JP2009211837A - Fuel cell and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池およびその運転方法に関し、特に閉鎖型燃料電池の停止方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell and a method for operating the same, and more particularly to a method for stopping a closed fuel cell.
一般に、定置用の燃料電池では、燃料系統を安全に除去するため、窒素等の不活性ガスを用いてパージして停止している。このパージ中には、未反応の燃料が含まれた燃料排ガスが系外に排出されるため、安全に排気できるベントラインが設けられている。
これに対して、宇宙機器や潜水艇といった狭窄な特殊環境では、燃料電池反応に使用された排ガスを外部へと放出できないため、排ガスを外部へと放出せずに循環利用する閉鎖型燃料電池が用いられる(特許文献1及び特許文献2参照)。
In general, stationary fuel cells are purged and stopped using an inert gas such as nitrogen in order to safely remove the fuel system. During this purging, since a fuel exhaust gas containing unreacted fuel is discharged out of the system, a vent line that can be safely exhausted is provided.
In contrast, in confined special environments such as space equipment and submersibles, the exhaust gas used in the fuel cell reaction cannot be released to the outside, so a closed type fuel cell that circulates and uses the exhaust gas without releasing it to the outside. Used (see Patent Document 1 and Patent Document 2).
このような閉鎖型燃料電池では、未反応の燃料が含まれた燃料排ガスを大気へと放出することができないため、燃料電池を停止した場合に系内に残存する燃料排ガスの処理が問題となる。 In such a closed type fuel cell, the fuel exhaust gas containing unreacted fuel cannot be released to the atmosphere. Therefore, when the fuel cell is stopped, the treatment of the fuel exhaust gas remaining in the system becomes a problem. .
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、閉鎖型燃料電池の停止動作時に系内に残存する燃料排ガスを処理することができる燃料電池およびその運転方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a fuel cell capable of treating fuel exhaust gas remaining in the system during a stop operation of a closed fuel cell, and an operating method thereof. Objective.
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池およびその運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる燃料電池は、燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池であって、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の前記停止動作の開始時における燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の前記停止動作の開始時における酸化剤残存量の比が、前記燃料と前記酸化剤との反応における当量比とされるように、前記燃料空間および/または前記酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つが設定されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the fuel cell and the operation method thereof of the present invention employ the following means.
That is, the fuel cell according to the present invention includes a fuel cell main body that generates power by using the fuel and the oxidant, and without stopping the fuel and the oxidant to the outside when stopping the power generation of the fuel cell main body. A fuel cell having a stop operation for stopping, wherein the remaining amount of fuel at the start of the stop operation in the fuel space that communicates with the fuel cell body and in which the fuel can exist, and communicates with the fuel cell body In addition, the fuel space and the oxidant remaining amount ratio at the start of the stop operation in the oxidant space where the oxidant can exist are set to the equivalent ratio in the reaction between the fuel and the oxidant. At least one of the volume, pressure and temperature of the oxidant space is set.
気体の状態方程式に従えば、燃料空間の容積や圧力、及びこれらの積は、燃料空間内の燃料残存量に比例する。また、燃料空間の温度は燃料空間内の燃料残存量に反比例する。同様に、酸化剤空間の容積や圧力、及びこれらの積は、酸化剤空間内の酸化剤残存量に比例し、酸化剤空間の温度は酸化剤残存量に反比例する。
したがって、燃料空間および/または酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つを適宜設定し、停止動作の開始時における燃料空間内の燃料残存量と、停止動作の開始時における酸化剤空間内の酸化剤残存量との比を、燃料と酸化剤との反応における当量比とすることとすれば、停止動作の開始時に燃料供給および酸化剤供給を停止させた場合、自己放電または外部負荷によって燃料空間中に存在する燃料と酸化剤空間中に存在する酸化剤とが反応し、当量比に従って燃料および酸化剤が消費されることになり、最終的には燃料および酸化剤がほぼ完全に消費されることになる。
According to the gas equation of state, the volume and pressure of the fuel space, and their product are proportional to the amount of fuel remaining in the fuel space. The temperature of the fuel space is inversely proportional to the amount of remaining fuel in the fuel space. Similarly, the volume and pressure of the oxidant space, and the product thereof are proportional to the amount of remaining oxidant in the oxidant space, and the temperature of the oxidant space is inversely proportional to the amount of remaining oxidant.
Therefore, at least one of the volume, pressure, and temperature of the fuel space and / or the oxidant space is appropriately set, and the remaining amount of fuel in the fuel space at the start of the stop operation and the oxidant space at the start of the stop operation If the fuel supply and the oxidant supply are stopped at the start of the stop operation, the ratio of the remaining amount of the oxidant to the remaining amount of the oxidant is determined by self-discharge or an external load. The fuel present in the fuel space and the oxidant present in the oxidant space react to consume the fuel and oxidant according to the equivalence ratio, and eventually the fuel and oxidant are almost completely consumed. Will be.
さらに、本発明の一態様における燃料電池では、前記停止動作時に、前記燃料空間および前記酸化剤空間の圧力を所定値に維持するように、不活性ガスを前記燃料空間および前記酸化剤空間に供給することを特徴とする。 Furthermore, in the fuel cell according to an aspect of the present invention, during the stop operation, an inert gas is supplied to the fuel space and the oxidant space so that the pressures of the fuel space and the oxidant space are maintained at predetermined values. It is characterized by doing.
停止動作時に不活性ガスを供給することによって、燃料空間および酸化剤空間の圧力を所定値に維持することとしたので、停止動作後は系内が置換された不活性ガスによって保圧されることになり、健全性が確保される。
なお、不活性ガスは発電運転時の圧力に維持されることが好ましい。このようにすれば、発電運転時と同じ圧力差の設計にてシール材を選定できるからである。
By supplying the inert gas during the stop operation, the pressure in the fuel space and the oxidant space is maintained at a predetermined value, so that after the stop operation, the system is maintained with the replaced inert gas. And soundness is ensured.
The inert gas is preferably maintained at the pressure during the power generation operation. This is because the sealing material can be selected with the same pressure difference design as in the power generation operation.
さらに、本発明の他の態様における燃料電池では、前記停止動作の開始時に、前記燃料空間および前記酸化剤空間を閉空間とし、これらの空間へのガスの供給を停止することを特徴とする。 Furthermore, in the fuel cell according to another aspect of the present invention, at the start of the stop operation, the fuel space and the oxidant space are closed, and supply of gas to these spaces is stopped.
停止動作の開始時に燃料空間および酸化剤空間を閉空間とし、これらの空間へのガスの供給を停止することにより、これら空間内に存在する燃料と酸化剤の反応によって圧力が低下し、最終的には不可避的に存在するガス(燃料および酸化剤内の不活性ガス等と空間内に存在する水分による水蒸気)の圧力まで反応が進行する。これにより、燃料空間および酸化剤空間は飽和蒸気圧以上の圧力にて維持されることになる。本発明によれば、パージのため又は保圧のための不活性ガスを保有する必要がなくなり、簡便な構成が実現される。 By closing the fuel space and the oxidant space at the start of the stop operation and stopping the gas supply to these spaces, the pressure decreases due to the reaction between the fuel and the oxidant existing in these spaces, and finally The reaction proceeds up to the pressure of gas inevitably present (inert gas in fuel and oxidant and water vapor due to moisture present in the space). As a result, the fuel space and the oxidant space are maintained at a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure. According to the present invention, it is not necessary to hold an inert gas for purging or holding pressure, and a simple configuration is realized.
さらに、本発明の他の態様における燃料電池では、前記停止動作の開始時に、前記燃料空間内および前記酸化剤空間内に所定圧力の不活性ガスが予め供給されていることを特徴とする。 Furthermore, the fuel cell according to another aspect of the present invention is characterized in that an inert gas having a predetermined pressure is supplied in advance into the fuel space and the oxidant space at the start of the stop operation.
