JP6702170B2 - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP6702170B2
JP6702170B2 JP2016246560A JP2016246560A JP6702170B2 JP 6702170 B2 JP6702170 B2 JP 6702170B2 JP 2016246560 A JP2016246560 A JP 2016246560A JP 2016246560 A JP2016246560 A JP 2016246560A JP 6702170 B2 JP6702170 B2 JP 6702170B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
cathode
solution
regenerator
pom
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016246560A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018101530A (en
Inventor
博之 川合
博之 川合
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2016246560A priority Critical patent/JP6702170B2/en
Publication of JP2018101530A publication Critical patent/JP2018101530A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6702170B2 publication Critical patent/JP6702170B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

例えば特許文献１及び２に開示されているようなレドックスフロー型の燃料電池システムが知られている。レドックス（RedOx: Reduction / Oxidation）とは、還元及び酸化のことである。   For example, a redox flow type fuel cell system as disclosed in Patent Documents 1 and 2 is known. Redox (RedOx: Reduction / Oxidation) is reduction and oxidation.

この燃料電池システムは、カソードと再生装置との間で、ポリオキソメタレート（ＰＯＭ:polyoxometalate）などのメディエータ（酸化還元物質）を含むカソード溶液を循環させることにより、カソードにおける酸化還元反応を実現する。メディエータは、カソードにおいて還元された後、再生装置により酸化されることにより再生されて、カソードに再供給される。   This fuel cell system realizes an oxidation-reduction reaction at the cathode by circulating a cathode solution containing a mediator (oxidation-reduction substance) such as polyoxometalate (POM) between the cathode and the regenerator. .. After being reduced at the cathode, the mediator is regenerated by being oxidized by a regenerator and is supplied again to the cathode.

特表２０１２−５２６３４４号公報Special table 2012-526344 gazette 特表２０１１−５１０４６５号公報Special table 2011-510465 gazette

再生装置におけるメディエータの酸化反応は気液反応であるため、その反応速度は気体反応などと比べると遅い。このため、例えば燃料電池の高出力時、メディエータの再生能力が、要求される出力に対して不十分となり、燃料電池から十分な電力を得られないおそれがある。これに対し、再生装置のサイズを大きくすれば、酸化反応の時間を稼ぐことができるため、高出力時でも燃料電池から十分な電力を得ることができるが、燃料電池システムが大型化してエネルギー効率が低下するおそれがあるという問題がある。   Since the oxidation reaction of the mediator in the regenerator is a gas-liquid reaction, its reaction rate is slower than that of a gas reaction. For this reason, for example, when the fuel cell has a high output, the regeneration capacity of the mediator becomes insufficient with respect to the required output, and there is a possibility that sufficient power cannot be obtained from the fuel cell. On the other hand, if the size of the regenerator is increased, more time can be spent for the oxidation reaction, so sufficient power can be obtained from the fuel cell even at high output, but the fuel cell system becomes larger and energy efficiency is improved. However, there is a problem in that

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、大型化することなくメディエータの再生性能が向上された燃料電池システムを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the regeneration performance of the mediator is improved without increasing the size.

本明細書に記載の燃料電池システムは、カソードと、アノードと、前記カソード及び前記アノードの間のプロトン伝導性の膜を有し、前記カソードに供給されたメディエータを、前記アノードに供給された燃料ガスから生ずるプロトンで還元することにより発電する燃料電池と、前記燃料ガスで還元された前記メディエータを、導入口から導入された酸化剤ガスで酸化して送出口から前記カソードに送出する再生装置と、前記メディエータを前記送出口の近傍から、前記再生装置の外部のポンプ及び経路を介して前記導入口の近傍に循環させる循環装置とを備える。
Fuel The fuel cell system described herein, in which the cathode, the anode, having said cathode and a proton conductive membrane between the anode, the mediator supplied to the cathode, which is supplied to the anode A fuel cell that generates electricity by reducing with protons generated from a gas, and a regenerator that oxidizes the mediator reduced with the fuel gas with an oxidant gas introduced from an introduction port and sends it to the cathode from a delivery port. , the mediator from the vicinity of the outlet, and a circulating device for circulating in the vicinity of the reproducing apparatus of an external pump and the inlet via the path.

本発明によれば、大型化することなくメディエータの再生性能を向上することができる。   According to the present invention, the reproduction performance of the mediator can be improved without increasing the size.

第１実施例の燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system of 1st Example. 第２実施例の燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system of 2nd Example. 第３実施例の燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system of 3rd Example. 制御装置の動作例を示すフローチャートである。It is a flow chart which shows an example of operation of a control device.

（第１実施例）
図１は、第１実施例の燃料電池システムを示す構成図である。燃料電池システムは、レドックスフロー型であり、例えば自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータに電力ＰＷを供給する。 (First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing the fuel cell system of the first embodiment. The fuel cell system is of a redox flow type, is mounted on a vehicle such as an automobile, and supplies electric power PW to a motor that drives the vehicle.

燃料電池システムは、水素タンク１１と、燃料ガス調圧弁１２と、燃料電池１３と、パージ弁１４と、水素循環ポンプＰｈと、再生装置２１と、レドックス電位モニタ２２と、溶液循環ポンプＰｏと、再帰用循環ポンプＰｃと、エアコンプレッサＣとを有する。   The fuel cell system includes a hydrogen tank 11, a fuel gas pressure regulating valve 12, a fuel cell 13, a purge valve 14, a hydrogen circulation pump Ph, a regenerator 21, a redox potential monitor 22, and a solution circulation pump Po. It has a return circulation pump Pc and an air compressor C.

