JP4618985B2

JP4618985B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4618985B2
Application number: JP2003133729A
Authority: JP
Inventors: 元晴安宅
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2023-05-12
Also published as: JP2004342332A

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池の性能低下及び材質劣化を抑制する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料ガスである水素ガス及び酸化剤ガスである酸素ガスを燃料電池内に供給し、この供給された水素ガスと酸素ガスとを反応させることにより、電力と熱を生成し、これらを外部負荷として利用する技術である（例えば、特許文献１参照）。ここで使用されている燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜を挟んで配置された触媒層及び拡散層からなる２つの電極（アノード電極及びカソード電極）と、これら２つの電極に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのガス流路及び冷却媒体を流すための流路を形成している。このような燃料電池では、アノード電極で、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード電極に移動し、カソード電極で酸素と水素イオン及び電子から水を生成する反応が行われる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１３４１４３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃料電池は、連続的に長時間使用すると性能低下及び材料劣化が問題となる。まず、燃料電池の性能低下の原因を以下に示す。カソード電極では、水生成反応により水蒸気分が増加し、エアの飽和水蒸気量を越えると水滴となる。特に、燃料電池内のガス流路の下流側の電解質膜付近では、水分が過多となり、ガスの拡散が阻害され、電池の性能を下げるフラッディングと呼ばれる現象が起こる。即ち、電解質膜中を水素イオンが移動するためには電解質膜が適度に湿潤していることが必要であるが、湿潤過多になると、電解質膜に、水詰まりが生じ、反応ガスの供給不足が生じて燃料電池の電流密度分布の不均一による出力低下が起こる。一方、アノード電極では、電解質膜に供給される水分が不足し、イオン伝導度が下がることで、電池の性能が下がるドライアウトと呼ばれる現象が起こる。
【０００５】
また、燃料電池の材質劣化の原因を以下に示す。燃料電池のガス流路の上流側と下流側では、ガス（特にアノード電極の燃料ガス）の状態が変化し、特に、下流側では反応ガスが消費されてガス濃度、ガス圧力が低下する。その結果、上流側と下流側では、温度差及び湿度差が生じ、この相対差が大きいガス流路及び電解質膜などに歪みが生じ、局所的な劣化が起こる。
【０００６】
この他にも、アノード電極では、ガスが不足した部位で、電極及び電解質膜から電子を抜き取ろうとする現象が発生し、その結果、電極及び電解質膜の破壊（分解）が生じる虞がある。また、カソード電極では、残存していた酸が、反応生成水中に入り、生成水の蒸発に伴い酸濃度が上昇する。この酸は、電極及び電解質膜を劣化させる虞がある。このような劣化があいまって、燃料電池の寿命が低下する。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、長時間使用することによる燃料電池の性能低下及び寿命低下を抑制し、燃料電池の性能を持続し、耐久性を向上させるような燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成すべく、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給され、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより電力と熱を生成するとともに、アノード電極及びカソード電極と、これらの電極に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための第一のガス流路及び第二のガス流路を形成している燃料電池ユニットを有した燃料電池システムであって、前記第一のガス流路及び前記第二のガス流路は、燃料ガス又は酸化剤ガスを交互に択一選択する切換手段を介して、供給源に接続されており、前記択一選択時に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を一時停止し、前記一時停止中に、前記第一の流路と前記第二の流路に不活性ガスをパージすることを特徴としている。
【０００９】
前記のごとく構成された燃料電池システムは、交互に択一選択して燃料ガス又は酸化剤ガスを流すことで、第一のガス流路及び第二のガス流路から供給された燃料ガス及び酸化剤ガスを反応させる電極を、アノード電極とカソード電極とのどちらかの形態に択一選択することが可能となる。このことにより、アノード電極で起こるドライアウト及びカソード電極で起こるフラッディングによる燃料電池の性能低下を防止できるばかりでなく、燃料電池の各電極特有の材質劣化を抑制できる。
【００１０】
また、この燃料電池システムは、択一選択時に、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を一定時間停止させることで、ガスの切換え操作の安全性を確保することが可能となり、一定時間停止中に、窒素などの不活性ガスをパージし、残存する燃料ガスと酸化剤ガスが混合し爆発などの危険性を未然に防止することが可能となる。さらに、不活性ガスの圧力を適切に設定することで、燃料電池内で反応した水分も排出することが可能となる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、前記第一のガス流路と前記第二のガス流路、及び前記電極は、同一の構造及び材質であることが好ましい。
【００１２】
前記のごとく構成された燃料電池システムは、構造を同じにすることにより、切換え前後のガス流れに変化を与えないため、燃料電池の発電能力差は生じない。また、材質を同じにすることにより、燃料電池の寿命の延命が可能となる。特に、触媒にルテニウムと白金の合金を使用すると、燃料ガスと酸化剤ガスを切換えても、アノード電極に発生する一酸化炭素の被毒を防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池コジェネレーションシステム１の全体構成を示すブロック図である。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池コジェネレーションシステム１は、燃料改質装置２、燃料電池システム３、インバータ４、排熱回収装置５、及び制御装置６からなる。
【００１９】