停止動作時に燃料空間内および酸化剤空間内に所定圧力の不活性ガスが予め供給されているので、燃料および酸化剤が反応して消費された後には、燃料空間および酸化剤空間に所定圧力の不活性ガスが残されることになる。これにより、停止動作後は系内が所定圧力の不活性ガスによって保圧されることになり、健全性が確保される。
なお、不活性ガスの供給圧力としては、大気圧以上とされていることが好ましい。これにより、保圧されている系統のリークを容易に検知することができ、保全の際に好適である。
Since the inert gas having a predetermined pressure is supplied in advance into the fuel space and the oxidant space during the stop operation, after the fuel and the oxidant are reacted and consumed, the fuel space and the oxidant space have a predetermined pressure. Inert gas will be left behind. Thereby, after the stop operation, the inside of the system is held by an inert gas having a predetermined pressure, and soundness is ensured.
The supply pressure of the inert gas is preferably set to atmospheric pressure or higher. Thereby, the leak of the system | strain currently hold | maintained can be detected easily, and it is suitable in the case of maintenance.
さらに、上記の本発明の燃料電池では、前記不活性ガスは、発電運転を開始する際の起動時に、前記所定圧力にて供給されることを特徴とする。 Furthermore, in the fuel cell according to the present invention, the inert gas is supplied at the predetermined pressure at the time of start-up when starting the power generation operation.
起動時から所定圧力の不活性ガスが供給されるので、起動時、発電運転時、停止時にわたってほぼ同一圧力条件にて運転することができ、安定した運転を実現することができる。 Since an inert gas having a predetermined pressure is supplied from the time of start-up, it can be operated under substantially the same pressure condition during start-up, power generation operation, and stop, and stable operation can be realized.
また、本発明の燃料電池は、燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池であって、前記停止動作時に、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の酸化剤残存量との比が当量比となるように、前記燃料および/または前記酸化剤が前記燃料空間および/または前記酸化剤空間に供給されることを特徴とする。 The fuel cell of the present invention includes a fuel cell main body that generates power using fuel and an oxidant, and stops the fuel and the oxidant without discharging to the outside when stopping the power generation of the fuel cell main body. A fuel cell having a stop operation, wherein, during the stop operation, the remaining amount of fuel in a fuel space that communicates with the fuel cell body and in which the fuel can exist, and communicates with the fuel cell body and the oxidation The fuel and / or the oxidant is supplied to the fuel space and / or the oxidant space so that the ratio of the oxidant remaining amount in the oxidant space in which the oxidant can exist is an equivalent ratio. Features.
停止動作時に、燃料空間内の燃料残存量と、酸化剤空間内の酸化剤残存量との比を、燃料と酸化剤との反応における当量比となるように、前記燃料および/または前記酸化剤を前記燃料空間および/または前記酸化剤空間に供給することとしたので、自己放電または外部負荷によって燃料空間中に存在する燃料と酸化剤空間中に存在する酸化剤とが反応し、当量比に従って燃料および酸化剤が消費されることになり、最終的には燃料および酸化剤がほぼ完全に消費されることになる。 During the stop operation, the fuel and / or the oxidant is set so that the ratio of the remaining amount of fuel in the fuel space and the remaining amount of oxidant in the oxidant space becomes an equivalent ratio in the reaction between the fuel and the oxidant. Is supplied to the fuel space and / or the oxidant space, so that the fuel present in the fuel space reacts with the oxidant present in the oxidant space by self-discharge or external load, according to the equivalent ratio. The fuel and oxidant will be consumed, and eventually the fuel and oxidant will be almost completely consumed.
さらに、本発明の一態様における燃料電池によれば、前記燃料空間および前記酸化剤空間の圧力を所定値に維持するように、不活性ガスを前記燃料空間および前記酸化剤空間に供給することを特徴とする。 Furthermore, according to the fuel cell in one aspect of the present invention, the inert gas is supplied to the fuel space and the oxidant space so that the pressures of the fuel space and the oxidant space are maintained at predetermined values. Features.
停止動作時に不活性ガスを供給することによって、燃料空間および酸化剤空間の圧力を所定値に維持することとしたので、停止動作後は系内が置換された不活性ガスによって保圧されることになり、健全性が確保される。
なお、不活性ガスは発電運転時の圧力に維持されることが好ましい。このようにすれば、発電運転時と同じ圧力差の設計にてシール材を選定できるからである。
By supplying the inert gas during the stop operation, the pressure in the fuel space and the oxidant space is maintained at a predetermined value, so that after the stop operation, the system is maintained with the replaced inert gas. And soundness is ensured.
The inert gas is preferably maintained at the pressure during the power generation operation. This is because the sealing material can be selected with the same pressure difference design as in the power generation operation.
さらに、本発明の他の態様における燃料電池によれば、前記停止動作の開始時に、前記燃料空間または前記酸化剤空間を閉空間とし、前記当量比に照らして少ない方の前記燃料または前記酸化剤のみを供給することを特徴とする。 Furthermore, according to the fuel cell of another aspect of the present invention, at the start of the stop operation, the fuel space or the oxidant space is a closed space, and the smaller one of the fuel or the oxidant in light of the equivalent ratio It is characterized by supplying only.
停止動作の開始時に燃料空間または酸化剤空間を閉空間とし、当量比に照らして少ない方の燃料または酸化剤のみを供給することにより、これら空間内に存在する燃料と酸化剤の反応によって圧力が低下し、最終的には燃料および酸化剤の蒸気圧まで反応が進行する。これにより、燃料空間および酸化剤空間には飽和蒸気圧とされた燃料および酸化剤ならびに不可避的に存在するガスが負圧にて維持されることになる。本発明によれば、パージのため又は保圧のための不活性ガスを保有する必要がなくなり、簡便な構成が実現される。 By closing the fuel space or oxidant space at the start of the stop operation and supplying only the smaller fuel or oxidant in view of the equivalence ratio, the pressure is increased by the reaction between the fuel and oxidant existing in these spaces. The reaction proceeds to the vapor pressure of the fuel and oxidant. As a result, the fuel and oxidant and the unavoidably existing gas at the saturated vapor pressure are maintained in the fuel space and the oxidant space at negative pressure. According to the present invention, it is not necessary to hold an inert gas for purging or holding pressure, and a simple configuration is realized.
さらに、本発明の他の態様における燃料電池によれば、前記停止動作の開始時に、前記燃料空間内および前記酸化剤空間内に所定圧力の不活性ガスが予め供給されていることを特徴とする。 Furthermore, according to the fuel cell of another aspect of the present invention, an inert gas having a predetermined pressure is supplied in advance into the fuel space and the oxidant space at the start of the stop operation. .
停止動作の開始時に燃料空間内および酸化剤空間内に所定圧力の不活性ガスが予め供給されているので、燃料および酸化剤が反応して消費された後には、燃料空間および酸化剤空間に所定圧力の不活性ガスが残されることになる。これにより、停止動作後は系内が不活性ガスによって保圧されることになり、健全性が確保される。
なお、不活性ガスの供給圧力としては、大気圧以上とされていることが好ましい。これにより、保圧されている系統のリークを容易に検知することができ、保全の際に好適である。
Since an inert gas having a predetermined pressure is supplied in advance to the fuel space and the oxidant space at the start of the stop operation, after the fuel and the oxidant are reacted and consumed, the fuel space and the oxidant space are predetermined. An inert gas of pressure will be left behind. Thereby, after the stop operation, the inside of the system is held with an inert gas, and soundness is ensured.
The supply pressure of the inert gas is preferably set to atmospheric pressure or higher. Thereby, the leak of the system | strain currently hold | maintained can be detected easily, and it is suitable in the case of maintenance.
さらに、上記の本発明の燃料電池によれば、前記不活性ガスは、発電運転を開始する際の起動時に、前記所定圧力にて供給されることを特徴とする。 Furthermore, according to the fuel cell of the present invention described above, the inert gas is supplied at the predetermined pressure at the time of starting when the power generation operation is started.
起動時から所定圧力の不活性ガスが供給されるので、起動時、発電運転時、停止時にわたってほぼ同一圧力条件にて運転することができ、安定した運転を実現することができる。 Since an inert gas having a predetermined pressure is supplied from the time of start-up, it can be operated under substantially the same pressure condition during start-up, power generation operation, and stop, and stable operation can be realized.
