JP2010238567A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を有する単セルからなり、一般に、複数の単セルを積層させた燃料電池スタックの形態で利用される。そして、各単セルのアノードには、燃料ガスとして、水素が供給され、各単セルのカソードには、酸化剤ガスとして、酸素を含む空気が供給される。 A fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention as an energy source. This fuel cell is composed of a single cell having a membrane electrode assembly in which an anode and a cathode are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane, respectively, and is generally used in the form of a fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked. The Hydrogen is supplied as a fuel gas to the anode of each single cell, and air containing oxygen is supplied as an oxidant gas to the cathode of each single cell.
このような燃料電池スタックを備える燃料電池システムでは、発電停止時には、アノードへの水素の供給が停止されるため、単セルにおいて、電解質膜を介してカソード側からアノード側に空気が透過する(以下、電解質膜を介してカソード側からアノード側に空気が透過することを空気が逆流すると言う)。すると、空気が逆流した単セルのアノードにおいて、部分的な水素欠損が生じ、すなわち、相対的に水素濃度が低下し、その単セルのアノードにおいて部分的な水素欠損が生じた部位に対応するカソードが備える触媒(以下、カソード触媒と呼ぶ)が1(V)以上の高電位にさらされて劣化し、単セルの発電性能が低下する。そして、燃料電池スタックの一部に、上述したカソード触媒が劣化した単セルが存在すると、燃料電池スタック全体としての出力が大幅に低下し、比較的大きな出力が要求される高負荷運転ができなくなる。このため、燃料電池スタックの発電性能を回復させるためには、カソード触媒の劣化によって発電性能が低下した単セルを交換する必要が生じる。 In a fuel cell system including such a fuel cell stack, supply of hydrogen to the anode is stopped when power generation is stopped. Therefore, in a single cell, air permeates from the cathode side to the anode side via the electrolyte membrane (hereinafter referred to as “cell generation”). When air passes through the electrolyte membrane from the cathode side to the anode side, the air flows backward). Then, a partial hydrogen deficiency occurs in the anode of the single cell where the air flows back, that is, the cathode corresponding to the site where the hydrogen concentration is relatively lowered and the partial hydrogen deficiency occurs in the anode of the single cell. The catalyst (hereinafter referred to as a cathode catalyst) included in the battery is deteriorated by being exposed to a high potential of 1 (V) or more, and the power generation performance of the single cell is lowered. If a single cell in which the above-described cathode catalyst is deteriorated exists in a part of the fuel cell stack, the output of the fuel cell stack as a whole is greatly reduced, and high load operation requiring a relatively large output cannot be performed. . For this reason, in order to restore the power generation performance of the fuel cell stack, it is necessary to replace a single cell whose power generation performance has been reduced due to deterioration of the cathode catalyst.
そして、従来、燃料電池スタックにおいて、発電性能が低下した一部の単セル(不良電池)の交換を容易に行うことを可能とするための種々の技術が提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。 Conventionally, in the fuel cell stack, various techniques for enabling easy replacement of some single cells (defective batteries) whose power generation performance has been reduced have been proposed (for example, the following patent documents) 1).
しかし、上記特許文献1に記載された技術では、不良電池の交換のために、積層電池(燃料電池スタック)全体を分解しなければならず、不良電池の交換時の作業性について、改善の余地があった。例えば、先に説明した空気の逆流によるカソード触媒の劣化は、燃料電池スタックにおいて、空気が逆流しやすい単セル、すなわち、空気の給排気を行うための配管が接続される端部側に配置された単セルから進行することが予め分かっている。このような場合には、上記端部側に配置された単セル(複数の単セルを含む)を交換すればよい。それにも関わらず、単セルの交換を行うために、燃料電池スタック全体を分解することは、作業性が悪かった。 However, in the technique described in Patent Document 1, the entire stacked battery (fuel cell stack) must be disassembled in order to replace a defective battery, and there is room for improvement in workability when replacing a defective battery. was there. For example, the deterioration of the cathode catalyst due to the backflow of air described above is disposed in the fuel cell stack on the end side where a single cell in which air easily flows back, that is, a pipe for supplying and exhausting air is connected. It is known in advance that it proceeds from a single cell. In such a case, a single cell (including a plurality of single cells) disposed on the end side may be replaced. Nevertheless, disassembling the entire fuel cell stack in order to replace the unit cell has been inefficient.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、上記端部側に配置された単セルの交換を容易に行うことができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to facilitate replacement of a single cell arranged on the end side in a fuel cell system. .
