JP2009070659A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】 余剰の水素を効果的に処理し、余剰水素の放出を抑制できる安全な燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体電解質膜とを有する複数の単位セル、および、前記複数の単位セルのそれぞれに水素を供給するための水素供給経路を備え、前記複数の単位セルの少なくとも一部を直列または並列に接続することにより構成された燃料電池と、前記燃料電池に連結された水素供給装置と、前記水素供給経路内の水素の少なくとも一部を除去する水素除去手段とを備え、前記水素供給装置における水素供給量を検出する検出手段からの検出信号に基づいて、前記水素除去手段での水素除去を制御する制御手段とを備えた。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a safe fuel cell system capable of effectively treating surplus hydrogen and suppressing the release of surplus hydrogen.
A plurality of unit cells each including a positive electrode that reduces oxygen, a negative electrode that oxidizes hydrogen, and a solid electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode, and each of the plurality of unit cells. A hydrogen supply path for supplying hydrogen to the fuel cell configured by connecting at least a part of the plurality of unit cells in series or in parallel, and a hydrogen supply apparatus connected to the fuel cell, Hydrogen removal means for removing at least part of the hydrogen in the hydrogen supply path, and hydrogen removal by the hydrogen removal means based on a detection signal from the detection means for detecting the hydrogen supply amount in the hydrogen supply device And control means for controlling.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、水素を燃料とする燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system using hydrogen as a fuel.
近年、パソコン、携帯電話などのコードレスの携帯用電子機器の普及に伴い、その電源である電池には、ますます小型化、高容量化が要望されている。現在、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る電池として実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、このリチウムイオン二次電池は出力容量に限界があり、一部の携帯用電子機器に対して、十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。 In recent years, with the widespread use of cordless portable electronic devices such as personal computers and mobile phones, batteries that are power sources are increasingly required to be smaller and have higher capacities. Currently, lithium ion secondary batteries have been put into practical use as batteries that have high energy density and can be reduced in size and weight, and demand for portable power sources is increasing. However, this lithium ion secondary battery has a limit in output capacity, and there is a problem that a sufficient continuous use time cannot be guaranteed for some portable electronic devices.
このような問題の解決に向けて、例えば固体高分子型燃料電池などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料および酸素の供給を行えば連続的に使用することが可能である。例えば、高分子電解質膜型燃料電池(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuell Cell)は、電解質膜層としての水素イオン伝導性の高分子電解質膜と、その両面に配された触媒層と、更にその両面に配されたガス拡散層である多孔質の電極基材で構成された、電極・電解質一体化物(MEA:Membrane electrode assembly)である単位セルを複数有している。 In order to solve such problems, development of fuel cells such as solid polymer fuel cells has been underway. The fuel cell can be used continuously if fuel and oxygen are supplied. For example, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane layer, a catalyst layer disposed on both sides thereof, and further on both sides thereof. It has a plurality of unit cells, each of which is an electrode / electrolyte integrated body (MEA) composed of a porous electrode base material that is a gas diffusion layer.
ここで、PEMFCに燃料として使用される水素は、常温常圧下で空気の混合気体の燃焼限界(爆発限界)の下限値が4.0vol%であり、特に屋内などで取扱う場合には、注意を要する。このため、携帯用電子機器の次世代電源として開発されている小型の燃料電池においては、上記した燃焼限界の観点からも、燃料電池システムに供給される水素のうち、発電反応に寄与しない余剰水素の過剰な排出や漏れ等を十分に抑えることが必要となる。 Here, hydrogen used as fuel for PEMFC has a lower limit of the combustion limit (explosion limit) of a mixed gas of air under normal temperature and normal pressure of 4.0 vol%. Be careful especially when handling indoors. Cost. For this reason, in small fuel cells that are being developed as next-generation power sources for portable electronic devices, surplus hydrogen that does not contribute to power generation reaction among hydrogen supplied to the fuel cell system also from the viewpoint of the combustion limit described above It is necessary to sufficiently suppress excessive discharge and leakage.
一方、現在の燃料電池は、正極と負極の劣化が原因となる寿命の問題を抱えており、これが実用化への課題の一つとなっている。すなわち、外部負荷への電力供給停止時に燃料電池内に残留する水素によって、正極および負極の触媒粒子の成長や、触媒粒子を担持させる炭素粉末の酸化反応などによって、正極および負極が劣化してしまうのである。このような、正極および負極の劣化の機構については諸説があるが、電池内の水素により各MEAの開回路電圧が1V近くになるため、正極では触媒粒子が粗大化することによる電極表面積の低下や炭素粉末の酸化が起こり、負極では水素と漏れ込む酸素との燃焼反応などが生じて、正極と同様に触媒粒子の粗大化や炭素粉末の酸化が起こるのではないかと推測されている。 On the other hand, current fuel cells have a problem of lifetime due to deterioration of the positive electrode and the negative electrode, which is one of the issues for practical application. That is, due to hydrogen remaining in the fuel cell when power supply to the external load is stopped, the positive electrode and the negative electrode are deteriorated due to the growth of the catalyst particles of the positive electrode and the negative electrode and the oxidation reaction of the carbon powder supporting the catalyst particles. It is. There are various theories about the mechanism of the deterioration of the positive electrode and the negative electrode, but since the open circuit voltage of each MEA is close to 1 V due to hydrogen in the battery, the electrode surface area is reduced due to coarsening of catalyst particles in the positive electrode. It is speculated that oxidation of the carbon powder occurs and a combustion reaction of hydrogen and leaking oxygen occurs in the negative electrode, resulting in coarsening of the catalyst particles and oxidation of the carbon powder as in the positive electrode.
ところで、燃料電池の燃料源である水素を製造する方法として、水と、例えばアルミニウム、マグネシウム、ケイ素、亜鉛等の水素発生物質とを化学反応させて水素を発生させる方法が知られている。例えば、水と水素発生物質との発熱反応を利用し、さらに供給する水を制御することで発熱反応が安定に保持できる方法が提案されており、水素発生物質あるいは水のいずれか一方、または両方を加熱することで反応を容易にさせることが知られている(特許文献1)。 By the way, as a method for producing hydrogen which is a fuel source of a fuel cell, a method of generating hydrogen by chemically reacting water and a hydrogen-generating substance such as aluminum, magnesium, silicon, or zinc is known. For example, a method has been proposed in which an exothermic reaction between water and a hydrogen generating substance is utilized, and the exothermic reaction can be stably maintained by controlling the water to be supplied. Either one or both of the hydrogen generating substance and water is proposed. It is known that the reaction is facilitated by heating (Patent Document 1).
また、出力用の燃料電池から排出される余剰の水素を消費するための処理用の燃料電池を、出力用の燃料電池とは別個に配置する方法が提案されている(特許文献2)。
しかし、例えば特許文献1に記載されているような、水素発生物質と水とを化学反応させて水素を発生させる方法では、水素発生物質に水を供給する初期に水素発生速度が著しく高くなる場合があり、大量に発生した水素は、燃料電池システムが外部負荷への発電を安定的に行うまでの間、余剰水素として経路外へ放出されてしまうこととなる。このように、一時期に大量の水素が過剰量供給された場合には、特許文献2に示されるような余剰水素を処理する機構を備えていたとしても、余剰の水素を十分に処理しきることができずに、燃料電池システムの経路外に放出してしまうことになる。
However, in the method of generating hydrogen by chemically reacting a hydrogen generating substance and water as described in
また、燃料電池システムの停止時においても、特許文献1に記載されているような水素発生物質と水とを化学反応させて水素を発生させる方法では、水素供給源から燃料電池への水素の流入を瞬時に停止することが出来ないため、水素供給源から燃料電池内への水素供給が継続してしまい、結果として燃料電池の単位セルが水素に曝されることになり、上記した電極の劣化が進むことになる。
Further, even when the fuel cell system is stopped, in the method of generating hydrogen by chemically reacting the hydrogen generating substance and water as described in
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、燃料として供給される余剰の水素を効果的に処理し、特に燃料電池システムの始動時、停止時あるいは再始動時において過剰量の水素が供給された場合に、余剰水素の排出を抑制できる安全な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 in view of such a problem, and in a fuel cell system, surplus hydrogen supplied as fuel is effectively processed, and particularly when the fuel cell system is started, stopped or restarted. It is an object of the present invention to provide a safe fuel cell system that can suppress discharge of surplus hydrogen when an excessive amount of hydrogen is supplied.
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体電解質膜とを有する複数の単位セル、および、前記複数の単位セルのそれぞれに水素を供給するための水素供給経路を備え、前記複数の単位セルの少なくとも一部を直列または並列に接続することにより構成された燃料電池と、前記燃料電池に連結された水素供給装置と、前記水素供給経路内の水素の少なくとも一部を除去する水素除去手段とを備え、前記水素供給装置における水素供給量を検出する検出手段からの検出信号に基づいて、前記水素除去手段での水素除去を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a plurality of positive electrodes that reduce oxygen, a negative electrode that oxidizes hydrogen, and a solid electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode. A unit cell, and a fuel cell that includes a hydrogen supply path for supplying hydrogen to each of the plurality of unit cells, and is configured by connecting at least a part of the plurality of unit cells in series or in parallel; A detection signal from a detection means for detecting a hydrogen supply amount in the hydrogen supply apparatus, comprising: a hydrogen supply apparatus connected to the fuel cell; and a hydrogen removal means for removing at least part of the hydrogen in the hydrogen supply path. And a control means for controlling the hydrogen removal in the hydrogen removing means.
上記本発明によれば、水素供給装置からの水素供給量が過剰となった場合でも、燃料供給経路内における余剰水素を効果的に除去することが出来るので、排出水素を抑制した燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, surplus hydrogen in the fuel supply path can be effectively removed even when the amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply device becomes excessive. Can be provided.
