JP2008084636A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを導入して化学反応により発電を行う燃料電池システムに係り、特に、燃料電池システムの発電停止保管時における触媒のＣＯ被毒を抑制し、燃料極の触媒の耐ＣＯ性の低下を抑制すべく改良を施した燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power by chemical reaction by introducing a fuel gas and an oxidant gas, and in particular, suppresses CO poisoning of the catalyst during storage stoppage of power generation of the fuel cell system. The present invention relates to a fuel cell system that has been improved to suppress a decrease in CO resistance.
燃料電池システムは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池システムは、比較的小型であるにもかかわらず、高効率で、環境性に優れており、また発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能であることから、工場や病院などの業務用、一般家庭用、自動車用など、幅広い用途への採用が期待されている。 A fuel cell system supplies a fuel cell such as hydrogen and an oxidant such as air to a fuel cell and causes it to react electrochemically, thereby directly converting the chemical energy of the fuel into electrical energy and taking it out. It is. Despite its relatively small size, this fuel cell system is highly efficient and environmentally friendly, and can be applied as a cogeneration system by collecting the heat generated by power generation as hot water or steam. Therefore, it is expected to be used in a wide range of applications such as business use in factories and hospitals, general household use, and automobile use.
また、固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合した膜電極接合体を、その両側に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成されたセパレータで挟んだ構造を有している。また、燃料極及び酸化剤極の一部を構成する触媒層は、白金や白金合金のような金属触媒を担持した炭素担体と高分子電解質との複合体から構成されており、高分子電解質膜と接合している。そして、燃料電池は、一般に、このような構造を備えた単セルを多数積層してなるスタックから構成されている。 The polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly in which a fuel electrode and an oxidant electrode are bonded to both sides of a polymer electrolyte membrane, and a fuel gas channel and an oxidant gas channel formed on both sides of the membrane electrode assembly. It has a structure sandwiched between. The catalyst layer constituting part of the fuel electrode and the oxidizer electrode is composed of a composite of a carbon support carrying a metal catalyst such as platinum or a platinum alloy and a polymer electrolyte. It is joined with. A fuel cell is generally composed of a stack in which a large number of single cells having such a structure are stacked.
このような燃料電池システムとしては、燃料極に導入される燃料ガスとして、都市ガス等の炭化水素系ガスを予め改質器により改質してなる改質ガスを用いる運転方法があるが、その改質ガスにはＣＯが含まれている。このＣＯは、燃料極中の触媒表面を被毒することで燃料電池システムの特性を損なうものであるが、燃料電池の発電運転中においては、燃料極に酸化剤ガスを供給し、ＣＯをＣＯ2に酸化して除去することによって、ＣＯ被毒による燃料電池システムの発電運転中の特性低下を抑制する方法が提案されている。（特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１に示された方法は、燃料電池システムの発電運転中における燃料極の触媒に被毒したＣＯの酸化除去に関するものであり、燃料電池システムの発電停止保管時においては、燃料極の触媒はＣＯに被毒された状態のままである。
However, the method disclosed in
この燃料極の触媒としては、白金とルテニウムの合金触媒がよく用いられているが、白金とルテニウムの合金触媒がＣＯに被毒され続けると、触媒の状態が変化することによって、触媒の耐ＣＯ性が低下する恐れがある。このように触媒の耐ＣＯ性が低下すると、燃料電池システムの発電運転中において、上記のように燃料極に酸化剤ガスを供給しても、ＣＯの酸化除去が不充分となり、その結果、燃料電池システムの特性が低下し、燃料電池システムを運転することができなくなる恐れがある。 As a catalyst for this fuel electrode, an alloy catalyst of platinum and ruthenium is often used. However, if the alloy catalyst of platinum and ruthenium continues to be poisoned by CO, the state of the catalyst changes, so that the CO resistance of the catalyst is reduced. May be reduced. When the CO resistance of the catalyst is reduced in this way, during the power generation operation of the fuel cell system, even if the oxidant gas is supplied to the fuel electrode as described above, the oxidation removal of CO becomes insufficient, and as a result, the fuel There is a risk that the characteristics of the battery system will deteriorate and the fuel cell system cannot be operated.
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、燃料電池システムの発電停止保管時において、燃料極のＣＯ除去を促進し、燃料電池システムの発電停止保管時における触媒のＣＯ被毒を抑制し、燃料極の触媒の耐ＣＯ性の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to promote the removal of CO from the fuel electrode at the time of power generation stop storage of the fuel cell system. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of suppressing CO poisoning of a catalyst during power generation stop storage and suppressing a decrease in CO resistance of a fuel electrode catalyst.
上記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムの発電停止保管時において、燃料極内に存在するＣＯ濃度の低下を促進することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention is characterized by accelerating a decrease in the concentration of CO present in the fuel electrode when the fuel cell system is stopped from generating power.