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する第1の単セルを複数積層してなり、前記第1の単セルの積層方向の一方の端部から前記酸化剤ガスの供給を行うための第1の酸化剤ガス供給マニホールド、および、前記一方の端部から前記酸化剤ガスの排出を行うための第1の酸化剤ガス排出マニホールドを有する燃料電池スタックモジュールと、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する第2の単セルを複数積層してなり、前記第1の燃料電池スタックモジュールにおける前記一方の端部に直列接続される第2の燃料電池スタックモジュールであって、前記第2の単セルの積層方向の両端部のうちの、前記第1の燃料電池スタックモジュールと接続される側の端部とは反対側の端部から前記酸化剤ガスの供給を行うとともに、前記第1の酸化剤ガス供給マニホールドと連通する第2の酸化剤ガス供給マニホールド、および、前記反対側の端部から前記酸化剤ガスの排出を行うとともに、前記第1の酸化剤ガス排出マニホールドと連通する第2の酸化剤ガス排出マニホールドを有する第2の燃料電池スタックモジュールと、前記第1の燃料電池スタックモジュールと、前記第2の燃料電池スタックモジュールとを着脱可能に接続する接続部材と、少なくとも前記第2の燃料電池スタックモジュールにおける電圧を検出する電圧検出部と、を備える燃料電池システム。 [Application Example 1] A fuel cell system, in which a plurality of first single cells that generate electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked, and one of the first single cells in the stacking direction A first oxidant gas supply manifold for supplying the oxidant gas from an end; and a first oxidant gas discharge manifold for discharging the oxidant gas from the one end. A plurality of fuel cell stack modules and a plurality of second single cells that generate electric power by an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas are stacked in series with the one end of the first fuel cell stack module. A second fuel cell stack module to be connected, of both ends in the stacking direction of the second single cells, the end on the side connected to the first fuel cell stack module Supplies the oxidant gas from the opposite end, communicates with the first oxidant gas supply manifold, and the oxidant from the opposite end. A second fuel cell stack module for discharging gas and having a second oxidant gas discharge manifold in communication with the first oxidant gas discharge manifold; the first fuel cell stack module; A fuel cell system comprising: a connecting member that detachably connects two fuel cell stack modules; and a voltage detection unit that detects at least a voltage in the second fuel cell stack module.
適用例1の燃料電池システムでは、上記第1および第2の燃料電池スタックモジュールへの酸化剤ガス(空気)の給排気は、上記第2の燃料電池スタックモジュールの上記第1の燃料電池スタックモジュールと接続される側の端部とは反対側の端部から行われる。このため、先に説明した発電停止時の空気の逆流によるカソード触媒の劣化は、上記第2の燃料電池スタックモジュール側から進行することになる。 In the fuel cell system of Application Example 1, supply and exhaust of the oxidant gas (air) to the first and second fuel cell stack modules are performed by the first fuel cell stack module of the second fuel cell stack module. Is performed from the end on the side opposite to the end connected to the. For this reason, the deterioration of the cathode catalyst due to the backflow of air when power generation is stopped as described above proceeds from the second fuel cell stack module side.
そして、適用例1の燃料電池システムでは、上記第1の燃料電池スタックモジュールと上記第2の燃料電池スタックモジュールとが、上記接続部材によって、着脱可能に接続されている。このため、上述したカソード触媒の劣化による上記第2の燃料電池スタックモジュールの出力低下が生じたときには、上記接続部材による第1および第2の燃料電池スタックモジュールの接続を解除するだけで、上記第1および第2の燃料電池スタックモジュールを含む燃料電池スタック全体を分解することなく、上記第2の燃料電池スタックモジュールの交換を容易に行うことができる。 In the fuel cell system of Application Example 1, the first fuel cell stack module and the second fuel cell stack module are detachably connected by the connection member. Therefore, when the output of the second fuel cell stack module is reduced due to the deterioration of the cathode catalyst described above, the first and second fuel cell stack modules are simply disconnected by the connecting member. The second fuel cell stack module can be easily replaced without disassembling the entire fuel cell stack including the first and second fuel cell stack modules.