燃料電池１３には、燃料ガスの一例である水素ガスを供給するための燃料ガス供給路Ｒ１０と、発電に使用した水素ガスを排出するための燃料ガス排出路Ｒ１１とが接続されている。燃料ガス供給路Ｒ１０には、水素タンク１１及び燃料ガス調圧弁１２が、この順に接続されている。   The fuel cell 13 is connected to a fuel gas supply path R10 for supplying hydrogen gas, which is an example of fuel gas, and a fuel gas discharge path R11 for discharging hydrogen gas used for power generation. A hydrogen tank 11 and a fuel gas pressure regulating valve 12 are connected in this order to the fuel gas supply path R10.

水素タンク１１は、水素ガス（Ｈ２）の供給装置であり、内部に水素ガスを高圧の状態で貯留している。水素ガスは、水素タンク１１から燃料ガス調圧弁１２を経由して燃料電池１３のアノードに導入される。水素ガスは、燃料ガス調圧弁１２を通過することで圧力が調整される。 The hydrogen tank 11 is a hydrogen gas (H 2 ) supply device, and stores hydrogen gas in a high pressure state inside. Hydrogen gas is introduced from the hydrogen tank 11 to the anode of the fuel cell 13 via the fuel gas pressure regulating valve 12. The pressure of hydrogen gas is adjusted by passing through the fuel gas pressure regulating valve 12.

燃料電池１３から排出された水素ガス（つまりオフガス）は、燃料ガス排出路Ｒ１１に導かれる。燃料ガス排出路Ｒ１１の途中には、パージ弁１４が設けられている。パージ弁１４は、通常、閉塞されているが、燃料ガス排出路Ｒ１１から水素ガスをパージするときに開放される。   The hydrogen gas (that is, off gas) discharged from the fuel cell 13 is guided to the fuel gas discharge path R11. A purge valve 14 is provided in the middle of the fuel gas discharge path R11. The purge valve 14 is normally closed, but is opened when purging hydrogen gas from the fuel gas discharge passage R11.

燃料ガス排出路Ｒ１１からは、再循環経路Ｒ１２が分岐している。分岐した再循環経路Ｒ１２は、燃料ガス供給路Ｒ１０に接続されている。再循環経路Ｒ１２には水素循環ポンプＰｈが設けられており、水素循環ポンプＰｈは、燃料ガス排出路Ｒ１１に排出された水素ガスを、再循環経路Ｒ１２を経由して燃料ガス供給路Ｒ１０に導く。再循環経路Ｒ１２から燃料ガス供給路Ｒ１０に導かれた水素ガスは、燃料電池１３に再供給される。   A recirculation route R12 branches off from the fuel gas discharge route R11. The branched recirculation path R12 is connected to the fuel gas supply path R10. A hydrogen circulation pump Ph is provided in the recirculation route R12, and the hydrogen circulation pump Ph guides the hydrogen gas discharged to the fuel gas discharge route R11 to the fuel gas supply route R10 via the recirculation route R12. . The hydrogen gas introduced from the recirculation route R12 to the fuel gas supply route R10 is resupplied to the fuel cell 13.

燃料電池１３のアノードには水素ガスが供給され、燃料電池１３のカソードには、メディエータであるＰＯＭ（ポリオキソメタレート）を含むカソード溶液が供給される。燃料電池１３は、複数の燃料電池セルの積層体（スタック）として構成され、各燃料電池セルは、アノード電極１３ａとカソード電極１３ｃ、及びアノード電極１３ａとカソード電極１３ｃとに挟まれた電解質膜１３ｂを備える。   Hydrogen gas is supplied to the anode of the fuel cell 13, and a cathode solution containing POM (polyoxometallate) that is a mediator is supplied to the cathode of the fuel cell 13. The fuel cell 13 is configured as a laminated body (stack) of a plurality of fuel cells, and each fuel cell has an electrolyte membrane 13b sandwiched between an anode electrode 13a and a cathode electrode 13c, and an anode electrode 13a and a cathode electrode 13c. Equipped with.

電解質膜１３ｂは、例えば、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン電導性を有する。アノード電極１３ａ及びカソード電極１３ｃは、例えば多孔質構造を有し、圧力損失が抑制され、かつ、反応面積が大きい構造であることが望ましい。アノード電極１３ａには白金触媒が備えられており、アノード電極１３ａに供給された水素ガスは、白金触媒によりプロトン（水素イオン）に変化する。   The electrolyte membrane 13b is, for example, a polymer electrolyte membrane formed of a fluorine-based sulfonic acid polymer as a solid polymer material, and has good proton conductivity in a wet state. It is desirable that the anode electrode 13a and the cathode electrode 13c have, for example, a porous structure, in which pressure loss is suppressed and the reaction area is large. The anode electrode 13a is provided with a platinum catalyst, and the hydrogen gas supplied to the anode electrode 13a is changed into protons (hydrogen ions) by the platinum catalyst.

一方、カソード電極１３ｃと再生装置２１の間には、ＰＯＭを含むカソード溶液が循環している。ＰＯＭは、バナジウム、モリブデン、及びタングステンなどを含む化合物である。ＰＯＭの化学式は、例えばＸＭ１ １２−ｍＭ２ ｍＯ４０ ｎ―で表される。ここで、Ｘは例えばＰ，Ｓｉ、Ｓ，Ｇｅであり、Ｍ１は例えばＭｏ，Ｗであり、Ｍ２は例えばＶである。また、ｍは１〜１２である。 On the other hand, a cathode solution containing POM circulates between the cathode electrode 13c and the regenerator 21. POM is a compound containing vanadium, molybdenum, tungsten, and the like. The chemical formula of POM is represented by, for example, XM 1 12-m M 2 m O 40 n- . Here, X is, for example, P, Si, S, Ge, M 1 is, for example, Mo, W, and M 2 is, for example, V. Moreover, m is 1-12.

