[發(fā)明專利]燃料電池系統(tǒng)及其運行方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680039298.0
• 申請日: 2006-10-19
• 公開（公告）號: CN101292385A
• 公開（公告）日: 2008-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 牟田葵;辻庸一郎;玄番美穗
• 申請（專利權(quán)）人: 松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/10
• 代理公司: 北京紀凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 劉春成

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及利用包含氫的燃料氣體以及包含氧的氧化劑氣體來進行發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)及其運行方法。

背景技術(shù)

目前，可進行高效率的小規(guī)模發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)容易進行為了利用在發(fā)電時所產(chǎn)生的熱能而進行的系統(tǒng)構(gòu)筑，所以作為能夠?qū)崿F(xiàn)高的能量利用效率的分散型的發(fā)電系統(tǒng)，正在不斷進行著開發(fā)。

燃料電池系統(tǒng)具備燃料電池作為其發(fā)電部的主體。作為該燃料電池，例如使用磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、堿性水溶液型燃料電池或者高分子電解質(zhì)型燃料電池。在這些燃料電池中，高分子電解質(zhì)型燃料電池可以在130℃～150℃程度的比較低的溫度下進行發(fā)電，同時，具有輸出密度高并且壽命長的特征。因此，高分子電解質(zhì)型燃料電池被期待應用于要求高輸出特性和短時間啟動的電動汽車的動力電源以及要求具有長期可靠性的家庭用熱電聯(lián)供系統(tǒng)等。

在高分子電解質(zhì)型燃料電池中，在發(fā)電運行時，向陽極側(cè)供給包含氫的燃料氣體，同時向陰極側(cè)供給包含氧的氧化劑氣體。這樣，在高分子電解質(zhì)型燃料電池的陽極上，所供給的氫被轉(zhuǎn)換成電子和質(zhì)子。在陽極上所產(chǎn)生的電子經(jīng)由連接于燃料電池系統(tǒng)的外部負載到達高分子電解質(zhì)型燃料電池的陰極。還有，在陽極上所產(chǎn)生的質(zhì)子通過高分子電解質(zhì)膜而到達陰極。另一方面，在高分子電解質(zhì)型燃料電池的陰極上，經(jīng)過外部負載而到達的電子和通過高分子電解質(zhì)膜而到達的質(zhì)子以及供給陰極側(cè)的氧被利用而生成水。還有，燃料氣體例如由從甲烷通過水蒸氣重整反應而生成氫的燃料氣體供給裝置所供給。另外，氧化劑氣體是由例如由西洛克風扇從大氣中取入空氣的氧化劑氣體供給裝置而供給的。

但是，在具備高分子電解質(zhì)型燃料電池的燃料電池系統(tǒng)中，為了確保從陽極側(cè)到陰極側(cè)的質(zhì)子的傳導性，有必要將高分子電解質(zhì)膜維持在濕潤狀態(tài)。因此，在該燃料電池系統(tǒng)中，將被加濕的燃料氣體以及被加濕的氧化劑氣體分別供給陽極側(cè)以及陰極側(cè)。還有，在該燃料電池系統(tǒng)中，為了充分確保在將化學反應的自由能變化轉(zhuǎn)換成電能時的能量的轉(zhuǎn)換效率，例如，在把燃料氣體的露點設(shè)定為Tda、把氧化劑氣體的露點設(shè)定為Tdc、把高分子電解質(zhì)型燃料電池的溫度設(shè)定為Tcell的情況下，在滿足Tcell＞Tda并且Tcell＞Tdc的相互關(guān)系的運行條件(以下稱該運行條件為“低加濕運行條件”)之下運行高分子電解質(zhì)型燃料電池。由此，燃料電池系統(tǒng)經(jīng)過長時間穩(wěn)定發(fā)揮指定的發(fā)電性能(例如參照專利文獻1)。

另外，在燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電運行中，在燃料電池系統(tǒng)生成的電能以及熱能的任何一個都不需要的情況下，沒有必要進行發(fā)電運行，所以通常根據(jù)情況采用啟動或者停止高分子電解質(zhì)型燃料電池的發(fā)電運行的啟動停止型的運行方法。該在啟動停止型的運行方法中，在電能以及熱能的任何一個都不需要的情況下，燃料電池系統(tǒng)的控制裝置使燃料氣體供給裝置以及氧化劑氣體供給裝置的動作停止，之后，切斷高分子電解質(zhì)型燃料電池和外部負載的電連接。由此，高分子電解質(zhì)型燃料電池成為開路狀態(tài)。于是，控制裝置為了防止高分電解質(zhì)膜的干燥，將加濕了的惰性氣體封入高分子電解質(zhì)型燃料電池的內(nèi)部?；蛘?，控制裝置切斷高分子電解質(zhì)型燃料電池與燃料氣體供給裝置以及氧化劑氣體供給裝置的連接，密閉燃料氣體用流路以及氧化劑氣體用流路。由此，燃料電池系統(tǒng)防止經(jīng)過長時間而產(chǎn)生的高分子電解質(zhì)膜的干燥(例如，參照專利文獻2、3、4)。

專利文獻1：日本特愿平04-502749號公報

專利文獻2：日本特開平06-251788號公報

專利文獻3：日本特開2004-163037號公報

專利文獻4：日本特開2004-006166號公報

發(fā)明內(nèi)容

然而，在上述的現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)中，盡管利用封入加濕的惰性氣體或者密閉燃料氣體用流路以及氧化劑氣體用流路來防止經(jīng)過長時間而產(chǎn)生的高分子電解質(zhì)膜的干燥，但是存在著高分子電解質(zhì)膜的劣化持續(xù)進行從而高分子電解質(zhì)型燃料電池的發(fā)電性能隨著時間而降低的問題。這是因為，在燃料電池系統(tǒng)停止發(fā)電運行的時候，在低加濕運行條件之下運行的高分子電解質(zhì)型燃料電池被切斷與外部負載的電連接，從而成為開路狀態(tài)。

本發(fā)明是為了解決上述課題而做出的，目的在于，提供可防止以低加濕運行條件進行運行的高分子電解質(zhì)型燃料電池過渡到開路狀態(tài)時的高分子電解質(zhì)膜的劣化并且具備優(yōu)良的耐久性的燃料電池系統(tǒng)以及其運行方法。