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JP2006012475A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2006012475A
JP2006012475A JP2004184614A JP2004184614A JP2006012475A JP 2006012475 A JP2006012475 A JP 2006012475A JP 2004184614 A JP2004184614 A JP 2004184614A JP 2004184614 A JP2004184614 A JP 2004184614A JP 2006012475 A JP2006012475 A JP 2006012475A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
fuel
gas
main body
hydrogen
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.)
Pending
Application number
JP2004184614A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takahiro Hayashi
高弘 林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2004184614A priority Critical patent/JP2006012475A/en
Publication of JP2006012475A publication Critical patent/JP2006012475A/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

【課題】 長時間の使用による出力低下の起こらない燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 燃料電池本体部10の通常の発電運転では、バルブV1が開けられ、且つバルブV2が閉じられて改質ガスが水素生成装置20から燃料供給管12を介して所定のガス圧で燃料電池本体部10に供給される。電圧測定装置22で測定された燃料電池本体部10の発電量が基準値未満である場合、バルブV2が開けられて水素ガスタンク30から水素ガスが燃料電池本体部10に供給される。これにより、燃料電池本体部10におけるアノード電極を汚染していた有機物が除去される。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system that does not cause a decrease in output due to long-term use.
In a normal power generation operation of a fuel cell main body 10, a valve V1 is opened and a valve V2 is closed so that a reformed gas is supplied from a hydrogen generator 20 through a fuel supply pipe 12 at a predetermined gas pressure. The fuel cell main body 10 is supplied. When the power generation amount of the fuel cell main body 10 measured by the voltage measuring device 22 is less than the reference value, the valve V2 is opened and hydrogen gas is supplied from the hydrogen gas tank 30 to the fuel cell main body 10. As a result, the organic matter that has contaminated the anode electrode in the fuel cell main body 10 is removed.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池電気自動車などの車両に搭載可能な燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that can be mounted on a vehicle such as a fuel cell electric vehicle.

従来の燃料電池電気自動車は、車両の駆動力を得るための電源としての燃料電池、及びこの燃料電池を用いて発電を行なうための燃料である水素または水素を生成するための原燃料を搭載している。水素を搭載する燃料電池電気自動車では、水素ガスを圧縮して充填したボンベ、または水素を吸蔵する水素吸蔵合金や水素吸着材料により水素を搭載している。一方、原燃料を搭載する燃料電池電気自動車では、原燃料としての有機ハイドライド等の炭化水素と、この原燃料から脱水素反応により水素リッチな改質ガスを生成する水素生成装置とを搭載している。   A conventional fuel cell electric vehicle is equipped with a fuel cell as a power source for obtaining a driving force of the vehicle, and hydrogen or a raw fuel for generating hydrogen as a fuel for generating electric power using the fuel cell. ing. In a fuel cell electric vehicle equipped with hydrogen, hydrogen is loaded with a cylinder filled with compressed hydrogen gas, or with a hydrogen storage alloy or hydrogen adsorption material that stores hydrogen. On the other hand, fuel cell electric vehicles equipped with raw fuel are equipped with hydrocarbons such as organic hydride as raw fuel and a hydrogen generator that generates hydrogen-rich reformed gas from this raw fuel through a dehydrogenation reaction. Yes.

しかしながら、水素吸蔵合金や水素吸着材料では、燃料電池電気自動車に必要とされる水素の貯蔵量が充分でなく、また水素の放出を制御するのが困難である。一方、原燃料を搭載する燃料電池電気自動車は、水素を搭載する燃料電池電気自動車に比較して、1回の燃料補給で走行可能な距離が長いという利点を有しており、炭化水素等の原燃料は水素ガスに比較して輸送等の取り扱いが容易で安全であるという利点も有している。   However, hydrogen storage alloys and hydrogen adsorption materials do not have sufficient hydrogen storage required for fuel cell electric vehicles, and it is difficult to control the release of hydrogen. On the other hand, a fuel cell electric vehicle equipped with raw fuel has an advantage that a distance that can be traveled by one refueling is longer than a fuel cell electric vehicle equipped with hydrogen. Raw fuel also has the advantage of being easy and safe to handle, such as transportation, compared to hydrogen gas.

炭化水素の1つであるデカリン(デカヒドロナフタレン)は、常温での蒸気圧がゼロに近く(沸点が200℃近傍)取り扱いし易いことから、上記の原燃料としての使用の可能性が期待されており、デカリンからなる燃料またはデカリンを主成分とする燃料を用いた水素生成装置に関する報告がなされている(例えば、特許文献1参照。)
特開2000−255503号公報
Decalin (decahydronaphthalene), one of the hydrocarbons, has a vapor pressure at room temperature close to zero (boiling point is around 200 ° C) and is easy to handle. There are reports on a hydrogen generator using a fuel composed of decalin or a fuel mainly composed of decalin (for example, see Patent Document 1).
JP 2000-255503 A

しかしながら、水素生成装置から得られる水素リッチな改質ガスには、有機ハイドライド及び脱水素反応により生ずる反応生成物(有機物)が微量ながら含有されている。このような改質ガスを燃料として用いると、燃料電池のアノード電極がこれら微量な有機物で汚染され、発電量の低下が生ずるという問題点があった。   However, the hydrogen-rich reformed gas obtained from the hydrogen generator contains a small amount of organic hydride and reaction products (organic substances) generated by the dehydrogenation reaction. When such a reformed gas is used as a fuel, there has been a problem that the anode electrode of the fuel cell is contaminated with these trace amounts of organic substances and the amount of power generation is reduced.