上記のように、本発明にかかる燃料電池システムでは、酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体電解質膜とを有する複数の単位セル、および、前記複数の単位セルのそれぞれに水素を供給するための水素供給経路を備え、前記複数の単位セルの少なくとも一部を直列または並列に接続することにより構成された燃料電池と、前記燃料電池に連結された水素供給装置と、前記水素供給経路内の水素の少なくとも一部を除去する水素除去手段とを備え、前記水素供給装置における水素供給量を検出する検出手段からの検出信号に基づいて、前記水素除去手段での水素除去を制御する制御手段とを備えた構成である。 As described above, in the fuel cell system according to the present invention, a plurality of unit cells having a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing hydrogen, and a solid electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode. And a fuel cell comprising a hydrogen supply path for supplying hydrogen to each of the plurality of unit cells, wherein at least a part of the plurality of unit cells is connected in series or in parallel, and the fuel A hydrogen supply device connected to the battery; and a hydrogen removal means for removing at least a portion of the hydrogen in the hydrogen supply path, based on a detection signal from a detection means for detecting a hydrogen supply amount in the hydrogen supply device And a control means for controlling the hydrogen removal in the hydrogen removal means.
このことにより、燃料電池システムからの排出水素を低減できる。 As a result, hydrogen discharged from the fuel cell system can be reduced.
さらに、前記水素除去手段による水素除去が、前記水素供給装置からの水素の供給開始時に行われることが好ましい。 Further, it is preferable that the hydrogen removal by the hydrogen removing means is performed at the start of the supply of hydrogen from the hydrogen supply device.
このようにすることで、水素供給装置の動作が安定しないために供給水素量が不安定となりやすい水素供給開始時の余剰水素の除去を効果的に行うことができる。 By doing in this way, since the operation | movement of a hydrogen supply apparatus is not stabilized, the removal of surplus hydrogen at the time of the hydrogen supply start which tends to become unstable in the amount of supply hydrogen can be performed effectively.
また、前記水素除去手段としての水素除去装置が、前記水素供給装置と前記燃料電池との間の前記燃料供給経路に配置されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the hydrogen removal apparatus as the hydrogen removal means is disposed in the fuel supply path between the hydrogen supply apparatus and the fuel cell.
このようにすることで、水素供給装置から燃料電池に供給される水素量を適切なものとすることができる。 By doing in this way, the amount of hydrogen supplied to a fuel cell from a hydrogen supply device can be made appropriate.
さらに、前記水素除去装置が、酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体電解質膜とを有することが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the hydrogen removing device includes a positive electrode that reduces oxygen, a negative electrode that oxidizes hydrogen, and a solid electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode.
このようにすることで、燃料電池における単位セルと同じ構造で安全かつ確実に、余剰の水素を処理することができる。 By doing in this way, surplus hydrogen can be processed safely and reliably with the same structure as the unit cell in a fuel cell.
さらにまた、前記燃料電池の前記複数の単位セルが、前記正極と前記負極とが導通可能となるように構成され、前記燃料電池の前記複数の単位セルそれぞれが水素除去手段として機能することが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the plurality of unit cells of the fuel cell are configured such that the positive electrode and the negative electrode can be electrically connected, and each of the plurality of unit cells of the fuel cell functions as a hydrogen removing unit. .
このようにすることで、水素除去手段を追加することなく、燃料電池の構成を用いて余剰の水素を除去でき、しかも、燃料電池内において余剰の水素を処理することができる。 By doing in this way, it is possible to remove excess hydrogen using the configuration of the fuel cell without adding hydrogen removing means, and it is possible to treat excess hydrogen in the fuel cell.
また、前記水素供給装置が、水素発生容器内に収容された水素発生物質に対して水を供給し、前記水素発生物質と前記水とを反応させて水素を発生させるものであることが好ましい。 The hydrogen supply device preferably supplies water to the hydrogen generating material accommodated in the hydrogen generating container and reacts the hydrogen generating material with the water to generate hydrogen.
このようにすることで、簡易に水素を発生できる方法を用いて、燃料電池への安定した水素供給を行うことができる。 By doing in this way, the stable hydrogen supply to a fuel cell can be performed using the method which can generate | occur | produce hydrogen easily.
さらに、前記水素供給装置における水素供給量を検出する検出手段が、前記水素発生容器の温度を検出するものであることが好ましい。この場合において、前記水素発生容器の温度が60℃〜120℃である時に、前記水素除去手段での水素除去の少なくとも一部を停止することが好ましく、特に、前記水素発生容器の温度が80℃〜110℃である時に、前記水素除去手段での水素除去の少なくとも一部を停止することが好ましい。また、前記水素発生容器の温度(T)の単位時間(t)当りの微分(d(T)/d(t))値が0.5以下となったときに、前記水素除去手段での水素除去の少なくとも一部を停止することが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the detection means for detecting the hydrogen supply amount in the hydrogen supply device detects the temperature of the hydrogen generation container. In this case, when the temperature of the hydrogen generation vessel is 60 ° C. to 120 ° C., it is preferable to stop at least part of the hydrogen removal in the hydrogen removal means, and in particular, the temperature of the hydrogen generation vessel is 80 ° C. When the temperature is ˜110 ° C., it is preferable to stop at least part of the hydrogen removal by the hydrogen removal means. Further, when the differential (d (T) / d (t)) value per unit time (t) of the temperature (T) of the hydrogen generation container becomes 0.5 or less, the hydrogen in the hydrogen removing means It is preferred to stop at least part of the removal.
また、前記水素除去手段による水素除去が、前記水素供給装置からの水素の供給停止後にも行われることが好ましい。 In addition, it is preferable that the hydrogen removal by the hydrogen removing unit is performed even after the supply of hydrogen from the hydrogen supply device is stopped.
以下、本発明にかかる燃料電池システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。
(実施の形態1)
図1に、本発明の第1の実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成図を示す。図1に示すように、本発明の第1の実施形態にかかる燃料電池システムは、電気的に直列に接続された複数の単位セル100を有する燃料電池1と、この燃料電池1に燃料である水素を供給する水素供給装置2,さらに、水素供給装置2と燃料電池1との間の水素供給経路7に設けられた水素除去手段である水素除去装置3とを有している。
Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention includes a
したがって、水素供給装置2で生成された水素は、余剰分を水素除去装置3で除去された後、水素供給経路7を通って燃料電池1を構成する単位セル100の負極に供給される。そして、燃料電池100での余剰の水素は、排気経路8から放出される。
Therefore, after the hydrogen generated by the
また、図1に示す、本実施形態にかかる燃料電池システムでは、水素供給装置2と水素除去装置3との間にストップバルブ6が設けられ、燃料電池システムを停止するときにはこのストップバルブ6が閉じられて、以後水素が燃料電池1に供給されないようになる。ただし、このストップバルブ6は本発明にかかる燃料電池システムにおいて必須のものではなく、適宜採用を省略することができる。
Further, in the fuel cell system according to this embodiment shown in FIG. 1, a
水素供給装置2には、その水素供給量を検出するための検出手段9が設けられていて、この検出手段9からの検出信号が制御手段4に与えられる。マイコンなどの情報処理装置である制御手段4では、検出手段9からの検出信号に基づいて水素除去装置3の動作を制御する。なお、本実施形態における制御手段4は、ストップバルブ6の制御や、燃料電池1に接続された外部負荷5への電気出力の制御も合わせて行っている。
The
次に、図2から図4を用いて、本実施形態にかかる燃料電池システムを構成する各装置の詳細構造を説明する。 Next, the detailed structure of each device constituting the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図2は、本実施形態にかかる燃料電池システムにおける燃料電池1の、主要構成の断面を示す模式図である。なお、図2においては、3つの単位セル100が組み合わさって一つの燃料電池1を構成している状態を示すが、これはあくまで例示であって、一単位としての燃料電池における単位セル100の数は3つに限らないし、また、複数の単位セル100から構成される一単位の燃料電池を、複数接続して全体を一つの燃料電池1とすることができることはいうまでもない。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section of the main configuration of the
図2に示す、本実施形態にかかる燃料電池1では、正極拡散層21および正極触媒層23からなる正極と、固体電解質膜25と、負極拡散層22および負極触媒層24からなる負極とが、順次積層されて単位セル100を構成し、これらの単位セル100が3つ平面状に配置されている。
In the
それぞれの単位セル100の正極側には、正極集電プレート37a、37b、正極絶縁プレート33、および正極パネルプレート31が順次配置されている。また、それぞれの単位セル100の負極側には、負極集電プレート38a、38b、負極絶縁プレート34、および負極パネルプレート32が順次配置されている。
On the positive electrode side of each
そして、上記3つの単位セル100が、正極パネルプレート31と負極パネルプレート32とに挟持されて一体化している。また、図2では図示していないが、隣り合う単位セル100同士は、正極集電プレート37a、37bと負極集電プレート38a、38bとの電気的接続によって、直列に接続されている。
The three
正極集電プレート37a、37b、正極絶縁プレート33および正極パネルプレート31には、燃料電池1外の空気中の酸素を正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート37a、37bの酸素導入孔、正極絶縁プレート33の酸素導入孔、および正極パネルプレート31の酸素導入孔により、正極パネルプレート31の外表面から単位セル100の正極拡散層21にまで到達する正極側開口部41が複数形成されており、これら正極側開口部41から、空気中の酸素が拡散により正極拡散層21に供給される構造となっている。
The positive electrode
また、図2に示す本実施形態にかかる燃料電池1では、負極集電プレート38a、38b、負極絶縁プレート34および負極パネルプレート32に、燃料タンク部40内の燃料である水素を負極に導入するための水素導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート38a、38bの水素導入孔、負極絶縁プレート34の水素導入孔、および負極パネルプレート32の水素導入孔により、負極パネルプレート32の燃料タンク部40側表面から単位セル100の負極拡散層22にまで到達する負極側開口部42が複数形成されており、これら負極側開口部42から、燃料タンク部40内の燃料である水素が負極拡散層22に供給される構造となっている。
Further, in the
そして、本実施形態にかかる燃料電池1では、正極パネルプレート31と負極パネルプレート32、さらには燃料タンク部40が、ネジ43とナット44によって一体化されて固定されている。なお、図2中の39aおよび39bはシールである。
In the
正極拡散層21および負極拡散層22は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層21や負極拡散層22の触媒層側には、更なる撥水性の向上と触媒層との接触性の向上を目的として、フッ素樹脂粒子(PTFE樹脂粒子など)を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
The positive
正極触媒層23は、正極拡散層21を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有していて、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
The positive electrode catalyst layer 23 has a function of reducing oxygen diffused through the positive
正極触媒層23に含有される触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子を用いることができる。また、触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよび金よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。 The catalyst contained in the positive electrode catalyst layer 23 is not particularly limited as long as it can reduce oxygen. For example, platinum fine particles can be used. The catalyst may be fine particles composed of an alloy of platinum and at least one metal element selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, tin, ruthenium and gold.
