JP2005285425A - Fuel cell device and driving method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池積層体を有する燃料電池装置およびその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell device having a solid polymer electrolyte fuel cell stack and an operating method thereof.
一般に、固体高分子電解質型燃料電池積層体においては、プロトン導電性を有する高分子膜を電解質とし、その両面に燃料極および酸化剤極を配した単電池を複数枚積層したものである。燃料電池は、燃料極に水素を含んだ燃料気体を導入し、酸化剤極に酸素を含んだ酸化剤気体を導入する。 In general, in a polymer electrolyte fuel cell laminate, a plurality of unit cells each having a proton conductive polymer membrane as an electrolyte and a fuel electrode and an oxidant electrode disposed on both sides thereof are laminated. In the fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is introduced into the fuel electrode, and an oxidant gas containing oxygen is introduced into the oxidant electrode.
ここで、燃料極では次の（１）式に示すような反応が起こる。 Here, the reaction shown in the following formula (1) occurs at the fuel electrode.
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− …（１） H 2 → 2H + + 2e − (1)
また、酸化剤極では次の（２）式に示すような反応が起こる。 Further, the reaction shown in the following formula (2) occurs at the oxidizer electrode.
Ｏ２ ＋ ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ …（２） O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
すなわち、燃料電池における反応では、水素と酸素から水を生成する。同時に電気と熱が発生する。 That is, in the reaction in the fuel cell, water is generated from hydrogen and oxygen. At the same time, electricity and heat are generated.
発電装置として燃料電池を使用する際には、単電池を複数積層して直列につないだ燃料電池積層体を形成する。 When a fuel cell is used as a power generator, a fuel cell stack is formed by stacking a plurality of single cells and connecting them in series.
図７に従来の固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの図を示す。 FIG. 7 shows a diagram of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell laminate CSA.
同図において、固体高分子電解質型燃料電池の単電池を複数積層した積層体１の両面は、締め付け板２，３で挟みこまれている。また、この固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡには、外部から燃料電池に水素を含んだ燃料気体および、酸素を含んだ酸化剤気体を送り込むとともに、反応後の気体を排気するための配管群３が配置される。また、電気化学反応によって発生した電力は、電流取り出し端子４，５から、取り出し線６，７を通して外部に供給される。 In the figure, both surfaces of a laminate 1 in which a plurality of unit cells of a solid polymer electrolyte fuel cell are laminated are sandwiched between fastening plates 2 and 3. The solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is supplied with a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen from the outside, and a pipe for exhausting the reacted gas. Group 3 is arranged. The electric power generated by the electrochemical reaction is supplied to the outside from the current extraction terminals 4 and 5 through the extraction lines 6 and 7.
さて、燃料電池は発電効率の高い発電装置であり、振動や騒音が少ない、様々な燃料が使えるといった利点を有する。特に、固体高分子電解質型燃料電池は、６０℃〜８０℃の比較的低い温度領域で運転することから、家庭用や自動車用の電源としての用途が考えられている。こういった一般の消費者が屋外で使用する場合においては、幅広い気象条件で使用することを想定した構成が望まれる。すなわち、外気温が−３０℃から４０℃までの気象条件で使用されることがありうる。 The fuel cell is a power generation device with high power generation efficiency, and has advantages such as less vibration and noise and use of various fuels. In particular, solid polymer electrolyte fuel cells are operated in a relatively low temperature range of 60 ° C. to 80 ° C., and are therefore considered to be used as power sources for homes and automobiles. When such general consumers are used outdoors, a configuration that is intended to be used under a wide range of weather conditions is desired. That is, the outside air temperature may be used in weather conditions from −30 ° C. to 40 ° C.
例えば、運転停止時に外気温が下がって、燃料電池積層体ＣＳＡの温度が０℃以下になると、燃料電池内に残っていた生成水が電極あるいは電解質膜の中で凍結する。凍結によって氷（水）の体積が膨張するため、触媒や電極の微細構造が破壊されたり、あるいは電極と高分子膜との間の接触が悪くなることによって、燃料電池内の抵抗が増大し、発電性能が低下することが課題であった。なお、運転時には、上述したように、固体高分子電解質型燃料電池は６０℃〜８０℃で稼働するので、外気温がいくら下がったところで、不具合は生じない。 For example, when the outside air temperature decreases when the operation is stopped and the temperature of the fuel cell stack CSA becomes 0 ° C. or lower, the generated water remaining in the fuel cell is frozen in the electrode or the electrolyte membrane. Because the volume of ice (water) expands due to freezing, the resistance in the fuel cell increases due to the destruction of the fine structure of the catalyst and the electrode, or the poor contact between the electrode and the polymer membrane, The problem was that power generation performance was reduced. During operation, as described above, since the solid polymer electrolyte fuel cell operates at 60 ° C. to 80 ° C., no trouble occurs when the outside air temperature is lowered.
