JP2005071949A - Fuel battery electric power generator and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、起動停止による劣化の抑制または耐久性の向上を図った燃料電池発電装置とその運転方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell power generation apparatus and a method for operating the fuel cell power generation apparatus that suppress deterioration due to start / stop or improve durability.
従来の一般的な固体高分子電解質型燃料電池の構成および動作について図8を参照しながら説明する。図8において1は水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸からなる固体高分子電解質であり、電解質1の両面には一対の電極21および22が形成されている。電極21および22は、多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性および電子伝導性を有するガス拡散層を備えている。また、電極21および22の周囲にはガスの混合やリークを防止するガスケット31および32がそれぞれ配置され、電極21および22にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する導電性のセパレータ板41および42で狭持されている。
The configuration and operation of a conventional general solid polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIG. In FIG. 8, 1 is a solid polymer electrolyte made of perfluorocarbon sulfonic acid having hydrogen ion conductivity, and a pair of
以上の構成からなる単セルを複数積層したものをスタックとし、単セルまたはスタックを総称して燃料電池5とする。また、燃料ガスを供給する側の電極21をアノード、酸化剤ガスを供給する側の電極22をカソードとする。
A stack obtained by stacking a plurality of single cells having the above configuration is referred to as a stack, and the single cell or stack is collectively referred to as a
アノード21およびカソード22にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して電子負荷を接続すると、アノード21に供給された燃料ガス中に含まれる水素はアノード21と電解質1の界面で電子を放って水素イオンとなる(化1)。
(化1)
H2 → 2H+ + 2e−
水素イオンは電解質1を通ってカソード22へと移動し、カソード22と電解質1の界面で電子を受け取り、カソード22に供給された酸化剤ガス中に含まれる酸素と反応し、水を生成する(化2)。
(化2)
1/2O2 + 2H+ +2e− → H2O
全反応を(化3)に示す。
(化3)
H2 + 1/2O2 → H2O
このとき電子負荷を流れる電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用することができる。また、一連の反応は発熱反応であるため、反応熱を熱エネルギーとして利用することができる。
When the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the
(Chemical formula 1)
H 2 → 2H + + 2e −
The hydrogen ions move to the
(Chemical formula 2)
1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
The total reaction is shown in (Chemical Formula 3).
(Chemical formula 3)
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
At this time, the flow of electrons flowing through the electronic load can be used as DC electrical energy. Moreover, since a series of reactions are exothermic reactions, the reaction heat can be used as thermal energy.
次に、燃料処理部7を備えた一般的な燃料電池発電装置の構成および動作について図8を参照しながら説明する。図8においてメタンなどの炭化水素を含む原料ガスは脱硫部6に供給され、付臭剤などに含まれる硫黄化合物が吸着除去される。そして、燃料処理部7で改質され水素を含む燃料ガスとなり、燃料電池5のアノード21に供給される。燃料処理部7は、メタンなどを改質する改質部71と、発生する一酸化炭素(CO)を変成するCO変成部72と、さらにCOを除去するCO除去部73を備えている。
Next, the configuration and operation of a general fuel cell power generator including the
原料ガスにメタンを用いた場合、改質部71では、水蒸気を伴って(化4)で示した反応が起こり、水素とともに約10%のCOが発生する。
(化4)
CH4 + H2O → CO + 3H2
その後、発生したCOは(化5)で示すようにCO変成部72で二酸化炭素に酸化され、約5000ppmまで減少する。後流のCO除去器73ではCOだけでなく、燃料ガスの水素まで酸化してしまうので、CO変成部72でできるだけCO濃度を低下させる必要がある。
(化5)
CO + H2O → CO2 + H2
さらに残ったCOは(化6)で示すようにCO除去器73で酸化され、その濃度は約10ppm以下まで低下する。
(化6)
CO + 1/2O2 → CO2
全反応式を(化7)に示す。
(化7)
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
燃料電池5の動作温度域においてアノード21に含まれる白金はCOにより被毒しその触媒活性が劣化するため、通常アノード21には、白金−ルテニウムなどの耐CO性を有する触媒が用いられる。しかし、耐CO性の触媒においても燃料ガス中に含まれるCO濃度は少なくとも10ppm以下に抑えなければならない。
When methane is used as the source gas, in the reforming
(Chemical formula 4)
CH 4 + H 2 O → CO +
Thereafter, the generated CO is oxidized to carbon dioxide at the
(Chemical formula 5)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Further, the remaining CO is oxidized by the
(Chemical formula 6)
CO + 1 / 2O 2 → CO 2
The overall reaction formula is shown in (Chemical Formula 7).
