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JP2016126822A - Solid-state polymer type fuel battery power generation system - Google Patents

Solid-state polymer type fuel battery power generation system Download PDF

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JP2016126822A
JP2016126822A JP2014263792A JP2014263792A JP2016126822A JP 2016126822 A JP2016126822 A JP 2016126822A JP 2014263792 A JP2014263792 A JP 2014263792A JP 2014263792 A JP2014263792 A JP 2014263792A JP 2016126822 A JP2016126822 A JP 2016126822A
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stack
power generation
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sub
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JP2014263792A
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伊藤 栄基
Eiki Ito
栄基 伊藤
谷 俊宏
Toshihiro Tani
俊宏 谷
和之 網谷
Kazuyuki Amitani
和之 網谷
洸貴 杉原
Koki Sugihara
洸貴 杉原
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state polymer type fuel battery power generation system that can suppress deterioration of a cell even when a request power amount from a load rapidly increases in a short time.SOLUTION: In a solid polymer type fuel battery power generation system 100, plural sub stacks 111, 112 are connected so that a flow passage of gas 1, 2 forms a series loop, thereby configuring a stack 110, gas bombs 130, 160 are connected to gas reception entrances of the sub stacks 111, 112 respectively, and power generation operation is performed while the sub stacks 111, 112 for first supplying gas 1, 2 from the gas bombs 130, 160 to the stack 110 are successively changed over with time lapse so that the sub stacks 111, 112 located at the most downstream side in the flow direction of the gas 1, 2 is located at the most upstream side in the flow direction of the gas 1, 2. The solid polymer type fuel battery power generation system 100 has a current variation speed suppressing device 170 for suppressing the current variation speed of the stack 110 to 50A/μs or less.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムに関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell power generation system.

固体高分子形燃料電池発電システムは、ガス透過性を有する燃料極及び酸化極でプロトン伝導性を有する固体高分子電解質体を挟んだセルと、水素ガス等の燃料ガスを流通させる燃料ガス流通溝を一方面に形成されて酸素ガス等の酸化ガスを流通させる酸化ガス流通溝を他方面に形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備えると共に、上記スタックの上記セパレータの上記燃料ガス流通溝に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、上記スタックの上記セパレータの上記酸化ガス流通溝に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備えている。   A polymer electrolyte fuel cell power generation system includes a fuel electrode having gas permeability and a cell sandwiching a solid polymer electrolyte having proton conductivity at an oxidization electrode, and a fuel gas flow channel for flowing a fuel gas such as hydrogen gas. A stack in which a plurality of oxidant gas flow grooves, which are formed on one side and circulate an oxidant gas such as oxygen gas, and separators formed on the other side are stacked, and the fuel gas flow of the separator of the stack Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the groove, and oxidizing gas supply means for supplying oxidizing gas to the oxidizing gas flow groove of the separator of the stack are provided.

このような固体高分子形燃料電池発電システムでは、燃料ガス供給手段からスタックの前記セパレータの前記燃料ガス流通溝に燃料ガスを供給すると共に、酸化ガス供給手段からスタックの前記セパレータの前記酸化ガス流通溝に酸化ガスを供給すると、当該スタックの前記セルにおいて、燃料ガスと酸化ガスとが電気化学的に反応して電力を発生させると共に、水が生成するようになっている。   In such a polymer electrolyte fuel cell power generation system, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply means to the fuel gas flow groove of the separator of the stack, and the oxidizing gas flow of the separator of the stack is supplied from the oxidizing gas supply means. When an oxidizing gas is supplied to the groove, in the cell of the stack, the fuel gas and the oxidizing gas react electrochemically to generate electric power and water is generated.

この電気化学反応に伴って生成した水は、前記セパレータの前記流通溝内に滞留すると、前記セルでの上記ガスの電気化学反応を阻害してしまう。このため、上記燃料電池発電システムでは、上記電気化学反応に必要な量以上の前記ガスを前記スタックの前記セパレータの前記流通溝に供給することにより、上記電気化学反応に伴って生成した前記水を、上記電気化学反応で消費されなかった余剰の前記ガスと共に上記セパレータの上記流通溝から流出させて当該スタックの外部へ排出して気液分離し、回収された当該ガスをブロア等で当該スタック内に再び供給して循環利用するようにしている。   If the water produced | generated with this electrochemical reaction will stay in the said flow groove of the said separator, it will inhibit the electrochemical reaction of the said gas in the said cell. For this reason, in the fuel cell power generation system, by supplying the gas more than the amount necessary for the electrochemical reaction to the flow channel of the separator of the stack, the water generated by the electrochemical reaction is supplied. The excess gas that has not been consumed in the electrochemical reaction flows out of the flow channel of the separator and is discharged to the outside of the stack for gas-liquid separation, and the recovered gas is blown into the stack with a blower or the like. It is supplied again to be recycled.