すなわち、請求項１に記載の発明は、燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、前記燃料電池の燃料極から燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給配管には、前記燃料ガスの供給を閉止する第１の遮断弁が設けられ、前記燃料電池システムの燃料極側に、ＣＯを吸着するＣＯ吸着剤が配設されていることを特徴とする。
That is, the invention described in
上記のような構成を有する請求項１に記載の発明によれば、燃料電池システムの発電停止保管時においては、燃料電池システムの燃料極側に配設されたＣＯ吸着剤に、燃料極に存在するＣＯを優先的に吸着させることによって、燃料極のＣＯ濃度上昇を抑制し、燃料極に含まれる触媒のＣＯ吸着を抑制することにより、ＣＯ吸着による触媒の耐ＣＯ性低下を抑制することができる。これにより、電池耐久性を飛躍的に向上させることが可能となる。 According to the first aspect of the present invention having the above-described configuration, the CO adsorbent disposed on the fuel electrode side of the fuel cell system is present in the fuel electrode when the fuel cell system is stopped from generating power. By preferentially adsorbing CO, the increase in the CO concentration of the fuel electrode is suppressed, and the CO adsorption of the catalyst contained in the fuel electrode is suppressed, thereby suppressing the decrease in the CO resistance of the catalyst due to CO adsorption. it can. Thereby, battery durability can be dramatically improved.
一方、燃料電池の発電起動時においては、燃料極に燃料ガスを供給すること、また発電時に温度が上昇することによって、ＣＯ吸着剤に吸着しているＣＯが脱離するため、ＣＯ吸着剤のＣＯ吸着能を回復させることができる。 On the other hand, when the power generation of the fuel cell is started, the fuel gas is supplied to the fuel electrode, and the temperature adsorbed during power generation causes the CO adsorbed to the CO adsorbent to desorb. The CO adsorption capacity can be recovered.
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記ＣＯ吸着剤が、前記第２の遮断弁と前記燃料極の触媒層の間に配設されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first aspect, the CO adsorbent is disposed between the second shutoff valve and the catalyst layer of the fuel electrode. And
上記のような構成を有する請求項２に記載の発明によれば、燃料電池システムの発電停止保管時においては、第２の遮断弁と燃料極の触媒層の間に配設されたＣＯ吸着剤に、燃料極に存在するＣＯを優先的に吸着させることによって、燃料極のＣＯ濃度上昇を抑制し、燃料極に含まれる触媒のＣＯ吸着を抑制することにより、ＣＯ吸着による触媒の耐ＣＯ性低下を抑制することができる。これにより、電池耐久性を飛躍的に向上させることが可能となる。 According to the second aspect of the invention having the above-described configuration, the CO adsorbent disposed between the second shut-off valve and the catalyst layer of the fuel electrode when the power generation storage of the fuel cell system is stopped. In addition, by preferentially adsorbing the CO present in the fuel electrode, the increase in the CO concentration of the fuel electrode is suppressed, and by suppressing the CO adsorption of the catalyst contained in the fuel electrode, the CO resistance of the catalyst due to CO adsorption. The decrease can be suppressed. Thereby, battery durability can be dramatically improved.
一方、燃料電池の発電起動時においては、燃料極に燃料ガスを供給すること、また発電時に温度が上昇することによって、ＣＯ吸着剤に吸着しているＣＯが脱離するため、ＣＯ吸着剤のＣＯ吸着能を回復させることができる。特に、ＣＯ吸着剤が燃料電池よりも下流側に設置されているため、脱離したＣＯが燃料電池に影響を及ぼすことはない。 On the other hand, when the power generation of the fuel cell is started, the fuel gas is supplied to the fuel electrode, and the temperature adsorbed during power generation causes the CO adsorbed to the CO adsorbent to desorb. The CO adsorption capacity can be recovered. In particular, since the CO adsorbent is installed on the downstream side of the fuel cell, the desorbed CO does not affect the fuel cell.
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記ＣＯ吸着剤が、前記第１の遮断弁と前記燃料極の触媒層の間に配設されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first aspect, the CO adsorbent is disposed between the first shutoff valve and the catalyst layer of the fuel electrode. And
上記のような構成を有する請求項３に記載の発明によれば、燃料電池システムの発電停止保管時においては、第１の遮断弁と燃料極の触媒層の間に配設されたＣＯ吸着剤に、燃料極に存在するＣＯを優先的に吸着させることによって、燃料極のＣＯ濃度上昇を抑制し、燃料極に含まれる触媒のＣＯ吸着を抑制することにより、ＣＯ吸着による触媒の耐ＣＯ性低下を抑制することができる。これにより、電池耐久性を飛躍的に向上させることが可能となる。 According to the third aspect of the invention having the above-described configuration, the CO adsorbent disposed between the first shut-off valve and the catalyst layer of the fuel electrode during power generation stop storage of the fuel cell system. Furthermore, by preferentially adsorbing the CO present in the fuel electrode, the increase in the CO concentration of the fuel electrode is suppressed, and by suppressing the CO adsorption of the catalyst contained in the fuel electrode, the CO resistance of the catalyst due to the CO adsorption. The decrease can be suppressed. Thereby, battery durability can be dramatically improved.