まず、供給源としての燃料改質装置２は、外部より供給された都市ガス２２を水蒸気雰囲気下で加熱して水素リッチな供給燃料ガスＦｉｎを生成する。この供給燃料ガスＦｉｎは、燃料電池システム３に送られ、また、供給燃料ガスＦｉｎの生成時に発生した熱は、排熱回収装置５に送られる。
【００２０】
次に、燃料電池システム３は、後述する搬送配管、切換え弁、燃料電池スタック（燃料電池ユニット）からなり、燃料改質装置２で生成された供給燃料ガスＦｉｎと、空気２１などの供給酸化剤ガスＡｉｎを、供給源としての搬送配管を通じて燃料電池スタックに供給している。また、これらのガスは、燃料電池スタック内で反応することにより、電力と熱を生成し、電力は、インバータ４に送られ、熱は、排熱回収装置５に送られる。
【００２１】
さらに、この反応後、排出された排出燃料ガスＦｏｕｔ及び排出酸化剤ガスＡｏｕｔは混合されないように個別に搬送配管ルートを設けており、排出燃料ガスＦｏｕｔは、燃料改質装置２に回収され、排出酸化剤ガスＡｏｕｔは、そのまま大気２１に放散される。さらに、搬送配管に接続された切換え弁は、制御装置６の信号を受けて、供給ガスである供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎと、排出ガスである排出燃料ガスＦｏｕｔ及び排出酸化剤ガスＡｏｕｔと、の流路、又は流れの方向を切換える。
【００２２】
また、インバータ４は、燃料電池システム３から供給された直流電流の電力を交流電流の電力に変換し、電気負荷４１として外部に送電する。この電気負荷４１は、燃料電池システム３からの供給される電力量に関わらず、安定した供給をする必要があるので、商用電源４０と系統連系するようになっており、電力の不足時には、商用電源４０から電力が供給される。
【００２３】
一方、排熱回収装置５は、燃料改質装置２及び燃料電池システム３で発生した熱を回収し、この回収された熱は、貯湯槽５０に蓄えられた市水５２を介して給湯や暖房などの熱負荷５１として利用される。
【００２４】
そして、制御装置６は、効率よく安定した電力及び熱を供給するために、燃料改質装置２、燃料電池システム３、インバータ４、及び排熱回収装置５を制御し、これら装置の運転管理を行っている。
【００２５】
図２は、第一の実施形態に係る燃料電池コジェネレーションシステム１の燃料電池システム３のガス流れを説明する図であり、（ａ）は、燃料電池システム３を構成する搬送配管の配管系統図であり、（ｂ）は、（ａ）のあるガス流れを示す図であり、（ｃ）は、（ａ）の別のガス流れを示す図である。
【００２６】
図２の（ａ）に示すように、燃料電池システム３は、供給源としての搬送配管と、切換え手段としての三方弁又は電磁弁などからなる切換え弁６１〜６８と、燃料電池スタック３０と、からなり、制御装置６は、切換え弁６１〜６８の弁の切換えを制御している。さらに、供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎが搬送される搬送配管には、バルブ２４の開閉によりボンベから窒素２３などの不活性ガスを搬送するためのパージ配管が接続されている。
【００２７】
また、燃料電池スタック３０は、第一の流路１０と第二の流路１１とを有し、燃料電池スタック３０の内部に位置する第一の流路１０（ガス供給ポート３１からガス排出ポート３３までの流路）と第二の流路１１（ガス供給ポート３２からガス排出ポート３４までの流路）とには、電解質膜と、触媒及び拡散層などからなる電極と、が形成されている（図示していない）。
【００２８】
そして、供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎは、切換え弁６１〜６４の切換えにより、第一の流路１０と第二の流路１１のどちらかの流路に流れるように択一選択される。また、この択一選択に合わせて、燃料電池スタック３０から排出される排出燃料ガスＦｏｕｔ及び排出酸化剤ガスＡｏｕｔは、混在しないように、切換え弁６５〜６８の切換えにより個別の排出ルートに流れる。
【００２９】
また、燃料電池スタック３０内の第一の流路１０と第二の流路１１、及びこれら流路に対応した電極は、切換え弁６１〜６４の切換え前後のガス流れの変化により燃料電池スタック３０の発電能力差が生じないように、同じ構造となっている。さらに、これらの材質も、同一である。特に、切換手段としての切換え弁６１〜６４の切換えによる流路選択により、第一の流路１０と第二の流路１１のどちらにも、供給燃料ガスＦｉｎが流れるため、これらの電極は、どちらもアノード電極に成り得る。そのため、これらの電極の触媒は、一酸化炭素による被毒が起こりにくい白金とルテニウムとの合金からなっている。
【００３０】
ここで図２の（ｂ）、（ｃ）を用いて、第一の実施形態に係る燃料電池システム３０の動作とそれに伴うガス流れを説明する。図２の（ｂ）に示すように、供給燃料ガスＦｉｎは、切換え弁６１、６２を経由し、第一の経路１０を通過して、燃料電池スタック３０に供給される。即ち、供給燃料ガスＦｉｎは、ガス供給ポート３１から燃料電池スタック３０内に供給され、燃料電池スタック３０内の電極に反応後、排出燃料ガスＦｏｕｔとなり、ガス排出ポート３３から排出され、切換手段としての切換え弁６５、６６を経由し、燃料改質装置２に回収される。また、同様に、供給酸化剤ガスＡｉｎは、切換え弁６３、６４を経由し、第二の経路１１を通過して、燃料電池スタック３０に供給される。即ち、供給酸化剤ガスＡｉｎは、ガス供給ポート３２から燃料電池スタック３０内に供給され、燃料電池スタック３０内で電極に反応後、排出酸化剤ガスＡｏｕｔとなり、ガス排出ポート３４から排出され、切換え弁６７、６８を経由し、大気２１に放散される。
【００３１】
このようにして、第一のガス流路１０にある電極は、アノード電極として働き、第二のガス流路１１にある電極は、カソード電極として働き、電力と熱を生成する。具体的には、燃料電池スタック３０内で、アノード電極に担持された触媒により水素が、電子と水素イオン（プロトン）に分解され、水素イオンは、電解質膜中の水分と共にカソード電極へ移動し、カソード電極に供給された酸素と反応し、電力と熱を生成する。
【００３２】
そして、ガスの供給が一定時間経過すると、燃料電池スタック３０の供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎの供給を一時停止する。この一時停止中、バルブ２４を開放し、配管内及び燃料電池スタック３０内のガス流路に、窒素ガスをパージする。これは、切換え弁６１〜６８の切換え時に、残存する燃料ガスと新しく供給された供給酸化剤ガスＡｉｎ、又は残存する酸化剤ガスと新しく供給された供給燃料ガスＦｉｎとが混合されることにより爆発する危険性を回避するためである。
【００３３】
そして、窒素ガスによるパージが完了すると、切換え弁６１〜６８を切換える。この切換えにより、燃料電池スタック３０から発生する直流電流の向きも変わるのでインバータ４の極も切換える。
【００３４】