また、本発明の燃料電池の運転方法は、燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の前記停止動作の開始時における燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の前記停止動作の開始時における酸化剤残存量の比が、前記燃料と前記酸化剤との反応における当量比とされるように、前記燃料空間および/または前記酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つを設定し、前記停止動作を行うことを特徴とする。 Further, the fuel cell operating method of the present invention includes a fuel cell main body that generates power with fuel and an oxidant, and discharges the fuel and the oxidant to the outside when the power generation of the fuel cell main body is stopped. An operation method of a fuel cell having a stop operation that stops without stopping, the remaining amount of fuel at the start of the stop operation in a fuel space that communicates with the fuel cell body and in which the fuel can exist, and the fuel The ratio of the remaining amount of oxidant at the start of the stop operation in the oxidant space that communicates with the battery body and in which the oxidant can be present is the equivalent ratio in the reaction between the fuel and the oxidant. The stop operation is performed by setting at least one of the volume, pressure and temperature of the fuel space and / or the oxidant space.
気体の状態方程式に従えば、燃料空間の容積や圧力、及びこれらの積は、燃料空間内の燃料残存量に比例する。また、燃料空間の温度は燃料空間内の燃料残存量に反比例する。同様に、酸化剤空間の容積や圧力、及びこれらの積は、酸化剤空間内の酸化剤残存量に比例し、酸化剤空間の温度は酸化剤残存量に反比例する。
したがって、燃料空間および/または酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つを適宜設定し、停止動作の開始時における燃料空間内の燃料残存量と、停止動作の開始時における酸化剤空間内の酸化剤残存量との比を、燃料と酸化剤との反応における当量比とすることとすれば、停止動作の開始時に燃料供給および酸化剤供給を停止させた場合、自己放電または外部負荷によって燃料空間中に存在する燃料と酸化剤空間中に存在する酸化剤とが反応し、当量比に従って燃料および酸化剤が消費されることになり、最終的には燃料および酸化剤がほぼ完全に消費されることになる。
According to the gas equation of state, the volume and pressure of the fuel space, and their product are proportional to the amount of fuel remaining in the fuel space. The temperature of the fuel space is inversely proportional to the amount of remaining fuel in the fuel space. Similarly, the volume and pressure of the oxidant space, and the product thereof are proportional to the amount of remaining oxidant in the oxidant space, and the temperature of the oxidant space is inversely proportional to the amount of remaining oxidant.
Therefore, at least one of the volume, pressure, and temperature of the fuel space and / or the oxidant space is appropriately set, and the remaining amount of fuel in the fuel space at the start of the stop operation and the oxidant space at the start of the stop operation If the fuel supply and the oxidant supply are stopped at the start of the stop operation, the ratio of the remaining amount of the oxidant to the remaining amount of the oxidant is determined by self-discharge or an external load. The fuel present in the fuel space and the oxidant present in the oxidant space react to consume the fuel and oxidant according to the equivalence ratio, and eventually the fuel and oxidant are almost completely consumed. Will be.
また、本発明の燃料電池の運転方法は、燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池の運転方法であって、前記停止動作時に、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の酸化剤残存量との比が当量比となるように、前記燃料および/または前記酸化剤を前記燃料空間および/または前記酸化剤空間に供給することを特徴とする。 Further, the fuel cell operating method of the present invention includes a fuel cell main body that generates power with fuel and an oxidant, and discharges the fuel and the oxidant to the outside when the power generation of the fuel cell main body is stopped. An operation method of a fuel cell having a stop operation that stops without stopping, the remaining amount of fuel in a fuel space that communicates with the fuel cell body and in which the fuel can exist during the stop operation, and the fuel cell body The fuel and / or the oxidant so that the ratio with the remaining amount of oxidant in the oxidant space where the oxidant can exist is equivalent to the fuel space and / or the oxidant space. It is characterized by supplying to.
停止動作時に、燃料空間内の燃料残存量と、酸化剤空間内の酸化剤残存量との比を、燃料と酸化剤との反応における当量比となるように、前記燃料および/または前記酸化剤を前記燃料空間および/または前記酸化剤空間に供給することとしたので、自己放電または外部負荷によって燃料空間中に存在する燃料と酸化剤空間中に存在する酸化剤とが反応し、当量比に従って燃料および酸化剤が消費されることになり、最終的には燃料および酸化剤がほぼ完全に消費されることになる。 During the stop operation, the fuel and / or the oxidant is set so that the ratio of the remaining amount of fuel in the fuel space and the remaining amount of oxidant in the oxidant space becomes an equivalent ratio in the reaction between the fuel and the oxidant. Is supplied to the fuel space and / or the oxidant space, so that the fuel present in the fuel space reacts with the oxidant present in the oxidant space by self-discharge or external load, according to the equivalent ratio. The fuel and oxidant will be consumed, and eventually the fuel and oxidant will be almost completely consumed.
なお、燃料及び酸化剤がほぼ完全に消費される本発明の運転方法を用いつつ、最終段階にて不活性ガスを少量流し、パージ用不活性ガス量を低減する方法としてもよい。 It is also possible to use a method of reducing the amount of inert gas for purging by flowing a small amount of inert gas at the final stage while using the operation method of the present invention in which fuel and oxidant are almost completely consumed.
本発明の燃料電池およびその運転方法によれば、燃料電池の停止動作時に系内に残存する燃料排ガスを外部へパージすることなく処理することができる。したがって、特に閉鎖型燃料電池に有効である。 According to the fuel cell and the operating method of the present invention, the fuel exhaust gas remaining in the system during the stop operation of the fuel cell can be processed without purging outside. Therefore, it is particularly effective for a closed fuel cell.
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1を用いて説明する。
図1には、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の概略が示されている。燃料電池としては、固体高分子形燃料電池(PEFC)が好適であるが、その形式は問わない。燃料電池は、宇宙機器や潜水的に用いられて好適な閉鎖型燃料電池となっている。すなわち、燃料電池スタックから排出されるオフガス及びオフガスから分離されるドレン水は燃料電池の外部へと放出されず、燃料電池のシステム内部で貯蔵されるようになっている。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 schematically shows a fuel cell according to an embodiment of the present invention. As the fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is suitable, but the type is not limited. The fuel cell is a closed fuel cell suitable for use in space equipment and diving. That is, the off gas discharged from the fuel cell stack and the drain water separated from the off gas are not discharged to the outside of the fuel cell, but are stored inside the fuel cell system.
燃料電池スタック(燃料電池本体)1には、水素ボンベ2から水素(燃料)が供給され、かつ、酸素ボンベ4から酸素(酸化剤)が供給されるようになっている。
水素ボンベ2と燃料電池スタック1との間には、水素加湿器6が設けられている。この水素加湿器6によって、水素は加湿された後に燃料電池スタック1へと導かれる。水素ボンベ2と水素加湿器6との間の配管には、水素ボンベ2側から順に、開閉弁8、圧力調節器9及び流量調整弁10が設けられている。これら開閉弁8、圧力調節器9及び流量調整弁10は、図示しない制御部によってその動作が制御されるようになっている。
水素加湿器6と燃料電池スタック1との間の配管には、水素圧力計12が設けられている。この水素圧力計12によって、燃料電池スタック1内の水素圧力が計測される。水素圧力計12の出力は、図示しない制御部へと送信される。
The fuel cell stack (fuel cell main body) 1 is supplied with hydrogen (fuel) from a
A
A
酸素ボンベ4と燃料電池スタック1との間には、酸素加湿器16が設けられている。この酸素加湿器16によって、酸素は加湿された後に燃料電池スタック1へと導かれる。酸素ボンベ4と酸素加湿器16との間の配管には、酸素ボンベ4側から順に、開閉弁18、圧力調節器19及び流量調整弁20が設けられている。これら開閉弁18、圧力調節器19及び流量調整弁20は、図示しない制御部によってその動作が制御されるようになっている。
酸素加湿器16と燃料電池スタック1との間の配管には、酸素圧力計22が設けられている。この酸素圧力計22によって、燃料電池スタック1内の酸素圧力が計測される。酸素圧力計22の出力は、図示しない制御部へと送信される。
An
An
燃料電池スタック1では、供給された水素と酸素によって電気化学反応による発電が行われ、発電電力は、図示しない外部負荷にて取り出されるようになっている。 In the fuel cell stack 1, power is generated by an electrochemical reaction using the supplied hydrogen and oxygen, and the generated power is taken out by an external load (not shown).