一方、燃料電池の発電起動時においては、燃料極に燃料ガスを供給すること、また発電時に温度が上昇することによって、ＣＯ吸着剤に吸着しているＣＯが脱離するため、ＣＯ吸着剤のＣＯ吸着能を回復させることができる。 On the other hand, when the power generation of the fuel cell is started, the fuel gas is supplied to the fuel electrode, and the temperature adsorbed during power generation causes the CO adsorbed to the CO adsorbent to desorb. The CO adsorption capacity can be recovered.
また、燃料電池発電中に改質器から供給される燃料ガス中のＣＯ濃度が急激に上昇した場合でも、第１の遮断弁と燃料極の触媒層の間に配設されたＣＯ吸着剤が燃料ガス中の過剰なＣＯを吸着するため、燃料電池の特性変化を緩やかなものとすることができる。また、燃料ガス中のＣＯ濃度が通常の状態に戻る際には、ＣＯ吸着剤から徐々にＣＯが脱離するため、ＣＯ吸着剤及び燃料電池の特性を緩やかに回復させることができる。 Even when the CO concentration in the fuel gas supplied from the reformer during fuel cell power generation suddenly increases, the CO adsorbent disposed between the first shut-off valve and the catalyst layer of the fuel electrode Since excessive CO in the fuel gas is adsorbed, the characteristic change of the fuel cell can be made gradual. Further, when the CO concentration in the fuel gas returns to the normal state, CO is gradually desorbed from the CO adsorbent, so that the characteristics of the CO adsorbent and the fuel cell can be gradually recovered.
請求項６に記載の発明は、燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、前記燃料電池の燃料極から燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給配管には、前記燃料ガスの供給を閉止する第１の遮断弁が設けられ、前記燃料ガス排出配管には、前記燃料ガスの排出を閉止する第２の遮断弁が設けられると共に、前記燃料電池システムの燃料極側に、ＣＯ2を吸着するＣＯ2吸着剤が配設されていることを特徴とする。
The invention described in
上記のような構成を有する請求項６に記載の発明によれば、燃料電池システムの発電停止保管時において、燃料極に含まれるＣＯ2をＣＯ2吸着剤に吸着させることによって、燃料極のＣＯ2濃度を低減し、それによって、下記の式１の正反応を進行させ、燃料極中のＣＯ濃度を低減することができる。その結果、燃料極に含まれる触媒のＣＯ吸着を抑制することができ、ＣＯ吸着による触媒の耐ＣＯ性低下を抑制することができるので、電池耐久性を飛躍的に向上させることが可能となる。
以上のような本発明によれば、燃料電池システムの発電停止保管時において、燃料極のＣＯ除去を促進し、燃料電池システムの発電停止保管時における触媒のＣＯ被毒を抑制し、燃料極の触媒の耐ＣＯ性の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention as described above, CO removal of the fuel electrode is promoted at the time of power generation stop storage of the fuel cell system, and CO poisoning of the catalyst at the time of power generation stop storage of the fuel cell system is suppressed. It is possible to provide a fuel cell system that can suppress a decrease in the CO resistance of the catalyst.
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施の形態（以下、実施形態という）について、図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, an embodiment (hereinafter referred to as an embodiment) of a fuel cell system according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態の燃料電池システム１は、図１に示すように、大別して、燃料電池１０と、燃料電池１０の燃料極１０ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段２０と、燃料電池１０の酸化剤極１０ｂに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段３０とから構成されている。
(1) First Embodiment (1-1) Configuration As shown in FIG. 1, the
前記燃料電池１０には、固体高分子形燃料電池が用いられる。この固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合した膜電極接合体を、その両側に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成されたセパレータで挟んだ構造を有している。また、燃料極及び酸化剤極の一部を構成する触媒層は、触媒を担持した担体と高分子電解質との複合体から構成されており、高分子電解質膜と接合している。燃料電池１０は、一般にこのような構造を備えた単セルが多数積層されたスタックを用いてなるものである。
The
また、前記燃料ガス供給手段２０は、燃料ガスである改質ガスを供給する燃料ガス供給源２１と、燃料電池１０の燃料極１０ａに改質ガスを供給する燃料ガス供給配管２２とから構成され、この燃料ガス供給配管２２には、燃料ガスの供給を閉止する第１の遮断弁２４が配設されている。
The fuel gas supply means 20 includes a fuel