ところで、上述したような固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、システム全体の電力効率の向上を図るため、燃料ガスの流通経路及び酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数のサブスタックを接続してスタックを構成し、燃料ガス供給手段を各サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続すると共に、酸化ガス供給手段を各サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続し、前記ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックを当該ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記ガス供給手段から前記スタックに前記ガスを最初に供給する前記サブスタックを経時的に順次切り換えながら発電運転を行うことにより、前記電気化学反応に必要な量の上記ガスを当該ガス供給手段から当該スタックに供給するだけで上記サブスタック内の水を排出できるようにして、ブロア等を省略できるようにした、いわゆるブロアレスタイプが提案されている(下記特許文献1,2参照)。   By the way, in the polymer electrolyte fuel cell power generation system as described above, in order to improve the power efficiency of the entire system, a plurality of sub-channels are formed so that the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are in a series loop shape. The stacks are connected to form a stack, and the fuel gas supply means is connected to the fuel gas inlet of each substack, and the oxidizing gas supply means is connected to the oxidizing gas inlet of each substack. While sequentially switching the sub stacks that supply gas first from the gas supply means to the stack so that the sub stack located on the most downstream side in the flow direction is positioned on the most upstream side in the flow direction of the gas. By performing the power generation operation, an amount of the gas necessary for the electrochemical reaction is supplied from the gas supply means to the stack. Only in so as to be discharged water in the sub-stack, and to be omitted blower or the like, so-called blower-less type has been proposed (see Patent Document 1 and 2).

特開2008−147178号公報JP 2008-147178 A 特開2008−147179号公報JP 2008-147179 A 特開平7−057753号公報JP-A-7-057553

前述したような固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、負荷からの要求電力量が短時間で急激に増加すると、前記サブスタックの内部の前記セル付近の前記ガスが急峻に不足してしまい、当該セルの電極に劣化を生じ易くなってしまうという問題があった。   In the polymer electrolyte fuel cell power generation system as described above, when the amount of power required from the load increases rapidly in a short time, the gas near the cell inside the sub stack becomes steeply insufficient, There has been a problem that the cell electrode is likely to be deteriorated.

このようなことから、本発明は、負荷からの要求電力量が短時間で急激に増加しても、セルの劣化を抑制することができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。   In view of the above, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell power generation system capable of suppressing deterioration of a cell even when a required power amount from a load rapidly increases in a short time. And

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、燃料ガスの流通経路及び酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数のサブスタックを接続してスタックを構成し、燃料ガス供給手段を各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続すると共に、酸化ガス供給手段を各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続し、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記燃料ガス供給手段から前記スタックに当該燃料ガスを最初に供給する前記サブスタックを経時的に順次切り換えると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス供給手段から前記スタックに当該酸化ガスを最初に供給する前記サブスタックを経時的に順次切り換えながら、発電運転を行う固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記スタックに接続された負荷と当該スタックとの間に接続されて当該スタックの電流変化速度を50A/μs以下に抑制する電流変化速度抑制装置を備えていることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the first invention includes a plurality of sub-stacks so that the flow path of the fuel gas and the flow path of the oxidizing gas are in a series loop shape. The fuel gas supply means is connected to the fuel gas inlet of each of the sub-stacks, and the oxidizing gas supply means is connected to the oxidizing gas inlet of each of the sub-stacks. The sub-stack that first supplies the fuel gas from the fuel gas supply means to the stack so that the sub-stack located on the most downstream side in the flow direction of the fuel gas is positioned on the most upstream side in the flow direction of the fuel gas. And the sub stack located on the most downstream side in the flowing direction of the oxidizing gas is positioned on the most upstream side in the flowing direction of the oxidizing gas. In the polymer electrolyte fuel cell power generation system that performs power generation operation while sequentially switching the sub-stack that first supplies the oxidizing gas to the stack from the oxidizing gas supply means, the load connected to the stack And a current change rate suppression device that suppresses the current change rate of the stack to 50 A / μs or less.