燃料電池スタック1から排出された水素ガス及び水蒸気を含む水素排ガス(オフガス)は、水素排ガス用気液分離器25へと導かれる。この水素排ガス用気液分離器25にて、水素排ガス中の水分が凝縮されドレン水として下方に貯留される。
水素排ガス用気液分離器25には、水素排気弁29が接続されている。この水素排気弁29は、水素が流れる系内に残存する不活性ガスや不純物を取り除く際に使用するものであり、起動時、定常運転時、停止動作時といった通常運転時には閉とされている。したがって、システム構成によっては水素排気弁29を廃止することができる。
水素排ガス用気液分離器25と水素加湿器6との間には、水素循環配管33が接続されている。この水素循環配管33の中途位置には、水素循環ブロワ35が設けられている。この水素循環ブロワ35によって、水素排ガス用気液分離器25中の気相部から水素ガスが取り出され、水素加湿器6へと導かれる。これにより、燃料電池スタック1にて未反応として排出された水素ガスを再び反応させるように循環させ、閉鎖型経路を構成している。
Hydrogen exhaust gas (off-gas) containing hydrogen gas and water vapor discharged from the fuel cell stack 1 is guided to the hydrogen exhaust gas-
A
A
燃料電池スタック1から排出された酸素及び水蒸気を含む酸素排ガス(オフガス)は、酸素排ガス用気液分離器27へと導かれる。この酸素排ガス用気液分離器27にて、酸素排ガス中の水分が凝縮されドレン水として下方に貯留される。
酸素排ガス用気液分離器27には、酸素排気弁31が接続されている。この酸素排気弁31は、酸素が流れる系内に残存する不活性ガスや不純物を取り除く際に使用するものであり、起動時、定常運転時、停止動作時といった通常運転には閉とされている。したがって、システム構成によっては酸素排気弁31を廃止することができる。
酸素排ガス用気液分離器27と酸素加湿器16との間には、酸素循環配管37が接続されている。この酸素循環配管37の中途位置には、酸素循環ブロワ39が設けられている。この酸素循環ブロワ39によって、酸素排ガス用気液分離器27中の気相部から酸素ガスが取り出され、酸素加湿器16へと導かれる。これにより、燃料電池スタック1にて未反応として排出された酸素ガスを再び反応させるように循環させ、閉鎖型経路を構成している。
Oxygen exhaust gas (off-gas) containing oxygen and water vapor discharged from the fuel cell stack 1 is guided to the oxygen exhaust gas-
An
An
燃料電池スタック1には、反応熱を除去して発電に適した所定温度を維持するために冷却水が供給されるようになっている。具体的には、循環冷却水タンク42から循環冷却水ポンプ44によって冷却水が燃料電池スタック1へと供給されるようになっている。燃料電池スタック1を冷却した後の冷却水は、冷却器46にて冷却された後に、循環冷却水タンク42に再び戻される。
Cooling water is supplied to the fuel cell stack 1 in order to remove reaction heat and maintain a predetermined temperature suitable for power generation. Specifically, cooling water is supplied from the circulating
窒素ボンベ48から、水素加湿器6及び酸素加湿器16の上流側へ、窒素ガスが供給されるようになっている。窒素ボンベ48から流出される窒素ガスは、開閉弁50を通り、分岐点52にて水素加湿器6側および酸素加湿器16側の2方向に分岐される。分岐点52から分岐されたそれぞれの流路には、圧力調節器54a,54b及び流量調整弁56a,56bが設けられている。開閉弁50,圧力調節器54a,54b及び流量調整弁56a,56bは、図示しない制御部によって制御されるようになっている。
Nitrogen gas is supplied from the
燃料電池スタック1に連通しかつ水素が存在し得る系内(以下「水素系統」という。)の容積(以下「水素系統容積」という。)と、燃料電池スタック1に連通しかつ酸素が存在し得る系内(以下「酸素系統」という。)の容積(以下「酸素系統容積」という。)との比は、水素と酸素の電気化学反応における当量比とされている。すなわち、水素2モルに対して酸素1モルが反応するので、水素系統容積と酸素系統容積との比は、2:1とされている。
水素系統容積は、水素ボンベ2下流側の開閉弁8から水素加湿器6までの配管容積、水素加湿器6の気相部の容積、水素加湿器6から燃料電池スタック1までの配管容積、燃料電池スタック1内の水素が流通する流路容積、燃料電池スタック1から水素排ガス用気液分離器25までの配管容積、水素排ガス用気液分離器25の気相部の容積、水素排ガス気液分離器25から水素加湿器6までの水素循環配管33の容積の合計に相当する。なお、弁の種類によっては、水素ボンベ2下流側の開閉弁8から水素加湿器6までの配管容積は、圧力調節器54aもしくは、流量調節弁56aから水素加湿器6までの容積となることがある。
酸素系統容積は、酸素ボンベ4下流側の開閉弁18から酸素加湿器16までの配管容積、酸素加湿器16の気相部の容積、酸素加湿器16から燃料電池スタック1までの配管容積、燃料電池スタック1内の酸素が流通する流路容積、燃料電池スタック1から酸素排ガス用気液分離器27までの配管容積、酸素排ガス用気液分離器27の気相部の容積、酸素排ガス気液分離器27から酸素加湿器16までの酸素循環配管37の容積の合計に相当する。なお、弁の種類によっては、酸素ボンベ4下流側の開閉弁18から酸素加湿器16までの配管容積は、圧力調節器54bもしくは、流量調節弁56bから酸素加湿器16までの容積となることがある。
A volume in the system (hereinafter referred to as “hydrogen system volume”) that communicates with the fuel cell stack 1 and in which hydrogen can exist (hereinafter referred to as “hydrogen system volume”), and communicates with the fuel cell stack 1 and oxygen exists. The ratio of the volume of the obtained system (hereinafter referred to as “oxygen system volume”) (hereinafter referred to as “oxygen system volume”) is the equivalent ratio in the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. That is, since 1 mol of oxygen reacts with 2 mol of hydrogen, the ratio of the hydrogen system volume to the oxygen system volume is set to 2: 1.
The hydrogen system volume is the pipe volume from the on-off
The oxygen system volume is the pipe volume from the on-off
次に、上記構成の燃料電池の動作について説明する。
発電運転時には、水素ボンベ2に接続された開閉弁8を開くとともに、圧力調節器9及び流量調整弁10を制御することによって所定の圧力および流量で水素を燃料電池スタック1に供給する。酸素についても同様に、酸素ボンベ4に接続された開閉弁18を開くとともに、圧力調節器19及び流量調整弁20を制御することによって所定の圧力および流量で燃料電池スタック1に供給する。窒素については、開閉弁18を閉めておき、燃料電池スタック1へは供給しない。
燃料電池スタック1に供給された水素および酸素は、図示しない固体高分子電解膜を通して電気化学反応を行い、図示しない外部負荷へと電力を出力する。反応時に発生する反応熱は、循環冷却水タンク42から循環冷却水ポンプ44によって供給された冷却水により除去される。これにより、燃料電池スタック1内の温度が反応に適した所定温度に維持される。
燃料電池スタック1内で反応を行った水素ガスは、反応時に発生する水蒸気と共に水素排ガスとして水素排ガス用気液分離器25へと導かれる。水素排ガス用気液分離器25では、水素排ガス中の水蒸気が凝縮されドレン水として下方に貯留される。水素排ガス用気液分離器25にて水分が除去された水素排ガスは、水素循環ブロワ35により誘引されることによって水素循環配管33を通り水素加湿器6へと導かれ、再利用される。なお、水素排ガス用気液分離器25に接続された水素排気弁29は、発電運転中では常時閉とされている。
一方、燃料電池スタック1内で反応を行った酸素ガスは、反応時に発生する水蒸気と共に酸素排ガスとして酸素排ガス用気液分離器27へと導かれる。酸素排ガス用気液分離器27では、酸素排ガス中の水蒸気が凝縮されドレン水として下方に貯留される。酸素排ガス用気液分離器27にて水分が除去された酸素排ガスは、酸素循環ブロワ39により誘引されることによって酸素循環配管37を通り酸素加湿器16へと導かれ、再利用される。なお、酸素排ガス用気液分離器27に接続された酸素排気弁31は、発電運転中では常時閉とされている。
発電運転時には、水素系統容積(定義については上記参照)と酸素系統容積(定義については上記参照)の圧力および温度はほぼ同等に保たれている。圧力については、水素圧力計12および酸素圧力計22の出力値をフィードバックすることによって、制御部が流量調整弁10,20を制御することで所望値に維持される。系統の圧力を維持するため、圧力が低下した場合には流量を増加させ、逆に圧力が増加した場合には流量を低下させる制御を行う。温度については、水素系統容積を構成する配管と、当該配管に対応する酸素系統を構成する配管とを同一の環境に配置する(例えば対応する配管同士を隣接して設置する。)ことによって所望値に維持される。
Next, the operation of the fuel cell having the above configuration will be described.
