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JP2005174748A - 燃料電池システム - Google Patents

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JP2005174748A
JP2005174748A JP2003413416A JP2003413416A JP2005174748A JP 2005174748 A JP2005174748 A JP 2005174748A JP 2003413416 A JP2003413416 A JP 2003413416A JP 2003413416 A JP2003413416 A JP 2003413416A JP 2005174748 A JP2005174748 A JP 2005174748A
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Japan
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fuel cell
carbonated water
electrode
fuel
cell system
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JP2003413416A
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Shugo Azuma
秀剛 東
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

【課題】 燃料電池システムの起動時又は停止時に、酸化剤極触媒担持炭素の腐食を防止する。
【解決手段】 燃料電池システムの起動時または停止時に、少なくとも酸化剤ガス供給停止状態において酸化剤極出口4bの圧力調節弁8を閉じた後、炭酸水の流量調節弁10を開き炭酸水ポンプ11を駆動して、炭酸水タンク9から燃料電池スタック1の酸化剤極4内に炭酸水を導入する。このとき、炭酸水は、酸化剤極出口4bから酸化剤極4へ供給されるので、燃料極出口に近い酸化剤極の部分から炭酸水が供給されることになる。これにより、外部からの空気侵入により酸素が導入し易い燃料極出口に近い側の酸化剤極の触媒担持炭素の腐食を効果的に防ぐことができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に触媒担持体としてカーボンを使用した燃料電池システムに関する。
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
固体高分子型の燃料電池では、次に示す反応が起きることにより、燃料極から外部回路を通り酸化剤極に電子が流れる。
(化1)
アノード(燃料極 ):H2 →2H+ +2e- …(1)
カソード(酸化剤極):2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2O …(2)
ところで、燃料電池の運転停止時に水素及び空気の供給を停止しても、それらの供給手段と燃料電池とを接続する配管内及び燃料電池内には水素及び空気が残留する。このとき燃料電池と外部回路との電気的接続が絶たれると、単セルの燃料極と酸化剤極との間には1〔V〕近い電位差が生じ、その結果電極触媒の劣化や電池構成部品の腐食等が起こる。例えば、燃料電池に炭素製セパレータを用いた場合、下記式(式中、COs は、carbon surface oxideを表す)の反応が起こり得る。
(化2)
C + [O2- ] → COs + 2e- …(3)
COs + [O2- ] → CO2 + 2e- …(4)
また、残留した空気中の酸素と水素が反応すると1〔mol〕の酸素に対して2〔mol〕の水素が消費されるので、燃料極の圧力低下が酸化剤極の圧力低下より大きく、燃料極と酸化剤極との間に圧力差が生じ固体電解質膜が劣化する恐れがある。
この解決策として、従来の燃料電池の停止時に残留ガスをパージする方法が採られている。例えば、窒素等の不活性ガスボンベを燃料電池システムに備え、燃料電池の運転停止時に、不活性ガスボンベから供給した不活性ガスで燃料電池内部を置換する方法が知られている(特許文献1)。
特開平7−272740号公報(第5頁、図1)
しかしながら上記パージ方法は、主に燃料電池内のガス経路内のガスをパージするのみで多孔質体に担持された触媒近傍の残留ガスは除去しにくい。よって、パージ後空気雰囲気で燃料電池システムを保管する場合、燃料極側および酸化剤極側経路が空気置換される過程において、燃料極側触媒で局所的に触媒に水素と酸素が付加している状態が混在することがある。このときに酸化剤極側触媒付近に酸素が残留する場合、膜を介して燃料極側に酸素がある領域の反対にある酸化剤極側で逆電流により水素イオンを必要とする反応がおこる。酸化剤極側では基本的に水素がないため、水から水素イオンが取り出され、残った酸素イオンは、触媒担持体の炭素と反応して二酸化炭素となる反応を起こす。反応により生成された二酸化炭素ガスは、酸化剤ガス通路中へ放散してしまい触媒担持炭素の腐食が発生し、触媒のPt微粒子が凝集して触媒有効表面積が著しく減少するという問題点があった。