そこで、例えば、運転停止時において、燃料電池内の配管を減圧排気して、燃料電池内に残る水分を取り除くことで、燃料電池を氷点下条件で保管しようとする提案があった（例えば、特許文献１参照）
しかしながら、このような従来方法では、微細構造の触媒に入り込んだ水が十分に抜けなければ、効果が薄いという不具合を生じるおそれがあった。 However, in such a conventional method, there is a fear that the effect is poor if the water that has entered the fine-structure catalyst is not sufficiently removed.
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、固体高分子電解質型燃料電池積層体の周囲の温度が氷点下になっても、燃料電池内に存在する水の凍結によって性能が劣化するような事態を防止することのできる燃料電池装置およびその運転方法を提供すること目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and even if the temperature around the solid polymer electrolyte fuel cell stack is below freezing point, the performance deteriorates due to freezing of water present in the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell device and a method for operating the fuel cell device that can prevent unexpected situations.
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池積層体を有する燃料電池装置において、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体を、筺体に収納し、上記筺体内を大気圧に対して減圧するようにしたものである。 The present invention provides a fuel cell device having a solid polymer electrolyte fuel cell stack, wherein the solid polymer electrolyte fuel cell stack is housed in a housing and the housing is depressurized with respect to atmospheric pressure. It is a thing.
また、前記固体高分子電解質型燃料電池積層体の周囲を耐熱性および絶縁性を有する材質からなる絶縁シートで密封被覆するようにしたものである。 Further, the solid polymer electrolyte fuel cell laminate is hermetically covered with an insulating sheet made of a material having heat resistance and insulation.
また、前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管の少なくとも１つを、樹脂を材料として形成したものである。 Further, at least one of the pipes connected to the solid polymer electrolyte fuel cell stack is formed by using a resin as a material.
また、前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管の少なくとも１つを、ゴムを材料として形成したものである。 Further, at least one of the pipes connected to the solid polymer electrolyte fuel cell stack is formed of rubber.
また、前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管の少なくとも１つを、真空断熱二重構造に形成したものである。 Further, at least one of the pipes connected to the solid polymer electrolyte fuel cell stack is formed in a vacuum heat insulating double structure.
また、前記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管と、前記筺体との間にガスシールを設けたものである。 In addition, a gas seal is provided between a pipe connected to the solid polymer electrolyte fuel cell stack and the housing.
また、前記固体高分子電解質型燃料電池積層体を前記筺体に固定する構造体の材料として、樹脂を用いたものである。 Further, a resin is used as a material for a structure that fixes the solid polymer electrolyte fuel cell stack to the housing.
また、前記筺体内の圧力を測定する圧力計と、上記筺体内より排気する排気手段と、上記圧力計の測定値が所定となるように上記排気手段を制御する制御手段をさらに備えたものである。 And a pressure gauge for measuring the pressure in the enclosure, an exhaust means for exhausting from the enclosure, and a control means for controlling the exhaust means so that a measured value of the pressure gauge becomes predetermined. is there.
また、前記筺体内の圧力を測定する圧力計と、上記筺体内より排気する排気手段と、上記筺体内の温度を測定する温度計と、上記温度計の測定温度が０度以下に低下した場合、上記圧力計の測定値が所定となるように上記排気手段を制御する制御手段をさらに備えたものである。 And a pressure gauge for measuring the pressure in the enclosure, an exhaust means for exhausting from the enclosure, a thermometer for measuring the temperature in the enclosure, and a measurement temperature of the thermometer being reduced to 0 degrees or less. And a control means for controlling the exhaust means so that the measured value of the pressure gauge becomes a predetermined value.
また、固体高分子電解質型燃料電池積層体を有する燃料電池装置において、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体を、真空断熱二重構造を有する筺体に収納したものである。 Further, in the fuel cell device having the solid polymer electrolyte fuel cell stack, the solid polymer electrolyte fuel cell stack is housed in a casing having a vacuum heat insulating double structure.
また、固体高分子電解質型燃料電池積層体を有する燃料電池装置の運転方法において、運転停止期間中は、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体を収容している筺体内の圧力を、大気圧よりも低い圧力に保持するようにしたものである。 Further, in the operation method of the fuel cell device having the solid polymer electrolyte fuel cell stack, during the operation stop period, the pressure inside the casing housing the solid polymer electrolyte fuel cell stack is set to atmospheric pressure. The pressure is maintained at a lower pressure.