During the power generation operation, the on-off
Hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell stack 1 perform an electrochemical reaction through a solid polymer electrolyte membrane (not shown) and output electric power to an external load (not shown). The reaction heat generated during the reaction is removed by the cooling water supplied from the circulating
The hydrogen gas that has reacted in the fuel cell stack 1 is guided to the hydrogen exhaust gas-
On the other hand, the oxygen gas that has reacted in the fuel cell stack 1 is guided to the gas /
During power generation operation, the pressure and temperature of the hydrogen system volume (see above for definition) and the oxygen system volume (see above for definition) are kept approximately equal. The pressure is maintained at a desired value by controlling the flow
発電を停止させる停止動作は以下のように行われる。
図示しない停止指令が制御部に入力されると、停止動作が開始され、制御部からの指令によって水素側の開閉弁8及び酸素側の開閉弁18、もしくは圧力調整器9,19、もしくは流量調節弁10,20が閉とされ、水素および酸素の供給が停止される。両開閉弁8,18が閉とされることによって、もしくは圧力調整器9,19、もしくは流量調節弁10,20が閉とされることによって、水素系統および酸素系統が閉空間とされる。
停止動作時には、燃料電池スタック1に外部負荷が接続されていなくても、燃料電池スタック1の自己放電によって水素および酸素が消費される。したがって、水素および酸素が消費されるにしたがい、水素系統および酸素系統の圧力が低下する。この圧力の低下分を補うように、窒素ボンベ48から窒素ガスを供給する。具体的には、停止動作開始時の圧力を維持するように、水素圧力計12及び酸素圧力計22からの出力値に基づいて、制御部は、窒素ガス側の開閉弁50を開くと共に、圧力調節器54a,54b及び流量調整弁56a,56bを制御する。
本実施形態では、水素系統容積と酸素系統容積との比が、水素と酸素の電気化学反応における当量比、すなわち2:1とされており、停止動作開始時の圧力および温度が両系統に対して同等とされているので、基本的に、両系統の圧力低下速度は同等とされる。したがって、水素圧力計12または酸素圧力計22のいずれか一方を用いて制御することとしても良い。
The stop operation for stopping power generation is performed as follows.
When a stop command (not shown) is input to the control unit, the stop operation is started, and the hydrogen-side on-off
During the stop operation, hydrogen and oxygen are consumed by the self-discharge of the fuel cell stack 1 even if no external load is connected to the fuel cell stack 1. Accordingly, as hydrogen and oxygen are consumed, the pressure in the hydrogen system and oxygen system decreases. Nitrogen gas is supplied from the
In this embodiment, the ratio of the hydrogen system volume to the oxygen system volume is set to the equivalent ratio in the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, that is, 2: 1, and the pressure and temperature at the start of the stop operation are the same for both systems. Therefore, basically, the pressure drop rates of both systems are the same. Therefore, control may be performed using either the
このように、水素および酸素の消費にともない窒素ガスを供給することとし、最終的には、水素系統および酸素系統が窒素ガスで置換されることになる。特に、本実施形態では、水素系統容積と酸素系統容積との比を当量比とし、停止動作開始時の圧力および温度が両系統に対して同等としたので、停止動作開始時に閉空間とした水素系統および酸素系統に存在する水素および酸素の残存量が当量比とされる。したがって、停止動作時に水素ボンベ2および酸素ボンベ4から水素や酸素を供給せずに、ほぼ同時に水素および酸素を消費することができる。したがって、水素系統および酸素系統を窒素等の不活性ガスでパージする必要がなく、本実施形態のような閉鎖型燃料電池に適した停止動作が実現される。
また、本実施形態によれば、停止動作終了後には、水素系統および酸素系統が所定圧力(本実施形態では発電運転時の圧力となる停止動作開始時の圧力)の窒素ガスで置換されることになる(いわゆる保圧停止)ので、系内の健全性を確保することができる。
Thus, nitrogen gas is supplied as hydrogen and oxygen are consumed, and eventually the hydrogen system and the oxygen system are replaced with nitrogen gas. In particular, in this embodiment, the ratio between the hydrogen system volume and the oxygen system volume is the equivalent ratio, and the pressure and temperature at the start of the stop operation are the same for both systems. The remaining amount of hydrogen and oxygen present in the system and the oxygen system is defined as the equivalent ratio. Therefore, hydrogen and oxygen can be consumed almost simultaneously without supplying hydrogen and oxygen from the
Further, according to the present embodiment, after the stop operation, the hydrogen system and the oxygen system are replaced with nitrogen gas at a predetermined pressure (in this embodiment, the pressure at the start of the stop operation that is the pressure during the power generation operation). (So-called pressure holding stop), the soundness in the system can be secured.
なお、本実施形態では、水素系統容積および酸素系統容積を当量比とし、停止動作開始時の圧力及び温度を同等としたが、停止動作を開始したときに水素系統および酸素系統の水素および酸素の残存量が当量比とされていれば、本実施形態と同等の停止動作を行うことができる。例えば、水素系統容積および酸素系統容積を同一とし、停止動作開始時の両容積の温度を同一としておき、停止動作開始時における水素系統の圧力を酸素系統の2倍としておけば良い。或いは、水素系統または酸素系統の温度をヒータ等によって調整し、水素または酸素の残存量を当量比となるように調整しても良い。
また、本実施形態では、自己放電によって水素および酸素を消費することとしたが、これに代えて、外部負荷を制御することによって残存する水素および酸素を消費することとしてもよい。このようにすれば、短時間で水素および酸素を消費することができ、停止動作を短縮化することができる。
In the present embodiment, the hydrogen system volume and the oxygen system volume are equivalent ratios, and the pressure and temperature at the start of the stop operation are made equal, but when the stop operation is started, the hydrogen and oxygen of the hydrogen system and the oxygen system are If the remaining amount is set to an equivalent ratio, a stop operation equivalent to this embodiment can be performed. For example, the hydrogen system volume and the oxygen system volume may be the same, the temperatures of both volumes at the start of the stop operation may be the same, and the hydrogen system pressure at the start of the stop operation may be twice that of the oxygen system. Alternatively, the temperature of the hydrogen system or the oxygen system may be adjusted with a heater or the like, and the remaining amount of hydrogen or oxygen may be adjusted to an equivalent ratio.
Further, in this embodiment, hydrogen and oxygen are consumed by self-discharge, but instead of this, remaining hydrogen and oxygen may be consumed by controlling an external load. In this way, hydrogen and oxygen can be consumed in a short time, and the stopping operation can be shortened.