第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記スタックと並列となるように前記負荷に対して接続された二次電池と、前記電流変化速度抑制装置からの前記負荷への供給電力量を計測する供給電力量計測手段と、前記負荷の要求電力量を計測する要求電力量計測手段と、前記供給電力量計測手段及び前記要求電力量計測手段からの情報に基づいて、前記負荷に前記要求電力量を供給するように前記スイッチを制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。   The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a second aspect of the present invention is the first aspect of the invention, wherein the secondary battery connected to the load so as to be in parallel with the stack, and the current change rate suppression From the supply power amount measuring means for measuring the amount of power supplied to the load from the apparatus, the required power amount measuring means for measuring the required power amount of the load, the supplied power amount measuring means, and the required power amount measuring means And a control means for controlling the switch so as to supply the required power amount to the load based on the above information.

第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記二次電池の電力量を計測する二次電池電力量計測手段を備え、前記制御手段が、前記二次電池電力量計測手段からの情報に基づいて、前記スタックから前記二次電池へ電力を供給するように前記スイッチを制御するものであることを特徴とする。   A polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a third aspect of the present invention is the second aspect of the invention, comprising a secondary battery power amount measuring means for measuring the power amount of the secondary battery, wherein the control means includes the The switch is controlled so as to supply power from the stack to the secondary battery based on information from the secondary battery power amount measuring means.

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、電流変化速度抑制装置が、スタックの電流変化速度を50A/μA以下に抑制するので、負荷からの要求電力量が短時間で急激に増加しても、サブスタックの内部のセル付近でガスが急峻に不足することを防止でき、セルの劣化を抑制することができる。   According to the polymer electrolyte fuel cell power generation system of the present invention, the current change rate suppression device suppresses the current change rate of the stack to 50 A / μA or less, so that the required power amount from the load is rapidly increased in a short time. Even if it increases, it is possible to prevent a shortage of gas in the vicinity of the cell in the sub stack, and to suppress the deterioration of the cell.

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態のガス流通系統の概略構成図であり、Aが燃料ガスの流通系統の概略構成図、Bが酸化ガスの流通系統の概略構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic block diagram of the gas distribution system of main embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system which concerns on this invention, A is a schematic block diagram of the distribution system of fuel gas, B is schematic structure of the distribution system of oxidizing gas FIG. 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の電力供給系統の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the electric power supply system of main embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system which concerns on this invention. 図1の固体高分子形燃料電池発電システムの燃料ガス流通系統の作動説明図である。FIG. 2 is an operation explanatory diagram of a fuel gas distribution system of the polymer electrolyte fuel cell power generation system of FIG. 1. 図1の固体苦分子形燃料電池発電システムの酸化ガス流通系統の作動説明図である。FIG. 2 is an operation explanatory diagram of an oxidizing gas distribution system of the solid bitter fuel cell power generation system of FIG. 1.

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。   Embodiments of a polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments described with reference to the drawings.

〈主な実施形態〉
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態を図1〜4に基づいて説明する。
<Main embodiment>
A main embodiment of a polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図1に示すように、ガス透過性を有する燃料極及び酸化極でプロトン伝導性を有する固体高分子電解質体を挟んだセルと、燃料ガスである濃度99%以上の水素ガス1を流通させる燃料ガス流通溝を一方面に形成されて酸化ガスである濃度99%以上の酸素ガス2を流通させる酸化ガス流通溝を他方面に形成されたセパレータとを交互に複数積層して構成される複数(本実施形態では2つ)の第一,二のサブスタック111,112は、燃料ガスの流通経路が直列ループ状となるように接続される(図1A参照)と共に、酸化ガスの流通経路が直列ループ状となるように接続される(図1B参照)ことにより、スタック110が構成されている。   As shown in FIG. 1, a fuel cell having a gas permeability and an oxidation electrode sandwiched between a polymer electrolyte body having proton conductivity and a hydrogen gas 1 having a concentration of 99% or more, which is a fuel gas, circulates. A plurality of gas flow grooves that are formed by alternately laminating a plurality of oxidizing gas flow grooves that are formed on one surface and have an oxygen gas 2 having a concentration of 99% or more, which is an oxidizing gas, are formed on the other surface. The first and second sub-stacks 111 and 112 in this embodiment are connected so that the fuel gas flow path is in a series loop shape (see FIG. 1A), and the oxidizing gas flow path is in series. The stack 110 is configured by being connected in a loop shape (see FIG. 1B).