カソード溶液内のＰＯＭは、カソード電極１３ｃにおいて、アノード電極１３ａから移動してきたプロトンと結合することにより還元されてＰＯＭ−Ｈ（還元体）に変化する。つまり、カソード電極１３ｃでは、ＰＯＭ＋ｅ−＋Ｈ＋→ＰＯＭ−Ｈの反応が生ずる。なお、ｅ−は電子を表す。 At the cathode electrode 13c, the POM in the cathode solution is reduced by being combined with the protons that have moved from the anode electrode 13a, and changed to POM-H (reduced body). That is, at the cathode electrode 13c, a reaction of POM+e − +H + →POM-H occurs. In addition, e − represents an electron.

このように、燃料電池１３は、カソードに供給されたカソード溶液内のＰＯＭを、アノードに供給された燃料ガスで還元されることにより発電する。発電により得られた電力ＰＷは、例えば車両を駆動するモータなどに供給される。   In this way, the fuel cell 13 generates power by reducing the POM in the cathode solution supplied to the cathode with the fuel gas supplied to the anode. The electric power PW obtained by the power generation is supplied to, for example, a motor that drives a vehicle.

燃料電池１３と再生装置２１の間には、カソード溶液を供給するための溶液供給路Ｒ２０と、発電に使用されたカソード溶液を排出するための溶液排出路Ｒ２１とが接続されている。溶液排出路Ｒ２１には、燃料電池１３と再生装置２１の間でカソード溶液を循環させるための溶液循環ポンプＰｏが接続され、溶液供給路Ｒ２０には、カソード溶液中のＰＯＭの酸化還元電位（レドックス電位）を測定するレドックス電位モニタ２２が接続されている。   A solution supply path R20 for supplying a cathode solution and a solution discharge path R21 for discharging the cathode solution used for power generation are connected between the fuel cell 13 and the regenerator 21. A solution circulation pump Po for circulating a cathode solution between the fuel cell 13 and the regenerator 21 is connected to the solution discharge path R21, and a redox potential (redox) of POM in the cathode solution is connected to the solution supply path R20. A redox potential monitor 22 for measuring (potential) is connected.

溶液循環ポンプＰｏは、カソード溶液を燃料電池１３のカソードに再供給する。より具体的には、溶液循環ポンプＰｏは、燃料電池１３と再生装置２１の間にカソード溶液の循環流を発生させることにより、燃料電池１３から排出されたカソード溶液を再生装置２１に圧送するとともに、再生装置２１から排出されたカソード溶液を燃料電池１３に圧送する。   The solution circulation pump Po re-supplies the cathode solution to the cathode of the fuel cell 13. More specifically, the solution circulation pump Po generates a circulating flow of the cathode solution between the fuel cell 13 and the regenerator 21, thereby pumping the catholyte solution discharged from the fuel cell 13 to the regenerator 21. The cathode solution discharged from the regenerator 21 is pressure-fed to the fuel cell 13.

また、再生装置２１におけるＰＯＭの再生状態は、レドックス電位モニタ２２により酸化還元電位を測定することにより検出される。酸化還元電位が高いほど（例えば０．８〜１．２（Ｖ））、再生装置２１におけるＰＯＭの酸化が良好に行われていると判定される。   Further, the POM regeneration state in the regeneration device 21 is detected by measuring the redox potential with the redox potential monitor 22. It is determined that the higher the redox potential (for example, 0.8 to 1.2 (V)), the better the POM oxidation in the regenerator 21 is.

エアコンプレッサＣは、酸化剤ガス供給路Ｒ３０を介し再生装置２１に空気を供給する。エアコンプレッサＣは、例えば車両の外部から、酸素（Ｏ２）を含む空気を取り込んで再生装置２１に圧送する。なお、本実施例では、酸化剤ガスの一例として空気を挙げるが、酸素やオゾンを酸化剤ガスとして用いることもできる。
The air compressor C supplies air to the regenerator 21 via the oxidant gas supply passage R30. The air compressor C takes in air containing oxygen (O 2 ) from the outside of the vehicle and sends it to the regeneration device 21 under pressure. In the present embodiment, given air as an example of the oxidant gas, it can also be used oxygen or ozone as an oxidant gas.

再生装置２１は、燃料電池１３のカソードから排出されたカソード溶液内のＰＯＭ−Ｈを、空気に含まれる酸素で酸化することでＰＯＭ（酸化体）を再生する。再生装置２１内で行われる酸化反応は、Ｏ２＋４ＰＯＭ−Ｈ→２Ｈ２Ｏ＋４ＰＯＭで表される。 The regeneration device 21 regenerates POM (oxidant) by oxidizing POM-H in the cathode solution discharged from the cathode of the fuel cell 13 with oxygen contained in air. The oxidation reaction performed in the regenerator 21 is represented by O 2 +4POM-H→2H 2 O+4POM.

再生装置２１には、再生したＰＯＭを燃料電池１３に再供給するための溶液供給路Ｒ２０、及び、酸化反応に使用されずに残った空気を排出するための酸化剤ガス排出路Ｒ３１が接続されている。再生装置２１は、残った空気を酸化剤ガス排出路Ｒ３１から排出する。   The regenerator 21 is connected to a solution supply path R20 for re-supplying the regenerated POM to the fuel cell 13 and an oxidant gas exhaust path R31 for exhausting the air not used for the oxidation reaction. ing. The regeneration device 21 discharges the remaining air from the oxidant gas discharge passage R31.

