell temperature during power generation was 70 ° C., and pure hydrogen and pure oxygen were humidified with a dew point of 30 ° C.
図7は、酸素極32の触媒層32Aの触媒担持量が、0.3mgcm-2であり、燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量が、0.1mgcm-2〜0.5mgcm-2の間で3段階に変化する3種類の燃料電池セルCについての実験結果を示すものである。
FIG. 7 shows that the catalyst support amount of the
燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量が、0.1mgcm-2と少ない場合には、運転時間が5000時間経過しても、燃料電池セルCの開回路電圧(OCV)の低下は見られない。
燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量が、0.3mgcm-2の場合や燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量が、0.5mgcm-2の場合には、運転時間が経過するに伴って、燃料電池セルCの開回路電圧(OCV)が低下することになり、しかも、燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量が、0.5mgcm-2と多い場合には大きく低下することになる。
When the amount of catalyst supported on the
When the catalyst loading amount of the
これにより、燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量は、少なければ少ないほど、固体高分子電解質膜31の耐久性が高いことを理解できる。
つまり、燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量を低減すると、高分子電解質膜31の劣化を抑制できると考えられる。
Thereby, it can be understood that the smaller the amount of catalyst supported on the
That is, it is considered that the deterioration of the
図8は、燃料極33の触媒層33Aの触媒担持量が、0.3mgcm-2であり、酸素極32の触媒層32Aの触媒担持量が、0.1mgcm-2〜0.5mgcm-2の間で3段階に変化する3種類の燃料電池セルCについての実験結果を示すものである。
酸素極32の触媒層32Aの触媒担持量が異なるいずれの場合にも、運転時間が経過するに伴って、燃料電池セルCの開回路電圧(OCV)が低下することになる。
これにより、酸素極32の触媒層32Aの触媒担持量は、固体高分子電解質膜31の耐久性に影響がないことが理解できる。
In FIG. 8, the catalyst loading amount of the
In any case where the catalyst loading amount of the
Accordingly, it can be understood that the amount of catalyst supported on the
(酸素側加湿器の構成)
図4に示すように、酸素側加湿器Ksには、水分供給路41を通流する高湿度流体が保有する水分と熱を、空気供給路10を通流する空気に与える全熱交換器42が備えられている。
そして、水分供給路41には、全熱交換器42を迂回するバイパス路41Aが接続され、さらには、水分供給路41を通して高湿度流体を全熱交換器42に流動させる流量を制御する第1流量制御弁43、及び、バイパス路41Aを通して高湿度流体を流動させる流量を制御する第2流量制御弁44が設けられている。
(Configuration of oxygen side humidifier)
As shown in FIG. 4, the oxygen-side humidifier Ks has a
The
したがって、酸素側加湿器Ksは、第1流量制御弁43、及び、第2流量制御弁44の開度調節により、空気供給路10を通流する空気の加湿状態を変更調節できるように構成されており、以下、各部の構成について説明を加える。
Therefore, the oxygen side humidifier Ks is configured to change and adjust the humidification state of the air flowing through the
水分供給路41には、燃焼排ガス路19及び排空気路40が接続されて、水蒸気生成部12を通過した後の燃焼排ガス及びセルスタックNCから排出された空気が、高湿度流体として混合状態で流動するように構成されている。
ちなみに、燃焼排ガスは、改質用バーナ16aでの燃焼に伴って生じる水分を含むものであり、また、セルスタックNCから排出された空気は、燃料電池セルCでの電気化学反応により生じる水分を含むものである。
A combustion
Incidentally, the combustion exhaust gas contains water generated by combustion in the reforming burner 16a, and the air discharged from the cell stack NC contains water generated by an electrochemical reaction in the fuel cell C. Is included.