図1Aに示すように、各前記サブスタック111,112の各燃料ガス受入口には、燃料ガス供給手段である水素ガスボンベ130が電磁式の二方型のバルブ101,102を介してそれぞれ接続している。前記第一のサブスタック111の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック112の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ121及び電磁式の二方型のバルブ103が介在している。前記第二のサブスタック112の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック111の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ122及び電磁式の二方型のバルブ104が介在している。   As shown in FIG. 1A, a hydrogen gas cylinder 130 as a fuel gas supply means is connected to each fuel gas inlet of each of the sub-stacks 111 and 112 via electromagnetic two-way valves 101 and 102, respectively. ing. Between the fuel gas outlet of the first sub-stack 111 and the fuel gas inlet of the second sub-stack 112, there is a drain trap 121 which is a gas-liquid separation means for fuel gas and two electromagnetic types A mold valve 103 is interposed. Between the fuel gas outlet of the second sub-stack 112 and the fuel gas inlet of the first sub-stack 111, there is a drain trap 122 which is a gas-liquid separation means for fuel gas and two electromagnetic types A mold valve 104 is interposed.

図1Bに示すように、各前記サブスタック111,112の各酸化ガス受入口には、酸化ガス供給手段である酸素ガスボンベ160が電磁式の二方型のバルブ141,142を介してそれぞれ接続している。前記第一のサブスタック111の酸化ガス排出口と前記第二のサブスタック112の前記酸化ガス受入口との間には、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ151及び電磁式の二方型のバルブ143が介在している。前記第二のサブスタック112の酸化ガス排出口と前記第一のサブスタック111の前記酸化ガス受入口との間には、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ152及び電磁式の二方型のバルブ144が介在している。   As shown in FIG. 1B, an oxygen gas cylinder 160 as an oxidizing gas supply means is connected to each oxidizing gas inlet of each of the sub-stacks 111 and 112 via electromagnetic two-way valves 141 and 142, respectively. ing. Between the oxidizing gas outlet of the first sub-stack 111 and the oxidizing gas inlet of the second sub-stack 112, there is a drain trap 151 which is a gas-liquid separation means for oxidizing gas and two electromagnetic types. A mold valve 143 is interposed. Between the oxidizing gas outlet of the second sub-stack 112 and the oxidizing gas inlet of the first sub-stack 111, there are a drain trap 152 which is a gas-liquid separation means for oxidizing gas and two electromagnetic types. A mold valve 144 is interposed.

図2に示すように、前記第一のサブスタック111の電気取出用の負極板と前記第二のサブスタック112の電気取出用の正極板とは、電気的に接続されている。前記第一のサブスタック111の電気取出用の正極板及び前記第二のサブスタック112の電気取出用の負極板は、負荷Lに電気的に接続している。   As shown in FIG. 2, the negative electrode plate for electric extraction of the first sub-stack 111 and the positive electrode plate for electric extraction of the second sub-stack 112 are electrically connected. The positive electrode plate for electric extraction of the first sub-stack 111 and the negative electrode plate for electric extraction of the second sub-stack 112 are electrically connected to a load L.

前記第一のサブスタック111の電気取出用の正極板と前記負荷Lとの間には、前記サブスタック111,112の電流変化速度を50A/μs以下に抑制する電流変化速度抑制装置170が接続されている。前記電流変化速度抑制装置170と前記負荷Lとの間には、二次電池180の正極側がスイッチ181を介して接続されている。前記第二のサブスタック112の電気取出用の負極板と前記負荷Lとの間には、前記二次電池180の負極側が前記スイッチ181を介して接続されている。つまり、前記二次電池180は、前記スタック110と並列となるように前記負荷に対して前記スイッチ181を介して接続されているのである。   A current change rate suppression device 170 that suppresses the current change rate of the substacks 111 and 112 to 50 A / μs or less is connected between the positive electrode plate for electrical extraction of the first substack 111 and the load L. Has been. Between the current change rate suppressing device 170 and the load L, the positive electrode side of the secondary battery 180 is connected via a switch 181. Between the negative electrode plate for electrical extraction of the second sub-stack 112 and the load L, the negative electrode side of the secondary battery 180 is connected via the switch 181. That is, the secondary battery 180 is connected to the load via the switch 181 so as to be in parallel with the stack 110.

前記電流変化速度抑制装置170と前記スイッチ181との間には、当該電流変化速度抑制装置170からの前記負荷Lへの供給電力量を計測する供給電力量計測手段である電圧計191が接続している。前記スイッチ181と前記負荷Lとの間には、当該負荷Lの要求電力量を計測する要求電力量計測手段である電圧計192が接続している。前記二次電池180の正極側と前記スイッチ181との間には、当該二次電池180の電力量を計測する二次電池電力量計測手段である電圧計193が接続している。   Connected between the current change rate suppressing device 170 and the switch 181 is a voltmeter 191 which is a supply power amount measuring means for measuring the supplied power amount from the current change rate suppressing device 170 to the load L. ing. Connected between the switch 181 and the load L is a voltmeter 192 which is required power amount measuring means for measuring the required power amount of the load L. Between the positive electrode side of the secondary battery 180 and the switch 181, a voltmeter 193, which is a secondary battery power amount measuring means for measuring the power amount of the secondary battery 180, is connected.