(Chemical formula 7)
CH 4 + 2H 2 O → CO 2 +
Since platinum contained in the
燃料電池発電装置は、主に前記した燃料電池5と燃料処理部7で構成されるが、家庭用としてメタンを主成分とする都市ガスなどの原料ガスを用いた場合、光熱費メリットを大きくするために、電気消費量の少ない時間帯は停止し、電気消費量の多い時間帯に運転する運転方法が有効である。一般に、昼間は運転して深夜は運転を停止するDSS(Daily Start-up & Shut-down)運転は光熱費メリットを大きくすることができ、燃料電池発電装置は、起動と停止を含む運転パターンに柔軟に対応できることが望ましい。
The fuel cell power generation device is mainly composed of the
また、従来のりん酸型燃料電池発電装置では安全性の観点から、停止時に装置内部に残留した燃料ガスを窒素などの不活性ガスで置換する操作が必要であった。固体高分子電解質型燃料電池発電装置においても不活性ガスパージを用いた停止方法がいくつか報告されている。 Further, in the conventional phosphoric acid type fuel cell power generator, from the viewpoint of safety, it is necessary to replace the fuel gas remaining inside the apparatus with an inert gas such as nitrogen when stopped. Several stopping methods using an inert gas purge have been reported for solid polymer electrolyte fuel cell power generators.
例えば、燃料電池内に残留した燃料ガスおよび酸化剤ガスを水または加湿された不活性ガスで置換し、封入した状態で停止していた(特許文献1参照)。これにより、電解質1の保水状態が維持され、再起動時に速やかに発電を開始することができる。
For example, the fuel gas and the oxidant gas remaining in the fuel cell are replaced with water or a humidified inert gas and stopped in a sealed state (see Patent Document 1). Thereby, the water retention state of the
あるいは、酸化剤ガスの供給を停止した状態でセルを発電させ、カソード22の酸素を消費させてからアノード21に窒素などの不活性ガスで置換して燃料電池5を停止していた(特許文献2参照)。これにより、カソード22の酸化を抑制できるだけでなく、電解質1を介し、アノード21から拡散してきた水素が、カソード22に付着した不純物を還元して除去することができる。
しかしながら、前記従来の水や加湿された不活性ガスをパージする方法では、停止時に燃料電池5の温度が低下し、燃料電池5内部で結露が発生し、体積の減少が生じ、負圧となるため、外部の酸素が流入したり、電解質1が破損したり、電極21および22が短絡するなどといった課題があった。
However, in the conventional method of purging water or humidified inert gas, the temperature of the
また、前記従来の酸化剤ガスの供給を停止した状態でセルを発電させ、カソード22の酸素を消費させてからアノード21に不活性ガスをパージする方法では、カソード22に消費しきれず残留した酸素や、拡散やリークなどにより混入する空気の影響により、カソード22が酸化され、劣化するという課題があった。また、発電して強制的に酸素を消費させるのでカソード22の電位が一様でなく、停止させる毎にカソードの活性化状況が異なり、起動時の電池電圧がばらつくといった課題があった。
Further, in the conventional method in which the cell is generated in a state where the supply of the oxidant gas is stopped and oxygen in the
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池の停止時に、燃料電池5内に残留した酸化剤ガスを不活性ガスで置換して、さらに燃料ガスで置換することにより、安全性に優れた燃料発電装置を提供し、さらに起動停止におけるカソード22の酸化による劣化を抑制し、耐久性を向上させる燃料電池発電装置の運転方法を提供することを目的とする。
The present invention solves the above-described conventional problems. When the fuel cell is stopped, the oxidant gas remaining in the
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電装置とその運転方法は、電解質と、一対の電極と、一対のセパレータ板とからなる燃料電池と、燃料電池の停止時に燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換した後、さらに不活性ガスの全部または一部を燃料ガスで置換するガス置換部とを備え、燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスを介して、燃料ガスで置換するものである。 In order to solve the above-described conventional problems, a fuel cell power generation device and an operation method thereof according to the present invention include a fuel cell including an electrolyte, a pair of electrodes, and a pair of separator plates, and a fuel cell interior when the fuel cell is stopped. And a gas replacement part for replacing all or part of the inert gas with fuel gas after replacing all or part of the remaining oxidant gas with inert gas. All or part of the gas is replaced with fuel gas through an inert gas.
これによって、アノードおよびカソードが水素を含む燃料ガスで封入され、アノードおよびカソードの酸化による劣化が抑制され、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。 As a result, the anode and the cathode are sealed with the fuel gas containing hydrogen, deterioration due to oxidation of the anode and the cathode is suppressed, and the durability of the fuel cell power generator can be improved.
また、酸化剤ガスを不活性ガスを介して燃料ガスに置換するので、酸化剤ガスに含まれる酸素と燃料ガスに含まれる水素が直接接触せず、安全に置換を行うことができる。 Further, since the oxidant gas is replaced with the fuel gas via the inert gas, the oxygen contained in the oxidant gas and the hydrogen contained in the fuel gas are not in direct contact, and the replacement can be performed safely.
以上説明したように、本発明の燃料電池発電装置とその運転方法によれば、カソードを燃料ガスで置換するので、カソードの酸化による劣化が抑制され、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。 As described above, according to the fuel cell power generator of the present invention and the operation method thereof, the cathode is replaced with the fuel gas, so that deterioration due to oxidation of the cathode is suppressed and the durability of the fuel cell power generator is improved. Can do.