ＰＯＭの還元反応は、再生装置２１内に設けられた例えば円柱状の反応室内で行われる。再生装置２１の反応室には、エアコンプレッサＣから空気が導入され、燃料電池１３のカソードからカソード溶液が導入される。   The reduction reaction of POM is performed in, for example, a cylindrical reaction chamber provided in the regenerator 21. Air is introduced into the reaction chamber of the regenerator 21 from the air compressor C, and a cathode solution is introduced from the cathode of the fuel cell 13.

再生装置２１は、反応室の底面Ｌの溶液導入口２１ａにおいて溶液排出路Ｒ２１と接続され、反応室の底面Ｌの空気供給口２１ｃにおいて酸化剤ガス供給路Ｒ３０と接続される。また、再生装置２１は、反応室の上面Ｕの溶液送出口２１ｂにおいて溶液供給路Ｒ２０と接続され、反応室の上面Ｕの空気排出口２１ｄにおいて酸化剤ガス排出路Ｒ３１と接続されている。なお、溶液送出口２１ｂは送出口の一例である。   The regenerator 21 is connected to the solution discharge passage R21 at the solution introduction port 21a on the bottom surface L of the reaction chamber, and is connected to the oxidant gas supply passage R30 at the air supply port 21c on the bottom surface L of the reaction chamber. The regenerator 21 is connected to the solution supply passage R20 at the solution outlet 21b on the upper surface U of the reaction chamber and is connected to the oxidant gas exhaust passage R31 at the air outlet 21d on the upper surface U of the reaction chamber. The solution delivery port 21b is an example of the delivery port.

再生装置２１はカソード溶液を反応室の底面Ｌの溶液導入口２１ａから導入し、導入されたカソード溶液は、点線で示されるように、反応室内を底面Ｌから上面Ｕへ向かって流れる。再生装置２１は、カソード溶液を反応室の上面Ｕの溶液送出口２１ｂから燃料電池１３に送出する。溶液導入口２１ａは導入口の一例である。   The regenerator 21 introduces the cathode solution from the solution introduction port 21a of the bottom surface L of the reaction chamber, and the introduced cathode solution flows from the bottom surface L to the top surface U in the reaction chamber as shown by the dotted line. The regenerator 21 delivers the cathode solution to the fuel cell 13 from the solution delivery port 21b on the upper surface U of the reaction chamber. The solution introduction port 21a is an example of the introduction port.

また、再生装置２１は、反応室の底面Ｌの空気供給口２１ｃから空気を導入する。反応室の底面Ｌには、例えば微細多孔体などから構成されたフィルタ２１ｇが設けられており、空気は、酸化反応を促進するため、微細泡Ｂとして再生装置２１の反応室に導入される。空気は、点線で示されるように、反応室内を底面Ｌから上面Ｕへ向かって上昇し、上面Ｕの空気排出口２１ｄから排出される。   Further, the regenerator 21 introduces air from the air supply port 21c on the bottom surface L of the reaction chamber. A filter 21g made of, for example, a fine porous body is provided on the bottom surface L of the reaction chamber, and air is introduced into the reaction chamber of the regenerator 21 as fine bubbles B in order to promote the oxidation reaction. As shown by the dotted line, the air rises from the bottom surface L to the top surface U in the reaction chamber and is discharged from the air discharge port 21d of the top surface U.

再生装置２１におけるＰＯＭの酸化反応は気液反応であるため、その反応速度は気体反応などと比べると遅い。このため、例えば燃料電池１３の高出力時、ＰＯＭの再生能力が、要求される出力に対して不十分となり、燃料電池１３から十分な電力を得られないおそれがある。これに対し、再生装置２１のサイズを大きくすれば、酸化反応の時間を稼ぐことができるため、高出力時でも燃料電池から十分な電力を得ることができるが、燃料電池システムが大型化してエネルギー効率が低下するという問題がある。   Since the oxidation reaction of POM in the regenerator 21 is a gas-liquid reaction, its reaction rate is slower than that of a gas reaction or the like. For this reason, for example, when the fuel cell 13 has a high output, the regeneration capacity of the POM becomes insufficient with respect to the required output, and there is a possibility that sufficient power cannot be obtained from the fuel cell 13. On the other hand, if the size of the regenerator 21 is increased, the time for the oxidation reaction can be increased, and thus sufficient power can be obtained from the fuel cell even at high output, but the fuel cell system becomes large and energy consumption is reduced. There is a problem of reduced efficiency.

そこで、燃料電池システムには、ＰＯＭを再生装置２１の溶液送出口２１ｂ側から空気供給口２１ｃ側に循環させる再帰用循環ポンプＰｃ及び再帰用循環路Ｒ３２が備えられている。再帰用循環路Ｒ３２は、再帰用循環ポンプＰｃと再生装置２１を接続する。なお、再帰用循環ポンプＰｃ及び再帰用循環路Ｒ３２は循環装置の一例である。   Therefore, the fuel cell system is provided with a return circulation pump Pc and a return circulation path R32 that circulate the POM from the solution outlet 21b side of the regenerator 21 to the air supply port 21c side. The recursive circulation path R32 connects the recursive circulation pump Pc and the regeneration device 21. The return circulation pump Pc and the return circulation path R32 are examples of a circulation device.

より具体的には、再帰用循環路Ｒ３２は、反応室の上面Ｕの再帰用排出口２１ｅと、反応室の底面Ｌ近傍の側面の再帰用導入口２１ｆとに接続されている。このため、反応室の上面Ｕ付近のカソード溶液が、再帰用循環路Ｒ３２を介して反応室の底面Ｌ付近に戻される。すなわち、溶液送出口２１ｂ側のカソード溶液が空気供給口２１ｃ側に循環する。   More specifically, the recursive circulation path R32 is connected to the recursive outlet 21e on the upper surface U of the reaction chamber and the recursive inlet 21f on the side surface near the bottom surface L of the reaction chamber. Therefore, the cathode solution near the upper surface U of the reaction chamber is returned to the vicinity of the bottom surface L of the reaction chamber via the recursive circulation path R32. That is, the cathode solution on the solution delivery port 21b side circulates on the air supply port 21c side.

