燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池系统，其在燃料电池的运行停止时进行向阳极和／或阴极供给惰性气体的清洗操作，当将阳极的入口侧流路的压力Ｐａ与阴极的入口侧流路的压力Ｐｃ的压差定义为△Ｐ＝Ｐａ－Ｐｃ时，控制清洗时的压差，以使运行状态时的压差△Ｐｏ与清洗时的压差△Ｐｐ满足０＜△Ｐｏ×△Ｐｐ的关系。由此，可以减小对固体电解质膜的压力，提高燃料电池的长期可靠性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统
本专利技术涉及使用固体高分子型燃料电池进行发电的燃料电池系统。
技术介绍
燃料电池基本上由夹着具有离子传导性的电解质的一对电极，即阳极和阴极，以及夹有它们的阳极侧隔板和阴极侧隔板构成。阳极侧隔板具有向阳极供给燃料的流路，阴极侧隔板具有向阴极供给氧化剂的流路。通过向阳极供给燃料，例如氢气或乙醇等，向阴极供给氧化剂，例如氧气或空气，并通过在各电极上发生的氧化或还原反应，将这些反应物质所具有的化学能转化为电能，并产生电流。在这样的燃料电池中，有一种使用具有氢离子传导性的高分子膜作为电解质，使用氢气或以氢气为主要成分的混合气体作为燃料，使用氧气或空气等气体作为氧化剂的类型。在该燃料电池中，氢气在阳极上通过式(1)的反应被氧化产生电子和氢离子。氢离子在固体电解质膜中移动而到达阴极侧。另一方面，电子经过外部电路到达阴极，在阴极的氧气和电子以及氢离子通过式(2)的反应被还原生成水。        (1)    (2)该燃料电池的电解质固体高分子膜只在湿润状态下才发挥离子导电性。因此，要维持高发电性能，只有由式(2)的反应生成的水分是不够的，需要从外部补给水分。一般来说，向燃料电池供给运行所需的水分的方法采用，使用在燃料电池的本体内部或外部设置的，用于加湿向燃料电池供给的气体的装置。此外，该燃料电池的运行温度由于受到电解质固体高分子膜的耐热性能的制约，通常为90℃以下。但是，由于式(1)和(2)的反应在90℃以下的环境中难以发生，所以，前述的阳极和阴极需要具备具-->有活化这些反应的作用的催化剂。因此，在该燃料电池的阳极和阴极上使用催化性能高的铂。作为具备这种燃料电池的现有的燃料电池系统的一例，有一种具有图1中所示的构成的系统(例如，参照专利文献1)。即，该系统包括燃料电池10，其通过使从氢气供给装置11供给的氢气，和从空气供给装置12通过加湿器13被加湿并供给的空气中的氧气进行反应而发电。包括，为了回收电极反应的热而使冷却水在燃料电池10中循环的泵16，以及将由燃料电池10发电的直流电转换为交流的逆变器25。经过泵16循环的冷却水将从燃料电池中得到的热能在热交换器19中释放。另一方面，通过泵17循环的热水储槽18内的水从热交换器19吸收热，以温水被储存在热水储槽18中。在该现有的系统中，在燃料电池10的与燃料气体入口14a连接的流路14和与空气入口15a连接的流路15中，分别设置了三通阀21和22。其被构造成为，在燃料电池10停止运行时，通过惰性气体气瓶20将惰性气体供给给燃料气体流路和空气流路中。14b为燃料气体的出口，15b为空气的出口。以该例为代表的燃料电池系统，为了有效地使用燃料气体的化学能，需要根据供给端的电力需要而改变运行输出或反复进行启动或停止操作。但是，在启动和停止作为发电源的燃料电池时，由于存在以下的问题，所以需要将阳极或阴极的任何一极或两极的气体置换成惰性气体，即需要进行惰性气体清洗。首先，作为启动和停止时的问题点，可以举出：第一，从安全性的观点出发，需要从停止时的燃料电池中除去氢气。这是因为，由于隔开阳极和阴极的固体高分子膜透过氧气和氢气，在燃料电池长时间维持运行停止状态时，氢气和氧气成为混合状态。第二，从发电效率的观点出发，需要除去阴极中的氧气。这是因为，在无负荷状态下阴极中存在氧气时，阴极变成相对于标准氢电极约1V的电位，该电位引起电极催化剂铂的氧化反应和溶解反应，从而降低电极的催化能力。第三，从启动的稳定性的观点出发，需要除去阳极和阴极中的水蒸气。由于向燃料电池供给的气体已经被加湿，而且加上由式(2)的-->反应的生成水，燃料电池内部的气体在运行时的温度下处于相对湿度接近100％的状态。虽然燃料电池的运行温度通常为60℃～80℃，但在燃料电池停止时，在燃料电池内部滞留的气体被冷却到室温附近。因此，气体中的水分凝集。燃料电池在启动时，由于燃料电池处于温度低的状态，该凝集水以液体的状态滞留在电池内。该凝集的水分覆盖铂表面，或者堵塞多孔体气体扩散层的孔，引起隔板的气体流路的闭塞，因而阻碍气体的扩散，启动时发电不稳定。作为用于解决这些问题的清洗方法，最通常的方法是，如图1所示，在系统中装载氮气等惰性气体的气瓶20，通过燃料电池10的燃料气体入口14a侧的流路14和空气的入口15a侧的流路15，以气瓶的压力为动力，在燃料电池停止时供给惰性气体的方法。其它目前已被提出的方法有：由冷却水清洗的方法(例如，专利文献2)；除去阴极排出气体中的氧气后，再向燃料电池供给的方法(例如，专利文献3)；将燃料氢气和空气燃烧后，向燃料电池供给的方法(例如，专利文献4)等。专利文献1：日本特开平11-214025号公报专利文献2：日本特开平06-251788号公报专利文献3：日本特开平06-203865号公报专利文献4：日本特开2002-50372号公报