これら切換えが完了すると、図２の（ｃ）に示すように、供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎを燃料電池スタック３０内に流す。具体的には、供給燃料ガスＦｉｎは、切換え弁６１、６４を経由し、第二の経路１１を通過して、燃料電池スタック３０に供給される。即ち、供給燃料ガスＦｉｎは、ガス供給ポート３２から燃料電池スタック３０内に供給され、燃料電池スタック３０内の電極に反応後に排出燃料ガスＦｏｕｔとなり、ガス排出ポート３４から排出される。そして、切換え弁６７、６６を経由し、燃料改質装置２に回収される。また、同様に、供給酸化剤ガスＡｉｎは、切換え弁６３、６２を経由し、第一の経路１０を通過して、燃料電池スタック３０に供給される。即ち、供給酸化剤ガスＡｉｎは、ガス供給ポート３１から燃料電池スタック３０内に供給され、燃料電池スタック３０内で電極に反応後、排出酸化剤ガスＡｏｕｔとなり、ガス排出ポート３３から排出され、切換え弁６５、６８を経由し、大気２１に放散される。
【００３５】
このような切換えにより、第一のガス経路１０にあるこれまでアノード電極として働いていた電極は、カソード電極として働き、第二のガス経路１１にあるこれまでカソード電極として働いていた電極は、アノード電極として働き、電力と熱を生成する。
【００３６】
これらの一連の動作を繰り返すことで、供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎが２つの電極に、交互に送られ、アノード電極及びカソード電極が交互に入れ替わるので、アノード電極及びカソード電極特有の劣化及び燃料電池スタック３０の性能低下を抑制することができる。
【００３７】
図３は、第二の実施形態に係る燃料電池コジェネレーションシステム１の燃料電池システム３のガス流れを説明する図であり、（ａ）は、燃料電池システム３を構成する搬送配管の配管系統図であり、（ｂ）は、（ａ）のあるガス流れを示す図であり、（ｃ）は、（ａ）の別のガス流れを示す図である。
【００３８】
図３の（ａ）に示すように、燃料電池システム３は、搬送配管と、切換手段としての三方弁又は電磁弁などからなる切換え弁７１〜７８と、燃料電池スタック３０’からなり、制御装置６は、切換え弁７１〜７８の弁の切換えを制御している。
【００３９】
そして、制御装置６の信号を受けた切換え弁７１〜７８の切換えにより、供給燃料ガスＦｉｎは、ガスポート３１’、３３’のどちらか一方から他方へ流れ、供給酸化剤ガスＡｉｎも同様に、ガスポート３２’、３４’のどちらか一方から他方へ流れるよう、これら流れの向きを変更することが可能となる。
【００４０】
また、燃料電池スタック３０’は、ガスポート３１’からガスポート３３’までの供給燃料ガスＦｉｎが流れる燃料ガス流路と、ガスポート３２’からガスポート３４’までの供給酸化剤ガスＡｉｎが流れる酸化剤ガス流路を有しており、これら２つの流路には、電解質膜と、触媒及び拡散層などからなる電極と、が備えられている（図示していない）。
【００４１】
ここで、図３の（ｂ）、（ｃ）を用いて、第二の実施形態に係る燃料電池システム３の動作とそれに伴うガス流れを説明する。図３の（ｂ）に示すように、切換え弁７１〜７４の切換えにより、供給燃料ガスＦｉｎは、切換え弁７１、７２を経由し、ガスポート３１’から燃料電池スタック３０’内に供給される。そして、供給燃料ガスＦｉｎは、燃料電池スタック３０’内の電極に反応後、排出燃料ガスＦｏｕｔとなり、ガスポート３３’から排出され、切換え弁７５〜７８の切換えにより、切換え弁７５、７６を経由し、燃料改質装置２に回収される。また、同様に、供給酸化剤ガスＡｉｎは、切換え弁７３、７４を経由し、ガスポート３２’から燃料電池スタック３０’内に供給される。そして、供給酸化剤ガスＡｉｎは、燃料電池スタック３０’内で電極に反応後、排出酸化剤ガスＡｏｕｔとなり、ガスポート３４’から排出され、切換え弁７７、７８を経由し、大気に放散される。
こうして、燃料ガス流路にある電極は、アノード電極として働き、酸化剤ガス流路にある電極は、カソード電極として働き、電力と熱を生成する。
【００４２】
そして、所定のタイミングが経過すると、切換え弁７１〜７８が切換えられ、図３の（ｃ）に示すように、供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎを燃料電池スタック３０’内に流す。ここで示す所定のタイミングは、燃料ガス、及び／又は酸化剤ガスの流れが一定時間経過毎、又は燃料電池システム３の累積発熱量が設定した値になったとき毎が好ましい。
【００４３】
切換え弁７１〜７８までの切換えが終わると、供給燃料ガスＦｉｎは、切換え弁７１、７５を経由し、ガスポート３３’から燃料電池スタック３０’内に供給される。そして、供給燃料ガスＦｉｎは、燃料電池スタック３０’内の電極に反応後、排出燃料ガスＦｏｕｔとなり、ガスポート３１’から排出され、切換え弁７２、７６を経由し、燃料改質装置２に回収される。また、同様に、供給酸化剤ガスＡｉｎは、切換え弁７３、７７を経由し、ガスポート３４’から燃料電池スタック３０’内に供給される。そして、供給酸化剤ガスＡｉｎは、燃料電池スタック３０’内で電極に反応後、排出酸化剤ガスＡｏｕｔとなり、ガスポート３２’から排出され、切換え弁７４、７８を経由し、大気２１に放散される。
これら一連の動作を繰り返すことで、燃料電池スタック３０’内に流れる供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎのガス流れの向きを変更する。
【００４４】
図４は、図３の（ｂ）及び（ｃ）における燃料電池スタック３０’内の供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎの流れを表すイメージ図であり、（ａ）は、図３の（ｂ）に対応し、（ｂ）は、図３の（ｃ）に対応している。
【００４５】
図４の（ａ）に示すように、供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎは、燃料電池スタック３０’にあるそれぞれのガスポート入口から供給され、上流側のガス流路３ａから下流側のガス流路３ｂまでを通過し、それぞれのガスポート出口から排出される。このとき、供給燃料ガスＦｉｎは、下流であるガス流路３ｂに進むにつれて、反応により加熱及び除湿され、供給酸化剤ガスＡｉｎは、下流であるガス流路３ｂに進むにつれて、加熱及び加湿される。このように上流側と下流側とでは、温度及び湿度の分布が不均一となる。
【００４６】
そこで、図４の（ｂ）に示すように、供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎの流れを切換える。すなわち、これまで出口であったガスポート出口に、供給燃料ガスＦｉｎ及び供給酸化剤ガスＡｉｎを流すことで、入口として、これまで、下流であったガス流路３ｂを上流とし、上流であったガス流路３ａを下流にする。このような切換えを適宜行うことで、燃料電池スタック３０’内の温度と湿度の分布が均一になり、局所劣化の促進を抑制することが可能となる。
【００４７】
以上、本発明の二つの実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
例えば、先に示した、第一の実施形態と第二の実施形態を組合せて実施してもよい。
【００４８】
また、燃料電池スタック内に流れる燃料ガス及び酸化剤ガスを検知するセンサ、又はこれらのガスの流れる向きを検知するセンサなどを用いて、切換えタイミング及び窒素パージの時間を決定してもよい。
【００４９】
さらに、燃料電池スタックから排出された排出燃料剤ガス及び排出酸化剤ガスは、高温であるため、この熱は、排熱回収装置で回収されてもよい。