また、前記燃料極１０ａには、該燃料極１０ａから燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管２３が接続され、この燃料ガス排出配管２３には、燃料ガスの排出を閉止する第２の遮断弁２５が配設されている。そして、前記燃料ガス供給源２１から供給された改質ガスは、燃料ガス供給配管２２を通って燃料電池１０の燃料極１０ａに供給され、燃料ガス排出配管２３から排出されるように構成されている。
The
一方、前記酸化剤ガス供給手段３０は、酸化剤ガスである空気を供給する酸化剤ガス供給源３１と、燃料電池１０の酸化剤極１０ｂに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管３２とから構成されている。また、前記酸化剤極１０ｂには、該酸化剤極１０ｂから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出配管３３が接続されている。そして、前記酸化剤ガス供給源３１から供給された空気は、酸化剤ガス供給配管３２を通って燃料電池１０の酸化剤極１０ｂに供給され、酸化剤ガス排出配管３３から排出されるように構成されている。
On the other hand, the oxidant gas supply means 30 includes an oxidant
そして、制御装置６０によって、前記第１の遮断弁２４及び第２の遮断弁２５の開閉が制御されるように構成されている。なお、図中、点線で示した矢印は、制御装置６０による制御を示している。
The
また、前記燃料電池１０には、前記燃料ガス供給手段２０から供給される燃料ガスを各単セルの燃料極１０ａに均等に配流するために燃料極入口マニホールド２６が配設されると共に、各単セルの燃料極１０ａから排出される燃料ガスは燃料極出口マニホールド２７に集められ、燃料ガス排出配管２３に排出されるように構成されている。
The
また、本実施形態においては、前記燃料極出口マニホールド２７内にＣＯ吸着剤４０が設けられている。このＣＯ吸着剤４０としては、燃料電池１０の燃料極１０ａで使用される触媒よりもＣＯ吸着エネルギーの大きい物質であることを要し、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｎｉのいずれか一以上からなる微粒子、又は活性炭、シリカ、アルミナ、ゼオライトのいずれか一以上が用いられる。
In the present embodiment, a
なお、これらのＣＯ吸着剤４０は、燃料ガスに含まれるＣＯの濃度によって、吸着するＣＯ量が変化する。すなわち、燃料ガスに含まれるＣＯ濃度が高い場合には、ＣＯ吸着剤４０に吸着するＣＯ量は多くなり、燃料ガスに含まれるＣＯ濃度が低い場合には、ＣＯ吸着剤４０に吸着しているＣＯが脱離するため、結果的に、ＣＯ吸着剤４０に吸着するＣＯ量は減少する。
Note that the amount of adsorbed CO in these
また、前記ＣＯ吸着剤４０の設置位置は、燃料極出口マニホールド２７内に限定されるものではなく、前記第２の遮断弁２５と燃料極１０ａの触媒層の間であれば、特に限定されない。例えば、前記第２の遮断弁２５と燃料極出口マニホールド２７の間の燃料ガス排出配管２３の内壁や、燃料極１０ａの電極内、もしくはガス流路等に上記ＣＯ吸着剤４０を取り付けても良い。
Further, the installation position of the
（１−２）作用
本実施形態の燃料電池システムは、以下のように作用する。なお、以下の説明においては、ＣＯ吸着剤４０は燃料極出口マニホールド２７の内壁に取り付けられているものとする。
(1-2) Operation The fuel cell system of the present embodiment operates as follows. In the following description, it is assumed that the
（１−２−１）発電停止保管時
燃料電池システムの発電停止保管時には、前記制御装置６０によって、第１の遮断弁２４及び第２の遮断弁２５が閉止される。なお、この場合、燃料電池１０の燃料極１０ａには、燃料ガスと水が存在するものとする。
(1-2-1) Power generation stop storage At the time of power generation stop storage of the fuel cell system, the
このように、燃料極１０ａが第１の遮断弁２４及び第２の遮断弁２５によって封じられている場合でも、燃料極１０ａの燃料ガスと酸化剤極１０ｂの酸化剤ガスは、高分子電解質膜を介してクロスリークし、触媒上で反応することによって燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素は消費されるため、燃料極中のＣＯ濃度は高くなる。このようにして、燃料極中のＣＯ濃度が高くなると、燃料極出口マニホールド２７の内壁に設けられたＣＯ吸着剤４０は、燃料極内のＣＯを優先的に吸着し、燃料極の触媒がＣＯを吸着することを抑制する。
As described above, even when the
（１−２−２）発電起動時
燃料電池システムの発電起動時においては、前記制御装置６０によって、第１の遮断弁２４及び第２の遮断弁２５が開かれ、燃料極１０ａに供給された燃料ガスは、燃料極出口マニホールド２７を介して排出される。その際、ＣＯ吸着剤４０に吸着しているＣＯは、ＣＯ濃度が低い燃料ガスと接触することによってＣＯ吸着剤４０から脱離する。
(1-2-2) At the time of power generation start-up At the time of power generation start-up of the fuel cell system, the
（１−２−３）燃料極のＣＯ濃度と耐ＣＯ性劣化度の関係
ここで、燃料極のＣＯ濃度とＣＯ吸着による触媒の耐ＣＯ性劣化度の関係について説明する。なお、図２は、それぞれのＣＯ濃度において１１０時間保持した際の、通常発電時の電流密度における耐ＣＯ性劣化度を示したものである。図より明らかなように、燃料極内のＣＯ濃度を抑制することで、耐ＣＯ性の劣化を抑制することができる。
(1-2-3) Relationship between CO Concentration of Fuel Electrode and Degree of Resistance to CO Deterioration Here, the relationship between the CO concentration of the fuel electrode and the degree of resistance to CO deterioration of the catalyst due to CO adsorption will be described. FIG. 2 shows the degree of CO resistance deterioration at the current density during normal power generation when each CO concentration is held for 110 hours. As is clear from the figure, the CO resistance deterioration can be suppressed by suppressing the CO concentration in the fuel electrode.