また、固体高分子電解質型燃料電池積層体を有する燃料電池装置の運転方法において、運転停止期間中は、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体への燃料気体、酸化剤気体、および、冷却媒体の供給を止め、冷却媒体を排出した後に、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管の少なくとも１つを排気するとともに、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体を収容している筺体内の圧力を、大気圧よりも低い圧力に保持するようにしたものである。 In the operation method of the fuel cell device having the solid polymer electrolyte fuel cell stack, the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium to the solid polymer electrolyte fuel cell stack during the operation stop period And after discharging the cooling medium, evacuate at least one of the pipes connected to the polymer electrolyte fuel cell stack, and accommodate the polymer electrolyte fuel cell stack. The pressure inside the housing is maintained at a pressure lower than atmospheric pressure.
また、固体高分子電解質型燃料電池積層体を有する燃料電池装置の運転方法において、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体を収容する筺体の外側で、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される全ての配管に外部弁を設けるとともに、上記配管の少なくとも１つに、上記筺体内への開放弁を設け、運転停止期間中は、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体への燃料気体、酸化剤気体、および、冷却媒体の供給を止め、冷却媒体を排出した後に、上記全ての外部弁を閉じ、上記開放弁を開放した状態で、上記筺体内の圧力を、大気圧よりも低い圧力に保持するようにしたものである。 Further, in a method of operating a fuel cell device having a solid polymer electrolyte fuel cell stack, the solid polymer electrolyte fuel cell stack is disposed outside a housing that houses the solid polymer electrolyte fuel cell stack. An external valve is provided for all the pipes to be connected, and an open valve for the casing is provided for at least one of the pipes. During the operation stop period, fuel to the solid polymer electrolyte fuel cell stack is provided. After the supply of gas, oxidant gas, and cooling medium is stopped and the cooling medium is discharged, all the external valves are closed and the open valves are opened. It is designed to maintain a low pressure.
したがって、本発明によれば、筺体の内部を減圧したので、筺体は、断熱効果を得ることができ、その結果、外気温が氷点下に低下した場合でも、筺体内の温度が０℃以下に低下することを抑制することができ、固体高分子電解質型燃料電池積層体の構造を破壊するような事態を回避することができて、燃料電池の性能を保持することができるという効果を得る。 Therefore, according to the present invention, since the inside of the housing is decompressed, the housing can obtain a heat insulating effect. As a result, even when the outside air temperature falls below freezing point, the temperature inside the housing is reduced to 0 ° C. or lower. It is possible to prevent the occurrence of a situation where the structure of the solid polymer electrolyte fuel cell laminate is destroyed, and the performance of the fuel cell can be maintained.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図１は、本発明の一実施例にかかる燃料電池収容体の一例を示している。なお、同図において、図７と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。 FIG. 1 shows an example of a fuel cell container according to an embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. 7 and the corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
同図において、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡは、略円筒状の筺体１０に収容されているとともに、台座部材１１，１２の上に載置固定されている。筺体１０の上部には、配管群３を構成する配管３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆが延びており、取り出し線６，７は、電極１３，１４に接続されている。また、配管群３のそれぞれの配管３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆと、筺体１０との間には、ガスシール（図示略）が設けられている。 In the figure, a solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is housed in a substantially cylindrical housing 10 and is mounted and fixed on pedestal members 11 and 12. Pipes 3 a, 3 b, 3 c, 3 d, 3 e, 3 f constituting the pipe group 3 extend above the housing 10, and the lead-out lines 6, 7 are connected to the electrodes 13, 14. Gas seals (not shown) are provided between the pipes 3 a, 3 b, 3 c, 3 d, 3 e, 3 f of the pipe group 3 and the housing 10.
筺体１０には、排気用の配管１５が設けられており、この配管１５は、排気用のポンプ１６に接続されている。 The housing 10 is provided with an exhaust pipe 15, and this pipe 15 is connected to an exhaust pump 16.
以上の構成で、本実施例では、この燃料電池を停止する際には、ポンプ１６を起動して、筺体１０の内部の気圧を、大気圧に対して減圧する。このように、筺体１０の気圧を減圧したので、筺体１０は、外部に対して断熱効果を有する。 With the above configuration, in this embodiment, when the fuel cell is stopped, the pump 16 is activated to reduce the pressure inside the housing 10 to the atmospheric pressure. Thus, since the pressure of the housing 10 is reduced, the housing 10 has a heat insulating effect on the outside.