この他にも、電気負荷のバックアップとして商用電源を用いたが、蓄電装置などを用いることにより電力を供給してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上の発明から理解されるように、この発明による燃料電池システムによれば、燃料電池の性能低下及び燃料電池の電極及び電解質膜などの劣化が抑制され、その結果、燃料電池の性能持続及び耐久性向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態の燃料電池コジェネレーションシステムの全体構成を示すブロック線図。
【図２】図１の燃料電池システムのガス流れを説明するための図であり、（ａ）は、燃料電池ユニットの配管系統図、（ｂ）は、（ａ）のあるガス流れを説明する図、（ｃ）は、（ａ）の別のガス流れを説明する図。
【図３】本発明の第二の実施形態の燃料電池システムのガス流れを説明するための図であり、（ａ）は、燃料電池ユニットの配管系統図、（ｂ）は、（ａ）のあるガス流れを説明する図、（ｃ）は、（ａ）の別のガス流れを説明する図。
【図４】図３の（ａ）及び（ｂ）の燃料電池システムの燃料電池スタック内のガス流れの説明図であり、（ａ）は、あるガス流れを説明する図、（ｂ）は、別のガス流れを説明する図。
【符号の説明】
１燃料電池コジェネレーションシステム
２燃料改質装置
３燃料電池システム
４インバータ
５排熱回収装置
６制御装置
１０第一の流路
１１第二の流路
３０燃料電池スタック（燃料電池ユニット）
６１〜６８切換え弁[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that suppresses performance degradation and material degradation of a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a fuel cell cogeneration system supplies hydrogen gas, which is a fuel gas, and oxygen gas, which is an oxidant gas, into the fuel cell, and reacts the supplied hydrogen gas and oxygen gas to generate electric power and heat. Is generated and used as an external load (see, for example, Patent Document 1). The fuel cell used here includes an electrolyte membrane composed of an ion exchange membrane, two electrodes (an anode electrode and a cathode electrode) composed of a catalyst layer and a diffusion layer arranged with the electrolyte membrane interposed therebetween, and these two A gas flow path for supplying fuel gas and oxidant gas to the electrode and a flow path for flowing a cooling medium are formed. In such a fuel cell, the reaction to convert hydrogen into hydrogen ions and electrons is performed at the anode electrode, and the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode electrode, and water is generated from oxygen, hydrogen ions, and electrons at the cathode electrode. The reaction is performed.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-134143
[Problems to be solved by the invention]
When such a fuel cell is continuously used for a long period of time, there is a problem of performance deterioration and material deterioration. First, the cause of the performance degradation of the fuel cell is shown below. In the cathode electrode, the water vapor content is increased by the water generation reaction, and when the saturated water vapor amount of the air is exceeded, water droplets are formed. In particular, in the vicinity of the electrolyte membrane on the downstream side of the gas flow path in the fuel cell, moisture is excessive, gas diffusion is inhibited, and a phenomenon called flooding that lowers the performance of the cell occurs. That is, in order for hydrogen ions to move in the electrolyte membrane, the electrolyte membrane needs to be moderately wet. However, if the membrane is excessively wet, the electrolyte membrane will be clogged with water and insufficient supply of reaction gas will occur. As a result, the output decreases due to the nonuniformity of the current density distribution of the fuel cell. On the other hand, in the anode electrode, there is a phenomenon called dry-out in which the battery performance is lowered due to a lack of moisture supplied to the electrolyte membrane and a decrease in ionic conductivity.