本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、長時間の使用による出力低下の起こらない燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that does not cause a decrease in output due to long-term use.

上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極とで挟持された電解質膜と、を備えた膜電極接合体及び、前記膜電極接合体を狭持するとともに、前記アノード電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード電極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路とを形成する一対のセパレータを備えた単セルを含む燃料電池本体部と、前記燃料流路に有機ハイドライドの脱水素反応により得られた水素を含む改質ガスを供給する第1燃料供給手段と、前記燃料流路に水素ガスを供給する第2燃料供給手段と、前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池本体部の発電量を測定する第1測定手段と、前記発電量が基準値以上であるか否かを判定する判定手段と、前記第1燃料供給手段から前記燃料流路に改質ガスを供給し、前記発電量が基準値未満であった場合に、前記第2燃料供給手段から前記燃料流路に水素ガスを供給する流路切り替え手段と、を備えたものである。   In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention comprises a membrane electrode assembly comprising an anode electrode, a cathode electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode, and the membrane A pair of separators that sandwich the electrode assembly and form a fuel flow path through which fuel passes between the anode electrode and an oxidizing gas flow path through which oxidizing gas passes between the cathode electrode are provided A fuel cell main body including a single cell; first fuel supply means for supplying reformed gas containing hydrogen obtained by dehydration reaction of organic hydride to the fuel flow path; and supplying hydrogen gas to the fuel flow path Second fuel supply means, oxidizing gas supply means for supplying oxidizing gas to the oxidizing gas flow path, first measuring means for measuring the power generation amount of the fuel cell main body, and the power generation amount being a reference value or more is there A reforming gas is supplied from the first fuel supply means to the fuel flow path, and when the power generation amount is less than a reference value, the second fuel supply means supplies the fuel. And a channel switching means for supplying hydrogen gas to the channel.

なお、本発明において水素ガスとは3N(99.9%)以上の純度の高いものをいう。また、改質ガスとは、有機ハイドライドの脱水素反応により得られた水素リッチなガスをいい、水素ガスとは区別されるものである。本発明において、改質ガス中の有機物をフィルターにより取り除いて得られるガスは、水素ガスの範ちゅうに含まれる。   In the present invention, hydrogen gas means a gas having a high purity of 3N (99.9%) or higher. The reformed gas refers to a hydrogen-rich gas obtained by a dehydrogenation reaction of organic hydride, and is distinguished from hydrogen gas. In the present invention, the gas obtained by removing organic substances in the reformed gas with a filter is included in the category of hydrogen gas.

本発明の燃料電池システムでは、燃料流路に第1燃料供給手段から供給される改質ガス中の水素と、酸化ガス流路に酸化ガス供給手段から供給される酸化ガス(空気)中の酸素と、が下記式(1)〜(3)で表される電気化学反応を起こし、外部に電力を供給する。なお、式(1)はアノード電極側における反応を示し、式(2)はカソード電極側における反応を示し、式(3)は燃料電池本体部における全反応を示す。   In the fuel cell system of the present invention, hydrogen in the reformed gas supplied from the first fuel supply means to the fuel flow path and oxygen in the oxidizing gas (air) supplied from the oxidizing gas supply means to the oxidizing gas flow path Causes an electrochemical reaction represented by the following formulas (1) to (3) and supplies electric power to the outside. Equation (1) shows the reaction on the anode electrode side, Equation (2) shows the reaction on the cathode electrode side, and Equation (3) shows the total reaction on the fuel cell main body.

2 → 2H++2e- (1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O (2)
2+(1/2)O2 → H2O (3)
H 2 → 2H + + 2e (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

燃料電池本体部の発電量は、所定の間隔毎に第1測定手段により測定され、測定された発電量が基準値以上であるか否かを判定することによってアノード電極の有機物による汚染の程度を判断する。発電量が基準値未満であった場合、流路切り替え手段によって、燃料流路に供給される燃料が改質ガスから水素ガスに切り替えられる。燃料流路に水素ガスが供給されると、アノード電極を汚染していた有機物が除去され、燃料電池本体部の発電量が上昇する。燃料電池本体部の発電量が基準値以上まで回復した後、流路切り替え手段によって燃料流路に供給される燃料が水素ガスから改質ガスに切り替えられる。このようにして、長時間の使用による出力低下の起こらない燃料電池システムを実現できる。   The power generation amount of the fuel cell main body is measured by the first measuring means at predetermined intervals, and the degree of contamination of the anode electrode by the organic matter is determined by determining whether or not the measured power generation amount is equal to or greater than a reference value. to decide. When the power generation amount is less than the reference value, the fuel supplied to the fuel flow path is switched from the reformed gas to the hydrogen gas by the flow path switching means. When hydrogen gas is supplied to the fuel flow path, organic substances that have contaminated the anode electrode are removed, and the power generation amount of the fuel cell main body increases. After the power generation amount of the fuel cell main body recovers to a reference value or more, the fuel supplied to the fuel flow path is switched from hydrogen gas to reformed gas by the flow path switching means. In this way, it is possible to realize a fuel cell system that does not cause a decrease in output due to long-term use.