例えば、通常用いられる断熱材と比べると、例えば硬質ウレタンフォームの熱伝導率が０．０２ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃であるのに対して、同じ厚みの真空層の熱伝導率は０．００５ ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃であり断熱性に優れる。また、圧力を常圧に戻すことによって、通常運転時の放熱を行うこともできる。すなわち、運転状態に合わせた熱伝導率の調整が可能である。 For example, compared with a heat insulating material that is usually used, for example, the thermal conductivity of rigid urethane foam is 0.02 kcal / m · hr · ° C., whereas the thermal conductivity of a vacuum layer having the same thickness is 0.005 kcal. / M · hr · ° C and excellent heat insulation. Further, by returning the pressure to normal pressure, heat can be radiated during normal operation. That is, the thermal conductivity can be adjusted in accordance with the operating state.
ここで、筺体１０の断熱性能を上げるためには、筺体１０の内部気圧は０．１Ｐａ以下の高真空であることが望ましい。しかし、高真空状態にするためには、ポンプ１６として、油ロータリーポンプに加えてターボポンプあるいはディフュージョンポンプなどの高真空ポンプが必要である。これらの高真空ポンプは簡便に使えるものとは言い難い。 Here, in order to raise the heat insulation performance of the housing 10, it is desirable that the internal pressure of the housing 10 is a high vacuum of 0.1 Pa or less. However, in order to achieve a high vacuum state, a high vacuum pump such as a turbo pump or a diffusion pump is required as the pump 16 in addition to the oil rotary pump. These high vacuum pumps are not easy to use.
そこで、筺体１０として断熱性を有する材質のもの（例えば、熱伝導率の低い樹脂等）を用いるとともに、ポンプ１６として、１００Ｐａ程度の低真空を形成できる油ロータリーポンプ等を使用する。 Therefore, a material having a heat insulating property (for example, a resin having a low thermal conductivity) is used as the casing 10, and an oil rotary pump that can form a low vacuum of about 100 Pa is used as the pump 16.
これにより、筺体１０の総合的な断熱効果として、本実施例の目的に叶う十分な断熱性能を得ることができる。 Thereby, sufficient heat insulation performance which meets the purpose of the present embodiment can be obtained as the overall heat insulation effect of the casing 10.
このようにして、本実施例では、運転停止時に、筺体１０の内部気圧を減圧して、筺体１０の断熱性能を発揮するようにしたので、例えば、外気温が氷点下に低下した場合でも、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの温度が０℃以下に低下するようなことがなくなり、その結果、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部の触媒等の微細構造が破壊されることはなく、燃料電池の性能が低下するような事態を回避することができる。なお、燃料電池の運転時には、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの温度は６０℃〜８０℃程度となるので、外気温が低くても固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部構造が破壊されるような事態は生じない。 In this way, in the present embodiment, when the operation is stopped, the internal pressure of the housing 10 is reduced, and the heat insulating performance of the housing 10 is exhibited. For example, even when the outside air temperature drops below freezing point, The temperature of the polymer electrolyte fuel cell stack CSA does not drop below 0 ° C., and as a result, the fine structure of the catalyst and the like inside the polymer electrolyte fuel cell stack CSA is destroyed. However, it is possible to avoid a situation in which the performance of the fuel cell deteriorates. During operation of the fuel cell, the temperature of the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is about 60 ° C. to 80 ° C., so that the internal structure of the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is low even when the outside air temperature is low. Will not be destroyed.
また、本実施例では、運転停止時に筺体１０の内部気圧を減圧するので、筺体１０の形状としては、強度を十分に保持できるように、円筒形とすることが好ましい。 In the present embodiment, the internal pressure of the housing 10 is reduced when the operation is stopped. Therefore, the shape of the housing 10 is preferably cylindrical so that the strength can be sufficiently maintained.
また、筺体１０の断熱性能を損なわないためには、配管群３の各配管３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆとしては、熱伝導率の低い材質、または、構造のものを用いることが好ましい。例えば、熱伝導率の低い材質としては、バイトンゴム（登録商標）や、テフロン（登録商標）などのゴム材料や樹脂等を用いることができる。また、熱伝導率の低い構造としては、管を二重に形成してなる二重管や、二重管の中空部を真空に形成した、いわゆる、真空断熱二重構造の管などを用いることできる。 Moreover, in order not to impair the heat insulation performance of the casing 10, the pipes 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, and 3f may be made of a material having a low thermal conductivity or a structure. preferable. For example, a rubber material such as Viton rubber (registered trademark) or Teflon (registered trademark), a resin, or the like can be used as a material having low thermal conductivity. In addition, as a structure having low thermal conductivity, a double pipe formed by double pipes or a so-called vacuum heat insulating double structure pipe formed by forming a hollow portion of the double pipe in a vacuum is used. it can.