[0005]
Moreover, the cause of the material deterioration of the fuel cell is shown below. The state of the gas (especially the fuel gas of the anode electrode) changes between the upstream side and the downstream side of the gas flow path of the fuel cell. In particular, the reactive gas is consumed on the downstream side, and the gas concentration and the gas pressure are reduced. As a result, a temperature difference and a humidity difference are generated between the upstream side and the downstream side, and the gas flow path and the electrolyte membrane having a large relative difference are distorted to cause local deterioration.
[0006]
In addition, in the anode electrode, a phenomenon of trying to extract electrons from the electrode and the electrolyte membrane occurs at a portion where the gas is insufficient, and as a result, the electrode and the electrolyte membrane may be broken (decomposed). In the cathode electrode, the remaining acid enters the reaction product water, and the acid concentration increases with the evaporation of the product water. This acid may deteriorate the electrode and the electrolyte membrane. Combined with such deterioration, the life of the fuel cell is reduced.
[0007]
The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to suppress the deterioration of the performance and life of the fuel cell due to long-term use and to maintain the performance of the fuel cell. It is to provide a fuel cell system that improves durability.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention is supplied with fuel gas and oxidant gas, and generates electric power and heat by reacting the supplied fuel gas and oxidant gas. A fuel cell system having an anode electrode and a cathode electrode, and a fuel cell unit forming a first gas channel and a second gas channel for supplying fuel gas and oxidant gas to these electrodes The first gas flow path and the second gas flow path are connected to a supply source through switching means for alternately selecting fuel gas or oxidant gas. At the time of selection, the supply of the fuel gas and the oxidant gas is temporarily stopped, and the inert gas is purged into the first flow path and the second flow path during the temporary stop.
[0009]
In the fuel cell system configured as described above, the fuel gas and the oxidant gas supplied from the first gas flow path and the second gas flow path can be selected by alternately selecting and flowing the fuel gas and the oxidant gas. The electrode with which the agent gas is allowed to react can be selected as either an anode electrode or a cathode electrode. This not only prevents the performance degradation of the fuel cell due to the dryout that occurs at the anode electrode and the flooding that occurs at the cathode electrode, but also suppresses the material deterioration specific to each electrode of the fuel cell.
[0010]
In addition, this fuel cell system can ensure the safety of the gas switching operation by stopping the supply of the fuel gas and the oxidant gas for a certain period of time when selecting one of the options. An inert gas such as nitrogen is purged, and the remaining fuel gas and oxidant gas are mixed to prevent danger such as explosion. Furthermore, by appropriately setting the pressure of the inert gas, it is possible to discharge the water that has reacted in the fuel cell .
[0011]
The fuel cell system according to the present invention, the first gas flow path and the second gas flow path, and the electrode is preferably the same structure and material.
[0012]
The fuel cell system configured as described above does not change the gas flow before and after switching by making the structure the same, so that there is no difference in the power generation capability of the fuel cell. Moreover, the life of the fuel cell can be extended by using the same material. In particular, when an alloy of ruthenium and platinum is used as a catalyst, poisoning of carbon monoxide generated at the anode electrode can be prevented even when the fuel gas and the oxidant gas are switched .
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a fuel cell cogeneration system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a fuel cell cogeneration system 1 according to an embodiment of the present invention.
[0018]
As shown in FIG. 1, the fuel cell cogeneration system 1 includes a fuel reformer 2, a fuel cell system 3, an inverter 4, an exhaust heat recovery device 5, and a control device 6.
[0019]
First, the fuel reformer 2 as a supply source heats the city gas 22 supplied from the outside in a steam atmosphere to generate a hydrogen-rich supply fuel gas Fin. The supplied fuel gas Fin is sent to the fuel cell system 3, and the heat generated when the supplied fuel gas Fin is generated is sent to the exhaust heat recovery device 5.
[0020]
Next, the fuel cell system 3 includes a transfer pipe, a switching valve, and a fuel cell stack (fuel cell unit), which will be described later, and a supply fuel gas Fin generated by the fuel reformer 2 and a supply oxidant such as air 21. Gas Ain is supplied to the fuel cell stack through a transfer pipe as a supply source. These gases react in the fuel cell stack to generate electric power and heat. The electric power is sent to the inverter 4, and the heat is sent to the exhaust heat recovery device 5.