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、BET比表面積が10〜2000m2/gであり、平均粒子径が20〜100nmのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。 As the carbon powder as the catalyst carrier, for example, carbon black having a BET specific surface area of 10 to 2000 m 2 / g and an average particle diameter of 20 to 100 nm is used. The catalyst can be supported on the carbon powder by, for example, a colloid method.
炭素粉末と触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末100質量部に対して、触媒が5〜400質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層23が構成できる。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法(例えば、コロイド法)で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが上記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性を得ることができる。 As a content ratio of carbon powder and a catalyst, it is preferable that a catalyst is 5-400 mass parts with respect to 100 mass parts of carbon powder, for example. With such a content ratio, the positive electrode catalyst layer 23 having sufficient catalytic activity can be configured. In addition, for example, when the catalyst-supported carbon powder is produced by a method of depositing the catalyst on the carbon powder (for example, a colloid method), the catalyst diameter is as long as the carbon powder and the catalyst have the above content ratio. Sufficient catalytic activity can be obtained without becoming too large.
正極触媒層23に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。 The proton conductive material contained in the positive electrode catalyst layer 23 is not particularly limited. For example, a resin having a sulfonic acid group such as a polyperfluorosulfonic acid resin, a sulfonated polyether sulfonic acid resin, or a sulfonated polyimide resin is used. Can be used. Specific examples of the polyperfluorosulfonic acid resin include “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, “Flemion (registered trademark)” manufactured by Asahi Glass, and “Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd. Or the like.
そして、正極触媒層23におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、2〜200質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が上記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができる。 And it is preferable that content of the proton conductive material in the positive electrode catalyst layer 23 is 2-200 mass parts with respect to 100 mass parts of catalyst carrying | support carbon powder. When the proton conductive material is contained in the above amount, sufficient proton conductivity is obtained in the positive electrode catalyst layer, and the electric resistance value does not become too large, and a fuel cell with good battery performance can be obtained.
また、正極触媒層23に用いられるバインダとしては、特に制限はないが、例えば、PTFE、PFA、FEP、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(E/TFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)およびポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体およびエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などを用いることができる。 The binder used for the positive electrode catalyst layer 23 is not particularly limited, and examples thereof include PTFE, PFA, FEP, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (E / TFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and poly Fluoropolymers such as chlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyethylene, polypropylene, nylon, polystyrene, polyester, ionomer, butyl rubber, ethylene / vinyl acetate copolymer, ethylene / ethyl acrylate copolymer, and ethylene / acrylic acid copolymer Non-fluororesin such as can be used.
正極触媒層23におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、0.01〜100質量部であることが好ましい。バインダが上記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができる。 The binder content in the positive electrode catalyst layer 23 is preferably 0.01 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the catalyst-supporting carbon powder. If the binder is contained in the above-mentioned amount, sufficient binding property can be obtained for the positive electrode catalyst layer, and the electric resistance value does not become too large, and a fuel cell with good battery performance can be obtained.
次に、負極触媒層24は、負極拡散層22を介して拡散してきた燃料としての水素を酸化する機能を有している。負極触媒層24は、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有している。必要に応じて、樹脂などのバインダをさらに含有していてもよい。
Next, the negative
負極触媒層24に用いられる触媒は、水素を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層23に用いられる触媒として例示した上記の各触媒を用いることができる。負極触媒層24に用いられる炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダについても、正極触媒層23に用いられる炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダとして例示した上記の各材料を用いることができる。
The catalyst used for the negative
固体電解質膜25は、プロトンを輸送可能であり、かつ、電子伝導性を示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体電解質膜25を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体電解質膜25の材料として用いることができる。
The
次に、図3を用いて、本実施形態にかかる燃料電池システムにおける水素供給装置2の具体的な構成を示す。図3は、本実施形態にかかる水素供給装置2の構成を示すブロック構成図である。
Next, a specific configuration of the
なお、図3に示す本実施形態にかかる水素供給装置は、水素発生物質に対して、連続的または断続的に水を供給し、水素発生物質と水とを反応させて水素を発生させる構造のものを示している。 Note that the hydrogen supply device according to the present embodiment shown in FIG. 3 has a structure in which water is continuously or intermittently supplied to the hydrogen generating substance and hydrogen is generated by reacting the hydrogen generating substance and water. Shows things.
本実施形態にかかる水素供給装置2は、水素発生物質53を収容する水素発生物質収容容器51と、水54を収容する水収容容器52を有しており、水素発生物質収容容器51に、水収容容器52から水54を供給し、水素発生物質53と水54とを反応させて水素を発生させる。このため、水素発生物質収容容器51は、水素発生物質53と水54との反応容器である水素発生容器としての役割も担っていることになる。水素発生物質収容容器51で発生した水素は、水素導出パイプ57、59を経て水素除去装置3に供給され、さらに水素供給経路7を経て燃料電池1に供給される。なお、水素導出パイプ59には、ストップバルブ6が設けられている。
The
水収容容器52から水素発生物質収容容器51に水54を供給する水供給パイプ55には、水供給ポンプ56が設けられている。なお、水収容容器52に収容する水54は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液などのいずれであってもよく、使用する水素発生物質53との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
A
水素発生物質収容容器51および水収容容器52は脱着式とすることもできる。これにより、水素発生物質収容容器51内の水素発生物質53が消費されつくしたり、水収容容器52内の水54がなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生物質53が充填された水素発生物質収容容器51や水54が充填された水収容容器52を新たに取り付けることで、再び水素製造を行うことが可能となる。
The hydrogen generating
水素発生物質収容容器51に収容される水素発生物質53としては、水54と120℃以下の低温で反応して水素を発生し得るものであれば特に制限はない。例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金、さらには、金属水素化物などが好適に使用できる。
The
ここで、アルミニウム、ケイ素、亜鉛およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金を用いる場合には、主体となる合金の各元素以外の元素については特に限定されない。ここで、「主体」とは、合金全体に対して80質量%以上、より好ましくは90質量%以上含有されていることを意味する。なお、これらアルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金は、常温では水と反応しにくいが、加熱することにより水との発熱反応が容易となる物質である。なお、常温とは、20〜30℃の範囲の温度を示すものとする。 Here, in the case of using an alloy mainly composed of one or more elements of aluminum, silicon, zinc and magnesium, elements other than each element of the main alloy are not particularly limited. Here, the “main body” means that 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more is contained with respect to the entire alloy. These metals such as aluminum, silicon, zinc, and magnesium, and alloys mainly composed of one or more elements of aluminum, silicon, zinc, and magnesium are difficult to react with water at room temperature. It is a substance that facilitates exothermic reaction with water. In addition, normal temperature shall show the temperature of the range of 20-30 degreeC.
ここで、水素発生物質と水との反応を詳細に説明する。例えば、アルミニウムと水の場合、水素および酸化生成物を生成する反応は次式のようになる。 Here, the reaction between the hydrogen generating substance and water will be described in detail. For example, in the case of aluminum and water, the reaction for producing hydrogen and oxidation products is as follows:
2Al+6H2O → Al2O3・3H2O+3H2 (1)
2Al+4H2O → Al2O3・H2O+3H2 (2)
2Al+3H2O → Al2O3+3H2 (3)
なお、上記した金属や合金からなる水素発生物質は、表面に酸化皮膜を形成して安定化する。このため、水素発生物質の粒径をできるだけ小さくし、反応面積を大きくすることが好ましい。例えば、水素発生物質の形態としては、0.1〜100μmの粒径の粒状またはフレーク状であることが好ましく、粒径は、0.1〜50μmであることがより好ましい。水素発生物質の粒径が100μm以下であることにより、スムーズに水素発生が起こるからである。さらに水素発生物質の粒径を小さくすると水素発生速度が増加するが、0.1μmより粒径が小さくなると、引火性が高まり取り扱いが困難になる。また、嵩密度が小さくなるため、水素発生物質の充填密度が低下し、エネルギー密度が低下しやすくなる。このため、水素発生物質の粒径は、0.1μm以上とすることが好ましい。
2Al + 6H 2 O → Al 2 O 3 .3H 2 O + 3H 2 (1)
2Al + 4H 2 O → Al 2 O 3 .H 2 O + 3H 2 (2)
2Al + 3H 2 O → Al 2 O 3 + 3H 2 (3)
In addition, the hydrogen generating material made of the metal or alloy described above is stabilized by forming an oxide film on the surface. For this reason, it is preferable to make the particle size of the hydrogen generating material as small as possible and increase the reaction area. For example, the form of the hydrogen generating substance is preferably in the form of particles or flakes having a particle diameter of 0.1 to 100 μm, and the particle diameter is more preferably 0.1 to 50 μm. This is because hydrogen generation occurs smoothly when the particle size of the hydrogen generating substance is 100 μm or less. Further, when the particle size of the hydrogen generating material is reduced, the hydrogen generation rate is increased. However, when the particle size is smaller than 0.1 μm, the flammability is increased and the handling becomes difficult. Moreover, since the bulk density is reduced, the filling density of the hydrogen generating material is lowered, and the energy density is likely to be lowered. For this reason, it is preferable that the particle size of the hydrogen generating substance is 0.1 μm or more.
なお、ここで水素発生物質の粒径は、平均粒径であり、体積基準の積算分率50%における粒子直径の値を意味している。平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザー光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックHRA(製品名)」などを用いることができる。 Here, the particle diameter of the hydrogen generating material is an average particle diameter, and means a value of the particle diameter at a volume-based integrated fraction of 50%. As a method for measuring the average particle diameter, for example, a laser diffraction / scattering method or the like can be used. Specifically, this is a particle diameter distribution measurement method using a scattering intensity distribution detected by irradiating a measurement target substance dispersed in a liquid phase such as water with laser light. As a particle size distribution measuring apparatus using a laser diffraction / scattering method, for example, “Microtrac HRA (product name)” manufactured by Nikkiso Co., Ltd. can be used.