同様の現象は燃料極側が停止中に充分空気置換されたあとの水素導入起動時にも発生する。
上記問題点を解決するため、本発明は、固体高分子電解質膜を挟む燃料極と酸化剤極を備えた燃料電池システムにおいて、炭酸水を貯蔵する炭酸水貯蔵手段と、燃料電池の起動時または停止時に、前記酸化剤極に前記炭酸水貯蔵手段から炭酸水を導入する炭酸水導入手段と、を備えたことを要旨とする。
本発明によれば、燃料電池の起動時または停止時に、酸化剤極側で水素イオンを必要とする反応が生じても、供給された炭酸水中に含まれる水素イオンが反応することにより、酸化剤極の触媒担持炭素の腐食を防止することができるという効果がある。
具体的には、二酸化炭素を水に溶かすと、次のような平衡反応により炭酸を生じて酸性を呈する。
(化3)
2O + CO2 ⇔ H2CO3 ⇔ H+ + HCO3 - …(5)
この炭酸水を燃料電池の運転停止時に酸化剤極へ導入すると、酸化剤極へ水素イオンが供給され、酸化剤極側で水素イオンを必要とする反応が生じても、供給された炭酸水中に含まれる水素イオンが反応する。
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
図1は、本発明に係る燃料電池システムの実施例1を説明する要部構成図であり、請求項1及び2に対応する。
燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜3を挟んで燃料極2と酸化剤極4が対設された単セルが複数積層されているが、図1では模式的に表示してある。
燃料極2には、図示しない燃料供給装置から燃料である水素ガスが供給される。酸化剤極4には、酸化剤供給装置としてのブロアやコンプレッサ等から空気が供給される。水素ガス及び空気ともに、図中左側から燃料極2及び酸化剤極4に供給され、図中右側から排出される並向流型のガス供給を行うものとする。
酸化剤極入口4aには、運転停止時に炭酸水を注入したときの圧力を逃がすための圧力開放弁7が接続されている。酸化剤極出口4bには、運転時の空気圧力を調整する空気圧力調整弁8が接続されている。
炭酸水タンク9は、炭酸水を貯蔵する炭酸水貯蔵手段である。炭酸水タンク9から流量調整弁10及び炭酸水ポンプ11を介して、空気圧力調整弁8の上流部の酸化剤極出口配管に炭酸水供給管12が合流接続されている。流量調整弁10、炭酸水ポンプ11及び炭酸水供給管12が炭酸水導入手段である。
次に、上記構成による燃料電池システムの作用を説明する。
燃料電池システムの起動時または停止時に、少なくとも酸化剤ガス供給停止状態において酸化剤極出口4bの圧力調節弁8を閉じた後、炭酸水の流量調節弁10を開き炭酸水ポンプ11を駆動して、炭酸水タンク9から燃料電池スタック1の酸化剤極4内に炭酸水を導入する。このとき、炭酸水は、酸化剤極出口4bから酸化剤極4へ供給されるので、燃料極出口に近い酸化剤極の部分から炭酸水が供給されることになる。
これにより、外部からの空気侵入により酸素が導入し易い燃料極出口に近い側の酸化剤極の触媒担持炭素の腐食を効果的に防ぐことができる。また、必要に応じて酸化剤極の圧力を監視して酸化剤極入口4aから分岐した圧力開放弁7を調節することによって酸化剤極圧力が制御可能となる。
以上説明した本実施例によれば、燃料電池の起動時または停止時に、酸化剤極側で水素イオンを必要とする反応が生じても、供給された炭酸水中に含まれる水素イオンが反応することにより、酸化剤極の触媒担持炭素の腐食を防止することができるという効果がある。
図2は、本発明に係る燃料電池システムの実施例2を説明する要部構成図であり、請求項3及び4に対応する。
燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜3を挟んで燃料極2と酸化剤極4が対設された単セルが複数積層されているが、図2では模式的に表示してある。酸化剤極4の固体高分子電解質膜3側と反対側には、多孔質セパレータ5を介して純水経路6が設けられている。
純水経路6は、燃料電池スタック1の冷却と酸化剤極4での生成水回収による高電流域での発電性能向上を目的としている。酸化剤極4での生成水回収は、酸化剤極4の圧力に対して純水経路6の圧力が低くなるよう差圧を設定することで可能となる。
燃料極2には、図示しない燃料供給装置から燃料である水素ガスが供給される。酸化剤極4には、酸化剤供給装置としてのブロアやコンプレッサ等から空気が供給される。水素ガス及び空気ともに、図中左側から燃料極2及び酸化剤極4に供給され、図中右側から排出される並向流型のガス供給を行うものとする。
酸化剤極入口4aには、運転停止時に炭酸水を注入したときの圧力を逃がすための圧力開放弁7が接続されている。酸化剤極出口4bには、運転時の空気圧力を調整する空気圧力調整弁8が接続されている。
炭酸水タンク9は、炭酸水を貯蔵する炭酸水貯蔵手段である。純水を貯蔵する純水タンク20と、炭酸水タンク9とは、三方弁21により選択的にポンプ22の入口側と連通可能となっている。ポンプ22の出口側は、純水供給管26を介して燃料電池スタック1の純水経路入口6aに接続されている。