反応室の底面Ｌの空気供給口２１ｃ付近では、空気中の酸素濃度が反応室の上面Ｕの溶液送出口２１ｂ付近より高くなる。これは、再生装置２１の反応室の上面Ｕに近いほど、酸化反応で消費される酸素量が増えるためである。   In the vicinity of the air supply port 21c on the bottom surface L of the reaction chamber, the oxygen concentration in the air becomes higher than in the vicinity of the solution delivery port 21b on the upper surface U of the reaction chamber. This is because the closer to the upper surface U of the reaction chamber of the regenerator 21, the amount of oxygen consumed in the oxidation reaction increases.

したがって、再生装置２１から排出されるカソード溶液の一部を再生装置２１の溶液送出口２１ｂ側から空気供給口２１ｃ側に循環させることにより、カソード溶液中の酸化されていないＰＯＭ−Ｈを、酸素濃度の高い空気供給口２１ｃ付近で酸化することが可能となる。これにより、再生装置２１は、燃料電池１３が高出力である場合でも、要求される出力に対して十分な再生能力を発揮することができる。なお、空気の供給量に関し、例えば、空気のストイキ比を２以上に維持することで、再生装置２１内の酸素不足を回避することが可能である。   Therefore, by circulating a part of the cathode solution discharged from the regenerator 21 from the solution outlet 21b side of the regenerator 21 to the air supply port 21c side, the non-oxidized POM-H in the cathode solution is changed to oxygen. It becomes possible to oxidize near the high-concentration air supply port 21c. As a result, the regeneration device 21 can exhibit a sufficient regeneration ability for the required output even when the fuel cell 13 has a high output. Regarding the air supply amount, for example, by maintaining the stoichiometric ratio of air at 2 or more, it is possible to avoid the lack of oxygen in the regeneration device 21.

また、本実施例において、再生装置２１には再帰用循環ポンプＰｃ及び再帰用循環路Ｒ３２が接続されるが、再生装置２１のサイズ自体を大きくする必要はない。このため、燃料電池システム全体のサイズの増加が抑制されるので、例えば自動車のような設置スペースが狭いものであっても、本実施例の燃料電池システムを搭載することが可能となる。   Further, in the present embodiment, the recurrence circulation pump Pc and the recurrence circulation path R32 are connected to the regeneration device 21, but it is not necessary to increase the size of the regeneration device 21 itself. Therefore, the increase in the size of the entire fuel cell system is suppressed, so that the fuel cell system according to the present embodiment can be installed even in a small installation space such as an automobile.

よって、本実施例の燃料電池システムによると、大型化することなくメディエータの再生性能が向上される。   Therefore, according to the fuel cell system of the present embodiment, the regeneration performance of the mediator is improved without increasing the size.

（第２実施例）
図２は、第２実施例の燃料電池システムを示す構成図である。図２において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。 (Second embodiment)
FIG. 2 is a configuration diagram showing the fuel cell system of the second embodiment. 2, the same components as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

第１実施例において、再生装置２１内のカソード溶液及び空気は、反応室の底面Ｌから上面Ｕに向かって流れるが、これに限定されず、本例のように、再生装置２１内のカソード溶液及び空気の各流れ方向を互いに反対方向としてもよい。   In the first embodiment, the cathode solution and the air in the regenerator 21 flow from the bottom surface L of the reaction chamber toward the upper surface U, but the present invention is not limited to this. The air flow directions may be opposite to each other.

本例の再生装置２１において、溶液導入口２１ａは反応室の上面Ｕに設けられ、溶液送出口２１ｂは反応室の底面Ｌに設けられている。このため、カソード溶液は、再生装置２１の反応室内を上面Ｕから底面Ｌに向かって流れる。   In the regeneration device 21 of this example, the solution inlet 21a is provided on the upper surface U of the reaction chamber, and the solution outlet 21b is provided on the bottom surface L of the reaction chamber. Therefore, the cathode solution flows from the upper surface U to the bottom surface L in the reaction chamber of the regenerator 21.

また、再帰用排出口２１ｅ及び再帰用導入口２１ｆは、反応室の底面Ｌ付近に設けられている。より具体的には、再帰用排出口２１ｅは溶液送出口２１ｂの近傍の側面に設けられ、再帰用導入口２１ｆは空気供給口２１ｃの近傍の側面に設けられている。再帰用排出口２１ｅ及び再帰用導入口２１ｆは、例えば、再生室を上面視した場合に底面Ｌの中心を挟んで対称な位置に存在する。   The recursive outlet 21e and the recursive inlet 21f are provided near the bottom surface L of the reaction chamber. More specifically, the recursive outlet 21e is provided on the side surface near the solution outlet 21b, and the recursive inlet 21f is provided on the side surface near the air supply port 21c. The recursive discharge port 21e and the recursive introduction port 21f are present, for example, at symmetrical positions with the center of the bottom surface L in between when the regeneration chamber is viewed from above.

このため、再帰用循環ポンプＰｃ及び再帰用循環路Ｒ３２は、再生装置２１から排出されるカソード溶液の一部を再生装置２１の溶液送出口２１ｂ側から空気供給口２１ｃ側に循環させることができる。したがって、第１実施例と同様に、カソード溶液中の酸化されていないＰＯＭ−Ｈを、酸素濃度の高い空気供給口２１ｃ付近で酸化することが可能となる。   Therefore, the return circulation pump Pc and the return circulation path R32 can circulate a part of the cathode solution discharged from the regenerator 21 from the solution outlet 21b side of the regenerator 21 to the air supply port 21c side. .. Therefore, as in the first embodiment, it is possible to oxidize unoxidized POM-H in the cathode solution near the air supply port 21c where the oxygen concentration is high.