（１−３）効果
本実施形態によれば、燃料電池システムの発電停止保管時においては、燃料極１０ａに存在するＣＯをＣＯ吸着剤４０に優先的に吸着させることによって、燃料極１０ａのＣＯ濃度上昇を抑制し、燃料極１０ａに含まれる触媒のＣＯ吸着を抑制することにより、ＣＯ吸着による触媒の耐ＣＯ性低下を抑制することができる。これにより、電池耐久性を飛躍的に向上させることが可能となる。
(1-3) Effect According to the present embodiment, when the fuel cell system is stopped from generating power, the CO present in the
また、燃料電池１０の発電起動時においては、燃料極１０ａに燃料ガスを供給すること、また発電時に温度が上昇することによって、ＣＯ吸着剤４０に吸着しているＣＯが脱離するため、ＣＯ吸着剤４０のＣＯ吸着能が回復する。
Further, when power generation of the
このように、ＣＯ吸着剤４０に吸着したＣＯは、燃料電池１０の発電起動時に供給された燃料ガスによって脱離するが、本実施形態においては、ＣＯ吸着剤４０は燃料電池１０よりも下流側に設置されているため、脱離したＣＯが燃料電池１０に影響を及ぼすことはない。
As described above, the CO adsorbed on the
以上のように、本実施形態によれば、燃料電池システムの所定の位置にＣＯ吸着剤を設置することによって、燃料電池の発電停止保管時において、ＣＯ吸着剤がＣＯを優先的に吸着し、燃料極内の触媒へのＣＯ吸着を抑制することで、ＣＯ吸着による触媒の耐ＣＯ性低下を抑制し、高耐久性の燃料電池システムを得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, the CO adsorbent preferentially adsorbs CO during the power generation stop storage of the fuel cell by installing the CO adsorbent at a predetermined position of the fuel cell system. By suppressing the CO adsorption to the catalyst in the fuel electrode, it is possible to suppress a decrease in the CO resistance of the catalyst due to the CO adsorption and obtain a highly durable fuel cell system.
（２）第２実施形態
（２−１）構成
本実施形態は、上記第１実施形態において、燃料電池１０の燃料極１０ａの下流側に設置していたＣＯ吸着剤４０を、燃料電池１０の燃料極１０ａの上流側に設置したものである。すなわち、本実施形態においては、図３に示すように、前記燃料極入口マニホールド２６内にＣＯ吸着剤４０が設けられている。その他の構成は上記第１実施形態と同様であるため、説明は省略する。
(2) Second Embodiment (2-1) Configuration In this embodiment, the
なお、前記ＣＯ吸着剤４０の設置位置は、燃料極入口マニホールド２６内に限定されるものではなく、前記第１の遮断弁２４と燃料極１０ａの触媒層の間であれば、特に限定されない。例えば、前記第１の遮断弁２４と燃料極入口マニホールド２６の間の燃料ガス供給配管２２の内壁や、燃料極１０ａの電極内、もしくはガス流路等に上記ＣＯ吸着剤４０を取り付けても良い。
The installation position of the
（２−２）作用
本実施形態の燃料電池システムは、以下のように作用する。なお、以下の説明においては、ＣＯ吸着剤４０は燃料極入口マニホールド２６の内壁に取り付けられているものとする。
(2-2) Operation The fuel cell system according to the present embodiment operates as follows. In the following description, it is assumed that the
（２−２−１）発電停止保管時
燃料電池システムの発電停止保管時には、前記制御装置６０によって、第１の遮断弁２４及び第２の遮断弁２５が閉止される。なお、この場合、燃料電池１０の燃料極１０ａには、燃料ガスと水が存在するものとする。
(2-2-1) Power generation stop storage At the time of power generation stop storage of the fuel cell system, the
このように、燃料極１０ａが第１の遮断弁２４及び第２の遮断弁２５によって封じられている場合でも、燃料極１０ａの燃料ガスと酸化剤極１０ｂの酸化剤ガスは、高分子電解質膜を介してクロスリークし、触媒上で反応することによって燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素は消費されるため、燃料極中のＣＯ濃度は高くなる。このようにして、燃料極中のＣＯ濃度が高くなると、燃料極入口マニホールド２６の内壁に設けられたＣＯ吸着剤４０は、燃料極内のＣＯを優先的に吸着し、燃料極の触媒がＣＯを吸着することを抑制する。
As described above, even when the
（２−２−２）発電起動時
燃料電池システムの発電起動時においては、前記制御装置６０によって、第１の遮断弁２４及び第２の遮断弁２５が開かれ、燃料極入口マニホールド２６を介して、燃料ガスが各単セルの燃料極１０ａに配流される。その際、ＣＯ吸着剤４０に吸着しているＣＯは、ＣＯ濃度が低い燃料ガスと接触することによってＣＯ吸着剤４０から脱離する。