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について、図1を用いて説明する。
本実施形態は、第1実施形態と同様に、停止動作終了後に発電運転時と同等の圧力で窒素ガス(不活性ガス)を水素系統および酸素系統に張り込ませる点(いわゆる保圧停止)で共通する。しかし、第1実施形態では、水素系統容積と酸素系統容積との比を例えば当量比である2:1とし、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量とが当量比となるように設定されていたのに対し、本実施形態では、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量が当量比とされていない場合の停止方法に関するものである。
本実施形態では、水素系統の水素残存量と、酸素系統の酸素残存量を演算する演算手段が制御部に設けられている。この演算手段は、停止動作開始時に、水素および酸素の供給流量、水素系統容積、酸素系統容積、圧力、温度等から水素および酸素の残存量を所定の時間間隔で演算する。
その他の構成については第1実施形態と同様なので、各構成の説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This embodiment is similar to the first embodiment in that nitrogen gas (inert gas) is inserted into the hydrogen system and oxygen system at a pressure equivalent to that during power generation operation after the stop operation ends (so-called pressure holding stop). Common. However, in the first embodiment, the ratio of the hydrogen system volume to the oxygen system volume is set to, for example, the equivalent ratio of 2: 1, and the hydrogen residual amount and the oxygen residual amount are set to the equivalent ratio at the start of the stop operation. In contrast, the present embodiment relates to a stopping method when the hydrogen remaining amount and the oxygen remaining amount are not set to the equivalent ratio at the start of the stopping operation.
In the present embodiment, the control unit is provided with calculation means for calculating the hydrogen residual amount of the hydrogen system and the oxygen residual amount of the oxygen system. This calculating means calculates the remaining amount of hydrogen and oxygen at predetermined time intervals from the supply flow rate of hydrogen and oxygen, the hydrogen system volume, the oxygen system volume, pressure, temperature, and the like at the start of the stop operation.
Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description of each configuration is omitted.
本実施形態における停止動作は以下のように行われる。
図示しない停止指令が制御部に入力されると、停止動作が開始され、制御部は、現在における水素系統の水素残存量と酸素系統の酸素残存量を水素系統容積、酸素系統容積、圧力、温度等から演算し、当量比に対していずれの量が少ないかを判断する。例えば、現在の水素残存量と酸素残存量との比が1:1の場合には、当量比に対して水素が少ないと判断し、現在の水素残存量と酸素残存量との比が3:1の場合には、当量比に対して酸素が少ないと判断する。そして、当量比に対して残存量が少ないと判断された方の開閉弁8,18は閉じずに、当量比に対して存在量が多いと判断された開閉弁18,8のみを閉じる動作を行う。
The stop operation in the present embodiment is performed as follows.
When a stop command (not shown) is input to the control unit, the stop operation is started, and the control unit calculates the hydrogen remaining amount of the hydrogen system and the oxygen remaining amount of the oxygen system at present, the hydrogen system volume, oxygen system volume, pressure, temperature. From the above, it is determined which amount is smaller than the equivalent ratio. For example, when the ratio of the current hydrogen residual amount to the oxygen residual amount is 1: 1, it is determined that there is less hydrogen than the equivalent ratio, and the ratio of the current hydrogen residual amount to the oxygen residual amount is 3: In the case of 1, it is judged that there is little oxygen with respect to an equivalent ratio. Then, the opening /
圧力調節器54a,54b及び流量調整弁56a,56b
以下では、説明の容易のために、停止動作開始時の水素残存量と酸素残存量との比が1:1の場合、すなわち水素の残存量が当量比に対して酸素よりも少ない場合について説明する。
この場合には、図2に示すように、当量比に対して水素が少ないので、水素側の開閉弁8は開けたままで水素を流し続ける(時刻T0)。一方、酸素は当量比に対して水素よりも多いので、酸素側の開閉弁18を閉じ、酸素の供給を停止する。そして、窒素ボンベ48に接続された開閉弁50を開き、酸素系統へと窒素ガスを供給する。酸素系統へ供給する窒素ガスの量は、酸素の消費量に対応させて停止動作開始時の圧力を維持するように、圧力調節器54b及び流量調整弁56bを制御する。一方、水素側の圧力調節器54a及び流量調整弁56aは閉じられ水素系統へは窒素ガスが供給されない。
燃料電池スタック1の自己放電等によって水素および酸素が当量比に従って消費されていく。制御部では、停止動作開始時の酸素残存量から導かれる当量比に対して足りない水素量を演算しておき、それに見合う水素量が供給されるまで、水素側の開閉弁8を開いたままで、圧力調節器9及び流量調整弁10の制御を行う。酸素に対して足りない量の水素が供給されると、制御部の指示によって開閉弁8が閉とされる(図2の時刻T1参照)。時刻T1以降、水素は燃料電池スタック1へ供給されない。これと同時に、窒素ガスを水素系統へと供給するための圧力調節器54a及び流量調整弁56aが開き、窒素ガスの供給が開始される。この窒素ガスの供給量は、水素圧力計からの圧力をフィードバックしながら所定圧力を維持するように行われる。
以降の動作は第1実施形態と同様に、水素および酸素の消費にともない窒素ガスを供給する。そして、最終的には、水素系統および酸素系統が窒素ガスで置換される。
In the following, for ease of explanation, the case where the ratio of the remaining hydrogen amount to the remaining oxygen amount at the start of the stop operation is 1: 1, that is, the case where the remaining hydrogen amount is less than oxygen with respect to the equivalent ratio will be described. To do.
In this case, as shown in FIG. 2, since there is little hydrogen with respect to the equivalent ratio, hydrogen continues to flow with the on-off
Hydrogen and oxygen are consumed according to the equivalence ratio by the self-discharge of the fuel cell stack 1 or the like. The control unit calculates a hydrogen amount that is insufficient with respect to the equivalent ratio derived from the oxygen remaining amount at the start of the stop operation, and keeps the hydrogen-side on-off
In the subsequent operation, as in the first embodiment, nitrogen gas is supplied as hydrogen and oxygen are consumed. Finally, the hydrogen system and the oxygen system are replaced with nitrogen gas.
本実施形態では、第1実施形態のように停止動作時に当量比にて水素および酸素を残存させておく必要がなく、停止動作時に残存量を調整しながら停止させることができるので、柔軟性に富む運用を行うことができるという有利点がある。 In this embodiment, it is not necessary to leave hydrogen and oxygen at an equivalent ratio during the stop operation as in the first embodiment, and it is possible to stop while adjusting the remaining amount during the stop operation. There is an advantage that a rich operation can be performed.
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態について、図1を用いて説明する。
本実施形態は、第1実施形態と同様に、停止動作開始時に水素および酸素の残存量を当量比となるように設定しておくという点で共通する。しかし、発電開始前に加圧状態で窒素ガス(不活性ガス)を張り込ませておくという点(いわゆる加圧不活性ガス張り込み)で異なる。
その他の構成については第1実施形態と同様なので、各構成の説明は省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
Similar to the first embodiment, the present embodiment is common in that the remaining amounts of hydrogen and oxygen are set to have an equivalent ratio at the start of the stop operation. However, it is different in that nitrogen gas (inert gas) is put in a pressurized state before the start of power generation (so-called pressurized inert gas filling).
Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description of each configuration is omitted.
本実施形態では、燃料電池の起動時に、正圧の窒素ガスを水素系統および酸素系統に供給しておき、さらに水素および酸素を供給することによって起動を開始する。例えば、150kPaの窒素ガスを水素系統および酸素系統に供給した後に、400kPaの水素および酸素を供給する。この場合には、水素濃度および酸素濃度は60%強程度となる。この状態にて、発電運転を行う。 In the present embodiment, when the fuel cell is started, positive pressure nitrogen gas is supplied to the hydrogen system and the oxygen system, and the start is further started by supplying hydrogen and oxygen. For example, after supplying 150 kPa of nitrogen gas to the hydrogen system and the oxygen system, 400 kPa of hydrogen and oxygen are supplied. In this case, the hydrogen concentration and oxygen concentration are about 60%. In this state, power generation operation is performed.