（第３実施例）
図３は、第３実施例の燃料電池システムを示す構成図である。図３において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。 (Third embodiment)
FIG. 3 is a configuration diagram showing the fuel cell system of the third embodiment. 3, the same components as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

第１実施例及び第２実施例において、再帰用循環ポンプＰｃ及び再帰用循環路Ｒ３２は、常時、カソード溶液を循環させるが、本例のように、燃料電池１３の状態に応じて必要な場合にのみカソード溶液を循環させてもよい。   In the first and second embodiments, the return circulation pump Pc and the return circulation path R32 always circulate the cathode solution. However, when it is necessary according to the state of the fuel cell 13 as in this example. The cathode solution may be circulated only in the above.

燃料電池システムは、制御装置３と、水素タンク１１と、燃料ガス調圧弁１２と、燃料電池１３と、パージ弁１４と、水素循環ポンプＰｈと、再生装置２１と、レドックス電位モニタ２２と、三方弁２３と、溶液循環ポンプＰｏと、エアコンプレッサＣとを有する。   The fuel cell system includes a control device 3, a hydrogen tank 11, a fuel gas pressure regulating valve 12, a fuel cell 13, a purge valve 14, a hydrogen circulation pump Ph, a regeneration device 21, a redox potential monitor 22, and a three-way valve. It has a valve 23, a solution circulation pump Po, and an air compressor C.

三方弁２３は、溶液供給路Ｒ２０上のレドックス電位モニタ２２より下流側に設けられ、再帰用循環路Ｒ２３を介して溶液排出路Ｒ２１に接続されている。三方弁２３は、制御装置３からの制御信号に従い弁を開閉することで、カソード溶液の流れる方向を、燃料電池１３のカソードに向かう方向Ｄａと溶液排出路Ｒ２１に向かう方向Ｄｂの間で切り替える。   The three-way valve 23 is provided on the solution supply path R20 on the downstream side of the redox potential monitor 22, and is connected to the solution discharge path R21 via the return circulation path R23. The three-way valve 23 opens and closes the valve in accordance with a control signal from the control device 3 to switch the flow direction of the cathode solution between the direction Da toward the cathode of the fuel cell 13 and the direction Db toward the solution discharge passage R21.

三方弁２３が、カソード溶液の流れる方向を方向Ｄａとした場合、カソード溶液は燃料電池１３と再生装置２１の間で循環する。また、三方弁２３が、カソード溶液の流れる方向を方向Ｄｂとした場合、カソード溶液は、再生装置２１の溶液送出口２１ｂ側から空気供給口２１ｃ側に循環する。なお、溶液供給路Ｒ２０、溶液排出路Ｒ２１、再帰用循環路Ｒ２３、三方弁２３、及び溶液循環ポンプＰｏは、循環装置の一例である。   When the three-way valve 23 sets the flow direction of the cathode solution to the direction Da, the cathode solution circulates between the fuel cell 13 and the regenerator 21. Further, when the three-way valve 23 sets the flowing direction of the catholyte solution as the direction Db, the catholyte solution circulates from the solution delivery port 21b side of the regenerator 21 to the air supply port 21c side. The solution supply passage R20, the solution discharge passage R21, the return circulation passage R23, the three-way valve 23, and the solution circulation pump Po are examples of the circulation device.

制御装置３は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）回路を備えており、レドックス電位モニタ２２から酸化還元電位を取得し、酸化還元電位に基づいて制御信号により三方弁２３を制御する。制御装置３としては、例えば電子制御ユニット（ECU: Electronic Control Unit）が挙げられる。   The control device 3 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) circuit, acquires the redox potential from the redox potential monitor 22, and controls the three-way valve 23 by a control signal based on the redox potential. Examples of the control device 3 include an electronic control unit (ECU).

再生装置２１に高い再生能力が要求される場合としては、例えば、高い負荷が継続する場合、低負荷から高負荷に遷移する場合、高負荷後にアイドリング状態となった場合が挙げられる。制御装置３は、一例として高負荷後のアイドリング状態に応じて、三方弁２３のカソード溶液の流れる方向を方向Ｄａから方向Ｄｂに切り替える。   Examples of the case where the reproducing apparatus 21 is required to have a high reproducing ability include a case where a high load continues, a case where a low load changes to a high load, and a case where the idling state occurs after the high load. As an example, the control device 3 switches the flowing direction of the cathode solution of the three-way valve 23 from the direction Da to the direction Db according to the idling state after the high load.

このため、高負荷後のアイドリング状態において、カソード溶液は、再生装置２１から燃料電池１３に送出されず、燃料電池１３を迂回するように、再帰用循環路Ｒ２３を介して再生装置２１の溶液送出口２１ｂ側から空気供給口２１ｃ側に循環する。これにより、再生装置２１は、ＰＯＭの酸化が促進されるため、アイドリング後に高負荷の状態が生じても、十分に酸化されたＰＯＭを含むカソード溶液を燃料電池１３に供給することができる。   Therefore, in the idling state after the high load, the cathode solution is not delivered from the regenerator 21 to the fuel cell 13, and the solution of the regenerator 21 is delivered via the recursive circulation path R23 so as to bypass the fuel cell 13. It circulates from the outlet 21b side to the air supply port 21c side. As a result, the regeneration device 21 promotes the oxidation of the POM, and thus, even if a high load state occurs after idling, the cathode solution containing the sufficiently oxidized POM can be supplied to the fuel cell 13.