さらに、台座部材１１，１２としても、熱伝導率の小さい材質のものを用いることが好ましい。すなわち、台座部材１１，１２は、筐体１０を貫通していない場合においても、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡと筐体１０の両者に接触していることから、熱伝導の媒体となる。したがって、筺体１０の断熱性能を損なわないようにするためには、構造部材にも熱伝導率の低い材料を使う必要がある。 Further, the base members 11 and 12 are preferably made of a material having low thermal conductivity. That is, since the base members 11 and 12 are in contact with both the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA and the housing 10 even when the base members 11 and 12 do not penetrate the housing 10, Become. Therefore, in order not to impair the heat insulating performance of the casing 10, it is necessary to use a material having low thermal conductivity for the structural member.
また、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの積層体１では、各単電池ごとに、ガスシール材によって燃料極および酸化剤極を外部と隔離している。しかし、そのシール性能は、筺体１０の内部気圧を減圧した際の、外気圧との圧力差を保つのに十分ではない。したがって、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの外部を減圧した際には、燃料電池内部から残存気体あるいは残存する水が外部に漏れ出てくる。そこで、積層体１の周囲を、周囲を耐熱性および絶縁性を有する材質（例えば、カプトン（登録商標）やテフロン（登録商標））からなる絶縁シートで密封被覆するようにするとよい。 Further, in the laminate 1 of the solid polymer electrolyte fuel cell laminate CSA, the fuel electrode and the oxidizer electrode are isolated from the outside by a gas seal material for each unit cell. However, the sealing performance is not sufficient to maintain the pressure difference from the external pressure when the internal pressure of the housing 10 is reduced. Therefore, when the outside of the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is depressurized, residual gas or residual water leaks out of the fuel cell. Therefore, the periphery of the laminate 1 may be hermetically covered with an insulating sheet made of a heat-resistant and insulating material (for example, Kapton (registered trademark) or Teflon (registered trademark)).
ところで、このような筺体１０の内部気圧を減圧した際に、積層体１が受ける外気圧との圧力差を解消するためには、筺体１０の内部を真空減圧する前、あるいは真空減圧するのと同時に固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部も真空減圧することが望ましい。 By the way, in order to eliminate the pressure difference from the external pressure received by the laminated body 1 when the internal pressure of the casing 10 is reduced, the inside of the casing 10 is vacuum-depressed before or under vacuum. At the same time, it is desirable that the inside of the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is also evacuated.
図２は、この場合の燃料電池収容体の一例を示している。なお、同図において、図１および図７と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。 FIG. 2 shows an example of the fuel cell container in this case. In the figure, the same or corresponding parts as those in FIGS. 1 and 7 are denoted by the same reference numerals.
この場合には、筺体１０の外側の位置で、管３ａ，３ｂ，３ｃに弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃを設けるとともに、管３ｄ，３ｅ，３ｆには、三方弁１８ａ，１８ｂ，１８ｃを設け、三方弁１８ａ，１８ｂ，１８ｃの分岐側は、配管１９へ連通させた状態で、ポンプ２０へと連絡する。 In this case, valves 17a, 17b, and 17c are provided on the pipes 3a, 3b, and 3c at positions outside the housing 10, and three-way valves 18a, 18b, and 18c are provided on the pipes 3d, 3e, and 3f. The branch sides of the valves 18 a, 18 b, and 18 c communicate with the pump 20 in a state where they communicate with the pipe 19.
したがって、この場合には、燃料電池システムを停止する際には、弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃを閉じるとともに、三方弁１８ａ，１８ｂ，１８ｃを分岐側へ切換え、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡへの気体の供給を停止するとともに、ポンプ２０を作動して、管３ｄ，３ｅ，３ｆを介し、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部を真空排気する。また、このポンプ２０と同時または、ポンプ２０による排気が完了した後に、ポンプ１６を作動して、筺体１０の内部を真空減圧する。 Therefore, in this case, when stopping the fuel cell system, the valves 17a, 17b, and 17c are closed and the three-way valves 18a, 18b, and 18c are switched to the branch side, so that the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA And the pump 20 is operated to evacuate the inside of the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA via the tubes 3d, 3e, and 3f. Further, at the same time as the pump 20 or after the exhaust by the pump 20 is completed, the pump 16 is operated and the inside of the housing 10 is vacuum depressurized.