停止動作時には、第1実施形態と同様に、水素および酸素の残存量が当量比とされているため、水素および酸素を追加して供給せずに、残存する水素および酸素の消費にしたがって放置する。そして、水素および酸素がほぼ全て消費されると、水素系統および酸素系統は起動時に供給しておいた150kPaの窒素ガスで加圧保持された状態となる。
このように、本実施形態によれば、発電前に不活性ガスである窒素を存在させておくことによって、停止動作終了後に、新たに窒素を供給することなく水素系統および酸素系統が窒素だけになり、更に加圧状態とされているので、系統のリークも容易に検知することができ、簡便に保全を行うことができる。
During the stop operation, as in the first embodiment, the remaining amounts of hydrogen and oxygen are set to an equivalent ratio, so that the hydrogen and oxygen are not supplied additionally, and are left in accordance with the consumption of the remaining hydrogen and oxygen. . When almost all of the hydrogen and oxygen are consumed, the hydrogen system and oxygen system are kept pressurized with the 150 kPa nitrogen gas supplied at startup.
As described above, according to the present embodiment, by allowing nitrogen, which is an inert gas, to exist before power generation, the hydrogen system and the oxygen system can be changed to nitrogen without supplying new nitrogen after the stop operation. Furthermore, since it is in a pressurized state, a leak in the system can be easily detected, and maintenance can be easily performed.
なお、第1実施形態にて説明したように、停止動作を開始したときに水素系統および酸素系統の水素および酸素の残存量が当量比とされていれば良く、圧力や温度を制御することによって水素および酸素の残存量を当量比としても良い。 As described in the first embodiment, it is sufficient that the hydrogen and oxygen remaining amounts in the hydrogen system and the oxygen system are set to an equivalent ratio when the stop operation is started, and by controlling the pressure and temperature. The remaining amount of hydrogen and oxygen may be equivalent ratio.
[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態について、図1を用いて説明する。
本実施形態は、第3実施形態と同様に、発電開始前に加圧状態で窒素ガス(不活性ガス)を水素系統および酸素系統に張り込ませる点(いわゆる加圧不活性ガス張り込み)で共通する。しかし、第3実施形態では、水素系統容積と酸素系統容積との比を例えば当量比である2:1とし、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量とが当量比となるように設定されていたのに対し、本実施形態では、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量が当量比とされていない場合の停止方法に関するものである。この点で、第1実施形態と第2実施形態との関係が、第3実施形態と本実施形態との関係に相当する。
本実施形態では、第2実施形態と同様に、水素系統の水素残存量と、酸素系統の酸素残存量を演算する演算手段が制御部に設けられている。この演算手段は、停止動作開始時に、水素および酸素の供給流量、水素系統容積、酸素系統容積、圧力、温度等から水素および酸素の残存量を所定の時間間隔で演算する。
その他の構成については第3実施形態と同様なので、各構成の説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
Similar to the third embodiment, this embodiment is common in that nitrogen gas (inert gas) is put in a hydrogen system and an oxygen system in a pressurized state before the start of power generation (so-called pressurized inert gas filling). To do. However, in the third embodiment, the ratio of the hydrogen system volume to the oxygen system volume is set to, for example, the equivalent ratio of 2: 1, and the hydrogen residual amount and the oxygen residual amount are set to the equivalent ratio at the start of the stop operation. In contrast, the present embodiment relates to a stopping method when the hydrogen remaining amount and the oxygen remaining amount are not set to the equivalent ratio at the start of the stopping operation. In this respect, the relationship between the first embodiment and the second embodiment corresponds to the relationship between the third embodiment and the present embodiment.
In the present embodiment, as in the second embodiment, the control unit is provided with computing means for computing the hydrogen remaining amount of the hydrogen system and the oxygen remaining amount of the oxygen system. This calculating means calculates the remaining amount of hydrogen and oxygen at predetermined time intervals from the supply flow rate of hydrogen and oxygen, the hydrogen system volume, the oxygen system volume, pressure, temperature, and the like at the start of the stop operation.
Since other configurations are the same as those of the third embodiment, description of each configuration is omitted.
本実施形態における停止動作は、第2実施形態と同様に、酸素および水素の残存量を得て、当量比に対して少ない方のガスを供給しつつける一方で、他方のガスの供給を停止する。そして、停止動作終了後には、水素および酸素が消費されて、水素系統および酸素系統が起動時に供給しておいた窒素ガスで加圧保持された状態となる。
本実施形態では、第3実施形態のように停止動作時に当量比にて水素および酸素を残存させておく必要がなく、停止動作時に残存量を調整しながら停止させることができるので、柔軟性に富む運用を行うことができるという有利点がある。
As in the second embodiment, the stop operation in the present embodiment obtains the remaining amounts of oxygen and hydrogen and continues to supply the smaller gas with respect to the equivalent ratio while stopping the supply of the other gas. To do. After the stop operation is completed, hydrogen and oxygen are consumed, and the hydrogen system and the oxygen system are kept pressurized with the nitrogen gas supplied at the time of startup.
In the present embodiment, it is not necessary to leave hydrogen and oxygen at an equivalent ratio during the stop operation as in the third embodiment, and it can be stopped while adjusting the remaining amount during the stop operation. There is an advantage that a rich operation can be performed.
[第5実施形態]
次に、本発明の第5実施形態について、図3を用いて説明する。
図3には、本実施形態にかかる燃料電池の概略構成が示されている。図3は、第1実施形態にて示した図1に対して、窒素ボンベ48から窒素が供給される系統が廃止されている点で異なる、その他の構成については同様である。したがって、共通する構成について同一符号を付し、その説明を省略する。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 shows a schematic configuration of the fuel cell according to the present embodiment. FIG. 3 is the same as FIG. 1 shown in the first embodiment, except that the system to which nitrogen is supplied from the
発電を停止させる停止動作は以下のように行われる。
本実施形態は、水素および酸素が消費されても上記各実施形態のように窒素ガスを供給することなく、水素および酸素の反応によって圧力を低下させ、最終的には飽和蒸気圧程度まで減圧して、大気圧よりも低い圧力である負圧状態にて停止するものである(いわゆる蒸気圧停止)。
図示しない停止指令が制御部に入力されると、停止動作が開始され、制御部からの指令によって水素側の開閉弁8及び酸素側の開閉弁18が閉とされ、水素および酸素の供給が停止される。開閉弁8,18が閉とされることによって、水素系統および酸素系統が閉空間とされる。
燃料電池スタック1の自己放電によって水素および酸素が消費され、水素系統および酸素系統の圧力が低下する。
本実施形態では、第1実施形態と同様に、水素系統容積と酸素系統容積との比が当量比とされており、停止動作開始時の圧力および温度が両容積に対して同等とされているので、基本的に、両容積の圧力低下速度は同等とされる。したがって、最終的には、水素系統および酸素系統は飽和蒸気圧程度となる。なお、系内には不可避的な不純物ガスが含まれている場合もあり、その場合には、水素および酸素の飽和蒸気圧以上の圧力で停止する。
このように、本実施形態によれば、第1実施形態乃至第4実施形態のように、窒素ボンベや窒素ガス供給ラインを設ける必要がないので、簡便な構成を実現することができる。
The stop operation for stopping power generation is performed as follows.
In this embodiment, even if hydrogen and oxygen are consumed, the pressure is reduced by the reaction of hydrogen and oxygen without supplying nitrogen gas as in the above embodiments, and finally the pressure is reduced to about the saturated vapor pressure. Thus, the operation is stopped in a negative pressure state that is lower than the atmospheric pressure (so-called vapor pressure stop).
When a stop command (not shown) is input to the control unit, the stop operation is started, and the hydrogen side on-off
Hydrogen and oxygen are consumed by the self-discharge of the fuel cell stack 1, and the pressure of the hydrogen system and the oxygen system decreases.
In the present embodiment, as in the first embodiment, the ratio between the hydrogen system volume and the oxygen system volume is the equivalent ratio, and the pressure and temperature at the start of the stop operation are the same for both volumes. Therefore, basically, the pressure drop rates of both volumes are equivalent. Therefore, in the end, the hydrogen system and the oxygen system are about saturated vapor pressure. In addition, inevitable impurity gas may be contained in the system, and in that case, the system is stopped at a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure of hydrogen and oxygen.
Thus, according to this embodiment, unlike the first to fourth embodiments, it is not necessary to provide a nitrogen cylinder or a nitrogen gas supply line, so that a simple configuration can be realized.