全熱交換器42は、空気が通流する空気通流部分と高湿度流体が通流する高湿度流体通流部分との仕切り部に、水分と熱とを通す材料(例えば、電解質膜)を装備した形態に構成されるものであって、高湿度流体通流部分を通流する高湿度流体が保有する水分と熱とを空気通流部分を通流する空気に与えるように構成されている。
尚、水分供給路41を通流する高湿度流体の全量が全熱交換器42を通流したときに、全熱交換器42を通過した後の空気の露点が目標露点(例えば、30℃)となるように、全熱交換器42が製作されている。
The
When the entire amount of the high-humidity fluid flowing through the
(酸素側加湿器の制御構成)
酸素側加湿器Ksの加湿状態が、発電負荷が設定負荷以上のときには、無加湿状態に調整され、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整されるように構成されている。
(Control configuration of oxygen side humidifier)
The humidification state of the oxygen-side humidifier Ks is adjusted to the non-humidification state when the power generation load is equal to or higher than the set load, and when the power generation load is smaller than the set load, the humidification state is equal to or higher than the set load. Is also configured to be adjusted to a highly humidified state.
本実施形態においては、酸素側加湿器Ksの加湿状態を調整する制御手段として機能する運転制御部4が、発電負荷が設定負荷以上のときには、酸素側加湿器Ksの加湿状態を無加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、酸素側加湿器Ksの加湿状態を設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整すべく、第1流量制御弁43及び第2流量制御弁44の開度を制御するように構成されている。
本実施形態においては、上述の設定負荷は、定格負荷に設定されている。
In the present embodiment, when the
In the present embodiment, the set load described above is set to the rated load.
すなわち、運転制御部4は、発電負荷が定格負荷のときには、第1流量制御弁43を全閉開度に調整し、かつ、第2流量制御弁44を全開開度に調整して、酸素側加湿器Ksの加湿状態を無加湿状態にすることになる。
この状態において、空気供給路10を通してセルスタックNCに供給される空気の露点Xは、ブロア7にて吸引される外気の湿度に対応する値である(図5参照)。
That is, when the power generation load is the rated load, the
In this state, the dew point X of the air supplied to the cell stack NC through the
そして、運転制御部4は、発電負荷を定格負荷よりも小さな低負荷に変更する際には、燃料電池5に供給する燃料ガスの供給量および空気の供給量を漸次減少側に調整して、燃料電池5からの発電出力を漸次減少させることになるが、それに伴って、第1流量制御弁43の開度を漸次開くように制御し、かつ、第2流量制御弁44の開度を漸次閉じるように制御して、図5に示すように、酸素側加湿器Ksを漸次高加湿状態にすることになる。
この状態において、空気供給路10を通してセルスタックNCに供給される空気は、外気の露点Xよりも高い露点Yとなる高加湿状態に加湿されることになる。
Then, when the
In this state, the air supplied to the cell stack NC through the
また、本実施形態においては、酸素側加湿器Ksの加湿状態が、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整されるように構成されている。
具体的には、運転制御部4が、酸素側加湿器Ksの加湿状態を、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整すべく、第1流量制御弁43及び第2流量制御弁44の開度を制御するように構成されている。
Moreover, in this embodiment, it is comprised so that the humidification state of the oxygen side humidifier Ks may be adjusted to the high humidification state side, so that power generation load becomes a load smaller than setting load.
Specifically, the
すなわち、空気供給路10における全熱交換器42の下流側箇所には、空気供給路10を通過する空気の露点を検出する露点検出センサ45が設けられている。
運転制御部4は、発電負荷が設定負荷よりも小さな範囲における電気負荷と目標露点との関係を、電気負荷が小さくなるほど目標露点を大きくする関係として予め記憶しており、発電負荷が設定負荷よりも小さな範囲においては、電気負荷に応じた目標露点となるように、第1流量制御弁43及び第2流量制御弁44の開度を調節するように構成されている。
That is, a dew
The
ちなみに、このように電気負荷に応じて空気の加湿状態を調整するにあたり、運転制御部4に、発電負荷が設定負荷よりも小さな範囲における電気負荷と第1流量制御弁43及び第2流量制御弁44の目標開度との関係を予め記憶させて、発電負荷が設定負荷よりも小さな範囲においては、電気負荷に応じた目標開度となるように、第1流量制御弁43及び第2流量制御弁44の開度を調節する形態で実施してもよく、この場合、露点検出センサ45を省略することができる。
Incidentally, in adjusting the humidified state of the air according to the electric load in this way, the
