JP4633403B2 - 燃料電池システム及びその起動・停止方法 - Google Patents
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Description
さらに、燃料ガス供給または酸化剤ガス供給と同時に燃料ガス流通路内の水または酸化剤ガス流通路内の水が取り除かれるため、供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスにより外部に排出される水の量を少なくすることができる。
さらに、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給時には、ガスが供給されていないもう一方のガス流通路は水で満たされており、スタック外部からのもう一方のガスの進入を防ぐことができる。
さらに、燃料ガス供給時には、酸化剤ガス流通路は負圧の冷却水が流れており、スタック外部からの未反応の酸素の進入を確実に防ぐことができる。
(1−1)構成
本実施形態の燃料電池システムは、図1に示したように、固体高分子型燃料電池スタック(以下、燃料電池スタックという)100と、この燃料電池スタック100に対して反応ガスを供給・排出するための燃料ガス供給手段111、酸化剤ガス供給手段121、燃料ガス排出手段118及び酸化剤ガス排出手段128を備え、また、冷却水タンク132から燃料電池スタック100に冷却水を供給するための冷却水供給手段131と、冷却水ポンプ134を含む冷却水排出手段133とを備えている。
燃料電池スタック100の起電部の周りには、ガス及び冷却水マニホールドが装着されており、それぞれ起電部のガス及び冷却水流通路と連通している。すなわち、起電部左側面には燃料入口マニホールド201が装着されており、点線で示した燃料ガス流通路103cと連通され、燃料電池起電部の燃料ガス流通路に燃料ガスを供給するように構成されている。
(1−2−1)発電運転停止の制御
次に、図4と図5を用いて、本実施形態の燃料電池システムにおける発電運転停止の制御フロー及び発電運転停止時の燃料電池スタックの電圧の変化について説明する。
まず、燃料電池スタックの起電力による発電電力を消費している外部負荷が切断されると、燃料電池スタックは無負荷、つまり燃料電池スタックの電圧が開路電圧Bに等しい状態になる。
以上で発電運転停止の制御は終了する。
続いて、図7及び図8を用いて本実施形態の起動の制御フロー及び起動時の燃料電池スタックの電圧の変化について説明する。
起動の制御は、停止の状態、つまりスタック電圧がEの状態で、図示しないコントローラにより開始される。最初に燃料供給源より燃料ガスが燃料電池スタック100に供給され、直後に冷却水ポンプ134が起動する。燃料ガスの供給により燃料ガス流通路103c内の水が押し出されるが、直後に冷却水ポンプ134を起動することにより、冷却水流通路107c内の冷却水が負圧になり、燃料ガス流通路103c及び酸化剤ガス流路104c内の水が、導電性多孔質材料を介して冷却水流通路107cへと取り除かれる。
上述した方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、図9の実線Aで示すような結果が得られた。また、従来の方法と比較するため、起動・停止時に両極を窒素ガスによりパージする方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、図9の点線Bで示すような結果が得られた。なお、図9は、スタック電圧と起動停止回数の関係を示した図である。
(2−1)構成
本実施形態の燃料電池システムは、上記第1実施形態の変形例であって、図10に示したように、冷却水バッファ135を取り除き、冷却水タンク132を燃料電池スタック100よりも高い位置に設置したものである。その他の構成は、上記第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
(2−2−1)発電運転停止の制御
本実施形態の燃料電池システムにおける発電運転停止の制御フロー図及び発電運転停止時の燃料電池スタックの電圧の変化は、上記第1実施形態と同様に、図4及び図5に示すようになる。
以上で発電運転停止の制御は終了する。
本実施形態の起動の制御フロー図及び発電運転停止時の燃料電池スタックの電圧の変化は、上記第1実施形態と同様に、図7及び図8に示すようになる。
最初に燃料供給源より燃料ガスが燃料電池スタック100に供給され、直後に冷却水ポンプ134が起動する。燃料ガスの供給により燃料ガス流通路103c内の水が押し出されるが、直後に冷却水ポンプ134を起動することにより、冷却水流通路107c内の冷却水が負圧になり、燃料ガス流通路103c及び酸化剤ガス流路104c内の水が、導電性多孔質材料を介して冷却水流通路107cへと取り除かれる。
本実施形態においても、上述した方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、第1実施形態と同様に、図9の実線Aで示すような結果が得られた。また、従来の方法と比較するため、起動・停止時に両極を窒素ガスによりパージする方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、図9の点線Bで示すような結果が得られた。このように、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、窒素ガスを用いずに窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることができることが分かった。
(3−1)構成
本実施形態の燃料電池システムは、上記第2実施形態の変形例であって、図12に示したように、冷却水供給手段131と酸化剤ガス排出手段128とを連通する第1の酸化剤ガス流通路水パージ手段(以下、第1の水パージ手段という)126aと、冷却水排出手段133と酸化剤ガス供給手段121とを連通する第2の酸化剤ガス流通路水パージ手段(以下、第2の水パージ手段という)126bとが設けられている。
(3−2−1)発電運転停止の制御
次に、図13と図14を用いて、本実施形態の燃料電池システムにおける発電運転停止の制御フロー及び発電運転停止時の燃料電池スタックの電圧の変化について説明する。
以上で発電運転停止の制御は終了する。
続いて、図17及び図18を用いて、本実施形態の起動の制御フロー及び起動時の燃料電池スタックの電圧の変化について説明する。
起動の制御は、停止の状態、つまりスタック電圧がEの状態で、図示しないコントローラにより開始される。最初に燃料供給源より燃料ガスが燃料電池スタック100に供給され、同時に冷却水ポンプ134が起動する。その結果、冷却水流通路107c及び酸化剤ガス流通路104c内の冷却水が負圧になり、並列に流れると共に、燃料ガス流通路103c内の水が、導電性多孔質材料を介して冷却水流通路107cへと取り除かれる。このように、冷却水ポンプの起動を燃料ガス供給と同時に行うことで、燃料ガスにより燃料ガス排出手段に押し出される水の量を少なくすることができる。
本実施形態においても、上述した方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、第1、第2実施形態と同様に、図9の実線Aで示すような結果が得られた。また、従来の方法と比較するため、起動・停止時に両極を窒素ガスによりパージする方法により、100回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べたところ、図9の点線Bで示すような結果が得られた。このように、本実施形態においても、第1、第2実施形態と同様に、窒素ガスを用いずに窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることができることが分かった。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、第3実施形態に示した冷却水供給・排出手段と酸化剤ガス供給・排出手段との間に設けた第1・第2の酸化剤ガス流通路水パージ手段に替えて、冷却水供給・排出手段と燃料ガス供給・排出手段との間に第1・第2の燃料ガス流通路水パージ手段を設けても良い。
101…単位電池
102…固体高分子膜
103…アノード電極
103a…アノード触媒層
103c…燃料ガス流通路
104…カソード電極
104a…カソード触媒層
104c…酸化剤ガス流通路
105…アノードセパレータ
106…カソードセパレータ
107c…冷却水流通路
108…膜電極複合体(MEA)
111…燃料ガス供給手段
118…燃料ガス排出手段