技术实现思路
现有技术的清洗的目的在于，将停止时燃料电池中存在的气体置换成惰性气体。此外，如果考虑燃料电池的启动和停止特性，希望清洗时间尽可能短。因此，作为满足这些要求的清洗条件，希望提供一种清洗方法，其通过供给大流量的惰性气体，在短时间内置换燃料电池内的气体。但是，当运行时供给的气体量与清洗时供给的气体量之间的差别大时，存在燃料电池内阳极与阴极之间的压差急剧变化的问题。该类型的燃料电池通常使用几十微米的厚度的固体高分子膜。该固体高分子膜除了要求具有电解质的功能之外，还要求具有隔离阳极的燃料气体和阴极的氧化剂气体的功能。固体高分子膜由于阳极与阴-->极间的压差通常成为形变的状态。该形变量的急剧的变化会使固体高分子膜的强度降低，因此，由于日常运行的反复启动和停止引起的固体高分子膜达到破损所用的时间变短。特别地，如果运行时和清洗时的阳极和阴极的压力损失的大小成逆转关系，固体高分子膜会从阳极侧向阴极侧振动，因而会使固体高分子膜的强度显著降低。即，根据现有技术的清洗方法反复地进行不控制压差的清洗所存在的课题在于，降低燃料电池的长期可靠性。本专利技术就是为了解决上述现有技术中的课题而完成的，其目的在于，测定阳极燃料气体与阴极氧化剂气体的压力，根据该测定值控制阳极或者阴极的压力，由此，提高反复进行启动和停止的燃料电池的长期可靠性。为了解决上述现有的课题，本专利技术的燃料电池系统具备：燃料电池、向前述燃料电池的阳极供给燃料气体的燃料气体供给装置、向前述燃料电池的阴极供给氧化剂气体的氧化剂气体供给装置、向前述燃料电池的阳极和/或阴极供给惰性气体的惰性气体供给装置、测定前述燃料电池的阳极的入口侧流路的压力Pa和阴极的入口侧流路的压力Pc的装置。该燃料电池系统被构成为，在前述燃料电池启动或停止时，通过前述惰性气体供给装置进行将前述燃料电池内的燃料气体和/或氧化剂气体置换成惰性气体的清洗操作。当将压差定义为ΔP＝Pa-Pc时，运行状态时的压差ΔPo与清洗时的压差ΔPp满足0＜ΔPo×ΔPp的关系。这里，优选ΔPo与ΔPp为|ΔPp|≤|ΔPo|的关系。更优选为ΔPo＝ΔPp的关系。本专利技术的优选实施方式中包括，根据前述燃料电池的清洗时的Pa和Pc的值增加或减少向前述燃料电池供给的惰性气体的供给量的控制装置。根据该实施方式可以有效地控制ΔPo与ΔPp的关系，因此，可以防止甚至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，具备：燃料电池；向所述燃料电池的阳极供给燃料气体的燃料气体供给装置；向所述燃料电池的阴极供给氧化剂气体的氧化剂气体供给装置；向所述燃料电池的阳极和／或阴极供给惰性气体的惰性气体供给装置；测定所述燃料电池的阳极的入口侧流路的压力Ｐａ和阴极的入口侧流路的压力Ｐｃ的装置，并且被构成为，在所述燃料电池启动或停止时，通过所述惰性气体供给装置进行将所述燃料电池内的燃料气体和／或氧化剂气体置换成惰性气体的清洗操作，其特征在于，当将压差定义为△Ｐ＝Ｐａ－Ｐｃ时，在运 行状态时的压差△Ｐｏ与清洗时的压差△Ｐｐ满足０＜△Ｐｏ×△Ｐｐ的关系。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2004-1-21 013107/20041.一种燃料电池系统，具备：燃料电池；向所述燃料电池的阳极供给燃料气体的燃料气体供给装置；向所述燃料电池的阴极供给氧化剂气体的氧化剂气体供给装置；向所述燃料电池的阳极和/或阴极供给惰性气体的惰性气体供给装置；测定所述燃料电池的阳极的入口侧流路的压力Pa和阴极的入口侧流路的压力Pc的装置，并且被构成为，在所述燃料电池启动或停止时，通过所述惰性气体供给装置进行将所述燃料电池内的燃料气体和/或氧化剂气体置换成惰性气体的清洗操作，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴田础一，浦田隆行，菅原靖，梅田孝裕，森田纯司，羽藤一仁，北野幸信，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]