以上の通り、本実施形態によれば、燃料電池5の発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、セルスタックNCに供給する空気を加湿する酸素側加湿器Ksを、無加湿状態に調整するものであるから、燃料電池セルCを冷却することにより回収する排熱量を的確に増加させることができる。
As described above, according to the present embodiment, when the power generation load of the
また、燃料電池5の発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、セルスタックNCに供給する空気を加湿する酸素側加湿器Ksを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するものであるから、固体高分子電解質膜31を適切に湿潤させることができるため、燃料電池セルCの劣化を抑制できる。
In addition, when the power generation load of the
しかも、本実施形態によれば、酸素側加湿器Ksの加湿状態を、燃料電池5の発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態側に調整するものであるから、セルスタックNCに供給する空気が、燃料電池5の発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷になるほど高加湿状態に加湿されることになり、発電負荷の変動範囲の全範囲において、固体高分子電解質膜31を過不足なく適切に湿潤させることができる。
Moreover, according to the present embodiment, the humidification state of the oxygen side humidifier Ks is adjusted to the higher humidification state side as the power generation load of the
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2形態を説明するが、この第2実施形態は、酸素側加湿器Ksの別実施形態を示すものであって、その他の構成は第1実施形態と同様であるので、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明して、第1実施形態と同様な構成については、第1実施形態と同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This second embodiment shows another embodiment of the oxygen side humidifier Ks, and the other configuration is the same as that of the first embodiment. Only parts different from the first embodiment will be described, and the same configurations as those of the first embodiment will be denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted.
図9に示すように、酸素側加湿器Ksには、水分供給路41を通流する高湿度流体が保有する水分と熱を、空気供給路10を通流する空気に与える全熱交換器42が備えられている点、及び、水分供給路41には、全熱交換器42を迂回するバイパス路41Aが接続されている点は、第1実施形態と同様である。
As shown in FIG. 9, the oxygen-side humidifier Ks has a
この第2実施形態においては、水分供給路41を流動する高湿度流体を全熱交換器42に流動させる流動状態と流動停止状態に切り換える第1電磁開閉弁46、及び、バイパス路41Aを通して高湿度流体を流動させる流動状態と流動停止状態とに切り換える第2電磁開閉弁47が設けられている。
In the second embodiment, the high humidity fluid flows through the
したがって、酸素側加湿器Ksは、第1電磁開閉弁46を開いて流動状態としかつ第2電磁開閉弁47を閉じて流動停止状態にすると、空気供給路10を通流する空気を加湿する加湿状態になり、また、第1電磁開閉弁46を閉じて流動停止状態としかつ第2電磁開閉弁47を開いて流動状態にすると、空気供給路10を通流する空気を加湿しない無加湿状態になるように構成されている。
Accordingly, the oxygen-side humidifier Ks humidifies the air flowing through the
そして、この第2実施形態においては、運転制御部4が、発電負荷が設定負荷以上のときには、酸素側加湿器Ksの加湿状態を無加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整すべく、第1電磁開閉弁46及び第2電磁開閉弁47を制御するように構成されている。
この第2実施形態においては、上述の設定負荷は、第1実施形態と同様に定格負荷に設定されている。
In the second embodiment, when the power generation load is equal to or higher than the set load, the
In the second embodiment, the set load described above is set to a rated load as in the first embodiment.
すなわち、運転制御部4は、発電負荷が定格負荷のときには、第1電磁開閉弁46を閉じて流動停止状態としかつ第2電磁開閉弁47を開いて流動状態にすることにより、酸素側加湿器Ksを無加湿状態に調整する。
尚、この状態における空気の露点Xは、ブロア7にて吸引される外気の湿度に対応する値である(図10参照)。
In other words, when the power generation load is a rated load, the
Note that the dew point X of air in this state is a value corresponding to the humidity of the outside air sucked by the blower 7 (see FIG. 10).