121…酸化剤ガス供給手段
122…酸化剤ガス供給弁
123…酸化剤ガス排出弁
126…酸化剤ガス流通路パージ手段
127…酸化剤ガス水パージ弁
128…酸化剤ガス排出手段
131…冷却水供給手段
132…冷却水タンク
133…冷却水排出手段
134…冷却水ポンプ
135…冷却水バッファ
Claims (8)
- 固体高分子電解質膜を挟持した2枚のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路のうち少なくともいずれか一方の流通路に対し導電性多孔質材料で隔離して設けた水流通路を有するセパレータとからなる単位電池を所定数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの燃料ガス流通路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス流通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックの水流通路に冷却水を供給する冷却水供給手段とからなる燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段を設け、
前記冷却水ポンプと前記冷却水供給手段の間に冷却水タンクを設け、
前記冷却水ポンプと前記燃料電池スタックの間に、前記冷却水タンクとは別に冷却水バッファを設け、
前記冷却水バッファを前記燃料電池スタックより高い位置に設置し、
該燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに冷却水ポンプを停止し、前記冷却水バッファ内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に供給するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。 - 固体高分子電解質膜を挟持した2枚のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路のうち少なくともいずれか一方の流通路に対し導電性多孔質材料で隔離して設けた水流通路を有するセパレータとからなる単位電池を所定数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの燃料ガス流通路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス流通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックの水流通路に冷却水を供給する冷却水供給手段とからなる燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段を設け、
前記冷却水ポンプと前記冷却水供給手段の間に冷却水タンクを設け、
前記冷却水タンクを前記燃料電池スタックよりも高い位置に設置し、
該燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに冷却水ポンプを停止し、前記冷却水タンク内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に供給するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。 - 固体高分子電解質膜を挟持した2枚のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路のうち少なくともいずれか一方の流通路に対し導電性多孔質材料で隔離して設けた水流通路を有するセパレータとからなる単位電池を所定数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの燃料ガス流通路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス流通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックの水流通路に冷却水を供給する冷却水供給手段とからなる燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段を設け、
前記冷却水供給手段と前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路を連通する第1のガス流通路パージ手段と、
前記冷却水排出手段と前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路を連通する第2のガス流通路パージ手段とを設け、
前記冷却水ポンプと前記冷却水供給手段の間に冷却水タンクを設け、
前記冷却水タンクを前記燃料電池スタックよりも高い位置に設置し、
該燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を停止するとともに、前記第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路に冷却水を供給するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。 - 該燃料電池システムの起動時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給すると同時に冷却水ポンプを起動して、燃料ガス流通路内の水または酸化剤ガス流通路内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記水流通路へ取り除くように構成したことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の燃料電池システム。
- 該燃料電池システムの起動時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給した後に冷却水ポンプを起動し、燃料ガス流通路内の水または酸化剤ガス流通路内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記水流通路へ取り除くように構成したことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の燃料電池システム。
- 該燃料電池システムの起動時に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給すると同時に冷却水ポンプを起動し、前記第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、冷却水を燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路のいずれか一方に供給するとともに、冷却水が供給されていない燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路内の水を、前記導電性多孔質材料を介して、前記水流通路へ取り除くように構成したことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
- 請求項3に記載の燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムの運転停止時に、酸化剤ガスの供給を停止するとともに、前記第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、前記酸化剤ガス流通路に冷却水を供給して水パージした後、燃料ガスの供給を停止し、その後に冷却水ポンプを停止するように制御し、
該燃料電池システムの起動時に、冷却水ポンプを起動し、前記第1のガス流通路パージ手段及び第2のガス流通路パージ手段を介して、冷却水を酸化剤ガス流通路に供給するとともに、燃料ガス流通路内の水を前記導電性多孔質材料を介して取り除くように制御することを特徴とする燃料電池システムの起動・停止方法。 - 請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムの運転停止時に、酸化剤ガスの供給を停止した後、燃料ガスの供給を停止し、その後に冷却水ポンプを停止するように制御し、
該燃料電池システムの起動時に、燃料ガスの供給を開始した後、冷却水ポンプを起動し、その後に酸化剤ガスの供給を開始するように制御することを特徴とする燃料電池システムの起動・停止方法。
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