請求項1に記載の発明は、電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給および排出し、他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とからなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、燃料電池の停止時に燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換した後、さらに不活性ガスの全部または一部を燃料ガスで置換するガス置換部とを備え、カソードを不活性ガスを介して燃料ガスで置換することにより、カソードの酸化による劣化を抑制し、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、特に、請求項1に記載の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給部および排出部に遮断弁を備え、酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換した後、さらに不活性ガスの全部または一部を燃料ガスで置換して、遮断弁を閉じ、燃料ガスを燃料電池内に封入することにより、外部から拡散してくる空気(酸素)によるアノードおよびカソードの酸化や、電解質の乾燥を抑制し、不純物などの混入を防止することができ、装置の耐久性を向上させることができる。
The invention described in
請求項3に記載の発明は、電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給および排出し、他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とからなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、燃料電池の停止時に燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換した後、さらに不活性ガスを燃料ガスで置換するガス置換部と、燃料電池の電圧を検出する電圧検出部とを備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時に停止し、電圧検出部が燃料電池の電圧を所定の電圧以下と検出した後、燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換して、さらに不活性ガスの全部または一部を燃料ガスで置換することにより、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時に停止したとき、アノードから電解質を介して拡散してきた水素が、カソード白金表面上に形成された酸化皮膜や、カソードに付着した不純物を還元して除去するので、カソードが活性化され、これらの要因で低下していた電池電圧を起動時に回復させることができる。
The invention according to
また、水素が残留したアノードを基準とした場合、電圧検出部で検出する電圧からカソードの電位を推定することができる。アノードから拡散してきた水素により、カソードが活性化されるとき、カソードの電位が低下するので、電圧検出部で検出する電圧からカソードの活性化状況を知ることができ、常に一定の電圧で活性化すれば、起動時の電池電圧を安定化させることができる。 In addition, when the anode in which hydrogen remains is used as a reference, the cathode potential can be estimated from the voltage detected by the voltage detector. When the cathode is activated by the hydrogen diffused from the anode, the cathode potential decreases, so the activation status of the cathode can be known from the voltage detected by the voltage detector, and the cathode is always activated at a constant voltage. If it does, the battery voltage at the time of starting can be stabilized.
また、燃料電池の電圧を所定の電圧まで下げてから、燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換するので、カソードの酸化による劣化を抑制し、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。 In addition, since all or part of the oxidant gas remaining in the fuel cell is replaced with inert gas after the voltage of the fuel cell is lowered to a predetermined voltage, deterioration due to oxidation of the cathode is suppressed, and fuel cell power generation The durability of the apparatus can be improved.
請求項4に記載の発明は、電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給および排出し、他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とからなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、燃料電池の停止時に燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換した後、さらに不活性ガスを燃料ガスで置換するガス置換部と、燃料電池の電圧を検出する電圧検出部とを備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止し、電圧検出部が燃料電池の電圧を所定の電圧以下と検出した後、燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換して、さらに不活性ガスの全部または一部を燃料ガスで置換することにより、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止したとき、アノードの基準電位がより安定化し、カソードの活性化状況もさらに安定化させることができる。
The invention according to
請求項5に記載の発明は、電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給および排出し、他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とからなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、燃料電池の停止時に燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換した後、さらに不活性ガスを燃料ガスで置換するガス置換部と、燃料電池の電圧を検出する電圧検出部とを備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換して、電圧検出部が燃料電池の電圧を所定の電圧以下と検出した後、不活性ガスの全部または一部を燃料ガスで置換することにより、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスを不活性ガスで置換したとき、カソードの酸素を強制的に排出するので、より早く活性化させることができる。また、ガスを停止しただけでは置換できないガス拡散層などに残留した酸素も置換するので、さらに劣化を抑制することができる。
The invention according to
請求項6に記載の発明は、特に、請求項3〜5に記載の酸化剤ガスの供給部および排出部に遮断弁を備え、燃料電池の停止時に、燃料電池内に残留した酸化剤ガスの全部または一部を不活性ガスで置換して、さらに不活性ガスの全部または一部を燃料ガスで置換した後、遮断弁を閉じ、起動する直前に遮断弁を開け、燃料ガスの全部または一部を不活性ガスで置換することにより、起動時に導入される酸化剤ガスに含まれる酸素と、封入した燃料ガスに含まれる水素が直接接触しないので、燃焼や爆発を伴うことなく、安全に起動することができる。
The invention described in
請求項7に記載の発明は、特に、請求項3〜5に記載の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給部および排出部に遮断弁を備え、燃料電池の停止時に、燃料電池内に残留した酸化剤ガスをガス流路の体積の2〜5倍の不活性ガスで置換した後、さらに不活性ガスをガス流路の体積の2〜5倍の燃料ガスで置換し、遮断弁を閉じ、起動するまで燃料電池内に燃料ガスを封入することにより、必要最小限の置換量でカソードの活性状態を保持することができる。
The invention described in
請求項8に記載の発明は、特に、請求項4〜5に記載の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給部および排出部に遮断弁を備え、燃料電池の停止時に、燃料ガスをガス流路の体積の2〜5倍の流量で供給したまま酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池内に残留した酸化剤ガスをガス流路の体積の2〜5倍の不活性ガスで置換した後、さらに不活性ガスをガス流路の体積の2〜5倍の燃料ガスで置換した後、遮断弁を閉じ、起動するまで燃料電池内に燃料ガスを封入することにより、必要最小限の燃焼ガス量でカソードを活性化することができる。
According to an eighth aspect of the present invention, in particular, the fuel gas and oxidant gas supply section and the discharge section according to any one of the fourth to fifth aspects are provided with shutoff valves, and the fuel gas is supplied to the gas flow path when the fuel cell is stopped. After the supply of the oxidant gas is stopped while being supplied at a
請求項9に記載の発明は、原料ガスを脱硫する脱硫部と、脱硫した原料ガスから燃料ガスを生成する燃料処理部を備え、特に、請求項1〜8に記載の不活性ガスとして脱硫した原料ガスを用いることにより、窒素などのガスボンベが不要となり、装置を小型化できるだけでなく、ボンベ交換などに要するメンテナンスとコストを大幅に削減することができる。
The invention according to
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における燃料電池発電装置の構成図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration diagram of a fuel cell power generator according to a first embodiment of the present invention.