なお、適用例1の燃料電池システムは、上記電圧検出部を備えているので、上記電圧検出部によって、例えば、上記第2の燃料電池スタックモジュールにおける電圧(各単セルの電圧、あるいは、複数の単セルの電圧)が予め規定された閾値以下となったときに、その旨をユーザに報知し、上記第2の燃料電池スタックモジュールの交換を促すようにすることができる。このようなユーザへの報知は、適用例1の燃料電池システムが、さらに、上記第2の燃料電池スタックモジュールにおける大幅な電圧低下が検出されたとき、すなわち、上記第2の燃料電池スタックモジュールにおける電圧が予め規定された閾値以下となったときに、その旨をユーザに報知するための報知部を備えるようにすればよい。上述したユーザへの報知の態様としては、例えば、警告音を発したり、警告ランプを点灯させたりする態様が挙げられる。 Note that the fuel cell system of Application Example 1 includes the voltage detection unit. Therefore, the voltage detection unit causes, for example, the voltage in the second fuel cell stack module (the voltage of each single cell, or a plurality of When the voltage of the single cell becomes equal to or lower than a predetermined threshold value, the user can be informed so that the replacement of the second fuel cell stack module can be promoted. Such notification to the user is performed when the fuel cell system of Application Example 1 further detects a significant voltage drop in the second fuel cell stack module, that is, in the second fuel cell stack module. What is necessary is just to provide the alerting | reporting part for alert | reporting that to a user, when a voltage becomes below a predetermined threshold value. Examples of the above-described manner of notifying the user include a mode in which a warning sound is emitted or a warning lamp is turned on.
[適用例2]適用例1記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第1の燃料電池スタックモジュールと前記第2の燃料電池スタックモジュールとによって発電された電力を出力するか、前記第1の燃料電池スタックモジュールによって発電された電力を出力するかを切り換えるための切換スイッチと、前記電圧検出部によって検出された上記第2の燃料電池スタックモジュールにおける大幅な電圧低下が検出されたときに、前記第1の燃料電池スタックモジュールによって発電された電力を外部に出力するように、前記切換スイッチを制御するスイッチ制御部と、を備える燃料電池システム。 [Application Example 2] The fuel cell system according to Application Example 1, wherein the electric power generated by the first fuel cell stack module and the second fuel cell stack module is further output, or the first A changeover switch for switching whether to output the electric power generated by the fuel cell stack module, and when a significant voltage drop in the second fuel cell stack module detected by the voltage detection unit is detected, And a switch control unit that controls the changeover switch so that the electric power generated by the first fuel cell stack module is output to the outside.
適用例2の燃料電池システムでは、上記電圧検出部によって、上記第2の燃料電池スタックモジュールにおける大幅な電圧低下が検出されたとき、すなわち、上記燃料電池スタックモジュールにおける電圧が予め規定された閾値以下となったときに、上記スイッチ制御部が、上記切換スイッチを制御することによって、大幅な電圧低下が検出された上記第2の燃料電池スタックモジュールを電気的に切断して、まだ大幅な電圧低下が検出されていない上記第1の燃料電池スタックモジュールによって発電された電力を外部に出力することができる。したがって、上記第2の燃料電池スタックモジュールにおける大幅な電圧低下が検出された場合であっても、比較的大きな出力が要求される高負荷運転、および、高効率運転を可能とすることができる。 