前記電圧計191〜193は、制御手段である制御装置190の入力部に電気的に接続されている。前記制御装置190の出力部は、前記スイッチ191に電気的に接続されており、当該制御装置190は、上記電圧計191〜193からの情報に基づいて、当該スイッチ191の作動を制御することができるようになっている(詳細は後述する)。   The voltmeters 191 to 193 are electrically connected to an input unit of a control device 190 which is a control means. The output unit of the control device 190 is electrically connected to the switch 191, and the control device 190 can control the operation of the switch 191 based on information from the voltmeters 191 to 193. (The details will be described later.)

また、図1に示すように、前記制御装置190の出力部は、前記バルブ101〜106,141〜146にも電気的に接続しており、当該制御装置190は、内蔵された図示しないタイマからの情報(運転時間)に基づいて、当該バルブ101〜104,141〜144の開閉を制御することができるようになっている(詳細は後述する)。   Further, as shown in FIG. 1, the output unit of the control device 190 is also electrically connected to the valves 101 to 106 and 141 to 146, and the control device 190 is connected to a built-in timer (not shown). On the basis of the information (operation time), the opening and closing of the valves 101 to 104 and 141 to 144 can be controlled (details will be described later).

なお、本実施形態では、前記バルブ101,102等により燃料ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バルブ103,104等により燃料ガス用最下流位置切換手段を構成し、前記バルブ141,142等により酸化ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バルブ143,144等により酸化ガス用最下流位置切換手段を構成している。   In the present embodiment, the valves 101 and 102 and the like constitute the fuel gas most upstream position switching means, the valves 103 and 104 and the like constitute the fuel gas most downstream position switching means, and the valves 141 and 142 The most upstream position switching means for oxidizing gas is configured by the above, and the most downstream position switching means for oxidizing gas is configured by the valves 143, 144 and the like.

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100(ブロアレスタイプ)では、前記制御装置190が、前記特許文献2と同様にして前記バルブバルブ101〜104,141〜144の開閉を切換制御することにより、前記ガス1,2の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック111,112を当該流通方向最上流側に位置させるように前記ガスボンベ130,160から前記スタック110に前記ガス1,2を最初に供給する前記サブスタック111,112を運転経過時間に対応して経時的に順次切り換える(図3,4参照)。   In such a polymer electrolyte fuel cell power generation system 100 (blowerless type) according to this embodiment, the control device 190 opens and closes the valve valves 101 to 104 and 141 to 144 in the same manner as in Patent Document 2. Is switched from the gas cylinders 130 and 160 to the stack 110 so that the sub stacks 111 and 112 located on the most downstream side in the flow direction of the gases 1 and 2 are positioned on the most upstream side in the flow direction. The sub stacks 111 and 112 to which the gases 1 and 2 are first supplied are sequentially switched over time corresponding to the operation elapsed time (see FIGS. 3 and 4).

これにより、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100においては、前記特許文献1,2と同様に、ブロア等を用いて前記ガス1,2を循環再利用しなくても、前記サブスタック111,112内に滞留している水3を当該サブスタック111,112内から排出しながら発電運転することができる。   Thereby, in the polymer electrolyte fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment, the gas 1 and 2 can be circulated and reused by using a blower or the like, as in the patent documents 1 and 2. The power generation operation can be performed while discharging the water 3 staying in the substacks 111 and 112 from the substacks 111 and 112.

このような発電運転を行っているときに、前記負荷Lからの要求電力量が短時間で急激に増加して、前記スタック110の電流変化速度が50A/μsを超えそうになると、前記電流変化速度抑制装置170は、当該スタック110の電流変化速度を50A/μs以下とするように抑制する。   When such a power generation operation is performed, if the required power amount from the load L increases rapidly in a short time and the current change rate of the stack 110 is likely to exceed 50 A / μs, the current change The speed suppression device 170 suppresses the current change speed of the stack 110 to 50 A / μs or less.

これにより、前記サブスタック111,112の内部の前記セル付近で前記ガス1,2が急峻に不足することを防止でき、当該セルの電極の劣化を抑制することができる。   Thereby, it is possible to prevent the gas 1 and 2 from being steeply short in the vicinity of the cell inside the sub stacks 111 and 112, and to suppress deterioration of the electrode of the cell.