図1において、1は水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマからなる膜状の固体高分子電解質であり、電解質1の両面には一対の電極、アノード21およびカソード22が形成されている。電解質1は、水分を取り込むことにより、電解質1内のスルフォン酸基の水素イオンが解離して電荷担体となり、スルフォン酸基がいくつか凝集して形成される逆ミセル構造の中を通過することで水素イオン伝導性を示す。含水率が下がると電解質1の導電率が低下するため、ガスを加湿して供給し、膜の乾燥を防ぐ方法をとった。
In FIG. 1,
また、発電時、水素イオンがカソード22へ移動する際、アノード21側の水を伴って移動するため、電解質1の含水率はカソード22側で高く、アノード21側で低くなる分布を有する。これを是正するために電解質1の膜厚を薄くし、水が逆拡散するようにした。これにより、導電率は高くなるが、燃料ガスである水素や、酸化剤ガスである酸素の透過も増大し、ガスが電解質1を通して直接反応してしまい、電流効率が低下することが判っている。
In addition, during power generation, when hydrogen ions move to the
本発明では、この従来の欠点とも言える性質を逆に利用し、起動および停止時にカソード22を酸化して劣化させる酸素を、電解質1を通してリークしてくる水素と直接反応させ、効率よく除去し活性化することにより、燃料電池発電装置の耐久性の向上を図るものである。また、カソード22は電池性能を大きく支配しており、特に、カソード22を活性化させることにより電池性能を向上させることができる。
In the present invention, the property which can be said to be the conventional defect is used in reverse, and oxygen which oxidizes and deteriorates the
アノード21およびカソード22は、多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性および電子伝導性を有するガス拡散層からなる。アノード21には、耐CO性を有する白金−ルテニウムなどの合金触媒を用いた。また、ガス拡散層には撥水処理を施したカーボンペーパーあるいはカーボンクロスを用いた。
The
そして、アノード21およびカソード22の周囲にガスの混合やリークを防止するガスケット31および32をそれぞれ配置し、さらに、アノード21およびカソード22にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する導電性のセパレータ板41および42を用いて狭持した。以上のように構成される単セルが発生する電圧は約0.75Vであり、必要とする電圧分の複数の単セルを直列に積層してスタックを形成することができる。
また、セパレータ板41および42の両端には集電板と、絶縁板および端板を配置し、締結ロッドで固定した。そして、集電板に電子負荷8および電圧検出部9を接続し、一定電流を流したときの燃料電池5の電圧を検出した。
In addition, current collector plates, insulating plates, and end plates were disposed at both ends of the
図1において、6は脱硫部であり、原料ガスに付臭剤として含まれる硫黄化合物を吸着除去(脱硫)することができる。本実施例では、原料ガスとしてメタン、エタン、プロパンおよびブタンを主成分とする都市ガス13Aを用いた。脱硫された原料ガスは、水とともに燃料処理部7へ供給され、改質反応により水素を含む燃料ガスが生成される。燃料処理部7は、メタンなどを改質する改質部71と、発生するCOを変成するCO変成部72およびCOを除去するCO除去部73からなる。
In FIG. 1, 6 is a desulfurization part and can adsorb and remove (desulfurize) a sulfur compound contained as a odorant in the raw material gas. In this example, city gas 13A mainly composed of methane, ethane, propane and butane was used as a raw material gas. The desulfurized raw material gas is supplied to the
生成された燃料ガスは、流量制御部101により所定の流量で燃料電池5のアノード21に供給される。また、酸化剤ガスは、大気からファンなどにより取り込まれ、流量制御部102により所定の流量で燃料電池5のカソード22に供給される。また、燃料ガスおよび酸化剤ガスが膜を乾燥させないようそれぞれ加湿して供給した。
The generated fuel gas is supplied to the
また、11は切替弁であり、脱硫された原料ガスを燃料電池5の発電時に燃料処理部7へ供給し、停止時に燃料電池5のカソード22へ供給するように流路を切り替えることができる。燃料電池5の停止時、脱硫された原料ガスは、流量制御部102により所定の流量でカソード22に供給される。
Reference numeral 11 denotes a switching valve, which can switch the flow path so that the desulfurized source gas is supplied to the
また、121a、121b、122aおよび122bは燃料電池5の停止時に、それぞれアノード21およびカソード22に燃料ガスを封入する遮断弁であるが、アノード21およびカソード22の供給部に備えた遮断弁121aおよび122aは、燃料処理部7で生成した燃料ガスを停止時には燃料電池5のカソード22にも供給するように流路を切り替えることのできる切替弁としても用いた。
Reference numerals 121a, 121b, 122a and 122b are shut-off valves for sealing fuel gas into the
以上前記した原料ガスを脱硫する脱硫部6と、燃料ガスを生成する燃料処理部7と、流量制御部102と、切替弁11と、遮断弁121a、121b、122aおよび122b、およびこれらを繋ぐ配管、ガス流路をまとめて、燃料電池5の停止時に、カソード22に不活性ガス(脱硫した原料ガス)を介して、燃料ガスを置換して封入するガス置換部とする。
As described above, the