このようにすることで、運転停止時に筺体１０の内部を真空減圧する際には、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部も真空減圧されており、それにより、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内外の気圧差が解消され、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部構造の破損を回避することができる。 In this way, when the inside of the housing 10 is vacuum depressurized when the operation is stopped, the inside of the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is also vacuum depressurized, whereby the solid polymer electrolyte fuel The pressure difference between the inside and outside of the battery stack CSA is eliminated, and damage to the internal structure of the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA can be avoided.
図３は、燃料電池収容体のさらに他の例を示している。なお、同図において、図２と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。 FIG. 3 shows still another example of the fuel cell container. In the figure, the same parts as those in FIG. 2 and the corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
この場合には、筺体１０の外側の位置で、管３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆに弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆを設けるとともに、筺体１０の内側の位置で、管３ｆに開放弁２１を設けている。 In this case, valves 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, and 17f are provided on the tubes 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, and 3f at positions outside the housing 10, and at positions inside the housing 10, An open valve 21 is provided in the pipe 3f.
したがって、この場合には、燃料電池システムを停止する際には、弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆを閉じ、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡへの気体の供給を停止し、その後に、開放弁２１を開放し、さらに、ポンプ１６を作動して、筺体１０の内部を真空減圧する。 Therefore, in this case, when stopping the fuel cell system, the valves 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, and 17f are closed, and supply of gas to the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is stopped. Thereafter, the release valve 21 is opened, and the pump 16 is further operated to vacuum-depressurize the interior of the housing 10.
ここで、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部は、開放弁２１を介して筺体１０の内部に連通するので、ポンプ１６の作用により、筺体１０の内部および固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部は、ともに減圧される。 Here, since the inside of the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA communicates with the inside of the housing 10 via the release valve 21, the inside of the housing 10 and the solid polymer electrolyte fuel cell are operated by the action of the pump 16. The inside of the laminate CSA is decompressed together.
このようにすることで、運転停止時に筺体１０の内部を真空減圧する際には、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部も真空減圧されるので、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内外の気圧差が解消され、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部構造の破損を回避することができる。また、この場合には、筺体１０と固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部を別々に真空減圧する場合に比べて、減圧程度の差が生じることがないので、より安全に真空減圧することができる。 In this way, when the inside of the housing 10 is vacuum depressurized when the operation is stopped, the inside of the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is also vacuum depressurized, so the solid polymer electrolyte fuel cell stack The pressure difference between the inside and outside of the CSA is eliminated, and damage to the internal structure of the solid polymer electrolyte fuel cell laminate CSA can be avoided. Further, in this case, there is no difference in the degree of decompression compared to the case where the inside of the housing 10 and the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is separately decompressed, so that the decompression can be performed more safely. be able to.
図４は、本発明の他の実施例にかかる燃料電池収容体の一例を示している。なお、同図において、図１と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。 FIG. 4 shows an example of a fuel cell container according to another embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. 1 and corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
この場合には、筺体１０の内部の圧力を測定する圧力計２２と、圧力計２２の測定値に応じてポンプ１６を作動する制御装置２３を設けている。そして、制御装置２３は、運転停止時には、圧力計２２の測定値が所定の真空値よりも大きい場合には、ポンプ１６を作動して、筺体１０の内部を真空減圧する。 In this case, a pressure gauge 22 that measures the pressure inside the housing 10 and a control device 23 that operates the pump 16 according to the measured value of the pressure gauge 22 are provided. And at the time of a stop of operation, when the measured value of the pressure gauge 22 is larger than a predetermined vacuum value, the control device 23 operates the pump 16 and vacuum depressurizes the inside of the housing 10.
したがって、この場合には、運転停止時における筺体１０の内部の圧力が、規定された真空値に保持されるので、特に、運転停止が長期間にわたった場合で、筺体１０の内部に空気がリークし、そのために、筺体１０の内部の真空度が低下して、収容している固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの温度が外気温に影響されるような事態を防止することができる。 Therefore, in this case, since the pressure inside the housing 10 at the time of the operation stop is maintained at a specified vacuum value, especially when the operation is stopped for a long period of time, there is air inside the housing 10. Therefore, it is possible to prevent a situation in which the temperature of the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA contained in the housing 10 is affected by the outside air temperature because the degree of vacuum inside the housing 10 is reduced. .