[0021]
Further, after this reaction, a separate delivery piping route is provided so that the exhausted exhaust gas Fout and the exhausted oxidant gas Aout are not mixed, and the exhausted fuel gas Fout is recovered by the fuel reformer 2 and discharged. The oxidant gas Aout is directly diffused into the atmosphere 21. Further, the switching valve connected to the transfer pipe receives a signal from the control device 6 and supplies the supply fuel gas Fin and supply oxidant gas Ain which are supply gases, and the exhaust fuel gas Fout and exhaust oxidant gas which are exhaust gases. The flow path or flow direction of Aout is switched.
[0022]
Further, the inverter 4 converts the direct current power supplied from the fuel cell system 3 into alternating current power and transmits it as an electric load 41 to the outside. The electric load 41 needs to be stably supplied regardless of the amount of electric power supplied from the fuel cell system 3, and is therefore grid-connected to the commercial power source 40. Electric power is supplied from the commercial power source 40.
[0023]
On the other hand, the exhaust heat recovery device 5 recovers the heat generated in the fuel reformer 2 and the fuel cell system 3, and the recovered heat is used for hot water supply or heating via city water 52 stored in the hot water storage tank 50. The heat load 51 is used.
[0024]
The control device 6 controls the fuel reformer 2, the fuel cell system 3, the inverter 4, and the exhaust heat recovery device 5 to efficiently and stably supply power and heat, and manages the operation of these devices. Is going.
[0025]
FIG. 2 is a view for explaining the gas flow of the fuel cell system 3 of the fuel cell cogeneration system 1 according to the first embodiment. FIG. 2A is a piping system diagram of the transfer piping constituting the fuel cell system 3. (B) is a figure which shows a certain gas flow of (a), (c) is a figure which shows another gas flow of (a).
[0026]
As shown in FIG. 2A, the fuel cell system 3 includes a transfer pipe as a supply source, switching valves 61 to 68 including three-way valves or electromagnetic valves as switching means, a fuel cell stack 30, The control device 6 controls the switching of the switching valves 61 to 68. Further, a purge pipe for conveying an inert gas such as nitrogen 23 from a cylinder by opening / closing the valve 24 is connected to the conveyance pipe for conveying the supply fuel gas Fin and the supply oxidant gas Ain.
[0027]
The fuel cell stack 30 includes a first flow path 10 and a second flow path 11, and the first flow path 10 (from the gas supply port 31 to the gas discharge port) located inside the fuel cell stack 30. 33) and the second flow path 11 (the flow path from the gas supply port 32 to the gas discharge port 34) are formed with an electrolyte membrane and an electrode composed of a catalyst, a diffusion layer, and the like. (Not shown).
[0028]
Then, the supply fuel gas Fin and the supply oxidant gas Ain are alternatively selected to flow in either the first flow path 10 or the second flow path 11 by switching the switching valves 61 to 64. The In accordance with this selection, the exhaust fuel gas Fout and the exhaust oxidant gas Aout discharged from the fuel cell stack 30 flow to individual discharge routes by switching the switching valves 65 to 68 so as not to be mixed.
[0029]
In addition, the first flow path 10 and the second flow path 11 in the fuel cell stack 30 and the electrodes corresponding to these flow paths are changed by the change in the gas flow before and after the switching valves 61 to 64 are switched. The structure is the same so that there is no difference in power generation capacity. Furthermore, these materials are also the same. In particular, the supply fuel gas Fin flows through both the first flow path 10 and the second flow path 11 by selecting the flow path by switching the switching valves 61 to 64 as switching means. Either can be an anode electrode. Therefore, the catalyst of these electrodes is made of an alloy of platinum and ruthenium that is not easily poisoned by carbon monoxide.
[0030]
Here, the operation of the fuel cell system 30 according to the first embodiment and the accompanying gas flow will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2B, the supplied fuel gas Fin is supplied to the fuel cell stack 30 via the switching valves 61 and 62, passing through the first path 10. That is, the supplied fuel gas Fin is supplied into the fuel cell stack 30 from the gas supply port 31, reacts with the electrodes in the fuel cell stack 30, and then becomes the exhausted fuel gas Fout, which is discharged from the gas discharge port 33 and serves as switching means. Are recovered by the fuel reformer 2 via the switching valves 65 and 66. Similarly, the supply oxidant gas Ain is supplied to the fuel cell stack 30 through the switching valves 63 and 64, passing through the second path 11. That is, the supplied oxidant gas Ain is supplied from the gas supply port 32 into the fuel cell stack 30, reacts with the electrode in the fuel cell stack 30, becomes exhausted oxidant gas Aout, is discharged from the gas discharge port 34, and is switched. It is dissipated to the atmosphere 21 via valves 67 and 68.
[0031]
In this manner, the electrode in the first gas flow path 10 serves as an anode electrode, and the electrode in the second gas flow path 11 serves as a cathode electrode, generating electric power and heat. Specifically, in the fuel cell stack 30, hydrogen is decomposed into electrons and hydrogen ions (protons) by the catalyst supported on the anode electrode, and the hydrogen ions move to the cathode electrode together with moisture in the electrolyte membrane, It reacts with oxygen supplied to the cathode electrode to generate electric power and heat.