本発明の燃料電池システムにおいては、改質ガスの供給量を測定する第2測定手段をさらに備え、基準値は、第2測定手段により測定された改質ガスの供給量に基づいて決定されるようにしてもよい。燃料電池本体部の発電量は、改質ガス(水素)の供給量に応じて変動するものである。本発明においては、基準値として固定の値を用いてもよいが、改質ガスの供給量に応じた基準値を決定することにより、アノード電極の汚染の度合いを正確に把握できる。   The fuel cell system of the present invention further includes second measuring means for measuring the supply amount of the reformed gas, and the reference value is determined based on the supply amount of the reformed gas measured by the second measuring means. You may do it. The power generation amount of the fuel cell main body varies depending on the supply amount of reformed gas (hydrogen). In the present invention, a fixed value may be used as the reference value, but the degree of contamination of the anode electrode can be accurately grasped by determining the reference value according to the supply amount of the reformed gas.

本発明によれば、長時間の使用による出力低下の起こらない燃料電池システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which does not produce the output fall by long-time use can be provided.

以下、図面を参照して本発明の燃料電池システムの実施形態について説明する。なお、同様の機能を有する部材には、全図面を通して同じ符合を付与し、その説明を省略することがある。   Embodiments of a fuel cell system of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is provided to the member which has the same function throughout all drawings, and the description may be abbreviate | omitted.

本実施形態は、電気エネルギーの供給を受けて車軸を駆動するモータで移動可能な電気自動車に本発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載したものである。また、本実施形態は、第1燃料供給手段として有機ハイドライドの一種であるデカリン(デカリンを用いた場合の反応生成物はナフタレン等)の脱水素反応により改質ガスを供給可能な水素生成装置を用いたものである。   In the present embodiment, the fuel cell system according to the embodiment of the present invention is mounted on an electric vehicle that can be moved by a motor that drives the axle upon receipt of electric energy. In addition, the present embodiment provides a hydrogen generator capable of supplying a reformed gas by dehydrogenation of decalin which is a kind of organic hydride as the first fuel supply means (the reaction product when decalin is used is naphthalene). It is what was used.

(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを示す概略図である。第1実施形態に係る燃料電池システムは、アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極とで挟持された電解質膜と、を備えた膜電極接合体及び、前記膜電極接合体を狭持するとともに、前記アノード電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード電極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路とを形成する一対のセパレータを備えた単セルを100個積層してスタック構造に構成された燃料電池本体部10を備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. A fuel cell system according to a first embodiment includes a membrane electrode assembly including an anode electrode, a cathode electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode, and the membrane electrode assembly. A single cell comprising a pair of separators that sandwich and form a fuel channel through which fuel passes between the anode electrode and an oxidizing gas channel through which oxidizing gas passes between the cathode electrode is provided. A fuel cell main body portion 10 is provided that is stacked to form a stack structure.

燃料電池本体部10は、アノード電極側において、スタック構造を構成する単セルの各燃料流路の供給口と連通するように、燃料供給管12の一端が接続されている。   One end of a fuel supply pipe 12 is connected to the fuel cell main body 10 on the anode electrode side so as to communicate with a supply port of each fuel flow path of a single cell constituting a stack structure.

燃料供給管12は二股に分岐しており、燃料供給管12の他端の一方は有機ハイドライドの一種であるデカリンの脱水素反応により得られた水素を含む改質ガスを供給する第1燃料供給手段である水素生成装置20と接続されており、燃料供給管12の他端の他方は水素ガスを供給する第2燃料供給手段である水素ガスタンク30と接続されている。   The fuel supply pipe 12 is bifurcated, and one end of the other end of the fuel supply pipe 12 supplies a reformed gas containing hydrogen obtained by dehydrogenation of decalin, which is a kind of organic hydride. The other end of the fuel supply pipe 12 is connected to a hydrogen gas tank 30 which is a second fuel supply means for supplying hydrogen gas.

燃料供給管12には、バルブV1及びバルブV2が設けられ、バルブV1を開け、且つバルブV2を閉じることにより、水素生成装置20から燃料電池本体部10に改質ガスが供給される。一方、バルブV1を閉じ、且つバルブV2を開けることにより水素ガスタンク30から燃料電池本体部10に水素ガスが供給される。このように、バルブV1とバルブV2とが対になって流路切り替え手段を構成する。   The fuel supply pipe 12 is provided with a valve V1 and a valve V2, and the reformed gas is supplied from the hydrogen generator 20 to the fuel cell main body 10 by opening the valve V1 and closing the valve V2. On the other hand, hydrogen gas is supplied from the hydrogen gas tank 30 to the fuel cell main body 10 by closing the valve V1 and opening the valve V2. In this way, the valve V1 and the valve V2 are paired to constitute a flow path switching unit.

燃料供給管12の、燃料電池本体部10との接続部付近には、改質ガスの供給量を測定する第2測定手段である流量計14が設けられている。   In the vicinity of the connection portion of the fuel supply pipe 12 with the fuel cell main body 10, a flow meter 14 is provided as a second measuring means for measuring the supply amount of the reformed gas.

水素ガスタンク30には、水素ガスタンク30に外部の水素スタンド等から水素ガスを供給するためのバルブV3を備えた供給配管16が取り付けられている。   A supply pipe 16 having a valve V3 for supplying hydrogen gas to the hydrogen gas tank 30 from an external hydrogen stand or the like is attached to the hydrogen gas tank 30.