図５は、本発明のさらに他の実施例にかかる燃料電池収容体の一例を示している。なお、同図において、図１および図４と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。 FIG. 5 shows an example of a fuel cell container according to still another embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIGS. 1 and 4 and corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
この場合には、筺体１０の内部の温度を測定する温度計２５と、温度計２５の測定値に応じてポンプ１６を作動する制御装置２６を設けている。そして、制御装置２６は、運転停止時には、温度計２５の測定値が所定値（例えば、０℃）よりも下がった場合には、ポンプ１６を作動して、筺体１０の内部を真空減圧する。 In this case, a thermometer 25 that measures the temperature inside the housing 10 and a control device 26 that operates the pump 16 according to the measured value of the thermometer 25 are provided. And the control apparatus 26 operates the pump 16 and depressurizes the inside of the housing 10 when the measured value of the thermometer 25 falls below a predetermined value (for example, 0 degreeC) at the time of an operation stop.
これにより、筺体１０の内部の真空度が上がるので、筺体１０の断熱性能が上がり、その結果、筺体１０の内部の温度は、所定値よりも下がることはなくなる。 As a result, the degree of vacuum inside the housing 10 is increased, so that the heat insulation performance of the housing 10 is improved, and as a result, the temperature inside the housing 10 does not fall below a predetermined value.
したがって、この場合には、運転停止時における筺体１０の内部の温度が、規定された値に保持されるので、特に、運転停止が長期間にわたった場合に、収容している固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの温度が低くなる事態を防止することができる。 Therefore, in this case, the temperature inside the housing 10 at the time of the operation stop is maintained at a specified value. Therefore, particularly when the operation is stopped for a long period of time, the contained solid polymer electrolyte The situation where the temperature of the fuel cell stack CSA becomes low can be prevented.
図６は、本発明の別な実施例にかかるにかかる燃料電池収容体の一例を示している。なお、同図において、図１と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。 FIG. 6 shows an example of a fuel cell container according to another embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. 1 and corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
この実施例では、底付の円筒状の形状を持つ筺体３０に、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡを収容し、筺体３０の開口部を蓋体３０ａで閉止しており、筺体３０として、壁が二重構造になっているものを用いる。また、筺体３０には、二重構造の壁の隙間の空気を抜くための配管３１が設けられており、配管３１には、ポンプ３２が連結されている。 In this embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is accommodated in a case 30 having a cylindrical shape with a bottom, and an opening of the case 30 is closed by a lid 30a. Use a double wall structure. The casing 30 is provided with a pipe 31 for removing air in the gap between the walls of the double structure, and a pump 32 is connected to the pipe 31.
本実施例では、ポンプ３２を作動して、筺体３０の二重構造壁の間の空気を真空減圧する。例えば、０．１Ｐａ以下の圧力まで減圧する。 In the present embodiment, the pump 32 is operated, and the air between the double structure walls of the housing 30 is vacuum depressurized. For example, the pressure is reduced to a pressure of 0.1 Pa or less.
これにより、筺体３０は、いわゆる、真空断熱二重構造となり、非常に断熱効果が高いものとなり、その結果、収容されている固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡは、外気温の影響をほとんど受けることがない。 As a result, the housing 30 has a so-called vacuum heat insulation double structure, and has a very high heat insulation effect. As a result, the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA accommodated therein is hardly affected by the outside air temperature. I do not receive it.
したがって、外気温が氷点下に低下したところで、筺体３０の内部の温度は、０℃以下には下がることがなく、固体高分子電解質型燃料電池積層体ＣＳＡの内部が破損するような事態を回避することができる。 Therefore, when the outside air temperature drops below the freezing point, the temperature inside the housing 30 does not drop below 0 ° C., avoiding a situation where the inside of the solid polymer electrolyte fuel cell stack CSA is damaged. be able to.
ところで、筺体３０の真空断熱二重構造は、筺体３０の製造時に形成することができる。 By the way, the vacuum heat insulation double structure of the housing 30 can be formed when the housing 30 is manufactured.
また、この場合、筺体３０の開口部を閉止する蓋体３０ａの断熱性が問題となる可能性があるので、蓋体３０ａの材質としては、熱伝導率の低いものを用いる必要がある。 In this case, since the heat insulation of the lid 30a that closes the opening of the housing 30 may be a problem, it is necessary to use a material having a low thermal conductivity as the material of the lid 30a.