(2-2-2) When Power Generation Starts When power generation of the fuel cell system starts, the
さらに、本実施形態においては、以下のような作用・効果が得られる。すなわち、燃料電池システムの発電初期においては、改質器の温度が不安定になることがあるため、燃料極１０ａに供給される燃料ガスは一時的にＣＯ濃度が高くなることがある。また、燃料電池の発電途中においても、負荷変動時にはＣＯ濃度が一時的に高くなることがある。そのような場合には、多量のＣＯが燃料極１０ａに流れ込み、燃料電池１０の特性が急激に変わることがあり、その際には燃料電池システムが非常停止してしまう恐れがある。
Furthermore, in the present embodiment, the following actions and effects can be obtained. That is, at the initial stage of power generation of the fuel cell system, the temperature of the reformer may become unstable, so the fuel gas supplied to the
このような場合に、本実施形態のように、第１の遮断弁２４と燃料極１０ａの触媒層の間にＣＯ吸着剤４０が設置されていると、燃料電池発電中に改質器から供給される燃料ガス中のＣＯ濃度が急激に上昇した場合でも、ＣＯ吸着剤４０が燃料ガス中の過剰なＣＯを吸着し、それによって燃料電池１０の特性変化を緩やかなものとすることができる。
In such a case, if the
また、燃料ガス中のＣＯ濃度が通常の状態に戻る際には、ＣＯ吸着剤から徐々にＣＯが脱離し、ＣＯ吸着剤及び燃料電池１０の特性は緩やかに回復することができる。これによって、燃料電池１０の急激な特性変化を抑制し、燃料電池システムを安定して運転することができるという利点もある。
Further, when the CO concentration in the fuel gas returns to the normal state, CO is gradually desorbed from the CO adsorbent, and the characteristics of the CO adsorbent and the
（２−３）効果
本実施形態によれば、燃料電池システムの発電停止保管時においては、燃料極１０ａに存在するＣＯをＣＯ吸着剤４０に優先的に吸着させることによって、燃料極１０ａのＣＯ濃度上昇を抑制し、燃料極１０ａに含まれる触媒のＣＯ吸着を抑制することにより、ＣＯ吸着による触媒の耐ＣＯ性低下を抑制することができる。これにより、電池耐久性を飛躍的に向上させることが可能となる。
(2-3) Effects According to the present embodiment, during the power generation stop storage of the fuel cell system, CO present in the
また、燃料電池１０の発電起動時においては、燃料極１０ａに燃料ガスを供給すること、また発電時に温度が上昇することによって、ＣＯ吸着剤４０に吸着しているＣＯが脱離するため、ＣＯ吸着剤４０のＣＯ吸着能が回復する。
Further, when power generation of the
なお、燃料極１０ａの触媒に吸着されたＣＯを酸化除去するために、燃料極１０ａに酸化剤ガスを供給するように構成された燃料電池システムにおいては、ＣＯ吸着剤４０に吸着したＣＯは、供給された酸化剤ガスによって酸化除去されるため、ＣＯ吸着剤４０のＣＯ吸着能は飛躍的に回復する。
In the fuel cell system configured to supply oxidant gas to the
さらに、燃料電池発電中に改質器から供給される燃料ガス中のＣＯ濃度が急激に上昇した場合でも、ＣＯ吸着剤４０が燃料ガス中の過剰なＣＯを吸着するため、燃料電池１０の特性変化を緩やかなものとすることができる。また、燃料ガス中のＣＯ濃度が通常の状態に戻る際には、ＣＯ吸着剤から徐々にＣＯが脱離するため、ＣＯ吸着剤及び燃料電池１０の特性を緩やかに回復させることができる。
Furthermore, even when the CO concentration in the fuel gas supplied from the reformer during the fuel cell power generation suddenly increases, the
以上のように、本実施形態によれば、燃料電池システムの所定の位置にＣＯ吸着剤を設置することによって、燃料電池の発電停止保管時において、ＣＯ吸着剤がＣＯを優先的に吸着し、燃料極内の触媒へのＣＯ吸着を抑制することで、ＣＯ吸着による触媒の耐ＣＯ性低下を抑制し、高耐久性の燃料電池システムを得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, the CO adsorbent preferentially adsorbs CO during the power generation stop storage of the fuel cell by installing the CO adsorbent at a predetermined position of the fuel cell system. By suppressing CO adsorption to the catalyst in the fuel electrode, it is possible to suppress a decrease in the CO resistance of the catalyst due to CO adsorption and obtain a highly durable fuel cell system.