また、水素発生物質として用い得る金属水素化物としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウムなどが挙げられる。これらの金属水素化物は、アルカリ水溶液中では比較的安定であるが、触媒が存在する場合、速やかに水と反応して水素を発生することができる。触媒としては例えばPt、Niなどの金属や酸などを用いることができる。 Examples of the metal hydride that can be used as the hydrogen generating substance include sodium borohydride and potassium borohydride. These metal hydrides are relatively stable in an aqueous alkali solution, but when a catalyst is present, they can rapidly react with water to generate hydrogen. As the catalyst, for example, metals such as Pt and Ni, acids, and the like can be used.
例えば水素化ホウ素ナトリウムの場合、次式のように反応し、水素を発生することができる。 For example, in the case of sodium borohydride, it can react as the following formula to generate hydrogen.
NaBH4+2H2O → NaBO2+4H2 (4)
なお、水素発生物質は、上記例示したものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
NaBH 4 + 2H 2 O → NaBO 2 + 4H 2 (4)
In addition, as the hydrogen generating substance, those exemplified above may be used alone or in combination of two or more.
また、上記の水素発生物質を、水と反応して発熱する発熱物質(水素発生物質以外の物質)と共に用いることにより、低温(例えば5℃程度)の水を供給しても、前記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生を可能とし得る。 In addition, by using the above hydrogen generating material together with a heat generating material that generates heat by reacting with water (a material other than the hydrogen generating material), even if low temperature (for example, about 5 ° C.) water is supplied, The temperature in the reaction system can be increased by exotherm, and rapid hydrogen generation can be enabled.
水と反応して発熱する発熱物質は、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなどのように、水との反応により水酸化物となるものや、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などを例示することができる。また、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなどの金属水素化物などのように水との反応により水素を生成するものは、上記した通り、水素発生物質として使用することが可能であるが、上記した金属や合金を水素発生物質として使用する場合の発熱物質としても用いることができる。 The exothermic substance that generates heat by reacting with water is, for example, calcium oxide, magnesium oxide, calcium chloride, magnesium chloride, calcium sulfate, etc. Examples include exothermic alkali metal or alkaline earth metal oxides, chlorides, and sulfuric acid compounds. In addition, those that generate hydrogen by reaction with water, such as metal hydrides such as sodium borohydride, potassium borohydride, and lithium hydride, can be used as a hydrogen generating substance as described above. However, it can also be used as a heat generating material when the metal or alloy described above is used as a hydrogen generating material.
なお、例えば発熱物質に関して、鉄粉のように酸素と反応して発熱するものも知られている。しかし、鉄粉を発熱物質として使用する場合には、反応時に酸素を導入しなければならず、前記のように水素発生物質と発熱物質が同一の反応容器内に配される場合は、発生する水素の純度が低下したり、水素発生物質が酸素によって酸化されて水素発生量が低下したりするなどの問題が生じやすくなる。そのため、発熱物質としては、水と反応して発熱する材料が好適に用いられる。 For example, a heat-generating substance that reacts with oxygen and generates heat, such as iron powder, is also known. However, when iron powder is used as the exothermic substance, oxygen must be introduced during the reaction, and it occurs when the hydrogen generating substance and the exothermic substance are arranged in the same reaction vessel as described above. Problems such as reduction in the purity of hydrogen and reduction in the amount of hydrogen generated due to oxidation of the hydrogen generating substance by oxygen are likely to occur. Therefore, as the exothermic substance, a material that generates heat by reacting with water is preferably used.
また、特に、水素発生物質としてアルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金を使用する場合には、前記発熱物質を併用することが好ましい。他方、水素発生物質として前記の金属水素化物を用いる場合には、前記発熱物質を併用しなくても、比較的良好な速度で水素を製造できるが、発熱物質を併用して、更に水素発生速度を高めてもよい。 In particular, when a metal such as aluminum, silicon, zinc, and magnesium or an alloy mainly composed of one or more elements selected from aluminum, silicon, zinc, and magnesium is used as the hydrogen generating material, the heat generating material is used. It is preferable to use together. On the other hand, when the metal hydride is used as a hydrogen generating substance, hydrogen can be produced at a relatively good rate without using the exothermic substance. May be increased.
水素発生物質と前記発熱物質を併用する場合には、水素発生物質収容容器に導入する水素発生物質と発熱物質の合計100質量%中、水素発生物質の量を85質量%以上とすることが好ましい。水素発生物質と発熱物質の合計中の水素発生物質量が少なすぎると、水素発生量が低下したり、発熱物質量が多すぎることによって発熱が激しくなり水素発生反応を制御し難くなったりするおそれがある。 When the hydrogen generating substance and the exothermic substance are used in combination, the amount of the hydrogen generating substance is preferably 85% by mass or more in a total of 100 mass% of the hydrogen generating substance and the exothermic substance introduced into the hydrogen generating substance storage container. . If the amount of hydrogen generating substance in the total of the hydrogen generating substance and the exothermic substance is too small, the amount of hydrogen generated may decrease, or if the amount of exothermic substance is too large, the heat generation may become intense and the hydrogen generation reaction may be difficult to control. There is.
なお、上記した発熱物質は、水素発生物質53と均一または不均一に混合した混合物として水素発生物質収容容器51に入れてもよく、水素発生物質53と別に水素発生物質収容容器51に入れてもよい。後者の場合には、例えば、発熱物質を、水素発生物質収容容器51に水54を供給する水供給パイプ55の管口部近傍に偏在させて配置することが好ましい。このように発熱物質を配置することにより、より効率的に反応系内を加熱することができる。
The exothermic material described above may be put into the hydrogen generating
水素発生物質収容容器51は、水素を発生させる水素発生物質53を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水54の供給口や水素の導出口以外から水54や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水54および水素を透過しにくく、かつ120℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。
The material and shape of the hydrogen generating
水収容容器52については特に制限はなく、例えば、従来からの水素供給装置に用いられていた水54を収容するタンクなどが採用できる。
There is no restriction | limiting in particular about the
水収容容器52中の水54が、水供給パイプ55を通じて水素発生物質収容容器51に供給されることで、水素発生物質収容容器51内の水素発生物質53と反応して水素を発生するが、水素発生物質収容容器51内に存在する未反応の水が、発生した水素中に混入し、これらの混合物が水素導出パイプ57を通じて水素供給装置2外に排出される場合がある。
The
よって、図3に示すように、本実施形態にかかる水素供給装置2には、燃料電池1や水素除去装置3へと水素を供給する水素導出パイプ59の手前に、凝縮水分離器58を設けている。凝縮水分離器58は、水素導出パイプ57を介して水素発生物質収容容器51と連結されており、また、水素導出パイプ59が取り付けられている。水素発生物質収容容器51から排出された水素との混合物中の水は、水素導出パイプ57内で冷却されることで凝縮水となる。この凝縮水を伴う水素が凝縮水分離器58に導入されると、凝縮水が重力によって凝縮水分離器58の下部に落下して分離される。
Therefore, as shown in FIG. 3, the
そして、図3に示すように、凝縮水分離器58と水収容容器52とを水回収パイプ61で連結しておくことで、凝縮水分離器58で分離した水を水収容容器52に回収することができる。このように、凝縮水分離器58で分離した水を回収することにより、水素発生のために使用する水の実質的な供給量を少なくすることが可能となり、水収容容器52をよりコンパクトにすることができる。
Then, as shown in FIG. 3, the water separated by the
なお、図3に示す具体例では、凝集水分離器を水素供給装置の一部として説明したが、これに限られるわけではなく、凝集水分離器を水素供給装置外のものとして用いてもよく、また、凝集水分離器自体は必ず必要なものではないため、必要に応じて適宜その採用を判断すればよい。 In the specific example shown in FIG. 3, the flocculated water separator has been described as a part of the hydrogen supply apparatus. However, the present invention is not limited to this, and the flocculated water separator may be used outside the hydrogen supply apparatus. Moreover, since the coagulated water separator itself is not necessarily required, its adoption may be appropriately determined as necessary.
次に、図4を用いて、本実施形態にかかる燃料電池システムにおける水素除去手段である水素除去装置3の具体的な構成を示す。図4は、本実施形態にかかる水素除去装置3の主要断面構成を示す模式図である。
Next, a specific configuration of the
図4に示す水素除去装置は、正極と負極とを導通可能にした燃料電池1の単位セル100と同じ構造のセル70により構成されている。すなわちセル70は、酸素を還元する正極触媒層73と水素を酸化する負極触媒層74とを有しており、さらに、正極触媒層73と負極触媒層74との間に固体電解質膜75を備えている。また、正極触媒層73の固体電解質膜75側とは反対側の面には、積層された正極拡散層71を有しており、負極触媒層74の固体電解質膜75側とは反対側の面には、積層された負極拡散層72を有している。これらは図2で説明した燃料電池1の単位セル100と同様の材料で構成することができる。
The hydrogen removal apparatus shown in FIG. 4 is configured by a
そして、セル70は、正極拡散層71の上部に配置された正極集電板81と、負極拡散層72の下部に配置された負極集電板82とで挟持されており、正極集電板81と負極集電板82とは、例えばボルト91とナット92により固定されている。なお、85はシリコンゴムなどからなるシール材であり、86は水素が供給される燃料タンク部である。
The
そして、本実施形態における水素除去装置3は、水素導出パイプ59を介して水素供給装置2と連結され、水素供給経路7を介して燃料電池1と連結されている。なお、水素導出パイプ59には、ストップバルブ6が設けられている。
The
正極集電板81および負極集電板82は、例えば、白金、金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、またはカーボンなどから構成されている。また、それらの材料に耐食性向上のために、表面にメッキや塗装が施されている場合もある。
The positive electrode
正極集電板81には複数の空気孔83が形成されており、これら空気孔83を通じて大気中の酸素がセル70の正極に供給されるようになっている。一方、負極集電板82には複数の水素導入孔84が形成されており、これら水素導入孔84を通じて水素導出パイプ59から燃料タンク部86へ導入された水素がセル70の負極に供給される。
A plurality of
正極集電板83の端部には正極リード線87が、負極集電板82の端部には負極リード線88が、それぞれ接続されている。また、これらのリード線87、88は、抵抗89およびスイッチ90を介して接続されている。そして、水素除去装置3を動作させる場合には、図示しない制御部4からの制御信号によって、スイッチ90をオンにしてセル70の正極−負極間を導通させることで、水素供給装置2から水素除去装置3内に供給された水素を消費できる。これにより、水素除去装置3から水素供給経路7を経て燃料電池1へ向かう余剰の水素を除去することができる。
A positive
なお、図4に示す本実施形態にかかる水素除去装置3では、セル70の正極と負極とを抵抗89を介して接続する例を示したが、この抵抗89としては、水素除去装置3の動作開始後、セル70の正極−負極間の電圧が0.1V以下となるのに要する時間が1分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよい。また、抵抗89は必ず必要というわけではなく、抵抗を用いなくても同様の時間でセル70の正極−負極間の電圧を0.1V以下に下げることができるのであれば、セル70の正極と負極とは、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
In the
次に、図5を用いて、本実施形態にかかる燃料電池システムでの水素除去動作の流れを説明する。図5は、本実施形態にかかる燃料電池システムにおける水素除去動作を示すフローチャートであり、ここでは、燃料電池システムが起動された際、すなわち水素供給装置からの水素の供給開始時に行われる余剰水素の除去の状況を説明する。 Next, the flow of the hydrogen removal operation in the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart showing a hydrogen removal operation in the fuel cell system according to the present embodiment. Here, when the fuel cell system is activated, that is, when hydrogen supply from the hydrogen supply device is started, excess hydrogen is removed. Explain the removal status.