上記構成の燃料電池発電装置を用い、停止および起動時にカソード22に脱硫した原料ガスをパージした後、さらに燃料ガスをパージして、残留した酸化剤ガスを置換する運転方法について検討した。
Using the fuel cell power generator configured as described above, after purging the raw material gas desulfurized to the
まず、アノード21に燃料ガス、カソード22に酸化剤ガスを所定量供給し、セル温度約70℃、燃料ガス利用率約75%、酸化剤ガス利用率約40%とし、電子負荷8により電極面積に対して約0.2A/cm2の一定電流を流した。このとき燃料電池5に接続した電圧検出部9で検出した電池電圧は約0.75Vであった。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは露点がそれぞれ65℃、70℃となるように加湿して供給した。
First, a predetermined amount of fuel gas is supplied to the
図2は、実施の形態1における運転方法のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP1)、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時に停止した(STEP2)。続いてカソード22に残留した酸化剤ガスを不活性ガス(脱硫した原料ガス)で置換し(STEP3)、さらに不活性ガスを燃焼処理部7で生成した燃料ガスで置換し(STEP4)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じて、アノード21およびカソード22に燃料ガスを封入した(STEP5)。
FIG. 2 is a flowchart of the operation method in the first embodiment. When the
本実施例では、不活性ガスに脱硫した原料ガスを用いた。脱硫した原料ガスを用いることにより、都市ガスなどのインフラを用いることができ、窒素などのガスボンベが不要となり、装置を小型化できるだけでなく、ボンベ交換などに要するメンテナンスとコストを大幅に削減することができる。 In this example, a raw material gas desulfurized to an inert gas was used. By using desulfurized source gas, it is possible to use infrastructure such as city gas, eliminating the need for gas cylinders such as nitrogen, not only miniaturizing equipment, but also greatly reducing maintenance and costs required for cylinder replacement, etc. Can do.
また、脱硫した原料ガスを介して酸化剤ガスを燃料ガスで置換することにより、カソード22に含まれる白金などの貴金属に吸着して酸化劣化を引き起こす原因となる酸素および酸化種を減少あるいは除去することができ、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。
Further, by replacing the oxidant gas with the fuel gas through the desulfurized raw material gas, oxygen and oxidative species that cause oxidative degradation by adsorbing to noble metals such as platinum contained in the
また、酸化剤ガスを置換した後、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じて、燃料ガスを燃料電池5内に封入することにより、外部から拡散してくる空気(酸素)によるアノード21およびカソード22の酸化や、電解質1の乾燥を抑制し、不純物などの混入を防止することができ、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。
Further, after replacing the oxidant gas, the shutoff valves 121a, 121b, 122a and 122b are closed, and the fuel gas is sealed in the
また、燃料電池内に残留した酸化剤ガスを置換する不活性ガス(原料ガス)は加湿することなく供給するため、電解質1膜を乾燥させぬようその体積は必要最小限とした。置換する前のガス流路に存在する酸化剤ガスの濃度をC0、ガス流路の体積をVとすると、時間Δtの間に不活性ガスをΔVだけ流したとき、Δt後の濃度Ct1は(数1)で表される。
(数1)
Ct1=C0(V/V+ΔV)=C0(1/(1+(ΔV/V)))
さらにΔt後の濃度Ct2は(数2)で表される。
(数2)
Ct2=Ct1(1/(1+(ΔV/V)))=C0(1/(1+(ΔV/V)))2
したがってnΔt後の濃度Ctnは(数3)で表される。
(数3)
Ctn=C0(1/(1+(ΔV/V)))n
このとき、不活性ガスがガス流路の体積Vのk倍流れたとすると、(数4)が成り立つ。
(数4)
kV=nΔV
したがって、(数3)は、(数5)で表される。
(数5)
Ctn=C0(1/(1+(k/n)))n
二項定理およびTaylor展開を用いると、(数5)から(数6)を導き出すことができる。
(数6)
lim(Ctn)=lim(C0(1/(1+(k/n))n)=C0e−k
n→∞ n→∞
(数6)によれば、不活性ガスをガス流路の体積の2〜5倍流したとき、置換される酸化剤ガスの濃度は、初期濃度の約14〜0.7%まで置換することができる。
In addition, since the inert gas (raw material gas) that replaces the oxidant gas remaining in the fuel cell is supplied without being humidified, its volume is set to the minimum necessary so that the
(Equation 1)
C t1 = C 0 (V / V + ΔV) = C 0 (1 / (1+ (ΔV / V)))
Further, the density C t2 after Δt is expressed by (Equation 2).