このように前記電流変化速度抑制装置170が前記スタック110の電流変化速度を50A/μs以下に抑制した結果、前記負荷Lからの要求電力量を当該スタック110から供給できなくなる、すなわち、前記電圧計192の値が前記電圧計191の値よりも大きくなると、前記制御装置190は、当該電圧計191,192からの情報に基づいて、前記スイッチ181を「入」にするように当該スイッチ181を制御することにより、前記二次電池180と前記負荷Lとを接続する。これにより、前記二次電池180は、前記スタック110から前記負荷Lに対して供給される電力量で不足する電力量を当該負荷Lに対して補うように給電する。   Thus, as a result of the current change rate suppressing device 170 suppressing the current change rate of the stack 110 to 50 A / μs or less, the required power amount from the load L cannot be supplied from the stack 110, that is, the voltmeter When the value of 192 becomes larger than the value of the voltmeter 191, the control device 190 controls the switch 181 to turn on the switch 181 based on information from the voltmeters 191 and 192. By doing so, the secondary battery 180 and the load L are connected. Accordingly, the secondary battery 180 supplies power so as to compensate the load L for the amount of power that is insufficient from the amount of power supplied from the stack 110 to the load L.

そして、前記スタック110が前記負荷Lに対して前記要求電力量を供給できるようになる、すなわち、前記電圧計191の値が前記電圧計192の値と等しくなると、前記制御装置190は、当該電圧計191,192からの情報に基づいて、前記スイッチ181を「切」にするように当該スイッチ181を制御することにより、前記二次電池180と前記負荷Lとの接続を切断する。   When the stack 110 can supply the required power amount to the load L, that is, when the value of the voltmeter 191 becomes equal to the value of the voltmeter 192, the control device 190 Based on the information from the total 191, 192, the switch 181 is controlled to be “OFF”, thereby disconnecting the connection between the secondary battery 180 and the load L.

このようにして前記二次電池180が前記負荷Lに対して不足電力量を給電していって、当該二次電池180の充電量が規定値以下になる、すなわち、当該二次電池180の電圧が規定値以下になると、前記制御装置190は、前記電圧計193からの情報に基づいて、前記スイッチ181を「入」にするように当該スイッチ181を制御することにより、当該二次電池180と前記スタック110とを接続する。これにより、前記二次電池180は、前記スタック110から充電される。   In this way, the secondary battery 180 supplies insufficient power to the load L, and the amount of charge of the secondary battery 180 becomes a specified value or less, that is, the voltage of the secondary battery 180. Is less than a specified value, the control device 190 controls the switch 181 to turn on the switch 181 based on the information from the voltmeter 193, thereby The stack 110 is connected. Accordingly, the secondary battery 180 is charged from the stack 110.

そして、前記二次電池180の充電量が基準値に達する、すなわち、当該二次電池180の電圧が基準値に達すると、前記制御装置190は、前記電圧計193からの情報に基づいて、前記スイッチ181を「切」にするように当該スイッチ181を制御することにより、当該二次電池180と前記スタック110との接続を切断する。   Then, when the amount of charge of the secondary battery 180 reaches a reference value, that is, when the voltage of the secondary battery 180 reaches the reference value, the control device 190, based on the information from the voltmeter 193, the By controlling the switch 181 so that the switch 181 is turned off, the connection between the secondary battery 180 and the stack 110 is disconnected.

以下、上述した作動を繰り返すことにより、前記固体高分子形燃料電池発電システム100は、前記サブスタック111,112内の前記セルの電極の劣化を抑制しながら発電運転を継続することができる。   Hereinafter, by repeating the above-described operation, the polymer electrolyte fuel cell power generation system 100 can continue the power generation operation while suppressing deterioration of the electrodes of the cells in the substacks 111 and 112.

したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム100によれば、負荷Lからの要求電力量が短時間で急激に増加しても、セルの劣化を抑制することができる。   Therefore, according to the polymer electrolyte fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment, even if the required power amount from the load L increases rapidly in a short time, it is possible to suppress cell deterioration.

また、前記スタック110から前記負荷Lに対して供給される電力量で不足する電力量が前記二次電池180から当該負荷Lに対して補われるので、当該負荷Lからの要求電力量が短時間で急激に増加したときにセルの劣化を抑制しても、当該負荷Lに前記要求電力量を供給することができる。   In addition, since the amount of power that is insufficient from the amount of power supplied from the stack 110 to the load L is compensated for from the secondary battery 180 to the load L, the required power amount from the load L is short. Even if the deterioration of the cell is suppressed when it suddenly increases, the required power amount can be supplied to the load L.