In the fuel cell system of Application Example 2, when the voltage detection unit detects a significant voltage drop in the second fuel cell stack module, that is, the voltage in the fuel cell stack module is equal to or lower than a predetermined threshold value. Then, the switch control unit controls the changeover switch to electrically disconnect the second fuel cell stack module in which a significant voltage drop is detected. It is possible to output the electric power generated by the first fuel cell stack module in which no is detected. Therefore, even when a significant voltage drop is detected in the second fuel cell stack module, it is possible to perform a high load operation and a high efficiency operation that require a relatively large output.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.第1実施例:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム100の概略構成を示す説明図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
図1(a)の上段に示したように、第1実施例の燃料電池システム100は、第1の燃料電池スタックモジュール10と、第2の燃料電池スタックモジュール20と、を備えており、これらは直列接続されている。第1および第2の燃料電池スタックモジュール10,20は、それぞれ、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードが接合された膜電極接合体を有する単セルを複数積層することによって構成されている。
As shown in the upper part of FIG. 1A, the
なお、本実施例では、第2の燃料電池スタックモジュール20は、20枚の単セルを備えるものとした。第1の燃料電池スタックモジュール10が備える単セルの数は、要求される出力に応じて、任意に設定可能である。また、本実施例では、第1の燃料電池スタックモジュール10を構成する各単セルが備える膜電極接合体と、第2の燃料電池スタックモジュール20を構成する各単セルが備える膜電極接合体とは、同じであるものとした。
In the present embodiment, the second fuel
本実施例の燃料電池システム100において、第1の燃料電池スタックモジュール10の一方の端部(図の右側)には、集電板11と、絶縁板13と、スプリングボックス33と、締結板30とが配置されている。また、第1の燃料電池スタックモジュール10の他方の端部(図の左側)には、集電板12と、絶縁板14と、締結板31とが配置されている。そして、締結板30と締結板31とは、複数の締結棒40を含む締結部材によって締結されている。このとき、第1の燃料電池スタックモジュール10を構成する各単セルには、スプリングボックス33内に収納されたスプリングの弾性力によって、所定の荷重が加えられる。
In the
なお、集電板11は、導線(符号省略)によって、外部回路に接続されている。また、第1の燃料電池スタックモジュール10には、第1の燃料電池スタックモジュール10が備える各単セルのセル電圧(アノードとカソードとの間の電圧)を測定するためのセルモニタ18が接続されている。そして、セルモニタ18の出力は、後述する制御ユニット70によって監視される。
The
第1の燃料電池スタックモジュール10の内部には、供給された空気を各単セルのカソードに分岐して供給するための空気供給マニホールド10miが形成されている。また、第1の燃料電池スタックモジュール10の内部には、各単セルのカソードから排出されるカソードオフガスを集合させて排出するためのカソードオフガス排出マニホールド10moが形成されている。
An air supply manifold 10mi is formed in the first fuel
また、燃料電池システム100において、第2の燃料電池スタックモジュール20の一方の端部(図の右側)には、集電板21と、絶縁板23と、締結板31とが配置されている。また、第2の燃料電池スタックモジュール20の他方の端部(図の左側)には、集電板22と、絶縁板24と、締結板32とが配置されている。そして、締結板31と締結板32とは、複数の締結棒50およびスプリングナット52を含む締結部材によって締結されている。このとき、第2の燃料電池スタックモジュール20を構成する各単セルには、スプリングナット52の弾性力によって、所定の荷重が加えられている。図から分かるように、締結板31は、第1の燃料電池スタックモジュール10の締結、および、第2の燃料電池スタックモジュール20の締結に共通に用いられる。複数の締結棒50およびスプリングナット52を含む締結部材、および、締結板31,32は、本発明における接続部材に相当する。
In the
なお、第1の燃料電池スタックモジュール10の端部に配置された集電板12と第2の燃料電池スタックモジュール20の端部に配置された集電板21とは、導線等の導電体(符号省略)によって、電気的に接続されている。また、集電板22は、導線(符号省略)によって、外部回路に接続されている。また、第2の燃料電池スタックモジュール20には、第2の燃料電池スタックモジュール20が備える各単セルのセル電圧を測定するためのセルモニタ28が接続されている。そして、セルモニタ28の出力は、後述する制御ユニット70によって監視される。
The