純水経路出口6bは、純水の圧力を調整する圧力調整弁25を介して純水タンク20の入口で接続されている。また、ポンプ22の出口に接続されている純水供給管26から分岐して純水タンク20に戻るバイパス経路23と、バイパス経路23の流量を調整する流量調整弁24が設けられている。
通常運転時の純水の流れは、純水タンク20から三方弁21を介してポンプ22に吸い込まれ、ポンプ22の出口から純水供給管26を介して純水経路入口6aから燃料電池スタック1に供給される。純水経路6の純水は、多孔質セパレータ5を介して酸化剤極4と水分交換する。
純水経路6と酸化剤極4との水分交換は、運転条件にもよるが、酸化剤極出口4b側では、酸化剤極4から純水経路6への生成水の回収が支配的であり、酸化剤極入口4a側では、純水経路6から酸化剤極4への加湿による純水消費が支配的である。余剰の純水は純水経路出口6bから排出され、圧力調整弁25を介して純水タンク20へ戻る。
通常運転時には、燃料電池スタック1において、燃料ガス及び空気は図中左から右へ流れ、純水は図中右から左へ流れるようになっている。即ち、燃料電池スタックへのガス供給に関しては並向流型であり、このガスと水分交換する純水は、ガスの流れ方向と対向する対向流型である。
次に、上記構成による燃料電池システムの作用を説明する。
燃料電池システムの起動時または停止時に、少なくとも酸化剤ガス供給停止状態において、ポンプ22上流の三方弁21を炭酸水タンク9とポンプ22が連通するよう切換え、ポンプ22により炭酸水を燃料電池スタック1の純水経路6に供給する。そして純水経路6の圧力を調整する圧力調節弁25を調整することにより、酸化剤極4と純水経路6の差圧を減少するよう制御することで酸化剤極4側に炭酸水を供給可能となる。尚、必要に応じて酸化剤極4の圧力を監視して酸化剤極4上流から分岐した圧力開放弁7を調節することによって酸化剤極圧力が制御可能となる。
本実施例によれば、実施例1と同様に、燃料電池の起動時または停止時に、酸化剤極側で水素イオンを必要とする反応が生じても、供給された炭酸水中に含まれる水素イオンが反応することにより、酸化剤極の触媒担持炭素の腐食を防止することができるという効果がある。
また、純水循環用のポンプを炭酸水導入用に共用することができ、炭酸水導入経路を新規に構成するための部品点数を低減できるという効果がある。
さらに、本実施例によれば、酸化剤ガス流路と純水流路の流れ方向が互いに対向するので、純水流路圧力上昇の際に圧力が上昇しやすく酸化剤ガス流路に炭酸水が浸透しやすい純水入口から触媒担持炭素が腐食し易い酸化剤ガス流路出口に効果的に炭酸水を供給することができるという効果がある。
本発明に係る燃料電池システムの実施例1を説明する要部構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例2を説明する要部構成図である。
符号の説明
1…燃料電池スタック
2…燃料極
3…固体高分子電解質膜
4…酸化剤極
4a…酸化剤極入口
4b…酸化剤極出口
7…圧力開放弁
8…空気圧力調整弁
9…炭酸水タンク
10…流量調整弁
11…炭酸水ポンプ

Claims (4)

  1. 固体高分子電解質膜を挟む燃料極と酸化剤極を備えた燃料電池システムにおいて、
    炭酸水を貯蔵する炭酸水貯蔵手段と、
    燃料電池の起動時または停止時に、前記酸化剤極に前記炭酸水貯蔵手段から炭酸水を導入する炭酸水導入手段と、
    を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 炭酸水を燃料極出口に近い酸化剤極に導入することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
  3. 固体高分子電解質膜を挟む燃料極と酸化剤極と、前記酸化剤極の酸化剤ガス流路と多孔質体を介して隣接する純水流路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
    炭酸水を貯蔵する炭酸水貯蔵手段と、
    燃料電池の起動時または停止時に、前記酸化剤ガス流路の圧力よりも高い圧力で前記純水流路に炭酸水を導入する炭酸水導入手段と、
    を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  4. 酸化剤ガス流路と純水流路の流れ方向が互いに対向することを特徴とする請求項3記載の燃料電池システム。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006059734A (ja) * 2004-08-23 2006-03-02 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池システム及びその起動・停止方法
JP2018137049A (ja) * 2017-02-20 2018-08-30 独立行政法人国立高等専門学校機構 卵殻膜からなる電解質膜を備えた燃料電池

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