ＣＳＡ 固体高分子電解質型燃料電池積層体
１０，３０ 筺体
１１，１２ 台座部材
１５，１９，３１ 配管
１６，２０，３２ ポンプ
２２ 圧力計
２３，２６ 制御装置
２５ 温度計
CSA solid polymer electrolyte fuel cell stack 10,30 housing 11,12 pedestal member 15,19,31 piping 16,20,32 pump 22 pressure gauge 23,26 control device 25 thermometer
Claims (13)
上記固体高分子電解質型燃料電池積層体を、筺体に収納し、上記筺体内を大気圧に対して減圧することを特徴とする燃料電池装置。 In a fuel cell device having a solid polymer electrolyte fuel cell laminate,
A fuel cell device characterized in that the solid polymer electrolyte fuel cell stack is housed in a housing and the housing is depressurized with respect to atmospheric pressure.
上記筺体内より排気する排気手段と、
上記圧力計の測定値が所定となるように上記排気手段を制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７記載の燃料電池装置。 A pressure gauge for measuring the pressure in the housing;
Exhaust means for exhausting from the housing;
6. A control means for controlling the exhaust means so that a measured value of the pressure gauge becomes a predetermined value is further provided. The fuel cell device according to claim 6 or 7.
上記筺体内より排気する排気手段と、
上記筺体内の温度を測定する温度計と、
上記温度計の測定温度が０度以下に低下した場合、上記圧力計の測定値が所定となるように上記排気手段を制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７記載の燃料電池装置。 A pressure gauge for measuring the pressure in the housing;
Exhaust means for exhausting from the housing;
A thermometer for measuring the temperature in the housing;
2. The control device according to claim 1, further comprising control means for controlling the exhaust means so that the measured value of the pressure gauge becomes a predetermined value when the measured temperature of the thermometer drops below 0 degrees. The fuel cell device according to claim 2 or claim 3 or claim 4 or claim 5 or claim 6 or claim 7.
上記固体高分子電解質型燃料電池積層体を、真空断熱二重構造を有する筺体に収納したことを特徴とする燃料電池装置。 In a fuel cell device having a solid polymer electrolyte fuel cell laminate,
A fuel cell device, wherein the solid polymer electrolyte fuel cell laminate is housed in a housing having a vacuum heat insulating double structure.
運転停止期間中は、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体を収容している筺体内の圧力を、大気圧よりも低い圧力に保持するようにしたことを特徴とする燃料電池装置の運転方法。 In a method of operating a fuel cell device having a solid polymer electrolyte fuel cell stack,
During the operation stop period, the fuel cell device operating method is characterized in that the pressure in the housing containing the solid polymer electrolyte fuel cell stack is maintained at a pressure lower than the atmospheric pressure. .
運転停止期間中は、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体への燃料気体、酸化剤気体、および、冷却媒体の供給を止め、冷却媒体を排出した後に、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される配管の少なくとも１つを排気するとともに、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体を収容している筺体内の圧力を、大気圧よりも低い圧力に保持するようにしたことを特徴とする燃料電池装置の運転方法。 In a method of operating a fuel cell device having a solid polymer electrolyte fuel cell stack,
During the shutdown period, the supply of the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium to the solid polymer electrolyte fuel cell stack is stopped and the cooling medium is discharged. Exhausting at least one of the pipes connected to the body, and maintaining the pressure in the housing containing the solid polymer electrolyte fuel cell stack at a pressure lower than atmospheric pressure A method for operating a fuel cell device.
上記固体高分子電解質型燃料電池積層体を収容する筺体の外側で、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体に連結される全ての配管に外部弁を設けるとともに、上記配管の少なくとも１つに、上記筺体内への開放弁を設け、
運転停止期間中は、上記固体高分子電解質型燃料電池積層体への燃料気体、酸化剤気体、および、冷却媒体の供給を止め、冷却媒体を排出した後に、上記全ての外部弁を閉じ、上記開放弁を開放した状態で、上記筺体内の圧力を、大気圧よりも低い圧力に保持するようにしたことを特徴とする燃料電池装置の運転方法。 In a method of operating a fuel cell device having a solid polymer electrolyte fuel cell stack,
An external valve is provided on all the pipes connected to the solid polymer electrolyte fuel cell stack outside the housing that houses the solid polymer electrolyte fuel cell stack, and at least one of the pipes, Provide an opening valve to the housing,
During the shutdown period, the supply of fuel gas, oxidant gas, and cooling medium to the solid polymer electrolyte fuel cell stack is stopped, and after the cooling medium is discharged, all the external valves are closed, A method of operating a fuel cell device, characterized in that the pressure in the enclosure is maintained at a pressure lower than atmospheric pressure with the open valve open.
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