第2の燃料電池スタックモジュール20の内部には、供給された空気を各単セルに分岐して供給するための空気供給マニホールド20miが形成されている。また、第2の燃料電池スタックモジュール20の内部には、各単セルのカソードから排出されるカソードオフガスを集合させて排出するためのカソードオフガス排出マニホールド20moが形成されている。
An air supply manifold 20mi is formed in the second fuel
第1および第2の燃料電池スタックモジュール10,20において、第2の燃料電池スタックモジュール20の内部に形成された空気供給マニホールド20miは、第1の燃料電池スタックモジュール10の内部に形成された空気供給マニホールド10miと連通している。また、第2の燃料電池スタックモジュール20の内部に形成されたカソードオフガス排出マニホールド20moは、第1の燃料電池スタックモジュール10の内部に形成されたカソードオフガス排出マニホールド10moと連通している。そして、第2の燃料電池スタックモジュール20の内部に形成された空気供給マニホールド20miには、外部から空気を供給するための空気供給配管60が接続されている。また、第2の燃料電池スタックモジュール20の内部に形成されたカソードオフガス排出マニホールド20moには、カソードオフガスを外部に排出するためのカソードオフガス排出配管62が接続されている。したがって、第1の燃料電池スタックモジュール10の内部に形成された空気供給マニホールド10miには、第2の燃料電池スタックモジュール20の内部に形成された空気供給マニホールド20miを介して、外部から空気が供給される。また、第1の燃料電池スタックモジュール10の内部に形成されたカソードオフガス排出マニホールド10moからは、第2の燃料電池スタックモジュール20の内部に形成されたカソードオフガス排出マニホールド20moを介して、外部にカソードオフガスが排出される。なお、本実施例では、後述する第2の燃料電池スタックモジュール20の交換時の作業性を考慮して、空気供給配管60、および、カソードオフガス排出配管62として、容易に屈曲が可能なフレキシブル配管を用いるものとした。
In the first and second fuel
なお、図示は省略しているが、第1および第2の燃料電池スタックモジュール10,20内部には、空気供給マニホールド10mi,20miや、カソードオフガス排出マニホールド10mo,20moと同様に、水素供給マニホールドや、アノードオフガス排出マニホールドや、冷却水供給マニホールドや、冷却水排出マニホールドが形成されており、これらには、それぞれ、対応する配管等が接続されている。
Although not shown, the first and second fuel
上述した構造を有する第1および第2の燃料電池スタックモジュール10,20を含む燃料電池スタックでは、先に説明した発電停止時の空気の逆流によるカソード触媒の劣化は、空気供給配管60、および、カソードオフガス排出配管62が接続された第2の燃料電池スタックモジュール20側から進行し、第2の燃料電池スタックモジュール20の発電性能が低下する。本実施例の燃料電池システム100では、このような場合に、スプリングナット52を緩めることによって、図1(a)の下段に示したように、第1の燃料電池スタックモジュール10を分解することなく、燃料電池スタックから第2の燃料電池スタックモジュール20を容易に取り外し、新たな第2の燃料電池スタックモジュール20と交換することができる。なお、図1(b)に示したように、第2の燃料電池スタックモジュール20には、第2の燃料電池スタックモジュール20の取り外し時の破損を防止、抑制するために、適宜、保護部材20pが備えられている。本実施例では、保護部材20pとして、ゴムシールを用いるものとした。
In the fuel cell stack including the first and second fuel
燃料電池システム100の運転は、制御ユニット70によって制御される。制御ユニット70は、内部にCPU、RAM、ROM等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムに従って、第1および第2の燃料電池スタックモジュール10,20からなる燃料電池スタックに対する出力要求(燃料電池スタックに接続される負荷の大きさ)や、燃料電池スタックに接続された温度センサ等、各種センサの出力等に基づいて、図示しない各種バルブや、燃料ガス給排気系や、酸化剤ガス給排気系や、冷却媒体循環系等、システムの運転を制御する。
The operation of the
また、制御ユニット70は、第2の燃料電池スタックモジュール20の交換時期の判断も行う。すなわち、制御ユニット70は、第2の燃料電池スタックモジュール20に接続されたセルモニタ28の出力の監視を行い、第2の燃料電池スタックモジュール20における大幅な電圧低下が検出された場合、すなわち、第2の燃料電池スタックモジュール20における電圧が予め規定された閾値以下となった場合に、その旨をユーザに報知し、第2の燃料電池スタックモジュール20の交換をユーザに促すための処理を行う。このような処理の態様としては、例えば、ブザーによって警告音を発したり、警告ランプを点灯させたりする態様が挙げられる。セルモニタ28、および、制御ユニット70は、本発明における電圧検出部に相当する。
The control unit 70 also determines the replacement time of the second fuel
なお、本実施例では、制御ユニット70は、第2の燃料電池スタックモジュール20における大幅な電圧低下が検出されたとき、すなわち、第2の燃料電池スタックモジュール20における電圧が予め規定された閾値以下となった場合に、第2の燃料電池スタックモジュール20の交換時期であることを判断するものとしたが、この代わりに、第2の燃料電池スタックモジュール20について、単セルが備えるカソード触媒の劣化が生じるまでの保証期間を予め設定しておき、タイマーを参照して、上記保証期間が経過したときに、第2の燃料電池スタックモジュール20の交換時期であることを判断するようにしてもよい。