（３）第３実施形態
（３−１）構成
本実施形態は、上記第１実施形態及び第２実施形態におけるＣＯ吸着剤４０をＣＯ2吸着剤に変えたものであり、その他の構成は上記第１実施形態及び第２実施形態と同様であるため、説明は省略する。
(3) Third Embodiment (3-1) Configuration In this embodiment, the
なお、ＣＯ2吸着剤の設置位置を、上記第１実施形態と同様に第２の遮断弁と燃料極の触媒層の間とした場合には、燃料電池１０の発電起動時に、ＣＯ2吸着剤に吸着したＣＯ2が脱離しても、ＣＯ2吸着剤は燃料電池１０の下流側に設置されているため、脱離したＣＯ2が燃料電池１０に影響を及ぼすことはない。
When the installation position of the CO 2 adsorbent is between the second shut-off valve and the fuel electrode catalyst layer as in the first embodiment, the CO 2 adsorbent is generated when the
また、ＣＯ2吸着剤の設置位置を、上記第２実施形態と同様に第１の遮断弁と燃料極の触媒層の間とした場合には、燃料電池１０の発電起動時に、比較的低濃度のＣＯ2を含む燃料ガスが燃料極１０ａに供給される際に、ＣＯ2吸着剤に吸着しているＣＯ2は、ＣＯ2濃度が低い燃料ガスと接触することによってＣＯ2吸着剤から脱離するため、ＣＯ2吸着剤の吸着能は飛躍的に回復する。
Further, when the installation position of the CO 2 adsorbent is between the first shutoff valve and the catalyst layer of the fuel electrode as in the second embodiment, a relatively low concentration is obtained when the
なお、前記ＣＯ2吸着剤としては、活性炭、アルミナ、シリカ、ゼオライト、アミン系化合物、シラン化合物、珪藻土、珪質岩、または、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｌａ及びそれらの酸化物のいずれか一以上を用いることができる。 The CO 2 adsorbent includes activated carbon, alumina, silica, zeolite, amine compound, silane compound, diatomaceous earth, siliceous rock, or any one or more of Mg, Ca, Mn, La and oxides thereof. Can be used.
（３−２）作用
本実施形態においても、燃料電池システムの発電停止保管時には、前記制御装置６０によって、第１の遮断弁２４及び第２の遮断弁２５が閉止される。なお、この場合、燃料電池１０の燃料極１０ａには、燃料ガスと水が存在するものとする。
(3-2) Operation Also in this embodiment, the first shut-off
このように、燃料極１０ａが第１の遮断弁２４及び第２の遮断弁２５によって封じられている場合でも、高分子電解質膜を介して、燃料極の燃料ガスと酸化剤極の酸化剤ガスがクロスリークする。そのため、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素は反応することによって消費され、その結果、燃料極中のＣＯとＣＯ2の濃度は高くなる。
Thus, even when the
このようにして燃料極中のＣＯ2の濃度が高くなると、このＣＯ2は前記ＣＯ2吸着剤によって吸着されるため、燃料極中のＣＯ2濃度は低減される。なお、ＣＯとＣＯ2との間では、下記の式１に示す平衡反応が成り立っており、この式１は、温度が低いほど正反応が有利になる。
このように燃料極中のＣＯ2の濃度が高くなると、ＣＯ2吸着剤がＣＯ2を吸着し、燃料極中のＣＯ2濃度が低減することによって、式１の正反応が進行する結果、左辺の反応物が消費されるため、燃料極中のＣＯ濃度は低減される。また、燃料電池システムの発電停止保管時においては、発電時よりも温度が低くなるため、温度の影響により式１の正反応が進行し、燃料極中のＣＯ濃度はさらに低減される。
When the concentration of CO 2 in the fuel electrode is increased in this way, the CO 2 adsorbent adsorbs CO 2 and the CO 2 concentration in the fuel electrode is reduced. As a result, the positive reaction of
一方、燃料電池システムの発電起動時においては、前記制御装置６０によって、第１の遮断弁２４及び第２の遮断弁２５が開かれ、燃料極入口マニホールド２６を介して、燃料ガスが各単セルの燃料極に配流される。その際、ＣＯ2吸着剤に吸着しているＣＯ2は、ＣＯ2濃度が低い燃料ガスと接触することによって、ＣＯ2吸着剤から脱離する。
On the other hand, at the time of power generation start-up of the fuel cell system, the
（３−３）効果
このように、本実施形態によれば、燃料電池システムの発電停止保管時において、燃料極１０ａに含まれるＣＯ2をＣＯ2吸着剤に吸着させることによって、燃料極１０ａのＣＯ2濃度を低減し、それによって式１の正反応を進行させ、燃料極中のＣＯ濃度を低減することができる。その結果、燃料極１０ａに含まれる触媒のＣＯ吸着を抑制することができ、ＣＯ吸着による触媒の耐ＣＯ性低下を抑制することができるので、電池耐久性を飛躍的に向上させることが可能となる。
(3-3) Effect As described above, according to the present embodiment, the CO 2 adsorbent adsorbs the CO 2 contained in the
また、燃料電池システムの発電停止保管時においては、式１の正反応が進行することによって水素が生成するため、水素による燃料極の電位安定性が向上し、燃料極の触媒の安定性が向上する。
In addition, when the fuel cell system is stopped from generating power, hydrogen is generated by the progress of the positive reaction of
一方、燃料電池システムの発電起動時においては、燃料極１０ａに燃料ガスを供給すること、また発電時に温度が上昇することによって、ＣＯ2吸着剤に吸着しているＣＯ2が脱離するため、ＣＯ2吸着剤のＣＯ2吸着能が回復する。
On the other hand, at the time of power generation startup of the fuel cell system, it supplies a fuel gas to the
以上のように、本実施形態によれば、燃料電池システムの所定の位置にＣＯ2吸着剤を設置することによって、燃料電池の発電停止保管時において、ＣＯ2吸着剤がＣＯ2を吸着し、燃料極中のＣＯ2濃度が低減することによって式１の正反応が進行し、ＣＯが消費されることによって燃料極内の触媒へのＣＯ吸着を抑制することで、ＣＯ吸着による触媒の耐ＣＯ性低下を抑制することができるので、高耐久性の燃料電池システムを得ることができる。
As described above, according to this embodiment, by installing a CO 2 adsorbent in place of the fuel cell system, at the time of stopping power generation storage of the fuel cell, CO 2 adsorbent adsorbs CO 2, When the CO 2 concentration in the fuel electrode is reduced, the positive reaction of
（４）他の実施形態
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、次に例示するような他の実施形態も含むものである。例えば、上記の実施形態では、酸化剤ガスとして空気を用いた例について説明したが、酸化剤ガスとして酸素を用いても良い。
(4) Other Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes other embodiments as exemplified below. For example, in the above embodiment, an example in which air is used as the oxidant gas has been described. However, oxygen may be used as the oxidant gas.