(Equation 2)
C t2 = C t1 (1 / (1+ (ΔV / V))) = C 0 (1 / (1+ (ΔV / V))) 2
Therefore, the concentration C tn after nΔt is expressed by (Equation 3).
(Equation 3)
C tn = C 0 (1 / (1+ (ΔV / V))) n
At this time, if the inert gas flows k times the volume V of the gas flow path, (Equation 4) holds.
(Equation 4)
kV = nΔV
Therefore, (Equation 3) is expressed by (Equation 5).
(Equation 5)
C tn = C 0 (1 / (1+ (k / n))) n
Using the binomial theorem and Taylor expansion, (Equation 6) can be derived from (Equation 5).
(Equation 6)
lim (C tn ) = lim (C 0 (1 / (1+ (k / n)) n ) = C 0 e −k
n → ∞ n → ∞
According to (Expression 6), when the inert gas is flowed 2 to 5 times the volume of the gas flow path, the concentration of the oxidant gas to be replaced is replaced to about 14 to 0.7% of the initial concentration. Can do.
本実施例の場合、ガス流路に残留した酸化剤ガスをガス流路の3倍の体積の不活性ガスで置換した。酸化剤ガスとして空気を用いたので、カソード22のガス流路内の酸素濃度はわずか1%程度まで減少していることが判った。この状態でさらに不活性ガスを燃料ガスに置換して、アノード21およびカソード22に燃料ガスを封入するので、アノード21およびカソード22の酸化による劣化を抑制することができる。
In this example, the oxidant gas remaining in the gas channel was replaced with an inert gas having a volume three times that of the gas channel. Since air was used as the oxidant gas, it was found that the oxygen concentration in the gas flow path of the
また、必要最小限の体積でガスを置換するので、電解質1の保湿状態に与える影響を小さくすることができる。
Further, since the gas is replaced with the minimum necessary volume, the influence on the moisture retention state of the
(実施の形態2)
図3は、実施の形態2における運転方法のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP11)、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時に停止した(STEP12)。これにより、アノード21の水素が電解質1を介してカソード22へ拡散し、酸素と反応して水を生成し、カソード22中の酸素を消費するため、燃料電池5の電圧が徐々に低下した。電圧検出部9が燃料電池5の電圧を所定の電圧以下と検出したら(STEP13)、燃料電池5内に残留した酸化剤ガスを不活性ガスで置換して(STEP14)、さらに不活性ガスを燃料処理部7で生成した燃料ガスで置換し(STEP15)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じ、燃料ガスを燃料電池5内に封入した(STEP16)。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a flowchart of the operation method according to the second embodiment. When the
実施の形態1の運転方法と異なるところは、燃料電池5の電圧を検出し、所定の電圧まで下げてから、不活性ガスを介して、カソード22を燃料ガスで置換する点である。
The difference from the operation method of the first embodiment is that the voltage of the
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時に停止することにより、アノード21から電解質1を介して拡散してきた水素が、カソード22白金表面上に形成された酸化皮膜や、カソード22に付着した不純物を還元して除去するので、カソード22が活性化され、これらの要因で低下していた電池電圧を起動時に回復させることができる。
By simultaneously stopping the supply of the fuel gas and the oxidant gas, the hydrogen diffused from the
このときの燃料電池5の電圧は最終的には0〜0.2Vまで下がるが、本実施例では0.2V以下になったら、不活性ガスで置換するようにした。0.2V以下まで電圧を下げることにより、カソード22の電位が低下し、カソード22の白金表面が十分に活性化される。0.2Vより高い電圧でも活性化は起こるが、その電圧が高いほど活性化の効果は弱まり、起動時に回復する電圧も小さくなる。
At this time, the voltage of the
また、水素が残留したアノード21を基準とした場合、電圧検出部9で検出する電圧からカソード22の電位を推定することができる。アノード21から拡散してきた水素により、カソード22が活性化されるとき、カソード22の電位が低下するので、電圧検出部9で検出する電圧からカソード22の活性化状況を知ることができ、検出した電圧で活性化することにより、起動時の電池電圧を安定化させることができる。
Further, when the
また、燃料電池5の電圧を所定の電圧まで下げてから、燃料電池5内に残留した不活性ガスを介して酸化剤ガスを燃料ガスで置換するので、アノード21およびカソード22の酸化による劣化が抑制され、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。
Further, since the oxidant gas is replaced with the fuel gas through the inert gas remaining in the