In this embodiment, the control unit 70 detects that a significant voltage drop in the second fuel
以上説明した第1実施例の燃料電池システム100によれば、第1の燃料電池スタックモジュール10と第2の燃料電池スタックモジュール20とが、締結棒50およびスプリングナット52等の接続部材によって、着脱可能に接続されているため、先に説明した空気の逆流によるカソード触媒の劣化によって第2の燃料電池スタックモジュール20の出力低下が生じた場合に、上記接続部材による第1および第2の燃料電池スタックモジュール10,20の接続を解除するだけで、第1および第2の燃料電池スタックモジュール10,20を含む燃料電池スタック全体を分解することなく、第2の燃料電池スタックモジュール20の交換を容易に行うことができる。
According to the
B.第2実施例:
図2は、本発明の第2実施例としての燃料電池システム100Aの概略構成を示す説明図である。図2(a)に示すように、第2実施例の燃料電池システム100Aの構成は、先に説明した第1実施例の燃料電池システム100の構成とほぼ同じである。そして、燃料電池システム100Aは、燃料電池スタックが、第1実施例の燃料電池システム100における第2の燃料電池スタックモジュール20の代わりに、第2の燃料電池スタックモジュール20Aを備えている。以下、第2の燃料電池スタックモジュール20Aについて説明し、第1実施例の燃料電池システム100と共通する部分については、説明を省略する。
B. Second embodiment:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
本実施例における第2の燃料電池スタックモジュール20Aは、10枚の単セルを備えており、第2の燃料電池スタックモジュール20Aの内部には、空気供給マニホールド20Ami、および、カソードオフガス排出マニホールド20moが形成されている。そして、空気供給マニホールド20Amiの流路断面積は、第1の燃料電池スタックモジュール10の内部に形成された空気供給マニホールド10miの流路断面積の1.2倍であるものとした。こうすることによって、第2の燃料電池スタックモジュール20Aにおける空気の圧力損失が、第1の燃料電池スタックモジュール10における空気の圧力損失よりも小さくなる。
The second fuel
また、第2の燃料電池スタックモジュール20Aを構成する各単セルは、第1の燃料電池スタックモジュール10を構成する各単セルとは異なる膜電極接合体200を備えるものとした。図2(b)に示すように、この膜電極接合体200は、電解質膜210の両面に、それぞれ、アノード側触媒層220、および、カソード側触媒層230を接合することによって構成されている。
Further, each single cell constituting the second fuel
そして、アノード側触媒層220における触媒としての白金の目付量は、第1の燃料電池スタックモジュール10に用いられる膜電極接合体のアノード触媒層における白金の目付量よりも低く設定されている。本実施例では、アノード側触媒層220における白金の目付量を0.02(mg/cm2)とした。こうすることによって、アノード側触媒層220における酸素還元活性を、第1の燃料電池スタックモジュール10に用いられる膜電極接合体のアノード側触媒層における酸素還元活性よりも低下させることができる。
The basis weight of platinum as a catalyst in the
また、カソード側触媒層230には、触媒を担持するカーボンとして、第1の燃料電池スタックモジュール10に用いられる膜電極接合体のカソード側触媒層よりも高結晶のカーボン(以下、高結晶カーボンと呼ぶ)を用いるものとした。高結晶カーボンとしては、例えば、カーボンナノチューブ、デンカブラック(登録商標)、HOPG(Highly Oriented Pyrolytic Graphite)が用いられる。こうすることによって、触媒を担持するカーボンとして低結晶のカーボンを用いる場合よりも、カソード側触媒層230におけるカソード触媒の劣化を抑制することができる。
In addition, the cathode
以上説明した第2実施例の燃料電池システム100Aによっても、先に説明した第1実施例の燃料電池システム100と同様に、第2の燃料電池スタックモジュール20の出力低下が生じた場合に、第2の燃料電池スタックモジュール20Aの交換を容易に行うことができる。
Also in the
さらに、第2実施例の燃料電池システム100Aでは、第2の燃料電池スタックモジュール20Aにおける空気の圧力損失が、第1の燃料電池スタックモジュール10における空気の圧力損失よりも小さいので、発電停止時に、第2の燃料電池スタックモジュール20A側に積極的に空気を逆流させ、第1の燃料電池スタックモジュール10側におけるカソード触媒の劣化を、第1実施例の燃料電池システム100よりも生じさせにくくすることができる。
Furthermore, in the
また、単に、第2の燃料電池スタックモジュール20Aにおける空気の圧力損失を、第1の燃料電池スタックモジュール10における空気の圧力損失よりも小さくしただけでは、第2の燃料電池スタックモジュール20Aにおけるカソード触媒の劣化が激しくなり、第2の燃料電池スタックモジュール20Aの交換頻度を増大させるおそれが生じる。これについては、第2の燃料電池スタックモジュール20Aに、上述した膜電極接合体200を用いることによって、カソード触媒の劣化を抑制することが可能となり、第2の燃料電池スタックモジュール20Aの交換頻度の増加を抑制することができる。
Further, the cathode catalyst in the second fuel
C.第3実施例:
図3は、本発明の第3実施例としての燃料電池システム100Bの概略構成を示す説明図である。第3実施例の燃料電池システム100Bは、第1実施例の燃料電池システム100の特徴の一部と第2実施例の燃料電池システム100Aの特徴の一部とを組み合わせるとともに、燃料電池スタックを構成する部材の一部を省略した構造を有している。
C. Third embodiment:
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
図3の上段に示したように、第3実施例の燃料電池システム100Bは、第1の燃料電池スタックモジュール10と、第2の燃料電池スタックモジュール20Aと、を備えており、これらは直列接続されている。そして、第1の燃料電池スタックモジュール10と第2の燃料電池スタックモジュール20Aとは、導電性を有する仕切板34によって分離されている。
As shown in the upper part of FIG. 3, the
本実施例の燃料電池システム100Bにおいて、第1の燃料電池スタックモジュール10の端部(図の右側)には、集電板11と、絶縁板13と、締結板30とが配置されている。また、第2の燃料電池スタックモジュール20の端部(図の左側)には、集電板22と、絶縁板24と、締結板32とが配置されている。そして、締結板30と締結板32とは、複数の締結棒50Bおよびスプリングナット52を含む締結部材によって締結されている。このとき、第1および第2の燃料電池スタックモジュール10,20Aを構成する各単セルには、スプリングナット52の弾性力によって、所定の荷重が加えられている。複数の締結棒50Bおよびスプリングナット52を含む締結部材、および、締結板30,32は、本発明における接続部材に相当する。
In the
以上説明した第3実施例の燃料電池システム100Bによっても、先に説明した第1および第2実施例の燃料電池システム100,100Aと同様に、第2の燃料電池スタックモジュール20Aの出力低下が生じた場合に、第2の燃料電池スタックモジュール20Aの交換を容易に行うことができる。
The
D.第4実施例:
図4は、本発明の第4実施例としての燃料電池システム100Cの概略構成を示す説明図である。図示するように、第4実施例の燃料電池システム100Cの構成は、先に説明した第2実施例の燃料電池システム100Aの構成とほぼ同じである。
D. Fourth embodiment:
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
そして、第4実施例の燃料電池システム100Cは、第1の燃料電池スタックモジュール10と第2の燃料電池スタックモジュール20Aとによって発電された電力を外部回路に出力するか、第1の燃料電池スタックモジュール10によって発電された電力を外部回路に出力するかを切り換えるための切換スイッチ80を備えている。また、第4実施例の燃料電池システム100Cは、第2実施例の燃料電池システム100Aにおける制御ユニット70の代わりに、制御ユニット70Cを備えている。この制御ユニット70Cは、制御ユニット70が備える機能の他に、切換スイッチ80を制御する機能も有している。
The
具体的には、制御ユニット70Cは、第2の燃料電池スタックモジュール20Aに接続されたセルモニタ28の出力の監視を行い、第2の燃料電池スタックモジュール20Aにおける大幅な電圧低下が検出されていない場合、すなわち、第2の燃料電池スタックモジュール20Aにおける電圧が予め規定された閾値以下になっていない場合には、第1の燃料電池スタックモジュール10と第2の燃料電池スタックモジュール20Aとによって発電された電力を外部回路に出力するように、切換スイッチ80を制御する。一方、制御ユニット70Cは、第2の燃料電池スタックモジュール20Aにおける大幅な電圧低下が検出された場合、すなわち、第2の燃料電池スタックモジュール20Aにおける電圧が予め規定された閾値以下になった場合には、その旨をユーザに報知し、第2の燃料電池スタックモジュール20Aの交換をユーザに促すための処理を行うとともに、第1の燃料電池スタックモジュール10によって発電された電力を外部回路に出力するように、切換スイッチ80を制御する。制御ユニット70Cは、本発明におけるスイッチ制御部に相当する。
Specifically, the control unit 70C monitors the output of the cell monitor 28 connected to the second fuel
以上説明した第4実施例の燃料電池システム100Cによっても、先に説明した第1ないし第3実施例の燃料電池システム100,100A,100Bと同様に、第2の燃料電池スタックモジュール20Aの出力低下が生じた場合に、第2の燃料電池スタックモジュール20Aの交換を容易に行うことができる。
The
さらに、第4実施例の燃料電池システム100Cでは、切換スイッチ80を備えているので、第2の燃料電池スタックモジュール20Aにおける大幅な電圧低下が検出されたときに、切換スイッチ80を制御することによって、大幅な電圧低下が検出された第2の燃料電池スタックモジュール20Aを電気的に切断して、まだ大幅な電圧低下が検出されていない第1の燃料電池スタックモジュール10によって発電された電力を外部に出力することができる。したがって、第2の燃料電池スタックモジュール20Aにおける大幅な電圧低下が検出された場合であっても、比較的大きな出力が要求される高負荷運転、および、高効率運転を可能とすることができる。
Furthermore, since the
100,100A,100B,100C…燃料電池システム
10…第1の燃料電池スタックモジュール
10mi…空気供給マニホールド
10mo…カソードオフガス排出マニホールド
11,12…集電板
13,14…絶縁板
18…セルモニタ
20,20A…第2の燃料電池スタックモジュール
20mi,20Ami…空気供給マニホールド
20mo…カソードオフガス排出マニホールド
20p…保護部材
21,22…集電板
23,24…絶縁板
28…セルモニタ
30,31,32…締結板
33…スプリングボックス
34…仕切板
40,50,50B…締結棒
52…スプリングナット
60…空気供給配管
62…カソードオフガス排出配管
70,70C…制御ユニット
80…切換スイッチ
200…膜電極接合体
210…電解質膜
220…アノード側触媒層
230…カソード側触媒層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,100A, 100B, 100C ...