そして、運転制御部4は、発電負荷を定格負荷よりも小さな低負荷に変更する際には、第1電磁開閉弁46を開いて流動状態としかつ第2電磁開閉弁47を閉じて流動停止状態にして、酸素側加湿器Ksを加湿状態に調整する。
空気供給路10を通流する空気は、酸素側加湿器Ksによって、外気の露点Xよりも高い露点Yとなる高加湿状態に加湿されることになる。
When the
The air flowing through the
したがって、この第2実施形態においては、燃料電池5の発電負荷が設定負荷以上の高負荷のときには、セルスタックNCに供給する空気を加湿する酸素側加湿器Ksを、無加湿状態に調整するものであるから、燃料電池セルCを冷却することにより回収する排熱量を的確に増加させることができる。
Therefore, in the second embodiment, when the power generation load of the
また、燃料電池5の発電負荷が設定負荷よりも小さな負荷のときには、セルスタックNCに供給する空気を加湿する酸素側加湿器Ksを、設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するものであるから、固体高分子電解質膜31を適切に湿潤させることができるため、燃料電池セルCの劣化を抑制できる。
In addition, when the power generation load of the
〔別実施形態〕 [Another embodiment ]
(1)上記第1及び第2実施形態では、発電負荷が定格負荷のときを、発電負荷が設定負荷以上のときとする場合を例示したが、発電負荷が定格負荷よりも設定値低い基準負荷よりも大きいときを、発電負荷が設定負荷以上のときとする形態で実施してもよい。 ( 1 ) In the first and second embodiments, the case where the power generation load is the rated load is exemplified as the case where the power generation load is equal to or higher than the set load. However, the power generation load is a reference load whose set value is lower than the rated load. The time when the power generation load is larger than the set load may be implemented.
(2)上記第1及び第2実施形態では、酸素側加湿器Ksに、燃焼排ガス及びセルスタックNCから排出された空気が、高湿度流体として混合状態で流動する全熱交換器42が備えられる場合を例示したが、全熱交換器42として、燃焼排ガスが高湿度流体として流動する燃焼排ガス側全熱交換器と、セルスタックNCから排出された空気が高湿度流体として流動する排空気側全熱交換器とを各別に備えさせて、それらの全熱交換器を、目標とする加湿状態に合わせて選択的に使用する形態で実施してもよい。
( 2 ) In the first and second embodiments, the oxygen-side humidifier Ks is provided with the
(3)上記第1及び第2実施形態では、酸素側加湿手段として、全熱交換器42を備える酸素側加湿器Ksを例示したが、酸素側加湿手段としては、貯留した加湿水中に酸素含有ガスを噴出させて加湿する、所謂、バブリング式の加湿器を用いる等、種々の形態の加湿器を使用できる。この場合、例えば、加湿水を加熱する電気ヒータの加熱量の調整によって加湿水の温度を調整することにより、加湿状態を調整できる。
( 3 ) In the first and second embodiments, the oxygen-side humidifier Ks including the
(4)上記第1及び第2実施形態では、燃料極33に供給する水素含有ガスとして、ガス生成部6にて改質処理された燃料ガスを供給する場合を例示したが、水素ボンベや水素貯蔵合金等に貯蔵された水素を、燃料極33に供給してもよく、この場合、燃料極33に供給する水素を加湿することが好ましいものであり、具体的には、燃料側加湿器Knによって、燃料電池セルCの動作温度(例えば、70℃)よりも低い露点となる低加湿状態に調整することが好ましい。
( 4 ) In the first and second embodiments, the case where the fuel gas reformed in the gas generator 6 is supplied as the hydrogen-containing gas supplied to the
4 制御手段
31 固体高分子電解質膜
32 酸素極
33 燃料極
C 燃料電池セル
Ks 酸素側加湿手段
Rs 酸素供給路
Rn 燃料供給路
4 Control means 31 Solid
Claims (6)
前記酸素極に供給する前記酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を、発電負荷が設定負荷以上のときには、無加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、前記設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整することを特徴とする熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の運転方法。 An oxygen supply path for supplying an oxygen-containing gas to the oxygen electrode is formed at a position on the oxygen electrode side in a fuel cell having an oxygen electrode on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode on the other surface. And, in the fuel cell side portion of the fuel cell, a method for operating the polymer electrolyte fuel cell for a combined heat and power system in which a fuel supply path for supplying a hydrogen-containing gas to the fuel electrode is formed,
The humidifying state of the oxygen side humidifying means for humidifying the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode is adjusted to a non-humidified state when the power generation load is equal to or higher than the set load, and the power generation load is smaller than the set load. In the case of the above, the method for operating the solid polymer fuel cell for a combined heat and power system , wherein the humidification state is adjusted to be higher than the humidification state when the set load is exceeded.