なお、電子負荷8を停止してから、アノード21およびカソード22に供給するガスを停止するまでの間、電池電圧は開回路電圧になる。このときの開回路電圧は0.9V以上となり、カソード22の電位が高電位に曝されることになる。カソード22の電位が0.9V以上になると、白金の溶出およびシンタリングによる触媒反応面積の減少や、白金の酸化、酸化種の吸着による反応面積の減少などが起こるので、電子負荷8を停止してから、アノード21およびカソード22に供給するガスを停止するまでの時間は極力少なくして開回路電圧に保持する時間を短くするか、電子負荷8を停止したら開回路電圧にならないように、外部抵抗などにより電流を流し、電圧を低下させることが好ましい。
The battery voltage is an open circuit voltage from when the
また、カソード22よりもアノード21に供給するガスを早く停止した場合、カソード22から拡散透過してくる酸素によりアノード21の電位が上昇する。アノードの電位が高電位に曝されると、触媒に含まれているルテニウムなどが溶出し、CO被毒性能が低下するので、アノード21の電位が上がらないよう、カソード22と同時もしくはカソード22を止めてからアノードを止めるのが好ましい。
When the gas supplied to the
(実施の形態3)
図4は、実施の形態3における運転方法のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP21)、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止した(STEP22)。これにより、アノード21の水素が電解質1を介してカソード22へ拡散し、酸素と反応して水を生成し、カソード22中の酸素を消費するため、燃料電池5の電圧が徐々に低下した。電圧検出部9が燃料電池5の電圧を所定の電圧以下と検出したら(STEP23)、燃料電池5内に残留した酸化剤ガスを不活性ガスで置換して(STEP24)、さらに不活性ガスを燃料処理部7で生成した燃料ガスで置換し(STEP25)、アノード21およびカソード22の燃料ガスの供給を停止し(STEP26)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じ、燃料ガスを燃料電池5内に封入した(STEP27)。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a flowchart of the operation method according to the third embodiment. When the
実施の形態2の運転方法と異なるところは、まず酸化剤ガスを停止し、燃料電池5の電圧を所定の電圧まで下げてから、不活性ガスを介して、カソード22を燃料ガスで置換して、アノード21およびカソード22の燃料ガスの供給を停止する点である。
The difference from the operation method of the second embodiment is that the oxidant gas is first stopped, the voltage of the
燃料ガスを供給したままと酸化剤ガスの供給を停止することにより、水素が拡散によりカソード21へ透過しても、アノード21に水素が供給され続けるので、アノード21の基準電位が安定化し、カソード22の電位は運転方法2よりも早く低下し、カソード22をより活性化させることができる。
By stopping the supply of the oxidant gas while supplying the fuel gas, even if hydrogen permeates to the
また、カソード22の電位が早く低下するので、カソード22を開回路電圧のような高電位に保持される時間を短縮することができ、カソード22の劣化をさらに抑制することができる。
In addition, since the potential of the
(実施の形態4)
図5は、実施の形態4における運転方法のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP31)、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止した(STEP32)。次いで酸化剤ガスの供給を停止すると同時にカソード22側に不活性ガスを供給し、カソード22に残留した酸化剤ガスを不活性ガスで置換した(STEP33)。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a flowchart of the operation method according to the fourth embodiment. When the
これにより、アノード21の水素が電解質1を介してカソード22へ拡散し、酸素と反応して水を生成し、カソード22中の酸素を消費するため、燃料電池5の電圧が瞬時に低下した。電圧検出部9が燃料電池5の電圧を所定の電圧以下と検出したら(STEP34)、カソード21の不活性ガスを燃料ガスで置換して(STEP35)、最後にアノード21およびカソード22の燃料ガスの供給を停止し(STEP36)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じ、燃料ガスを燃料電池5内に封入した(STEP37)。
As a result, hydrogen in the
実施の形態3の運転方法と異なるところは、酸化剤ガスを停止すると同時にカソード22に不活性ガスを供給し、燃料電池5の電圧を所定の電圧まで下げてから、さらに不活性ガスを燃料ガスに置換する点である。
The difference from the operation method of the third embodiment is that the oxidant gas is stopped and at the same time an inert gas is supplied to the
燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスを不活性ガスで置換することにより、カソード22の酸素を強制的に排出することができ、カソード22の電位は実施の形態3の運転方法よりもさらに早く低下し、より活性化させることができる。また、ガスを停止しただけでは置換できないガス拡散層などに残留した酸素も置換することができるので、さらに劣化を抑制することができる。
By replacing the oxidant gas with an inert gas while supplying the fuel gas, the oxygen of the
(実施の形態5)
図6は、実施の形態5における運転方法のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP41)、燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止した(STEP42)。次いで酸化剤ガスの供給を停止すると同時にカソード22側に不活性ガスを供給し、カソード22に残留した酸化剤ガスを不活性ガスで置換した(STEP43)。
(Embodiment 5)
FIG. 6 is a flowchart of the operation method according to the fifth embodiment. When the