また、前記二次電池180が充電不足になると、前記スタック110から充電されるので、前記負荷Lへの給電を継続しながら当該二次電池180の充電不足を解消することができる。   In addition, when the secondary battery 180 becomes insufficiently charged, the secondary battery 180 is charged from the stack 110, so that the insufficient charging of the secondary battery 180 can be solved while continuing to supply power to the load L.

ここで、前記電流変化速度抑制装置170は、前記スタック110(前記サブスタック111,112)の電流変化速度を50A/μs以下に抑制するものであるが、電流変化速度を15A/μs以下に抑制するものであると好ましく、電流変化速度を10A/μs以下に抑制するものであると特に好ましい。   Here, the current change rate suppression device 170 suppresses the current change rate of the stack 110 (the sub-stacks 111 and 112) to 50 A / μs or less, but suppresses the current change rate to 15 A / μs or less. It is preferable to suppress the current change rate, and it is particularly preferable to suppress the current change rate to 10 A / μs or less.

なぜなら、前記スタック110(前記サブスタック111,112)が、電流変化速度を50A/μs以下に抑制されると、300kPaG(400kPa)以上のガス流通経路内圧力で運転されているときに、電圧低下割合(当初電圧値に対する電流変化1000回後の電圧値の低下割合)を3%以下に抑制され、電流変化速度を15A/μs以下に抑制されると、少なくとも100kPaG(200kPa)以上のガス流通経路内圧力で運転されているときに、前記電圧低下割合を3%以下に抑制され、電流変化速度を10A/μs以下に抑制されると、少なくとも0kPaG(100kPa)以上のガス流通経路内圧力で運転されているときに、前記電圧低下割合をさらに1%以下に抑制されるからである。   This is because when the stack 110 (the sub-stacks 111 and 112) is operated at a pressure in the gas flow path of 300 kPaG (400 kPa) or more when the current change rate is suppressed to 50 A / μs or less, the voltage drops. When the ratio (decrease ratio of the voltage value after 1000 current changes with respect to the initial voltage value) is suppressed to 3% or less and the current change rate is suppressed to 15 A / μs or less, a gas flow path of at least 100 kPaG (200 kPa) or more When operating at internal pressure, when the voltage drop rate is suppressed to 3% or less and the current change rate is suppressed to 10 A / μs or less, the operation is performed at a pressure in the gas flow path of at least 0 kPaG (100 kPa) or more. This is because the voltage drop rate is further suppressed to 1% or less.

〈他の実施形態〉
なお、前述した実施形態では、燃料ガス供給手段として、濃度99%以上の水素ガス1を充填した水素ガスボンベ130を適用し、酸化ガス供給手段として、濃度99%以上の酸素ガス2を充填した酸素ガスボンベ160を適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、燃料ガス供給手段として、濃度99%以上の水素ガス1を発生させる水素ガス発生装置や、濃度99%以上の水素ガス1を製造する水素ガス製造装置等を適用することや、酸化ガス供給手段として、濃度99%以上の酸素ガス2を発生させる酸素ガス発生装置や、濃度99%以上の酸素ガス2を製造する酸素ガス製造装置等を適用することも可能である。
<Other embodiments>
In the above-described embodiment, the hydrogen gas cylinder 130 filled with hydrogen gas 1 having a concentration of 99% or more is applied as the fuel gas supply means, and oxygen filled with oxygen gas 2 having a concentration of 99% or more is used as the oxidizing gas supply means. Although the case where the gas cylinder 160 is applied has been described, as other embodiments, for example, as a fuel gas supply means, a hydrogen gas generator that generates a hydrogen gas 1 having a concentration of 99% or more, or a hydrogen gas 1 having a concentration of 99% or more. As an oxidizing gas supply means, an oxygen gas generator for generating oxygen gas 2 having a concentration of 99% or higher, or an oxygen gas for manufacturing oxygen gas 2 having a concentration of 99% or higher is used as an oxidizing gas supply means. It is also possible to apply a manufacturing apparatus or the like.

また、前述した各実施形態においては、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように2つの前記サブスタック111,112を接続した前記スタック110の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように3つ以上の前記サブスタックを接続したスタックの場合であっても、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができ、前述した実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。   Further, in each of the above-described embodiments, the case of the stack 110 in which the two sub-stacks 111 and 112 are connected so as to form a fuel gas flow path and an oxidizing gas flow path in a series loop shape has been described. The present invention is not limited to this, and other embodiments include, for example, a stack in which three or more sub-stacks are connected so that the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are in a series loop shape. However, it can be applied in the same manner as in the above-described embodiment, and the same effect as in the above-described embodiment can be obtained.