なお、本実施形態では、水素供給装置2として図3に示したような水素発生物質に水供給ポンプで水を供給するタイプのものを用いた場合を説明する。なお、水素供給装置2における水素供給量を検出する検出手段9としては、水素発生容器の温度を検出できる温度センサを用いている。
In the present embodiment, a case will be described in which the
図5に示すフローチャートのように、燃料電池システムが起動すると、ステップS1で水素供給装置の水供給ポンプがONとなり、水素発生物質に水が供給されて水素の生成が始まる。同時に、水素供給量を把握するための検出手段である温度センサもONされる。 As shown in the flowchart of FIG. 5, when the fuel cell system is activated, the water supply pump of the hydrogen supply device is turned on in step S1, and water is supplied to the hydrogen generating material to start generation of hydrogen. At the same time, a temperature sensor, which is a detecting means for grasping the hydrogen supply amount, is also turned on.
次のステップS2では、温度センサからの温度情報などから、制御手段が水素除去動作が必要であるか否かを判断する。 In the next step S2, the control means determines whether or not a hydrogen removal operation is necessary from temperature information from the temperature sensor.
例えば、燃料電池システムが少し前まで動作していた場合である再起動時のように、水素供給装置の水素発生容器の温度が十分に高い場合には、過剰な水素供給は行われないため水素除去を行う必要がない。このような場合には、そのまま水素除去を行わずに、燃料電池システムの動作を開始することができる。 For example, when the temperature of the hydrogen generation container of the hydrogen supply device is sufficiently high, such as when the fuel cell system has been operating a while ago, excessive hydrogen supply is not performed, so There is no need for removal. In such a case, the operation of the fuel cell system can be started without removing the hydrogen as it is.
一方、燃料電池システムがしばらく動作を停止していて、水素供給装置の水素発生容器の温度が室温程度にまで下がっている場合には、水の供給により急激に水素が発生して水素供給量が過剰となりやすい。このような場合には、制御手段は水素除去の必要有りと判断し、次のステップS3において、水素除去装置をONにする。例えば、図4に示した水素除去装置では、スイッチ90がONにされる。
On the other hand, when the fuel cell system has stopped operating for a while and the temperature of the hydrogen generation container of the hydrogen supply device has dropped to about room temperature, hydrogen is suddenly generated by the supply of water and the hydrogen supply amount is reduced. It tends to be excessive. In such a case, the control means determines that hydrogen removal is necessary, and turns on the hydrogen removal apparatus in the next step S3. For example, in the hydrogen removal apparatus shown in FIG. 4, the
その後のステップS4では、例えば所定の時間間隔を置いて繰り返し制御手段が温度センサの温度を監視し、水素発生容器の温度が所定温度に達しているかを判断する。 In subsequent step S4, for example, the control means repeatedly monitors the temperature of the temperature sensor at predetermined time intervals, and determines whether the temperature of the hydrogen generation container has reached the predetermined temperature.
そして、水素の発生が安定的になる温度に達した場合に、水素除去が不要と判断し、次のステップS5において、水素除去装置をOFFにする。先ほどの図4の例では、スイッチ90をOFFにする。
Then, when the temperature reaches a temperature at which hydrogen generation becomes stable, it is determined that hydrogen removal is unnecessary, and in the next step S5, the hydrogen removal apparatus is turned off. In the example of FIG. 4, the
その後は、燃料電池システムが停止するまで、安定的に水素が供給される。 Thereafter, hydrogen is stably supplied until the fuel cell system is stopped.
なお、本実施形態における燃料電池システムは、上記ステップによって余剰水素を水素除去装置で除去するため、燃料電池への水素供給を起動の当初から安定して行うことができる。このため、余剰の水素が排気経路8から排出されることを効果的に防止することができる。なお、燃料電池システムの電気出力は、燃料電池1の各単位セル100に水素が行き渡って、燃料電池の出力が安定した時点から外部負荷に供給されることとなる。
In addition, since the fuel cell system in this embodiment removes surplus hydrogen with a hydrogen removal apparatus according to the above-mentioned steps, hydrogen supply to the fuel cell can be stably performed from the start. For this reason, excess hydrogen can be effectively prevented from being discharged from the exhaust path 8. Note that the electric output of the fuel cell system is supplied to the external load from the time when the hydrogen reaches the
上記の説明において、水素供給装置における水素供給量を、水素発生容器の温度を温度センサで関する例を示した。この場合、水素発生物質と水との反応開始時からの水素発生量と、水素発生容器の温度との相関関係をあらかじめ調べておくことが必要となる。 In the above description, an example is shown in which the hydrogen supply amount in the hydrogen supply apparatus is related to the temperature of the hydrogen generation container using the temperature sensor. In this case, it is necessary to examine in advance the correlation between the amount of hydrogen generated from the start of the reaction between the hydrogen generating substance and water and the temperature of the hydrogen generating container.
例えば、水素発生容器の表面温度が、60℃〜120℃、より好ましくは80℃〜110℃で水素発生量が安定する場合のように、水素発生容器の温度そのもので水素供給量を把握して水素除去装置の動作を制御する場合が考えられる。 For example, the amount of hydrogen supply is grasped by the temperature of the hydrogen generation container itself, as in the case where the hydrogen generation amount is stable when the surface temperature of the hydrogen generation container is 60 ° C. to 120 ° C., more preferably 80 ° C. to 110 ° C. A case where the operation of the hydrogen removal apparatus is controlled can be considered.
また、制御装置において水素発生容器の単位時間当たりの温度変化を検出することで、水素発生容器内での水素生成プロセスが安定してきたことを検出し、例えば、水素発生容器の表面温度(T)の単位時間(t)当りの微分(d(T)/d(t))が0.5以下となった場合に水素除去装置をオフとするという制御方法も考えられる。このように、水素発生量を単位時間当たりの微分量で把握する場合には、検出される温度バラツキを考慮して、検出手段内のマイコン等を用いて、Savitzky-Golay法や隣接平均法、FFTスムージング法などのノイズ除去手法を用いることができる。 Further, by detecting the temperature change per unit time of the hydrogen generation container in the control device, it is detected that the hydrogen generation process in the hydrogen generation container has become stable. For example, the surface temperature (T) of the hydrogen generation container A control method is also conceivable in which the hydrogen removal device is turned off when the derivative (d (T) / d (t)) per unit time (t) is 0.5 or less. In this way, when grasping the hydrogen generation amount by the differential amount per unit time, the Savitzky-Golay method, the adjacent average method, Noise removal techniques such as FFT smoothing can be used.
なお、燃料電池システムの大きさによっても異なるが、水素除去装置は10分以内をメドにオフとすることが望ましい。水素の生成が安定するまでの所要時間が10分を超えることは稀であるため、10分以上の長時間にわたって水素除去装置を動作させていると、生成量が安定化した状態、すなわち燃料電池からの排出がほとんど生じない状態での水素を無駄に消費してしまうおそれがある。したがって、制御手段での水素除去装置の制御プログラムにおいて、水素除去時間に基づいて水素除去装置の動作をオフにするような制御を行うことも有効である。 In addition, although it changes also with the magnitude | sizes of a fuel cell system, it is desirable to turn off a hydrogen removal apparatus within 10 minutes. Since it is rare that the time required for hydrogen production to stabilize exceeds 10 minutes, when the hydrogen removal apparatus is operated for a long time of 10 minutes or more, the production amount is stabilized, that is, the fuel cell. There is a possibility that hydrogen in a state where almost no discharge from the battery occurs is wasted. Therefore, in the control program for the hydrogen removal apparatus in the control means, it is also effective to perform control to turn off the operation of the hydrogen removal apparatus based on the hydrogen removal time.
また、水素供給装置の水素発生容器の表面温度をモニタする温度センサの取付け位置は、温度変化を正確に検知できる場所であれば、容器内部と外部とを問わず、また、容器に隣接した水素供給パイプの一部に設置することも可能である。いずれにしても、温度センサの位置は、外部の温度に左右されずに水素発生容器の温度を計測できる位置が好ましく、例えば、水素発生容器の外底部、もしくは、底部近傍の外側面などが望ましい。 In addition, the position where the temperature sensor for monitoring the surface temperature of the hydrogen generation container of the hydrogen supply device can be accurately detected, regardless of whether it is inside or outside the container. It can also be installed in part of the supply pipe. In any case, the position of the temperature sensor is preferably a position where the temperature of the hydrogen generation container can be measured without being influenced by the external temperature. For example, the outer bottom of the hydrogen generation container or the outer surface near the bottom is desirable. .
使用する温度センサとしては、水素発生容器の温度を正確に計測できるものであれば、特に制限されないが、例えば、白金測温抵抗体、サーミスタ、熱電対、IC化温度センサなどの接触式センサや、熱を検知する放射温度計などの非接触式センサなどを用いることができる。特に、センサとして小型で感度の良いものとして、サーミスタや熱電対が好適に用いられる。 The temperature sensor to be used is not particularly limited as long as it can accurately measure the temperature of the hydrogen generation vessel. For example, a contact sensor such as a platinum resistance thermometer, thermistor, thermocouple, IC temperature sensor, A non-contact sensor such as a radiation thermometer that detects heat can be used. In particular, a thermistor or a thermocouple is preferably used as a small sensor having high sensitivity.