これにより、アノード21の水素が電解質1を介してカソード22へ拡散し、酸素と反応して水を生成し、カソード22中の酸素を消費するため、燃料電池5の電圧が瞬時に低下した。電圧検出部9が燃料電池5の電圧を所定の電圧以下と検出したら(STEP44)、さらにカソード22の不活性ガスを燃料ガスで置換して(STEP45)、アノード21およびカソード22の燃料ガスの供給を停止し(STEP46)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じ、燃料ガスを燃料電池5内に封入した(STEP47)。
As a result, hydrogen in the
そして、燃料電池5の起動直前になったら(STEP48)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを開け(STEP49)、カソード22内の燃料ガスを不活性ガスに置換し(STEP50)、その後アノード21およびカソード22にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し(STEP51)、負荷を起動した(STEP52)。
Then, immediately before the start of the fuel cell 5 (STEP 48), the shut-off valves 121a, 121b, 122a and 122b are opened (STEP 49), the fuel gas in the
実施の形態4の運転方法と異なるところは、燃料電池5の起動直前に、再度カソード22に不活性ガスを供給する点である。
The difference from the operation method of the fourth embodiment is that the inert gas is again supplied to the
起動する直前に不活性ガスを一定時間供給することにより、停止中カソード22に封入していた燃料ガスに含まれる水素と、発電するために導入する酸化剤ガスに含まれる酸素が直接接触することがなくなり、燃焼など起こすことなく安全に燃料電池5を起動することができる。
By supplying an inert gas for a certain period of time immediately before starting, hydrogen contained in the fuel gas sealed in the
(実施の形態6)
図7は、実施の形態6における運転方法のフローチャートである。燃料電池5の停止時において、まず、電子負荷8を停止し(STEP61)、アノード21の燃料ガスを供給したまま酸化剤ガスの供給を停止した(STEP62)。次いで燃料ガスの流量をアノード21のガス流路の2〜5倍の体積まで絞り、酸化剤ガスの供給を停止すると同時にカソード22側に不活性ガスを供給し、カソード22に残留した酸化剤ガスを不活性ガスで置換した(STEP63)。
(Embodiment 6)
FIG. 7 is a flowchart of the operation method according to the sixth embodiment. When the
これにより、アノード21の水素が電解質1を介してカソード22へ拡散し、酸素と反応して水を生成し、カソード22中の酸素を消費するため、燃料電池5の電圧が瞬時に低下した。電圧検出部9が燃料電池5の電圧を所定の電圧以下と検出したら(STEP64)、さらにカソード22の不活性ガスを燃料ガスで置換して(STEP65)、アノード21およびカソード22の燃料ガスの供給を停止し(STEP66)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを閉じ、燃料ガスを燃料電池5内に封入した(STEP67)。
As a result, hydrogen in the
そして、燃料電池5の起動直前になったら(STEP68)、遮断弁121a、121b、122aおよび122bを開け(STEP69)、カソード22内の燃料ガスを不活性ガスに置換し(STEP70)、その後アノード21およびカソード22にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し(STEP71)、負荷を起動した(STEP72)。
Then, immediately before the start of the fuel cell 5 (STEP 68), the shut-off valves 121a, 121b, 122a and 122b are opened (STEP 69), the fuel gas in the
実施の形態5の運転方法と異なるところは、アノード21の燃料ガス流量を絞りながら、カソード22の酸化剤ガスの供給を停止して、酸化剤ガスを不活性ガスに置換する点である。
The difference from the operation method of the fifth embodiment is that the supply of the oxidant gas at the
燃料電池の停止時に、燃料ガスをガス流路の体積の2〜5倍の流量で供給したまま酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池内に残留した酸化剤ガスをガス流路の体積の2〜5倍の不活性ガスで置換した後、さらに不活性ガスをガス流路の体積の2〜5倍の燃料ガスで置換した後、遮断弁を閉じ、起動するまで燃料電池内に燃料ガスを封入することにより、必要最小限の燃焼ガス量でカソードを活性化することができる。
When the fuel cell is stopped, the supply of the oxidant gas is stopped while the fuel gas is supplied at a
本発明の燃料電池発電装置とその運転方法は、起動停止による劣化の抑制または耐久性の向上という効果を有し、高分子型固体電解質膜を用いた発電装置、デバイスに有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The fuel cell power generation device and the operation method thereof according to the present invention have an effect of suppressing deterioration due to start and stop or improving durability, and are useful for power generation devices and devices using a polymer solid electrolyte membrane.
また、不活性ガスに都市ガスなどの原料ガスを用いるので、定置用燃料電池コジェネレーションシステムに有用である。 Further, since a source gas such as city gas is used as the inert gas, it is useful for a stationary fuel cell cogeneration system.
1 電解質
21 電極(アノード)
22 電極(カソード)
41、42 セパレータ板
5 燃料電池
6 脱硫部
7 燃料処理部
9 電圧検出部
121a、121b、122a、122b 遮断弁
1
22 electrode (cathode)
41, 42
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