燃料電池本体部10のアノード電極側には、さらに、排出ガス(アノードオフガス)を排出するためのバルブV4を備えた排気管18の一端が接続されている。バルブV4は、通常閉状態にあり、カソード電極側から単セルを構成する電解質膜を透過してきた生成水や窒素などの排ガスが溜まって燃料電池本体部10の発電性能が低下するのを防止するため、所定時間毎に開状態にして排ガスを排出できるようになっている。アノードオフガスには、消費されなかった水素が残留しているため、排気管18を分岐させて燃料供給管12と接続し、循環させることにより水素を有効活用することもできる。   Further, one end of an exhaust pipe 18 provided with a valve V4 for discharging exhaust gas (anode off gas) is connected to the anode electrode side of the fuel cell main body 10. The valve V4 is normally in a closed state, and prevents the generation power of the fuel cell main body 10 from being deteriorated due to accumulation of generated water or nitrogen exhaust gas that has permeated through the electrolyte membrane constituting the single cell from the cathode electrode side. For this reason, the exhaust gas can be discharged in an open state every predetermined time. Since the hydrogen that has not been consumed remains in the anode off-gas, the exhaust pipe 18 can be branched, connected to the fuel supply pipe 12, and circulated to effectively use the hydrogen.

燃料電池本体部10のカソード電極側には、エアコンプレッサ38と加湿器39とを備えたエア供給管37の一端がスタック構造を構成する単セルの各酸化ガス流路の供給口と連通するように接続されている。エア供給管37の他端にはフィルタ40が取り付けられており、エア供給管37とエアコンプレッサ38と加湿器39とフィルタ40とで酸化ガス供給手段を構成している。酸化ガスである空気の燃料電池本体部10への供給圧及び供給量は、エアコンプレッサ38の回転数によって制御される。   One end of an air supply pipe 37 provided with an air compressor 38 and a humidifier 39 is connected to the supply port of each oxidizing gas flow path of the single cell constituting the stack structure on the cathode electrode side of the fuel cell main body 10. It is connected to the. A filter 40 is attached to the other end of the air supply pipe 37, and the air supply pipe 37, the air compressor 38, the humidifier 39, and the filter 40 constitute an oxidizing gas supply means. The supply pressure and supply amount of air, which is an oxidizing gas, to the fuel cell main body 10 are controlled by the rotational speed of the air compressor 38.

燃料電池本体部10のカソード電極側には、さらに、電池反応によって酸素濃度が低くなった排出空気(カソードオフガス)及び生成水の排出が可能なように排出管19の一端が接続されている。排出管19には、排気管18の他端が接続されている。また、排出管19の他端はマフラー36と接続されている。   Further, one end of a discharge pipe 19 is connected to the cathode electrode side of the fuel cell main body 10 so that discharged air (cathode offgas) having a low oxygen concentration due to cell reaction and generated water can be discharged. The other end of the exhaust pipe 18 is connected to the discharge pipe 19. The other end of the discharge pipe 19 is connected to the muffler 36.

また、燃料電池本体部10には、燃料電池本体部10の発電量を測定する第1測定手段である電圧測定装置22が備えられている。   Further, the fuel cell main body 10 is provided with a voltage measuring device 22 which is a first measuring means for measuring the amount of power generated by the fuel cell main body 10.

次に、燃料電池本体部10に含まれる単セルについて説明する。   Next, a single cell included in the fuel cell main body 10 will be described.

図2は、燃料電池本体部10を構成する単セルの構成例を示す概略断面図である。燃料電池本体部10は、図2に示すように構成された単セル10aをセパレータを介在させて複数積層してなるものである。個々の単セル10aは、アノード電極55と、カソード電極56と、アノード電極55とカソード電極56とで挟持されたフッ素系イオン交換樹脂膜(電解質膜)50と、を備えた膜電極接合体57及び、膜電極接合体57を狭持するとともに、アノード電極55との間に燃料が通過する燃料流路60とカソード電極56との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路61とを形成する一対のセパレータ58、59を備える。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a single cell constituting the fuel cell main body 10. The fuel cell main body 10 is formed by laminating a plurality of single cells 10a configured as shown in FIG. 2 with a separator interposed therebetween. Each single cell 10 a includes a membrane electrode assembly 57 including an anode electrode 55, a cathode electrode 56, and a fluorine-based ion exchange resin membrane (electrolyte membrane) 50 sandwiched between the anode electrode 55 and the cathode electrode 56. In addition, the membrane electrode assembly 57 is sandwiched, and a fuel channel 60 through which fuel passes between the anode electrode 55 and an oxidizing gas channel 61 through which oxidizing gas passes between the cathode electrode 56 are formed. A pair of separators 58 and 59 are provided.

燃料電池本体部10は、燃料流路60に改質ガス又は水素ガスが供給され、酸化ガス流路61に空気が供給され、前記式(1)〜(3)で表される電気化学反応によって外部に電力を供給する。   The fuel cell main body 10 is supplied with reformed gas or hydrogen gas to the fuel flow path 60 and air is supplied to the oxidizing gas flow path 61, and is subjected to an electrochemical reaction represented by the above formulas (1) to (3). Supply power to the outside.

フッ素系イオン交換樹脂膜50は、イオン導電性を有する電解質で構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。本実施形態では、ナフィオン膜(デュポン社製)で構成してある。この膜は、通常イオン導電性を高める点から湿潤状態とされ、改質ガス又は水素ガスが供給されて得たアノード側の水素イオンは該膜を良好にイオン伝導してカソード側に移動することができる。この湿潤状態は、酸化ガスである空気などに加水(加湿)することによって形成できる。   The fluorine-based ion exchange resin membrane 50 can be composed of an electrolyte having ionic conductivity, and a perfluorosulfonic acid membrane or the like is generally used. In this embodiment, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) is used. This membrane is usually in a wet state from the point of increasing ionic conductivity, and the hydrogen ions on the anode side obtained by supplying the reformed gas or hydrogen gas can conduct ions through the membrane well and move to the cathode side. Can do. This wet state can be formed by adding water (humidification) to air that is an oxidizing gas.

アノード電極55およびカソード電極56は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成される。アノード電極55は、フッ素系イオン交換樹脂膜50側から順にアノード触媒層51と拡散層53とが積層されて構成されており、カソード電極56は、フッ素系イオン交換樹脂膜50側から順にカソード触媒層52と拡散層54とが積層されて構成されている。   The anode electrode 55 and the cathode electrode 56 are composed of a catalyst layer responsible for an electrochemical reaction and a diffusion layer functioning as a current collector. The anode electrode 55 is configured by laminating an anode catalyst layer 51 and a diffusion layer 53 in order from the fluorine ion exchange resin membrane 50 side, and the cathode electrode 56 is a cathode catalyst in order from the fluorine ion exchange resin membrane 50 side. The layer 52 and the diffusion layer 54 are laminated.

アノード触媒層51およびカソード触媒層52は、フッ素系イオン交換樹脂膜50の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属とからなる合金を塗布してなるものである。塗布は、白金または白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液(例えば、Aldrich Chemical社、Nafion Solution)を適量添加してペースト化し、フッ素系イオン交換樹脂膜50上にスクリーン印刷する方法などによって行なえる。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートとし、このシートをフッ素系イオン交換樹脂膜50上にプレスする構成によることもできる。あるいは、白金または白金と他の金属とからなる合金を、フッ素系イオン交換樹脂膜50ではなく、フッ素系イオン交換樹脂膜50と対向する側の拡散層の表面に塗布するようにしてもよい。   The anode catalyst layer 51 and the cathode catalyst layer 52 are formed by applying platinum as a catalyst or an alloy made of platinum and another metal to the surface of the fluorine-based ion exchange resin film 50. For the coating, a carbon powder carrying platinum or an alloy composed of platinum and another metal is prepared, and the carbon powder is dispersed in a suitable organic solvent, and an electrolyte solution (for example, Aldrich Chemical Co., Nafion Solution) is added thereto. An appropriate amount can be added to form a paste, and screen printing can be performed on the fluorine-based ion exchange resin film 50. Alternatively, the paste containing the carbon powder may be formed into a sheet to form a sheet, and the sheet may be pressed onto the fluorinated ion exchange resin film 50. Alternatively, platinum or an alloy made of platinum and another metal may be applied to the surface of the diffusion layer facing the fluorine ion exchange resin film 50 instead of the fluorine ion exchange resin film 50.

拡散層53、54は、ともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、拡散層は、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーやカーボンフェルトなどで構成した形態も好適である。   The diffusion layers 53 and 54 are both made of carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers. In addition to the carbon cloth, the diffusion layer is preferably formed of carbon paper or carbon felt made of carbon fiber.

セパレータ58、59は、膜電極接合体57を更に狭持するように設けられると共に、膜電極接合体57を構成するアノード電極55との間には燃料流路60が形成され、カソード電極56との間には酸化ガス流路61が形成される。セパレータは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンによって構成することができる。   The separators 58 and 59 are provided so as to further sandwich the membrane electrode assembly 57, and a fuel flow path 60 is formed between the anode electrode 55 constituting the membrane electrode assembly 57 and the cathode electrode 56. Between them, an oxidizing gas flow path 61 is formed. The separator can be composed of a gas-impermeable conductive member, for example, dense carbon that has been compressed by gas to be gas-impermeable.

セパレータ58および59は、図2に示す単セルのときにはそれぞれ片側の面にのみ流路が形成されているが、単セルを複数積層してスタック構造とするときには、一つのセパレータが二つの膜電極接合体の間で共有され、セパレータの各々の両側の面において流路が形成される。すなわち、一つのセパレータの両側の面に凹部(リブ)が形成され、一方の側ではアノード電極との間で燃料流路が形成され、他方の側では隣接する膜電極接合体のカソード電極との間で酸化ガス流路が形成される。このように、セパレータ58および59は、流路を形成すると共に、隣接する単セル間における改質ガス又は水素ガスと空気とを分離する機能を担っている。   The separators 58 and 59 each have a flow path formed only on one side of the single cell shown in FIG. 2, but when a single cell is stacked to form a stack structure, one separator has two membrane electrodes. A flow path is formed on both sides of each separator shared by the joined bodies. That is, recesses (ribs) are formed on both sides of one separator, a fuel flow path is formed between the anode electrode on one side, and a cathode electrode of an adjacent membrane electrode assembly is formed on the other side. An oxidizing gas flow path is formed between them. Thus, the separators 58 and 59 have a function of forming a flow path and separating the reformed gas or hydrogen gas and air between adjacent single cells.

また、隣接する単セルを構成するセパレータの両側の面に形成されたリブは、互いに平行に形成されてもよく、面毎に直行するなど所定の角度をなして形成されてもよい。また、リブ形状は、アノード電極又はカソード電極に対して改質ガス、水素ガス又は空気の供給が可能であれば制限はなく、例えば平行な溝状に形成できる。なお、上記のようにスタック構造を形成したときにスタック構造の両端に位置する二枚のセパレータは膜電極接合体と接する側の面にのみリブを形成するようにすればよい。   In addition, the ribs formed on both sides of the separator constituting the adjacent single cell may be formed in parallel with each other, or may be formed at a predetermined angle such as perpendicular to each surface. The rib shape is not limited as long as the reformed gas, hydrogen gas, or air can be supplied to the anode electrode or the cathode electrode, and can be formed into, for example, parallel grooves. When the stack structure is formed as described above, the two separators positioned at both ends of the stack structure may be formed with ribs only on the surface in contact with the membrane electrode assembly.

燃料電池本体部10を組立てるときには、セパレータ58、アノード電極55、フッ素系イオン交換樹脂膜50、カソード電極56、セパレータ59の順に構成された単セル10a(図2参照)を複数組(本実施例では100組)積層することによってスタック構造に構成される。このとき、セパレータ58、59は隣接する単セル間で共有される。   When the fuel cell main body 10 is assembled, a plurality of sets of unit cells 10a (see FIG. 2) configured in the order of the separator 58, the anode electrode 55, the fluorine-based ion exchange resin membrane 50, the cathode electrode 56, and the separator 59 (this embodiment) In this case, a stack structure is formed by stacking. At this time, the separators 58 and 59 are shared between adjacent single cells.

燃料電池本体部10の通常の発電運転は、バルブV1が開けられ、且つバルブV2が閉じられてアノード電極側において改質ガスが水素生成装置20から燃料供給管12を介して所定のガス圧で燃料流路に供給されると共に、カソード電極側においてフィルタ40を介して吸入され、エアコンプレッサ38で圧縮され、さらに加湿器39で加湿された空気(酸素)がエア供給管37を介して所定の供給圧で酸化ガス流路に供給されることで行なわれる。各単セルでは、一般に供給される改質ガスおよび空気の圧力が増大するほど反応速度が上昇し発電効率が向上するため、改質ガスおよび空気は加圧されて供給されることが好ましい。そして、アノードオフガスは排気管18及び排出管19を介して外部に排気され、また、カソードオフガスは排出管19の他端からマフラー36を介して排気される。燃料電池本体部10での電池反応によって生成された生成水は、カソードオフガスと共に排出管19を介して排出される。燃料電池本体部10による発電が行われている状態で、電圧測定装置22により燃料電池本体部10の発電量が測定され、発電量が基準値以上であるか否かの判定がなされる。   In the normal power generation operation of the fuel cell main body 10, the valve V1 is opened and the valve V2 is closed, and the reformed gas is supplied from the hydrogen generator 20 through the fuel supply pipe 12 at a predetermined gas pressure on the anode electrode side. Air (oxygen) supplied to the fuel flow path, sucked through the filter 40 on the cathode electrode side, compressed by the air compressor 38, and further humidified by the humidifier 39 is passed through the air supply pipe 37 to a predetermined level. This is performed by supplying the oxidizing gas flow path with a supply pressure. In each single cell, since the reaction rate increases and the power generation efficiency improves as the pressure of the reformed gas and air supplied generally increases, the reformed gas and air are preferably supplied under pressure. The anode off gas is exhausted to the outside through the exhaust pipe 18 and the exhaust pipe 19, and the cathode off gas is exhausted from the other end of the exhaust pipe 19 through the muffler 36. The produced water produced by the cell reaction in the fuel cell main body 10 is discharged through the discharge pipe 19 together with the cathode off gas. In a state where the power generation by the fuel cell main body 10 is being performed, the power generation amount of the fuel cell main body 10 is measured by the voltage measuring device 22, and it is determined whether or not the power generation amount is greater than or equal to a reference value.

燃料電池本体部10、流量計14、水素生成装置20、電圧測定装置22、バルブV1及びバルブV2等は、制御部25と電気的に接続されており、制御部25によって動作タイミングが制御されるようになっている。制御部25は、燃料電池本体部10に接続された不図示のモータの負荷の大きさに応じて改質ガス及び空気の量を調節することにより出力を制御する燃料電池の通常の発電運転制御を担うと共に、燃料電池本体部10の発電量を取り込み、取り込まれた発電量と基準値との比較から水素供給源(水素生成装置20又は水素ガスタンク30)の切り替え制御をも担うものである。   The fuel cell main body 10, the flow meter 14, the hydrogen generator 20, the voltage measuring device 22, the valve V1, the valve V2, and the like are electrically connected to the control unit 25, and the operation timing is controlled by the control unit 25. It is like that. The control unit 25 controls the normal power generation operation of the fuel cell that controls the output by adjusting the amounts of reformed gas and air according to the load of a motor (not shown) connected to the fuel cell main body 10. In addition, the power generation amount of the fuel cell main body 10 is taken in, and switching control of the hydrogen supply source (hydrogen generator 20 or hydrogen gas tank 30) is also performed based on a comparison between the taken power generation amount and the reference value.

次に、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの制御部25による水素供給源(水素生成装置20又は水素ガスタンク30)の切り替え制御ルーチンについて図3を参酌して説明する。   Next, a switching control routine of the hydrogen supply source (hydrogen generator 20 or hydrogen gas tank 30) by the control unit 25 of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

制御部25は、燃料電池本体部10の通常の発電運転時において、改質ガス中に含まれる微量の有機物でアノード電極が汚染されるのを防ぐため、燃料電池本体部10の発電量が基準値未満となった場合に、燃料として水素ガスを供給し、アノード電極を汚染していた有機物を除去して燃料電池本体部10の発電量を回復させる。   In order to prevent the anode electrode from being contaminated with a small amount of organic substances contained in the reformed gas during the normal power generation operation of the fuel cell main body 10, the control unit 25 uses the power generation amount of the fuel cell main body 10 as a reference. When the value is less than the value, hydrogen gas is supplied as fuel, the organic matter that contaminated the anode electrode is removed, and the power generation amount of the fuel cell main body 10 is recovered.

図3は、水素生成装置20から改質ガスが供給されている場合の切り替え制御ルーチンを示す。本ルーチンが実行されると、ステップ100において改質ガスの供給量が流量計14から取り込まれる。さらに、ステップ110で改質ガスの供給量に基づく発電量の基準値を決定する。例えば、改質ガスの供給量に基づく発電量の理論値の90%の値を、発電量の基準値とすることができる。なお本実施形態では、改質ガスの供給量に応じて発電量の基準値を決定するが、発電量の基準値は、一定の固定値であってもよい。次に、ステップ120で燃料電池本体部10の発電量が電圧測定装置22から取り込まれる。   FIG. 3 shows a switching control routine when the reformed gas is supplied from the hydrogen generator 20. When this routine is executed, the supply amount of the reformed gas is taken from the flow meter 14 in step 100. Further, in step 110, a reference value for the power generation amount based on the supply amount of the reformed gas is determined. For example, a value of 90% of the theoretical value of the power generation amount based on the supply amount of the reformed gas can be used as the reference value for the power generation amount. In the present embodiment, the power generation amount reference value is determined in accordance with the supply amount of the reformed gas, but the power generation amount reference value may be a fixed value. Next, in step 120, the power generation amount of the fuel cell main body 10 is taken from the voltage measuring device 22.

ステップ130で、燃料電池本体部10の発電量は基準値以上であるか否かが判定される。発電量が基準値以上であると判定されたときには、改質ガスの供給がそのまま維持されて本ルーチンは終了する。   In step 130, it is determined whether or not the power generation amount of the fuel cell main body 10 is equal to or greater than a reference value. When it is determined that the power generation amount is greater than or equal to the reference value, the supply of the reformed gas is maintained as it is, and this routine ends.

一方、ステップ130で発電量が基準値未満であると判定されたときは、アノード電極が有機物に汚染されていると判断され、ステップ140においてアノード電極に水素ガスが供給されるようになる。この際、バルブV1が閉じられ、且つバルブV2が開けられることによりアノード電極に水素ガスのみが供給されるようにしてもよいし、バルブV1を開けたままでバルブV2を開けることにより、アノード電極に水素ガスと改質ガスとが同時に供給されるようにしてもよい。   On the other hand, when it is determined in step 130 that the power generation amount is less than the reference value, it is determined that the anode electrode is contaminated with an organic substance, and hydrogen gas is supplied to the anode electrode in step 140. At this time, only the hydrogen gas may be supplied to the anode electrode by closing the valve V1 and opening the valve V2, or by opening the valve V2 while the valve V1 remains open, Hydrogen gas and reformed gas may be supplied simultaneously.

アノード電極に水素ガスが供給されると、アノード電極を汚染していた有機物が揮発して除去される。この場合、揮発した有機物が燃料流路内から速やかに除去されるように、バルブV4を開けておくことが好ましい。   When hydrogen gas is supplied to the anode electrode, organic substances that have contaminated the anode electrode are volatilized and removed. In this case, it is preferable to open the valve V4 so that the volatile organic substance is quickly removed from the fuel flow path.

アノード電極に水素ガスが供給された状態で、ステップ150において燃料電池本体部10の発電量が電圧測定装置22から取り込まれる。ステップ160で、燃料電池本体部10の発電量は基準値以上であるか否かが判定される。ステップ160における基準値は、一定の固定値であってもよいし、ステップ110で決定された基準値を用いてもよい。また、水素ガス供給量(水素ガスと改質ガスとが同時に供給されている場合には、水素ガスと改質ガスとの供給量の合計)を流量計14から取り込み、水素ガス供給量(水素ガスと改質ガスとが同時に供給されている場合には、水素ガスと改質ガスとの供給量の合計)に基づく発電量の基準値を決定してもよい。   In a state where hydrogen gas is supplied to the anode electrode, the power generation amount of the fuel cell main body 10 is taken in from the voltage measuring device 22 in step 150. In step 160, it is determined whether or not the power generation amount of the fuel cell main body 10 is greater than or equal to a reference value. The reference value in step 160 may be a fixed value, or the reference value determined in step 110 may be used. Further, the supply amount of hydrogen gas (when hydrogen gas and reformed gas are supplied at the same time, the total supply amount of hydrogen gas and reformed gas) is taken from the flow meter 14, and the hydrogen gas supply amount (hydrogen When the gas and the reformed gas are supplied at the same time, a power generation reference value based on the sum of the supply amounts of the hydrogen gas and the reformed gas may be determined.