また、本発明は、固体高分子形燃料電池を備えた燃料電池システムに対して好適であるが、これらの手法は、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体電解質形燃料電池、アルカリ燃料電池を備えた燃料電池システムに対しても同様に適用することができる。 In addition, the present invention is suitable for a fuel cell system including a solid polymer fuel cell, but these techniques are used in a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid electrolyte fuel cell, The present invention can be similarly applied to a fuel cell system including an alkaline fuel cell.
１…燃料電池システム
１０…燃料電池
１０ａ…燃料極
１０ｂ…酸化剤極
２０…燃料ガス供給手段
２１…燃料ガス供給源
２２…燃料ガス供給配管
２３…燃料ガス排出配管
２４…第１の遮断弁
２５…第２の遮断弁
２６…燃料極入口マニホールド
２７…燃料極出口マニホールド
３０…酸化剤ガス供給手段
３１…酸化剤ガス供給源
３２…酸化剤ガス供給配管
３３…酸化剤ガス排出配管
４０…ＣＯ吸着剤
６０…制御装置
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記燃料ガス供給配管には、前記燃料ガスの供給を閉止する第１の遮断弁が設けられ、前記燃料ガス排出配管には、前記燃料ガスの排出を閉止する第２の遮断弁が設けられると共に、
前記燃料電池システムの燃料極側に、ＣＯを吸着するＣＯ吸着剤が配設されていることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system comprising a fuel cell, a fuel gas supply pipe for supplying fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell, and a fuel gas discharge pipe for discharging fuel gas from the fuel electrode of the fuel cell,
The fuel gas supply pipe is provided with a first shut-off valve for closing the supply of the fuel gas, and the fuel gas discharge pipe is provided with a second shut-off valve for closing the discharge of the fuel gas. ,
A fuel cell system, wherein a CO adsorbent for adsorbing CO is disposed on the fuel electrode side of the fuel cell system.
前記燃料ガス供給配管には、前記燃料ガスの供給を閉止する第１の遮断弁が設けられ、前記燃料ガス排出配管には、前記燃料ガスの排出を閉止する第２の遮断弁が設けられると共に、
前記燃料電池システムの燃料極側に、ＣＯ2を吸着するＣＯ2吸着剤が配設されていることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system comprising a fuel cell, a fuel gas supply pipe for supplying fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell, and a fuel gas discharge pipe for discharging fuel gas from the fuel electrode of the fuel cell,
The fuel gas supply pipe is provided with a first shut-off valve for closing the supply of the fuel gas, and the fuel gas discharge pipe is provided with a second shut-off valve for closing the discharge of the fuel gas. ,
Fuel cell system, characterized in that the fuel electrode side of the fuel cell system, CO 2 adsorbent for adsorbing the CO 2 is provided.
前記燃料電池システムの発電停止保管時には、前記制御手段によって、前記第１の遮断弁と第２の遮断弁が閉止されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一に記載の燃料電池システム。 Control means for controlling opening and closing of the first shut-off valve and the second shut-off valve is provided;
10. The fuel cell system according to claim 1, wherein the first shut-off valve and the second shut-off valve are closed by the control means during power generation stop storage of the fuel cell system. The fuel cell system according to any one of the above.
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| JP7446067B2 (en) | 2019-08-22 | 2024-03-08 | 株式会社ディスコ | flange mechanism |
Citations (3)
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| JPH09180747A (en) * | 1995-12-27 | 1997-07-11 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Power supply device |
| JP2005166305A (en) * | 2003-11-28 | 2005-06-23 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Fuel cell system |
| JP2006147250A (en) * | 2004-11-17 | 2006-06-08 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | Fuel cell power generation system, its stopping-retaining method, and stopping-retaining program |
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