なお、本実施形態にかかる燃料電池システムにおいては、外負負荷5との接続がオフになった時、すなわち、燃料電池1から外部負荷5への発電を停止した際にも、水素除去装置3を動作させる。このように、外部負荷との接続をオフにし、燃料電池1からの電気出力が停止した後にも水素除去装置3を動作させることで、特に水素生成の初期における水素供給装置2から燃料電池1への水素供給が継続してしまう場合や、ストップバルブ6によって水素供給を停止しても燃料電池1内へ水素が漏れ込んでしまう場合に、水素除去装置3で燃料電池1へ流れ込む水素を除去することが可能となる。
(実施の形態2)
次に、本発明にかかる燃料電池システムの第2の実施形態について、図面を参照して説明する。
In the fuel cell system according to this embodiment, the
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図6は、本発明にかかる燃料電池システムの第2の実施形態を示す概略構成図であり、電気的に直列に接続された複数の単位セル100を有する燃料電池1と、この燃料電池1に燃料である水素を供給する水素供給装置2,さらに、水素供給装置2と燃料電池1との間の水素供給経路7に設けられた水素除去手段である水素除去装置3とを有している点など、基本的な構成は図1に示した、本発明の第1の実施形態にかかる燃料電池システムと同様である。このため、第1の実施形態と同じ部分には同じ符号を振り、詳細な説明は省略する。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention. The
本実施形態にかかる燃料電池システムが、第1の実施形態にかかる燃料電池システムと異なる点は、燃料電池1のそれぞれの単位セル100において、その正極と負極とが、導通可能となるように構成されている点である。具体的に、図6に示すものでは、それぞれの単位セル100の正極と負極との間に、スイッチと抵抗との直列接続体10が設けられている。また、各単位セル100に設けられた直列接続体10のスイッチに対して、制御手段4から制御信号が送られてその動作を制御できるようになっている。
The fuel cell system according to the present embodiment is different from the fuel cell system according to the first embodiment in that the positive and negative electrodes of each
本実施形態においては、上記のように燃料電池1の各単位セル100の正極と負極とを導通可能とすることで、各単位セル100での余剰水素の除去が可能となるために、単位セル100を水素除去手段の一部として活用することができる。このため、燃料電池システムの起動時など余剰水素が大量に発生して、水素除去装置3だけでは余剰水素の除去能力として不十分な場合に水素除去量を増やして、余剰水素の系外への排出を効果的に防止することができる。
In the present embodiment, since the positive electrode and the negative electrode of each
ここで、図7を用いて、本発明にかかる燃料電池システムの第2の実施形態における水素除去動作を説明する。図7は、本実施形態にかかる燃料電池システムにおける水素除去動作を示すフローチャートであり、図5に示した第1の実施形態にかかる燃料電池システムの動作と同様、燃料電池システムが起動された際、すなわち水素供給装置からの水素の供給開始時に行われる余剰水素の除去の状況を説明する。 Here, the hydrogen removal operation in the second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a flowchart showing the hydrogen removal operation in the fuel cell system according to the present embodiment. When the fuel cell system is started up, as in the operation of the fuel cell system according to the first embodiment shown in FIG. That is, the situation of the removal of surplus hydrogen performed at the start of the supply of hydrogen from the hydrogen supply device will be described.
なお、水素供給装置2として図3に示したような水素発生物質に水供給ポンプで水を供給するタイプのものを用いた場合であり、水素供給装置2における水素供給量を検出する検出手段9として、水素発生容器の温度を検出できる温度センサを用いている点も、図5の場合と同様である。
In this case, the
図7に示すように、燃料電池システムが起動すると、ステップS11で水素供給装置の水供給ポンプがONとなり、水素発生物質に水が供給されて水素の生成が始まる。同時に、水素供給量を把握するための検出手段である温度センサもONにされる。 As shown in FIG. 7, when the fuel cell system is activated, the water supply pump of the hydrogen supply device is turned on in step S11, and water is supplied to the hydrogen generating material to generate hydrogen. At the same time, a temperature sensor, which is a detecting means for grasping the hydrogen supply amount, is also turned on.
次のステップS12では、温度センサからの温度情報などから、制御手段が水素除去動作が必要であるか否かを判断する。 In the next step S12, the control means determines whether or not a hydrogen removal operation is necessary from temperature information from the temperature sensor.
例えば、燃料電池システムが少し前まで動作していた場合である再起動時のように、水素供給装置の水素発生容器の温度が十分に高い場合には、過剰な水素供給は行われないため水素除去を行う必要がない。このような場合には、そのまま水素除去を行わずに、燃料電池システムの動作を開始することができる。 For example, when the temperature of the hydrogen generation container of the hydrogen supply device is sufficiently high, such as when the fuel cell system has been operating a while ago, excessive hydrogen supply is not performed, so There is no need for removal. In such a case, the operation of the fuel cell system can be started without removing the hydrogen as it is.
一方、燃料電池システムがしばらく動作を停止していて、水素供給装置の水素発生容器の温度が室温程度にまで下がっている場合には、水の供給により急激に水素が発生して水素供給量が過剰となりやすい。このような場合には、制御手段は水素除去の必要有りと判断し、次のステップS13において、水素除去装置をONにする。例えば、図4に示した水素除去装置では、スイッチ90がONにされる。
On the other hand, when the fuel cell system has stopped operating for a while and the temperature of the hydrogen generation container of the hydrogen supply device has dropped to about room temperature, hydrogen is suddenly generated by the supply of water and the hydrogen supply amount is reduced. It tends to be excessive. In such a case, the control means determines that hydrogen removal is necessary, and turns on the hydrogen removal apparatus in the next step S13. For example, in the hydrogen removal apparatus shown in FIG. 4, the
その後のステップS14で、制御手段は、温度センサからの温度情報などから、水素除去装置での水素除去に加えてさらなる水素除去が必要か否かを判断する。例えば燃料電池システムの系全体に対して、水素除去装置3での水素除去能力が不十分な場合や、水素発生装置での水素発生物質の種類や量などの条件によって、大量の余剰水素の発生が想定される場合に、さらなる水素除去が必要となる場合がある。
In subsequent step S14, the control means determines whether or not further hydrogen removal is necessary in addition to the hydrogen removal by the hydrogen removal device, based on the temperature information from the temperature sensor. For example, a large amount of surplus hydrogen is generated depending on conditions such as the type and amount of the hydrogen generating material in the hydrogen generator, or when the hydrogen removing capability of the
制御手段4が、さらなる水素除去が必要と判断した場合には、次のステップS15で、燃料電池1の発電用の各単位セル100の正極と負極とが導通され、単位セル100が水素除去手段として機能する。具体的には、図6に示した直列接続体10のスイッチがONとなる。
When the control means 4 determines that further hydrogen removal is necessary, in the next step S15, the positive electrode and the negative electrode of each
一方、さらなる水素除去は不要で、水素除去装置3のみでの水素除去で十分であると判断した場合には、ステップS18にすすむ。
On the other hand, if it is determined that further hydrogen removal is unnecessary and hydrogen removal using only the
次のステップS16では、例えば所定の時間間隔を置いて繰り返し制御手段が温度センサの温度を監視し、水素発生容器の温度が、さらなる水素除去を解除してよい温度に達しているか否かを判断する。そして、水素の発生が少し安定し、さらなる水素除去が不要となった場合には、次のステップS17で、燃料電池1の単位セル100における正極と負極との導通を開放する。その結果、燃料電池1の単位セル100は、本来の発電の機能を発揮し、余剰水素の除去は、水素除去装置3のみで行われることとなる。
In the next step S16, for example, the control unit repeatedly monitors the temperature of the temperature sensor at a predetermined time interval, and determines whether or not the temperature of the hydrogen generation container has reached a temperature at which further hydrogen removal can be canceled. To do. Then, when the generation of hydrogen is slightly stabilized and further hydrogen removal is unnecessary, in the next step S17, the continuity between the positive electrode and the negative electrode in the
次のステップS18では、例えば所定の時間間隔を置いて繰り返し制御手段が温度センサの温度を監視して、水素発生容器の温度が安定して、余剰水素除去が不要となっているかを判断する。そして、水素の発生が安定し、余剰水素除去が不要となった場合には、次のステップS19で、水素除去装置3をOFFにしてその動作を停止する。図4に示した水素除去装置3の場合では、スイッチ90をOFFにすることになる。
In the next step S18, for example, the control means repeatedly monitors the temperature of the temperature sensor at a predetermined time interval, and determines whether the temperature of the hydrogen generation vessel is stable and unnecessary hydrogen removal is unnecessary. If the generation of hydrogen is stable and the removal of surplus hydrogen is no longer necessary, in the next step S19, the
その後は、燃料電池システムが停止するまで、安定的に水素が供給される。 Thereafter, hydrogen is stably supplied until the fuel cell system is stopped.