なお、第1実施形態にて説明したように、停止動作を開始したときに水素系統および酸素系統の水素および酸素の残存量が当量比とされていれば良く、圧力や温度を制御することによって水素および酸素の残存量を当量比としても良い。 As described in the first embodiment, it is sufficient that the hydrogen and oxygen remaining amounts in the hydrogen system and the oxygen system are set to an equivalent ratio when the stop operation is started, and by controlling the pressure and temperature. The remaining amount of hydrogen and oxygen may be equivalent ratio.
[第6実施形態]
次に、本発明の第6実施形態について、図3を用いて説明する。
本実施形態は、第5実施形態と同様に、停止動作終了後に飽和蒸気圧程度で系内を保持する点(いわゆる蒸気圧停止)で共通する。しかし、第5実施形態では、水素系統容積と酸素系統容積との比を例えば当量比である2:1とし、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量とが当量比となるように設定されていたのに対し、本実施形態では、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量が当量比とされていない場合の停止方法に関するものである。この点で、第1実施形態と第2実施形態との関係や、第3実施形態と第4実施形態との関係が、第5施形態と本実施形態との関係に相当する。
本実施形態では、第2実施形態や第4実施形態と同様に、水素系統の水素残存量と、酸素系統の酸素残存量を演算する演算手段が制御部に設けられている。この演算手段は、停止動作開始時に、水素および酸素の供給流量、水素系統容積、酸素系統容積、圧力、温度等から水素および酸素の残存量を所定の時間間隔で演算する。
その他の構成については第5実施形態と同様なので、各構成の説明は省略する。
[Sixth Embodiment]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
Similar to the fifth embodiment, the present embodiment is common in that the system is maintained at about the saturated vapor pressure after the stop operation is completed (so-called vapor pressure stop). However, in the fifth embodiment, the ratio of the hydrogen system volume to the oxygen system volume is set to, for example, the equivalent ratio of 2: 1, and the hydrogen residual amount and the oxygen residual amount are set to the equivalent ratio at the start of the stop operation. In contrast, the present embodiment relates to a stopping method when the hydrogen remaining amount and the oxygen remaining amount are not set to the equivalent ratio at the start of the stopping operation. In this respect, the relationship between the first embodiment and the second embodiment and the relationship between the third embodiment and the fourth embodiment correspond to the relationship between the fifth embodiment and the present embodiment.
In the present embodiment, as in the second and fourth embodiments, the control unit is provided with calculation means for calculating the hydrogen remaining amount of the hydrogen system and the oxygen remaining amount of the oxygen system. This calculating means calculates the remaining amount of hydrogen and oxygen at predetermined time intervals from the supply flow rate of hydrogen and oxygen, the hydrogen system volume, the oxygen system volume, pressure, temperature, and the like at the start of the stop operation.
Since other configurations are the same as those of the fifth embodiment, description of each configuration is omitted.
本実施形態における停止動作は、第2実施形態と同様に、酸素および水素の残存量を得て、当量比に対して少ない方のガスを供給しつつける一方で、他方のガスの供給を停止する。ただし、本実施形態では、窒素ガスを供給しない(この点は第5実施形態と同様)。そして、停止動作終了後には、水素および酸素が消費されて、水素系統および酸素系統が水素および酸素の飽和蒸気圧程度の状態とされる。
本実施形態では、第5実施形態のように停止動作時に当量比にて水素および酸素を残存させておく必要がなく、停止動作時に残存量を調整しながら停止させることができるので、柔軟性に富む運用を行うことができるという有利点がある。
As in the second embodiment, the stop operation in the present embodiment obtains the remaining amounts of oxygen and hydrogen and continues to supply the smaller gas with respect to the equivalent ratio while stopping the supply of the other gas. To do. However, in this embodiment, nitrogen gas is not supplied (this is the same as in the fifth embodiment). After the stop operation is completed, hydrogen and oxygen are consumed, and the hydrogen system and the oxygen system are brought to a state of about the saturated vapor pressure of hydrogen and oxygen.
In this embodiment, it is not necessary to leave hydrogen and oxygen at an equivalent ratio during the stop operation as in the fifth embodiment, and it can be stopped while adjusting the remaining amount during the stop operation. There is an advantage that a rich operation can be performed.
1 燃料電池スタック(燃料電池本体)
2 水素ボンベ
4 酸素ボンベ
6 水素加湿器
25 水素排ガス用気液分離器
27 酸素排ガス用気液分離器
33 水素循環配管
35 水素循環ブロワ
37 酸素循環配管
39 酸素循環ブロワ
48 窒素ボンベ
1 Fuel cell stack (fuel cell body)
2
Claims (12)
該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池であって、
前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の前記停止動作の開始時における燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の前記停止動作の開始時における酸化剤残存量の比が、前記燃料と前記酸化剤との反応における当量比とされるように、前記燃料空間および/または前記酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つが設定されていることを特徴とする燃料電池。 Comprising a fuel cell body that generates electricity with fuel and oxidant;
A fuel cell comprising a stop operation for stopping the fuel cell body without stopping the fuel and the oxidant when the power generation of the fuel cell body is stopped,
The remaining amount of fuel at the start of the stop operation in the fuel space that communicates with the fuel cell body and in which the fuel can exist, and the oxidant space that communicates with the fuel cell body and in which the oxidant can exist The volume, pressure, and temperature of the fuel space and / or the oxidant space are set so that the ratio of the remaining amount of oxidant at the start of the stop operation is the equivalent ratio in the reaction between the fuel and the oxidant. At least one is set, The fuel cell characterized by the above-mentioned.
該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池であって、
前記停止動作時に、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の酸化剤残存量との比が当量比となるように、前記燃料および/または前記酸化剤が前記燃料空間および/または前記酸化剤空間に供給されることを特徴とする燃料電池。 Comprising a fuel cell body that generates electricity with fuel and oxidant;
A fuel cell comprising a stop operation for stopping the fuel cell body without stopping the fuel and the oxidant when the power generation of the fuel cell body is stopped,
During the stop operation, the remaining amount of fuel in the fuel space that communicates with the fuel cell body and in which the fuel can exist, and the oxidant in the oxidant space that communicates with the fuel cell body and in which the oxidant can exist The fuel cell, wherein the fuel and / or the oxidant is supplied to the fuel space and / or the oxidant space so that the ratio to the remaining amount is an equivalent ratio.
該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の前記停止動作の開始時における燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の前記停止動作の開始時における酸化剤残存量の比が、前記燃料と前記酸化剤との反応における当量比とされるように、前記燃料空間および/または前記酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つを設定し、前記停止動作を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。 Comprising a fuel cell body that generates electricity with fuel and oxidant;
A method of operating a fuel cell comprising a stop operation for stopping the fuel cell main body without stopping the fuel and the oxidant when the power generation is stopped.
The remaining amount of fuel at the start of the stop operation in the fuel space that communicates with the fuel cell body and in which the fuel can exist, and the oxidant space that communicates with the fuel cell body and in which the oxidant can exist The volume, pressure, and temperature of the fuel space and / or the oxidant space are set so that the ratio of the remaining amount of oxidant at the start of the stop operation is the equivalent ratio in the reaction between the fuel and the oxidant. A method of operating a fuel cell, wherein at least one is set and the stop operation is performed.
該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池の運転方法であって、
前記停止動作時に、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の酸化剤残存量との比が当量比となるように、前記燃料および/または前記酸化剤を前記燃料空間および/または前記酸化剤空間に供給することを特徴とする燃料電池の運転方法。 Comprising a fuel cell body that generates electricity with fuel and oxidant;
A method of operating a fuel cell comprising a stop operation for stopping the fuel cell main body without stopping the fuel and the oxidant when the power generation is stopped.
During the stop operation, the remaining amount of fuel in the fuel space that communicates with the fuel cell body and in which the fuel can exist, and the oxidant in the oxidant space that communicates with the fuel cell body and in which the oxidant can exist A method for operating a fuel cell, comprising supplying the fuel and / or the oxidant to the fuel space and / or the oxidant space so that a ratio to a remaining amount is an equivalent ratio.
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