前記酸素極に供給する前記酸素含有ガスを加湿する酸素側加湿手段の加湿状態を調整する制御手段が、発電負荷が設定負荷以上のときには、無加湿状態に調整し、かつ、発電負荷が前記設定負荷よりも小さな負荷のときには、前記設定負荷以上のときの加湿状態よりも高加湿状態に調整するように構成されていることを特徴とする熱電併給システム用固体高分子型燃料電池。 An oxygen supply path for supplying an oxygen-containing gas to the oxygen electrode is formed at a position on the oxygen electrode side in a fuel cell having an oxygen electrode on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode on the other surface. And a polymer electrolyte fuel cell for a combined heat and power system in which a fuel supply path for supplying a hydrogen-containing gas to the fuel electrode is formed at a position on the fuel electrode side in the fuel cell,
The control means for adjusting the humidification state of the oxygen-side humidification means for humidifying the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode adjusts to a non-humidified state when the power generation load is equal to or higher than the set load, and the power generation load is set as described above. When the load is smaller than the load, the polymer electrolyte fuel cell for a combined heat and power system is configured to be adjusted to a higher humidification state than a humidification state when the load is equal to or higher than the set load.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013067045A JP6222958B2 (en) | 2013-03-27 | 2013-03-27 | Method of operating polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system and polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013067045A JP6222958B2 (en) | 2013-03-27 | 2013-03-27 | Method of operating polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system and polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014192020A JP2014192020A (en) | 2014-10-06 |
JP6222958B2 true JP6222958B2 (en) | 2017-11-01 |
Family
ID=51838087
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013067045A Active JP6222958B2 (en) | 2013-03-27 | 2013-03-27 | Method of operating polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system and polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6222958B2 (en) |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3743339B2 (en) * | 2001-10-03 | 2006-02-08 | 富士電機ホールディングス株式会社 | Polymer electrolyte fuel cell and method of operating the same |
JP5028854B2 (en) * | 2006-04-26 | 2012-09-19 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
JP5132203B2 (en) * | 2007-06-25 | 2013-01-30 | パナソニック株式会社 | Fuel cell, membrane-electrode assembly, and membrane-catalyst layer assembly |
JP2011154802A (en) * | 2010-01-26 | 2011-08-11 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
-
2013
- 2013-03-27 JP JP2013067045A patent/JP6222958B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2014192020A (en) | 2014-10-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20100266923A1 (en) | Fuel cell system with electrochemical hydrogen pump and method of operating same | |
JP4915452B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM | |
JP4846883B2 (en) | POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL, FUEL CELL STACK HAVING THE SAME, FUEL CELL SYSTEM, AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM | |
US20100221620A1 (en) | Fuel cell system and operation method thereof | |
JP2011008916A (en) | Fuel cell cooling system | |
JP4676553B2 (en) | Fuel cell system and operation method thereof | |
JP7374061B2 (en) | fuel cell system | |
JP3943406B2 (en) | Fuel cell power generation system and operation method thereof | |
US20230170500A1 (en) | Fuel cell apparatus | |
JP6116311B2 (en) | Fuel cell power generator | |
JP4593119B2 (en) | Fuel cell power generator | |
JP7029122B2 (en) | Fuel cell system | |
JP6222958B2 (en) | Method of operating polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system and polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system | |
JP6138081B2 (en) | Fuel cell system | |
JP7221641B2 (en) | Solid oxide fuel cell system | |
JP2008041537A (en) | Fuel cell system | |
JP4508543B2 (en) | Method for stopping polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell | |
JP2012038608A (en) | Fuel cell system and control method of reforming water supply amount in fuel cell system | |
JP2011154802A (en) | Fuel cell system | |
JP2007323816A (en) | Fuel cell power generation device | |
JP2009134977A (en) | Fuel cell system | |
JP2001185182A (en) | Power generating device for fuel cell and its operating method | |
JP3961430B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
JP2004227938A (en) | Fuel cell | |
JP6125664B2 (en) | Fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20151208 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160809 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160929 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170221 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20170424 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170619 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170905 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20171003 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6222958 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |