JP2006318780A - Fuel cell power generator and fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の高安定運転を実現するため、特に不安定な状況になりやすい運転起動時にセル温度に露点を追従させて、安定な発電を実現する。
【解決手段】高分子電解質膜7とその電極であるカソード8a,カソード8bからなるセルの冷却を、セル内部を貫流するセル冷却回路9における冷却水で行う。この冷却水の出口に取り付けられたセル出口冷却水温度センサ14によりセル温度を検出し、演算装置15にてセル温度とガス圧力の相関関係に従って、水素ガス圧力調整弁6と、空気圧力調整弁5の開度を演算し、この開度を調整することにより燃料ガスである水素ガス2と、酸化ガスである空気1の露点を制御する。
【選択図】図1In order to realize highly stable operation of a fuel cell, a stable power generation is realized by making the dew point follow the cell temperature at the start of operation, which is particularly likely to be unstable.
Cooling of a cell composed of a polymer electrolyte membrane and cathodes (8a, 8b) serving as electrodes thereof is performed with cooling water in a cell cooling circuit (9) flowing through the inside of the cell. A cell temperature is detected by a cell outlet cooling water temperature sensor 14 attached to the outlet of the cooling water, and a hydrogen gas pressure adjusting valve 6 and an air pressure adjusting valve are detected by the arithmetic unit 15 according to the correlation between the cell temperature and the gas pressure. By calculating the opening degree of 5 and adjusting the opening degree, the dew point of the hydrogen gas 2 as the fuel gas and the air 1 as the oxidizing gas is controlled.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池を発電する発電装置、およびその発電装置を用いた燃料電池に関し、特に高分子電解質型燃料電池に適用されるものである。 The present invention relates to a power generation device that generates power from a fuel cell and a fuel cell using the power generation device, and is particularly applicable to a polymer electrolyte fuel cell.
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。その構造は、まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面に、燃料ガスの通気性と電子導電性とを併せ持つ、例えばカーボンペーパーあるいはカーボンクロスにより拡散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電極とする。 A fuel cell using a polymer electrolyte generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen such as air. In the structure, first, a catalytic reaction layer composed mainly of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is formed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. Next, on the outer surface of the catalytic reaction layer, a diffusion layer is formed of, for example, carbon paper or carbon cloth having both air permeability of fuel gas and electronic conductivity, and the diffusion layer and the catalytic reaction layer are combined to form an electrode. To do.
次に、供給する燃料ガスや酸化ガスが外にリークしたり、燃料ガスと酸化ガスとが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材あるいはガスケットを配置する。このシール材あるいはガスケットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、これをMEA(膜電極接合体)と呼ぶ場合もある。 Next, a gas sealing material or gasket is placed around the electrode with a polymer electrolyte membrane sandwiched so that the supplied fuel gas or oxidizing gas does not leak outside or the fuel gas and oxidizing gas are mixed with each other. Deploy. This sealing material or gasket may be integrated with an electrode and a polymer electrolyte membrane and assembled beforehand, and this may be referred to as MEA (membrane electrode assembly).
前記MEAの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータを配置する。セパレータのMEAと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。 Outside the MEA, a conductive separator for mechanically fixing the MEA and connecting adjacent MEAs in series with each other is disposed. In the portion of the separator that contacts the MEA, a reaction gas is supplied to the electrode surface to form a gas flow path for carrying away the generated gas and surplus gas. The gas flow path can be provided separately from the separator, but a system in which a groove is provided on the surface of the separator to form a gas flow path is common.
前記セパレータの溝に燃料ガスを供給するためは、燃料ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を、セパレータ状の溝に直接つなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータに貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口を前記孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを供給するものである。 In order to supply the fuel gas to the groove of the separator, a pipe jig for branching the fuel gas supply pipe into the number of separators to be used and connecting the branch destination directly to the separator-like groove is required. . This jig is called a manifold, and the type connected directly from the fuel gas supply pipe as described above is called an external manifold. There is a type of this manifold called an internal manifold with a simplified structure. The internal manifold is provided with a hole penetrating the separator in which the gas flow path is formed, through the gas flow path to the hole and supplying fuel gas directly from the hole.
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水などにより冷却する必要がある。通常、1〜3セル毎に冷却水を流す冷却部をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのMEAとセパレータおよび冷却部を交互に重ねていき、10〜400セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。 Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool the fuel cell with cooling water or the like in order to maintain the battery in a favorable temperature state. Usually, a cooling unit that allows cooling water to flow every 1 to 3 cells is inserted between the separator and the separator. However, a cooling water channel is often provided on the back surface of the separator to form a cooling unit. These MEAs, separators, and cooling units are stacked alternately, and after stacking 10 to 400 cells, it is generally sandwiched between end plates via current collector plates and insulating plates and fixed from both ends with fastening bolts. This is a structure of a laminated battery.
高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜内を電離した水素が移動しやすくするため、燃料ガスとしての水素を含むガス、あるいは酸化剤としての酸素ガスを含むガスに水蒸気を混合して供給することが一般的である。 In polymer electrolyte fuel cells, in order to facilitate movement of ionized hydrogen in the polymer electrolyte membrane, water vapor is mixed with gas containing hydrogen as the fuel gas or oxygen gas as the oxidant and supplied. It is common to do.
一方、発電時の燃焼反応により水分(水蒸気)が生成するため、セパレータに形成された流路溝、あるいはMEAの拡散層,電極部には燃料や酸化剤と混合する水蒸気と、発電により生成する水分(水蒸気)とが通過する。セパレータ表面は、生成した水が必要以上に結露しないように、一定の温度に制御されるのが一般的ではあるが、発電した電力の消費量や燃料供給の変化により、燃料電池内部の発生熱量が変化して、内部温度が変動したり、生成水の量が変動したりする。 On the other hand, since water (water vapor) is generated by the combustion reaction during power generation, the flow channel formed in the separator, the diffusion layer of the MEA, and the electrode part are generated by power generation with water vapor mixed with fuel and oxidant. Moisture (water vapor) passes through. The separator surface is generally controlled at a constant temperature so that the generated water does not condense more than necessary, but the amount of heat generated inside the fuel cell due to the consumption of generated power and changes in fuel supply. Changes, the internal temperature fluctuates and the amount of produced water fluctuates.
例えば温度が低下した場合などには、セパレータ表面が結露しやすくなることがあり、このような現象を完全に排除することは不可能である。結露が発生すると、水滴が流路を塞ぎ、その塞いだ場所以降の電極あるいは触媒に対し燃料供給不足が発生するため、徐々に電圧が低下し、また、その水滴が排出されると、流路閉塞が解除されるため燃料供給が回復し、電圧が上昇するといった電圧不安定現象(フラッディング)が発生するという問題があった。 For example, when the temperature is lowered, the separator surface is likely to condense, and it is impossible to completely eliminate such a phenomenon. When dew condensation occurs, water drops block the flow path, resulting in insufficient fuel supply to the electrode or catalyst after the plugged location, so the voltage gradually decreases, and when the water drops are discharged, There is a problem that a voltage instability phenomenon (flooding) occurs in which the fuel supply is restored and the voltage rises because the blockage is released.
特に、燃料電池の運転起動時には、セル温度が所定温度に到達する前に、燃料ガスや酸化ガスを所定温度の露点で加湿した状態で供給すると、セル内に加湿ガスが導入された時点で温度が低下するため、加湿ガスに含まれる水分がセル内で結露し、結露した部分でのガス拡散性能が急激に低下することにより燃料ガスや酸化ガスの供給が低下し、発電性能が低下する。 In particular, when the fuel cell is started up, if the fuel gas or oxidizing gas is supplied in a humidified state at the dew point of the predetermined temperature before the cell temperature reaches the predetermined temperature, the temperature is increased when the humidified gas is introduced into the cell. Therefore, the moisture contained in the humidified gas is condensed in the cell, and the gas diffusion performance in the dewed portion is abruptly lowered, so that the supply of the fuel gas and the oxidizing gas is lowered and the power generation performance is lowered.
このような問題を解決するために、例えば特許文献1で提案されているように、図6に示すような燃料電池システムが提案されている。図6において、燃料電池40は、酸化ガス41の加湿手段である水タンク42と、燃料ガス43の加湿手段である水タンク44と、カソード45,固体高分子電解質膜46,アノード47からなるセル48と、このセル48の冷却部49などからなっている。
In order to solve such a problem, as proposed in
そして、前記燃料電池システムの起動方法は、燃料電池40の起動時に、燃料電池40を昇温させ、温度を安定させる第1の起動ステップと、第1の起動ステップの終了後、燃料ガス43と酸化ガス41の反応により燃料電池内に短時間で結露が生じる条件にて一定時間運転する第2の起動ステップとを含み、第2の起動ステップの終了後、通常の運転に移行する方法である。
しかしながら、従来技術のように、セル温度を上げた後、セル温度に等しい露点の加湿ガスを供給するという運転では、加湿された燃料ガスや酸化ガスが安定して供給されるまでの間、セル温度のみが昇温状態にある期間がある。この期間は加湿ガスを生成するための温水タンクの容量,ヒータ容量により異なるが、例えばタンク容量70リットルでヒータ容量5kwの場合で1時間程度となる。 However, in the operation of supplying a humidified gas having a dew point equal to the cell temperature after increasing the cell temperature as in the prior art, the cell is kept until the humidified fuel gas or oxidizing gas is stably supplied. There is a period in which only the temperature is in the elevated state. This period varies depending on the capacity of the hot water tank and the heater capacity for generating the humidified gas, but for example, it takes about 1 hour in the case of a tank capacity of 70 liters and a heater capacity of 5 kW.
一般的に家庭用に電気,ガスを供給するコージェネレーションシステムの場合、生活パターンに合わせて日々起動停止を頻繁に繰り返すような運転方法になるため、起動停止の期間が積み重なってセルへの影響が無視できなくなる。つまり、起動停止時に高温低加湿状態となることで高分子電解質膜にダメージを与える。 Generally, in the case of a cogeneration system that supplies electricity and gas for home use, the operation method is such that the start and stop are repeated frequently according to the daily life pattern. It cannot be ignored. That is, the polymer electrolyte membrane is damaged by being in a high-temperature and low-humidification state when starting and stopping.
また、従来技術では、燃料ガス加湿手段,酸化ガス加湿手段の構成として、タンクに温水を貯めて温水中にガスを導入し加湿するという方式であるため、露点を急激に変化させるためにはタンクに貯められた温水の温度を変更する必要があり、タンク,水の熱容量の関係で昇温に時間を要していた。 In the prior art, the fuel gas humidifying means and the oxidizing gas humidifying means are configured to store warm water in the tank, introduce gas into the warm water, and humidify the tank. In order to rapidly change the dew point, the tank It was necessary to change the temperature of the hot water stored in the tank, and it took time to raise the temperature due to the heat capacity of the tank and water.
図8に従来技術におけるセル温度とガス露点の変化の状態を説明する。t0は起動タイミングであり、セル温度上昇の指令によりセル温度制御ヒータがONして、セル温度が上昇する。t1で所定温度(この場合70℃)にセル温度が上昇した後、t2のタイミングで燃料ガスおよび酸化ガスの加湿ガス供給が開始される。加湿ガスの露点を70℃にするための加湿タンク温度として予め測定した温度(この場合75℃)に加湿タンク温度が到達し、露点が70℃に到達するタイミングをt3とすると、セル内部の加湿状態が飽和状態に達しない低加湿状態にある期間(t3−t2)が存在する。この期間が繰り返されると高分子電解質膜の固有抵抗が上昇し、熱的なダメージが加わり、電池性能が低下する。 FIG. 8 illustrates changes in cell temperature and gas dew point in the prior art. t0 is the activation timing, and the cell temperature control heater is turned on by a command to increase the cell temperature, and the cell temperature rises. After the cell temperature rises to a predetermined temperature (70 ° C. in this case) at t1, humidified gas supply of fuel gas and oxidizing gas is started at timing t2. When the humidifying tank temperature reaches the temperature measured in advance (75 ° C in this case) as the humidifying tank temperature for setting the dew point of the humidifying gas to 70 ° C, and the timing when the dew point reaches 70 ° C is t3, the humidification inside the cell There is a period (t3-t2) in which the state is in a low humidified state where it does not reach saturation. When this period is repeated, the specific resistance of the polymer electrolyte membrane is increased, thermal damage is added, and the battery performance is lowered.
そこで、燃料電池の運転起動時にセル温度が上昇した状態で燃料ガス露点,酸化ガス露点がセル温度に到達するまでの過渡時にも、セル内部が高温低加湿状態にならず、あるいは、その逆の過加湿状態になって、セル内に水分が結露するようなこともない状態にし、燃料電池に接続された負荷が変動したり、燃料供給量が変動しても電圧低下や上昇を起こしたりしない、安定した発電性能を有する燃料電池を提供することが要求される。それを実現することは、セル温度の変化に追従する露点操作の高応答性を可能にすることである。 Therefore, even when the fuel cell dew point and the oxidizing gas dew point reach the cell temperature when the cell temperature has risen at the start of operation of the fuel cell, the inside of the cell does not become a high temperature and low humidity state, or vice versa. It will be in a state of over-humidification so that moisture does not condense inside the cell, and the load connected to the fuel cell will not fluctuate, and even if the fuel supply amount fluctuates, the voltage will not drop or rise Therefore, it is required to provide a fuel cell having stable power generation performance. Realizing that is to enable high responsiveness of dew point manipulation following the change in cell temperature.
本発明の目的は、前記従来技術に鑑み、燃料電池の高安定運転を実現するため、特に不安定な状況になりやすい運転起動時にセル温度に露点を追従させて、安定な発電を実現する燃料電池発電装置および燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to realize a highly stable operation of a fuel cell in view of the above-described prior art. In particular, a fuel that realizes stable power generation by causing the dew point to follow the cell temperature at the start of operation, which is likely to be unstable. The object is to provide a battery power generator and a fuel cell.
前記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、燃料電池発電装置において、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段と、供給する酸化ガスの圧力を調整する酸化ガス圧力調整手段と、前記燃料ガス圧力調整手段への圧力指令値を前記燃料電池に設置された温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算し、かつ前記酸化ガス圧力調整手段への圧力指令値を前記温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in the fuel cell power generator, the fuel gas pressure adjusting means for adjusting the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell and the pressure of the oxidizing gas supplied are adjusted. The pressure command value to the oxidizing gas pressure adjusting means and the fuel gas pressure adjusting means is calculated from the fuel cell temperature measured by the temperature measuring means installed in the fuel cell, and the pressure to the oxidizing gas pressure adjusting means And a calculation means for calculating the command value from the fuel cell temperature measured by the temperature measurement means.
請求項2に記載の発明は、請求項1記載の燃料電池発電装置において、燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿手段と燃料電池に設けられた燃料ガス導入口との間に燃料ガス圧力調整手段を設置し、酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段と燃料電池に設けられた酸化ガス導入口との間に酸化ガス圧力調整手段を設置したことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell power generator according to the first aspect, the fuel gas pressure adjusting means is provided between the fuel gas humidifying means for humidifying the fuel gas and the fuel gas inlet provided in the fuel cell. An oxidant gas pressure adjusting unit is installed between an oxidant gas humidifying unit that is installed and humidifies the oxidant gas and an oxidant gas introduction port provided in the fuel cell.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2記載の燃料電池発電装置において、燃料ガス圧力調整手段と燃料ガス導入口との間に燃料ガス加熱手段を設置し、酸化ガス圧力調整手段と酸化ガス導入口との間に酸化ガス加熱手段を設置したことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell power generator according to the first or second aspect, the fuel gas heating means is installed between the fuel gas pressure adjusting means and the fuel gas inlet, and the oxidizing gas pressure adjusting means An oxidizing gas heating means is installed between the oxidizing gas inlet and the oxidizing gas inlet.
請求項4に記載の発明は、請求項3記載の燃料電池発電装置において、燃料ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に燃料ガス露点計測手段を設置し、燃料ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように燃料ガス圧力調整手段への指令値を演算出力すると共に酸化ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に酸化ガス露点計測手段を設置し、酸化ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように酸化ガス圧力調整手段への指令値を演算出力する露点制御手段を備えたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell power generator according to the third aspect, the fuel gas dew point measuring means is installed at least before or after the fuel gas heating means, and the dew point measured by the fuel gas dew point measuring means is set. A command value to the fuel gas pressure adjusting means is calculated and output so as to follow, and an oxidizing gas dew point measuring means is installed at least before or after the oxidizing gas heating means to follow the dew point measured by the oxidizing gas dew point measuring means. As described above, the dew point control means for calculating and outputting the command value to the oxidizing gas pressure adjusting means is provided.
請求項5に記載の発明は、燃料電池発電装置において、燃料電池に供給する燃料ガスを分流させ加湿する第1の燃料ガス加湿手段および第2の燃料ガス加湿手段と、前記第1の燃料ガス加湿手段および前記第2の燃料ガス加湿手段の後段に設置され前記第1の燃料ガス加湿手段から出力された加湿燃料ガスと前記第2の燃料ガス加湿手段から出力された加湿燃料ガスを混合する燃料ガス混合手段と、燃料電池に供給する酸化ガスを分流させ加湿する第1の酸化ガス加湿手段および第2の酸化ガス加湿手段と、前記第1の酸化ガス加湿手段および前記第2の酸化ガス加湿手段の後段に設置され前記第1の酸化ガス加湿手段から出力された加湿酸化ガスと前記第2の酸化ガス加湿手段から出力された加湿酸化ガスを混合する酸化ガス混合手段と、前記燃料ガス混合手段への混合比指令値を燃料電池に設置された温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算し、かつ前記酸化ガス混合手段への混合比指令値を前記温度計測手段によって計測された燃料電池温度から演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell power generator, the first fuel gas humidifying means and the second fuel gas humidifying means for diverting and humidifying the fuel gas supplied to the fuel cell, and the first fuel gas The humidified fuel gas output from the first fuel gas humidifier and the humidified fuel gas output from the second fuel gas humidifier are installed after the humidifier and the second fuel gas humidifier. Fuel gas mixing means, first oxidizing gas humidifying means and second oxidizing gas humidifying means for diverting and humidifying the oxidizing gas supplied to the fuel cell, the first oxidizing gas humidifying means and the second oxidizing gas An oxidizing gas mixing means that is installed at a subsequent stage of the humidifying means and mixes the humidified oxidizing gas output from the first oxidizing gas humidifying means and the humidified oxidizing gas output from the second oxidizing gas humidifying means; The mixing ratio command value to the fuel gas mixing means is calculated from the fuel cell temperature measured by the temperature measuring means installed in the fuel cell, and the mixing ratio command value to the oxidizing gas mixing means is calculated by the temperature measuring means. An arithmetic means for calculating from the measured fuel cell temperature is provided.
請求項6に記載の発明は、請求項5記載の燃料電池発電装置において、第1の燃料ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より高温に設定し、第2の燃料ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より低温に設定し、第1の酸化ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より高温に設定し、第2の酸化ガス加湿手段の加湿温度を燃料電池運転温度より低温に設定したことを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell power generator according to the fifth aspect, the humidification temperature of the first fuel gas humidifying means is set higher than the fuel cell operating temperature, and the humidification of the second fuel gas humidifying means is performed. The temperature is set lower than the fuel cell operating temperature, the humidifying temperature of the first oxidizing gas humidifying means is set higher than the fuel cell operating temperature, and the humidifying temperature of the second oxidizing gas humidifying means is lower than the fuel cell operating temperature. It is characterized by being set to.
請求項7に記載の発明は、請求項5または6記載の燃料電池発電装置において、燃料ガス混合手段と燃料ガス導入口との間に燃料ガス加熱手段を設置し、酸化ガス混合手段と酸化ガス導入口の間に酸化ガス加熱手段を設置したことを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the fuel cell power generator according to the fifth or sixth aspect, the fuel gas heating means is installed between the fuel gas mixing means and the fuel gas inlet, and the oxidizing gas mixing means and the oxidizing gas are provided. An oxidizing gas heating means is installed between the inlets.
請求項8に記載の発明は、請求項7記載の燃料電池発電装置において、燃料ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に燃料ガス露点計測手段を設置し、燃料ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように燃料ガス混合手段への指令値を演算出力すると共に酸化ガス加熱手段の少なくとも前段または後段に酸化ガス露点計測手段を設置し、酸化ガス露点計測手段により計測された露点に追従するように酸化ガス混合手段への指令値を演算出力する露点制御手段を備えたことを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the fuel cell power generator according to the seventh aspect, the fuel gas dew point measuring means is installed at least before or after the fuel gas heating means, and the dew point measured by the fuel gas dew point measuring means is set. The command value to the fuel gas mixing means is calculated and output so as to follow, and the oxidizing gas dew point measuring means is installed at least before or after the oxidizing gas heating means so as to follow the dew point measured by the oxidizing gas dew point measuring means. And a dew point control means for calculating and outputting a command value to the oxidizing gas mixing means.
請求項9に記載の発明は、燃料電池において、発電部として請求項1〜8いずれか1項に記載の燃料電池発電装置を用いたことを特徴とする。
The invention described in
請求項10に記載の発明は、高分子電解質膜および該高分子電解質膜を挟む一対の電極からなるセルと、前記セルを冷却する冷却回路を備えた燃料電池であって、前記一対の電極のガス吸入側にそれぞれガスの露点を検出するセンサを備えたことを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、燃料電池の運転起動時などの過渡状態にも、加湿ガスの露点がセル温度に追従するため、セル内部が高温低加湿状態になって、起動停止を繰り返すことにより高分子電解質膜が劣化したり、逆に過加湿状態になることで水分が結露して、燃料ガスあるいは酸化ガス供給量が低下することにより発電性能が低下したりすることがなく、長期に安定した発電状態を維持することができる。 According to the present invention, since the dew point of the humidified gas follows the cell temperature even in a transient state such as when the fuel cell is started up, the inside of the cell is in a high temperature and low humidified state, and the polymer is repeated by repeatedly starting and stopping. Stable power generation over the long term without deterioration of the electrolyte membrane or condensing moisture due to excessively humidified conditions, resulting in a decrease in fuel gas or oxidant gas supply rate, resulting in a decrease in power generation performance The state can be maintained.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は本発明の実施形態1を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell power generator for explaining
図1において、1は酸化ガスである空気、2は燃料ガスである水素ガス、3は酸化ガス加湿手段である空気加湿タンク、4は燃料ガス加湿手段である水素ガス加湿タンク、5は酸化ガス圧力調整手段である空気圧力調整弁、6は燃料ガス圧力調整手段である水素ガス圧力調整弁、7は高分子電解質膜、8aは高分子電解質膜7の一方の電極であるカソード、8bは高分子電解質膜7の他方の電極であるアノードであって、高分子電解質膜7とカソード8aとアノード8bとによりセルが構成される。
In FIG. 1, 1 is an air that is an oxidizing gas, 2 is a hydrogen gas that is a fuel gas, 3 is an air humidifying tank that is an oxidizing gas humidifying means, 4 is a hydrogen gas humidifying tank that is a fuel gas humidifying means, and 5 is an oxidizing gas An air pressure regulating valve that is a pressure regulating means, 6 is a hydrogen gas pressure regulating valve that is a fuel gas pressure regulating means, 7 is a polymer electrolyte membrane, 8a is a cathode that is one electrode of the
9はセルを冷却するセル冷却回路、10はセル冷却回路9に連結する冷却水高温タンク、11はセル冷却回路9に連結する冷却水低温タンク、12は冷却水混合弁、13はセル入口冷却水温度センサ、14はセル出口冷却水温度センサ、15は、前記各センサ13,14にて計測された温度情報を受け、前記各圧力調整弁5,6に対する圧力指令値を演算して出力するCPU(中央演算処理装置)などからなる演算装置である。
9 is a cell cooling circuit for cooling the cell, 10 is a high-temperature cooling water tank connected to the
ここで、本実施形態に共通の高分子電解質型燃料電池(セル)について、その作成方法を説明する。 Here, a production method of a polymer electrolyte fuel cell (cell) common to the present embodiment will be described.
まず、触媒層を形成した電極の作成方法を説明する。アセチレンブラック粉末に、平均粒径が約30Åの白金粒子を25重量%担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに分散させた溶液に、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパージョン溶液を混合し、触媒ペースト状にした。 First, a method for producing an electrode having a catalyst layer will be described. An electrode catalyst comprising 25% by weight of platinum particles having an average particle diameter of about 30% supported on acetylene black powder was used. A dispersion solution in which perfluorocarbonsulfonic acid powder was dispersed in ethyl alcohol was mixed with a solution in which the catalyst powder was dispersed in isopropanol to form a catalyst paste.
一方、電極の支持体になるカーボンペーパーを撥水処理した。外寸14cm×14cm、厚み360μmのカ−ボン不織布(東レ社製、TGP−H−120)を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン(ダイキン工業社製、ネオフロンND1)に含浸した後、これを乾燥し、400℃で30分加熱することによって撥水性を与えた。 On the other hand, the carbon paper which becomes a support body of an electrode was water-repellent treated. After impregnating a carbon non-woven fabric (TGP-H-120, manufactured by Toray Industries, Inc., outer dimensions 14 cm × 14 cm, thickness 360 μm) into an aqueous dispersion containing fluororesin (manufactured by Daikin Industries, NEOFLON ND1), this is dried. And water repellency was imparted by heating at 400 ° C. for 30 minutes.
このカ−ボン不織布の一方の面に、触媒ペーストをスクリ−ン印刷法を用いて塗布することにより触媒層を形成した。このとき、触媒層の一部は、カ−ボン不織布の中に埋まり込んでいる。このようにして作成した触媒層とカ−ボン不織布とを合わせて電極とした。形成後の反応電極中に含まれる白金量は0.6mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.2mg/cm2となるよう調整した。 A catalyst layer was formed on one surface of the carbon nonwoven fabric by applying the catalyst paste using a screen printing method. At this time, a part of the catalyst layer is embedded in the carbon nonwoven fabric. The catalyst layer thus prepared and the carbon nonwoven fabric were combined to form an electrode. Amount of platinum contained in the reaction electrode after forming the 0.6 mg / cm 2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid was adjusted to be 1.2 mg / cm 2.
そして外寸が15cm×15cmのプロトン伝導性高分子電解質膜の裏表両面に、一対の電極を触媒層が電解質膜の側に接するようにホットプレスで接合し、これを電極電解質膜接合体(MEA)とした。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質として、パーフルオロカーボンスルホン酸を30μmの厚みに薄膜化したものを用いた。 Then, a pair of electrodes are joined by hot pressing on both sides of the proton conductive polymer electrolyte membrane having an outer dimension of 15 cm × 15 cm so that the catalyst layer is in contact with the electrolyte membrane side, and this is joined to the electrode electrolyte membrane assembly (MEA). ). Here, as the proton conductive polymer electrolyte, a perfluorocarbon sulfonic acid thinned to a thickness of 30 μm was used.
次に、導電性セパレータについて説明する。まず、平均粒径が約50μmの人造黒鉛粉末を用意し、人造黒鉛粉末80重量%に、熱硬化性フェノール樹脂20重量%を押し出し混練機で混練し、この混練粉末をガス流路用溝と冷却水流路用溝およびマニホールドを成形するための加工を施した金型に投入し、ホットプレスした。ホットプレスの条件は、金型温度150℃、圧力100kg/cm2で10分間とした。得られたセパレータは、外寸が20cm×20cm、厚みが3.0mm、ガス流路および冷却水流路の深さが1.0mmであった。したがって、セパレータの最も肉薄部の厚みは1.0mmである。 Next, the conductive separator will be described. First, artificial graphite powder having an average particle size of about 50 μm is prepared, and 80% by weight of the artificial graphite powder is kneaded with an extruding kneader with 20% by weight of a thermosetting phenol resin. It put into the metal mold | die which gave the process for shape | molding the groove | channel for cooling water flow paths, and a manifold, and hot-pressed. The hot pressing conditions were a mold temperature of 150 ° C. and a pressure of 100 kg / cm 2 for 10 minutes. The obtained separator had an outer size of 20 cm × 20 cm, a thickness of 3.0 mm, and a depth of the gas channel and the cooling water channel of 1.0 mm. Therefore, the thickness of the thinnest part of the separator is 1.0 mm.
ここで、実施形態1の燃料電池発電装置について、図1を参照して具体的に説明する。
Here, the fuel cell power generator of
空気加湿タンク3の容量は70リットル、耐圧は0.5MPaで構成し、本例では80℃に温度調節した。水素ガス加湿タンク4の容量は20リットル、耐圧は0.5MPaで構成し、本例では80℃に温度調節した。空気圧力調節弁5と水素ガス圧力調節弁6の開度は図7に示すガス露点とガス圧力の関係に従って、設定したい露点をセル温度としてセル出口冷却水温度センサ14で計測し、その温度に対応した圧力になるように演算装置15で演算した開度に調節する。このとき設定した圧力になっているか否かを各加湿タンク3,4に取り付けた圧力センサ(図示せず)により検出して開度調整する。
The capacity of the
セル冷却は、セル冷却回路9に供給する冷却水を冷却水高温タンク10と冷却水低温タンク11の温水の混合比を、冷却水混合弁12により調整することで行われ、発電によりセル温度設定温度である70℃を超える場合は冷却し、70℃を下回る場合は加熱する。本例では冷却水低温タンク11の水温を50℃、冷却水高温タンク10の水温を85℃とした。
The cell cooling is performed by adjusting the mixing ratio of the hot water in the cooling water
前記構成の実施形態1の高分子電解質型燃料電池ならびに燃料電池発電装置により燃料電池を発電させるとき、まず、燃料電池を70℃に保持し、一方の電極(アノード8b)側に70℃の露点となるように加湿・加温した水素ガス2を、また他方の電極(カソード8a)側に70℃の露点となるように加湿・加温した空気1を供給した。
When generating a fuel cell with the polymer electrolyte fuel cell and the fuel cell power generator of
その起動時におけるセル温度とガス露点の変化の状態を図9に示す。セル温度が70.5℃に制御されているのに対し、ガス露点は68℃となった。設定温度に対し2℃の差が発生した理由として、配管途中での結露などが考えられる。発電特性としては電流を外部に出力しない無負荷時には、96Vの電池開放電圧を得た。また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約45mΩであった。 FIG. 9 shows a change state of the cell temperature and the gas dew point at the start-up. While the cell temperature was controlled at 70.5 ° C, the gas dew point was 68 ° C. As a reason for the difference of 2 ° C. with respect to the set temperature, dew condensation in the middle of the piping can be considered. As the power generation characteristics, a battery open voltage of 96 V was obtained at no load when no current was output to the outside. Moreover, when the internal resistance of the whole laminated battery at this time was measured, it was about 45 mΩ.
実施形態1の燃料電池を燃料利用率85%,酸素利用率50%,電流密度0.7A/cm2の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を計測した。毎日起動停止を繰り返し、約1年間で300回の起動停止を実施した。その結果、実施形態1の燃料電池は、通電時間の累計で8000時間以上にわたって、約14kW(62V−224A)の電池出力を維持することを確認した。
The fuel cell of
(実施形態2)
図2は本発明の実施形態2を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図である。なお、以下の実施形態の説明において、既に説明されている部材に対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell power generator for explaining
図2において、2つの空気高温加湿タンク18,19を設置し、第1の空気高温加湿タンク18は容量を70リットル、耐圧を0.5MPaで構成し、80℃に温度調節し、第2の空気低温加湿タンク19の容量を20リットル、耐圧を0.5MPaで構成し、50℃に温度調節した。さらに、2つの水素ガス高温加湿タンク20,21を設置し、第1の水素ガス高温加湿タンク20は容量を20リットル、耐圧を0.5MPaで構成し、80℃に温度調節し、第2の水素ガス低温加湿タンク21は容量を10リットル、耐圧を0.5MPaで構成し、50℃に温度調節した。
In FIG. 2, two air high-
酸化ガス混合手段であるカソード加湿ガス混合比例弁16と、燃料ガス混合手段であるアノード加湿ガス混合比例弁17とは、設定したい露点をセル温度としてセル出口冷却水温度センサ14で計測し、その温度に対応した露点になるように演算装置15でPID演算した混合比に調節する。その他の構成については実施形態1と同様である。
The cathode humidified gas mixing
前記構成の実施形態2の高分子電解質型燃料電池ならびに燃料電池発電装置により燃料電池を発電させるとき、実施形態1と同様に、まず、燃料電池を70℃に保持し、一方の電極側に70℃の露点となるように加湿・加温した水素ガス2を、また他方の電極側に70℃の露点となるように加湿・加温した空気1を供給した。
When the fuel cell is caused to generate power by the polymer electrolyte fuel cell and the fuel cell power generator of
セル温度が70.5℃に制御されているのに対し、ガス露点は68℃となった。発電特性としては、電流を外部に出力しない無負荷時には96Vの電池開放電圧を得た。また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約45mΩであった。 While the cell temperature was controlled at 70.5 ° C., the gas dew point was 68 ° C. As the power generation characteristics, a battery open voltage of 96 V was obtained at no load when no current was output to the outside. Moreover, when the internal resistance of the whole laminated battery at this time was measured, it was about 45 mΩ.
実施形態2の燃料電池を、燃料利用率85%,酸素利用率50%,電流密度0.7A/cm2の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を計測した。毎日起動停止を繰り返し、約1年間で300回の起動停止を実施した。その結果、実施形態2の燃料電池は、実施形態1と同様、通電時間の累計で8000時間以上にわたって約14kW(62V−224A)の電池出力を維持することを確認した。
The fuel cell of
(実施形態3)
図3は本発明の実施形態3を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図である。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell power generator for explaining
実施形態3では実施形態2の構成に加え、図3に示すように、空気1が燃料電池に供給されるまでの配管の途中を管状構造にし、1.5kwのヒータを内蔵した酸化ガス加熱手段である空気加熱器22と、同様に水素ガス2が燃料電池に供給されるまでの配管の途中を管状構造にし、1.5kwのヒータを内蔵した燃料ガス加熱手段である水素ガス加熱器23を装備し、温度調節装置24で両加熱器22,23の温度調節を行っている。
In the third embodiment, in addition to the configuration of the second embodiment, as shown in FIG. 3, an oxidizing gas heating means having a tubular structure in the middle of the piping until the
さらに、空気加熱器22の直後にガス露点を計測する酸化ガス露点計測手段である空気露点センサ25を配置し、さらに水素ガス加熱器23の直後にガス露点を計測する燃料ガス露点計測手段である水素ガス露点センサ26を配置し、演算装置15にて両露点センサ25,26の出力を取り込んでPID演算し、その演算出力で両ガス混合比例弁16,17の混合比例値を、それぞれ調節するように構成した。その他の構成については実施形態1,2と同様である。
Further, an air
前記構成の実施形態3の高分子電解質型燃料電池ならびに燃料電池発電装置により燃料電池を発電させるとき、実施形態1,2と同様に、まず、燃料電池を70℃に保持し、一方の電極側に70℃の露点となるように加湿・加温した水素ガス2を、他方の電極側に70℃の露点となるように加湿・加温した空気1を供給した。
When the fuel cell is generated by the polymer electrolyte fuel cell and the fuel cell power generator of
セル温度が70.5℃に制御されているのに対し、ガス露点は69.5℃となった。発電特性としては電流を外部に出力しない無負荷時には、96Vの電池開放電圧を得た。また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約45mΩであった。 While the cell temperature was controlled to 70.5 ° C., the gas dew point was 69.5 ° C. As the power generation characteristics, a battery open voltage of 96 V was obtained at no load when no current was output to the outside. Moreover, when the internal resistance of the whole laminated battery at this time was measured, it was about 45 mΩ.
実施形態3の電池を燃料利用率85%,酸素利用率50%,電流密度0.7A/cm2の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を計測した。毎日起動停止を繰り返し、約1年間で600回の起動停止を実施した。その結果、実施形態3の電池は、実施形態1,2より特性が改善し、通電時間の累計で10000時間以上にわたって、約14kW(62V−224A)の電池出力を維持することを確認した。
The battery of
(実施形態4)
図4は本発明の実施形態4を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図である。
(Embodiment 4)
FIG. 4 is a configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell power generator for explaining Embodiment 4 of the present invention.
実施形態4では実施形態3の構成に加え、図4に示すように、冷却水の水温制御の応答性と安定性を両立させるための構成となっており、冷却水低温タンク11と冷却水高温タンク10に冷却水温調タンク29を並設している。本例では、冷却水温調タンク29の容量は20リットルで、温度は70℃に調整されている。冷却水低温タンク11と冷却水高温タンク10は、セル温度を可変させる際に混合比を調節して使用し、セル温度を一定値に安定させたい発電時には、調節弁27と調節弁28とを切り替えて、冷却水が冷却水温調タンク29に冷却水を循環させる。その他の構成については実施形態1,3と同様である。
In the fourth embodiment, in addition to the configuration of the third embodiment, as shown in FIG. 4, the cooling water temperature control is configured to achieve both responsiveness and stability. A cooling water temperature adjusting tank 29 is provided in parallel with the
前記構成の実施形態4の高分子電解質型燃料電池ならびに燃料電池発電装置により燃料電池を発電させるとき、実施形態1〜3と同様に、まず、燃料電池を70℃に保持し、一方の電極側に70℃の露点となるように加湿・加温した水素ガス2を、他方の電極側に70℃の露点となるように加湿・加温した空気1を供給した。
When the fuel cell is generated by the polymer electrolyte fuel cell and the fuel cell power generator of Embodiment 4 having the above-described configuration, as in
セル温度が70.0℃に制御され、ガス露点は69.5℃となった。発電特性としては電流を外部に出力しない無負荷時には、96Vの電池開放電圧を得た。また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ約45mΩであった。 The cell temperature was controlled to 70.0 ° C. and the gas dew point was 69.5 ° C. As the power generation characteristics, a battery open voltage of 96 V was obtained at no load when no current was output to the outside. Further, when the internal resistance of the entire laminated battery at this time was measured, it was about 45 mΩ.
実施形態4の燃料電池を、燃料利用率85%,酸素利用率50%,電流密度0.7A/cm2の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を計測した。毎日起動停止を繰り返し、約1年間で600回の起動停止を実施した。その結果、実施形態4の燃料電池は、実施形態1,2より特性改善し、通電時間の累計で10000時間以上にわたって約14kW(62V−224A)の電池出力を維持することを確認した。
The fuel cell of Embodiment 4 was subjected to a continuous power generation test under the conditions of a fuel utilization rate of 85%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.7 A / cm 2 , and the change in output characteristics with time was measured. Starting and stopping were repeated every day, and starting and stopping was performed 600 times in about one year. As a result, it was confirmed that the characteristics of the fuel cell of Embodiment 4 were improved from those of
(実施形態5)
図5は本発明の実施形態5を説明するための高分子電解質型燃料電池発電装置の構成図である。
(Embodiment 5)
FIG. 5 is a block diagram of a polymer electrolyte fuel cell power generator for explaining Embodiment 5 of the present invention.
実施形態5では、図5に示すように、空気加湿タンク30として容量が70リットルのものを用いて80℃に温度調節し、空気32をドライガスとして80℃に温度調節した。また、水素ガス加湿タンク31として容量が20リットルのものを用いて80℃に温度調節し、水素ガス33をドライガスとして80℃に温度調節した。 In the fifth embodiment, as shown in FIG. 5, the temperature of the air humidification tank 30 is adjusted to 80 ° C. using a 70 liter capacity, and the temperature is adjusted to 80 ° C. using the air 32 as a dry gas. The temperature of the hydrogen gas humidification tank 31 was adjusted to 80 ° C. using a 20 liter capacity, and the temperature was adjusted to 80 ° C. using the hydrogen gas 33 as a dry gas.
酸化ガス混合手段であるカソード加湿ガス混合比例弁34と、燃料ガス混合手段であるアノード加湿ガス混合比例弁35とは、設定したい露点をセル温度としてセル出口冷却水温度センサ14で計測し、その温度に対応した露点になるように演算装置15でPID演算した混合比に調節する。その他の構成については実施形態1と同様である。
The cathode humidifying gas mixing proportional valve 34 as the oxidizing gas mixing means and the anode humidifying gas mixing
前記構成の実施形態5の高分子電解質型燃料電池ならびに燃料電池発電装置により燃料電池を発電させるとき、実施形態1〜4と同様に、まず、燃料電池を70℃に保持し、一方の電極側に70℃の露点となるように加湿・加温した水素ガスを、他方の電極側に70℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。
When the fuel cell is caused to generate power by the polymer electrolyte fuel cell and the fuel cell power generator of Embodiment 5 having the above-described configuration, as in
セル温度が70.5℃に制御されているのに対し、ガス露点は68℃となった。発電特性としては電流を外部に出力しない無負荷時には、96Vの電池開放電圧を得た。また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約45mΩであった。 While the cell temperature was controlled at 70.5 ° C, the gas dew point was 68 ° C. As the power generation characteristics, a battery open voltage of 96 V was obtained at no load when no current was output to the outside. Moreover, when the internal resistance of the whole laminated battery at this time was measured, it was about 45 mΩ.
実施形態5の燃料電池を、燃料利用率85%,酸素利用率50%,電流密度0.7A/cm2の条件で連続発電試験を行い、出力特性の時間変化を計測した。毎日起動停止を繰り返し、約1年間で300回の起動停止を実施した。その結果、実施形態5の燃料電池は、実施形態1と同様、通電時間の累計で8000時間以上にわたって約14kW(62V−224A)の電池出力を維持することを確認した。 The fuel cell of Embodiment 5 was subjected to a continuous power generation test under the conditions of a fuel utilization rate of 85%, an oxygen utilization rate of 50%, and a current density of 0.7 A / cm 2 , and the change in output characteristics with time was measured. Starting and stopping was repeated every day, and starting and stopping was performed 300 times in about one year. As a result, it was confirmed that the fuel cell of the fifth embodiment maintained a battery output of about 14 kW (62V-224A) over a total of 8000 hours as in the first embodiment.
本発明は、高分子電解質型燃料電池の発電装置に適用され、環境温度と相対湿度を制御する装置の加湿制御方法として有効である。 The present invention is applied to a power generator of a polymer electrolyte fuel cell, and is effective as a humidification control method for an apparatus for controlling environmental temperature and relative humidity.
1,32 空気
2,33 水素ガス
3,30 空気加湿タンク
4,31 水素ガス加湿タンク
5 空気圧力調整弁
6 水素ガス圧力調整弁
7 高分子電解質膜
8a カソード
8b アノード
9 セル冷却回路
10 冷却水高温タンク
11 冷却水低温タンク
12 冷却水混合弁
13 セル入口冷却水温度センサ
14 セル出口冷却水温度センサ
15 演算手段
16,34 カソード加湿ガス混合比例弁
17,35 アノード加湿ガス混合比例弁
18,19 空気高温加湿タンク
20,21 水素ガス高温加湿タンク
22 空気加熱器
23 水素ガス加熱器
24 温度調節装置
25 空気露点センサ
26 水素ガス露点センサ
27,28 調節弁
29 冷却水温調タンク
1,32
Claims (10)
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110165244A (en) * | 2019-05-16 | 2019-08-23 | 苏州市华昌能源科技有限公司 | The temperature and humidity control system and temperature/humidity control method of fuel cell |
| CN115928103A (en) * | 2023-01-06 | 2023-04-07 | 长春吉电氢能有限公司 | PEM hydrogen production and hydrogenation integrated system and hydrogen production control method |
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