Claims (2)
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する第1の単セルを複数積層してなり、前記第1の単セルの積層方向の一方の端部から前記酸化剤ガスの供給を行うための第1の酸化剤ガス供給マニホールド、および、前記一方の端部から前記酸化剤ガスの排出を行うための第1の酸化剤ガス排出マニホールドを有する燃料電池スタックモジュールと、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する第2の単セルを複数積層してなり、前記第1の燃料電池スタックモジュールにおける前記一方の端部に直列接続される第2の燃料電池スタックモジュールであって、前記第2の単セルの積層方向の両端部のうちの、前記第1の燃料電池スタックモジュールと接続される側の端部とは反対側の端部から前記酸化剤ガスの供給を行うとともに、前記第1の酸化剤ガス供給マニホールドと連通する第2の酸化剤ガス供給マニホールド、および、前記反対側の端部から前記酸化剤ガスの排出を行うとともに、前記第1の酸化剤ガス排出マニホールドと連通する第2の酸化剤ガス排出マニホールドを有する第2の燃料電池スタックモジュールと、
前記第1の燃料電池スタックモジュールと、前記第2の燃料電池スタックモジュールとを着脱可能に接続する接続部材と、
少なくとも前記第2の燃料電池スタックモジュールにおける電圧を検出する電圧検出部と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system,
In order to supply the oxidant gas from one end in the stacking direction of the first single cell, which is formed by stacking a plurality of first single cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas. A fuel cell stack module having a first oxidant gas supply manifold, and a first oxidant gas discharge manifold for discharging the oxidant gas from the one end,
A plurality of second single cells that generate power by an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas, and are connected in series to the one end of the first fuel cell stack module; It is a fuel cell stack module, and the oxidation is performed from an end of the second unit cell in the stacking direction opposite to the end connected to the first fuel cell stack module. Supplying the oxidant gas, discharging the oxidant gas from the second oxidant gas supply manifold communicating with the first oxidant gas supply manifold, and the opposite end, and A second fuel cell stack module having a second oxidant gas discharge manifold in communication with one oxidant gas discharge manifold;
A connecting member for detachably connecting the first fuel cell stack module and the second fuel cell stack module;
A voltage detector for detecting a voltage in at least the second fuel cell stack module;
A fuel cell system comprising:
前記第1の燃料電池スタックモジュールと前記第2の燃料電池スタックモジュールとによって発電された電力を出力するか、前記第1の燃料電池スタックモジュールによって発電された電力を出力するかを切り換えるための切換スイッチと、
前記電圧検出部によって、前記第2の燃料電池スタックモジュールにおける大幅な電圧低下が検出されたときに、前記第1の燃料電池スタックモジュールによって発電された電力を外部に出力するように、前記切換スイッチを制御するスイッチ制御部と、
を備える燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
Switching for switching between outputting power generated by the first fuel cell stack module and the second fuel cell stack module or outputting power generated by the first fuel cell stack module A switch,
The changeover switch is configured to output the electric power generated by the first fuel cell stack module to the outside when the voltage detection unit detects a significant voltage drop in the second fuel cell stack module. A switch control unit for controlling
A fuel cell system comprising:
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