本実施形態にかかる燃料電池システムの場合の動作を具体的に説明すると、例えば、水素発生容器の温度が室温から35℃程度までは、燃料電池1の各セル100における正極と負極とを導通することで、単位セル100を水素除去手段として用いてさらなる水素除去を行い、例えば水素発生容器の温度が35℃から70℃に達するまでは、水素除去装置3のみでの余剰水素の除去を行うというような動作が考えられる。
The operation in the case of the fuel cell system according to the present embodiment will be specifically described. For example, when the temperature of the hydrogen generation container is from room temperature to about 35 ° C., the positive electrode and the negative electrode in each
また、水素発生容器の温度そのものではなく、所定時間での温度変化で水素供給量を把握する場合としては、水素発生容器の表面温度(T)の単時間(t)当りの微分(d(T)/d(t))において、その値が1以上の場合には、単位セル100を水素除去手段として用いるさらなる水素除去を行い、微分値が1以下から0.5までの間は、水素除去装置3での余剰水素の除去を行うなどの制御が考えられる。
In addition, when the hydrogen supply amount is grasped not by the temperature of the hydrogen generation container itself but by the temperature change in a predetermined time, the differential of the surface temperature (T) of the hydrogen generation container per unit time (t) (d (T ) / D (t)), when the value is 1 or more, further hydrogen removal is performed using the
また、本実施形態にかかる燃料電池システムでは、燃料電池1における単位セル100を発電用から切り替えて余剰水素除去に用いることができることを活用して、燃料電池での発電を停止させたとき以降の余剰水素の除去に活用することもできる。
Further, in the fuel cell system according to the present embodiment, the fact that the
すなわち、燃料電システムを停止した場合に、水素発生装置から燃料電池への新たな水素の供給が完全に停止した場合でも、燃料電池内部には水素が残留し、燃料電池から外部負荷が切り離された後に、これが単位セルの正極および負極の劣化要因となる。その結果として、燃料電池の寿命が損なわれることになる。これに対し、本実施形態の燃料電池システムでは、発電用の単位セルの正極と負極とを導通させることができるため、燃料電池内に水素が残留していてもこれを消費することができ、燃料電池内の残留水素を完全に除去することができる。このため、上記した、残留水素による正極と負極の劣化を回避することができ、燃料電池の長寿命化を実現することができるのである。 That is, when the fuel power system is stopped, even if the supply of new hydrogen from the hydrogen generator to the fuel cell is completely stopped, hydrogen remains in the fuel cell and the external load is disconnected from the fuel cell. Thereafter, this becomes a cause of deterioration of the positive electrode and the negative electrode of the unit cell. As a result, the life of the fuel cell is impaired. On the other hand, in the fuel cell system of this embodiment, since the positive electrode and the negative electrode of the unit cell for power generation can be made conductive, even if hydrogen remains in the fuel cell, it can be consumed, Residual hydrogen in the fuel cell can be completely removed. For this reason, the above-described deterioration of the positive electrode and the negative electrode due to residual hydrogen can be avoided, and the life of the fuel cell can be extended.
なお、図6に示した本実施形態にかかる燃料電池システムでは、燃料電池1の有する各単位セル100における正極と負極とを、抵抗とスイッチとの直列接続体10を介して接続しているが、ここで用いられている抵抗としては、例えば、燃料電池システムに係る燃料電池1の停止後、単位セル100の正極−負極間の電圧が0.1V以下となるのに要する時間が1分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよい。また、抵抗を用いなくても、このような時間で単位セル100の正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、単位セル100の正極と負極とを抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能とすることもできる。
In the fuel cell system according to the present embodiment shown in FIG. 6, the positive electrode and the negative electrode of each
次に、本実施形態にかかる燃料電池システムの応用例について、図8を用いて説明する。 Next, an application example of the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
図8に示す、本実施形態にかかる燃料電池システムの応用例では、図6に示したものに加えて、水素供給装置2と水素除去装置3との間に、水素供給装置2から供給された水素の量を計測することができるモニタリング装置11が配置されている点が異なっている。
In the application example of the fuel cell system according to the present embodiment shown in FIG. 8, the fuel cell system is supplied from the
このような、モニタリング装置11を用いることで、水素供給装置2から供給される水素の量を直接的に把握することが可能となるため、温度センサなどの供給水素量の検出手段9に加えて用いることで、より正確な供給水素の状態が把握でき、制御手段での余剰水素の除去判断を行うことができる。例えば、温度センサからの検出信号に加えて、モニタリング装置11で水素の流速を検出し、この流速がある閾値(例えば、200ml/min)を超えない状態が一定時間(例えば30sec)以上続いた場合には、水素除去動作を停止もしくは水素除去量を低減するなどの制御を行うことができる。
By using such a
この応用例で示すようなモニタリング装置としては、漏れなどが生じない水素などの気体の流量を検出できる装置を用いることができ、例えば、流速をモニタリングするデジタルマスフローメーターや送気圧力をモニタリングするデジタルマノメーターなどを使用することができる。 As a monitoring device as shown in this application example, a device that can detect the flow rate of a gas such as hydrogen that does not cause leakage can be used. For example, a digital mass flow meter that monitors the flow velocity or a digital that monitors the air supply pressure A manometer or the like can be used.
さらに、図8に示す、本実施形態にかかる燃料電池システムの応用例を用いることで、例えば、燃料電池起動および終了時の余剰水素を除去するだけではなく、発電中に突発的に発生した余剰の水素においても、適宜水素除去装置および燃料電池1における単位セル100を発電用から切り替えて余剰水素除去に用いるなどで抑制することも可能である。
Furthermore, by using the application example of the fuel cell system according to the present embodiment shown in FIG. 8, for example, not only the surplus hydrogen at the start and end of the fuel cell is removed, but the surplus suddenly generated during power generation It is also possible to suppress hydrogen by appropriately switching the
以上、本発明にかかる燃料電池システムについて、具体的な実施形態を説明してきたが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、図2を用いて示した燃料電池の単位セルの構造などはあくまで一つの例であって、高分子電解質膜型燃料電池として知られている様々な具体的形態を採用することができる。 Although specific embodiments of the fuel cell system according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to these specific examples. For example, the structure of the unit cell of the fuel cell shown in FIG. 2 is merely an example, and various specific forms known as a polymer electrolyte membrane fuel cell can be adopted.
また、水素供給装置についても、水素発生物質の具体例や、水と水素発生物質とを反応させる機構についても、図3はあくまで例示に過ぎない。また、水素供給の手段自体も、水素発生物質と水とを反応させる方法に限定されるものではなく、他の水素供給方法に本発明を適用することができる。特に、例えば水素貯蔵合金から水素を取り出す手法などのように、水素の供給量に時間的な変化が生じやすい場合には、本発明を適用することで燃料電池システム内での余剰水素の除去を効果的に行うことができる。 In addition, as for the hydrogen supply device, FIG. 3 is merely an example of a specific example of the hydrogen generating material and a mechanism for reacting water and the hydrogen generating material. Further, the hydrogen supply means itself is not limited to the method of reacting the hydrogen generating substance with water, and the present invention can be applied to other hydrogen supply methods. In particular, when a temporal change in hydrogen supply is likely to occur, such as a technique for extracting hydrogen from a hydrogen storage alloy, excess hydrogen in the fuel cell system can be removed by applying the present invention. Can be done effectively.
さらに、水素除去装置についても図4に示した構造に限られず、水素供給経路から所定量の水素を除去できる他の方法を用いることができる。 Furthermore, the hydrogen removal apparatus is not limited to the structure shown in FIG. 4, and other methods that can remove a predetermined amount of hydrogen from the hydrogen supply path can be used.
また、水素発生量を検出する検出手段として、水素発生容器の温度を測定する温度計を用いた場合を説明したが、本発明ではこれに限るわけではなく、第2の実施の形態にかかる燃料電池システムにおける応用例で付加したような、水素の流量を直接測定する流量計や、水素供給装置内の所定部分の気圧などから水素を検出するような方法も考えられる。要は、水素供給装置の動作開始からの時間経過に応じて変化する、供給される水素量を随時検出することができる手段であればよい。 Moreover, although the case where the thermometer which measures the temperature of a hydrogen generation container was used as a detection means which detects the amount of hydrogen generation was demonstrated, this invention is not restricted to this, The fuel concerning 2nd Embodiment A flow meter that directly measures the flow rate of hydrogen as added in the application example in the battery system, and a method that detects hydrogen from the atmospheric pressure of a predetermined portion in the hydrogen supply device are also conceivable. In short, any means can be used as long as it can detect the amount of hydrogen to be supplied that changes as time passes from the start of the operation of the hydrogen supply device.
また、図1,図6,図8に示す本発明にかかる燃料電池システムの概略構成図において、燃料電池1と外部負荷5とをスイッチSWで接続/切り離しを行う形態を示したが、このスイッチはあくまで概念的なものであって、必ずしも回路素子としてのスイッチが存在するわけではない。外部負荷自体の接続と切り離しを行うことで、外部負荷への電力供給のON/OFFを切り替える場合もあれば、外部負荷が回路構成上は常に燃料電池と接続されている場合も想定できる。
Further, in the schematic configuration diagram of the fuel cell system according to the present invention shown in FIGS. 1, 6, and 8, the form in which the
以下、本発明の燃料電池システムにおける余剰水素の除去について、具体的にその効果を確認した結果を実施例として説明する。なお、下記の実施例における具体的な構成などは、本発明の内容自体を制限するものではない。
<実施例1>
[燃料電池の作製]
本発明の燃料電池システムの効果を確認するための実施例1としては、図9に概略構成図を示したものを用いた。
Hereinafter, the result of having confirmed the effect concretely about the removal of the surplus hydrogen in the fuel cell system of this invention is demonstrated as an Example. In addition, the concrete structure in the following Example does not restrict | limit the content of this invention itself.
<Example 1>
[Fabrication of fuel cell]
As Example 1 for confirming the effect of the fuel cell system of the present invention, the one shown in the schematic configuration diagram of FIG. 9 was used.
図9に示す単位セル100の正極及び負極には、カーボンクロス上にPt担持カーボンを塗布した電極(E-TEK社製 LT140E-W Pt量:0.5mg/cm2)を用いた。また、固体電解質膜にはナフィオン112(デュポン社製)を用いた。各電極は25mm×92mm、固体電解質膜は29mm×96mmとした。
As the positive electrode and the negative electrode of the
これらの燃料電池1の構成は、図2に示したものを2直列で用いた。
As the configuration of these
以下、適宜図2を参照してその詳細を説明する。正極パネルプレート31には、ステンレス304製で厚みが2mmのものを用いた。正極開口部41は1×13mmの長方形型の穴を各単位セル100の正極拡散層21上部に当たる部分全域にわたり、合計72個配置した。負極パネルプレート32も同様の材質、形状とした。すなわち、負極パネルプレートにおいては、正極パネルプレートに係る酸素導入孔が、負極開口部(図2中、42)を形成するための燃料導入孔となる。
Hereinafter, the details will be described with reference to FIG. The positive
正極集電プレート37a、37bには、ニッケルに金メッキを施した厚み0.3mmのものを用いた。負極集電プレート38a、38bも同様の材質、形状とした。
As the positive electrode
正極絶縁プレート33には、ガラスエポキシ樹脂製で厚みが0.5mmのものを用いた。開口部の配置は、正極パネルプレート31と同様である。負極絶縁プレート34も同様の材質、形状とした。
A positive
燃料タンク部40には、ガラスエポキシ樹脂製で厚み3mmのものを用いた。中央のタンク内部の深さは2mmである。
The
シール39a、39bには、シリコン製で厚み0.2mmのものを用いた。電極の納まる部分に空いた穴のサイズは26m×93mmとした。
The
以上の部材を図2に示したように、積層してボルトとナットを用いて締め込み燃料電池を作製した。
[水素除去装置の作製]
本実施例の水素除去装置は、前記で説明した図4で構成されるものを用いた。
As shown in FIG. 2, the above members were stacked and tightened with bolts and nuts to produce a fuel cell.