発電量が基準値以上であると判定されたときは、アノード電極に付着していた有機物が除去されたものと判断され、ステップ170において水素ガスの供給が停止されて本ルーチンは終了する。一方、ステップ160で発電量が基準値未満であると判定されたときにはアノード電極に付着した有機物の除去が不十分と判断され、ステップ150に戻って発電量が基準値以上となるまで水素ガスの供給が継続される。   When it is determined that the power generation amount is equal to or greater than the reference value, it is determined that the organic matter adhering to the anode electrode has been removed, the supply of hydrogen gas is stopped in step 170, and this routine ends. On the other hand, when it is determined in step 160 that the power generation amount is less than the reference value, it is determined that the removal of organic substances attached to the anode electrode is insufficient, and the process returns to step 150 and the hydrogen gas is discharged until the power generation amount exceeds the reference value. Supply continues.

水素供給源の切り替え制御ルーチンは、所定の間隔毎(例えば、30分毎)に実行される。   The hydrogen supply source switching control routine is executed at predetermined intervals (for example, every 30 minutes).

(第2実施形態)
図4は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムを示す概略図である。第2実施形態に係る燃料電池システムは、水素生成装置20で生成した余剰の改質ガス中の有機物をフィルター21で除去し、水素ガスタンク30に貯蔵できるようにしたものである。水素生成装置20は、バルブV5とフィルター21とを備えた配管23を介して水素ガスタンク30と接続されている。配管23におけるフィルター21と水素ガスタンク30との間には、ポンプを設け、余剰の改質ガスから得られた水素ガスを水素ガスタンク30に高圧で貯蔵できるようにしてもよい。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a schematic view showing a fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the second embodiment is configured such that excess organic substances in the reformed gas generated by the hydrogen generator 20 are removed by the filter 21 and can be stored in the hydrogen gas tank 30. The hydrogen generator 20 is connected to a hydrogen gas tank 30 via a pipe 23 including a valve V5 and a filter 21. A pump may be provided between the filter 21 and the hydrogen gas tank 30 in the pipe 23 so that the hydrogen gas obtained from the surplus reformed gas can be stored in the hydrogen gas tank 30 at a high pressure.

第1実施形態に係る燃料電池システムを示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment. 燃料電池本体部を構成する単セルの構成例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structural example of the single cell which comprises a fuel cell main-body part. 水素供給源の切り替え制御ルーチンを示す図である。It is a figure which shows the switching control routine of a hydrogen supply source. 第2実施形態に係る燃料電池システムを示す概略図である。It is the schematic which shows the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池本体部
12 燃料供給管
14 流量計
18 排気管
19 排出管
20 水素生成装置
22 電圧測定装置
25 制御部
30 水素ガスタンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell main-body part 12 Fuel supply pipe 14 Flowmeter 18 Exhaust pipe 19 Exhaust pipe 20 Hydrogen generator 22 Voltage measuring device 25 Control part 30 Hydrogen gas tank

Claims (2)

アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極とで挟持された電解質膜と、を備えた膜電極接合体及び、前記膜電極接合体を狭持するとともに、前記アノード電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード電極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路とを形成する一対のセパレータを備えた単セルを含む燃料電池本体部と、
前記燃料流路に有機ハイドライドの脱水素反応により得られた水素を含む改質ガスを供給する第1燃料供給手段と、
前記燃料流路に水素ガスを供給する第2燃料供給手段と、
前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池本体部の発電量を測定する第1測定手段と、
前記発電量が基準値以上であるか否かを判定する判定手段と、
前記第1燃料供給手段から前記燃料流路に改質ガスを供給し、前記発電量が基準値未満であった場合に、前記第2燃料供給手段から前記燃料流路に水素ガスを供給する流路切り替え手段と、
を備えた燃料電池システム。
A membrane electrode assembly comprising an anode electrode, a cathode electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode, and sandwiching the membrane electrode assembly and between the anode electrode A fuel cell main body including a single cell having a pair of separators forming a fuel flow path through which fuel passes and an oxidizing gas flow path through which oxidizing gas passes between the cathode electrode;
First fuel supply means for supplying a reformed gas containing hydrogen obtained by dehydrogenation of organic hydride to the fuel flow path;
Second fuel supply means for supplying hydrogen gas to the fuel flow path;
An oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the oxidizing gas flow path;
First measuring means for measuring the power generation amount of the fuel cell main body,
Determination means for determining whether or not the power generation amount is a reference value or more;
The reformed gas is supplied from the first fuel supply means to the fuel flow path, and the hydrogen gas is supplied from the second fuel supply means to the fuel flow path when the power generation amount is less than a reference value. Road switching means;
A fuel cell system comprising:
前記改質ガスの供給量を測定する第2測定手段をさらに備え、
前記基準値は、前記第2測定手段により測定された改質ガスの供給量に基づいて決定される請求項1に記載の燃料電池システム。
A second measuring means for measuring the supply amount of the reformed gas;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the reference value is determined based on a supply amount of reformed gas measured by the second measuring unit.
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