[0032]
Then, when the supply of gas elapses for a certain time, the supply of the supply fuel gas Fin and the supply oxidant gas Ain of the fuel cell stack 30 is temporarily stopped. During this temporary stop, the valve 24 is opened, and nitrogen gas is purged into the pipe and the gas flow path in the fuel cell stack 30. This is because when the switching valves 61 to 68 are switched, the remaining fuel gas and the newly supplied supply oxidant gas Ain, or the remaining oxidant gas and the newly supplied supply fuel gas Fin are mixed. This is in order to avoid the danger of doing.
[0033]
When the purge with nitrogen gas is completed, the switching valves 61 to 68 are switched. By this switching, the direction of the direct current generated from the fuel cell stack 30 also changes, so the pole of the inverter 4 is also switched.
[0034]
When these switching operations are completed, the supplied fuel gas Fin and the supplied oxidant gas Ain are caused to flow into the fuel cell stack 30 as shown in FIG. Specifically, the supplied fuel gas Fin is supplied to the fuel cell stack 30 via the switching valves 61 and 64, passing through the second path 11. That is, the supplied fuel gas Fin is supplied into the fuel cell stack 30 from the gas supply port 32, becomes the exhausted fuel gas Fout after reacting with the electrodes in the fuel cell stack 30, and is discharged from the gas discharge port 34. Then, the fuel is reformed by the fuel reformer 2 via the switching valves 67 and 66. Similarly, the supplied oxidant gas Ain is supplied to the fuel cell stack 30 through the first path 10 via the switching valves 63 and 62. That is, the supplied oxidant gas Ain is supplied from the gas supply port 31 into the fuel cell stack 30, reacts with the electrode in the fuel cell stack 30, becomes exhausted oxidant gas Aout, is discharged from the gas discharge port 33, and is switched. It is dissipated to the atmosphere 21 via valves 65 and 68.
[0035]
As a result of such switching, the electrode that has previously worked as the anode electrode in the first gas path 10 serves as the cathode electrode, and the electrode that has so far acted as the cathode electrode in the second gas path 11 becomes the anode. Acts as an electrode and generates electricity and heat.
[0036]
By repeating these series of operations, the supplied fuel gas Fin and the supplied oxidant gas Ain are alternately sent to the two electrodes, and the anode electrode and the cathode electrode are alternately switched. And the performance fall of the fuel cell stack 30 can be suppressed.
[0037]
FIG. 3 is a view for explaining the gas flow of the fuel cell system 3 of the fuel cell cogeneration system 1 according to the second embodiment. FIG. (B) is a figure which shows a certain gas flow of (a), (c) is a figure which shows another gas flow of (a).
[0038]
As shown in FIG. 3 (a), the fuel cell system 3 includes a transfer pipe, switching valves 71 to 78 including three-way valves or electromagnetic valves as switching means, and a fuel cell stack 30 ′. 6 controls the switching of the switching valves 71 to 78.
[0039]
Then, by switching the switching valves 71 to 78 in response to the signal from the control device 6, the supplied fuel gas Fin flows from one of the gas ports 31 ′ and 33 ′ to the other, and the supplied oxidant gas Ain is also similar. It is possible to change the direction of the flow so that the gas flows from one of the gas ports 32 ′ and 34 ′ to the other.
[0040]
Further, in the fuel cell stack 30 ′, the fuel gas flow path through which the supply fuel gas Fin from the gas port 31 ′ to the gas port 33 ′ flows, and the supply oxidant gas Ain from the gas port 32 ′ to the gas port 34 ′ flow. An oxidant gas flow path is provided, and these two flow paths are provided with an electrolyte membrane and an electrode including a catalyst and a diffusion layer (not shown).
[0041]
Here, the operation of the fuel cell system 3 according to the second embodiment and the gas flow associated therewith will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 3B, the supply fuel gas Fin is supplied from the gas port 31 ′ into the fuel cell stack 30 ′ via the changeover valves 71 and 72 by the changeover of the changeover valves 71 to 74. . The supplied fuel gas Fin reacts with the electrodes in the fuel cell stack 30 ′ and then becomes the exhausted fuel gas Fout, which is discharged from the gas port 33 ′ and is switched via the switching valves 75 and 76 by switching the switching valves 75 to 78. And recovered by the fuel reformer 2. Similarly, the supply oxidant gas Ain is supplied into the fuel cell stack 30 ′ from the gas port 32 ′ via the switching valves 73 and 74. Then, the supplied oxidant gas Ain reacts with the electrode in the fuel cell stack 30 ′, becomes the exhaust oxidant gas Aout, is discharged from the gas port 34 ′, and is diffused to the atmosphere via the switching valves 77 and 78. .
Thus, the electrode in the fuel gas flow path serves as an anode electrode, and the electrode in the oxidant gas flow path serves as a cathode electrode, generating electric power and heat.
[0042]
When the predetermined timing elapses, the switching valves 71 to 78 are switched, and the supplied fuel gas Fin and the supplied oxidant gas Ain are caused to flow into the fuel cell stack 30 ′ as shown in FIG. The predetermined timing shown here is preferable every time when the flow of the fuel gas and / or the oxidant gas reaches a predetermined value or when the accumulated heat generation amount of the fuel cell system 3 reaches a set value.