[Production of hydrogen removal equipment]
As the hydrogen removal apparatus of this example, the one configured in FIG. 4 described above was used.
セル70の構成部材は、前記燃料電池1の単位セル100と同様のものを用いた。電極は6mm四方とし、固体電解質膜は8mm四方とした。
The constituent members of the
正極集電板81には、 ステンレス304に金メッキを施した厚み2mmのものを用いた。空気孔83は1×60mmの長方形型の穴を図4に示すように各セル70の正極拡散層71上部に当たる部分全域にわたり配置した。負極集電板82も同様の形状、材質とした。
タンク部86には、ガラスエポキシ樹脂製で厚み3mmのものを用いた。中央のタンク内部の深さは2mmである。
As the positive electrode
The
シール85には、シリコンゴム製で厚み0.2mmのものを用いた。電極の納まる部分に空いた穴のサイズは61mm四方とした。
The
以上の部材を図4に示したように、積層してボルトとナットを用いて締め込み、水素除去装置を作製した。また、正極集電板81の端部に正極リード線87と負極集電板82の端部に負極リード線88を配し、これらの間に、スイッチ90および20mΩの抵抗89を接続した。
[水素供給装置の作製]
本実施例の水素供給装置は、前記で説明した図3で構成されるものを用いた。
As shown in FIG. 4, the above members were stacked and tightened with bolts and nuts to produce a hydrogen removal apparatus. Further, a positive
[Production of hydrogen supply device]
As the hydrogen supply apparatus of this example, the one configured in FIG. 3 described above was used.
水素発生物質収容容器51は、内容積50cm3のポリプロピレン製角柱状の容器を用いた。水供給パイプ55、水素導出パイプ57、59および水回収パイプ61は、内径2mm、外径3mmのポリプロピレン製のパイプを用いた。水素発生物質収容容器51に、水素発生物質として平均粒径3μmのアルミニウム粉末12.3gと、発熱物質として酸化カルシウム1.6gを充填した。水収容容器52として内容積50cm3のポリプロピレン製角柱状の容器を用い、その中に水を30g充填した。凝縮水分離器58は、内容積30cm3のポリプロピレン製角柱状の容器を用いた。
[燃料電池システムの組み立て]
以上の燃料電池システムにおいて、燃料電池1と水素除去装置3および水素供給装置2を図9に示すように配置した。
[発電試験]
水供給ポンプ56によって、水収容容器52内の水を水素発生物質収容容器51へ供給し、水素を発生させ、外部負荷5によって燃料電池1の発電試験を4.0Vの定電圧で1時間行った。また燃料電池システム起動から停止までの間、通気経路8から排出される余剰のガスをモニタリング装置12(KOFLOC社製マスフロー8100)で計測した。
[流速モニタリング]
モニタリング装置12と水素除去装置3および燃料電池1の個々の単位セル100の正極−負極間を繋ぐリード体に設けたスイッチをそれぞれオンとした。次に水素供給装置2の水供給ポンプ56の起動と同時に、温度センサ9で水素発生物質収容容器51の表面温度のモニタリングを行い、温度T=105℃で、その温度の単位秒当りの微分値T’=0.2のとき、水素除去装置3および燃料電池1の個々の単位セル100の導通を解除し、発電を開始した。この時、水供給ポンプ56起動から発電開始までの時間は、3分間であった。
As the hydrogen generating
[Assembly of fuel cell system]
In the fuel cell system described above, the
[Power generation test]
Water in the
[Flow velocity monitoring]
The switches provided on the lead bodies connecting the positive electrode and the negative electrode of each
運転停止時は、外部負荷5を切り離すと共に、水供給ポンプ56による水の供給を停止した。また、同時にモニタリング装置12と水素除去装置3のスイッチ90と燃料電池1のそれぞれの単位セル100の正極−負極間を繋ぐリード体に設けたスイッチをオンにした。試験は室温25℃で行った。
<比較例1>
実施例1と同様の燃料電池システムにおいて、発電前の起動時に水素除去装置3および燃料電池1のそれぞれの単位セル100の正極−負極間を繋ぐリード体を導通させなかったこと以外は、実施例1と同様にして行った。
<比較例2>
実施例1と同様の燃料電池システムにおいて、運転停止時に水素除去装置3および燃料電池1のそれぞれの単位セル100の正極−負極間を繋ぐリード体を導通させないこと以外は、実施例1と同様にして行った。
[効果測定実験の結果]
図10は、実施例1および比較例1において、各々の水素発生物質収容容器51の表面温度Tとその温度の微分値T’の2回平均値T2’における経時変化を示している。ここで微分値T2’は、平準化のため隣接する値の2回平均を取った。また、図11は、水供給ポンプ56の起動から10分間の間の、実施例1と比較例1の排出水素の積算量の経時変化を示している。なお、図11では、それぞれの積算量(積算値)は、発電開始から1時間後の比較例1の排出水素積算量を100としたときの相対割合(%)で示している。
When the operation was stopped, the
<Comparative Example 1>
In the fuel cell system similar to that of the first embodiment, except that the lead body connecting between the positive electrode and the negative electrode of each
<Comparative example 2>
In the same fuel cell system as in the first embodiment, when the operation is stopped, the lead body connecting between the positive electrode and the negative electrode of each
[Result of effect measurement experiment]
FIG. 10 shows the change over time in the two-time average value T2 ′ of the surface temperature T of each hydrogen generating
さらに、図12は、実施例1および比較例2において、燃料電池システムの外部負荷5への発電停止後に排出された水素の積算量と燃料電池1の全電圧値の経時変化を示している。なお、図12では、それぞれの積算量(積算値)は、発電停止から12分後の比較例2の排出水素積算量を100としたときの相対割合(%)で示している。
Further, FIG. 12 shows the change over time in the integrated amount of hydrogen discharged after stopping power generation to the
図10の結果より、実施例1および比較例1において、いずれも水素発生物質収容容器51の表面温度が上昇する傾向にあるが、図11の結果から、比較例1に比べ、実施例1では、水素除去装置3および燃料電池1の有するそれぞれの単位セル100の正極と負極を同時に導通状態とすることで排出水素を大幅に抑制していることが分かる。
From the results of FIG. 10, the surface temperature of the hydrogen generating
また、図12の実施例1では、比較例2と比べて、発電停止と同時に水素除去装置3および燃料電池1の有するそれぞれの単位セル100の正極と負極を同時に導通状態とすることで、排出水素を大幅に抑制しており、さらに実施例1は、燃料電池1内部のそれぞれの単位セル100の直列接続体10の抵抗により残留水素を除去し、また水素供給装置2より漏れ出た水素を水素除去装置3でいち早く除去することで、迅速に燃料電池1からの出力電圧を低下させることができている。
Further, in Example 1 of FIG. 12, compared with Comparative Example 2, when the power generation is stopped, the positive electrode and the negative electrode of each
これらの結果から、水素除去装置3と燃料電池1のそれぞれの単位セル100の正極と負極を初期に同時に導通状態にさせる実施例1の燃料電池システムでは、燃料電池システムの動作開示時に発生する大量の余剰水素の除去と、燃料電池1での発電停止後に残留する余剰水素の除去とが、いずれも効果的に行えていることが分かる。
From these results, in the fuel cell system of Example 1 in which the positive electrode and the negative electrode of the
以上の結果から、本発明を用いることで、燃料電池の発電時および停止時の排出水素の大幅な抑制と劣化の抑制を行うことで、安全で安定な発電環境を提供できると考えられる。 From the above results, it is considered that by using the present invention, a safe and stable power generation environment can be provided by significantly suppressing and suppressing deterioration of discharged hydrogen during power generation and stop of the fuel cell.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池の運転開始時における水素ガスの経路外への排出を抑制できるため、屋内使用の場合でも好適に用いることができる。また、運転停止時にも水素除去手段を動作させれば、燃料電池の正極および負極の劣化によって電池寿命が損なわれることを効果的に抑制でき、また比較的簡易な機構であるため、システムの小型化も容易である。よって、本発明の燃料電池システムは、高機能のポータブル型電子機器の電源用途をはじめとして、従来の燃料電池が適用されている各種用途に好ましく用いることができる。 The fuel cell system of the present invention can be suitably used even in indoor use because it can suppress the discharge of hydrogen gas out of the path at the start of operation of the fuel cell. Further, if the hydrogen removing means is operated even when the operation is stopped, it is possible to effectively suppress the deterioration of the battery life due to the deterioration of the positive electrode and the negative electrode of the fuel cell, and it is a relatively simple mechanism. Is easy. Therefore, the fuel cell system of the present invention can be preferably used for various uses to which a conventional fuel cell is applied, including a power supply for a high-performance portable electronic device.
1 燃料電池
2 水素供給装置
3 水素除去装置
4 制御手段
5 外部負荷
100 単位セル
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記燃料電池に連結された水素供給装置と、
前記水素供給経路内の水素の少なくとも一部を除去する水素除去手段とを備え、
前記水素供給装置における水素供給量を検出する検出手段からの検出信号に基づいて、前記水素除去手段での水素除去を制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A plurality of unit cells each having a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing hydrogen, and a solid electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode, and supplying hydrogen to each of the plurality of unit cells A fuel cell configured to connect at least a part of the plurality of unit cells in series or in parallel,
A hydrogen supply device connected to the fuel cell;
Hydrogen removing means for removing at least part of the hydrogen in the hydrogen supply path,
A fuel cell system comprising control means for controlling hydrogen removal in the hydrogen removal means based on a detection signal from a detection means for detecting a hydrogen supply amount in the hydrogen supply device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007236940A JP2009070659A (en) | 2007-09-12 | 2007-09-12 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009070659A true JP2009070659A (en) | 2009-04-02 |
Family
ID=40606704
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007236940A Withdrawn JP2009070659A (en) | 2007-09-12 | 2007-09-12 | Fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2009070659A (en) |
-
2007
- 2007-09-12 JP JP2007236940A patent/JP2009070659A/en not_active Withdrawn
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