図４は、制御装置３の動作例を示すフローチャートである。なお、本動作の開始時において、三方弁２３のカソード溶液の流れる方向は方向Ｄａに設定されている。   FIG. 4 is a flowchart showing an operation example of the control device 3. At the start of this operation, the flow direction of the cathode solution of the three-way valve 23 is set to the direction Da.

制御装置３は、レドックス電位モニタ２２から酸化還元電位を取得する（ステップＳｔ１）。次に、制御装置３は、酸化還元電位を閾値ＴＨａと比較する（ステップＳｔ２）。   The control device 3 acquires the redox potential from the redox potential monitor 22 (step St1). Next, the control device 3 compares the redox potential with the threshold value THa (step St2).

制御装置３は、酸化還元電位が閾値ＴＨａ以上である場合（ステップＳｔ２のＮｏ）、再びステップＳｔ１の処理を実行する。この場合、制御装置３は、ＰＯＭの酸化が良好であるため、三方弁２３の方向の切り替えを行わない。   When the oxidation-reduction potential is equal to or higher than the threshold value THa (No in step St2), the control device 3 executes the process of step St1 again. In this case, the control device 3 does not switch the direction of the three-way valve 23 because the oxidation of POM is good.

また、制御装置３は、酸化還元電位が閾値ＴＨａ未満である場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）、三方弁２３のカソード溶液の流れる方向を方向Ｄａから方向Ｄｂに切り替える（ステップＳｔ３）。この場合、制御装置３は、ＰＯＭの酸化が不十分であるため、三方弁２３の制御を行うことにより、再生装置２１から送出されたカソード溶液を再生装置２１に循環させて、ＰＯＭを十分に酸化させる。   When the oxidation-reduction potential is less than the threshold value THa (Yes in step St2), the control device 3 switches the flowing direction of the cathode solution of the three-way valve 23 from the direction Da to the direction Db (step St3). In this case, since the POM is not sufficiently oxidized, the control device 3 controls the three-way valve 23 to circulate the cathode solution sent from the regenerator 21 to the regenerator 21 to ensure sufficient POM. Oxidize.

次に、制御装置３は、レドックス電位モニタ２２から酸化還元電位を取得する（ステップＳｔ４）。次に、制御装置３は、酸化還元電位を閾値ＴＨｂと比較する（ステップＳｔ５）。   Next, the control device 3 acquires the redox potential from the redox potential monitor 22 (step St4). Next, the control device 3 compares the redox potential with the threshold value THb (step St5).

制御装置３は、酸化還元電位が閾値ＴＨｂ未満である場合（ステップＳｔ５のＮｏ）、再びステップＳｔ４の処理を実行する。この場合、制御装置３は、ＰＯＭの酸化が十分な程度には至っていないため、三方弁２３の切り替えた方向を維持する。   When the oxidation-reduction potential is less than the threshold value THb (No in step St5), the control device 3 executes the process of step St4 again. In this case, the control device 3 maintains the switching direction of the three-way valve 23 because the oxidation of POM has not reached a sufficient level.

また、制御装置３は、酸化還元電位が閾値ＴＨｂ以上である場合（ステップＳｔ５のＹｅｓ）、三方弁２３のカソード溶液の流れる方向を方向Ｄｂから方向Ｄａに切り戻す（ステップＳｔ６）。この場合、制御装置３は、ＰＯＭの酸化が十分な程度に至ったため、三方弁２３の方向を元に戻すことにより、カソード溶液を再生装置２１と燃料電池１３のカソードの間で再び循環させる。   Further, when the oxidation-reduction potential is equal to or higher than the threshold value THb (Yes in step St5), the control device 3 switches the flow direction of the cathode solution of the three-way valve 23 from the direction Db to the direction Da (step St6). In this case, since the POM has reached a sufficient degree of oxidation, the control device 3 returns the direction of the three-way valve 23 to the original direction to circulate the cathode solution again between the regenerator 21 and the cathode of the fuel cell 13.

ここで、閾値ＴＨｂは、閾値ＴＨａと同一でもよいが、閾値ＴＨａより大きくしてもよい。この場合、制御装置３は、酸化還元電位が閾値ＴＨａ近傍で変動した場合であっても、三方弁２３の切り替え及び切り戻しを繰り返すことがないため、三方弁２３の制御が安定化する。なお、閾値ＴＨａ，ＴＨｂは、例えば０．８〜０．８５（Ｖ）としてもよい。   Here, the threshold THb may be the same as the threshold THa, or may be larger than the threshold THa. In this case, the control device 3 does not repeat switching and switching back of the three-way valve 23 even when the oxidation-reduction potential fluctuates in the vicinity of the threshold value THa, so the control of the three-way valve 23 is stabilized. The thresholds THa and THb may be 0.8 to 0.85 (V), for example.