[0043]
When the switching from the switching valves 71 to 78 is completed, the supplied fuel gas Fin is supplied from the gas port 33 ′ into the fuel cell stack 30 ′ via the switching valves 71 and 75. The supplied fuel gas Fin reacts with the electrodes in the fuel cell stack 30 ′ and then becomes exhausted fuel gas Fout, is discharged from the gas port 31 ′, and is recovered by the fuel reformer 2 via the switching valves 72 and 76. Is done. Similarly, the supplied oxidant gas Ain is supplied from the gas port 34 ′ into the fuel cell stack 30 ′ via the switching valves 73 and 77. Then, the supplied oxidant gas Ain reacts with the electrode in the fuel cell stack 30 ′ and then becomes discharged oxidant gas Aout, is discharged from the gas port 32 ′, and is diffused to the atmosphere 21 via the switching valves 74 and 78. The
By repeating these series of operations, the flow direction of the supplied fuel gas Fin and the supplied oxidant gas Ain flowing in the fuel cell stack 30 ′ is changed.
[0044]
FIG. 4 is an image diagram showing the flow of the supplied fuel gas Fin and the supplied oxidant gas Ain in the fuel cell stack 30 ′ in FIGS. 3B and 3C, and FIG. ) And (b) corresponds to (c) of FIG.
[0045]
As shown in FIG. 4A, the supplied fuel gas Fin and the supplied oxidant gas Ain are supplied from the respective gas port inlets in the fuel cell stack 30 ′, and are supplied downstream from the upstream gas flow path 3a. The gas passes through the gas flow path 3b and is discharged from each gas port outlet. At this time, the supply fuel gas Fin is heated and dehumidified by reaction as it proceeds to the downstream gas flow path 3b, and the supply oxidant gas Ain is heated and humidified as it proceeds to the downstream gas flow path 3b. . Thus, the temperature and humidity distributions are non-uniform between the upstream side and the downstream side.
[0046]
Therefore, as shown in FIG. 4B, the flows of the supply fuel gas Fin and the supply oxidant gas Ain are switched. That is, by supplying the supplied fuel gas Fin and the supplied oxidant gas Ain to the gas port outlet, which has been the outlet until now, the gas flow path 3b, which has been downstream until now, is upstream and upstream. The gas flow path 3a is set downstream. By appropriately performing such switching, the temperature and humidity distribution in the fuel cell stack 30 ′ becomes uniform, and the promotion of local deterioration can be suppressed.
[0047]
As mentioned above, although two embodiment of this invention was explained in full detail, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the mind of this invention described in the claim, it is various. The design can be changed.
For example, you may implement combining 1st embodiment and 2nd embodiment which were shown previously.
[0048]
Further, the switching timing and the nitrogen purge time may be determined using a sensor for detecting the fuel gas and the oxidant gas flowing in the fuel cell stack, or a sensor for detecting the flow direction of these gases.
[0049]
Further, since the exhaust fuel agent gas and the exhaust oxidant gas exhausted from the fuel cell stack are at a high temperature, this heat may be recovered by the exhaust heat recovery device.
In addition to this, a commercial power source is used as a backup for the electric load, but power may be supplied by using a power storage device or the like.
[0050]
【The invention's effect】
As can be understood from the above invention, according to the fuel cell system of the present invention, deterioration of the performance of the fuel cell and deterioration of the electrode and electrolyte membrane of the fuel cell are suppressed. As a result, the performance and durability of the fuel cell are maintained. It becomes possible to improve the performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a fuel cell cogeneration system according to a first embodiment of the present invention.
2 is a diagram for explaining a gas flow of the fuel cell system of FIG. 1, (a) is a piping system diagram of a fuel cell unit, and (b) is a gas flow with (a). (C) is a figure explaining another gas flow of (a).
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the gas flow of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3A is a piping system diagram of the fuel cell unit, and FIG. The figure explaining a certain gas flow, (c) is a figure explaining another gas flow of (a).
4A and 4B are explanatory diagrams of gas flows in the fuel cell stack of the fuel cell system of FIGS. 3A and 3B, FIG. 4A is a diagram illustrating a certain gas flow, and FIG. The figure explaining another gas flow.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell cogeneration system 2 Fuel reformer 3 Fuel cell system 4 Inverter 5 Waste heat recovery apparatus 6 Control apparatus 10 First flow path 11 Second flow path 30 Fuel cell stack (fuel cell unit)
61-68 switching valve

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスを供給され、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより電力と熱を生成するとともに、アノード電極及びカソード電極と、これらの電極に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための第一のガス流路及び第二のガス流路を形成している燃料電池ユニットを有した燃料電池システムであって、
前記第一のガス流路及び前記第二のガス流路は、燃料ガス又は酸化剤ガスを交互に択一選択する切換手段を介して、供給源に接続されており、
前記択一選択時に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を一時停止し、前記一時停止中に、前記第一の流路と前記第二の流路に不活性ガスをパージすることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel gas and the oxidant gas are supplied, and the supplied fuel gas and the oxidant gas are reacted to generate electric power and heat, and the anode electrode and the cathode electrode, and the fuel gas and the oxidant gas to these electrodes A fuel cell system having a fuel cell unit forming a first gas flow path and a second gas flow path for supplying
The first gas flow path and the second gas flow path are connected to a supply source through switching means for alternately selecting fuel gas or oxidant gas,
When the alternative is selected, the supply of the fuel gas and the oxidant gas is temporarily stopped, and the inert gas is purged into the first flow path and the second flow path during the temporary stop. A fuel cell system.

前記第一のガス流路と前記第二のガス流路、及び前記電極は、同一の構造及び材質であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the first gas channel, the second gas channel, and the electrode have the same structure and material.