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、負荷からの要求電力量が短時間で急激に増加しても、サブスタックの内部のセル付近でガスが急峻に不足することを防止でき、セルの劣化を抑制することができるので、各種産業において、極めて有益に利用することができる。   The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention can prevent a shortage of gas near the cells inside the sub stack even if the required power amount from the load increases rapidly in a short time, Since cell deterioration can be suppressed, it can be used extremely beneficially in various industries.

1 水素ガス
2 酸素ガス
3 水
100 固体高分子形燃料電池発電システム
101〜104,141〜144 バルブ
110 スタック
111 第一のスタック
112 第二のスタック
121,122,151,152 ドレントラップ
130 水素ガスボンベ
160 酸素ガスボンベ
170 電流変化速度抑制装置
180 二次電池
181 スイッチ
190 制御装置
191〜193 電圧計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen gas 2 Oxygen gas 3 Water 100 Polymer electrolyte fuel cell power generation system 101-104, 141-144 Valve | bulb 110 Stack 111 1st stack 112 2nd stack 121,122,151,152 Drain trap 130 Hydrogen gas cylinder 160 Oxygen gas cylinder 170 Current change rate suppressing device 180 Secondary battery 181 Switch 190 Controller 191 to 193 Voltmeter

Claims (3)

燃料ガスの流通経路及び酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数のサブスタックを接続してスタックを構成し、燃料ガス供給手段を各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続すると共に、酸化ガス供給手段を各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続し、前記燃料ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックを当該燃料ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記燃料ガス供給手段から前記スタックに当該燃料ガスを最初に供給する前記サブスタックを経時的に順次切り換えると共に、前記酸化ガスの流通方向最下流側に位置する前記サブスタックを当該酸化ガスの流通方向最上流側に位置させるように前記酸化ガス供給手段から前記スタックに当該酸化ガスを最初に供給する前記サブスタックを経時的に順次切り換えながら、発電運転を行う固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記スタックに接続された負荷と当該スタックとの間に接続されて当該スタックの電流変化速度を50A/μs以下に抑制する電流変化速度抑制装置を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
A plurality of sub-stacks are connected to form a fuel gas flow path and an oxidizing gas flow path in a series loop, and a fuel gas supply means is connected to the fuel gas inlet of each sub-stack. In addition, the oxidizing gas supply means is connected to the oxidizing gas inlet of each of the sub-stacks so that the sub-stack located on the most downstream side in the fuel gas flow direction is positioned on the most upstream side in the fuel gas flow direction. The sub-stack that first supplies the fuel gas from the fuel gas supply means to the stack is sequentially switched over time, and the sub-stack located on the most downstream side in the flow direction of the oxidizing gas is passed through the flow of the oxidizing gas. The oxidizing gas supply means first supplies the oxidizing gas to the stack so as to be positioned on the most upstream side in the direction. While over time sequentially switched, in a solid polymer fuel cell power generation system which performs power generation operation,
A solid polymer fuel characterized by comprising a current change rate suppressing device connected between the load connected to the stack and the stack and suppressing the current change rate of the stack to 50 A / μs or less. Battery power generation system.
請求項1に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記スタックと並列となるように前記負荷に対して接続された二次電池と、
前記電流変化速度抑制装置からの前記負荷への供給電力量を計測する供給電力量計測手段と、
前記負荷の要求電力量を計測する要求電力量計測手段と、
前記供給電力量計測手段及び前記要求電力量計測手段からの情報に基づいて、前記負荷に前記要求電力量を供給するように前記スイッチを制御する制御手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to claim 1,
A secondary battery connected to the load so as to be in parallel with the stack;
Supply power amount measuring means for measuring the amount of power supplied to the load from the current change rate suppression device,
Required power amount measuring means for measuring the required power amount of the load;
And a control means for controlling the switch so as to supply the required power amount to the load based on information from the supplied power amount measuring means and the required power amount measuring means. Polymer fuel cell power generation system.
請求項2に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記二次電池の電力量を計測する二次電池電力量計測手段を備え、
前記制御手段が、前記二次電池電力量計測手段からの情報に基づいて、前記スタックから前記二次電池へ電力を供給するように前記スイッチを制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to claim 2,
A secondary battery energy measuring means for measuring the energy of the secondary battery;
The control means controls the switch so as to supply electric power from the stack to the secondary battery based on information from the secondary battery electric energy measuring means. Fuel cell power generation system.
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