このように、本例の燃料電池システムは、ＰＯＭの酸化還元電位に基づき三方弁２３を制御するため、適時に再生装置２１から送出されたカソード溶液を再生装置２１に循環させて、ＰＯＭを十分に酸化させることができる。   As described above, in the fuel cell system of this example, since the three-way valve 23 is controlled based on the oxidation-reduction potential of POM, the cathode solution sent from the regenerator 21 is circulated to the regenerator 21 in a timely manner to ensure sufficient POM. Can be oxidized to

なお、本例の制御装置３は、酸化還元電位に応じて三方弁２３を制御したが、これに限定されない。例えば、図３に点線で示されるように、電圧計Ｅにより燃料電池１３のＯＣＶ（Open Circuit Voltage（開回路電圧））を測定しておき、制御装置３は、酸化還元電位に代えて、ＯＣＶに基づいて三方弁２３を制御してもよい。この場合、図４のフローチャートのステップＳｔ１，Ｓｔ４では、酸化還元電位に代えてＯＣＶが取得され、ステップＳｔ２，Ｓｔ５では、酸化還元電位に代えてＯＣＶが閾値ＴＨａ，ＴＨｂと比較される。この場合も、上記で述べた作用効果が得られる。   Although the control device 3 of the present example controls the three-way valve 23 according to the redox potential, the present invention is not limited to this. For example, as indicated by the dotted line in FIG. 3, the voltmeter E measures the OCV (Open Circuit Voltage) of the fuel cell 13, and the control device 3 replaces the redox potential with the OCV. The three-way valve 23 may be controlled based on In this case, in steps St1 and St4 of the flowchart of FIG. 4, OCV is acquired instead of the redox potential, and in steps St2 and St5, OCV is compared with the thresholds THa and THb instead of the redox potential. Also in this case, the above-described effects can be obtained.

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。   The embodiment described above is an example of the preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

１３ 燃料電池
２１ 再生装置
２１ａ 溶液導入口
２１ｂ 溶液送出口
２１ｃ 空気供給口
２１ｄ 空気排出口
２２ レドックス電位モニタ
Ｐｃ 再帰用循環ポンプ
Ｒ３２ 再帰用循環路 13 Fuel Cell 21 Regeneration Device 21a Solution Inlet 21b Solution Outlet 21c Air Supply 21d Air Outlet 22 Redox Potential Monitor Pc Recursive Circulation Pump R32 Recursive Circulation

Claims (1)

カソードと、アノードと、前記カソード及び前記アノードの間のプロトン伝導性の膜を有し、前記カソードに供給されたメディエータを、前記アノードに供給された燃料ガスから生ずるプロトンで還元することにより発電する燃料電池と、
前記燃料ガスで還元された前記メディエータを、導入口から導入された酸化剤ガスで酸化して送出口から前記カソードに送出する再生装置と、
前記メディエータを前記送出口の近傍から、前記再生装置の外部のポンプ及び経路を介して前記導入口の近傍に循環させる循環装置とを備える燃料電池システム。
 A cathode, an anode, having said cathode and a proton conductive membrane between the anode, the mediator supplied to the cathode, generates electricity by reduction with protons resulting from the supplied fuel gas to the anode A fuel cell,
A regenerator that oxidizes the mediator reduced by the fuel gas with an oxidant gas introduced from an inlet and delivers it to the cathode from an outlet.
Fuel cell system comprising a circulation device for circulating the mediator from the vicinity of the outlet, in the vicinity of the inlet port via an external pump and route of the reproducing apparatus.
JP2016246560A 2016-12-20 2016-12-20 Fuel cell system Active JP6702170B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016246560A JP6702170B2 (en) 2016-12-20 2016-12-20 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016246560A JP6702170B2 (en) 2016-12-20 2016-12-20 Fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018101530A JP2018101530A (en) 2018-06-28
JP6702170B2 true JP6702170B2 (en) 2020-05-27

Family

ID=62714499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016246560A Active JP6702170B2 (en) 2016-12-20 2016-12-20 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6702170B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7240638B2 (en) * 2019-08-30 2023-03-16 住友電気工業株式会社 REDOX FLOW BATTERY SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF REDOX FLOW BATTERY SYSTEM

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003100337A (en) * 2001-09-25 2003-04-04 Sumitomo Electric Ind Ltd Intermittent circulation type redox flow cell
JP2009016217A (en) * 2007-07-05 2009-01-22 Sumitomo Electric Ind Ltd Redox flow battery system, and operation method thereof
FI122525B (en) * 2009-10-02 2012-03-15 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Process and system for cleaning anode gas in a fuel cell
CN104272513B (en) * 2012-03-05 2017-07-18 Eos控股公司 Redox flow batteries for hydrogen manufacturing
JP6119661B2 (en) * 2014-04-22 2017-04-26 トヨタ自動車株式会社 FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018101530A (en) 2018-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2011508947A (en) Combustion of hydrogen at the cathode of a fuel cell at start-up
CN109643811B (en) Catalyst degradation recovery device and catalyst degradation recovery method
JP2007128745A (en) Electrochemical energy generation device and its operation method, as well as electrochemical device
JP2010055927A (en) Fuel cell system
US6896792B2 (en) Method and device for improved catalytic activity in the purification of fluids
JP2009016170A (en) Fuel cell system and control device of fuel cell system
JP2007103172A (en) Fuel cell system and its gas discharge method
JP5425358B2 (en) Method of stopping polymer electrolyte fuel cell system and polymer electrolyte fuel cell system
JP2007109428A (en) Fuel cell system
JP5711010B2 (en) Method for stopping operation of fuel cell system
JP2006228553A (en) Operation method for fuel cell
JP5850094B2 (en) Redox fuel cell
JP2008108536A (en) Fuel cell system, and its control method
JP2009289681A (en) Method of cleaning fuel cell
JP2005032652A (en) Fuel cell system
JP6702170B2 (en) Fuel cell system
JP2008269911A (en) Fuel cell system, and gas pressure control method in fuel cell system
JP2007048517A (en) Fuel cell system
JP5872315B2 (en) Method and apparatus for starting fuel cell system
JP2007323863A (en) Fuel cell system and shutdown method of fuel cell
JP5187477B2 (en) Fuel cell system
JP6702176B2 (en) Fuel cell system
JP2006302578A (en) Operation method of fuel cell and fuel cell system
JP3685136B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP2007265910A (en) Fuel cell system and its operation method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190222

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20191211

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20191224

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200204

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200407

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200420

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6702170

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151